KR102293053B1 - Metal Insulation-Cooling Structure that Combines Insulation and Cooling Characteristics - Google Patents

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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.The present invention is a grid structure implemented by repeatedly arranging a plurality of three-dimensional unit grids by 3D printing, wherein the grid structure is mapped to a three-dimensional mesh (3D mesh) and conformal To provide a metal adiabatic cooling body formed in a structure and having heat insulation and cooling properties in a volume ratio of 1 to 50%.

Description

단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조{Metal Insulation-Cooling Structure that Combines Insulation and Cooling Characteristics}Metal Insulation-Cooling Structure that Combines Insulation and Cooling Characteristics

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.The present invention relates to a metal adiabatic cooling body having excellent thermal insulation and cooling properties, excellent high-temperature strength and rigidity, and manufacturing by 3D printing, and an adiabatic cooling structure to which the same is applied.

단열재는 보온을 하거나 열전달을 차단할 목적으로 사용되는 재료로써 열전달을 수반하는 모든 제품에 필수적으로 적용되며, 발포 플라스틱, 세라믹 등의 소재가 일반적으로 사용된다.Insulation is a material used for the purpose of keeping heat or blocking heat transfer, and is essentially applied to all products that involve heat transfer, and materials such as foamed plastics and ceramics are generally used.

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.Expanded polystyrene, also called Styrofoam, is a product made by expanding polystyrene by the action of a foaming agent. It is inexpensive and light and is widely used as insulation for general buildings. is also widely used. However, when a fire occurs, toxic gas fatal to the human body is generated, and when it is disposed of, natural decomposition is difficult, causing serious environmental pollution, and there is a problem in that structural rigidity is low.

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. As an alternative to this, ceramic insulation is used when high rigidity or strength is required. Ceramic insulators exhibit high strength and rigidity at high temperatures, but are difficult to produce in arbitrary shapes due to poor workability, and have a large difference in coefficient of thermal expansion from metals and high brittleness when used as structural insulators.

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.For example, Figs. 1 (a) to (d) are about a mold heating unit using a ceramic heat insulating material and simulation results therefor, Fig. 1 (a) is a schematic diagram of the mold heating unit, Fig. 1 (b) is a cross-sectional view thereof, Fig. 1(c) shows the temperature distribution upon reaching its steady state, and Fig. 1(d) shows the thermal stress distribution upon reaching its steady state.

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. Referring to FIGS. 1(a) to 1(d) , a heating part including a heater is inserted into the rear surface of the heating target part, and the heating target part is heated. A ceramic insulating material is inserted into the rear surface of the heating unit to block heat transfer to the base, and to transfer thermal energy generated from the heating unit toward the heating target.

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. The mold heating unit using the ceramic insulator may form a cooling circuit at the lower end of the ceramic insulator in the cooling process to flow the refrigerant. However, due to the low thermal conductivity of the ceramic insulator, the cooling circuit may not effectively cool the heating part, and thus the cooling time of the heating target part may be delayed.

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. In addition, during the heating process, the stress concentration according to the difference in the thermal expansion coefficient between the ceramic insulator and the surrounding metal (ceramic thermal expansion coefficient: 8x10 -6 mm/mm, the surrounding metal thermal expansion coefficient 16.3x10 -6 mm/mm) (Fig. 1) (d) the red part) occurs, which may increase the risk of damage during long-term use.

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. Moreover, materials such as ceramics and foam plastics, which are generally used as insulation materials, have excellent thermal insulation performance due to low thermal conductivity, but at the same time take a long cooling time. .

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.
<선행기술문헌>
공개특허공보 제10-2011-0039298호(2011.04.15.)
공개특허공보 제10-2018-0084755호(2018.07.25.)Accordingly, there is a high need for an insulator having excellent high-temperature strength and rigidity, and an adiabatic cooling structure to which it is applied, while simultaneously implementing thermal insulation and cooling characteristics according to the use of the product to be applied by solving the above problems.
<Prior art literature>
Laid-open Patent Publication No. 10-2011-0039298 (2011.04.15.)
Laid-Open Patent Publication No. 10-2018-0084755 (2018.07.25.)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.

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. Specifically, it is an object of the present invention to provide a metal adiabatic cooling body having excellent thermal insulation and cooling characteristics and excellent high-temperature strength and rigidity at the same time, and an adiabatic cooling structure to which the same is applied.

