KR20210085024A - 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조 - Google Patents

단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조 Download PDF

Info

Publication number
KR20210085024A
KR20210085024A KR1020190177626A KR20190177626A KR20210085024A KR 20210085024 A KR20210085024 A KR 20210085024A KR 1020190177626 A KR1020190177626 A KR 1020190177626A KR 20190177626 A KR20190177626 A KR 20190177626A KR 20210085024 A KR20210085024 A KR 20210085024A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cooling
metal
insulation
cooling body
adiabatic
Prior art date
Application number
KR1020190177626A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102293053B1 (ko
Inventor
박근
유정희
Original Assignee
서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority to KR1020190177626A priority Critical patent/KR102293053B1/ko
Publication of KR20210085024A publication Critical patent/KR20210085024A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102293053B1 publication Critical patent/KR102293053B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/06—Arrangements using an air layer or vacuum

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Thermal Insulation (AREA)

Abstract

본 발명은, 3D 프린팅에 의하여 복수 개의 3차원 단위 격자가 반복적으로 배열되어 구현되는 격자 구조체로, 상기 격자 구조체는, 3차원 요소망(3D mesh)으로 맵핑(mapping)되어 경계적합형(conformal) 구조로 형성되며, 체적 비율은 1 내지 50%인 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체를 제공한다.

