적층 제조로 열교환기 모델 개선

적층 제조의 발전으로 인해 우리가 항상 당연하게 여겼던 새로운 부품 설계가 갑자기 가능해지고 있습니다. 산업 혁명 이후로 사용된 모든 유형의 기계에 공통적인 산업 구성요소인 열교환기를 예로 들어 보겠습니다.

열교환기의 본질적인 기능은 일반적으로 기계 조각을 통한 유체 흐름(기체 또는 액체)에 의해 한 장소에서 다른 장소로 열을 이동시키는 것입니다. 냉장고, 용광로, AC 시스템, 운송, 정유 공장, 상업 환경, 병원 등 거의 모든 산업 응용 분야, 거주지 및 뜨겁고 차가운 문제가 있는 모든 곳에서 사용됩니다. 열교환기에 대한 전 세계 수요는 2020년까지 미화 781억 6천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

열교환기를 보다 효율적으로 만드는 문제는 오랫동안 산업 엔지니어를 괴롭혀 왔습니다. 일반적인 열교환기는 금속으로 만들어지며 직각, 직선 및 스택으로 구성된 직사각형 구조를 가지고 있습니다. 이들은 전통적인 기술을 사용하여 가장 쉽게 제조할 수 있는 형태의 유형이지만 좁은 공간에서 열 교환을 극대화하기 위한 최상의 형태는 아닙니다.

적층 제조를 사용하여 열교환기를 보다 효율적이고 가볍고 저렴하며 그 어느 때보다 효율적으로 만드는 방법이 있음이 밝혀졌습니다. Fast Radius의 최고 과학 책임자인 Bill King은 최근 일리노이 대학교에서 기계 공학 교수로 재직하면서 엔지니어링 패러다임에 대한 혁신적인 연구를 주도하는 연구 프로젝트를 이끌었습니다. 이 프로젝트와 King이 공동 저술한 후속 논문에서는 적층 제조를 사용하여 열교환기 부품을 제조하는 방법을 보여주며 기존 열교환기에 비해 크게 개선되었습니다.

이 Q&A에서 King은 적층 제조가 열교환기의 기존 모델을 개선한 이유와 이 혁신이 일반적으로 제조 분야에서 흥미로운 이유에 대한 통찰력을 제공합니다.

기존 열교환기의 한계는 무엇이었습니까?

대부분의 사람들은 자동차 라디에이터가 어떻게 생겼는지 잘 알고 있습니다. 얇은 금속 핀이 많은 튜브 뱅크입니다. 크고 뭉툭한 모양이며 기본적으로 직사각형입니다. 대부분의 엔지니어는 열교환기의 새로운 형상이 성능을 향상시킬 것이라는 점을 인정하지만 지금까지는 이를 달성할 수 없었습니다.

대부분의 설계에서 열교환기의 구성 요소는 비교적 단순한 형상을 가지고 있습니다. 유체 통로는 일반적으로 직선적이고 매끄 럽습니다. 이러한 직선적이고 부드러운 통로는 일반적으로 구불구불하고 윤곽이 있는 통로에 비해 열 전달이 낮습니다. 그러나 불행히도 전통적인 제조 기술로는 구불구불하고 윤곽이 있는 통로를 만들 수 없습니다.

이러한 직사각형 디자인 중 일부에서 매니폴드는 기계의 유체 흐름을 유도하여 열 흐름을 목표로 하는 영역인 고온 또는 저온 영역으로 흐르게 할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 매니폴드는 개별적인 개별 구성 요소로 만들어집니다. 부품을 따로따로 만들어 조립할 경우, 조립 및 품질 검사에 따른 추가 비용과 노동력이 발생합니다.

가공된 매니폴드 장치의 사진. (a) 매니폴드 장치의 전체 모양. (b) 정적 믹서가 없는 매니폴드 장치와 (c) 믹서가 있는 매니폴드 장치의 전면 보기. (d) 통합 매니폴드 장치가 있는 정적 혼합기의 측면 개략도.

적층 제조를 사용하는 열교환기에 가능한 것은 무엇입니까?

적층 제조를 사용하면 에너지 효율성, 시스템 성능 및 더 적은 양의 유체를 사용하여 더 많은 양의 열을 이동할 수 있는 능력 면에서 이점이 있는 다양한 모양의 열교환기를 만들어 사용 가능한 "여백"을 활용할 수 있습니다.

이 연구에서 우리는 물이 열을 제거하기 위해 흐르는 매우 단순한 형상을 가진 수평 가열 플레이트인 일반적인 열교환기 아키텍처를 선택했습니다. 열교환기의 가장 간단한 구성 중 하나입니다. 적층 제조를 사용하여 적층 제조된 폴리머에서 유체 흐름을 제어하는 ​​부품인 매니폴드를 만들었습니다. 우리는 다양한 기술과 재료를 사용하여 디자인을 테스트했습니다. 특히 성공적인 디자인 중 하나는 Carbon Digital Light Synthesis 및 Cyanate Ester를 사용하여 만들어졌습니다. 그 재료는 내열성이 매우 높기 때문입니다. 결과 열교환기는 냉각 유체가 핫 플레이트에서 효율적으로 열을 제거하도록 하는 혼합 구조를 사용합니다.

Carbon Digital Light Synthesis와 시아네이트 에스테르를 사용하여 만든 직사각형 트위스트 테이프 믹서

폴리머는 금속보다 열전도율이 훨씬 낮기 때문에 열을 전달해야 하는 부품에는 폴리머를 사용하지 않습니다. 그러나 적층 제조를 사용하면 믹서를 유동 채널에 직접 제작한 다음 가열된 플레이트에 조립할 수 있습니다. 우리는 두 가지 유형의 혼합 구조를 분석했습니다. 기존의 정적 혼합기와 같은 꼬인 테이프 구조와 새로운 쉐브론 모양의 오프셋 날개 구조입니다.

조작된 기기의 이미지 (a) 정적 혼합기가 없는 직사각형 채널(일반 채널) (b) 직사각형 채널 트위스트 테이프 믹서; (c) 쉐브론 믹서가 있는 직사각형 채널.

어떤 결론을 내렸나요?

우리는 열 교환기 성능의 상당한 개선을 성공적으로 입증하여 적층 제조 설계를 사용하여 만든 제품 및 도구의 에너지 효율성을 높일 수 있었습니다. 전반적으로 적층 제조로 생성된 혼합 구조가 있는 경우 열전달 성능이 약 2배 향상되는 것을 확인했습니다. 이것은 가능한 한 많은 열을 제거하는 것이 목표인 시스템에서 큰 문제입니다. 더위가 2배입니다.

다른 유형의 산업 상황에서는 장치의 크기를 최소화하면서 열교환을 최대화하는 것이 목표일 수 있습니다(예:차량의 크기와 무게가 성능에 영향을 미치는 고성능 자동차를 설계할 때). 원하는 결과를 얻으려면 열교환기를 아래로 내리십시오. 적층 제조는 이러한 종류의 맞춤화를 응용 프로그램별 목표에 대해 매우 유연하게 만듭니다.

이러한 새로운 형상을 활용하면 모든 유형의 기계 및 기기 제조에 큰 발전이 있을 것입니다. 우리의 연구는 증가된 열 전달을 허용하는 새로운 기술을 활용할 수 있는 전 세계 엔지니어의 손에 이러한 결과를 제공하는 데 도움이 될 것입니다. 매우 흥미진진합니다.

Fast Radius로 부품을 만들 준비가 되셨습니까?