透视SLM 3D打印技术如何制造针翅热管热交换器

换热器-热交换器从涡轮发动机的涡轮机排气中提取热量，并利用该热量在流经燃烧器之前预热离开发动机压缩机的空气。微型涡轮发动机的换热器，像许多其他热交换器一样，换热器可以采用多种不同的方式来制造，但是传统方式制造的典型的换热器是钎焊或焊接的板翅式，其中翅片可以是传统的直翅或波状翅片，销翅片或网状翅片。

热交换器非常适合通过增材制造的方式来制造，不过一个吸引人的或创成式式的设计本身往往是不够的。根据市场观察，这其中还包括对传热/流体力学的基本原理的掌握，对热流体模拟仿真和AM-增材制造过程的深刻理解和结合，这是取得令人信服的竞争性结果所必需的。

SES换热器专利，来源：USTPO

 复杂的设计3D造

微型涡轮机在汽车、国防、航空航天、清洁能源等领域具有广泛的潜在应用。然而，这种潜力在很大程度上尚未实现，一方面由于同流换热器的高成本，而且换热器的尺寸和重量会带来一定的不利影响。

传统方式制造的现有的同流换热器，特别是高温同流换热器的另一个问题是缺乏坚固性，这是由于尖角和矩形接头处的热疲劳和应力所致，而钎焊和大多数其他连接方法不可避免地产生了这种疲劳和应力。

传统换热器和其他热交换器的另一个问题是，在微型涡轮机中，换热流体的来源（在压缩机的出口和燃烧室的入口）可能相距一定距离。这意味着可能需要大量的歧管，这大大增加了体积、重量和成本，还导致了热力学损失。由于热交换器及其歧管的体积大，它们的位置可能是非最佳的，从而导致效率的进一步降低。

热管可以以各种方式制造，最简单的是，热管可以采用管的形式，在管中插入网状套筒形式的芯。复合灯芯可包含多个元素：例如，具有小孔的烧结材料可提供驱动毛细作用力，而具有较大开口的通道可提供更大的流体流量且流体摩擦较小。随着增材制造方法的发展，尤其是选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）的发展，现在已经通过3D打印技术直接构建针翅式热交换器。

 更轻、更紧凑、更高效

根据3D科学谷的市场研究，Sustainable Engine Systems有限公司开发了一种热交换器，其中，热交换器的一部分或全部由一个或多个热管代替。这显着增加了热交换器的不同部件的热导率，并允许减小尺寸，重量和成本。

通过增材制造技术，特别是选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）来实现这种热交换器的制造，以热管形式的针状翅片代替了常规针状翅片板式热交换器中的针状翅片。当前的针翅式热交换器适用于各种各样的热管类别，包括回路热管、毛细管泵热管、脉动热管、可变电导率热管、旋转热管和吸附热管。

SES换热器专利，来源：USTPO

通常热蒸发器部分的端部将与隔板热接触，隔板的另一侧与较冷的流体接触，存在蒸发器性能可能下降的危险。通过选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）使销翅片热管的端部逐渐变细以减少与隔板的传热接触，同时保持足够的接触以用于接合和强度目的，可以将这种影响最小化。

此外在半数翅片热管中，蒸发器将位于冷凝器上方，这可能导致传热性能比在蒸发器位于冷凝器下方的翅片热管中实现的传热性能差，因为对毛细作用力缺乏重力辅助。在这些情况下，通过选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）可以调整销翅片热管的两个方向的相对比例和/或尺寸来补偿热交换器性能的差异，每个针状翅片是独立的热管。

SES针翅式换热器专利，来源：USTPO

针状翅片热管的蒸发器和冷凝器部分可以是锥形的，通过这些手段，可以减小整个热管的尺寸，重量和成本，这种设计也具有传热和压降的优点。针状翅片热管逐渐变细可以带来更大的翅片效率，而不会像传统的针状翅片类似的几何形状变化而导致尺寸和重量增加。

SES针翅式换热器专利，增加主管和针翅式热管之间的过渡区域的体积。来源：USTPO

 更小、更轻、更便宜

SLM是一种方便且经济高效的方法，可大量制造此类针翅式热管。后续的加工包括通过通过放电加工或其他方式。在这方面机械加工企业GF加工方案与3D Systems打造了工厂自动化的新概念，包括增材制造零件设计软件，3D打印机，材料和自动化材料处理，放电加工（EDM）设备，铣削设备以及其他先进后处理技术。

选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）带来了结构一体化的加工便利性，在针翅式热管设计版本中，隔板和针翅式热管可以集成在单个结构中，从而消除了任何焊接或钎焊的需求。

来自每个针状翅片蒸发器的蒸汽流，与进入液体的蒸汽的流动方向相反，从针状翅片蒸发器管的中心向下流，通过相同的孔进入主热管管，并聚集成一个一条较大的蒸气流穿过主管，然后按正常方式沿着绝热段流向冷凝器，在冷凝器中，液体和蒸气流分别有相似的分配和聚集。

将长度适当变化的针翅式蒸发器布置在微型涡轮机的圆形出口处，潜在好处包括减少传统高温热交换器设计中固有的热应力问题；减少甚至消除歧管；减少流体摩擦；通过更优化的设计提高系统紧凑性。

SLM针翅式换热器还减少甚至消除了SLM结构固有的除粉问题。对于直径小于1毫米的非常低的管道以及复杂的内部结构，在这种情况下，很难甚至不可能保证已清除所有多余的粉末颗粒，如果将这些粉末颗粒（例如，同流换热器）输送到压缩机或涡轮机，可能会损坏叶片或涡轮，可能会造成严重后果。

而对于SLM热管，松散粉末可能残留的空间被密封在热管内部，无法到达任何运动部件，不会对热管性能产生不利的影响。

这类设计增加了加热流体和冷却流体与热管工作流体之间的主要直接传热表面积。反过来，热管外部所需的次要表面积将减少，从而使整个系统变得更小，更轻和更便宜。