3D打印铝合金换热器：微通道轻量化散热之路

全文4300字，阅读需7分钟。本文分享一项尚未经同行评议的3D打印铝合金换热器性能研究 。
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AM易道导语：

在工业与科技的浪潮中，热量管理始终是一个永恒的主题。

从高性能计算中心里源源不断产生的热量，到电动汽车动力电池组需要精确控制的温度，再到航空航天器在极端环境下的热防护，热量管理的重要性与日俱增。

而在这个领域中，换热器作为热量传递的"搬运工"，一直扮演着举足轻重的角色。

AM易道认为，随着工业领域对设备性能要求的不断提升，传统换热器在微型化和轻量化方面的局限性日益凸显。

这促使研究人员不断探索新的制造方法和设计理念。

AM易道在过去已分享过各类换热器应用，包括：

今天继续分享一项来自日本的换热器的研究。

研究团队利用激光粉末床熔融（L-PBF）技术，成功开发出一种轻量化的铝合金微通道换热器，其性能指标令人瞩目。

编者按：本文分析的研究成果来自日本国家产业技术综合研究所（AIST）和东京电机大学的联合研究团队，论文以预印本形式发表于SSRN平台，预计将投稿至Applied Thermal Engineering期刊。虽然该论文尚未经过同行评议，但其研究方法和创新成果值得关注和讨论。

