[논문]강제대류 및 핵비등영역에 있어서 마이크로 휜 형상이 분무냉각 열전달에 미치는 영향

김영찬

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.11.983

강제대류 및 핵비등영역에 있어서 마이크로 휜 형상이 분무냉각 열전달에 미치는 영향
Effects of Micro-fin Structure on Spray Cooling Heat Transfer in Forced Convection and Nucleate Boiling Region 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.11 = no.302, 2010년, pp.983 - 990

초록
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본 연구에서는 냉각면의 표면온도가 비교적 낮은 강제대류 및 핵비등영역에서 다양한 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 분무냉각 열전달에 대해 실험적으로 연구하였다. 실험결과로부터 냉각면 표면에 가공된 마이크로 휜은 분무냉각 열전달을 촉진시키며, 냉각휜의 크기와 종류에 상관없이 분무유량이 증가할수록 분무냉각 열전달도 큰 폭으로 증가하고 있음을 알 수 있었다. 또한 희박한 분무영역에서는 냉각면에 가공된 휜의 크기와 형상이 분무냉각 열전달에 큰 영향을 미치고 있으나, 분무유량이 증가할수록 이러한 경향은 점차 약해져 본 실험에서 가장 높은 분무유량조건에서는 편평한 냉각면을 제외한 모든 냉각면의 열유속이 거의 동일하게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, spray cooling heat transfer was experimentally investigated for the case in which water is sprayed onto the surfaces of micro-fins in forced convection and nucleate boiling regions. The experimental results show that an increase in the droplet flow rate improves heat transfer due to forced convection and nucleate boiling in the both case of smooth surface and surfaces of micro-fins. However, the effect of subcooling for fixed droplet flow rate is very weak. Micro-fins surfaces enhance the spray cooling heat transfer significantly. In the dilute spray region, the micro-fin structure has a significant effect on the spray cooling heat transfer. However, this effect is weak in the dense spray region. A previously determined correlation between the Nusselt number and Reynolds number shows good agreement with the present experimental data for a smooth surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5에 나타낸 편평한 냉각면에 대한 실험결과들을 분무액적의 평균크기와 액적유량밀도에 기초한 무차원수 Nu_d 와 Re_d를 이용하여 정리한 결과를 나타내었다. 본 논문의 저자는 과거 분무액적의 평균크기와 액적유량밀도에 기초한 무차원수 Nu_d 와 Re_d를 이용하여 물과 FC-77에 대한 분무냉각 열전달실험을 수행 하여 강제대류영역과 핵비등영역 일부에서 분무 냉각 열전달을 예측할 수 있는 아래의 열전달 상관식을 제안하였다.⁽⁸⁾
본 연구에서는 냉각면의 표면온도가 비교적 낮은 강제대류 및 핵비등영역에서 다양한 크기와 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 분무냉각 열전달에 대해 실험적으로 연구하였다. 실험결과로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
본 연구에서는 다양한 형상과 크기의 마이크로 휜을 냉각면 표면에 가공하여 이들 요소가 분무 냉각 열전달에 미치는 영향에 대해 실험적으로 연구하였다. 특히 본 실험에서는 냉각휜의 크기가 500~900 ㎛의 범위에서 정육면체 형상과 삼각형 그루브 형상의 냉각휜이 가공된 냉각면에 대한 분무냉각 열전달실험을 수행하여, 이들 실험 결과를 편평한 냉각면의 실험결과와 비교하여 열전달 촉진효과를 파악하였다.
본 연구에서는 앞서 설명한 바와 같이 냉각면의 표면온도가 비교적 낮은 강제대류 및 핵비등 영역 (표면온도가 약 130℃ 이하)에서 Fig. 3에 나타낸 다양한 마이크로 휜이 가공된 냉각면 표면의 분무냉각 열전달에 대해 실험적으로 연구하였다. Fig.
3의 (a), (b), (c)에는 한 변의 길이가 약 500 ㎛, 700 ㎛, 900 ㎛인 정육면체 형상의 휜을각각 나타내었으며 (d)에는 밑면과 높이가 각 500㎛인 삼각형 그루브(Groove)가 가공된 냉각면의 사진과 개략도를 나타내었다. 본 연구에서는 위에서 언급한 4종류의 냉각면과 마이크로 휜이 가공되어 있지 않은 편평한 냉각면을 이용하여 이들 표면 형상이 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. Table 2에는 냉각면에 가공된 휜의 개수와 이들 냉각면의 표면적을 계산하여 나타내었다.

