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Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 37 , No. 7

[ REGULAR ]
Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 37, No. 7, pp.509-518
Abbreviation: J. Korean Soc. Precis. Eng.
ISSN: 1225-9071 (Print) 2287-8769 (Online)
Print publication date 01 Jul 2020
Received 05 Mar 2020 Revised 03 Apr 2020 Accepted 09 Apr 2020
DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.020.025

삼중 주기적 최소 곡면을 이용한 새로운 고집적 열교환기의 설계 및 제작에 관한 연구
김지호1 ; 유동진2, #
1대진대학교 대학원 기계설계산업시스템학과
2대진대학교 컴퓨터응용기계공학과

A Design and Fabrication Method of New Compact Heat Exchangers Using Triply Periodic Minimal Surface
Jiho Kim1 ; Dong Jin Yoo2, #
1Department of Mechanical Design and Industrial system, Graduate School, Daejin University
2Department of Computer-aided Mechanical Engineering, Daejin University
Correspondence to : #E-mail: djyoo@daejin.ac.kr, TEL: +82-31-539-2031


Copyright © The Korean Society for Precision Engineering
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
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Abstract

This paper describes a new design method for constructing a heat exchanger computational model comprising TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) core structures. These TPMS-Based core structures cannot be designed using the existing CAD systems, especially for heat exchangers with a high level of geometric complexity. This paper introduces a new implicit design algorithm based on the VDF (Volumetric Distance Field) calculation. All geometric components, including the TPMS-based core structures, heat exchanger exterior shapes, a set of parts for inlets and outlets, are represented by the VDF in a given design area. This enables the efficient design of computational models for the arbitrary-complex heat exchangers. The proposed design method extends the 2D flow pattern of the existing CHE into the 3D flow pattern, providing high heat transfer efficiency and low-pressure drop. Investigation of the design results and manufactured prototypes using the AM (Additive Manufacturing) technology showed that the proposed TPMS CHE design method can open a new paradigm for generating high-performance next-generation CHEs which cannot be designed and manufactured with the existing CAD and CAM technologies.


Keywords: Triply periodic minimal surface, Compact heat exchangers, Additive manufacturing, Boolean operation, Three-dimensional flow pattern
키워드: 삼중 주기적 최소 곡면, 고집적 열교환기, 적층 제조, 불리언 연산, 3차원 유동 패턴

1. 서론

오늘날 고집적 열교환기는 기계 장비의 고도화 및 소형화 기술의 핵심 부품 요소로서 그 중요성이 높아지고 있다. 따라서, 열전달 효율을 최대한 높이면서 열교환기의 크기를 축소하고, 동시에 경량화를 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-4 기존의 고집적 열교환기 중 하나인 판형열교환기는 교대로 적층된 여러 개의 플레이트 사이로 저온 및 고온 유체가 흐르면서 전열판을 통하여 열교환을 수행한다. 그러나 본 연구에서 제안하는 삼중 주기적 최소 곡면(Triply Periodic Minimal Surface, TPMS)을 이용한 열교환기는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 하나의 TPMS 곡면에 의하여 3차원 공간이 두 개의 공간으로 분리된 채널 구조를 가지고 있어, 3차원적인 열교환이 가능하게 된다.5-9 즉, TPMS로 분리된 두 공간에서 두 유체가 제각기 흐르기 때문에 서로 섞이지 않으며, 완벽한 3차원 열전달을 가능하게 한다. 또한, 단위부피당 표면적이 크고, 유체가 잘 흐를 수 있는 내부 채널 구조를 가지고 있어, 추가적인 압력 강하 없이 열전달 효율을 획기적으로 증가시킨다. 그러나 브레이징, 용접, 확산접합 등 기존의 성형기법으로는 본 연구에서 제안하고자 하는 연속적으로 연결된 TPMS 채널 구조를 가진 고집적 열교환기(Compact Heat Exchanger, CHE) 제작에 많은 제약이 있다. 따라서 빠른 시간 안에 복잡한 형상의 제품 구현이 가능하고, 부가적인 공정없이 효과적으로 제작이 가능한 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 기술이 필요하다.10-12 AM 기술은 액체나 파우더 형태의 수지, 금속 등의 재료를 한 번에 한 층씩 겹겹이(Layer-by-Layer) 쌓아서 고체 구조물을 제조하는 방식이다. 주요 기술로는 SLA (Stereo Lithography Apparatus), DLP (Digital Light Processing), FDM (Fused Deposition Modeling), LOM (Laminated Object Manufacturing), SLS (Selective Laser Sintering) 등이 있다. 특히 벌집,13 트러스14 구조와 같이 복잡하고 내부가 비어있는 형상 제작에 적합하며, 일체형 제작(Monolithic Structures)이 가능한 AM 기술은 본 논문에서 제안하고자 하는 고집적-고효율의 열교환기 개발을 위해서는 반드시 필요한 기술이다.


