近距离了解汉胜开发的3D打印逆流热交换器
传统的热交换器包括大量的流体通道，每个流体通道都是使用板，条，箔，鳍，歧管等的某种组合形成的。这些部件中的每一个都必须单独定位，定向并连接到支撑结构，例如，通过钎焊，焊接或其他连接方法。这种热交换器的组装相关的制造时间和成本非常高，并且由于形成的接头数量，流体通道之间或从热交换器泄漏的可能性通常增加。而这种制造极限也限制了热交换流体通道及其中包括的热交换特征的数量、尺寸和构造。
然而，3D打印为热交换器的制造另辟蹊径，本期，3D科学谷与谷友来一起领略汉胜公司（Hamilton Sundstrand Corp）通过3D打印改进的逆流热交换器的个中奥秘。
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汉胜3D打印热交换器专利
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完美控制压降
热交换器对于引擎和环境控制系统等众多系统的功能至关重要。在发动机上，热交换器用于各种油和空气冷却应用。热交换器对于环境控制系统（空气循环）以及其他冷却系统的运行至关重要。这样的应用不断要求提高传热性能，减小压力损失以及减小尺寸和重量。
当前的热交换器产品以板翅片结构为主，而传统的板翅式结构施加了多个设计约束，这些约束会抑制性能，增加尺寸和重量，遭受结构可靠性问题，无法满足未来的高温应用并限制系统集成的机会。
在传统的逆流换热器中，从管道流向分层结构的过渡需要特殊的集管技术，并且会显着影响整体性能。
根据3D科学谷的市场研究，汉胜开发了一种新的制造热交换器的方法。该方法包括通过增材制造-3D打印热交换的芯部分，集管部分和过渡区域。
▲热交换器的芯部的剖视图
来源：US10816282B2
汉胜的设计使流体流分开随后合并流体流，通过逐渐改变从芯部分到出口的通道尺寸，减少了压降。在入口处具有较大的通道，其中总流动面积相对于芯部较小（并且流速相对于芯部较高），从而减轻了由于较大的水力直径而引起的压降。
根据3D科学谷的了解将液压直径加倍可将压降降低三倍以上。除了减小压降之外，还减小了整个组件的应力。传热面积和热容量的逐渐变化（来自逐渐变薄的壁）可以缓解热膨胀产生的应力。由于较高层的截面模量增加，加速度和振动应力也减小了。
在汉胜的设计中，分离和合并是高度对称的，这保证了良好的流量分配，并且可以在狭槽和每个通道的至少一部分之间提供直接的视线，以限制流体的压降。
在通过增材制造工艺制造热交换器的情况下，可以通过基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印工艺或者电子束选区熔化金属3D打印工艺整体地形成热交换器。这避免了多个零件之间的焊接，并且可以实现更加随形的设计。
3D科学谷Review
根据sciencenet，汉胜公司（Hamilton Sundstrand Corp）是一家美国企业（美国联合技术集团的下属公司），主要生产航空和工业产品。2019年，汉胜公司获得欧洲发明专利292项，比上一年增长了57%，是获得欧洲专利数量第40多的机构。欧洲是汉胜公司的主要市场。
相对来讲，汉胜公司专利研发的优势领域是：铁路船舶和飞行器、发电和输变电、半导体零配件、发动机和泵、一般机械和武器。从绝对数量上来看，汉胜公司的重点技术领域是：铁路船舶和飞行器、发动机和泵、发电和输变电、一般机械和武器、照明与制冷制热。
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。
以计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）形式进行的模拟是AM热交换器开发的重要工具，但是仿真模拟是无法完全替代实际产品测试的，换言之，经验数据的重要性对于增材制造热交换器获得认证仍然至关重要。
增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。当前增材制造热管理解决方案提供商、3D打印设备企业、正向设计企业、材料企业正在多方面利用增材制造技术的优势，推动高度复杂热管理问题的解决方案。
根据3D科学谷《3D打印与换热器及散热器白皮书》，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，3D打印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。
可以说，在以产品功能实现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。
而根据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。
有关热交换器与散热器的深入应用、技术发展趋势，请前往《3D打印与热交换及散热器应用2.0》白皮书。
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