[논문]레이저 3D 프린팅 기법으로 제작한 열교환기 성능시험 분석 연구

김무선

doi:10.5762/kais.2020.21.7.270

레이저 3D 프린팅 기법으로 제작한 열교환기 성능시험 분석 연구
Experimental analysis of heat exchanger performance produced by laser 3D printing technique 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.7, 2020년, pp.270 - 276

초록
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3D 프린팅은 고분자, 세라믹, 금속 등 다양한 소재를 대상으로 복합적인 형상을 한 번의 공정으로 제작할 수 있는 적층 기반 제작 기술이다. 최근의 3D 프린팅 기술은 프린팅 속도의 향상과 적용 가능 소재의 지속적인 개발에 의해 양산형 제품 생산이 가능한 수준으로 발전하였다. 본 연구에서는 레이저를 활용한 3D 프린팅 기술을 적용하여 철도 차량용 공기 압축기에 쓰이는 열교환기 제작을 진행하였다. 먼저 3D 프린팅에 적합한 형상으로 경량화 및 컴팩트화를 주안점으로 열교환기의 최적 설계를 진행하였다. 그로부터 도출된 설계안을 기반으로 SLM 기법을 적용하여 AlSi10Mg 합금 소재로 열교환기 시작품을 제작하였다. 다음으로, 제작된 시작품을 기존 공기 압축기에 부착하여, 압축공기의 열교환 성능을 시험하였다. 3D 프린팅 시작품의 시험 결과는 기존 열교환기 대비하여 저압부와 고압부에서 열교환 성능은 각각 약 80% 및 85% 수준을 보였다, 하지만 외부 냉각공기 조건을 기존 열교환기와 유사한 조건으로 가정하였을 때 𝓔-NTU 법을 활용하여 계산한 열전달량은 기존 열교환기 대비하여 유사한 성능을 보여 주었다. 결과적으로, 3D 프린팅 제작 열교환기의 성능 효과 및 경량화 등의 장점을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing is an additive manufacturing technology that can produce complex shapes in a single process for a range of materials, such as polymers, ceramics, and metals. Recent 3D printing technology has developed to a level that enables the mass-production through an improvement of the printing speed and the continuous development of applicable materials. In this study, 3D printing technology using a laser was applied to manufacture a heat exchanger for an air compressor in a railway vehicle. First, the optimal design of the heat exchanger was carried out by focusing on weight reduction and compactness as a shape suitable for 3D printing. Based on the design derived, heat exchanger prototypes were made of AlSi10Mg alloy material by applying the SLM technique. Moreover, the manufactured prototypes were attached to an existing air compressor, and the heat exchange performance of the compressed air was tested. The test results of the 3D printed prototypes showed a heat exchange performance of approximately 80% and 85% at low and high-pressure, respectively, compared to the existing heat exchanger. From the 𝓔-NTU method results with an external cooling air condition similar to that of the existing heat exchanger, the calculated heat transfer amount of 3D printed parts showed similar performance compared to the existing heat exchanger. As a result, the 3D printed heat exchanger is lightweight with good performance.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Air compressor for railroad vehicle [8]
그림 Fig. 2. Schematic diagram of (a) side cross section and (b) upper cross section of rib-turbulator inside tube and (c) wavy fin out of tube [9]
그림 Fig. 3. (a) Final product manufactured by SLM and (b) section of product
그림 Fig. 4. Schematic to measure flow velocity and compressed air temperature
그림 Fig. 5. Experiment of the current heat exchanger and external flow velocity field
그림 Fig. 6. Experiment of 3D printed heat exchanger and external flow velocity field
표 Table 1. Specifications of current and 3D printed heat exchangers
표 Table 2. Temperature results of current and 3D printed heat exchangers
그림 Fig. 7. Temperature results of 3D printed heat exchanger
표 Table 3. Heat transfer results of test and ε-NTU of current and 3D printed heat exchangers

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 열교환기의 최적 설계는 압축공기의 내부 유동과 외부 냉각공기 유동 간의 열교환 효율을 최대화하며 동시에 제품 크기 축소 및 경량화를 구현하여 공기압축기 전체 시스템의 컴팩트화를 목적으로 하였다. 열교환기의 최적 설계 접근 방안과 제작 방안은 이전 연구[9]를 참조하였다.
따라서 본 연구에서는, 기존 SLM 기법 연구에서 많이 다루어지지 않은 실제 제품 개발을 목표로 하여, 철도차량용 공기 압축기의 주요 구성품인 열교환기를 대상으로 SLM 기법 제작에 맞게 재설계 및 제작 후 성능 시험을 진행하였고 그 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 철도 차량용 공기압축기에 적용되는 열교환기를 대상으로 3D 프린팅 제작을 위한 최적설계와 이를 기반으로 SLM 기법으로 제품을 제작하였고, 실제 공기압축기에 장착 및 성능시험을 진행함으로써 기존 제품 대비 열전달 성능을 분석하였다. 성능 분석 결과는 다음과 같다.

