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문제 정의
- 온도 차 및 온도 요동 발생의 원인으로는 불균일한 재료 특성, 내부 작동 유체의 불균일한 응축 및 유동, noise 또는 열 전대 간의 간섭, 냉각 면 상부에서의 자연대류 등 중에서 하나 또는 복합적인 것으로 추정할 수 있다. 본 연구에서는 실험계획법을 적용함으로써 주요 인자들에 대한 체계적인 실험을 통해 보다 정확한 원인을 파악하고자 하였다").
- 본 연구는 heat pipe 식 원리를 적용하여 제작된 disk형 hot plate의. 등온화 성능을 향상시키는 방법을 조사하는데 그 목적이 있다. 온도 차 및 온도 요동 발생의 원인으로는 불균일한 재료 특성, 내부 작동 유체의 불균일한 응축 및 유동, noise 또는 열 전대 간의 간섭, 냉각 면 상부에서의 자연대류 등 중에서 하나 또는 복합적인 것으로 추정할 수 있다.
- 작동 유체를\FC40으로 고정하여 작동 유체의 충전율과 작동온도의 변화 및 메쉬 삽입의 영향을 파악하고자 수행한 실험이다. 모델 1과의 차이는 내 부 증기 채널 높이가 4 mm에서 5 mm로 1 mm 증가하였으며, 이에 따라 내부.
제안 방법
- 인자 수준을 변경하기 어려운 것들이 있고, 인자 수준을 3수준 이상으로 하는 경우 요구되는 실험 회수가 커지게 된다. 따라서, 인자 수준을 2수준으로 고정된 상태로 작동온도 (90°C, 130 °C), 작동유체량 (10%, 20%), 작동 유체 종류, 증기 공간 높이(5mm, 4mm), 응축 부 벽 두께(4mm, 2.5mm), 윅 구조물(메쉬)의 유무에 대한 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 heat pipe 식 원리를 적용하여 제작된 disk형 hot plate의. 등온화 성능을 향상시키는 방법을 조사하는데 그 목적이 있다.
- 빗금 친 부분은 O-ring이 들어가는 위치이다. 상판에 밸브를 부착하여 작동유체량을 변화시킬 수 있게 하였고, 압력계를 부착하여 히트 파이프의 작동상태를 확인할 수 있게 하였다.
- 실험 결과로 얻어지는 특성치는 온도 차와 온도 요동으로 고정하였다. 온도 차는 정상 상태에서 응 축부 외벽에서 측정된 온도들의 일정 시간 동안 평균값 중에서 최고 온도와 최저 온도와의 차이로 정의하고 다음 식으로 표현한다.
- 실험은 작동 유체 충전율을 내부 총체적에 대한 작동 유체량 비율로서 10%에서 20%까지 변화시키고, 피가 열 체 온도.가 90"C 내외와 130°C 내외가 되 도록 온도제어기를 이용하여 수행하였다.
- 앞서 실험인 자로 언급된 것 중 히트파이프의 내부 증기 공간 높이 및 상판 두께 변화에 따른 영향을 조사하기 위해 3가지 모델을 제작하였다. 선정된 모델의 주요 치수는 Table 3-1과 같다.
- 온도즉정을 위해서 열전대(T-type thermocouple, AWG36, OMEGA사) 21개를 고온 고전도도 접착제를 이용하여 silicon 피가 열 체 표면에 부착하였다. 자료획득 장치로는 HP75000을 사용하였으며, PC에 서는 LABTECH NOTEBOOK프로그램을 이용하여 1초 간격으로 21채널의 온도를 측정하고 그 자료를 저장하였다.
- 2에 보여진 바와 같다. 우선 원판형 히트파이프 밑에 silicon rubber 히터를 위치시키고 히트파이프 상판 외벽에 열전대가 부착된 피가 열 체를 올려놓았다. 히터는 전압조절기에 연결하여 히트파이프에 가하는 입력 열부하를 제어할 수 있게 하였다.
- 히트파이프의 원리를 이용한「hot plate에서 등온 화를 위주로 한 열적 성능에 영향을 미치는 설계 변수로는 벽 재료 및 작동 유체의 종류, 응축 부 및 가 열부 내면의 형상(윅구조), 고체 벽의 두꺼】, 내부 공간의 높이, 작동 유체 중 전량 등을 고려하여. 이들 의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 축적된 실험 자료는 가열 면의 등온 편차(불균일도)를 예측하여 향후 히트파이프식 hot plate의 설계 방향을 제시할 수 있도록 하였다.
