CN111159903A - 一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计和制造方法，首先给出了几种三周期极小曲面的函数表达式，采用该算法可以建立热交换装置中的流体通道；然后给出了通道的体积分数控制方法，通过各通道的热量需求，确定函数参数；最后，建立了多通道紧凑型热交换装置的模型，并指出采用选区激光熔化的增材制造工艺，一体化成形该装置。该装置可实现多种流体在紧凑空间中的热交换，内部的三周期极小曲面多孔结构因其优良的拓扑构型，具有消除热应力、提高热交换装置热疲劳寿命的特性，适用于航空航天飞行器、汽车发动机的油液冷却或燃料预热等领域。

Description

一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计和制造方法

技术领域

本发明属于热交换技术领域，涉及多通道多流体热交换，具体涉及一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计和制造方法。

背景技术

现有的热交换器通常是冷热流体被间壁隔开，通过间壁换热，一般有管式和板式两种结构形式，用作冷凝器、蒸发器、冷却器、加热器等，它们多采用焊接、装配的方式进行制造，工艺流程复杂，易出现焊接缺陷、装配误差等，造成液体渗漏、性能不稳定，难以承受动态冲击等。另外，由于热交换器的内部结构复杂，受限于传统加工工艺，这些热交换器难以实现多种流体在一个紧凑空间的换热，并难以根据热力场的分布，成形具有梯度变化的内腔复杂结构，换热效率不能得到更大提高。近年来，随着增材制造的快速发展，以选区激光熔化(SLM)为代表的金属制造工艺，在成形结构功能一体化的构件方面，表现出极大的优势。基于层层叠加的工艺方法，SLM极大地释放了设计自由度，为成形具有结构和功能多重属性的复杂金属构件，提供了技术支撑，具有广阔的发展前景。借助该先进的制造工艺，国内外许多学者制备了多孔点阵结构，研究其动力学和传热性能，并将其应用于热交换领域。点阵多孔结构具有轻质高强度、高孔隙率、高比表面积的优点，提供高效热交换的同时产生较低的压降，特别适用于对传热效率和压降约束有严苛条件的场合，是一种具有多功能性的理想热交换器。

为了提高热交换效率，实现多种流体介质在紧凑空间的热交换，提高结构的稳定，实现热交换器的轻量化与高效换热多功能集成，本发明借助增材制造在自由成形发明的技术优势，采用三周期极小曲面设计具有多孔点阵结构的热交换模型，调节多种介质流在其中的空间分配，最终采用选区激光熔化一体化成形热交换装置。

经检索，以下两个专利和本发明最接近，本发明与专利“201680055618.5热交换器”相比，本发明的优势为：

1.在专利“201680055618.5热交换器”中也采用了增材制造的工艺方法成形热交换器，但是该专利所设计的结构没有充分考虑增材制造自支撑的要求，热交换器模型中存在悬臂结构，在成形时，易发生曲翘或支撑不良等缺陷。而本发明所设计的结构，是充分考虑了自支撑性的，十分利于采用增材制造工艺，减小了制造缺陷的风险。

2.另外，本发明采用三周期极小曲面设计热交换器结构，能够实现多种流体在内部的换热，且两两通道之间由一个壁面分隔，具有更高效的热交换性能，结构更加紧凑。

3.三周期极小曲面具有处处光滑连续的特点，相较于专利“201680055618.5热交换器”，对液体产生的压降更低。

与专利“201810795444.7增材制造的换热器”相比，本发明的优势：

1.专利“201810795444.7增材制造的换热器”也采用了增材制造的方法成形热交换器。相比之下，本发明更加强调：创新热交换器结构，使热交换器更加紧凑、轻量化，并且这些结构具有自支撑性，十分易于通过增材制造方法成形。

2.本发明还强调了多种流体在热交换器中实现换热，而专利“201810795444.7增材制造的换热器”只能实现两种流体换热。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计及制造方法。本发明的技术方案如下：

一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计方法，其包括以下步骤：

S1：首先针对四种常用的三周期极小曲面TPMS多孔单元，它们分别是Gyroid，Diamond，Primitive，I-WP多孔单元；采用实验方法进行热交换性能和压降性能的测试，建立不同多孔单元、不同体积分数、不同单元尺寸的多孔结构与换热性能之间的映射关系；

S2：根据流体流的换热量需求，对热交换装置中的各通道进行空间分配，确定各通道占总换热空间的体积分数；

S3：由步骤S1中的映射关系和时步骤中的体积分数，选取多孔单元，采用TPMS三周期极小曲面算法，完成多孔结构的建模，即完成了紧凑型多通道多流体热交换装置的设计，通过实验方法，测试不同多孔单元、不同体积分数、不同单元尺寸的多孔结构对换热性能的影响，建立数据库和它们的映射关系。

