AI与3D打印双剑合璧：必读的热交换器最新综述！

AM易道科研分享

7纳米芯片集成100亿个晶体管，人类散热密度需求达到史无前例的高度。
什么样的散热器能像蜘蛛网一样精巧，像蝴蝶翅膀一样轻盈，还能根据环境自动优化结构？
当特斯拉工程师为电池散热而苦恼，当波音设计师为飞机热管理而抓狂，当芯片制造商面对散热瓶颈束手无策时，解决方案可能来自AM易道经常提到的组合：
人工智能+3D打印。
一篇刚刚发表在《Materials & Design》期刊上的重磅综述研究揭示：
AI驱动的增材制造正在重新构建热交换器的极限边界。

这项研究汇聚了来自9个机构的专家学者，横跨4个国家，体现了热交换器AI制造技术的全球关注度。

综述作者所属或关联机构包括：

• 中国地质大学
• 英国帝国理工学院
• 清华大学
• 瑞典皇家理工学院
• 伊朗科技大学
• 德国弗赖堡大学
• 英国伦敦玛丽女王大学
  

AM易道建议相关领域的3D打印应详细阅读此研究。
从传统制造到智能制造的跨越

传统热交换器制造来说，切削、钻孔、铸造这些老工艺虽然成熟，但面对日益复杂的散热需求时显得力不从心。

特别是在汽车、航空航天、半导体等领域，设备的集成度越来越高，散热要求也越来越苛刻，传统制造方法在复杂几何结构面前经常束手无策。

传统制造技术主要依赖减材工艺来去除多余材料以达到所需几何形状，这往往导致大量材料浪费，甚至可能出现流体泄漏。

此外，传统制造在制造复杂几何形状方面遇到重大挑战，特别是在微尺度维度上，从而限制了创新设计的能力。

的出现彻底改变了这一局面。

研究显示，人工智能技术能够分析相关数据集，准确高效地预测热交换器的最优配置，特别是在建立清晰关联性困难的系统中表现出色。

Lee等研究者开发的机器学习模型利用XGBoost、LightGBM和多层感知器等算法，成功预测了微针翅片散热器的热性能，其准确性远超传统预测方法。

传统结构的局限与突破

图1展示了各种传统热交换器结构的应用实例。

肺纹理及其在板式热交换器表面的位置显示了传统设计的复杂性，V环管式热交换器、翅片管热交换器以及传统的空气-水交叉流热交换器都代表了不同的设计理念。

这些结构虽然在各自领域表现不错，但制造复杂度和设计自由度都受到很大限制。

在壳管式热交换器中，优化挡板形状对提升性能至关重要。

图2清晰展示了这一演进过程：从最常见的分段挡板设计，到螺旋挡板、百叶挡板，再到花型挡板的创新设计。

Chen等研究者提出的新型单侧梯形螺旋挡板管壳热交换器，与传统分段挡板热交换器相比，在降低压降和提高传热效率方面表现出色。

板翅式热交换器相比壳管式具有尺寸更小、效率更高、耐温性更强的优势。

图2还展示了常见的翅片类别：平翅片、偏置条翅片、百叶翅片和波浪翅片，以及传统、穿孔、交错和不连续波浪翅片的形状对比。

这些不同的翅片设计代表了工程师们在提高传热性能方面的不懈努力。

微通道技术的革新突破

为了改善热交换器的传热性能，必须通过使用微结构或微保持技术来增加表面积和传热系数。

图3全面展示了常见的微通道热交换器结构。

通过不同打印技术制造的微通道和AlSi10Mg合金上通过DMLS制造方法打印的各种被动增强技术，显示了 在微尺度结构制造方面的独特优势。

波浪微通道散热器的示意图展现了通过改变通道形状来增强传热的思路。

Lin等的研究表明，结构中波长的减少或振幅的增加会显著提高传热效率。

图3中展示的不同截面形状用于微通道的设计，为工程师提供了丰富的选择空间。

双层微通道散热器的示意图揭示了另一个重要发展方向。Hung等的研究发现，在相同几何条件下，双层微通道相比单层微通道具有更低的热阻，因此在热交换器应用中更具优势。

