伊利诺伊香槟分校利用3D打印技术提升微型两相热交换器性能达50%

2025年3月14日，南极熊获悉，伊利诺伊香槟分校的研究人员采用3D打印技术设计的热交换器，在相同功率下，性能比传统设计高出30%至50%。

3D打印高性能热交换器研发背景

热交换器作为在流体之间传递热量的关键设备，在众多应用领域中扮演着至关重要的角色。从暖通空调系统、冰箱、汽车、船舶、飞机，到废水处理设施、手机、数据中心乃至石油精炼作业，热交换器无处不在。然而，尽管它的应用范围广泛，但热交换器的设计却长期停滞不前。

△由3D打印设计的两相冷凝器示意

Bill King教授是伊利诺伊大学香槟分校的教授，同时也是机械科学与工程Ralph A . Andersen讲座教授和项目负责人，他表示：“几十年来，热交换器的机械几何结构几乎没有改变。我们目前使用的热交换器与30年前的几乎一模一样。热交换器创新之所以如此有限，主要是因为它们在本质上受到了传统制造工艺的限制。”

△相关研究题目为“增材制造紧凑型水冷制冷剂冷凝器”（传送门）

精确设计这些设备的三维形状可以优化三个关键因素之间的平衡：传热速率、实现传热所需的功量以及热交换器的尺寸。然而，传统的制造方法限制了许多理想的形状在实际应用中的可行性。

King说：“如果能够制作任意形状，那么我们可能就不会停留在现有热交换器技术所代表的形状上。借助增材制造我们可以制作出许多形状，几乎是我们当今制造技术无法实现的无数形状。因此，我们可以制作出允许复杂3D几何形状的热交换器。我们可以将促进流体轻松流动的大通道与促进高传热的小通道连接起来。因此，我们可以制作具有三维形状的热交换器，允许流体以非传统方式混合和引导。”

△在EOS M290机器上，通过金属直接烧结快速成型技术（DMLS），成功制造了采用AlSi10Mg合金的冷凝器

在美国海军热交换器项目中提升效率

在与美国海军合作的项目中，研究团队成功地设计、生产并测试了3D打印的两相热交换器。这种热交换器的工作原理是：制冷剂以蒸汽形式进入，随后冷却并凝结成液体，同时将热量传递给流经热交换器的冷却水。该设备的复杂3D几何形状显著提升了传热性能，这些形状是传统制造技术无法实现的。在相同的功率条件下，他们的热交换器性能比传统设计高出30%至50%。

△不同类型的热交换器性能比较。灰色为3D打印热交换器，红色为壳管式，蓝色为钎焊板式

机械科学与工程的创始教授、项目联合负责人Nenad Miljkovic表示：“制造更高效的两相热交换器对于未来的节能系统至关重要。通过增材制造，我们提升了热交换器的体积和重量功率密度，从而降低了质量并增加了紧凑性。这不仅带来了更高的性能水平，还使得高功率设备能够集成到汽车、船舶和飞机等移动应用中，这在传统上是通过最先进的热交换器技术无法实现的。”

作为研究的一部分，这个团队还开发了建模和仿真工具，使他们能够虚拟测试数以万计的可能配置。这些配置包括不同的尺寸、形状以及流体在热交换器内的流动方式。这些工具使他们在增材制造带来的广阔设计空间内进行探索和优化。