基于增材制造的微型流体冷却技术

参赛方案介绍

基于增材制造的微型流体冷却技术 

微细尺度同轴对流换热器

基于火箭发动机同轴式喷嘴设计一种新型换热器，如图1所示，体型介于指节到手掌大小之间；采用高效的逆流换热，换热器微细管路采用同轴式方案，流道当量直径为0.2mm；换热器出入口借鉴火箭发动机推力室集合器形式；其中除常规冷空气、水等冷却介质外，还可选用火箭发动机常用的冷却效果较佳的低温介质，如液氮、液氢、液氦等；微型换热器通过3D打印与焊接等工艺方式实现。

方案优势有体积小，换热效率高，3D打印易于实现等特点，且满足功能要求及相应技术指标。本方案提供一种设计理念，可根据具体需求进行适应性改进。

主要功能：利用增材制造技术，开展百微米级别的流体冷却通道和回路的设计和制造，贴合微型热点，实现高热流热点的热控技术。

思路来源：液体火箭发动机推力室

图 1 换热器结构示意图

核心技术

1）同轴式喷嘴；

2）推力室内壁面传热；

3）液氮、液氢、液甲烷等低温介质高效冷却技术；

4）复杂微型元件增材制造。

为实现高效换热，推力室内壁选用铜或者锆铜合金。在换热器材料选择上，钛合金换热能力较差（钛合金相比钛换热能力下降50%），约8 W/mK左右；高分子聚合物3D打印粗糙度无法控制，易出现粗糙度不满足需求的情况。因此本方案建议采用不锈钢或者铜作为换热器材料。

对于微型复杂元件，传统的等材制造、减材制造无法满足精细度及复杂度要求，因此考虑增材制造；增材制造对于解决复杂结构零件的成形，减少加工工序，缩短加工周期有更大的优势。对冷却通道有更高的粗糙度要求可进行喷砂或磨粒流处理。

由于技术需求方未提供详细的换热参数要求，本方案针对需求提供一种设计理念及思路，详细设计参数及相应的技术指标可根据具体要求进行适应性设计。指标如下：

换热器结构尺寸：10mm*20mm~100mm*200mm

冷却管路当量直径：0.1mm到1mm；

换热系数：10KW/m²K 到20KW/m²K；

换热器比表面积β：15000~20000；

结构承受压力：0-1MPa。

本方案换热器可应用于物理结构尺寸小，热流密度较高的微机电及微型机械系统，如电脑ＣＰＵ、电动汽车、微型卫星、高铁等，以上微机电系统急需设计出轻巧、结构紧凑、高效的微结构换热器。本方案换热器拟申请发明专利，专利材料正准备过程中。