传统微通道与歧管微通道流径的对比图清楚地展示了设计创新如何解决实际问题。

歧管分流器的加入改变了微通道架构，有效增强了流动性，同时降低了压降和热阻。

仿生设计：大自然给出的最优解

最有趣的发展方向之一是 。

研究人员从树枝、蜘蛛网、鱼鳞、蜂窝等自然结构中汲取灵感，开发出性能卓越的微通道热交换器。

图4生动展现了四种天然分形结构的魅力。

三元叶脉、侧脉、雪花和蜘蛛网这些自然界的杰作为工程师提供了无穷的灵感。

Tan等研究者通过对比分析发现蜘蛛网结构具有最优的传热能力，这一发现为微通道设计开辟了新的方向。

通过SLA技术制造的分形树状热交换器证明了增材制造在创建仿生分形结构方面的可行性。

这些复杂的几何形状在传统制造工艺中几乎无法实现，但3D打印技术让它们成为现实。

受鱼鳞启发的微通道示意图展示了另一种仿生设计思路。Prasenjit等提出的倾斜鱼鳞结构相比传统微通道，在改善传热、降低压降和减少摩擦系数方面都有显著提升。

蝴蝶翅膀仿生结构特征化和各种不同TPMS晶格结构的示例展示了更加复杂的仿生设计可能性。

三重周期最小表面（TPMS）作为源于仿生结构的超材料，在三维空间中具有两个或多个不相交的交织域，可以在三个垂直方向上周期性重复。

TPMS具有轻量化构成和高机械强度的特点，已被证明能够增强材料的热性能。

Reynolds等利用增材制造的成本效益和高效率制造了一系列具有各种TPMS结构的热交换器，发现旋转TPMS热交换器表现出优异的整体性能，为紧凑型TPMS热交换器设计优化提供了宝贵见解。

仿真分析与拓扑优化的威力

热交换器的传热设计基于从实验数据获得的经验关联。

由于实验数据的局限性，热交换器设计中存在许多缺陷和风险，这些问题可能只在实验的最终阶段才被发现，导致安全风险和经济损失。

图5展示了仿真分析的重要性。

四面体单元胞和X型晶格（流动方向O-B）的3D示意图，以及强制对流散热器的3D草图和简化的伪3D模型，清楚地说明了CFD仿真在热交换器设计中的不可替代作用。

CFD应用允许监控热交换器设计的中间过程，还能够观察不同参数对热交换器性能的影响。

目前，许多数值方法已被应用于预测流动和传热问题，如有限元法、有限差分法、无限元法和微分求积法。

与经典的试错法或其他传统设计方法不同，拓扑优化能够系统性地优化复杂结构，缩短研发周期，提升产品最终性能。

换句话说，拓扑优化就像给设计师配备了一个超级智能的助手，能够自动找到最优的结构配置。

Koga等使用Stokes流假设和稳态传热模型获得最优通道拓扑。

Kobayashi等提出了用于双流热交换器系统的基于密度的拓扑优化方法。相比矩形翼片，优化设计的翅片品质因子提高了16.0%。

Haertel等在实际工程设计中利用基于密度的拓扑优化方法。在早期拓扑优化应用中，考虑2D热传导问题来跟踪边界。后来，提出了由2D仿真基板和2D热流体设计层组成的伪3D散热器优化模型。

AI神经网络：预测与优化的双重武器

你可能会问，为什么传统方法不能胜任这些优化工作？

答案在于，通过传统实验和CFD方法识别参数趋势面临巨大挑战，学者们越来越多地转向人工智能来增强热交换器的性能。

通过分析相关数据集，AI技术能够准确高效地预测热交换器的最优配置。

图6展示了人工智能在热交换器优化中的强大能力。

使用人工智能优化螺旋翅片双管热交换器的示意图清楚地说明了AI如何指导设计过程。多模态机器学习的算法架构展示了现代AI系统的复杂性和强大功能。

用于摩擦因子和努塞尔数评估的神经网络示意图揭示了AI在具体工程计算中的应用。Skrypnik等开发的新型ANN模型扩展了努塞尔数和摩擦因子值数据库，用于评估配备各种尺寸和配置内螺旋翅片管道的热流体动力学性能。

