KR101187759B1 - Magnetic nanofluids, manufacturing method and using method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 고점도 액상 열전달 매체의 열전달 특성을 자성 나노분말과 교류자기장을 이용하여 향상시키는 자성 나노유체의 제조방법에 관한 것이다. 개시발명은 고점도 액상 용매에 분산제를 넣고 교반하는 단계, 분산제가 첨가된 상기 액상 용매에 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계, 및 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 분산시키고 나노분말의 표면을 개질시키는 단계를 포함한다. 이와 같은 과정을 통해 제조된 자성 나노유체에 외부로부터 교류 자기장을 작용시키면 열전도도가 향상되기 때문에 오일과 같이 점도가 상대적으로 높아 시료자체의 열특성도 열악하고 또한 나노분말 첨가에 의한 열전도 및 열전달 특성효과가 낮은 액상 시료에 있어서 열특성을 대폭 개선하는데 활용할 수 있게 된다.The present invention relates to a method for producing a magnetic nanofluid to improve the heat transfer characteristics of various high viscosity liquid heat transfer media using magnetic nanopowder and alternating magnetic field. Disclosed is a step of putting a dispersant into a high viscosity liquid solvent and stirring, putting a magnetic nanoparticle into the liquid solvent to which the dispersant is added and stirring, and dispersing the stirred nanofluid with a high energy dispersing apparatus and Modifying the surface. When the alternating magnetic field is applied to the magnetic nanofluid manufactured through the above process, the thermal conductivity is improved, and thus the viscosity is relatively high, such as oil, so that the thermal properties of the sample itself are poor, and the thermal conductivity and heat transfer characteristics of the nanoparticles are added. It can be utilized to greatly improve the thermal characteristics in the low-effective liquid sample.

Description

자성 나노유체, 그 제조방법 및 사용방법{MAGNETIC NANOFLUIDS, MANUFACTURING METHOD AND USING METHOD THEREOF} Magnetic nanofluid, manufacturing method and method of use {MAGNETIC NANOFLUIDS, MANUFACTURING METHOD AND USING METHOD THEREOF}

본 발명은 자성 나노유체, 그 제조방법 및 사용방법에 관한 것으로, 특히 각종 고점도 액상 열전달 매체의 열전달 특성을 자성 나노분말과 교류자기장을 이용하여 향상시키는 자성 나노유체, 그 제조방법 및 사용방법에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic nanofluid, a method of manufacturing the same, and a method of using the same, and in particular, to a magnetic nanofluid that improves heat transfer characteristics of various high viscosity liquid heat transfer media using magnetic nanopowders and alternating magnetic fields, and a method and a method of using the same. will be.

나노유체(Nanofluid)는 물, 에틸렌글리콜 및 엔진오일과 같은 각종 액상 냉각 및 윤활재에 미량의 나노분말을 균일하고 안정하게 분산시킨 일종의 고체와 액체의 혼합유체이다. 이러한 나노유체는 유체속에서 끊임없는 불규칙 브라운 운동(Brown Motion)에 의해 순수 유체보다 훨씬 높은 열전도도 특성을 가지는 차세대 냉각 및 윤활매체로 전 세계적으로 큰 관심을 모으고 있다.Nanofluid is a kind of solid and liquid mixed fluid in which a small amount of nano powder is uniformly and stably dispersed in various liquid cooling and lubricants such as water, ethylene glycol and engine oil. These nanofluids are attracting great attention worldwide as the next generation cooling and lubricating media that have much higher thermal conductivity than pure fluids due to endless irregular brown motion in the fluid.

그러나, 나노분말 첨가에 의한 액상 매체의 열전달특성 향상 효과는 유체의 점도가 상승하면 소멸되는 특징으로 가진다. 이것은 고점도 유체 속에서 나노분말의 브라운 운동이 크게 제한받기 때문으로 해석된다.However, the effect of improving the heat transfer characteristics of the liquid medium by the addition of nanopowder is characterized by disappearing when the viscosity of the fluid rises. This is interpreted as the Brownian movement of nanopowders in high viscosity fluids is greatly limited.

따라서, 물이나 에틸렌글리콜과 같은 저점도 유기용매에서는 나노분말 첨가에 의한 높은 열전도도 및 열전달 특성이 향상되지만, 보다 고점도 열전달 매체에 적용할 경우에는 뚜렷한 열특성 효과가 나타나지 않는다.Therefore, in the low viscosity organic solvents such as water and ethylene glycol, high thermal conductivity and heat transfer characteristics are improved by adding nanopowders, but when applied to a higher viscosity heat transfer medium, there is no obvious thermal effect.

