熱交換器在多種應(yīng)用中不可或缺。一般來說，熱交換器用于在流體之間傳遞熱量（通常是運(yùn)動(dòng)流體），以消除組件在工作過程中產(chǎn)生的過多熱量。特別是在航空航天應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分冷卻是由位于發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)艙之間的空氣-油熱交換器提供的，熱交換器可以冷卻運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油，從而盡可能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的容量。因此，該器件必須能夠在高溫、嚴(yán)重腐蝕和磨損的條件下運(yùn)行，適用于在海洋大氣、動(dòng)態(tài)振動(dòng)和長時(shí)間運(yùn)行的地區(qū)停頓時(shí)間較長的飛機(jī)。

熱交換器傳統(tǒng)開發(fā)和制造面臨挑戰(zhàn)

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，航空航天熱交換器傳統(tǒng)上通過釬焊或擴(kuò)散接合組裝薄板的漫長流程生產(chǎn)而來。釬焊使用熔點(diǎn)低于所連接基材的填充金屬，可產(chǎn)生牢固的粘合并提高耐腐蝕性等性能，但它并不完全適合具有多個(gè)接頭的大型部件，并且需要高技能和經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員才能達(dá)到最佳結(jié)果。創(chuàng)新的擴(kuò)散接合可以使金屬部件之間更好、更容易的結(jié)合，從而形成高性能的緊湊型熱交換器。特別是，該過程包括施加高溫和高壓來粘合板材，而不會(huì)熔化或使形狀變形。然而，該過程需要專門的設(shè)備和較長的處理時(shí)間。此外，連接的成功依賴于表面處理和表面之間的緊密接觸，限制了復(fù)雜幾何形狀的應(yīng)用范圍。多年來，航空航天業(yè)取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，如今熱交換器的組件制造效率更高，以最大限度減少浪費(fèi)。然而，新的、更高效的熱交換器的開發(fā)仍在繼續(xù)。最重要的是通過影響尺寸等來減少組件的最終重量，同時(shí)熱效率方面的性能必須達(dá)到高水平。因此，熱交換器的設(shè)計(jì)和制造過程中有幾個(gè)主要目標(biāo)，從工程和生產(chǎn)成本的角度來看，這些目標(biāo)都具有挑戰(zhàn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的油熱交換器

如今，航空航天領(lǐng)域使用的所有組件都對(duì)制造和使用壽命提出了要求，以滿足最嚴(yán)格的環(huán)境規(guī)則，迫使這些行業(yè)對(duì)熱交換器有了新的愿景，希望通過復(fù)雜設(shè)計(jì)提升熱交換效率，但通過傳統(tǒng)制造技術(shù)卻實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的制造。此外，這項(xiàng)新規(guī)定引發(fā)了對(duì)新型制造技術(shù)的考慮，因此也考慮了具有高密度/強(qiáng)度比的材料。

由3D打印制造的熱交換器

熱交換器的設(shè)計(jì)通常是最大化零件表面積和最小化零件內(nèi)壓降之間的復(fù)雜平衡。通常，熱交換器可以通過多種方式進(jìn)行分類，例如傳遞機(jī)制、過程性質(zhì)、流體流動(dòng)和緊湊性。緊湊型熱交換器的特點(diǎn)是每單位體積具有大量的熱交換表面，通過最小化組件的總體積來最大化傳熱是緊湊型熱交換器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于體積相對(duì)較小、重量輕且熱效率高，這些緊湊型熱交換器已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

拓?fù)鋬?yōu)化與晶格結(jié)構(gòu)受重視

科學(xué)界仍在探索新的設(shè)計(jì)工具和制造方法，以解決熱交換器的現(xiàn)有局限性，并最大限度提高熱效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)組件的極度緊湊和輕量化。熱交換器的許多細(xì)節(jié)最終不是由性能要求驅(qū)動(dòng)，而是由制造能力驅(qū)動(dòng)。因此，了解節(jié)距、翅片高度和翅片厚度等變量的影響對(duì)于重復(fù)生產(chǎn)輕質(zhì)、高性能的熱交換器至關(guān)重要。過去，大量關(guān)于翅片形狀與熱效率之間相關(guān)性的研究推動(dòng)了新熱交換器的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，所使用的翅片類型是金屬板材成型或彎曲工藝的結(jié)果，并且其幾何形狀必須允許在最終部件上輕松連接。這減少了用于生成新的、功能更強(qiáng)大的熱交換器的可能的幾何形狀組合。

