エンジニアが 3D プリント技術を使用して熱交換器の性能を 2000% 向上

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イリノイ大学アーバナシャンペーン校の研究者チームは、3D プリンティング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ました。

新しい形状を実現するために、エンジニアはトポロジー最適化機能を備えた独自の専用 3D 熱交換器設計ソフトウェアを開発しました。 このプログラムは、部品重量を最小限に抑えながら熱伝達を最大化するために既存の熱交換器設計を最適化するように特別に設計されており、これはエネルギー、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。

「私たちは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」と機械科学工学教授でありこの研究の共同リーダーであるウィリアム・キング氏は説明します。 「このソフトウェアを使用すると、従来のデザインとは大きく異なり、より優れた 3D デザインを特定できます。」

熱交換器の進歩の必要性

熱交換器は、単に熱エネルギーを点 A から点 B に伝達するために使用されます。熱交換器はほとんどの主要産業で重要であり、熱を発生するほぼすべての複雑なシステムに搭載されています。 これには、発電システム、輸送、石油とガスの処理、水の淡水化、家庭用電化製品の熱管理が含まれます。

今日、世界中で数百万台の熱交換器が使用されており、地球規模の持続可能性とエネルギー消費量の削減という観点から、その性能と効率がこれまで以上に重要になっています。 効率的な熱の流れを促進しながら、コンパクトで軽量な高表面積のデバイスが必要です。 航空宇宙などの一部の業界では、部品のサイズと質量がシステムのパフォーマンス、範囲、コストに直接影響するため、この組み合わせは特に重要です。

残念ながら、イリノイ州の研究者らによると、熱交換器の設計は過去数十年にわたってそれほど変わっていないという。 従来の製造技術の制限により、熱の流れを最適化する内部チャネルのような複雑な構造を統合することはできませんでした。 しかし、現在では金属 3D プリントが現実的な選択肢となり、以前は不可能だと思われていた 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ソフトウェア ツールだけでした。

最適化されたチューブインチューブ熱交換器

研究チームは、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研究しました。 名前が示すように、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。 イリノイ州の設計では、チューブの内側に一連の一体化されたフィンも備えていました。これは 3D プリンティング技術によってのみ可能になった内部設計機能です。

最適化された設計が完成すると、エンジニアは AlSi10Mg を使用して熱交換器を印刷し、実験室環境で性能テストを行いました。 この装置の出力密度は 26.6 W/cm3、比出力は 15.7 kW/kg であることが判明しました。これは、同等の市販の熱交換器の約 20 倍であると報告されています。

「私たちは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」と機械科学および工学の准教授であり、研究の共同リーダーであるネナド・ミリコビッチ氏は述べています。 「当社の最適化された熱交換器は、現在の最先端の商用チューブインチューブ装置よりも約 20 倍高い体積出力密度を持っています。」

研究の詳細は、「遺伝的アルゴリズム設計と積層造形による超出力高密度熱交換器の開発」というタイトルの論文に記載されています。 ヒョンギュ・ムーン、デイビス・マクレガー、ネナド・ミリコビッチ、ウィリアム・キングの共著です。

今月初め、オーストラリアのRMIT大学の研究者らは、ジェット燃料を動力源とする次世代の3Dプリント熱交換器セットを開発した。 3D プリント触媒は、その名の通り、ゼオライトとして知られる合成鉱物でコーティングされた金属熱交換器です。 ジェット燃料を冷却剤として使用すれば、極超音速飛行の最大の問題の1つである過熱を解決する鍵となる可能性がある。