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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 차량용 냉각 구동 장치에 나노유체의 적용 가능성을 파악하기 위해서 첨가제가 모두 포함된 실제 상업용 차량 냉각 유체인 부동액과 증류수가 혼합된 알루미나 나노유체의 열적 특성 및 유동 특성에 관한 연구를 실시하고자 한다. 이를 위해 부피비 1:1로 증류수와 에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 자동차용 냉각 유체인 부동액(극동제연)을 혼합한 기본 유체에 알루미나 나노입자를 Two-step 방법을 이용하여5) 분산시켜 나노입자 부피비가 0.
- 본 연구에서는 나노유체의 차량용 냉각 구동 장치의 적용 가능성을 파악하기 위해 첨가제가 모두 포함된 실제 상업용 차량 냉각 유체인 부동액과 증류수가 혼합된 이용한 나노유체의 열적 특성 및 유동 특성에 관한 연구를 실시하였다. 이를 위해서 물 (DI-water)과 상용 냉각유체인 부동액을 부피비 1:1로 혼합한 기본 유체에 알루미나 입자가 0.
- 제작된 나노유체의 열전도도 및 점성계수를 25°C부터 35°C까지의 온도영역에서 측정하였다. 측정된 기본 물성을 바탕으로 차량용 냉각 구동 장치에나노유체의 적용 가능성을 파악하였다.
제안 방법
- Brookfield 사가 제시한 Accuracy인 특정 Shear rate에서 측정 가능한 범위의 ±1.0% 내에서 측정값이 일치하는것을 확인하였다.
- 나노유체의 점성 계수는 Brookfield사의 LVDV-Ⅲ Ultra+ Rheometer cone and plate 타입을 이용하여 측정하였다. 점도계는 회전형 점도계(Rotational Rheometer)로 측정 원리는 유체에 잠겨있는 스핀들 (Spindle)이 회전하기 위하여 필요한 전단응력 (Torque)을 측정하여 점성계수를 구하는것이다.
- 따라서 본연구에서는 부동액이 자동차 냉각시스템에 흐를 때 발생되는 평균전단율 범위인 약600~20,000 (1/s) 중에서 600 (1/s)부터 현재 보유하고 있는 점도계의 측정 한계 범위인 960(1/s)까지 25°C, 30°C, 35°C에서 측정하였다.
- 정밀한 온도상승을 계산하기 위하여 온도를 직접 측정하기 보다는 Wheatstone bridge와 백금 선을 이용하여 간접적으로 온도차를 결정한다. 따라서 실험 장치는 저항측정을 위한 Wheatstone bridge와 측정된 Data를 수집하기 위한 Data Acquisition, 그리고 백금선에 전원을 공급하기 위한 Power supply로 구성된다. 백금선의 직경은 50μm이며 테프론(Teflon)이 25μm의 두께로 코팅되어 있어 실험이 진행되는 동안 절연된 상태를 유지한다.
- 본 연구에서 제작한 상용 냉각유체인 부동액과 증류수를 기본 유체로 하는 0.3, 1, 2, 3%의 부피비를 가지는 알루미나 나노유체의 점성계수를 측정하였다. 일반적으로 많은 연구자들에 의해 나노유체의 점성계수가 전단율(Shear Rate)에 따라 변하지 않는 Newtonian Fluid로 보고17-19)하고 있지만 최근에 몇몇 연구자들20-27)에 의해서 전단율에 따라 점성계수가 많이 변화는 것으로 알려지고있다.
- 본 연구에서는 극동제연에서 제작된 상용 냉각유체인 부동액과 증류수를 부피비 1:1로 혼합하여 만든 기본 유체에 부피비 0.3, 1, 2, 3%로 알루미나 나노입자를 분산시킨 나노유체의 열전도도를 비정상 열선법(Transient Hot Wire Method)을 이용하여 25°C 30°C, 35°C의 온도에서 측정하였다.
- 본 연구에서는 부피비 1:1로 증류수와 에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 자동차용 냉각 유체인 상업용 부동액(극동제연)을 혼합한 기본 유체에 알루미나 나노입자를 Two-step 방법을 이용하여5) 분산시켜 나노입자부피비가 0.3%, 1%, 2% 그리고3%되도록 제작하였다. 제작 방법은 우선 알루미나 나노입자(Nanophase, 45nm)를 증류수(DI-water)에 분산시켜 초음파 에너지를 5시간 동안 가해주고, 그 후에 자동차용 냉각유체인 부동액을 증류수와 같은 부피비로 첨가하여 초음파 에너지를 5시간 추가적으로 가한다.