Fig. 1 
Comparison of the conventional plate CHE and TPMS CHE

본 연구에서는 TPMS와 볼륨거리장(Volumetric Distance Field, VDF)을 이용하여 설계된 TPMS 내부 채널 구조를 가지는 고집적 열교환기를 AM 기술을 이용하여 일체로 제작할 수 있는 새로운 가능성을 제시하고자 한다.5-8,15,16 아울러, 자동 설계 프로그램과 AM 기술의 융합화를 시도하여 고집적/고효율 TPMS 채널 구조를 가지는 열교환기의 설계 및 제작을 위한 CAD/CAM 시스템을 개발하고자 한다.


2. TPMS CHE의 설계

TPMS 채널 구조를 가지는 CHE의 설계는 채널 내부의 열교환 효율을 최대한 높이는 동시에 열교환기의 크기를 축소하여 경량화 및 소형화하는데 그 목적이 있다. 열교환기의 열교환 효율은 채널 내부의 유체 흐름과 밀접한 관계가 있다. 많은 연구를 통하여 정상유체흐름(Laminar Fluid Flow)보다 난류유체흐름(Turbulent Fluid Flow)이 열전달에 효율적이라고 알려져 있다.17,18 따라서 본 연구를 통하여 개발하고자 하는 TPMS 채널 구조를 가지는 고집적 열교환기의 채널 구조는 유체의 흐름을 2차원에서 3차원으로 확장시킴으로써, 3차원 유동 특성과 면적 집적도가 극대화되어 열전달 효율을 높이는 효과를 가져온다.

TPMS CHE의 설계 과정은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 크게 두 단계로 나뉘어 수행된다. 첫번째 단계에서는 TPMS 기반 채널 구조를 구축하고, 두 번째 단계에서는 유체의 유동을 위한 입구와 출구를 생성하여, TPMS CHE가 완성된다.


Fig. 2 
An overview of the CHE computational model construction process

2.1 TPMS의 수식적 표현

본 연구의 핵심요소인 TPMS는 음함수 형태의 간단한 삼각함수에 관한 식으로 표현될 수 있다. 이런 음함수 형태로 표현된 곡면은 마칭큐브알고리즘(Marching Cube Algorithm, MCA)과 매시 유연화(Mesh Smoothing) 과정을 거쳐 가시화될 수 있다.16 많은 TPMS 중 본 논문에서는 CHE 생성 방법을 쉽고 명확하게 전달하고자 Fig. 3에서 보는 바와 같이 가장 널리 사용되는 TPMS의 기본 곡면인 G (Gyroid)-Surface, D (Diamond)-Surface, P (Primitive)-Surface를 이용하여 설계 방법과 관련된 알고리즘을 기술하고자 한다.

φGx,y,z : Gyroid-surface=sinXcosY+sinZcosX+sinYcosZ+KφDx,y,z : Diamond-surface=cosXcosY cosZ-sinX sinYsinZ+KφPx,y,z : Primitive-surface=cosX+cosY+cosZ+K(1) 

Fig. 3 
TPMS-based channel topologies of CHEs

여기서, X = 2πζNζ, Y = 2πηNη, Z = 2πξNξ이다. 자연좌표계 ζ, η, ξ는 TPMS 코어 형상에 따라 다양한 형태의 함수로 표현될 수 있다. 식(1)에서 파라미터 K는 TPMS 공극의 크기를 조절하고, 제어 상수 Nζ, Nη, Nξ는 공극의 개수를 변화시키는 역할을 한다.