人工神经网络（ANN）在模拟复杂传热现象方面表现出比传统回归模型更强的学习复杂关系的能力。

简单来说，如果传统方法是按部就班的计算，那么AI就像是具有直觉的专家，能够从大量数据中发现隐藏的规律。

Colak等制定了ANN模型来预测壳管配置和螺旋线圈之间的传热相关性，突出了ANN在预测不同热交换器设计热性能方面的有效性。

此外，一些研究者将遗传算法与人工神经网络相结合来优化热交换器的传热速率，这种多技术融合的方法正在成为行业发展的新趋势。

材料选择：从传统到创新的全面革新

确定了最优的设计结构后，接下来的关键问题就是：如何选择合适的材料来实现这些复杂的几何形状？

这正是材料科学在热交换器领域发挥重要作用的地方。

热交换器中使用的材料应根据环境压力和温度、所用液体的腐蚀性、环境传热性能和成本来选择。

经济因素也必须仔细考虑，以使产品成本在市场上可以接受。

金属基复合材料的主导地位

金属基复合材料（MMCs）被认为是当前热交换器中使用最广泛的材料，包括铝合金、钛合金和镍合金。

这些合金具有成本低、导热性好、强度高的特点。

图7展示了叠层波纹PEEK薄膜，说明了高性能聚合物在特殊应用中的潜力。

不同组成形式的复合材料图片展现了材料科学的创新方向。

由内部聚合物骨架和铜表面组成的铜-聚合物复合条带代表了一种新的设计思路。

复合条带制成的管单元胞的横截面，显示了代表性温度轮廓和热流箭头，清楚地说明了这种结构的传热机理。

Rajagopal等使用内部卷对卷制造装置生产的混合铜-聚合物管的照片展示了这种创新材料的实际应用前景。

当复合条带螺旋缠绕在可折叠芯轴上时，超声波和激光焊接可以连接重叠界面形成完整的圆柱形管道。

这意味着什么？铜和铝合金在大多数金属热交换器中使用，因为它们具有高导热性。

常用金属材料及其性能表明，铜的导热率达到398 W/mK，但银虽然具有高导热性，但价格昂贵。

目前铝的成本约为每公斤1.80美元，铜约为每公斤6.18美元，但银的成本接近每公斤1100美元。

聚合物材料的崛起

在许多工业中，热交换器由铜、铝或钢制成。

金属材料在某些应用中存在局限性，聚合物由于重量较轻、结构和耐腐蚀性优异而可能是很好的候选材料。

聚合物增材制造也可以用于热交换器的生产，类似于基于金属的增材制造。

使用聚合物增材制造有两种常见方法：一种是直接利用聚合物作为打印材料，另一种是将其用作牺牲材料来帮助构建热交换器结构。

Li等使用熔融沉积建模开发了基于沥青的碳纤维和石墨增强聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）复合材料。

这些复合材料显示出比纯PETG显著更高的导热性，并提供优异的热稳定性，为低温热交换器应用创造了有前途的新材料选择。

然而，聚合物的低导热性是一个很大的缺点。用于热交换器的聚合物包括常见的热塑性塑料和液晶聚合物以及含有增强材料的聚合物基复合材料（PMCs）。

PMCs由于其先进的材料和技术为热交换器带来了巨大进步。

陶瓷材料的高温优势

无论聚合物的导热性如何低，一些陶瓷基材料（CMCs）具有与金属相当的导热性，并且更能抵抗高温和腐蚀。

图8展示了陶瓷热交换器制造的全过程。陶瓷热交换器的快速成型工艺显示了从设计到成品的完整流程。

四点弯曲试验后纤维增强CMCs断裂面的微观结构揭示了陶瓷复合材料的内部结构特征。具有八个梯形肋的HEX样品3管道：具有典型缺陷的烧结氧化铝部件说明了陶瓷制造中需要解决的技术挑战。

不同孔隙率的陶瓷泡沫展示了陶瓷材料在热交换器应用中的多样化形态。

开孔陶瓷具有低压降、高比表面积和改善的传热性能，这些性能与金属泡沫结构的特性相似。

CMC热交换器的工作温度可以超过1000°C，甚至高于金属复合材料。

CMCs被认为是高温和腐蚀性流体应用的良好候选材料。

目前，主要的陶瓷材料是碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、钛酸铝、氮化铝和陶瓷基复合材料。