Description

단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체 및 이를 적용한 단열냉각 구조{Metal Insulation-Cooling Material that Combines Insulation and Cooling and Metal Insulation-Cooling Structure Employing the Same}
본 발명은 우수한 단열 및 냉각 특성을 가지면서 고온 강도 및 강성이 뛰어나고 3D 프린팅으로 제작 가능한 금속 단열냉각체 및 이를 적용한 단열냉각 구조에 관한 것이다.
단열재는 보온을 하거나 열전달을 차단할 목적으로 사용되는 재료로써 열전달을 수반하는 모든 제품에 필수적으로 적용되며, 발포 플라스틱, 세라믹 등의 소재가 일반적으로 사용된다.
스티로폼으로도 불리는 발포 폴리스티렌은 폴리스티렌을 발포제의 작용으로 팽창시킨 것으로, 저렴하고 가벼워 일반 건축물의 단열재로 많이 사용되고 있으며, 내수성, 단열성, 방음성, 완충성 등이 우수하여 건축물의 단열재뿐 아니라 각종 운송용 포장재로도 널리 사용되고 있다. 그러나, 화재 발생시 인체에 치명적인 유독가스가 발생하, 폐기시 자연적인 분해가 어려워 심각한 환경오염을 초래하는 한편, 구조적 강성이 낮다는 문제가 있다.
이에 대한 대안으로 높은 강성이나 강도가 요구되는 경우에 세라믹 단열재가 사용되고 있다. 세라믹 단열재의 경우 고온에서 높은 강도 및 강성을 나타내나 가공성이 떨어져 임의의 형상으로 제작하기 어렵고, 금속과 열팽창계수 차이가 크고 취성이 강해 구조용 단열재로 사용시 파손 위험이 높은 문제점이 있다.
예를 들어, 도 1(a) 내지 (d)는 세라믹 단열재를 사용한 금형 가열부 및 이에 대한 시뮬레이션 결과에 대한 것으로, 도 1(a)는 금형 가열부의 모식도, 도 1(b)는 이의 단면도, 도 1(c)는 이의 정상상태 도달시 온도 분포 및 도 1(d)는 이의 정상상태 도달시 열응력 분포를 나타낸다.
도 1(a) 내지 1(d)를 참고하면, 피가열부 배면에 히터를 포함하는 가열부가 삽입되어 피가열부가 가열된다. 가열부의 배면에는 세라믹 단열재가 삽입되어 있어, 기재(base)로의 열전달을 차단하며, 가열부에서 발생한 열에너지가 피가열부 쪽으로 전달되도록 한다.
상기 세라믹 단열재를 사용한 금형 가열부는 냉각 과정에서 세라믹 단열재 하단에 냉각회로를 구성하여 냉매를 유동시킬 수 있다. 그러나 세라믹 단열재의 낮은 열전도도로 인해 냉각회로가 가열부를 효과적으로 냉각시키지 못해 피가열부의 냉각시간이 지연될 수 있다.
또한, 가열 과정에서 세라믹 단열재과 주변 금속(steel)의 열팽창율 차이(세라믹 열팽창율: 8x10-6 mm/mm, 주변 금속(steel) 열팽창율 16.3x10-6 mm/mm)에 따른 응력 집중(도 1(d)의 적색 부분)이 발생하여 장기간 사용시 파손 위험성이 커질 수 있다.
더욱이, 세라믹 뿐만 아니라 일반적으로 단열재로 사용되는 발포 플라스틱 등의 소재는 낮은 열전도도로 인해 단열 성능은 우수하나 동시에 냉각 시간이 오래 걸리는 단점이 있어 단열과 냉각이 주기적으로 필요한 상황에서 사용할 수 없다는 문제가 있다.
이에, 상기 문제를 해결하여 적용하는 제품의 용도에 따라 단열 및 냉각 특성을 동시에 구현할 수 있으며 더불어 우수한 고온 강도, 및 강성을 가지는 단열체 및 이를 적용한 단열냉각 구조에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 우수한 단열 및 냉각 특성을 가지며 동시에 고온 강도 및 강성이 뛰어난 금속 단열냉각체 및 이를 적용한 단열냉각 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은, 3D 프린팅에 의하여 복수 개의 3차원 단위 격자가 반복적으로 배열되어 구현되는 격자 구조체로,
상기 격자 구조체는, 3차원 요소망(3D mesh)으로 맵핑(mapping)되어 경계적합형(conformal) 구조로 형성되며,
체적 비율은 1 내지 50%인 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체를 제공한다.
상기 금속 단열냉각체의 열 전도율은 모재의 열전도율 대비 0.5 내지 10%이고 탄성 계수는 모재의 탄성계수 대비 0.1 내지 20%일 수 있다.
상기 3차원 단위 격자는 BCC(Body-centered cubic), FCC(Face-centered cubic), DC(Diamond cubic), OC(Octet-truss cubic), G surface, P surface, D surface, 및 W surface 구조로 이루어진 군에서 선택되는 한 종 이상일 수 있다.
상기 금속 단열체는 3차원 요소망을 구성하는 단위 메쉬의 형태를 조절하여 형성되며, 밀도가 상이한 하나 이상의 영역을 포함하여, 상대적으로 밀도가 낮은 영역은 밀도가 큰 영역과 비교하여 높은 단열 및 냉각 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 금속 단열냉각체가 적용된 단열냉각구조로,
피가열부;
상기 피가열부 하단에 형성되며, 단열 과정에서 사용되는 히터를 포함하는 가열부;
상기 가열부 하단에 형성되며, 제 1 항에 따른 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각층; 및
상기 금속 단열냉각층의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열냉각층과 연통하며 기재 상에 형성되는 냉각수로;
를 포함하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 단열냉각 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 3차원 격자 구조가 적용되어 형성된 내부 공기층에 의해 우수한 단열 및 냉각 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 고온 조건에서 강도 및 강성이 뛰어나면서도 경량화가 가능하다.
