1、合作单位：- Whitepaper Series -3D科学谷白皮书系列3D打印与换热器及散热器白皮书1.0White Paper of 3D Printing and Heat Exchanger 1.0白皮书下载请加入3D科学谷QQ群：529965687随时查看白皮书请关注“3D科学谷”微信公众号: cn_3dsciencevalleyVersion ID：前言下一代换热器与散热器正在来临换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用，3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的

2、形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。本白皮书从换热器与散热器的分类与市场情况入手，详细剖析了3D打印在换热器与散热器领域的技术优势，国际上和国内商业化的3D打印散热器与换热器案例，国际上和国内的代表性专利情况，CFD软件情况、材料考虑以及后加工考虑等等。希望本白皮书能够推动和加速我国在引入3D打印技术方面的发展。感谢本白皮书合作伙伴的支持，更多信息，请参考3D科学谷网站3D科学谷市场研究团队 . 2019年换热器2多种多样的热交换热器世界管状热交换热器器Reference：3D Printing as an Alternative Manufacturing Metho

3、d for the Micro-gas Turbine Heat Exchanger板式热交换热器3热交换器热交换器间壁式换热器蓄热式换热器间接直接特殊固定动态管壳式换热器板式换热器冷却塔气体洗涤塔喷射式混合式冷凝器刮面式换热器往复式换热器旋转式热交换器热交换器（按照传送热量的方法来分）- 间壁式热流体和冷流体间有一固体壁面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另一流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。- 混合式（或称直接接触式）这种热交换器内依靠热流体与冷流体的直接接触而进行传热，例如工业上的冷水塔以及喷射式热交换器。- 蓄热式（或称回热式）其中也有固体壁面，但两种流体并

4、非同时，而是轮流地和壁面接触。当热流体流过时，把热量储蓄于比内，其温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，其温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。例如炼铁厂的热风炉。4热交换器板式换热器板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。5热交换器-间壁式热交换器分类管壳式换热器管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,

5、内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.沉浸式蛇管型这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高

6、的流速,故传热系数较大6热交换器-间壁式热交换器-管壳式换热器分类*标准方面：美国的TEMA标准，日本的JIS B 8249标准，英国的BS5500标准，德国的AD规范，中国的GB151-89等根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为几种主要类型：固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。U型

7、管式换热器每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。涡流热膜换热器涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。板翅式热交换器翅片的主要作用是强化传热，也有增强两金属板强度的作用，在这种热交换器中相邻两通道之间的热交换，一部分通过平板传递热量，但绝大部分热量是通过波纹翅中传递的，因为平板之间均有波纹翅片，因而大大增加了传热面积，所以它的单位体积内的传热面积比一般管式热交换器大10倍以上。通过各通道

8、之间的不同组合，可得到逆流、错流等形式的热交换器。它具有单位体积传热面积大、传热效率高、流体阻力小、热容量小、结构紧凑及同时允许几种介质进行热交换等优点。7热交换器-间壁式热交换器-板翅式热交换器Plate Wing Heat E微通道换热器微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000m的换热器。这种换热器的扁平管内有数十条细微流道,在扁平管的两端与圆形集管相联。集管内设置隔板,将换热器流道分隔成数个流程。8热交换器-微通道换热器Micro-tunnel Heat Exchanger微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要

9、而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器,其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达1.2m4m25.4mm13),微通道水力学直径在0.61mm以下,故称为大尺度微通道换热器。国内市场最先将微通道技术产业化的是汽车空调行业。换热器市场2015年，我国换热器产业的市场规模为 769 亿元，2015年我国换热器行业销售规模较大的是管壳式换热器和板式换热器，分别销售金额达到了386亿元和214.6亿元。2020年我国换热器产业规

10、模有望达到 1,500 亿元；在各种类型的换热器中，板翅式换热器约占整个换热器行业 6%左右的市场份额，按照这样的市场份额进行估算，至2020 年，我国板翅式换热器的产值有望突破90 亿元。9热交换器-间壁式热交换器-板翅式热交换器* 参考来源：智研咨询2015年中国换热器需求领域分布格局2015年中国换热器产品销售结构10制造企业兰州兰石换热设备有限责任公司四平市巨元瀚洋板式换热器有限公司阿法拉伐（上海）技术有限公司四平维克斯换热设备有限公司斯必克(中国)投资有限公司甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司传特板式换热器(北京)有限公司睿能太宇（沈阳）能源技术有限公司凯络文换热器（中国）有限公司北京

