打破效率障礙，GE利用3D打印超高性能換熱器

魔猴君  行業(yè)資訊   2068天前

熱交換器將是下一個(gè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。此前，對(duì)GE專利文章的市場(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(cuò)綜復(fù)雜的形狀，這些熱交換器使用先前傳統(tǒng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開(kāi)發(fā)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。

圖片：發(fā)電廠

仿生學(xué)結(jié)構(gòu)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(yùn)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(xiàng)計(jì)劃通過(guò)了美國(guó)能源局旗下的高級(jí)研究計(jì)劃部門（Advanced Research Projects Agency-Energy，簡(jiǎn)稱ARPA-E）的高強(qiáng)度熱交換材料和制造工藝計(jì)劃（HITEMMP）支持，所計(jì)劃開(kāi)發(fā)的耐高溫，耐高壓和超緊湊型熱交換器可在現(xiàn)有和下一代發(fā)電廠平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)更清潔，更高效的發(fā)電。

這項(xiàng)技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)由高溫金屬合金，熱管理和增材制造領(lǐng)域的世界級(jí)專家組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，通過(guò)與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)出的下一代熱能交換器，可以實(shí)現(xiàn)電力和航空領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)提高能源效率。

根據(jù)GE，這種新的熱交換器設(shè)計(jì)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(shí)，并以前所未有的方式應(yīng)用它，通過(guò)3D打印的力量，GE現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)以前傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法制造的設(shè)計(jì)。通過(guò)3D打印-增材制造工藝，GE和馬里蘭大學(xué)現(xiàn)在將探索更復(fù)雜的仿生學(xué)形狀的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)熱交換器性能的逐步改變，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的排放。

據(jù)魔猴網(wǎng)了解，在發(fā)電設(shè)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(diào)節(jié)身體的溫度。像燃?xì)廨啓C(jī)這樣的發(fā)電設(shè)備中的熱交換器基本上執(zhí)行相同的功能，當(dāng)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(dú)特的耐高溫，抗裂的鎳基超合金，這是GE研究團(tuán)隊(duì)為增材制造工藝而設(shè)計(jì)的材料。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將利用其在腐蝕科學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)來(lái)測(cè)試和驗(yàn)證材料的長(zhǎng)期性能。

開(kāi)發(fā)測(cè)試完成后，這種熱交換器將應(yīng)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(yīng)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(dá)到怎樣的影響力和覆蓋面，這不僅僅取決于3D打印設(shè)備，材料的價(jià)格，還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達(dá)到一致可控，以及標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證的完善，而最重要的是如何從設(shè)計(jì)端獲得以產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向的正向設(shè)計(jì)突破。

圖片：3D打印熱交換器的優(yōu)勢(shì)

GE在3D打印熱交換器領(lǐng)域已經(jīng)擁有了一系列的專利技術(shù)，其中面向產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的正向設(shè)計(jì)理念獲得了很好的驗(yàn)證。傳統(tǒng)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(dú)定位，定向并連接到支撐結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)釬焊、焊接或其他連接方法。

例如，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)量而增加。另外，傳統(tǒng)制造工藝還限制了熱交換器中的熱交換特征的數(shù)量，尺寸和配置。

根據(jù)GE的專利，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(duì)于流體通道的壁成角度，并且相鄰的翅片可以相對(duì)于彼此偏移。這種熱交換結(jié)構(gòu)可以類似地用于汽車，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(jù)魔猴網(wǎng)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(tǒng)，這套熱管理系統(tǒng)包括至少一個(gè)底盤框架，該底盤框架的構(gòu)造成使的熱管理系統(tǒng)的熱擴(kuò)散阻力最小化。底盤框架包括：至少一個(gè)底盤主體，至少一個(gè)熱循環(huán)系統(tǒng)嵌入底盤體內(nèi)，底盤主體通過(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(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提供了更大的表面積用于熱傳輸。

通過(guò)應(yīng)用3D打印技術(shù)，降低了熱傳導(dǎo)路徑的熱阻，同時(shí)保持或降低了系統(tǒng)的重量。GE所開(kāi)發(fā)的熱管理系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制，結(jié)構(gòu)一體化等優(yōu)點(diǎn)。在商業(yè)方面的突出優(yōu)勢(shì)包括可實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)、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(xiàn)為主導(dǎo)的正向設(shè)計(jì)方面，熱交換器和散熱器方面，正在發(fā)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面上的不斷的創(chuàng)新，這些創(chuàng)新將以商業(yè)化實(shí)現(xiàn)的方式提升人類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汽車集團(tuán)）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(tǒng)。

來(lái)源：3D科學(xué)谷