アディティブ製造による熱交換器設計の革新

アディティブ製造の進歩により、これまで「ある特定の方法でしかできない」と当たり前と思われていた新しい部品設計が、突然可能になりました。産業革命以来存在する一般的な産業部品である熱交換器を例に取りましょう。

熱交換器の本質的な機能は、通常、流体流れ（気体または液体）を機械を通じて、熱をある場所から別の場所へ移動させることです。冷蔵庫、炉、空調システム、輸送、油精製所、商業施設、病院など、熱と冷却が関わるほぼすべての産業用途、住居、あらゆる場所で使用されています。熱交換器の世界需要は2020年までに781.6億米ドルに達すると予測されています。

熱交換器をより効率的にするという課題は、長年産業エンジニアを悩ませてきました。典型的な熱交換器は金属製で、直角、直線、スタックで構成された長方形の構造をしています。これらは従来技術で最も容易に製造できる形状ですが、限られた空間で熱交換を最大化するための最適な形状ではありません。

アディティブ製造を用いると、熱交換器をより効率的、軽量、低コストに、そしてこれまで以上に効果的に製造できる方法があることが判明しました。Fast Radiusのチーフサイエンティストオフィサー、ビル・キングは最近、イリノイ大学で研究プロジェクトを主導しました。彼は同大学の機械工学教授で、工学パラダイムへの革新的研究をリードしています。このプロジェクトと、キングが共著したその後の論文は、熱交換器の部品をアディティブ製造で作ることができ、従来の熱交換器に比べて大幅な改善が可能であることを実証しています。

このQ&Aでは、キングがアディティブ製造が従来の熱交換器モデルをどう改善するのか、なぜこの革新が製造全般にとってこれほどエキサイティングなのか、その洞察を語ります。

従来の熱交換器の限界とは？

ほとんどの人は自動車ラジエーターの外観を知っています：多数の薄い金属フィンを持つチューブバンクです。基本的に長方形の大きなブロック状の形状です。ほとんどのエンジニアは、熱交換器の新しい形状が性能を向上させることを認めますが、これまで実現不可能でした。

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。流体通路は通常直線的で滑らかです。これらの直線的で滑らかな通路は、ねじれたり輪郭のある通路に比べて通常、熱伝達率が低くなります。しかし残念ながら、ねじれたり輪郭のある通路は従来の製造技術では作れません。

これらの長方形設計の一部では、マニホールドが機械内の流体流れを誘導し、高温または低温の領域（熱流れの対象となる領域）へ流れを導きます。通常、これらのマニホールドは個別の別個コンポーネントとして作られます。コンポーネントを別々に作って組み立てると、組み立てと品質チェックに追加のコストと労力がかかります。

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形状。(b) 静的ミキサーなし、(c) 静的ミキサーありのフロントビュー。(d) 統合マニホールドデバイスを持つ静的ミキサーの側面模式図。

アディティブ製造で熱交換器に何が可能になるか？

アディティブ製造では、利用可能な「ホワイトスペース」を活用し、エネルギー効率、システム性能、より少ない流体体積でより多くの熱を移動させる能力において有利な、多様な形状の熱交換器を作れます。

研究では、水が流れて熱を取り除く非常にシンプルな形状の水平加熱プレートという、一般的な熱交換器アーキテクチャを選びました。これは熱交換器の最もシンプルな構成の一つです。アディティブ製造を用いて、流体流れを制御するマニホールド部分を、アディティブ製造されたポリマーで作成しました。さまざまな技術と材料で設計をテストしました。特に成功した設計の一つは、Carbon Digital Light Synthesisとシアン酸エステルを用いたもので、この材料が非常に耐熱性が高いためです。その結果、ミキシング構造により冷却流体が熱いプレートから効率的に熱を取り除く熱交換器が実現しました。

Carbon Digital Light Synthesisとシアン酸エステルで作られた長方形ツイステッドテープミキサー

ポリマーは金属より熱伝導率がはるかに低いため、熱を運ぶコンポーネントにはポリマーを使いません。しかしアディティブ製造では、ミキサーを流路に直接造形し、加熱プレートに組み立てられます。従来のスタティックミキサーのようなツイステッドテープ構造と、新規のシュブロン形状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。

製造デバイスの画像：(a) 静的ミキサーなしの長方形チャネル（プレーンチャネル）；(b) ツイステッドテープミキサー付き長方形チャネル；(c) シュブロンミキサー付き長方形チャネル。

結論

アディティブ製造された設計で作られた製品とツールのエネルギー効率を向上させ、熱交換器性能の大幅な改善を実証できました。全体として、アディティブ製造で作られたミキシング構造の存在下で、熱伝達性能が約2倍向上しました。熱を可能な限り取り除くことが目標のシステムでは、これは大きな成果です。熱が2倍取り除けます。

別の産業状況、例えば性能自動車の設計のように、デバイスのサイズを最小化しながら熱交換を最大化することが目標の場合、目的の結果を得るために熱交換器のサイズを縮小できます。アディティブ製造により、このようなアプリケーション固有の目標に向けたカスタマイゼーションが非常に柔軟になります。

これらの新しい形状を活用することで、あらゆる種類の機械と家電の製造における大きな進歩が可能になります。この研究により、これらの成果が世界中のエンジニアの手に渡り、熱伝達を増やす新技術を活用できるようになります。非常にエキサイティングです。

Fast Radiusで部品を作る準備はできていますか？