换热模块和包含其的换热组件

本发明提供两种模块化的换热元件以及包含其的换热组件，本发明属于热工领域。

背景技术：

1、换热器用在生产生活的方方面面，其换热效率的高低对于节能降耗、减少co2排放具有极其重要的意义。常规换热器的结构形式通常有管翅式、壳管式、板翅式、板式等，其制造工艺特点是采用大量的管束、翅片、板片等，通过传统的切削、冲压、弯曲等加工方式制成零件，再通过涨管、熔焊、钎焊等方法整体装配成型。一旦制造成型，则一般很难再拆卸，也很难通过增加或减少零部件数量的方式来增加或减少其换热量，当换热器很大而实际运行时的换热量很小时会造成极大浪费。采用垫片密封的板式换热器虽可以通过增加或减少板片的方式来实现增减换热量的目的，但垫片密封型板式换热器的体积较大，一般只能用于换热量较大的场合，而很难用于换热量较小的场合，如小微型换热装置。此外，常规换热器还具有以下缺点：传统制造工艺限制了可以制造的几何形状的类型以及关键特征尺寸，例如通道的截面形状、最小水力直径、最小壁厚等；管束或板片之间属于硬连接，不方便检修；管束或板片数量多时，潜在漏点也多，若某换热管或换热板片因腐蚀而穿孔后，需逐一检查所有换热管及焊点；整机容量改变时，所有的换热器都必须重新设计，开发制造周期长。因此，有必要发展出能弥补上述缺陷的新型换热器。

技术实现思路

1、鉴于以上现状，本发明提供两种不需要管束、翅片或板片而实现传热的标准化换热模块以及包含其的换热组件。所述换热模块可作为液体冷却器、液体加热器、蒸汽冷凝器、液体蒸发器等使用。

2、本发明的第一方面提供两种换热模块，包括第一模块和第二模块。

3、所述第一模块是由一种材料制成的、不可拆卸的、内部具有一个三维的开放流道和一个三维的封闭流道的块体，所述开放流道和封闭流道之间通过一个在所述第一模块内连续的三维曲面形状的薄壁分隔开来，所述开放流道在所述第一模块的外表面上均是开口的。在所述第一模块的内部具有第一分流孔、第一集流孔、第二分流孔、第二集流孔，所述封闭流道除了与第一模块内部的第一分流孔、第一集流孔、第二分流孔、第二集流孔连通以外，在所述第一模块的其它外表面上均是封闭的。分开开放流道和封闭流道的三维曲面薄壁的形状包括但不限于三重周期最小曲面，如gyroid曲面、schwarz曲面等。开放流道和封闭流道分别在模块内部的x，y，z三个方向均是连通的，但是开放流道和封闭流道之间彼此互不连通。

4、所述第一分流孔在所述第一模块的下表面开口，所述第一集流孔在所述第一模块的上表面开口，所述第二分流孔在所述第一模块的上表面开口，所述第二集流孔在所述第一模块的下表面开口，所述第一分流孔和第一集流孔之间由第一隔板隔开，所述第二分流孔和第二集流孔之间由第二隔板隔开，所述第一分流孔和第一集流孔为中轴线共线的柱体孔，所述第二分流孔和第二集流孔亦为中轴线共线的柱体孔。优选地，所述柱体孔为直径相同的圆柱孔。

5、所述第一模块内部的第一分流孔、第一集流孔、第二分流孔、第二集流孔的侧壁有材料将这些孔周围的开放流道阻隔起来，即所述第一分流孔、第一集流孔、第二分流孔、第二集流孔不和第一模块内部的开放流道连通，而只和第一模块内部的封闭流道连通。

6、进一步地，在所述第一模块的上表面还设有第一环形槽和第二环形槽，所述第一环形槽包围所述第一集流孔在所述第一模块上表面的开口，所述第二环形槽包围所述第二分流孔在所述第一模块上表面的开口。

7、进一步地，在所述第一模块的下表面还具有第一环形带和第二环形带，所述第一环形带、第二环形带的外缘直径不小于所述第一环形槽、第二环形槽的外缘直径，且所述第一环形带包围所述第一分流孔在所述第一模块下表面的开口，所述第二环形带包围所述第二集流孔在所述第一模块下表面的开口。

