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看3D打印如何助力逆流熱交換器提升熱交換效率

魔猴君  行業(yè)資訊   2137天前

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幾十年來,熱交換器一直用于將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(yè)和應用 – 從汽車散熱器到航空航天應用,如引擎油冷卻和噴氣燃料預熱,再到發(fā)電和計算的各種應用。而3D打印技術(shù)正以其獨特的工藝特點在改變熱交換器和散熱器的設(shè)計與制造方式。

替代釬焊,更隨形的管道制造

在約束流熱交換器中,根據(jù)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致彼此垂直地行進。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(shù)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?qū)崮軓臒崃黧w更完全地傳遞到冷流體。所以說熱交換器的設(shè)計本質(zhì)上是以行和列排列的立方體通道矩陣,其中行和列的數(shù)量為數(shù)百,在這種復雜的熱交換器結(jié)構(gòu)中,盡管逆流裝置的效率優(yōu)點是可取的,但直到現(xiàn)在制造這種設(shè)計充滿挑戰(zhàn)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(fā)一種創(chuàng)新設(shè)計的熱交換器,特點是外部管道的極大簡化,但是這種創(chuàng)新設(shè)計的熱交換器通過傳統(tǒng)制造技術(shù)難以構(gòu)建。特別是連接部位的釬焊或焊接是困難的,尤其是考慮到所涉及的材料非常薄,尺寸非常小,并且接縫都必需防漏。然而,通過3D打印技術(shù)(也稱為3D打印)很容易構(gòu)建這些結(jié)構(gòu)。3D打印不僅可以替代釬焊或焊接過程,還可以通過3D打印來構(gòu)造熱交換器通道矩陣,在需要大量集管的情況下,通過3D打印來構(gòu)造整個熱交換器組件 – 包括所有集管成為有效的制造方式。魔猴網(wǎng)了解到這其中值得注意的是,通過3D打印,通道不必是直的,整個熱交換器幾乎可以呈現(xiàn)任何形狀 – 包括彎曲,扭曲,翹曲等形狀。

3D打印技術(shù)能夠制造逆流熱交換器中的交替通道,而對于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說這基本是不可能實現(xiàn)的。交替通道的逆流設(shè)計提供最大的熱交換器效率,這使得熱交換器的尺寸和質(zhì)量最小化,并且流體流速降低。

Review

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(tǒng)集成、軍用轟炸機、戰(zhàn)斗機、偵察機以及軍用和民用飛機部件、精密武器和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢。

不僅是諾思羅普·格魯曼公司在通過3D打印技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新設(shè)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(fā)通過3D打印的方法來實現(xiàn)相變材料(PCM)散熱器的制造。雷神公司開發(fā)的散熱器的基本結(jié)構(gòu)包括下殼、上殼和內(nèi)部矩陣。通過3D打印技術(shù)將下殼,上殼和內(nèi)部矩陣結(jié)構(gòu)做為單一組件制造出來。內(nèi)部矩陣被設(shè)計成放置相變材料的空間。3D打印工藝使得單個部件集成在一起制造出來。結(jié)果是通過3D打印的散熱器的制造成本較低并且比傳統(tǒng)的散熱器更結(jié)實。不僅如此,其內(nèi)部矩陣可以具有更復雜的設(shè)計,以解決諸如高功率比重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釬焊并結(jié)合相變材料的使用,一種是實現(xiàn)十分復雜的幾何形狀。實現(xiàn)十分復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(jié)構(gòu)的應用。

而究竟3D打印將在熱交換器的產(chǎn)業(yè)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(shè)備,材料的價格,還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達到一致可控,以及標準與認證的完善,而最重要的是如何從設(shè)計端得到以產(chǎn)品功能實現(xiàn)為導向的正向設(shè)計突破。不少的公司在3D打印熱交換器和散熱器方面得到了進展。其中包括在航空航天領(lǐng)域的GE、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司、Unison Industries公司;在汽車領(lǐng)域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開發(fā)的換熱器,Conflux所開發(fā)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(fā)的鋁制散熱器;在IT電子領(lǐng)域微軟、IBM、,Ebullient LLC等公司開發(fā)的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統(tǒng)。

可以說,在以增材思維為主導的正向設(shè)計方面,熱交換器和散熱器方面,正在發(fā)生產(chǎn)品設(shè)計層面上的不斷的創(chuàng)新,這些創(chuàng)新將以商業(yè)化實現(xiàn)的方式提高人類熱管理的效率和能力。

來源:中國3D打印網(wǎng)

文章來源:(3D科學谷)
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