[논문]다공성매질을 삽입한 수평채널의 열전달 및 압력강하 특성

손영석; 신지영; 조영일

doi:10.5916/jkosme.2009.33.2.244

다공성매질을 삽입한 수평채널의 열전달 및 압력강하 특성
Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of a Horizontal Channel Filled with Porous Media 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.2, 2009년, pp.244 - 251

손영석 (동의대학교 기계공학과) , 신지영 (동의대학교 기계공학과) , 조영일 (동의대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Porous media have especially large surface area per volume, which contain complex fluid passage. If porous media can be applied to cool a CPU or an electronic device with large heat dissipation, it could result in heat transfer enhancement due to the enlargement of the heat transfer area and the flow disturbance. This study is aimed to identify the heat transfer and pressure drop characteristics of high-porosity metal foams in a horizontal channel. Experiment is performed with the various heat flux, velocity and pore density conditions. Permeabilities, which is deduced from Non-Darcy flow model, become lower with increasing pore density. Nusselt number also decreases with higher pore density. High pore density with same porosity case shows higher pressure loss due to the increase of surface area per unit volume. The fiction factor decreases rapidly with increase of Reynolds number in Darcy flow region. However, it converges to a constant value of the Ergun coefficient in Non-Darcy flow region.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 관성력의 영향을 고려한 NonDarcy 유동을 주 대상으로 하였으며 다공도(ε=0.97)가 높은 발포금속(니켈과 구리)을 사용하여 사각채널 내에 삽입하였고, 작동매체를 공기를 사용하여 유속 및 기공밀도와 열유속을 변화시켰을 때 압력손실과 열전달 특성을 분석하여 냉각성능의 개선방법을 검토하였다.
온도가 정상상태에 도달하는 과정을 확인하기 위해 시간변화에 따른 온도변화를 관찰한다. 본 실험에서는 온도변화가 0.15℃/300초 이내일 때를 정상상태에 도달하는 기준으로 정하였다. 실험과정 중 측정변수로는 입구온도, 출구온도, 평판온도, 유속, 압력강하 등이 있다.
본 연구에서는 높은 다공도를 가진 구리와 니켈 발포금속을 다공성매질로 선정하여 이를 사각 수평 채널에 채우고 작동유체를 공기로 유속, 가열량, 기공밀도를 변화시키면서 발포금속의 열전달 및 압력강하를 고찰하여, 발포금속과 같은 다공성매질의 전자시스템 냉각에의 적용 가능성을 연구하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

5℃ 이내의 범위로 나타났다. 덕트 내를 통과하는 공기의 유속을 측정하기 위해 열선유속계를 설치하였으며, 전면 평균유속이 1~5 m/s인 경우를 고려하였고 압력을 측정하기 위해 차압기를 설치하였다. 또한 기판의 온도분포를 측정하기 위해 평판 각 열에 횡방향 50 mm 간격으로 3개씩, 유동의 진행방향으로 60 mm 간격으로 4개씩 총 12개의 열전대를 가열판과 기판 사이에 삽입하여 채널 벽면온도를 측정하였다.
또한 기판의 온도분포를 측정하기 위해 평판 각 열에 횡방향 50 mm 간격으로 3개씩, 유동의 진행방향으로 60 mm 간격으로 4개씩 총 12개의 열전대를 가열판과 기판 사이에 삽입하여 채널 벽면온도를 측정하였다. 또 채널내의 온도를 측정하기 위해서 채널의 입구 측에 3개, 출구 측에 5개, 총 8개의 열전대를 채널의 입구와 출구에 각각 횡방향으로 삽입해서 유체의 입․출구온도를 계측하였으며, 이 온도로부터 유체의 혼합평균온도(bulk temperature)를 결정하였다. 온도계측에 사용한 열전대는 36-게이지(직경 0.
덕트 내를 통과하는 공기의 유속을 측정하기 위해 열선유속계를 설치하였으며, 전면 평균유속이 1~5 m/s인 경우를 고려하였고 압력을 측정하기 위해 차압기를 설치하였다. 또한 기판의 온도분포를 측정하기 위해 평판 각 열에 횡방향 50 mm 간격으로 3개씩, 유동의 진행방향으로 60 mm 간격으로 4개씩 총 12개의 열전대를 가열판과 기판 사이에 삽입하여 채널 벽면온도를 측정하였다. 또 채널내의 온도를 측정하기 위해서 채널의 입구 측에 3개, 출구 측에 5개, 총 8개의 열전대를 채널의 입구와 출구에 각각 횡방향으로 삽입해서 유체의 입․출구온도를 계측하였으며, 이 온도로부터 유체의 혼합평균온도(bulk temperature)를 결정하였다.
발포금속이 채널 내의 대류 열전달에 미치는 영향을 평가하기 위해 평균 열전달계수를 살펴보았다. 여기서, q_w는 벽면에 공급되는 단위면적당 열 전달량, #는 벽면 평균온도, #는 입구 및 출구 유체의 평균온도를 나타내고, 평균 열전달계수로부터 Nusselt 수를 구하였다.
모든 실험장치의 전원을 연결하고, 시험부의 가열판에 실험조건에 맞는 전압을 공급한다. 온도가 정상상태에 도달하는 과정을 확인하기 위해 시간변화에 따른 온도변화를 관찰한다. 본 실험에서는 온도변화가 0.

