3D打印技術(shù)的進步已經(jīng)改變了熱交換器的制造方式。傳統(tǒng)制造路線無法實現(xiàn)的復(fù)雜、自由設(shè)計，可以通過3D打印輕松實現(xiàn)。熱交換效率的提高以及重量、體積、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他優(yōu)勢。與傳統(tǒng)批量生產(chǎn)方法相比，3D打印所涉及的工藝參數(shù)優(yōu)化、表面粗糙度控制、支撐結(jié)構(gòu)去除、后處理要求、兼容原材料和成本競爭力一直爭議不斷。但盡管存在挑戰(zhàn)，采用該技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)了金屬、聚合物和陶瓷材料的熱交換器制造。

在本篇文章中，3D打印技術(shù)參考重點分析粗糙表面、微通道、表面積和晶格結(jié)構(gòu)等因素對3D打印熱交換器的性能影響。當前的研究發(fā)現(xiàn)，金屬3D打印的表面粗糙度是影響熱交換器性能的關(guān)鍵考慮因素；與預(yù)期設(shè)計相比，制造尺寸的偏差也非常顯著，特別是當尺寸接近制造極限時。隨著3D打印技術(shù)在最終產(chǎn)品表面質(zhì)量、尺寸精度和實現(xiàn)更小尺寸精度方面的不斷提高，熱交換器的換熱性能可能進一步提高。

表面粗糙度對熱交換性能的影響

表面粗糙度是通過粉末床熔融技術(shù)制造不同類型金屬熱交換器的常見和關(guān)鍵考慮因素。3D打印的熱交換器產(chǎn)生的表面粗糙度可能比通過傳統(tǒng)方法制造的相同熱交換器高一個數(shù)量級。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更嚴重影響傳熱效率。因此，有必要正確評估表面粗糙度并系統(tǒng)收集相應(yīng)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。

3D打印的飛機電機熱交換器，最佳翅片密度可優(yōu)化熱交換效率

在led的熱管理方面，拓撲優(yōu)化散熱器比柵格結(jié)構(gòu)具有更好的性能

制造尺寸的顯著偏差可能與預(yù)期設(shè)計的偏差高達約20%，這也會影響微通道熱交換器的熱工水力性能。一些研究報告稱壓降受由此產(chǎn)生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影響，而一些研究報告稱壓降是受表面粗糙度的強烈影響，另有研究認為粗糙度與通道水力參數(shù)的比率更適合分析壓降特性。對增材制造技術(shù)引入的表面粗糙度對傳熱機制的影響分析表明，決定熱交換器傳熱效率的不僅包括粉末顆粒的尺寸，還有粉末顆粒的形狀及其與熱交換器表面之間的附著。

最小特征尺寸和制造精度對熱交換性能的影響

小型化電子設(shè)備的發(fā)展推動了開發(fā)小型散熱器的需求，這些散熱器可以耗散非常高的熱量，確保延長系統(tǒng)的使用壽命。先前對微通道的研究已經(jīng)證明它們具有消散高功率密度的能力。微通道換熱器的典型特征是壓降大，這可能是由于通道中的流動分布不均和較長的流向流動長度造成的。歧管微通道換熱器作為傳統(tǒng)微通道換熱器的替代品，歧管結(jié)構(gòu)放置在平行運行的微通道的頂部，并通過多個入口和出口分配冷卻劑流體。這種配置中的流動長度減少，改善了熱交換器的水力特性。但傳統(tǒng)上歧管和微通道是分開制造的，再通過一種粘合技術(shù)連接在一起，這個過程會增加交貨時間，如果操作不當會影響性能。

夾層壁圓柱體強制對流傳熱示意圖

利用晶格結(jié)構(gòu)近似法和梯度法優(yōu)化晶格密度分布的熱交換器

增材制造技術(shù)可以將歧管和微通道以單個部件進行制造，并確保兩個組件之間具有的適當接口。更復(fù)雜和優(yōu)化的通道設(shè)計也可以通過該技術(shù)實現(xiàn)，這對于傳統(tǒng)技術(shù)來說可能非常具有挑戰(zhàn)性。研究發(fā)現(xiàn)，將不銹鋼翅片的厚度從150μm減小到50μm可以將換熱效率可以提高20-40%，將歧管的厚度從300μm減小到150μm，可以將換熱效率提高10-30%。對由不銹鋼、鈦合金和鋁合金打印的微通道進行研究發(fā)現(xiàn)，翅片和微通道的尺寸誤差約20%，此外由于殘留粉末，部分通道存在堵塞。與鈦合金相比，不銹鋼樣品的尺寸誤差更為突出。具有相似幾何形狀和預(yù)期尺寸的三個樣品的傳熱系數(shù)和壓降參數(shù)的差異歸因于制造過程中出現(xiàn)的不準確。未來，如果3D打印可以達到更高的制造極限和精度，熱交換器的換熱效率將會進一步提高。

蜂窩結(jié)構(gòu)具有更高的熱傳遞性能

多孔材料包含大量空隙，增強了相對于整體塊狀材料的結(jié)構(gòu)和功能特性。商業(yè)采購的金屬泡沫就是這樣一種多孔材料，據(jù)報道它具有良好的熱和機械承載能力。周期性排列的晶格結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)被結(jié)構(gòu)工程師廣泛探索，與隨機開孔泡沫金屬相比，單元格的自聚焦拓撲可以提供更好的強度和剛度特性。增材制造不僅可以自由制備具有定制形態(tài)參數(shù)的晶格，還可以將整個蜂窩結(jié)構(gòu)打印在基板上，從而消除了額外的熱界面材料阻力。

3D打印的新型分層分形體積太陽能吸收體，總體熱轉(zhuǎn)換效率與傳統(tǒng)碳化硅整體蜂巢相當

不同的單元拓撲結(jié)構(gòu)

GE 3D打印的鎳基高溫合金熱交換器用于高溫高壓環(huán)境中

蜂窩結(jié)構(gòu)具有更高的熱傳遞和壓降，但總體優(yōu)勢取決于單元拓撲結(jié)構(gòu)，主要的傳熱機制決定了蜂窩結(jié)構(gòu)在特定應(yīng)用中能否使用。例如，在強制對流中表現(xiàn)最好的蜂窩結(jié)構(gòu)在自然對流中可能不是最好的。仿生技術(shù)可以極大地激發(fā)3D打印技術(shù)制造復(fù)雜仿生蜂窩結(jié)構(gòu)的可能性。一種具有三重周期最小表面的結(jié)構(gòu)被證明具有更高的表面-體積比和高有效的導(dǎo)熱性。

END

增材制造技術(shù)作為制造實驗室和商業(yè)規(guī)模熱交換器的可行選擇，正在顯著提高熱交換的效率，并減輕重量和成本。雖然增材制造技術(shù)在生產(chǎn)優(yōu)化和復(fù)雜的幾何形狀方面優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，但零件質(zhì)量相對較差。增材制造技術(shù)的肯定有用，但需要做具體和系統(tǒng)的大量驗證。當前的3D打印技術(shù)還無法替代傳統(tǒng)方法，但3D打印技術(shù)的不斷進步，將逐步解決這些固有缺陷，從而生產(chǎn)出輕量、多功能和高效的熱交換器。