アディティブ マニュファクチャリングによる熱交換器モデルの改善

アディティブ マニュファクチャリングの進歩により、私たちが常に当たり前のように考えてきた新しい部品設計が突然可能になりました。熱交換器は、産業革命以来、あらゆる種類の機械に共通の産業用コンポーネントです。

熱交換器の本質的な機能は、通常は機械を通る流体の流れ (気体または液体) によって、熱をある場所から別の場所に移動させることです。それらは、ほぼすべての産業用途、住宅、および冷蔵庫、炉、ACシステム、輸送、石油精製所、商業環境、病院など、高温と低温が関係するあらゆる場所で使用されています.熱交換器の世界的な需要は、2020 年までに 781.6 億米ドルに達すると予想されています。

熱交換器の効率を高めるという課題は、産業エンジニアを長い間悩ませてきました。典型的な熱交換器は金属でできており、直角、直線、スタックで構成された長方形のアーキテクチャを持っています。これらは、従来の技術を使用して最も簡単に製造できる形状のタイプですが、狭いスペースで熱交換を最大化するのに最適な形状ではありません.

アディティブ マニュファクチャリングを使用して、熱交換器をより効率的かつ軽量で安価にし、これまで以上に効果的にする方法があることがわかりました。 Fast Radius の最高科学責任者である Bill King は、最近、イリノイ大学で機械工学の教授として工学パラダイムの革新的な研究を指揮する研究プロジェクトを率いました。このプロジェクトと、King が共著したその後の論文は、従来の熱交換器を大幅に改善して、付加製造を使用して熱交換器の部品を製造する方法を示しています。

この Q&A で、King は、アディティブ マニュファクチャリングが熱交換器の従来のモデルを改善する理由と、このイノベーションが一般的な製造業にとって非常にエキサイティングな理由についての洞察を提供します。

従来の熱交換器にはどのような制限がありましたか?

ほとんどの人は、車のラジエーターがどのように見えるかをよく知っています。多数の薄い金属製のフィンが付いたチューブの列です。それは大きくてブロック状の形で、基本的には長方形です。ほとんどのエンジニアは、熱交換器の新しい形状によって性能が向上することを認めていますが、これまで実現できたことはありませんでした。

ほとんどの設計では、熱交換器のコンポーネントは比較的単純な形状をしています。通常、液体の通路はまっすぐで滑らかです。これらの真っ直ぐで滑らかな通路は通常、曲がりくねった輪郭のある通路に比べて熱伝達が低くなります。しかし残念なことに、曲がりくねった輪郭のある通路は、従来の製造技術では作ることができません。

これらの長方形の設計の一部では、マニホールドが機械内の流体の流れを方向付け、高温または低温の領域 (熱流の対象となる領域) に液体が流れるようにする場合があります。通常、これらのマニホールドは、個別の別個のコンポーネントとして作成されます。コンポーネントを個別に作成してから組み立てると、組み立てと品質チェックに関連する追加のコストと労力が発生します。

製造されたマニホールド デバイスの写真。 (a) マニホールド デバイスの全体的な形状。マニホールド デバイスの正面図 (b) スタティック ミキサーなし、(c) ミキサーあり。 (d) 統合されたマニホールド デバイスを備えたスタティック ミキサーの側面図。

アディティブ マニュファクチャリングを使用した熱交換器の可能性

アディティブ マニュファクチャリングを使用すると、エネルギー効率、システム パフォーマンス、および少量の流体を使用して大量の熱を移動させる能力の点で利点を持つさまざまな形状の熱交換器を作成することで、利用可能な「ホワイト スペース」を活用できます。

この研究では、一般的な熱交換器アーキテクチャを選択しました。これは、水が流れて熱を除去する非常に単純な形状の水平加熱プレートです。これは、熱交換器の最も単純な構成の 1 つです。付加製造を使用して、流体の流れを制御する部品であるマニホールドを、付加的に製造されたポリマーから作成しました。さまざまな技術と材料を使用して設計をテストしました。特に成功した設計の 1 つは、カーボン デジタル光合成とシアネート エステルを使用して行われました。得られた熱交換器は、混合構造を使用して、冷たい流体がホット プレートから効率的に熱を除去します。

Carbon Digital Light Synthesis と Cyanate Ester を使用して作られた長方形のツイスト テープ ミキサー

ポリマーは金属よりも熱伝導率がはるかに低いため、熱を運ぶ必要があるコンポーネントにはポリマーを使用しません。しかし、アディティブ マニュファクチャリングでは、ミキサーをフロー チャネルに直接加工してから、加熱プレート上に組み立てることができます。従来の静的ミキサーのようなツイスト テープ構造と、新しいシェブロン形状のオフセット ウィング構造の 2 種類のミキシング構造を分析しました。

製造されたデバイスの画像。 (a) スタティック ミキサーのない長方形のチャネル (プレーン チャネル)。 (b) 長方形チャンネルのツイスト テープ ミキサー。 (c) シェブロン ミキサーを備えた長方形のチャンネル。

結論は何ですか?

熱交換器の性能が大幅に向上し、付加製造設計を使用して作成された製品とツールのエネルギー効率が向上したことを実証することに成功しました。全体として、アディティブ マニュファクチャリングで製造された混合構造の存在下で、伝熱性能が約 2 倍向上することがわかりました。これは、目標ができるだけ多くの熱を除去することであるシステムでは大きな問題です。 2 倍の暑さです。

デバイスのサイズを最小限に抑えながら熱交換を最大化することが目標である別のタイプの産業状況では、たとえば、車両のサイズと重量がパフォーマンスに影響を与える高性能自動車を設計する場合、デバイスのサイズを縮小できます。熱交換器を下げて、目的の結果を達成します。アディティブ マニュファクチャリングにより、この種のカスタマイズは、アプリケーション固有の目標に対して非常に柔軟になります。

これらの新しい形状を利用することで、あらゆるタイプの機械や器具の製造が大幅に進歩します。私たちの研究は、これらの結果を世界中のエンジニアの手に渡すのに役立ち、エンジニアは熱伝達の増加を可能にする新しい技術を利用することができます.とてもエキサイティングです。

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