실제로 오일은 물이나 에틸렌글리콜과 같은 냉매와 비교하여 열전달 특성이 매우 낮기 때문에 나노분말 첨가에 의한 열전달 특성의 향상효과가 필요하다. 따라서 오일과 같은 고점도 액상 매체에 대하여 나노분말 첨가 효과를 증대시킬 수 있는 특단의 방안이 요구된다.In fact, since oil has very low heat transfer characteristics compared to refrigerants such as water or ethylene glycol, an improvement effect of heat transfer characteristics by adding nano powder is required. Therefore, a special method for increasing the effect of adding nanopowders to a high viscosity liquid medium such as oil is required.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고점도 액상용매를 대상으로 제조된 나노유체의 열전도도 및 열전달 특성을 향상시킬 수 있는 자성 나노유체, 그 제조방법 및 사용방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, to provide a magnetic nanofluid, a manufacturing method and a method of using the nanofluid prepared for a high viscosity liquid solvent to improve the thermal conductivity and heat transfer characteristics. have.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명 자성 나노유체 제조방법은, 고점도 액상 용매에 분산제를 넣고 교반하는 단계, 분산제가 첨가된 상기 액상 용매에 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계, 및 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 분산시키고 상기 나노분말의 표면을 개질시키는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for preparing a magnetic nanofluid, comprising: adding a dispersant to a high viscosity liquid solvent and stirring, adding and stirring a magnetic nanoparticle to the liquid solvent to which the dispersant is added, and stirred nanoparticles Dispersing the fluid into a high energy dispersing device and modifying the surface of the nanopowder.

본 발명 자성 나노유체 제조방법은, 저점도 액상 용매에 분산제를 넣고 교반 하는 단계, 분산제가 첨가된 상기 액상 용매에 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계, 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 분산시키고 상기 나노분말의 표면을 개질시키는 단계, 및 저점도 액상 용매를 고점도 액상 용매로 치환시켜 자성 나노유체를 완성하는 단계를 포함한다.In the method of manufacturing the magnetic nanofluid of the present invention, a step of adding a dispersant to a low-viscosity liquid solvent and agitating, adding a magnetic nanoparticle to the liquid solvent to which the dispersant is added and stirring the agitated nanofluid is a high energy dispersing apparatus. Dispersing and modifying the surface of the nanopowder, and substituting a low viscosity liquid solvent with a high viscosity liquid solvent to complete the magnetic nanofluid.

상기 나노분말은 강자성체 또는 상자성체가 바람직하며, 강자성체로는 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금이 사용된다.The nano powder is preferably a ferromagnetic material or paramagnetic material, and iron, nickel, cobalt, or an alloy thereof is used as the ferromagnetic material.

상기 분산제는 나노분말에 대하여 1~40중량% 함유되는 것이 바람직하다.The dispersant is preferably contained 1 to 40% by weight based on the nanopowder.

상기 나노분말은 액상 용매에 대하여 0.001~5.0중량%로 첨가되며, 나노분말의 직경은 1~100nm이 바람직하다.The nano powder is added in 0.001 to 5.0% by weight relative to the liquid solvent, the diameter of the nano powder is preferably 1 ~ 100nm.

상기 고에너지 분산기구는 비드밀, 초음파분산기 또는 고압균질기를 포함한다.The high energy dispersing device includes a bead mill, an ultrasonic disperser or a high pressure homogenizer.

본 발명 자성 나노유체 제조방법은, 자성 나노유체를 비자성 나노유체와 혼합하여 혼합 나노유체를 제조하는 단계, 및 상기 혼합 나노유체를 재분산시키는 단계를 더 포함한다.The method of manufacturing the magnetic nanofluid of the present invention further includes mixing the magnetic nanofluid with the nonmagnetic nanofluid to prepare a mixed nanofluid, and redispersing the mixed nanofluid.

본 발명 자성 나노유체는, 전술한 본 발명 자성 나노유체 제조방법에 의해 제된다.The magnetic nanofluid of the present invention is removed by the above-described method for producing magnetic nanofluid of the present invention.

본 발명 자성 나노유체의 사용과정에서는 자성 나노유체에 외부에서 교류자기장 또는 초음파를 작용시키게 된다.In the process of using the magnetic nanofluid of the present invention, an alternating magnetic field or ultrasonic wave is applied to the magnetic nanofluid from the outside.

