KR102690886B1 - Grill for vehicle consisting of filter having a three-dimensional lattice structures - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세입자를 선택적으로 포집하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴에 관한 것으로, 차량에 장착되고, 격자부재들로 연결된 단위 셀을 주기적으로 배열시켜 제작된 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴로서, 상기 그릴의 적어도 일부가 상기 필터로 구성되고, 상기 필터를 통과하는 유체에 포함된 입자 중 제1 입자크기 이하의 미세입자는 상기 격자부재들에 점착되어 상기 필터에 의해 선택적으로 포집되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure that selectively collects fine particles. It is mounted on a vehicle and has a three-dimensional lattice structure manufactured by periodically arranging unit cells connected by grid members. A vehicle grill composed of a filter, wherein at least a portion of the grill is composed of the filter, and fine particles of a first particle size or less among the particles contained in the fluid passing through the filter adhere to the grid members and are filtered by the filter. It is characterized by selective collection.
Description
본 발명은 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세입자를 선택적으로 포집하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴에 관한 것이다.The present invention relates to a vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure, and more specifically, to a vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure that selectively collects fine particles.
차량의 전면부에는 공력 및 엔진의 냉각을 위해 라디에이터 그릴이 구비되며, 내연기관 차량이 아니더라도 차량 전면부의 디자인 요소를 위해 그릴이 적용되고 있다. 그런데, 이러한 그릴은 현재까지 엔진 냉각 또는 디자인적 기능에 한정되어 차량에 적용되고 있으며, 차량 주행 중 발생되는 미세먼지를 제거할 수 있는 필터로서의 기능은 가지고 있지 않다.The front of the vehicle is equipped with a radiator grill for aerodynamics and engine cooling, and even if it is not an internal combustion engine vehicle, the grill is applied as a design element to the front of the vehicle. However, to date, these grills have been applied to vehicles limited to engine cooling or design functions, and do not have a filter function to remove fine dust generated while driving the vehicle.
한편, 공기 중에 먼지 등을 제거하는 에어필터의 경우 등급에 따라 0.3㎛의 입자에 대해 85 ~ 99.99% 이상의 포집 성능을 가진다. 이를 헤파필터라 한다. 이러한 공기 정화용 필터의 경우 수명 향상을 위해 큰 먼지를 제거하기 위한 프리필터, 복합필터 등으로 조대입자를 걸러주기도 한다.Meanwhile, air filters that remove dust from the air have a collection performance of 85 to 99.99% or more for particles of 0.3㎛, depending on the grade. This is called a HEPA filter. In the case of these air purification filters, coarse particles are filtered out using pre-filters and composite filters to remove large dust to improve their lifespan.
그러나, 종래의 필터의 경우 공기 중 미세먼지 등을 제거하고 나면 일정 수준에서 필터의 포집 성능이 하향되고, 필터에 의한 압력강하 등으로 인하여 에너지 효율이 떨어지게 된다. 헤파필터의 경우 250Pa의 압력강하를 가지도록 초기 설계가 되어 있으며, 510Pa에서 필터를 교체해주도록 되어 있다. 헤파필터는 수 ㎛ 이하의 얇은 섬유들이 얼기설기 엮여 있는 구조이므로 설계자가 필터의 설계를 제어할 수 없는 문제도 있다.However, in the case of conventional filters, after removing fine dust, etc. from the air, the filter's collection performance decreases to a certain level, and energy efficiency decreases due to pressure drop due to the filter. In the case of the HEPA filter, it is initially designed to have a pressure drop of 250Pa, and the filter is replaced at 510Pa. Since HEPA filters have a structure in which thin fibers of several micrometers or less are woven together, there is a problem in that designers cannot control the design of the filter.
또한, 종래의 필터의 경우 초미세입자(PM2.5), 미세입자(PM10) 뿐만 아니라 조대입자(10㎛ 이상)의 입자까지 모두 포집하여, 외부에서 사용할 경우 수명이 급격히 짧아지며, 재사용하기 어렵다.In addition, in the case of conventional filters, they collect not only ultrafine particles (PM2.5) and fine particles (PM10) but also coarse particles (10㎛ or more), so when used externally, their lifespan is drastically shortened and they are difficult to reuse.
이러한 종래의 헤파필터를 차량용 그릴에 적용하고자 하는 아이디어도 도출될 수는 있으나, 헤파필터의 압력강하 문제 및 구조적으로 기계적 성질을 갖고 있지 않은 문제 등을 가지고 있어 차량용 그릴에 적용하기 어렵다.The idea of applying such a conventional HEPA filter to a vehicle grill may be derived, but it is difficult to apply to a vehicle grill because the HEPA filter has problems with pressure drop and does not have structural mechanical properties.
본 발명의 과제는 종래 차량용 그릴의 기능에 더하여, 초미세입자와 미세입자만을 선택적으로 포집할 수 있고, 제작 형상을 설계자가 제어할 수 있는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 새로운 형태의 차량용 그릴을 제시함에 있다.The object of the present invention is to provide a new type of vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure that can selectively collect only ultra-fine particles and fine particles, and whose production shape can be controlled by the designer, in addition to the functions of the conventional vehicle grill. In presenting it.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴은, 차량에 장착되고, 격자부재들로 연결된 단위 셀을 주기적으로 배열시켜 제작된 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴로서, 상기 그릴의 적어도 일부가 상기 필터로 구성되고, 상기 필터를 통과하는 유체에 포함된 입자 중 제1 입자크기 이하의 미세입자는 상기 격자부재들에 점착되어 상기 필터에 의해 선택적으로 포집되는 것을 특징으로 한다.A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure according to the present invention to achieve the above task is a filter with a three-dimensional lattice structure that is mounted on a vehicle and manufactured by periodically arranging unit cells connected by grid members. A vehicle grill composed of, wherein at least a portion of the grill is composed of the filter, and fine particles of a first particle size or less among particles contained in the fluid passing through the filter adhere to the grid members and are selectively selected by the filter. It is characterized by being collected.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1 입자크기는 10um 인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the first particle size is 10um.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 격자부재의 두께는 50 ~ 200um 인 것을 특징으로 한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, the thickness of the grid member is 50 to 200 um.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 격자부재 사이의 공간 크기는 적어도 500um 인 것을 특징으로 한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, the size of the space between the grid members is at least 500um.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제1 입자크기 보다 크고 기 설정된 제2 입자크기 보다 작은 입자는 상기 격자부재들 사이의 공간으로 통과하는 것을 특징으로 한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, particles larger than the first particle size and smaller than the preset second particle size pass through the space between the grid members.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 단위 셀은 켈빈, 큐빅, 옥텟 트러스, BCC, FCCz, FBCCz, FBCCXYZ, BCCz, FCC, Kagome, Octahedron, Dodecahedron의 격자구조 중 적어도 어느 하나의 단위 셀인 것을 특징으로 한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the unit cell is characterized in that it is at least one of the lattice structures of Kelvin, cubic, octet truss, BCC, FCCz, FBCCz, FBCCXYZ, BCCz, FCC, Kagome, Octahedron, and Dodecahedron. do.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 3차원 격자구조는, 상기 유체가 통과하는 흐름축 방향으로 바라본 필터의 단면 형상이 상기 3차원 격자구조를 기 설정된 방향으로 회전시켜 일정한 격자패턴을 갖도록 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the three-dimensional lattice structure is manufactured so that the cross-sectional shape of the filter viewed in the direction of the flow axis through which the fluid passes has a constant lattice pattern by rotating the three-dimensional lattice structure in a preset direction. It is characterized by
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 3차원 격자구조의 회전은 상기 유체가 통과하는 흐름축 방향을 중심으로 바라볼 때 필터의 단면에 수직한 방향으로 형성된 격자 패턴들이 서로 일치하는 상태까지 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the rotation of the three-dimensional grid structure is performed until the grid patterns formed in the direction perpendicular to the cross section of the filter match each other when viewed from the direction of the flow axis through which the fluid passes. It is characterized by
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 3차원 격자구조의 회전은 상기 유체가 통과하는 흐름축 방향을 중심으로 바라볼 때 상기 격자부재들 사이의 공간이 가장 큰 상태까지 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the rotation of the three-dimensional lattice structure is characterized in that the space between the lattice members is the largest when viewed from the direction of the flow axis through which the fluid passes.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 미세입자가 상기 격자부재에 점착되는데 필요한 에너지는 입자의 크기 및 유동 속도에 따라 달라지는 것을 특징으로 한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the energy required for the fine particles to adhere to the grid member varies depending on the size and flow speed of the particles.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 3차원 격자구조의 표면은 금속재료로 코팅되는 것을 특징으로 한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, the surface of the three-dimensional lattice structure is coated with a metal material.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 필터에 포집된 미세입자는 세척 후 재사용이 가능한 것을 특징으로 한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, the fine particles collected in the filter can be reused after washing.
