Alors que les techniques de fabrication traditionnelles sont encore utilisées pour les grands échangeurs de chaleur industriels, la fabrication additive métallique trouve de plus en plus d'applications dans des conceptions plus petites et plus compactes telles que l'électronique, les applications d'énergie renouvelable, les cycles de réfrigération, les piles à combustible, les véhicules à moteur à combustion interne et éventuellement les véhicules électriques. Le principal avantage de cette technologie est une plus grande liberté de conception, qui devrait permettre un transfert de chaleur plus efficace tout en réduisant le nombre de pièces nécessaires. Cela se traduit par moins d'espace et d'utilisation de matériaux, ce qui permet d'utiliser des appareils plus légers pour gérer des charges thermiques et des densités de puissance plus élevées.
Il existe plusieurs façons de tirer parti de la fabrication additive pour des échangeurs de chaleur plus efficaces.
1. Augmentez la surface disponible pour l'échange de chaleur grâce à l'utilisation de structures en treillis, d'ailettes épinglées et de microcanaux. Toutes ces caractéristiques permettent un transfert de chaleur plus élevé au prix d'une plus grande chute de pression à travers l'échangeur de chaleur. En particulier, la structure de la grille, si elle n'est pas conçue correctement, peut nuire à l'efficacité globale du système en raison de la résistance accrue à l'écoulement du fluide. D'autre part, les ailettes épinglées sont presque toujours bénéfiques : alors que seules des améliorations mineures sont attendues des ailettes circulaires et elliptiques, les ailettes en diamant, aérodynamiques et rectangulaires offrent les taux de transfert de chaleur les plus élevés par perte de charge.
2. Augmenter la turbulence d'écoulement dans les canaux internes. Des courants de Foucault sont créés en flux axial pour créer un champ de vitesse orthogonal carré, réduisant l'épaisseur de la couche limite et favorisant l'échange de chaleur. Ce vortex peut être créé par des tubes torsadés ou des générateurs de vortex. Ce dernier peut être réalisé avec la technologie de fusion laser sélective (SLM/DMLS) sans montage et presque sans frais supplémentaires avec le corps de l'échangeur de chaleur et fournit une augmentation de 40 % du coefficient de transfert de chaleur avec seulement des pertes de basse pression.
3. Obtenu par la méthode de la surface rugueuse. Bien que des améliorations des coefficients de transfert de chaleur allant jusqu'à 70 % puissent être obtenues, cette approche augmente considérablement le coefficient de frottement, ce qui entraîne à son tour des pertes de pression plus élevées. Cet effet devient encore plus important pour les microcanaux de petits diamètres hydrauliques.
En fonction de l'application spécifique et de la géométrie globale, ces améliorations peuvent aider les concepteurs à atteindre leurs performances cibles en tirant parti de la liberté de conception qu'offre Metal AM pour concevoir des dispositifs de gestion thermique rentables et hautes performances.