相变材料的储能潜力

相变和潜热过程（如固-液）伴随着热能的存储和释放。

图9展示了相变材料在热交换器中的应用前景。

液体PCM厚度函数的预测热阻分析说明了PCM热交换器的设计要点。

3D打印晶格结构热能存储板的实验系统展示了增材制造技术与低导热性PCM结合创建热能存储系统的可能性。

通过增材制造产生的铝合金骨架将导热性比纯PCM提高了13倍，有效实现了空间应用的温控。

基于PCM的两相热交换器的两种操作模式图解说明了创新设计的功能性。

这种设计利用甲醇作为两相工作流体，同时充当热电容器和热交换器，有效解决了航天器发射和着陆阶段所需的双重操作模式。

Moon等设计并开发的高功率PCM热交换器使用增材制造技术，发现通过增材制造创建的3D金属结构将传导热阻降低了17倍，对流热阻降低了3倍。

制造工艺：从理论到现实的技术桥梁

有了合适的材料，下一个关键问题就是：

如何将这些先进材料加工成我们设计的复杂结构？

这就需要先进的制造技术来搭建从理论设计到实际产品的桥梁。

相比传统制造技术，增材制造提供了更高的几何自由度，能够制造复杂和精密的小尺度结构。它简化了制造工作流程，缩短了整体生产周期，并大幅减少了材料浪费。

图10详细展示了四种主要增材制造技术的工作原理。

DED的示意图显示了直接能量沉积过程中激光如何在沉积区域产生熔池，金属以丝材或粉末形式进入熔池并逐层积累。

LPBF的示意图展现了激光粉末床熔融技术的精密性。这种工艺包括选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）和直接金属激光烧结（DMLS）。

PBF具有高分辨率和制造更小结构的能力，广泛用于医疗和航空领域。

SLA是最早的增材制造方法之一，模型通过紫外激光束逐层选择性固化聚合物树脂制成。

跨介质聚合物复合热交换器的制造总结说明了FDM技术在复合材料制造中的应用。在FDM过程中，丝材在喷嘴内熔化，材料沿着加热床的横截面路径逐层添加。

每种技术都有其独特的优势和局限性。

DED能够制造大型结构部件，材料利用率高，但精度不如选择性激光熔化。PBF方法精度高，但耗时较长，粉末技术中的不完全熔化导致表面粗糙和粉末残留。SLA产品精度高，能够使用多种功能材料，但成本和系统维护成本较高。FDM主要优势是成本低、处理快速、技术简单。

AI赋能制造过程的革新

虽然增材制造在热交换器制造方面具有一些优势，但仍存在一些缺点需要进一步研究和后续技术开发。

这时候你可能会问：既然3D打印这么好，为什么还没有完全取代传统制造？答案就在于现有的技术挑战。

这些挑战包括高成本、低打印速度导致的批量生产困难、机械性能差和生产缺陷等。

图11清楚地展示了AI与增材制造结合应用的示意图。

而机器学习通过现有数据集阐明各种参数与其属性之间的关联，从而在制造过程开始前提供参数优化的明智指导，这种方法显著减少了成本和材料使用量。

用于金属增材制造的完全连接深度神经网络展示了人工智能在制造过程控制中的应用。

Tasoglu等通过将机器学习与3D打印技术集成并实施用户友好的图形用户界面来改进操作参数。

缺陷检测在增材制造中发挥着至关重要的作用。

如前所述，增材制造过程中空隙的形成会对材料的机械强度产生不利影响，这个问题可以通过机器学习技术有效解决。

Jyeniskhan等开发了用于增材制造的数字孪生系统，该系统通过结合缺陷材料进行训练来增强机器学习模型。这种方法利用机器学习进行缺陷检测，能够在生产有缺陷产品之前进行修改。

