3D打印高散热效率两相冷凝器：多层波浪交叉鳍+人字结构+变通道径实现！

AM易道导语

AM易道之前的文章已经对3D打印散热的未来做出了一些分享和观点阐述。

今天我们来看看另一个3D打印的散热应用，关于两相冷凝器。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和创新企业团队在《国际热质传递杂志》发表的研究《增材制造紧凑型水冷制冷剂冷凝器》中，展示了3D打印如何突破传统制造限制，创造出内部结构复杂精巧、性能卓越的下一代热交换器。

这项研究不仅使热交换效率提高30-50%，更为全球能源效率提升与环保制冷剂应用铺平了道路。

让我们深入探索3D打印如何通过精密内部结构设计，提升热交换器效能。

能源效率挑战与创新的破局之道

随着全球生活水平提升、交通电气化和现代计算需求增长，开发紧凑高效的能源技术已成为迫切需求。

热交换器作为任何现代能源系统的基础元件，其性能提升将对全球能源消耗产生显著影响。

增材制造解除了一些制造约束，提供了创建传统上无法实现的复杂几何结构的能力。

3D打印热交换器设计的难点是开放的设计空间很大，使设计范围比传统热交换器大几个数量级。

与单相热交换器相比，两相系统在建模和设计方面复杂得多，这也解释了为何过去研究主要集中在单相流3D打印热交换器上。

该研究填补了这一空白，为两相3D打印热交换器设计提供了系统方法学。

本文的热设计和测试技术内容和细节较多。

突破性设计：内部三维微结构的奇妙世界

研究团队开发的3D打印交叉流冷凝器设计，采用了传统制造方法无法实现的内部三维结构。

如图1所示，热制冷剂以热蒸气形式进入，沿流动路径冷凝成液体，将热量传递给冷水。

这个图建议读者仔细看：

该设计的突出特点是交替排列的水和制冷剂通道，以及经过优化的3D形状，这些形状通过水侧的波浪形鳍片和制冷剂侧的倒V形（人字）形的凸起结构字形结构增强了热传递。

冷凝器的多通道交叉流布局在矩形外形中提供了极大的设计灵活性。

水和制冷剂在四个通道中流动，每个通道中水有3个平行子通道，制冷剂有2个。

这种设计允许权衡制冷剂质量通量和水侧压力降，同时沿整个流动长度保持高热传递效率。

如图4所示，热交换器设计的剖视图清晰展示了内部结构的复杂性和精巧布局。

图中可见水侧通道中的波浪形交叉状鳍片和制冷剂侧通道中的人字形结构。

这些精心设计的内部特征是传统制造方法无法实现的，代表了3D打印技术在热交换器设计中的独特优势。

水侧鳍片的交叉结构增加了热传递面积，而波浪形状则促进了流体湍流；

鳍片厚度为1毫米，间距为6毫米，波浪幅度为3毫米，波长为20毫米。

制冷剂侧的创新在于其倒V形（人字）形结构设计。

如图1C所示，这些结构意图破坏两相流动并增强热传递面积。

研究指出，制冷剂侧的高热阻主要来自于"制冷剂液体在冷热交换器壁上的湿润，形成从蒸气到壁的液膜热阻"。

倒V形（人字）形结构作为混合装置，在两相流中引入扰动，促进边界层混合，并限制流体边界层在热传递表面附近的扩展。

这些结构相对水平面有40°的斜度倾角，在流动方向上间距为10毫米，垂直于流动方向间距为15毫米。

最引人注目的创新之一是制冷剂通道宽度的变化设计。

如图5所示，随着制冷剂从入口向出口流动并冷凝，其密度显著增加。

为了维持近似恒定的流速，研究团队设计了沿流动方向逐渐减小的制冷剂通道宽度，从第一通道的72毫米依次减小到60毫米、48毫米，最后一个通道仅32毫米。

这一设计巧妙解决了制冷剂冷凝过程中流速下降导致热传递系数降低的问题。

图5B清晰展示了这一设计如何成功维持制冷剂速度并控制压力降梯度，确保高效热传递。

3D打印热交换器的先进制造工艺

该热交换器使用直接金属激光烧结（DMLS）技术在EOS M290机器上以AlSi10Mg合金材料制造。

研究团队在设计过程中仔细考虑了增材制造的工艺限制和材料特性，以确保设计可行性和性能最优化。

热交换器制造时，水侧通道朝上放置在构建平台上，这允许在水侧实现波浪形3D鳍片，同时限制了制冷剂侧 倒V形（人字）形结构的复杂性，以避免无支撑悬垂。

最小特征尺寸设定为1毫米，以确保小型特征的刚性并防止打印后粉末堵塞通道。

虽然铜的导热系数（380 W/m·K）高于AlSi10Mg（160 W/m·K），但研究表明，材料导热性的差异仅影响热传递性能约2%。

这是因为对流热阻远大于通过金属壁和鳍片的传导热阻。

同时，AlSi10Mg材料在DMLS工艺中更经济且更可靠。