- 모든 실험에서 피가 열 체는 히트파이프 상판에 부착된 상 태이었다. 이때 작동온도는 90°C와 130°C로 표시하였지만 실제로 온도 분포에서는 5~10t 정도의 변화 폭에서 정상 상태를 이룰 때 온도를 측정하였다. , 온도 차는 21개 채널에 대하여 각각 1분간 평균을.
- 온도즉정을 위해서 열전대(T-type thermocouple, AWG36, OMEGA사) 21개를 고온 고전도도 접착제를 이용하여 silicon 피가 열 체 표면에 부착하였다. 자료획득 장치로는 HP75000을 사용하였으며, PC에 서는 LABTECH NOTEBOOK프로그램을 이용하여 1초 간격으로 21채널의 온도를 측정하고 그 자료를 저장하였다. Fig.
- 으로 고정한 상태에서 실험을 하였다. 작동 유체량, 작동 온도 및 메쉬 삽입에 의한 영향을 조사하였다. 작 동 유체 충전량은, 모델2와 같다.
- 이들 의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 축적된 실험 자료는 가열 면의 등온 편차(불균일도)를 예측하여 향후 히트파이프식 hot plate의 설계 방향을 제시할 수 있도록 하였다.
- 히터는 전압조절기에 연결하여 히트파이프에 가하는 입력 열부하를 제어할 수 있게 하였다. 히트파이프의 원주 둘레는 단열재(ceramic wool)로 단열하여, 하부의 히터에서에서 히트파이프를 통해 상부의 가열 면으로 전달되고, 피가 열 체 면에서 외부 공기로의 열전달은 자연 대류로 이루어지게 하였다.
대상 데이터
- 모델 2의 경우와 같이 작동 유체는 FC40으로 고정한 상태에서 실험을 하였다. 작동 유체량, 작동 온도 및 메쉬 삽입에 의한 영향을 조사하였다.
- 원판형 히트파이프를 아래로부터 가열하기 위해서 상용 silicon rubber heater(직경 240 mm, 550W at 220V)를 이용하였다. 온도제어기를 150°C로 설정하고 정상 상태에서의 히터의 온도를 측정한 결과 중심에서 최대온도 152.
데이터처리
- 실험 결과 얻어지는 반응치인 온도 차와 온도요 동에 대한 분석은 결과를 단순하면서도 명확하게 보기 위하여 실험계획법의 분석 방법을 이용하여 2 인자 2수준으로 분석하였다.
성능/효과
- 6°C로 나타났다. 메쉬가 삽입된 경우에도 작동 유체량보다는 작동온도가 온도 차에 더 큰 영향을 끼치고 있으나 작동유체량 증가의 효과는 메쉬가 없는 경우와는 반대로 성능을 향상시키는 결과를 보였다. 온도 요동에 미치는 영향은 작동유체량 증가로 인해 -0.
- 모델 1에 대한 실험 결과를 종합하면, 반응치인 온도 차와 온도요동은 작동유체량 보다는 작동온도에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 작동유 체 충전율 20%에서 PF5060과 FC40에 의한 영향을 분석해 보면 FC40을 작동 유체로 사용함으로 인해 온도 차는 -0.
- 128로 나타났다. 모델 1의 경우와 달리 작동 유체량이 온도 요동에 끼치는 영향이 작동온도에 의한 영향보다 크게 나타났다.
- 원판형 히트파이프를 아래로부터 가열하기 위해서 상용 silicon rubber heater(직경 240 mm, 550W at 220V)를 이용하였다. 온도제어기를 150°C로 설정하고 정상 상태에서의 히터의 온도를 측정한 결과 중심에서 최대온도 152.9°C, 좌측 아래 부분에 서 최소온도 151.7°C로 동일 평면에서 최대 1.2t의 차이를 보였다.
- 이상의 결과로부터, 모델 1에서는 작동 유체로 PF5060을 사용하고 메쉬가 없을 경우 작동유체량 은 적게, 그리고 작동온도는 낮게 해야 온도 차와 온도 요동을 줄일 수 있음을 알 수 있다.
