KR20220040137A - 최소곡면 형태의 3차원 박형 쉘 구조체를 이용한 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 대한 것으로 TPMS (3-주기적 최소곡면) 형태의 부드러운 곡면을 가진 3차원 박막 구조체의 내측과 외측에는 각각 가열 또는 냉각코자 하는 유체와 외측은 기체가 통과하며 내부와 외부 사이에 열교환이 이루어지도록 고안된 것이다. 열전달 효율이 높고, 내부와 외부 공간을 통과하는 유체의 유동저항이 낮고, 가벼우면서도 외부의 기계적 하중과 내부 압력에 대한 높은 강도를 가지며, 주변에 장애물에 의한 열전달 효율의 저하가 적다. 게다가, 불균일 온도 변화에 따른 응력이 거의 발생하지 않아 내구성이 우수하며, 그 외형을 임의로 제작할 수 있으며, 3차원 TPMS의 복잡한 형상에도 불구하고 열교환기를 제조하는 것은 비용과 대량 생산성 측면에서 유리하다.

Description

최소곡면 형태의 3차원 박형 쉘 구조체를 이용한 열 교환기{A HEAT EXCHANGER WITH THREE DIMENSIONAL STRUCTURES COMPOSED OF THIN SHELLS IN MINIMAL SURFACES}

본 발명은 3주기 최속곡면 또는 이와 유사한 곡면 형태로 구성된 3차원 박형 쉘 구조체의 응용에 관한 것이며 보다, 구체적으로는 이러한 구조체를 열교환기에 적용하는 것에 관련된다.

근래 한승철 등은 얇은 박막으로 구성된 소위 "Shellular"라는 3차원 박막 다공질 구조체를 소개하였다(Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.). 이러한 "Shellular"는 일정한 단위셀이 주기적으로 반복되며 박막으로 구성되어 매우 가볍고 강도가 높고, 또한 통상적으로 1) 폴리머 등으로 템플릿(template, 희생구조물)을 제조하고, 2) 그 표면에 템플릿과 다른 경질 재료의 코팅층을 형성한 후, 3) 코팅층의 일부 표면을 제거하여 내부의 템플릿을 노출시키고, 4) 열 또는 화학적인 방법 등으로 템플릿을 제거하는 일련의 과정을 통해 제조될 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 "Shellular"는 '다면체' 혹은 부드러운 '곡면'의 쉘(shell) 구조를 갖는다는 점에서 속이 빈 트러스 형태의 종래 단순한 마이크로 격자와는 상이하다. '다면체' 쉘 구조의 3차원 쉘 다공질 구조체는 대한민국특허 제1341216호에, '곡면' 셀 구조의 3차원 쉘 다공질 구조체는 대한민국특허 제1612500호에 각각 예시되어 있다.

구체적으로, 상기 템플릿의 제조방법과 관련해서는 본 발명자 등이 선행특허 등을 통해 제안한 다양한 방식이 이용될 수 있다. 구체적으로, 첫번째 방식으로 3차원 광 리소그래핀를 이용하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국특허 제1341216 호에 개시되어 있고, 두번째 방식으로 폴리머 구슬을 일정한 패턴으로 배열한 후 이것을 처리하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국 특허 제1612500호, 대한민국 특허 제1905483호, 대한민국 특허출원 제10-2019-0027715호, 대한민국 특허출원 제10-2019-0027716호 및 대한민국 특허출원 제10-2019-0101784호에 개시되어 있고, 세번째 방식으로 와이어를 3차원 트러스 형태로 직조한 후 이것 위에 수지를 함침하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국 특허 제1699943 호에 각각 개시되어 있다.

상기한 "Shellular"의 이상적인 형태로서 1865년 독일의 수학자 H.A. Schwarz가 최초로 발견한 TPMS (Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)이 알려져 있다(Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). TPMS는 곡면 상의 모든 점에서 일정한 평균곡률(mean curverture)은 가지는 곡면으로서 여기서 평균곡률이란 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두 방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미한다. TPMS는 도 1에 나타낸 바와 같이 다양한 형태가 존재한다. TPMS는 공간을 두개의 서로 얽힌 두개의 부공간(sub-volume)으로 분할한다. 즉, TPMS는 두 부공간 사이의 계면(interface)으로 인식될 수 있다. 그 예로서 도 2(a)와 (b)는 각각 TPMS의 일종인 P곡면과 G곡면이 두 부공간을 분할하는 것을 나타내는 개념도이다. 또한 상기한 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS는 공간을 각기 연속인 두개의 부공간(subvolume)으로 나누고 이 두개의 부공간의 체적비가 1:1로 동일하지만, 체적비가 다른 경우에도 두 부공간을 나누는 평균곡률이 균일(constant)한 최소 표면적(minimal surface)의 곡면을 정의할 수 있는데 이 곡면 또한 TPMS라고 할 수 있다(참고문헌: M. Maldovan and E. L. Thomas, “Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2).

