Während traditionelle Fertigungstechniken immer noch für größere industrielle Wärmetauscher verwendet werden, findet die additive Metallfertigung zunehmend Anwendungen in kleineren, kompakteren Designs wie Elektronik, Anwendungen für erneuerbare Energien, Kühlzyklen, Brennstoffzellen, Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und schließlich Elektrofahrzeugen. Der Hauptvorteil dieser Technologie ist eine größere Designfreiheit, die eine effizientere Wärmeübertragung ermöglichen und gleichzeitig die Anzahl der benötigten Teile reduzieren soll. Dies führt zu einem geringeren Platz- und Materialverbrauch, so dass leichtere Geräte verwendet werden können, um höhere thermische Lasten und Leistungsdichten zu bewältigen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Vorteile der additiven Fertigung für effizientere Wärmetauscher zu nutzen.
1. Vergrößern Sie die für den Wärmeaustausch verfügbare Fläche durch die Verwendung von Gitterstrukturen, gepinnten Lamellen und Mikrokanälen. All diese Eigenschaften ermöglichen eine höhere Wärmeübertragung auf Kosten eines größeren Druckabfalls über den Wärmetauscher. Insbesondere kann die Gitterstruktur, wenn sie nicht richtig ausgelegt ist, den Gesamtwirkungsgrad des Systems aufgrund des erhöhten Widerstands gegen Flüssigkeitsströmungen beeinträchtigen. Auf der anderen Seite sind gepinnte Lamellen fast immer von Vorteil: Während von kreisförmigen und elliptischen Lamellen nur geringe Verbesserungen zu erwarten sind, bieten Diamant-, Aerodynamik- und Rechteckflossen die höchsten Wärmeübertragungsraten pro Druckabfall.
2. Erhöhen Sie die Strömungsturbulenz in den internen Kanälen. Wirbelströme werden in axialer Strömung erzeugt, um ein quadratisches orthogonales Geschwindigkeitsfeld zu erzeugen, das die Dicke der Grenzschicht reduziert und den Wärmeaustausch fördert. Dieser Wirbel kann durch verdrehte Rohre oder Wirbelgeneratoren erzeugt werden. Letzteres kann mit der Selecting Laser Melting Technology (SLM/DMLS) ohne Montage und fast ohne zusätzliche Kosten mit dem Wärmetauscherkörper erreicht werden und bietet eine 40%ige Erhöhung des Wärmedurchgangskoeffizienten bei nur geringen Druckverlusten.
3. Erhalten durch das Verfahren der rauen Oberfläche. Während Verbesserungen der Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 70% erreicht werden können, erhöht dieser Ansatz den Reibungskoeffizienten deutlich, was wiederum zu höheren Druckverlusten führt. Dieser Effekt wird für Mikrokanäle mit kleinen hydraulischen Durchmessern noch wichtiger.
Abhängig von der spezifischen Anwendung und der Gesamtgeometrie können diese Verbesserungen Konstrukteuren helfen, ihre Zielleistung zu erreichen, indem sie die Designfreiheit nutzen, die Metal AM bietet, um kostengünstige, leistungsstarke Wärmemanagementgeräte zu entwickeln.