散热结构一体化实现

目前市场上存在许多传统的冷却方法，例如风扇和散热器，主要用于从电子电路移除热量并维持电子器件的操作温度范围。随着电子设备不断改进技术，尺寸不断缩小同时还增加计算能力和功能，这使得热管理系统成为关键操作元件，而尺寸和重量方面的限制，又对冷却能力提出的新的挑战。

根据3D科学谷的市场研究，GE正在通过3D打印技术开发一种新的热管理系统，这套热管理系统包括至少一个底盘框架，该底盘框架的构造成使的热管理系统的热扩散阻力最小化。底盘框架包括：至少一个底盘主体，至少一个热循环系统嵌入底盘体内，底盘主体通过3D打印-增材制造技术形成。3D打印还被用来制造带点阵结构的夹层结构，这些点阵结构提供了更大的表面积用于热传输。

总体来说，GE开发的热管理系统中的壳体，芯结构通过3D打印-增材制造工艺整体完成。通过3D打印-增材制造技术来制造整个结构，使得散热装置实现与电路卡共形的复杂几何形状。而且芯结构可以实现沿厚度方向定向的不均匀芯。

图片：3D打印的点阵结构

通过应用3D打印技术，降低了热传导路径的热阻，同时保持或降低了系统的重量。根据3D科学谷的了解，GE所开发的热管理系统的技术特点包括重量轻、热阻低、形状不受限制，结构一体化等优点。在商业方面的突出优势包括可实现定制化设计、更低的制造价格、更多的功能以及相同体积的更多热元件。

 3D科学谷Review

根据此前的3D科学谷的市场研究，不仅仅是GE在开发新的热管理系统，另外一家企业Unison Industries也正在开发一种新型的散热器，Unison Industries开发的散热器包括第一流体入口的第一歧管和限定第二流体入口的第二歧管。

根据3D科学谷的市场研究，Unison Industries所开发的这款热交换器是设置在飞机的航空电子设备底盘中。不过其设计原理理论上可以在任何需要或利用热交换器或对流热传递的环境中具有普遍适用性，例如在飞机的涡轮发动机内。此外，还可以拓展到非飞机的应用领域，以及其他移动应用和非移动工业，商业和住宅应用。

其设计的核心理念是通过复杂的几何形状提供了多达50％或更多的散热效率。此外，双曲线，分叉和相互缠绕的几何形状提供更大的传热系数，不仅改善了热交换器的效率，同时使压力损失最小化并改善了传热系数。

无疑，3D打印是实现复杂形状制造的绝佳技术。热交换器可以通过增材制造来制造，例如直接金属激光熔融技术或直接金属激光烧结技术。通过增材制造可以快速准确地制造设计中的阻挡结构。此外，可以将阻塞结构图案化为与特定热交换器组件所需的一样大或小。

在飞机的热交换器的制造方面，可以说市场上已经存在不少案例。根据3D科学谷的市场观察，这其中包括2015年3D Systems公司与America Makes、霍尼韦尔公司、宾州创新材料加工中心的合作，他们与美国空军研究实验室（AFRL）签订了一项价值130万美元的新合同，3D Systems公司的选择性激光熔融技术将用于先进的飞机热交换器制造。当时3D Systems称这将彻底改变喷气发动机的制造，同时还将进一步将3D打印技术带入换热器市场，这是一个数十亿美元的市场机会。3D Systems公司不仅为美国空军提供创新的、高性能热交换器，而且将提供部分强度、耐压性和性能等方面的重要数据。

而不仅仅是飞机上用的热交换器，在电脑、移动电子设备领域，根据3D科学谷的市场研究，包括微软，IBM等企业都在发力通过3D打印开发新一代的热管理系统。

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破。

参考资料：
US10136557B2 Thermal management systems and methods for heat generating electronics
US10107555B1heat_exchanger_assembly_unison_industries

