3D列印作為第四次工業革命的典型技術，正在賦能產品設計的自由度，也為熱交換器這樣的產品帶來了產品創新的新空間，根據3D科學谷的市場觀察，HamiltonSundstrand通過3D列印提升了陶瓷逆流熱交換器熱效率。
為3D列印技術特點而重新設計
典型的板翅式熱交換器通過熱空氣和冷空氣通過通道以便交換熱量。在燃氣輪機葉盤冷卻系統中，熱空氣來自發動機壓縮機，冷空氣流過發動機風扇管道。
熱通道和冷通道是相似的，並且每個通道包括一排冷卻翅片或閉合杆，它們定位在分隔板上以限定每個通道。典型的熱交換器具有翅片，以限定交替的熱通道和冷通道。組件被放入真空爐中進行釺焊。在釺焊過程中，擠壓疊層以迫使片材和翅片在一起。
不過當溫度超過常規金屬（例如，低溫材料）的耐溫範圍時，就需要高溫熱交換器，並且可能需要緊湊的熱交換器。例如飛機發動機預冷器，燃氣電廠回熱器和固體氧化物燃料電池廢熱回收等，這些都在高溫範圍內（T> 800°C） ）。
目前廣泛使用的金屬材料，可承受高達700°C的溫度。包括金屬超合金，例如不鏽鋼，Inconel和Haynes合金。而陶瓷熱交換器技術提供了滿足高溫要求的解決方案，可允許入口溫度高達900.degree。不過陶瓷熱交換器仍然存在製造限制。
Hamilton Sundstrand (UTC聯合技術的子公司）通過逐層增材製造技術來構建陶瓷高溫板翅式逆流熱交換器。根據3D科學谷的市場研究，Hamilton Sundstrand採用的是層疊對象製造（LOM）過程。通過在垂直於板堆疊方向（即，沿逆流平面）的方向上堆疊層壓帶來完成，以形成生坯組件，然後將其燒制以形成整體式陶瓷熱交換器。
為3D列印技術而設計的結構。來源：US10415901B2
在現有的逆流熱交換器中，全陶瓷設計在垂直（即板堆疊）構建方向上通過增材製造LOM工藝是不可製造的。由於製造歧管所需的複雜幾何形狀，包括難以處理每個帶層中的細長條帶和有效地提供與各個逆流通道之間的連接所需的相對寬的開口。因此，垂直構造的逆流芯的歧管必須與芯分開製造，然後機械連接。這產生了材料介面（例如，金屬/陶瓷介面），產生不希望的熱膨脹和收縮差異。此外，高導熱陶瓷的機械加工本身是困難且昂貴的。
根據3D科學谷的市場研究，Hamilton Sundstrand通過添加支撐軸向翅片的橫向翅片，構建了根據LOM工藝構造的橫流式熱交換器。為了消除整個組件中的顯著的材料差異和機械介面，第一歧管和第二歧管組件可以整體地形成。
3D科學谷Review
根據3D科學谷的市場研究，另外一家公司諾思羅普·格魯曼公司(Northrop Gramman Systems)開發了一種創新設計的熱交換器，特點是外部管道的極大簡化，但是這種創新設計的熱交換器通過傳統製造技術難以構建。特別是連接部位的釺焊或焊接是困難的，尤其是考慮到所涉及的材料非常薄，尺寸非常小，並且接縫都必須防漏。然而，通過增材製造技術（也稱為3D列印）很容易構建這些結構。增材製造不僅可以替代釺焊或焊接過程，還可以通過增材製造來構造熱交換器通道矩陣，在需要大量集管的情況下，通過增材製造來構造整個熱交換器組件 – 包括所有集管成為有效的製造方式。3D科學谷了解到這其中值得注意的是，通過增材製造，通道不必是直的，整個熱交換器幾乎可以呈現任何形狀 – 包括彎曲，扭曲，翹曲等形狀。
增材製造技術能夠製造逆流熱交換器中的交替通道，而對於傳統製造技術來說這基本是不可能實現的。交替通道的逆流設計提供最大的熱交換器效率，這使得熱交換器的尺寸和質量最小化，並且流體流速降低。
總之，3D列印開啟了高性能組件的製造新的可能。而在3D科學谷看來，熱交換器的3D列印目前還處在起步階段，這個領域的未來充滿了可能性。3D列印的應用可以使工程師有更多的自由度實現設計要求，突破傳統的加工方式的束縛，為當前的零件製造帶來顛覆性的改變。
3D科學谷將在本周發布的《3D列印與換熱器及散熱器應用2.0》-下篇，分享國內外機構在3D列印散熱器、熱交換器領域代表性智慧財產權、軟體，換/散熱器設計、仿真與優化，雷射考慮，材料考慮，後處理考慮，敬請關注。
參考資料：
US10415901B2_counter-flow ceramic heat exchanger-陶瓷逆流熱交換器20190917
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