让我们先来看看这项研究中展示的换热器实物图（如Figure 4所示）。

相比传统换热器动辄数公斤的重量，这些3D打印换热器竟然可以轻松握在手中。

图中展示了两个系列（A系列和B系列）共6种型号的换热器，旁边放置的日元硬币（直径23.5mm）更直观地展现了它们的小巧体积。

这些换热器虽然体积小巧，但其性能却令人惊叹。

技术突破：从传统到 选择金属 3D打印

传统换热器的制造工艺主要依赖于蚀刻、钎焊等方法。

这些工艺在制造微小通道时往往面临精度控制难、成本高、连接可靠性差等多重挑战。

而各类金属3D打印技术的出现，为换热器制造带来了新变革。

在这项研究中，团队选用了AlSi10Mg粉末这种业内常见的铝合金作为打印材料。

这种材料具有优异的导热性能（约170 W/m·K）和相对较低的密度（2670 kg/m³），非常适合用于制造轻量化换热器。

更重要的是，这种材料具有良好的3D打印工艺性能，可以实现复杂结构的可靠制造。

研究团队使用了3D Systems ProX DMP 320金属3D打印机进行制造，粉末的中值粒径为46μm。

通过精确的工艺参数控制，成功实现了最小300μm水力直径通道的稳定制造。这一尺寸已经接近当前金属3D打印技术的极限。

创新设计：微通道的精妙构思

让我们深入研究这个换热器的设计理念。

从Figure 1展示的结构示意图可以看到，这款换热器采用了经典的交叉流设计。

高温流体和低温流体在垂直方向上交错流动，通过导热性能优异的AlSi10Mg金属壁实现热量传递。

这种设计不仅可以保证换热效率，还便于流体的分配和收集。

AM易道认为，这款换热器最引人注目的创新在于其微通道结构的层层排布设计。

研究团队开发了A、B两个系列共6种型号的换热器，针对性地验证了不同尺寸参数对换热性能的影响。

如Figure 3所示，研究者制作了断面形状为方形的微通道，并在每个系列中分别设计了300μm、500μm和750μm三种不同的水力直径。

AM易道认为，这些微通道尺寸的选择基本到了3D打印工艺极限了，能满足高效换热的需求。

通过剖面图可以清晰地看到，热流体和冷流体的流道呈现出完美的交错排列。

研究团队特别考虑到了热损失问题，将最外层设计为低温流体通道，这种巧妙的布局可以最大限度地减少与环境的热交换，提高换热效率。

粉末是如何清理的

这么细的通道，层叠这么多层，AM易道好奇打印完的内部粉末如何清理？

可惜的是，查阅原论文全文，并没有详细描述粉末清理的具体方法。

AM易道认为，对于这种复杂的微通道结构，粉末清理是一个关键的工艺挑战。特别是当通道水力直径只有300μm时，未熔粉末的清理难度很大。

从论文中Figure 5展示的X射线CT扫描结果来看，通道内部确实是畅通的，这说明研究团队必然采用了某种有效的粉末清理方法。

基于金属3D打印领域常见的工艺经验，微通道结构的粉末清理通常可能采用以下方法：

• 机械振动清理

• 压缩空气吹扫

• 超声波清洗

• 液体冲洗

但由于论文中并未明确说明具体采用了哪种清理方法，这些只是AM易道的常规推测。

增材制造工艺：精益求精的表面质量

金属3D打印技术虽然带来了设计自由度的提升，但同时也面临着表面质量控制的挑战。研究团队对打印后的换热器进行了详细的质量评估。

从Figure 7中的显微照片和表面轮廓测量结果可以看出，激光照射面和非照射面都存在一定程度的粗糙度。

有趣的是，这种表面粗糙度并非完全是缺陷。

原文引用了别的单通道换热器研究认知：适当的表面粗糙度反而增强了换热效果。

Surface roughness unique to AM has been noted to enhance heat transfer, as indicated by experiments using additively manufactured single channels

Figure 8展示了不同水力直径（300μm、500μm和750μm）换热器的表面粗糙度测量结果。

图中用灰色柱状表示非照射面（Non-irradiated side）的Ra值，深色柱状表示激光照射面（Laser-irradiated side）的Ra值。

从测量结果可以得出两个主要结论：首先，对于所有尺寸的通道，非照射面的粗糙度都明显高于激光照射面。

这种差异可能是因为非照射面保留了更多原始粉末颗粒的形态特征，正如Figure 7(b-2)中所观察到的。

其次，随着通道直径的增大，表面粗糙度呈现降低趋势，这一现象在激光照射面和非照射面都能观察到。

这种与通道尺寸相关的粗糙度变化特征，是此领域金属3D打印工艺中一个值得注意的现象。

性能评估：系统的实验验证与结果

研究团队构建了一套精密的性能测试系统，如Figure 10所示，包含高温和低温两个循环回路。

为了确保实验的准确性，系统采用了多重监测手段：

温度测量：使用经过校准的T型热电偶（T40, Okazaki Manufacturing Company）
流量监测：采用科里奥利流量传感器（FD-SS2A, Keyence）
压力测量：使用差压传感器（GC52, Nagano Keiki）
数据采集：采用数据记录仪（NR-500, Keyence），以10Hz的采样率记录数据，每个测试点取10秒的平均值

实验条件的设置：

热侧入口温度：80°C（使用Julabo FP50-MC恒温水浴）
冷侧入口温度：20°C（使用SMC HRS024-A-20恒温水浴）
工质：去离子水
为减少热损失，换热器外部包裹陶瓷棉并用铝箔固定
通过针阀控制确保冷热两侧流量相等

