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3D 打印技术的进步改变了热交换器的制造方式。 传统制造路线无法实现的复杂自由设计，通过3D打印可以轻松实现。 提高热交换效率并减少重量、体积和制造成本是 3D 打印可以提供的其他优势。 与传统量产方式相比，3D打印涉及工艺参数优化、表面粗糙度控制、支撑结构去除、后处理要求、原材料兼容、成本竞争力等方面。 但尽管存在挑战，该技术已被成功用于用金属、聚合物和陶瓷材料制造热交换器。

本文《3D打印技术参考》重点分析了粗糙表面、微通道、表面积和晶格结构等因素对3D打印换热器性能的影响。 目前的研究发现，金属3D打印的表面粗糙度是影响换热器性能的关键考虑因素； 与预期设计相比，制造尺寸的偏差也非常显着，尤其是当尺寸接近制造极限时。 随着3D打印技术在最终产品表面质量、尺寸精度和更小尺寸精度实现上的不断提高，换热器的传热性能可能会进一步提高。

表面粗糙度对换热性能的影响

在通过粉末床熔合技术制造不同类型的金属热交换器时，表面粗糙度是一个常见且关键的考虑因素。 3D 打印的热交换器可以产生比传统方法制造的相同热交换器高一个数量级的表面粗糙度。 小尺寸通道中固有的表面粗糙度更严重地影响传热效率。 因此，有必要正确评价表面粗糙度并系统地收集相应工艺参数的数据库。

3D打印飞机发动机换热器，最佳翅片密度优化换热效率

在 LED 的热管理方面，拓扑优化的散热器比栅格结构具有更好的性能

制造尺寸与预期设计的显着偏差可能高达约 20%，这也会影响微通道换热器的热工水力性能。 一些研究报告称，压降受所产生的有效通道尺寸而非粗糙度的影响，而一些研究报告称压降受表面粗糙度的强烈影响，而另一些研究报告称粗糙度与通道水力参数的比率更好。 适用于分析压降特性。 分析增材制造技术引入的表面粗糙度对传热机理的影响表明，不仅粉末颗粒的大小，而且粉末颗粒的形状及其与热交换器表面的接触决定了热量换热器的传递效率。 随附的。

最小特征尺寸和制造精度对热交换性能的影响

微型电子设备的发展推动了开发小型散热器的需求，这些散热器可以散发非常高的热量，确保更长的系统寿命。 先前对微通道的研究已经证明了它们具有耗散高功率密度的能力。 微通道换热器的一个典型特征是压降大，这可能是由于通道中的流量分布不均和流动长度较长造成的。 歧管微通道热交换器 作为传统微通道热交换器的替代品，歧管结构放置在平行运行的微通道顶部，并通过多个入口和出口分配冷却液。 这种配置中减少的流动长度改善了热交换器的水力特性。 但歧管和微通道传统上是单独制造的钢粗糙度，然后通过粘合技术连接在一起，这一过程会增加交货时间，如果操作不当可能会影响性能。

夹层壁圆筒内强制对流换热示意图

使用晶格结构近似和梯度法优化晶格密度分布的换热器

增材制造能够将歧管和微通道制造为单个组件，并确保两个组件之间的正确接口。 使用此技术还可以实现更复杂和优化的通道设计钢粗糙度，这对于传统技术来说可能非常具有挑战性。 研究发现，将不锈钢翅片的厚度从150 μm减少到50 μm，可以提高20-40%的传热效率，而将歧管的厚度从300 μm减少到150 μm，可以提高传热效率10-30%。 对不锈钢、钛​​合金、铝合金打印的微通道研究发现，翅片与微通道的尺寸误差在20%左右，部分通道因残留粉末而堵塞。 与钛合金相比，不锈钢样品的尺寸误差更为突出。 具有相似几何形状和预期尺寸的三个样品的传热系数和压降参数的差异归因于制造过程中发生的不准确。 未来，如果3D打印能够达到更高的制造极限和精度，换热器的传热效率将进一步提升。

蜂窝结构，传热性能更高

多孔材料含有大量空隙，相对于大块散装材料增强了它们的结构和功能特性。 商业来源的金属泡沫是一种这样的多孔材料，据报道它具有良好的热和机械承载能力。 结构工程师对周期排列的晶格结构材料进行了广泛探索，细胞的自聚焦拓扑结构可以提供比随机开孔金属泡沫更好的强度和刚度特性。 增材制造不仅可以自由制备具有定制形貌参数的晶格，还可以将整个蜂窝结构打印在基板上，从而消除额外的热界面材料电阻。

3D打印新型层状分形体积太阳能吸收器，整体热转换效率媲美传统碳化硅单片蜂窝

不同的细胞拓扑

GE 3D打印镍基高温合金换热器应用于高温高压环境

蜂窝结构具有更高的传热和压降，但整体优势取决于电池拓扑结构，主要的传热机制决定了蜂窝结构是否可以用于特定应用。 例如，在强制对流中表现最好的蜂窝结构在自然对流中可能不是最好的。 仿生技术可以极大地激发3D打印技术制造复杂仿生蜂窝结构的可能性。 具有三周期最小表面的结构被证明具有更高的表面体积比和高效导热性。

结尾

增材制造技术是制造实验室和商业规模热交换器的一种可行选择，可显着提高热交换效率并减轻重量和成本。 虽然增材制造技术在生产优化和复杂几何形状方面优于传统技术，但零件质量相对较差。 增材制造技术肯定有用，但需要大量具体和系统的验证。 目前的3D打印技术还不能替代传统方法，但3D打印技术的不断进步将逐步解决这些固有的缺陷，从而生产出轻量化、多功能、高效的换热器。

注：本文内容来自3D打印技术参考。

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