一种基于增材制造的曲面换热器的制作方法

1.本发明涉及增材制造及电子设备结构技术领域，尤其涉及一种基于增材制造的曲面换热器。


背景技术：

2.为解决在有限的空间、重量约束下，高集成、高功率武器装备的散热问题，必须开展高效换热技术研究，减少冷却系统的资源消耗，为环控设备节省更多资源，使系统发挥最大效能，同时也可用于电子设备的散热。高效换热技术是化工、石油、制药、能源及电子设备散热等行业中应用相当广泛的单元设备之一，传统的换热器的类型分为螺旋折流板换热器、管翅式换热器、板式换热器及平行流换热器等。目前用于空调、液冷设备及其他电子设备的散热装置中最常用的换热器类型主要为管翅式和平行流换热器两种。但随着增材制造技术、计算流体技术和复杂结构拓扑优化技术的发展，基于复杂曲面的结构优化和轻量化的设计技术逐渐发展起来，同时利用复杂曲面的高面积比进行换热技术的研究开始成为热点，也逐渐成为实现高效换热器设计的重要技术途径之一。而且现有的换热器体积大、重量高，不能满足目前高效换热器的散热需求。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有技术存在技术问题的一种或几种，提供了一种基于增材制造的曲面换热器。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于增材制造的曲面换热器，包括换热通道、分液器和集液器，所述换热通道的一端与所述分液器连通，所述换热通道的另一端与所述集液器连通；
5.所述换热通道包括多个依次连通的单胞结构，所述单胞结构包括中间过渡腔、进口腔、出口腔，所述进口腔和出口腔分别设置在所述中间过渡腔的两侧且均与所述中间过渡腔连通，所述进口腔上开设有进液口，所述出口腔上开设有出液口，所述进液口和出液口的朝向相反；一个单胞结构的进液口与相邻一个单胞结构的出液口连通，相邻两个单胞结构的中间过渡腔相互独立设置；所述单胞结构的中间过渡腔的外表面为曲面结构。
6.本发明的有益效果是：本发明基于增材制造的曲面换热器，除了实现要求的换热性能外，又对其体积和重量有着严格的要求，同时需要实现换热器本身的耐压性。本发明基于增材制造的复杂曲面高效换热器的换热能力保持不变，与传统的换热器相比重量降低30％以上，空间尺寸减小15％，同时满足系统承压4.0mpa的要求,高效换热器具有更高的表面积比，更好的热性能、承载性和紧凑性。该换热器换热量高、体积小、重量轻，可为空调、液冷及电子设备等设计节省空间，同时结合增材制造的工艺，实现一体化的生产制造，承压性及结构强度也满足设计要求，尤其适用于空调、液冷设备和电子设备的小型化设计，较好的解决了各类环控设备和电子设备的轻小型化问题。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.进一步，所述中间过渡腔的外表面或/和所述进口腔的外表面或/和所述出口腔的外表面上设有散热翅片，相邻两个散热翅片之间形成风道，所述风道与所述换热通道的进出液方向成角度布置。
9.采用上述进一步方案的有益效果是：散热翅片的设置，能够形成与换热通道成角度布置的风道，能够实现交叉逆流换热，换热效果好。
10.进一步，所述风道与所述换热通道的进出液方向垂直布置。
11.进一步，所述散热翅片朝向所述单胞结构的进液口侧倾斜布置。
12.采用上述进一步方案的有益效果是：使风道更贴近于换热通道的外表面，换热效果更好。
13.进一步，所述中间过渡腔的外表面为三周期极小曲面。
14.采用上述进一步方案的有益效果是：三周期极小曲面是一种平均曲率为零的曲面，其曲率渐变特性使其具备了良好的自支撑能力及连通性。同时，三周期极小曲面的复杂曲面特征在作为热流结构的应用中可有效减薄热边界层，且其内部几何特征的连续性变化会导致其内部流体流动状态的变化，实现其内部流体的搅混，并结合其固有的高比表面积的优势，进而可有效提高热流结构的换热能力。此外，三周期极小曲面的外轮廓具备光滑连续的曲面特征，使流体在流经极小曲面时会产生较小流阻，从而满足换热器的低空气测流阻的需求。
15.进一步，所述三周期极小曲面的构型包括：
16.p型：φ
p
＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝c；
17.g型：φg＝sin(x)cos(y)+sin(z)cos(x)+sin(y)cos(z)＝c；
18.d型：φd＝cos(x)cos(y)cos(z)-sin(x)sin(y)sin(z)＝c；
19.i型：φ
i-wp
＝2[cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x)]-[cos(2x)+cos(2y)+cos(2z)]＝c；
[0020]
其中c表示的是三周期极小曲面的曲率数值，用以控制中间过渡腔内部孔隙大小；p型、g型、d型、i型方程中的x＝2nπx，y＝2nπy，z＝2nπz，其中，n可以为1/2或正整数；表明p型、g型、d型、i型方程在x,y,z轴上的周期调节参数。
[0021]
进一步，所述进口腔为多个，所述出口腔为多个，多个所述进口腔与多个出口腔沿所述换热通道的进出液方向一一对应布置。
[0022]
进一步，所述进口腔为四个，四个进口腔分别布置在所述中间过渡腔一侧的四个角上，且排布成四方形；所述出口腔为四个，四个出口腔分别布置在所述中间过渡腔另一侧的四个角上，且排布成四方形。
[0023]
进一步，所述分液器上连接有进液管，所述集液器上连接有出液管。
[0024]
进一步，所述换热通道的多个依次连通的单胞结构采用3d打印形成。
附图说明
[0025]
图1为本发明基于增材制造的曲面换热器的立体结构示意图；
[0026]
图2为本发明换热通道的立体结构示意图；
[0027]
图3为本发明两个单胞结构上下布置的结构示意图；
[0028]
图4为本发明单胞结构的立体结构示意图一；
[0029]
图5为本发明单胞结构的立体结构示意图二；
[0030]
图6为本发明p型三周期极小曲面的结构示意图。
[0031]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0032]
1、换热通道；11、单胞结构；12、中间过渡腔；13、进口腔；14、出口腔；15、进液口；16、出液口；
[0033]
2、分液器；3、集液器；4、散热翅片；5、进液管；6、出液管；7、安装板。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0035]
如图1～图6所示，本实施例的一种基于增材制造的曲面换热器，包括换热通道1、分液器2和集液器3，所述换热通道1的一端与所述分液器2连通，所述换热通道1的另一端与所述集液器3连通；所述换热通道1包括多个依次连通的单胞结构11，所述单胞结构11包括中间过渡腔12、进口腔13、出口腔14，所述进口腔13和出口腔14分别设置在所述中间过渡腔12的两侧且均与所述中间过渡腔12连通，所述进口腔13上开设有进液口15，所述出口腔14上开设有出液口16，所述进液口15和出液口16的朝向相反；一个单胞结构11的进液口15与相邻一个单胞结构11的出液口16连通，相邻两个单胞结构11的中间过渡腔12相互独立设置；所述单胞结构11的中间过渡腔12的外表面为曲面结构。其中，多个单胞结构还可以进行不同的排列组合，形成不同结构和形式的换热通道；所述换热通道组合使用，形成不同换热量，不同结构形式的曲面换热器，解决不同空调、液冷设备和不同发热量的电子设备散热的需求。
[0036]
如图2～图5所示，本实施例的所述中间过渡腔12的外表面或/和所述进口腔13的外表面或/和所述出口腔14的外表面上设有散热翅片4，相邻两个散热翅片4之间形成风道，所述风道与所述换热通道1的进出液方向成角度布置。散热翅片的设置，能够形成与换热通道成角度布置的风道，能够实现交叉逆流换热，换热效果好。
[0037]
如图2～图5所示，本实施例的所述风道与所述换热通道1的进出液方向垂直布置。
[0038]
如图2～图5所示，本实施例的所述散热翅片4朝向所述单胞结构11的进液口15侧倾斜布置，倾斜角度相对于进出液方向为5
°
～85
°
，优选为15
°
～60
°
。使风道更贴近于换热通道的外表面，换热效果更好。
[0039]