본 발명은, 3D 프린팅에 의하여 복수 개의 3차원 단위 격자가 반복적으로 배열되어 구현되는 격자 구조체로, The present invention is a grid structure implemented by repeatedly arranging a plurality of three-dimensional unit grids by 3D printing,

상기 격자 구조체는, 3차원 요소망(3D mesh)으로 맵핑(mapping)되어 경계적합형(conformal) 구조로 형성되며, The grid structure is mapped to a three-dimensional mesh (3D mesh) and formed in a conformal structure,

체적 비율은 1 내지 50%인 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체를 제공한다.To provide a metal adiabatic cooling body having thermal insulation and cooling properties in a volume ratio of 1 to 50%.

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.The thermal conductivity of the metal adiabatic cooling body may be 0.5 to 10% compared to the thermal conductivity of the base material, and the elastic modulus may be 0.1 to 20% compared to the elastic modulus of the base material.

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. The three-dimensional unit grid has a body-centered cubic (BCC), face-centered cubic (FCC), diamond cubic (DC), octet-truss cubic), G surface, P surface, D surface, and W surface structure. It may be one or more species selected from the group consisting of.

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. The metal insulator is formed by controlling the shape of the unit mesh constituting the three-dimensional element network, and the region having a relatively low density, including one or more regions having different densities, has high thermal insulation and cooling compared to the region with a high density. characteristics can be shown.

또한, 본 발명은 상기 금속 단열냉각체가 적용된 단열냉각구조로,In addition, the present invention is an adiabatic cooling structure to which the metal adiabatic cooling body is applied,

피가열부;to-be-heated part;

상기 피가열부 하단에 형성되며, 단열 과정에서 사용되는 히터를 포함하는 가열부;a heating unit formed at a lower end of the heating target and including a heater used in a thermal insulation process;

상기 가열부 하단에 형성되며, 제 1 항에 따른 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각층; 및a metal thermal insulation cooling layer formed at the lower end of the heating unit and to which the metal thermal insulation cooling body according to claim 1 is applied; and

상기 금속 단열냉각층의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열냉각층과 연통하며 기재 상에 형성되는 냉각수로; a cooling conduit formed on a substrate in communication with the metallic adiabatic cooling layer so that a refrigerant may flow along the lattice space of the metallic adiabatic cooling layer;

를 포함하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 단열냉각 구조를 제공한다. It provides an adiabatic cooling structure having thermal insulation and cooling characteristics, including a.

본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 3차원 격자 구조가 적용되어 형성된 내부 공기층에 의해 우수한 단열 및 냉각 효과를 나타낸다. The metal adiabatic cooling body according to the present invention exhibits excellent thermal insulation and cooling effects due to an internal air layer formed by applying a three-dimensional grid structure.

본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 고온 조건에서 강도 및 강성이 뛰어나면서도 경량화가 가능하다.The metal adiabatic cooling body according to the present invention is excellent in strength and rigidity under high-temperature conditions, and it is possible to reduce the weight.

본 발명에 따른 금속 단열냉각체는 3D 프린팅을 이용하여 제작되므로 적용하는 제품의 형태 및 용도에 따라 구조적, 열적 특성을 적절하게 조절할 수 있다.Since the metal adiabatic cooling body according to the present invention is manufactured using 3D printing, structural and thermal properties can be appropriately adjusted according to the shape and use of the product to be applied.

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. The adiabatic cooling structure according to the present invention exhibits excellent thermal insulation and cooling effects in a cycle in which heating and cooling are periodically repeated by applying the metal adiabatic cooling body, so that not only the insulation time but also the cooling time can be shortened.

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. 1 (a) to (d) are about a mold heating unit using a ceramic insulator according to the prior art and simulation results thereof;
2(a) to (h) are examples of three-dimensional unit lattices according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 (a) is a three-dimensional unit grid according to an embodiment of the present invention, Figure 3 (b) is a non-conformal (Non-conformal) grid structure implemented by repeatedly three-dimensional arrangement of a plurality of the three-dimensional unit grid 3 (c) is a hexahedral element network according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 (d) is a schematic diagram of a boundary conforming grid structure designed by mapping a unit grid to each element of the hexahedral element network;
4 (a) to (c) are cross-sectional views of a three-dimensional mesh with locally controlled density, and FIGS. 4 (A) to (C) are, respectively, a boundary junction type lattice structure with locally controlled density corresponding thereto. is a section of;
Fig. 5 (a) is a structural diagram of a metal adiabatic cooling body including a first extension according to Experimental Example 1, and Fig. 5 (b) is a structural diagram of a metal adiabatic cooling body including a second extension;
6 (a) and (b) are photographs of a metal adiabatic cooling body according to Experimental Example 2 as an embodiment of the present invention;
7 is a thermal insulation effect test result according to Experimental Example 2;
8 is an experimental result of a cooling effect by natural convection according to Experimental Example 3-1 and a cooling effect by forced convection according to Experimental Example 3-2;
9 is a graph showing experimental results according to Experimental Examples 2, 3-1 and 3-2;
10 is a cross-sectional view of an adiabatic cooling structure according to an embodiment of the present invention; and
11 is a cross-sectional view of a metal adiabatic cooling chamber according to an embodiment of the present invention.

