CN117308662A - 一种换热器及模块式换热系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种换热器及模块式换热系统，包括散热芯、进口接管和出口接管，散热芯外壁沿散热芯周向开设有出口通道，进口接管贯穿出口通道并伸入散热芯内部，进口接管用于通入热流体，出口接管与出口通道连通，且出口接管沿出口通道周向位置可调，出口接管用于排出热交换后的流体，本申请具有换热能力强、紧凑程度高、工质流动传热方向可调、可适应各种使用环境、使用灵活的优点。

Description

一种换热器及模块式换热系统

技术领域

本申请涉及热交换设备技术领域，尤其涉及一种换热器及模块式换热系统。

背景技术

换热器是调配不同物流之间能量、完成热量输运的通用工艺设备，广泛应用于发电、化工、动力、冶金等大量行业中，尤其是在以超临界二氧化碳为工质的动力循环系统中，换热器对于传递、调配工质之间的能量有着重要作用。随着科技水平的不断提升，人们对核电站、火电站、航空发动机所涉及的动力系统的特殊应用场景越来越重视，缩小设备体积、提高效率、降低设备制造运行成本和自然资源消耗是换热器未来发展的方向之一。目前在常规工业领域在用的换热器主要包括管壳式换热器、套管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等，但它们都不能同时满足换热比表面积大、焊接强度高、体积小的要求。

现有传统换热器存在出口方向固定的问题，容易受环境限制，难以满足换热设备在系统中的自由布置和高效换热。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种换热器及模块式换热系统，旨在解决现有换热器出口方向固定而容易受环境限制的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种换热器，包括散热芯、进口接管和出口接管，散热芯外壁沿散热芯周向开设有出口通道，进口接管贯穿出口通道并伸入散热芯内部，进口接管用于通入热流体，出口接管与出口通道连通，且出口接管沿出口通道周向位置可调，出口接管用于排出热交换后的流体，可改变出口接管出口方向，提高了换热器的使用灵活性，可根据不同应用需求进行调节优化，具有较强的适用性。

可选地，散热芯表面设置有包覆出口通道的密封带，密封带用于将出口通道围成密闭的空间，进口接管贯穿密封带，出口接管连接于密封带一侧，密封带具有弹性，即保证了密封作用，又可适应出口接管位置变化，满足使用要求。

可选地，密封带包括多个密封片，密封片两侧端均连接有导滑杆，出口通道两侧壁开设有与对应导滑杆配合的密封滑槽，相邻密封片的部分部位互相堆叠，且相邻密封片互相堆叠的部位之间连接有弹簧，出口接管连接于对应的两密封片之间，从而实现密封带既具有密封作用，又具有弹性伸缩作用，以适应出口接管位置的变化。

可选地，密封片的材质为金属材料或非金属材料。

可选地，进口接管位于散热芯外侧的一端开口，进口接管伸入散热芯内部的一端开设有多个通孔。

可选地，进口接管伸入散热芯内部的一端为球形端，多个通孔开设于球形端上。

可选地，散热芯的结构为三周期极小曲面结构，使得换热器具有散热能力强、流动方向自由的特点，相比于传统的换热器固定冷却工质流向，能够减少沿程阻力损失，拥有明显的成本优势和广泛的应用前景。

可选地，散热芯和进口接管的材质均为3D打印材料，且散热芯和进口接管一体成型。

可选地，散热芯的外形为球形、多棱柱和多棱锥中的至少一种。

一种模块式换热系统，包括多个上述的一种换热器，相邻换热器之间通过进口接管和出口接管以预设角度连接。

本申请所能实现的有益效果如下：

本申请的换热器，包括散热芯、进口接管和出口接管，散热芯外壁沿散热芯周向开设有出口通道，进口接管贯穿出口通道并伸入散热芯内部，进口接管用于通入热流体，出口接管与出口通道连通，且出口接管沿出口通道周向位置可调，出口接管用于排出热交换后的流体。在使用本申请的换热器时，可以通过进口接管通入热流体后，热流体经散热芯内部散发至出口通道的过程中，从而进行流动换热，热交换后的流体顺着出口通道最后再从出口接管排出，完成热交换过程，而出口接管沿出口通道周向位置可调，从而根据使用环境可适应性地调节出口接管位置，从而改变出口方向，大大提高了换热器的使用灵活性，可根据不同应用需求进行调节优化，具有较强的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请的实施例中一种换热器的结构示意图（图中m表示热工质空间，n表示冷工质空间）；

