幾十年來(lái)，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(yīng)用 – 從汽車散熱器到航空航天應(yīng)用，如引擎油冷卻和噴氣燃料預(yù)熱，再到發(fā)電和計(jì)算的各種應(yīng)用。而3D打印技術(shù)正以其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)在改變熱交換器和散熱器的設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)熱交換器大致彼此垂直地行進(jìn)。在平行流熱交換器中，兩種流體在同一端進(jìn)入熱交換器，并且彼此平行地行進(jìn)到另一端。在逆流熱交換器中，兩種流體從相對(duì)的兩端進(jìn)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(guò)的通道的數(shù)量，并減小通道的尺寸。對(duì)于給定的熱交換器長(zhǎng)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(shuō)熱交換器的設(shè)計(jì)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(fù)雜的熱交換器結(jié)構(gòu)中，盡管逆流裝置的效率優(yōu)點(diǎn)是可取的，但直到現(xiàn)在制造這種設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)的。

諾思羅普·格魯曼公司(Northrop Gramman Systems)在開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱交換器，特點(diǎn)是外部管道的極大簡(jiǎn)化，但是這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱交換器通過(guò)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(guò)3D打印技術(shù)（也稱為3D打?。┖苋菀讟?gòu)建這些結(jié)構(gòu)。3D打印不僅可以替代釬焊或焊接過(guò)程，還可以通過(guò)3D打印來(lái)構(gòu)造熱交換器通道矩陣，在需要大量集管的情況下，通過(guò)3D打印來(lái)構(gòu)造整個(gè)熱交換器組件 – 包括所有集管成為有效的制造方式。了解到這其中值得注意的是，通過(guò)3D打印，通道不必是直的，整個(gè)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(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)說(shuō)這基本是不可能實(shí)現(xiàn)的。交替通道的逆流設(shè)計(jì)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(guó)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(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)以及軍用和民用飛機(jī)部件、精密武器和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢(shì)。

不僅是諾思羅普·格魯曼公司在通過(guò)3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱交換器。另外一家美國(guó)的大型國(guó)防合約商雷神公司也正在開(kāi)發(fā)通過(guò)3D打印的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相變材料（PCM）散熱器的制造。雷神公司開(kāi)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(guò)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(lái)。內(nèi)部矩陣被設(shè)計(jì)成放置相變材料的空間。3D打印工藝使得單個(gè)部件集成在一起制造出來(lái)。結(jié)果是通過(guò)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(shí)。不僅如此，其內(nèi)部矩陣可以具有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，以解決諸如高功率比重部件散熱的特定問(wèn)題。

3D打印在散熱器的制造方面當(dāng)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(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的幾何形狀。實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的幾何形狀方面例如雙曲線交叉纏繞的應(yīng)用，當(dāng)然更為典型的是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

而究竟3D打印將在熱交換器的產(chǎn)業(yè)化方面達(dá)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(jià)格，還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達(dá)到一致可控，以及標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證的完善，而最重要的是如何從設(shè)計(jì)端得到以產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向的正向設(shè)計(jì)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(jìn)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(kāi)發(fā)的換熱器，Conflux所開(kāi)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(tuán)）開(kāi)發(fā)的鋁制散熱器；在IT電子領(lǐng)域微軟、IBM、，Ebullient LLC等公司開(kāi)發(fā)的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統(tǒng)。

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