가설 설정

1단과 2단 모두 3D 프린팅 열교환기의 온도 저감 결과는 기존 열교환기 대비하여 약 80% 및 85%의 성능을 보였다. 기존품보다 낮은 개발품의 온도 저감 효과는 열교환기 최적 설계시, 외부 냉각공기의 유속과 유량 조건을 기존 열교환기 환경과 동일하게 가정하여 설계를 진행하였기 때문이다.

제안 방법

ε-NTU 법을 활용하여, 시험을 진행한 동일 조건에서 기존 열교환기의 열전달량 해석값과 3D 프린팅 열교환기 해석값을 구하였고 기존품과 동일한 외부 냉각공기의 유동 조건을 가정하여 3D 프린팅 열교환기의 열전달량 해석값을 구하였다.
3D 프린팅으로 제작한 열교환기의 성능 분석을 위해 기존 열교환기의 성능 시험 및 개발 열교환기의 성능 시험을 진행하였다.
열교환기의 성능시험은 현재 차량에 적용되고 있는 공기 압축기 및 냉각 팬에 연결하여 진행하였다. Fig. 4에서 나타낸 바와 같이 냉각 공기의 외부 유동 속도는pitot tube(Furness, FCO65-E225)와 차압계(Testo480)를 이용하여 열교환기 영역에서 균일 간격의 포인트에서 측정하였으며, 압축공기 온도는 2단 공기압축기에 설치되는 저압 열교환기 및 고압 열교환기 각각의 입구와 출구에 연결되는 배관 측면에 열전대를 부착하여 측정하였다.
하지만 형상이 복잡한 구조물인 경우 내부 써포트의 제거가 어렵기 때문에 제품 제작시 방향을 특정하여 써포트 설치를 최소화하여야 한다. 본 연구에서는 핀-튜브 배열 면이 SLM적층면과 평행하도록 하여, 내부 써포트 삭제가 가능하였다. SLM 기법으로 제작한 열교환기를 Fig.
열교환 효율과 비례관계인 열전달 계수를 향상하는 기본적인 방법으로, 튜브 내의 유동 특성을 상대적으로 열전달 효과가 높은 강제 대류로 전환하고, 외부 유동과의 접촉 면적을 넓히는 방안을 적용하였다. 이를 위해, 튜브 내부 벽면에는 난류 발생을 위한 리브 형태의 터뷸레이터[10]를 설계하였고, 튜브 외부에는 외부 유동과의 접촉 면적을 넓힐 수 있는 웨이브 형태의 핀[11]을 장착하였다.
열교환기의 성능시험은 현재 차량에 적용되고 있는 공기 압축기 및 냉각 팬에 연결하여 진행하였다. Fig.
온도 계산을 위한 격자점은 유속 측정점과 측정점들간의 중간 위치에 설정하였으며, NTU 계산은 cross flow 일 때 각 열교환기 형상에 따른 열전달계수, 각 열교환기 내부 튜브의 수력직경 및 소재별 열전도도를 적용하였다. 고온 압축공기의 입구 온도는 Table 2에 나타낸 시험 입구 온도를 적용하였다.
온도는 공기압축기 1단에서 토출된 압축공기가 1단열교환기에 투입될 때와 통과한 후의 온도 및 공기압축기 2단을 거쳐 2단 열교환기에 투입될 때와 토출될 때의 온도로 구분하였다.
열교환 효율과 비례관계인 열전달 계수를 향상하는 기본적인 방법으로, 튜브 내의 유동 특성을 상대적으로 열전달 효과가 높은 강제 대류로 전환하고, 외부 유동과의 접촉 면적을 넓히는 방안을 적용하였다. 이를 위해, 튜브 내부 벽면에는 난류 발생을 위한 리브 형태의 터뷸레이터[10]를 설계하였고, 튜브 외부에는 외부 유동과의 접촉 면적을 넓힐 수 있는 웨이브 형태의 핀[11]을 장착하였다. 각 구조물의 형상 개념을 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 제품 제작을 위해 활용한 EOS 社의 금속 3D 프린터인 M290 사양을 참조하여 설계 영역 범위를 우선 정의하였다.
열교환기의 최적 설계 사양은 튜브 내부 중공 높이는 2mm이며 10개 채널로 구성하였다. 또한 터뷸레이터는 중공 높이의 1/10로 정의하였다.
이번 연구에서 SLM 기법 적용 제작 대상은 철도차량용 공기압축기에 쓰이는 열교환기이다. 철도차량 공기압축기는 차량 제동장치와 차량 높낮이를 제어하는 공기 스프링에 쓰이는 압축공기를 공급하며, 공기압축기에서 공급되는 고온고압 공기를 저온고압으로 변환하기 위해 열교환기를 사용한다.
적용 소재는 열교환기의 특성을 고려하여 AlSi10Mg 파우더를 사용하였으며, SLM 공정으로 제작시 구조물의 지지 및 열변형 가능성을 제거하기 위한 써포트 설치를 최소화하기 위해, 열교환기의 제작 방향을 특정하였다. 즉, 열교환기의 튜브와 같은 중공 구조물을 제작할 때 SLM 기법의 특성으로 인한 형상 변형 방지를 위해 중공 구조물 내부에 써포트 설치가 필수인데, 이는 제작 완료 후 물리적인 방법으로 제거하여야 한다.

