コンパクトなカートリッジ式3Dプリント熱交換器
私たちは、トランスミッション用途の既存のマイクロチューブ熱交換器と同等かそれ以上のものを、大幅に価格を下げて提供することを目指しました。 3Dプリンティング
目的
業界トップクラスの性能を発揮するコンパクトなカートリッジ式熱交換器を開発
私たちの意図は、この熱交換器のコンパクトなカートリッジ設計が、従来のHX設計プロトコルでは不可能だった比類のないレベルのカスタマイズ性と保守性を顧客に提供できることを証明することでした。また、アディティブ・マニュファクチャリング技術を用いたカートリッジの製造が、顧客にとってよりコスト効率の高い結果をもたらすことを実証したかったのです。
具体的には、カートリッジHXをギアボックスのオイル冷却用に開発したが、その過程で、カートリッジ設計が他の状況にも適用でき、価格も抑えられることを実証した。
設計段階
Conflux Core™ テクノロジーにより、保守性と互換性を実現
トランスミッション用途の既存のマイクロチューブ熱交換器と同等かそれ以上の性能を、大幅な低価格で実現すること。以下の課題をクリアする必要があった：
- 保守性、互換性、カスタマイズが容易
- 低コスト、軽量
- 40mm×40mm×30mmの容積で、包装要件を満たす
- 熱伝達率目標5.7kWを達成
- 熱交換器全体の圧力損失を油側で45kPa未満、水側で50kPa未満に維持する。
- 600kPaの使用圧力に耐える
- ソリューション
境界条件を設定した後、私たちはHXカートリッジコアの詳細設計を行い、さまざまな計算を行うことで、設計要件と、さまざまなパラメータが性能に与える影響をより深く理解しました。
私たちは、コア形状の設計ライブラリを使って、フィンの高さ、フィンの厚さ、フィンのピッチ、流路間隔をテストし、圧力損失を最小限に抑えながら熱伝達を最大化する設計を選択しました。
自動車用ギアボックスで使用されているコンフラックスカートリッジ
シミュレーション
数値流体力学を活用し、より優れた精密化能力を実現
シミュレーションには2つの課題があった。第一に、選択したコアの形状が、圧力損失を最小限に抑えながら熱伝達を最大化できることを確認すること。第二に、ポンプの必要量を計算する際に、マニホールドの影響を正確に考慮すること。
コアのジオメトリー性能
この初期形状を用いて、数値流体力学（CFD）シミュレーションを実施した。これにより，HX コアに関連する熱伝達率と圧力損失をより正確に推定することができました．このシミュレーションは，CFD シミュレー ション専用に最適化された社内の高性能コンピュー ティングクラスターで，ANSYS Fluent を使用して 実施した．
メッシュ作成は、CFDプロセスにおいて必要なステップである。これは、すべての固体と流体の領域を膨大な数の小さな領域に分割し、そこから数値解を求めるものです。結果の安定性と精度を確保するためには，良質なメッシュが必要である．メッシュは標準的なメッシュ作成方法に基づいて作成した。膨張層はすべり止めの壁に作られ、サイジング制御により良好なメッシュメトリックが確保された。
シミュレーションには、適切にスケーリングされた境界条件が用いられた。さらに、温度、圧力、速度のさまざまなコンターとベクトルを生成し、コアの性能をより詳細に評価しました。これらのCFDシミュレーションにより、スプレッドシートによる計算では得られなかった、さらなる改良のための性能に関する洞察が得られました。
マニホールドへの影響
マニホールドは、流体の入口流路を受け入れ、熱交換器のコアを通って出口流体流路に導くために必要である。マニホールドは、熱交換器を通過する流体の圧力損失を増加させるため、ポンプ要件を計算する際に考慮する必要があります。
当社のCFDエンジニアは多孔質媒体モデリングを行い、マニホールドに伴う圧力損失とその影響を評価しました。
製造業
この例では、密度が低く熱伝導性に優れたアルミニウム（AlSi10Mg）を印刷材料として使用した。
デザインガイドを導入することで、設計段階でのサポートの必要性を回避することができました。CADモデルを当社のAMソフトウェアにインポートし、パーツをレイヤーごとに造形できるようにしました。この時点で、造形を補助する最小限のサポート構造が追加され、造形プロセスを最適化するためにさまざまな印刷方向が検討されました。
私たちは、1枚のプレート上に多数のカートリッジを入れ子にして製造する最適な印刷戦略を開発し、従来の製造プロセスと比較して製造時間を大幅に短縮しました。
後処理では、ビルドプレートからカートリッジを取り外し、当社独自の脱パウダリング工程を実施し、内部チャンネルがクリアでパウダーフリーであることを確認しました。気密壁を確認するため、部品を水に浸し、圧縮空気でリークテストを行いました。
後処理後、寸法精度を確保するため、ポータブル測定アームスキャナーを使ってカートリッジを検査した。その結果、寸法精度の高いCADデータと比較することができました。このプロセスは、嵌合面や取り付け位置が指定の公差内にあることを確認するためにも使用できます。
結果様々な用途に利用しやすいカートリッジ式熱交換器
カートリッジの取り付けとメンテナンスが簡単なのもうれしい。ハウジングを開け、カートリッジを取り外し、必要に応じて点検し、交換するだけです。これは、粒子や汚染物質の可能性がある流体用途に有益であることがわかります。
このカートリッジはオイル冷却用に製造されましたが、設計はオイル、水、あるいは液体アプリケーションに限定されません（必要に応じて内部形状をガスフロー用に変更可能）。カートリッジHXは、電気および燃焼エンジン用トランスミッション、パワーステアリング、バッテリー熱管理、EVモーター冷却、水素システム、冷凍など、幅広い用途に使用できます。