제안 방법

10에는 마이크로 휜이 가공된 냉각면에 대한 실험결과들을 분무액적의 평균크기와 액적유량밀도에 기초한 무차원수 Nu_d 와 Re_d를 이용 하여 나타내었다. 그림에는 편평한 냉각면에 대한 실험결과로부터 얻은 열전달 상관식을 함께 나타내어 마이크로 휜에 의한 열전달 촉진효과를 정량적으로 파악하였다. Fig.
구리 블록은 베이크라이트 (Baklite)로 제작된 용기와 단열재를 이용하여 열손실을 최소로 하였다. 냉각면 표면으로부터 약 1.0 ㎜ 아래 위치에 직경 0.5㎜의 K Type 열전대를 삽입하여 이 지점의 온도를 측정하였다. 냉각면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초하여 열전도방정식을 이용 하여 계산하였다.
8 ㎜인 원통형 구리 블록을 가공하여 실험에 사용하였다. 냉각면의 반대쪽에는 냉각면과 일체형으로 제작된 직경이 60㎜인 원통형 구리 블록에 용량이 200 Watt인 카트리지 히터를 9개 삽입하여 전원조절기를 이용하여 냉각면에 인가되는 열유속을 조절하였다. 구리 블록은 베이크라이트 (Baklite)로 제작된 용기와 단열재를 이용하여 열손실을 최소로 하였다.
냉각면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초하여 열전도방정식을 이용 하여 계산하였다. 본 실험에서 열손실은 카트리지 히터에 인가된 전력의 3 % 미만이며, 표면 열 유속 산출시 이러한 열손실을 고려하여 열유속을 계산하였다.
08×10^-5 ㎥/s의 범위에서 설정하였으며, 분사압력은 약 2기압으로 일정하게 유지하였다. 분무노즐과 냉각면의 거리는 약 7 ~ 8 ㎜로 설정하였으며, 노즐의 분사각을 고려하여 분무노즐을 통과하는 액체유량의 대부분이 냉각면에 충돌할 수 있도록 거리를 설정하였다. Table 1에는 본 실험에서 사용한 분무노즐의 오리피스 직경과 분무유량, 액적의 평균직경(Sauter Mean Diameter)을 나타내었다.
실험장치 및 방법은 기존의 연구⁽⁷⁾와 유사하지만, 다양한 크기와 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면이 추가되었으며, 더 넓은 분무유량 범위에서 실험을 수행하였다. 분무액체의 온도는 분무노즐에 공급되기 직전에 측정된 온도값을 사용하였으며, 25 ~ 55 ℃의 온도범위에서 실험을 수행하여 분무액체의 온도가 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 파악하였다. 분무노즐은 유량범위가 서로 다른 6 종류의 가압식 원추형(Full cone) 노즐을 사용하였다.
실험방법은 우선 구리 블록에 최초 20 W/㎠ 정도의 낮은 열유속을 인가하여 냉각면의 온도가 정상상태에 도달한 시점에서의 냉각면 온도를 측정하였으며, 이후 점차적으로 열유속을 상승시켜 임계열유속 부근에 도달할 때까지 실험을 반복적으로 수행하였다.
본 실험에서는 물을 분무액체로 사용하였으며, 분무액체는 저장탱크에서 적절한 온도로 가열된 후 펌프, 유량계, 열교환기 등을 경유하여 분무노즐에 공급된다. 실험장치 및 방법은 기존의 연구⁽⁷⁾와 유사하지만, 다양한 크기와 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면이 추가되었으며, 더 넓은 분무유량 범위에서 실험을 수행하였다. 분무액체의 온도는 분무노즐에 공급되기 직전에 측정된 온도값을 사용하였으며, 25 ~ 55 ℃의 온도범위에서 실험을 수행하여 분무액체의 온도가 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구에서는 다양한 형상과 크기의 마이크로 휜을 냉각면 표면에 가공하여 이들 요소가 분무 냉각 열전달에 미치는 영향에 대해 실험적으로 연구하였다. 특히 본 실험에서는 냉각휜의 크기가 500~900 ㎛의 범위에서 정육면체 형상과 삼각형 그루브 형상의 냉각휜이 가공된 냉각면에 대한 분무냉각 열전달실험을 수행하여, 이들 실험 결과를 편평한 냉각면의 실험결과와 비교하여 열전달 촉진효과를 파악하였다.

