グラスゴー大学の3Dプリント熱交換器は従来の設計より50%効率が高い

グラスゴー大学の3Dプリント熱交換器は従来の設計より50%効率が高い
この投稿は Bingdunxiong によって 2022-4-17 16:17 に最後に編集されました

2022年4月17日。アンタークティック・ベアは、グラスゴー大学の研究者らが新しい軽量3Dプリント熱交換器を開発したと発表したことを知った。この設計では、従来のものよりもコンパクトで効率的な、迷路のような繰り返しのジャイロスコープ構造を採用しています。この研究は、グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部のシャンムガム・クマ博士がスウォンジー大学およびカリファ工科大学と共同で実施した。

△ 熱伝達および流体シミュレーションに使用される COMSOL Multiphysics ソフトウェア モデル (a) サイズは 4.6mm x 4.6mm x 4.6m、壁の厚さは 300um です (b) は、境界が課された物理モデルを記述します。画像提供:グラスゴー大学 熱交換器は、流体を混合せずに流体間で熱を伝達する装置であり、幅広い用途があります。熱交換器は流体間で熱エネルギーを伝達するもので、自動車や飛行機に使われる冷凍システム、燃料電池、内燃機関などで使用されています。軽量化技術の追求において、人々は高性能な超軽量素材を探し求めてきました。調整可能な機械的特性を持つ 3D プリントされたハニカム材料。

この熱交換器の高性能は、液体が流れる表面の設計によるものです。コアは螺旋状に配置された小さな穴で覆われるように設計されています。研究チームは、学術誌「Applied Thermal Engineering」に「3D プリントによる高性能、マイクロアーキテクチャ、小型熱交換器」という研究論文を発表しました。この研究は、アブダビ国営石油会社の資金提供を受けて行われました。クリックして転送

△ ジャイロ ラティス コンパクト熱交換器の設計と製造、(a) 4.6mm x 4.6mm x 4.6mm ジャイロ ラティスの CAD 表面 (b) 7x7x7 スパイラル ラティス アレイを含む交換器コアは 300 ミクロンの厚さで、多孔率は 80% です (c) 熱交換器の CAD 断面には、スパイラル コア、カバー プレート、およびヘッダー アセンブリが明確に示されています (d) 3D プリントされた熱交換器 (e) X 線マイクロ コンピューター断層撮影画像 (f) カバー プレートのない 3D プリントされた熱交換器 (g) 小規模な欠陥。グラスゴー大学からの画像 研究チームは、螺旋格子構造は、自己交差せず、高度に対称な 3 周期の極小表面 (平均曲率ゼロ) 形状を使用する全体的な構造設計の一部であると主張しています。研究チームが熱交換器として繰り返しジャイロスコープ構造を使用することを選択した理由は、熱交換の効率がその表面積に関係しているためである。表面積が大きいほど、流体が物体間で熱エネルギーを伝達する機会が増える。これは、表面積の大きい物体は、表面積の小さい物体よりも速く流体を冷却または加熱することを意味します。

彼らのマイクロジャイロスコープ設計は、シンプルなフォトポリマーと高度な 3D プリンターで作られており、各辺が 32 mm、実際の重さがわずか 8 グラムのコンパクトな立方体に広い表面積を詰め込んでいます。

迷路のような構造に水を通すと、水が毎分100~270ミリメートルの速度で熱交換器を流れるため、温度は10~20℃の間で変化します。

研究チームは、新しい熱交換器の熱伝達係数(流体とその表面の間で熱をどれだけ効率的に伝達するかを測る指標)を測定した。そこで研究者らは、ポリマーや金属などの材料で作られた、さまざまなサイズの従来の熱交換器をテストし、比較しました。彼らの新しい熱交換器は、新たに開発されたプロトタイプのサイズがわずか 10 パーセントであるにもかかわらず、熱力学的に同等で最も効率的な逆流熱交換器よりも 50 パーセント効率的です。

△(a)高温流体(b)低温流体(c)仕切り壁(d)実験試験に対応する圧力シミュレーション等値面。画像提供:グラスゴー大学
クマール博士は次のように語った。「私たちは数年間、この3Dプリントされたジャイロスコープ格子構造の新しい用途を見つけるために懸命に取り組んできました。将来の用途としては、リサイクル可能な高性能バッテリーや、義肢やバックブレースなどの将来の「スマート」医療機器の開発が含まれます。」

「より小型で軽量、かつ効率の高い熱交換器を開発できれば、より少ない電力で済む冷凍システムや、より効率的に冷却できる高性能エンジンの開発につながる可能性があります。私たちは、今後の研究でこの技術をさらに発展させたいと考えています。」

私たちの研究により、これらのジャイロ格子構造を利用して、熱交換に有利な非常に大きな表面積対体積比の構造を作り出すことが可能になりました。




グラスゴー大学、熱交換器、ジャイロ格子構造

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