KR102042340B1 - 스트러트 형상 변화를 통한 메탈폼 열 교환기 및 그의 압력 손실 감소 방법 - Google Patents

스트러트 형상 변화를 통한 메탈폼 열 교환기 및 그의 압력 손실 감소 방법 Download PDF

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Abstract

스트러트 형상 변화를 통한 메탈폼 열 교환기 및 그의 압력 손실 감소 방법이 개시된다. 셀 구조체의 메탈폼 열 교환기에 있어서, 유체를 이동시키는 유로에 해당하며, 유선형 형상(streamlined shape)의 복수의 스트러트들(strut), 상기 복수의 스트러트들을 연결하는 노드(node), 및 상기 복수의 스트러트들이 상기 노드에 연결되는 셀(cell)마다 형성되는 포어(pore)를 포함할 수 있다.

Description

스트러트 형상 변화를 통한 메탈폼 열 교환기 및 그의 압력 손실 감소 방법{Reduction of pressure drop for metal form heat exchanger by changing of strut geometry}
본 발명은 열 교환기의 압력 손실을 감소시키는 메탈폼 열 교환기에 관한 것으로, 특히, 스트러트(strut)의 형상을 변화를 이용하여 압력 손실을 감소시키는 메탈폼 열 교환기에 관한 것이다.
본 발명은 부분적으로 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업이며(No. NRF-2016R1D1A1B03935729), 또한 부분적으로 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제이다(No. 20142010102800).
금속 다공질 구조체인 메탈폼(발포금속)은 열전달매체로 이용하기 위해 1990년대부터 연구되어 왔으며, 복수의 스트러트들(strut)이 노드(node)에 의해 연결되어 있는 구조를 가진다. 메탈폼은 주로 폴리우레탄폼과 같은 전구체에 전도성바인더를 칠하고 도금하는 형식으로 제작된다.
메탈폼은 열전달성능의 가장 중요한 메커니즘인 단위 부피당 표면적이 기존의 열교환매체보다 월등히 높은 것으로 알려졌지만 열전달/열교환장치에 상업적으로 이용되지 못하고 있다. 열교환장치에 적용되지 못하는 주요 이유는 메탈폼의 높은 압력강하이며, 부가적인 이유로는 메탈폼의 생산 방식에서 기인하는 제품의 구조적 불균일성 때문이다. 즉, 메탈폼은 다른 열전달매체에 비해 상대적으로 큰 단위 부피당 표면적을 가지며, 많은 스트러트(strut)에 의한 마찰로 인해 높은 압력 손실을 유발한다.
그리고, 메탈폼은 스펀지와 같은 폴리우레탄 폼에 도금을 하여 제작되는 것이 일반적인데, 폴리우레탄 폼의 제작 과정은 자연적으로 거품을 형성하는 것과 거의 동일하므로 구조적 불규칙성을 유발한다. 즉, 폴리우레탄 폼을 제작할 때마다 다른 제품이 만들어지며, 결국 똑같은 제품을 구매하여 사용할지라도 성능이 불균일할 가능성이 높다. 이처럼, 균일한 성능이 보장되지 않아 상품화하기 어려운 점이 존재한다.
이외에, 발포금속의 구조적 불규칙성에 의해 형성되는 꼬인 유로는 유체의 압력강하를 상승시키며, 불균일한 유로는 성능 불균일도를 높이게 된다.
메탈폼을 모사하기 위해서는 거품 모사 모델을 이용하며, Lord Kelvin cell 혹은 Weaire-Phelan (W-P) structure이 주로 이용된다. Lord Kelvin cell과 W-P structure는 셀 구조체의 일종으로 단위 구조를 가지고 있는 규칙적인 구조체이다. Lord Kelvin cell은 하나의 깎은 정팔면체(Truncated octahedron)이 단위구조를 이루고 있고, W-P 구조체(structure)는 정십이면체(Dodecahedron)와 14면체(Tetrakaidecahedron) 구조가 각각 2개와 6개씩 모여 하나의 단위구조를 형성한다. Kelvin cell과 W-P structure는 동일 부피일 때 0.3%만큼의 표면적 차이를 나타낸다고 알려져 있다. 문헌에 따르면, Kelvin cell과 W-P structure가 동일한 열전달 면적을 가질 때 압력강하 및 열전달 성능이 거의 동일하다. 거품 모사 모델을 이용하면 메탈폼의 구조적 불균일성은 해결할 수 있으나, 높은 압력강하 문제는 여전히 메탈폼의 상용화를 가로막는 원인이 된다.