研究团队采用了多个关键性能指标进行评估：

在换热器性能评价中，总传热系数（U）是最基础也是最重要的指标。

本研究中A-300型号展现出了卓越的传热性能，其总传热系数达到35.3 kW/(m²·K)。

这一数值的获得得益于微通道结构带来的大换热面积和优异的对流换热特性。

研究团队通过详细的Wilson plot方法分析了对流换热系数，发现实际换热性能远超过传统层流换热的理论预测值。

为了更全面地评价换热器的性能，研究团队还引入了体积换热系数（Uv）这一指标。通过将表面积密度β与总传热系数U的乘积，得到了体积换热系数Uv。

A-300型号在这一指标上的表现同样出色，达到了120.5 MW/(m³·K)。

这一数值充分体现了微通道结构在空间利用效率上的优势，说明单位体积内可以实现更高的换热量。

最具创新性的是研究团队提出的质量比换热系数（Um）概念。

这一指标通过将体积换热系数除以材料密度ρs，首次将换热性能与重量直接关联起来。A-300型号在这一指标上达到了44.2 kW/(kg·K)的优异表现。

这个创新性指标的提出特别有意义，它为轻量化换热器的性能评价提供了新的视角，尤其适合航空航天等对重量极其敏感的应用场景。

通过这个指标，设计师可以更直观地评估换热器在质量效率方面的优劣，为材料选择和结构优化提供重要参考。

相比其他研究，本实验结果显示出明显优势：

• 比Tsopanos使用SUS316L材料制造的换热器性能更好

• 超过了Jiang等人使用铜材料线切割制造的换热器

• 在质量比性能上仅次于Kang等人使用硅材料制造的微通道换热器

这些实验结果不仅验证了设计理念的可行性，也为未来轻量化换热器的发展提供了重要参考。

AM易道再次强调，特别是质量比换热系数这个创新指标，为航空航天等对重量特别敏感的应用领域提供了新的评价标准。

市场应用：从实验室走向产业化

AM易道作为深度观察者，我们注意到这项技术的商业化前景令人期待。

当前，高性能换热器的市场需求主要来自几个快速发展的领域：

新能源汽车领域的迫切需求

新能源汽车动力电池的热管理一直是业内关注的焦点。随着快充技术的发展，充电功率不断提升，对换热器的性能要求越来越高。

航空航天的创新应用

在航空航天领域，每一克重量的减轻都意味着显著的经济效益。传统换热器往往需要通过减薄壁厚来实现轻量化，而这导致结构强度下降。

数据中心的散热革新

随着人工智能的快速发展，高性能计算中心的散热需求与日俱增。传统的风冷系统已经难以满足新一代芯片的散热需要，液冷技术正在成为主流选择。

AM易道判断，各类3D打印换热器都将以上领域大放异彩。从规模天花板感性而不定量判断，这将是一个增材领域的主力增长点。

AM易道最后聊两句

AM易道认为，这项研究虽然取得了显著成果，但仍然存在进一步提升的空间：

从Figure 9的尺寸测量结果可以看出，当前的制造精度仍有提升空间。

特别是在300μm通道的制造过程中，实际尺寸与设计值存在约2.9%的偏差。

这提示我们，在工艺参数优化、粉末质量控制等方面还需要进行深入研究。尤其在面对各类微通道时，新的工艺难题会层出不穷。

另外前文提到，L-PBF工艺固有的表面粗糙度在一定程度上反而提升了换热性能。
这个意外发现启发AM易道思考：是否可以通过控制打印过程中能量输入， 实现表面粗糙度的定向设计？
这将为换热器性能的进一步提升开辟新途径。

AM易道认为， 当前的设计采用了传统的矩形通道，未来可以考虑引入仿生学设计理念，例如参考植物叶脉的分布模式，优化流体分配，提高换热均匀性。

已经有案例表明，这种仿生结构可以显著降低流动阻力:

纵观这项研究，我们可以清晰地看到3D打印技术在高性能换热器领域带来的革命性变化。

从设计自由度的提升，到制造工艺的创新，再到性能指标的突破，都展现出了这项技术的巨大潜力。

AM易道认为，随着3D打印技术的不断进步，微通道换热器的性能还将继续提升。

这不仅将推动新能源汽车、航空航天等领域的技术进步，更将为全球节能减排事业做出重要贡献。

让我们期待3D打印技术在换热器领域继续引领创新，为工业发展注入新的活力。

这场技术革新才刚刚开始，未来必将绽放出更加绚丽的光彩。

本文仅对这项研究做了框架性介绍。论文预印本中还包含了更多性能测试、计算逻辑等方面的技术细节。

感兴趣的读者请私信“铝合金换热器”查阅原文，深入了解精彩技术创新细节。

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