古典的な熱交換器の作成に関する問題
デザインの限られた自由
鋳造、溶接、ろう付けは、従来の熱交換器が作られる基本的な方法の一部です。これらの手法は、内部の複雑なチャネルアーキテクチャ、小さなチャネル幅、ユニークな表面の特徴を取得するなど、複雑な幾何学的な形を作るのに多くの苦労を抱えています。たとえば、チューブバンドルの配置方法と、シェルおよびチューブの熱交換器のチューブ内のフローチャネルの形状は、処理技術によって制限されます。これにより、流体の流れ特性に基づいて最良の方法で設計することが難しくなり、熱伝達効率をさらに改善することが困難になります。
構造の最適化に関する問題
熱交換器の動作を改善するには、その構造を改善する必要があります。たとえば、熱伝達領域は大きくする必要があり、流体の流れ状態を改善する必要があります。しかし、従来の方法を使用して複雑な内部構造を持つ熱交換器を作るのは高価であるだけでなく、長い時間がかかるだけです。たとえば、プレートフィンの熱交換器のフィン構造は、熱伝達エリアを大きくすることができますが、典型的な製造方法でフィンの形状と間隔を正しく管理することは困難です。これにより、熱交換器が全体的にうまく機能しなくなります。
材料の使用が少ない
従来の生産では、プロセス中に多くの材料を削除する必要があります。つまり、材料はあまりよく使用されていません。これにより、生産コストが上昇するだけでなく、リソースも無駄になります。たとえば、切断プロセスのために大きな熱交換器を作っている間、多くの金属が無駄になります。廃棄物を取り除くことも、環境にある程度のストレスをかけます。
金属3D印刷を使用して、うまく機能する熱交換器を作ることの利点
非常に柔軟な設計オプション
Metal 3D Printingは、コンピューター-支援設計（CAD）モデルを使用して、実質的に複雑な形状の熱交換器を作成します。設計者は、流体がどのように移動し、どのくらいの熱を交換する必要があるかに応じて、異なる内部フローチャネル構造で熱交換器を作ることができます。たとえば、スパイラル、波状、または分岐の流れチャネルを持つ熱交換器を作成して、流体の流れプロセスをより乱流することができます。これにより、熱伝達係数が増加します。また、熱交換器の表面に小さな隆起やディップを作成して、流体の流れをより不規則にし、熱伝達をさらに良くすることができます。
正しい構造最適化
金属3D印刷技術を使用して、熱交換器の内側を正確に管理して、建設に最適な設計を取得できます。たとえば、流体の流量と温度分布に基づいて、フローチャネルのサイズと形状を変更できます。これにより、熱交換器内の液体の分布がより均等になり、熱伝達の効率が向上します。熱交換器の重要な部分に針フィンや渦発生器などの構造を追加すると、局所熱伝達性能の向上にも役立ちます。金属3Dプリントは、完全に1つのピースにある熱交換器を作成することもできます。つまり、接続する必要がある部品が少なく、熱抵抗が少なく、全体的な熱交換効率が向上します。
材料の使用率
メタル3Dプリンティングは、互いの上に材料を積み重ねることで物事を作る添加剤の一種であり、ほとんど無駄を生み出します。金属3Dプリントは、従来の減算的製造方法と比較して、はるかに優れた生産コストをはるかに優れた、より低い生産コストを使用できます。たとえば、小さな熱交換器を作る場合、金属3Dプリントは材料の90％以上を使用できますが、従来の生産方法は材料の50％から70％しか使用していません。
うまく機能する熱交換器を作るための重要な技術と方法
適切な材料を選択します
うまく機能する熱交換器を作るための最も重要なことは、適切な金属を選ぶことです。ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金、およびその他の金属は、3Dプリントを作るためによく使用されます。ステンレス鋼は、腐食に耐性があり、ストレスの下で持ちこたえるのに十分な強さである必要がある一部の熱交換器に適しています。アルミニウム合金は、軽くて熱を伝導するのに適している必要がある熱交換器に適しています。銅合金は、熱を非常によく走行するため、高-効率の熱交換器を作るのに最適な材料の1つです。チタン合金は強く、腐食に耐性があり、高温を処理できます。特定の条件下で機能する熱交換器に適しています。
印刷プロセスの改善
金属3Dプリントの適切なプロセスパラメーターを選択することは、熱交換器がどれだけうまく機能するかに大きな影響を与えます。たとえば、レーザー出力、スキャン速度、層の厚さ、およびスキャン方法はすべて、印刷されたオブジェクトの密度、表面粗さ、および機械的品質をすべて変える可能性があります。印刷された熱交換器がうまく機能することを確認するには、選択した材料と設計要件に応じて、印刷プロセスパラメーターを最適化する必要があります。亀裂や変形などの問題を回避するには、印刷プロセス中に温度と応力場をモデル化および研究することも重要です。
アフターケア
それらが作られた後、金属3D印刷された熱交換器を通常、それらの表面を改善し、それらをより良くするためにさらに処理する必要があります。 -プロセスを投稿するいくつかの一般的な方法は、化学処理、熱処理、表面の研磨です。熱処理は、印刷中に発生する残留応力を取り除き、材料をより組織化し、より良いものにすることができます。表面研磨により、熱交換器の表面がより滑らかになり、流体が流れやすくなり、熱伝達がより効率的になります。化学物質を使用することにより、熱交換器の表面に保護フィルムを作成することができ、腐食の可能性が低くなります。
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