이러한 TPMS는 곡면에 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어, TPMS 형태의 Shelluar 또한 다양한 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다. 구체적으로, TPMS형태로 제조된 Shellular 에 외부하중이 작용할 때, 응력이 어느 한 부분에 집중되지 아니하므로 종래 3차원 트러스형 박막 다공질 구조체에서 발생하는 조기 국부좌굴현상이 발생하지 않는다고 보고되고 있다(참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.). 또한 부드러운 곡면으로 둘러싸인 각 부공간은 넓은 표면적을 가지며 내부에 유체가 흐를 때 투과성(permeability)이 우수하기 때문에, 두 부공간의 경계에 존재하는 박막은 두 부공간 사이의 열 및 물질이동 계면(heat and mass transfer interface)으로서 활용 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 한편, Jung과 Torquato는 TPMS 형태의 기공(pore)은 부드러운 곡면을 가지며 서로 연결되어 있어 종래의 다공질 구조에 비하여 점성유체의 투과성이 우수하다고 보고하였다(Y. Jung, S. Torquato, Fluid permeabilities of triply periodic minimal surfaces, Phys. Rev. E 72 (2005) 056319.).

상기 TPMS 형태의 Shellular의 특성 및 이를 활용한 일 예가 대한민국 특허 제 10-1840021호, 대한민국 특허 제 10-1988567호 및 대한민국 공개특허 제10-2019-0118037호 등에 개시되어 있다. 대한민국 특허 제 10-1840021호는 TPMS 곡면을 조직공학 스케폴드로서 체외에서 세포의 배양에 사용될 수 있음을 나타내고 있고, 이 경우 한 부공간의 세포의 배양에 다른 한 부공간은 영양분과 산소 및 대사 폐기물을 운반하는 유체의 채널로 사용된다. 대한민국특허 제 10-1988567호는 TPMS 곡면을 고분자전해질막 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에 사용한 예로서 한 부공간의 수소의 운반채널로 한 부공간은 산소의 운반 채널로 사용되며 계면은 전해박막인 nafion 양면에 촉매층 (catalyst layer) 및 기체확산층(gas diffusion layer)이 차례로 적층된 막전극조립체(membrane electrode assembly)에 대해 개시하고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2019-0118037호는 두 개의 부공간 사이의 계면 형태를 가진 얇은 쉘(shell) 구조체로서 특히 TPMS 형태의 쉘 구조체의 경우 균일한 평균곡률을 갖고 있기 때문에 높은 내부 압력을 견딜 수 있을 수 있다는 사실에 착안하여, 이러한 쉘 구조체를 압력용기로 적용하는 것을 제시하였고, 이러한 shellular 압력용기의 전체 공간 대비 내부 부공간 (고압 기체가 보관되는 공간)의 비율을 자유롭게 조절하여 제작할 수 있으며, 내부공간의 비율이 감소할수록 shellular 압력용기의 내압강도가 증가하는 것으로 보고하였다(Cheng Han Wu, Failure Study of Shellulars under Internal Pressure. 석사학위논문, 전남대학교 대학원, 2019.).

한편, 라디에이터(radiator) 등은 열교환을 목적으로 하는 기계 장치로서 각종 냉/난방기 및 자동차 엔진 냉각, 전자기기 냉각 등의 용도로 사용된다. 구체적으로, 라디에이터는 통상 가열 또는 냉각된 유체가 흐르는 관 또는 튜브와, 넓은 표면적을 갖고 주변의 공기와 접촉하는 핀(지느러미, fin) 등으로 구성된다. 이러한 라디에이터는 전체 시스템을 경량화하는 동시에 냉각핀의 면적을 늘려 열전달 효율을 높이는 방향으로 발전해왔으며, 그 결과 경금속인 알루미늄을 주재료로 사용하고, 얇고 조밀한 핀을 가지도록 제조되었다. 이와 관련하여, 종래 전형적인 라디에이터는 도 3에 도시된 바와 같이 튜브와 핀의 구성 방식에 따라 2가지 타입으로 구분되는데, 보다 상세하게는 다수의 홀이 타공된 얇은 판에 튜브를 끼워 맞추는 플레이트(plate) 핀 방식과, 납작하게 압착된 튜브가 일정 간격을 가지고 다수 배열되고, 이러한 튜브들 사이 공간에 얇은 핀이 지그재그 형태로 배열된 코러게이트(corrugated) 핀 방식으로 대별된다. 그러나 이와 같은 종래의 라디에이터는 표면적을 넓히기 위해 핀이 조밀하게 배열된 만큼 핀을 통한 공기의 유동이 어렵기 때문에 라디에이터의 전/후방에 별도의 팬을 설치하여 강제적으로 공기를 유동시키는 경우가 대부분이다. 또한, 조밀하게 배치된 핀으로 인하여 공기 유통로가 이물질에 의하여 막히기 쉬우며, 특히, 사막이나 대도시와 같이 먼지가 많은 환경에서 사용되는 라디에이터는 쉽게 공기유통이 저하되어 전반적인 열전달 효율을 저하시키고 연관된 시스템의 고장을 일으킨다. 뿐만 아니라, 얇은 핀으로 구성된 라디에이터는 맨손으로도 취급하기 곤란할 만큼 구조적으로 매우 취약하여 자동차 등에 사용되는 라디에이터의 경우 차량 충돌과 같은 외부 충격시 쉽게 파손되어 안전성도 낮다.

