冷卻技術(shù)革命：研究發(fā)現(xiàn)3D打印冷凝器性能優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

2025年4月11日,，南極熊獲悉，來(lái)自伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種緊湊型水冷式制冷劑冷凝器，測(cè)試性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的熱交換器設(shè)計(jì),。3D打印熱交換器采用微型 3D 表面,，可實(shí)現(xiàn)高傳熱性能，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,。

相關(guān)研究以題為“Additively manufactured compactwater-cooled refrigerant condenser”的論文發(fā)表在《國(guó)際傳熱傳質(zhì)雜志》上,，由OmarM. Zaki, William P. King等人聯(lián)合撰寫(xiě)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126836

3D打印可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的內(nèi)部幾何形狀

這款冷凝器采用激光粉末床熔融技術(shù),，以AlSi10Mg合金制成,，從而能夠創(chuàng)建減材制造法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀。這些幾何形狀包括制冷劑側(cè)的人字形流動(dòng)擾流器和水側(cè)的十字形波浪形翅片,，旨在增強(qiáng)湍流并提高局部傳熱系數(shù),。與依賴堆疊板或翅片管的傳統(tǒng)熱交換器不同，這種3D打印架構(gòu)能夠精確調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu),，從而管理多個(gè)流體路徑上的流量、壓降和熱阻,。

△熱交換器設(shè)計(jì)的 CAD 剖面圖,，插圖為制冷劑側(cè)通道中的人字形結(jié)構(gòu)（上圖）和水側(cè)通道中 3D 波浪形翅片（下圖）。圖片來(lái)自 William P. King,。

多通道橫流結(jié)構(gòu),，性能緊湊

3D打印冷凝器采用多通道、多通道橫流結(jié)構(gòu),，旨在優(yōu)化緊湊空間內(nèi)水與制冷劑之間的熱交換,。在橫流結(jié)構(gòu)中，冷卻水和制冷劑兩種流體相互垂直流動(dòng),，增強(qiáng)了熱交換器內(nèi)表面的熱接觸,。

△3D打印橫流制冷劑冷凝器的設(shè)計(jì)。圖片來(lái)自 William P. King

每個(gè)流體域內(nèi)設(shè)有多條平行流道,，可增加表面積并改善流量分布,。水和制冷劑均分多個(gè)連續(xù)階段流經(jīng)冷凝器。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中,，制冷劑流經(jīng)四條通道,，每條通道的通道逐漸變窄，以補(bǔ)償冷凝過(guò)程中不斷增加的密度,。同時(shí),，水以相反方向流經(jīng)自身的四通道回路。

新的換熱器結(jié)構(gòu)能夠精細(xì)控制流體速度,、壓降和溫度梯度,，確保兩種工作流體之間高效的能量傳遞。盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但換熱器裝置仍保持著緊湊的外形尺寸,，僅為 260 × 235 × 39 毫米,。

模擬引導(dǎo)優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)集成

為了優(yōu)化水側(cè)性能，研究團(tuán)隊(duì)將二維有限元仿真與基于36,000個(gè)參數(shù)化翅片形狀訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合,。仿真模型預(yù)測(cè)翅片效率和面積增強(qiáng)因子,，并作為基于物理的分段式熱模型的輸入。通過(guò)參數(shù)掃描篩選候選設(shè)計(jì)方案,，并使用CFD仿真進(jìn)行細(xì)化,，以驗(yàn)證局部溫度、速度和壓力分布,。

△冷凝器的分割過(guò)程,。圖片來(lái)自 William P. King

定制蒸汽壓縮回路中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

換熱器設(shè)計(jì)原型在定制的蒸汽壓縮回路中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。冷凝器在制冷劑飽和溫度為35°C至49°C的范圍內(nèi),，傳熱速率在3 kW至8kW之間,。水側(cè)流量測(cè)試結(jié)果為每分鐘5至40升�,；�于物理的模型和CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匹配精度在5%以內(nèi),，驗(yàn)證了仿真框架的可靠性。

與低GWP制冷劑的兼容性

雖然最初測(cè)試的是 R134a,，但研究也評(píng)估了 R1234yf,、R32、丙烷和異丁烷等其他制冷劑的性能,。這些制冷劑的全球變暖潛能值 (GWP) 低于 R134a,，并且評(píng)估時(shí)采用了相同的幾何形狀和相當(dāng)?shù)捏w積流量。模擬結(jié)果表明,，在更高的流量下,，R32 的傳熱速率可達(dá) R134a 的兩倍，而丙烷和 R1234yf 的性能則相似或略有提升,。

添加熱元件的展望

本文的研究提供了一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的,、基于增材制造 (AM) 的緊湊型高效兩相熱交換器設(shè)計(jì)方法，能夠在管段層面微調(diào)熱阻,、流路和幾何形狀,，并結(jié)合經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 CFD 和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在暖通空調(diào) (HVAC),、汽車(chē),、數(shù)據(jù)中心和航空航天系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用中具有可行性。

冷凝器設(shè)計(jì)是利用3D打印重塑熱交換器性能的研究和商業(yè)開(kāi)發(fā)成果的又一力作,。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）最近開(kāi)展的一項(xiàng)研究,，探索了利用金屬3D打印制造用于電子和航空航天領(lǐng)域的微型熱交換器,，相關(guān)研究刊登在《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》上。這些設(shè)備采用折疊幾何形狀以最大限度地增加表面積,，但在早期測(cè)試中性能提升仍然不大,。

與此同時(shí)，像Conflux Technology這樣的公司也紛紛涌現(xiàn),。2024 年 10 月,，Conflux 在 B 輪融資中籌集了 1100 萬(wàn)歐元，用于擴(kuò)大采用激光粉末床熔融技術(shù)的 3D 打印熱交換器的生產(chǎn),。Conflux 公司還與奧格斯堡火箭工廠合作,，將3D 打印熱交換器集成到軌道火箭中，展示了增材制造技術(shù)在生產(chǎn)能夠承受極端條件的部件方面的適用性,。該公司還推出了一款高性能筒式熱交換器,，專為汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中的流體控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,、內(nèi)部幾何形狀優(yōu)化,。

其他努力包括通用電氣研究院 (GE Research)開(kāi)發(fā)了一種葡萄形3D打印熱交換器，工作溫度可達(dá)900°C,，比現(xiàn)有解決方案的溫度極限高出200°C以上,。這些進(jìn)展證明了增材制造在熱管理系統(tǒng)中的靈活性和針對(duì)特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。