Fig. 4에서 보는 바와 같이 TPMS에 의하여 한 공간은 두 개의 부공간으로 나뉘어지는데, 이 두 개의 부공간은 두 유체가 분리되어 흐를 수 있는 유동 채널로 이용되고, TPMS 자체는 CHE의 전열벽으로 사용된다. 여기서 φ > 0은 속이 꽉 찬 솔리드(Solid)를, φ < 0은 공극(Pore)을, φ = 0은 TPMS 자체를 의미한다. Fig. 4의 단위구조가 주기적으로 반복되어 생성된 CHE의 코어 채널 구조는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 하나의 TPMS 경계 곡면(Singly-Connected Boundary Surface)으로 열교환기의 내부 공간을 두 개의 공간으로 분리할 수 있기 때문에 기존의 2차원적인 유체 흐름을 3차원적인 유체 흐름으로 변화시킬 수 있다.


Fig. 4 
A schematic view representing a TPMS that separates a space into two sub-spaces


Fig. 5 
Differences in flow behaviors between the traditional plate CHE and newly proposed TPMS-based CHE

2.2 TPMS CHE Core 설계

VDF는 형상 모델을 둘러싸고있는 공간상의 모든 점에서 형상까지의 최소 거리를 구해 스칼라장(Scalar Field) 형태로 정의 해놓은 것으로 형상을 효과적으로 표현하는 방법이다.19-21 본 연구에서 사용한 VDF 계산 방법은 형상을 포함하고 있는 3차원 공간을 복셀 격자(Voxel Grid)로 분할하여 거리를 계산한다. 본 논문에서는 CHE 형상 및 TPMS 코어를 VDF로 정의한 후 거리장들 간의 불리언 연산을 이용하여 TPMS 채널 구조를 생성하는 방법을 제안하고자 한다.22 두 형상 A와 B 간의 불리언 연산은 VDF의 최대(Maximum), 최소(Minimum)함수를 통해 다음 식(2)와 같이 표현할 수 있다.

Union:φi,j,kA  φi,j,kB=maxφi,j,kA, φi,j,kBIntersection:φi,j,kA  φi,j,kB=minφi,j,kA, φi,j,kBSubtractionφi,j,kA- φi,j,kB=minφi,j,kA, -φi,j,kB(2) 

여기서 φi,j,k(A)와 φi,j,k(B)는 두 형상 A와 B의 볼륨거리장이다. CHE 모델을 계산할 때 식(2)와 같이 거리장을 이용한 불리언 연산을 사용하면 시간이 오래 걸리는 트림 및 매쉬 재생성을 완전히 생략할 수 있다. 본 연구에서는 TPMS CHE 형상을 수식적으로 표현하기 위해서 식(3)식(4)와 같은 해석적 형상 함수를 사용하였다. 직육면체 형상의 TPMS CHE 설계를 위해서는 다음과 같이 두 가지 형상(직육면체, 원기둥)에 대한 VDF를 정의한 후, 불리언 연산을 이용하여 설계하여야 한다.

첫 번째로 직육면체 형상의 VDF는 다음 식(3)과 같이 정의된다. 식(3)에서 WX, WY, WZ는 x, y, z 방향의 직육면체의 크기를, xc, yc, zc는 직육면체의 중심 좌표를 나타낸다.

φbox=φboxφbox_yφbox_z=minφbox_x'minφbox_y'φbox_zφbox_x=x-xc-0.5WXxxcφbox_x=-0.5WX-x-xcx<xcφbox_y=y-yc-0.5WYyyc,φbox_y=-0.5WY-y-ycy<ycφbox_z=z-zc-0.5WZzzc,φbox_z=-0.5WZ-z-zcz<zc(3) 

두번째로 원기둥 형상의 VDF 또한 앞서 표현한 직육면체 형상의 VDF와 유사한 방법으로 정의할 수 있다. 식(4)에서 φplance_x x축과 수직인 평면의 거리장을, H, r은 원기둥의 높이와 반지름을, xc, yc, zc는 원기둥의 중심 좌표를 나타낸다.

