[논문]나노유체 특성에 따른 히트파이프 성능해석

임승민

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.7.599

나노유체 특성에 따른 히트파이프 성능해석
Theoretical Analysis of Heat Pipe Thermal Performance According to Nanofluid Properties 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.7 = no.358, 2015년, pp.599 - 607

임승민 (국방과학연구소 6기술연구본부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 나노유체의 유동학 특성을 반영한 히트파이프 열적특성을 연구하였다. $Al_2O_3$와 CuO 나노입자를 적용한 나노유체를 작동유체로 하여 나노입자 부피비와 응집도에 대한 히트파이프 성능을 확인하였다. 나노입자의 부피비와 응집도가 증가할수록 점성과 열전도도는 증가하는 것으로 나타났으며 두 인자는 히트파이프 성능에 영향을 주었다. 나노입자응집이 없는 경우에는 나노입자의 부피비 증가가 모세관압력한계 성능을 향상시켰지만 응집도가 증가하면 입자부피비가 증가해도 모세관압력한계가 감소했다. 그리고 나노입자의 열전도도, 부피비, 응집도에 대한 히트파이프 열저항을 분석하였다. 히트파이프의 투과율이 높을수록 최대열수송량은 입자부피비에 미치는 영향이 컸으며 3차원 그래프를 통해 윅 특성에 대한 최적화된 나노입자부피비를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we theoretically investigate the thermal performances of heat pipes that have different nano-fluid properties. Two different types of nano-particles have been used: $Al_2O_3$ and CuO. The thermal performances of the heat pipes are observed for varying nano-particle aggregations and volume fractions. Both the viscosity and the conductivity increase as the volume fraction and the aggregation increase, respectively. Increasing the volume fraction helps increase the capillary limit in the well-dispersed condition. Whereas, the capillary limit is decreased under the aggregate condition, when the volume fraction increases. The dependence of the heat pipe thermal resistance on the volume fraction, aggregation, and conductivity of the nano-particles is analyzed. The maximum thermal transfer of the heat pipe is highly dependent on the volume fraction because of the high permeability of the heat pipe. For the proposed heat pipe, the optimum volume fraction of the nano-particle can be seen through 3D graphics.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이론적 해석을 통해 나노유체를 작동유체로 하여 입자응집정도와 입자 농도가 히트파이프 열적성능에 미치는 영향에 대해서 분석하였다.
본 연구에서는 r_a/r 비를 1, 2, 3, 4 로 Al₂O₃ 와 CuO 나노입자의 응집도와 부피비 변화에 따른 히트파이프 열적특성을 이론적으로 해석하였다. 아래의 Table 2는 상기의 나노유체의 특성을 요약한 것이다.
본 연구에서는 나노유체(Al₂O₃, CuO)의 특성이 히트파이프 열적성능에 미치는 영향을 확인하였다. 나노유체의 점성과 열전도도는 나노입자의 특성에 기인하며 나노입자의 농도와 응집도가 큰 영향을 미친다.

가설 설정

(11) 나노입자형태는 구형태로 가정하였다. n은 경험적으로 실험에서 나온 형상계수(shape factor)로 n = 3/ψ로 나타내어지며 구로 가정하면 ψ=1으로 나타낼 수 있다.
따라서 히트파이프에 나노유체를 적용 시 모세관압력한계와 열저항을 동시에 고려하여 성능을 개선할 수 있다. 나노입자의 응집성과 부피비는 나노유체의 밀도, 점성, 열전도도를 변하게 하여 최대 모세관 압력한계와 열저항에 영향을 줄 것이다.
^(9,10) 응집도는 r_a/r 로 정의할 수 있다. 동일한 응집도를 갖더라도 인덱스 값이 변하면 나노입자가 응집된 응집체(cluster) 내부의 입자의 면적이 달리지기 때문에 점성과 열전도도 영향을 받을 수 있으며 본 연구에서는 인덱스 값을 1.8로 하여 균일한 응집체들로 가정하고 해석하였다.
열유입량은 200 W이며 응축부 표면에서 315 K의 물이 대류열전달 계수가 1800 W/m² K 로 열전달 된다고 가정하였다. 또한 나노입자의 응집도는 1로 가정하였다.
7은 Al₂O₃ + water를 히트파이프 작동유체로 하여 나노입자의 부피비에 따른 표면온도 분포를 나타낸 것이다. 열유입량은 200 W이며 응축부 표면에서 315 K의 물이 대류열전달 계수가 1800 W/m² K 로 열전달 된다고 가정하였다. 또한 나노입자의 응집도는 1로 가정하였다.
n은 경험적으로 실험에서 나온 형상계수(shape factor)로 n = 3/ψ로 나타내어지며 구로 가정하면 ψ=1으로 나타낼 수 있다. 입자는 구형태(n=3)로 가정하고 본 연구에서는 응집체의 열전도도를 나노입자의 열전도도로 가정하고 해석하였으며 식 (6)과 같이 나타내어진다.

