KR100613615B1 - 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 이를 사용한 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 이를 사용한 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비등열전달에 사용되는 물이나 냉매와 같은 작동유체에 소정량의 탄소나노튜브를 분산시켜 작동유체의 비등 열전달 성능을 크게 개선시킨 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 이를 사용한 열교환기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체에 의하면 비등 열전달계수를 증진시키기 위해 열전달 표면을 특수하게 가공하는 등의 적용이 어려운 소규모 적용예에서도 비등 열전달의 향상을 얻을 수 있다.

비등열전달, 탄소나노튜브, 작동유체, 증기핵, 기포, 열유속, 열전달계수

Description

탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 이를 사용한 열교환기{WORKING FLUID CONTAINING CARBON NANO TUBE AND HEAT EXCHANGER USING THEREOF}

도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 본 발명의 작동유체에 의한 기포생성 원리를 나타낸 확대도이고,

도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 물과 탄소나노튜브를 포함하지 않은 물에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 나타낸 도표이고,

도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 R22냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R22냉매에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 나타낸 도표이고,

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 R134a냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R134a냉매에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 나타낸 도표이고,

도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 R123냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R123냉매에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 나타낸 도표이고,

도 6은 종래의 산화알루미늄 입자를 사용한 비등열전달에서 산화알루미늄 입자가 불결 효과를 일으키는 것을 나타낸 확대도이다.

* 주요 도면 부호의 설명 *

1: 작동유체 2: 탄소나노튜브

5: 증기핵 6: 기포

10: 열전달 표면 11: 함몰부

20: 산화알루미늄 나노입자

본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tubes)를 열교환기내의 작동 유체에 분산시켜 비등열전달 성능을 증대시키도록 하는 작동유체에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 지금까지 원자력 및 화력 발전소, 냉동기, 히트 펌프, 반도체 냉각, 히트 파이프 등에 널리 사용되어 온 물과 냉매 등에 적정량의 탄소나노튜브를 분산시켜 비등 열전달 계수를 크게 향상시키는 방법에 관한 것이다.

비등 열전달은 여러 공학 시스템의 열발생 공정에서 널리 이용되는 중요한 열전달 방법 중 하나이다. 임의의 가열면에 액체가 접해 있으면서 비등이 일어나는 경우에는 전달되는 열의 대부분이 액체의 기화열로 효과적으로 흡수되므로 가열면과 액체간의 온도 차이가 작아도 열전달이 잘 이루어지는 것을 이용한 것이 비등 열전달이다.

특히 열전달 표면에서 기포가 발생하는 핵비등 열전달은 일반 단상 열전달보다 훨씬 더 많은 양의 열을 효과적으로 전달할 수 있으므로 화력 발전소와 원자력 발전소의 보일러, 각종 난방 기기의 보일러, 각종 냉동기와 히트 펌프의 증발기, 히트 파이프, 반도체 냉각 등 여러 분야에서 다양한 유체와 함께 적용되고 있다. 이처럼 비등 열전달은 다양한 산업체의 여러 분야에서 널리 이용되어 왔고 또 각종 산업의 발달과 함께 앞으로도 계속해서 응용 분야가 확장될 것으로 전망되며 이에 대한 기본적인 연구도 계속적으로 수행되어 왔다.

특히 비등 열전달은 열전달 표면의 상태 그리고 열전달 표면과 열전달 유체와의 관계 등에 의해 크게 영향을 받으므로 지금까지 대개 실험에 의한 연구가 많이 진행되어 왔다.

최근에는 비등 열전달 계수를 증진시키기 위해 열전달 표면을 가공하여 열전달 촉진관을 만드는 기법들이 개발되어 실제의 열교환기에 적용되고 있지만, 반도체나 마이크로 채널 열교환기, 히트 파이프 등과 같이 소규모 적용사례에서는 이런 기법을 사용할 수 없거나 경제적인 실효성이 없다.

또한 이러한 열전달 촉진 기법을 사용하더라도 이에 부가하여 비등 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 방법이 요청되어 왔다.

