格拉斯哥大学的3D打印热交换器，比传统设计效率高50%

2022年4月17日。南极熊获悉，格拉斯哥大学研发人员表示，他们开发了一种新型轻型3D打印热交换器。该设计利用迷宫般的重复陀螺结构，对比传统的同类产品更紧凑、更高效。这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Shanmugam Kuma博士以及Swansea大学和Khalifa科技大学共同研发。

△用于传热和流体流动仿真的COMSOL Multiphysics软件模型(a)尺寸为4.6mm x 4.6mm x 4.6m且壁厚为300um (b)描述强加边界的物理模型。图片来自格拉斯哥大学

热交换器是在流体之间传递热量而不使流体混合的装置，具有广泛的应用。在流体之间传递热能的热交换器被用于制冷系统、燃料电池以及汽车和飞机上使用的内燃机。在追求轻量化工程的过程中，人们一直在寻找具有高性能的超轻质材料。具有可调机械性能的3D打印蜂窝材料。

该热交换器的高性能归功于液体流过交换器的表面的设计。核心设计成了一个布满了螺旋排列的小孔。该团队已经将研究成果发表在《应用热工程》，《通过 3D 打印实现的高性能、微架构、紧凑型热交换器》，该研究得到了Abu Dhabi国家石油公司的资助。点我传送门

△陀螺晶格紧凑型换热器的设计和制造，(a) 4.6mm x 4.6mm x 4.6mm的陀螺晶格CAD表面(b) 包含7x7x7螺旋晶格阵列的交换器核心厚为300微米，孔隙率为80% (c)热交换器的CAD截面图清楚地描绘了螺旋体芯、覆盖板和集管组件(d) 3D打印热交换器(e)X射线微计算机断层扫描图像(f)没有盖板的3D打印热交换器(g)小尺度缺陷。图片来自格拉斯哥大学

该团队宣称，螺晶格结构是整体结构设计的一部分，使用非自相交和高度对称的三周期最小曲面（平均曲率为零）几何结构。研究小组选择使用重复的陀螺结构作为热交换器，因为热交换的效率与它的表面积有关——表面积越大，流体将热能从一个物体传递到另一个物体的机会就越多。这意味着表面积大的物体比表面积小的物体冷却或加热流体的速度更快。

他们的微型陀螺仪设计是由简单的光致聚合物和精密的3D打印机制造而成，将一个大的表面积设计成一个紧凑的立方体，每边32mm，实际重量仅为8克。

让水通过类似于迷宫的设计，当水以每分钟100到270毫米的速度流过热交换器时，温度变化在10到20摄氏度之间。

该团队测量了他们的新型换热器传热系数——衡量其在流体及其表面之间传热的有效性。因此他们测试对比了一系列由聚合物和金属等材料制成的，不同尺寸的传统热交换器。尽管他们新开发的原型机只有其体积的10%，但他们的新型热交换器的效率比热动力等效的、效率最高的逆流热交换器高出50%。

△(a)热流体(b)冷流体(c)分隔壁(d)对应于实验测试的压力模拟等值面。图片来自格拉斯哥大学

Kumar 博士说：“几年来，我们一直在努力寻找这种3D打印陀螺晶格结构的新应用。未来该技术可用于包括可回收高性能电池和未来“智能”医疗设备等(如假肢和背部支架)的开发。

“能够开发更小、更轻、更高效的热交换器可以帮助我们开发需要更少功率的制冷系统，或者可以更有效冷却的高性能发动机。我们渴望在未来的研究中进一步发展这项技术。”

通过我们的研究，可以使用这些陀螺晶格结构来创造一种具有非常大的表面积与体积比的结构，这有利于热交换。