제안 방법

Naphon⁽¹⁾은 티타늄-에탄올과 티타늄-물 나노유체를 적용하여 히트파이프의 열적특성이 향상되는 결과를 보였다. Tsaia⁽²⁾는 나노입자 크기가 히트파이프 열적특성에 미치는 영향을 연구하여 성능향상을 실험적으로 보였으며, Shafahi⁽³⁾은 TiO₂, CuO와 Al₂O₃의 나노입자 층에 대한 특성을 모델링하여 히트파이프 열전달 특성을 수학적으로 해석하였다.
나노유체의 특성이 히트파이프에 미치는 영향을 분석하기 위해 소결윅의 입자와 두께는 일정한 값으로 설정하여 나노입자 부피비와 응집도가 히트파이프 성능에 미치는 영향 분석했다. 그리고 응집성이 일정할 때 소결윅의 입자크기를 변화시켜 모세압과 투과율의 변화가 나노입자 농도 변화에 미치는 영향에 대해 열적 성능해석을 하였다.
나노유체의 특성이 히트파이프에 미치는 영향을 분석하기 위해 소결윅의 입자와 두께는 일정한 값으로 설정하여 나노입자 부피비와 응집도가 히트파이프 성능에 미치는 영향 분석했다. 그리고 응집성이 일정할 때 소결윅의 입자크기를 변화시켜 모세압과 투과율의 변화가 나노입자 농도 변화에 미치는 영향에 대해 열적 성능해석을 하였다.
따라서 소결윅 입자크기를 10μm 에서 500μm까지 변화시켜 히트파이프 윅의 투과율(permeability)을 증가시키고 모세압 감소 시 나노유체를 이용한 히트파이프의 윅 특성을 분석하였다.
열전도도는 Hamilton-Crosser 상관식을 개선하여 응집도 부피비를 반영하였다.⁽¹¹⁾ 나노입자형태는 구형태로 가정하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 히트파이프의 재질과 윅의 재질은 동일하게 구리로 하였고 윅 형태는 소결 윅, 작동유체는 나노유체를 적용하였다. 총길이 60cm에서 가열부 10cm, 응축부 20cm로 설정하였고 히트파이프의 상세한 재원은 Table 1에 나타낸 것과 같다.
본 연구에 사용된 히트파이프의 재질과 윅의 재질은 동일하게 구리로 하였고 윅 형태는 소결 윅, 작동유체는 나노유체를 적용하였다. 총길이 60cm에서 가열부 10cm, 응축부 20cm로 설정하였고 히트파이프의 상세한 재원은 Table 1에 나타낸 것과 같다.

이론/모형

나노유체의 열전도도는 Hamilton-Crosser 상관식을 개선하여 계산하였고 점성은 Krieger-Dougherty 상관식을 개선한 Chen 상관식을 적용하여 나노유체 특성에 대한 히트파이프 성능을 해석하였다.
히트파이프에서 가열부, 응축부에서 이상(Two phase)유동의 의한 열전달계수는 작아서 무시할 수 있으며 표면온도에 대한 것은 N. Zhu가 적용한 식을 사용하였다.⁽¹²⁾ 식 (8)은 히트파이프 전체 열저항을 표현한다.

