[논문]세라믹 모노리스 담체의 열충격 특성에 관한 연구

백석흠; 박재성; 김민건; 조석수

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.2.129

세라믹 모노리스 담체의 열충격 특성에 관한 연구
A Study on Thermal Shock of Ceramic Monolithic Substrate 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.2=no.293, 2010년, pp.129 - 138

백석흠 (동아대학교 기계공학과) , 박재성 (강원대학교 산업과학대학원) , 김민건 (강원대학교 기계메카트로닉스공학부) , 조석수 (강원대학교 기계자동차공학부)

초록
AI-Helper

공업용 세라믹은 자체의 특이한 물리적 특성으로 인하여 극한의 열 및 화학적 환경에서도 적용할 수 있는 우수한 고온 재료이다. 세라믹은 고온에서 저온으로 빠르게 이동되면 열충격을 받는다. 본 연구에서는 열충격에 대한 매개변수로 임계온도차이를 제안한다. 세라믹 부품에 대한 임계온도차이는 부품 크기와 대류열전달계수 등에 의해 영향을 받는다. 부품의 열충격 특성은 비정상 열응력에 의해 평가된다. 비정상 열응력이 파단계수를 초과한다면 열충격 균열이 표면에서 시작된다고 가정할 수 있다. 물에 대한 임계온도차이는 공기에 대한 임계온도차이보다 적다. 본 연구에서 사용된 국내 승용차용 삼원 촉매 담체는 반경 및 축방향 온도차이가 임계온도차이 아래에 존재하므로 충분한 열충격 성능을 가지고 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Technical ceramics, due to their unique physical properties, are excellent candidate materials for engineering applications involving extreme thermal and chemical environments. When ceramics are rapidly cooled, they receive thermal shock. The thermal shock parameter is defined as the critical temperature difference. The critical temperature difference for ceramic parts is influenced by its size, the convective heat transfer coefficient, etc. The thermal shock for a component is analyzed by using the transient thermal stress. If the transient thermal stress exceeds the modulus of rupture (MOR), cracking by thermal shock is initiated. The critical temperature difference for water is less than the critical temperature difference for air. The three-way catalyst substrate used in this study has an adequate performance against thermal shock because its radial and axial temperature differences existed below the critical temperature differences.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 삼원촉매변환기의 열충격 특성을 파악하기 위하여 담체에 대한 비정상 열전달해석을 수행한 뒤 담체의 온도 분포를 기초로 비정상 열응력(transient thermal stress)을 계산하였다. 또한, 각퀜칭 온도에 따른 비정상 열응력이 담체의 파단계수에 도달할 때를 담체가 열응력에 의해 파손된다고 가정하여 담체의 임계온도차이를 제안하였다.

가설 설정

본 논문에서는 삼원촉매변환기의 열충격 특성을 파악하기 위하여 담체에 대한 비정상 열전달해석을 수행한 뒤 담체의 온도 분포를 기초로 비정상 열응력(transient thermal stress)을 계산하였다. 또한, 각퀜칭 온도에 따른 비정상 열응력이 담체의 파단계수에 도달할 때를 담체가 열응력에 의해 파손된다고 가정하여 담체의 임계온도차이를 제안하였다. 그리고 실차주행시험을 실시하여 삼원촉매변환기용담체의 열충격 안전성을 임계온도차이를 이용하여 평가하였다.
8에서 제시되지 않은 MOR_r은 부품의 안전성을 확보한다는 측면에서 MOR_a의 42%로 설정하였다. 또한, 열충격 균열은 표면온도가 고온에서 상온으로 천이되는 과정에서 발생되므로 임계온도 T_c는 부품의 열응력이 퀜칭 온도에서의 MOR 평균값에 도달될 때의 온도로 가정한다.
따라서 자동차와 같이 경량화 및 다운사이징(downsizing)을 요구하는 부품에 ASTM C1525를 적용하기 어렵다. 본 논문에서는 담체의 열충격 환경이 자동차 배기가스라는 것을 고려하면 공기 중에서의 임계온도차이를 실제 담체의 임계 온도차이로 가정할 수 있다. 따라서 담체 부품에 대한 임계온도차이는 690℃ 이다.
따라서 식 (1)을 이용하여 부품의 임계온도차이 ΔT_c를 파악하는 것은 불가능하므로 부품 구조 설계 관점에서의 비정상 열응력 설계 개념이 필요하다. 즉, 비정상 열응력에 의한 균열은 표면에서 시작되므로 표면 온도에서의 응력이 해당 온도에서의 파단계수(modulus of rupture: MOR)에 도달될 때 부품은 파손된다고 가정할 수 있다. 이러한 개념은 해당 부품의 임계온도차이 ΔT_c를 부품의 열충격 설계 및 안전성 평가에 응용할 수 있다.

