2021年9月22日，伊利諾伊大學利用3D打印技術生產了下一代超小型熱交換器，實現了高達2000%的性能提升。為了設計出創新的幾何形狀，工程師們開發了具有拓撲優化功能的三維熱交換器設計軟件。這款軟件專門用于優化現有的熱交換器設計，以最大限度地提高傳熱，同時最大限度地減少零件重量，這可能對能源、電子和航空航天等行業產生重大影響。機械科學與工程教授William King說："我們開發了形狀優化軟件來設計高性能的熱交換器，軟件使我們能夠識別出與傳統設計明顯不同且更好的3D設計。"

△優化的3D打印熱交換器的效果圖，圖片來自伊利諾伊大學

熱交換器優化設計的必要性

熱交換器主要用來將熱能從A點轉移到B點。它們在很多行業中都非常重要，幾乎所有產生熱量的復雜系統都要用到熱交換器。包括發電系統、運輸、石油和天然氣加工、水淡化和消費電子產品的熱管理。目前，全球范圍內有數以百萬計的熱交換器在使用，它們的性能和效率對于降低碳排放非常重要。人們需要高表面積的熱交換器，以促進有效的散熱，同時也要做到緊湊和輕巧。在像航空航天這樣的一些行業，部件的尺寸和質量對系統的性能、范圍和成本有直接影響。

優化的管中管熱交換器

開發團隊使用三維設計軟件，開發了一種特殊類型的熱交換器，叫作管中管交換器，經常用于飲用水系統和建筑能源系統中。管中管交換器的特點是內管嵌套在外管中。他們設計時還在管子的內部設置了一組集成翅片，這是3D打印技術才能實現的內部設計特征。設計確定下來之后，工程師們就用AlSi10Mg打印了熱交換器，并在實驗室環境中進行了性能測試。3D打印的熱交換器的功率密度為26.6瓦/立方厘米，比功率為15.7千瓦/千克，比同類的商業熱交換器高20倍左右。機械科學與工程系副教授Nenad Miljkovic說："我們設計、制造并測試了一個優化的管中管熱交換器，優化后的熱交換器的體積功率密度比目前最先進的商業管中管設備高約20倍"。

△熱交換器的內部結構和周圍系統，圖片來自伊利諾伊大學