換熱器作為熱能傳導(dǎo)的關(guān)鍵裝置，已滲透現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)角落，包括數(shù)據(jù)中心、船舶、工廠以及各種建筑物中幾乎都有它們的身影。
這類設(shè)備的本質(zhì)功能是實(shí)現(xiàn)熱量的高效轉(zhuǎn)移，但就現(xiàn)階段而言，受限于傳統(tǒng)制造工藝，目前主流產(chǎn)品仍采用幾種成本最低、加工最簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
最新的一項(xiàng)研究表明，通過 3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，可以使空調(diào)、冰箱等制冷設(shè)備的核心部件變得更小巧、更高效。目前，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在International Journal of Heat and Mass Transfer上。
“熱交換器是工業(yè)經(jīng)濟(jì)的核心設(shè)備之一，它們是每臺(tái)機(jī)器以及每個(gè)能量傳輸系統(tǒng)的重要組成部分?！边@篇研究論文的通訊作者、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校教授 William King 指出，“現(xiàn)有設(shè)計(jì)普遍采用直線、直角和圓管等易于加工的結(jié)構(gòu)?！?/p>
對(duì)此，他和團(tuán)隊(duì)利用 3D 打印技術(shù)突破傳統(tǒng)制造局限，開發(fā)出具有波浪形壁面和金字塔狀凸起的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計(jì)能顯著優(yōu)化熱傳導(dǎo)路徑，是傳統(tǒng)制造技術(shù)所難以實(shí)現(xiàn)的。
研究團(tuán)隊(duì)基于一種常見的制冷劑 R-134a 來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種制冷劑廣泛應(yīng)用于空調(diào)和冰箱等設(shè)備。
當(dāng)冷水降低制冷劑的溫度時(shí)，它會(huì)在通過設(shè)備的過程中從氣體變成液體。隨后，這種液態(tài)制冷劑可以進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的其他部分，用于降低從房間到服務(wù)器機(jī)架等各種目標(biāo)的溫度。
最有效的制冷方式通常是通過在設(shè)備兩側(cè)之間構(gòu)建非常薄的壁，并最大化水和制冷劑與這些壁的接觸面積。（想象一下，穿著薄 T 恤躺在冰塊上，肯定比戴著手套用手摸冰塊要冷得多。）
為了設(shè)計(jì)出最佳的熱交換器，研究人員使用模擬技術(shù)并開發(fā)出機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)在各種條件下的性能。
在經(jīng)過 36,000 次模擬驗(yàn)證后，研究人員最終敲定了設(shè)計(jì)方案。其中的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)，其一，是在設(shè)備接觸水的一側(cè)增加了許多小鰭片，這些鰭片擴(kuò)大了表面積，從而最大化熱量傳遞；其二，是設(shè)計(jì)了波浪形的水流通路，再次幫助增加接觸面積。通過模擬，研究人員精確計(jì)算出了通道的彎曲程度以及鰭片的最佳位置。
在制冷劑流經(jīng)的一側(cè)，設(shè)計(jì)中加入了沿壁分布的小型金字塔狀凸起。這些結(jié)構(gòu)不僅增加了冷卻面積，還能在制冷劑通過時(shí)促進(jìn)混合，避免液體附著管壁（這種附著會(huì)降低傳熱效率）。
在確定了最終設(shè)計(jì)方案后，研究人員使用了一種名為“金屬直接激光燒結(jié)”的 3D 打印技術(shù)，其通過激光逐層熔融金屬粉末（本實(shí)驗(yàn)采用鋁合金粉末），最終構(gòu)建出完整的熱交換器設(shè)備結(jié)構(gòu)。
測(cè)試結(jié)果顯示，通過這種技術(shù)制造的熱交換器比其他設(shè)計(jì)更高效地冷卻了制冷劑。在相同泵功條件下，其功率密度突破每立方米 6 兆瓦，比常見的殼管式熱交換器性能提升 30%-50%，其功率密度與另一種工業(yè)界常見設(shè)計(jì)（比如釬焊板式熱交換器）相當(dāng)。
“雖然這一設(shè)備并未顯著超越當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，但利用建模和 3D 打印技術(shù)來(lái)開發(fā)新型熱交換器設(shè)計(jì)的方法充滿潛力。”暖通行業(yè)咨詢公司 Optimized Thermal Systems 的研發(fā)總監(jiān) Dennis Nasuta 評(píng)價(jià)道，“這項(xiàng)技術(shù)的探索空間還很大，我們尚未觸及其性能天花板?！?/p>
不過 Dennis Nasuta 也指出當(dāng)前瓶頸，與傳統(tǒng)制造相比，激光燒結(jié)等增材制造技術(shù)仍存在效率低、成本高的問題，短期內(nèi)難以大規(guī)模應(yīng)用于民用制冷設(shè)備。他認(rèn)為該技術(shù)可能率先在航空航天、高端汽車等能夠承受高成本的細(xì)分領(lǐng)域落地。
據(jù)預(yù)測(cè)，到 2050 年建筑制冷能耗將翻番，創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)對(duì)未來(lái)巨大的能源需求至關(guān)重要。“現(xiàn)代艦船搭載的電子設(shè)備數(shù)量激增，對(duì)緊湊型高效散熱系統(tǒng)提出了迫切需求?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員 Nenad Miljkovic 表示。
然而，包括制造成本在內(nèi)的諸多挑戰(zhàn)仍需克服，才能讓像 William King 和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這類創(chuàng)新成果真正在實(shí)際設(shè)備中發(fā)揮作用。
Dennis Nasuta 還指出，采用這些新技術(shù)的另一個(gè)障礙是，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并未要求更高的效率。事實(shí)上，市場(chǎng)上已存在多種能提升設(shè)備效率的技術(shù)，但都因類似原因未能普及。
“3D 打印等新制造技術(shù)要真正走入尋常百姓家，還需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的過程。”他坦言，“所以，明年的家用空調(diào)中暫時(shí)還不會(huì)出現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)。”
1.https://www.technologyreview.com/2025/04/02/1114166/how-3d-printing-could-make-better-cooling-systems/
2.https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126836
熱門跟貼