曲面换热器增材制造时，零件会有悬垂结构出现，而造成3d打印失败。影响自支撑悬垂结构成形质量的因素有很多，包括悬垂面倾斜角度、悬垂长度、激光输入能量、残余应力以及悬垂结构本身构型等。针对此问题最常见的优化方式就是添加支撑结构或者通过调整成形方向以及工艺参数来尽量减小悬垂结构的变形，但由于支撑结构与零件相连接，去除支撑时，会对零部件的表面造成一定程度的不可控制的破坏，添加支撑不仅会浪费了支撑材料，而且增加了后处理时间和难度。因此，本实施例的曲面换热器对其在其结构设计时便对换热器单胞结构内部的支撑结构进行了优化设计，采用中间过渡腔、进口腔与出口腔结合的方式，以实现换热器3d打印，尽量避免对换热器性能的影响。同时针对散热翅片的结构设计，也考虑增材制造的工艺，翅片厚度大于2mm，同时控制翅片的倾斜角度，使其满足3d打印的工艺要求，实现复杂曲面3d实物打印。
[0040]
如图2～图5所示，本实施例的所述中间过渡腔12的外表面为三周期极小曲面。三周期极小曲面是一种平均曲率为零的曲面，其曲率渐变特性使其具备了良好的自支撑能力及连通性。同时，极小曲面的复杂曲面特征在作为热流结构的应用中可有效减薄热边界层，且其内部几何特征的连续性变化会导致其内部流体流动状态的变化，实现其内部流体的搅混，并结合其固有的高比表面积的优势，进而可有效提高热流结构的换热能力。此外，极小曲面的外轮廓具备光滑连续的曲面特征，使流体在流经极小曲面时会产生较小流阻，从而满足换热器的低空气测流阻的需求。
[0041]
其中，所述三周期极小曲面的构型包括：
[0042]
p型：φ
p
＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝c；
[0043]
g型：φg＝sin(x)cos(y)+sin(z)cos(x)+sin(y)cos(z)＝c；
[0044]
d型：φd＝cos(x)cos(y)cos(z)-sin(x)sin(y)sin(z)＝c；
[0045]
i型：φ
i-wp
＝2[cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x)]-[cos(2x)+cos(2y)+cos(2z)]＝c；
[0046]
其中c表示的是三周期极小曲面的曲率数值，用以控制中间过渡腔内部孔隙大小；p型、g型、d型、i型方程中的x＝2nπx，y＝2nπy，z＝2nπz，其中，n可以为1/2或正整数，当n为1/2时，周期为1/2，当n为1时，周期为1，以此类推，上述方程在x,y,z轴的周期为n；表明p型、g型、d型、i型方程在x,y,z轴上的周期调节参数。本实施例中调节曲率数值和周期以调节三周期曲面基本形状，结合流道方向对周期曲面孔隙进行填充和结构调整，增加一体化翅片结构，形成三周期换热器单胞结构。
[0047]
本实施例的曲面换热器采用三周期极小曲面的设计，实现更高的高比表面积，节省换热所需空间。良好连通性和表面曲率使得复杂高效曲面换热器具有更低的系统流阻，通过一体化的散热翅片应用，实现与传统的换热器相比重量降低30％以上，空间尺寸减小15％，增加了换热器的换热能力。同时通过一体化的结构设计与增材制造的工艺方式，通过三周期流道内部增加支撑结构，增强系统承压性，满足系统承压4.0mpa的要求。散热翅片的无支撑打印结构设计，实现所述复杂曲面换热器的设计与增材制造。该曲面换热器换热量高、体积小、重量轻，可为空调、液冷及电子设备设计节省空间，同时结合增材制造的工艺，实现一体化的生产制造，承压性及结构强度也满足设计要求，尤其适用于空调、液冷设备和电子设备的小型化设计，较好的解决了各类环控设备和电子设备的轻小型化问题。
[0048]
如图2～图5所示，本实施例的所述进口腔13为多个，所述出口腔14为多个，多个所述进口腔13与多个出口腔14沿所述换热通道1的进出液方向一一对应布置。
[0049]
优选的，所述进口腔13为四个，四个进口腔13分别布置在所述中间过渡腔12一侧的四个角上，且排布成四方形；所述出口腔14为四个，四个出口腔14分别布置在所述中间过渡腔12另一侧的四个角上，且排布成四方形。
[0050]
如图1所示，本实施例的所述分液器2上连接有进液管5，所述集液器3上连接有出液管6，所述分液器2和集液器3上还分别设有安装板7。
