打破效率障礙，GE利用3D打印超高性能換熱器

熱交換器將是下一個(gè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。此前，對 GE專(zhuān)利文章的市場(chǎng)研究，GE開(kāi)發(fā)了新型的熱交換器，這種熱交換器是通過(guò)3D打印-增材制造方式來(lái)制造的。該熱交換器包括多個(gè)增材制造方法，使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁而形成的流體通路，以及具有錯綜復雜的形狀，這些熱交換器使用先前傳統的制造方法無(wú)法制造出來(lái)。

而近日，GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內完成開(kāi)發(fā)計劃，實(shí)現更高效的能量轉換和更低的排放。
仿生學(xué)結構的熱交換器
UPHEAT超高性能熱交換器的核心制造技術(shù)是3D打印技術(shù)，GE希望新型換熱器將在超過(guò)900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運行，超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的熱效率提高4％，在提高動(dòng)力輸出的同時(shí)減少排放。這項計劃通過(guò)了美國能源局旗下的高級研究計劃部門(mén)（ Advanced Research Projects Agency-Energy，簡(jiǎn)稱(chēng)ARPA-E）的高強度熱交換材料和制造工藝計劃（HITEMMP）支持，所計劃開(kāi)發(fā)的耐高溫，耐高壓和超緊湊型熱交換器可在現有和下一代發(fā)電廠(chǎng)平臺上實(shí)現更清潔，更高效的發(fā)電。



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這項技術(shù)的研究團隊由高溫金屬合金，熱管理和增材制造領(lǐng)域的世界級專(zhuān)家組成的跨學(xué)科團隊，通過(guò)與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作，開(kāi)發(fā)出的下一代熱能交換器，可以實(shí)現電力和航空領(lǐng)域的先進(jìn)應用，從而實(shí)現提高能源效率。

根據GE，這種新的熱交換器設計將打破效率障礙，GE正在利用其在金屬和熱管理方面的深厚知識，并以前所未有的方式應用它，通過(guò)3D打印的力量，GE現在可以實(shí)現以前傳統制造工藝無(wú)法制造的設計。通過(guò)3D打印-增材制造工藝，GE和馬里蘭大學(xué)現在將探索更復雜的仿生學(xué)形狀的設計，以實(shí)現熱交換器性能的逐步改變，從而實(shí)現更高的效率和更低的排放。

據了解，在發(fā)電設備中，熱交換器與人體肺部的功能相似。肺可以循環(huán)人體呼吸的空氣，使身體保持最佳性能，同時(shí)調節身體的溫度。像燃氣輪機這樣的發(fā)電設備中的熱交換器基本上執行相同的功能，當然這些熱交換器工作在極端的溫度和壓力條件下。

材料方面，這種新型換熱器將利用獨特的耐高溫，抗裂的鎳基超合金，這是GE研究團隊為增材制造工藝而設計的材料。橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室將利用其在腐蝕科學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識來(lái)測試和驗證材料的長(cháng)期性能。

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開(kāi)發(fā)測試完成后，這種熱交換器將應用到超臨界二氧化碳（sCO2）布雷頓循環(huán)，降低能耗和排放。此外，這種耐高溫的熱交換器還可以應用到先進(jìn)的航空航天領(lǐng)域。

Review

熱交換器將是下一個(gè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。而究竟3D打印將在熱交換器的產(chǎn)業(yè)化方面達到怎樣的影響力和覆蓋面，這不僅僅取決于3D打印設備，材料的價(jià)格，還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達到一致可控，以及標準與認證的完善，而最重要的是如何從設計端獲得以產(chǎn)品功能實(shí)現為導向的正向設計突破。

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圖片：3D打印熱交換器的優(yōu)勢

GE在3D打印熱交換器領(lǐng)域已經(jīng)擁有了一系列的專(zhuān)利技術(shù)，其中面向產(chǎn)品功能實(shí)現的正向設計理念獲得了很好的驗證。傳統的熱交換器包括大量的流體通道，每個(gè)流體通道使用板、棒、箔、翅片、歧管等的一些組合形成。這些部件中的每一個(gè)必須單獨定位，定向并連接到支撐結構，例如，通過(guò)釬焊、焊接或其他連接方法。

例如，用于燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的一個(gè)特定熱交換器包括250個(gè)部件，這些部件必須組裝成單個(gè)不透流體的部件。與這種熱交換器的組裝相關(guān)的制造時(shí)間和成本非常高并且流體通道之間或來(lái)自熱交換器的流體具有泄漏的可能性，這種可能性通常由于形成的接頭的數量而增加。另外，傳統制造工藝還限制了熱交換器中的熱交換特征的數量，尺寸和配置。

根據GE的專(zhuān)利，GE通過(guò)3D打印重新定義了熱交換器。例如，流體通道可以是曲線(xiàn)的，并且可以包括小于0.25mm厚的熱交換翅片，并且形成為每厘米多于十二個(gè)熱交換翅片的翅片密度。另外，熱交換翅片可以相對于流體通道的壁成角度，并且相鄰的翅片可以相對于彼此偏移。這種熱交換結構可以類(lèi)似地用于汽車(chē)，航空，海事和其他工業(yè)中，以幫助流體之間的熱傳遞。

此外，電子產(chǎn)品的散熱方面，根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，GE正在通過(guò)3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)一種新的熱管理系統，這套熱管理系統包括至少一個(gè)底盤(pán)框架，該底盤(pán)框架的構造成使的熱管理系統的熱擴散阻力最小化。底盤(pán)框架包括：至少一個(gè)底盤(pán)主體，至少一個(gè)熱循環(huán)系統嵌入底盤(pán)體內，底盤(pán)主體通過(guò)3D打印-增材制造技術(shù)形成。3D打印還被用來(lái)制造帶點(diǎn)陣結構的夾層結構，這些點(diǎn)陣結構提供了更大的表面積用于熱傳輸。

通過(guò)應用3D打印技術(shù)，降低了熱傳導路徑的熱阻，同時(shí)保持或降低了系統的重量。GE所開(kāi)發(fā)的熱管理系統的技術(shù)特點(diǎn)包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制，結構一體化等優(yōu)點(diǎn)。在商業(yè)方面的突出優(yōu)勢包括可實(shí)現定制化設計、更低的制造價(jià)格、更多的功能以及相同體積的更多熱元件?？梢哉f(shuō)，在以產(chǎn)品功能實(shí)現為主導的正向設計方面，熱交換器和散熱器方面，正在發(fā)生產(chǎn)品設計層面上的不斷的創(chuàng )新，這些創(chuàng )新將以商業(yè)化實(shí)現的方式提升人類(lèi)熱管理的效率和能力。

不少的公司在3D打印熱交換器和散熱器方面獲得了進(jìn)展。其中包括在航空航天領(lǐng)域的GE、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司、Unison Industries公司；在汽車(chē)領(lǐng)域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開(kāi)發(fā)的換熱器，Conflux所開(kāi)發(fā)的新型高效熱交換器ConfluxCore以及菲亞特克萊斯勒(FCA汽車(chē)集團）開(kāi)發(fā)的鋁制散熱器；在IT電子領(lǐng)域微軟、IBM、Ebullient LLC等公司開(kāi)發(fā)的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統。