图2为图1中A-A方向的剖视结构示意图；

图3为图1中B-B方向的剖视结构示意图；

图4为图3中C处的局部放大结构示意图；

图5为本申请的实施例中密封片与导滑杆的连接结构示意图；

图6为本申请的实施例中可选的三周期极小曲面结构示意图；

图7为本申请的实施例中一种模块式换热系统的结构示意图。

附图标记：

100-散热芯，110-出口通道，120-密封滑槽，200-进口接管，210-通孔，300-出口接管，400-密封带，410-密封片，420-导滑杆，430-弹簧。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例1

参照图1-图6，本实施例提供一种换热器，包括散热芯100、进口接管200和出口接管300，散热芯100外壁沿散热芯100周向开设有出口通道110，进口接管200贯穿出口通道110并伸入散热芯100内部，进口接管200用于通入热流体（气体或液体），出口接管300与出口通道110连通，且出口接管300沿出口通道110周向位置可调，出口接管300用于排出热交换后的流体。

在本实施例中，通过进口接管200通入热流体后，热流体经散热芯100内部散发至出口通道110的过程中，从而进行流动换热，热交换后的流体顺着出口通道110最后再从出口接管300排出，完成热交换过程，而出口接管300沿出口通道110周向位置可调，从而根据使用环境可适应性地调节出口接管300位置，从而改变出口方向，使出口接管300管口迎着冷工质来流方向即可，大大提高了换热器的使用灵活性，可根据不同应用需求进行调节优化，具有较强的适用性，可在能源动力领域中广泛应用，具有广阔的市场应用前景；同时，热流体经过散热芯100散热后，在流经出口通道110过程中，可与外部冷工质空间再次进行换热，又提高了散热效果。

由于出口通道110需要对流体进行引导和约束，因此需要保证出口通道110的密封性，则需要在散热芯100表面设置密封结构，以将出口通道110进行封堵，但出口接管300又需要和出口通道110保持流通，同时还需要可对出口接管300沿出口通道110周向位置进行调节，传统密封结构难以同时满足密封性和可调节性，即使可调节，也需要对密封结构本身进行操作调节，操作极其不便。

因此，作为一种可选的实施方式，散热芯100表面设置有包覆出口通道110的密封带400，密封带400用于将出口通道110围成密闭的空间，进口接管200贯穿密封带400，出口接管300连接于密封带400一侧，密封带400具有弹性。

在本实施方式中，通过密封带400可形成具有密闭空间的出口通道110，以约束并引导热流体的流动，同时由于密封带400具有弹性，则密封带400上的出口接管300具有活动一定范围，从而实现对出口接管300沿出口通道110周向位置的调节，调节后密封带400在出口接管300两侧对应位置产生一定弹性变形，具有自适应作用，从而可适应出口接管300位置的改变，即保证了密封作用，又可适应出口接管300位置变化，且由于其自适应性可无需单独对密封带400进行操作，满足使用要求。

作为一种可选的实施方式，密封带400包括多个密封片410，密封片410两侧端均连接有导滑杆420，出口通道110两侧壁开设有与对应导滑杆420配合的密封滑槽120，相邻密封片410的部分部位互相堆叠，使得多个密封片410呈鱼鳞式密封结构，且相邻密封片410互相堆叠的部位之间连接有弹簧430，出口接管300连接于对应的两密封片410之间。

