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看3D打印如何助力逆流熱交換器提升熱交換效率

2018-12-18

幾十年來,熱交換器一直用於將熱能從一種流體傳遞到另一種流體。流體既可以是液體,也可以是氣體,或者一種可以是液體,另一種可以是氣體,例如空氣。熱交換器廣泛用於各種行業和應用 – 從汽車散熱器到航空航天應用,如引擎油冷卻和噴氣燃料預熱,再到發電和計算的各種應用。而3D打印技術正以其獨特的工藝特點在改變熱交換器和散熱器的設計與製造方式。

替代釺焊,更隨形的管道製造

在約束流熱交換器中,根據兩種流體的流動布置,有三種主要的熱交換器分類。在橫流式熱交換器中,熱流體和冷流體通過熱交換器大致彼此垂直地行進。在平行流熱交換器中,兩種流體在同一端進入熱交換器,並且彼此平行地行進到另一端。在逆流熱交換器中,兩種流體從相對的兩端進入熱交換器。

提高熱交換器效率的一種方法是增加流體流過的通道的數量,並減小通道的尺寸。對於給定的熱交換器長度,小通道尺寸使得能夠將熱能從熱流體更完全地傳遞到冷流體。所以說熱交換器的設計本質上是以行和列排列的立方體通道矩陣,其中行和列的數量為數百,在這種複雜的熱交換器結構中,盡管逆流裝置的效率優點是可取的,但直到現在製造這種設計充滿挑戰的。


看3D打印如何助力逆流熱交換器提升熱交換效率

諾思羅普·格魯曼公司(Northrop Gramman Systems)在開發一種創新設計的熱交換器,特點是外部管道的極大簡化,但是這種創新設計的熱交換器通過傳統製造技術難以構建。特別是連接部位的釺焊或焊接是困難的,尤其是考慮到所涉及的材料非常薄,尺寸非常小,並且接縫都必需防漏。然而,通過3D打印技術(也稱為3D打印)很容易構建這些結構。3D打印不僅可以替代釺焊或焊接過程,還可以通過3D打印來構造熱交換器通道矩陣,在需要大量集管的情況下,通過3D打印來構造整個熱交換器組件 – 包括所有集管成為有效的製造方式。了解到這其中值得注意的是,通過3D打印,通道不必是直的,整個熱交換器幾乎可以呈現任何形狀 – 包括彎曲,扭曲,翹曲等形狀。

3D打印技術能夠製造逆流熱交換器中的交替通道,而對於傳統製造技術來說這基本是不可能實現的。交替通道的逆流設計提供最大的熱交換器效率,這使得熱交換器的尺寸和質量最小化,並且流體流速降低。

Review

諾思羅普·格魯曼公司美國主要的航空航天飛行器製造廠商之一,在電子和係統集成、軍用轟炸機、戰鬥機、偵察機以及軍用和民用飛機部件、精密武器和信息係統等領域具有很大優勢。

不僅是諾思羅普·格魯曼公司在通過3D打印技術開發創新設計的熱交換器。另外一家美國的大型國防合約商雷神公司也正在開發通過3D打印的方法來實現相變材料(PCM)散熱器的製造。雷神公司開發的散熱器的基本結構包括下殼、上殼和內部矩陣。通過3D打印技術將下殼,上殼和內部矩陣結構做為單一組件製造出來。內部矩陣被設計成放置相變材料的空間。3D打印工藝使得單個部件集成在一起製造出來。結果是通過3D打印的散熱器的製造成本較低並且比傳統的散熱器更結實。不僅如此,其內部矩陣可以具有更複雜的設計,以解決諸如高功率比重部件散熱的特定問題。

3D打印在散熱器的製造方麵當前主要存在幾種思路:一種是文中所提到的替代釺焊並結合相變材料的使用,一種是實現十分複雜的幾何形狀。實現十分複雜的幾何形狀方麵例如雙曲線交叉纏繞的應用,當然更為典型的是點陣結構的應用。

而究竟3D打印將在熱交換器的產業化方麵達到怎樣的影響力和覆蓋麵,這不僅僅取決於3D打印設備,材料的價格,還取決於工藝質量是否能夠達到一致可控,以及標準與認證的完善,而最重要的是如何從設計端得到以產品功能實現為導向的正向設計突破。不少的公司在3D打印熱交換器和散熱器方麵得到了進展。其中包括在航空航天領域的GE、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司、Unison Industries公司;在汽車領域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開發的換熱器,Conflux所開發的新型高效熱交換器ConfluxCore以及菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團)開發的鋁製散熱器;在IT電子領域微軟、IBM、,Ebullient LLC等公司開發的微處理器冷卻解決方案以及熱管理係統。

可以說,在以增材思維為主導的正向設計方麵,熱交換器和散熱器方麵,正在發生產品設計層麵上的不斷的創新,這些創新將以商業化實現的方式提高人類熱管理的效率和能力。


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