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 替代钎焊，更随形的管道制造

在约束流热交换器中，根据两种流体的流动布置，有三种主要的热交换器分类。在横流式热交换器中，热流体和冷流体通过热交换器大致彼此垂直地行进。在平行流热交换器中，两种流体在同一端进入热交换器，并且彼此平行地行进到另一端。在逆流热交换器中，两种流体从相对的两端进入热交换器。

提高热交换器效率的一种方法是增加流体流过的通道的数量，并减小通道的尺寸。对于给定的热交换器长度，小通道尺寸使得能够将热能从热流体更完全地传递到冷流体。所以说热交换器的设计本质上是以行和列排列的立方体通道矩阵，其中行和列的数量为数百，在这种复杂的热交换器结构中，尽管逆流装置的效率优点是可取的，但直到现在制造这种设计充满挑战的。

根据3D科学谷的市场研究，诺思罗普·格鲁曼公司(Northrop Gramman Systems)在开发一种创新设计的热交换器，特点是外部管道的极大简化，但是这种创新设计的热交换器通过传统制造技术难以构建。特别是连接部位的钎焊或焊接是困难的，尤其是考虑到所涉及的材料非常薄，尺寸非常小，并且接缝都必须防漏。然而，通过增材制造技术（也称为3D打印）很容易构建这些结构。增材制造不仅可以替代钎焊或焊接过程，还可以通过增材制造来构造热交换器通道矩阵，在需要大量集管的情况下，通过增材制造来构造整个热交换器组件 – 包括所有集管成为有效的制造方式。3D科学谷了解到这其中值得注意的是，通过增材制造，通道不必是直的，整个热交换器几乎可以呈现任何形状 – 包括弯曲，扭曲，翘曲等形状。

增材制造技术能够制造逆流热交换器中的交替通道，而对于传统制造技术来说这基本是不可能实现的。交替通道的逆流设计提供最大的热交换器效率，这使得热交换器的尺寸和质量最小化，并且流体流速降低。

 3D科学谷Review

诺思罗普·格鲁曼公司美国主要的航空航天飞行器制造厂商之一，在电子和系统集成、军用轰炸机、战斗机、侦察机以及军用和民用飞机部件、精密武器和信息系统等领域具有很大优势。

根据3D科学谷的市场观察，不仅是诺思罗普·格鲁曼公司在通过3D打印技术开发创新设计的热交换器。另外一家美国的大型国防合约商雷神公司也正在开发通过3D打印增材制造的方法来实现相变材料（PCM）散热器的制造。

雷神公司开发的散热器的基本结构包括下壳、上壳和内部矩阵。通过增材制造技术将下壳，上壳和内部矩阵结构做为单一组件制造出来。内部矩阵被设计成放置相变材料的空间。增材制造工艺使得单个部件集成在一起制造出来。结果是通过3D打印的散热器的制造成本较低并且比传统的散热器更坚固。不仅如此，其内部矩阵可以具有更复杂的设计，以解决诸如高功率密度部件散热的特定问题。

根据3D科学谷的市场研究，3D打印在散热器的制造方面当前主要存在几种思路：一种是文中所提到的替代钎焊并结合相变材料的使用，一种是实现十分复杂的几何形状。实现十分复杂的几何形状方面例如双曲线交叉缠绕的应用，当然更为典型的是点阵结构的应用。

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破。

根据3D科学谷的市场观察，不少的公司在3D打印热交换器和散热器方面获得了进展。其中包括在航空航天领域的GE、雷神公司、诺思罗普·格鲁曼公司、Unison Industries公司；在汽车领域的HiETA Technologies与雷尼绍合作开发的换热器，Conflux所开发的新型高效热交换器ConfluxCore以及菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）开发的铝制散热器；在IT电子领域微软、IBM、，Ebullient LLC等公司开发的微处理器冷却解决方案以及热管理系统。

可以说，在以增材思维为主导的正向设计方面，热交换器和散热器方面，正在发生产品设计层面上的不断的创新，这些创新将以商业化实现的方式提升人类热管理的效率和能力。

参考资料：US9657999B2_international business machines corporation

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为了将新的设计能够无缝衔接到生产中，FCA汽车集团从设计、计算机模拟、生产参数优化、实际生产以及实验和过程分析方面都进行了研究。3D科学谷将分期来探讨FCA及其合作伙伴的做法，本期，3D科学谷与谷友一同来领略关于轻量化汽车热交换器建模、网格划分以及CFD分析。