φcylinder_x=φcircle_xφplane_x=minφcircle_x,φplane_xφplane_x=x-xc-0.5Hxxc,φplane_x=-0.5H-x-xcx<xcφcircle_x=y-yc2+z-zc2-r(4) 

식(1)로부터 TPMS 채널 구조에 관한 VDF를 계산하고, 식(3)으로부터 열교환기 외부 형상에 관한 VDF를 계산한 후, 두 거리 장들 간의 불리언 연산을 통하여 TPMS 구조를 가지는 CHE의 채널 구조를 생성할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 설계 알고리즘을 쉽게 이해하기 위해서 우선 형상이 비교적 간단한 직육면체 형태의 CHE 설계 과정을 서술하도록 하고, 알고리즘의 일반성 및 확장성을 보이기 위해서 다음 절에서는 좀 더 복잡한 형태의 CHE 설계 알고리즘에 대하여 추가적으로 기술하고자 한다.

직육면체 형태의 CHE를 설계하려면 우선 식(3)을 이용하여 외부 형상(φouter_box)과 내부 형상(φinner_box)의 거리장을 구한 후, 내부 채널 구조의 정밀한 모델링을 위하여 CHE의 쉘(Shell) 형상이 정의되어야 한다.

φshell=φouter_box-φinner_box=minφouter_box,-φinner_box(5) 

다음 단계에서는 두 유체가 흐를 수 있는 TPMS 채널 구조를 생성한다. 외부 직육면체 형상과 첫 번째 TPMS 채널 구조와의 불리언 연산에 의하여 첫 번째 TPMS 코어의 거리장을 다음 식(6)과 같이 구할 수 있다.

φouter_TPMS_1=φouter_boxφTPMS_1=minφouter_box,φTPMS_1(6) 

같은 방법으로 두 번째 TPMS 코어의 거리장을 계산한다.

φouter_TPMS_2=φouter_boxφTPMS_2=minφouter_box,φTPMS_2(7) 

식(6)식(7)에서의 φTPMS_1φTPMS_2는 레벨상수 K1K2를 이용하여 G-Surface의 경우 다음 식(8)식(9)와 같이 표현된다.

φTPMS_1=sinXcosY+sinZcosX+sinYcosZ+K1(8) 
φTPMS_2=-sinXcosY+sinZcosX+sinYcosZ+K2(9) 

레벨상수 K1K2를 조절하면 전열벽의 두께를 자유롭게 변화시킬 수 있다. 앞에서 구한 두 개의 코어에 대한 볼륨거리장을 내부 측 형상과의 불리언 연산에 의하여 다음 식(10)식(11)과 같이 바꿀 수 있다.

φTPMS_core_1=φouter_TPMS_1φinner_box=minφouter_TPMS_1,φinner_box(10) 
φTPMS_core_2=φouter_TPMS_2φinner_box=minφouter_TPMS_2,φinner_box(11) 

최종적으로 변경된 TPMS 코어 거리장들과 외부측 형상의 불리언 차연산 과정을 거쳐, TPMS 채널 구조를 가지는 CHE 코어 구조를 생성할 수 있다. Fig. 6은 본 절에서 기술한 TPMS CHE 코어 구조의 설계 알고리즘의 이해를 돕기 위한 개략도이다.

φCHE_core=φouter_box-φTPMS_core_1-φTPMS_core_2(12) 

Fig. 6 
The core structure construction process

Fig. 7은 완성된 G-Surface 채널 구조를 가진 CHE 코어 구조를 보여주고 있다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 제어상수 Nζ, Nη, Nξ를 변화시키면 용도에 적합한 다양한 형태의 코어 채널 구조를 얻을 수 있다. 본 논문의 가장 큰 목적은 수학적 도구인 TPMS를 채널 구조를 사용함으로써 C HE 설계 및 제작기술을 모든 연구자들이 공유하고 소통할 수 있는 표준화된 기술로 변화시키고자 하는 것이다.