11、市京海换热设备制造有限责任公司* 参考来源：智研咨询十大换热器制造企业浙江银轮机械股份杭州杭氧股份无锡佳龙换热器股份杭州中泰深冷技术股份无锡宏盛换热器开封空分集团艾普尔换热器苏州无锡马山永红换热器湖北迪峰换热器广州赛唯热工设备板翅式换热器国内厂家*排名不分企业规模大小阿法拉伐Alfa Laval舒瑞普SWEP传特Tranter艾普尔APISPX基伊埃GEA风凯Funke萨莫威孚 thermowave日阪HisakaIHI，JSW，Hitachi等国际品牌11汽车行业换热器、散热器 - 国内、国际厂家浙江银轮机械股份有限公司上海贝洱热系统有限公司富奥汽车零部件股份有限公司扬州水箱有限公司扬州三叶

12、散热器有限公司扬州通顺散热器有限公司山东厚丰汽车散热器有限公司重庆长江电工工业集团有限公司潍坊恒安散热器集团有限公司南宁八菱科技股份有限公司青岛汽车散热器有限公司青岛东洋汽车散热器有限公司* 来源：3D科学谷市场研究德国贝洱 (Behr)美国摩汀 (Modine)日本东洋 (Toyo)日本电装 (DENSO)美国伟世通 (Visteon)经过多年的经验和测试，汽车已经发展成为非常复杂和功能性的机器。选择每个部件的材料和工作流体是出于非常特殊的原因。今天的汽车中的大多数热交换器都是由铝制成，因为它重量轻，可用性相对较高，而且具有很高的导热性。汽车热交换器包括但不限于散热器，油冷却器和中间冷却器。

13、散热器是在发动机中使用的冷却装置，其中热液体流过暴露的管道并通过风扇将热量传递给空气。翅片用于传导管子的热量并将其传递到空气中。油冷却器主要用于变速箱，以保持油温在安全范围内。热交换器用于涡轮增压内燃机，以冷却来自涡轮增压器的热压缩空气。国内国际供应商侃价能力基本不变铝和铜等主要原材料是市场定价，公司过去和未来都很难有议价能力，只能通过期货和库存等方法平滑原材料价格波动对企业净利润的冲击12汽车用热交换器波特五力分析热交换器制造商定价能力缓慢提高随着发动机技术和新能源汽车技术的发展，热管理系统的重要性和性能要求都在显著提高，下游客户将更加依靠热交换器企业的研发能力来优化整机或整车的性能行业进入

14、壁垒显著提高随着发动机技术和新能源汽车技术的发展，行业进入壁垒显著提高无替代品热管理作为一个功能，只会得到加强，完全没有被替代的风险参考来源：产业信息行业内部竞争格局行业内兼并重组增加，集中度进一步提高汽车上使用的热交换器品种较多，有散热器（俗称水箱）、中冷器、机油冷却器、空调冷凝器和蒸发器、暖风散热器、尾气再循环系统（EGR）冷却器、液压油冷却器等，它们在汽车上分别属于发动机、变速箱、车身和液压系统。13汽车用热交换器发展方向对于新型的清洁能源车辆，对散热器设计提出了较高的要求，希望在结构上更加紧凑，以满足新时期车辆的工作要求；模块化设计将成为散热器设计的主流，在冷却系统中实现模块化设计可以

15、对整车热循环系统进行设计优化；新材料新技术的发展催生散热效率高的散热器材料，在小型化和轻型化汽车发展领域将大有作为，节能效果明显。方向一方向二方向三图片来源：AP散热器散热器按材质分为铸铁散热器、钢制散热器和其它材质的散热器。其他材质散热器包括铝、铜、钢铝复合、铜铝复合、不锈钢铝复合和搪瓷等材料制的散热器。其中，微电子领域遵循摩尔定律飞速发展,伴随晶体管集成度的不断提高,微通道换热器取代传统换热装置已成必然趋势。因此在嵌入式技术及高性能运算依赖程度较高的航空航天、现代医疗、化学生物工程等诸多领域,微通道换热器将有具广阔的应用前景。散热器14航空电子医疗器械IT通讯消费性电子风力发电汽车/电动汽

