成立于2011年的英國(guó)公司HiETA正在通過(guò)增材制造的方法開(kāi)發(fā)用于生產(chǎn)各種熱管理應(yīng)用的復(fù)雜、輕型結(jié)構(gòu)的金屬零件。制造的零件包括用于微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱交換器、渦輪機(jī)械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統(tǒng)，以及用于高效內(nèi)燃機(jī)散熱的部件。本期，3D科學(xué)谷通過(guò)HiETA最近所獲得通過(guò)的專利《Combined Chamber Wall and Heat Exchanger》 （組合室壁和熱交換器 ）來(lái)與谷友深入了解HiETA的熱交換器開(kāi)發(fā)的更多細(xì)節(jié)。

熱交換器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性

     傳統(tǒng)上，熱交換產(chǎn)品通常由焊接在一起的薄片材料制成。設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使得生產(chǎn)具有挑戰(zhàn)性并且耗時(shí)，而且用于焊接工藝的材料增加了部件的整體重量。采用傳統(tǒng)的制造方法無(wú)法經(jīng)濟(jì)有效的減少低壓燃燒氣體和高壓充氣氣體之間存在嚴(yán)重的傳熱不平衡。根據(jù)之前的專利WO-A-2006/064202和WO-A-2008/047096，這其中介紹了熱交換器問(wèn)題的部分解決方案，公開(kāi)了基于粉末的增材制造方法，通過(guò)SLM選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)可以制造緊湊的熱交換器。SLM選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)允許制造具有更高表面/體積比的更緊湊的熱交換器。

     另一個(gè)潛在的解決方案是基于商用渦旋壓縮機(jī)技術(shù)的Brayton循環(huán)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)專利WO-A-2003/069130，這項(xiàng)專利公開(kāi)了這樣一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要機(jī)械部件是冷渦旋壓縮機(jī)和熱渦旋膨脹機(jī)，每個(gè)熱渦旋壓縮機(jī)通常包括殼體、固定渦旋和繞動(dòng)渦旋，以及相關(guān)的閥、管道、軸承和其他組件。

     WO-A-2003/069130專利還公開(kāi)了一種翅片形式的加熱表面，加熱室設(shè)置在渦旋殼體的外圓周上。這提供了一種加熱充氣氣體的方法，充氣氣體在膨脹機(jī)中膨脹，并在壓縮機(jī)中壓縮時(shí)冷卻氣體，從而使膨脹和壓縮過(guò)程更接近理想和最有效的等溫氣體過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)從布雷頓循環(huán)到潛在更有效的愛(ài)立信循環(huán)的變化。然而，這種翅片難以提供增加熱傳遞的手段，以使效率產(chǎn)生顯著差異。

WO-A-2006/008463專利還公開(kāi)了一種用于制造往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的固體結(jié)構(gòu)和圓柱形部件的方法，其往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)呈多個(gè)管的形式，多個(gè)管間隔開(kāi)并通過(guò)由選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)形成的間隔件相對(duì)于彼此保持獨(dú)立。間隔物可包括翅片以增強(qiáng)向管之間的間隙容積內(nèi)的流體的熱傳遞。間隙體積可以被抽空，充滿流體。

     斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器的熱量，被傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)密封的充氣氣體。主要有兩種方法。第一種是直接加熱熱氣缸。通常，燃燒氣體將在翅片之上和之間通過(guò)氣缸的外表面。然后，來(lái)自燃燒氣體的熱量通過(guò)汽缸壁的金屬傳遞到翅片，到達(dá)安裝在汽缸內(nèi)壁上的散熱片，從而傳遞到通過(guò)內(nèi)部散熱片和在內(nèi)部散熱片之間的充氣。這種方法的一個(gè)變種是使用高輻射燃燒器，在這種情況下，可能不需要在圓筒外側(cè)的翅片。

    第二種方法使用單獨(dú)的，通常為管狀的熱交換器。常見(jiàn)的形式由緊密間隔的管組成，每個(gè)管彎曲成緊密的U形，排列成陣列。陣列將采用布置成圓形的垂直U形管的形式，使得U形管的內(nèi)部長(zhǎng)度形成內(nèi)圓，并且U形管的外部長(zhǎng)度形成外圓。每個(gè)管的一端可以直接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱缸，另一端可以連接到再生器，或者可以使用歧管。

     在圓形陣列中，燃燒氣體通常以交叉流動(dòng)傳熱模式從陣列內(nèi)部通過(guò)，在U形管的內(nèi)部長(zhǎng)度之間徑向向外，然后在第二部分之間徑向向外延伸，U形管的外部長(zhǎng)度。第二個(gè)外部長(zhǎng)度通常是翅片狀的，以最大化從已經(jīng)失去一些熱量到內(nèi)部長(zhǎng)度的燃燒氣體到管子的熱傳遞。

這些方法都沒(méi)有提供令人滿意的解決方案來(lái)解決燃燒氣體和增壓氣體之間的氣體條件不匹配所引起的問(wèn)題。通常，增壓氣體的壓力比燃燒氣體的壓力和比熱大1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著加熱器燃燒側(cè)的傳熱表面積理想地應(yīng)該與充氣側(cè)的傳熱表面積大小相似，以便平衡加熱器并使性能最大化并使其尺寸最小化。