한국공개특허 제10-2009-0125882호는 열교환기에 관한 것으로, 열전달 면적을 증가시키고, 핀 구조로 인한 압력강하를 최소화하는 열 교환기를 개시하고 있다.
본 발명의 실시예들은 셀 구조체의 스트러트(strut)의 단면을 유선형 형상으로 변화시켜 스트러트의 단면이 원형일 때와 동등한 열전달성능을 유지하면서도 낮은 압력 강하를 가지는 메탈폼, 즉 메탈폼 열 교환기에 관한 것이다.
셀 구조체의 메탈폼 열 교환기에 있어서, 유체를 이동시키는 유로에 해당하며, 유선형 형상(streamlined shape)의 복수의 스트러트들(strut), 상기 복수의 스트러트들을 연결하는 노드(node), 및 상기 복수의 스트러트들이 상기 노드에 연결되는 셀(cell)마다 형성되는 포어(pore)를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 복수의 스트러트들 각각은, 장축 및 단축의 지름이 서로 다른 타원형의 형상으로 형성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 장축 및 단축 간의 비율이 조절됨에 따라, 상기 유체의 압력 강하가 제어될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 복수의 셀들을 포함하는 상기 셀 구조체에서, 어느 하나의 단위 셀의 노드는 반구형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 두 개의 단위 셀이 결합됨에 따라, 상기 노드는 구형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 스트러트들 각각의 장축은 상기 유체의 유동방향과 수평할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 포어는 6각형 또는 8각형의 형상으로 형성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 반구형의 상기 노드를 통해 연결되는 복수의 스트러트들은 서로 직교할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 스트러트들 각각의 겉면적, 또는 각각의 단면 둘레는 동일할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 셀 구조체는 켈빈 셀(Kelvin cell) 기반의 구조체를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들은 켈빈 셀(Kelvin cell) 구조체 기반의 열 교환기에 있어서, 셀 구조체의 스트러트(strut)의 단면을 유선형 형상(streamlined shape)으로 제작하여, 스트러트의 단면이 원형일 때와 동등한 열전달성능을 유지하면서도 압력 강하를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 켈빈 셀 구조체 기반의 메탈폼을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 스트러트의 단면의 장축 및 단축 간의 비율을 조절하여 스트러트의 형상을 타원형으로 형성하는 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 스트러트의 형상 별 온도 분포 및 압력 분포를 나타낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 직경 비율 변화에 따른 레이놀즈 수 대 평균 누 셀트 수, 레이놀즈 수 대 마찰 계수의 관계를 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 열 저항 및 펌핑 전력의 관계를 나타낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 원형 및 타원형 스트러트 기반 열 교환기의 성능 비교를 도시한 그래프를 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 실시예에서는 스트러트(strut)의 단면을 구형(즉, 원형)이 아닌 유선형 형상으로 변형한 메탈폼 열 교환기에 관한 것으로, 특히, 켈빈 셀(Kelvin cell) 구조체에서, 단위 셀을 형성하는 복수의 스트러트들의 단면이 타원형의 형상을 갖고, 상기 복수의 스트러트들을 연결하는 노드가 반구형 또는 다각형의 형상을 갖는 구조로 메탈폼(즉, 발포금속) 기반 열 교환기에 관한 것이다. 즉, 스트러트 단면의 둘레를 원형일 때와 동등하게 유지하면서, 스트러트의 정면 영역(frontal area)을 좁혀 압력 강하를 감소시키는 메탈폼 열 교환기의 구조에 관한 것이다.
본 실시예들에서, 켈빈 셀(Kelvin cell) 구조체의 단위 셀은 깎은 정팔면체(Truncatedoctahedron) 구조를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 켈빈 셀 구조체 기반의 메탈폼을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 켈빈 셀 구조체 기반의 메탈폼(metal form)은 복수의 셀들을 포함하며, 복수의 셀들 중 어느 하나인 단위 셀(110)은 스트러트(strut, 101), 노드(node, 102), 및 포어(pore, 103)를 포함할 수 있다.
