적층 제조를 통한 열교환기 설계 혁신

적층 제조의 발전은 우리가 항상 특정 방식으로만 해야 한다고 여겨왔던 새로운 부품 설계를 갑자기 가능하게 하고 있습니다. 산업혁명 이래 모든 종류의 기계에 쓰이는 흔한 산업 부품인 열교환기를 예로 들어보겠습니다.

열교환기의 본질적 기능은 열을 한 곳에서 다른 곳으로 이동시키는 것이며, 보통 유체 흐름(기체 또는 액체)을 기계 장치를 통해 이동시켜 수행합니다. 냉장고, 용광로, 에어컨 시스템, 운송, 정유소, 상업 환경, 병원 등 뜨거움과 차가움이 중요한 거의 모든 산업 응용 분야, 주거지 및 장소에서 사용됩니다. 열교환기에 대한 전 세계 수요는 2020년까지 781억 6천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

열교환기를 더 효율적으로 만드는 문제는 오랫동안 산업 엔지니어들을 괴롭혀 왔습니다. 일반적인 열교환기는 금속으로 만들어지며 직각, 직선, 적층으로 구성된 직사각형 구조를 가집니다. 이들은 전통적 기술로 가장 쉽게 제조할 수 있는 형태지만, 작은 공간에서 열교환을 최대화하는 데는 최적의 형태가 아닙니다.

적층 제조를 사용하면 열교환기를 더 효율적이고, 가볍고, 저렴하게, 그리고 이전보다 더 효과적으로 만들 수 있는 방법이 있습니다. 패스트 레디우스의 최고 과학 책임자 빌 킹은 최근 일리노이 대학교에서 연구 프로젝트를 이끌었습니다. 그는 기계공학 교수로서 혁신적인 엔지니어링 패러다임 연구를 이끌고 있습니다. 이 프로젝트와 킹이 공동 저술한 후속 논문은 열교환기 부품을 적층 제조로 제작할 수 있으며, 기존 열교환기 대비 상당한 개선이 있음을 보여줍니다.

이 Q&A에서 킹은 적층 제조가 기존 열교환기 모델을 어떻게 개선하는지, 그리고 이 혁신이 제조 전반에 왜 그렇게 흥미로운지 통찰을 제공합니다.

기존 열교환기의 한계는 무엇이었나요?

대부분의 사람들은 자동차 라디에이터가 어떻게 생겼는지 압니다: 수많은 얇은 금속 핀이 있는 튜브 뱅크. 기본적으로 직사각형인 크고 덩어리진 모양입니다. 대부분의 엔지니어는 새로운 열교환기 형상이 성능을 개선할 것임을 인정하지만, 지금까지는 이를 달성할 수 없었습니다.

대부분의 설계에서 열교환기 구성요소는 비교적 단순한 형상을 가집니다. 유체 통로는 보통 직선적이고 매끄럽습니다. 이러한 직선적이고 매끄러운 통로는 꼬불꼬불하고 윤곽이 있는 통로에 비해 열전달이 낮습니다. 하지만 불행히도 꼬불꼬불하고 윤곽이 있는 통로는 기존 제조 기술로는 만들 수 없습니다.

이러한 직사각형 설계 중 일부에서는 매니폴드가 기계 내 유체 흐름을 유도하여 고온 또는 저온 영역(열 흐름의 대상 영역)으로 흐르게 할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 매니폴드는 개별 별도 구성요소로 제작됩니다. 구성요소가 별도로 제작된 후 조립되면 조립 및 품질 검사와 관련된 추가 비용과 인건비가 발생합니다.

적층 제조로 열교환기에 가능한 것들은?

적층 제조를 사용하면 다양한 형태의 열교환기를 만들어 "여백 공간"을 활용할 수 있습니다. 이는 에너지 효율, 시스템 성능, 더 적은 유체 부피로 더 많은 열을 이동시키는 능력 측면에서 이점을 가집니다.

연구에서는 일반적인 열교환기 구조인, 물이 흘러 열을 제거하는 매우 단순한 형상의 수평 가열 플레이트를 선택했습니다. 이는 열교환기의 가장 단순한 구성 중 하나입니다. 적층 제조를 사용해 유체 흐름을 제어하는 매니폴드를 적층 제조 폴리머로 제작했습니다. 다양한 기술과 소재로 설계를 테스트했습니다. 특히 카본 디지털 라이트 신서시스와 시아네이트 에스터로 만든 설계가 성공적이었는데, 이 소재가 내열성이 매우 높기 때문입니다. 결과적인 열교환기는 혼합 구조를 사용해 차가운 유체가 뜨거운 플레이트에서 열을 효율적으로 제거합니다.

폴리머는 금속보다 열전도율이 훨씬 낮으므로 열을 전달해야 하는 구성요소에는 폴리머를 사용하지 않습니다. 하지만 적층 제조를 사용하면 혼합기를 유로에 직접 제작한 후 가열 플레이트에 조립할 수 있습니다. 우리는 기존 정적 혼합기 같은 트위스트 테이프 구조와 새로운 셰브론 모양 오프셋 윙 구조, 두 가지 혼합 구조 유형을 분석했습니다.

어떤 결론을 얻었나요?

우리는 적층 제조 설계로 제작된 제품과 도구의 에너지 효율을 높이며 열교환기 성능을 크게 개선하는 것을 성공적으로 입증했습니다. 전체적으로 적층 제조로 제작된 혼합 구조가 있을 때 열전달 성능이 약 2배 개선되었습니다. 열을 최대한 많이 제거하는 것이 목표인 시스템에서 이는 큰 의미입니다. 열이 2배라는 뜻입니다.

다른 유형의 산업 상황에서는 장치 크기를 최소화하면서 열교환을 극대화하는 것이 목표일 수 있습니다. 예를 들어 차량의 크기와 무게가 성능에 영향을 미치는 고성능 자동차 설계 시에는 열교환기 크기를 줄여 원하는 결과를 달성할 수 있습니다. 적층 제조는 이러한 애플리케이션별 목표에 대한 맞춤화를 매우 유연하게 만듭니다.

이러한 새로운 형상을 활용하면 모든 유형의 기계와 가전제품 제조에서 주요한 발전을 이룰 수 있습니다. 우리의 연구는 이러한 결과를 전 세계 엔지니어들의 손에 쥐어주어, 열전달 증가를 허용하는 새로운 기술을 활용할 수 있게 할 것입니다. 매우 흥분됩니다.

패스트 레디우스와 함께 부품을 만드실 준비가 되셨나요?