상기 교류자기장을 작용시키는 과정에서는, 액상에 분산된 나노분말의 평균입도와 밀도에 따라 공진현상을 일으킬 수 있도록 외부에서 작용하는 자기장의 세 기와 주파수를 조절하는 것이 바람직하다.In the process of acting the alternating magnetic field, it is preferable to adjust the three forces and the frequency of the external magnetic field to cause a resonance phenomenon according to the average particle size and density of the nano-powder dispersed in the liquid phase.

상기 교류자기장의 자기력선 방향은 열전달면의 수직 방향을 향하는 것이 바람직하다.The magnetic force line direction of the alternating magnetic field is preferably directed toward the vertical direction of the heat transfer surface.

상기 액상 용매와 나노분말 사이의 상대적인 운동성을 강화하기 위해 시료에 초음파를 제공할 수 있다.Ultrasonic waves may be provided to the sample to enhance the relative motility between the liquid solvent and the nanopowder.

이와 같은 본 발명에 따른 자성 나노유체, 그 제조방법 및 사용방법에 의하면, 오일과 같은 고점도 액상매체를 이용하여 나노유체를 제조하는 경우, 유체의 점도에 의해 일정 수준 이하로 제한되는 열전도도 향상폭을 상당수준 증가시킬 수 있는 특성을 가진다. 즉, 오일과 같은 고점도 액상 용매에 자성을 띠는 나노분말을 혼합하여 나노유체를 제조하고, 이 자기 나노유체에 외부로부터 교류자기장을 작용시키면 열전도도가 수~수십% 향상되기 때문에 오일과 같이 점도가 상대적으로 높아 시료자체의 열특성도 열악하고 또한 나노분말 첨가에 의한 열전도 및 열전달 특성효과가 낮은 액상 시료에 있어서 열특성을 대폭 개선하는데 활용할 수 있다. According to the magnetic nanofluid according to the present invention, a manufacturing method and a method of using the same, when the nanofluid is manufactured using a high viscosity liquid medium such as oil, the thermal conductivity improvement range is limited to a predetermined level or less by the viscosity of the fluid. It has a characteristic that can increase significantly. That is, a nanofluid is prepared by mixing magnetic nanopowders with a high viscosity liquid solvent such as oil, and when the alternating magnetic field is applied to the magnetic nanofluid from the outside, the thermal conductivity is improved by several to several ten percent, so the viscosity is similar to that of oil. It is relatively high, so the thermal property of the sample itself is inferior, and in the liquid sample with low thermal conductivity and heat transfer characteristic effect due to the addition of nano powder, it can be utilized to greatly improve the thermal property.

또한, 본 발명에 따르면, 물이나 에틸렌글리콜 대신 오일을 사용하여 냉각하거나 윤활특성을 부여해야 하는 부품의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있고 해당 부품의 성능향상 및 신제품 개발을 촉진시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, by using oil instead of water or ethylene glycol, the energy efficiency of parts that need to be cooled or given lubrication characteristics can be greatly improved, and the performance improvement of the parts and development of new products can be promoted.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 자성 나노유체의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.1 is a flow chart showing a manufacturing process of the magnetic nanofluid according to the present invention.

먼저, 오일과 같은 고점도 액상 용매를 분산매로 하는 경우의 제조공정은, 고점도 액상 용매에 나노분말 분산제를 넣고 교반하는 단계(S100), 분산제가 첨가된 액상 용매에 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계(S110), 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 습식분산시키고 나노분말의 표면을 개질시키는 단계(S120), 제조된 자성 나노유체를 비자성 나노유체와 혼합하는 단계(S130), 및 혼합 나노유체를 재분산시키는 단계(S140)를 포함한다.First, in the case of using a high-viscosity liquid solvent such as oil as a dispersion medium, the step of adding a nanopowder dispersant into a high-viscosity liquid solvent and stirring (S100), putting a magnetic nanoparticles in the liquid solvent to which the dispersant is added, stirring Step (S110), wet dispersing the stirred nanofluid with a high energy dispersing device and modifying the surface of the nanopowder (S120), mixing the prepared magnetic nanofluid with the nonmagnetic nanofluid (S130), and Re-dispersing the mixed nanofluid (S140).