본 발명에 따르면, 일정 크기 이하의 미세입자만 선택적으로 포집하여 압력 강하가 작아지는 것이 방지되므로 종래의 필터 보다 성능이 우수하고 수명이 길어지는 효과가 있다.According to the present invention, only fine particles of a certain size or less are selectively collected to prevent pressure drop from being reduced, thereby providing better performance and longer lifespan than conventional filters.
또한, 본 발명에 따르면, 다양한 단위 셀을 사용하여 주기적인 3차원 격자구조를 형성시킬 수 있으므로 필터의 설계가 제어될 수 있다.Additionally, according to the present invention, a periodic three-dimensional lattice structure can be formed using various unit cells, so the design of the filter can be controlled.
또한, 본 발명에 따르면, 미세 격자구조를 가지고 있어 매우 가벼우며, 비강도가 높고 외부 충격을 유연하게 흡수할 수 있어 차량용 그릴에 적용하여도 그릴의 형상을 유지하면서도 차량 사고에도 우수한 효과를 가질 수 있다.In addition, according to the present invention, it has a fine lattice structure, so it is very light, has high specific strength, and can flexibly absorb external shocks, so when applied to a vehicle grill, it can maintain the shape of the grill and have an excellent effect in vehicle accidents. there is.
또한, 본 발명에 따르면, 필터에 점착된 미세먼지를 세척액 등을 이용하여 세척이 가능하므로 재사용이 가능하다.Additionally, according to the present invention, fine dust adhering to the filter can be cleaned using a cleaning solution, etc., making it reusable.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 그릴을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조의 단위 셀을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 단위 셀을 주기적으로 배열하여 3차원 격자구조가 형성된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작된 다양한 크기의 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 회전시켜 특정 방향에서 바라본 상태를 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조가 제1 회전된 상태에서 필터로 제작되어 유체의 흐름축 상에 놓인 도면이며, 도 7b는 도 7a에 도시된 A-A' 라인을 따라 절단된 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조가 제2 회전된 상태에서 필터로 제작되어 유체의 흐름축 상에 놓인 도면이며, 도 8b는 도 8a에 도시된 B-B' 라인을 따라 절단된 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터의 압력강하를 나타낸 그래프이다.
도 10은 3차원 격자구조가 캘빈 구조인 경우의 필터 단면을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 통과하는 유체의 유선을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 유체가 통과할 때 격자부재들이 받는 압력 크기를 색깔 별로 가시화하여 나타낸 도면이다.
도 13a는 미세입자 포집 전 본 발명의 일 실시예에 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 확대한 도면이고, 도 13b 내지 도 13d는 미세입자 포집 후 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 확대한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터에 의해 포집된 미세입자의 양을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조가 금속재료로 코팅되지 않은 경우와 코팅된 경우를 비교한 압축강도 비교 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다양한 단위 셀의 형상을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a grill for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing a unit cell of a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a three-dimensional lattice structure is formed by periodically arranging the unit cells shown in FIG. 3.
Figure 5 is a diagram showing a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure of various sizes actually manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing a state in which a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention is rotated and viewed from a specific direction.
Figure 7a is a view of a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention manufactured as a filter in a first rotation state and placed on the flow axis of the fluid, and Figure 7b is cut along the line AA' shown in Figure 7a. This is a cross-sectional view.
Figure 8a is a view of a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention manufactured as a filter in a second rotated state and placed on the flow axis of the fluid, and Figure 8b is cut along line BB' shown in Figure 8a. This is a cross-sectional view.
Figure 9 is a graph showing the pressure drop of a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the cross section of a filter when the three-dimensional lattice structure is a Calvin structure.
Figure 11 is a diagram showing the streamlines of fluid passing through a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a diagram showing the amount of pressure received by grid members when fluid passes through a fine particle collection filter with a three-dimensional grid structure according to an embodiment of the present invention, visualized by color.
Figure 13a is an enlarged view of a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention before fine particle collection, and Figures 13b to 13d are three-dimensional diagrams according to an embodiment of the present invention after fine particle collection. This is an enlarged view of a fine particle collection filter with a lattice structure.
Figure 14 is a graph showing the amount of fine particles collected by a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 15 is a compressive strength comparison graph comparing the case where the three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention is not coated with a metal material and when it is coated.
