초록 ▼

본 연구에서는 다공성 발포알루미늄을 사용한 전열촉진기술의 개발을 위한 필수적인 요소인 발포알루미늄의 열물성과 대류열전달 특성에 관련된 광범위한 설계 자료를 축적하였고 다공성 물질내의 열유동현상을 해석할 수 있는 해석적, 수치적 방법을 개발하였다. 또한 이를 실제의 전열촉진장치에 적용한 방열핀과 다공핀 열교환기 시제품을 개발하여 성능을 평가하였다. 다공성 물질의 모델링에 사용되는 변수인, 다공도, 유효열전도도 및 침투율이 측정되었다. 현재 발포금속(Foam metal)을 제작하는 미국ERG사에서 제공한 물성치등의 특성자료가 부정확하여

본 연구에서는 다공성 발포알루미늄을 사용한 전열촉진기술의 개발을 위한 필수적인 요소인 발포알루미늄의 열물성과 대류열전달 특성에 관련된 광범위한 설계 자료를 축적하였고 다공성 물질내의 열유동현상을 해석할 수 있는 해석적, 수치적 방법을 개발하였다. 또한 이를 실제의 전열촉진장치에 적용한 방열핀과 다공핀 열교환기 시제품을 개발하여 성능을 평가하였다. 다공성 물질의 모델링에 사용되는 변수인, 다공도, 유효열전도도 및 침투율이 측정되었다. 현재 발포금속(Foam metal)을 제작하는 미국ERG사에서 제공한 물성치등의 특성자료가 부정확하여 다시 정확하게 측정하여 기본자료화 하였다. 전열성능을 향상시키기 위한 비등방성 발포금속을 제작하여 등방성 및 비등방성 발포금속의 모델링에 사용되는 침투율, 다공도 및 유효열전도도를 측정하여 그 특성을 비교하였다. 다공성 물질내의 비정상 대류열전달 실험을 수행하여 다공성 물질내의 대류열 전달 현상을 지배하는 고체매질과 유체유동사이의 대류열전달계수에 관한 기본 자료를 축적하였다. 우선, 기초 지식을 확보하기 위해 정상상태의 유동장에 놓인 균질 다공성 물질의 비정상 대류열전달 특성에 대해 연구를 수행하였다. 이어 다공성 물질의 응용장치에서 자주 발견되는 복잡한 요소인 다공성 물질의 비균질성과 유동의 비정상성의 영향을 해석하기 위해 정상상태의 유동조건을 가지는 비균질 다공성 물질의 대류열전달 특성과 비정상 유동인 맥동유동에 의한 균질 다공성 물질의 열전달특성을 조사하였다. 이 연구를 통해 실제의 복잡한 열전달촉진장치인 열재생기와 자동차의 촉매반응기 등의 정확한 설계를 위한 자료를 제시하였다. 다공성 물질내의 열유동 현상에 대한 실험적인 접근방법을 보완하고 연구결과의 적용범위를 확장하기 위해 다공성 물질에 의한 대류열전달 특성을 해석할 수 있는 수학적, 수치해석적 방법을 개발하였다. 수학적 방법을 사용하여 다공성 물질과 유체유동사이의 온도차이에 의한 대류열전달 현상을 고찰할 수 있는 모델을 개발하여 이 모델을 통해 다공성 물질의 특성에 따른 대류열전달 현상을 다양한 변수영역에서 고찰하였다. 또한 최근 점점 복잡 다양해지는 다공성 물질내의 열유동현상을 해석할 수 있는 수치해석프로그램을 개발하고 이를 이용하여 보다 복잡하고 다양한 변수를 가진 비등방성 다공성 물질의 열유동 현상을 조사하여 열전달촉진의 관점에서 최적화 형상을 조사하였다. 평판-다공핀 열교환기의 열전달성능을 예측할 수 있는 모델을 개발하여 대류열 전달 특성에 관한 실험을 수행하였다. 실제의 열교환기와 유사한 조건인 등온조건을 가지는 2차원 채널을 제작하여 등방성 발포알루미늄의 열전달 특성을 연구하였다. 한편, 발포알루미늄에 의해 발생하는 과도한 압력손실량을 감소시켜 전체적인 열전달성능을 보다 향상시키기 위한 시도로 비등방성 발포금속을 사용하여 최적의 형상에 대해 연구하였다. 발포금속을 사용한 대류열전달 실험결과를 토대로 실물 크기의 Heat core용 열교환기를 시험 제작하여 기존 루버핀 열교환기와 성능을 비교하였다. 또한, 열전달 및 냉각문제가 중요한 설계 및 운용요소가 되고 있는 전자장비나 고성능 컴퓨터의 전자칩에 있어 기존에 사용되고 있는 방열핀을 대신하여 냉각성능을 향상시킨 다공성 방열핀을 개발하였다.