대상 데이터

1 mm이며, 그 밑면에 박막 가열판(foil heater)을 설치하여 가열하였다. 기판과 박막 가열판 사이의 접촉저항을 최소화하기 위하여 은(silver)성분인 Fujikura Kasei사의 Dotite(silver paste) 접착제를 사용하였다. Fig.
2 부근이므로 Non-Darcy 유동 영역에 해당된다^[10]. 또한 얇은 기판(base plate)은 열전도율이 우수한 알루미늄(k = 237 W/mK)을 사용하였다. 기판의 두께는 0.
시험부의 길이는 300 mm 이고, 덕트 전체 길이는 1000 mm이다. 본 실험의 작동조건은 전면유속이 1~5 m/s이며, Re_Dh =1032~5588에 해당한다. 투과율 기준 Reynolds 수(Re_K)는 10.
사용한 발포금속은 구리와 니켈로 만든 발포금속으로 단면적은 200×10 mm이고 길이는 300 mm 이다.
05 mm)로 폭과 높이의 비(W/H)는 20이다. 시험부의 길이는 300 mm 이고, 덕트 전체 길이는 1000 mm이다. 본 실험의 작동조건은 전면유속이 1~5 m/s이며, Re_Dh =1032~5588에 해당한다.
또 채널내의 온도를 측정하기 위해서 채널의 입구 측에 3개, 출구 측에 5개, 총 8개의 열전대를 채널의 입구와 출구에 각각 횡방향으로 삽입해서 유체의 입․출구온도를 계측하였으며, 이 온도로부터 유체의 혼합평균온도(bulk temperature)를 결정하였다. 온도계측에 사용한 열전대는 36-게이지(직경 0.127 mm)인 T-형(구리-콘스탄탄) 열전대이다. 실험의 진행과정은 다음과 같다.

데이터처리

. 본 실험 결과도 역시 선형적인 관계를 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 최소자승법(least-square method)을 이용하여 투과율과 Ergun 계수의 값을 구하였다. 즉, 직선이 y축과 만나는 점의 값은 1/K이고 직선의 기울기는 #임을 이용하여 투과율 K와 Ergun 계수 C_E을 계산하였으며, 실험에 사용한 5가지 발포금속에 대해 계산된 값을 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

