增材制造革新热交换器设计

增材制造进步突然让以往被认为只能以特定方式制造的零件设计成为可能。以热交换器为例，这是工业革命以来各类机器、住宅、制冷、空调、运输、炼油、商业、医院等冷热相关场景普遍使用的常见工业组件。全球热交换器需求预计2020年将达781.6亿美元。

提高热交换器效率长期困扰工业工程师。典型热交换器由金属制成，呈矩形架构，由直角、直线和堆叠组成。这些形状最易用传统技术制造，却非在小空间最大化热交换的最佳形状。

事实证明，利用增材制造可使热交换器更高效、更轻、更低成本——且前所未有地更有效。Fast Radius首席科学家Bill King近期在伊利诺伊大学领导研究项目，他是机械工程教授，致力于工程范式创新研究。该项目及King合著的后续论文展示了如何利用增材制造制造热交换器部件，并较传统热交换器显著改进。

本问答中，King分享见解，阐述增材制造为何改进传统热交换器模型，以及这一创新为何令制造业振奋。

传统热交换器的局限性是什么？

大多数人熟悉汽车散热器外观：一组管束配大量薄金属鳍片。本质是大块状矩形。多数工程师承认新几何热交换器能提升性能，但迄今无法实现。

大多数设计中，热交换器组件几何相对简单。流道通常笔直光滑。这些直滑流道传热通常低于扭曲弯曲流道。但遗憾的是，传统制造技术无法制造扭曲弯曲流道。

某些矩形设计中，歧管导流体流向高温或低温区域——即热流目标区。通常歧管作为单独部件制造。分件制造再装配带来额外装配和质检成本。

制造歧管装置图片。(a)歧管装置整体形状。(b)无静态混合器和(c)有混合器的歧管装置正视图。(d)带集成歧管装置的静态混合器侧视示意图。

增材制造为热交换器带来何种可能？

增材制造可利用可用“空白空间”，制造各种形状热交换器，在能效、系统性能和用更小流体体积移动更多热量方面具优势。

研究中选取常见热交换器架构——水平加热平板，几何极简，水流过带走热量。这是最简单热交换器配置之一。利用增材制造，我们用增材制造聚合物制造控制流体流动的歧管。采用多种技术和材料测试设计。一特别成功设计使用Carbon数字光合成和氰酸酯（Cyanate Ester），因该材料极耐高温。所得热交换器利用混合结构使冷流体高效带走热板热量。

采用Carbon数字光合成和氰酸酯制造的矩形扭带混合器

聚合物导热率远低于金属，故不适作传热部件。但增材制造可将混合器直接制造在流道内，再组装到加热板上。我们分析两类混合结构：类似传统静态混合器的扭带结构，和新型箭头形偏置翼结构。

制造装置图像；(a)无静态混合器矩形通道（平直通道）；(b)矩形通道扭带混合器；(c)矩形通道箭头混合器。

研究结论如何？

我们成功演示热交换器性能显著提升，增材制造设计制造的产品和工具能效大幅提高。总体而言，增材制造混合结构使传热性能提升约2倍。这在目标是尽可能移除热量的系统中意义重大——热量翻倍。

另一工业场景下，目标是在最小化装置尺寸前提下最大化换热——如设计高性能汽车，车辆尺寸重量影响性能——可缩小热交换器尺寸达标。增材制造使这种面向应用目标的定制极其灵活。

利用这些新几何将推动各类机械和电器制造重大进步。我们的研究将成果交付全球工程师，开发利用新技术提升传热的工具。令人振奋。

准备好与Fast Radius合作制造零件了吗？