成立于2011年的英國公司HiETA正在通過增材制造的方法開發(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HiETA最近所獲得通過的專利《Combined Chamber Wall and Heat Exchanger》 （組合室壁和熱交換器 ）來與谷友深入了解HiETA的熱交換器開發(fā)的更多細(xì)節(jié)。

熱交換器對發(fā)動機(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，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題的部分解決方案，公開了基于粉末的增材制造方法，通過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)動機(jī)。根據(jù)專利WO-A-2003/069130，這項(xiàng)專利公開了這樣一種熱力發(fā)動機(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)，每個熱渦旋壓縮機(jī)通常包括殼體、固定渦旋和繞動渦旋，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)中壓縮時冷卻氣體，從而使膨脹和壓縮過程更接近理想和最有效的等溫氣體過程。發(fā)動機(jī)循環(huán)從布雷頓循環(huán)到潛在更有效的愛立信循環(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專利還公開了一種用于制造往復(fù)式活塞發(fā)動機(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)動機(jī)呈多個管的形式，多個管間隔開并通過由選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)形成的間隔件相對于彼此保持獨(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)動機(jī)的加熱器的熱量，被傳遞到發(fā)動機(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氣缸的外表面。然后，來自燃燒氣體的熱量通過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。常見的形式由緊密間隔的管組成，每個管彎曲成緊密的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)部長度形成內(nèi)圓，并且U形管的外部長度形成外圓。每個管的一端可以直接連接到發(fā)動機(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傳熱模式從陣列內(nèi)部通過，在U形管的內(nèi)部長度之間徑向向外，然后在第二部分之間徑向向外延伸，U形管的外部長度。第二個外部長度通常是翅片狀的，以最大化從已經(jīng)失去一些熱量到內(nèi)部長度的燃燒氣體到管子的熱傳遞。

這些方法都沒有提供令人滿意的解決方案來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個數(shù)量級。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。通過金屬3D打印，熱交換器的壁可以制造得更薄（節(jié)省重量和材料）。

通過3D打印，HiETA生產(chǎn)的零件通常比市場上同等效率傳統(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)對于傳統(tǒng)加工方法來說是非常困難的。

 由于在HiETA之前，很少有專門的機(jī)構(gòu)研究通過增材制造的工藝來制造熱交換器。HiETA在開發(fā)3D打印熱交換器的過程中經(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，開發(fā)專用參數(shù)包，開發(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)動機(jī)缺乏商業(yè)化的一個原因是由于斯特林發(fā)動機(jī)活塞的異相往復(fù)運(yùn)動產(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，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始，管通常垂直地從加熱器頭所處的傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)中的那里開始。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，每個層從圓形開始，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，來自位于加熱器本身上方的燃燒器的燃燒氣體可以通過該間隙。最高層是最靠近圓柱軸開始的層，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)動機(jī)的氣缸，燃燒器，加熱器和空氣預(yù)熱器可以通過SLM選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)構(gòu)建為一個部件。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方向流動時發(fā)生，并且當(dāng)沿另一個方向流動時平行流動。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，漸開線可以布置成使得相鄰管之間的間隙沿其最長和接近水平的截面長度變化，例如從氣缸端到再生器端增加或減少。或者間隙沿兩個管的相關(guān)長度可以是恒定的。

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