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. As described above, the conventional foamed plastic used as a thermal insulator has problems in structural rigidity, and in the ceramic thermal insulator, problems in processability, etc. have been found. In addition, in the case of the heat insulating material, compared to the heat insulating property, the cooling property is remarkably lowered, so there is a problem in that it is difficult to use it in a situation where periodic repetition of heating and cooling is required.

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.Therefore, the inventors of the present invention, after continuing in-depth research and various experiments, as described later, a metal adiabatic cooling body formed by applying a predetermined three-dimensional lattice structure implements thermal and structural properties completely different from existing materials to provide excellent thermal insulation properties and It was confirmed that the cooling properties were exhibited, and the present invention was completed based on these findings.

구체적으로, 본 발명은, Specifically, the present invention

3D 프린팅에 의하여 복수 개의 3차원 단위 격자가 반복적으로 배열되어 구현되는 격자 구조체로, A grid structure in which a plurality of three-dimensional unit grids are repeatedly arranged by 3D printing,

상기 격자 구조체는, 3차원 요소망(3D mesh)으로 맵핑(mapping)되어 경계적합형(conformal) 구조로 형성되며, The grid structure is mapped to a three-dimensional mesh (3D mesh) and formed in a conformal structure,

체적 비율은 1 내지 50%인 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각체를 제공한다.To provide a metal adiabatic cooling body having thermal insulation and cooling properties in a volume ratio of 1 to 50%.

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. Since the metal adiabatic cooling body according to the present invention has low thermal conductivity due to the internal air layer on a predetermined three-dimensional lattice structure, it can exhibit an excellent thermal insulation effect. Furthermore, in the cooling process, a refrigerant such as compressed air or cooling water can be moved through an empty space on the grid structure, thereby accelerating cooling, thereby exhibiting an excellent cooling effect. Therefore, it is very efficient and economical because it can be used simultaneously as an insulator and a coolant.

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.In addition, the metal adiabatic cooling body according to the present invention has excellent strength and rigidity under high temperature conditions, while being lightweight, and since it is manufactured using 3D printing, structural and thermal properties can be appropriately adjusted according to the shape and use of the product to be applied. It has excellent machinability.

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. The volume ratio of the metal adiabatic cooling body according to the present invention may be 1 to 50%. In the present invention, "volume ratio" is the ratio of the volume of the grid area to the volume of the entire area, for example, the weight of the cylindrical grid structure shown in FIG. mm) divided by the weight. If the volume ratio is excessively low or high outside the above range, the intended effect of the present invention as described above cannot be expected, which is not preferable.

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. In addition, the thermal conductivity of the metal adiabatic cooling body may be 0.5 to 10% compared to the thermal conductivity of the base material, and the elastic modulus may be 0.1 to 20% compared to the elastic modulus of the base material.

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.In the present invention, "base material" means a base material of a metal insulating cooling body. The thermal conductivity and elastic modulus of the metal adiabatic cooling body are physical properties exhibited by the boundary conforming lattice structure formed using a specific unit lattice according to the present invention. If the thermal conductivity or the elastic modulus is too low or high outside the above range, it is not preferable because the intended effect of the present invention as described above cannot be expected.

이하, 도 2 내지 7을 참고하여 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 7 .

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. In the present invention, the "three-dimensional unit lattice" is a unit cell serving as the minimum repeating unit in the metal adiabatic cooling body according to the present invention, and may be a unit lattice known in the art.

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. Referring to FIG. 2, the three-dimensional unit lattice is a truss structure such as BCC (Body-centered cubic), FCC (Face-centered cubic), DC (Diamond cubic), OC (Octet-truss cubic), etc., G surface, It may be one or more types selected from the group consisting of internal curved structures such as P surface, D surface, W surface, etc., but the shape and size are not limited thereto.

