エネルギー、石油、ガス用大型熱交換器：積層造形の役割の増大
エネルギー産業は常に、より効率的で持続可能な産業となることを求められている。搾り取られたマージンと急速に進化する規制環境が、新しい改善された技術を採用するための中心的な原動力として、プロセス／アウトプットの効率化を義務付けているからである。太陽光やグリーン水素のような「環境に優しい」エネルギー源と、石油・ガスの両方に共通するのは、保守可能なシステムと信頼性の高い部品供給によってダウンタイムとOPEX（運転経費）を最小化し、プロセスを稼動させ続け、可能な限り最高レベルの出力を維持できるようにすることである。
アディティブ・マニュファクチャリングは、多くのエネルギー関連アプリケーションに有望な応用がある：3Dプリンターによるバッテリー電極やコンデンサー、エネルギー移動を制御できる微細構造、ソーラーパネル表面や屈折コーティング、新しい燃料電池設計、光触媒リアクターなどである。
熱伝導アプリケーションもまた、積層造形から大きな利益を引き出すのに適している。熱の発生とそれに続く伝達は、貯蔵エネルギー源の生成プロセスの大部分を占めているため、効率向上の機会を与える技術の進歩は、探求と進歩の対象である。AMは、熱伝達の効率を高めたり、熱交換器を小型化・軽量化できるようにこのプロセスを強化したりする可能性があるため、エネルギー産業に大きな影響を与えることができる。
エネルギー用途の熱交換器
エネルギー・アプリケーションは通常、高レベルのヒヤリングを伴う。これは、極端な体積、圧力、温度の1つ以上に相当する。
石油・ガス・エネルギー産業における熱交換器は、分解、常圧蒸留、多数の機械操作からの熱除去などの重要なプロセスに使用され、通常、サイズが1m3を超え、状況によっては長さが20mにもなる非常に大きなものです。一般的な熱交換器には、シェル＆チューブ型、プレート型、チューブ型、パイプ型などがあります。これらの伝統的な製造方法は、十分なスペースがある限り比較的拡張性があり、これらの産業で必要とされる大量の熱伝達のための非常に大きなユニットの設計と製造が可能です。
エネルギー貯蔵の課題と「グリーン」水素の役割
私たちはより環境に優しいエネルギーを作り出すことができる。私たちが克服しなければならない次のステップは、このエネルギーを貯蔵し、私たちが望むように使用できるようにすることである。持続可能なエネルギー源からのエネルギーを貯蔵する最前線であるグリーン水素は、適切な電力源からの電気を使い、電気分解によって水分子を分解し、水素を取り出し、副産物として酸素だけを残す。
水素の貯蔵と輸送には、圧力と温度の変化、つまり熱の移動が伴う。現在、最も一般的な水素貯蔵・輸送の形態は以下の通りである：
- 極低温での液化
- 高圧貯蔵（通常350～700バール
- 金属水素化物、有機化合物、またはアンモニアを利用して、水素をよりエネルギー密度が高く輸送しやすい形態に変換して取り出す。
- ガスパイプラインは、多くの場合、既存の天然ガスインフラを活用して水素に対応できるように改造する。
水素を凝縮して燃料として使用できる液体にするには、多段階のプロセスで冷却する必要がある（1気圧での水素の沸点は-253℃）。液化水素の輸送は複雑で、高度に断熱または冷却された極低温容器が必要となり、輸送中のスロッピングによる損失が悪化する。一旦圧縮された水素は、表向きは輸送しやすいが、密度は液化水素よりはるかに低い。室温で350バールまたは700バールに圧縮された24または40g/Lに対し、1気圧、-253℃の液体水素は70g/Lである。高圧縮ガスは、事故時に爆発的な減圧を引き起こす危険性もある。
水素の局所凝縮を可能にする分散型ソリューションは、輸送の課題を回避するが、局所的な圧縮または冷却装置と熱伝達を必要とする。一般的に想定される水素の小規模ユーザーとしては、水素燃料電池電気自動車（FCEV）、住宅・商業用水素ヒートポンプ、発電機などがある。
