KR102100500B1

KR102100500B1 - 유동학적 회전기

Info

Publication number: KR102100500B1
Application number: KR1020190015713A
Authority: KR
Inventors: 송영석; 박주혁
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2019-02-11
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-04-13

Abstract

본 발명은 유동학적 회전기에 관한 것으로서, 복수의 제1단위 셀을 포함한다. 복수의 제1단위 셀은 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하는 유동회전영역을 둘러싸는 제1영역에 배치된다. 제1단위 셀은 제1마이크로 구조체를 포함하는데, 제1마이크로 구조체는 원주 방향에 대하여 일정 각도 경사지게 배치된 제1방향의 유효 점도가 제1방향과 직교하는 제2방향의 유효 점도보다 낮게 되도록 형성된다.

Description

유동학적 회전기{RHEOLOGICAL ROTATOR}

본 발명은 유동학적 회전기에 관한 것으로서, 상세하게는 유체 유동을 특정 방향으로 회전시킬 수 있는 유동학적 회전기에 관한 것이다.

유체는 가해지는 압력의 방향을 따라 유동한다. 유체 방향을 원하는 방향으로 흐르게 조정하는 것은 압력을 가하는 방향을 변경하지 않고는 실행될 수 없다. 이러한 자연법칙 때문에 유체의 유동 방향과 반대 방향으로 움직이는 물체는 큰 항력을 받는다. 또한, 바람 또는 수력 발전의 경우에도, 유체의 유동 방향에 따라 하베스팅 효율 수준에 큰 차이가 있다. 따라서 외부 압력 필드 또는 속도 필드에 관계없이 유체의 유동 방향을 제어할 수 있는 메타 물질이 개발되면, 유체역학 기술의 다양한 문제에 대한 획기적인 솔루션을 제공할 수 있다.

변형 광학으로부터 영감을 얻은 변형 유동학은 전례 없는 방식으로 유체 운동량을 제어하는 방법을 제공할 수 있다. 변형 광학을 기반으로 한 메타물질 디자인은 물리적인 필드의 회전에 적용되어 왔다. 변형된 전자기 회전 매체의 첫 증명 후, 동일한 연구 그룹에 의해 메타물질 회전기의 실험적 구현이 보고되었다. 후속 연구로서, 열의 방향과 음파의 전파를 바꾸는 메타물질 회전기가 개발되었다.

그러나 유체 유동을 원하는 방향으로 회전시킬 수 있는 메타물질 회전기는 이론적으로 또는 실험적으로 보고된 적이 없다. 이와 같은 메타물질 회전기는 수력 발전 또는 풍력 발전의 효율성을 높이기 위한 것으로서, 에너지 하베스팅 측면에서 의미있는 연구가 될 것이다.

한국등록특허공보 제10-0767277호(2007.10.09 등록, 발명의 명칭 : 마이크로채널에서 유체의 혼합방법 및 시스템)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원주 방향에 대하여 일정 각도 경사지게 형성된 제1마이크로 구조체를 포함하는 단위 셀을 유동회전영역을 둘러싸도록 배치함으로써, 원하는 특정 공간에서 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동할 수 있는 유동학적 회전기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 유동학적 회전기는, 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하는 유동회전영역을 둘러싸는 제1영역에 배치되는 복수의 제1단위 셀;을 포함하고, 상기 제1단위 셀은 원주 방향에 대하여 일정 각도 경사지게 배치된 제1방향의 유효 점도가 상기 제1방향과 직교하는 제2방향의 유효 점도보다 낮게 되도록 형성된 제1마이크로 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유동학적 회전기에 있어서, 상기 제1마이크로 구조체는 상기 제1방향으로 배치된 변의 길이가 상기 제2방향으로 배치된 변의 길이보다 긴 사각 기둥의 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 유동학적 회전기에 있어서, 상기 제1영역을 둘러싸는 제2영역에 배치되는 복수의 제2단위 셀;을 더 포함하고, 상기 제2단위 셀은, 상기 제2영역에 인접하는 제1단위 셀의 유효 점도와 상기 제2단위 셀의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 형성된 제2마이크로 구조체를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유동학적 회전기에 있어서, 상기 제2마이크로 구조체는 상기 제2단위 셀의 모든 방향의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 유동학적 회전기에 있어서, 상기 제2마이크로 구조체는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 유동학적 회전기에 따르면, 특정 공간에서 유체 유동을 원하는 각도만큼 틀어져서 유동시킬 수 있고, 유동회전영역 내의 유체의 속도 또한 높일 수 있다. 예를 들어, 유동회전영역과 유동적으로 연통되게 풍력 발전기 등과 같은 유체 기계를 설치하면, 유동회전영역을 통과하는 유체 유동의 방향을 원하는 방향으로 제어하면서 유체 기계의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 유동학적 회전기에 따르면, 제2영역으로 진입한 유체 유량의 대부분을 제1영역으로 유도할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동학적 회전기를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 유동학적 회전기의 제1단위 셀과 제2단위 셀의 평면도이고,
도 3은 도 1의 유동학적 회전기의 제1단위 셀을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 유동학적 회전기의 제2단위 셀을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 도 1의 유동학적 회전기의 제1단위 셀의 유효 점도와 제2단위 셀의 유효 점도를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 1의 유동학적 회전기를 통과하는 유체 유동의 속도 프로파일을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 유동학적 회전기의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 유동학적 회전기(100)는, 유체 유동을 특정 방향으로 회전시킬 수 있는 것으로서, 제1단위 셀(110)과, 제2단위 셀(120)을 포함한다.