16、车太阳能LED灯机车牵引电气雷达控制医疗检测系统服务器电视变流器车灯逆变器LED灯具照明变流系统电气柜液冷机箱基因循环仪器卫星信号接收器手机油冷齿轮箱电池包变频器红外成像系统基站可穿戴微型计算机卫星冷却（微通道）智能手机电脑/笔记本加固计算机无线网络路由器Lytro光场相机投影仪来源：安世亚太风冷散热器的制造方式15来源：安世亚太铝挤：技术相对简单，适合大批量制作散热器。主要是以翅片的高度与翅片间隙的比值衡量优劣。塞铜：焊接：将翅片与基板焊接起来，散热性能取决于焊接工艺。焊接串翅：将翅片、热管与基板焊接起来焊接扣翅：将翅片与基板焊接起来风冷散热器的制造方式16来源：安世亚太压铸：插翅压合：将翅

17、片插入基板的槽内，然后机械挤压。3D打印：焊接折叠：将翅片与基板焊接起来切割：把一整块金属一次性切割，这样切割后的散热鳍片又薄又密，极大增加了散热面积。水冷散热器的制造方式17来源：安世亚太钻孔式水冷散热器压管式水冷散热器摩擦焊式、电子束焊式水冷散热器微通道散热器的制造方式18材料微型微通道换热器可选用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si3N4和铝等。采用镍材料的微通道换热器,单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高5倍多,单位质量的传热性能也提高了50%。采用铜材料,可将金属板材加工成小而光滑的流体通道,且可精确控制翅片尺寸和平板厚度,达到几十微米级,经钎焊形成平板

18、错流式结构,传热系数可达45MW/(m3K),是传统紧凑式换热器的20倍。采用硅、Si3N4等材料可制造结构更为复杂的多层结构,通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器,使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸,如通道为角锥结构的换热器。大尺度微通道换热器形成微通道规模化的生产技术主要是受挤压技术,受压力加工技术所限,可选用的材料也极为有限,主要为铝及铝合金。来源：安世亚太加工技术随着微加工技术的提高,目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括:平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术(LIGA)、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等。烧结网式多孔微

19、型换热器采用粉末冶金方式制作。大尺度下微通道的加工与微尺度下微通道的加工方式显著不同,前者需要更高效的加工制造技术。电子散热器具有高热流密度、高传热功率、高温度稳定性等特点，其通过高导热率的热界面材料与电子元器件表面紧密接触，通过传导、对流、辐射等热传递方式协助将电子元器件工作过程中产生的大量热量散发到外界环境中。电子散热器电子产品散热技术主要指外部热设计的方法、方式和技术，涉及与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容，目前应用较多的电子产品散热技术主要有空气冷却技术、液体冷却技术、射流冲击冷却技术、相变冷却技术、热管传热技术、微通道传热技术、热电制冷技术等。电子产品散热技术20数据来源：

20、国际流体动力系统会议ISC21电子散热器在电子产品设计中，提高性能和增加可靠性必须要求电子产品具有良好的散热性，降低产品造价也需要有良好的散热解决方案。通过采用合适的散热技术和散热方案，可能减少银、铜等贵重金属材料的使用，在更低的成本下实现同样的散热效果。提升电子产品性能与可靠性电子系统故障平均间隔时间随温度倒数呈指数增加。温度越低，故障平均间隔时间越大，因此温度的降低有助于提高系统的可靠性。温度的降低也会降低电子产品失效概率，与温度有关的失效通常被分为机械失效、腐蚀失效和电气失效，具体如下：22制造企业* 参考来源：智研咨询DEEPCOOL 九州风神深圳市超频三科技COOLER MASTER