Fig. 7 
Computational models for the TPMS-based CHE core structures


Fig. 8 
Easy and accurate control for the internal core structures

2.3 TPMS CHE의 입구 및 출구 설계

이번 단계에서는 앞에서 생성된 코어 구조에 VDF에 의한 불리언 연산을 적용하여, 두 작동 유체의 입구와 출구를 생성한다. 우선 식(13)과 같이 쉘과 필요한 입구 및 출구 형상과의 불리언 교차 연산으로 시작된다.

φinlet_shell_1=φinlet_shape_1φshellφoutlet_shell_1=φoutlet_shape_1φshell(13) 

이러한 불리언 연산 과정은 다음 단계에서 필요한 입구 및 출구 생성을 위한 기본 지지대를 구축하는 것이다. 첫 번째 유체의 입구와 출구는 식(13)의 기본 지지대와 앞에서 생성한 TPMS 코어 구조 사이의 불리언 연산을 사용하여 식(14)와 같이 구할 수 있다.

φinlet_1=φinlet_shell_1φoulet_TPMS_1φoutlet_1=φoutlet_shell_1φouter_TPMS_1(14) 

마찬가지로 두 번째 유체의 입구 및 출구도 같은 방법으로 생성할 수 있다.

φinlet_shell_2=φinlet_shape_2φshellφoutlet_shell_2=φoutlet_shape_2φshellφinlet_2=φinlet_shell_2φouter_TPMS_2φoutlet_2=φoutlet_shell_2φouter_TPMS_2(15) 

따라서, φCHE_core식(12)를 다음 식(16)과 같이 표현할 수 있다.

φCHEcore=φCHEcore-φinlet1-φoutlet1-φinlet_2-φoutlet_2(16) 

Fig. 9는 생성된 입구와 출구를 나타내며, 유체의 원활한 흐름을 위해서 입구 및 출구에 파이프를 추가하면(i.e. φCHE = φCHE_coreφpipes) 완전한 TPMS CHE 모델을 얻을 수 있다.


Fig. 9 
A complete CHE model with inlet and outlet pipes


3. 복잡한 형상의 TPMS CHE 설계

지금까지 비교적 단순한 직육면체 형상의 CHE 설계 방법을 기술하였다. 그러나 기계장치의 특성상 공간의 제약이 있는 경우에는 직육면체, 원기둥과 같은 간단한 형상 함수로는 복잡한 3차원 형상의 열교환기를 효율적으로 설계할 수 없다. 이러한 열교환기의 특수한 기하학적 특성 때문에 TPMS 채널 구조와 CHE 외부 형상 생성과 관련된 복잡한 불리언 연산 과정은 정교하게 설계된 컴퓨터 프로그램에 의해서 자동으로 처리될 때 그 효율성이 극대화된다. 즉, 복잡한 형상의 VDF와 불리언 연산 과정을 이용하면 최적의 조건으로 열교환 시스템 효율을 높일 수 있는 CHE 형상을 설계할 수 있다. 복잡한 외부 형상 중 본 논문에서는 나선 형상의 TPMS CHE 설계 방법을 설명하고자 한다.

나선 형상은 Fig. 10에서와 같이 서로 다른 세 개의 링으로 구성된다. 이와 같은 경우 기하학적인 구성을 고려하여, 외부 형상과 내부 형상에 대한 VDF를 다음 식(17)과 같이 수정해야 한다.

φouter=φouter_ring_Aφouter_ring_Bφouter_ring_Cφinner=φinner_ring_Aφinner_ring_Bφinner_ring_C(17) 

Fig. 10 
Geometrical configuration of a spiral-shaped CHE

이와 유사한 방법으로, 두 개의 TPMS 구조의 VDF를 다음 식(18)과 같이 표현할 수 있다.

