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문제 정의
- 이 연구의 목적은 음향유동의 정량적인 특성 해석을 위한 3차원 유동가시화를 수행할 수 있는 실험장치를 설계하고 음향유동을 규명할 수 있는 3차원 실험 데이터를 습득하여 음향유동의 이론적인 해석을 실험적으로 검증 및 비교하는 데에 두었으며 압전 초음파 가진자와 열원 사이의 음향유동의 형태 및 속도, 간극의 변화에 대한 냉각률 향상과의 상관관계를 실험적으로 검증하여 열린 공간에서의 공기의 와류 구조에 의한 음향유동 활성화 및 냉각률 향상에 의한 첨단 스마트 냉각기술 개발에 두었고 이를 활용하여 효율적이고 최적의 컴팩트한 전자 조립 관련부품의 위치 설계에 두었다.
가설 설정
- 1은 음향 유동 형태에 대한 이론적 모델을 제시하고 있으며 또한 V를 계산하기 위하여 가진자의 표면은 ξ(z,t) =ξ(0,t) = ξosin(ωt)식과 같이 조화운동을 하며 고정 평판은 정지하고 있다고 가정하여야 한다. 그 외에도 가진자와 고정 평판의 길이는 초음파의 파장과 비교하여 충분히 크다고 가정하여야 한다. 선형 음향학 이론과 ξ = ξosin(ωt) at z = 0 and ξ = 0 at z = h의 경계조건을 이용하여 공기 입자의 변위는 다음과 같이 얻어진다.
제안 방법
- 가열을 위한 열원(heat source)으로 쓰기위해 저항을 초음파 가진자와 간극을 갖고 상부에 위치한 알루미늄 판(두께 3 mm, 직경 40 mm) 밑면에 부착했으며, 저항에 전류를 흘려보내는 양을 조절함에 따라 열원에 가해지는 열량을 조절할 수 있도록 하였다. 알루미늄 판의 표면 온도변화를 측정하기 위해 4개의 열전대(thermocouple, T-type)를 알루미늄판 위에 90도 간격으로 같은 원주상에 접착했다.
- 공진주파수의 변화는, 시스템이 공진시 초음파 진동자의 임피던스는 최저이므로 초음파 가진자에 걸리는 전압의 변화를 입력신호의 주파수 변화에 따라 모니터링하면서 공진주파수를 동조(tuning)하면서 BLT의 임피던스를 최저로 유지함으로써 보정하였다.
- 알루미늄 판의 표면 온도변화를 측정하기 위해 4개의 열전대(thermocouple, T-type)를 알루미늄판 위에 90도 간격으로 같은 원주상에 접착했다. 단열을 위해 알루미늄 판 위쪽에 두께 40 mm의 폴리우레탄 발포재(polyurethane foam)를 고내열(heatresistance) 에폭시를 이용하여 접착했다. 열전대에서 얻어지는 미세전압은 신호 컨디셔너(signal conditioner)와 10 Hz의 샘플링률(sampling rate)로 AD 컨버터를 이용하여 실시간으로 4채널의 데이터를 평균하여 습득하였다.
- 가열을 위한 열원(heat source)으로 쓰기위해 저항을 초음파 가진자와 간극을 갖고 상부에 위치한 알루미늄 판(두께 3 mm, 직경 40 mm) 밑면에 부착했으며, 저항에 전류를 흘려보내는 양을 조절함에 따라 열원에 가해지는 열량을 조절할 수 있도록 하였다. 알루미늄 판의 표면 온도변화를 측정하기 위해 4개의 열전대(thermocouple, T-type)를 알루미늄판 위에 90도 간격으로 같은 원주상에 접착했다. 단열을 위해 알루미늄 판 위쪽에 두께 40 mm의 폴리우레탄 발포재(polyurethane foam)를 고내열(heatresistance) 에폭시를 이용하여 접착했다.
- 열원과 초음파 가진자 사이의 열린 채널에서의 간극 내에 공진 상태 및 비공진 상태에서의 평균 속도장 및 최대 음향유동 속도를 측정하였다.