이러한 열교환용으로 사용되는 구조물의 또 다른 예로서, 트러스 구조를 갖는 것의 특이한 성질을 이용하여 와이어의 일부 또는 전부를 튜브로 대체하고 튜브 안에 가열 또는 냉각된 유체가 흐르도록 하여 라디에이터를 구성한 것이 본 발명자의 등록특허 제1382936호에 개시되어 있다. 도 4(a)와 (b)는 각각 상기 라디에이터의 전체 구조와 단위셀을 형태를 나타낸다. (강기주, 김동범, "튜브와 와이어로 조립된 트러스 구조체를 이용한 라디에이터," 출원번호 10-2012-0102759, 출원일자 2012.09.17. 등록번호 10-1382936, 2014.04.01.) 그러나 상기 라디에이터도 종래의 라디에이터와 같이 가는 튜브 내에서 한 방향으로 유체를 흐르도록 고안된 것이므로 유동 저항이 커서 이의 정상적인 작동을 위해서는 높은 동력의 펌프를 필요로 한다. 또한 이 라디에이터를 통과하는 과정에 공기 자체의 전반적인 3차원적인 격동(서로 섞임, turbulence, 트러스 표면 근처에서의 국부적인 turbulence만 있다는 뜻)이 거의 없어서 주변에 약간의 장애물이 존재하면 열전달 효율이 급격히 저하하는 문제가 있다.

도 5 및 도 6은 각각 열교환용으로 사용될 수 있는 종래 다양한 방식의 금속 구조물들에 대해 통과 공기의 유동저항 및 열전달 효율을 각각 나타낸 것으로, 이는 Joo 등의 논문(Jai-Hwang Joo, Bo-Seon Kang, Ki-Ju Kang, Experimental Heat Transfer, Vol.22, No.2, pp.99-116, 2009)에서 인용한 것이다. 이 경우, 도 5 및 도 6의 "Orientation A"와 "Orientation B"는 등록특허 제1029183호에 개시된 와이어로 조립된 유사 카고메 트러스(도 7)의 방향별 특성을 나타낸 것이다. (강기주, 이용현, "나선형 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그 제조 방법", 출원번호 10-2006-0119233, 2006.11.29, 등록번호 10-1029183, 2011.04.06.) 도 5 및 도 6에서 함께 비교된 재료들을 분류해 보면 발포금속(foam) 및 철망스크린(wire-woven screen)과 같이 가는 선이 촘촘하게 짜진 형태의 것과, 주름관(Corrugated duct) 및 루버핀(Louvered fin)과 같이 얇은 판으로 구성된 것 및 격자구조금속(LFM; Lattice Frame Metal), 카고메 트러스(Kagome) 및 와이어 조립 유사 카고메 트러스(Orientation A, B)와 같이 듬성듬성한 트러스 구조를 갖는 것 등 3가지가 있다. 도 5와 도 6에 나타난 바와 같이 통과 공기의 유동저항(friction factor)과 열전달 효율(Nusselt number) 모두 촘촘하게 짜진 형태의 것, 트러스 구조를 갖는 것, 얇은 판으로 구성된 것의 순서로 높게 분포함을 알 수 있다. 이는 재료의 표면적이 넓을수록 열전달 효율과 함께 공기의 유동저항이 높아짐을 의미한다. 이 경우, 트러스 구조를 갖는 것에 주의를 기울려 보면 유동저항은 얇은 판으로 구성된 것에 가깝지만 열전달 효율은 촘촘하게 짜진 형태의 것에 가까운 것을 알 수 있다. 이는 유동저항은 낮은 반면 열전달 효율은 높다는 것을 의미하여 강제대류용 열교환 매체로서 트러스 구조를 갖는 것이 매우 바람직한 특성을 가짐을 알 수 있다. 특히, 와이어 조립 유사 카고메 트러스의 열전달 효율은 촘촘하게 짜진 형태의 것에 육박하는 것을 알 수 있다.