본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 3D 프린팅을 이용하여 제작되므로 적용하는 제품의 형태 및 용도에 따라 구조적, 열적 특성을 적절하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 단열냉각 구조는 상기 금속 단열냉각체를 적용하여 가열과 냉각이 주기적으로 반복되는 사이클에서 우수한 단열 및 냉각 효과를 나타내므로 단열 시간뿐만아니라 냉각 시간을 단축할 수 있다.
도 1(a) 내지 (d)는 종래 기술에 따른 세라믹 단열재를 사용한 금형 가열부 및 이에 대한 시뮬레이션 결과에 대한 것이다;
도 2(a) 내지 (h)는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 단위 격자의 예이다;
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 단위 격자이고, 도 3(b)는 상기 3차원 단위 격자 복수 개가 반복적으로 3차원 배열되어 구현된 비적합형(Non-conformal) 격자 구조체이며, 도 3(c)는 본 발명의 실시예에 따른 육면체 요소망이고, 도 3(d)는 상기 육면체 요소망의 각 요소에 단위 격자를 맵핑시켜 설계한 경계적합형 격자 구조체의 모식도이다;
도 4(a) 내지 (c)는 국부적으로 밀도가 조절된 3차원 요소망의 단면도이며, 도 4(A) 내지 (C)는 각각, 이에 대응하여 국부적으로 밀도가 조절된 경계접합형 격자 구조체의 단면도이다;
도 5(a)는 실험예 1에 따른 제1 연장부를 포함하는 금속 단열냉각체의 구조도이고, 도 5(b)는 제2 연장부를 포함하는 금속 단열냉각체의 구조도이다;
도 6(a) 및 (b)는 본 발명의 하나의 실시예로 실험예 2에 따른 금속 단열냉각체의 사진이다;
도 7은 실험예 2에 따른 단열 효과 실험 결과이다;
도 8은 실험예 3-1에 따른 자연 대류에 의한 냉각 효과 및 실험예 3-2에 따른 강제 대류에 의한 냉각 효과 실험 결과이다;
도 9는 실험예 2, 3-1 및 3-2에 따른 실험 결과를 보여주는 그래프이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단열냉각 구조의 단면도이다; 및
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 금속 단열냉각 챔버의 단면도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래 단열재로 사용하던 발포 플라스틱은 구조적 강성에서, 세라믹 단열재는 가공성 등에서 문제가 발견되었다. 또한, 상기 단열재의 경우 단열 특성과 비교하여 냉각 특성이 현저히 떨어지므로 가열과 냉각의 주기적인 반복이 필요한 상황에서 사용하기 어려운 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 계속한 끝에, 이후 설명한 바와 같이 소정의 3차원 격자 구조가 적용되어 형성된 금속 단열냉각체가 기존 소재와 전혀 다른 열적, 구조적 물성을 구현하여 우수한 단열 특성 및 냉각 특성을 나타내는 것을 확인하였는 바, 본 발명은 이러한 발견에 기초하여 완성되었다.
구체적으로, 본 발명은,
3D 프린팅에 의하여 복수 개의 3차원 단위 격자가 반복적으로 배열되어 구현되는 격자 구조체로,
상기 격자 구조체는, 3차원 요소망(3D mesh)으로 맵핑(mapping)되어 경계적합형(conformal) 구조로 형성되며,
체적 비율은 1 내지 50%인 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체를 제공한다.
본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 소정의 3차원 격자 구조 상의 내부 공기층에 의한 낮은 열 전도율을 가지므로 우수한 단열 효과를 나타낼 수 있다. 더욱이, 냉각 과정에서 격자 구조 상의 빈 공간을 통해, 압축 공기, 냉각수 등의 냉매를 이동시킬 수 있어 냉각이 가속화될 수 있으므로 우수한 냉각 효과를 나타낸다. 따라서, 단열체 및 냉각체로 동시에 사용이 가능하므로 매우 효율적이고 경제적이다.
또한, 본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 고온 조건에서 강도 및 강성이 뛰어나면서도 경량화가 가능하며, 3D 프린팅을 이용하여 제작되므로 적용하는 제품의 형태 및 용도에 따라 구조적, 열적 특성을 적절하게 조절할 수 있어 가공성이 뛰어나다.
본 발명에 따른 금속 단열냉각체의 체적 비율은 1 내지 50%일 수 있다. 본 발명에서 "체적 비율"은 전체 영역의 체적 대비 격자가 구성된 영역의 체적 비율로, 예를 들어 하기 도 6(a)에 도시한 원통형 격자 구조체 무게를 속이 꽉 찬 원통(직경 50.8 mm, 높이 20 mm)의 무게로 나눈 값으로 볼 수 있다. 상기 범위를 벗어나 체적 비율이 지나치게 낮거나 높은 경우, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명이 의도하는 효과를 기대할 수 없어 바람직하지 않다.
또한, 상기 금속 단열냉각체의 열 전도율은 모재의 열전도율 대비 0.5 내지 10%이고 탄성 계수는 모재의 탄성계수 대비 0.1 내지 20%일 수 있다.
본 발명에서 "모재"는 금속 단열 냉각체의 기본 재료를 의미한다. 금속 단열냉각체의 열전도율 및 탄성계수는 본 발명에 따라 특정 단위 격자를 이용하여 형성된 경계적합형 격자 구조체가 나타내는 물성이다. 상기 범위를 벗어나 열 전도율 또는 탄성 계수가 지나치게 낮거나 높은 경우, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명이 의도하는 효과를 기대할 수 없어 바람직하지 않다.
이하, 도 2 내지 7을 참고하여 본 발명을 설명한다.
본 발명에서 "3차원 단위 격자"는, 본 발명에 따른 금속 단열냉각체에서 최소 반복단위가 되는 단위 셀로, 당업계에 알려진 단위 격자(unit lattice)일 수 있다.