21、 酷冷至尊Thermaltake（Tt）曜越科技AVCEvercool 捷冷ASUS 华硕ENERMAX 安耐美Corsair 海盗船ZALMAN 深圳思名烨科技电子散热器国内主要品牌*排名不分企业规模大小散热器的种类非常多，CPU、显卡、主板芯片组、硬盘、机箱、电源甚至光驱和内存都会需要散热器，这些不同的散热器是不能混用的，而其中最常接触的就是CPU的散热器。国内散热器的主要品牌包括：3D打印的优势3D打印在热交换器的优势23流体通道复杂且小非常薄的翅片更紧凑、更轻、效率更高避免钎焊可通过表面光洁度改善热传递效果3D打印热交换器的优势- 使流体通道尺寸较小，具有较薄的壁的形成而形成的流体通路

22、- 允许整体制造非常薄的翅片,适合加工翅片极薄、带有狭小内部通道的热交换器- 可以通过表面光洁度和通道尺寸以改善通过通道的流体流动，改善通道内的热传递等。- 避免钎焊，减少故障发生- 更轻，效率更高- 通过传统制造工艺无法制造出来，更加错综复杂热交换器图片来源：雷尼绍3D打印的优势24一体化结构实现：3D打印技术可以将几个零件以整体的方式制造出来，这种更高效的设计过程使得热交换器不易发生泄漏，并且能够更好地处理高压应用。在热交换器的世界中，这是重要的，因为传统制造方法的缺点之一是有泄漏的风险。薄壁：3D打印可以将壁构造成类似于200微米这样的薄度，从而使热交换器应用更加高效，这些壁很薄，它们仍

23、然能够承受高压，无论是使用金属还是某种类型的塑料来制造这些更薄的壁，材料的节省都是巨大的。减少腐蚀：在热交换器的整个使用寿命期间，遇到的最大问题之一是腐蚀。通过定期维护，可能会立即捕获并处理一些腐蚀，但如果问题已存在一段时间，则通常无法在不更换部件的情况下对其进行任何操作。图片来源： https:/ Martukanitz，宾夕法尼亚州立大学直接数字沉积创新材料加工中心）。https:/ EOS减少污垢：热交换器是复杂的机器，因此，在操作过程中可以进行多种操作。最常见的问题之一是结垢，即当某种类型的外来物质沉积物进入传热表面时。这可以包括沉降结垢，反溶解污垢和化学反应结垢等。降低成本：一体式3

24、D打印热交换器为制造商节省了资金，在过去，组装需要将非常细的管钎焊到歧管上。这不仅经常导致高压应用中的大量泄漏情况，而且该过程不必要地具有挑战性。3D打印的交换器不会遇到这个问题，因为所有部件都是在一个连续的过程中组合在一起的。更轻，更高效： 3D打印的热交换器比其他方式制造的热交换器更轻，更有效。某些案例中通过3D打印技术生产的热交换器比使用其他方法生产的热交换器轻约20，效率高20。可能性之一塑料部分替代金属虽然塑料和其他类似材料具有极差的热性能，但通过3D打印，它们具有更大的表面积，这可以弥补差异。同样的研究还表明，热传递对表面积变化的敏感性比导电率高约160倍，并且使用3D打印可以轻松

25、实现增加的表面积，特别是在使用非金属材料时。3D打印开启更多可能27换热器市场规模到2020年预计将超过200亿美元，使其比以往更具竞争力。在这种情况下，制造商将继续寻找更多制造方法来尽可能地改进他们的工作方式，同时保持高水平的质量。可能性之二更多材料目前用金属进行3D打印的一个缺点是它很昂贵，而由塑料制成的热交换器效率低，因为塑料是热能的不良导体。可以3D打印由塑料和石墨烯或陶瓷的混合物制成的热交换器，以应对这种潜在的问题。3D打印在散热器与换热器领域的精华应用案例重新创造热交换器的商业化案例28Conflux Core热交换器开发过程非常快，现在，获得专利的Conflux热交换器在各个行业