이 같은 필요에 부응하여 지난 10여년간 국내외에서 크기가 매우 작은 마이크로 혹은 나노 입자를 작동 유체에 분산시켜 열전달 계수를 증진시키려는 연구가 다수 수행되었으나, 단상 열전달의 경우에도 아직까지 나노입자의 효과를 실험적으로 입증한 사례는 거의 없고 적용시 효과가 있을 것이라는 추측만이 있을 뿐이다. 따라서 이러한 나노 입자를 실제 시스템에 적용한 사례도 찾아볼 수 없다.

한편 비등열전달의 경우 원자력 발전소의 보일러에 쓰기 위해 산화알루미늄 (Al₂O₃)과 같은 나노 입자를 물에 분산시켜 비등 열전달 증대를 꾀하려는 시도가 있었다.

도 6은 산화알루미늄 입자를 사용한 비등열전달에서 산화알루미늄 입자가 불결 효과를 일으키는 것을 나타낸 확대도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 산화알루미늄 나노입자(20)는 비등 열전달의 과정에서 고온의 상태에 있는 열전달 표면(10)에 부착된다. 열전달 표면(10)에 부착된 산화알루미늄 나노입자(20)가 열전달 표면(10)에 산화알루미늄 피막을 형성하여 열전달 표면(10)의 미세한 함몰부를 없애버림으로써 열전달 표면(10)에 불결효과를 일으킨다. 따라서 열전달 표면(10)에서의 기포로 성장할 증기핵의 생성을 오히려 저감시키게 된다.

따라서, 비등 열전달의 과정에서 작동유체의 비등 열전달계수가 오히려 산화알루미늄 나노입자(20)를 사용하지 않은 경우보다 저하되는 문제점을 보였다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열전도도가 기존 금속보다 수십배나 높은 탄소나노튜브를 여러 작동유체에 분산시켜 낮은 열유속에서부터 높은 열유속에 이르기까지 넓은 영역에서 골고루 비등 열전달 능력을 증대시키는 작동유체 및 이를 사용하는 열교환기를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 비등열전달에 사용되는 작동유체이며 상기 작동유체는 소정량의 탄소나노튜브를 포함하는 것인 비등열전달계수의 향상을 위해 탄소 나노튜브를 포함하는 작동유체에 의해 달성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 탄소나노튜브는 체적을 기준으로 하여 작동유체의 0.03 내지 1.5%를 차지하는 것이 바람직하다.

또한 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 작동유체는 본 발명의 작동유체는 물, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 암모니아, 프레온계 냉매, 비프레온계 냉매, 부동액, 오일을 비롯하여 비등이 가능하여 비등열전달에 사용될 수 있는 모든 유체를 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 목적은 상기 탄소나노튜브를 사용하는 열교환기에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 본 발명의 작동유체에 의한 기포생성 원리를 나타낸 확대도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 작동유체는 작동유체(1)의 체적을 기준으로 약 1%의 탄소나노튜브(2)를 분산시킨 것이다.

탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)는 특이한 구조와 우수한 기계적, 전기적 물 성으로 인해 많은 관심을 끌고 있으며, 특히 탄소나노튜브의 열전도도는 구리나 은 혹은 금의 열전도도에 비해 10배 이상이나 크므로 열전달의 측면에서는 거의 초전도체로 볼 수 있다.

비등 열전달의 과정은 열전달 표면의 온도가 작동유체의 포화온도 이상으로 상승하면 증기핵이 형성되어 기포가 발생한 후 같은 위치에서 발생한 기포들의 수직적인 상호작용과 근처에서 발생된 기포들 사이에 작용하는 수평적인 상호작용에 의해서 합쳐져서 열전달 표면에서 분리된다. 이러한 분리운동에 의해 표면 근처에서 작동 유체의 격렬한 혼합현상이 이루어져서 열전달계수와 열전달량이 증가된다.