- 작동 유체가 FC40이고 내부에 메쉬가 있는 경우에 온도 차에 미치는 영향은 작동 유체량 증가(110%- 150%)로 인해 +0.8°C, 작동온도 상승(90°C - 130°C)로 인해 +1SC로 나타났다. 온도 요동에 미치는 영향은 작동 유체량 증가로 인해 -0.
- 작동 유체가 PF5060이고 내부에 메쉬가 없는 경우 온도 차에 미치는 영향은 작동 유체량 증가(10% - 20%)로 인해 +1.3P, 작동온도 상승(90P- 13 0笆)으로 인해 +3.4P로 나타났다 (Fig. 4. 참조). 즉, 작동유체량보다는 작동온도가 온도 차 발생에 더 큰 영향을 주었다.
- 작동 유체는 온도에 따라 열전달 특성이 변화한다는 사실을 고려하여 작동 온도 범위에 적합한 작동 유체를 선정해야 한다. 작동 유체로 PF 5060 와 FC40을 고려할 때 본 연구에서 고려한 적용 도에는 FC40의 물성이 PF 5060보다 우수하다는 것을 실험 결과로 확인할 수 있었다. PF 5060의 경우 임계점 이 178°C로서 예상 작동온도인 135P 부근에서 멀지 않으나, FC 40의 경우는 작동온도보다 훨씬 높은 270°C 부근이며, 비등점도 높다.
- 076으로 증가 하였으나 그 값이 미미하여. 작동 유체에 무관하게 메 쉬를 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있었다
- 모델 1에 대한 실험 결과를 종합하면, 반응치인 온도 차와 온도요동은 작동유체량 보다는 작동온도에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 작동유 체 충전율 20%에서 PF5060과 FC40에 의한 영향을 분석해 보면 FC40을 작동 유체로 사용함으로 인해 온도 차는 -0.5°C, 온도 요동은 -0.058의 성능 향상 효과를 볼 수 있다. 또한 작동온도에 따른 포화 증 기 압력 관계를 볼 때 130'C 부근에서 PF5060은 8기 압인데 비해 FC40는 부압 상태이므로 FC40을 사용하면 히트파이프가 구조적으로 안정하다는 장점을 갖는다.
- 157라는 ■성능 향상 효과를 나타내고 있다. 즉, 메 쉬를 사용하면 온도 차가 미소하지만 감소하고 온도 요동은 상대적으로 큰 효과가 있었다. 한편, FC40을 작동 유체로 사용할 때 메 쉬를 삽입하면 온도 차는 -0.
- 히트파이프 내벽에 작동 유체가 고르게 분포되도록 하기 위해 스크린 메 쉬를 삽입한 경우 히트파이프 성능 향상에 도움이 되었다. 최적의 작동 유 체량에 있어서는 PF 5060인 경우 20%와 10% 간의 성능 차가 컸으나 FC40인 경우 20%와 10% 간의 성 능 차이는 크지 않았다. 히트파이프가 고온으로 상승하면 주위와의 열교환을 이루면서 응축 부 영역 내에서 온도 차가 커지게 된다.
- 즉, 메 쉬를 사용하면 온도 차가 미소하지만 감소하고 온도 요동은 상대적으로 큰 효과가 있었다. 한편, FC40을 작동 유체로 사용할 때 메 쉬를 삽입하면 온도 차는 -0.5P로 미소하게 감소하는 효과가 있었다. 온도 요동은 +0.
- 한편, 작동유체량을 총체적의 20%로 하여 메쉬 가 없는 경우와 메 쉬를 삽입한 경우에 대한 결과를 분석해보면, 메 쉬를 삽입함으로써 온도 차는 +0.3°C, 온도 요동은 -0.025으로서 모델 2에 비하면 메쉬 삽입에 의한 영향이 적게 나타났다.
후속연구
- 유지하며 가열되어야 하는 공정도 있다. 통판으로 제작된 disk형 hot plate를 사용하면 고체 구조물을 통한 두께 방향의 열전도 과정에서 열적 소산으로 인해 어느 정도의 등 온화 효과를 이룰 수는 있지만, 이것으로 만족스럽지 못한 정밀 가공 또는 공정에서는 동일한 두께에서 heat pipe의 원리를 적용하는 것이 등 온화 조건을 형성하는데 효과적일 것으로 기대된다.
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