도 2를 참고하면, 상기 3차원 단위 격자는, BCC(Body-centered cubic), FCC(Face-centered cubic), DC(Diamond cubic), OC(Octet-truss cubic) 등과 같은 트러스 구조, G surface, P surface, D surface, W surface 등과 같은 내부 곡면 구조로 이루어진 군에서 선택되는 한 종 이상일 수 있으나 그 형태와 크기가 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 "격자 구조체"는 상기 3차원 단위 격자의 복수 개가 "반복적으로 배열"되어 구현될 수 있다.
상기 반복적인 배열은 격자 구조체를 구현하기 위하여, 예를 들어 3차원 단위 격자가 X 방향, Y 방향, Z 방향, XY 방향, YZ 방향, XZ 방향 등에서 선택되는 하나 이상의 방향으로 연속 배열하는 것이다.
상기 격자 구조체의 형상은 최종 제품의 적용 대상, 용도 등에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들어, 구, 반구, 타원, 원뿔, 원기둥, 다각기둥, 또는 다각뿔 형상일 수 있으며, 경우에 따라 내부에 수용 공간이 형성되어 있을 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 "3차원 요소망(3D mesh)"는 3D 프린팅의 유한 요소 해석에서 사용되는 3차원 형태의 메쉬 구조로, 상세하게는 육면체 요소망(Hexahedral mesh)일 수 있다.
본 발명에서 "3차원 요소망으로 맵핑(mapping)되어 형성되는 경계적합형(conformal) 구조"는 도 3(a) 내지 (d)를 참조하여 설명한다.
도 3(a)는 3차원 단위 격자의 하나의 예이다.
도 3(b)는 도 3(a)에 따른 3차원 단위 격자의 복수 개가 반복적으로 3차원 배열되어 구현된 격자 구조체로, 붉은 색 박스로 표시된 부분에서 볼 수 있듯이, 곡면인 경계 부분에서 격자가 절단되는 현상이 나타나는 비적합형(Non-conformal) 구조이다.
도 3(c)는 본 발명에서 사용하는 육면체 요소망이다.
도 3(d)는 도 3(b)의 비적합형 격자 구조체를 이산화하고 도 3(c)의 육면체 요소망의 각 요소에 단위 격자를 맵핑시켜 설계한 경계적합형 격자 구조체이다. 붉은 색 박스로 표시된 부분에서 볼 수 있듯이 본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 곡면인 경계 부분의 격자가 절단되지 않은 경계적합형 격자 구조체로 고강도 및 강성을 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명은 금속 단열냉각체를 구성하는 3차원 단위 격자 크기, 밀도, 및 방향성 등을 조절하여 최적의 열적, 구조적 물성을 확보할 수 있다.
구체적으로, 3차원 단위 격자를 구성하는 트러스의 직경 및 길이 등을 조절하여 금속 단열냉각체의 물성을 조절할 수 있다.
다시, 도 3(a)를 참조하면, 상기 3차원 단위 격자를 구성하는 트러스의 직경(d)은 0.1 mm 이상 일 수 있다. 상기 트러스의 직경(d)이 0.1 mm 미만인 경우 금속 단열냉각체의 강성 및 강도가 저하될 우려가 있고, 3D 프린팅으로 제작하기 용이하지 않을 수 있다. 상세하게는, 상기 트러스의 직경(d)는 격자구조체의 단위 격자 내에서 유체 유동이 가능한 충분한 공간을 형성하기 위해 단위격자 간격(h)의 절반 이하일 수 있다.
3차원 단위 격자의 간격(h)은 1 내지 10 mm일 수 있다. 3차원 단위 격자의 간격(h)은 3차원 단위 격자의 임의의 격자점과 인접하는 3차원 단위 격자의 대응되는 격자점 사이의 거리로, 상기 단위 격자의 가로, 세로, 또는 높이일 수 있다. 상기 단위 격자의 직경이 1 mm 미만인 경우 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 금속 단열냉각체의 단열 및 냉각 효과가 저하될 수 있어 바람직하지 않으며, 상기 단위 격자의 간격이 10 mm를 초과할 경우 금속 단열냉각체의 강성 및 강도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.
또한, 3차원 요소망을 구성하는 단위 메쉬의 형태를 조절하여, 밀도가 상이한 하나 이상의 영역을 포함하는 금속 단열냉각체를 제조할 수 있다.
이와 관련하여, 도 4(a) 내지 (c)는 국부적으로 밀도가 조절된 3차원 요소망의 단면도이며, 도 4(A) 내지 (C)는 각각, 이에 대응하여 국부적으로 밀도가 조절된 격자 구조체의 단면도이다.
도 4(a) 내지 (c) 및 각각 이에 대응되는 4(A) 내지 (C)를 참조하면, 3차원 요소망을 구성하는 단위 메쉬의 크기 및 형태를 조절하면, 맵핑 과정에서 대응되는 격자 구조체의 밀도가 국부적으로 조절되어 인접부위와 상이한 밀도를 나타내는 영역이 형성된다. 예를 들어, 상대적으로 밀도가 높은 영역(H)은 요소의 크기가 작게 격자가 구성된 부분으로 낮은 단열 특성을 나타낸다. 반면, 상대적으로 밀도가 낮은 영역(L)은 요소의 크기가 크게 격자가 구성된 부분으로 높은 단열 특성을 나타낸다.
또한, 3차원 단위 격자의 배열 방향을 조절하여 금속 단열냉각체의 단열 및 냉각 성능을 조절할 수 있다.
이와 관련하여, 도 5(a)는 제1 연장부(110)를 포함하는 금속 단열냉각체(100)의 구조도이고, 도 5(b)는 제2 연장부(210)를 포함하는 금속 단열냉각체(200)의 구조도이다.
구체적으로, 도 5(a)을 참조하면, 3차원 단위 격자(10)를 구성하는 트러스(11)가 열 전달 방향(빨간 화살표)에 대해 평행한 제1 연장부(110)를 형성하도록 상기 3차원 단위 격자(10)가 반복적으로 3차원 배열된다.
도 5(b)을 참조하면, 3차원 단위 격자(20)를 구성하는 트러스(21)가 열 전달 방향(빨간 화살표)에 대해 수직인 제2 연장부(210)를 형성하도록 상기 3차원 단위 격자(20)가 반복적으로 3차원 배열된다.