한편 열교환기에 통상적으로 요구되는 특성 중 하나로서 배관의 높은 내압특성이 요구되는 경우가 많다. 예를 들면, 자동차용 라디에이터의 경우 배관에 흐르는 뜨거운 물이 끓어 발생한 기포가 유동에 방해가 되는 것을 막기 위하여 배관 내에 고압을 가하며, 냉장고나 에어컨에서 기화기, 응축기 등의 열교환기의 경우 냉매가 흐르는 공간은 더욱 압력이 높다. 따라서 열교환기의 배관이 높은 압력에 견디기 위해서는 다시 말해서 높은 내압특성을 갖도록 하기 위해서는 배관의 벽 두께가 커져야 하지만 커진 벽 두께는 역으로 전도열전달의 저항을 높이는 결과를 낳는다.

이상과 같이 종래 다양한 형태 및 구조를 갖는 열교환기가 제안되어 있지만, 높은 열전달 효율, 낮은 유동저항 및 높은 내압 특성을 동시에 만족시키기에는 한계가 있고, 이와 같은 한계 내지 문제점을 개선할 필요성은 상존하고 있는 실정이다.

대한민국특허 제1341216호 대한민국특허 제1612500호 대한민국특허 제1341216 호 대한민국특허 제1905483호 대한민국특허 제1699943호 대한민국특허 제1382936호 대한민국특허 제1840021호 대한민국특허 제1988567호 대한민국특허 제1029183호 대한민국 특허출원 제10-2019-0027715호 대한민국 특허출원 제10-2019-0027716호 대한민국 특허출원 제10-2019-0101784호 대한민국 공개특허 제10-2019-0118037호

- Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015. - Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer - M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2 - Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Vol. 31, Pages 31-38, 2019. - Y. Jung, S. Torquato, Fluid permeabilities of triply periodic minimal surfaces, Phys. Rev. E 72 (2005) 056319. - Cheng Han Wu, Failure Study of Shellulars under Internal Pressure. 석사학위논문, 전남대학교 대학원, 2019 - Jai-Hwang Joo, Bo-Seon Kang, Ki-Ju Kang, Experimental Heat Transfer, Vol.22, No.2, pp.99-116, 2009 - Oraib Al-Ketan, Rashid K. Abu Al-Rub, Multifunctional mechanical-metamaterials based on triply periodic minimal surface lattices: A review. Advanced Engineering Materials, Vol. 21, 1900524, 2019.

본 발명은, 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 열전달 효율이 높고, 내부와 외부 공간을 통과하는 유체의 유동저항이 낮고, 가벼우면서도 외부의 기계적 하중과 내부 압력에 대한 높은 강도를 가지며, 주변에 장애물에 의한 열전달 효율의 저하가 적은 새로운 구조의 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자 등은, 새로운 열교환기 구조로서 서로 꼬인 형태의 연속적인 2개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획되는 TPMS 형태의 3차원 쉘 구조체를 응용하는 것에 착안하고, 이러한 TPMS 형태의 3차원 쉘 구조체를 열교환기의 열교환부로 적용함으로써 기체의 강제유동 (forced convection)을 통하여 가열 또는 냉각된 유체에 열전달이 이루어지록 고안된 장치에서 종래 열교환기가 갖는 문제점을 개선할 수 있는 여러가지 유용한 특성을 확인하고 본 발명에 도달하게 되었다. 즉, 3차원 셀 구조체의 유체가 흐르는 통로의 벽 두께를 얇게 제작시 열전도 저항을 낮춰 열전달 효율이 개선될 수 있고, 각 부공간 내의 유체투과성이 우수하여 내부/외부 부공간 각각에 흐르는 액체 또는 기체 등의 유체에 대한 유동저항이 낮아지짐으로써 유체를 강제 순환시키는 경우 pumping power가 낮아질 수 있고, 박형 제작하여 경량을 제작되는 것에 불구하고 외부로부터의 기계적 하중이나 충격과 내부 압력에 대한 높은 강도가 개선될 수 있고, 각 부공간이 독립해서 연속적으로 밀접하게 연결되어 있기 때문에 유체가 각 부공간을 통과하는 고정에서 전반적인 3차원적인 격동이 쉽게 발생하여 주변에 장애물이 존재하더라도 열전달 효율에 미치는 영향이 낮아질 수 있다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.

(1) 제1 유체가 도입되는 분배부; 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부; 및 상기 제1 유체가 배출되는 집수부;를 포함하고, 상기 열교환부는 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 쉘 구조체로 이루어지되, 상기 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)이고, 상기 2개의 부공간 중 어느 하나가 상기 분배부로부터 도입되어 상기 집수부로 배출되는 제1 유체에 대한 유동 공간으로 제공되고, 상기 2개의 부공간 중 다른 하나가 상기 제2 유체의 유동 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

(2) 상기 제2 공간은 개방된 구조인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 열교환기.

(3) 상기 제1 유체 및 제2 유체는 기체 또는 액체인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 열교환기.

(4) 상기 2개의 부공간 상호간의 체적비는 상기 제1 유체와 제2 유체의 밀도에 따라 다르게 형성하되, 저밀도 유체의 유동 공간 대한 고밀도 유체의 유동 공간의 체적비가 7:3 ~ 8:2의 비율로 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 열교환기.

(5) 상기 제2 유체는 강제 또는 자연 대류 방식으로 제공되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 열교환기.

(6) 상기 열교환기는 자동차용 라디에이터인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 열교환기.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 얇은 벽 두께를 가지고 제작할 수 있기 때문에 가벼우면서도 외부의 기계적 하중과 내부 압력에 대한 높은 강도를 가짐과 동시에 두 부공간 사이의 열전달에 유리하다. 또한 각 부공간 내의 유체투과성이 우수하기 때문에 내부/외부 부공간 각각에 흐르는 액체와 기체의 유동저항이 낮다. 아울러 각 부공간이 3차원적으로 복잡한 형상을 가지면서 서로 밀접하게 연결되어 있다는 것은 이곳을 통과하는 과정에 유체 자체의 전반적인 3차원적인 격동이 쉽게 발생하여 주변에 장애물이 존재하더라도 열전달 효율에 미치는 영향이 낮으므로 주변 장치의 설계가 자유롭다.

게다가, 부드러운 곡면으로 구성되어 불균일 온도 변화에 따라 국부적으로 수축 또는 팽창이 발생 하더라도 이에 따른 응력(열응력)이 거의 발생하지 않아 내구성이 우수하며, 작은 크기의 단위셀을 다수 사용하여 전체 구조체를 구성할 수 있으므로 그 외형을 임의로 제작할 수 있으며, 3D 프린팅이나 구슬배열과 Han's treatment(참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular, Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.)를 통하여 표면을 부드럽게 만들어진 폴리머 템플릿에 금속 또는 세라믹 등 다양한 재료로 코팅한 후 내부의 폴리머를 식각하여 제조할 수 있으므로 3차원 TPMS의 복잡한 형상에도 불구하고 열교환기를 제조하는 것은 비용과 대량 생산성 측면에서 유리하다.

도 1은 3주기적 최소 곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)에 관한 예.
도 2은 TPMS 형태의 3차원 쉘 구조체에서 두 부공간이 분할되는 것에 관한 개념도.
도 3은 종래 기술에 따른 플레이트 핀 방식 및 코러게이트 핀 방식 형태의 열교환기의 구조도.
도 4는 종래 기술에 따른 트러스 형태의 열교환기의 구조도.
도 5 및 도 6은 종래 기술에 따른 다양한 형태의 열교환기의 유동저항 및 열전달 효율을 나타낸 그래프.
도 7는 종래 기술에 따른 유사 카고메 트러스 구조물의 구조도.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 구조도.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 부공간의 부피분율 및 단위셀 크기에 변화를 준 열교환부용 3차원 쉘 구조체의 구조도.
도 10는 본 발명에 따른 3차원 쉘 구조체를 적용한 열교환기에서의 유체의 유동 특성을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 자동차용 라디에이터의 설계 개념도.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 8는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)의 구조도를 나타낸다. 상기 열교환기(10)는 제1 유체가 도입되는 분배부(110); 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부(130); 및 상기 제1 유체가 배출되는 집수부(120);를 기본적으로 포함한다. 이러한 열교환기(10)가 적용되는 분야는 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 자동차용 라디에이터, 에어콘 등과 같은 공기조화장치 또는 냉장고 등에서 사용되는 응축기, 기화기 등일 수 있다.

이 경우 상기 제1 유체는 열교환 대상 유체이고, 제2 유체는 제1 유체를 냉각 또는 가열시키기 위한 열교환 수행 유체를 의미하는 것으로 편의상 명명되었으며, 이러한 제1 유체 및 제2 유체는 열교환기(10)가 적용되는 분야에 따라 다양한 물질이나 기체 또는 액체의 상(phase)으로 존재할 수 있다. 또한 제1 유체에 대해 열교환으로 제공되는 제2 유체는 자연대류 또는 강제 대류 형태로 제공될 수 있다.

본 발명의 경우, 특히 상기 열교환부(130)를 상기 열교환부(130)는 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 쉘 구조체로 이루어지되, 상기 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)으로 구성하면서, 상기 2개의 부공간 중 어느 하나가 상기 분배부(110)로부터 도입되어 상기 집수부(120)로 배출되는 제1 유체에 대한 유동 공간으로 제공되고, 상기 2개의 부공간 중 다른 하나가 상기 제2 유체의 유동 공간으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

한편, 적용 가능한 3주기적 최소곡면 형태의 종류와 관련해서는 아래의 실시예에서는 TPMS 중 P-과 D-곡면 형태 가 예시되어 있지만 이에 제한되지 않으며, 다른 TPMS도 가능하다. 또한 최소곡면 형태의 3차원 박형 쉘 구조체는 다양한 방식으로 제조될 수 있고, 본 발명자 등이 선행특허 등을 통해 제안한 템플릿을 이용한 방법이 용이한 방법 중 하나로 유리하게 적용될 수 있다. 이러한 템플릿을 이용한 3차원 쉘 구조체의 제조 과정은 전술한 바와 같이 기본적으로 템플릿을 형성하는 단계; 상기 템플릿의 표면에 쉘 구조체의 계면을 구성하는 박형 벽면을 형성하는 단계; 박형 벽면의 일부를 제거하여 템플릿을 노출시키는 단계; 및 상기 템플릿을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다. 또한, 상기 템플릿 제조방법과 관련해서 본 발명자 등이 선행특허 등을 통해 제안한 방식 외에도 3D 프린팅을 이용하는 것도 가능하며, 이 경우 3D 프린트의 제작 원리상 필연적으로 표면이 거칠기 때문에 두 종류의 유기용매로 부분적으로 용해하여 표면을 매끈하게 처리하는 소위 'Han's treatment'가 수반될 수 있다(참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.).

상기 분배부(110)는 외부에서 유입되는 제1 유체, 예컨대 자동차 라이에이터의 경우 냉각수를 열교환부(130)를 구성하는 3차원 쉘 구조체로 분배하는 역할을 한다. 분배부(110)는 복수의 배관으로 구성된 매니폴드 형태로 제공되어 3차원 쉘 구조체의 일측 즉 도면에서 상측에 설치된다. 분배부(110)에 구비된 각각의 배관은 3차원 쉘 구조체의 2개의 부공간 중 어느 하나인 제1 공간(132)에 대해 복수의 지점에서 연통되도록 설치된다. 도면에서 이러한 제1 공간(132)은 후술하는 바와 같이 3차원 쉘 구조체의 밀폐된 내부 공간이다. 분배부(110)에는 외부로부터 제1 유체가 유입되는 입구(110a)가 구비된다.

상기 집수부(120)는 열교환이 이루어진 제1 유체를 열교환부(130)로부터 외부로 배출하는 역할을 하며, 기본적으로 상기 분배부(110)와 동일한 형태 및 구조일 수 있다. 즉 집수부(120)는 3차원 쉘 구조체의 타측 즉 도면에서 하측에 설치되며, 집수부(120)의 배관은 3차원 쉘 구조체의 제1 공간(132)에 대해 복수의 지점에 연통되록 설치된다. 집수부(120)에는 외부로 제1 유체를 배출하기 위한 출구가 구비되며, 이는 분배부(110)의 입구(110a) 반대편에 설치되는 것으로 예시되었다(도면 미도시).

도 8의 실시예에서 열교환부(130)를 구성하는 3차원 쉘 구조체로서 TPMS 중 P-곡면과 D-곡면 형태가 예시되었다. 열교환부(130)에는 2개의 부공간이 구비되며, 예컨대 자동차 라디에이터에 적용되는 경우 제1 공간(132)은 밀폐된 형태로서 열교환 대상 유체인 제1 유체, 즉 냉각수에 대한 유동 공간(이동 공간)으로 제공되며 제2 공간(134)은 개방된 형태로서 열교환 수행 유체인 제2 유체, 즉 외부 공기에 대한 유동 공간으로 제공된다. 또한 자동차 라디에이터에 적용시 제2 유체, 즉 외부 공기는 개방된 제2 공간(134)으로 자연 대류로 공급되는 것일 수 있다. 제1 유체와 제2 유체 사이의 열교환 과정은 3차원 쉘 구조체의 벽(wall)을 매개로 하여 통해 열전도 방식으로 수행되며, 이를 위해 3차원 쉘 구조체의 재질은 우수한 열전도성을 갖는 금속으로 구성하는 것이 바람직하다.

한편 상기 열교환부(130)로 제공되는 3차원 쉘 구조체에서 TPMS의 종류, 단위셀의 크기, 배열 방위와 두 부공간 사이 비율(volume fraction; 부피 분율)과, 분배부(110)와 집수부(120)의 위치 및 형상은 열교환용량과 유동저항 및 주변 장애물에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다. 예컨대, 단위셀의 크기, 부공간 간 부피 분율(volume fraction)을 동일하게 할 수도 있지만 소정의 그래디언트(gradient)를 갖도록 함으로써 불균일한 프로파일로부터 균일한 프로파일의 유체 유동으로 변화를 줄 수 있다.

도 9의 (a)와 (b)는 이러한 열교환부(130)의 설계 사항 중 각각 부피분율(volume fraction)과 단위셀 크기에 변화를 준 일례를 나타낸다. 도 9에서 상대적으로 밝은 색 부분은 밀폐되어 내부의 빈 공간은 가려진 부공간을 나타내는 것으로 이해될 수 있다 (참고문헌: Oraib Al-Ketan, Rashid K. Abu Al-Rub, Multifunctional mechanical-metamaterials based on triply periodic minimal surface lattices: A review. Advanced Engineering Materials, Vol. 21, 1900524, 2019.). 한편 3차원 쉘 구조체의 부피분율 또는 단위셀의 크기에 변화를 주는 형태에는 위치에 따라 분포가 서서히 변화하는 소위 경사 기능재료(functionally graded (or gradient) material)도 가능하다.

보다 구체적으로 3차원 쉘 구조체의 부공간 간 부피 분율과 관련해서는, 2개의 부공간 상호간의 체적비는 상기 제1 유체와 제2 유체의 밀도에 따라 다르게 형성하되, 저밀도 유체의 유동 공간 대한 고밀도 유체의 유동 공간의 체적비가 7:3 ~ 8:2의 비율로 더 작게 형성되는 것이 바람직하다. 다만 고밀도 유체이 유동 공간이 상기 체적비 하한치 미만으로 너무 작으면 고밀도 유체의 유동저항이 지나치게 높아져 해당 유체가 흐르는 부공간 내에서 유체가 흐르는 단면이 부분적으로 지나치게 좁아서 유동을 어렵게 하고 이를 극복하게 하기 위하여 추가 동력이 필요할 수 있어 적용환경에 따라서는 바람직하지 않을 수 있다. 한편 TPMS의 형태에서는 두개의 부공간 부피분율의 한계가 존재할 수는 있다.

도 10는 본 발명에 따른 3차원 쉘 구조체를 적용한 열교환기(10)에서의 유체의 유동 특성을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로 도 10의 (a)와 (b)는 각각 종래의 미늘살(louver) 형태의 열교환기(10)와 본 발명에 따른 D-곡면 형태의 3차원 셀 구조체가 적용된 열교환기(10)를 대상으로 하여, 각각 평행한 유로의 입구(110a)에 삼각형 형태의 장애물이 존재하는 경우에 공기유동을 수치해석 소프트웨어(ANSYS Discovery)로 예측한 것이다. 이 경우 도 10의 (b)에서 공기가 통과하는 부공간의 부피분율 70%로 하여 예측하였다. 도 10의 (a)에 따른 미늘살(louver) 형태의 열교환기(10)에서는 유동교란이 거의 발생하지 않아 장애물에 가려진 부분에는 거의 공기가 통과하지 않는 반면에 도 10의 (b)에 따른 D-곡면 형태의 shellular 열교환기(10)에서는 활발하게 유동교란이 발생하여 장애물에 의해 가려지는지에 상관없이 거의 균일하게 공기가 통과함을 나타낸다. 따라서 도 10의 (b)에 따른 D-곡면 형태의 shellular 열교환기(10)에서는 장애물로 인한 열전달 효율의 감소가 최소화 할 것으로 예상될 수 있다.

결과적으로 본 발명에 따른 3차원 쉘 구조체를 적용한 열교환기(10)의 경우, TPMS 곡면을 구성하는 2개의 부공간이 서로 꼬인 형태로 존재하고 각 부공간 내 단위셀끼리는 3차원적으로 서로 완전히 통해 있어 외부에서 평행하게 공기 등의 유체가 유입된다고 할지라도 한 부공간을 통과하는 과정에서 복잡한 형상의 부드러운 곡면 쉘에 부딪쳐 활발한 유동의 교란이 발생한다. 유동교란의 정도는 TPMS의 타입, 부피분율, 방위각 등에 따라 달라지는데 이 유동교란 현상은 강제 대류의 열전달 효율을 높이는 역할을 할 뿐만 아니라, 외부에서 공기 등의 유체가 유입되는 통로에 장애물이 존재하는 경우에도 열전달 효율이 감소되는 현상을 최소화할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 자동차용 열교환기(10)로 실제 적용시 그 설계 개념도를 나타낸다. 엔진의 상부에 배치되는 열교환 기로서 엔진의 실루엣에 맞도록 설계된 외형을 가지고 있다. 이와 같이 특히 열교환을 위하여 주어진 공간이 제한적인 크기와 형태를 가진 경우 중요하다. 종래의 열교환기(10)가 튜브와 같은 선 요소로 구성된데 반하여 본 발명의 3차원 쉘 구조체를 이용한 열교환기(10)는 점 요소로 간주될 수 있는 작은 단위셀로 구성할 수 있으므로 외형을 자유롭게 제작할 수 있다. 또한 2개의 두 부공간이 서로 꼬인 형태로 존재하고 각 부공간 내 단위셀끼리는 3 차원적으로 서로 완전히 통해 있어 단위셀의 크기가 작더라도 유동성이 여전히 유지되으므로 열교환 성능이 저하되어 않는다. 다만, 도 11의 실시예에 불구하고 상술한 바와 같이 이러한 열교환기(10)가 적용되는 분야는 특별히 제한되지 않으며, 각종 열교환 장치에서도 주어진 공간 및 형태에 따라 외형 실루엣을 자유롭게 변경 적용할 수 있음은 물론이다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 얇은 벽 두께를 가지고 제작할 수 있기 때문에 가벼우면서도 외부의 기계적 하중과 내부 압력에 대한 높은 강도를 가짐과 동시에 두 부공간 사이의 열전달에 유리하다. 또한 각 부공간 내의 유체투과성이 우수하기 때문에 내부/외부 부공간 각각에 흐르는 액체와 기체의 유동저항이 낮다. 아울러 각 부공간이 3차원적으로 복잡한 형상을 가지면서 서로 밀접하게 연결되어 있다는 것은 이곳을 통과하는 과정에 유체 자체의 전반적인 3차원적인 격동이 쉽게 발생하여 주변에 장애물이 존재하더라도 열전달 효율에 미치는 영향이 낮으므로 주변 장치의 설계가 자유롭다. 게다가, 부드러운 곡면으로 구성되어 불균일 온도 변화에 따라 국부적으로 수축 또는 팽창이 발생 하더라도 이에 따른 응력(열응력)이 거의 발생하지 않아 내구성이 우수하며, 작은 크기의 단위셀을 다수 사용하여 전체 구조체를 구성할 수 있으므로 그 외형을 임의로 제작할 수 있으며, 3D 프린팅이나 구슬배열과 Han's treatment(참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.)를 통하여 표면을 부드럽게 만들어진 폴리머 템플릿에 금속 또는 세라믹 등 다양한 재료로 코팅한 후 내부의 폴리머를 식각하여 제조할 수 있으므로 3차원 TPMS의 복잡한 형상에도 불구하고 열교환기(10)를 제조하는 것은 비용과 대량 생산성 측면에서 유리하다.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.

10: 열교환기
110: 분배부
110a: 입구
120: 집수부
130: 열교환부
132: 제1 공간
134: 제2 공간

Claims (6)

1. 제1 유체가 도입되는 분배부; 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부; 및 상기 제1 유체가 배출되는 집수부;를 포함하고,
   상기 열교환부는 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 쉘 구조체로 이루어지되, 상기 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)이고,
   상기 2개의 부공간 중 어느 하나가 상기 분배부로부터 도입되어 상기 집수부로 배출되는 제1 유체에 대한 유동 공간으로 제공되고, 상기 2개의 부공간 중 다른 하나가 상기 제2 유체의 유동 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 공간은 개방된 구조인 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 기체 또는 액체인 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제1항에 있어서, 상기 2개의 부공간 상호간의 체적비는 상기 제1 유체와 제2 유체의 밀도에 따라 다르게 형성하되, 저밀도 유체의 유동 공간 대한 고밀도 유체의 유동 공간의 체적비가 7:3 ~ 8:2의 비율로 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 유체는 강제 또는 자연 대류 방식으로 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 자동차용 라디에이터인 것을 특징으로 하는 열교환기.

Images