得益于基于粉末床的选择性激光熔化金属3D打印技术，该技术将铝、钢或钛合金从粉末的形状开始构建金属产品，因此可以创建复杂的几何形状，这些几何形状无法通过以往传统的加工方式生产。

这个项目的重点在于应用类似于点阵结构的组合，这些结构带来良好的对流热交换性能，并且可以实现可观的减重结果。

项目组将重新设计的FCA热交换器安装在配备2.0柴油发动机的历史悠久的阿尔法罗密欧系列的汽车上。

图：阿尔法罗密欧Giulia

铝制热交换器，通过将交替排列的铝管细管与由钎焊焊接的翅片百叶窗式挡板层组成，并与塑料材料的侧托盘组装在一起。

图：使用Solidworks软件渲染的热交换器

热交换器的正面延伸部分为620 mm x 395.4 mm，厚度为27 mm。核心由61个双管和62条百叶窗带组成。

百叶窗式翅片有利于热交换器管与周围空气发生热交换，可增加对流效率，这是汽车热交换器生产中使用最广泛的技术。

图：百叶窗

热交换器的基本规格

• 管高度1.40毫米

• 管的厚度为0.25毫米

• 管距6.40毫米

• 百叶窗高度5.00毫米

• 百叶窗片的厚度为0.06毫米

• 百叶距1.25毫米

为了进行这些测试，热交换器放置在风洞的一端，一面朝向风洞，从风道接收与气流成比例的压力，另一面暴露于恒定的大气压力下。

– 建模软件Solidworks

通过Solidworks软件实现CAD模型，同时考虑到基本设计要求，如翅片之间的间距，管的高度和各种厚度;通过这种方式可以绘制出适用于CFD分析的几何图形。

– 前处理软件ANSA

在网格划分方面，围绕几何关键点的统一层体积网格思路能够在研究与热交换器壁接触的湍流时获得更高的精确度。考虑到单元数太多的网格可能会大大减慢求解器的计算时间（计算模型中的每个单元，流体动力学方程），而如果网格数量太少，有可能会导致结果不可靠。因此，需要找到一个可接受的解决方案。

图：ANSA2.5 CFD分析不同类型网格

– Ansys Fluent求解器

CFD分析软件方面，项目组使用了Ansys的Ansys Workbench软件包，包括Fluent solver软件。

项目组定义设置以下参数的问题：

- 求解器和算法（使用基于压力的求解器与标准关键字Epsilon进行时间稳定）

- 边界条件

- 流体和材料的特性

- 国际单位系统和尺度

- 残差收敛值

- 初始化模型和迭代次数（混合初始化和小于500次迭代收敛）

第一阶段是为了尽可能接近热交换器测试的实验数据来实现CFD分析结果。因此，项目组尝试了不同的解决方案来达到这个目标，这个模型是基于压力的求解器和湍流模型Standard Key Epsilon。基于压力的求解器是一种算法，它使用源自连续性方程（质量守恒）的压力方程来求解流体动力学的主要方程。因为它使用线性方程来求解非线性方程组，所以为了获得解决方案，它以迭代周期工作。在每次迭代中，算法在每个网格单元中进行以下操作：

1）更新所有流体性质（密度，粘度，包括湍流粘度（扩散系数）

2）求解动量方程

3）求解压力方程

4）固定质量流量，速度和在前面3）中获得的压力

5）求解附加方程以获得湍流，能量，辐射的标量值等等。

6）更新Sm项的值

7）检查方程与残差的收敛性循环重复进行直到解收敛。

最后项目组选择了正确的湍流模型并且是标准的k-ε（k-ε） ：这是湍流行为中最常见的湍流模型。该模型增加了两个方程来研究这种现象，未知参数为：湍流动能和ε湍流耗散率。在这个模型中，Fluent将一个用于研究称为标准壁功能的近壁效应的模型：该模型将近壁区分为两部分，即靠近粘性比对流更强的壁，其中y *小于10（y *是无量纲值距壁的距离），远离对流效应强于粘度的壁。