- 단열을 위해 알루미늄 판 위쪽에 두께 40 mm의 폴리우레탄 발포재(polyurethane foam)를 고내열(heatresistance) 에폭시를 이용하여 접착했다. 열전대에서 얻어지는 미세전압은 신호 컨디셔너(signal conditioner)와 10 Hz의 샘플링률(sampling rate)로 AD 컨버터를 이용하여 실시간으로 4채널의 데이터를 평균하여 습득하였다. 공진 시 진동 진폭은 초정밀 정전 용량 센서(capacitance gauge)를 이용하여 측정하였으며 측정된 진폭은 50 μm였다.
- 이 연구에서는 기존의 연구에서는 수행되지 않았던 음향유동에 의한 공기의 유동 형태와 유동 속도를 입체형 PIV에 의해 실험적으로 3차원으로 측정하고 열원 표면의 온도 분포와 열원과 초음파 가진자의 사이의 간극내의 공기의 온도 분포를 열원과 공기 중에 설치된 열전대를 통하여 실시간으로 측정한다. 음향유동의 생성은 열린 채널에서 막대 수직 초음파 진동에 의해 이루어졌고 열원은 파워 서플라이에 의해 전력을 인가하여 제작한다.
- 유동장 측정은 입자 영상의 습득, 속도 벡터의 계측, 그리고 계측한 속도장 결과를 나타내는 3단계 과정으로 이루어진다. 입자영상을 취득하는 과정에서는 적절한 추적 입자를 선정하고, 원통형 렌즈를 이용하여 레이저 평면광을 만들어 계측하고자 하는 유동평면을 조사하게 한 후, CCD 카메라와 같은 영상입력장치를 평면광에 수직으로 설치하여 입자영상을 획득하게 된다. 입자영상 획득시 추적 입자의 크기와 농도, 카메라 노출시간, 시간 간격 등은 실험 조건 및 사용하고자 하는 PIV 속도장 측정시스템에 따라 다르게 설정하여야 한다(19~21).
- 입체형 PIV 시스템 장치를 활용하여 초음파 유동장을 측정하였고 또한 초음파 진동에 의해 유도된 음향유동을 활용하여 공기의 강제대류에 의한 냉각대상의 표면온도 강하를 측정하였다.
- 정지하고 있는 얇은 원통 형태의 열원과 초음파 가진자 사이의 열린 채널에서의 간극 내에 무진동 상태, 공진 상태 및 비공진 상태에서의 평균 속도장, 최대 음향유동 속도를 측정하였다.
- 초음파 가진자와 열원사이의 간극내의 공기중의 반경방향 및 축방향의 국소적인 온도분포를 측정하기 위하여 가진자의 반경방향 및 축방향으로 열전대를 각각 4개 및 3개를 설치하였다.
- 이 BLT는 진폭을 극대화하기 위해 30 kHz에 공진되도록 설계되었고 BLT와 동일한 주파수에서 공진되도록 설계된 기계적 진동 증폭기인 혼(직경 40 mm)은 이 시스템의 진동 진폭을 극대화하기 위하여 BLT 상부에 부착되었다. 초음파 가진자와 혼 부착 시 기계적 부하에 의해 공진주파수에 약간의 변화가 있었으나 BLT의 공진주파수를 1 kHz 이내에서 변화하도록 보정하였다.
- 초음파 진동시 공진 및 비공진 상태에서의 간극 내의 공기의 유동에 의해 발생되는 열원 표면의 온도변화와 간극 내에서의 시험유체의 온도장을 측정하여 강제 대류에 의한 현저한 냉각률의 향상을 확인하였다.
대상 데이터
- Fig. 2에 보여진 실험장치(16~18)는 초음파 유동장 측정을 위한 3차원 입체형 PIV 시스템과 초음파 진동에 의해 유도되는 시험유체의 강제대류에 의한 냉각률 측정 장치이며 압전세라믹 초음파 가진자(bolted langevin type transducer, BLT), 혼(horn), 연기 발생기(smoke generator), 초음파 가진기 및 실시간 데이터 습득 장치, 함수 발생기, 동기장치(synchronizer), CCD 카메라, Nd:YAG 레이저, IMAQ PC 등으로 구성되어 있다(26). 이 실험에 사용된 레이저 광원은 200 mJ 이중 헤드 펄스 Nd:YAG 레이저(dual head pulsed Nd:YAG laser)이다.
