[논문]나노유체의 열확산율 측정을 위한 비정상열선법 센서모듈 실험

이신표

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.2.113

나노유체의 열확산율 측정을 위한 비정상열선법 센서모듈 실험
An Experimental Study of Transient Hot-wire Sensor Module for Measuring Thermal Diffusivity of Nanofluids 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.2 = no.305, 2011년, pp.113 - 120

초록
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본 논문은 나노유체의 열확산율을 측정하는 센서와 주변회로 그리고 데이터의 처리방법을 제시한 것이다. 기존 비정상열선법을 이용하면 이론상 유체의 열전도율과 열확산율을 동시에 측정할 수 있으나 열전도율과 비교하여 열확산율은 많은 오차가 발생한다. 본 연구에서 제시한 방법은 측정변수가 단순하고 복잡한 센서의 교정과정을 생략할 수 있는 실용적 측면의 장점이 있다. 먼저 열확산율이 잘 알려진 유체들에 대한 검증실험을 실시하였고 나노유체의 열확산율을 측정하여 기본유체와 비교하는 과정을 예시적으로 설명하였다. 본 연구는 기존 열전도율측정에 한정되어 왔던 나노유체 연구의 범위를 열확산율 또는 비열의 개념으로 확장하였다는 관점에서 중요성을 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

A technique for measuring the thermal diffusivity of nanofluids is proposed in this study. In theory, it has been well known that the transient hot-wire method can be used to measure the thermal conductivity and diffusivity of fluids simultaneously. However, when traditional methods were employed, the accuracy of the calculated thermal conductivity was considerably higher than that of diffusivity. The proposed method has two advantages for practical use: it only needs a simple data-conversion process for calculating the diffusivity, and it can skip the tedious calibration process involved in the case of a wire sensor. A validation experiment for the new system has been performed with the basic fluids, and the comparison experiment to compare the change in diffusivity of the base oil and the change in diffusivity of the nano oil has been carried out. It is expected that the present system will provide numerous methods for investigating the variation in the thermal properties other than thermal conductivity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 나노유체의 열확산율을 정확히 측정할 수 있는 센서와 주변회로를 제시하였으며 실험데이터의 처리방법을 설명하였다.
본 논문은 유체의 열확산율을 정밀하게 측정하기 위한 장치의 개발에 관한 것이며 개발된 장치는 나노유체의 열물성 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다.
장치에서 얻어진 최종 신호를 이용하여 열확산율이 잘 알려진 기본 유체들에 대한 교정과정을 거치므로 중간단계에서 오차가 개입되지 않는다. 본 연구에서는 열확산율이 알려진 엔진오일과 글리세린에 대한 측정실험을 실시하였다. 이를 통하여 제시된 방법의 타당성을 검증하였고 나노유체 샘플에 대한 열확산율 측정을 예시하였다.

제안 방법

본 논문에서 제시될 방법은 기존 방법과 비교하여 여러 가지 장점을 갖는다. 먼저 센서의 교정과정 즉, 온도에 따른 저항변화특성을 파악하기 위한 예비 실험단계가 불필요하다.
지금까지 나노유체 열전도율 물성 측정과 관련하여 비정상열선법은 가장 중요한 측정수단이었다. 수직으로 놓인 가는 열선에서 유체로의 과도 열전달 현상에 대한 Carslaw와 Jaeger의 해석해가 비정상열선법의 측정근거를 제시한다. 이 방법을 이용하면 이론상 열전도율뿐만 아니라 열확산율 측정도 가능하다.
순수윤활유와 나노윤활유에 대하여 열확산율을 환산할 수 있었으며 열전도율 데이터를 이용하여 열용량변화를 추정할 수 있었다.
본 연구에서는 열확산율이 알려진 엔진오일과 글리세린에 대한 측정실험을 실시하였다. 이를 통하여 제시된 방법의 타당성을 검증하였고 나노유체 샘플에 대한 열확산율 측정을 예시하였다.

대상 데이터

7은 기본유체와 나노유체(nano lubrication oil)에 대하여 실험된 데이터의 곡선맞춤 결과이며 Table 3은 이 값을 이용하여 계산된 열확산율을 정리한 것이다. 베이스유체는 윤활유 제조용 오일(SK EP220)이며 나노유체는 이 베이스유체에 Graphite 나노입자를 체적분율 1%로 첨가한 것이다. 나노유체의 열확산율은 기본유체와 비교하여 3.
본 연구에서 시험한 센서모듈에서 중심부 히터와 온도센서 사이의 간격 S는 3mm이고 엔진오일의 열확산율은 0.859×10-7m2/s 그리고 측정시간은 10초 이내였다.
본 연구에서는 직경 25μm의 백금선을 히터와 센서로 사용하였고 길이는 60mm이다.
실험에서 사용한 기본유체는 엔진오일과 글리세린이다. 280K에서의 이들의 열확산율을 참고문헌에서 인용하여 Table 1에 정리하였다.

이론/모형

5%로 나타났다. 전기전도성 성질을 갖는 용융염에 대한 열물성 측정은 Zhang과 Fujii⁽¹¹⁾에 의하여 수행되었다. 열전도율과 열확산율이 갖는 오차는 3%, 20%로 비전도성 물질과 비교하여 매우 높게 나타났다.