图10展示了制造完成的设备及其放大的热传递增强特征视图。

照片清晰显示了水侧波浪形交叉状鳍片和制冷剂侧 V形（人字）形形结构的精细细节，证明3D打印技术成功实现了设计中的复杂内部结构。

创新设计方法：物理模型、CFD模拟与机器学习的完美融合

研究团队开发的设计方法融合了多种先进技术，平衡了计算速度与精度。

他们的方法采用"两步法，首先使用降阶模型搜索设计空间，然后通过详细的有限元模拟细化最终设计"，这一策略在计算成本和精度之间取得了平衡。

如图2所示，物理模型将冷凝器分为16个块，每个块又分为10个段，总计160个分析单元。

这种分段方法允许根据每个段内制冷剂的局部压力和质量评估局部热传递特性，并准确考虑两流体之间的局部温度差。

分段模型比传统热交换器设计中依赖空间平均快速计算总体性能的方法更为精确。

水侧鳍片形状设计尤为创新，研究团队结合了快速二维有限元方法（FEM）模拟和机器学习（ML）。

如图3所示，FEM模拟评估不同几何参数下的鳍片温度分布和性能。通过参数化扫描，研究团队生成了包含36,000次有效参数组合模拟的大型数据集。

为了将鳍片性能评估集成到冷凝器级物理模型中，研究开发了一个ML模型，可以根据几何和操作参数快速预测鳍片性能。

如图3E和3F所示，训练后的ML模型预测与FEM模拟计算值展示了良好一致性，鳍片效率预测精度达98.7%，鳍片面积增强因子预测精度达96.1%。

此外，研究团队还使用ANSYS Fluent进行了高保真三维计算流体动力学（CFD）模拟，以评估3D打印冷凝器内的温度、压力和速度分布，并验证物理模型预测的性能。

如图7所示，CFD模型考虑了 3D打印冷凝器、分配器和连接，模拟了水和固体域之间的共轭热传递，使用多面体网格和SST k-ω湍流模型。

图8展示了CFD模拟结果，包括水的速度轮廓、温度分布和压力轮廓，以及通过制冷剂通道壁的热流密度。

这些模拟结果不仅验证了物理模型的预测，还提供了对冷凝器内部流动和热传递特性的深入洞察。

性能突破：实验验证与卓越表现

研究团队构建了一套专门的测试装置（如图11所示）对冷凝器原型进行广泛测试。

该装置使用蒸气压缩循环来调节入口条件并测试各种实际使用情况。

设备包括去过热器、子冷却器、变速压缩机和液体接收器，可以精确控制制冷剂流量和冷凝器的制冷剂饱和温度。

如图12所示，研究在5-40升/分钟的水流量和35-49°C的制冷剂饱和温度条件下进行了全面测试。

实验结果表明，在35°C制冷剂饱和温度下，热传递率从水流量10 LPM时的3.0 kW增加到40 LPM时的4.1 kW。

较高的水流量导致水出口温度降低，增加了制冷剂和水流之间的温度差，同时也提高了水侧热传递系数。

值得注意的是，热传递率随水流量增加表现出递减回报。

图14A显示，随着水流量从30 LPM增加到40 LPM，热传递率仅增加3.5%，而水压降显著增加68%。

这一现象发生是因为在较高流量下，水侧热阻对总热阻的贡献减小，使得增加水流量的边际效益降低。

如图14B所示，制冷剂饱和温度对热传递率有显著影响。

当饱和温度从35°C增加到49°C时，在20 LPM水流量下，热传递率几乎翻倍，从3.6 kW增至6.9 kW。

这种性能提升源于水和制冷剂之间可用温度差的增加。

图13比较了CFD模拟、物理模型和实验测量结果，显示三者在热传递率和水压降预测方面一致性良好，误差均在5%以内。

这种良好一致性证明了开发的物理模型和CFD模拟的准确性和可靠性。

研究还将 3D打印冷凝器与商业热交换器进行了性能比较（图15）。

结果表明，3D打印冷凝器设计在保持相同归一化泵送功率的情况下，性能超越了壳管式冷凝器，实现了更高的功率密度和比功率。

特别是，研究提出的薄壁设计（壁厚1毫米而非5毫米）和紧凑版本（水侧通道4毫米而非5毫米）分别实现了功率密度提高1.6倍和1.9倍，重量减轻50%和55%。

环保未来：低GWP制冷剂在3D打印热交换器中的应用

研究团队利用开发的物理模型评估了 3D打印冷凝器使用替代工作流体的性能，包括异丁烷、丙烷、R1234yf和R32。

如表2所示，这些制冷剂具有比R134a更低的全球变暖潜能值（GWP），是环保应用的潜在候选者。

表2详细列出了这些制冷剂在35°C饱和温度下的热力学特性，包括GWP值（R134a为1530，而异丁烷仅为0.006）、分子量、冷凝潜热、饱和蒸气和液体密度以及临界压力和温度。

