[发明专利]用于增材制造微管热交换器的装置和方法

说明书

本文公开了用于增材制造微管热交换器的装置和方法。热交换器封头与高密度微管阵列一起增材制造，以实现高达90％的热传递效率E_ff值和高达20,000m²/m³的传递表面面积密度值的集成结构。热交换器封头可以与高密度微管阵列一起打印，以将不同类型的流体或液体隔离到不同的微管中，并且形成高质量的密封。此外，微管和/或微管阵列可以增材制造成弯曲的或具有褶皱；并且微管格栅阵列可以紧凑地定位在中空支撑结构内。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月6日提交的名称为“APPARATUS AND METHODS FORADDITIVELY MANUFACTURING MICROTUBE HEAT EXCHANGERS(用于增材制造微管热交换器的装置和方法)”的美国专利申请No.15/643,405的权益，该申请明确地通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及紧凑型热交换器，并且更具体地涉及利用增材制造技术制造的微管热交换器。

背景技术

热交换器在流体之间传递热量。例如，汽车散热器运行以将热量从循环散热器流体传递给强制空气，即气态流体。汽车散热器是紧凑型热交换器的一个示例，其设计成实现每单位体积的大传递表面面积。

近来，三维(3D)打印(也称为增材制造)已经提出了新的机会来有效地构建材料结构，包括但不限于汽车、飞机、船、摩托车等。增材制造获得了以前在传统制造工艺中不可获得的复杂几何结构；此外，用于连接零件的常规技术(比如焊接)可能不是用于这些新材料中的一部分的可行替代方案。因此，需要发现和开发利用增材制造的零件和技术来组装部件(包括热交换器)的新方式。

此外，将增材制造工艺应用于构建材料结构的行业已证明可以生产结构上更高效的产品，同时也有益于环境。与传统制造工艺相比，3D打印对化石燃料的燃烧没有显著贡献；因此，将3D打印应用于包括热交换器的其他部件是一种在环境上有价值的追求。

发明内容

将在下文参照三维(3D)打印技术更全面地描述增材制造热交换器的几个方面。

在一个方面，用于制造热交换器的方法包括：接收热交换器的数据模型；以及基于该数据模型增材制造热交换器。模型化的热交换器包括微管阵列和至少一个封头。封头在基板处联接至微管阵列并与微管阵列一起集成。至少一个封头用于引导流体通过微管阵列的多个管，以在流体与多个管外部的介质之间传递热量。

增材制造热交换器的步骤可以包括形成包括微管阵列和至少一个封头的连续牢固本体。此外，增材制造热交换器的步骤还可以包括在单个三维(3D)渲染步骤中增材制造微管阵列及与微管阵列一起集成的至少一个封头。此外，多个管中的每个管的直径可以等于或小于2毫米(mm)。

增材制造热交换器的步骤可以包括增材制造至少一个封头的第一表面，第一表面包括大致平行于基板设置的微管阵列界面。增材制造热交换器的步骤可以包括增材制造至少一个封头的第二表面，第二表面联接至第一表面并且相对于第一表面倾斜；并且增材制造热交换器的步骤可以包括增材制造至少一个封头的第三表面，第三表面连接第一表面和第二表面以便形成截面。流体可以构造为沿大致垂直于截面的方向流过至少一个封头。截面可以大致是三角形的。

增材制造热交换器的步骤还可以包括将包括支撑材料的多个层沉积在基板上。支撑材料可以形成倾斜支撑结构，该倾斜支撑结构被构造为向至少一个封头的第二表面提供支撑。至少一个封头的第二表面可以在倾斜支撑结构的顶部上增材制造。

增材制造热交换器的步骤还可以包括将包括支撑材料的多个层沉积在基板上。支撑材料可以形成相对于基板具有多个角度的支撑结构。该支撑结构可以构造成向至少一个封头的第二表面和第三表面提供支撑。第二表面和第三表面可以在支撑结构的不同倾斜部分的顶部上增材制造。