Abstract ▼

In the present study, the indispensible parameters for the design of the heat transfer device using porous media such as thermophysical properties were measured. The characteristics of the flow and the heat transfer of the aluminum foam have been investigated in detail. Analytical models and the com

In the present study, the indispensible parameters for the design of the heat transfer device using porous media such as thermophysical properties were measured. The characteristics of the flow and the heat transfer of the aluminum foam have been investigated in detail. Analytical models and the computational method were developed to analyze the flow and heat transfer in complicated porous media. By using these results, a porous fin heat exchanger and a porous heat sink have been developed and their performances have been evaluated. The thermophysical parameters for the analysis of heat transfer in the porous media such as porosity, effective thermal conductivity and permeability of the aluminum foam were measured. In an attempt to enhance the heat transfer performance, an anisotropic foam was fabricated and its effective thermal conductivity and permeability were measured and compared to those of the isotropic aluminum foam. Extensive experiments on the transient convective heat transfer in the porous media were carried out to reveal the thermal interaction between fluid flow and solid matrix in the porous media. First, the transient convective heat transfer in the porous media with the steady throughflow was investigated. For the complicated conditions which are frequently encountered in the state-of-the-art application of the porous media, the effects of a heterogeneous porous media and unsteady throughflow on the heat transfer were examined. In order to overcome the limit of the experimental approach to the flow and the heat transfer in the porous media, the analytical model and the computational method were developed. In the analytical model, the convective heat transfer by the temperature difference between the fluid and solid was considered and characteristics of the convective heat transfer were investigated. By the numerical calculation, the complicated phenomena in the anisotropic porous media were studied for the wide ranges of parameters and the optimal shape of the porous media for the enhanced heat transfer was provided. For the development of the heat transfer device using porous media, experiments were conducted for the simplified model under the wide range of the thermal conditions. The characteristic of the heat transfer in the isotropic foam placed in 2-dimensional channel with isothermal walls was examined. In order to reduce the large pressure drop in the aluminum foam, the anisotropic foam was introduced and the optimal shape of the foam was suggested. A prototype of plate-porous fin heat exchanger was constructed and its performance was compared with that of the conventional plate-louvered fin heat exchanger. Also, the porous heat sink was developed and its performance was compared with conventional heat sink used in the electronics cooling device.

목차 Contents

• 제1장 서론...19
• 제2장 국내외 기술개발 현황...21
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...23
• 제1절 다공성 물질의 열물성 측정...23
• 1. 유효열전도도의 측정...25
• 2. 투과율의 측정...34
• 제2절 구형 다공성 물질내의 비정상 대류열전달 특성...42
• 1. 정상유동장내의 균질 다공성 물질...42
• 2. 정상유동장내의 비균질 다공성 물질...57
• 3. 비정상유동장내의 다공성 물질...71
• 제3절 다공성 물질내 대류열전달 현상에 관한 모델해석...86
• 1. 다공성 물질을 이용한 고성능 열교환기의 설계 기준...86
• 2. 다공성 물질 내 유동 경계층이 대류 열전달에 미치는 영향...104
• 3. 다공성 물질을 이용한 밀집형 열교환기의 설계 방법...115
• 4. 다공성 물질의 대류열전달 해석을 위한 프로그램의 개발...127
• 제4절 발포알루미늄의 대류열전달 특성...140
• 1. 등방성 발포알루미늄의 대류열전달 특성...140
• 2. 비등방성 발포알루미늄의 대류열전달 특성...151
• 3. 비균질 발포알루미늄의 대류열전달 특성...166
• 제5절 발포알루미늄을 이용한 전열촉진장치의 개발...178
• 1. 발포알루미늄 방열핀의 개발...178
• 2. 평판-다공핀 열교환기의 개발...190
• 3. 평판-다공핀 열교환기의 시제품 제작...206
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...209
• 제1절 다공성 물질의 열물성 측정...209
• 제2절 다공성 물질의 비정상 대류열전달 특성...209
• 제3절 다공성 물질의 대류열전달 현상에 관한 해석방법 개발...210
• 제4절 발포알루미늄의 대류열전달 특성...210
• 제5절 다공성 물질을 이용한 전열촉진장치의 개발...211
• 제6절 연구수행에 의한 외형적 결과...211
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...215
• 제6장 참고문헌...217