Figure 16 is a diagram showing the shapes of various unit cells according to another embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention according to a preferred embodiment will be described in detail as follows. Here, the same symbols are used for the same components, and repetitive descriptions and detailed descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the invention are omitted. Embodiments of the invention are provided to more completely explain the invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 그릴을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a grill for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 차량의 전면부에는 그릴(10)이 장착된다. 그릴(10)은 내연기관 차량의 경우 라디에이터에서 발생되는 열이 식혀지도록 공기의 유입 통로가 된다. 내연기관 차량이 아닌 경우(예를 들어, 전기자동차 등)라도 디자인적 요소를 고려하여 차량에 그릴(10)이 장착되기도 한다. 이러한 그릴(10)은 차량의 종류에 불구하고 상품성, 심미적 효과를 위해 디자인적으로도 중요한 요소이다.Referring to Figure 1, a
본 발명은 이러한 그릴(10)을 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성하여 차량 주행 중 차량에 유입되는 미세먼지를 선택적으로 제거하여 차량 내부로 미세먼지가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 가벼우면서도 충격 흡수 효과가 있고, 일정한 강도를 가질 수 있으므로, 그릴 자체를 본 발명에 따른 3차원 격자구조로 구성하여도 그 형상이 유지될 수 있을 뿐만 아니라 차량 사고에도 충격이 어느 정도 흡수될 수 있다.The present invention configures the
한편, 도 1에는 그릴이 차량의 전면부에만 형성되어 있으나, 본 발명의 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴은 필터로서의 기능이 발휘될 수 있는 한 차량의 어느 부위에도 장착될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 그릴은 차량의 보닛(bonnet), 차량의 저면부, 측면부 또는 상면부 등 다양한 곳에 장착될 수 있다.Meanwhile, in Figure 1, the grill is formed only on the front part of the vehicle, but the vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure of the present invention can be mounted on any part of the vehicle as long as it can function as a filter. For example, the grill according to the present invention may be mounted in various places, such as the bonnet of a vehicle, the bottom, side, or top of the vehicle.
이하, 본 발명에 따른 그릴을 구성하는 3차원 격자구조를 가진 필터에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a filter with a three-dimensional lattice structure constituting the grill according to the present invention will be described.
미세입자를 제거하기 위한 종래의 필터 구조는 수 ㎛ 이하의 얇은 섬유들이 비주기적으로 얼기설기 엮여 있는 구조이다. 이는 필터 설계자가 원하는 필터 구조가 형성되도록 제어할 수 없음을 의미하며, 종래의 필터 구조 중 포집 성능이 떨어지는 부분이 존재할 경우 불량품이 양산될 수도 있다.The conventional filter structure for removing fine particles is a structure in which thin fibers of several micrometers or less are intertwined aperiodically. This means that the filter designer cannot control the desired filter structure to be formed, and if there is a part of the conventional filter structure with poor collection performance, defective products may be mass-produced.
본 출원인은 상술한 문제를 해결하기 위해 종래의 미세입자 포집용 필터 구조와 전혀 다른 구조를 채택하여 본 발명에 이르게 되었다. 본 발명에서 미세입자 포집용 필터 구조는 단위 셀이 주기적으로 배열된 3차원 격자구조를 가지며, 이러한 3차원 격자구조는 필터 설계자가 원하는 패턴 및 사양으로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 포집 필터(F)는 3차원 격자구조의 형상으로 인해 필터로 사용하기에 적합한 다양한 기계적 성질을 갖는다. 본 출원인은 본 발명에 따른 필터의 성능을 직접 실험하여 종래 필터 구조에서는 발견될 수 없는 효능을 발견하였다.In order to solve the above-mentioned problem, the present applicant adopted a structure that is completely different from the conventional filter structure for collecting fine particles and arrived at the present invention. In the present invention, the filter structure for collecting fine particles has a three-dimensional lattice structure in which unit cells are periodically arranged, and this three-dimensional lattice structure can be manufactured into patterns and specifications desired by the filter designer. In addition, the collection filter (F) according to the present invention has various mechanical properties suitable for use as a filter due to the shape of the three-dimensional lattice structure. The present applicant directly tested the performance of the filter according to the present invention and discovered efficacy that could not be found in conventional filter structures.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터의 구조 및 성능을 설명한다.Hereinafter, the structure and performance of a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention will be described.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터(F)는 유체의 이동 경로 상에 놓여 유체에 포함된 미세입자를 포집한다. 여기서 유체는 액체 및 기체를 모두 포함하나 본 명세서에서 유체는 공기인 것으로 설명한다. 도 2에는 유체의 이동 경로가 화살표로 도시되어 있다. 포집 필터(F)를 기준으로 미세입자(P)가 포함된 공기가 좌측에서 우측 방향으로 이동하다가 포집 필터(F)에 미세입자가 점착되면서 포집 필터(F)를 통과한 공기는 미세입자(P)가 제거된다. 종래의 필터와 본 발명의 포집 필터(F)를 같은 크기로 제작하는 경우, 본 발명의 포집 필터(F)는 종래의 필터 보다 미세먼지를 포집할 수 있는 표면적이 더 크게 형성된다.As shown in Figure 2, a fine particle collection filter (F) with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention is placed on the movement path of the fluid and collects fine particles contained in the fluid. Here, the fluid includes both liquid and gas, but in this specification, the fluid is described as air. In Figure 2, the movement path of the fluid is shown by arrows. Air containing fine particles (P) moves from left to right based on the collection filter (F), and as the fine particles adhere to the collection filter (F), the air that passes through the collection filter (F) becomes fine particles (P). ) is removed. When the conventional filter and the collection filter (F) of the present invention are manufactured to the same size, the collection filter (F) of the present invention has a larger surface area for collecting fine dust than the conventional filter.
한편, 미세입자가 포집 필터(F)를 통과하며 제거되는 과정은 격자구조의 형상과 관련되므로 후술하기로 한다.Meanwhile, the process by which fine particles are removed as they pass through the collection filter (F) is related to the shape of the lattice structure and will be described later.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조의 단위 셀을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 단위 셀을 주기적으로 배열하여 3차원 격자구조가 형성된 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작된 다양한 크기의 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram showing a unit cell of a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing a state in which a three-dimensional lattice structure is formed by periodically arranging the unit cells shown in FIG. 3. Figure 5 is a diagram showing a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure of various sizes actually manufactured according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조의 단위 셀은 옥텟-트러스(Octet-Truss)의 그물망 구조이다. 옥텟-트러스 구조는 격자부재(L)가 공간적으로 연결된 정팔면체 및 정사면체를 번갈아 배열함으로써 형성된 구조이다. 본 발명의 일 실시예에서 옥텟-트러스 구조가 단위 셀로 선택된 이유는 내구성, 안정성, 압력강하 등을 고려하였기 때문이다.The unit cell of the three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention has an octet-truss network structure. The octet-truss structure is a structure formed by alternately arranging lattice members (L) into spatially connected octahedrons and tetrahedra. The reason why the octet-truss structure was selected as the unit cell in one embodiment of the present invention is because durability, stability, pressure drop, etc. were taken into consideration.