8、进一步地，在所述第一模块的内部还具有中隔板，所述中隔板从所述第一模块的下表面延伸到所述第一模块的上表面，所述中隔板隔开所述第一分流孔和第二集流孔，并隔开所述第一集流孔和第二分流孔，且所述中隔板仅在所述封闭流道中具有材料而在所述开放流道中被去除了材料。

9、进一步地，在所述第一模块上还设有若干个安装孔，所述第一模块上的若干个安装孔垂直于所述第一模块的下表面和上表面，且所述若干个安装孔不与所述第一模块内部的任何流道相连通。

10、所述第二模块是一种材料制成的、不可拆卸的、内部具有一个三维的开口流道和一个三维的闭口流道的块体，所述开口流道和闭口流道之间通过一个在所述第二模块内连续的三维曲面形状的薄壁分隔开来，所述开口流道在所述第二模块的外表面上均是开口的。在所述第二模块的内部还具有分流腔和集流腔，所述分流腔和集流腔在所述第二模块的下表面开口但在所述第二模块的上表面不开口。所述闭口流道除了与所述第二模块内部的分流腔、集流腔连通以外，在所述第二模块的其它外表面上均是封闭的。分开所述开口流道和闭口流道的三维曲面薄壁的形状包括但不限于三重周期最小曲面，如gyroid曲面、schwarz曲面等。开口流道和闭口流道分别在模块内部的x，y，z三个方向均是连通的，但是开口流道和闭口流道之间彼此互不连通。

11、进一步地，在所述第二模块内部的分流腔、集流腔的侧壁有材料将这两个腔体周围的开口流道阻隔起来，即所述分流腔、集流腔不和第二模块内部的开口流道连通，而只和第二模块内部的闭口流道连通。

12、进一步地，在所述第二模块的下表面还具有第三环形带和第四环形带，所述第三环形带、第四环形带的外缘直径不小于所述第一模块的第一环形槽、第二环形槽的外缘直径，且所述第三环形带包围所述分流腔在所述第二模块下表面的开口，所述第四环形带包围所述集流腔在所述第二模块下表面的开口。

13、进一步地，在所述第二模块的内部还具有折流板，所述折流板分布在从所述第二模块下表面起往上延伸的一定高度，但低于所述第二模块最上面一条闭口流道的高度。所述折流板位于所述分流腔和所述集流腔之间的位置，且所述折流板仅在所述闭口流道中具有材料而在所述开口流道中被去除了材料。优选地，所述折流板的分布高度的范围可取为第二模块高度的20％～第二模块高度的80％。

14、进一步地，在所述第二模块上还设有若干个固定孔，所述第二模块上的若干个固定孔垂直于所述第二模块的下表面和上表面，且所述若干个固定孔不与第二模块内部的任何流道相连通。

15、进一步地，所述第二模块与所述第一模块外型尺寸相同，所述第二模块的分流腔、第三环形带分别与所述第一模块的第一集流孔、第一环形槽的位置对应，所述第二模块的集流腔、第四环形带分别与所述第一模块的第二分流孔、第二环形槽的位置对应，所述第二模块的固定孔与所述第一模块的安装孔数量相等且位置对应。

16、所述第一模块和第二模块的外廓形状包括但不限于立方体、长方体、圆柱体、圆锥台、多棱柱体。所述第一模块和第二模块可由增材制造、脱蜡铸造、粉末冶金等方法生成，优选地由增材制造方法生成。所述第一模块和第二模块的材料包括但不限于不锈钢、铜、铝、工程塑料等，优先地采用不锈钢材料。

17、本发明的第二方面提供一种换热组件。所述换热组件包括至少一个所述的第一模块、一个第二模块，以及连杆、连杆紧固件、密封元件、进口接头、出口接头。所述若干个第一模块和第二模块串联叠加在一起，任意一个第一模块的上表面和另一个第一模块的下表面相接触，第二模块的下表面和最上面一个第一模块的上表面相接触，第二模块的分流腔和最上面一个第一模块的第一集流孔对齐，第二模块的集流腔和最上面一个第一模块的第二分流孔对齐，任意一个第一模块的第一分流孔和位于其下的另一个第一模块的第一集流孔对齐，任意一个第一模块的第二集流孔和位于其下的另一个第一模块的第二分流孔对齐，任意一个第一模块的安装孔和第二模块的固定孔的位置互相对齐。所述若干个连杆依次穿过所有第一模块的安装孔、第二模块的固定孔，再借助连杆末端的连杆紧固件将所有串联的第一模块、第二模块紧固在一起。