在本实施方式中，当需要调节出口接管300位置时，将出口接管300沿出口通道110轴向拉到对应位置，然后将出口接管300通过外部设施将其固定住，此时出口接管300附近密封片410互相伸缩，密封片410对应导滑杆420也沿着密封滑槽120的轨迹作出相应滑动，密封滑槽120轨迹应当与出口通道110进行匹配，而导滑杆420不仅起到导向作用，还起到对密封片410的限位作用，使得密封片410可沿着出口通道110轨迹布置，密封片410互相伸缩后，由于相邻密封片410的部分部位互相堆叠，伸缩后的密封片410之间仍有部分部位互相堆叠，从而保证密封性作用，而相邻密封片410之间通过弹簧430连接，当相邻密封片410间距缩短或者拉长时，弹簧430都可以反弹或者牵拉密封片410，使得它们之间始终保持密封的完整性，因此本实施例中的密封带400采用鱼鳞密封结构，同时通过弹簧430进行牵引，使得密封片410之间形成互相牵引，以形成随动作用，从而使得密封带400既具有密封作用，又具有弹性伸缩作用，以适应出口接管300位置的变化，因此可以通过转动出口接管300直至布置最简，然后将其置于冷工质空间中，例如水池、空中，这样不论冷工质流向与换热器的夹角是多少，都可以实现相同的高效冷却效果，结构设计灵活巧妙，从而满足使用要求。

需要说明的是，出口接管300和进口接管200均可焊接于对应的两密封片410之间，进口接管200由于伸入散热芯100内部，则进口接管200为固定式，而出口接管300仅与密封片410连接，从而可自由转动；这里出口接管300不限于一个，可根据实际需求设置两个或以上，满足出口接管300两侧与密封片410连接，保证密封性即可；密封滑槽120是在出口通道110侧壁开设的，导滑杆420伸入密封滑槽120内，导滑杆420为圆柱形，可适应密封片410的摆动，导滑杆420的直径小于密封片410的厚度，则密封滑槽120的宽度小于密封片410的厚度，使得密封片410可尽可能堵住密封滑槽120，提高密封性。

在其他实施方式中，密封带400可采用整条的弹性松紧带，弹性松紧带两侧端连接多个导滑杆420，可适应出口接管300在一定范围内的改变，也可满足一定使用要求，且弹性松紧带相对上述实施例中的多个密封片410的鱼鳞式密封结构，结构更简单，成本更低，但是弹性松紧带形变能力以及形变量有限，出口接管300位置可变范围相对较低，且弹性松紧带若长时间处于形变状态下，容易发生崩裂风险，使用寿命以及伸缩性能没有上述实施例中的多个密封片410的鱼鳞式密封结构好，因此，根据实际使用情况选用对应结构的密封带400即可。

作为一种可选的实施方式，密封片410的材质为金属材料或非金属材料，从而可适应一定的形变作用，密封片410一般采用金属片结构，通过加工在它的两边侧面上留有伸出的导滑杆420，从而形成一体结构，而密封滑槽120为微细槽道，导滑杆420可以嵌合在密封滑槽120内，这样多个密封片410可以沿着密封滑槽120的轨迹自由滑动。

需要说明的是，金属材料可采用铜，即密封片410为铜片，具有一定散热效果，满足使用要求；非金属材料可采用聚四氟乙烯、橡胶等，聚四氟乙烯（PTFE），俗称“塑料王”，是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物，化学式为(C2F4)n，耐热、耐寒性优良，可在-180～260ºC长期使用，橡胶别名弹性体，是一种有弹性的聚合物，均满足使用要求。

作为一种可选的实施方式，进口接管200位于散热芯100外侧的一端开口，进口接管200伸入散热芯100内部的一端开设有多个通孔210。

在本实施方式中，热流体从进口接管200开口端进入后，从进口接管200另一端的多个通孔210排出，从而将热流体分成多股流体，分散在散热芯100四周，从而提高了散热效果和效率。

