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雷神公司通過3D打印開發(fā)的散熱器有哪些性能提升?

         與典型的金屬散熱器相比,相變材料的散熱器能夠增加每體積/質(zhì)量的熱容量。通常要制造相變材料的散熱器,除了釬焊內(nèi)部金屬材料(例如泡沫鋁)之外,密封過程還需要兩個金屬殼的釬焊。不僅如此,釬焊操作昂貴并且?guī)砹藵撛诘男孤┛赡堋C绹拇笮蛧篮霞s商雷神公司正在開發(fā)通過3D打印增材制造的方法來實現(xiàn)相變材料(PCM)散熱器的制造。

成本更低且更堅固

     這款散熱器的基本結構包括下殼、上殼和內(nèi)部矩陣。通過增材制造技術將下殼,上殼和內(nèi)部矩陣結構做為單一組件制造出來。內(nèi)部矩陣被設計成放置相變材料的空間。增材制造工藝使得單個部件集成在一起制造出來。結果是通過3D打印的散熱器的制造成本較低并且比傳統(tǒng)的散熱器更堅固。不僅如此,其內(nèi)部矩陣可以具有更復雜的設計,以解決諸如高功率密度部件散熱的特定問題。


圖:散熱器殼


圖:相變材料剖面圖


圖:矩陣部分

    雷神公司所設計的內(nèi)部矩陣可以具有任何類型的三維形狀,包括非對稱/或非矩陣的設計。這種可定制的復雜設計,是傳統(tǒng)加工技術所無法實現(xiàn)的。而這樣的散熱器的應用場景很多,可以應用到商業(yè)電子設備或需要管理熱能的任何其他合適的應用中。

      導熱材料(例如銷或板)的橫截面可以是不變的或根據(jù)增材制造技術所實現(xiàn)的矩陣形狀而變化,不如說可以是沙漏形的銷或板。再或者,每個銷或板可以獨立設計,每個都具有任何所需的形狀。因此導熱材料可以是包括任何合適的簡單或復雜的三維形狀,包括傳統(tǒng)加工技術不可能實現(xiàn)的曲率形狀。

Review

        3D打印在散熱器的制造方面當前主要存在幾種思路:一種是文中所提到的替代釬焊并結合相變材料的使用,一種是實現(xiàn)十分復雜的幾何形狀。實現(xiàn)十分復雜的幾何形狀方面例如雙曲線交叉纏繞的應用,當然更為典型的是點陣結構的應用。這是一種形狀十分復雜的散熱器,其設計的核心理念是通過復雜的幾何形狀提供了多達50%或更多的散熱效率。此外,雙曲線,分叉和相互纏繞的幾何形狀提供更大的傳熱系數(shù),不僅改善了熱交換器的效率,同時使壓力損失最小化并改善了傳熱系數(shù)。

      不少公司進行了通過點陣結構進行散熱的商業(yè)化努力,其中包括HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設計和制造的用于微型燃氣渦輪系統(tǒng)的并流換熱器。另外一家典型的公司是Conflux,這家公司正在使用粉末床熔融金屬3D打印技術制造創(chuàng)新型汽車熱交換器。他們開發(fā)了一種新型高效熱交換器ConfluxCore。其中一個典型的設計在不增加體積的情況下,增加了表面積,與此同時,3D打印部件的壓降減少了三分之二,交換器的尺寸減小了55毫米,重量減輕了22%。這種功能集成化的設計,還減少了熱交換器所需的部件和對焊接的需求。

此前,菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團)還與McMaster大學建立了一項合作,目標是設計一種新的鋁制汽車散熱器,這個項目的重點就在于應用點陣結構的組合,這些結構帶來良好的對流熱交換性能,并且可以實現(xiàn)可觀的減重結果。這個項目開發(fā)的帶有點陣結構的3D打印散熱器,比FCA集團生產(chǎn)的汽車中使用的汽車散熱器更輕,并且還可以保證其性能。

      而究竟3D打印將在熱交換器的產(chǎn)業(yè)化方面達到怎樣的影響力和覆蓋面,這不僅僅取決于3D打印設備,材料的價格,還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達到一致可控,以及標準與認證的完善,而最重要的是如何從設計端獲得以產(chǎn)品功能實現(xiàn)為導向的正向設計突破。


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