[0051]
本实施例的一个优选方案为，所述换热通道1的多个依次连通的单胞结构11采用3d打印形成。
[0052]
其中，如图1所示，本实施例根据换热器尺寸、结构排布，进行进液管、分液器、集液器、出液管和安装板的结构布局设计。同时根据换热器的风量、供液及换热量指标，根据需
求调整换热器换热通道的数量和结构尺寸，以达到换热器的换热量、结构尺寸、重量等设计指标的要求。可以利用不同风机(外循环风量)和曲面换热器的组合，实现不同换热量的能力匹配，解决不同空调、液冷设备和不同发热量的电子设备散热问题。
[0053]
本实施例的换热通道，是有若干数量的复杂三周期极小曲面换热器单胞结构组成，其中外循环风向沿风道与换热器通液方向成交叉逆流的方向，已达到复杂三周期极小曲面换热器单胞结构最大的换热效果。其中根据换热器换热通道的尺寸、结构排布和换热器风量指标，进行复杂三周期极小曲面换热器单胞结构的参数设计，进一步进行单胞结构的换热仿真计算，以进一步使单胞结构的换热能力满足设计，再通过单胞结构尺寸和一体化翅片的参数调整，进一步达到换热器换热通道换热指标。
[0054]
本实施例基于增材制造的曲面换热器，在进行设计时，通过换热器换热、流阻等指标牵引，结合换热器结构布置开展基于增材制造的复杂曲面换热器的设计。例如，第一步根据换热器几何模型尺寸，结合三周期极小曲面建模参数，开展基于增材制造的几何模型构建，其中包含换热器单胞结构的增材制造自支撑结构设计；第二步，依据曲面换热器的模型，开展换热器的换热器性能热学仿真和力学仿真设计；第三步，依据仿真结果与换热器指标进行比对，进行换热器指标对应情况对照，若满足设计指标，设计流程完成，若设计结果不符合指标，回到换热器几何模型构建进行曲面换热器的优化设计迭代。
[0055]
本实施例基于增材制造的曲面换热器安装在液冷设备、空调设备或电子设备的内部，工作时，通过换热器配备供风设备(一般使用风机)，同时换热器供温度较低的氟利昂或冷却液，以达到换热器换热器的目的。曲面换热器在使用时，可节省电子设备、空调、液冷内部空间，或增大空调、液冷设备的换热器能力、降低电子设备内部的温度等。
[0056]
本实施例基于增材制造的曲面换热器，除了实现要求的换热性能外，又对其体积和重量有着严格的要求，同时需要实现换热器本身的耐压性。本发明基于增材制造的复杂曲面高效换热器的换热能力保持不变，与传统的换热器相比重量降低30％以上，空间尺寸减小15％，同时满足系统承压4.0mpa的要求,高效换热器具有更高的表面积比，更好的热性能、承载性和紧凑性。该换热器换热量高、体积小、重量轻，可为空调、液冷及电子设备等设计节省空间，同时结合增材制造的工艺，实现一体化的生产制造，承压性及结构强度也满足设计要求，尤其适用于空调、液冷设备和电子设备的小型化设计，较好的解决了各类环控设备和电子设备的轻小型化问题。
[0057]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0058]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0059]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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发明中的具体含义。
[0060]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0061]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0062]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，包括换热通道、分液器和集液器，所述换热通道的一端与所述分液器连通，所述换热通道的另一端与所述集液器连通；所述换热通道包括多个依次连通的单胞结构，所述单胞结构包括中间过渡腔、进口腔和出口腔，所述进口腔和出口腔分别设置在所述中间过渡腔的两侧且均与所述中间过渡腔连通，所述进口腔上开设有进液口，所述出口腔上开设有出液口，所述进液口和出液口的朝向相反；一个单胞结构的进液口与相邻一个单胞结构的出液口连通，相邻两个单胞结构的中间过渡腔相互独立设置；所述单胞结构的中间过渡腔的外表面为曲面结构。