이러한 구조에서는, 하기 실험예 1에서도 볼 수 있듯이, 열 전달 방향에 대해 수직한 제 2 연장부(210)를 포함하는 금속 단열냉각체는 열 전달 방향에 대해 평행인 제 1 연장부(110)를 포함하는 금속 단열냉각체와 비교하여 높은 단열 효과를 나타낸다.
<실험예 1> 3차원 단위 격자의 배열 방향에 따른 단열 효과 비교
도 5를 다시 참고하면, 상기 금속 단열냉각체(100, 200)의 일면에 200℃의 열이 유지되도록 10분 후에 타면의 온도 차를 관찰하였다.
제1 연장부(110)를 포함하는 금속 단열냉각체(100)의 타면은 120℃를 나타내어 80℃의 온도 변화를 나타냈지만, 제2 연장부(210)를 포함하는 금속 단열냉각체(200)의 타면은 97℃를 나타내어 103℃의 온도 변화를 나타내었다. 이에, 열 전달 방향(빨간 화살표)과 수직인 제2 연장부(210)를 포함하는 금속 단열냉각체(100)의 단열 효과가 제1 연장부(110)를 포함하는 금속 단열냉각체(100)보다 큰 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 단열 효과 비교
트러스 직경이 0.6 mm이고 5 mm 간격의 3차원 단위 격자를 이용하여 원통형 형상(SS316 분말, 직경 50.8 mm, 높이 20 mm)의 금속 단열냉각체를 제조하였다. 상기 금속 단열냉각체의 체적 비율은 15.67%이고, 열전도율은 모재(SS316 분말) 대비 5.24%이고, 탄성계수는 모재(SS316 분말) 대비 1.01%이다(도 6(a).
이 후, 실시예로써 상기 금속 단열냉각체를 동일 크기의 Stainless steel 재질 원통형 시편 사이에 넣어 준비하였다(도 6(b)). 비교예로써 동일 크기/재질의 또 다른 원통형 형상의 구조체(solid)를 Stainless steel 재질 원통형 시편(solid) 사이에 넣어 준비하였다.
이 후, 단열 효과 비교를 위해 실시예와 비교예의 바닥면을 200℃로 가열한 경우 온도변화를 비교하여 도 7 및 9에 나타내었다.
도 7 및 9에 따르면, 비교예의 경우 40분 가열시 상측 표면 온도가 190℃에 달하여 전체적으로 온도가 상승한 반면 실시예의 경우 111℃정도로 나타나 단열 효과를 확인할 수 있다.
<실험예 3-1> 자연 대류에 의한 냉각 효과 비교
실험예 2에 따른 단열 효과 실험에서 가열 종료 후 상온에서 냉각시켰을 때 실시예와 비교예의 시간에 따른 온도변화를 비교하여 도 8 및 9에 나타내었다.
도 8 및 9에 따르면, 냉각시간 20분 경과시 상측면 온도는 비교예의 경우 133℃로 나타난 반면 실시예의 경우 95.2℃로 나타나 냉각 역시 빠르게 진행됨을 알 수 있다.
일반적으로 기존 세라믹 단열재를 사용한 경우 가열시 단열속도는 높으나 냉각속도가 상당히 저하됨을 감안할 때, 본 발명에 따른 금속 단열냉각체를 사용한 경우 단열 및 냉각의 Cycle 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3-2> 강제 대류에 의한 냉각 효과 비교
실험예 2에 따른 단열 효과 실험에서 가열 종류 후 강제 대류(선풍기 바람)에서 냉각시켰을 때 실시예와 비교예의 시간에 따른 온도변화를 비교하여 도 8 및 9에 나타내었다.
냉각시간 5분만에 실시예의 온도가 상온으로 내려가기 시작하는 것을 확인할 수 있다. 상측면 온도의 경우 냉각시간 20분 경과시 비교예의 경우 58℃도로 나타난 반면 실시예의 경우 35.7℃로 나타나 실시예의 금속 단열냉각체는 강제 대류에 의한 냉각효과도 뛰어난 것으로 확인되었다.
일반적으로 기존 세라믹 단열재를 사용한 경우 가열시 단열속도는 높으나 냉각속도가 상당히 저하됨을 감안할 때, 본 발명에 따른 금속 단열냉각체를 사용한 경우 단열 및 냉각의 Cycle 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 4>
실험예 2에서 제작된 금속 단열냉각체, 그 외, 탄소강(AISI-1045), 스테인레스강(SS-303), 고강도 플라스틱(PEEK), 세라믹 단열재(BRA-GRA®)의 열전도계수(k), 강성(E), 탄소강과 유사한 열팽창계수(α), 사용온도, 가공성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
재료 k
W/M-K)		 E
(Gpa)		 α
(㎛/m)		 사용온도
(℃)		 (가공성)
금속 단열냉각체 3.36 13.5 16.3 - O
탄소강(AISI-1045) 49.8 205 11.5 - O
스테인레스강(SS-303) 16.3 193 16.3 - O
플라스틱(PEEK) 0.32 4.0 45 <150 O
세라믹 단열재(BRA-GRA®) 0.22 13.0 8 <280 X
상기 표 1에 따르면, 철강재로 중 열전도율이 가장 낮은 스테인레스강(SS-303)의 경우 열전도율이 탄소강(AISI-1045)의 1/3에 불과하여 큰 단열효과는 없다. 플라스틱 중 강도 및 사용온도가 가장 높은 PEEK의 경우 열팽창계수가 탄소강(AISI-1045)의 4배 이상으로 높으나 사용온도가 150℃ 이하이다. 구조용 세라믹 단열재인 BRA-GLA는 전체적인 물성은 좋으나 가공성이 떨어져 임의의 형상으로 제작하기 어려운 문제가 있다. 본 발명에 따른 금속 단열냉각체(SS316 분말 사용, Truss 직경 0.6 mm 기준)의 경우 열전도계수는 지르코니아 수준, 탄성계수는 BRA-GRA 수준으로 높으면서도 금속 3D프린팅 기술을 적용할 경우 원하는 형상으로 제작할 수 있다. 또한 열팽창계수도 원재료(금속) 비슷한 수준으로 열팽창의 차이로 인한 응력집중을 완화할 수 있으며 사용온도도 제한이 없어 고온강도가 필요한 구조물의 단열에 효과적으로 적용할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 상기 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각구조(300)의 단면도이다.
도 10을 참고하면, 상기 금속 단열냉각구조(300)는,
피가열부(310);
