換熱器作為熱能傳導的關鍵裝置，已滲透現代社會的各個角落，包括數據中心、船舶、工廠以及各種建筑物中幾乎都有它們的身影。

這類設備的本質功能是實現熱量的高效轉移，但就現階段而言，受限于傳統制造工藝，目前主流產品仍采用幾種成本最低、加工最簡單的標準結構。

最新的一項研究表明，通過3D打印技術設計的創新結構，可以使空調、冰箱等制冷設備的核心部件變得更小巧、更高效。目前，這項研究成果已經發表在International Journal of Heat and Mass Transfer上。

“熱交換器是工業經濟的核心設備之一，它們是每臺機器以及每個能量傳輸系統的重要組成部分。”這篇研究論文的通訊作者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校教授William King指出，“現有設計普遍采用直線、直角和圓管等易于加工的結構。”

對此，他和團隊利用3D打印技術突破傳統制造局限，開發出具有波浪形壁面和金字塔狀凸起的創新結構。這些設計能顯著優化熱傳導路徑，是傳統制造技術所難以實現的。

研究團隊基于一種常見的制冷劑R-134a來進行系統設計，這種制冷劑廣泛應用于空調和冰箱等設備。

當冷水降低制冷劑的溫度時，它會在通過設備的過程中從氣體變成液體。隨后，這種液態制冷劑可以進入冷卻系統的其他部分，用于降低從房間到服務器機架等各種目標的溫度。

最有效的制冷方式通常是通過在設備兩側之間構建非常薄的壁，并最大化水和制冷劑與這些壁的接觸面積。（想象一下，穿著薄 T 恤躺在冰塊上，肯定比戴著手套用手摸冰塊要冷得多。）

為了設計出最佳的熱交換器，研究人員使用模擬技術并開發出機器學習模型，以預測不同設計在各種條件下的性能。

在經過36,000次模擬驗證后，研究人員最終敲定了設計方案。其中的關鍵創新點，其一，是在設備接觸水的一側增加了許多小鰭片，這些鰭片擴大了表面積，從而最大化熱量傳遞；其二，是設計了波浪形的水流通路，再次幫助增加接觸面積。通過模擬，研究人員精確計算出了通道的彎曲程度以及鰭片的最佳位置。

在制冷劑流經的一側，設計中加入了沿壁分布的小型金字塔狀凸起。這些結構不僅增加了冷卻面積，還能在制冷劑通過時促進混合，避免液體附著管壁（這種附著會降低傳熱效率）。

在確定了最終設計方案后，研究人員使用了一種名為“金屬直接激光燒結”的3D打印技術，其通過激光逐層熔融金屬粉末（本實驗采用鋁合金粉末），最終構建出完整的熱交換器設備結構。

測試結果顯示，通過這種技術制造的熱交換器比其他設計更高效地冷卻了制冷劑。在相同泵功條件下，其功率密度突破每立方米6兆瓦，比常見的殼管式熱交換器性能提升30%-50%，其功率密度與另一種工業界常見設計（比如釬焊板式熱交換器）相當。

“雖然這一設備并未顯著超越當前最先進的技術，但利用建模和3D打印技術來開發新型熱交換器設計的方法充滿潛力。”暖通行業咨詢公司Optimized Thermal Systems的研發總監Dennis Nasuta評價道，“這項技術的探索空間還很大，我們尚未觸及其性能天花板。”

不過Dennis Nasuta也指出當前瓶頸，與傳統制造相比，激光燒結等增材制造技術仍存在效率低、成本高的問題，短期內難以大規模應用于民用制冷設備。他認為該技術可能率先在航空航天、高端汽車等能夠承受高成本的細分領域落地。

據預測，到2050年建筑制冷能耗將翻番，創新設計對應對未來巨大的能源需求至關重要。“現代艦船搭載的電子設備數量激增，對緊湊型高效散熱系統提出了迫切需求。”研究團隊成員Nenad Miljkovic表示。

然而，包括制造成本在內的諸多挑戰仍需克服，才能讓像William King和團隊設計的這類創新成果真正在實際設備中發揮作用。

Dennis Nasuta還指出，采用這些新技術的另一個障礙是，現行標準并未要求更高的效率。事實上，市場上已存在多種能提升設備效率的技術，但都因類似原因未能普及。

“3D打印等新制造技術要真正走入尋常百姓家，還需要經歷漫長的過程。”他坦言，“所以，明年的家用空調中暫時還不會出現這項技術。”