본 발명에서 "격자 구조체"는 상기 3차원 단위 격자의 복수 개가 "반복적으로 배열"되어 구현될 수 있다.In the present invention, the "lattice structure" may be implemented by "repeatingly arraying" a plurality of the three-dimensional unit grids.

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. The repetitive arrangement is to implement a grid structure, for example, a three-dimensional unit grid is continuously arranged in one or more directions selected from the X direction, the Y direction, the Z direction, the XY direction, the YZ direction, the XZ direction, and the like.

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. The shape of the lattice structure can be appropriately adjusted according to the application target of the final product, the use, etc., for example, it may be a sphere, a hemisphere, an ellipse, a cone, a cylinder, a polygonal prism, or a polygonal pyramid shape, and in some cases accommodated therein A space may be formed, but is not limited thereto.

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.In the present invention, "3D mesh" is a three-dimensional mesh structure used in finite element analysis of 3D printing, and in detail, may be a hexahedral mesh.

본 발명에서 "3차원 요소망으로 맵핑(mapping)되어 형성되는 경계적합형(conformal) 구조"는 도 3(a) 내지 (d)를 참조하여 설명한다.In the present invention, "a conformal structure formed by mapping to a three-dimensional network" will be described with reference to FIGS. 3(a) to (d).

도 3(a)는 3차원 단위 격자의 하나의 예이다.3A is an example of a three-dimensional unit grid.

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. FIG. 3(b) is a grid structure implemented by repeatedly three-dimensionally arranging a plurality of three-dimensional unit grids according to FIG. 3(a). It is a non-conformal structure in which the phenomenon of cleavage appears.

도 3(c)는 본 발명에서 사용하는 육면체 요소망이다. Figure 3 (c) is a hexahedral element network used in the present invention.

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.FIG. 3(d) is a boundary-conforming lattice structure designed by discretizing the non-conforming lattice structure of FIG. 3(b) and mapping the unit lattice to each element of the hexahedral element network of FIG. 3(c). As can be seen from the portion indicated by the red box, the metal insulation cooling body according to the present invention is a boundary-fitting grid structure in which the grid of the boundary portion, which is a curved surface, is not cut, and can exhibit high strength and rigidity.

한편, 본 발명은 금속 단열냉각체를 구성하는 3차원 단위 격자 크기, 밀도, 및 방향성 등을 조절하여 최적의 열적, 구조적 물성을 확보할 수 있다. On the other hand, the present invention can secure the optimal thermal and structural properties by controlling the size, density, and directionality of the three-dimensional unit lattice constituting the metal adiabatic cooling body.

구체적으로, 3차원 단위 격자를 구성하는 트러스의 직경 및 길이 등을 조절하여 금속 단열냉각체의 물성을 조절할 수 있다. Specifically, the physical properties of the metal adiabatic cooling body can be controlled by adjusting the diameter and length of the truss constituting the three-dimensional unit lattice.

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. Again, referring to FIG. 3A , the diameter d of the truss constituting the three-dimensional unit grid may be 0.1 mm or more. If the diameter (d) of the truss is less than 0.1 mm, there is a fear that the rigidity and strength of the metal insulation cooling body may be reduced, and it may not be easy to manufacture by 3D printing. In detail, the diameter d of the truss may be less than half of the unit lattice spacing h in order to form a sufficient space for fluid flow within the unit lattice of the lattice structure.

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. The spacing h of the three-dimensional unit grid may be 1 to 10 mm. The interval h of the three-dimensional unit grid is a distance between an arbitrary grid point of the three-dimensional unit grid and a corresponding grid point of an adjacent three-dimensional unit grid, and may be the width, length, or height of the unit grid. When the diameter of the unit lattice is less than 1 mm, workability is deteriorated as well as the thermal insulation and cooling effect of the metal adiabatic cooling body may be deteriorated, which is not preferable. It is not preferable because there is a possibility that rigidity and strength may fall.

또한, 3차원 요소망을 구성하는 단위 메쉬의 형태를 조절하여, 밀도가 상이한 하나 이상의 영역을 포함하는 금속 단열냉각체를 제조할 수 있다. In addition, by controlling the shape of the unit mesh constituting the three-dimensional element network, it is possible to manufacture a metal adiabatic cooling body including one or more regions having different densities.

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.In this regard, FIGS. 4 (a) to (c) are cross-sectional views of a three-dimensional mesh with locally controlled density, and FIGS. 4 (A) to (C) are respectively, correspondingly, locally controlled lattice. A cross-sectional view of the structure.