(1) 다공도가 동일한 경우 기공밀도가 증가할수록 발포금속 단위 부피당 표면적이 증가하여 투과율이 감소하기 때문에 압력손실이 증가함을 볼 수 있다. 또한 채널에서 마찰인자는 Reynolds 수가 아주 작은 Darcy 유동에서는 Reynolds 수가 증가함에 따라 급격하게 감소하지만, Non-Darcy 유동에서는 Reynolds 수가 증가함에 따라 일정한 값으로 수렴한다.
(2) 다공도가 동일한 경우 채널 내 열전달은 유속이 증가할수록 커진다. 또한 기공밀도가 작아질수록 대류 열전달이 증가하는 것을 볼 수 있다.
(3) 채널 내의 Biot 수는 고체영역과 유체영역에서의 상대적인 열전달 비를 나타내며, Nusselt 수와 같은 경향을 가진다. 그러나 구리의 경우 고체의 유효열전도율이 니켈에 비해 상당히 크기 때문에 Biot 수는 작은 경향을 보인다.
이러한 이유로 전자통신기기 및 부품의 냉각문제는 급격히 중요하게 되었으며 동시에 새로운 냉각기술의 개발이 필요하게 되었다^[1],[2]. 다공성매질은 부피에 대한 표면적의 비가 매우 크고 불규칙한 유로를 형성하므로 열전달 면적이 증가하고 유동교란이 증대되는 효과를 가져와 상당한 열전달 증가를 가져올 것으로 판단할 수 있다.
(1) 다공도가 동일한 경우 기공밀도가 증가할수록 발포금속 단위 부피당 표면적이 증가하여 투과율이 감소하기 때문에 압력손실이 증가함을 볼 수 있다. 또한 채널에서 마찰인자는 Reynolds 수가 아주 작은 Darcy 유동에서는 Reynolds 수가 증가함에 따라 급격하게 감소하지만, Non-Darcy 유동에서는 Reynolds 수가 증가함에 따라 일정한 값으로 수렴한다.
그리고 저속 유동에서 적용 가능한 Darcy 유동(C_E=0)에 대한 마찰인자도 참고로 함께 표기하였다. 마찰인자는 Reynolds 수가 아주 작은 Darcy 유동에서는 Reynolds 수가 증가함에 따라 급격하게 감소하지만, Non-Darcy 유동 영역에서는 Reynolds 수가 증가함에 따라 일정한 값(Ergun 계수, C_E)으로 수렴하는 것을 보여준다. 이러한 경향은 발포금속을 실험한 타 실험자의 실험결과와 동일하다.
실험과정 중 측정변수로는 입구온도, 출구온도, 평판온도, 유속, 압력강하 등이 있다. 본 실험에서의 실험오차를 확인해 보면, 전력계의 오차, 열전대의 오차, 데이터획득장치의오차를 고려하여 열전달계수의 실험오차를 구하면 벽면온도와 유체온도의 차이가 15℃일 경우 7.0%이고, 60℃일 경우 2.6%로 판단할 수 있다. 속도의 실험오차는 1 m/s일 때 8.
실험을 수행하기 전에 박막 가열판에 일정한 전원을 공급하였을 때 기판에 균일한 열유속이 공급되는가를 확인하기 위한 예비실험을 수행한 결과, 기판 각 부분에서 측정한 최대 온도차는 0.5℃ 이내의 범위로 나타났다. 덕트 내를 통과하는 공기의 유속을 측정하기 위해 열선유속계를 설치하였으며, 전면 평균유속이 1~5 m/s인 경우를 고려하였고 압력을 측정하기 위해 차압기를 설치하였다.

후속연구

또한 몇몇 연구결과에서 발포금속의 재질과 제조방법에 따라 압력강하 및 열전달 특성이 달라지며 셀의 크기와 형태도 불균일하기 때문에 다양한 재료에 대한 연구가 요구되어지고 있다^[9]. 따라서 발포금속의 다공도와 투과율 등의 형상변화가 열전달 및 압력손실에 미치는 영향에 대한 분석과 실제 냉각시스템에의 적용에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기의 유속이 증가 할수록 Biot수가 증가하는데 이는 무엇을 나타내는가?	6은 공기의 전면유속을 1~5 m/s로 하고, 가열량과 기공밀도를 변화시켰을 때 발포금속의 Biot 수를 나타낸 것이다. 공기의 유속이 증가 할수록 Biot 수는 증가하며, 이것은 유속이 증가함에 따라 다공성매질 내부 유체에서의 열전달이 증가함을 나타낸다. 유속이 증가하면 대류에 의한 확산이 증가하여 이것이 열전달을 향상시키는 역할을 하기 때문이다.
	다공성매질 내 유체유동의 단점은?	최근 들어 열시스템 유로 내에 다공성매질을 삽입한 몇 몇 연구결과가 발표되었다. 그러나 다공성매질 내 유체유동은 복잡한 3차원 형태를 가지므로 극히 이상적인 경우를 제외하고는 해석이 어렵다. 그리고 유동의 압력손실도 고려하여야하며, 투과율이 매우 작을 경우 압력강하에 의한 손실이 과도하기 때문에 비교적 투과율이 큰 다공성매질에 대한 연구가 주로 이루어지고 있다[8]. 또한 몇몇 연구결과에서 발포금속의 재질과 제조방법에 따라 압력강하 및 열전달 특성이 달라지며 셀의 크기와 형태도 불균일하기 때문에 다양한 재료에 대한 연구가 요구되어지고 있다[9].

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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E. Takegoshi, Y. Hirasawa, J. Matsuo and K. Okui, "A study on effective thermal conductivity of porous metals," Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 58, No. 547, pp. 879-884, 1992

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M. Kaviany, Principles of Heat Transfer in Porous Media, Second edition, Springer-Verlag, New York, 1995

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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