26、都有各种应用，包括航空航天，汽车，石油和天然气，化学处理和微处理器冷却。Conflux在某些实验中发现3D打印的热交换器的热绝热性能比传统热交换器高三倍。这归功于3D打印热交换器的复杂内部几何形状，这增加了表面积而不增加体积。图片来源：https:/work/conflux-technology-reinventing-heat-exchangers/Conflux选区金属熔化3D打印技术重新创造热交换器的商业化案例29HiETA成立于2011年，旨在通过增材制造的方法开发用于生产各种热管理应用的复杂、轻型结构的金属零件。制造的零件包括用于微型燃气轮机的热交换器、涡轮机械和燃烧部件，还包括那些

27、用于燃料电池的相变换热器和综合废热回收系统，以及用于高效内燃机散热的部件。HiETA已经注册了一些通过3D打印增材制造技术生产热交换器的专利。竞争力涵盖整个增材制造产品的开发流程，从理解客户要求开始，提供从初始设计到计算流体动力学（CFD）、有限元分析（FEA）、3D打印、测试和验证完整过程的工程开发服务。HiETA还开发了专用参数包，包括开发Inconel材料的无泄漏薄壁结构，厚度达150微米。通过Renishaw在Staffordshire工厂里的AM250和HiETA在布里斯托尔和巴斯科学园附近的设备来完成产品的制造。HiETA选区金属熔化3D打印技术英国的汽车集成商Delta Moto

28、rsports的3D打印热交换器项目。长方体换热器（换热器），用作电动车辆的扩展装置。通过3D打印，HiETA生产的零件通常比市场上同等效率传统方法制造的产品重量轻40。这些集成式一体化的设计对于传统加工方法来说是非常困难的。重新创造热交换器的商业化案例 汽车大灯散热器30英国Betatype开发了适合通过增材制造技术生产的汽车LED大灯散热器，并通过粉末床选区激光熔融设备实现了批量生产。Betatype在设计方面做了全面考虑，设计师采用了功能集成化的设计，并设计了内置支撑功能，该功能使得打印零件无需添加额外的支撑结构。完成后的打印件通过手工的方式即可从基板中分离，无需借助其他分离切割设备。B

29、etatype 在使用多激光器3D打印设备，例如雷尼绍RenAM 500Q， 制造散热器时所用的时间进一步减少至19个小时以下。Betatype对这类高效率生产系统的产能进行了计算，结合优化的设计方案和打印工艺，每个系统生产一年的产能从7055个增加到135,168个，实现19倍的提高，如果安装7台设备，每年可以生产接近100万个3D打印零件。Betatype选区金属熔化3D打印技术Betatype 通过智能化的设计技术减少热应力，将热变形最小化。最终，散热器可以以堆叠的形式进行摆放，从而实现生产量的最大化。31热交换器 - 用于供暖、通风、制冷参考来源：https:/ - 它们过于复杂，无法

30、通过传统工艺进行经济制造。马里兰大学的团队优化了他们的换热器设计，因此可以将其打印成单个连续件。从而提高性能和可靠性。作为蒸发器和冷凝器的热交换器可用于商业和住宅空调或不同尺寸的热泵系统。马里兰大学开发的1千瓦（kW）小型空气 - 制冷剂热交换器原型为新设计铺平了道路，有助于减少每年用于供暖，通风，空调和制冷的能源。除1kW型号外，马里兰大学还将制造10kW原型作为当前项目的一部分。两种原型都将在三吨热泵中进行测试和演示。马里兰大学的研究团队预计，新的换热器将在五年内投入商业生产。下一代换热器选区金属熔化3D打印技术32热交换器 - 用于供暖、通风、制冷参考来源： 空间应用-多材料3D打印Fa

31、brisonic2014年，美国宇航局的喷气推进实验室（JPL）授予总部位于俄亥俄州的Fabrisonic种子基金，以开发其用于改进金属换热器的混合超声波增材制造（UAM）工艺。经过多年来JPL的持续支持和深入的开发和测试，Fabrisonic已成功开发出泵送式流体回路换热器，与传统的环氧管式换热器相比，它更轻，更高效，生产更快。热交换器在NASA的行星际漫游车任务中发挥着关键作用，因为这些组件对于调节设备敏感电子设备的温度至关重要。3D打印热交换器的重量也从1.82千克减少到1.26千克。重要的是，与至少两个月相比，3D打印热交换器的交付周期在两周时要低得多。最后，UAM热交换器的热导率提高