상기 피가열부(310) 하단에 형성되며, 단열 과정에서 사용되는 히터(도시하지 않음)를 포함하는 가열부(320);
상기 가열부(320) 하단에 형성되며, 제 1 항에 따른 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각층(330); 및
상기 금속 단열냉각층(330)의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열냉각층(330)과 연통하며 기재(350) 상에 형성되는 냉각수로(340);를 포함한다.
상기 피가열부(310)에는 대상 물체(object)가 위치할 수 있으며, 경우에 따라 단열냉각 과정에서 밀폐될 수 있다.
단열 과정에서 상기 가열부(320) 상에 위치하는 히터가 작동할 수 있다. 상기 히터의 종류, 개수 등은 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 당업계에 공지된 것을 적절히 선택할 수 있다.
냉각 과정은 자연 대류에 의한 냉각 또는 강제 대류에 의한 냉각을 통해 수행할 수 있으나, 상세하게는 냉매를 이용하여 수행할 수 있다. 상기 냉매는 냉각수, 압축 공기일 수 있으나, 이에 제한이 없으며 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 당업계에 공지된 것을 적절히 선택할 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 단열냉각층(330)의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열냉각층(330)과 연통하는 냉각수로(340)가 기재(340) 상에 형성되어 있다. 상기 냉각수로(340)는 상기 단열냉각 구조의 외측면 상에 형성된 냉매 유입구(341) 및 또 다른 외측면 상에 형성된 냉매 유출구(342)와 연결되어 있다.
즉, 냉각 과정에서는 냉매 유입구(341)로 유입된 냉매가 냉각 수로(340)와 연통된 금속 단열냉각층(330)의 격자 공간을 따라 흘러들어가 이를 관통하여 냉매 유출구(342)로 유동하므로 가열부(320) 및 피가열부(310)에 근접하여 냉각이 이루어질 수 있어, 시스템의 냉각 속도가 향상될 수 있다.
상기 냉매 유입구(341), 냉매 유출구(342)의 직경, 갯수 등은 제한이 없으며, 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.
경우에 따라, 냉매로 냉각수 등의 액체를 사용하는 경우, 방수 처리를 위해 가열부(320)와 금속 단열냉각층(330) 사이에 분리판(도시하지 않음)을 삽입하여 가열부(320)을 보호할 수 있다.
상기 금속 단열냉각층(330)은 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 금속 단열냉각체를 적용할 수 있는 바, 기재(350)와 동일하거나 열팽창 계수가 유사한 재료로 제작할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상기 금속 단열냉각체를 적용한 단열냉각 챔버(400)의 단면도이다.
도 11을 참고하면, 상기 금속 단열냉각 챔버(400)는 내부에 마련된 수용공간(401), 상기 수용공간을 감싸는 형태로 내면에 형성된 내부 커버(410) 및 외면에 형성된 외부 커버(420)를 포함하며, 상기 내부 커버(410)와 외부 커버(420)는 금속 단열냉각체(440)를 감싸고 있다.
상기 내부 커버(410)의 하나 이상의 내측면(410a, 410b) 상에 단열 과정에서 사용되는 히터(430)가 위치하고,
상기 외부 커버(420)의 하나 이상의 외측면(420a, 420b) 상에 상기 금속 단열 냉각체(440)의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열 냉각체(440)와 연통하는 냉각수로(450)가 형성되어 있다.
상기 수용공간(401)에는 대상 물체(object)가 위치할 수 있으며, 경우 따라, 단열 과정에서 밀폐될 수 있다.
단열 과정에서 내부 커버(410)의 서로 대향하는 내측면(410a, 410b) 상에 위치하는 히터(430)가 작동한다. 상기 히터의 종류, 개수 등은 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 당업계에 공지된 것을 적절히 선택할 수 있다.
냉각 과정은 자연 대류에 의한 냉각 또는 강제 대류에 의한 냉각을 통해 수행할 수 있으나, 상세하게는 냉매를 이용하여 수행할 수 있다. 상기 냉매는 냉각수, 압축 공기일 수 있으나, 이에 제한이 없으며 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 당업계에 공지된 것을 적절히 선택할 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 단열 냉각체(440)의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 냉각수로(450)가 형성되어 있으며, 상기 냉각수로(450)는 외부 커버(420)의 외측면(420a) 상에 형성된 하나 이상의 냉매 유입구(451a, 451b, 451c), 또 다른 외측면(420b) 상에 형성된 냉매 유출구(452)가 형성되어 있다.
상기 냉매 유입구(451a, 451b, 451c), 냉매 유출구(452)의 직경, 갯수 등은 제한이 없으며, 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.
상기 내부 커버 및 외부 커버의 재질, 두께 등은 대상 물체의 종류, 크기, 냉매의 종료에 따라 적절히 선택할 수 있다
냉각 과정에서는 금속 단열 냉각체(440)의 격자 공간을 따라 냉매를 흘려 시스템의 냉각을 가속화 및 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 금속 단열냉각 챔버는 가열과 냉각을 주기적으로 반복해야하는 사이클에서 냉각 시간의 단출 효과를 기대할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능하다.