본 명세서에서는 본 발명의 유동학적 회전기(100)를 이용하여 채널(c) 등의 내부에서 유동하는 유체 유동(f)이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하는 특정 공간을 유동회전영역(1)이라 정의한다.

상기 제1단위 셀(110)은 복수 개가 마련되어 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하는 유동회전영역(1)을 둘러싸는 제1영역(10)에 복수의 띠 형태로 배치되고, 제1마이크로 구조체(111)를 포함한다.

본 명세서에서 제1영역(10)은 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하는 유동회전영역(1)을 둘러싸도록 형성된 영역을 의미하며, 제1영역(10) 내에서 복수의 제1단위 셀(110)이 방사 형태로 배치될 수 있다.

제1단위 셀(110)은 제1마이크로 구조체(111)와 주변 영역(116)으로 구성되는데, 본 발명의 제1단위 셀(110)은 원주 방향(a)에 대하여 일정 각도(d) 경사지게 배치된 제1방향(b1)의 유효 점도가 제1방향(b1)과 직교하는 제2방향(b2)의 유효 점도보다 낮게 되도록 제1마이크로 구조체(111)가 형성된 것을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 중심부에 배치된 유동회전영역(1)에서 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하기 위해서는, 제1영역(10) 전체적으로 유체 유동에 대하여 제1방향(b1)의 유효 점도가 상대적으로 작고, 제2방향(b2)의 유효 점도가 상대적으로 큰 것이 바람직하다.

제1영역(10) 내의 유체 유동은 상대적으로 큰 제2방향(b2)의 유효 점도로 인해 제2방향(b2)으로 유동하지 못하고, 유효 점도가 상대적으로 작은 제1방향(b1)을 따라 유동하게 되므로, 최종적으로 유체 유동이 제1마이크로 구조체(111)에 의해 가이드되면서 중심부에 배치된 유동회전영역(1)으로 진입할 수 있다.

이와 같이 제1방향(b1)의 유효 점도가 상대적으로 작고, 제2방향(b2)의 유효 점도가 상대적으로 크게 하기 위해서, 제1단위 셀(110)의 제1마이크로 구조체(111)는 제1방향(b1)으로 배치된 변(112)의 길이가 제2방향(b2)으로 배치된 변(113)의 길이보다 긴 사각 기둥의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

제1방향(b1)으로 배치된 변(112)의 길이가 상대적으로 길게 형성되면, 제1영역(10) 내에서 유동하는 유체 유동에 대하여 제2방향(b2)으로의 저항 성분이 증가하게 되므로, 제1단위 셀(110)의 제2방향(b2)의 유효 점도를 상대적으로 크게 형성할 수 있다.

따라서, 도 6을 참조하면, 채널(c)에 진입한 유체 유동은, 제1영역(10) 내에서 유효 점도가 상대적으로 작은 제1방향(b1)을 따라 유동하고, 제1단위 셀(110)의 제1마이크로 구조체(111)에 의해 유체 유동의 방향이 가이드되면서 유동회전영역(1)으로 진입한다. 이후, 유동회전영역(1)에서는 유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동할 수 있다.

본 실시예에서 제1단위 셀(110)의 제1마이크로 구조체(111)는 원주 방향(a)에 대하여 약 30도 내지 35도 범위로 경사지게 형성될 수 있다.

상기 제2단위 셀(120)은 복수 개가 마련되어 제1영역(10)을 둘러싸는 제2영역(20)에 배치되고, 제2마이크로 구조체(121)를 포함한다.

본 명세서에서 제2영역(20)은 제1단위 셀(110)이 배치된 제1영역(10)을 둘러싸도록 형성된 영역을 의미하며, 제2영역(20) 내에서 복수의 제2단위 셀(120)이 행렬 형태로 배치될 수 있다.

