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(dá)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(jì)的熱交換器，在相同功率下，性能比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)，到廢水處理設(shè)施、手機(jī)、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(jì)卻長期停滯不前。

△由3D打印設(shè)計(jì)的兩相冷凝器示意

Bill King教授是伊利諾伊大學(xué)香檳分校的教授，同時(shí)也是機(jī)械科學(xué)與工程Ralph A . Andersen講座教授和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他表示：“幾十年來，熱交換器的機(jī)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?yàn)樗鼈冊诒举|(zhì)上受到了傳統(tǒng)制造工藝的限制�！�

△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(jì)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(shí)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(shí)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(dāng)今制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的無數(shù)形狀。因此，我們可以制作出允許復(fù)雜3D幾何形狀的熱交換器。我們可以將促進(jìn)流體輕松流動的大通道與促進(jìn)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(dǎo)。”

△在EOS M290機(jī)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(xiàng)目中提升效率

在與美國海軍合作的項(xiàng)目中，研究團(tuán)隊(duì)成功地設(shè)計(jì)、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(jìn)入，隨后冷卻并凝結(jié)成液體，同時(shí)將熱量傳遞給流經(jīng)熱交換器的冷卻水。該設(shè)備的復(fù)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(shí)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(jì)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(lán)色為釬焊板式

機(jī)械科學(xué)與工程的創(chuàng)始教授、項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)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(jī)等移動應(yīng)用中，這在傳統(tǒng)上是通過最先進(jìn)的熱交換器技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的�！�

作為研究的一部分，這個團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jì)空間內(nèi)進(jìn)行探索和優(yōu)化。