작동유체(1)는 상대적으로 열전달 표면(10)과의 접촉면적이 큰 열전달 표면(10)의 미세한 함몰부(11)에서 기화하여 증기핵(5)이 생성되기 시작하고, 생성된 증기핵(5)이 기포(6)로 성장하여 열전달 표면(10)으로부터 분리되기까지 주위에서 열을 흡수해야 한다. 열전달 표면(10)의 미세한 함몰부(11)는 본 발명에서 고안한 것이 아니며 일반적인 비등 열전달에 사용되는 열전달 표면의 조도에 따른 돌출과 함몰들 중에서 함몰들을 지시하는 것이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 작동유체는 열전달 표면(10)에서 생성된 증기핵(5)의 주위에 분포하는 높은 열전도성을 갖는 탄소나노튜브들(2)이 주변으로부터 상대적으로 더 빠르고 동시에 많은양의 열을 증기핵(5)으로 전달하는 역할을 하게 되므로 증기핵(5)이 기포(6)로 성장하고 성장된 기포(6)가 열전달 표면(10)으로부터 분리되어 이탈하는 과정이 매우 빠르게 일어난다. 이처럼 작동유체는(1) 비등 열전달의 과정에서 작동유체보다 훨씬 열전도도가 높은 탄소나노튜브들 (2)과 접촉함으로써 열전도가 촉진되어 쉽게 기포가 형성되고 그 결과 비등 열전달을 촉진 시키는 것이다.

상기 기재한 작동유체(1)는 비등열교환을 하는 열교환기에 적용할 수 있다. 본 발명의 작동유체를 적용하는 열교환기는 통상적인 열교환기의 구조를 그대로 채택한 것으로서 당해 기술의 당업자에게 자명한 것이므로 여기서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

이하에서는 상기한 구성을 갖는 본 발명의 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체의 작용효과에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 효과를 측정하기 위해 카트리지 히터를 열전달 표면으로 하는 비등 열전달 장치를 제작하여 물과 세가지 냉매의 비등 열전달 계수를 측정하였다.

도 2는 비등 열전달 장치를 사용하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 물과 탄소나노튜브를 포함하지 않은 물에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 측정한 측정값을 나타낸 도표이고, 표 1은 도 2의 도표에서 선택적으로 추출한 특정한 열유속에 대한 탄소나노튜브를 포함한 물과 탄소나노튜브를 포함하지 않은 물의 비등 열전달계수 및 그 증가율을 나타낸다. 본 실험에서 열유속은 10 내지 80kW/㎡의 범위를 관찰대상으로 하고 탄소나노튜브의 양은 체적을 기준으로 하여 작동유체인 물의 1%로 설정하였다.

열유속(kW/㎡)	비등열전달계수 (CNT 포함않은 물)	비등열전달계수 (CNT 포함한 물)	비등열전달계수 증가율(%)
10	1188	1433	21
20	2242	2973	33
30	3221	3911	21
40	4122	4860	18
50	4898	5568	14
60	5716	6274	10
70	6337	6966	10
80	6821	7778	14

도 2 및 표 1에서 보여지듯이, 위 실험에서 관찰대상으로 선정한 열유속 영역의 전체에 걸쳐 탄소나노튜브를 포함한 물은 탄소나노튜브를 포함하지 않은 물보다 비등 열전달계수가 10 내지 33% 증가하는 것으로 나타났다. 특히 열유속이 30kW/㎡ 이하의 영역에서는 20% 이상의 비등 열전달계수의 증가를 보이고 있다.

도 3은 비등 열전달 장치를 사용하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 R22냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R22냉매에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 측정한 측정값을 나타낸 도표이고, 표 2는 도 3의 도표에서 선택적으로 추출한 특정한 열유속에 대한 탄소나노튜브를 포함한 R22냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R22냉매의 비등 열전달계수 및 그 증가율을 나타낸다. 본 실험에서 열유속은 10 내지 80kW/㎡의 범위를 관찰대상으로 하고 탄소나노튜브의 양은 체적을 기준으로 하여 작동유체인 R22냉매의 1%로 설정하였다.

