[논문]가스내장 히트파이프의 냉시동특성과 성능에 관한 연구

홍성은; 강환국

가스내장 히트파이프의 냉시동특성과 성능에 관한 연구
A Study on the Chilling Start-up Characteristics and Performance of a Gas Loaded Heat Pipe 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.18 no.11, 2006년, pp.915 - 922

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Considering heat pipe design principles in fabrication and operational performances, water is one of the most recommended working fluids to make mid to low tempera lure heat pipes. But the conventional water heat pipes might encounter the failure in a cold start-up operation when socked at a chilling temperature lower than the freezing point. If they are subjected to a heat supply for start-up at a temperature around $-20^{\circ}C$, the rate of the vapor flow and the corresponding heat transfer from the evaporator to the condenser is so small that the vapor keeps to stick on the surface of the chilling condenser wall, forming an ice layer, resulting in a liquid deficiency in the evaporator. This kind of problems was resolved by Kang et al. in 2004 by adopting a gas loading heat pipe technology to the conventional water heat pipes. This study was conducted to examine a chilling start-up procedure of gas loading heat pipes by investigating the behaviors of heat pipe wall temperatures. And the thermal resistance of the gas loaded heat pipe that depends on the operating temperatures and heat loads was measured and examined. Two water heat pipes were designed and fabricated for the comparison of performances, one conventional and the other loaded with $N_2$ gas. They were put on start-up test at a heat supply of 30 W after having been socked at an initial temperature around $-20^{\circ}C$. It was observed that the gas loaded one had succeeded in chilling start-up operation.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 금속분말 소결위크 구조와 물을 작동 유체로 사용하는 일반 히트파이프(CCHP)와 질소를 내장하는 가스내장 히트파이프(VCHP)를 제작하고 초기 냉시동 조건, 열부하, 작동온도, 경사각 등을 변수로 시동 실험을 수행하고 냉 시동 과정에서 시동 실패를 야기하는 문제점들을 고찰하였다. 또한 질소내장 히트파이프(VCHP)가 물의 빙점 이하에서 작동할 때 경사각, 시동 열부흐!", 작동온도 등 운전조건이 히트파이프의 냉 시동에 미치는 특성을.
본 연구에서는 물을 작동유체로 하는 금속분말소결위크 히트파이프(CCHP) 및 여기에 질소를 불응 축성 가스로 사용하는 히트파이프(VCHP)를 제작하고 열부하, 경사각, 냉각조건 등을 변수로 -20 ℃에서 냉시동 실험을 수행하였고 정상상태 운전조건에서 열저항의 증기온도 및 열부하 의존성을 측정하여 냉시동과의 관련성을 검토하였다.
또한 질소내장 히트파이프(VCHP)가 물의 빙점 이하에서 작동할 때 경사각, 시동 열부흐!", 작동온도 등 운전조건이 히트파이프의 냉 시동에 미치는 특성을.파악함으로써 빙점 이하에서의 냉 시동을 위한 히트파이프 냉각기의 설계자료를 확보하고자 하였다.

가설 설정

즉, 응축부 전영역이 불응 축성가스로 점유되어 증기의 이동과 재응결은 발생하지 않는 상태에서 단열부 벽의 전도에 의해서만 가해진 열이 응축부에서 소산되는 것으로 파악할 수 있다. 이러한 관점에서 동일한 조건에서도 시동에 실패한 CCHP 10W의 실험결과와 증발 부로부터 히트파이프 벽의 열전도에 의하여 증발부 열이 모두 소산된다고 가정하고 해석적으로 얻은 벽면 온도를 함께 도시하였다. 그림에서 CCHP의 경우 및 단순 열전도 모델과 벽면온도 분포 및절대값에서 차이가 크며 증발부 온도가 비교적 일정한 값을 유지함으로써 VCHP의 경우에는 상변화에 의한 정상적인 작동으로 파악된다.

