透視SLM 3D打印技術如何制造針翅熱管熱交換器

魔猴君  行業資訊   1559天前

換熱器-熱交換器從渦輪發動機的渦輪機排氣中提取熱量，并利用該熱量在流經燃燒器之前預熱離開發動機壓縮機的空氣。微型渦輪發動機的換熱器，像許多其他熱交換器一樣，換熱器可以采用多種不同的方式來制造，但是傳統方式制造的典型的換熱器是釬焊或焊接的板翅式，其中翅片可以是傳統的直翅或波狀翅片，銷翅片或網狀翅片。

熱交換器非常適合通過增材制造的方式來制造，不過一個吸引人的或創成式式的設計本身往往是不夠的。據了解，這其中還包括對傳熱/流體力學的基本原理的掌握，對熱流體模擬仿真和AM-增材制造過程的深刻理解和結合，這是取得令人信服的競爭性結果所必需的。

換熱器專利，來源：USTPO

 復雜的設計3D造

微型渦輪機在汽車、國防、航空航天、清潔能源等領域具有廣泛的潛在應用。然而，這種潛力在很大程度上尚未實現，一方面由于同流換熱器的高成本，而且換熱器的尺寸和重量會帶來一定的不利影響。

傳統方式制造的現有的同流換熱器，特別是高溫同流換熱器的另一個問題是缺乏堅固性，這是由于尖角和矩形接頭處的熱疲勞和應力所致，而釬焊和大多數其他連接方法不可避免地產生了這種疲勞和應力。

傳統換熱器和其他熱交換器的另一個問題是，在微型渦輪機中，換熱流體的來源（在壓縮機的出口和燃燒室的入口）可能相距一定距離。這意味著可能需要大量的歧管，這大大增加了體積、重量和成本，還導致了熱力學損失。由于熱交換器及其歧管的體積大，它們的位置可能是非最佳的，從而導致效率的進一步降低。

熱管可以以各種方式制造，最簡單的是，熱管可以采用管的形式，在管中插入網狀套筒形式的芯。復合燈芯可包含多個元素：例如，具有小孔的燒結材料可提供驅動毛細作用力，而具有較大開口的通道可提供更大的流體流量且流體摩擦較小。隨著增材制造方法的發展，尤其是選區激光熔化金屬3D打印技術（SLM）的發展，現在已經通過3D打印技術直接構建針翅式熱交換器。

 更輕、更緊湊、更高效

Sustainable Engine Systems有限公司開發了一種熱交換器，其中，熱交換器的一部分或全部由一個或多個熱管代替。這顯著增加了熱交換器的不同部件的熱導率，并允許減小尺寸，重量和成本。

通過增材制造技術，特別是選區激光熔化金屬3D打印技術（SLM）來實現這種熱交換器的制造，以熱管形式的針狀翅片代替了常規針狀翅片板式熱交換器中的針狀翅片。當前的針翅式熱交換器適用于各種各樣的熱管類別，包括回路熱管、毛細管泵熱管、脈動熱管、可變電導率熱管、旋轉熱管和吸附熱管。

換熱器專利，來源：USTPO

通常熱蒸發器部分的端部將與隔板熱接觸，隔板的另一側與較冷的流體接觸，存在蒸發器性能可能下降的危險。通過選區激光熔化金屬3D打印技術（SLM）使銷翅片熱管的端部逐漸變細以減少與隔板的傳熱接觸，同時保持足夠的接觸以用于接合和強度目的，可以將這種影響最小化。此外在半數翅片熱管中，蒸發器將位于冷凝器上方，這可能導致傳熱性能比在蒸發器位于冷凝器下方的翅片熱管中實現的傳熱性能差，因為對毛細作用力缺乏重力輔助。在這些情況下，通過選區激光熔化金屬3D打印技術（SLM）可以調整銷翅片熱管的兩個方向的相對比例和/或尺寸來補償熱交換器性能的差異，每個針狀翅片是獨立的熱管。

針翅式換熱器專利，來源：USTPO

針狀翅片熱管的蒸發器和冷凝器部分可以是錐形的，通過這些手段，可以減小整個熱管的尺寸，重量和成本，這種設計也具有傳熱和壓降的優點。針狀翅片熱管逐漸變細可以帶來更大的翅片效率，而不會像傳統的針狀翅片類似的幾何形狀變化而導致尺寸和重量增加。

針翅式換熱器專利，增加主管和針翅式熱管之間的過渡區域的體積。來源：USTPO

 更小、更輕、更便宜

SLM是一種方便且經濟高效的方法，可大量制造此類針翅式熱管。后續的加工包括通過通過放電加工或其他方式。在這方面機械加工企業GF加工方案與3D Systems打造了工廠自動化的新概念，包括增材制造零件設計軟件，3D打印機，材料和自動化材料處理，放電加工（EDM）設備，銑削設備以及其他先進后處理技術。

選區激光熔化金屬3D打印技術（SLM）帶來了結構一體化的加工便利性，在針翅式熱管設計版本中，隔板和針翅式熱管可以集成在單個結構中，從而消除了任何焊接或釬焊的需求。

來自每個針狀翅片蒸發器的蒸汽流，與進入液體的蒸汽的流動方向相反，從針狀翅片蒸發器管的中心向下流，通過相同的孔進入主熱管管，并聚集成一個一條較大的蒸氣流穿過主管，然后按正常方式沿著絕熱段流向冷凝器，在冷凝器中，液體和蒸氣流分別有相似的分配和聚集。

將長度適當變化的針翅式蒸發器布置在微型渦輪機的圓形出口處，潛在好處包括減少傳統高溫熱交換器設計中固有的熱應力問題；減少甚至消除歧管；減少流體摩擦；通過更優化的設計提高系統緊湊性。

SLM針翅式換熱器還減少甚至消除了SLM結構固有的除粉問題。對于直徑小于1毫米的非常低的管道以及復雜的內部結構，在這種情況下，很難甚至不可能保證已清除所有多余的粉末顆粒，如果將這些粉末顆粒（例如，同流換熱器）輸送到壓縮機或渦輪機，可能會損壞葉片或渦輪，可能會造成嚴重后果。而對于SLM熱管，松散粉末可能殘留的空間被密封在熱管內部，無法到達任何運動部件，不會對熱管性能產生不利的影響。這類設計增加了加熱流體和冷卻流體與熱管工作流體之間的主要直接傳熱表面積。反過來，熱管外部所需的次要表面積將減少，從而使整個系統變得更小，更輕和更便宜。

來源：3D科學谷