- 3은 비정상 열선법을 이용한 열전도도 측정 장치를 보여준다. 실험 장치는 증류수와 에틸렌글리콜을 주성분으로하는자동차 용상용 냉각유체를 혼합하여 만든 유체를 기본으로 하는 알루미나 나노유체를 측정하기 전에 증류수(DI-water)와 에틸렌글리콜 (EG)을 이용하여 검증되었다. 측정 결과 Reference Data14)와 ±1.
- 따라서 본 연구에서는 차량용 냉각 구동 장치에 나노유체의 적용 가능성을 파악하기 위해서 첨가제가 모두 포함된 실제 상업용 차량 냉각 유체인 부동액과 증류수가 혼합된 알루미나 나노유체의 열적 특성 및 유동 특성에 관한 연구를 실시하고자 한다. 이를 위해 부피비 1:1로 증류수와 에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 자동차용 냉각 유체인 부동액(극동제연)을 혼합한 기본 유체에 알루미나 나노입자를 Two-step 방법을 이용하여5) 분산시켜 나노입자 부피비가 0.3%, 1%, 2% 그리고 3%되도록 제작하였다. 제작된 나노유체의 열전도도 및 점성계수를 25°C부터 35°C까지의 온도영역에서 측정하였다.
- 이를 위해서 물 (DI-water)과 상용 냉각유체인 부동액을 부피비 1:1로 혼합한 기본 유체에 알루미나 입자가 0.3 %, 1%, 2%, 3%의 부피로 분산되어 있는 나노유체의 열전도도와 점성 계수를 25°C, 30°C, 35°C에서 측정하였다.
- 점성 계수 측정 장치는 측정하는 동안 온도를 일정하게 유지시켜 줄 수 있는 항온 시스템과 Data를 보다 정확하게 얻기 위하여 Brookfield 사에서 제공 하는 소프트웨어를 설치한 컴퓨터, 점도계를 연결하여 구성하였고 이를 Fig. 4에 나타내었다.
- 시간에 따른 온도상승을 측정하여 로그 시간-온도의 관계로 나타내면 열전도도를 결정 할수 있다. 정밀한 온도상승을 계산하기 위하여 온도를 직접 측정하기 보다는 Wheatstone bridge와 백금 선을 이용하여 간접적으로 온도차를 결정한다. 따라서 실험 장치는 저항측정을 위한 Wheatstone bridge와 측정된 Data를 수집하기 위한 Data Acquisition, 그리고 백금선에 전원을 공급하기 위한 Power supply로 구성된다.
- 3%, 1%, 2% 그리고3%되도록 제작하였다. 제작 방법은 우선 알루미나 나노입자(Nanophase, 45nm)를 증류수(DI-water)에 분산시켜 초음파 에너지를 5시간 동안 가해주고, 그 후에 자동차용 냉각유체인 부동액을 증류수와 같은 부피비로 첨가하여 초음파 에너지를 5시간 추가적으로 가한다. Fig.
- 제작된 나노유체의 열전도도 및 점성계수를 25°C부터 35°C까지의 온도영역에서 측정하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 제작된 나노유체의 점성 계수를 측정하기에 앞서 증류수(DI-water)와 에틸렌글리콜을 측정하였으며, 결과를 Reference Data14)와 비교하였다. Brookfield 사가 제시한 Accuracy인 특정 Shear rate에서 측정 가능한 범위의 ±1.
이론/모형
- 본 연구에서는 알루미나 나노유체의 열전도도를 측정하기 위해서 비정상 열선법(Transient Hot Wire Method)을 이용하였다. 비정상 열선법의 기본 방정식은 열확산방정식(Heat diffusion equation)으로부터 온도 차에 관한 해로 주어지며 이를 열전도도에 대한 식으로 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
성능/효과
- 35°C에서 부피비 0.3% 나노유체의 열전도도가 기본 유체에 비하여 3% 정도의 증가량을 보였으며 부피비 3%을 가지는 나노유체는 11%까지 증가하였다.
- 두 번째는 많은 연구자들이 증류수를 기본 유체로 하는 알루미나 나노유체의 대류 열전달 계수에 대한 실험을 한 결과 나노유체의 열전도도 증가 폭보다 대류 열전달 계수의 증가 폭이 훨씬 큰것을 보고한 바 있다. 결과에 의하면 Table 1에서 보듯이 열전도도 증가폭 대비 대류 열전달 계수가 무려 50% 이상 상승되는 결과를 확인할 수 있다. 따라서 이 두 가지 결과들 때문에 여전히 본 나노유체가 자동차 차세대 냉각유체로써의 적용 가능성이 존재함을 예상할수 있었다.
- 결과에 의하면 Table 1에서 보듯이 열전도도 증가폭 대비 대류 열전달 계수가 무려 50% 이상 상승되는 결과를 확인할 수 있다. 따라서 이 두 가지 결과들 때문에 여전히 본 나노유체가 자동차 차세대 냉각유체로써의 적용 가능성이 존재함을 예상할수 있었다. 또한 향후 본 나노 유체의 실차테스트가 요망될 것으로 사료된다.