스트러트(101)는 열을 전달하는 물질인 유체를 이동시키며, 유선형 형상(streamlined shape)을 가질 수 있다. 예컨대, 스트러트(101)는 장축(da) 및 단축(db)의 지름(즉, 길이)가 상이한 타원형 형상을 가질 수 있다.
일례로, 단위 셀이 32개의 스트러트(strut)와 24개의 노드(node)를 포함하는 경우, 스트러트(101)와 노드(102)는 6 각형 및 8 각형의 포어를 형성할 수 있다. 하나의 노드에 복수개의 스트러트들이 연결될 수 있으며, 이처럼, 노드를 통해 복수개의 스트러트들이 연결됨에 따라 육각형 또는 팔각형의 포어가 형성될 수 있다. 이때, 노드의 형상은 반구형 또는 다각형일 수 있으며, 단위 셀 두 개를 결합하면, 두 개의 반 구형 노드가 결합되어 하나의 구형 노드가 형성될 수 있다. 즉, 반 구형의 노드 두 개의 단면이 맞닿아 구형 노드가 형성될 수 있다. 그러면, 하나의 구형 노드는 4개의 스트러트를 연결할 수 있다. 이때, 단위 셀 및 창의 크기는 셀 직경 (dc) 및 창 길이 (lw)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 상기 창 길이는 스트러트를 연결하는 노드와 노드 사이의 스트러트 길이를 나타낼 수 있다. 그리고, 특정 노드를 통해 연결되는 복수의 스트러트들, 예컨대, 하나의 반구형의 노드를 통해 연결되는 2개의 스트러트들은 서로 직교할 수 있다.
150을 참고하면, 노드의 크기는 반구의 반경 rn에 기초하여 결정될 수 있으며, 스트러트의 횡단면은 장축(da) 및 단축(db)의 서로 다른 두 개의 지름을 가질 수 있다. 이때, 장축(major diameter, da)과 단축(minor diameter, db)의 비율(db/da), 예컨대, 장축 길이에서 단축 길이를 나눈 값은 스트러트의 형상을 나타내기 위해 이용될 수 있다. 예컨대, db / da = 1.000 인 경우 원형 스트러트가 되고, db / da ≠ 1.000 인 경우 타원형 스트러트가 되도록 스트러트의 형상이 상기 비율을 조절함으로써 변경될 수 있다. 이처럼, 상기 비율이 조절됨에 따라, 스트러트의 형상이 변경되고, 결국, 유체가 가지는 압력 강하가 제어될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 스트러트의 단면의 장축 및 단축 간의 비율을 조절하여 스트러트의 형상을 타원형으로 형성하는 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
즉, 도 2는 아래의 표 1에서 상기 비율을 조절하여 설계된 6개의 KMF(Kelvin cell based metal form)를 적용하기 위해 이용된 켈빈 셀 구조체 기반의 메탈폼을 나타낼 수 있다.
Figure 112018028720057-pat00001
위의 표 1에서, Ps 는 스트러트 단면의 둘레를 나타내고, e는 스트러트 단면의 타원 이심률 (eccentricity)로서 (1-(db/da)2)1 / 2 로 정의될 수 있다.위의 표 1을 참고하면, 다른 파라미터들은 동일하고, 스트러트의 장축(da)과 단축(db)의 비율이 다른 경우, 즉, 스트러트가 타원형의 형상을 갖는 경우, 스트러트의 장축(da)이 유체가 흘러나오는 방향과 어떤 각도(angle of attack)를 이루고 있는지가 항력에 큰 영향을 미칠 수 있다. 유체가 흘러나오는 방향과 장축의 각도는 모든 케이스에서 모든 스트러트가 0도가 되도록 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 도 2에서 스트러트들과 x축이 이루고 있는 각도가 상기 유체가 흘러나오는 방향과 장축의 각도에 해당할 수 있다. 여기서, 항력은 흐르는 유체가 어떤 물체에 의해 받는 저항을 나타내는 것으로서, 항력이 클 수록 입구 압력(즉, 입구 부분의 유동 저항)이 높아질 수 있으며, 항력이 작을수록 상대적으로 입구 압력(즉, 입구 부분의 유동 저항)이 낮아질 수 있다. 유체역학적으로 유선형에 가까운 형상일수록 부피대비 항력이 낮아질 수 있다.