更輕，更高效

     HIETA獲得專利的技術(shù)旨在幫助減小換熱器尺寸和重量，并提高熱機(jī)和其他機(jī)器的效率。熱交換器通過(guò)其管道陣列中的至少一些與熱交換器的外部流體連通，使得熱量可以傳遞出熱交換器。通過(guò)金屬3D打印，熱交換器的壁可以制造得更?。ü?jié)省重量和材料）。

通過(guò)3D打印，HiETA生產(chǎn)的零件通常比市場(chǎng)上同等效率傳統(tǒng)方法制造的產(chǎn)品重量輕40％。這是因?yàn)?D打印技術(shù)允許設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)單個(gè)組件中的許多新穎的高性能表面，這些集成式一體化的設(shè)計(jì)對(duì)于傳統(tǒng)加工方法來(lái)說(shuō)是非常困難的。

 由于在HiETA之前，很少有專門(mén)的機(jī)構(gòu)研究通過(guò)增材制造的工藝來(lái)制造熱交換器。HiETA在開(kāi)發(fā)3D打印熱交換器的過(guò)程中經(jīng)歷了很多挑戰(zhàn)，包括確認(rèn)3D打印工藝可以成功地制造足夠薄的壁并且滿足剛性等方面的質(zhì)量要求，開(kāi)發(fā)專用參數(shù)包，開(kāi)發(fā)用選區(qū)激光熔融3D打印技術(shù)制造熱交換器的設(shè)計(jì)指南和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)等。

 在HIETA的專利中指出，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)缺乏商業(yè)化的一個(gè)原因是由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的異相往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，不穩(wěn)定的充氣氣體在周期性變化的氣體條件下流動(dòng)，在膨脹和壓縮后導(dǎo)致充氣氣體的異常加熱和冷卻。這種因素增加了熱交換器的負(fù)荷，并增加了熱端空氣預(yù)熱和冷端散熱的需要。

HIETA獲得專利的技術(shù)提供了一種緊湊的熱交換器，其中包括例如燃燒器，空氣預(yù)熱器和加熱器，可以與發(fā)動(dòng)機(jī)本身的部件（例如汽缸）集成。

加熱器由大量帶有低液壓半徑的進(jìn)氣管組成，連接環(huán)形再生器和置換器氣缸的頂部。在仰角中，從垂直定向的圓筒的頂部開(kāi)始，管通常垂直地從加熱器頭所處的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的那里開(kāi)始。它們彎曲，直到它們從氣缸軸線大致水平和徑向向外行進(jìn)，然后垂直向下轉(zhuǎn)向環(huán)形再生器。

      管是分層的，通常在平面圖中，每個(gè)層從圓形開(kāi)始，圓形的中心是圓柱體的縱向軸線。頂層的圓具有最小的直徑，而底層的圓具有最大的直徑并且最接近圓柱的外周。在每層中的相鄰管之間以及相鄰層之間存在間隙，來(lái)自位于加熱器本身上方的燃燒器的燃燒氣體可以通過(guò)該間隙。最高層是最靠近圓柱軸開(kāi)始的層，并傳遞到環(huán)形再生器的最外部。

  在許多情況下可以將熱交換管道組合在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，使得結(jié)構(gòu)的一些部件執(zhí)行熱交換和結(jié)構(gòu)兩方面的功能，從而帶來(lái)進(jìn)一步的材料，成本和重量節(jié)省。在某些情況下，該結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成使得加壓管道上的力抵抗由氣缸內(nèi)的壓力在氣缸壁上產(chǎn)生的力，從而能夠進(jìn)一步節(jié)省材料，重量和成本。

 熱交換器還可以受益于其與充電流體的緊密接近，熱量通過(guò)該充注流體被交換并傳遞到熱交換器和充注流體的外部。此外，HIETA獲得專利的技術(shù)提出了將熱交換結(jié)合到充電流體壓縮和膨脹過(guò)程中的可能性，使得中間冷卻和相互加熱變得具有成本效益。

   在這種情況下，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，燃燒器，加熱器和空氣預(yù)熱器可以通過(guò)SLM選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)構(gòu)建為一個(gè)部件。其他組件（如換熱器）也可以集成在同一SLM選區(qū)激光熔化3D打印構(gòu)建過(guò)程中。

    翅片可以結(jié)合到加熱器管上，如果需要，它們還可以用作將相鄰管彼此連接的支柱。翅片與適當(dāng)?shù)膿醢逡黄鹨部梢砸赃@樣的方式定向，以便形成圍繞加熱器管的近水平部分或其他部分的燃燒氣體的管道。

     以這種方式，逆流熱交換器可以在充氣氣體沿一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)發(fā)生，并且當(dāng)沿另一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)平行流動(dòng)。這將被布置成使得逆流熱交換在循環(huán)的膨脹部分期間發(fā)生，此時(shí)充氣氣體從再生器進(jìn)入置換器或熱缸。

這種基本幾何形狀的變化是可能的，漸開(kāi)線可以布置成使得相鄰管之間的間隙沿其最長(zhǎng)和接近水平的截面長(zhǎng)度變化，例如從氣缸端到再生器端增加或減少。或者間隙沿兩個(gè)管的相關(guān)長(zhǎng)度可以是恒定的。

根據(jù)HIETA的這種設(shè)計(jì)，顯然加熱器可以采用單個(gè)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的形式。該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)例如電子束焊接附接到汽缸壁的頂部。或者，可以通過(guò)能量束的方法直接構(gòu)建在汽缸壁的頂部上。