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HiETA已经注册了一些通过3D打印增材制造技术生产热交换器的专利。竞争力涵盖整个增材制造产品的开发流程，从理解客户要求开始，提供从初始设计到计算流体动力学（CFD）、有限元分析（FEA）、3D打印、测试和验证完整过程的工程开发服务。

传统上，热交换产品通常由焊接在一起的薄片材料制成。设计的复杂性使得生产具有挑战性并且耗时，而且用于焊接工艺的材料增加了部件的整体重量。在HiETA之前，很少有专门的机构研究通过增材制造的工艺来制造热交换器。因此，最初的挑战是确认3D打印工艺可以成功地制造足够薄的壁并且满足刚性等方面的质量要求，然后再探索如何生产具有典型热交换器复杂性的完整部件。

为此，HiETA开发了专用参数包，包括开发Inconel材料的无泄漏薄壁结构，厚度达150微米。通过Renishaw在Staffordshire工厂里的AM250和HiETA在布里斯托尔和巴斯科学园附近的设备来完成产品的制造。

随后工程师们将所得的样品进行热处理，然后HiETA对这些零件进行表征。根据3D科学谷的了解，测试结果能够帮助工程师确认最佳加工参数，并且还帮助HiETA开发一个设计指南，设计指南包含了如何使用粉末床激光熔化技术制造热交换器中的细节，如何满足传热需求等加工方面需要注意的参数，以及如何实现无泄漏的整体墙设计与制造。

样品测试完成后的下一阶段是转向完整的全尺寸单元设计与制造，这方面是配合着实际的需求来进行的。英国的汽车集成商Delta Motorsports参与了两个项目。第一个是长方体换热器（换热器），用作电动车辆的扩展装置。第二个是将组件的设计变得更复杂，形状看起来与传统的长方体形状完全不同，而是更复杂的弧形设计。

更复杂的形状可以提高产品性能和循环效率，并降低成本。设计师设计了一种环形形式的换热器，并包含集成的歧管，是一种更紧凑的整体系统。为了进一步优化雷尼绍设备来处理较大的样品，HiETA还开发了一种从热交换器的芯中去除多余的粉末材料的提取工艺。

HiETA和雷尼绍之间的合作伙伴关系的第一个成果就是建立通过增材制造设备成功地生产薄壁结构所需的基本数据，并获取用来预测雷尼绍设备制造的热交换器性能所需的参数。

热传递和流体流动数据已被纳入HiETA使用的CFD和有限元分析程序中。这些程序可用于初步评估新组件设计的可能性能，从而确认方案是否有潜力满足客户的要求。

同时，雷尼绍针对热交换器制造的需求改进了软件，因为在将完整的热交换器模型切成薄层用于3D打印设备读取以规划激光扫描路径的时候，这一过程形成了大量的数据，雷尼绍改进后的软件可以有效处理这些大量的数据。

这个过程充满了不断的改进努力，第一次通过雷尼绍的AM250系统完成3D打印后，这个成功的零部件需要17天的构建时间。随着硬件和软件的改进，加上工艺参数的优化，构建时间减少到八十个小时。随后经过了一系列复杂的测试表明，该组件将满足流体压力和热传递的要求。

根据HiETA，通过3D打印，HiETA生产的零件通常比市场上同等效率传统方法制造的产品重量轻40％。这是因为3D打印技术允许设计师设计单个组件中的许多新颖的高性能表面，这些集成式一体化的设计对于传统加工方法来说是非常困难的。

随着Renishaw AM250的成功，HiETA投资了更强大的RenAM 500M系统，以便实现更具成本效益的商业组件生产。目前HiETA正在为具有真正商业应用的发动机生产零件，并要求非常苛刻的其他客户生产零件。

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