作为一种可选的实施方式，进口接管200伸入散热芯100内部的一端为球形端，多个通孔210开设于球形端上。

在本实施方式中，当热流体从球形分布的多个通孔210散出时，可最大化使多个通孔210朝不同方向散出，从而使热流体与散热芯100充分接触，进一步提高了散热效果和效率。

作为一种可选的实施方式，散热芯100的结构为三周期极小曲面结构。散热芯100和进口接管200的材质均为3D打印材料，且散热芯100和进口接管200一体成型。

由于近年来，随着工业水平的提升，固相增材制造技术，即3D打印技术的出现，明显改变了换热器的制造方式以及设计思维，其中以激光选区融化技术为核心的3D打印换热器能够明显去除冗余金属材料，减少体积重量。然而，这种3D打印换热器的工质流动传热单一，并且无法摆脱传统换热器内工质一个方向进出的限制，这对于整个工业系统的布置和使用都带来了不便。鉴于此，在本实施方式中，为了改善传统换热器内工质流动传热方向单一的问题，满足换热器在系统中的自由布置和高效换热，基于仿生学中昆虫翅膀上的微小散热结构，通过数学方法构建出了基于三周期极小曲面（TPMS）结构的散热芯100，由于散热芯100由TPMS结构填充而成，并且留有冷却工质进口孔道，使得该换热器具有散热能力强、流动方向自由的特点，相比于传统的换热器固定冷却工质流向，能够减少沿程阻力损失，拥有明显的成本优势和广泛的应用前景，为提高换热器的紧凑程度和灵活性提供了新的方向，为进一步提高3D打印换热器的性能指标和应用灵活提供手段。

散热芯100基于由三周期极小曲面（TPMS）结构完全填充的3D打印实体，TPMS结构指由特定数学公式生成的曲面，通过左右偏置一定微小距离形成固体壁后，将一个空间分为两个互不相交但各自连续的多孔结构，TPMS结构各个点的平均曲率为零，具有连续不交叉的双孔通道和远高于传统换热器多孔结构的比表面积，可以让换热器的冷热液体不接触流动，并且有效改善冷热液的接触面积，从而提高散热效率。

TPMS结构的最小单元结构满足下表1所示的公式，基于这些公式调节TPMS单元结构的相对密度。

表1（TPMS点阵材料的单胞结构公式表）

初步生成TPMS结构后，空间被分为了热工质空间m和冷工质空间n，此时两个空间在散热芯100内不连通，但是都与外界环境连通，因此进一步操作将该结构和散热芯100边界进行布尔操作，封闭热工质空间m与环境在散热芯100表面上的孔隙，保留冷工质空间n在散热芯100表面上的孔隙，并打印出进口接管200，在进口接管200末端留有和热工质空间m相连的通孔210，这样在散热芯100内，热工质空间m包括进口接管200内空间、散热芯100内一半空间（即散热芯100除开与出口通道110深度范围内外壳部分的内芯体部分）、出口通道110以及出口接管300，冷工质空间n包括环境空间和散热芯100内另一半空间（即散热芯100与出口通道110深度范围内的外壳部分），这样两种工质就可以互不相连的进行换热，并且在有限空间内保持极高的换热面积。

需要说明的是，散热芯100的材质可为不锈钢，还可以是碳钢、钛合金等金属材料或陶瓷等非金属材料，能够满足3D打印的成型要求即可；TPMS单元结构包括Diamond型、Gyroid型、Primitive型等结构，且具体参数可以根据实际需要调整，满足3D打印设备的要求即可；散热芯100加工所用的3D打印设备所用激光包括绿光激光、红光激光等不同波长的激光发射头，满足散热芯100的成型精度要求即可；散热芯100加工所用的金属或非金属粉末材料直径在1-10μm范围内，满足散热芯100的成型精度要求即可。

综上所述，本实施例基于TPMS结构散热芯100的换热器，使流体在TPMS结构里三维流动高效换热，同时冷却工质不受限进出方向，从任意方向进出都能保证冷却能力，大大提高了换热器的灵活性，可根据不同应用需求进行优化，具有较强的适用性，可在能源动力领域中广泛应用，具有广阔的市场应用前景。