这些参数对理解和预测不同制冷剂在 3D打印冷凝器中的性能至关重要。

图16A展示了不同制冷剂在35°C和45°C饱和温度下，随水流量变化的总热传递率。

丙烷和R1234yf作为R134a的替代品表现出色，尤其是丙烷在较高水流量（30-40 LPM）下实现了比R134a高13%的热传递率。

异丁烷则表现较差，热传递率约为R134a的一半。

最引人注目的是R32，在10-20 LPM的较低水流量下实现了比R134a高1.3倍的热传递率，在水流量增加到40 LPM时，热传递率上升到R134a的2倍。

图16B解释了这一现象，显示R32具有显著更高的饱和压力比和降低压力比，结合其高冷凝潜热（表2中为249.2 kJ/kg，而R134a为168.2 kJ/kg），使其在热交换应用中表现卓越。

这些结果对环保制冷剂的未来应用具有重要意义。

研究显示，3D打印热交换器不仅能提供卓越性能，还能适应未来环保制冷剂的转型需求，为全球温室气体减排提供技术支持。

3D打印热交换器：设计方法与未来展望

这项研究是两相3D打印热交换器领域的开创性工作之一，也是首次使用R134a作为增材热交换器中的冷凝工作流体。

研究团队为3D打印交叉流冷凝器开发的设计方法整合了详细的架构布局、物理模型、优化的水侧鳍片几何形状和全面的性能评估。

冷凝器结构设计旨在通过改变通道宽度来维持近似恒定的制冷剂速度，以抵消冷凝过程中密度变化的影响。

物理模型将冷凝器分割成块和段，允许局部评估热传递和压降，平衡计算效率和精度。

有限元模拟与机器学习的结合加速了水侧鳍片形状的优化。

研究指出了3D打印热交换器设计的未来机会，包括采用更激进的设计和制造方法，如更小的壁厚和复杂优化的3D热传递增强特征。

流动架构可以从传统的矩形通道形状大幅改变为更定制化的几何形状，最大化热传递效率。

此外，使用增材设计热交换器分配器可以促进单体热交换器的创建，优化流动分配。

研究指出，"使用增材设计热交换器分配器可以促进单体热交换器的创建，优化流动分配"。优化的分配器设计可以确保多通道热交换器中流体分配均匀，避免流动不平衡导致的热点和性能下降。

AM易道认为，这些发展方向不仅将推动热交换器性能的进一步提升，还将开拓全新的应用领域。

例如，在电子设备冷却中，3D打印热交换器可以直接集成到设备封装中，形成定制化的热管理解决方案。

在电动汽车电池热管理系统中，轻量化、高效的 3D打印热交换器可以显著提升冷却效率，同时减轻整车重量。

在可再生能源系统中，特别是太阳能热发电和地热发电，高效的热交换器将提高能量转换效率，降低发电成本。

随着全球对环保制冷剂的需求增加，本研究展示的3D打印热交换器与多种低GWP制冷剂的兼容性，也将在制冷空调行业转型中发挥重要作用。

特别是对于需要定制化小批量生产的特种空调系统，3D打印提供了经济可行的制造途径，同时实现卓越性能。

AM易道结语

AM易道认为，我们正处于热管理领域的转折点。

过去几个世纪，热交换器设计一直受限于制造工艺的简单性要求，追求易于制造而非最优性能。

3D打印彻底改变了这一范式，允许设计者首先考虑什么是理论上最佳的设计，然后利用增材制造技术将这一理想转化为现实。

想象未来的热交换器不再局限于平板、管道的简单组合，而是如同自然界中的血管网络、树叶脉络般复杂而高效的三维流体通道系统。

这种生物启发的设计将实现更高的热传递效率、更低的压力损失和更紧凑的体积，为能源系统、电子冷却和环境控制带来变革。

当我们回望热交换技术的发展史，传统热交换器设计几乎从未跳脱过"板""管""鳍"的基本框架。

而3D打印彻底打破了这一桎梏，通过精准控制创造出如自然界血管网络般高效的传热结构。

AM易道相信，3D打印不再是散热技术的选项之一。

而是实现下一代高效热管理的，一个通往更绿色、更高效热交换未来的，必经之路。

文章信息：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126836

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