3Dプリントにより熱交換器の設計が最適化され、性能が20倍向上

2021年9月22日、アンタークティックベアは、イリノイ大学が3Dプリント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％の性能向上を達成したことを知りました。

革新的な形状を設計するために、エンジニアはトポロジー最適化機能を備えた 3D 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熱伝達を最大化し、部品の重量を最小限に抑えるように特別に設計されており、エネルギー、エレクトロニクス、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。

「高性能熱交換器を設計するために、形状最適化ソフトウェアを開発しました」と機械科学工学教授のウィリアム・キング氏は語る。「このソフトウェアにより、従来の設計とは大きく異なり、より優れた 3D 設計を特定できるようになりました。」

△最適化された3Dプリント熱交換器の効果。写真はイリノイ大学より

熱交換器の最適設計の必要性

熱交換器は主に、熱エネルギーを A 地点から B 地点に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、熱を発生するほぼすべての複雑なシステムで使用されています。これらには、発電システム、輸送、石油・ガス処理、水の淡水化、民生用電子機器における熱管理が含まれます。

世界中で何百万台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の削減に非常に重要です。効率的な熱放散を促進し、コンパクトで軽量であるために、表面積の大きい熱交換器が求められています。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質量がシステムのパフォーマンス、範囲、コストに直接影響を及ぼします。

熱交換器の設計は過去数十年間あまり変わっていません。これは主に、熱の流れを最適化する内部チャネルなどの複雑な構造を生産できない従来の製造技術の限界によるものです。しかし、金属 3D プリント技術の発達により、これまで不可能とされていた 3D 熱交換器の設計も簡単に製造できるようになりました。必要なのは、より効率的な新しいデバイスを設計するための専用のソフトウェアツールだけです。

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 3D 設計ソフトウェアを使用して、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るチューブインチューブ熱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。チューブインチューブ熱交換器は、外側のチューブの中に内側のチューブが入れ子になっているのが特徴です。彼らのデザインには、チューブの内側に一体化したフィンのセットも含まれており、これは 3D プリント技術によってのみ実現可能な内部設計機能です。

設計が完成すると、エンジニアは AlSi10Mg を使用して熱交換器を印刷し、実験室環境でその性能をテストしました。 3D プリントされた熱交換器の電力密度は 26.6 W/cm3、比出力は 15.7 kW/kg で、同様の市販の熱交換器の約 20 倍に相当します。

「私たちは、現在最先端の市販のチューブインチューブ装置よりも約20倍高い体積電力密度を持つ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」と機械科学工学部の准教授、ネナド・ミリコビッチ氏は語った。

△熱交換器の内部構造と周辺システム、写真はイリノイ大学提供。この研究は論文「遺伝的アルゴリズム設計と積層造形による超高出力熱交換器の開発」に掲載されている。ムン・ヒョンギュ、デイビス・マクレガー、ネナド・ミリコビッチ、ウィリアム・キングが共同で執筆した。

出典: 3dprintingindustry

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