KR100350363B1 - 응축 및 비등 촉진 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체의 응축과 비등시 접촉하는 고체면 상에 발생하는 액적 (liquid drop) 및/또는 기포(bubble)의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수를 갖는 음파(acoustic wave)를 인가하여, 발생된 액적 및 기포를 고체면으로부터 효과적으로 분리시켜 새로운 유체가 지속적으로 빈번히 고체면과 접촉할 수 있도록 유도함으로써 유체의 응축 및 비등을 촉진시켜 이에 소비되는 에너지의 효율을 높일 수 있는 장치에 관한 것이다. 응축 및 비등 촉진 장치는 사전설정된 주파수를 갖는 구동 신호를 발생하는 수단과, 이 구동 신호에 응답하여 음파(acoustic wave)를 발생하는 수단을 포함하고 있다.

Description

응축 및 비등 촉진 장치{APPARATUS FOR ENHANCING CONDENSATION AND BOILING OF A FLUID}
본 발명은 유체(fluid)의 응축(condensation) 및 비등(boiling)을 촉진시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체의 응축과 비등시 접촉하는고체면에 발생하는 액적(liquid drop) 및/또는 기포(bubble)를 효과적으로 분리시키기 위해 그 액적 및/또는 기포의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수를 갖는 음파(acoustic wave)를 인가하여 유체가 고체면과 지속적으로 접촉할 수 있도록 유도함으로써 유체의 응축 및 비등을 촉진시키는 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 냉동 장치의 응축기 및 증발기, 석유화학 및 공기조화(air-conditioning) 관련기기, 발전소의 냉각 장치 등에 사용되는 유체의 응축 및 비등을 촉진시키기 위해, 이 유체가 접촉하는 고체의 표면을 가공하는 방법, 미국 특허 제 5,025,187 호 및 일본 특허 공개 공보 제 59,8548 호에 개시된 바와 같이 고체의 공진주파수에 대응하는 주파수를 직접 고체면에 인가하는 방법, 유체에 전기장을 인가하는 방법, 고체면의 표면에 계면활성제를 도포하는 방법을 사용하고 있다.
유체와 접촉하는 고체 표면을 가공하는 방법은 고체 표면에 기계적으로 그루브(groove)를 형성하여 유체와 접촉하는 고체의 표면적을 증가시킴으로써 응축 및 비등을 촉진시키기 위해 사용되고 있으나, 예를 들어 고체가 원통관과 같은 형상을 갖는 경우 이의 가공비가 상당히 고가일 수 밖에 없어 널리 사용되기 어려운 문제점이 있다. 또한, 가공된 고체면 상에 마련된 그루브 내에 파울링(fouling)이 발생함으로 인해 유체의 유동 압력 손실이 증가한다는 문제점이 있다. 유체에 전기장을 인가하는 방법은 이에 사용되는 전압이 수십 킬로볼트(kV)로서 매우 높아 안전성 및 비용의 측면에서 상당한 문제가 있어 상용화되지 못하고 있다. 또한, 계면활성제를 고체면에 도포(coating)하는 방법은 유체가 고체면과 접촉하는 면적을 증가시켜 이의 응축 및 비등을 촉진시키는 방법이지만, 시간이 흐를수록 고체면에도포된 계면활성제가 이에 접촉하는 유체에 용해됨으로써 응축 및 비등 성능이 저하될 뿐만 아니라 유체에 용해된 계면활성제로 인해 환경 오염이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 더욱이, 고체의 공진주파수에 대응하는 주파수를 직접 고체면에 인가하는 방법은 유체가 접촉하는 고체가 공기조화기기의 핀-관 열교환기와 같은 형상을 갖는 경우에 적용하기 어려우며, 수십 킬로헤르쯔(kHz)의 고주파를 사용하여야 한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 유체의 응축과 비등시 접촉하는 고체면에 발생하는 액적 및/또는 기포를 효과적으로 분리시키기 위해, 그 액적 및/또는 기포의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수를 갖는 음파를 인가하여 유체가 고체면과 지속적으로 접촉할 수 있도록 유도함으로써 유체의 응축 및 비등을 촉진시키는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 유체의 응축 및 비등 과정(process)에서 유체와 접촉하는 고체면 상에 형성되는 유체의 액적 및/또는 기포를 고체면으로부터 분리시켜 응축 및 비등을 촉진시키기 위해, 사전설정된 주파수를 갖는 구동 신호를 발생하는 수단과, 이 구동 신호에 응답하여 음파(acoustic wave)를 발생하는 수단을 포함하는 응축 및 비등 촉진 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 응축 및 비등 촉진 장치의 개략적인 블럭도,
도 2는 액적이 고체면으로부터 분리되기 위한 최소 가진 속도와 공진주파수의 관계를 나타내는 도면,
도 3은 액적이 공진에 의해 고체면으로부터 분리되는 현상을 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
102 : 신호발생기