본 발명의 다른 실시예에서 단위 셀은 3차원 격자구조를 형성할 수 있는 다양한 단위 셀이 선택될 수 있다. 도 16에는 단위 셀의 일부 예시로서, BCC, FCCz, FBCCz, FBCCXYZ, BCCz, FCC가 도시되어 있다. 다만, 단위 셀의 종류는 이에 한정되지 않으며, 켈빈(Kelvin), 삼육각형(Kagome), 팔면체(Octahedron), 십이면체(Dodecahedron) 등 공지된 모든 격자구조가 선택될 수 있다.In another embodiment of the present invention, various unit cells that can form a three-dimensional lattice structure may be selected as the unit cell. Figure 16 shows BCC, FCCz, FBCCz, FBCCXYZ, BCCz, and FCC as some examples of unit cells. However, the type of unit cell is not limited to this, and all known lattice structures such as Kelvin, Kagome, Octahedron, and Dodecahedron can be selected.
도 3에 도시된 바와 같이, 단위 셀은 그 가로, 세로 및 높이가 동일한 길이(a)를 가지고 있으며 단위 셀을 구성하는 격자부재(L)는 일정한 두께(d)를 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에서 단위 셀은 가로, 세로 및 높이의 길이가 2.5mm이고, 격자부재(L)의 두께(d)가 0.15mm로 제작되었다. 다만, 단위 셀의 크기는 사용조건 및 설계자의 의도에 따라 다양한 길이 및 두께로 제작될 수 있다.As shown in FIG. 3, the unit cell has the same length (a) in width, length, and height, and the lattice member (L) constituting the unit cell has a constant thickness (d). In one embodiment of the present invention, the unit cell was manufactured to have a width, length, and height of 2.5 mm, and a thickness (d) of the grid member (L) of 0.15 mm. However, the size of the unit cell can be manufactured in various lengths and thicknesses depending on usage conditions and designer's intention.
도 4에는 도 3에 도시된 단위 셀이 연결되어 3차원 격자구조를 가진 구조체가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 도 4에 도시된 일 실시예에 따른 3차원 격자구조는 도 3에 도시된 옥텟-트러스(Octet-Truss)의 단위 셀을 가진다.FIG. 4 shows a structure having a three-dimensional lattice structure in which the unit cells shown in FIG. 3 are connected. As described above, the three-dimensional lattice structure according to the embodiment shown in FIG. 4 has an octet-truss unit cell shown in FIG. 3.
본 발명의 일 실시예에서 격자구조는 3D 프린팅용 소프트웨어를 사용하여 3D 프린터로 제작될 수 있다. 3D 프린팅 방식 중 빛에너지를 이용하여 폴리머를 경화시키는 광경화 방식으로는 PuSL(projection micro-stereolithography], DLP(digital light processing), SLA(Stereo Lithography Apparatus), SLS(Selective laser sintering), SPPW(Self-propagating photopolymer waveguide) 등이 있고, 소재를 출력하는 방식인 FDM(Fused deposition modeling, 또는 FFF, Fused filament fabrication), Binder jetting 등이 있다. 제작 방법에 따라 단위 셀의 크기 및 격자부재의 두께는 다양한 크기로 조절될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lattice structure can be produced with a 3D printer using 3D printing software. Among 3D printing methods, photocuring methods that use light energy to cure polymers include PuSL (projection micro-stereolithography), DLP (digital light processing), SLA (Stereo Lithography Apparatus), SLS (Selective laser sintering), and SPPW (Self-curing). -propagating photopolymer waveguide), etc., and the size of the unit cell and the thickness of the lattice member vary depending on the method of manufacturing the material, such as FDM (Fused deposition modeling, or FFF, Fused filament fabrication) and Binder jetting. Can be adjusted in size.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조의 재료는, 아크릴레이트 모노머(acrylate monomer)를 베이스로 하여 3%의 포토이니시에이터(photoinitiator, Diphenyl(2,4,6-trimethlbenzoyl)phosphine oxide))을 기반하는 하는 광경화성 고분자 수지가 사용되었다. 다만, 본 발명의 3차원 격자구조의 재료는 3D 프린팅을 통해 제작 될 수 있는 모든 소재가 활용될 수 있다.Meanwhile, the material of the three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention is based on an acrylate monomer and contains 3% of a photoinitiator (Diphenyl(2,4,6-trimethlbenzoyl)phosphine oxide). ) A photocurable polymer resin based on was used. However, any material that can be produced through 3D printing can be used as the material for the three-dimensional lattice structure of the present invention.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제작된 구조에 PVD, CVD 공정(예, Sputtering, atomic layer deposition 등)을 통해서 표면에 금속재료를 증착하여 재료를 코팅할 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a material may be coated by depositing a metal material on the surface of the manufactured structure through a PVD or CVD process (e.g., sputtering, atomic layer deposition, etc.).
차량의 그릴은 내구성, 내부식성, 세척 용이성 또는 광택 등과 같은 다양한 요인을 고려하여 그 재료가 선택될 수 있다. 즉, 차량의 그릴은 플라스틱에서 금속에 이르기까지 다양한 재료로 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 3차원 격자구조는 상술한 그릴의 종류에 따라 3D 프린터로 제작가능한 재료가 사용될 수 있다.The material of a vehicle's grille may be selected taking into account various factors such as durability, corrosion resistance, ease of cleaning, or gloss. In other words, a vehicle's grille can be chosen from a variety of materials, from plastic to metal. The three-dimensional lattice structure according to the present invention can be made of materials that can be manufactured with a 3D printer, depending on the type of grill described above.
본 발명의 일 실시예에서 3차원 격자구조를 구성하고 있는 격자부재의 직경(두께)는 50 ~ 200㎛의 크기를 가지고 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 격자부재들 사이의 공간은 500㎛의 크기를 가지고 있다. 물론, 상술한 바와 같이 격자부재의 두께 및 격자부재들 사이의 공간은 다양하게 설정될 수 있으나 압력강하와, 조대입자가 격자부재들 사이의 공간을 통과하기 위해서는 최소 500㎛의 크기를 가지는 것이 좋다.In one embodiment of the present invention, the diameter (thickness) of the lattice member constituting the three-dimensional lattice structure has a size of 50 to 200 ㎛. Additionally, in one embodiment of the present invention, the space between grid members has a size of 500㎛. Of course, as described above, the thickness of the grid member and the space between the grid members can be set in various ways, but in order to reduce pressure and allow coarse particles to pass through the space between the grid members, it is better to have a size of at least 500㎛. .
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작된 다양한 크기의 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure of various sizes actually manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 포집 필터(F)는 가로 및 세로의 길이가 각각 30mm이고, 높이가 10 ~ 40mm로 서로 다르게 하여 제작되었다.The collection filter (F) shown in Figure 5 was manufactured with different horizontal and vertical lengths of 30 mm and heights of 10 to 40 mm.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 회전시켜 특정 방향에서 바라본 상태를 나타낸 도면이다.Figure 6 is a diagram showing a state in which a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention is rotated and viewed from a specific direction.