32、了约25-35。由于其低温打印的特点，UAM技术还能够将传感器嵌入固体金属部件中。对于热交换器应用，这可能意味着改进控制和监控。Resource：work/fabrisonic-nasa-heat-exchanger-uam/UAM超声增材制造技术34热交换器 -多材料3D打印DMGMORI德马吉森精机通过混合增材制造设备将铜与不锈钢3D打印为一体化热交换器结构件，将需要热交换效率高的部位用铜金属来制造，提高了热交换效率，并节约了成本。在另一个案例中，德马吉森精机用SLM粉末床金属熔化技术来制造散热结构的底部（含精细的微小通道），而在这个底部结构的基础上，通过另外一台混合增材制造设备进行蜂窝结

33、构的加工，使得整个零件成为一体化结构件完成，避免了焊接需求，并提高了加工效率。SLM以及Hybrid技术混合增材制造设备制造的铜与不锈钢结构一体化换热器SLM技术与混合增材制造设备搭配完成的一体化结构件，可用于换热器概念组成3D打印在散热器与换热器领域的代表性知识产权在热交换器和散热器的3D打印领域，国际和国内企业都颇为积极，3D科学谷判断，这些前沿性的研究将推动下一代热交换器和散热器的出现，尤其是在消费电子、航空航天和汽车应用领域。国内包括西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所），中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所，成都三鼎日新激光科技有限公司，深圳市大观科技有限公司，爱美达

34、（上海）热能系统有限公司，中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所以及大连理工大学，北京工业大学，重庆大学等高校都在3D打印热交换器和散热器方面有着自己的开发成果。35活跃企业航空航天领域活跃3D打印热交换器的国际企业消费电子领域活跃3D打印热交换器的国际企业来源：3D科学谷市场研究36微通道Resource：http:/ 采用激光3D打印成型技术保证了梭形散热器的无失真性，使得内部微通道壁面平整，从而可得到结构更为优化的微通道散热器。此外，采用掺有稀土元素镍基合金粉末，制成实体硬度及耐腐蚀性能高于传统铜或铝材，获得更长的使用寿命。CN108759533

35、A37微通道Resource：http:/ 微通道散热&飞机蒙皮Resource：http:/ 这种双层飞机蒙皮热交换器安装在机身蒙皮外表面，利用空气带走液体的热量，减小了系统对飞机的燃油代偿损失。CN105416563A ，US 20150122947 A1，US 20170029126 A1飞机蒙皮散热微软正在研究如何通过3D打印技术来改善电子设备的散热装置。3D打印散热装置可实现优化和可定制的散热解决方案。例如，通过3D打印技术可以制造那些传统制造方法难以加工的紧凑型弯曲形状和非平面几何形状。由于制造的几何公差要求，传统制造方法在加工这些散热装置的时候很难满足带微处理器的电子设备内的紧密

36、空间的空间狭小的挑战，而通过3D打印制造的通道来实现散热器的连接可以满足空间狭小带来的挑战。利用改进的散热功能，微软可以为电子设备安装更强大的微处理器，可以设计更薄的电子设备，可以提供更高的处理速度。构成热管理系统的多个热管理装置还可以作为单个组件一次性通过3D打印技术制造出来，从而消除使用热效率低的粘合方法来连接多个热管理装置，减少了热管理系统的重量，减小了热管理系统的整体尺寸。微软所开发的3D打印的翅片可以设计成可变密度，使得从处理器到壳体的热传递是可控的。在更靠近发热部件的区域中，翅片可具有低密度/高孔隙率。翅片可以更密集，增加热传递效率。通过调节翅片密度可以为壳体的外表面提供均匀的温度