104 : 신호증폭기
106 : 진동자
110 : 고체면
120 : 액적 및/또는 기포
도 1을 참조하면, 도 1에는 본 발명에 따른 유체의 응축 및 비등 촉진 장치(100)의 개략적인 블럭도가 도시되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 응축 및 비등 촉진 장치(100)는 유체가 응축되거나 비등되는 경우 이 유체가 접촉하는 고체의 표면(즉, 고체면(110))에 형성되는 액적 및/또는 기포(120)의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수를 갖는 전기 신호를 발생하는 신호발생기 (102), 신호발생기(102)로부터 발생된 전기 신호를 사전설정된 신호 레벨(level)까지 증폭하기 위한 신호증폭기(104), 신호증폭기(104)로부터 증폭된 전기 신호를 수신하고 이에 대응하는 음파(acoustic wave)를 발생하여 고체면(110) 상에 형성된 액적 및/또는 기포(120)에 직접 인가하는 진동자(106)를 포함하고 있다. 도 1에는 신호발생기(102), 신호증폭기(104), 진동자(106)가 별개의 것으로 도시되어 있으나, 당업자라면 이들이 하나의 유닛(unit)으로 집적될 수 있음을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
신호발생기(102)는 예를 들어, 사인파, 삼각파, 톱니파, 사각파 등과 같이 사전설정된 주파수를 갖고 시간에 따라 주기적으로 변화하는 전기 신호를 발생하여 이를 신호증폭기(104)로 전송한다. 신호증폭기(104)는 신호발생기(102)에서 발생된 전기 신호를 전술한 바와 같이 사전설정된 신호 레벨까지 증폭한 다음 이를 구동 신호로서 진동자(106)에 제공한다.
진동자(106)는 신호증폭기(104)로부터 제공된 구동 신호에 응답하여 이에 대응하는 음파를 발생하며, 고체면(110)에 부착된 유체의 액적 및/또는 기포(120)로 발생된 음파를 직접 인가한다. 진동자(106)는 예를 들어, 음파를 발생할 수 있는 음향 스피커 및 모터(motor)에 기계적으로 연결되어 시간주기적으로 진동하는 멤브레인(membrane)(예컨대, 진동막), 플립(부채), 피스톤, 또는 압전소자(piezo-electric device) 등으로 구현될 수 있다. 진동자(106)에서 발생된 음파(액적 및/또는 기포(120)의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수를 가짐)가 고체면(110) 상에 형성된 유체의 액적 및/또는 기포(120)를 이의 고유 진동수로 공진시켜 고체면 (110)으로부터 효과적으로 제거함으로써 유체의 응축 및 비등을 촉진시킨다.
도 2는 도 1에 도시한 고체면(110)에 부착된 액적 및/또는 기포(120)를 분리시키기 위한 최소 가진 속도(vibration velocity)와 주파수의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서, 참조번호(120)는 기포가 아닌 액적이며 이에 인가되는 음파는 신호발생기(102)에서 발생된 전기 신호의 주파수와 동일한 주파수를 갖고, 단위는 헤르쯔(Herz)이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 공동(hollow)으로 표시한 각각의 포인트(point)들은 액적(120)이 고체면(110) 상에 형성된 후, 이 액적(120)에 인가되는 음파의 주파수를 0 Hz에서부터 서서히 증가시키면서 액적(120)이 고체면(110)으로부터 분리되는 순간, 액적(120)에 인가된 음파의 주파수 및 액적(120)의 평균 가진 속도(vibration velocity)를 측정한 것이다. 여기서, 각각의 공동에 표시한 에러바(error bar)는 소정의 주파수에서 측정한 가진 속도의 +/- 표준편차를 나타낸다. 도 2에서 쓰여진 액체는 물(water)이며, 이때 사용된 액적의 부피는 반지름은 약 1.3 mm의 구와 같다. 널리 알려진 바와 같이, 액적이 고체면과 접촉하지 않고 공중에 부양되어 있는 경우, 이 액적의 고유 진동수 f는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
여기서, n은 액적의 진동 형상을 결정하는 진동 모드수(mode number)이고, σ, ρ, a는 각각 액적의 표면 장력, 밀도, 반지름을 나타낸다. 수학식 1을 사용하여 고체면(106) 상에 형성된 액적(120)의 고유 진동수를 계산하면, 물의 경우 σ는 0.0717 N/m이고 ρ는 1000 kg/㎥이므로, 액적(120)(즉, 물)의 고유 진동수는 진동 모드수가 2(즉, 2차 모드)인 경우 약 80 Hz이다. 이 액적(120)이 고체면(110)에 부착되어 있는 경우에도 그 고유 진동수는 공중에 부양되어 있는 경우의 고유 진동수에서 크게 벗어나지 않는다고 가정했을 때, 도 2에 도시한 바와 같이 포인트 B 부근 영역에서의 주파수가 80 Hz에 근사함을 알 수 있다. 따라서, 포인트 B가 액적(120)의 2 차 모드의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수임을 알 수 있으며, 포인트 A는 액적(120)의 1 차 모드의 고유 진동수에 대응하는 공진주파수인 것으로 추정된다.
