[논문]중성자 영상법을 이용한 Heat Pipe 내의 이상유동 가시화

김태주; 박수지; 김종열; 도승우

doi:10.5407/jksv.2016.14.3.015

중성자 영상법을 이용한 Heat Pipe 내의 이상유동 가시화
Visualization of 2-Phase Flow at Heat Pipe using Neutron Imaging Technique 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.14 no.3, 2016년, pp.15 - 21

김태주 (Korea Atomic Energy Research Institute) , 박수지 (Korea Atomic Energy Research Institute) , 김종열 (Korea Atomic Energy Research Institute) , 도승우 (Pohang University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

The circular and flat heat pipe were experimentally investigated by using neutron imaging technique. This experimental study was performed at the DINGO of OPAL research reactor, Australia. The diameter of the circular heat pipe is 10 mm and the dimension of flat is $10(width){\times}3(thickness)mm2$, respectively. We used the distilled water as a coolant. The coolant distributions and 2-phase flow patterns were measured under heating conditions. Experimental results show that neutron imaging technique is a good tool to visualize the 2-phase flow and phenomena in the heat pipe. The coolant distributions and 2-phase flow patterns depend on installation posture of the heat pipe and volume ratio of the coolant. Finally, it was discussed to calculate the void fraction by neutron imaging technique.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 운전 중인 평판형 및 원형 히트 파이프 내부의 2상유동의 구조 변화를 중성자 영상법으로 가시화 실험을 수행하였다. 본 연구로부터 도출된 주요결과는 다음과 같다.
그러나 대부분의 연구들은 히트파이프의 구조적 문제로 인해 투명한 유리관 등 활용했기 때문에 온도장의 변형 등과 같은 한계가 존재한다. 본 연구에서는 작동 중인 히트파이프 내의 2상유동 구조 및 작동 유체 분포를 중성자 영상법으로 가시화하고, 특성을 이해하고자 하였다.

제안 방법

카트리지 히터(100W)와 알루미늄 블록으로 가열부를 제작하고, 가열부 상부에 히트파이프의 증발부를 삽입하였다. 가열부에 공급되는 전압을 조절하여 히트파이프 증발부의 온도를 제어하였다. 히트파이프의 작동 유체 충진율에 따른 변화를 동시에 가시화하기 위해 3개의 히트파이프를 가열부에 결합하고, K형 열전대와 자료획득장치(Agilent 34970A)를 통해 2초 간격으로 히트파이프의 벽면 온도를 측정하였다.
각 실험 조건에서 1분 동안의 변화를 측정하였으며, 실험이 수행된 조건에서 공간 및 시간 분해능은 100 μm/pixel와 0.05 초이다.
4은 히트파이프 내 비등 실험장치의 개념도를 보여준다. 카트리지 히터(100W)와 알루미늄 블록으로 가열부를 제작하고, 가열부 상부에 히트파이프의 증발부를 삽입하였다. 가열부에 공급되는 전압을 조절하여 히트파이프 증발부의 온도를 제어하였다.
가열부에 공급되는 전압을 조절하여 히트파이프 증발부의 온도를 제어하였다. 히트파이프의 작동 유체 충진율에 따른 변화를 동시에 가시화하기 위해 3개의 히트파이프를 가열부에 결합하고, K형 열전대와 자료획득장치(Agilent 34970A)를 통해 2초 간격으로 히트파이프의 벽면 온도를 측정하였다. Table 1과 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 중성자 검출기로 Andor사의 Neo CMOS (2560 × 2160 pixels, 16 bit )카메라와 두께 100 μm 의6LiF/ZnS:Ag의 중성자 전환막를 사용하였다.
본 연구에서는 중성자원으로 Fig.3의 호주 OPAL 연구용 원자로 내의 중성자 영상 장치(DINGO)를 이용하였다. DINGO는 실험 종류에 따라 중성자속(Neutron Flux)과 빔 집속비(L/D ratio)를 다양하게 선택할 수 있다.

후속연구

식(3)에서 구한 액막의 두께를 활용하여 2상유동 구조 변화에 따른 기공율의 변화를 이론적으로 계산할 수 있을 것으로 판단된다. 그렇지만 식(3)을 적용하기 위해서는 히트파이프 작동유체의 중성자 흡수 계수를 측정해야 하고, 중성자 영상법으로 계산한 이론적 기공율에 대한 검증 및 적용을 위한 추가적인 연구의 수행이 필요하다.
이처럼 중성자 영상법은 작동 중인 히트파이프 내부에서 일어나는 핵비등 과정, 2상유동 거동 및 작동 유체의 분포를 비파괴적으로 가시화할 수 있다. 중성자 영상법으로 측정한 2상유동 구조 변화 정보는 히트파이프 성능 향상에 필수적인 최적 충진율 계산 등에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 본 연구에서 소개한 중성자 영상법을 활용하여 다양한 조건에서 히트파이프 내의 2상유동구조 변화 특성에 대한 정량화된 데이터를 획득하고, 이를 바탕으로 최적 충진율 계산에 활용한다면 히트파이프 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	히트 파이프의 장점은 무엇인가?	최근 들어 고성능 전자기기가 개발되고 기기의 내구성, 신뢰성과 작동 효율 향상을 위해 기기 내의 효과적인 열관리가 주요 관심사이다. 히트 파이프(Heat Pipe)는 양단 사이에 주어진 온도차에 의하여 작동 유체가 기체-액체의 상변화를 일으키며 열을 전달하는 밀폐형 열수송 소자로서 작은 온도 차로 대량의 열수송이 가능하다[1,2,3,4]. 일반적으로 히트파이프는 넓은 작동 범위에서 안정된 작동을 보이는 것으로 알려져 있다.
	히트 파이프란 무엇인가?	최근 들어 고성능 전자기기가 개발되고 기기의 내구성, 신뢰성과 작동 효율 향상을 위해 기기 내의 효과적인 열관리가 주요 관심사이다. 히트 파이프(Heat Pipe)는 양단 사이에 주어진 온도차에 의하여 작동 유체가 기체-액체의 상변화를 일으키며 열을 전달하는 밀폐형 열수송 소자로서 작은 온도 차로 대량의 열수송이 가능하다[1,2,3,4]. 일반적으로 히트파이프는 넓은 작동 범위에서 안정된 작동을 보이는 것으로 알려져 있다.
	히트파이프의 단점은 무엇인가?	일반적으로 히트파이프는 넓은 작동 범위에서 안정된 작동을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나 제한된 작동 영역에서는 내부 작동 유체의 비등과 2상유동에 관련된 불안정성에 기인하여 여러 형태의 불안정한 작동 현상이 나타난다. 한 예로써 증발부에서 불연속적인 핵비등이 진행되고, 이 결과 히트파이프의 온도가 시간에 따라 증가와 감소를 반동하는 진동현상이 나타난다.

참고문헌 (10)

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