예를 들어, 스트러트의 장축의 방향을 유체의 흐름과 동일하게 하기 위하여, 즉, 스트러트의 정면 영역(frontal area)을 최소화하기 위해, 상기 각도가 0으로 설정될 수 있다. 다시 말해, 상기 각도가 0으로 설정됨에 따라, 스트러트의 장축은 유체의 유동 방향과 수평한 방향이 될 수 있다.
도 2를 참고하면, x축 방향으로 섭씨 25도의 공기(즉, 유체)가 흘러갈 수 있으며, 미리 지정된 일정 속도 조건(201)이 입구에 설정될 수 있다. 그리고, y축 방향에 해당하는 위(202), 아래(203)에 섭씨 100도씨(°C)의 온도가 가해질 수 있다.
한편, 스트러트의 형상이 원형인 경우, 삼각형인 경우, 마름모형인 경우, 유선형(예컨대, 타원형 등)인 경우에 레이놀즈 수(reynold number,Rc)에 따라 항력 계수(CD)가 달라질 수 있다. 예를 들어, 스트러트의 형상이 원형, 삼각형일 때보다 타원형인 경우에 항력계수가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 규칙적인 셀구조체를 이용하고 스트러트의 형상을 타원형 등의 유선형으로 형성함으로써, 발포 금속(메탈폼)의 불균일성 및 높은 압력강하 문제가 해결될 수 있다. 다시 말해, 유로의 꼬임도가 동일해지고 압력 강하가 감소할 수 있다. 이때, 압력 강하는 낮추면서 열 전달 성능은 삼각형 또는 원형 형상의 스트러트와 미리 지정된 오차범위 내에서 동일하게 유지하기 위해, 타원형의 스트러트의 장축은 유동방향과 수평하게 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 스트러트의 형상 별 온도 분포 및 압력 분포를 나타낼 수 있다.
도 3의 310은 스트러트의 직경 비율(db/da)이 1인 경우(즉, 원형)인 경우와 상기 직경 비율(db/da)이 0.253인 경우(즉, 타원형인 경우)의 온도 분포를 나타내고, 320은 상기 직경 비율(db/da)이 1인 경우와 0.253인 경우의 압력 분포를 나타낼 수 있다. 도 4에서, 셀 구조체를 형성하는 스트러트의 형상은 다르지만 셀 구조체의 부피는 동일하며, 원형 스트러트로 형성된 셀 구조체와 타원형 스트러트로 형성된 셀 구조체의 표면적은 서로 상이할 수 있다. 셀 구조체는 적층식 제조 및 침출식 사형 주조(leachable sand casting) 등의 제조 기술을 기반으로 구현될 수 있으며, 이외에, 다양한 제조 기술을 이용하여 구현될 수도 있다. 도 2와 같은 공기 열 교환기에서 메탈폼 위 아래로 0.2mm의 히터(heater)가 배치될 수 있으며, 100도씨의 일정 온도가 가해지도록 미리 설정될 수 있다. 중력은 y축 방향으로 적용될 수 있다.
310을 참고하면, 입구 속도가 5.0m/s인 경우, 스트러트의 직경 비율이 원형일 때와 타원형일 때 온도 분포(xy 평면, 덕트 중심)를 비교해보면, 직경 비율이 변화함에 따라 열 전달 성능은 변화하지만 변화 폭은 미비함을 확인할 수 있다. 310에서, 공기는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르며, 원형 스트러트를 포함하는 열 교환기(즉, 켈빈 셀 기반의 메탈폼(KMF) 열 교환기)에 의해 가열된 공기의 출구 온도는 타원형 스트러트를 포함하는 열 교환기(즉, 켈빈 셀 기반의 메탈폼(KMF) 열 교환기)에 의해 가열된 공기의 출구 온도보다 높지만 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.