이에 부가하여, 포인트 A와 B를 액적(120)의 공진주파수로 판정하는 이유는, 소정의 주파수에서 액적 분리에 필요한 최소의 가진 속도가 작다는 것이 액적을 효율적으로 진동시켜 액적이 고체면으로부터 분리되는 상태를 나타내기 때문이다. 그러므로, 소정의 주파수에서 액적 분리에 필요한 최소의 가진 속도가 크다는 것은 액적을 효율적으로 진동시키지 못하기 때문에 액적의 표면 장력으로 인해 액적이 고체면에 계속 부착되어 있는 상태를 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 액적은 진동 모드(예컨대, 1차, 2차, 3차등)에 따라 한 개 이상의 공진주파수를 가지며, 이 공진주파수는 액적의 크기에 따라 상이하므로, 신호발생기(102)에서 주파수를 변화시키면서 진동자(106)에서 발생된 음파를 액적(120)에 인가하면 다양한 크기의 액적을 고체면으로부터 분리시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 3은 액적(120)이 포인트 A에서의 공진주파수에서 고체면(106)으로부터 분리되는 일련의 과정을 고속 카메라로 촬영한 사진을 나타내고 있다. 이때, 포인트 A에서 액적(120)에 인가된 음파의 주파수는 약 25 Hz이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 시간 -205 ms 내지 -5 ms 사이에서는 액적(120)이 고체면(110)과 접촉하는 면적이 액적(120)의 진동과 함께 증가 및 감소를 반복하다가, -3 ms 내지 0 ms 사이에서는 급격히 감소하면서 액적(120)이 고체면(106)으로부터 완전히 분리되는 것을 알 수 있다. 여기서, 시간은 액적(120)이 고체면(160)으로부터 분리되는 시간을 제로(zero)로 하여 상대적인 값으로 표시한 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 냉동기의 응축기 및 증발기, 석유화학 및 공기조화 관련기기, 발전소의 냉각 장치, 고발열량의 소형 전자부품, 항공기 및 우주선의 전자장치 등과 같이 유체의 응축 및 비등에 의해 높은 열전달 효율이 요구되는 시스템에서 응축 및 비등을 촉진시켜 이의 성능을 개선함으로써, 에너지 소비를 상당히 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 응축 및 비등 촉진 장치가 공기조화 산업 분야의 증발기로 사용되는 핀-관 열교환기에서 공기측 핀에 응축되는 수분을 제거하기 위한 수단으로서 적용될 수 있다. 또한, 유체의 액적 및/또는 기포 발생과 부착에 기인하는 고체면의 부식과 스케일링(scaling)의 문제가 있는 라디에이터(radiator), 냉각탑 등에서 액적 및/또는 기포를 제거하기 위한 장치로도 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 응축 및 비등 촉진 장치(100)는 집적된 하나의 유닛으로 마련될 수 있으므로, 높은 열전달 효율이 요구되며 치수(dimension)가 작은 소형의 시스템에도 적용할 수 있는 특징이 있다.

Claims (9)

  1. 유체의 응축 및 비등 과정(process)에서, 유체와 접촉하는 고체면 상에 형성되는 상기 유체의 액적 및/또는 기포를 상기 고체면으로부터 분리시켜 응축 및 비등을 촉진시키기 위한 장치에 있어서,
    사전설정된 주파수를 갖는 구동 신호를 발생하는 수단과,
    상기 구동 신호에 응답하여, 음파(acoustic wave)를 발생하는 수단
    을 포함하는 응축 및 비등 촉진 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전설정된 주파수가 상기 액적 및/또는 기포의 고유 진동수(f)에 대응하며,
    상기 고유 진동수(f)는,
    (수학식 1)
    에 의해 계산되는데,
    n은 상기 액적 및/또는 기포의 진동 형상을 결정하는 진동 모드수(mode number)이고, σ는 표면 장력이며, ρ는 밀도이고, a는 반지름인 응축 및 비등 촉진 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 신호를 사전설정된 신호 레벨(level)로 증폭시키는 수단을 더 포함하는 응축 및 비등 촉진 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동 신호 발생 수단, 상기 음파 발생 수단, 상기 증폭 수단이 단일의 소형 전자 회로로 집적되어 있는 응축 및 비등 촉진 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 신호가 사인파, 삼각파, 톱니파, 또는 사각파를 포함하는 응축 및 비등 촉진 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음파 발생 수단이 멤브레인(membrane), 피스톤(piston), 음향 스피커, 또는 압전소자(piezoelectric device)를 포함하는 응축 및 비등 촉진 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 음파가 상기 고유 진동수(f)에 대응하는 공진주파수를 갖는 응축 및 비등 촉진 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 액적 및/또는 기포가 상기 공진주파수로 동조되는 응축 및 비등 촉진 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공진주파수가 수십 헤르쯔(Hertz)인 응축 및 비등 촉진 장치.
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