φouter_TPMS_1=φouter_cube_AφTPMS_1outer_ring_Aφouter_ring_BφTPMS_1outer_ring_Bφouter_ring_CφTPMS_1outer_ring_Cφouter_TPMS_2=φouter_cube_AφTPMS_2outer_ring_Aφouter_ring_BφTPMS_2outer_ring_Bφouter_ring_CφTPMS_2outer_ring_C(18) 

Fig. 11은 G-Surface 내부 채널 구조를 가지는 나선 형상의 CHE 모델이다. 식(17)식(18)로 주어진 외부 형상과 TPMS 채널 구조에 대해서 VDF를 정의한 후, 최종적으로 불리언 연산 과정을 거치면 완전한 TPMS CHE 모델을 생성할 수 있다.


Fig. 11 
A spiral-shaped G-surface CHE computational model

본 연구에서는TPMS 공극 구조를 종래의 열교환기 채널 구조 설계 기술에 접목하기 위한 컴퓨터 알고리즘들을 전용 프로그램화하였다. 따라서 전문 CAD 작업자가 아니더라도 원하는 사양의 열교환기를 신속하고 용이하게 설계할 수 있다. 이 프로그램은 MATLAB 코드를 사용하여 데이터 계산에서부터 출력까지의 전 과정을 자동화할 수 있게 프로그래밍하였으며, Intel® i7-8700 K CPU @ 3.70 GHz 16 GB에서 구현하였다. 전체적인 프로그램의 구성은 확장성과 유용성을 고려하여 설계하였다. 이를 통해 현장에서 접할 수 있는 복잡한 TPMS CHE의 설계가 가능하도록 다양한 형상에 대한 VDF 계산 알고리즘 및 코어 채널 구조 생성 알고리즘을 개발하였다. STL 파일은 MCA 및 매시 유연화 작업을 이용하여 생성하였다.


4. TPMS CHE 시제품 제작 및 성능 실험
4.1 TPMS CHE 시제품 제작

본 논문에서는 액체 상태의 광경화성 수지가 담긴 용기 안에 레이저를 출력하여 원하는 모델을 적층하는 SLA 방식의 3D Printer RSPro-600을 사용하였으며, 소재는 Photosensitive Resin을 사용하여 CHE 시제품을 제작하여, 성능 실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용한 프린터의 사양은 Table 1과 같다.

Table 1 
Specifications of 3D printer
Property Value
Printing technology SLA
Build size [mm] 600 × 600 × 500
Temperature[oC] 22-26
Layer thickness[mm] 0.05-0.25
Laser type Solid-state laser Nd: YVO4
Laser wavelength [nm] 354.7

3D 프린터를 이용하여 TPMS CHE의 외부 형상과 내부 채널 구조를 한번에 일체형으로 직접 제작하여, 열교환기의 압력 강하 및 열전달 성능 시험을 검증하였다. Plate CHE와 TPMS CHE의 정확한 비교를 위해서 동일한 외형의 크기(150 × 75 × 60 mm)로 제작하였다(Fig. 12). Plate CHE의 내부 채널 구조는 고온부 채널 5장과 저온부 채널 5장, 총 10장의 전열판을 z 방향으로 적층하여 구성하였다. TPMS CHE의 내부 채널 구조는 P late CHE 내부 채널 구조와 비슷한 전열 면적을 가질 수 있도록, 단위 유닛의 개수를 x, y, z 방향으로 16 × 8 × 4로 설계하였다. Plate CHE와 TPMS CHE의 stl 파일의 비교 데이터는 Table 2와 같다. 비슷한 전열 면적을 가지지만 Plate CHE보다 TPMS CHE (G-Surface)의 삼각형과 점의 수가 1.7배 많고 그 만큼 stl 파일의 크기가 크다는 것을 확인할 수 있었다.