Demetgul等引入了一种新的自动化机器学习方法，旨在高精度诊断增材制造中的对齐问题。

将人工智能技术集成到增材制造中不仅增强了这些过程的可靠性、效率和适应性，还为跨学科合作开辟了前所未有的机会。

性能评估：传热与压降的平衡艺术

热交换器的选择取决于热效率、运行负荷、尺寸、运行灵活性、与工作流体的兼容性、温度、流量控制和维护成本。

研究人员普遍认为传热效率和流阻构成评估热交换器性能的主要标准。

流阻与压降密切相关；在相同流体流动条件下，阻力越高，压降越大。压降的大小显著影响热交换器的传热性能。

性能评估系数（PEC）作为多目标综合指标，通过建立同时考虑传热增强和流阻的协同优化模型来量化增强传热和增加流阻之间的权衡。

根据传热公式，传热值可以通过增加传热面积、传热系数和冷热流体之间的温度差来改善。各种机制已在不同研究中用于增强传热性能。

增加整体传热系数（U）是增强热交换器传热的最常见方法之一。

采用增加介质湍流是增加传热系数的较为成熟的方法之一。对流传热的改善是该领域研究的一个目标。

使用旋流装置是改善对流和增强传热的低成本方法。这些装置的主要功能是增强湍流强度和改变局部传热系数的分布，从而增强流体与壁面之间的传热。

多孔材料用于增加对流传热。此外，它们还具有高表面积并与传热流体提供良好接触。然后，这些可以提高传热效率。泡沫金属是热交换器中使用最广泛的多孔材料。

表面改性与防腐蚀技术

图12展示了表面改性技术在热交换器中的重要应用。

多孔表面注入润滑液体的防垢剂制备过程说明了现代表面工程技术的复杂性。

超疏水聚偏氟乙烯/氟化乙烯丙烯/SiO2复合涂层上CaCO3垢层形成的示意图清楚地解释了防垢机理。

金属仍被认为是热交换器中使用最广泛的材料。

腐蚀和结垢在金属应用过程中是不可避免的，这会大大降低传热效率并恶化使用寿命。

有效解决结垢问题的一个方法是表面改性或添加防污涂层层。

Huang等研究了乳制品对表面结垢的影响以及Ni-PTFE改性316不锈钢热交换器的清洁行为，证明表面改性可以有效改善不锈钢表面的防污性能。

Pohl等研究了不同聚合物（聚丙烯、聚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯和PEEK）、不锈钢和天然大肠杆菌生物膜表面的生物附着亲和力。