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.4(a) to (c) and 4(A) to (C) corresponding thereto, if the size and shape of the unit mesh constituting the 3D mesh are adjusted, the corresponding grid structure in the mapping process The density is locally controlled to form a region showing a density different from that of the adjacent region. For example, the region H having a relatively high density is a portion in which a lattice is formed with a small element size and exhibits low thermal insulation properties. On the other hand, the region L having a relatively low density is a portion in which the size of the element is large and a lattice is formed, and exhibits high thermal insulation properties.

또한, 3차원 단위 격자의 배열 방향을 조절하여 금속 단열냉각체의 단열 및 냉각 성능을 조절할 수 있다.In addition, by adjusting the arrangement direction of the three-dimensional unit lattice, it is possible to control the insulation and cooling performance of the metal adiabatic cooling body.

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.In this regard, FIG. 5 ( a ) is a structural diagram of the metal adiabatic cooling body 100 including the first extension part 110 , and FIG. 5 ( b ) is a metal adiabatic cooling body including the second extension part 210 . It is a structural diagram of the sieve 200.

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.Specifically, referring to FIG. 5( a ), the truss 11 constituting the three-dimensional unit lattice 10 forms the first extension 110 parallel to the heat transfer direction (red arrow). The dimensional unit grid 10 is repeatedly three-dimensionally arranged.

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. Referring to FIG. 5B , the three-dimensional unit grid is configured such that the truss 21 constituting the three-dimensional unit grid 20 forms a second extension portion 210 perpendicular to the heat transfer direction (red arrow). (20) is repeatedly three-dimensionally arranged.

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. In this structure, as can be seen in Experimental Example 1 below, the metal adiabatic cooling body including the second extension 210 perpendicular to the heat transfer direction includes the first extension 110 parallel to the heat transfer direction. It shows a high thermal insulation effect compared to a metal thermal insulation cooling body containing.

<실험예 1> 3차원 단위 격자의 배열 방향에 따른 단열 효과 비교 <Experimental Example 1> Comparison of thermal insulation effect according to the arrangement direction of the three-dimensional unit grid

도 5를 다시 참고하면, 상기 금속 단열냉각체(100, 200)의 일면에 200℃의 열이 유지되도록 10분 후에 타면의 온도 차를 관찰하였다. Referring back to FIG. 5 , the temperature difference of the other surface was observed after 10 minutes so that heat of 200° C. was maintained on one surface of the metal adiabatic cooling body 100 , 200 .

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.The other surface of the metal adiabatic cooling body 100 including the first extension part 110 showed a temperature change of 80 °C by showing 120 °C, but the metal insulation cooling body 200 including the second extension part 210 ) The other side of the was 97 ℃, indicating a temperature change of 103 ℃. Accordingly, the thermal insulation effect of the metal insulation cooling body 100 including the second extension part 210 perpendicular to the heat transfer direction (red arrow) is the metal insulation cooling body 100 including the first extension part 110 ) larger can be seen.

<실험예 2> 단열 효과 비교 <Experimental Example 2> Comparison of insulation effect

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).A metal adiabatic cooling body of a cylindrical shape (SS316 powder, diameter 50.8 mm, height 20 mm) was manufactured using a three-dimensional unit grid with a truss diameter of 0.6 mm and a 5 mm interval. The volume ratio of the metal adiabatic cooling body is 15.67%, the thermal conductivity is 5.24% compared to the base material (SS316 powder), and the elastic modulus is 1.01% compared to the base material (SS316 powder) (FIG. 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. Then, as an example, the metal adiabatic cooling body was prepared by putting it between cylindrical specimens made of stainless steel of the same size (FIG. 6(b)). As a comparative example, another cylindrical-shaped structure (solid) of the same size/material was prepared by putting it between a stainless steel cylindrical specimen (solid).

이 후, 단열 효과 비교를 위해 실시예와 비교예의 바닥면을 200℃로 가열한 경우 온도변화를 비교하여 도 7 및 9에 나타내었다.Thereafter, for comparison of the thermal insulation effect, the temperature change in the case of heating the bottom surfaces of Examples and Comparative Examples to 200° C. is shown in FIGS. 7 and 9 .

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. 7 and 9, in the case of the comparative example, the upper surface temperature reached 190° C. during heating for 40 minutes, and the overall temperature increased, whereas in the case of the example, the temperature was about 111° C., thereby confirming the thermal insulation effect.