이론/모형

만약 기존 열교환기와 동일한 조건의 외부 냉각공기 유동을 생성하는 경우를 가정하였을 때, 3D 프린팅 열교환기의 성능 변화를 예측하고자 ε-NTU 법을 활용하였다.
그리고 열교환기의 최적 설계는 압축공기의 내부 유동과 외부 냉각공기 유동 간의 열교환 효율을 최대화하며 동시에 제품 크기 축소 및 경량화를 구현하여 공기압축기 전체 시스템의 컴팩트화를 목적으로 하였다. 열교환기의 최적 설계 접근 방안과 제작 방안은 이전 연구[9]를 참조하였다.
튜브와 터뷸레이터의 크기 및 개수의 상세 설계 특성을 정의하기 위해 ε-NTU 기법을 적용하여 여러 설계 조건에서의 열전달량과 압력 강하를 계산하였으며, 그로부터 최적 설계 조건을 선정하였다[12].

성능/효과

1) 3D 프린팅 열교환기의 열전달 효율을 시험한 결과, 저압 및 고압 압축 공기에서 기존 열교환기 대비온도 기준으로 약 80% 및 85%의 성능을 보였다.
4K 저감효과를 보였다. 1단과 2단 모두 3D 프린팅 열교환기의 온도 저감 결과는 기존 열교환기 대비하여 약 80% 및 85%의 성능을 보였다. 기존품보다 낮은 개발품의 온도 저감 효과는 열교환기 최적 설계시, 외부 냉각공기의 유속과 유량 조건을 기존 열교환기 환경과 동일하게 가정하여 설계를 진행하였기 때문이다.
2) 성능 차이는 외부 냉각공기의 유동 특성에 따라 유속이 상대적으로 낮은 팬 중심부에 열교환기가 위치함으로써 전체 열전달량이 낮아진 것으로 판단된다.
3) 동일한 외부 유동 조건을 가정하여, ε-NTU 법으로 열전달 성능을 계산한 결과, 3D 프린팅으로 제작한 열교환기의 시험값과 예측값이 근접하였으며, 또한 결과로부터 기존 열교환기 이상의 열전달 성능을 보임을 알 수 있다.
결과적으로 기존 열교환기 성능 시험시 얻어진 유속과 유량 대비하여 실제 3D 프린팅 열교환기 성능 시험에서는 유속과 유량이 62% 및 92% 감소하였다.
기존 열교환기의 열전달량 시험 결과는 5377.4W인 반면, ε-NTU법을 활용하여 예측한 결과값은 6130.3W로 약 14%의 오차를 확인하였다.
다음으로 2단 고압 (9bar) 압축공기의 열교환 성능에서는 기존 열교환기는 입력온도 481.7K에서 327.1K로 약 154.6K의 온도 저감효과를, 개발 열교환기는 477.5K에서 345.1K로 약 132.4K 저감효과를 보였다. 1단과 2단 모두 3D 프린팅 열교환기의 온도 저감 결과는 기존 열교환기 대비하여 약 80% 및 85%의 성능을 보였다.
따라서, 외부 유동조건이 기존 열교환기의 경우와 동일하게 구성된다면, 3D 프린팅 열교환기는 기존 열교환기 이상의 열전달 효율을 가질 것으로 판단한다.
먼저 1단 저압 (3bar) 압축공기의 열교환 성능을 살펴보면 기존 열교환기는 입력 온도 465.3K 에서 출력온도 337.5K로 약 127.8K의 온도 저감효과를 보였으며 개발 열교환기는 457.9K에서 356.3K로 101.6K의 저감효과를 보였다.
이를 감안하여, 원래 설계조건인 기존열교환기의 외부유속조건을 가정하여 3D 프린팅 열교환기의 성능을 ε-NTU 법으로 예측한 결과 6196.9W로 기존 열교환기의 실제 열전달 성능보다 향상되었다.
이상과 같이 3D 프린팅으로 제작한 열교환기가 실제 제품 활용도 관점에서 충분한 성능을 가짐을 확인하였으며, 더불어 기존 열교환기 제작방식을 대체하면서 크기 및 중량을 최소화할 수 있는 부가적인 장점을 가질 수 있음을 확인하였다.
측정 유동장으로부터 얻은 외부 냉각공기의 평균 유속 및 유량은 기존열교환기의 경우 8.88m/s 및 0.4827kg/s 이며 3D 프린팅 열교환기는 3.33m/s 와 0.03416kg/s를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 SLM 기술에 맞게 재설계 및 제작 후 성능 시험을 진행하기 위해 어떤 것을 대상으로 하였는가?	SLM 기술 관련하여 주로 진행되고 있는 연구 내용은 공정 특성과 이에 따른 물성 변화 등에 관한 내용이다. Read 등[1]은 알루미늄 합금 파우더에 레이저 조사 조건의 상호작용에 관한 연구를 진행하였으며, Simchi 등[2]은 레이저의 에너지 밀도와 소결 밀도와의 상관관계를 연구하였다. 그리고 Dewindar 등[3] 및 Su 등[4]은 소재 파우더 베드를 스캐닝하는 레이저 스캐닝 패턴에 관한 특성을 연구하였으며, Aboulkhair 등[5]은 이런 스캔 방식이 구조물의 다공성에 미치는 영향을 연구하였다. 또한 Strumza 등[6]은 SLM 기술로부터 열물성치의 이방성에 관한 연구를, Prashanth 등[7]은 후처리에 따른 물성 변화를 연구하였다.