Fig. 12 
CHEs prototypes fabricated using 3D Printer

Table 2 
Geometric specifications and computational results of four CHE prototypes
Model Plate-CHE G-CHE D-CHE P-CHE
Size [mm] 150 × 75 × 60
Unit cell 10 16 × 8 × 4
Area [m2] 0.147 0.157 0.146 0.104
Triangle 5,090,168 8,692,744 8,300,576 6,626,664
Vertex 2,544,904 4,335,882 4,140,984 3,310,020
Time [s] 1391 1392 1295 1113
.STL [KB] 248,544 424,451 405,302 323,568

4.2 TPMS CHE 성능 실험

Fig. 13은 TPMS CHE의 열전달 및 압력 강하 특성을 측정하기 위한 실험 장치의 개략도이다. 고온 탱크에서 가열된 유체는 펌프를 통해서 열교환기로 공급되고 다시 고온 탱크로 순환되며, 저온 탱크에서는 일정한 온도의 유체가 공급이 된다. 열교환기와 직접적으로 연결된 부분은 단열재를 이용하여 열 손실을 최소화하였으며 유량계, 압력계, 온도계를 설치하였다. 본 실험에서는 CHE의 저온부와 고온부 각각의 입출구에서 온도 및 압력을 측정하여 열전달 계수를 구하였다. 또한 입구 온도를 일정하게 유지하며, 유량의 변화와 열교환기의 채널 형상(Plate, G-Surface, D-Surface, P-Surface)에 따른 열전달과 압력 강하 특성을 측정하였다. 이때 저온 입구 온도는 17oC, 고온 입구는 온도 40oC로 일정하게 고정하고 유량은 0.03-0.16 m3/s로 변화시키며 실험을 수행하였다. 측정된 결과값은 PC를 통해 종합적인 데이터를 실시간으로 처리하였다.


Fig. 13 
Schematic diagram of experimental apparatus

본 논문에서는 열전달 해석 방법 중 대수평균온도차(Log Mean Temperature Difference, LMTD)를 사용하여 서로 다른 채널 구조에 대한 열전달 특성을 비교하였다.

저온-고온의 열전달률은 식(19)와 같이 표현된다.

Qc=m˙cCp,cTc,in-Tc,outQh=m˙hCp,hTh,in-Th,out(19) 

LMTD는 열교환기의 저온 및 고온의 입, 출구 온도를 이용하여 다음 식(20)과 같이 표현할 수 있다.

ΔTLMTD=Th,in-Tc,out-Th,out-Tc,inInTh,in-Tc,outTh,out-Tc,in(20) 

평균 열전달량은 총괄 열전달 계수와 LMTD 그리고 전열 면적을 사용하여, 다음 식(21)과 같이 나타낼 수 있다.

Qavg=UAΔTLMTDQavg=Qc+Qh2(21) 

Fig. 14에서는 TPMS CHE와 Plate CHE에 대해서 유량 변화에 따른 열전달 성능을 나타내고 있다. 일반적인 열교환기의 열전달 특성과 마찬가지로, 유량이 증가함에 따라 평균 열전달률이 증가한다. 또한 낮은 유량에서는 열전달률이 급격히 증가하지만, 점점 그 증가량이 완만해짐을 확인할 수 있다. TPMS 채널 구조 CHE의 경우 일반적인 Plate CHE에 비해 약 1.7-2.0배 높은 열전달률을 나타내고 있으며, 특히 D-Surface CHE의 경우 기존의 Plate CHE보다 200% 높은 열전달 효율을 보여주고 있다.


Fig. 14 
Heat flow rate versus mass flow rate

Plate CHE의 경우 저온 유체와 고온 유체가 전열판 사이로 교대로 흐르며, 유체가 상대적으로 넓은 전열 면적을 확보하지 못하기 때문에 효과적으로 열교환이 이루어지지 못하는 단점이 있다. 하지만 TPMS CHE는 Plate에 비해 큰 단위부피당 표면적을 가지며, 모든 전열면이 유체와 접촉하면서 열전달에 기여하기 때문에 기존의 열교환기에 비하여 높은 열전달 효율을 얻을 수 있음을 실험 결과로부터 확인할 수 있었다. 이러한 TPMS CHE의 우수한 열전달 성능은 TPMS의 3차원 채널 구조의 영향으로 채널과 채널 사이에 와류를 발생시킴으로써, 난류 열전달을 촉진시키기 때문이다.17,18 이렇게 발생한 와류가 성장하면서 유체를 혼합시켜 3차원적인 유동 교란이 가능하게 한다. 이로 인해 작동유체의 열을 활발하게 전달시키게 되어 열전달 성능을 향상시키는 것으로 판단된다.