2.根据权利要求1所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述中间过渡腔的外表面或/和所述进口腔的外表面或/和所述出口腔的外表面上设有散热翅片，相邻两个散热翅片之间形成风道，所述风道与所述换热通道的进出液方向成角度布置。3.根据权利要求2所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述风道与所述换热通道的进出液方向垂直布置。4.根据权利要求2所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述散热翅片朝向所述单胞结构的进液口侧倾斜布置。5.根据权利要求1所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述中间过渡腔的外表面为三周期极小曲面。6.根据权利要求5所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述三周期极小曲面的构型包括：p型：φ
p
＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝c；g型：φ
g
＝sin(x)cos(y)+sin(z)cos(x)+sin(y)cos(z)＝c；d型：φ
d
＝cos(x)cos(y)cos(z)-sin(x)sin(y)sin(z)＝c；i型：φ
i-wp
＝2[cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x)]-[cos(2x)+cos(2y)+cos(2z)]＝c；其中c表示的是三周期极小曲面的曲率数值，用以控制中间过渡腔内部孔隙大小；p型、g型、d型、i型方程中的x＝2nπx，y＝2nπy，z＝2nπz，其中，n可以为1/2或正整数；表明p型、g型、d型、i型方程在x,y,z轴上的周期调节参数。7.根据权利要求1所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述进口腔为多个，所述出口腔为多个，多个所述进口腔与多个出口腔沿所述换热通道的进出液方向一一对应布置。8.根据权利要求7所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述进口腔为四个，四个进口腔分别布置在所述中间过渡腔一侧的四个角上，且排布成四方形；所述出口腔为四个，四个出口腔分别布置在所述中间过渡腔另一侧的四个角上，且排布成四方形。9.根据权利要求1所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述分液器上连接有进液管，所述集液器上连接有出液管。10.根据权利要求1所述一种基于增材制造的曲面换热器，其特征在于，所述换热通道的多个依次连通的单胞结构采用3d打印形成。

技术总结
本发明涉及一种基于增材制造的曲面换热器，包括换热通道、分液器和集液器，换热通道的一端与分液器连通，换热通道的另一端与集液器连通；换热通道包括多个依次连通的单胞结构，单胞结构包括中间过渡腔、进口腔、出口腔，进口腔和出口腔分别设置在中间过渡腔的两侧且均与中间过渡腔连通，进口腔上开设有进液口，出口腔上开设有出液口，进液口和出液口的朝向相反；一个单胞结构的进液口与相邻一个单胞结构的出液口连通，相邻两个单胞结构的中间过渡腔相互独立设置；单胞结构的中间过渡腔的外表面为曲面结构。本发明的曲面换热器换热量高、体积小、重量轻，可为空调、液冷及电子设备等设计节省空间，同时结合增材制造的工艺，实现一体化的生产制造。化的生产制造。化的生产制造。


技术研发人员：高超 张博 翁俊 张帅旗 刘舒昕
受保护的技术使用者：北京无线电测量研究所
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/9