[논문 리뷰] Thermal-null medium (TNM) : a novel material to achieve feasible thermodynamics devices beyond conventional challenges

Hooman Barati Sedeh, Mohammad Hosein Fakheri외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 40인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 변형 열역학을 통해 실현 가능한 열기기 설계를 가능하게 하는 균질하고 등방성인 열공진 매질(TNM)을 제안한다. 기존의 이방성이고 비균질인 열전도도와는 달리, TNM는 다양한 기하학적 형태에서도 일관된 성능을 유지하여 재구성 가능한 열장갑, 집중기 및 굴절 장치를 재계산 없이도 구현할 수 있다.

ABSTRACT

Recently, heat manipulation has gained the attention of scientific community due to its several applications. In this letter, based on transformation thermodynamic (TT) methodology, a novel material, which is called thermal-null medium (TNM), is proposed that enables us to design various thermal functionalities such as thermal bending devices, arbitrary shape heat concentrators and omnidirectional thermal cloaks. In contrary to the conventional TT-based conductivities, which are inhomogeneous and anisotropic, TNMs are homogeneous and easy to realize. In addition, the attained TNMs are independent of the device shape. That is if the geometry of the desired device is changed, there is no need to recalculate the necessitating conductivities. This feature of TNM will make it suitable for scenarios where re-configurability is of utmost importance. Several numerical simulations are carried out to demonstrate the TNM capability and its applications in directional bending devices, heat concentrators and thermal cloaks. The proposed TNM could open a new avenue for potential applications in solar thermal panels and thermal-electric devices.

연구 동기 및 목표

• 기존의 변형 열역학(TT)이 요구하는 비균질이고 이방성인 열전도도 텐서의 한계를 극복하기 위해.
• 균질하고 등방성인 신소재인 열공진 매질(TNM)을 개발하여 제작과 구현을 단순화하기 위해.
• 재료 특성과 기기 기하학을 분리함으로써 동일한 TNM가 다양한 형태에서 기능할 수 있도록 재구성 가능한 열기기를 가능하게 하기 위해.
• TNM 기반 설계를 통해 열장갑, 굴절, 집중과 같은 실용적 열기능을 구현하기 위해.
• 태양열 패널 및 열전기 에너지 변환 장치 등 응용 분야에 새로운 길을 열기 위해.

제안 방법

• 목적하는 열기능을 달성하기 위해 변형 열역학(TT)을 활용하여 필요한 열전도도 텐서를 유도한다.
• 열공진 매질(TNM)이라는 새로운 재료 클래스를 도입하며, 이는 변형 영역 내에서 효과적인 열전도도 텐서가 0인 특성을 지닌다.
• TNM는 본질적으로 균질하고 등방적이므로 복잡한 공간적 변화를 가지는 열전도도 프로파일이 필요 없다.
• TNM 특성이 기기 형상과 무관하므로 기하학적 재구성에 관계없이 열응답이 일정하게 유지됨을 보장한다.
• 유한요소법을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 굴절 장치, 집중기 및 전방위적 장갑에서의 열성능을 검증한다.
• 열확산과 전자기파 방정식 간의 수학적 등가성을 활용하여 열메타물질을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변형 열역학을 사용하여 복잡한 열기능을 달성할 수 있는 균질하고 등방성인 열재료를 설계할 수 있는가?
• RQ2 재료 파arameter를 재계산하지 않고도 다양한 기하학적 형태에서 열기기 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ3 TNM는 장갑 및 집중기와 같은 재구성 가능한 열기기의 구현에 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ4 TNM는 태양열 패널 및 열전기 에너지 시스템에 적용했을 때 실용적 의미가 있는가?
• RQ5 재료의 실현 가능성과 적용 측면에서 TNM는 기존 TT 기반 설계를 뛰어넘을 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 열공진 매질(TNM)은 균질하고 등방성으로, 기존 TT 기반의 이방성이고 비균질인 재료에 비해 제작이 간편하다.
• TNM 기반 기기는 기하학적 재구성 여부에 관계없이 일관된 열성능을 유지하며, 열전도도 텐서 재계산이 필요 없다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 TNM 기반 열굴절 장치, 열집중기 및 전방위적 열장갑의 성공적인 작동이 확인되었다.
• TNM 접근법은 태양열 패널 및 열전기 변환 등 실용적인 응용 분야에 적합한 열기기 설계를 가능하게 한다.
• TNM가 기기 기하학과 독립되어 있어 재구성 가능한 열시스템에 매우 적합하다.
• 이 방법은 더 쉽게 설계하고 제작할 수 있는 재료를 사용하여 복잡한 열기능을 실현할 수 있는 실현 가능한 길을 제시한다.