このような小規模ソリューションにおける熱伝達の管理には、現在、溶接プレート式熱交換器やプリント回路式熱交換器（PCHE）のような、より近代的で「コンパクトな」工業用熱交換器が採用されている。これらは、エッチングされた金属の層が圧縮・加熱され、材料本来の強度と特性を備えた1つのブロックに融合するまでの、伝統的な製造や拡散接合を用いて作られた堅牢なユニットでもある。
これらの熱交換器技術は長い間使用され、長年にわたって改良されてきた。例えばPCHE熱交換器は、比較的「新しい」熱交換器でありながら、生産開始から約40年が経過している。そのため、認証基準、プロセス、耐久性に関するデータは十分に定義されており、性能、設計寿命、信頼性、サービス要件に関する強力なデータを提供している。
このようなソリューションの多くは、金型費用の高い特注機械を活用するため、製造時間とコストが高くつく可能性がある。移動式やスペースに制約のある用途では、比較的かさばり、重いかもしれない。
エネルギー熱交換器におけるアディティブ・マニュファクチャリング
より効率的に、より持続可能な方法を開発する必要性に後押しされ、エネルギー企業はAM技術が提供する利点とソリューションを急速に探求しており、この技術が現在および近い将来の状態で提供できる課題と機会の両方を理解している。
エネルギー熱交換器における積層造形の利点
AMが提供する中核的な利点は、熱伝達プロセスを強化し、メンテナンス・プロセスに新たなアプローチを提供する能力である。設計の新たな自由度、オーダーメイドのパッケージング、斬新な素材やプロセスを活用する機会が、より高い性能と低い圧力損失を実現し、体積、サイズ、重量の削減も可能にする。モノリシック部品と分散製造の約束は、大型資産に関連する運用経費の潜在的削減と、サプライチェーンとサプライヤーのリスクの低減を促進する。
- パフォーマンス- 従来の金型の制約から解放され、まったく異なる「エキゾチックな」コア形状を設計できることは、コア形状が、与えられた流体に対してより効果的な熱伝達を生み出すことができることを意味する。小規模なフィンやタービュレーターを流路の固有要素としてプリントすることで、圧力損失を最適化しながら、不要な流体の境界層を減らすことができます（詳細はこちら）。流体特性の正確なシミュレーションにより、特定のコアの形状をアプリケーションの特定の境界条件に合わせて変化させることができ、さらに冷却される流体の変化する特性に合わせて最適化するためにコア内で変化させることもできます。複数の流体を一つのコアに比較的簡単に組み込むことができ、システム内の効率をさらに高めることができます。
- オーダーメイドの寸法と梱包- AMはまた、熱交換器の全体的な寸法や形状に関する自由度を向上させます。熱交換器は、他のシステム・コンポーネントやスペースの制約に合わせて輪郭を変えたり、従来から製造されているハウジングに適合するカートリッジやインサートとして開発することができる。急進的な形状は、性能に影響を与える可能性はあるものの、最終的なコストへの影響は非常に小さい。
- 軽量化、体積削減、小型化- 高効率の熱交換は、暗黙のうちにバルク、重量、材料の使用量を少なくする。限られた容積の中で大きな効率が得られるプロセスや、多流体熱交換器が採用できるプロセスでは、伝熱ループ全体を取り除くことができる。
- モノリシック部品- 単一の部品は、単一の投入材料で生産され、BOMを削減することができる。これは、接合部における固有の不具合箇所を削減または除去する可能性があるが、製造工程では、他の課題を回避するために、校正、パラメーター、設計の慎重な管理も必要となる。
- 新しい素材とプロセス- 複雑なマイクロ・ナノ構造を持つ新素材の研究は、エネルギー分野全体に多くの用途を生み出している（概要についてはLi Zhangらの記事を参照）。熱交換器では、熱伝導率が高く、軽量で耐久性の高い新しい合金が研究されている。
- 分散製造- 付加製造部品は、高度に専門化された金型に頼ることなく、使用現場の近くで、あるいは使用現場で「印刷」できる可能性を秘めている。現在のところ、後処理要件、機械較正、IP保護など、非常に複雑な問題があるが、これは輸送コスト、在庫レベル、サプライチェーンリスクを削減し、長期的にはサービス性をさらに向上させる可能性を秘めている。