- 이는 나노유체가 고농도에서 Shear thinning 현상이 발생한다는 것을 확인할 수 있었으며 물-부동액 혼합 나노유체가 Non-Newtonian 유체임을 확인할 수 있었다. 또한 본 연구 결과는 최근에 나오는 연구결과와 경향이 일치함을 확인할 수 있었다.
- 또한 전단율 값이 960(1/s)에서 부피비 3%의 나노유체가 60% 정도의 상승을 보였으나 30°C에서는 63%의 유효점성계수의 증가를 보였고 35°C에서는약80% 정도 증가하였다. 또한 본 연구에서 3% 고농도의 부피비에서 높은 전단율 값인 960(1/s)에서의 유효점성계수 상승폭이 낮은 전단율 값인 600(1/s) 에서의 상승폭 보다 적음을 확인할 수 있었다. 이는 나노유체가 고농도에서 Shear thinning 현상이 발생한다는 것을 확인할 수 있었으며 물-부동액 혼합 나노유체가 Non-Newtonian 유체임을 확인할 수 있었다.
- 부피비 3% 나노유체의 열전도도는 35°C에서 최고11%까지 증가하였고, 점성계수는실제자동차의 냉각유체의 운용속도를 계산하여가장 낮은 전단율인 600(1/s)에서는 84%, 보유하고 있는 점도계의 측정한계 범위인 전단율인 960(1/s)에서는 최고 80%까지 증가함을 알 수 있었다. 또한 부피비가 증가할 수록 열전도도와 점성 계수가 상승하였으며 특히 유효점성계수가 전단율이 증가하면서 감소하는 현상과 열전도도의 상승폭보다 점성계수의 상승폭이 전단율인 600~960(1/s) 범위 내에서 더 큼을 확인할수 있었다. 본 연구결과에서 제시한 기본 물성치를 바탕으로 현단계의 결과만으로 바로 상용시스템에 적용하는 것은 기술적으로 힘들 것으로 사료된다.
- 또한 전단율 값이 960(1/s)에서 부피비 3%의 나노유체가 60% 정도의 상승을 보였으나 30°C에서는 63%의 유효점성계수의 증가를 보였고 35°C에서는약80% 정도 증가하였다.
- 또한, 본 연구에서는 25°C, 30°C, 35°C의 온도에서 측정한 열전도도의 값이 측정값 평균의 ±1.5% 범위 내에서 측정되어 온도 의존성의 영향을 크게 확인할 수는 없었다.
- 3% 나노유체의 열전도도가 기본 유체에 비하여 3% 정도의 증가량을 보였으며 부피비 3%을 가지는 나노유체는 11%까지 증가하였다. 본 실험 결과를 Beck et al.12)과 Patel et al.13)의 열전도도 측정결과와 비교하였을 때, 부피비에 따라 열전도도가 증가하는 경향성이 2% 범위 내에서 정량적으로 비슷하였다. 또한, 본 연구에서는 25°C, 30°C, 35°C의 온도에서 측정한 열전도도의 값이 측정값 평균의 ±1.
- 또한 부피비가 증가할 수록 열전도도와 점성 계수가 상승하였으며 특히 유효점성계수가 전단율이 증가하면서 감소하는 현상과 열전도도의 상승폭보다 점성계수의 상승폭이 전단율인 600~960(1/s) 범위 내에서 더 큼을 확인할수 있었다. 본 연구결과에서 제시한 기본 물성치를 바탕으로 현단계의 결과만으로 바로 상용시스템에 적용하는 것은 기술적으로 힘들 것으로 사료된다. 다만 20,000(1/s)정도의 높은 전단율에서 기본유체 대비 유효점성계수의 감소 가능성과 대류 열전달 계수가 열전도도보다 크다는 실험결과인 두 가지 측면에서 자동차 냉각유체로 본 나노유체의 적용 가능성이 여전히 존재함을기대 할수 있었다.
- 본 연구결과에서 제시한 기본물성치를 바탕으로 기존의 연구자들이 제시한 열전도도상승은 확인할수 있었으나 그 결과와 더불어 점성계수의 상승 또한 매우 커서 현 단계의 결과만으로 바로 상용시스템에 적용하는 것은 기술적으로 힘들 것으로 사료 된다. 다만 두 가지 측면에서 자동차 냉각유체로 본 나노유체의 적용 가능성이 여전히 존재함을 확인할수 있었다.