	3D 프린팅은 무엇인가?	3D 프린팅은 고분자, 세라믹, 금속 등 다양한 소재를 대상으로 복합적인 형상을 한 번의 공정으로 제작할 수 있는 적층 기반 제작 기술이다. 최근의 3D 프린팅 기술은 프린팅 속도의 향상과 적용 가능 소재의 지속적인 개발에 의해 양산형 제품 생산이 가능한 수준으로 발전하였다.
	3D 프린팅 기술 원리는 무엇인가?	3D 프린팅 기술 원리는 성형 소재를 얇은 층으로 적층하고 그 위에 또 다른 층을 적층하는 과정을 반복함으로써 최종 3차원 구조물을 제작하는 방법이며 적층 소재의 용융을 위한 에너지원 종류와 적용 소재 종류에 따라 3D 프린팅 기술 종류를 세부적으로 구분할 수 있다. 대표적인 3D 프린팅 기술로, 필라멘트 형태의 고분자 소재를 인젝션 헤드를 통해 용융 압출하여 적층하는 형태의 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식이 있으며, 또 다른 대표적인 예로 고분자 및 금속 등의 소재 파우더가 도포되어 있는 베드 위에 레이저를 조사함으로써 해당 영역에 멜팅풀을 형성하여 아래 층 구조물에 융착하는 방식의 SLM (Selective Laser Melting) 방식이 있다.

참고문헌 (12)

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K.G.Prashanth, S.Scudino, H.J.Klauss, K.B.Surreddi, L.Lober, Z.Wang, A.K.Chaubey, U.Kuhn, J.Eckert,"Microstructure and mechanical properties of Al-12Si produced by selective laser melting: Effect of heat treatment", Materilas Science &Engineering A, vol.590, pp.153-160, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2013.10.023

상세보기
Operating instructions of ALMiG compressor WP2N85T, ALMiG Kompressoren GmbH, 2014
M. Kim,"Design and Manufacturing Technology of Heat Exchanger in Air Compressor for Railroad Vehicle by 3D Printing Process", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 18, no.11, pp.802-809, 2017. DOI:https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.11.802
C. O. Olsson, B. Sunden, "Experimental study of flow and heat transfer in rib-roughened rectangular channels", Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 16, pp.349-365, 1998. DOI: https://doi.org/10.1016/S0894-1777(97)10034-6

상세보기
D. Junqi, C. Jiangping, C. Zhijiu, Z. Yimin, Z. Wenfeng, "Heat transfer and pressure drop correlations for the wavy fin and flat tube heat exchangers", Applied Thermal Engineering, vol. 27, pp. 2066-2073, 2007. DOI:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.11.012

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J.Ahn, M.Kim, S.Jang, "Heat Transfer Analysis of a Heat Exchanger for an Air-Compressor of a Railway Vehicle Based on Cooling Air Flow Measurement", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol.29, no.9, pp.447-454. DOI: https://.doi.org/10.6110/KJACR.2017.29.9.447

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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