3차원 격자구조는 바라보는 방향에 따라 서로 다른 격자패턴이 형성된다. 도 6의 (a) 내지 (d)에 아래 도시된 도면들은 3차원 격자구조를 다양한 방향으로 회전시켜가며 특정 방향에서 바라본 상태가 도시되어 있고, 위에 도시된 도면들은 각 격자구조의 회전된 방향이 밀러 지수로 표현되었다.In a three-dimensional grid structure, different grid patterns are formed depending on the viewing direction. The drawings shown below in Figures 6 (a) to (d) show the three-dimensional lattice structure rotated in various directions as viewed from a specific direction, and the drawings shown above show the rotated direction of each lattice structure. Expressed as Miller index.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조가 제1 회전된 상태에서 필터로 제작되어 유체의 흐름축 상에 놓인 도면이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 A-A' 라인을 따라 절단된 단면도이고, 도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조가 제2 회전된 상태에서 필터로 제작되어 유체의 흐름축 상에 놓인 도면이며, 도 8b는 도 8a에 도시된 B-B' 라인을 따라 절단된 단면도이다.FIG. 7A is a view of a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention manufactured as a filter in a first rotation state and placed on the flow axis of the fluid, and FIG. 7B is cut along line A-A' shown in FIG. 7A. FIG. 8A is a cross-sectional view of a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention made as a filter in a second rotation state and placed on the flow axis of the fluid, and FIG. 8B is a view showing the BB' shown in FIG. 8A. This is a cross-sectional view cut along a line.
본 발명의 일 실시예에 따른 포집 필터(F)는 도 6에서 설명한 원리에 기반하여 필터 단면이 형성되도록 제작된다. 이는 필터 단면의 격자 패턴 형상에 따라 필터의 성능이 달라질 수 있기 때문이다.The collection filter (F) according to an embodiment of the present invention is manufactured so that the filter cross-section is formed based on the principle described in FIG. 6. This is because the performance of the filter may vary depending on the shape of the grid pattern of the filter's cross section.
본 발명의 일 실시예에 따른 포집 필터(F)의 제작 과정을 살펴본다. 우선 옥텟-트러스 구조를 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작한 후, 그 상태에서 기 설정된 방향으로 회전시켜 사용 목적에 맞는 필터의 크기(가로, 세로, 높이 등)로 가공한다. 이때, 특정 방향(유체의 흐름 방향)에서 바라본 필터의 단면 형상은 단면에 수직한 방향(도 7a 내지 도 8b에 도시된 x축 방향 참조)으로 형성된 격자 패턴이 서로 일치되어 격자부재(L)들 사이의 공간(S)이 일정하게 형성될 수 있다. 물론 상술한 바와 같이 포집 필터(F)를 구성하는 3차원 격자구조의 회전 상태에는 제한이 없으므로, 본 발명의 다른 실시예에서 특정 방향에서 바라본 필터의 단면 형상은 다양한 격자 패턴을 가질 수 있다.Let's look at the manufacturing process of the collection filter (F) according to an embodiment of the present invention. First, the octet-truss structure is manufactured using 3D printing technology, then rotated in a preset direction and processed to the size of the filter (width, length, height, etc.) suitable for the purpose of use. At this time, the cross-sectional shape of the filter viewed from a specific direction (fluid flow direction) is such that the grid patterns formed in the direction perpendicular to the cross-section (refer to the x-axis direction shown in FIGS. 7A and 8B) match each other, so that the grid members L The space (S) between them can be formed consistently. Of course, as described above, there is no limit to the rotational state of the three-dimensional lattice structure constituting the collection filter F, so in other embodiments of the present invention, the cross-sectional shape of the filter viewed from a specific direction may have various lattice patterns.
한편, 이러한 필터의 제작 과정은 전술한 바와 같이, 차량에 장착하고자 하는 그릴의 형상에 따라 가공될 수 있다. 가공과정은 수작업으로 수행되거나 가공머신을 통해 기계적 방법으로 수행될 수 있다.Meanwhile, as described above, the manufacturing process of this filter can be processed according to the shape of the grill to be mounted on the vehicle. The machining process can be performed manually or mechanically using a machining machine.
도 7a에는 3차원 격자구조가 제1 회전된 상태로 구성된 포집 필터(F)가 도시되어 있고, 도 7b에는 도 7a에 도시된 필터의 단면이 도시되어 있다. 유체는 포집 필터(F)를 중심으로 흐름축(X) 방향으로 흐른다.FIG. 7A shows a collection filter F in which the three-dimensional lattice structure is first rotated, and FIG. 7B shows a cross section of the filter shown in FIG. 7A. The fluid flows in the flow axis (X) direction centered on the collection filter (F).
도 8a에는 3차원 격자구조가 제2 회전된 상태로 구성된 포집 필터(F)가 도시되어 있다. 여기서, 필터의 전체 크기 및 유체의 흐름 방향은 도 7a 및 도 7b에서 설명한 바와 같다. 도 7a와 도 8a에 도시된 필터는 동일한 표면적을 가지고 있다. 그러나, 도 7b와 도 8b를 비교하면, 3차원 격자구조가 제2 회전된 상태에서의 필터 단면에서 격자공간(S)이 더 크게 형성된다.Figure 8a shows a collection filter (F) configured with a three-dimensional lattice structure in a second rotated state. Here, the overall size of the filter and the flow direction of the fluid are as described in FIGS. 7A and 7B. The filters shown in FIGS. 7A and 8A have the same surface area. However, comparing Figures 7b and 8b, the lattice space S is formed larger in the filter cross section when the 3D lattice structure is in the second rotation state.
일반적으로 필터의 성능 중 하나로 압력강하가 고려된다. 압력강하는 필터 전후 압력 차이를 의미하며, 압력강하가 작을수록 필터 성능이 좋다. 유체가 포집 필터(F)를 통과할 때 격자공간(S)이 크면 유체의 이동이 쉬우므로 압력강하가 작다. 상술한 바와 같이, 3차원 격자구조가 제2 회전된 상태로 구성되면 제1 회전된 상태보다 격자공간(S)이 더 크게 형성되므로 압력강하가 작다. 즉, 제2 회전된 3차원 격자구조는 모노리식 구조로서, 필터의 단면 형상이 단순해진다.In general, pressure drop is considered one of the filter performance. Pressure drop refers to the pressure difference before and after the filter, and the smaller the pressure drop, the better the filter performance. When the fluid passes through the collection filter (F), if the grid space (S) is large, the fluid moves easily and the pressure drop is small. As described above, when the three-dimensional lattice structure is configured in the second rotated state, the lattice space S is formed larger than that in the first rotated state, so the pressure drop is small. That is, the second rotated three-dimensional lattice structure is a monolithic structure, which simplifies the cross-sectional shape of the filter.