대상 데이터

냉각면의 반대쪽에는 냉각면과 일체형으로 제작된 직경이 60㎜인 원통형 구리 블록에 용량이 200 Watt인 카트리지 히터를 9개 삽입하여 전원조절기를 이용하여 냉각면에 인가되는 열유속을 조절하였다. 구리 블록은 베이크라이트 (Baklite)로 제작된 용기와 단열재를 이용하여 열손실을 최소로 하였다. 냉각면 표면으로부터 약 1.
1에는 본 실험에서 사용한 실험장치의 개략도를 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 냉각면은 직경이 약 9.8 ㎜인 원통형 구리 블록을 가공하여 실험에 사용하였다. 냉각면의 반대쪽에는 냉각면과 일체형으로 제작된 직경이 60㎜인 원통형 구리 블록에 용량이 200 Watt인 카트리지 히터를 9개 삽입하여 전원조절기를 이용하여 냉각면에 인가되는 열유속을 조절하였다.
본 실험에서는 물을 분무액체로 사용하였으며, 분무액체는 저장탱크에서 적절한 온도로 가열된 후 펌프, 유량계, 열교환기 등을 경유하여 분무노즐에 공급된다. 실험장치 및 방법은 기존의 연구⁽⁷⁾와 유사하지만, 다양한 크기와 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면이 추가되었으며, 더 넓은 분무유량 범위에서 실험을 수행하였다.
분무액체의 온도는 분무노즐에 공급되기 직전에 측정된 온도값을 사용하였으며, 25 ~ 55 ℃의 온도범위에서 실험을 수행하여 분무액체의 온도가 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 파악하였다. 분무노즐은 유량범위가 서로 다른 6 종류의 가압식 원추형(Full cone) 노즐을 사용하였다. 분무노즐의 오리피스 직경은 0.

이론/모형

5㎜의 K Type 열전대를 삽입하여 이 지점의 온도를 측정하였다. 냉각면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초하여 열전도방정식을 이용 하여 계산하였다. 본 실험에서 열손실은 카트리지 히터에 인가된 전력의 3 % 미만이며, 표면 열 유속 산출시 이러한 열손실을 고려하여 열유속을 계산하였다.

성능/효과

(1) 냉각휜의 크기와 종류에 상관없이 분무유량이 증가할수록 분무냉각 열전달도 큰 폭으로 증가하고 있음을 알 수 있었으며, 이러한 실험결과로부터 분무유량이 분무냉각 열전달에 큰 영향을 미치는 요소임을 재확인하였다. 또한 냉각휜이 가공되지 않은 편평한 냉각면을 이용한 본 연구의 실험결과는 기존의 물과 FC-77의 실험결과로 부터 얻은 열전달 상관식과 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
(2) 분무유량이 비교적 작은 희박한 영역에서는 휜 크기가 작고 개수가 많은 냉각면이 가장 열유속이 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 그러나 이러한 경향은 분무유량이 점차 증가할수록 약해져 본 실험조건에서 가장 높은 분무유량인 Q = 3.
(3) 다양한 크기와 종류의 냉각휜이 가공된 냉각면에 대한 실험결과들을 분무액적의 평균크기와 액적유량밀도에 기초한 무차원수 Nu_d 와 Re_d를 이용하여 나타내어 냉각휜으로 인한 열전달 촉진효과를 확인한 결과, 편평한 냉각면에 비해 마이크로 휜이 가공된 냉각면은 평균적으로 30%이상의 열전달 촉진이 발생되고 있음을 알 수 있 었다.
4에에 나타낸 표면 열유속, q_w는 9개의 카트리지 히터에 인가된 전력을 측정하여 냉각면의 단위면적에 대해 나타낸 값이다. Fig. 4에서 알 수 있듯이 분무액체의 온도를 거의 일정하게 유지한 상태에서 표면온도가 증가할수록 열유속도 함께 증가하고 있으며, 또한 분무액체의 유량이 증가할수록 표면 열유속이 큰 폭으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 본 실험에서는 물을 작동유체로 사용할 경우 카트리지 히터용량의 문제로 임계열유속에 도달하기 전에 실험을 중단하였으므로 Fig.
Fig. 6으로부터 본 실험결과는 기존의 열전달 상관식 (1)을 사용하여 ±30 %의 오차 범위 내에서 비교적 잘 정리될 수 있음을 알 수 있다.
(1) 냉각휜의 크기와 종류에 상관없이 분무유량이 증가할수록 분무냉각 열전달도 큰 폭으로 증가하고 있음을 알 수 있었으며, 이러한 실험결과로부터 분무유량이 분무냉각 열전달에 큰 영향을 미치는 요소임을 재확인하였다. 또한 냉각휜이 가공되지 않은 편평한 냉각면을 이용한 본 연구의 실험결과는 기존의 물과 FC-77의 실험결과로 부터 얻은 열전달 상관식과 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
이러한 분무유량조건에서는 냉각휜의 크기와 형상이 열전달에 미치는 영향이 작아지며, 열전달은 주로 냉각면의 표면적에 영향을 받을 것으로 추정된다. 본 실험에서 사용한 각종 냉각면의 표면적을 Table 2에 나타내었으며, 편평한 냉각면의 표면적과 비교할 때 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 표면적은 휜의 종류와 크기에 상관없이 약 2배 이상 증가된 비슷한 표면적들을 가지고 있음을 알 수 있다. 따라서 분무유량이 큰 영역에서는 표면적의 영향을 크게 받아 편평한 냉각면을 제외한 모든 냉각면의 열유속이 거의 비슷한 값을 나타내는 것으로 판단된다.
6에는 냉각면의 표면온도가 액체의 포화온도이하인 영역, 즉 강제대류영역과 핵비등 일부영역의 실험결과만을 나타내었다. 이러한 실험결과로부터 분무유량이 분무냉각 열전달에 큰 영향을 미치는 요소임을 재확인하였으며, 냉각휜이 가공 되지 않은 편평한 냉각면을 이용한 본 연구의 실험결과는 기존의 연구결과로부터 얻은 열전달 상관식과 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.
7에는 크기가 700 ㎛인 정육면체 냉각휜을 가공한 냉각면에 대해 액체의 온도를 약 35℃로 일정하게 유지한 상태에서 분무유량을 점차 증가 시켜 실험한 결과를 나타내었다. 편평한 냉각면을 이용한 실험결과와 마찬가지로 표면온도가 증가할수록 열유속이 증가하고 있으며, 또한 분무액체의 유량이 증가할수록 표면 열유속이 점차 증가하고 있음을 알 수 있다. 이러한 경향은 본 실험에서 사용한 모든 냉각면에 대해 동일하게 나타내고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