성능/효과

나노입자의 부피비가 커질수록 가열부와 응축부의 온도차이가 줄어들어 열적성능향상을 보이고 있다. 4%의 나노입자 부피비 일 때 온도분포가 Al₂O₃ , CuO 모두 대략 10% 정도 감소하는 것을 확인하였다.
따라서 모세관 압력한계가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. CuO +water는 나노입자의 응집도가 2의 경우에도 나노입자의 농도가 증가할 때 모세관압력한계가 증가하다가 감소하는 것을 확인하였다.
Table 4에 나노입자의 부피비와 응집도에 대한 열저항을 요약하였다. CuO의 열전도도가 Al₂O₃보다 작은 것을 고려하면 나노입자의 열전도도보다는 응집도가 히트파이프 열저항에 더 큰 영향을 주는 인자임을 확인하였다.
입자부피비가 증가하면 모세관 압력한계가 증가하는 것을 알 수 있다. 나노입자가 이상적으로 유체에 분산되었을 경우 나노입자 부피비의 증가는 점성의 증가보다 밀도에 더 큰 영향을 주는 것으로 확인되며 히트파이프 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
Al₂O₃와 다르게 투과율 상관없이 나노입자의 부피비가 증가하면 모세관 압력한계가 증가하는 것을 알 수 있다. 대략 부피비 0.16 이상에서 모세관압력한계가 감소하며 투과율이 증가할수록 나노입자 부피비에 의한 영향이 커지는 것을 확인하였다. Fig.
응집도가 2~4의 경우는 나노유체의 밀도는 동일한데 응집도가 커질수록 점성에 대한 값이 급격히 증가한다. 따라서 응축부의 작동유체가 윅을 통해 가열부로 이동시 유체마찰증가로 압력손실이 커지며 부피비가 증가하여도 모세관한계는 감소하는 것을 확인하였다.
부피비가 증가할수록 상대점성이 증가하며 응집도가 커질수록 증가폭이 급격해지는 것을 알 수 있다.
나노입자의 응집도가 커질수록 열전도계수가 증가하기 때문에 나노유체의 열전달계수 증가와 히트파이프 유효열전달계수 증가로 이어진다. 응집도가 2, 3, 4로 증가하면 가열부와 응축부의 표면온도차는 6.8%, 13.7%, 25.2% 감소하는 것을 확인 하였다. 즉 나노입자의 응집도 증가는 열저항 감소에는 긍정적인 효과를 보이고 있다.
9는 나노입자(Al₂O₃)에 대한 입자부피비와 응집도와 히트파이프 열저항에 대한 그림이다. 입자농도가 증가할수록, 응집도가 증가할수록 히트파이프 열저항이 감소하는 것을 알 수 있다.
히트파이프 윅 투과율이 큰 경우에는 최대 열수송량은 나노입자의 부피비에 의한 영향이 컸으며 입자농도가 증가하면 열전달 특성이 증가하다 감소해 나노입자의 최적 부피비를 도출할 수 있었다.
히트파이프에서 모세관압력한계는 나노유체의 밀도와 점성에 영향을 받으며 나노입자의 응집도가 1일 경우 부피가 증가 할수록 열전달 특성도 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 응집도가 증가하면 shear thinning 형태를 보이는 나노유체의 특성에 의해 히트파이프 성능이 급격히 감소되었다.
히트파이프의 열저항은 나노입자의 부피비가 증가하면 감소하여 열특성이 향상되는 것을 알 수 있었으며 나노입자의 열전도도보다는 나노입자 응집도에 의한 영향이 컸다. Al₂O₃ 와 CuO에 대한 차이는 미미했다.

후속연구

본 연구결과는 나노입자를 이용한 히트파이프 성능연구 뿐 만 아니라, 히트파이프 실험결과와의 비교, 나노유체를 이용한 열전달 실험 및 수치해석 연구결과와 비교분석을 위한 연구자료로 활용성이 클 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	히트파이프의 열수송은 어떻게 이루어지는가?	히트파이프는 밀폐용기와 내부 다공성구조물(윅, wick)로 구성된 단일기기이며 가열부, 단열구간 그리고 응축부로 구성되어진다. 가열부에서 증발한 증기는 압력분포로 내부통로를 통해 단열구간을 지나 응축부로 이동한다. 응축부에서는 응축된 액체가 윅에서 발생하는 모세관압력으로 가열부로 이동되는 피동형 열수송기기이다. 히트파이프의 열수송 한계점은 작동유체와 윅 형태에 의해 정해지는데 히트파이프 성능을 향상시키기 위한 설계 중 윅의 형태와 작동유체 변화에 대한 열수송한계 연구가 많이 진행되어왔다.
	히트파이프는 무엇인가?	히트파이프는 이상(two phase)유동 열전달을 이용한 열 수송 및 관리를 위한 기기로써 많은 연구가 진행되어 왔다. 열전달 효율이 우수하고 간결한 히트파이프는 컴퓨터 CPU 냉각기기에서 우주추진원자로까지 다양한 엔지니어링 시스템에 적용되고 있다.
	히트파이프는 무엇으로 구성되는가?	히트파이프는 밀폐용기와 내부 다공성구조물(윅, wick)로 구성된 단일기기이며 가열부, 단열구간 그리고 응축부로 구성되어진다. 가열부에서 증발한 증기는 압력분포로 내부통로를 통해 단열구간을 지나 응축부로 이동한다.

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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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