반면, 상술한 바와 같이, 3차원 격자구조가 제1 회전된 상태와 제2 회전된 상태에서의 표면적은 동일하므로 미세입자 포집효율은 동일하다.On the other hand, as described above, the surface area of the three-dimensional lattice structure in the first and second rotation states is the same, so the fine particle collection efficiency is the same.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터의 압력강하를 나타낸 그래프이고, 도 10은 3차원 격자구조가 캘빈 구조인 경우의 필터 단면을 나타낸 도면이다.Figure 9 is a graph showing the pressure drop of a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention, and Figure 10 is a diagram showing a cross section of the filter when the three-dimensional lattice structure is a Kelvin structure.
도 9에는 3차원 격자구조가 옥텟-트러스 구조인 경우와 캘빈 구조인 경우의 압력강하를 비교한 그래프가 도시되었다. 이때, 옥텟-트러스 구조인 경우의 필터 단면 형상은 도 7b와 도 8b가 참조될 수 있으며, 캘빈 구조인 경우의 필터 단면 형상은 도 10이 참조될 수 있다.Figure 9 shows a graph comparing the pressure drop when the three-dimensional lattice structure is an octet-truss structure and when it is a Calvin structure. At this time, FIGS. 7B and 8B may be referred to for the cross-sectional shape of the filter in the case of the octet-truss structure, and FIG. 10 may be referred to for the cross-sectional shape of the filter in the case of the Kelvin structure.
도 9를 참조하면, 일반적으로 유량의 흐름이 커짐에 따라 압력강하가 커진다. 이때, 제1 회전된 상태의 옥텟-트러스 구조에서는 캘빈 구조 보다 압력강하가 크게 나타났다. 그러나, 제2 회전된 상태의 옥텟-트러스 구조에서는 캘빈 구조에서의 압력강하와 비슷하게 나타났다. 따라서, 같은 옥텟-트러스 구조를 가지는 경우라도 회전 상태에 따라 압력강하가 달라짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, generally, as the flow rate increases, the pressure drop increases. At this time, the pressure drop was greater in the octet-truss structure in the first rotated state than in the Calvin structure. However, in the octet-truss structure in the second rotated state, the pressure drop was similar to that in the Calvin structure. Therefore, it can be seen that even in the case of the same octet-truss structure, the pressure drop varies depending on the rotation state.
한편, 옥텟-트러스 구조는 캘빈 구조 보다 격자부재에 의한 표면적이 더 크다. 따라서, 전체적으로 같은 크기의 필터를 제작하였을 때 캘빈 구조 보다 옥텟-트러스 구조가 포집효율이 더 좋다.Meanwhile, the octet-truss structure has a larger surface area due to the lattice members than the Calvin structure. Therefore, when a filter of the same overall size is manufactured, the octet-truss structure has better collection efficiency than the Calvin structure.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 통과하는 유체의 유선을 나타낸 도면이다.Figure 11 is a diagram showing the streamlines of fluid passing through a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
도 11에는 유체가 포집 필터(F)를 일 방향(도 11의 좌측에서 우측 방향)으로 흐를 때 유선 분포가 도시되어 있다. 종래의 필터(예를 들어 헤파 필터)에 의하면 필터의 복잡한 구성에 의해 필터를 통과한 후 유선의 분포가 균일하지 못하나, 본 발명의 포집 필터(F)는 주기적인 구조를 가지므로 필터를 통과한 후 유선의 분포가 대략 균일하게 형성될 수 있다.FIG. 11 shows the streamline distribution when fluid flows through the collection filter F in one direction (from left to right in FIG. 11). According to a conventional filter (for example, a HEPA filter), the distribution of streamlines after passing through the filter is not uniform due to the complex configuration of the filter, but the collection filter (F) of the present invention has a periodic structure, so the distribution of the streamlines after passing through the filter is not uniform. The distribution of posterior mammary glands can be formed approximately uniformly.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 유체가 통과할 때 격자부재들이 받는 압력 크기를 색깔 별로 가시화하여 나타낸 도면이다.Figure 12 is a diagram showing the amount of pressure received by grid members when fluid passes through a fine particle collection filter with a three-dimensional grid structure according to an embodiment of the present invention, visualized by color.
도 12를 참조하면, 필터의 전방 측(유체가 흘러 들어오는 측)에서 격자부재가 받는 압력은 크게 작용하고, 필터의 후방 측(유체가 흘러 나가는 측)에서 격자부재가 받는 압력은 작게 작용한다. 도 12에서 빨간색은 압력이 크게 작용함을 의미하고, 파란색은 압력이 작게 작용함을 의미한다.Referring to FIG. 12, the pressure received by the grid member on the front side of the filter (the side through which fluid flows) acts large, and the pressure received by the grid member on the rear side of the filter (the side through which fluid flows) acts small. In FIG. 12, red means that the pressure is large, and blue means that the pressure is small.
도 13a는 미세입자 포집 전 본 발명의 일 실시예에 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 확대한 도면이고, 도 13b 내지 도 13d는 미세입자 포집 후 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터를 확대한 도면이다.Figure 13a is an enlarged view of a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention before fine particle collection, and Figures 13b to 13d are three-dimensional diagrams according to an embodiment of the present invention after fine particle collection. This is an enlarged drawing of a fine particle collection filter with a lattice structure.
미세입자가 본 발명의 포집 필터(F)와 충돌하게 되면 대전에 의한 정전기로 인해 격자부재(L)에 점착된다. 이때, 점착력의 크기는 미세입자의 크기와 속도에 따라 달라진다. 즉, 속도가 빠르고 입자가 클수록 격자부재(L)에 점착되지 못하고 튕겨 나가게 된다. 이론적으로 입자가 격자부재(L)에 튕겨져 나가기 위한 에너지는 아래 < 수학식 >에 의해 연산될 수 있다. 그러나, 실제 실험환경에서는 2 ~ 15㎛ 크기를 갖는 미세입자는 격자부재(L)에 충돌하기만 하면 점착되는 것을 확인할 수 있다.When fine particles collide with the collection filter (F) of the present invention, they adhere to the grid member (L) due to static electricity caused by charging. At this time, the size of the adhesive force varies depending on the size and speed of the fine particles. In other words, the faster the speed and the larger the particle, the less likely it is to stick to the grid member (L) and bounces off. In theory, the energy required for a particle to bounce off the lattice member (L) can be calculated using the <mathematical formula> below. However, in an actual experimental environment, it can be confirmed that fine particles with a size of 2 to 15㎛ adhere to the grid member (L) simply by colliding with them.
< 수학식 > <Equation>
여기서, KEb는 미세입자가 튕겨져 나올 때 튕김이 발생하는데 필요한 운동에너지(kinetic energy)로 하나의 문자열이고, dp는 입자(particle)의 직경이고, x는 분리거리이고, A는 Hamaker 상수이며, e는 반발계수이다.Here, KE b is a string representing the kinetic energy required to cause bounce when a fine particle is bounced, d p is the diameter of the particle, x is the separation distance, and A is the Hamaker constant. , e is the coefficient of restitution.