위에서 언급한 대부분의 연구결과로부터 마이크로 휜이 가공된 냉각면은 분무냉각 열전달을 촉진시키고 있음이 확인되고는 있으나, 아직 이들의 열전달 메카니즘을 명확히 설명할 수 있는 단계에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 이를 위해서는 좀 더 다양한 형상의 냉각면과 넓은 범위의 실험조건에서 많은 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고밀도 전자장비의 냉각에 있어서 무엇을 동반할때 강력한 냉각수단으로 활용될 수 있는가?	고밀도 전자장비의 냉각에 있어서 증발 또는 비등과 같은 액체의 상변화(Phase change)를 동반할 경우 비교적 작은 액체유량으로도 높은 열유속을 제거할 수 있어 효율적이고 강력한 냉각수단으로 활용될 수 있다. 특히 액체를 미립화하여 고온면에 충돌시키는 분무냉각기술을 적용할 경우 이러한 상변화에 의한 열전달은 더욱 향상되며 이와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.
	분무노즐을 통과하는 분무유량은 어떤 범위에서 설정하였는가?	분무노즐을 통과하는 분무유량은 9.17×10-7 ~3.08×10-5 ㎥/s의 범위에서 설정하였으며, 분사압력은 약 2기압으로 일정하게 유지하였다. 분무노즐과 냉각면의 거리는 약 7 ~ 8 ㎜로 설정하였으며, 노즐의 분사각을 고려하여 분무노즐을 통과하는 액체유량의 대부분이 냉각면에 충돌할 수 있도록 거리를 설정하였다.
	강제대류 및 핵비등영역에서 다양한 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 분무냉각 열전달에 대해 실험한 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 냉각면의 표면온도가 비교적 낮은 강제대류 및 핵비등영역에서 다양한 종류의 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 분무냉각 열전달에 대해 실험적으로 연구하였다. 실험결과로부터 냉각면 표면에 가공된 마이크로 휜은 분무냉각 열전달을 촉진시키며, 냉각휜의 크기와 종류에 상관없이 분무유량이 증가할수록 분무냉각 열전달도 큰 폭으로 증가하고 있음을 알 수 있었다. 또한 희박한 분무영역에서는 냉각면에 가공된 휜의 크기와 형상이 분무냉각 열전달에 큰 영향을 미치고 있으나, 분무유량이 증가할수록 이러한 경향은 점차 약해져 본 실험에서 가장 높은 분무유량조건에서는 편평한 냉각면을 제외한 모든 냉각면의 열유속이 거의 동일하게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

참고문헌 (8)

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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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