제2단위 셀(120)은 제2마이크로 구조체(121)와 주변 영역(126)으로 구성되는데, 본 발명의 제2단위 셀(120)은 제2영역(20)에 인접하는 제1단위 셀(110a)의 유효 점도와 제2단위 셀(120)의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 제2마이크로 구조체(121)가 형성된 것을 특징으로 한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 채널 내부에서 유동하는 유체 유동이 제1영역(10)으로 효율적으로 흘러들어가기 위해서는, 제1영역(10)과 제2영역(20)의 임피던스가 매칭되는 것이 바람직하다. 즉, 제2영역(20)에 인접하는 제1단위 셀(110a)의 유효 점도와 제2단위 셀(120)의 유효 점도가 실질적으로 동일해지는 것이 바람직하다.

만약 제2영역(20)에 제2단위 셀(120)이 존재하지 않는다면, 제1단위 셀(110)이 배치된 영역의 유효 점도와 제1단위 셀(110)이 배치되지 않은 배경 영역의 유효 점도가 큰 차이를 보이게 되어, 채널 내부에서 유동하는 유체 유동은 제1영역(10)으로 진입하는 유량이 상당 부분 줄어들고, 대부분의 유량이 제1영역(10)의 주변부를 경유하여 바로 하류 쪽으로 빠져나갈 수 있다.

제1영역(10)으로 진입하는 유량이 줄어들면 당연히 중심부에 배치된 유동회전영역(1)으로 진입하는 유량이 감소하게 되므로, 전체적으로 본 발명의 유동학적 회전기(100)의 효율을 구현할 수 없게 되는 위험이 있다.

따라서, 본 실시예에서는 제2영역(20)에 인접하는 제1단위 셀(110a)의 유효 점도와 제2단위 셀(120)의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록(유효 점도의 차이가 최소화되도록) 제1단위 셀(110a)의 제1마이크로 구조체(111a)와 제2단위 셀(120)의 제2마이크로 구조체(121)의 형상(제2마이크로 구조체(121)의 크기 또는 이웃하는 제2마이크로 구조체(121) 사이의 간격)을 각각 형성함으로써, 제2영역(20)으로 진입한 유체 유량의 대부분을 제1영역(10)으로 유도할 수 있다.

본 실시예의 제2마이크로 구조체(121)는 제2단위 셀(120)의 모든 방향의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 형성되는 것이 바람직하며, 모든 방향의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 유동학적 회전기는, 유동회전영역 둘레에 원주 방향에 대하여 일정 각도 경사지게 배치된 제1방향의 유효 점도가 제1방향과 직교하는 제2방향의 유효 점도보다 낮은 복수의 제1단위 셀을 포함함으로써, 특정 공간에서 유체 유동을 원하는 각도만큼 틀어져서 유동시킬 수 있고, 유동회전영역 내의 유체의 속도 또한 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

예를 들어, 유동회전영역과 유동적으로 연통되게 풍력 발전기 등과 같은 유체 기계를 설치하면, 유동회전영역을 통과하는 유체 유동의 방향을 원하는 방향으로 제어하면서 유체 기계의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 유동학적 회전기는, 제2영역에 인접하는 제1단위 셀의 유효 점도와 제2영역의 제2단위 셀의 유효 점도가 실질적으로 동일해지록 형성함으로써, 제2영역으로 진입한 유체 유량의 대부분을 제1영역으로 유도할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

1 : 유동회전영역
10 : 제1영역
20 : 제2영역
100 : 유동학적 회전기
110 : 제1단위 셀
111 : 제1마이크로 구조체
120 : 제2단위 셀
121 : 제2마이크로 구조체

Claims

유체 유동이 원하는 각도만큼 틀어져서 유동하는 유동회전영역을 둘러싸는 제1영역에 배치되는 복수의 제1단위 셀;을 포함하고,
상기 제1단위 셀은 원주 방향에 대하여 일정 각도 경사지게 배치된 제1방향의 유효 점도가 상기 제1방향과 직교하는 제2방향의 유효 점도보다 낮게 되도록 형성된 제1마이크로 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동학적 회전기.
제1항에 있어서,
상기 제1마이크로 구조체는 상기 제1방향으로 배치된 변의 길이가 상기 제2방향으로 배치된 변의 길이보다 긴 사각 기둥의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동학적 회전기.
제1항에 있어서,
상기 제1영역을 둘러싸는 제2영역에 배치되는 복수의 제2단위 셀;을 더 포함하고,
상기 제2단위 셀은, 상기 제2영역에 인접하는 제1단위 셀의 유효 점도와 상기 제2단위 셀의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 형성된 제2마이크로 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동학적 회전기.
제3항에 있어서,
상기 제2마이크로 구조체는 상기 제2단위 셀의 모든 방향의 유효 점도가 실질적으로 동일해지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유동학적 회전기.
제3항에 있어서,
상기 제2마이크로 구조체는 원기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동학적 회전기.