Sintavia 3D打印制造的大尺寸熱交換器

現(xiàn)代工業(yè)已達(dá)到一定的技術(shù)進(jìn)步水平，可以保證克服上述限制。特別是，設(shè)計(jì)階段的拓?fù)鋬?yōu)化和生產(chǎn)階段的增材制造這兩種新技術(shù)的結(jié)合，擴(kuò)大了熱交換器的生產(chǎn)空間，增加了可能的類別，并且在一些限制下，可能有助于提高性能用于航空航天和其他應(yīng)用。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)技術(shù)，它使用可變的設(shè)計(jì)參數(shù)和約束條件來生成形狀，以保證一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最大化或最小化。具體來說，在滿足約束條件的情況下，通過調(diào)整工程參數(shù)的值來達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的最大值或最小值，這就是優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。這種有用的工具與先進(jìn)的計(jì)算建模軟件和增材制造技術(shù)相結(jié)合，可以創(chuàng)建具有優(yōu)化表面和低重量的熱交換器設(shè)計(jì)。

使用優(yōu)化模型和增材制造生產(chǎn)的新型熱交換器

對(duì)最大化散熱和性能的日益增長的需求是熱交換器設(shè)計(jì)的新愿景。例如，晶格結(jié)構(gòu)的使用被證明是增強(qiáng)傳熱從而提高熱交換器效率的一種可能方法。晶格結(jié)構(gòu)是一種由支柱組成的結(jié)構(gòu)，以周期性排列的拓?fù)漤樞蚺帕校貜?fù)一次或多次。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)保證了顯著的機(jī)械阻力，從而形成高效的負(fù)載支撐系統(tǒng)，并且還為橫流熱交換提供了制造的可能性。由于冷流體通過孔道傳播的橫流，來自熱流體的熱量通過傳導(dǎo)和對(duì)流通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)局部消散。晶格結(jié)構(gòu)的空區(qū)域中的高熱傳導(dǎo)和對(duì)流以及低流動(dòng)阻力的結(jié)合導(dǎo)致了高效的熱交換。傳統(tǒng)上，晶格結(jié)構(gòu)是使用傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)的，這在架構(gòu)數(shù)量上有很多限制。另一方面，現(xiàn)代增材制造技術(shù)的引入擴(kuò)大了可以創(chuàng)建的可能幾何形狀。

帶有晶格結(jié)構(gòu)的3D打印熱交換器

目前，對(duì)空心結(jié)構(gòu)使用的研究正在進(jìn)行中，與晶格結(jié)構(gòu)的結(jié)合可以顯著提高熱效率。這些通過增材制造制造的新型空心壁熱交換器具有巨大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿?，但傳熱、損失和結(jié)構(gòu)類型之間的關(guān)系仍需要正確評(píng)估。盡管如此，通過增材制造晶格結(jié)構(gòu)和薄壁特征的一些限制仍然是科學(xué)研究仍在努力應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。最小和最大傾斜度、厚度和精度的限制并不總能保證實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。

熱交換器的增材制造

增材制造是一種現(xiàn)代制造工藝，為創(chuàng)造具有復(fù)雜幾何形狀的新產(chǎn)品提供了極大的靈活性和機(jī)會(huì)。近幾十年來，增材制造開始對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)難以制造的產(chǎn)品且原材料浪費(fèi)非常嚴(yán)重的工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。此外，增材制造的引入使得拓?fù)鋬?yōu)化等技術(shù)的實(shí)施成為可能，從而通過減輕組件的重量來提高性能。因此，在航空航天領(lǐng)域使用這些工藝制造組件增加了創(chuàng)新機(jī)會(huì)，并提供了制造熱交換器的新方法。

GE9X上的3D打印熱交換器

如今，增材制造工藝多達(dá)幾十種，但能夠制造熱交換器的3D打印工藝需要仔細(xì)甄別。直接能量沉積（DED）技術(shù)能夠生產(chǎn)大型部件，但產(chǎn)品的最終表面和尺寸精度較差，使得該工藝不適合生產(chǎn)薄型特征的熱交換器。超聲波增材制造 (UAM)利用超聲波摩擦來連接薄金屬板，然后通過減材工藝對(duì)該層進(jìn)行加工以創(chuàng)建所需的幾何形狀，目前有許多研究正在證明該技術(shù)制造熱交換器的能力。粉末床熔融技術(shù)是迄今為止大規(guī)模生產(chǎn)金屬零件時(shí)使用最廣泛的增材制造方法，該工藝制造了當(dāng)前最常見的3D打印熱交換器。

賽峰金屬3D打印的新型高性能熱交換器

為航空發(fā)動(dòng)機(jī)等行業(yè)設(shè)計(jì)更為高效的熱交換器因3D打印技術(shù)的成熟而變得可能。本文為熱交換器增材制造的第一篇內(nèi)容，下篇將介紹3D打印制造熱交換器的挑戰(zhàn)及材料選擇。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。