<실험예 3-1> 자연 대류에 의한 냉각 효과 비교 <Experimental Example 3-1> Comparison of cooling effect by natural convection

실험예 2에 따른 단열 효과 실험에서 가열 종료 후 상온에서 냉각시켰을 때 실시예와 비교예의 시간에 따른 온도변화를 비교하여 도 8 및 9에 나타내었다.In the thermal insulation effect test according to Experimental Example 2, the temperature change according to the time of the Example and Comparative Example when cooling at room temperature after completion of heating was compared and shown in FIGS. 8 and 9 .

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. According to FIGS. 8 and 9 , when the cooling time has elapsed for 20 minutes, the temperature of the upper side surface is 133° C. in the case of the comparative example, whereas it is 95.2° C. in the case of the example, indicating that cooling also proceeds rapidly.

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. In general, in the case of using the conventional ceramic insulator, the heat insulation rate is high, but the cooling rate is significantly lowered, it can be confirmed that the cycle efficiency of insulation and cooling is improved when the metal insulation coolant according to the present invention is used.

<실험예 3-2> 강제 대류에 의한 냉각 효과 비교 <Experimental Example 3-2> Comparison of cooling effect by forced convection

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.In the thermal insulation effect test according to Experimental Example 2, the temperature change with time of the Example and the Comparative Example when cooled in forced convection (fan wind) after the type of heating was compared and shown in FIGS. 8 and 9 .

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.It can be seen that the temperature of the embodiment starts to drop to room temperature after 5 minutes of cooling time. In the case of the upper surface temperature, when the cooling time elapsed for 20 minutes, the comparative example showed 58 ° C, whereas the Example showed 35.7 ° C. It was confirmed that the metal adiabatic cooling body of the example was also excellent in the cooling effect by forced convection.

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. In general, in the case of using the conventional ceramic insulator, the heat insulation rate is high, but the cooling rate is significantly lowered, it can be confirmed that the cycle efficiency of insulation and cooling is improved when the metal insulation coolant according to the present invention is used.

<실험예 4><Experimental Example 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.Thermal conductivity coefficient (k) of the metal insulation cooling body manufactured in Experimental Example 2, other carbon steel (AISI-1045), stainless steel (SS-303), high-strength plastic (PEEK), ceramic insulation (BRA-GRA ® ), The stiffness (E), the coefficient of thermal expansion (α) similar to that of carbon steel, the operating temperature, and the workability were measured and shown in Table 1 below.

재료ingredient k
W/M-K)k
W/MK) E
(Gpa)E
(Gpa) α
(㎛/m)α
(μm/m) 사용온도
(℃)operating temperature
(℃) (가공성)(Processability) 금속 단열냉각체Metal Insulation Cooling Body 3.363.36 13.513.5 16.316.3 -- OO 탄소강(AISI-1045)Carbon Steel (AISI-1045) 49.849.8 205205 11.511.5 -- OO 스테인레스강(SS-303)Stainless Steel (SS-303) 16.316.3 193193 16.316.3 -- OO 플라스틱(PEEK)Plastic (PEEK) 0.320.32 4.04.0 4545 <150<150 OO 세라믹 단열재(BRA-GRA®)Ceramic insulation (BRA-GRA ® ) 0.220.22 13.013.0 88 <280<280 XX

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. According to Table 1, in the case of stainless steel (SS-303), which has the lowest thermal conductivity among steel materials, the thermal conductivity is only 1/3 of that of carbon steel (AISI-1045), so there is no great insulation effect. PEEK, which has the highest strength and operating temperature among plastics, has a thermal expansion coefficient four times higher than that of carbon steel (AISI-1045), but the operating temperature is less than 150℃. BRA-GLA, a structural ceramic insulator, has good overall physical properties, but has a problem in that it is difficult to manufacture in an arbitrary shape due to poor workability. In the case of the metal insulation cooling body according to the present invention (using SS316 powder, based on the truss diameter of 0.6 mm), the thermal conductivity level is zirconia level and the elastic modulus is BRA-GRA level. have. In addition, the coefficient of thermal expansion is similar to that of the raw material (metal), and stress concentration due to the difference in thermal expansion can be alleviated, and it can be confirmed that it can be effectively applied to the insulation of structures that require high temperature strength as there is no limit on the operating temperature.