与不锈钢表面相比，聚合物涂层将热交换器的污垢减少了几个数量级。

机械性能与高温挑战

在非常高温下工作的热交换器中，必须考虑的关键问题是流动、传热性能和水垢清洁。

许多新能源和动力系统已经开发出具有高环境温度的系统，如高温燃气轮机、超高温反应堆和外燃联合循环。

图13显示了热交换器在高温高压环境下面临的严峻挑战。

管内表面裂纹的SEM图像清楚地展现了材料在极端工况下的失效模式。

管子与管板之间失效的钎焊接头说明了连接技术的重要性。失效焊接接头的金相组织揭示了材料科学在热交换器设计中的关键作用。

在高温高压HPHT环境中工作的热交换器对钎焊过程中的疲劳强度提出了更高要求。在HPHT环境中，焊接接头的失效通常如图所示发生。

热交换器机械性能的研究重点是焊接性能、疲劳强度、热应力和残余应力。

Ma等研究了高温热交换器中内翅片管的热应力和变形。数值分析表明，由于内管和外管之间的温度差，翅片在轴向和径向方向上出现显著的温度梯度。

钎焊是金属热交换器中使用的主要加工方法之一。

钎焊的焊接质量极大地影响了HTHP环境中热交换器的机械性能。焊接接头对循环应力和剪切的阻力小，因此容易出现裂纹。

当热交换器表面暴露在腐蚀环境中时，会产生称为蠕变的额外应变。蠕变是影响热交换器使用寿命的关键因素之一。

约30%的组件故障是由蠕变断裂引起的。

广泛应用领域的技术需求

有了高性能的热交换器，接下来的问题就是：

这些技术究竟能在哪些领域发挥作用？让我们来看看几个最具代表性的应用场景。

空气取水：解决全球淡水危机的创新途径

你可能想不到，空气中其实蕴藏着巨大的淡水资源。

淡水稀缺日益被视为全球风险，缺乏新鲜饮用水对数十亿人来说是一个问题，特别是在典型的干旱和半干旱地区。

从空气中的水分提取水是丰富淡水的潜在来源，可在任何地方获得，并可与太阳能等可再生能源相结合。

图14展示了几种水收集方法的技术路径。

玻璃覆盖温室吸收器代表了传统的太阳能驱动水收集系统，这种方法利用温室效应来加速水分蒸发和冷凝过程。

填料塔吸收器展示了工业化水处理的技术路径，通过增大接触面积来提高水分收集效率。

最令人惊叹的是传统细网、雾竖琴和蜘蛛网状空腔-微纤维拓扑网络的仿生设计应用。

这些结构模仿了自然界中高效的水收集机制，比如沙漠甲虫背部的疏水-亲水图案，或者蜘蛛网上的水珠收集结构。

从空气中收集水分通常有两种使用太阳能的方式。

一种是吸附-再生-冷凝方法，另一种通过太阳能吸附冷却器收集露水。

水收集能力和去除效率对于有效收集空气中的水分都至关重要。

热交换器的水收集能力随着环境湿度和温度的升高而增加。另一方面，去除效率取决于热交换器的散热能力和表面润湿性。

研究人员探索了使用纳米流体来增强热交换器的热性能，研究还调查了具有高发射率材料的表面涂层以改善散热。

已经证明，疏水表面通过重力和剪切力易于去除水滴，从而提高水收集率。

这意味着什么？在高湿度环境中，热交换器的亲水表面可以轻易地从空气中吸收大量水分；然而，这可能导致结冰和后续性能降解。

相反，疏水表面具有除冰功能，允许轻松去除收集的水滴并提供高可重复性。

电子设备：微尺度散热的极限挑战

现代电子设备正在向着极限集成度发展。

今天的7纳米极紫外（EUV）芯片拥有多达100亿个晶体管，这个数字在十年前简直不敢想象。

随着超大规模集成（VLSI）提供高性能，单位面积散发的热量也达到了前所未有的水平。

过度温度会降低设备性能甚至影响寿命，这对冷却技术提出了巨大挑战。

电子设备中使用的热交换器需要具备高热流密度处理能力和高温稳定性。

图15展示了电子应用中热交换器技术的精密程度。

电子应用的微热管示例说明了传统散热技术在面对现代高功率密度芯片时的局限性。

微通道热交换器PP-BV的结构图和工作原理清楚地说明了现代电子散热技术的复杂性。

与传统热交换器不同，微通道热交换器具有高紧凑性、大表面积和高传热效率的特点，因此成为当前研究的主要焦点。

Collins等设计了一种革命性的透过膜微通道散热器几何结构，充分利用增材制造的能力结合复杂的多孔性和弯曲结构。这种设计在增强传热的同时最大限度地减少了压降。

与传统歧管微通道散热器相比，这种创新方法实现了热阻降低17%和压降降低28%的显著效果。

换句话说，这就像是给芯片装上了一个超高效的空调系统。

相比传统传热流体（如空气和水），纳米流体具有更高的传热性能。在微通道热交换器中使用纳米流体可以为电子设备提供更好的散热。

Ahammed等研究了纳米流体在电子设备用多端口微通道热交换器中的热电冷却性能，发现纳米流体将热电模块的性能系数提高了40%。

Chein等研究了硅微通道热交换器与纳米流体的散热性能，除了增强传热外，流体中纳米颗粒的存在不会产生任何额外的压降。

目前，电子设备散热领域面临的挑战是性能改进没有跟上电子设备的发展步伐。

因此，迫切需要生产更高性能的热交换器来满足未来电子设备的散热需求。

车辆热管理：从燃油到电动的技术演进

汽车工业正经历着一场前所未有的动力革命，热交换器在这场变革中扮演着关键角色。

图16展示了动能喷涂工艺制造的钎焊铝热交换器的示意工艺，这代表了汽车工业在轻量化和高效化方面的不懈追求。

在传统燃油动力车辆中，发动机和变速箱是重要的动力系统，在运行过程中散发大量热量。

高温导致金属结构膨胀变形，同时油在高温下会氧化变性，降低润滑效果，使得动力系统的热管理变得特别重要。

环境污染和能源危机使电动汽车成为全球焦点，但这也带来了新的挑战。

与传统燃油动力车辆相比，电动汽车对热管理系统有更高要求。

此外，电动汽车使用的自动控制组件比传统车辆多，散热要求更高。另一方面，电动汽车电池对最大电池寿命有严格的温度要求。

在电动汽车热管理中，电池热管理是研究最广泛也是最关键的领域。

目前多种类型的电池已应用于电动汽车，包括NiCd、NiMH和锂离子电池。锂离子电池因其高能量密度、长寿命和低自放电率而成为主流选择。

这里有个关键问题：锂离子电池运行的理想温度范围在15°C到35°C之间。

在充电或放电过程中超过这个温度范围会显著增加故障风险。此外，高温会加速电池内部的化学反应，导致内部组件降解并最终影响其寿命。例如，长期在40°C以上温度运行会导致正负极材料劣化。