320을 참고하면, 스트러트의 직경 비율(db/da)이 1인 경우(즉, 원형)인 경우와 상기 직경 비율(db/da)이 0.253인 경우(즉, 타원형인 경우)의 압력 분포(xy 평면, 덕트 중심)를 비교해 보면, 출구인 하류의 압력 분포에는 큰 차이가 없으나, 입구인 상류의 압력 분포에는 큰 차이가 있음을 확인할 수 있다. 즉, 출구에서 압력 강하가 현저하게 변화됨을 확인할 수 있다. 타원형 스트러트(db/da=0.253)의 경우 원형 스트러트(db/da =1) 보다 압력 분포가 감소함을 확인할 수 있다. 이처럼, 원형일 때와 타원형일 때 정면 영역(frontal area)에서의 압력 분포 차이로 인해, 결국, 압력 강하가 약 50% 감소하는 차이가 발생할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 직경 비율 변화에 따른 레이놀즈 수 대 평균 누 셀트 수, 레이놀즈 수 대 마찰 계수의 관계를 나타낼 수 있다.
그래프 410은 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00002
) 대 평균 누 셀트 수(Nuavg)의 관계를 나타내고, 그래프 320은 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00003
) 대 마찰 계수(f)의 관계를 나타낼 수 있다.
레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00004
)와 평균 누 셀트 수(Nuavg)는 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018028720057-pat00005
[수학식 2]
Figure 112018028720057-pat00006
수학식 1 및 수학식 2에서, μf 는 유체(공기)의 점도, ρf는 유체(공기)의 밀도, kf는 유체(공기)의 열전도도, 특성 길이 Dh는 메탈폼의 수력학적 지름을 나타낼 수 있다. 그리고, Dh는 켈빈 셀 기반의 메탈폼(KMF)의 열 교환기에서 다공성(
Figure 112018028720057-pat00007
) 및 표면적 밀도(
Figure 112018028720057-pat00008
)를 포함할 수 있다. 장축 및 단축 간 비율, 즉, 직경 비율(db/da)이 감소함에 따라(즉, 원형일 때 대비 타원형인 경우), 다공성(
Figure 112018028720057-pat00009
)이 3.5%, 표면적 밀도(
Figure 112018028720057-pat00010
)는 약간 감소하여, 수학식 1 및 2에 기초하여 특성 길이 Dh는 증가할 수 있다. 평균 열 전달 계수 havg와 대수 온도차
Figure 112018028720057-pat00011
는 아래의 수학식 3 및 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018028720057-pat00012
[수학식 4]
Figure 112018028720057-pat00013
수학식 3 및 수학식 4에서, Tin은 입구 온도, Tout은 출구 온도를 나타내고, Tw는 메탈폼에 주어지는 아래와 위 히터의 온도(예컨대, 섭씨 100도 등)를 나타내고, A는 메탈폼의 열전달 면적을 나타내고,
Figure 112018028720057-pat00014
은 유체(공기)의 유입 질량 유량을 나타내고, cp는 유체(공기)의 열용량을 나타낼 수 있다.
도 4의 410을 참고하면, 평균 누 셀트 수(Nuavg)는 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00015
)가 층류 체제이므로, 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00016
)가 증가함에 따라 다항식으로 증가할 수 있다(R2>0.99). 평균 누 셀트 수(Nuavg)와 직경 비율(db/da)은 다항식 관계(R2>0.99)를 가지며, 평균 누 셀트 수(Nuavg)는 직경 비율(db/da)에 반비례할 수 있다. 직경 비율(db/da=1)일 때, 직경 비율(db/da=0.253)일 때 평균 누 셀트 수(Nuavg)는 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00017
)=553에서 20.0% 차이가 남을 확인할 수 있다.
마찰 계수(f)는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018028720057-pat00018
위의 수학식 5에서, ΔP는 압력강하를 나타내고, L은 메탈폼의 유동 방향 길이 (x축), Dh는 메탈폼의 수력학적 지름, ρf는 유체(공기)의 밀도, u0는 유체(공기)의 입구 속도를 나타낼 수 있다.
도 4의 420을 참고하면, 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00019
)가 증가함에 따라 마찰 계수 f의 지수가 지수적으로 감소함을 확인할 수 있다(R2>0.97). 마찰 계수 f가 낮은 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00020
)의 영역에서 빠르게 감소하며, 감소하던 기울기는 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00021
)가 약 100이 되는 근처에서 완만해짐을 확인할 수 있다. 즉, 마찰 계수 f와 직경 비율(db/da)은 선형적인 관계(R2>0.99)를 가지며, 마찰 계수 f는 직경 비율(db/da)에 반비례할 수 있다. 직경 비율(db/da)이 1일 때와 0.253일 때 마찰계수 f는 레이놀즈 수(
Figure 112018028720057-pat00022
)=553에서 55.3% 차이가 날 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 열 저항 및 펌핑 전력의 관계를 나타낼 수 있다.