进一步的，所述步骤S2根据流体流的换热量需求，对热交换装置中的各通道进行空间分配，确定各通道占总换热空间的体积分数，具体包括步骤：

假设3个通道的流速分别为v₁,v₂,v₃，体积分数分别是

通道中3种流体介质的比热容分别是C₁，C₂，C₃，其中；通道1和通道3为被冷却液，经过热交换器后，设温度上升Δt₁，Δt₃,发生热量减少Q₁，Q₃；通道2为冷却液，经过热交换器后，设温度下降Δt₂，发生热量增加Q₂。则，根据热量守恒定律，可知：

Q₂＝Q₁+Q₃

即：

由上式(5)来确定3个通道的体积分数。其中，还需满足基本条件：热交换前后，通道2的温度均不高于通道1和通道3。

进一步的，所述步骤S3的TPMS算法具体为：

φ_D(x,y,z)＝sin(x)·sin(y)·sin(z)+cos(x)·sin(y)·cos(z)+cos(x)·cos(y)·sin(z) (2)

+R_D[cos(4x)+cos(4y)+cos(4z)]+C_D＝0

其中：φ_G(x,y,z)、φ_D(x,y,z)、φ_P(x,y,z)、φ_W(x,y,z)分别为Gyroid，Diamond，Primitive，I-WP多孔单元，x、y、z分别为笛卡尔坐标系下的三个变量，R_P/W/G/D为节点体积参数，用于调节多孔单元节点和杆的体积关系；C_P/W/G/D为体积分数或相对密度的ρ*参数，ρ*表示体积分数，用于调节多孔结构的体积分数；体积分数定义为多孔结构实体体积与其表观体积的比值，它是多孔结构中最重要的参数之一，主要用于调节结构的力学性能；

可采用以下三重积分公式计算多孔结构的体积分数：

p表示孔隙率，x_min,x_max分别表示x的最小值和最大值。Ω表示积分区域；

当R_P＝0.51,R_W＝-1.95,R_G＝0.08,R_D＝-0.07时,以上四种多孔结构的体积分数与参数之间的关系通过多项式拟合得到，满足：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2+1.51 (6)

C_D＝2.46ρ^*3-2.45ρ^*2-1.89ρ^*+1.21 (7)

C_P＝1.54ρ^*3-3.52ρ^*2-ρ^*+1.5 (8)

C_W＝4.73ρ^*3-8.38ρ^*2-2.41ρ^*+2.95 (9)

(6)—(9)的式中，ρ^*表示体积分数或相对密度，ρ^*由该通道中流体的热流量确定，即通过公式(5)确定

一种制造方法，其包括以下步骤：

S4：将步骤S3建立的多孔结构作为换热芯，置于多通道模型中，针对多孔结构，封闭通道1模型的所有端面，预留X轴向通道1的进出口，流体1在其中流动；封闭通道3模型的所有端面，预留Z轴向通道3的进出口，流体3在其中流动；流体2在通道2中流动；

S5：加厚多孔曲面模型，使之成为实体，将多孔模型与多通道模型进行布尔运算，根据增材制造的工艺需求，进行自支撑检测，确保模型内部无需额外支撑；

S6：采用SLM增材制造工艺一体化成形步骤4中的模型，得到具有三通道的紧凑型热交换装置。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新点是：为了提高热交换效率，实现多种流体介质在紧凑空间的热交换，提高结构的稳定，实现热交换器的轻量化与高效换热多功能集成，本发明借助增材制造在自由成形发明的技术优势，采用三周期极小曲面设计具有多孔点阵结构的热交换模型，调节多种介质流在其中的空间分配，最终采用选区激光熔化一体化成形热交换装置。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例多流体紧凑型热交换装置的设计和制造流程；

图2：采用G多孔单元实现的多流体分流方式；(a)-(f)分别表示图2的子图。

图3：多通道热交换一体化设计模型；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明面向热交换器对高效、紧凑、轻量化的需求，提出了一种多流体紧凑型热交换装置的设计和制造方法，能够实现多种流体在紧凑空间的高效换热。

主要包括基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface，TPMS)的芯部设计方法和基于选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形工艺的一体化制造方法。采用本方法制造的热交换装置具有结构紧凑、轻质、热交换效率高等优点。

实现途径如图1所示：

S1：首先针对四种常用的TPMS多孔单元，开展热交换性能和压降性能的表征，建立不同多孔单元、不同体积分数、不同单元尺寸的多孔结构与换热性能(压降性能)之间的映射关系。

S2：根据流体流的换热量需求，对热交换装置中的各通道进行空间分配，确定各通道占总换热空间的体积分数(即确定

)。

S3：由第1步骤中的映射关系和第2步骤中的体积分数，选取合适的多孔单元，采用TPMS算法，完成多孔结构的建模。

其中：R_P/W/G/D为节点体积参数，用于调节多孔单元节点和杆的体积关系；C_P/W/G/D为体积分数(或相对密度)ρ*参数，用于调节多孔结构的体积分数；体积分数定义为多孔结构实体体积与其表观体积的比值，它是多孔结构中最重要的参数之一，主要用于调节结构的力学性能。

可采用以下三重积分公式计算多孔结构的体积分数：

当时R_P＝0.51,R_W＝-1.95,R_G＝0.08,R_D＝-0.07,以上四种多孔结构的体积分数与参数之间的关系通过多项式拟合得到，满足：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2+1.51 (6)