Wu等系统回顾了液冷电池热管理系统并对未来发展提出了建议。

Cen等提出了一种使用电动汽车空调制冷剂直接冷却电池的创新方法，在40°C的极端室外温度下将电池温度保持在合适范围内。

Huang等设计了一种流线型微通道冷却板并将其应用于锂离子电池热管理。他们发现与普通微通道结构相比，热效率提高了44.52%。

将动力系统热管理与空调集成可以回收废热，提高系统能效，控制动力系统温度。

Zou等提出了一种将热管电池冷却与空调系统相结合的集成热管理系统，在不增加空调能耗的情况下将电池冷却能力提高了约20%。

近年来，全球汽车制造商越来越专注于开发低能耗、低排放的混合动力电动汽车。

然而，与传统内燃机汽车和纯电动汽车相比，它们的热管理系统显著更加复杂。这种复杂性来自于多个组件的存在，这增加了热耦合和动态热交换的需求。

航空航天：极端环境下的性能考验

航空航天领域对热交换器的要求堪称苛刻到极致。飞机热管理系统用于管理热负荷、控制温度和湿度以及改善客舱环境。

随着航空航天设备在运行过程中表面温度升高，未能及时散热会对材料性能产生不利影响。

图17全面展示了航空航天热交换器技术的复杂性和精密程度。

航空发动机图说明了现代航空发动机对热管理的极高要求。

一些用于航空航天工业的热交换器需要在超过700°C的温度和200bar的压力下运行，这种极端工况对材料和设计都提出了史无前例的挑战。

带偏置条翅片的板翅热交换器几何结构展现了航空热交换器设计的精密性。

考虑到高温合金的高成本和有限选择，当前研究主要专注于优化热交换器设计并利用先进制造技术来增强热管理。

金属泡沫的增材制造工艺示意图说明了新材料在航空应用中的重要性。

金属泡沫作为热交换器的典型代表，提供了致密金属所缺乏的优势，如超高的比表面积。

通过增材制造生产的超轻量且坚固的多孔金属在热交换器中得到广泛应用，非常适合航空航天工业和车辆结构中的应用。

传统制造与增材制造的板翅横流热交换器对比图清楚地展示了制造技术进步带来的性能提升。

Saltzman等比较了传统制造和增材制造的板翅横流热交换器性能，发现增材制造热交换器的性能比传统制造热交换器高10-14%。

热交换器的重量、形状和体积是航空航天应用中的重要设计考虑因素。紧凑型热交换器在航天设备中具有巨大优势。

由于其紧凑结构、良好集成性和优异传热性能，横流板翅热交换器在航空航天工业中广泛使用。

航空航天热交换器的应用包括电子设备冷却、环境控制、表面冷却和发动机动力系统冷却。新颖的几何形状、传热增强表面和微通道热交换器均被用来增强热交换器的传热性能。

作为新兴晶格结构，TPMS表现出优异的表面体积比和导热性，以及高热绝缘性能，可以有效减少向结构内部的传热。因此，它们经常被用来增强热交换器的性能。

在各种晶格结构中，TPMS因其优异的传热和绝缘能力以及更轻的重量而脱颖而出。

工业过程：严苛工况下的可靠运行

工业和电力系统是世界上热交换器应用的主要领域，其应用范围之广、工况之复杂令人惊叹。

石油和化学工业在几乎每个生产过程中都使用加热和冷却，这需要大量的热交换器。

图18展示了工业热交换器应用的多样性。

印刷电路热交换器（PCHE）的典型实验测试装置布局说明了核电等关键应用对精密控制的严格要求。

液体食品巴氏杀菌三段式板式热交换器图展现了食品工业对卫生和效率的双重要求。

井下热交换器示意图说明了地热开发等新兴应用领域面临的技术挑战。工业设备中热管的表面腐蚀问题时刻提醒我们，在恶劣工业环境中材料选择和表面处理的重要性不可忽视。

在这些工业过程中，热交换器经常用于恶劣的工作环境（高温、腐蚀性流体、结垢等）。热交换器故障在工业过程中很常见，它们的更换和维护是经济损失的重要来源。

因此，这类热交换器对加工、钣金成形、清洁、焊接和制造后质量控制有很高要求。

Tao等设计了一种创新的废热回收热管换热器，专门用于从高温工业废气中回收热能。使用分流结构将洁净空气与脏空气分离，在不阻塞气体通道的情况下实现废热回收，这在工业热利用中具有重要意义。