한편, 노말헥산과 같은 저점도 액상 용매를 분산매로 하는 경우의 제조공정은, 저점도 액상 용매에 나노분말 분산제를 넣고 교반하는 단계(S200), 분산제가 첨가된 액상 용매에 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계(S210), 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 분산시키고 나노분말의 표면을 개질시키는 단계(S220), 저점도 액상 용매를 고점도 액상 용매로 치환시키는 단계(S230), 제조된 자성 나노유체를 비자성 나노유체와 혼합하는 단계(S240), 및 혼합 나노유체를 재분산시키는 단계(S250)를 포함한다.On the other hand, the manufacturing process in the case of using a low viscosity liquid solvent, such as normal hexane as a dispersion medium, the nanopowder dispersing agent is added to the low viscosity liquid solvent (S200), the nano-powder is magnetic to the liquid solvent to which the dispersant is added Putting and stirring (S210), dispersing the stirred nanofluidic fluid with a high energy dispersing mechanism and modifying the surface of the nanopowder (S220), replacing the low viscosity liquid solvent with a high viscosity liquid solvent (S230), preparation Mixing the magnetic nanofluid with the nonmagnetic nanofluid (S240), and redispersing the mixed nanofluid (S250).

이하에서 본 발명에 따른 자성 나노유체의 제조공정을 단계적으로 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter will be described in detail step by step the manufacturing process of the magnetic nanofluid according to the present invention.

분말선정Powder selection

본 발명에 따른 자성 나노유체의 제조공정에서는 건식법 및 습식법으로 제조된 나노분말 모두 사용이 가능하다.In the manufacturing process of the magnetic nanofluid according to the present invention, both nanopowders prepared by a dry method and a wet method can be used.

분산제Dispersant 혼합 및 교반단계( Mixing and stirring step ( S100S100 , , S200S200 ))

건식법에 의해 제조된 나노분말을 이용해 나노유체를 제조하는 공정에서는 오일과 같은 고점도 액상 용매에 나노분말 분산제를 넣고 사전 교반하는 공정을 거치게 된다(S100).In the process of preparing nanofluid using the nanopowder prepared by the dry method, the nanopowder dispersant is added to a high viscosity liquid solvent such as oil and subjected to a pre-stirring step (S100).

고점도 액상 용매에 나노분말 분산제를 사전에 혼합하고 교반하는 이유는, 분산제가 나노분말 표면에 균일하게 작용하게 하기 위함이다. 이것은 액상 용매에 대한 나노분말의 분산성을 향상시키고 시간 경과에 따른 나노입자 상호간의 재응집 경향을 억제하기 위함이다. 분산제(또는 표면개질제)로는 폴리옥시에틸렌 알킬 엑시드 에스터(Polyoxyethylene Alkyl Acid Ester), 알킬 아릴 설포네이트(Alkyl Aryl Sulfonate) 및 소르비탄올리에이트(Sorbitan Monooleate)이 있으며, 이들을 단독 혹은 혼합하여 사용하되, 나노분말에 대한 무게비로 40중량% 이내로 첨가한다.The reason why the nanopowder dispersant is premixed and stirred in the high viscosity liquid solvent is to cause the dispersant to act uniformly on the surface of the nanopowder. This is to improve the dispersibility of the nanopowder in the liquid solvent and to suppress the tendency of reaggregation between the nanoparticles over time. Dispersants (or surface modifiers) include Polyoxyethylene Alkyl Acid Ester, Alkyl Aryl Sulfonate and Sorbitan Monooleate, which may be used alone or in combination. It is added within 40% by weight by weight of the powder.

한편, 액상 용매의 점도가 일정수준이상 높은 경우 분산성을 향상시키기 위해 목적하는 고점도 액상 용매를 직접 분산매로 사용하지 않고 휘발성 저점도 유기용매를 분산매로 사용할 수 있다. 비드밀을 고에너지 분산기구로 사용할 경우, 액상 용매의 점도가 너무 높으면 분산효과가 낮을 뿐만 아니라, 비드가 시료에 혼입되는 문제점이 발생하게 된다.On the other hand, when the viscosity of the liquid solvent is higher than a certain level, in order to improve the dispersibility, a volatile low viscosity organic solvent may be used as the dispersion medium without directly using the desired high viscosity liquid solvent as the dispersion medium. When the bead mill is used as a high energy dispersing device, if the viscosity of the liquid solvent is too high, not only the dispersing effect is low, but also the problem of incorporating the beads into the sample occurs.

이러한 경우에는 노말헥산과 같은 저점도 휘발성 유기용매에 나노분말 분산제(또는 표면 개질제)를 넣고 사전 교반하는 공정을 거치게 된다(S200). In this case, the nanopowder dispersant (or surface modifier) is put in a low viscosity volatile organic solvent such as normal hexane and subjected to a pre-stirring step (S200).