アディティブ・マニュファクチャリングで大規模な熱交換器を作るには？
アディティブ・マニュファクチャリングは、必要とされる大規模なスケールで「金属をプリント」するための適切な技術を開発中である。機械の大型化とモジュラー・アレイの作成という2つの道がある。
しかし、金属製の熱交換器をどのくらいの大きさで印刷できるのだろうか？小規模な機能を印刷するためには、一般的にレーザー粉末床融合（LPBF）機が使用される。市販の機械で印刷できるフットプリントは、現在のところ1m3未満に限られている。例えば、AMCM https://amcm.com/ はEOSマシンをカスタマイズし、450 x 450 x 1000 mmのマシンを開発した。Directed Energy Depositionのような他の技術は、低解像度でより大きな体積を約束する（例）。
このような状況のニーズを満たすために、私たちはデザインに注目し、モジュラー・コンポーネントのセットを検討する。
モジュール式アレイ
モジュラーアレイは、より大きなユニットを形成するために結合するように設計されたセルの部品のセットである。モジュラー設計は、柔軟性、構成、拡張性、個々の部品のカスタマイズ、設計の進化、単一ユニットの交換、保守性など、多くの潜在的な利点を提供します。
プレート式熱交換器、PCHE熱交換器、溶接式熱交換器はすべて、ユニット内の繰り返し要素を重ねたり、ユニットを直列または並列に連結したりすることでモジュール化を実現している。
単一ユニット以上のスケーリングが可能なだけでなく、モジュールを再構成したり、個々のユニットを取り外したり、プロセス全体を停止することなく（例えばバルブ一式を閉じることで）メンテナンスすることができる。大規模なエネルギー生産を考えた場合、一定の生産量を維持できることの魅力は、経済的利益を考えると高い価値がある。
欠点としては、接合部でのリークポイントの可能性、一定の容積に対する効率を低下させる接合部の「デッドエリア」、複雑性とコストの上昇などが挙げられる。完全性や過剰なエンジニアリングを損なうことなくモジュールを確実に接合することは、すべての熱交換器に共通する課題であり、コンパクトさが重要なAMに適した用途では、これはより大きな問題である。
付加的に製造された熱交換器モジュールは、同様の経路をたどっているため、設計と製造の前例がある。従来から製造されているケーシングに、同様の連結戦略に従って1つまたは複数のAMコアを組み込むか、1つのAM部品であるモジュール要素の直接接合を活用する。ベストプラクティスとAM材料の溶接の影響に関する包括的なデータは、まだ普及していない。
認証と標準は進化している - AM導入の重要なステップ
システム／プラットフォーム、プロセス、材料を含むAMプロセスの流れは、規格、設計仕様、最終用途の性能目標を満たす認定部品を製造するために、一定のレベルまで適格化される必要がある。
資格認定と認証が、AM熱交換器の採用を拡大するために不可欠な2つのテーマであることは明らかであり、AM業界向けに国際規格が策定されつつある。特に航空宇宙分野では、高価値の用途のために認証される特定の部品、プロセス、設備の数が増えています。
ISO、ASME、ASTMなど様々な機関が開発中の製品固有の規格は他にも多数あり、他の業界にも広く適用できる可能性がある。例えば、National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program (NADCAP)は、現在レーザーおよび電子ビーム粉末床溶融に特化した認証可能な規格（AC7110/14）を含んでいます。
研究と商業的努力によってエネルギー分野で新たな用途が開発されるにつれ、付加製造熱交換器は、コンパクトで高価値の熱伝達効率が求められるエネルギー市場において、間違いなく成長するニッチを見出すだろう。