Claims (5)

  1. 3D 프린팅에 의하여 복수 개의 3차원 단위 격자가 반복적으로 배열되어 구현되는 격자 구조체로,
    상기 격자 구조체는, 3차원 요소망(3D mesh)으로 맵핑(mapping)되어 경계적합형(conformal) 구조로 형성되며,
    체적 비율은 1 내지 50%인 것을 특징으로 하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 단열냉각체의 열 전도율은 모재의 열전도율 대비 0.5 내지 10%이고 탄성 계수는 모재의 탄성계수 대비 0.1 내지 20%인 것을 특징으로 하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 단위 격자는 BCC(Body-centered cubic), FCC(Face-centered cubic), DC(Diamond cubic), OC(Octet-truss cubic), G surface, P surface, D surface, 및 W surface로 이루어진 군에서 선택되는 한 종 이상인 것을 특징으로 하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 단열체는 3차원 요소망을 구성하는 단위 메쉬의 형태를 조절하여 형성되며, 밀도가 상이한 하나 이상의 영역을 포함하여, 상대적으로 밀도가 낮은 영역은 밀도가 큰 영역과 비교하여 높은 단열 및 냉각 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체.
  5. 제 1 항에 따른 금속 단열냉각체가 적용된 금속 단열냉각구조로,
    피가열부;
    상기 피가열부 하단에 형성되며, 단열 과정에서 사용되는 히터를 포함하는 가열부;
    상기 가열부 하단에 형성되며, 제 1 항에 따른 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각층; 및
    상기 금속 단열냉각층의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열냉각층과 연통하며 기재 상에 형성되는 냉각수로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 단열냉각 구조.


