Des chercheurs optimisent les échangeurs de chaleur avec l’impression 3D

Des milliards d’échangeurs de chaleur sont employés à l’échelle mondiale. Ces dispositifs, conçus pour transférer la chaleur entre différents fluides, jouent un rôle clé dans de nombreuses applications variées et omniprésentes. On les retrouve dans des systèmes aussi divers que les installations de chauffage, ventilation et climatisation, mais aussi les réfrigérateurs, les voitures, les navires et les avions. De plus, ces échangeurs sont également présents dans des objets de la vie quotidienne, tels que les téléphones portables, les centres de données, ou encore les raffineries de pétrole.

D’après des recherches récentes menées par l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, une équipe dirigée par Bill King et Nenad Miljkovic, en collaboration avec leurs collègues, apporte une véritable révolution dans la conception des échangeurs de chaleur. Grâce à l’utilisation de l’impression 3D, ces travaux permettraient d’améliorer l’efficacité et les performances de ces dispositifs. Regardons plus en détail les aspects de cette avancée technologique.

L’impression 3D au service des échangeurs de chaleur

Selon Bill King, professeur responsable du projet à l’Université de l’Illinois, l’évolution des échangeurs de chaleur a stagné depuis plusieurs décennies. Il souligne que, sur le plan de la conception et de la structure mécanique, ces dispositifs sont pratiquement identiques à ceux développés il y a 30 ans.  La conception des échangeurs de chaleur repose sur l’équilibre entre trois critères fondamentaux : l’efficacité thermique, les efforts nécessaires pour transférer cette chaleur et l’encombrement du dispositif. Pourtant, les procédés de fabrication conventionnels n’ont pas permis d’exploiter pleinement ces critères en raison de leurs limitations, empêchant la réalisation de formes et de structures optimales. Bill King explique : « si l’on pouvait avoir n’importe quelle forme, ce ne serait peut-être pas celles représentées par les technologies d’échangeurs de chaleur existantes ».

« Grâce à la fabrication additive, il devient possible de concevoir une vaste gamme de formes, voire des configurations infiniment complexes qui seraient irréalisables avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Cela nous permet de développer des géométries tridimensionnelles sophistiquées, où de larges canaux favorisent la circulation des fluides, tandis que de petits passages sont optimisés pour un transfert thermique plus efficace ». En résumé, cette technologie ouvre la voie à la création de designs novateurs permettant de manipuler et d’optimiser le flux des fluides de façons inédites. L’équipe a développé un échangeur de chaleur biphasique imprimé en 3D. Ce système permet à un fluide frigorigène de passer de la vapeur au liquide tout en transférant sa chaleur à l’eau de refroidissement. Grâce à ses géométries 3D complexes, cet échangeur améliore le transfert thermique de 30 à 50 % par rapport aux conceptions classiques pour une puissance équivalente.

La création d’échangeurs de chaleur biphasés plus performants est cruciale pour le développement de systèmes énergétiques plus efficaces. Grâce à l’impression 3D, il est possible d’augmenter la densité de puissance tout en réduisant à la fois la masse et le volume des dispositifs.

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*Crédits photo : Université de l’Illinois