[發明專利]基于變周期最小曲面的換熱結構、換熱器以及制造方法

有效

• 申請號: 202210814390.0
• 申請日: 2022-07-11
• 公開（公告）號: CN115196974B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 張振波;武穎娜;趙榮發;王寧;翟梓融;徐惠宇
• 申請（專利權）人: 上海科技大學
• 主分類號: C04B35/584
• 分類號: C04B35/584;B22F3/22;C22C14/00;C22C27/04;B28B1/00;F02C7/12;B33Y10/00;B33Y70/10
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

本發明公開了一種基于變周期最小曲面的換熱結構、換熱器以及制造方法，屬于航空航天動力裝備和功能復合材料領域。在結構方面，本申請換熱結構包括相互隔絕的、且在三維空間為交錯的冷流體流道和熱流體流道，所述冷流體流道和熱流體流道的內部結構均為變周期最小曲面結構，該換熱結構的壓損小并且換熱效率高。在材料方面，開發一種界面漸變材料以形成界面漸變復合結構，不同種材料之間的接觸面上，其成分是漸變的，界面漸變復合結構具有良好的強度、韌性和耐腐蝕性，可以承擔高的循環熱硬性，可以減少或消除由于溫度差異導致的不均勻膨脹應力，提高換熱器的使用壽命。

技術領域

本發明涉及屬于航空航天動力裝備和功能復合材料領域，特別是一種基于變周期最小曲面的換熱結構、換熱器以及制造方法。

背景技術

航空發動機熱管理系統擔負著發動機各部件、系統之間熱量分配的重任，換熱器作為航空發動機熱管理系統中的核心元件，其緊湊度、流動換熱特性直接影響著熱量的分配與利用。如目前換熱器已經廣泛應用于國內外航空發動機熱管理系統中的冷卻空氣系統、間冷回熱系統以及空天預冷系統等，緊湊高效的換熱器設計已經成為航空發動機熱管理系統設計中的關鍵技術。

理想的換熱器設計應同時具備換熱效率高和壓力損失小的兩個特點，即應犧牲最小的壓降來換取冷卻效率的提高。傳統管殼式換熱器采用普通弓形折流板和光滑管作為傳熱元件，其換熱面積小，又因其結構無自支撐/相互支撐能力，在滿足溫度、壓力服役條件及其他機械性能要求下,其壁面往往較厚，這導致這類換熱器存在換熱壁面換熱熱阻大、換熱效率不高以及體積和質量較大等問題。而板式換熱器或翅片式換熱器，雖然其比表面積較大，但由于其大量采用釬焊等焊接方式，這導致其承壓能力有限，并且由于存在大量垂直焊接結構，這導致其存在流動死區和腐蝕、泄漏隱患。因此，如何通過設計優化從而強化傳熱，提高換熱器中流體的流動均勻性，降低其傳熱阻力從而提高總傳熱系數，最終平衡換熱效果和壓縮熱空氣的沿程壓力損失，是開發新一代高效換熱器技術的關鍵。

另外，材料設計方面，換熱器服役工況復雜，如在超音速領域，空氣的滯止溫度將達到上千攝氏度，已經超過了常規金屬材料的正常服役溫度，更進一步的，空氣中漂浮的微小顆粒等可能會對材料表面產生磨蝕，因此，對材料的使用溫度、耐腐蝕性等有很高的要求。同時換熱器壁面一側與高溫介質接觸，另一側與低溫介質接觸，兩側溫差在極限情況下將達到上千攝氏度，由于溫度差異導致的不均勻膨脹應力是換熱器失效的主要原因之一，因此需要提高換熱器材料的強度和韌性來承擔高的循環熱應力。

發明內容

本發明的目的是為了解決背景技術中提出的問題，提供一種基于變周期最小曲面的換熱結構、換熱器以及制造方法，具體包括一種基于變周期最小曲面的換熱結構、一種基于變周期最小曲面的換熱結構的構建方法、一種計算機可讀存儲介質、一種換熱器、一種界面漸變復合結構和一種換熱結構的制造方法。

為實現上述目的，本發明第一方面提供一種基于變周期最小曲面的換熱結構，所述換熱結構包括相互隔絕的冷流體流道和熱流體流道；

所述冷流體流道和熱流體流道的內部結構均為變周期最小曲面結構。

在一種可行的實施方式中，所述冷流體流道和熱流體流道的內部結構的每個點的平均曲率為零；

和/或，所述冷流體流道和熱流體流道在三維空間內相互交錯排列；

和/或，所述冷流體流道的各個位置截面積不完全相同；和/或，所述熱流體流道的各個位置截面積不完全相同；

和/或，所述冷流體流道各個位置的流道壁厚不完全相同；和/或，所述熱流體流道各個位置的流道壁厚不完全相同。

在一種可行的實施方式中，所述冷流體流道和熱流體流道的壁面采用界面漸變復合材料制成。所述復合材料包括化學成分相互擴散的氮化硅陶瓷膏料、金屬鈦膏料或鈦合金膏料、和金屬鉬膏料或鉬合金膏料。化學成分相互擴散采用多層面貼合的材料通過熱處理的方式獲得。