看3D打印如何助力逆流熱交換器提升熱交換效率

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3D虎 2018-12-17 09:18:02 12464
微導讀:

幾十年來,熱交換器一直用于将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。熱交換器廣泛用于各種行業和應用 – 從汽車散熱器到航空……

  幾十年來,熱交換器一直用于将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。熱交換器廣泛用于各種行業和應用 – 從汽車散熱器到航空航天應用,如發動機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制造方式。


  替代釺焊,更随形的管道制造


  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緻彼此垂直地行進。在平行流熱交換器中,兩種流體在同一端進入熱交換器,并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,并減小通道的尺寸。對于給定的熱交換器長度,小通道尺寸使得能夠将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,但直到現在制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制造技術難以構建。特别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,并且接縫都必須防漏。然而,通過增材制造技術(也稱為3D打印)很容易構建這些結構。增材制造不僅可以替代釺焊或焊接過程,還可以通過增材制造來構造熱交換器通道矩陣,在需要大量集管的情況下,通過增材制造來構造整個熱交換器組件 – 包括所有集管成為有效的制造方式。我們了解到這其中值得注意的是,通過增材制造,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。


  增材制造技術能夠制造逆流熱交換器中的交替通道,而對于傳統制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,并且流體流速降低。


  諾思羅普·格魯曼公司美國主要的航空航天飛行器制造廠商之一,在電子和系統集成、軍用轟炸機、戰鬥機、偵察機以及軍用和民用飛機部件、精密武器和信息系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打印增材制造的方法來實現相變材料(PCM)散熱器的制造。雷神公司開發的散熱器的基本結構包括下殼、上殼和内部矩陣。通過增材制造技術将下殼,上殼和内部矩陣結構做為單一組件制造出來。内部矩陣被設計成放置相變材料的空間。增材制造工藝使得單個部件集成在一起制造出來。結果是通過3D打印的散熱器的制造成本較低并且比傳統的散熱器更堅固。不僅如此,其内部矩陣可以具有更複雜的設計,以解決諸如高功率密度部件散熱的特定問題。


  3D打印在散熱器的制造方面當前主要存在幾種思路:一種是文中所提到的替代釺焊并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面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打印将在熱交換器的産業化方面達到怎樣的影響力和覆蓋面,這不僅僅取決于3D打印設備,材料的價格,還取決于工藝質量是否能夠達到一緻可控,以及标準與認證的完善,而最重要的是如何從設計端獲得以産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面獲得了進展。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)開發的鋁制散熱器;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系統。


  可以說,在以增材思維為主導的正向設計方面,熱交換器和散熱器方面,正在發生産品設計層面上的不斷的創新,這些創新将以商業化實現的方式提升人類熱管理的效率和能力。

(來源:3D科學谷) 關鍵詞: 增材制造 3D打印 3D打印技術
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