제안 방법

또한 질소내장 히트파이프(VCHP)가 물의 빙점 이하에서 작동할 때 경사각, 시동 열부흐!", 작동온도 등 운전조건이 히트파이프의 냉 시동에 미치는 특성을.파악함으로써 빙점 이하에서의 냉 시동을 위한 히트파이프 냉각기의 설계자료를 확보하고자 하였다.
위치), 0°(수평) 및 5。(중발부가 하단에 위치)에서 작동유체의 증기온도를 30℃, 40℃, 50℃ 및 60℃로 유지하며 열부하를 초기값 10W부터 10 W 간격으로 단계적으로 증가시키며 열전달 한계에 도달할 때까지 수행하였다.
비록 시동에 실패한 경우라도 10W 간격으로 단계적으로 최소한 30W까지 열부하를 공급하였다. VCHP의 경우는 시동 후 열전달 한계에 도달할 때까지 열부하를 10W씩 증가시키며 실험을 진행하였다. 항온조의 냉각수로는 증류수와 에틸렌글리콜을 50: 50(체적 비으로 혼합하여 사용하였다.
파악하였다. 그 다음 작동유체를 결빙한 후 열부하를 가하여 냉시동특성과 시동 실패 메카니즘을 파악하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 동일한 구조의 VCHP를 제작하고 동일한 과정의 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 먼저 금속분말 소결위크와 물을 작동 유체로 하는 고정저항 히트파이프(CCHP)를 제작하고, 먼저 dt 이상의 상온에서 열부하, 증기 온도 및 경사각 변화에 따른 정상 상태에 서의 열전달 특성을 파악하였다. 그 다음 작동유체를 결빙한 후 열부하를 가하여 냉시동특성과 시동 실패 메카니즘을 파악하였다.
그 다음 작동유체를 결빙한 후 열부하를 가하여 냉시동특성과 시동 실패 메카니즘을 파악하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 동일한 구조의 VCHP를 제작하고 동일한 과정의 실험을 수행하였다.
VCHP의 경우에는 용기 내부증기 및 질소 가스온도 측정을 위해 증발부 하단에 구멍을 뚫어 하단으로부터 25mm 되는 곳에 sheath type 열전대(K형, 1 mm)가 설치하고 용기하단에 용접하여 고정하였다. 증발기 외벽에는 열부하 공급을 위해 직경 0.25mm의 열선을 감았고 그 외부를 유리섬유로 단열하였다.
히트파이프를 냉각하여 초기온도<-20℃)에 도달하여 열적 평형상태에 도달한 후 냉시동 시험을 실시하였다. 시동이 성공하기 위해서는 증발 부에서 생성된 증기가 응축부에서 열을 방출하고 액체 상태로 증발부로 귀환이 이루어져야 한다.

대상 데이터

(1) 국내에서 운행하고 있는 전기철도 차량의 경우 전력변환 반도체는 개당 약 600~l, 200W의 냉각 부하가 발생하여 히트파이프를 냉각장치에 사용하고 있다. 여기에 사용되는 히트파이프는 직경 22.23 mm, 길이 600 mm 정도의 열사이폰 구조이며 작동유체로 PFC(C₆Hm)를 사용하고 있다.(2) 작동유체로 PFC를 사용하는 이유는 대기압에서의 비등점이 56.

