冷卻技術革命：研究發(fā)現(xiàn)3D打印冷凝器性能優(yōu)于傳統(tǒng)設計

2025年4月11日，南極熊獲悉，來自伊利諾伊大學香檳分校的研究人員利用3D打印技術開發(fā)了一種緊湊型水冷式制冷劑冷凝器，測試性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的熱交換器設計。3D打印熱交換器采用微型 3D 表面，可實現(xiàn)高傳熱性能，這是傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)的。

相關研究以題為“Additively manufactured compactwater-cooled refrigerant condenser”的論文發(fā)表在《國際傳熱傳質雜志》上，由OmarM. Zaki, William P. King等人聯(lián)合撰寫。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126836

3D打印可實現(xiàn)先進的內部幾何形狀

這款冷凝器采用激光粉末床熔融技術，以AlSi10Mg合金制成，從而能夠創(chuàng)建減材制造法無法實現(xiàn)的復雜內部幾何形狀。這些幾何形狀包括制冷劑側的人字形流動擾流器和水側的十字形波浪形翅片，旨在增強湍流并提高局部傳熱系數(shù)。與依賴堆疊板或翅片管的傳統(tǒng)熱交換器不同，這種3D打印架構能夠精確調整內部結構，從而管理多個流體路徑上的流量、壓降和熱阻。

△熱交換器設計的 CAD 剖面圖，插圖為制冷劑側通道中的人字形結構（上圖）和水側通道中 3D 波浪形翅片（下圖）。圖片來自 William P. King。

多通道橫流結構，性能緊湊

3D打印冷凝器采用多通道、多通道橫流結構，旨在優(yōu)化緊湊空間內水與制冷劑之間的熱交換。在橫流結構中，冷卻水和制冷劑兩種流體相互垂直流動，增強了熱交換器內表面的熱接觸。

△3D打印橫流制冷劑冷凝器的設計。圖片來自 William P. King

每個流體域內設有多條平行流道，可增加表面積并改善流量分布。水和制冷劑均分多個連續(xù)階段流經冷凝器。在設計結構中，制冷劑流經四條通道，每條通道的通道逐漸變窄，以補償冷凝過程中不斷增加的密度。同時，水以相反方向流經自身的四通道回路。

新的換熱器結構能夠精細控制流體速度、壓降和溫度梯度，確保兩種工作流體之間高效的能量傳遞。盡管內部結構復雜，但換熱器裝置仍保持著緊湊的外形尺寸，僅為 260 × 235 × 39 毫米。

模擬引導優(yōu)化和機器學習集成

為了優(yōu)化水側性能，研究團隊將二維有限元仿真與基于36,000個參數(shù)化翅片形狀訓練的機器學習模型相結合。仿真模型預測翅片效率和面積增強因子，并作為基于物理的分段式熱模型的輸入。通過參數(shù)掃描篩選候選設計方案，并使用CFD仿真進行細化，以驗證局部溫度、速度和壓力分布。

△冷凝器的分割過程。圖片來自 William P. King

定制蒸汽壓縮回路中的實驗驗證

換熱器設計原型在定制的蒸汽壓縮回路中進行了實驗測試。冷凝器在制冷劑飽和溫度為35°C至49°C的范圍內，傳熱速率在3 kW至8kW之間。水側流量測試結果為每分鐘5至40升�；�于物理的模型和CFD結果與實驗數(shù)據的匹配精度在5%以內，驗證了仿真框架的可靠性。

與低GWP制冷劑的兼容性

雖然最初測試的是 R134a，但研究也評估了 R1234yf、R32、丙烷和異丁烷等其他制冷劑的性能。這些制冷劑的全球變暖潛能值 (GWP) 低于 R134a，并且評估時采用了相同的幾何形狀和相當?shù)捏w積流量。模擬結果表明，在更高的流量下，R32 的傳熱速率可達 R134a 的兩倍，而丙烷和 R1234yf 的性能則相似或略有提升。

添加熱元件的展望

本文的研究提供了一種經過驗證的、基于增材制造 (AM) 的緊湊型高效兩相熱交換器設計方法，能夠在管段層面微調熱阻、流路和幾何形狀，并結合經過驗證的 CFD 和實驗結果，在暖通空調 (HVAC)、汽車、數(shù)據中心和航空航天系統(tǒng)等實際應用中具有可行性。

冷凝器設計是利用3D打印重塑熱交換器性能的研究和商業(yè)開發(fā)成果的又一力作。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）最近開展的一項研究，探索了利用金屬3D打印制造用于電子和航空航天領域的微型熱交換器，相關研究刊登在《麻省理工學院技術評論》上。這些設備采用折疊幾何形狀以最大限度地增加表面積，但在早期測試中性能提升仍然不大。

與此同時，像Conflux Technology這樣的公司也紛紛涌現(xiàn)。2024 年 10 月，Conflux 在 B 輪融資中籌集了 1100 萬歐元，用于擴大采用激光粉末床熔融技術的 3D 打印熱交換器的生產。Conflux 公司還與奧格斯堡火箭工廠合作，將3D 打印熱交換器集成到軌道火箭中，展示了增材制造技術在生產能夠承受極端條件的部件方面的適用性。該公司還推出了一款高性能筒式熱交換器，專為汽車和工業(yè)環(huán)境中的流體控制系統(tǒng)而設計，特點是結構緊湊、內部幾何形狀優(yōu)化。

其他努力包括通用電氣研究院 (GE Research)開發(fā)了一種葡萄形3D打印熱交換器，工作溫度可達900°C，比現(xiàn)有解決方案的溫度極限高出200°C以上。這些進展證明了增材制造在熱管理系統(tǒng)中的靈活性和針對特定應用的設計優(yōu)勢。