- 두 대의 이중노출 CCD 카메라는 영상취득을 위하여 사용되었다. 카메라는 레이저 면의 각각의 면으로부터 동일한 거리의 위치에 수평으로 설치하였다.
- 레이저 광원 면에 대한 각각의 카메라 시야각은 45° 이었고 75~200 mm f2.5 줌 렌즈를 이용하였다.
- 3 mrad의 편차를 가진 5 mm이었다. 레이저 면을 형성하기 위하여 수직으로 빔을 분사하기 위해 75.6 mm 네거티브 원통형 렌즈가 사용되었다.
- 2에 보여진 실험장치(16~18)는 초음파 유동장 측정을 위한 3차원 입체형 PIV 시스템과 초음파 진동에 의해 유도되는 시험유체의 강제대류에 의한 냉각률 측정 장치이며 압전세라믹 초음파 가진자(bolted langevin type transducer, BLT), 혼(horn), 연기 발생기(smoke generator), 초음파 가진기 및 실시간 데이터 습득 장치, 함수 발생기, 동기장치(synchronizer), CCD 카메라, Nd:YAG 레이저, IMAQ PC 등으로 구성되어 있다(26). 이 실험에 사용된 레이저 광원은 200 mJ 이중 헤드 펄스 Nd:YAG 레이저(dual head pulsed Nd:YAG laser)이다. 이 레이저의 펄스 지속시간은 532 nm 대역에서 펄스당 200 mJ에서 7 ns 이다.
- 채널 5번에서 7번까지의 측정 데이터는 12 mm 간극 내에 있는 공기의 국소적인 위치에서의 온도변화를 보여준다. 채널 5번은 초음파 가진자 중앙에서 3 mm 상부에 위치하고 있으며 채널 6번은 6 mm, 채널 7번은 9 mm 상부에 위치하고 있다.
이론/모형
- 두 개의 영상은 유도되는 최대 속도를 고려하여 600 μs의 시간 지연을 가지고 취득되었으며 두 개의 프레임에 의한 상호 상관법(cross correlation method)에 의해 처리되었다.
성능/효과
- Figs. 4~9에서 보여진 바와 같이 공진 상태의 간극이 작아질수록 대칭 와류의 형태가 훨씬 뚜렷하고 작게 형성되고 평균 유동속도도 커짐을 알 수 있다. 공진 상태의 간극에서의 축방향 위치(z)에서는 국소적으로 정지 열원의 영역보다 초음파 가진자 표면 근처로 갈수록 평균속도가 증가하였다.
- 간극내의 시험유체의 음향유동속도는 간극의 크기에 좌우되며 6배수가 될 때 최대가 되어 특히 12 mm에서 반경방향 및 축방향의 음향유동속도가 최대가 되어 열원에 대한 최대의 냉각률을 획득하여 최적의 간극은 초음파의 반 파장의 정수배가 됨을 확인하였다.
- 11은 간극의 변화에 대한 와류 중심근처에서 음향유동 속도를 보여준다. 간극이 12 mm와 14 mm 사이에서 와류 중심근처의 음향유동속도가 최대가 됨을 알 수 있었다.
- 이는 아마도 파동의 전파 손실에 의해 기인한 초음파 강도의 감소의 원인이라고 생각된다. 결론적으로 열원의 냉각을 위한 최적의 간극은 전파손실을 고려할 때 파의 반 파장의 정수배 일 때 확인되었다.
- 공진 상태 및 비공진 상태의 간극내의 평균 속도 장의 측정 결과를 통해 공진 상태의 간극내의 공기 유동속도는 초음파 가진자 중심영역 또는 초음파 가진자의 양 끝단 표면에서 가장 활성화되어 있음을 확인하였다. 이는 초음파 가진자 중심영역은 간극 내에 형성되는 와류의 가장자리에 공기의 유동이 걸려있었고 또한 주위로부터 공기유동이 간극의 원주를 따라 초음파 가진자 중심으로 축 대칭으로 유입되고 초음파 가진자 표면을 따라 표면 양 끝단을 경유하여 다시 주위로 유출되기 때문이다.
