換熱器作為熱能傳導的關(guān)鍵裝置，已滲透現(xiàn)代社會的各個角落，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。

這類設備的本質(zhì)功能是實現(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、加工最簡單的標準結(jié)構(gòu)。

最新的一項研究表明，通過3D打印技術(shù)設計的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，可以使空調(diào)、冰箱等制冷設備的核心部件變得更小巧、更高效。目前，這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在International Journal of Heat and Mass Transfer上。

“熱交換器是工業(yè)經(jīng)濟的核心設備之一，它們是每臺機器以及每個能量傳輸系統(tǒng)的重要組成部分?！边@篇研究論文的通訊作者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校教授William King指出，“現(xiàn)有設計普遍采用直線、直角和圓管等易于加工的結(jié)構(gòu)。”

對此，他和團隊利用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)。這些設計能顯著優(yōu)化熱傳導路徑，是傳統(tǒng)制造技術(shù)所難以實現(xiàn)的。

研究團隊基于一種常見的制冷劑R-134a來進行系統(tǒng)設計，這種制冷劑廣泛應用于空調(diào)和冰箱等設備。

當冷水降低制冷劑的溫度時，它會在通過設備的過程中從氣體變成液體。隨后，這種液態(tài)制冷劑可以進入冷卻系統(tǒng)的其他部分，用于降低從房間到服務器機架等各種目標的溫度。

最有效的制冷方式通常是通過在設備兩側(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。）

為了設計出最佳的熱交換器，研究人員使用模擬技術(shù)并開發(fā)出機器學習模型，以預測不同設計在各種條件下的性能。

在經(jīng)過36,000次模擬驗證后，研究人員最終敲定了設計方案。其中的關(guān)鍵創(chuàng)新點，其一，是在設備接觸水的一側(cè)增加了許多小鰭片，這些鰭片擴大了表面積，從而最大化熱量傳遞；其二，是設計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)，設計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促進混合，避免液體附著管壁（這種附著會降低傳熱效率）。

在確定了最終設計方案后，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（本實驗采用鋁合金粉末），最終構(gòu)建出完整的熱交換器設備結(jié)構(gòu)。

測試結(jié)果顯示，通過這種技術(shù)制造的熱交換器比其他設計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)界常見設計（比如釬焊板式熱交換器）相當。

“雖然這一設備并未顯著超越當前最先進的技術(shù)，但利用建模和3D打印技術(shù)來開發(fā)新型熱交換器設計的方法充滿潛力?！迸ㄐ袠I(yè)咨詢公司Optimized Thermal Systems的研發(fā)總監(jiān)Dennis Nasuta評價道，“這項技術(shù)的探索空間還很大，我們尚未觸及其性能天花板?！?/span>

不過Dennis Nasuta也指出當前瓶頸，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)模應用于民用制冷設備。他認為該技術(shù)可能率先在航空航天、高端汽車等能夠承受高成本的細分領域落地。

據(jù)預測，到2050年建筑制冷能耗將翻番，創(chuàng)新設計對應對未來巨大的能源需求至關(guān)重要。“現(xiàn)代艦船搭載的電子設備數(shù)量激增，對緊湊型高效散熱系統(tǒng)提出了迫切需求。”研究團隊成員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和團隊設計的這類創(chuàng)新成果真正在實際設備中發(fā)揮作用。

Dennis Nasuta還指出，采用這些新技術(shù)的另一個障礙是，現(xiàn)行標準并未要求更高的效率。事實上，市場上已存在多種能提升設備效率的技術(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)歷漫長的過程?！彼寡?，“所以，明年的家用空調(diào)中暫時還不會出現(xiàn)這項技術(shù)?！?/span>