도 5의 그래프 510은 열 저항(Rth) 및 펌핑 전력(
Figure 112018028720057-pat00023
)의 곡선 피팅(R2>0.99)을 나타낼 수 있다. 열 저항(Rth)은 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018028720057-pat00024
Tin, Tout,
Figure 112018028720057-pat00025
, 및
Figure 112018028720057-pat00026
가 일정할 때, 열 저항(Rth)이 작을수록 출구 온도 Tout 는 상대적으로 높아질 수 있다. 펌핑 전력(
Figure 112018028720057-pat00027
)은 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다. 펌핑 전력이 낮을수록 에너지 소비량이 작음을 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018028720057-pat00028
도 5의 그래프 510을 참고하면,
Figure 112018028720057-pat00029
가 동일하면, 펌핑 전력(
Figure 112018028720057-pat00030
)은 직경 비율(db/da)이 변함에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 직경 비율(db/da)이 낮을수록
Figure 112018028720057-pat00031
값을 얻기 위해 더 적은 양의 펌핑 전력(
Figure 112018028720057-pat00032
)이 소비될 수 있다.
Figure 112018028720057-pat00033
이
Figure 112018028720057-pat00034
및
Figure 112018028720057-pat00035
일 때 직경 비율(db/da)이 0.253인 KMF의 펌핑 전력(
Figure 112018028720057-pat00036
)은 직경 비율(db/da)이 1일 때보다 각각 32.0%, 28.4% 작을 수 있다. 펌핑 전력(
Figure 112018028720057-pat00037
)이
Figure 112018028720057-pat00038
와
Figure 112018028720057-pat00039
인 경우, 타원형 스트러트(db/da=0.253)기반의 열교환기의
Figure 112018028720057-pat00040
는 원형 스트러트(db/da=1) 기반의 열교환기와 14.0% 및 9.4% 차이가 존재함을 확인할 수 있다.
도 5의 520은 다양한 직경 비율(db/da)에서의 havg/E 대 ReD의 로그 스케일 그래프를 나타낼 수 있다. 여기서, ReD는 레이놀즈 수
Figure 112018028720057-pat00041
에 해당할 수 있다.
520을 참고하면,. 레이놀즈 수 ReD는 덕트 수력 직경 D를 기준으로 하며, 특정 ReD에서 havg/E 가 높을 수록 열교환기의 체적이 더작아짐을 확인할 수 있다. 그리고, ln(havg/E)와 ln(ReD)는 선형 관계를 가지며, 서로 반비례할 수 있다. ReD가 85에서 864로 증가하는 동안 직경 비율(db/da)이 0.253인 열교환기의 havg/E는 직경 비율(db/da)이 1일때보다 30.0%, 65.7% 증가함을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 원형 및 타원형 스트러트 기반 열 교환기의 성능 비교를 도시한 그래프를 나타낼 수 있다.
도 6의 그래프 610을 참고하면, 스트러트의 형상이 원형일 때 대비 타원형인 경우, 즉, 셀 구조체의 표면적은 동일하되 스트러트의 형상만 원형 및 타원형으로 차이가 존재하는 경우, 타원형이 원형 대비 압력 강하가 25%이상 감소하는 것을 확인할 수 있다.
그래프 620을 참고하면, Nu는 누 셀트 수를 나타내는 것으로서 대류 열 전달 성능의 지표로 사용될 수 있다. 누 셀트 수의 값이 높을수록 열전달이 빠르게 발생할 수 있다. 유속 u0에 따라 누 셀트 수 Nu가 증가하며, 셀 구조체들의 Nu는 5% 범위 안에서 동등할 수 있다.
