伊利諾伊香檳分校利用3D打印技術(shù)提升微型兩相熱交換器性能達50%

2025年3月14日，南極熊獲悉，伊利諾伊香檳分校的研究人員采用3D打印技術(shù)設(shè)計的熱交換器，在相同功率下，性能比傳統(tǒng)設(shè)計高出30%至50%。

3D打印高性能熱交換器研發(fā)背景

熱交換器作為在流體之間傳遞熱量的關(guān)鍵設(shè)備，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色。從暖通空調(diào)系統(tǒng)、冰箱、汽車、船舶、飛機，到廢水處理設(shè)施、手機、數(shù)據(jù)中心乃至石油精煉作業(yè)，熱交換器無處不在。然而，盡管它的應(yīng)用范圍廣泛，但熱交換器的設(shè)計卻長期停滯不前。

△由3D打印設(shè)計的兩相冷凝器示意

Bill King教授是伊利諾伊大學香檳分校的教授，同時也是機械科學與工程Ralph A . Andersen講座教授和項目負責人，他表示：“幾十年來，熱交換器的機械幾何結(jié)構(gòu)幾乎沒有改變。我們目前使用的熱交換器與30年前的幾乎一模一樣。熱交換器創(chuàng)新之所以如此有限，主要是因為它們在本質(zhì)上受到了傳統(tǒng)制造工藝的限制?！?br />

△相關(guān)研究題目為“增材制造緊湊型水冷制冷劑冷凝器”（傳送門）

精確設(shè)計這些設(shè)備的三維形狀可以優(yōu)化三個關(guān)鍵因素之間的平衡：傳熱速率、實現(xiàn)傳熱所需的功量以及熱交換器的尺寸。然而，傳統(tǒng)的制造方法限制了許多理想的形狀在實際應(yīng)用中的可行性。

King說：“如果能夠制作任意形狀，那么我們可能就不會停留在現(xiàn)有熱交換器技術(shù)所代表的形狀上。借助增材制造我們可以制作出許多形狀，幾乎是我們當今制造技術(shù)無法實現(xiàn)的無數(shù)形狀。因此，我們可以制作出允許復雜3D幾何形狀的熱交換器。我們可以將促進流體輕松流動的大通道與促進高傳熱的小通道連接起來。因此，我們可以制作具有三維形狀的熱交換器，允許流體以非傳統(tǒng)方式混合和引導?！?br />

△在EOS M290機器上，通過金屬直接燒結(jié)快速成型技術(shù)（DMLS），成功制造了采用AlSi10Mg合金的冷凝器

在美國海軍熱交換器項目中提升效率

在與美國海軍合作的項目中，研究團隊成功地設(shè)計、生產(chǎn)并測試了3D打印的兩相熱交換器。這種熱交換器的工作原理是：制冷劑以蒸汽形式進入，隨后冷卻并凝結(jié)成液體，同時將熱量傳遞給流經(jīng)熱交換器的冷卻水。該設(shè)備的復雜3D幾何形狀顯著提升了傳熱性能，這些形狀是傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。在相同的功率條件下，他們的熱交換器性能比傳統(tǒng)設(shè)計高出30%至50%。

△不同類型的熱交換器性能比較。灰色為3D打印熱交換器，紅色為殼管式，藍色為釬焊板式

機械科學與工程的創(chuàng)始教授、項目聯(lián)合負責人Nenad Miljkovic表示：“制造更高效的兩相熱交換器對于未來的節(jié)能系統(tǒng)至關(guān)重要。通過增材制造，我們提升了熱交換器的體積和重量功率密度，從而降低了質(zhì)量并增加了緊湊性。這不僅帶來了更高的性能水平，還使得高功率設(shè)備能夠集成到汽車、船舶和飛機等移動應(yīng)用中，這在傳統(tǒng)上是通過最先進的熱交換器技術(shù)無法實現(xiàn)的。”

作為研究的一部分，這個團隊還開發(fā)了建模和仿真工具，使他們能夠虛擬測試數(shù)以萬計的可能配置。這些配置包括不同的尺寸、形狀以及流體在熱交換器內(nèi)的流動方式。這些工具使他們在增材制造帶來的廣闊設(shè)計空間內(nèi)進行探索和優(yōu)化。