37、分布，从而提供更优化的热传递。US10054995B238电子散热器Resource：http:/ LLC正在通过3D打印技术和其他技术的结合来提供下一代微处理器的冷却解决方案。与水不同，介电冷却剂可以与电子设备直接接触而不会对其造成伤害。遗憾的是，介电冷却剂的比热比水低，因此它们不适合用于单相泵送液体冷却系统。这意味着通过合理地加热介电冷却剂流来冷却微处理器将需要比用于通过合理地冷却相同微处理器的水的流速高大约四倍的流速。这种较高的流速需要更多的泵功率，这意味着更低的冷却系统效率。Ebullient LLC正在开发的冷却解决方案具有高效率、模块化、灵活、快速连接、小尺寸和热插拔性的特点，冷却

38、装置可以制成适合于结合在汽车，飞机和其他车辆中的较小尺寸，这可以结合到需要冷却的电池，逆变器和其他电子设备中，并且可以小型化以用于平板计算机以及手持移动电子设备中。散热器模块*的冷却剂通道可以通过3D打印技术直接形成在移动设备的电路板上。当然，3D打印还可以直接将冷却剂通道打印在移动设备的处理器，存储器模块或其他电子组件上。US9852963B239电子 下一代微处理器的散热Resource： CN106940148A电子 相变材料Resource： 相变材料Resource：http:/ Industries正在开发一种新型的热交换器，这种热交换器包括第一流体入口的第一歧管和限定第二流体入口

39、的第二歧管。这是一种形状十分复杂的热交换器，其中，第一组双曲线流动通道包括一组分叉流动通道，其中包括多个鞍形点，在该鞍形点处，该组第一分叉流动通道中的两个沿着一个平面渐近地会聚，然后在正交平面上渐近地发散。第二组双曲线流动通道与第二流体入口流体连通。Unison Industries所开发的这款热交换器是设置在飞机的航空电子设备底盘中。不过其设计原理理论上可以拓展到非飞机的应用领域，以及其他移动应用和非移动工业，商业和住宅应用。其设计的核心理念是通过复杂的几何形状提供了多达50或更多的散热效率。此外，双曲线，分叉和相互缠绕的几何形状提供更大的传热系数，不仅改善了热交换器的效率，同时使压力损失最

40、小化并改善了传热系数。US10107555B142航空航天 异形Resource：http:/ 这种热交换结构可以类似地用于汽车，航空，海事和其他工业中，以帮助流体之间的热传递。3D打印技术允许整体制造非常薄的翅片，例如具有介于约0.10mm和5.08mm之间厚度的翅片。制造极薄翅片的能力也使得能够制造热交换器具有非常大的热交换特征密度。热交换器可以包括薄壁（小于0.76mm），窄通道和新颖的热交换特征。所有这些特征可能十分复杂，以最大化热传递效果，并使热交换器的尺寸或占地面积最小化。此外，增材制造工艺使得能够制造具有不同材料，特定传热系数或所需表面纹理的结构，可以增强或限制通过通道的流体流动

41、。US10175003B243航空航天 薄壁、薄翅片GE通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状，GE开发的热管理系统中的壳体，芯结构通过3D打印-增材制造工艺整体完成。通过3D打印-增材制造技术来制造整个结构，使得散热装置实现与电路卡共形的复杂几何形状。而且芯结构可以实现沿厚度方向定向的不均匀芯。这套热管理系统包括至少一个底盘框架，该底盘框架的构造成使的热管理系统的热扩散阻力最小化。底盘框架包括：至少一个底盘主体，至少一个热循环系统嵌入底盘体内，底盘主体通过3D打印-增材制造技术形成。3D打印还被用来制造带点阵结构的夹层结构，这些点阵结构提供了更大的表面积用于热传输。GE所开发的热

42、管理系统的技术特点包括重量轻、热阻低、形状不受限制，结构一体化等优点。在商业方面的突出优势包括可实现定制化设计、更低的制造价格、更多的功能以及相同体积的更多热元件。US10136557B244航空航天 热交换结构一体化实现Resource：http:/ 异形、结构一体化实现Resource：http:/ Gramman Systems)在开发一种创新设计的热交换器，特点是外部管道的极大简化，但是这种创新设计的热交换器通过传统制造技术难以构建。特别是连接部位的钎焊或焊接是困难的，尤其是考虑到所涉及的材料非常薄，尺寸非常小，并且接缝都必须防漏。然而，3D打印很容易构建这些结构。增材制造不仅可以替代