- 부피비 3% 나노유체의 열전도도는 35°C에서 최고11%까지 증가하였고, 점성계수는실제자동차의 냉각유체의 운용속도를 계산하여가장 낮은 전단율인 600(1/s)에서는 84%, 보유하고 있는 점도계의 측정한계 범위인 전단율인 960(1/s)에서는 최고 80%까지 증가함을 알 수 있었다.
- 위의 결과로부터 열전도도 측정 결과와 기존 연구자들의 경향성과 일치하는것을 확인할 수있었다. 또한 대부분의 결과가 Upper Bound인 Maxwell Model15)과 Lower Bound인 Hasselman Model16)을 벗어나고 있음을 확인할 수 있다.
- 또한 본 연구에서 3% 고농도의 부피비에서 높은 전단율 값인 960(1/s)에서의 유효점성계수 상승폭이 낮은 전단율 값인 600(1/s) 에서의 상승폭 보다 적음을 확인할 수 있었다. 이는 나노유체가 고농도에서 Shear thinning 현상이 발생한다는 것을 확인할 수 있었으며 물-부동액 혼합 나노유체가 Non-Newtonian 유체임을 확인할 수 있었다. 또한 본 연구 결과는 최근에 나오는 연구결과와 경향이 일치함을 확인할 수 있었다.
- 5% 정도 차이가 남을 확인할 수 있다. 이러한 열전도도 측정 결과에 영향을 미치는 인자를 찾아보면 나노유체에 분산된 나노 입자의 크기, 나노 입자, 분산 방법 즉 Ph나 기타 첨가제, 마지막으로 열전도도 측정오차 등임을 알수 있다.
- 모델 결과와는 매우 상이한 결과를 확인할 수 있었다. 첫 번째 나노입자부피비에 따른 유효점성계 수증가 현상이 선형적이지 않고 비선형적으로 나타났으며 두 번째는 기존 Model 결과 대비 5배 이상 증가하였다는것이다. 특히전단율값이 600(1/s) 에서 부피비 3%의 나노유체가 61%정도의 상승을 보였으나30°C에서는약73% 정도 증가하였고 35°C에서는약84% 정도의 유효점성계수의 증가를 보였다.
- 다만 두 가지 측면에서 자동차 냉각유체로 본 나노유체의 적용 가능성이 여전히 존재함을 확인할수 있었다. 첫 번째는 자동차 냉각장치에서의 평균 전단율이 20,000 (1/sec)정도까지 증가함으로 현재 측정 범위에서 20,000까지 선형 보간할 경우 Fig. 8에서 보듯이 기본 유체특성보다 점도 특성이 낮아질 수 있음을 예측할 수 있다. 따라서 이런 경우에 자동차 냉각장치의 냉각유체로 사용이 가능할 것으로 생각되어진다.
- 측정 결과 Reference Data14)와 ±1.5% 범위 내로 측정됨을 확인하였다.
- 3, 1, 2, 3%로 알루미나 나노입자를 분산시킨 나노유체의 열전도도를 비정상 열선법(Transient Hot Wire Method)을 이용하여 25°C 30°C, 35°C의 온도에서 측정하였다. 측정 결과는 Fig. 5에서 보이는 것처럼 부피비가 증가할수록 열전도도가 상승하는 경향을 보였다. 35°C에서 부피비 0.
- 특히 측정된 실험 결과는 기존 유효점성계수를 예측하는데 널리 사용되고 있는 Einstein 모델28)과 Batchelor29) 모델 결과와는 매우 상이한 결과를 확인할 수 있었다. 첫 번째 나노입자부피비에 따른 유효점성계 수증가 현상이 선형적이지 않고 비선형적으로 나타났으며 두 번째는 기존 Model 결과 대비 5배 이상 증가하였다는것이다.
- 특히전단율값이 600(1/s) 에서 부피비 3%의 나노유체가 61%정도의 상승을 보였으나30°C에서는약73% 정도 증가하였고 35°C에서는약84% 정도의 유효점성계수의 증가를 보였다.
- 하지만 비록 열전도도 상승폭은 다르지만 분명 기본유체보다 열전도도 10% 정도크게증가한다는 사실은 공통된 결론임을 확인할수 있다. 또한 위두 연구에서 확인할 수 있는 사실은 나노유체를 실제 냉각시스템에 적용하는데 필요한 펌핑파워를 예측할 수 있는 증류수와 에틸렌글리콜를 기본으로 하는 나노유체의 점성계수에 대한 연구는 보고하지 않고 다만 열전달 특성이 향상된다는 결과만 보고하고있다.
후속연구
- 따라서 이 두 가지 결과들 때문에 여전히 본 나노유체가 자동차 차세대 냉각유체로써의 적용 가능성이 존재함을 예상할수 있었다. 또한 향후 본 나노 유체의 실차테스트가 요망될 것으로 사료된다.
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