제안 방법

대류열전달계수는 Table 1과 식 (3)에 의하여 구하였다. 공냉과 수냉에서 각각 5가지, 4가지 대류열전달 계수를 선택하여 유한요소해석에 적용하였다.
또한, 각퀜칭 온도에 따른 비정상 열응력이 담체의 파단계수에 도달할 때를 담체가 열응력에 의해 파손된다고 가정하여 담체의 임계온도차이를 제안하였다. 그리고 실차주행시험을 실시하여 삼원촉매변환기용담체의 열충격 안전성을 임계온도차이를 이용하여 평가하였다.
삼원촉매변환기의 열충격 특성을 조사하기 위해 세라믹 모노리스 담체의 비정상 열응력 해석을 수행하고 이의 구조설계 관점에서 담체 부품의 열충격 설계를 위한 임계온도차이를 제안하였다. 담체 벽면의 열충격 설계 지침을 유도해 내기위해, 시간에 따른 반경방향 열응력과 축방향 열응력의 영향을 분석한 후 열응력과 온도 변화에서 담체 부품의 열충격 경계조건을 설명하였다. 중요한 결론을 요약하면 다음과 같다.
10은 삼원촉매변환기용 담체의 반경과 축방향 온도 차이를 나타낸 것이다. 담체의 실제 열충격 환경은 엔진 정지시 이후에 발생되나 본 논문에서는 차량 주행시의 반경 및 축방향 온도 차이도 함께 고려하였다.
은 세라믹 모노리스 담체에 대한 오븐 열충격 시험을 수행하여 담체 내부와 외부 영역의 온도 분포를 측정하고 이것을 기초로 단순 열응력 모델을 제안하였다. 또한 담체의 열팽창량과 탄성계수 및 파단계수를 기초로 열충격파라미터(thermal shock parameter)를 제안하였다.⁽⁴⁾ 그러나 제안된 파라미터는 원형 담체를 기초로 제안된 식으로서 타원형 담체에 대해 적용하기에는 부적절하며 실차 온도 분포 데이터를 기초로 파단계수나 탄성계수 및 열팽창계수를 사용 온도 구간의 평균치를 적용하여 열충격파라미터를 계산하고 있다.
본 논문에서는 세라믹 모노리스 담체의 파손 조건으로서 일반적인 급속열충격파라미터 보다는 임계온도차이 ΔTc를 사용하여 삼원촉매변환기의 안전성을 평가한다.
삼원촉매변환기의 열충격 특성을 조사하기 위해 세라믹 모노리스 담체의 비정상 열응력 해석을 수행하고 이의 구조설계 관점에서 담체 부품의 열충격 설계를 위한 임계온도차이를 제안하였다. 담체 벽면의 열충격 설계 지침을 유도해 내기위해, 시간에 따른 반경방향 열응력과 축방향 열응력의 영향을 분석한 후 열응력과 온도 변화에서 담체 부품의 열충격 경계조건을 설명하였다.