Huang等通过化学镀镍的方法在热交换器表面进行改性，减少了热加工过程中的结垢并降低了结垢剂在热交换器表面的粘附强度。

在石化工业中，腐蚀是热交换器停机的常见原因，可能导致污染、严重损坏和损失，通常通过制造保护涂层来解决。

可持续建筑：自然能源的智能利用

可持续建筑代表了热交换器应用的一个新兴且充满潜力的领域。

随着全球能源消耗增加，科学家不再考虑使用高能耗系统进行热管理，而是选择能够利用自然能源进行加热和冷却的热交换器，以最大限度地减少能源消耗，这正成为实现可持续建筑热管理的有效方法。

图18e中的直供冷水辐射地板冷却系统与土壤-空气热交换器系统耦合的示意图展示了这种集成设计的巧妙思路。

Yang等研究了冷水辐射地板冷却系统与热交换器系统的集成，有效解决了单一系统在除湿和冷却性能方面的局限性。

地-气热交换器可以与其他热管理系统集成，创建综合耦合系统来开发可持续建筑。

研究发现，这种热管理系统的联合运行可以显著将室内温度降低到25°C和27°C之间，这种集成方法不仅增强了能源利用效率，还改善了建筑内的冷却和除湿效果。

热交换器在推进建筑热管理方面具有巨大潜力；然而，单个热交换器可能无法充分满足现有要求。

因此，必须将它们与各种可再生和可持续能源技术集成，以最大限度地减少整体系统能源消耗。

可持续建筑的发展在实现可持续发展和促进生态平衡方面发挥着至关重要的作用。这不仅仅是技术问题，更是人类对未来生活方式的重新思考。

AM易道结语：下一代散热器已来

常读AM易道文章的读者都能感受到，下一代热管理系统正在诞生。

设计工具的进一步发展、全新增材制造特性的仿真模型、适配的增材制造工艺，这些看似独立的技术正在AI的勾连下形成一个有机整体。

当拓扑优化算法能够同时考虑传热性能、流动阻力、机械强度和制造成本时，我们正在见证一个新制造哲学。

从金属基复合材料到陶瓷基材料，从聚合物涂层到新型复合结构，材料科学的每一次突破都在为AI+3D打印组合提供更广阔的施展空间。

更重要的是，成本的持续下降和制造速度的不断提升，正在让这项技术在不同的应用场景下开花。

也许在不久的将来，每一个散热器都将拥有独一无二的结构，每一次热交换都将是AI深度学习的结果。

这将是人类智慧与机器智能完美融合的见证。而3D打印则是将这些数字智慧转化为物理现实的神奇之手。

当算力不再受到传统制造工艺的束缚，当最复杂的仿生结构都能被逐层制造，我们正在构建制造业的终极自由。

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114339

寻找AM易道兼职编辑，5年以上3D打印行业经验，不限专业领域，收入模式零活。期待与有深度思考能力、文字能力和创作兴趣的小伙伴合作，共同打造优质内容。有意者请加yihanzhong投递简历及代表作品。

企业合伙人计划：

读者提示：添加amyidao加入读者交流群（备注加群），获取原始信源链接或不便发表内容，并与AM易道同频读者共同探讨3D打印的一切，AM易道建议也读者星标公众号，以便第一时间收到AM易道更新。

免责声明：AM易道与文中提到公司尚不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。AM易道图片视频来自于网络，仅作为辅助阅读之用途，无商业目的。权归原作者所有，如有任何侵权行为，请权利人及时联系，我们将在第一时间删除。本文图片版权归版权方所有，AM易道水印为自动添加，辅助阅读，不代表对该图片拥有版权，如需使用图片，请自行咨询版权相关方。AM易道文章不构成任何投资建议，AM易道不对因使用本文信息而导致的任何直接或间接损失承担责任。