ケーススタディ:コンフラックス社3Dプリント製の水冷インタークーラー「WCAC」

結果概要:コンフラックス社製WCAC*の場合

水側の圧力損失を82%低減

湿重量を39%削減

空気側の圧力損失を24%低減

コア容積を15%縮小

大幅なコストダウン

*主要なマイクロチューブWCACと一定の熱交換で比較した場合

高性能車向けに素早く設定可能なWCAC

コンフラックスの水冷インタークーラー(WCAC)は、「コンフラックスの違い」を完璧に表現しています。超高性能で、拡張性があり、独自の境界条件、性能、パッケージング要件を満たすように設計された3D金属プリント製熱交換器です。

コンフラックスWCACは、性能の向上だけでなく、競合他社と比較した場合のコスト削減も実現しています。これは、大規模で高性能なWCAC市場における重要なドライバーであり、特にコスト上限が設定されているモータースポーツカテゴリに関連しています。

このWCACは当社のConflux CoreTM技術の開発により、流体をより均等に分散させるという設計上の利点を備えています。これらの熱交換器は過酷な条件下で優れているため、特にプロのモータースポーツに適しています。円筒形、長方形、特注品など、さまざまな搭載条件や形状決定因子があるため、あらゆる設備に利用できるオプションがあります。

モータースポーツで培った経験と、困難な課題を克服する決意をもとに、F1組織と協力して技術に磨きをかけました。その結果生まれたWCACは、コンフラックス初の半既製製品であり、製品化への最初のステップとなりました。

性能要件は設計の原動力です。お客様の熱交換器の用途をお聞かせいただければ、迅速に評価いたします。 

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目的:超高性能積層造形(AM) WCACを競争力のある価格で実現する

金属3Dプリンターの一種であるレーザーパウダーベッドフュージョン(LPBF)の進歩は、マイクロチューブ熱交換器のような従来の空気冷却用熱交換器の業界標準を改善するチャンスであると私たちは考えました。
具体的には、最大の伝熱性能と、その他の性能向上のための多くの主要な利点を実現したいと考えました。

- 部品の小型化

- 軽量化

- 空気側の圧力損失低減

- 冷却水の圧力損失低減

- コスト削減

「私たちがやっていることは、とても難しいことなのです。私たちは、非常に現実的で整然としたプロセスで製品を開発しています。これを開発したのは私たちが初めてです。これは、文字通り、最先端です。

コンフラックス・テクノロジー社 技術責任者 グレン・リース氏

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解決策

私たちは、微小流体スケールでのさまざまなコア形状の設計とシミュレーションに時間を費やしました。設計とシミュレーションを迅速に繰り返すことで、超効率的なコアを集中的に開発することができました。マニホールドについても同様に集中的な開発手法を適用し、コアの両側における質量流量の分布と圧力損失のトレードオフを最適化しました。

その結果、高い伝熱性能と低い圧力損失、そしてコアを通る均一な質量流量を実現しました。これは、高いレベルのコンパクト性を考えると、特に印象的なことです。

設計を簡単に調整するために、パラメトリック・モデリングの手法を活用しました。コアの寸法、断面、部品の長さ、入口と出口の形状や位置などをすばやく調整することができます。これにより、異なるアプリケーション、異なる境界条件、パッケージング要件に合わせて、迅速に設計を見直すことができます。

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デザイン:空気冷却性能と調整可能なデザイン

最大の課題は、性能面だけでなく、重量と容積の目標値をクリアすることでした。つまり、非常にコンパクトな熱交換器を作る必要があったのです。圧力損失のベンチマークデータをクリアしながら、必要な表面積を競合より小さな容積に収めるには、工夫が必要でした。

また、このWCACでは、1つの入口からコア全体に流れる多数の細い流路に、いかに均一に流体を分配するかというマニホールドの開発にも大きなチャレンジがありました。また、高圧の空気をコアに送り込みながら、コア自体の閉塞による空気側の圧力損失を最小限に抑える効果的な方法を見つけることも必要でした。

そして、さらに商品価値を高めるためには、設計を効果的に製品化する必要がありました。そのため、CADモデルは迅速に修正できるように構築する必要がありました。

シミュレーション:精度と複雑な幾何学的形状

シミュレーションの段階で私たちが最も重視しているのは、お客様が目標とする性能を満たすことです。前述の通り、Conflux WCACの課題は、与えられた容積の中で非常に小さな圧力損失で伝熱性能を達成することでした。

シミュレーションでは、形状を細かくすればするほど、モデルも大きくなり、ファイルサイズも大きくなります。その結果、ハイスペックな専用計算機クラスタでも、シミュレーションに時間がかかってしまいます。

さらに、LPBF方式での製造では、CADモデルの滑らかな表面とは対照的に、粗い表面になってしまいます。このため、性能、特に熱交換器内の圧力損失を正確に予測する上で問題がありました。

解決策

私たちの解決策は、実際に機能する形状を開発することでした。これは、実用的なシミュレーションを行い、設計-シミュレーション-設計のループを繰り返しながら、望ましい性能に達するまで開発を進めることで実現しました。

この次のステップは、フルサイズのAM WCACで実験室ベースの熱量測定テストを行うことでした。私たちの開発プロセスの一環として、実験室試験の結果とシミュレーションの結果を比較することがあります。これによって、シミュレーションモデルの相関性を高め、予測精度を向上させることができるのです。お客様が別の境界条件を持ってきたときにも、私たちはデータベースに蓄積された相関関係に基づいて、自信を持って対応することができます。

図1. 環状型WCAC HXマニホールド内の水流

製造 :成形、粉体除去、保持圧の成功

挑戦

WCACには6万枚以上のフィンがあり、それぞれが複数の接続部を持つため、故障の可能性が非常に高いのです。部品が圧力を維持できるようにコアの形状を製造プロセスで管理することは、かなりの難題でした。 

さらに、LPBF製造では、製造後、熱交換器のコア内部に未溶融の粉末が残ります。複雑な形状のコアには非常に小さな溝があるため、粉末の除去が大きな問題となりました。小さな複雑な形状で表面が粗いものは、粉体を保持するのに非常に効果的となってしまいます。 

解決策 

部品ごとに開発、テスト、最適化された解決策は、圧力を保持し、残粉の出ない成形を成功させるための唯一の方法です。薄肉構造の信頼性と安定性に影響を与える要因は数多くあり、そのすべてを考慮し、バランスをとる必要があります。

粉体除去は多面的なアプローチが必要な分野であり、異なる形状に対して非常に敏感です。コンフラックスでは、いくつかの異なる独創的な技術を調和させながら採用しています。

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結果:競争力のある価格を実現したプレミアムWCAC

無数の課題をクリアし、コンフラックス・テクノロジー社はプロジェクト開始時に示された目標を上回るWCAC熱交換器を作り上げましました。

コンフラックスの水冷式インタークーラー(WCAC)は、その適応性の高い設計、埋め込まれた複雑さ、高効率/低質量、迅速な設定により、高性能車のためのゴールドスタンダードであり、他のアプリケーションのニーズを満たすために容易に変更することが可能です。

すべてのテスト結果を深く知りたい方は、当社の専門家に技術的なプレゼンテーションをご依頼ください。

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