성능/효과

(1) 금속입자의 열전도율은 유체의 열전도율과 비교하여 보통 수백 배 높기 때문에 미세 금속이 혼합된 유체의 열전도율은 순수유체와 비교하여 매우 높을 것으로 예상할 수 있다. 지난 10여년 동안 혼합입자의 크기, 혼합농도, 순수유체 또는 혼합입자의 열전도율, 유체 평균온도 등 다양한 변수들을 고려한 연구가 수행되었다.
베이스유체는 윤활유 제조용 오일(SK EP220)이며 나노유체는 이 베이스유체에 Graphite 나노입자를 체적분율 1%로 첨가한 것이다. 나노유체의 열확산율은 기본유체와 비교하여 3.4% 증가한 것으로 측정되었다. 이 나노윤활유샘플의 열전도율은 기본유체 대비 약 11%가 상승한 것으로 보고되었는데 이와 같은 측정결과를 식 (1)에 적용하여 해석해보면 열용량 (ρC_p)가 대략 7.
본 실험에서 사용한 온도센서의 저항은 20°C에서 12.35Ω로 브릿지에서 이 열선과 직렬연결된 저항 R1의 2kΩ과 비교하면 상대적으로 작은 것을 알 수 있다.
동일센서의 경우 S가 같으므로 두 유체의 열확산율 비를 계산할 경우 S가 상쇄되어 비율에는 영향을 미치지 않는다. 실험을 통하여 얻어진 비율은 글리세린의 열확산율이 엔진오일보다 약 10% 높은 경향을 잘 보여주며 이것은 참고문헌의 값을 이용하여 계산한 비율과 일치한다. 센서의 거리를 3mm로 두고 두 유체의 열확산율을 계산하면 Table 2에서 0.
열물성이 잘 알려진 기본유체로 엔진오일과 글리세린에 대하여 본 논문에서 제시한 방법으로 열확산율을 측정하였는데 약 1.3%의 차이를 가지고 참고문헌의 값을 예측할 수 있었다.
전기전도성 성질을 갖는 용융염에 대한 열물성 측정은 Zhang과 Fujii⁽¹¹⁾에 의하여 수행되었다. 열전도율과 열확산율이 갖는 오차는 3%, 20%로 비전도성 물질과 비교하여 매우 높게 나타났다. Jwo와 Teng⁽¹²⁾은 물과 에틸렌그리콜을 기본유체로 여기에 구리입자를 혼합한 나노유체의 열물성을 측정하였다.
Jwo와 Teng⁽¹²⁾은 물과 에틸렌그리콜을 기본유체로 여기에 구리입자를 혼합한 나노유체의 열물성을 측정하였다. 열전도율은 기본유체와 비교하여 거의 동일하나 나노유체의 열확산율이 크게 증가하는 결과를 제시하였다. 반면 Zhang, X.
14%의 적은 오차를 갖도록 장치를 교정할 수 있다. 이와 같은 검토를 통하여 본 연구에서 제시한 장치가 열확산율의 변화를 정성적으로 잘 예측하고 알려진 열확산율 수치를 이용하여 센서 거리에 대한 교정과정을 수행할 경우 열확산율도 대략 1.3%이내에서 절대값 추정이 가능함을 보여준다.

후속연구

지금까지 나노유체의 열물성 연구가 오직 열전도율 측정에만 집중되어 왔다. 이와 비교하여 열확산율을 정확히 측정할 수 있는 방안이 제시된다면 나노유체의 비열과 밀도를 간단히 추정할 수 있는 다른 수단이 제공되므로 물성 연구의 다양성이 더욱 확대될 것으로 기대된다.
지금까지 나노유체 물성과 관련된 연구는 열전도율측정에만 한정되어 왔으나 본 연구의 결과는 열확산율과 비열의 변화에 대한 추정을 가능하게 하여⁽¹⁷⁾ 향후 나노유체 연구에 다양성을 줄 수 있을 것으로 예상된다.^(18,19)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노유체란 무엇인가?	나노유체는 물, 엔진오일 등 기존 열전달유체에 나노미터 크기의 금속입자를 혼합하여 제조한 유체를 말한다.(1) 금속입자의 열전도율은 유체의 열전도율과 비교하여 보통 수백 배 높기 때문에 미세 금속이 혼합된 유체의 열전도율은 순수유체와 비교하여 매우 높을 것으로 예상할 수 있다.
	나노유체 열전도율 물성 측정과 관련하여 가장 중요한 측정 수단은 어떤 방법이었는가?	지금까지 나노유체 열전도율 물성 측정과 관련하여 비정상열선법은 가장 중요한 측정수단이었다. 수직으로 놓인 가는 열선에서 유체로의 과도 열전달 현상에 대한 Carslaw와 Jaeger의 해석해가 비정상열선법의 측정근거를 제시한다.
	비정상열선법을 통해 무엇을 측정할 수 있는가?	수직으로 놓인 가는 열선에서 유체로의 과도 열전달 현상에 대한 Carslaw와 Jaeger의 해석해가 비정상열선법의 측정근거를 제시한다. 이 방법을 이용하면 이론상 열전도율뿐만 아니라 열확산율 측정도 가능하다.(6~8) Nagasaka와 Nagashima(9)는 toluene에 대하여 이와 같은 동시 측정 방법을 최초로 시험하였다.

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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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