18、所述若干个密封元件分别放置在每个所述第一模块的第一环形槽以及第二环形槽中，当所述第一模块、第二模块被所述连杆、连杆紧固件紧固在一起时，每个所述第一模块下表面的第一环形带、第二环形带将位于其下的密封元件压紧，同时所述第二模块下表面的第三环形带、第四环形带将位于其下的密封元件压紧，从而实现任意两个第一模块之间，以及最上面的第一模块与第二模块之间的密封。

19、所述进口接头安装在最下面一个第一模块的第一分流孔在该模块下表面的开口处，所述出口接头安装在最下面一个第一模块的第二集流孔在该模块下表面的开口处。

20、所述换热组件可作为液体冷却器或蒸汽冷凝器使用，其工作流程是：将所述换热组件置于待冷却的液体或待冷凝的蒸汽环境，冷却介质从所述进口接头流入，依次流过各个所述第一模块的第一分流孔、位于所述第一模块下部且位于所述中隔板一侧的封闭流道、位于所述第一模块上部且位于所述中隔板一侧的封闭流道、第一集流孔，然后依次流过所述第二模块的分流腔、位于所述折流板一侧的闭口流道、位于所述第二模块上部的闭口流道、位于所述折流板另一侧的闭口流道、集流腔，再依次流过各个所述第一模块的第二分流孔、位于所述第一模块上部且位于所述中隔板另一侧的封闭流道、位于所述第一模块下部且位于所述中隔板另一侧的封闭流道、第二集流孔，最后从所述出口接头流出。待冷却的液体或待冷凝的蒸汽则通过所述第一模块外表面的开放流道、所述第二模块外表面的开口流道扩散到模块内部的各个角落，向在间壁的封闭流道、闭口流道中流动的冷却介质放热，温度降低后的液体或冷凝产生的液体在重力作用下由每个第一模块下部外表面的开放流道、第二模块下部外表面的开口流道流出所述换热组件，从而完成液体冷却或蒸汽冷凝过程。

21、所述换热组件亦可作为液体加热器或蒸发器使用，其工作流程是：将所述换热组件置于待加热或蒸发的液体中，加热介质从所述进口接头流入，依次流过各个所述第一模块的第一分流孔、位于所述第一模块下部且位于所述中隔板一侧的封闭流道、位于所述第一模块上部且位于所述中隔板一侧的封闭流道、第一集流孔，然后依次流过所述第二模块的分流腔、位于所述折流板一侧的闭口流道、位于所述第二模块上部的闭口流道、位于所述折流板另一侧的闭口流道、集流腔，再依次流过各个所述第一模块的第二分流孔、位于所述第一模块上部且位于所述中隔板另一侧的封闭流道、位于所述第一模块下部且位于所述中隔板另一侧的封闭流道、第二集流孔，最后从所述出口接头流出。待加热的液体或待蒸发的液体通过所述第一模块外表面的开放流道、所述第二模块外表面的开口流道扩散到模块内部的各个角落，被间壁的封闭流道、闭口流道中的加热介质加热，温度升高后的液体或蒸发产生的气体在浮升力作用下由每个第一模块上部外表面的开放流道、第二模块上部外表面的开口流道逸出所述换热组件，从而完成液体加热或液体蒸发过程。

22、本发明的优势在于：所述换热组件采用标准化的换热模块而不是常规的换热管作为基本的换热单元，省去了常规换热装置(如管翅式换热器)中复杂的管路布局，避免了常规换热器中复杂的管-翅、管-壳、管-板连接工艺；所述第一模块、第二模块内部具有的三维流道结构可提供极高的孔隙率，在单位体积内可提供极大的换热面积，热流体和冷流体在模块内部可实现充分的热量交换，结构紧凑、传热效率高；仅用两种规格模块的组合即可适应加热、冷却、冷凝、蒸发等不同工况，可使复杂系统中换热元件的规格数大大减少，零件复用度高；模块可用金属3d打印等增材制造方法进行制造，易于实现大批量生产，且材料不限于金属，也可使用强度较高、耐腐蚀性能较好的工程塑料进行打印，可节省较贵的金属材料特别是铜材料的消耗；零件的模块化、标准化使得装配工艺简化，可实现快速总装；可简单地通过增加或减少模块数量的方式来调整换热量的大小，缩短开发及调试时间；所有模块均可拆卸，方便进行气密性检查，维修保养方便；不仅适合中大型换热系统，也适合小微型换热系统。