대상 데이터

국내 제작 차량인 SONATAⅡ(SIRIUS 2.0)를 이용하여 삼척-강릉 구간의 7번 국도와 동해고속도로에서 실차주행시험을 수행하였다.⁽¹⁵⁾ Fig.
유한요소해석에는 ANSYS Workbench V11⁽¹²⁾를 이용하였고 대류열전달은 SURF152 요소에 의해 표면에 분포하중으로 적용된다. 열전달 및 열응력 해석에 사용한 요소는 SOLID90과 SOLID186이고, 요소 및 절점수는 각각 64,232개와 271,137개이다.

이론/모형

세라믹 담체를 수직(vertical)과 수평(horizontal)의 실린더로 가정하는 경우, 임계 GrPr 수(=10⁹)를기준으로 유체 유동 형태를 분류한 후에 Table 1의 McAdams⁽¹⁰⁾가 제안한 실험 상수 C와 지수 n을 사용하여 식 (3)을 계산하여 대류열전달계수를 구하였다. 세라믹 모노리스 담체가 공기에 노출될 경우 GrPr 수가 9.
2는 세라믹 모노리스 담체의 비정상 열전달 및 열응력을 계산하기 위한 1/8 유한요소모델과 그 경계조건을 나타낸 것이다. 유한요소해석에는 ANSYS Workbench V11⁽¹²⁾를 이용하였고 대류열전달은 SURF152 요소에 의해 표면에 분포하중으로 적용된다. 열전달 및 열응력 해석에 사용한 요소는 SOLID90과 SOLID186이고, 요소 및 절점수는 각각 64,232개와 271,137개이다.

성능/효과

(1) 수냉에 의한 최대 열응력은 공냉 열응력에 비하여 대류열전달계수의 차이에 의하여 최대 2.37배 정도 더 크다.
(2) 축방향 열응력은 세라믹 담체 형상 특성 때문에 공냉과 수냉에 관계없이 반경방향 열응력에 비하여 최대 1.77배 정도 더 크다.
또한 담체의 열팽창량과 탄성계수 및 파단계수를 기초로 열충격파라미터(thermal shock parameter)를 제안하였다.⁽⁴⁾ 그러나 제안된 파라미터는 원형 담체를 기초로 제안된 식으로서 타원형 담체에 대해 적용하기에는 부적절하며 실차 온도 분포 데이터를 기초로 파단계수나 탄성계수 및 열팽창계수를 사용 온도 구간의 평균치를 적용하여 열충격파라미터를 계산하고 있다. 따라서 임계열충격파라미터는 사용 온도에 대한 파라미터 값에 의하여 지배되기 보다는 사용온도 영역에 대한 파라미터의 평균값에 의하여 지배된다.
(4) 셀에 포함된 정체된 공기로 인하여 코제라이트 세라믹 모노리스 담체의 임계온도차이는 코제라이트 세라믹 재료의 임계온도차이에 비하여 최대 57%정도 감소된다.
(5) 실차주행 시험에서 차량 정차 이후의 담체의 반경방향과 축방향의 온도 차이는 임계온도차이 아래에 존재하고 있어 충분한 열충격 강도를 가지고 있다.
또한, 주행시의 온도 차이는 정차시의 온도 차이에 비하여 평균 및 분산 모두 더 크다. 정차시의 반경과 축방향 온도 차이는 반경과 축방향 열충격 임계온도차이 보다 적어 본 논문에서 평가한 삼원촉매변환기용 담체는 충분한 열충격 강도를 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ASTM C1525에서 제안하는 표준시험방법에서 임계온도차이는 어떻게 정의하는가?	두 시험법 모두 측정 온도 구간이 50℃이다. 그러나 ASTM 열충격 시험법은 시간에 따른 온도 부하 사이클이 1회이고, 온도차이-잔류강도 선도에서 상온 파단계수(modulus of rupture)의 70%에 해당하는 굽힘강도를 나타내는 온도를 임계온도차이(critical temperature difference)로 정의하고 있다. 역학적 관점에서는 열충격 시험에 대한 엄격한 기준은 ASTM 시험법으로 볼 수 있다.
	Maremont 열충격 시험법에서 시간에 따른 온도 부하 사이클은 몇회인가?	전자의 대표적인 시험법 중에 Maremont 열충격 시험법은 시간에 따른 온도 부하 사이클이 10회이고, 오븐 열충격 시험법은 시간에 따른 온도 부하 사이클이 3회이다. 두 시험법 모두 측정 온도 구간이 50℃이다.
	세라믹 모노리스 담체에 대한 열충격 시험법에 대한 접근에는 어떤 방법이 있는가?	세라믹 모노리스 담체에 대한 열충격(thermal shock) 시험법에 대한 접근은 (1) Gulati 등이 제안하는 방법(1)과 (2) ASTM C1525에서 제안하는 표준시험방법(2)으로 분류할 수 있다.

