TPMS胞元结构助力增材制造高效换热器

换热器广泛应用于航空、航天、核电、国防、汽车、电子、石油化工、食品机械等各个领域。在不同的应用场景和使用工况条件，换热器集成了不同领域和学科的科学技术，形成了适用于不同应用场景和不同种类的换热器，例如板翅式、管壳式、微通道换热器等等。通常传统换热器大多都是采用 钎焊、焊接方式或其他连 接方式进行加工制造。

增材制造，又称为3D打印，是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过使用3D打印设备将材料进行逐层添加从而制造出三维物体的新型制造技术。2012年开始在国内兴起，该技术最大的优势在于不需要模具即可实现各种形状产品的制造。因此增材制造技术特别适合应用于利用模具铸造困难、形状复杂、个性化强的产品。

增材制造技术应用于换热器和散热器的制造，满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，该技术具有传统制造技术不具备的优势。

▲图1 应用增材制造技术打印的高效换热器

TPMS胞元式换热器

中的增材思维设计和制造

近年来，三周期极小曲面（Triply periodic minimal surface, TPMS）吸引了多孔结构研究人员广泛的关注。三周期极小曲面表面光滑且孔洞高度连通，整体结构由隐式函数精确控制，是一种设计建模多孔结构的优异解决方案。结合增材制造独特的制造技术，使得TPMS可实现设计、制造、应用、优化再设计的良性循环，尤其是应用在高效换热器行业。

图2 TPMS胞元式换热器

TPMS是一种平均曲率为零的周期性光滑隐式曲面，与其他类型的多孔结构相比，TPMS多孔结构具有两大明显优势：

1）整体TPMS多孔结构可以利用数学表达式精确描述，孔隙率、比表面积等基本性能可以利用函数表达式参数直接控制；

2）TPMS表面非常光滑，没有点阵多孔结构的尖锐转折或连接点，整体结构互相贯通。这种优势应用在换热器的设计中，具有换热高效性、产品紧凑、流阻小的特点，在航天航空、武器装备、汽车制造、生物医疗等行业已进行广泛的推广及应用。

可选晶胞结构类型

TPMS形式胞元通过中间曲面将流道一分为二，适用于两种流体之间的换热。

TPMS可通过正余弦函数来表示，如下表：

表 各类型TMPS数学公式

根据以上数学公式，通过隐式建模软件进行建模，如图3所示。

图3 各TPMS形式的隐式建模

当下高精尖行业，高效换热器设计需求越来越偏向于体积小、重量轻、压力损失小、换热性能强的趋势，这对传统减材式或等材式思维的制造要求极高，特别是超薄壁厚处理、异型结构加工工艺、进出口焊接工艺、装配工艺等。而3D打印以增材式思维进行制造，充分以数字模型为基础，在设计上的自由度、小批量生产的经济性、一体式打印有独特的优势。

因此TPMS胞元换热器通过增材制造，很容易实现整机打印出产品，因此在世界范围内，越来越多的换热器工程师对胞元式换热器的设计研发展现出极大的兴趣。

—作者—

张振江

流体机械及工程硕士，安世亚太DfAM赋能业务部流体仿真工程师，擅长换热器设计及换热器三维流体仿真，目前从事DfAM换热器设计及性能仿真评估工作。

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