C_D＝2.46ρ^*3-2.45ρ^*2-1.89ρ^*+1.21 (7)

C_P＝1.54ρ^*3-3.52ρ^*2-ρ^*+1.5 (8)

C_W＝4.73ρ^*3-8.38ρ^*2-2.41ρ^*+2.95 (9)

(6)—(9)的式中，ρ^*表示体积分数(或相对密度)。在本发明中，ρ^*由该通道中流体的热流量确定。

S4：将建立的多孔结构作为换热芯，置于如图2的多通道模型中。针对多孔结构，封闭通道1模型的所有端面，预留X轴向通道1的进出口(如图2 d)，流体1在其中流动；封闭通道3模型的所有端面，预留Z轴向通道3的进出口(如图2 e)，流体3在其中流动；流体2在通道2中流动(如图2 f)。

S5：加厚多孔曲面模型，使之成为实体。将多孔模型与多通道模型进行布尔运算，完成一体化设计(如图3)。根据增材制造的工艺需求，进行自支撑检测，确保模型内部无需额外支撑。

S6：采用SLM增材制造工艺一体化成形步骤4中的模型，得到具有三通道的紧凑型热交换装置。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：首先针对四种常用的三周期极小曲面TPMS多孔单元，它们分别是Gyroid，Diamond，Primitive，I-WP多孔单元；采用实验方法进行热交换性能和压降性能的测试，建立不同多孔单元、不同体积分数、不同单元尺寸的多孔结构与换热性能之间的映射关系；

S2：根据流体流的换热量需求，对热交换装置中的各通道进行空间分配，确定各通道占总换热空间的体积分数；

S3：由步骤S1中的映射关系和时步骤中的体积分数，选取多孔单元，采用TPMS三周期极小曲面算法，完成多孔结构的建模，即完成了紧凑型多通道多流体热交换装置的设计，通过实验方法，测试不同多孔单元、不同体积分数、不同单元尺寸的多孔结构对换热性能的影响，建立数据库和它们的映射关系。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计方法，其特征在于，所述步骤S2根据流体流的换热量需求，对热交换装置中的各通道进行空间分配，确定各通道占总换热空间的体积分数，具体包括步骤：

假设3个通道的流速分别为v₁,v₂,v₃，体积分数分别是

通道中3种流体介质的比热容分别是C₁，C₂，C₃，其中；通道1和通道3为被冷却液，经过热交换器后，设温度上升Δt₁，Δt₃,发生热量减少Q₁，Q₃；通道2为冷却液，经过热交换器后，设温度下降Δt₂，发生热量增加Q₂，则，根据热量守恒定律，可知：

Q₂＝Q₁+Q₃

即：

由上式(5)来确定3个通道的体积分数。其中，还需满足基本条件：热交换前后，通道2的温度均不高于通道1和通道3。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计方法，其特征在于，所述步骤S3的TPMS算法具体为：

其中：φ_G(x,y,z)、φ_D(x,y,z)、φ_P(x,y,z)、φ_W(x,y,z)分别为Gyroid，Diamond，Primitive，I-WP多孔单元，x、y、z分别为笛卡尔坐标系下的三个变量，R_P/W/G/D为节点体积参数，用于调节多孔单元节点和杆的体积关系；C_P/W/G/D为体积分数或相对密度的ρ^*参数，ρ^*表示体积分数，用于调节多孔结构的体积分数；体积分数定义为多孔结构实体体积与其表观体积的比值，它是多孔结构中最重要的参数之一，主要用于调节结构的力学性能；

可采用以下三重积分公式计算多孔结构的体积分数：

p表示孔隙率，x_min,x_max分别表示x的最小值和最大值，Ω表示积分区域；

当R_P＝0.51,R_W＝-1.95,R_G＝0.08,R_D＝-0.07时,以上四种多孔结构的体积分数与参数之间的关系通过多项式拟合得到，满足：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2+1.51 (6)

C_D＝2.46ρ^*3-2.45ρ^*2-1.89ρ^*+1.21 (7)

C_P＝1.54ρ^*3-3.52ρ^*2-ρ^*+1.5 (8)

C_W＝4.73ρ^*3-8.38ρ^*2-2.41ρ^*+2.95 (9)

(6)—(9)的式中，ρ^*表示体积分数或相对密度，ρ^*由该通道中流体的热流量确定，即通过公式(5)确定

4.一种基于权利要求1-3之一的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4：将步骤S3建立的多孔结构作为换热芯，置于多通道模型中，针对多孔结构，封闭通道1模型的所有端面，预留X轴向通道1的进出口，流体1在其中流动；封闭通道3模型的所有端面，预留Z轴向通道3的进出口，流体3在其中流动；流体2在通道2中流动；

S5：加厚多孔曲面模型，使之成为实体，将多孔模型与多通道模型进行布尔运算，根据增材制造的工艺需求，进行自支撑检测，确保模型内部无需额外支撑；

S6：采用SLM增材制造工艺一体化成形步骤4中的模型，得到具有三通道的紧凑型热交换装置。

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