그래프 630을 참고하면, 열 교환기의 성능은 J 펙터를 통해 비교될 수 있다. J 펙터는 압력 강하와 열 전달을 한 번에 비교하기 위해 이용되는 펙터로서, 그래프 610을 참고하면, 셀 구조체의 압력 강하가 서로 직교하는 실린더의 압력강하보다 높지만, 그래프 620을 참고하면 열 전달 성능이 더 높기 때문에 그래프 630과 같이 J 펙터가 동등하거나 더 높은 수준을 가짐을 확인할 수 있다. 특히, 스트러트의 단면이 타원형이 경우, J 펙터가 원형일 때 보다 더 높을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 표면적은 원형일 때와 동일하게 유지하면서 스트러트의 형상을 타원형으로 형성한 켈빈 셀 구조체 기반의 열교환기는, 형상이 원형일 때와 동등한 열 전달 성능을 가지면서 압력 강하는 50% 이상 획기적으로 낮출 수 있다. 예컨대, 스트러트의 직경 비율이 1, 0.864, 0.697, 0.603, 0.409, 0.253이고, 모든 스트러트의 둘레는 동일한 경우, Uin=5m/s 에서 직경 비율이 1일 때보다 0.253일 때 평균 누 셀트 수와 마찰 계수는 각각 20.0%, 55.3% 감소할 수 있다. 마찰 계수는 누 셀트 수보다 2.8배 더 큰 폭으로 감소하며, 이러한 감소는 모든 스트러트의 원주가 유지되기 때문일 수 있다. 즉, 열 교환기의 항력 감소로 인해 열 전달 성능 패널티가 부분적으로 상쇄되기 때문일 수 있다. 이러한 차이는 동일한 열 전달 성능을 가질 때 펌핑 작업으로 인한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 열 저항이
Figure 112018028720057-pat00042
및
Figure 112018028720057-pat00043
일 때, 직경 비율이 0.253인 열 교환기의 펌핑 작업은 직경 비율이 1일 때보다 32.0%, 28.4% 감소할 수 있다. 즉, 타원형 스트러트를 이용하는 경우, 원형일 때보다 교환기의 부피가 감소할 수 있다. 그리고, 레이놀즈 수가 86에서 864로 증가하는 동안 열 교환기, 특히 켈빈 셀구조체 기반의 메탈폼의 부피 비율이 직경 비율이0.253일 때보다 직경 비율이 1일 때 30.0%에서 65.7%로 증가하며, 타원형 스트러트는 다른 다공성 매체에 적용될 수 있다. 이처럼, 스트러트가 타원형인 경우, 구조적 특성에 의해 부피는 감소하고, 열 전달 성능은 유지하면서 압력 강하는 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 셀 구조체의 메탈폼 열 교환기에 있어서,
    유체를 이동시키는 유로에 해당하며, 유선형 형상(streamlined shape)의 복수의 스트러트들(strut);
    상기 복수의 스트러트들을 연결하는 노드(node); 및
    상기 복수의 스트러트들이 상기 노드에 연결되는 셀(cell)마다 형성되는 포어(pore)
    를 포함하고,
    복수의 셀들을 포함하는 상기 셀 구조체에서, 어느 하나의 단위 셀의 노드는 반구형 또는 다각형의 형상을 가지며, 반구형의 상기 노드를 통해 연결되는 복수의 스트러트들은 서로 직교하고, 두 개의 단위 셀이 결합됨에 따라, 상기 노드는 구형 또는 다각형의 형상을 가지며, 상기 노드를 통해 상기 복수의 스트러트들이 연결됨에 따라 육각형 또는 팔각형의 상기 포어가 형성되고, 상기 복수의 스트러트들 각각의 겉면적, 또는 각각의 단면 둘레는 동일하며,
    상기 메탈폼의 불균일성을 감소시키기 위해 상기 셀 구조체는 거품 모사 모델인 켈빈 셀(Kelvin cell) 기반의 규칙적인 구조체를 나타내 유로의 꼬임도가 동일해지고,
    상기 복수의 스트러트들 각각은, 장축 및 단축의 지름이 서로 다른 타원형의 형상으로 형성되고, 상기 복수의 스트러트들 각각의 장축은 상기 유체의 유동방향과 수평하게 배치되며, 상기 장축 및 단축 간의 비율이 조절됨에 따라 상기 유체의 압력 강하가 제어되되, 단축의 지름/장축의 지름의 값이 감소하는 경우 부피는 감소하고 열 전달 성능은 유지하면서 상기 유체의 압력 강하가 제어되는 것
    을 특징으로 하는 메탈폼 열 교환기.
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