한편, 도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 상기 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각구조(300)의 단면도이다.Meanwhile, FIG. 10 is a cross-sectional view of a metal adiabatic cooling structure 300 to which the metal adiabatic cooling body is applied according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참고하면, 상기 금속 단열냉각구조(300)는,Referring to Figure 10, the metal adiabatic cooling structure 300,

피가열부(310); to-be-heated part 310;

상기 피가열부(310) 하단에 형성되며, 단열 과정에서 사용되는 히터(도시하지 않음)를 포함하는 가열부(320);a heating unit 320 formed at a lower end of the heating target unit 310 and including a heater (not shown) used in a thermal insulation process;

상기 가열부(320) 하단에 형성되며, 제 1 항에 따른 금속 단열냉각체를 적용한 금속 단열냉각층(330); 및a metal insulation cooling layer 330 formed at the bottom of the heating unit 320 and to which the metal insulation cooling body according to claim 1 is applied; and

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.and a cooling conduit 340 that communicates with the metal adiabatic cooling layer 330 and is formed on the substrate 350 so that the refrigerant flows along the lattice space of the metal adiabatic cooling layer 330 .

상기 피가열부(310)에는 대상 물체(object)가 위치할 수 있으며, 경우에 따라 단열냉각 과정에서 밀폐될 수 있다.A target object may be located in the heating target 310, and in some cases, may be sealed during adiabatic cooling process.

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.A heater positioned on the heating unit 320 may operate during the insulation process. The type, number, etc. of the heater may be appropriately selected from those known in the art according to the type and size of the target object.

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.The cooling process may be performed through cooling by natural convection or cooling by forced convection, but in detail, it may be performed using a refrigerant. The refrigerant may be cooling water or compressed air, but is not limited thereto, and a refrigerant known in the art may be appropriately selected according to the type and size of the target object.

구체적으로, 상기 금속 단열냉각층(330)의 격자 공간을 따라 냉매가 유동할 수 있도록 상기 금속 단열냉각층(330)과 연통하는 냉각수로(340)가 기재(350) 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. Specifically, a cooling conduit 340 communicating with the metal adiabatic cooling layer 330 is formed on the substrate 350 so that the refrigerant flows along the lattice space of the metal adiabatic cooling layer 330 . The cooling conduit 340 is connected to a refrigerant inlet 341 formed on an outer surface of the adiabatic cooling structure and a refrigerant outlet 342 formed on another outer surface of the adiabatic cooling structure.

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. That is, in the cooling process, the refrigerant introduced into the refrigerant inlet 341 flows along the lattice space of the metal adiabatic cooling layer 330 communicating with the cooling water channel 340 and flows through it to the refrigerant outlet 342, so that the heating unit Cooling can be made in proximity to the 320 and the heating target 310, so that the cooling rate of the system can be improved.

상기 냉매 유입구(341), 냉매 유출구(342)의 직경, 갯수 등은 제한이 없으며, 대상 물체의 종류, 크기 등에 따라 적절히 선택할 수 있다. The diameter, number, etc. of the refrigerant inlet 341 and the refrigerant outlet 342 are not limited, and may be appropriately selected according to the type and size of the target object.

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. In some cases, when a liquid such as cooling water is used as the refrigerant, a separator (not shown) is inserted between the heating unit 320 and the metal insulation cooling layer 330 for waterproofing to remove the heating unit 320 . can protect

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. As described above, the metal adiabatic cooling layer 330 may be made of a material that is the same as the substrate 350 or has a thermal expansion coefficient similar to that of the base material 350 .

한편, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상기 금속 단열냉각체를 적용한 단열냉각 챔버(400)의 단면도이다. Meanwhile, FIG. 11 is a cross-sectional view of the adiabatic cooling chamber 400 to which the metal adiabatic cooling body according to another embodiment of the present invention is applied.

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. Referring to FIG. 11 , the metal adiabatic cooling chamber 400 includes an accommodating space 401 provided therein, an inner cover 410 formed on the inner surface to surround the accommodating space, and an outer cover 420 formed on the outer surface. and the inner cover 410 and the outer cover 420 surround the metal heat insulating cooling body 440 .

상기 내부 커버(410)의 하나 이상의 내측면(410a, 410b) 상에 단열 과정에서 사용되는 히터(430)가 위치하고, A heater 430 used in a thermal insulation process is positioned on one or more inner surfaces 410a and 410b of the inner cover 410,

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.A coolant in communication with the metal insulation cooling body 440 so that the refrigerant flows along the grid space of the metal insulation cooling body 440 on one or more outer surfaces 420a and 420b of the outer cover 420 . 450 is formed.

상기 수용공간(401)에는 대상 물체(object)가 위치할 수 있으며, 경우 따라, 단열 과정에서 밀폐될 수 있다. A target object may be located in the accommodation space 401 and, depending on the case, may be sealed during a thermal insulation process.

