3D印刷は熱交換器の設計を最適化し、パフォーマンスは20倍向上します

2021年9月22日、イリノイ大学は3D印刷技術を使用して次世代の超小型熱交換器を製造し、最大2000％のパフォーマンス向上を達成しました。

革新的な幾何学的形状を設計するために、エンジニアはトポロジー最適化を備えた3次元熱交換器設計ソフトウェアを開発しました。 このソフトウェアは、既存の熱交換器の設計を最適化して、部品の重量を最小限に抑えながら熱伝達を最大化するように特別に設計されています。これは、エネルギー、電子機器、航空宇宙などの業界に大きな影響を与える可能性があります。

機械科学および工学の教授であるWilliamKingは、次のように述べています。& quot;高性能熱交換器を設計するための形状最適化ソフトウェアを開発しました。 このソフトウェアを使用すると、従来のデザインとは大幅に異なり、より優れた3Dデザインを特定できます。"

△最適化された3Dプリント熱交換器のレンダリング、写真はイリノイ大学からのもの

熱交換器の最適設計の必要性

熱交換器は、主にポイントAからポイントBに熱エネルギーを伝達するために使用されます。これらは多くの産業で非常に重要であり、熱を生成するほとんどすべての複雑なシステムは熱交換器を使用します。 発電システム、輸送、石油およびガス処理、水の脱塩、家庭用電化製品の熱管理を含みます。

現在、世界中で何百万もの熱交換器が使用されており、その性能と効率は炭素排出量を削減するために非常に重要です。 人々は、コンパクトで軽量でありながら、効果的な熱放散を促進するために、高表面積の熱交換器を必要としています。 航空宇宙などの一部の業界では、コンポーネントのサイズと品質がシステムのパフォーマンス、範囲、およびコストに直接影響します。

過去数十年の間、熱交換器の設計はあまり変わっていません。 主に従来の製造技術によって制限されており、熱流のための内部チャネルの最適化などの複雑な構造を製造することはできません。 しかし、金属3D印刷技術の開発により、以前は不可能と考えられていた3D熱交換器の設計を簡単に製造できるようになりました。 必要なのは、新しくより効果的なデバイスを設計するための専用ソフトウェアツールです。

最適化されたチューブインチューブ熱交換器

開発チームは、3次元設計ソフトウェアを使用して、チューブインチューブ交換器と呼ばれる特殊なタイプの熱交換器を開発しました。これは、飲料水システムや建物のエネルギーシステムでよく使用されます。 チューブインチューブ熱交換器の特徴は、内側のチューブが外側のチューブに入れ子になっていることです。 また、設計時にチューブ内に統合されたフィンのセットを設定します。これは、3D印刷技術によってのみ実現できる内部設計機能です。

設計が完成した後、エンジニアは熱交換器にAlSi10Mgを印刷し、実験室環境で性能テストを実行しました。 3Dプリントされた熱交換器の電力密度は26.6ワット/立方センチメートルであり、比出力は15.7 kW / kgであり、同様の市販の熱交換器の約20倍です。

機械科学工学科の准教授であるNenadMiljkovic氏は、次のように述べています。& quot;最適化されたチューブインチューブ熱交換器を設計、製造、テストしました。 最適化された熱交換器の体積出力密度は、現在の最先端の商用チューブインチューブ装置の体積出力密度よりもほぼ高くなっています。 20回& quot;。

▲熱交換器の内部構造と周囲のシステム、写真はイリノイ大学からのものです

この研究は、論文& quot;遺伝的アルゴリズムの設計と積層造形による超高出力の高密度熱交換器の開発& quot;に掲載されています。 ヒュンキュウ・ムーン、デイビス・マクレガー、ネナド・ミルコビッチ、ウィリアム・キングの共著です。