3D印刷の欠陥により、熱交換器の従来の製造技術を完全に置き換えることはできません。

3D印刷技術の進歩により、熱交換器の製造方法が変わりました。 従来の製造ルートでは実現できなかった複雑で自由な設計は、3Dプリントで簡単に実現できます。 熱交換効率の向上、重量、体積、製造コストの削減は、3Dプリントが提供できる他の利点です。 従来の大量生産方法と比較して、プロセスパラメータの最適化、表面粗さの制御、サポート構造の除去、後処理の要件、互換性のある原材料、および3D印刷に伴うコスト競争力については議論の余地があります。 しかし、課題にもかかわらず、この技術を使用することで、金属、ポリマー、セラミック材料の熱交換器の製造に成功しました。

この記事では、3D印刷技術リファレンスは、3D印刷熱交換器の性能に対する粗い表面、マイクロチャネル、表面積、および格子構造の影響の分析に焦点を当てています。現在の研究では、金属3D印刷の表面粗さが熱交換器の性能に影響を与える重要な考慮事項であることがわかっています。予想される設計と比較して、製造サイズの偏差も非常に大きく、特にサイズが製造限界。最終製品の表面品質、寸法精度、およびより小さな寸法精度の達成という点で3D印刷技術が継続的に改善されることにより、熱交換器の熱交換性能がさらに向上する可能性があります。

熱交換性能に対する表面粗さの影響

表面粗さは、粉末床溶融技術によってさまざまなタイプの金属熱交換器を製造する際の一般的かつ重要な考慮事項です。 3D印刷された熱交換器によって生成される表面粗さは、従来の方法で製造された同じ熱交換器よりも1桁大きい場合があります。小さなサイズのチャネルに固有の表面粗さは、熱伝達効率にさらに深刻な影響を及ぼします。したがって、表面粗さを正しく評価し、対応するプロセスパラメータのデータベースを体系的に収集する必要があります。



3Dプリントされた航空機モーター熱交換器、最高のフィン密度で熱交換効率を最適化できます



LEDの熱管理に関しては、トポロジー最適化ヒートシンクはグリッド構造よりも優れたパフォーマンスを発揮します

製造サイズの大幅な偏差は、予想される設計偏差から最大約20％になる可能性があります。これは、マイクロチャネル熱交換器の熱水力性能にも影響します。一部の研究では、圧力損失は粗さではなく、結果として得られる有効なチャネルサイズの影響を受けると報告されていますが、一部の研究では、圧力損失は表面粗さの影響を強く受けると報告されています。圧力損失特性の分析に適しています。付加的な製造技術によって導入された表面粗さが熱伝達メカニズムに及ぼす影響の分析は、熱交換器の熱伝達効率が粉末粒子のサイズだけでなく、粉末粒子の形状および粉末粒子と熱交換器の表面との関係。付属。

最小フィーチャサイズと製造精度が熱交換性能に及ぼす影響

小型化された電子機器の開発により、非常に高い熱を放散し、システムの寿命を延ばすことができる小型のラジエーターの開発の必要性が高まっています。マイクロチャネルに関する以前の研究では、高電力密度を放散する能力が証明されています。マイクロチャネル熱交換器の典型的な特徴は、大きな圧力降下です。これは、チャネル内の不均一な流れの分布と流れ方向の長い流れの長さによって引き起こされる可能性があります。マニホールドマイクロチャネル熱交換器は、従来のマイクロチャネル熱交換器の代替品です。マニホールド構造は、並列に動作するマイクロチャネルの上に配置され、複数の入口と出口から冷却液を分配します。この構成では、流れの長さが短くなり、熱交換器の水力特性が向上します。しかし、伝統的に、マニホールドとマイクロチャネルは別々に製造され、結合技術によって相互に接続されます。このプロセスはリードタイムを増加させ、不適切な操作はパフォーマンスに影響を与えます。






格子密度分布を最適化するための格子構造近似法と勾配法を使用した熱交換器

アディティブマニュファクチャリングテクノロジーは、単一のコンポーネントでマニホールドとマイクロチャネルを製造し、2つのコンポーネント間の適切なインターフェイスを確保できます。このテクノロジーを使用すると、より複雑で最適化されたチャネル設計も実現できます。これは、従来のテクノロジーでは非常に難しい場合があります。研究によると、ステンレス鋼のフィンの厚さを150μmから50μmに減らすと熱伝達効率が20〜40％向上し、マニホールドの厚さを300μmから150μmに減らすと熱伝達効率が10〜30％向上することがわかっています。ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金で印刷されたマイクロチャネルの研究では、フィンとマイクロチャネルのサイズ誤差が約20％であることがわかりました。さらに、一部のチャネルは残留粉末のためにブロックされていました。チタン合金と比較して、ステンレス鋼サンプルのサイズ誤差はより顕著です。同様の形状と予想される寸法を持つ3つのサンプルの熱伝達係数と圧力損失パラメーターの違いは、製造プロセスの不正確さによるものです。将来的には、3D印刷がより高い製造限界と精度に達することができれば、熱交換器の熱交換効率はさらに向上します。

ハニカム構造はより高い熱伝達性能を持っています

多孔質材料には多数のボイドが含まれているため、バルク材料に比べて構造的および機能的特性が向上します。商業的に購入された発泡金属はそのような多孔質材料であり、優れた熱的および機械的耐荷重能力を有すると報告されています。周期的に配置された格子構造材料は、構造エンジニアによって広く探求されてきました。ランダムにオープンセルの発泡金属と比較して、セルの自己集束トポロジーは、より優れた強度と剛性特性を提供できます。アディティブマニュファクチャリングは、カスタマイズされた形態パラメータを使用して結晶格子を自由に作成できるだけでなく、ハニカム構造全体を基板に印刷することで、追加の熱界面材料抵抗を排除します。



3Dプリントされた新しい層状フラクタルボリュームソーラーアブソーバー。全体的な熱変換効率は、従来の炭化ケイ素ハニカムと同等です。



さまざまなセルトポロジ



GEの3Dプリントニッケルベースの超合金熱交換器は、高温高圧環境で使用されます

ハニカム構造は熱伝達と圧力損失が高くなりますが、全体的な利点はセルのトポロジーに依存します。主な熱伝達メカニズムによって、ハニカム構造を特定のアプリケーションで使用できるかどうかが決まります。たとえば、強制対流で最高のパフォーマンスを発揮するハニカム構造は、自然対流では最高ではない場合があります。バイオニック技術は、複雑なバイオニックハニカム構造を製造するための3D印刷技術の可能性を大いに刺激することができます。最小の三重周期表面を持つ構造は、より高い表面対体積比と高い有効熱伝導率を持っていることが証明されています。

終わり

実験室および商業規模の熱交換器を製造するための実行可能なオプションとして、付加的な製造技術は、熱交換の効率を大幅に改善し、重量とコストを削減しています。アディティブマニュファクチャリングテクノロジーは、生産の最適化と複雑な形状の点で従来のテクノロジーより優れていますが、部品の品質は比較的劣っています。アディティブマニュファクチャリングテクノロジーは確かに有用ですが、詳細かつ体系的に検証する必要があります。現在の3D印刷技術は従来の方法に取って代わることはできませんが、3D印刷技術の継続的な進歩により、これらの固有の欠点が徐々に解決され、軽量で多機能で効率的な熱交換器が製造されます。