Comment l'impression 3D pourrait améliorer les systèmes de refroidissement
infohightech ·
Selon une nouvelle étude, une nouvelle conception imprimée en 3D pourrait rendre une partie intégrante des systèmes de refroidissement comme les climatiseurs ou les réfrigérateurs plus petite et plus efficace.
Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs qui évacuent la chaleur. On les trouve partout : dans les centres de données, les navires, les usines et les bâtiments. L'objectif est de transférer un maximum de chaleur d'un côté à l'autre de l'appareil. La plupart utilisent l'un des modèles standard les plus simples et les moins chers à fabriquer.
« Les échangeurs de chaleur sont au cœur de l'économie industrielle. Ils sont un élément essentiel de toute machine et de tout système transportant de l'énergie », explique William King, professeur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et l'un des auteurs de la nouvelle étude . Les conceptions existantes privilégient généralement les lignes droites, les angles droits et les tubes ronds, ajoute-t-il.
King et ses collègues ont utilisé l'impression 3D pour concevoir un échangeur de chaleur qui comprend des caractéristiques permettant d'optimiser le mouvement de la chaleur, comme des parois ondulées et des bosses en forme de pyramide, qu'il ne serait pas possible de réaliser en utilisant des techniques de fabrication traditionnelles.
L'équipe avait pour objectif de concevoir un système basé sur un réfrigérant courant appelé R-134a, couramment utilisé dans des appareils comme les climatiseurs et les réfrigérateurs. Lorsque l'eau froide abaisse la température du réfrigérant, celui-ci passe de l'état gazeux à l'état liquide lors de son passage dans l'appareil. Ce réfrigérant liquide peut ensuite être acheminé vers d'autres parties du système de refroidissement, où il est utilisé pour abaisser la température de tout appareil, d'une pièce à une baie de serveurs.
La meilleure façon de refroidir le réfrigérant consiste généralement à construire des parois très fines entre les deux côtés de l'appareil et à maximiser le contact de l'eau et du réfrigérant avec ces parois. (Imaginez combien vous auriez plus froid en portant un t-shirt fin et un pantalon, allongé sur de la glace, qu'en la touchant simplement avec vos mains gantées.)
Pour concevoir le meilleur échangeur de chaleur possible, les chercheurs ont eu recours à des simulations et développé des modèles d'apprentissage automatique pour prédire les performances de différentes conceptions dans diverses conditions. Après 36 000 simulations, les chercheurs ont choisi celui qu'ils ont décidé de développer.
Parmi les composants clés : de petites ailettes dépassent du côté de l'appareil en contact avec l'eau, augmentant ainsi la surface et maximisant le transfert de chaleur. L'équipe a également conçu des passages ondulés pour le passage de l'eau, contribuant ainsi à maximiser la surface. Des simulations ont permis aux chercheurs de déterminer précisément la courbure des passages et l'emplacement précis des ailettes.
Du côté des appareils traversés par le réfrigérant, la conception comprend de petites bosses pyramidales le long des parois. Celles-ci optimisent non seulement la surface de refroidissement, mais contribuent également au mélange du réfrigérant lors de son passage et empêchent le liquide de recouvrir les parois (ce qui ralentirait le transfert de chaleur).
Après avoir arrêté leur conception, les chercheurs ont utilisé une technique d'impression 3D appelée frittage laser direct de métal, dans laquelle les lasers font fondre et fusionnent une poudre métallique (dans ce cas, un alliage d'aluminium), couche par couche.
Lors des tests, les chercheurs ont constaté que l'échangeur de chaleur créé grâce à cette technique refroidissait le réfrigérant plus efficacement que d'autres modèles. Le nouveau dispositif a atteint une densité de puissance de plus de six mégawatts par mètre cube, surpassant de 30 à 50 % la conception traditionnelle courante, la configuration calandre-tube, à puissance de pompage égale. La densité de puissance du dispositif était similaire à celle des échangeurs de chaleur à plaques brasées, une autre conception courante dans l'industrie.
Globalement, ce dispositif ne surpasse pas considérablement la technologie de pointe, mais la technique de modélisation et d'impression 3D pour produire de nouveaux modèles d'échangeurs de chaleur est prometteuse, déclare Dennis Nasuta, directeur de la recherche et du développement chez Optimized Thermal Systems, un cabinet de conseil qui collabore avec des entreprises du secteur CVC sur la conception et la recherche. « Cela mérite d'être exploré, et je ne pense pas que nous sachions encore jusqu'où nous pouvons aller », conclut Dennis Nasuta.
L'un des défis actuels réside dans le fait que les techniques de fabrication additive telles que le frittage laser sont lentes et coûteuses par rapport à la fabrication traditionnelle ; elles ne seraient ni économiques ni viables pour tous nos dispositifs de refroidissement grand public, explique-t-il. Pour l'instant, ce type d'approche pourrait être particulièrement utile dans des applications de niche comme l'aérospatiale et l'automobile haut de gamme, qui pourraient plus facilement en supporter le coût, ajoute-t-il.
Cette étude a été financée par l'Office of Naval Research des États-Unis. Les navires de nouvelle génération sont équipés de plus d'électronique que jamais, et il existe un besoin croissant de systèmes compacts et efficaces pour gérer cette chaleur supplémentaire, explique Nenad Miljkovic, l'un des auteurs de l'étude.
La demande énergétique pour le refroidissement des bâtiments devrait doubler d'ici 2050, et de nouvelles conceptions pourraient contribuer à répondre efficacement à la demande massive prévue pour les décennies à venir. Cependant, des défis tels que les coûts de fabrication devront être surmontés pour que des innovations comme celle conçue par King et son équipe puissent s'imposer dans les appareils réels.
Un autre obstacle à l'adoption de ces nouvelles techniques, explique Dennis Nasuta, est que les normes actuelles n'exigent pas plus d'efficacité. D'autres technologies existent déjà et pourraient contribuer à accroître l'efficacité de nos appareils, mais elles ne sont pas utilisées pour les mêmes raisons.
Il faudra du temps pour que les nouvelles techniques de fabrication, y compris l'impression 3D, s'intègrent à nos appareils, ajoute Dennis Natsua : « Cela ne sera pas dans votre climatisation l'année prochaine. »