본 발명의 일 실시예에서 미세입자 중 기 설정된 제1 입자크기 이하의 크기를 갖는 미세입자는 격자부재(L)에 충돌하면 점착된다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 입자크기는 10㎛ 크기를 갖는다. 한편, 제1 입자크기 보다 크고 기 설정된 제2 입자크기 보다 작은 크기를 갖는 입자는 격자부재(L)에 충돌하여도 점착되지 못하고 격자공간(S)을 통과할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제2 입자크기는 500㎛로 설정될 수 있다. 그러나, 제1 입자크기 및 제2 입자크기는 포집 필터(F) 설계자의 의도에 따라 다양하게 설정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, among the fine particles, fine particles having a size smaller than the preset first particle size are adhered when they collide with the grid member (L). In one embodiment of the present invention, the first particle size is 10㎛. Meanwhile, particles larger than the first particle size and smaller than the preset second particle size may pass through the grid space S without being able to stick even if they collide with the grid member L. In one embodiment of the present invention, the second particle size may be set to 500㎛. However, the first particle size and the second particle size can be set in various ways depending on the intention of the designer of the collection filter (F).
도 13a에는 미세입자가 점착되기 전 3차원 격자구조를 확대한 상태가 도시되어 있다. 이후, 유체가 포집 필터(F)를 통과할 때 미세입자가 격자부재(L)에 충돌하면 도 13b 내지 도 13d와 같이 제1 입자크기 이하의 크기를 갖는 미세입자는 격자부재(L)에 점착된다.Figure 13a shows an enlarged state of the three-dimensional lattice structure before the fine particles are adhered. Afterwards, when the fluid passes through the collection filter (F) and the fine particles collide with the grid member (L), the fine particles having a size smaller than the first particle size adhere to the grid member (L) as shown in FIGS. 13b to 13d. do.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터에 의해 포집된 미세입자의 양을 나타낸 그래프이다.Figure 14 is a graph showing the amount of fine particles collected by a fine particle collection filter with a three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 포집 필터(F)를 이용한 미세입자 포집 실험을 수행하여 아래 < 표 >와 같은 결과가 도출되었다.As shown in Figure 14, a fine particle collection experiment using the collection filter (F) of the present invention was performed, and the results shown in the table below were obtained.
상기 < 표 >를 참조하면, 미세입자 포집 실험은 5번이 수행되었고 각 실험에서 미세먼지 투입량은 대략 일정하게 유지되었다. 그 결과 평균적으로 미세입자의 포집량은 14.07mg이다.Referring to the <Table> above, the fine particle collection experiment was performed five times, and the amount of fine dust input was maintained approximately constant in each experiment. As a result, the average amount of fine particles collected was 14.07 mg.
종래의 필터 구조에서는 입자 크기가 커도 필터에 포집되므로 포집효율은 좋으나, 필터의 압력강하가 낮아져 필터 성능이 떨어지면 교체해야 하는 문제가 있다.In the conventional filter structure, even large particle sizes are captured in the filter, so the collection efficiency is good, but there is a problem that the filter must be replaced when the pressure drop of the filter decreases and the filter performance deteriorates.
반면, 본 발명의 포집 필터(F)는 공기에 포함된 입자 중 일정 크기 이하의 미세입자만 선택적으로 포집한다. 이후, 포집 필터(F)에 점착된 미세입자는 물 등의 세척액에 의해 씻겨 나갈 수 있으므로, 포집 필터(F)를 재사용하는 것이 가능하다.On the other hand, the collection filter (F) of the present invention selectively collects only fine particles of a certain size or less among particles contained in the air. Afterwards, the fine particles adhering to the collection filter (F) can be washed away with a washing liquid such as water, so it is possible to reuse the collection filter (F).
또한, 본 발명의 포집 필터(F)는 종래의 필터(헤파 필터)에 비해 포집효율이 80% 정도로서 우수한 포집효율을 나타낸다. 본 발명의 포집 필터(F)는 주기적인 3차원 격자구조를 가지고 있어 격자공간이 일정하게 배열되므로 종래의 필터 구조보다 압력강하 측면에서 우수하다.In addition, the collection filter (F) of the present invention has a collection efficiency of about 80% compared to a conventional filter (HEPA filter), showing excellent collection efficiency. The collection filter (F) of the present invention has a periodic three-dimensional lattice structure and the lattice space is arranged uniformly, so it is superior to the conventional filter structure in terms of pressure drop.
본 발명의 포집 필터(F)는 무게가 스티로폼이 비해 매우 가볍고(예를 들어, 스티로폼 무게의 100분의 1 정도)에 불과하여 매우 가볍고, 주기적인 3차원 격자구조로 인해 비강도가 높으며, 외부 충격을 유연하게 흡수할 수 있으므로 차량 연비 상승 및 차량 사고 시 안전에 기여할 수 있다.The collection filter (F) of the present invention is very light compared to Styrofoam (for example, only about 1/100 of the weight of Styrofoam), has a high specific strength due to the periodic three-dimensional lattice structure, and is external to the outside. Because it can flexibly absorb shock, it can contribute to increased vehicle fuel efficiency and safety in vehicle accidents.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 격자구조의 표면이 금속재료로 코팅되지 않은 경우와 코팅된 경우를 비교한 압축강도 비교 그래프이다.Figure 15 is a compressive strength comparison graph comparing the case where the surface of the three-dimensional lattice structure according to an embodiment of the present invention is not coated with a metal material and when it is coated.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 3차원 격자구조는 금속재료로 코팅될 수 있다. 3차원 격자구조가 금속재료로 코팅되면 코팅되지 않았을 때보다 기계적 강도가 향상된다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the three-dimensional lattice structure may be coated with a metallic material. When the three-dimensional lattice structure is coated with a metallic material, the mechanical strength improves compared to when it is not coated.
도 15의 (a)는 3차원 격자구조가 옥텟-트러스(octet-truss) 구조로 제작될 때, 구조의 표면이 코팅되지 않은 경우와 구조의 표면이 알루미늄 재료로 코팅된 경우에 압축강도를 비교한 그래프이다. 도 15의 (a)에 도시된 바와 같이, 3차원 격자구조의 표면이 알루미늄 재료로 코팅된 경우가 코팅되지 않은 경우보다 변형에 따른 압축강도가 우수함을 알 수 있다.Figure 15 (a) compares the compressive strength when the three-dimensional lattice structure is manufactured as an octet-truss structure, when the surface of the structure is not coated and when the surface of the structure is coated with an aluminum material. This is one graph. As shown in Figure 15 (a), it can be seen that the compressive strength according to deformation is superior when the surface of the three-dimensional lattice structure is coated with an aluminum material compared to when the surface is not coated.