作为一种可选的实施方式，散热芯100的外形为球形、多棱柱和多棱锥中的至少一种。

在本实施方式中，散热芯100一般选用球形，空间利用率较高，此时散热芯100的出口通道110为环形槽，密封带400也对应为一圈环形结构，且出口通道110不限于一条，若为多条出口通道110，应当不交叉，即多条出口通道110所在平面互相平行，这样可具有多个对应进口接管200和出口接管300，以满足更多使用需求；若散热芯100为多棱柱（包括长方体、正方体）或多棱锥结构，此时出口通道110可在多棱柱或多棱锥不同面单独开设长条形槽，而转角部位无需开设槽，使得密封带400可保证其对出口通道110的密封性和伸缩性。

实施例2

参照图1-图7，本实施例提供一种模块式换热系统，包括多个上述实施例的一种换热器，相邻换热器之间通过进口接管200和出口接管300以预设角度连接。

在本实施例中，对于多台换热器，可以进行模块化组合连接，将首台换热器的出口接管300和下一个换热器的进口接管200焊接连接（或采用其他可拆卸连接结构），依次将出口接管300和后一个换热器的进口接管200焊接连接，形成一个串联结构，也可在系统中组装具有多个出口接管300的换热器，多个出口接管300分别连接下一个换热器的进口接管200，从而又可形成并联结构，也可采用同时具有串联支路和并联支路的串并联结构，采用模块化组装，组装方式灵活多样，最后根据实际系统接口要求，以及冷工质空间调整每台换热器的出口接管300方向，使其迎着冷工质来流方向即可，从而可根据环境空间使多台换热器形成多角度布置关系，结构灵活性强，适应范围广。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种换热器，其特征在于，包括：

散热芯，所述散热芯外壁沿所述散热芯周向开设有出口通道；

进口接管，所述进口接管贯穿所述出口通道并伸入所述散热芯内部，所述进口接管用于通入热流体；

出口接管，所述出口接管与所述出口通道连通，且所述出口接管沿所述出口通道周向位置可调，所述出口接管用于排出热交换后的流体。

2.如权利要求1所述的一种换热器，其特征在于，所述散热芯表面设置有包覆所述出口通道的密封带，所述密封带用于将所述出口通道围成密闭的空间，所述进口接管贯穿所述密封带，所述出口接管连接于所述密封带一侧，所述密封带具有弹性。

3.如权利要求2所述的一种换热器，其特征在于，所述密封带包括多个密封片，所述密封片两侧端均连接有导滑杆，所述出口通道两侧壁开设有与对应所述导滑杆配合的密封滑槽，相邻所述密封片的部分部位互相堆叠，且相邻所述密封片互相堆叠的部位之间连接有弹簧，所述出口接管连接于对应的两所述密封片之间。

4.如权利要求3所述的一种换热器，其特征在于，所述密封片的材质为金属材料或非金属材料。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种换热器，其特征在于，所述进口接管位于所述散热芯外侧的一端开口，所述进口接管伸入所述散热芯内部的一端开设有多个通孔。

6.如权利要求5所述的一种换热器，其特征在于，所述进口接管伸入所述散热芯内部的一端为球形端，多个所述通孔开设于所述球形端上。

7.如权利要求1-4中任一项所述的一种换热器，其特征在于，所述散热芯的结构为三周期极小曲面结构。

8.如权利要求7所述的一种换热器，其特征在于，所述散热芯和所述进口接管的材质均为3D打印材料，且所述散热芯和所述进口接管一体成型。

9.如权利要求1所述的一种换热器，其特征在于，所述散热芯的外形为球形、多棱柱和多棱锥中的至少一种。

10.一种模块式换热系统，其特征在于，包括多个如权利要求1-9中任一项所述的一种换热器，相邻所述换热器之间通过所述进口接管和所述出口接管以预设角度连接。