43、钎焊或焊接过程，还可以通过增材制造来构造热交换器通道矩阵，在需要大量集管的情况下，通过增材制造来构造整个热交换器组件 包括所有集管成为有效的制造方式。通过增材制造，通道不必是直的，整个热交换器几乎可以呈现任何形状 包括弯曲，扭曲，翘曲等形状。增材制造技术能够制造逆流热交换器中的交替通道，而对于传统制造技术来说这基本是不可能实现的。交替通道的逆流设计提供最大的热交换器效率，这使得热交换器的尺寸和质量最小化，并且流体流速降低。3D打印可以替代钎焊，实现更随形的管道制造。46航空航天 - 散热结构一体化实现Resource：http:/ - 结构一体化实现软件计算流体力学CFD软件48CFD (Co

44、mputational Fluid Dynamics）CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。CFD兴起于20世纪60年代，随着90年代后计算机的迅猛发展，CFD得到了飞速发展，逐渐与实验流体力学一起成为产品开发中的重要手段。计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计

45、的有力工具。板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。目前比较主流的CFD软件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、comsol、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD（前身为CFdesign）。其中CFX，Fluent，star-CD，comosol等为通用求解器，能够解决各类流体问题。换热器分析需求 核心目标是提高换热效率 能否降低结构设计复杂程度，优化设计，降低成本 防止污垢堆积，降低后期保养花费，提高换热效率 调节流场分配，防止局部出现热点等 热分析及结构分析，涉及流固耦合问题流体相关问题 流体流动及传热问题（导热、对流、热辐射） 多

46、相流及相变问题（颗粒堆积、蒸发沸腾换热问题） 流固耦合（共轭传热及热应力）来源：安世亚太换热器CFD仿真分析需求换热器CFD 设计特点方法 通过三维软件创建几何结构，进行换热器内流动传热及阻力分析，可以全面的分析，换热器内结构的构造，工质的选择对换热器整体换热性能的影响优势 具有费用低、速度快、重复性好、能模拟较复杂或较理想的工况下的流动现象和流动特性，同时可以观察不同操作参数对求解问题的影响，获得所有相关变量的详细信息以及潜在的物理过程等企业应用 以数值模拟为主，以实验验证为辅，把理论研究、数值模拟、实验测量有机而协调地结合起来以实现换热器的研究和开发计算流体力学CFD软件的重要性49CFD

47、 降低潜在设计缺陷换热器的传热设计主要依据从试验总结出来的经验关联式。由于试验工况有限，因此各种关联式都有一定的适用范围，很多特殊的工况往往找不到合适的关联式来进行计算。此外，采用关联式进行计算只能得到平均值，无法得到各项参数在时间和空间上的分布。因此，一些设计中的潜在缺陷往往到试验阶段才会被发现，不仅存在安全隐患，而且往往也随之造成较大的经济损失来源：安世亚太计算流体力学CFD软件50CFX是由英国AEA公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角/柱面/旋转坐标系，稳态/非稳态流动，

48、瞬态/滑移网格，不可压缩/弱可压缩/可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，NOx生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。CFX采用有限元法，自动时间步长控制，SIMPLE算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone和BlockFLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。但凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流

49、动等等。FloEFD （特别适合电子产品）是CFD的新分支同步CFD的应用产品。FloEFD是一款功能齐全的通用CFD工具，与Catia, NX, Creo以及其他主流MCAD系统集成。不过FloEFD主要专注于热分析，是一款专业的热分析软件。计算流体力学CFD软件51Phoenics是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，有30多年的历史。网格系统包括：直角、圆柱、曲面（包括非正交和运动网格，但在其VR环境不可以）、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。

50、STAR-CD的创始人之一Gosman与Phoenics的创始人Spalding都是英国伦敦大学同一教研室的教授。STAR-Cd 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary，STARcd的强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热。GAMBIT专用的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由Fluent进行求解。也可以用ICEM 对CFD进行前处理，由TecPlot进行后处理。Fluent5.4基于非结构化网格的通用CFD求解器，针