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. In the insulating process, the heater 430 positioned on the inner surfaces 410a and 410b opposite to each other of the inner cover 410 operates. The type, number, etc. of the heater may be appropriately selected from those known in the art according to the type and size of the target object.

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.The cooling process may be performed through cooling by natural convection or cooling by forced convection, but in detail, it may be performed using a refrigerant. The refrigerant may be cooling water or compressed air, but is not limited thereto, and a refrigerant known in the art may be appropriately selected according to the type and size of the target object.

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. Specifically, a cooling water channel 450 is formed so that a refrigerant can flow along the grid space of the metal insulation cooling body 440 , and the cooling water channel 450 is an outer surface 420a of the outer cover 420 . One or more refrigerant inlets (451a, 451b, 451c) formed thereon, and another refrigerant outlet (452) formed on the outer surface (420b) is formed.

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. The diameter and number of the coolant inlets 451a, 451b, and 451c and the coolant outlet 452 are not limited, and may be appropriately selected according to the type and size of the target object.

상기 내부 커버 및 외부 커버의 재질, 두께 등은 대상 물체의 종류, 크기, 냉매의 종료에 따라 적절히 선택할 수 있다The material, thickness, etc. of the inner cover and the outer cover may be appropriately selected according to the type, size, and end of the refrigerant.

냉각 과정에서는 금속 단열 냉각체(440)의 격자 공간을 따라 냉매를 흘려 시스템의 냉각을 가속화 및 조절할 수 있다.In the cooling process, the cooling of the system may be accelerated and controlled by flowing a refrigerant along the grid space of the metal insulation cooling body 440 .

따라서, 본 발명에 따른 금속 단열냉각 챔버는 가열과 냉각을 주기적으로 반복해야하는 사이클에서 냉각 시간의 단축 효과를 기대할 수 있다. Therefore, in the metal adiabatic cooling chamber according to the present invention, the effect of shortening the cooling time can be expected in a cycle in which heating and cooling are periodically repeated.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능하다. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (5)

금속 단열냉각체가 적용된 금속 단열냉각구조로,
피가열부;
상기 피가열부 하단에 형성되며, 단열 과정에서 사용되는 히터를 포함하는 가열부;
상기 가열부 하단에 형성되며, 상기 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 포함하고,
상기 금속 단열냉각체는, 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%이고,
상기 금속은 3D 프린팅이 가능한 금속 분말인 것을 특징으로 하는 단열 및 냉각 특성을 가지는 금속 단열냉각 구조.With a metal adiabatic cooling structure to which a metal adiabatic cooling body is applied,
to-be-heated part;
a heating unit formed at a lower end of the heating target and including a heater used in a thermal insulation process;
a metal insulation cooling layer formed at a lower end of the heating unit and to which the metal insulation cooling body is applied; and
Containing; and a cooling water in communication with the metal adiabatic cooling layer and formed on the substrate so that the refrigerant flows along the lattice space of the metal adiabatic cooling layer;
The metal adiabatic cooling body is a lattice structure implemented by repeatedly arranging a plurality of three-dimensional unit lattices by 3D printing, and the lattice structure is mapped to a three-dimensional mesh (3D mesh) and is a boundary conforming type (conformal) is formed in the structure, the volume ratio is 1 to 50%,
The metal is a metal adiabatic cooling structure having thermal insulation and cooling properties, characterized in that the metal powder capable of 3D printing. 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 단열냉각 구조.According to claim 1, wherein the thermal conductivity of the metal adiabatic cooling body is 0.5 to 10% compared to the thermal conductivity of the base material, and the elastic modulus is 0.1 to 20% of the elastic modulus of the base material. structure. 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 단열냉각 구조.According to claim 1, wherein the three-dimensional unit grid is BCC (Body-centered cubic), FCC (Face-centered cubic), DC (Diamond cubic), OC (Octet-truss cubic), G surface, P surface, D surface , and a metal adiabatic cooling structure having thermal insulation and cooling characteristics, characterized in that at least one selected from the group consisting of a W surface. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 단열냉각체는 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 단열냉각 구조.


According to claim 1, wherein the metal adiabatic cooling body is formed by adjusting the shape of the unit mesh constituting the three-dimensional element network, including one or more regions having different densities, the region having a relatively low density is a region having a high density. A metal adiabatic cooling structure having thermal insulation and cooling characteristics, characterized in that it exhibits high thermal insulation and cooling characteristics compared with


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