성능/효과

VCHP의 경우는 총 열저항값이 열부하 10-90 W 범위에서 부하증가에 따라 1.35K/W에서 0.37 K/W로 그 변화폭이 현저하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. CCHP의 측정결과와 비교하면 증발 부 열저항은 양자가 매우 유사한 값을 보이지만 응축부 열저항은 예상한 바와 같이 큰 차이가 있음을 확인할 수 있다.
따라 시동에 실패하였다. VCHP의 경우에는 냉 시동에 성공하는 과정을 확인할 수 있었으며 시동 초기 불응축성 가스가 응축부를 점유함으로써 온도 감소에 따른 열저항 증가가 냉시동을 가능하게 하는 원인임을 확인할 수 있었다. 이때 증기는 단열부에서 응축한 후 웅축부로 열전도에 의하여 열이 소산됨에 따라 응축부 전 영역의 온도가 결빙점 이하인 경우에도 시동에 성공하였다.
그림에서 CCHP의 경우 경사각과 증기 온도에 관계없이 증발부 및 응축부 온도가 등온성을 잘 유지하여 정상적으로 작동함을 보여준다. 먼저 두 히트파이프의 증발부 온도는 매우 유사한 값을 보인 반면, 응축부 온도는 CCHP에 비해 VCHP 전 영역의 온도가 상대적으로 낮아 불웅축성 가스에 의한 비활성 영역임을 확인할 수 있다. 그리고 50℃ 로 증기온도가 증가한 경우에는 상대적으로 활성영역이 확대되어 있으며 두 히트 파이프 간 응축부 온도차도 감소됨을 볼 수 있다.
실험결과 CCH파는 냉시동 과정에서 작동 유체가 응축 부에서 재결빙하여 증발부로 귀환하지 못함에 따라 시동에 실패하였다. VCHP의 경우에는 냉 시동에 성공하는 과정을 확인할 수 있었으며 시동 초기 불응축성 가스가 응축부를 점유함으로써 온도 감소에 따른 열저항 증가가 냉시동을 가능하게 하는 원인임을 확인할 수 있었다.
VCHP의 이러한 열저항 특성은 작동유체 결빙점 이하의 낮은 온도에서 시동할 때 히트파이프 증발부 온도를 결빙점 이상으로 유지할 수 있게 하며 냉시동을 가능하게 하는 원인이 된다. 이상에서와 같이 증기 온도가 열저항에 미치는 영향은 실험을 수행한 결과 열부하의 영향과 동일한 경향을 나타내었다.

후속연구

두 가지 히트파이프 모두 증발부가 하단에 놓이는 경우 시동시간의 지연이 발행하였고 경사각에 따라 과도특성도 상이하였다. 그러나 시동온도, 히트파이프 형상, 작동유체와 불활성 가스의 충전량, 물성 등의 기초 설계인자들과 냉시동시 초기 최소 열부하 크기에 대한 함수관계를 규명하는 연구가 히트파이프 설계 및 냉시동 운전지표를 얻기 위해 필요할 것으로 생각한다.

참고문헌 (9)

Faghri, 1995, Heat Pipe Science and Technology, Taylor & Francis
Kang, H. K and Kim, C. J., 2001, Design and operational characteristics of a heat pipe heat sink for cooling of power semiconductors, The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 6, No.6, pp. 572-581

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Kang, H. K, Yoo, J. H., Lee, D. C, Park, S. W. and Park, H. K, 2005, Development and operational characteristics of the power semiconductor cooling device for a frozen startup using VCHP, The 4th Heat Pipe Workshop, Hankuk Aviation Univ., pp.78-85
Kang, H. K, Kim, M. S., You, J. H., Park, S. W. and Park, H. K, 2004, Operational characteristics of the VCHP heat sink for a cold start-up, Proceeding of the SAREK 2004 Summer Annual Conference, pp.912-917
Park, B. K, Kim, G. O. and Kim, M. G., 2001, Analysis of transient thermal characteristics in a gas-loaded heat pipe, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 13, No.6, pp.514-524
Suh, J. S., Park, Y. S. and Chung, K. T., 2006, Influence of NCG charging mass on the heat transport capacity of variable conductance heat pipe, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 18, No.4, pp.320-327
Park, K. H., Lee, K W., Lee, W. H., Noh, S. Y. and Suh, J. S., 2002, Study on the heat transfer performances of non-condensable gas and working fluid quantity in a copper-water variable conductance heat pipe, Proceeding of the SAREK 2003 Summer Annual Conference, pp.317-323
Kim, C.J., Moon, S. H. and Kang, H. K., 1997, A study on the pulse boiling occurring inside the liquid pool of a closed two-phase thermosyphon, Transactions of the KSME B, Vol. 21, No. 10, pp.1254-1261
Chi, S. W., 1976, Heat Pipe Theory and Practice, McGraw-Hill, New York, USA, pp.121-155

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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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