- 4~9에서 보여진 바와 같이 공진 상태의 간극이 작아질수록 대칭 와류의 형태가 훨씬 뚜렷하고 작게 형성되고 평균 유동속도도 커짐을 알 수 있다. 공진 상태의 간극에서의 축방향 위치(z)에서는 국소적으로 정지 열원의 영역보다 초음파 가진자 표면 근처로 갈수록 평균속도가 증가하였다. 공진 상태의 간극이 점점 커져서 정지 열원에서 초음파 가진자가 멀어질수록 비공진 상태의 간극과의 물리적인 차이가 거의 없게 되었다.
- 4~9에 보여 주었다. 비공진 상태의 간극에서는 아주 작은 평균 유체 속도가 존재하고 공진 상태에서는 비공진 상태와 비교하여 상대적으로 큰 평균 유체속도가 분포하였다. 비공진 간극 내에서는 원통 열원 표면근처와 반경방향 위치(r)에서 초음파 가진 자의 중심(r=0) 영역에서는 유동이 거의 존재하지 않았다.
- 음향유동에 의해 공진 및 비공진 상태에서 열원 표면의 온도변화 및 간극 내에서의 시험유체의 온도변화를 측정하였고 공진 상태에 있는 초음파 진동은 음향유동속도를 증가시켜 시험유체의 대류에 의한 약 40 %정도의 냉각률 향상을 확인하였다.
- 음향유동의 강도는 열원과 가진자 사이의 간극에 의해 크게 좌우되어 공진 상태의 간극내의 공기의 평균속도는 비공진 상태보다 약 10배 이상이 증가 하였다.
- 이론적으로 예측한 바와 같이 비공진 상태의 경우보다 공진 상태의 간극인 6가지 경우가 훨씬 뚜렷한 와류를 형성하였고 간극이 12 mm일 때 최대의 평균 유동속도가 존재함을 확인할 수 있었다. Figs.
- 공진 상태의 간극이 점점 커져서 정지 열원에서 초음파 가진자가 멀어질수록 비공진 상태의 간극과의 물리적인 차이가 거의 없게 되었다. 즉, 공진 간극과 비공진 간극과의 평균유동속도 및 와류의 차이는 간극이 30 mm 미만에서만 뚜렷하게 발생하였다.
- 비공진 간극 내에서는 원통 열원 표면근처와 반경방향 위치(r)에서 초음파 가진 자의 중심(r=0) 영역에서는 유동이 거의 존재하지 않았다. 초음파 가진자의 중심에서 멀어질수록 속도가 증가하고 있으며 비공진 및 공진 상태의 간극에서 모두 대칭구조의 와류가 발생하였다. 또한 공진 상태의 간극에서는 비공진 상태와는 달리 초음파 가진자의 중심부근(r=0)에서 초음파 가진자의 양 끝단 보다 더 큰 속도장이 분포되어 있고 초음파 가진자의 표면부근에서도 초음파 가진자의 양 끝단보다는 초음파 가진자의 중심부근에서 더 큰 평균 속도를 나타내고 있다.
- 초음파 진동을 이용한 음향유동의 유도에 의한 냉각 촉진장치의 최적설계와 컴팩트한 전자 조립 관련부품의 위치설계를 위해서는 냉각 대상물체와 공기대류 냉각장치 간의 간극의 크기와 간극내의 국소적인 위치를 결정하는 것이 냉각 촉진장치의 냉각 효율을 향상시키는 중요한 설계 변수가 됨을 확인하였다.
후속연구
- 그러나 소리의 주파수에서 미세 음향유동을 가시화하는 실험이 수행된 Jackson(7)의 연구를 제외하고는 대부분의 이전의 연구는 이론적인 평가와 전산유체해석(computational fluid dynamics, CFD)에 국한되었다. 이 같은 이론적인 연구는 단순 경계 조건에서만 적용되었고 열린 채널에서는 경계 조건의 불연속성이 추가되기 때문에 해석 결과에 대해서 실험적으로 검증하여야 하며, 이를 위해서 유동 가시화 방법이 필요하다고 생각한다.
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