참고문헌 (15)

Gulati, S. T., Widjaja, S., Hampton, L. E. and Roe, T. A., 2003, "Factors Affecting Severity of Oven Shock Test for Ceramic Substrates," SAE Paper No. 2003-01-3074
ASTM Standard C1525-04, 2004, Standard Test Method for Determination of Thermal Shock Resistance for Advanced Ceramics by Water Quenching, ASTM International, pp. 1-8
Gulati, S. T., 1983, "Thermal Stresses in Ceramic Wall Flow Diesel Filters," SAE Paper No. 830079.
Gulati, S. T., 1999, "Performance Parameter for Advanced Ceramic Catalyst Supporsts," SAE Paper No. 1999-01-3631.
Hugot, F. and Glandus, J. C., 2007, "Thermal Shock of Alumina by Compressed Air Cooling," Journal of the European Ceramic Society, Vol. 27, pp. 1919-1925.

상세보기
Gulati, S. T., Cooper, B. J., Hawker, P. N., Douglas, J. M. K. and Winterborn, D. J. W., 1991, "Optimization of Substrate Washcoat Interaction for Improved Catalyst Durability," SAE Paper No. 910732.
Singh, J. P., Tree, Y. and Hasselman, D. P. H., 1981, "Effect of Bath and Specimen Temperature on the Thermal Stress Resistance of Brittle Ceramics subjected to Thermal Quenching," Journal of Materials Science, Vol. 16, pp. 2109-2118.

상세보기
Legendre, B. and Osterstock, F., 1997, "On the Quantification of Quenching Transient Thermal Stresses in Brittle Solids using Vickers Indentations," Journal of Materials Science, Vol. 16, pp. 584-587.

상세보기
Ozyener, T., Satyamurthy, K., Knight Charles Eugeng, Jitendra P. S., Hasselman, D. P. H. and Ziegler, G., 1982, "Effect of $\Delta$ T-and Spatially Varying Heat Transfer Coefficient on Thermal Stress Resistance of Brittle Ceramics Measured by the Quenching Method," Journal of the American Ceramic Society, Vol. 66, No. 1, pp. 53-58.

상세보기
McAdams, W. H, 1954, Heat Transmission, 3ed, McGraw-Hill Inc., NewYork.
Park, J. S., Baek, S. H., Joo, W. S. and Cho, S. S., 2009, "A Study on Elastic Behavior of Ceramic Monolithic Substrate," Proceedings of the KSME 2009 Spring Annual Meeting, Jeju, pp. 393-398.
ANSYS User's and Theory Manual Version 11, 2008, ANSYS Inc.
Absi, J. and Glandus, J. C., 2004, "Improved Method for Severe Thermal Shocks Testing of Seramics by Water Quenching," Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, pp. 2835-2838.

상세보기
Baek, S. H., Park, J. S., Choi, H. J., Cho, S. S. and Joo, W. S., 2008, "High Temperature Design Criteria of Cordierite Ceramic Substrate in Four-point Bending Test," Proceedings of the KSME 2008 Spring Annual Meeting, Pyeongchang, pp. 173-174.
Park, J. S., Cho, S. S., Kim, M. G., Shin, S. K. and Kwon, I. K., 2009 "A Study on Thermal Shock of Ceramic Monolithic Substrate," Proceedings of the KSME 2009 Spring Annual Meeting, Jeju, pp. 387-392.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증