冷卻技術(shù)革命：研究發(fā)現(xiàn)3D打印冷凝器性能優(yōu)于傳統(tǒng)設計

2025年4月11日，南極熊獲悉，來自伊利諾伊大學香檳分校的研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種緊湊型水冷式制冷劑冷凝器，測試性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的熱交換器設計。3D打印熱交換器采用微型 3D 表面，可實現(xiàn)高傳熱性能，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。

相關(guān)研究以題為“Additively manufactured compactwater-cooled refrigerant condenser”的論文發(fā)表在《國際傳熱傳質(zhì)雜志》上，由OmarM. Zaki, William P. King等人聯(lián)合撰寫。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126836

3D打印可實現(xiàn)先進的內(nèi)部幾何形狀

這款冷凝器采用激光粉末床熔融技術(shù)，以AlSi10Mg合金制成，從而能夠創(chuàng)建減材制造法無法實現(xiàn)的復雜內(nèi)部幾何形狀。這些幾何形狀包括制冷劑側(cè)的人字形流動擾流器和水側(cè)的十字形波浪形翅片，旨在增強湍流并提高局部傳熱系數(shù)。與依賴堆疊板或翅片管的傳統(tǒng)熱交換器不同，這種3D打印架構(gòu)能夠精確調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而管理多個流體路徑上的流量、壓降和熱阻。

△熱交換器設計的 CAD 剖面圖，插圖為制冷劑側(cè)通道中的人字形結(jié)構(gòu)（上圖）和水側(cè)通道中 3D 波浪形翅片（下圖）。圖片來自 William P. King。

多通道橫流結(jié)構(gòu)，性能緊湊

3D打印冷凝器采用多通道、多通道橫流結(jié)構(gòu)，旨在優(yōu)化緊湊空間內(nèi)水與制冷劑之間的熱交換。在橫流結(jié)構(gòu)中，冷卻水和制冷劑兩種流體相互垂直流動，增強了熱交換器內(nèi)表面的熱接觸。

△3D打印橫流制冷劑冷凝器的設計。圖片來自 William P. King

每個流體域內(nèi)設有多條平行流道，可增加表面積并改善流量分布。水和制冷劑均分多個連續(xù)階段流經(jīng)冷凝器。在設計結(jié)構(gòu)中，制冷劑流經(jīng)四條通道，每條通道的通道逐漸變窄，以補償冷凝過程中不斷增加的密度。同時，水以相反方向流經(jīng)自身的四通道回路。

新的換熱器結(jié)構(gòu)能夠精細控制流體速度、壓降和溫度梯度，確保兩種工作流體之間高效的能量傳遞。盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，但換熱器裝置仍保持著緊湊的外形尺寸，僅為 260 × 235 × 39 毫米。

模擬引導優(yōu)化和機器學習集成

為了優(yōu)化水側(cè)性能，研究團隊將二維有限元仿真與基于36,000個參數(shù)化翅片形狀訓練的機器學習模型相結(jié)合。仿真模型預測翅片效率和面積增強因子，并作為基于物理的分段式熱模型的輸入。通過參數(shù)掃描篩選候選設計方案，并使用CFD仿真進行細化，以驗證局部溫度、速度和壓力分布。

△冷凝器的分割過程。圖片來自 William P. King

定制蒸汽壓縮回路中的實驗驗證

換熱器設計原型在定制的蒸汽壓縮回路中進行了實驗測試。冷凝器在制冷劑飽和溫度為35°C至49°C的范圍內(nèi)，傳熱速率在3 kW至8kW之間。水側(cè)流量測試結(jié)果為每分鐘5至40升。基于物理的模型和CFD結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的匹配精度在5%以內(nèi)，驗證了仿真框架的可靠性。

與低GWP制冷劑的兼容性

雖然最初測試的是 R134a，但研究也評估了 R1234yf、R32、丙烷和異丁烷等其他制冷劑的性能。這些制冷劑的全球變暖潛能值 (GWP) 低于 R134a，并且評估時采用了相同的幾何形狀和相當?shù)捏w積流量。模擬結(jié)果表明，在更高的流量下，R32 的傳熱速率可達 R134a 的兩倍，而丙烷和 R1234yf 的性能則相似或略有提升。

添加熱元件的展望

本文的研究提供了一種經(jīng)過驗證的、基于增材制造 (AM) 的緊湊型高效兩相熱交換器設計方法，能夠在管段層面微調(diào)熱阻、流路和幾何形狀，并結(jié)合經(jīng)過驗證的 CFD 和實驗結(jié)果，在暖通空調(diào) (HVAC)、汽車、數(shù)據(jù)中心和航空航天系統(tǒng)等實際應用中具有可行性。

冷凝器設計是利用3D打印重塑熱交換器性能的研究和商業(yè)開發(fā)成果的又一力作。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）最近開展的一項研究，探索了利用金屬3D打印制造用于電子和航空航天領域的微型熱交換器，相關(guān)研究刊登在《麻省理工學院技術(shù)評論》上。這些設備采用折疊幾何形狀以最大限度地增加表面積，但在早期測試中性能提升仍然不大。

與此同時，像Conflux Technology這樣的公司也紛紛涌現(xiàn)。2024 年 10 月，Conflux 在 B 輪融資中籌集了 1100 萬歐元，用于擴大采用激光粉末床熔融技術(shù)的 3D 打印熱交換器的生產(chǎn)。Conflux 公司還與奧格斯堡火箭工廠合作，將3D 打印熱交換器集成到軌道火箭中，展示了增材制造技術(shù)在生產(chǎn)能夠承受極端條件的部件方面的適用性。該公司還推出了一款高性能筒式熱交換器，專為汽車和工業(yè)環(huán)境中的流體控制系統(tǒng)而設計，特點是結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部幾何形狀優(yōu)化。

其他努力包括通用電氣研究院 (GE Research)開發(fā)了一種葡萄形3D打印熱交換器，工作溫度可達900°C，比現(xiàn)有解決方案的溫度極限高出200°C以上。這些進展證明了增材制造在熱管理系統(tǒng)中的靈活性和針對特定應用的設計優(yōu)勢。