도 15의 (b)는 3차원 격자구조가 큐빅(cubic) 구조 및 옥텟-트러스(octet-truss) 구조로 제작될 때, 각 구조에 있어 표면이 코팅되지 않은 경우와 구조의 표면이 알루미늄 재료로 코팅된 경우에 압축강도를 비교한 그래프이다. 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 3차원 격자구조의 표면이 알루미늄 재료로 코팅된 경우가 코팅되지 않은 경우보다 압축강도가 우수함을 알 수 있다. 또한, 큐빅(cubic) 구조에서 표면이 코팅된 경우의 압축강도 증가율보다 옥텟-트러스(octet-truss) 구조에서 표면이 코팅된 경우의 압축강도 증가율이 더 큼을 알 수 있다. 옥텟-트러스(octet-truss) 구조에서 표면이 코팅된 경우 코팅되지 않은 경우보다 약 60% 이상의 압축강도 증가율이 확인되었다.Figure 15 (b) shows the case where the surface of each structure is not coated and the surface of the structure is made of aluminum material when the three-dimensional lattice structure is manufactured in a cubic structure and an octet-truss structure. This is a graph comparing the compressive strength when coated. As shown in Figure 15 (b), it can be seen that the compressive strength is superior when the surface of the three-dimensional lattice structure is coated with an aluminum material compared to when the surface is not coated. In addition, it can be seen that the rate of increase in compressive strength when the surface is coated in an octet-truss structure is greater than the rate of increase in compressive strength when the surface is coated in a cubic structure. In the octet-truss structure, when the surface was coated, an increase in compressive strength of about 60% or more was confirmed compared to the uncoated case.
본 발명에 따르면, 단위셀, 3차원 격자구조의 패턴, 격자부재의 재질 등을 변경함으로써 그릴(10)의 기계적 성능(강도, 변형률, 탄성 거동 등) 또는 필터 성능을 다양하게 변화시킬 수 있다.According to the present invention, the mechanical performance (strength, strain, elastic behavior, etc.) or filter performance of the
한편, 본 발명은 그릴 자체를 3차원 격자구조를 가진 필터로 제작하는 것이므로, 그릴의 형상에 대해서는 제한이 없다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 필터는 설계자의 의도에 따라 다양한 형상으로 가공될 수 있으므로 차량에 적용하고자 하는 다양한 형태의 그릴을 본 발명에 따른 필터로 구성할 수 있다.Meanwhile, since the present invention manufactures the grill itself as a filter with a three-dimensional lattice structure, there are no restrictions on the shape of the grill. As described above, the filter according to the present invention can be processed into various shapes according to the designer's intention, so various types of grills to be applied to a vehicle can be configured with the filter according to the present invention.
또한, 실시예에 따라 본 발명에 따른 그릴 전체를 필터로 제작하거나, 그릴 일부를 필터로 제작할 수도 있다.Additionally, depending on the embodiment, the entire grill according to the present invention may be manufactured as a filter, or a portion of the grill may be manufactured as a filter.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to an embodiment shown in the attached drawings, but this is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. You will be able to. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
Claims (12)
상기 그릴의 적어도 일부가 상기 필터로 구성되고,
상기 필터를 통과하는 유체에 포함된 입자 중 제1 입자크기 이하의 미세입자는 상기 격자부재들에 점착되어 상기 필터에 의해 선택적으로 포집되고,
상기 3차원 격자구조는, 3D 프린팅 방식으로 입체적으로 제조되고, 상기 유체가 통과하는 흐름축 방향으로 바라본 필터의 단면 형상이 상기 3차원 격자구조를 기 설정된 방향으로 회전시켜 일정한 격자패턴을 갖도록 형성되고,
상기 3차원 격자구조의 회전은, 상기 필터의 전후 압력 차이인 압력강하가 작도록 상기 유체가 통과하는 흐름축 방향을 중심으로 바라볼 때 상기 격자부재들 사이의 공간이 가장 큰 상태까지 수행되는 것을 특징으로 하는,
3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.It is a vehicle grille that is mounted on a vehicle and consists of a filter with a three-dimensional lattice structure manufactured by periodically arranging unit cells connected by lattice members,
At least a portion of the grill is comprised of the filter,
Among the particles contained in the fluid passing through the filter, fine particles smaller than the first particle size adhere to the grid members and are selectively collected by the filter,
The three-dimensional lattice structure is three-dimensionally manufactured using a 3D printing method, and the cross-sectional shape of the filter viewed in the direction of the flow axis through which the fluid passes is formed to have a constant lattice pattern by rotating the three-dimensional lattice structure in a preset direction. ,
The rotation of the three-dimensional lattice structure is performed until the space between the lattice members is the largest when viewed centered on the direction of the flow axis through which the fluid passes so that the pressure drop, which is the difference in pressure before and after the filter, is small. Characterized by,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional grid structure.
상기 제1 입자크기는 10um 인 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure, wherein the first particle size is 10um.
상기 격자부재의 두께는 50 ~ 200um 인 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional grid structure, wherein the grid member has a thickness of 50 to 200 um.
상기 격자부재 사이의 공간 크기는 적어도 500um 인 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional grid structure, wherein the size of the space between the grid members is at least 500um.
상기 제1 입자크기 보다 크고 기 설정된 제2 입자크기 보다 작은 입자는 상기 격자부재들 사이의 공간으로 통과하는 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional grid structure, wherein particles larger than the first particle size and smaller than the preset second particle size pass through the space between the grid members.
상기 단위 셀은 켈빈, 큐빅, 옥텟 트러스, BCC, FCCz, FBCCz, FBCCXYZ, BCCz, FCC, Kagome, Octahedron, Dodecahedron의 격자구조 중 적어도 어느 하나의 단위 셀인 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
The unit cell is a filter with a three-dimensional lattice structure, characterized in that it is at least one of the lattice structures of Kelvin, cubic, octet truss, BCC, FCCz, FBCCz, FBCCXYZ, BCCz, FCC, Kagome, Octahedron, and Dodecahedron. A built-in vehicle grill.
상기 3차원 격자구조의 회전은 상기 유체가 통과하는 흐름축 방향을 중심으로 바라볼 때 필터의 단면에 수직한 방향으로 형성된 격자 패턴들이 서로 일치하는 상태까지 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
The rotation of the three-dimensional grid structure is performed until the grid patterns formed in a direction perpendicular to the cross section of the filter match each other when viewed from the direction of the flow axis through which the fluid passes. A vehicle grill composed of a filter.
상기 미세입자가 상기 격자부재에 점착되는데 필요한 에너지는 입자의 크기 및 유동 속도에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure, wherein the energy required for the fine particles to adhere to the lattice member varies depending on the size and flow speed of the particles.
상기 3차원 격자구조의 표면은 금속재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional grid structure, wherein the surface of the three-dimensional grid structure is coated with a metal material.
상기 필터에 포집된 미세입자는 세척될 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 격자구조를 가진 필터로 구성된 차량용 그릴.According to claim 1,
A vehicle grill composed of a filter with a three-dimensional lattice structure, wherein fine particles collected in the filter can be washed.
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