3D打印技术制造更高效的换热器：机遇与挑战
编译来源：MIT Innotherm Webinar
我们需要什么样子的传热设备（heat transfer device）？
我们需要什么样子的传热设备（heat transfer device）？基于传统制造技术的常用传热设备，具有类似的形状和几何特征，例如直线、直角、直管和鳍片等，这些都是笔直或光滑的易于制造的几何形状。
图1 目前常见的换热设备形态
如果，散热器（换热器）可以是任何形状呢？那么我们将有机会在具有层次结构的架构上设计另外一种形态的散热器，实现类似有机体，如人类循环系统的结构。我们有机会将常规几何外形与非常量横截面通道相结合，制造高效的流体分配通道，实现高热传率的换热设备。
这些直角较少，具有不断变化横截面通道的换热设备，可以通过AM（增材制造）技术获得，并行这种制造方法的可行性通过增材制造服务商的努力在某些应用上得到了验证。
图2 一些通过AM技术实现的换热设备形态
什么是AM技术？
现在，有很大的机会将AM技术应用于换热设备，实现新颖、紧凑的几何形状和高性能热传递的目标。AM技术允许小批量和定制化的解决方案，为弹性制造带来经济效益，同时庞大的换热器市场，给AM带来机会。众多AM服务商认为，换热器是AM技术领域的巨大机遇，市场规模比医疗应用更大，比其它领域的传热换热装置更具经济价值。
AM，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是采用材料逐层叠加的方法来制造实体零件的技术，相对于传统的去除材料－切削加工，是一种“自下而上”的制造方法。AM不需要传统的刀具和夹具，在一台3D打印机上可以整体一次性成型复杂形状的产品。
AM加工的材料可以是金属，也可以是塑胶，陶瓷，有机材料等，材料的形态可以是固体颗粒，线材，液体等。
图3 通过3D打印设备制作散热器原型
换热器是AM技术在热传领域中是最具有价值的，结合遗传算法、AM技术热流体知识以及专业的3D打印生产设备，可以创造出结构新颖、紧凑的换热器，在高性能冷却能力上带来意想不到的效果。
AM技术混流器，增强冷板流体换热
冷板（cold plate）是一种传统的电子产品冷却装置，流道中的液体冷却剂在热源上方来回循环流动从而带走热量。通过AM技术，在冷板流道中集成纽带式混流结构（twisted tape type mixing structures），阻断流动，将热流体从热侧（hot wall）分离，并用冷流体不断补充，加强整体传热。
这种特殊的纽带式混流结构，将传统冷板的传热能力增加了大约两至三倍。这种纽带式混流结构实际上在一些冷板中有应用，但混流结构与流道是分开单独加工的，然后将混流结构插入流道中。AM技术可以实现混流结构与流道的整体加工，实现更加复杂的混流结构。
图4 通过AM技术实现冷板纽带式混流结构一体加工
AM技术将空气喷射冷却系统整合成一个部件
美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校利用AM技术，在单个部件中制造了一个空气喷射冷却系统，能够将高速空气引导至多个电子设备的高温点进行冷却。研究人员将AM技术成型的聚合物冷却喷嘴引导到焊接在PCB板上的两个GaN电源模块表面，歧管中的高压空气经过喷嘴喷射在模块上面。观察GaN器件的红外图像发现，打开空气喷射开关后，器件仅在很小区域有温度上升到大约40℃，关闭喷嘴后模块温度高达85℃，而且大部分区域的温度都较高。
这个AM技术一体加工的空气喷射冷却系统的对流系数高达15000W/m^2·K 。一般情况下空气喷射系统通过CNC加工一大堆复杂的零件，然后组装在一起。AM技术使用坚固的聚合物（氰酸酯，Carbon 3D公司），将空气喷射冷却系统的组件整合成一个部件，流体管理和喷嘴结合成整体，然后直接引导空气到热源需要的地方。这种设计的自由度开启了空气喷射系统新架构，而且聚合物AM部件与金属组件一样坚固耐用，但重量轻很多。
图5 AM技术实现空气冷却系统组件一体化
AM技术制造更高效的相变换热器
相变材料通过相变化的潜热实现热存储，将相变材料添加到换热器回路内的设备称之为相变流体换热器。相变材料通过从流体中吸收热量，降低热峰值，使热负荷更加平缓。
如果只看简单的热模型，在换热管道外层简单包裹相变材料的做法可能适合实际应用于。事实上，相变材料的导热率较低，它们的热阻限制了材料的相转变速率和总体储热能力。因此，通过AM技术在管道外形成密集的高鳍片，能够在换热器流体管道周围封装尽可能多的相变材料，同时将遗传算法与快速有限元模拟结合，在流道内部增加不同形状的鳍片以减少流体热阻，促进内部冷却能力。通过这些对策，换热器的热容量提高了三至四倍，冷却功率增加了约2倍。
图6 通过AM技术增强相变换热器的冷却性能
AM技术结合遗传算法，增强流体传热能力
遗传算法（genetic algorithm，GA ）是计算数学中用于解决最佳化的搜索算法，遗传算法在流道内部的优化，提高冷却功率方面有很大的潜力。换热器的金属管道外部，属于恒定表面热通量的问题，而其内部允许增加不同形状的鳍片增强传热，遗传算法与快速有限元模拟结合，能够计算出管道的最佳传热空间状态。
遗传算法可以用于实现流道内部的鳍片自动化设计，而往往最佳热传效率状态的内部鳍片的结构是复杂的。在直管流道中，通常的做法是采用挤出工艺做出等分直管横截面的直鳍片，而遗传算法做出的更新颖的鳍片设计，可以减少了大约10倍的热阻。传统的挤出工艺很难成型这种鳍片设计，而AM技术却能够胜任这种复杂的流道内鳍片设计。
图7 AM技术结合遗传算法优化换热器管道内部鳍片设计
对于集成了冷侧和热侧流体的双管换热器，也可以采用遗传算法，搜索并找到了该换热器管道内部的最佳形状。通过计算搜索，在外流道和内流道壁面上都分布了交错排列的鳍片，结合AM技术，通过一次性3D打印，将换热器歧管、入水口与出水口、两层流体通道加工成一体的密闭结构，没有任何通过组装的部件。这种AM技术的双管换热器，传热率比同等大小的无鳍片传统结构装置大约高出10倍。
图7 遗传算法搜索计算出双管换热器的最佳流道形状，并通过AM技术实现复杂流道结构双管散热器的一次性整体制造
AM技术在换热器上面临可制造性、专业知识等方面的挑战
研究人员和工程师，有很多机会将AM技术应用于换热器，但首先面临制造方面的挑战。不同分支的AM技术的工艺和材料的可制造性约束是不同的，涉及到具体的可制造性细节，在不同材料不同机器上都可能不一样。
目前缺乏结构化和严谨的方法来确认适合于换热器的AM技术要素，评估可制造性，并提炼这些要素整合进设计规则，是急迫的问题。
复杂的形状对AM技术也很有挑战。在材料方面，只有少数高导热材料适合AM技术，需要开发更多品种和更好性能表现的材料，解决材料的水密性、表面粗糙度、腐蚀等问题。另外，AM技术的流固耦合具有挑战，需要更好的软件，整体的方法，在软件中使用工程方法论，而不仅是用软件设计换热器。
将AM用于热传设备，技术人员需要掌握新的技术和专业知识。目前，AM热传设备的工业化案例还比较少，行业缺乏软件和设计工具，工程人员缺乏专业知识，高等教育中也几乎没有专注于AM热流体应用的专业课程。这些方面都是AM在换热器领域应用的挑战。
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