Fig. 15는 유량의 변화에 따른 압력 강하 특성을 보여주고 있다. 유량이 점점 증가하면 압력 강하량 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 낮은 유량에 비해 높은 유량에서는 내부 채널에서 평균유속이 증가하므로 압력 강하가 급격히 증가하게 된다. TPMS 채널 구조 CHE의 경우 Plate CHE보다 최대 2배 이상의 열전달률을 보여주는 반면에 거의 유사한 압력 강하를 보여주고 있다.


Fig. 15 
Pressure drop across heat exchangers

이는 Plate CHE와 TPMS CHE의 채널 특성 때문이다. Plate CHE의 경우, 유체가 단일 방향의 유로를 통해 흐르며 수축과 팽창을 통해 마찰 저항이 증가하여 유속이 느려지게 된다. 이럴경우 전체적으로 균등한 속도를 갖지 못하여 열교환기의 성능을 저하시킨다. 하지만 TPMS CHE는 일반적인 CHE와는 다르게 모든 방향(3차원)으로 동일한 형상이 주기적으로 반복되고, 모든 부분이 연속적으로 연결되어있다. 즉, 채널 표면 전체에 걸쳐 부드럽게 연결이 되어 유동 경로의 급격한 방향 변화를 피하며 흐르기 때문에, 마찰 저항이 낮아져 압력 강하가 최소화되는 것으로 판단된다.


5. 결론

본 연구에서는 기존 열교환기 대비 열교환 효율을 높이기 위한 방안으로 삼중 주기적 최소 곡면을 이용하여 고집적 열교환기를 설계 및 제작한 후 열전달 및 압력 강하 특성을 알아보기 위해서 유체 유동 실험을 수행하였다.

TPMS CHE는 단위부피당 큰 전열 면적을 가지므로 소형화 및 경량화에 유리하다. 또한 TPMS 곡면의 기하학적 특성을 가진 채널 구조 때문에 3차원 유체 흐름에 의한 난류 생성이 용이하여 열전달 계수를 높이며, 추가적인 압력 강하 없이 뛰어난 열전달 성능을 가진다. 열교환기의 성능 실험을 위해서 SLA 방식의 3D Printer를 이용하여 Plate CHE와 TPMS CHE를 외부 형상과 내부 채널 구조를 일체화하여 설계 및 제작하였다. TPMS 채널 구조를 갖는 열교환기가 기존의 Plate CHE보다1.7-2.0배 높은 열전달 성능을 나타내었다. 또한 TPMS CHE가 높은 열전달 효율에 비해 Plate CHE와 비슷한 압력 강하를 나타내고 있음을 확인하였다.

본 연구에서 제안하는 TPMS CHE의 설계 및 제작기술은 기존의 2차원적인 열전달 형태를 3차원적으로 변화시킬 수 있는 혁신적인 기술로서 열교환기뿐만 아니라 히트 파이프, 히트 싱크 등의 관련 연구 분야에서 활용도를 찾을 수 있을 것이다. 또한 함수거리장의 계산 및 불리언 연산 기술은 AM과 관련한 소프트웨어 및 장비 개발 분야에 있어서도 기술적/산업적 파급효과가 클 것으로 예상된다.


Acknowledgments

본 연구는 2015년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(No. NRF-2015R1D1A1A01056784).


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Jiho Kim

Ph.D. candidate in the Department of Mechanical Design and Industrial system, Daejin University. His main research is compact heat exchangers using triply periodic minimal surfaces.

E-mail: jihok1129@gmail.com

Dong Jin Yoo

Professor in the Department of Computer-aided Mechanical Engineering, Daejin University. He is interested in intelligent CAD, scaffold design, and design & fabrication of compact heat exchangers using triply periodic minimal surfaces.

E-mail: djyoo@daejin.ac.kr