열유속(kW/㎡)	비등열전달계수 (CNT 포함하지 않은 R22냉매)	비등열전달계수 (CNT 포함한 R22냉매)	비등열전달계수 증가율(%)
10	2538	3457	36
20	4122	5074	23
30	5474	6400	17
40	6694	7553	13
50	7825	8540	9
60	8889	9491	7
70	9902	10390	5
80	10871	11168	3

도 3 및 표 2에서 보여지듯이, 위 실험에서 관찰대상으로 선정한 열유속 영역의 전체에 걸쳐 탄소나노튜브를 포함한 R22냉매는 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R22냉매보다 비등 열전달계수가 3 내지 36% 증가하는 것으로 나타났다. 특히 열유속이 낮은 구간에서는 비등 열전달계수의 증가율이 더 커지는 것을 볼 수 있다. 즉 탄소나노튜브를 포함한 R22냉매의 경우 낮은 열유속에서 특히 비등 열전달 성능이 향상된다.

도 4는 비등 열전달 장치를 사용하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 R134a냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R134a냉매에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 측정한 측정값을 나타낸 도표이고, 표 3은 도 4의 도표에서 선택적으로 추출한 특정한 열유속에 대한 탄소나노튜브를 포함한 R134a냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R134a냉매의 비등 열전달계수 및 그 증가율을 나타낸다. 본 실험에서 열유속은 10 내지 80kW/㎡의 범위를 관찰대상으로 하고 탄소나노튜브의 양은 체적을 기준으로 하여 작동유체인 R134a냉매의 1%로 설정하였다.

열유속(kW/㎡)	비등열전달계수 (CNT 포함하지 않은 R134a냉매)	비등열전달계수 (CNT 포함한 R134a냉매)	비등열전달계수 증가율(%)
10	1974	2934	49
20	3283	4349	32
30	4422	5586	26
40	5461	6746	24
50	6433	7814	21
60	7355	8888	21
70	8236	9914	20
80	9084	10893	20

도 4 및 표 3에서 보여지듯이, 위 실험에서 관찰대상으로 선정한 열유속의 영역 전체에 걸쳐 탄소나노튜브를 포함한 R134a냉매는 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R134a냉매보다 비등 열전달계수가 20 내지 49% 증가하는 것으로 나타났다. 탄소나노튜브를 포함한 R134a냉매는 관찰대상으로 한 모든 열유속의 영역에서 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R134a냉매보다 20%이상의 비등 열전달계수의 향상을 보여주고 있으며, 특히 낮은 열유속의 구간에서 비등 열전달계수의 증가가 두드러져 49%의 증가를 보이기도 한다.

도 5는 비등 열전달 장치를 사용하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함한 R123냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R123냉매에 대하여 열유속에 따른 비등 열전달계수를 측정한 측정값을 나타낸 도표이고, 표 4는 도 5의 도표에서 선택적으로 추출한 특정한 열유속에 대한 탄소나노튜브를 포함한 R123냉매와 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R123냉매의 비등 열전달계수 및 그 증가율을 나타낸다. 본 실험에서 열유속은 10 내지 80kW/㎡의 범위를 관찰대상으로 하고 탄소나노튜브의 양은 체적을 기준으로 하여 작동유체인 R123냉매의 1%로 설정하였다.

열유속(kW/㎡)	비등열전달계수 (CNT 포함하지 않은 R123냉매)	비등열전달계수 (CNT 포함한 R123냉매)	비등열전달계수 증가율(%)
10	666	858	29
20	1176	1445	23
30	1642	1979	21
40	2079	2512	21
50	2497	3037	22
60	2901	3534	22
70	3293	4003	22
80	3674	4402	20

도 5 및 표 4에서 보여지듯이, 위 실험에서 관찰대상으로 선정한 열유속의 영역 전체에 걸쳐 탄소나노튜브를 포함한 R123냉매는 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R123냉매보다 비등 열전달계수가 20 내지 29% 증가하는 것으로 나타났다. 탄소나노튜브를 포함한 R123냉매는 관찰대상으로 한 모든 열유속의 영역에서 탄소나노튜브를 포함하지 않은 R123냉매보다 20%이상의 비등 열전달계수의 향상을 보여주고 있으며, 특히 낮은 열유속의 구간에서 비등 열전달계수의 더 크게 증가하는 경향을 보인다.