KR1020190177626A 2019-12-30 2019-12-30 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조 KR102293053B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190177626A KR102293053B1 (ko) 2019-12-30 2019-12-30 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190177626A KR102293053B1 (ko) 2019-12-30 2019-12-30 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210085024A true KR20210085024A (ko) 2021-07-08
KR102293053B1 KR102293053B1 (ko) 2021-08-23

Family

ID=76893618

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190177626A KR102293053B1 (ko) 2019-12-30 2019-12-30 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102293053B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114682776A (zh) * 2022-03-30 2022-07-01 西安航天发动机有限公司 一种杆状点阵换热器成形方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110039298A (ko) * 2008-06-30 2011-04-15 알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드 구조적으로 복잡한 모놀리식 히트 싱크 설계
KR20180084755A (ko) * 2015-09-21 2018-07-25 록히드 마틴 코포레이션 통합된 멀티-챔버 열 교환기

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110039298A (ko) * 2008-06-30 2011-04-15 알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드 구조적으로 복잡한 모놀리식 히트 싱크 설계
KR20180084755A (ko) * 2015-09-21 2018-07-25 록히드 마틴 코포레이션 통합된 멀티-챔버 열 교환기

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114682776A (zh) * 2022-03-30 2022-07-01 西安航天发动机有限公司 一种杆状点阵换热器成形方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102293053B1 (ko) 2021-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20180077051A (ko) 복합 재료 및 그 제조 방법
Ben-Nakhi et al. Effect of length and inclination of a thin fin on natural convection in a square enclosure
CN104754926B (zh) 一种导热薄片及其底板的制作方法
KR102293053B1 (ko) 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조
EP2157391A1 (en) Loop heat pipe type heat transfer device
JPH02103344A (ja) 熱伝達装置
KR102411853B1 (ko) 이방성 열 도관
US20100139885A1 (en) Sintered diamond heat exchanger apparatus
Feng et al. Constructal entransy dissipation rate minimization of a rectangular body with nonuniform heat generation
CN110567301A (zh) 一种散热板及其制造方法
US20200113084A1 (en) Method for enhancing boiling performance of chip surface
EP3455384B1 (en) Thermal pyrolytic graphite tube device for directional thermal management
CN112728297B (zh) 一种基于増材制造提高隔热效果的装置
CN105115332A (zh) 一种平面超导热管及其制备方法
Ogushi et al. Development of lotus-type porous copper heat sink
CN104729338B (zh) 梯度金属泡沫散热装置
CN103334021A (zh) 一种微通道芯体制造工艺
Bouras et al. Effect of Rayleigh number on internal eccentricity in a heated horizontal elliptical cylinder to its coaxial square enclosure
CN103341630A (zh) 一种微通道芯体制造工艺
JP2018020929A (ja) 窒化珪素焼結基板及びその製造方法
TWI781182B (zh) 用於製造金屬隔離器主體及熱敏性組件的方法
RU212836U1 (ru) Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов
JP2019174012A (ja) 熱交換器
KR20100117777A (ko) 방열성능이 향상된 방열체의 제조방법
JP6796249B2 (ja) 蓄熱体及び蓄熱槽

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant