KR20240039415A

KR20240039415A - 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기

Info

Publication number: KR20240039415A
Application number: KR1020220117960A
Authority: KR
Inventors: 박근; 이준원; 오서현
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-26
Also published as: KR102669429B1; WO2024063222A1

Abstract

본 발명은 TPMS 마이크로셀룰러 구조의 열교환기에서 유체의 흐름을 선택적으로 제어하여 열효율을 향상시킬 수 있도록 국부적 필터링을 적용하여 TPMS의 부호거리장을 조절함으로써 다양한 기능성을 부여한 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기에 관한 것이다.

Description

국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기{MICRO-CELLULAR HEAT EXCHANGER WITH LOCAL FILTERING}

본 발명은 유체의 흐름을 선택적으로 제어할 수 있도록 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환기는 2개 이상의 유체 사이에서 열을 교환할 수 있도록 한 장치로, 형태에 따라 원통다관식, 이중관식, 판형 열교환기 등이 있다. 이중 판형(Plate type) 열교환기는 얇은 금속판을 여러 층 붙여놓은 구조로, 교차 적층된 여러 층의 전열판 사이로 저온/고온 유체를 통과시켜 열교환을 수행하게 된다. 이러한 판형 열교환기는 열효율이 좋고 설치 면적이 작아 고집적(Compact) 열교환기로 사용할 수 있다.

그러나 상기 판형 열교환기는 열교환 용량의 증가를 위해서 전열판의 적층 개수를 늘려야 함에 따라 크기가 증가하는 단점이 있다. 일례로, 현재 전기차용 배터리 냉각용으로 판형 열교환기(5kW급)가 사용되고 있으나, 고속충전 및 장거리 주행을 위한 고용량 열교환기(10kW급 이상)에서는 부피가 증가하여 공간상의 제약이 발생할 수 있다.

최근에는 3D프린팅 기술을 이용한 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface) 열교환기가 제안된 바 있다. TPMS 열교환기는 Sine/Cosine 함수의 3차원적 조합으로 이루어진 곡면 구조를 사용한 것으로, 단일 곡면을 사용하여 3차원 공간을 2개의 공간으로 분리된 채널 구조를 가질 수 있어 2종 유체간의 열교환을 수행하는 열교환기에 효과적으로 적용될 수 있다. 도 1에 대표적인 TPMS 곡면인 Primitive(P), Diamond(D), Gyroid(G) 곡면을 예시하였으며, 각각에 대한 음함수는 아래와 같이 표현될 수 있다.

여기서, ω_x, ω_y, ω_z는 각각 x, y, z 방향으로의 주기를 의미하며, TPMS 단위셀(Unit cell) 크기와 직결된다.

이렇게 분리된 2개의 공간으로 저온/고온 유체를 흐르게 할 수 있어 3차원적인 열교환이 가능하다(기존의 판형 열교환기는 2.5차원 열교환). 아울러 TPMS 열교환기는 단위부피당 표면적이 크고 유체의 흐름에 유리한 채널 구조로 설계가 가능하여 최근 활발히 연구되고 있다.

그러나 기존의 TPMS 열교환기는 복잡한 형상으로 인해 유동의 효과적인 제어가 어려울 수 있다. 일례로 도 1의 G surface를 사용한 TPMS 열교환기를 도 2에 도시하였다. 상기 도 2에 도시한 TPMS 열교환기는 본체의 종방향(길이방향) 유체 순환 시 높은 열전달 효율이 발생될 수 있으나, 도 3에서와 같이 본체의 횡방향(폭방향) 유체 순환 시(일례로, 길이방향의 좌측에 고온유체 입/출구, 우측에 저온유체 입/출구가 위치) 고온/저온 유체의 흐름이 서로 교차하지 않고 해당 영역에만 집중될 수 있다. 이에 따라 열교환 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다. 또한 입/출구 영역에서 TPMS 채널로 유체가 흐를 때 단면적의 급격한 변화로 인해 압력 강하가 크게 발생되며, 상기 압력 강하로 인해 열교환 효율이 저하되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1341216호(등록일: 2013.12.06.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, TPMS 마이크로셀룰러 구조의 열교환기에서 유체의 흐름을 선택적으로 제어하여 열효율을 향상시킬 수 있도록 국부적 필터링을 적용하여 TPMS의 부호거리장을 조절함으로써 다양한 기능성을 부여한 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는, Sine/Cosine 함수의 3차원적 조합으로 이루어진 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface) 곡면을 이용하여 내부가 두 개의 유로 공간으로 분리되며, 상기 두 개의 유로 공간을 통해 고온의 제1유체와 저온의 제2유체가 제각기 흐르면서 3차원적인 열교환이 이루어질 수 있도록 입구와 출구가 각각 구비되는 TPMS 구조의 본체부;를 포함하되, 상기 본체부는 아래 <수식>의 전이함수(Transition function, F(x,y,z))를 기초로 TMPS의 부호거리장을 변화시켜 국부적 필터링을 적용할 수 있다.

<수식>

(여기서, 는 TPMS의 부호거리장 함수, 는 필터링이 적용된 TPMS의 부호거리장 함수, k_x는 x 방향 전이 계수, k_y는 y 방향 전이 계수, k_z 는 z 방향 전이 계수, x_p는 x 방향 전이 위치, y_p는 y 방향 전이 위치, z_p 는 z 방향 전이 위치, n은 중첩되는 Sigmoid 함수 개수, β_i는 중첩되는 Sigmoid 함수별 확대 계수(Magnitude)를 나타냄.)

이 경우 상기 TPMS의 부호거리장 함수()는, Primitive(P), Diamond(D), Gyroid(G)(도 1 참조)와 같이 다양한 형태의 곡면을 제각기 형성하는 아래 수식 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

(여기서, ω_x, ω_y, ω_z는 각각 x, y, z 방향으로의 주기를 의미하며, TPMS 단위셀(Unit cell) 크기와 직결됨.)

또한 상기 입구와 출구에는, 상기 두 개의 유로 중 상기 제1유체 또는 제2유체가 유입되지 않는 나머지 하나의 유로를 막아주는 선별 필터(Selection filter);가 적용되어 고온과 저온 유체의 선택적 유입이 가능하도록 할 수 있다.

또한 상기 유로는, 상기 제1유체가 흐르며, 제1입구와 제1출구가 구비되는 제1유로; 및 상기 제2유체가 흐르며, 제2입구와 제2출구가 구비되는 제2유로;를 포함할 수 있다.

또한 상기 제1입구와 제1출구는 상기 본체부의 종방향 일측에 횡방향으로 이격 배치되고, 상기 제2입구와 제2출구는 상기 본체부의 종방향 타측에 횡방향으로 이격 배치될 수 있다.

또한 상기 제1입구와 제1출구 사이, 상기 제2입구와 제2출구 사이에는, 동일 유체의 유동 흐름을 차단하여 상기 제1유체와 제2유체의 유동 교차 영역을 확대시키는 장벽 필터(Barrier filter);가 각각 설치된 것을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제1입구와 제1출구 사이에 설치된 장벽 필터는, 고온의 제1유체가 흐르는 제1유로를 차단하여 상기 제2유로를 통해 저온의 제2유체만 통과시키고, 상기 제2입구와 제2출구 사이에 설치된 장벽 필터는, 저온의 제2유체가 흐르는 제2유로를 차단하여 상기 제1유로를 통해 고온의 제1유체만 통과시킬 수 있다.

또한 상기 장벽 필터는, 상기 본체부의 종방향 전체 길이 대비 절반 이하의 길이로 형성될 수 있다.

또한 상기 입구와 출구 영역에는, 상기 입/출구 경계면에서 유로의 폭이 감소되어 압력강하가 증가하는 것을 방지할 수 있도록 상기 본체부 입/출구 영역 경계면의 TPMS 구조물 비중을 감소시키는 방식으로 상기 유로 영역을 증가시키는 경계면 필터(Boundary filter)가 적용될 수 있다.

또한 상기 경계면 필터는, 상기 입구와 출구가 구비된 본체부의 외측면을 포함하는 영역(Boundary region)으로 확장 적용될 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기는, TPMS 마이크로셀룰러 구조의 열교환기에서 유체의 흐름을 선택적으로 제어할 수 있으며, 선별 필터를 이용한 필터링 기법을 적용하여 고온/저온 유체의 입/출구 분리 및 선택적인 장벽 필터를 통한 유동 흐름 제어를 가능하게 함으로써 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 본체부의 입/출구 영역에 경계면 필터를 적용하여 입/출구 부위의 유동영역을 증가시켜줌으로써 입/출구 압력강하를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 유동특성과 열교환특성이 동시에 개선된 TPMS 열교환기의 개발이 가능하다.

도 1은 종래 다양한 TPMS의 형상을 보여주는 도면,
도 2는 종래 TPMS 열교환기의 종방향 유동 흐름을 통한 열교환 상태를 보여주는 평면도,
도 3은 종래 TPMS 열교환기의 횡방향 유동 흐름을 통한 열교환 상태를 보여주는 평면도,
도 4의 (a), (b)는 본 발명에 따른 TPMS 구조의 부호거리장을 보여주는 도면,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 Sigmoid 전이함수를 보여주는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기의 사시도,
도 7은 도 6의 열교환기 내에 적용된 TPMS 구조의 본체부를 보여주는 사시도,
도 8은 본 발명에 따른 열교환기에 선별 필터가 적용된 사시도,
도 9는 TPMS구조의 본체부에 적용된 고온/저온 유체의 영역을 보여주는 평면도,
도 10은 도 9의 부호거리장을 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 선별 필터가 적용된 상태를 보여주는 평면도,
도 12는 본 발명에 따른 선별 필터의 적용을 위한 설계 매개 변수,
도 13은 본 발명에 따른 선별 필터를 적용한 결과 얻어진 부호거리장을 도시한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 선별 필터에 의해 고온/저온 영역에 선택적으로 형성된 유로를 보여주는 도면,
도 15는 본 발명에 따른 장벽 필터가 적용된 상태를 보여주는 평면도,
도 16은 본 발명에 따른 장벽 필터의 적용을 위한 설계 매개 변수,
도 17은 본 발명에 따른 장벽 필터가 적용된 경우의 부호거리장,
도 18은 본 발명에 따른 장벽 필터의 적용 시 고온/저온 유로를 보여주는 평면도,
도 19는 본 발명에 따른 본체부의 상면 네 모서리부에 경계면 필터가 적용된 사시도,
도 20은 도 19의 평면도,
도 21은 본 발명에 따른 경계면 필터의 적용 시 고온/저온 유체의 유동영역을 보여주는 도면,
도 22 및 도 23은 본 발명에 따른 경계면 필터가 본체부의 입/출구와 외측면을 포함하는 영역으로 확장된 다른 실시예,
도 24 및 도 25는 도 22의 평면도,
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경계면 필터의 적용 시 고온/저온 유체의 유동영역을 보여주는 도면,
도 27은 본 발명에 따른 본체부의 입/출구가 횡방향으로 배열되어 있는 열교환기의 실시예,
도 28은 본 발명에 따른 경계면 필터 적용에 따른 입/출구의 압력강하 추이를 보여주는 그래프이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

먼저, TPMS 중 본 발명의 본체부(110)를 형성하기 위한 Gyroid(G-surface, 도 1 참조)는 기본적으로 아래 식(1)로 표현될 수 있다.

..(1)

여기서, ω_x, ω_y, ω_z는 각각 x, y, z 방향으로의 주기를 의미하며, TPMS 단위셀(Unit cell) 크기와 직결된다. TPMS 곡면에 기반한 쉘(Shell) 구조는 아래 식(2)와 같은 레벨셋(Level-set) 형태로 표현된다.

....(2)

여기서, C는 레벨셋 TPMS 구조물의 두께를 결정하며, 영역 Ω₂가 두께가 부여된 쉘 구조물에 해당된다. 영역 Ω₁과 Ω₃은 벽면의 안쪽 (도 4(a)의 적색 영역)과 바깥쪽(도 4(a)의 청색 영역)에 해당하며, 이를 단면 내의 부호거리장으로 나타내면 도 4의 (b)와 같이 표현된다. 즉 도 4의 (b)에서 적색으로 표기된 부분은 양(+)의 거리장으로 정의가 되고, 청색으로 표현된 부분은 음(-)의 거리장으로 정의가 되며, 벽면(연두색)에 의해 구분된다. 따라서 열교환기로의 응용을 위해서는 양의 거리장 영역을 고온유체 채널로, 음의 거리장 영역을 저온유체 채널로 활용하여 벽면을 통한 열교환을 실시할 수 있다. 참고로, 본 발명에서는 양의 거리장 영역을 고온유체 채널로, 음의 거리장 영역을 저온유체 채널로 활용한 경우의 일례를 들어 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 반대로 양의 거리장 영역을 저온유체 채널로, 음의 거리장 영역을 고온유체 채널로 변경 적용할 수 있다.

이 경우 상기 TPMS 구조물의 본체부(110)를 열교환기로 사용하기 위해서는 다양한 기능성을 부여해야 한다. 본 발명에서는 Sigmoid 함수 형태의 전이함수(Transition function)를 사용하여 TPMS 부호거리장을 수정하는 필터링 기법을 도입하였다. Sigmoid 함수를 아래 식(3)과 같이 정의 되며, 도 5a와 같이 0과 1 사이에서 변화하는 형태의 함수이다.

...(3)

여기서, k는 전이 계수로서 전이 구간의 기울기에 영향을 미치고, x_p는 전이 위치를 결정하며, 해당 인자를 조절하여 TPMS의 부호거리장에 다양한 형태의 국부적 변화를 부여할 수 있다.

상기 전이함수는 아래 식(4)와 같이 다수개의 Sigmoid 함수를 중첩시킨 복합 함수 형태로 확장할 수 있으며, 이는 논리합(Boolean addition; OR) 연산에 해당한다. 도 5b에 2개의 Sigmoid 함수를 중첩시킨 복합 전이함수를 도시하였으며(n=2), 구간의 양쪽 끝단의 부호거리장을 국부적으로 증가시키는 형태로 필터링을 수행할 수 있도록 하였다.

...(4)

여기서, β_i는 중첩되는 Sigmoid 함수별 확대 계수(Magnitude)를 의미하며, 전이함수별 가중치를 조절할 수 있다.

상기 전이함수는 아래 식(5)와 같이 다수개의 Sigmoid 형태를 곱해주는 형태로 확장할 수 있으며, 이는 논리곱(Boolean multiplication; AND) 연산에 해당한다. 도 5c에 2개의 Sigmoid 함수를 곱해준 복합 전이함수를 도시하였으며, 서로 다른 2개의 전이 위치(-0.5, 0.5)에서 반대의 기울기(-1.8, 1.8)를 가진 2개의 함수를 곱해줌으로써 특정 영역을 국부적으로 증가시키는 역할을 한다.

...(5)

상기 전이함수 중첩을 3차원 공간으로 확장하여 n개의 전이함수가 중첩되는 경우로 일반화하면 아래 식(6)과 같이 표현할 수 있다.

...(6)

여기서, k_x는 x 방향 전이 계수, k_y는 y 방향 전이 계수, k_z 는 z 방향 전이 계수, x_p는 x 방향 전이 위치, y_p는 y 방향 전이 위치, z_p 는 z 방향 전이 위치, n은 중첩되는 Sigmoid 함수 개수, β_i는 중첩되는 Sigmoid 함수별 확대 계수(Magnitude)를 의미한다.

상기 식(6)을 식(1)의 TPMS 함수에 더해주면 아래 식(7)과 같이 필터링이 적용된 TPMS 곡면의 함수가 표현된다. 상기 수식화를 바탕으로 전이 계수와 위치, 확대 계수의 조합을 변화시켜 다양한 형태의 필터링을 수행할 수 있다.

...(7)

이상과 같은 수식을 이용하여 형성된 본 발명에 따른 열교환기(100)의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기의 사시도이고, 도 7은 도 6의 열교환기 내에 적용된 TPMS 구조의 본체부를 보여주는 사시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 마이크로셀룰러 구조의 열교환기(100)는, Sine/Cosine 함수의 3차원적 조합으로 이루어진 TPMS 곡면을 이용하여 내부가 두 개의 유로(111)(112) 공간으로 분리 형성된 본체부(110)를 포함할 수 있다. 상기 유로(111)(112)는 본체부(110)의 상하 좌우 사방으로 서로 꼬이는 방식으로 형성될 수 있으며, 각 유로(111)(112) 내에는 복수의 통공(H)(도 8 참조)이 형성되어 동일 공간에서의 유체 흐름이 가능할 수 있다.

아울러 상기 본체부(110)에는 두 개의 유로(111)(112) 공간을 통해 고온의 제1유체(W1)와 저온의 제2유체(W2)가 제각기 흐르면서 3차원적인 열교환이 이루어질 수 있도록 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)가 각각 이격되게 구비될 수 있다.

구체적으로, 상기 유로는 제1유체(W1)가 흐르며 제1입구(111a)와 제1출구(111b)가 구비되는 제1유로(111)와, 상기 제2유체(W2)가 흐르며 제2입구(112a)와 제2출구(112b)가 구비되는 제2유로(112)를 포함할 수 있다. 상기 제1입구(111a)와 제1출구(111b)는 본체부(110)의 종방향 일측에 횡방향으로 이격 배치되고, 상기 제2입구(112a)와 제2출구(112b)는 본체부(110)의 종방향 타측에 횡방향으로 이격 배치될 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)는 두 개의 유로(111)(112)를 통해 제1유체(W1)와 제2유체(W2)의 선택적 유입이 가능하도록 선별 필터(Selection filter)(115)가 적용될 수 있다. 선별 필터(115)는 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)의 해당 영역에서 타 유체 영역의 유로 입구를 솔리드 영역으로 대체하는 방식으로 폐쇄할 수 있다.

즉 상기 본체부(110)를 열교환기(100)로 사용하기 위해서는 고온/저온 유체의 입/출구가 명확히 구분되어야 한다. 그러나 도 9에서와 같이 상기 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)에는 고온/저온 유체의 영역(적색: 고온 채널, 청색: 저온 채널)이 혼재하여 유동의 선택적 유입이 어려울 수 있다. 이 경우 통상적으로 해당 영역에서의 타 유체 영역을 막아버리는 형태로 해결할 수 있으나, 설계 수정을 위해 3D CAD 소프트웨어 등을 사용한 수작업이 필요하다. 참고로, 도 10에 선별 필터(115)가 적용되지 않은 경우의 부호거리장을 도시하였다.

이에 따라, 도 11에서와 같이, 상기 두 개의 유로(111)(112) 중 해당하는 유로의 유체 영역만 통과시키고 다른 영역의 유로는 선별 필터(115)를 통해 차단할 수 있도록 하였다. 이 경우 상기 선별 필터(115)를 통한 각각의 필터링 영역은 본체부(110) 상측의 네 모서리부에 일례로 22×22×2.5㎜의 영역으로 정의하였다(n = 4). 해당 영역에 식 (5)를 사용하여 4개의 전이함수를 중첩하여 적용하였으며, 도 12의 Table 1에 각 전이함수의 주요 인자를 요약하였다.

도 13에 해당 전이함수로 상기 선별 필터(115)를 적용한 결과 얻어진 부호거리장을 도시하였는데, 좌측 2개의 고온 입/출구 영역에서는 전체적으로 부호거리장이 증가하여 저온 유체 영역이 모두 상실되는 결과를 보였다. 마찬가지로 우측 2개의 고온 입/출구 영역에서는 전체적으로 부호거리장이 감소하여 고온 유체 영역이 모두 상실되는 결과를 보였다.

아울러 도 14에 도시된 바와 같이, 본체부(110)의 좌측 고온 영역에서는 고온 유체만, 우측 저온 영역에서는 저온 유체만 통과할 수 있도록 유로가 형성된 것을 알 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 상기 제1입구(111a)와 제1출구(111b) 사이, 그리고 상기 제2입구(112a)와 제2출구(112b) 사이에는 TPMS 내부의 유동 방향을 효과적으로 제어할 수 있도록 장벽 필터(Barrier filter)(120)가 각각 설치될 수 있다. 상기 장벽 필터(120)는 적용대상 장치의 구조상 유체의 횡방향 유동이 불가피한 열교환기(100)에 적용되어 동일 유체의 유동 흐름을 차단할 수 있다. 이러한 장벽 필터(120)를 통해 제1유체(W1)와 제2유체(W2)의 유동 교차 영역을 확대시킬 수 있으며, 이에 따라 열교환기(100)의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 도 15를 참조하면, 상기 제1입구(111a)와 제1출구(111b) 사이에 설치된 장벽 필터(120)는 고온의 제1유체(W1)가 흐르는 제1유로(111)를 차단하여 제2유로(112)를 통해 저온의 제2유체(W2)만 통과시킬 수 있다. 그리고 상기 제2입구(112a)와 제2출구(112b) 사이에 설치된 장벽 필터(120)는 저온의 제2유체(W2)가 흐르는 제2유로(112)를 차단하여 제1유로(111)를 통해 고온의 제1유체(W1)만 통과시킬 수 있다.

바람직하게, 상기와 같은 구조의 장벽 필터(120)는 TPMS 구조의 본체부(110) 내부와 같은 높이를 유지할 수 있다. 아울러 장벽 필터(120)의 길이(l')는 본체부(110)의 종방향 전체 길이(l) 대비 1/2 이하로 형성될 수 있다(도 6 참조).

즉 상기 장벽 필터(120)의 길이(l')가 본체부(110)의 종방향 전체 길이(l) 대비 절반 이상으로 형성되는 경우, 본체부(110)의 중간 영역에서 제1유체(W1) 또는 제2유체(W2)의 횡방향 유동이 원활하지 않을 수 있다. 이에 따라 본체부(110) 내에서 열교환이 제대로 이루어질 수 없다. 반대로, 상기 장벽 필터(120)의 길이가 본체부(110)의 종방향 전체 길이 대비 절반 이하로 너무 짧게 형성되는 경우, 기존의 열교환기와 마찬가지로 고온/저온 유체의 흐름이 서로 교차하지 않고 해당 영역에만 집중(도 3의 (b) 참조)될 수 있는 우려가 있다. 따라서 상기 장벽 필터(120)의 길이(l')는 상기 본체부(110)의 종방향 전체 길이(l) 대비 절반 이하로 형성하되, 너무 짧지 않은 길이로 형성하여 본체부(110) 전 영역에서 고온/저온 유체의 원활한 유동 및 교차가 가능하도록 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 한 쌍의 장벽 필터(120)를 형성하기 위한 필터링 함수는 아래 식(8)과 같이 표현될 수 있다.

...(8)

이 경우 상기 한 쌍의 장벽필터(120)는 도 16의 Table 2와 같이 설계하였으며, 상기 장벽 필터(120) 적용시 부호거리장은 도 17에 도시하였다. 적용된 부호거리장을 보면 저온 필터 영역에서 고온 유로에 해당하는 양의 부호거리장이 존재하지 않으며, 마찬가지로 고온 필터 영역에서 저온 유로에 해당하는 음의 부호거리장이 존재하지 않음을 알 수 있다. 도 18에 상기 장벽 필터(120) 적용시, 고온/저온 유로를 도시하였으며, 2개의 장벽 필터(120)를 통한 선택적 유로 형성이 가능함을 확인할 수 있다.

한편, 상기 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b) 영역에 선별 필터(115)(도 17 참조)가 적용됨에 따라 유체의 압력강하가 증가할 수 있다. 즉 상기 선별 필터(115)에 의해 고온/저온 유체의 선택적 유입이 가능할 수 있으나, 유동 채널의 폭이 감소하여 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)를 통해 내부로 유입되어 흐르는 유체의 압력강하가 증가할 수 있다.

이러한 압력강하의 증가를 방지할 수 있도록 도 19 및 도 20에서와 같이 상기 본체부(110)의 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b) 영역에 경계면 필터(Boundary filter)(130)가 적용될 수 있다. 상기 경계면 필터(130)는 본체부(110)의 입/출구 영역 경계면의 TPMS 구조물 비중을 감소시키는 방식으로 유로(111)(112) 영역을 증가시킬 수 있다.

도 21은 상기 경계면 필터(130)의 적용에 따른 고온/저온 유체의 유동영역을 보여주는 도면으로, 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b) 영역에 경계면 필터(130)를 적용함에 따라 본체부(110) 내에서 유동부의 영역이 증가한 것을 확인할 수 있다.

도 22를 참조하면, 다른 실시예로 상기 경계면 필터(130)는 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)에서의 압력강하를 추가로 감소시킬 수 있도록 입구(111a)(112a)와 출구(111b)(112b)가 구비된 본체부(110)의 외측면을 포함하는 영역(Boundary region)으로 확장 적용될 수 있다. 이에 따라, 솔리드 영역이 추가로 감소되어 열교환기(100)의 유동특성이 향상(압력강하 감소)되는 효과를 얻을 수 있다.

좀 더 구체적으로 도 23 및 도 24를 참조하면, 상기 열교환기(100)의 입/출구(111a, 111b, 112a, 112b)에서는 급격한 유로의 단면 변화로 인해 압력강하가 크게 발생할 수 있다. 이러한 입/출구에서의 압력강하 감소를 위해 경계면 필터(Boundary filter)(130)를 설계하였다. 상기 경계면 필터(130)는 입/출구 상부의 유동 선별을 위한 필터링 영역(도 25의 1 내지 4 영역)과 수직 방향으로 일정 두께를 유지하며 TPMS 본체부(110)의 하단부까지 연장되도록 설계되었다.

도 25를 참조하면, 상기 경계면 필터(130) 영역은 각각 수평방향 경계면(1-H, 2-H, 3-H, 4-H)과 수직방향 경계면(1-V, 2-V, 3-V, 4-V)으로 표기하였으며, 결과적으로 총 8개의 영역에 대해 경계면 필터(130)가 형성된다. 상기 경계면 필터(130) 적용을 위해 고온유체 입/출구 영역(1-H, 1-V, 2-H, 2-V)에는 양의 부호거리장을 인가하여 전체적으로 유체 유동영역의 비중을 증가시켜 유동저항을 감소하도록 설계하였다. 마찬가지로 저온유체 입/출구 영역(3-H, 3-V, 4-H, 4-V)에는 음의 부호거리장을 인가하여 전체적으로 유체 유동 영역을 증가시켜 유동저항을 감소하도록 설계하였다. 도 26에 상기 경계면 필터(130) 적용시 고온/저온 유로를 색상으로 도시하였으며, 경계면 영역 전반에 걸쳐 고온/저온 유체가 유입되어 유동저항을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 국부적 필터링을 적용한 마이크로셀룰러 구조 열교환기(100)는, TPMS 마이크로셀룰러 구조의 열교환기에서 유체의 흐름을 선택적으로 제어하여 열효율을 향상시킬 수 있다.

또한 상기 열교환기(100)는 전열 면적을 높이면서도 컴팩트한 설계가 가능하여 슬림화/경량화가 필요한 전기자동차 배터리 냉각용 등의 열교환기에 적용될 수 있다.

특히, 상기 열교환기(100)는 선별 필터(115)를 이용한 필터링 기법을 적용하여 고온/저온 유체의 입/출구 분리 및 선택적인 장벽 필터(120)를 통한 유동 흐름 제어를 가능하게 함으로써 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 도 27에서와 같이 입/출구가 본체부(110)의 횡방향으로 배열되어 있는 열교환기 구조에서 효율적인 열교환 구현이 가능하다.

또한 도 28에서와 같이, 상기 본체부(110)의 입/출구 영역에 경계면 필터(130)를 적용하여 입/출구 부위의 유동영역을 증가시켜줌으로써 입/출구 압력강하를 감소시킬 수 있다(도 22의 경계면 필터 구조 적용 시 압력강하 1/3 수준 감소). 이에 따라 유동특성과 열교환특성이 동시에 개선된 TPMS 열교환기의 개발이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.

100 : 열교환기 W1 : 제1유체
W2 : 제2유체 110 : 본체부
111 : 제1유로 111a : 제1입구
111b : 제1출구 112 : 제2유로
112a : 제2입구 112b : 제2출구
115 : 선별 필터 120 : 장벽 필터
130 : 경계면 필터 H : 통공

Claims

Sine/Cosine 함수의 3차원적 조합으로 이루어진 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface) 곡면을 이용하여 내부가 두 개의 유로 공간으로 분리되며, 상기 두 개의 유로 공간을 통해 고온의 제1유체와 저온의 제2유체가 제각기 흐르면서 3차원적인 열교환이 이루어질 수 있도록 입구와 출구가 각각 구비되는 TPMS 구조의 본체부;를 포함하되,
상기 본체부는 아래 <수식>의 전이함수(Transition function, F(x,y,z))를 기초로 TMPS의 부호거리장을 변화시켜 국부적 필터링을 적용한 것인 열교환기.
<수식>

(여기서, 는 TPMS의 부호거리장 함수, 는 필터링이 적용된 TPMS의 부호거리장 함수, k_x는 x 방향 전이 계수, k_y는 y 방향 전이 계수, k_z 는 z 방향 전이 계수, x_p는 x 방향 전이 위치, y_p는 y 방향 전이 위치, z_p 는 z 방향 전이 위치, n은 중첩되는 Sigmoid 함수 개수, β_i는 중첩되는 Sigmoid 함수별 확대 계수(Magnitude)를 나타냄.)
제1항에 있어서,
상기 TPMS의 부호거리장 함수()는,
Primitive(P), Diamond(D), Gyroid(G) 곡면을 제각기 형성하는 아래 수식 중 어느 하나를 사용하는 것을 포함하는 열교환기.

(여기서, ω_x, ω_y, ω_z는 각각 x, y, z 방향으로의 주기를 의미하며, TPMS 단위셀(Unit cell) 크기와 직결됨.)
제1항에 있어서,
상기 입구와 출구에는,
상기 두 개의 유로 중 상기 제1유체 또는 제2유체가 유입되지 않는 나머지 하나의 유로를 막아주는 선별 필터(Selection filter);가 적용되어 고온과 저온 유체의 선택적 유입이 가능하도록 한 것을 포함하는 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 유로는,
상기 제1유체가 흐르며, 제1입구와 제1출구가 구비되는 제1유로; 및
상기 제2유체가 흐르며, 제2입구와 제2출구가 구비되는 제2유로;를 포함하는 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 제1입구와 제1출구는 상기 본체부의 종방향 일측에 횡방향으로 이격 배치되고,
상기 제2입구와 제2출구는 상기 본체부의 종방향 타측에 횡방향으로 이격 배치되는 것인 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 제1입구와 제1출구 사이, 상기 제2입구와 제2출구 사이에는,
동일 유체의 유동 흐름을 차단하여 상기 제1유체와 제2유체의 유동 교차 영역을 확대시키는 장벽 필터(Barrier filter);가 각각 설치된 것을 더 포함하는 열교환기.
제6항에 있어서,
상기 제1입구와 제1출구 사이에 설치된 장벽 필터는, 고온의 제1유체가 흐르는 제1유로를 차단하여 상기 제2유로를 통해 저온의 제2유체만 통과시키고,
상기 제2입구와 제2출구 사이에 설치된 장벽 필터는, 저온의 제2유체가 흐르는 제2유로를 차단하여 상기 제1유로를 통해 고온의 제1유체만 통과시키는 것인 열교환기.
제6항에 있어서,
상기 장벽 필터는,
상기 본체부의 종방향 전체 길이 대비 절반 이하의 길이로 형성되는 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 입구와 출구 영역에는,
상기 입/출구 경계면에서 유로의 폭이 감소되어 압력강하가 증가하는 것을 방지할 수 있도록 상기 본체부 입/출구 영역 경계면의 TPMS 구조물 비중을 감소시키는 방식으로 상기 유로 영역을 증가시키는 경계면 필터(Boundary filter)가 적용된 것을 더 포함하는 열교환기.
제9항에 있어서,
상기 경계면 필터는,
상기 입구와 출구가 구비된 본체부의 외측면을 포함하는 영역(Boundary region)으로 확장 적용되는 것인 열교환기.