增層製造：為熱交換器帶來全新拓撲設計

被動式熱交換器(passive heat exchanger)是許多系統設置中不可或缺的零組件。它們與散熱片(heat sink)功能相近，主要運用熱物理原理將熱能從一個位置傳輸至另一處。

散熱片的目的是將熱源產生的多餘熱量平穩導出，使其不再成為系統的負擔。熱交換器原理與其相似，旨在將受限於管道內部的較熱流體(液體或氣體)所攜帶的熱量，傳遞給較冷側的流動流體，而這較冷側流體通常(但非絕對)也受限於管道中。

高溫熱交換器是眾多技術領域的關鍵元件，用於熱量耗散或傳輸，廣泛應用於航太、暖通空調(HVAC)、發電、工業製程和航空等領域。它們亦擔負著互補角色：將熱能導向需要熱量的較冷區域，而非僅僅「排放」熱量。

熱交換器有多種實現方式，大多數採用易於製造的配對管道來容納熱流體和冷流體。這些管道能以各種配置並排運行，或者將較小的管道插入較大的管道中(圖1)。

圖1：U型管熱交換器使用大量並排放置的較小管道(上)；單行程熱交換器設計使用一個或多個管道設置在一個較大的管道內(下)。

(來源：Virginia Commonwealth University & Alternative Energy Tutorials)

熱交換器自1800年代以來即被廣泛應用，其物理原理已獲得透徹理解。儘管存在許多標準設計，但使用直管結構來實現熱流體與冷流體之間的熱傳遞，從傳熱效率上來看，並不一定是最佳幾何形狀。

增層製造實現新拓撲結構

增層製造(Additive Manufacturing，AM)，通常被稱為「3D列印」，為熱交換器設計帶來了替代方案。美國威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的一支研究團隊將增層製造與拓撲優化技術結合。拓撲優化是一種運算設計方法，用於研究結構中材料的最佳分佈，以達成特定的設計目標。他們將這個概念改進的設計，結合了雷射粉末床熔融增層製造技術，並選用Haynes 282 (一種鎳合金粉末，具有高溫強度、熱穩定性和優異的可製造性等特點)作為材料。

該方法將基於機器學習(ML)的湍流建模與增層製造的設計約束條件，整合到拓撲優化程序中。優化過程的核心目標是最大化熱交換器的功率密度，功率密度定義為：在固定的壓降約束下，熱流體的傳熱速率與設計的濕重(wet weight)之比，並與傳統熱交換器進行比較，流體流動和傳熱問題是使用有限元法分別求解。

熱流體流動採用穩態不可壓縮層流模型來表示，而冷空氣流動則使用穩態不可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程式來描述。傳熱問題是透過求解單一的共軛對流-擴散方程來實現的，該方程式同時代表了所有三個物理域：流體、空氣以及構成熱交換器壁的固體域。

高斯(Gaussian)過程機器學習模型被納入，用於在優化過程中對湍流空氣流進行修正，以估計湍流黏度。該高斯過程模型是使用來自初步熱交換器設計的湍流黏度進行訓練的，並將面積密度值作為輸入變數。

儘管從外部觀察，優化後的熱交換器與傳統的直通道設計版本無異，但其內部核心設計卻有著顯著差異(圖2)。

圖2：優化後熱交換器的核心由拓撲優化的單元胞(unit cells)組成。該優化設計在傳熱效率、功率密度和總體效能上均優於傳統的直通道設計。

(來源：University of Wisconsin-Madison)

優化後的設計擁有相互交織的熱流體和冷流體通道，呈現出錯綜複雜的幾何形狀和複雜的表面特徵。這些複雜的幾何結構引導流體流動遵循彎曲的路徑，從而顯著增強熱傳遞效率。這樣的設計，對於鑄造、機械加工、鍛造或焊接等傳統製造方法而言，將是難以(甚至是不可能)實現(圖3)。

圖3：熱交換器核心的拓撲優化單元胞渲染圖。優化後的設計具有帶有錯綜複雜幾何形狀和複雜表面特徵的熱流體和冷流體通道。機械工程教授Xiaoping Qian手持該團隊創造的3D列印、拓撲優化熱交換器。

(來源：University of Wisconsin-Madison)

效能提升與應用前景

該團隊對他們設計的熱交換器進行了全面的定量熱水力測試。結果顯示，優化後的設計不僅傳熱效率更高，其功率密度(一個關鍵性能指標)也比傳統熱交換器高出27%。更高的功率密度意味著熱交換器可以做得更輕巧、更緊湊，這對於對尺寸和重量有嚴格要求的航太與航空應用來說，是特別理想的屬性。相較於直通道設計，其總體效率從68.7%提升至83.6%。研究人員還提供了用於表徵熱交換器性能的許多其他性能指標的詳細數據。

研究團隊的專案與測試結果已發表在《國際傳熱傳質期刊》(The International Journal of Heat and Mass Transfer)上，論文主題為「高溫熱交換器的拓撲優化、增層製造與熱水力測試」(Topology Optimization, Additive Manufacturing and Thermohydraulic Testing of High-Temperature Heat Exchangers)。

這再次證明了增層製造技術的能力，它使製造那些傳統技術難以實施或無法實現的設計成為可能。雖然增層製造的單件成本可能較高，但在某些應用領域，如航太，尺寸和重量的優先級往往遠高於成本考量。

(參考原文：Additive Manufacturing Enables New Heat-Exchanger Options，by Bill Schweber，Susan Hong編譯)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2026年1-2月號

The post 增層製造：為熱交換器帶來全新拓撲設計 appeared first on 電子工程專輯.