이러한 비등 열전달계수의 증가는 상기 모든 작동유체에 대하여 탄소나노튜브의 성분비율이 체적을 기준으로 작동유체의 0.03% 이상에서 나타났고 1%정도에 달하기 까지 거의 비슷하게 관측되었다. 다만 비등 열전달계수의 증대량은 작동 유체에 따라 서로 상이하였으나, 실험대상으로 한 열유속의 범위 모두에 걸쳐 모든 작동유체의 비등 열전달계수가 증대되었다.

탄소나노튜브는 작동유체의 체적을 기준으로 1.5%이상을 포함하더라도 비등 열전달계수가 더 이상 증가하지는 않으므로, 경제적인 관점에서 탄소나노튜브는 1.5%이상을 포함할 필요가 없다.

또한 열교환기 시스템의 측면에서 볼 때에 탄소나노튜브는 작동유체에 포함된 불순물로 볼 수 있으므로, 열전달성능을 향상시키는 양을 넘어서 과도하게 포함되는 것은 열교환기 시스템의 동작이나 수명에 도움이 되지 않을 것으로 보인다. 뿐만 아니라 탄소나노튜브가 과도하게 포함되면 작동유체가 검게 보이므로 미관상으로도 좋지 않다.

이런 열전달 촉진 현상을 이용하면 기존의 열전달 촉진관을 사용한 열전달 장치에서 장치의 구조를 변경시키지 않고도 부가적으로 비등 열전달 촉진을 이룰 수 있다. 또한 반도체나 마이크로 채널 열교환기와 같이 공간이 좁아서 열전달 촉진관의 구조를 적용하기 어려운 경우에도 용이하게 비등 열전달 촉진을 이룰 수 있 다. 상기한 탄소나노튜브를 포함한 작동유체를 열교환기에 적용하면 종래의 열교환기의 구조를 변경시키지 않고도 열교환기의 비등열전달의 성능이 향상된다.

또한 탄소나노튜브의 높은 열전도도를 이용하면 비등열전달의 임계열유속(critical heat flux)을 증대시킬 수 있고 또 막 비등(film boiling) 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 탄소나노튜브가 첨가되는 작동유체로서 물, R22냉매, R134a냉매, R123냉매를 예를 들었지만, 본 발명이 적용되는 작동유체는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 작동유체는 물, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 암모니아, 프레온계 냉매, 비프레온계 냉매, 부동액, 오일을 비롯하여 비등이 가능하여 비등열전달에 사용될 수 있는 모든 유체를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 작동유체에 첨가되는 물질로 탄소나노튜브를 채택하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 작동유체에 탄소나노와이어 또는 탄소나노입자를 포함하는 것도 가능하다.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체 및 이를 사용한 열교환기에 따르면 열전도도가 기존 금속보다 수십배나 높은 탄소나노튜브를 여러 작동유체에 분산시켜 낮은 열유속에서부터 높은 열유속에 이르기까지 넓은 영역에서 골고루 비등 열전달 능력을 증대시키게 되는 효과가 있다.

탄소나노튜브는 금속재료들과는 달리 열전달 표면에 부착되지 않으므로 열전달계수를 저하시키는 불결 효과를 일으키지 않는다.

이런 열전달 촉진 현상을 이용하면 기존의 장치의 구조를 변경시키지 않고도 부가적으로 비등 열전달 촉진을 이룰 수 있으며, 특히 또한 반도체나 마이크로 채널 열교환기와 같이 공간이 좁아서 열전달 촉진관의 구조를 적용하기 어려운 경우에도 용이하게 비등 열전달 촉진을 이룰 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (4)

1. 비등열전달에 사용되는 냉매이며, 상기 냉매는 체적을 기준으로 상기 냉매의 0.03내지 1.5%의 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 냉매는 비등이 가능한 프레온계냉매 또는 비프레온계냉매인 것을 특징으로 하는 비등열전달계수의 향상을 위해 탄소나노튜브를 포함하는 작동유체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

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