나노분말을Nano powder 혼합 및 교반단계( Mixing and stirring step ( S110S110 , , S210S210 ))

상기 나노분말은 평균직경 100nm 이하의 강자성 또는 상자성체의 분말을 액상 용매의 중량대비 0.001~5.0중량%의 농도로 분산시키게 된다. 상기 강자성체 분말로는 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금이 이용된다.The nano-powder is to disperse the ferromagnetic or paramagnetic powder with an average diameter of 100nm or less at a concentration of 0.001 to 5.0% by weight relative to the weight of the liquid solvent. Iron, nickel, cobalt or alloys thereof are used as the ferromagnetic powder.

분산 및 개질단계(Dispersion and Reforming Steps ( S120S120 , , S220S220 ))

수백㎚ ~ 수십㎛ 크기의 나노분말 응집체는 시간이 경과되면 다시 응집한다. 이것은 분말 표면에너지를 줄이기 위해 분말 사이에 작용하는 반데르발스 인력에 의해 시간 경과에 따라 다시 큰 덩어리로 뭉치기 때문이다.Nanopowder aggregates of several hundred nm to several tens of micrometers aggregate again over time. This is because the van der Waals attractive forces acting between the powders to reduce the powder surface energy and then re-agglomerate over time.

따라서 이를 억제하기 위하여 습식 분산과 동시 혹은 직후에 분산제를 이용한 분말 친유성 표면개질을 실시하여 나노분말의 표면에 코팅층을 형성하게 된다. 여기서 고에너지 분산기구로는 비드밀, 고압 균질기 또는 초음파분산기 등이 사용된다.Therefore, in order to suppress this, powder lipophilic surface modification using a dispersant is performed simultaneously with or immediately after wet dispersion to form a coating layer on the surface of the nanopowder. Here, as a high energy dispersing device, a bead mill, a high pressure homogenizer, or an ultrasonic disperser is used.

습식분산과 표면개질을 마친 뒤에는 시료 수거 시 종이필터를 이용하여 ㎛ 수준의 이물질 및 충분히 분쇄되지 못한 분말 응집체를 제거한다.After wet dispersing and surface modification, a paper filter is used to remove the foreign matter and micronized powder agglomerates that are not sufficiently ground during sample collection.

액상 용매 치환단계(Liquid solvent substitution step ( S230S230 ))

습식분산 및 표면 개질된 나노분말을 함유한 노말헥산과 고점도 액상 용매를 적정 비율로 혼합한 후, 60℃의 온도와 20㎜Hg 이상의 고진공도에서 진공농축기를 이용하여 혼합시료의 용매를 노말헥산에서 고점도 액상 용매로 치환시킨다.After mixing normal hexane containing wet dispersion and surface-modified nanopowder with high viscosity liquid solvent at an appropriate ratio, the solvent of the mixed sample is mixed in normal hexane using a vacuum concentrator at a temperature of 60 ° C. and high vacuum of 20 mmHg or more. Substitute in a high viscosity liquid solvent.

시료의 농축 효율을 높이기 위해서 시료 플라스크는 50rpm 이상으로 회전시키며, 진공도는 초기 300㎜Hg에서 시작해서 10㎜Hg 단위로 서서히 낮추면서 최종적으로 20㎜Hg에 도달하게 한다. 최종 진공도에서 4시간 이상 유지하면서 노말헥산이 더 이상 수거되지 않음을 확인한 후, 용매 치환을 종료한다.In order to increase the concentration efficiency of the sample, the sample flask is rotated at 50 rpm or more, and the vacuum degree starts at an initial 300 mmHg and gradually lowers to 10 mmHg, finally reaching 20 mmHg. After confirming that normal hexane is no longer collected while maintaining at the final vacuum for at least 4 hours, solvent substitution is terminated.

혼합 나노유체 제조단계(Mixed nanofluidic manufacturing step ( S130S130 , , S240S240 ))

2종 이상의 나노분말을 이용하여 다성분 나노유체를 제조할 경우에는, 비드 오염 방지 및 분산제 투입 등의 문제를 고려하여 단일 분말 조성의 나노유체를 우선 제조한 후 이들을 다시 적정 비율로 혼합하여 제조하게 된다.When manufacturing multicomponent nanofluids using two or more kinds of nanopowders, first prepare nanofluids with a single powder composition in consideration of problems such as preventing bead contamination and dispersing agent, and then mixing them in an appropriate ratio. do.

즉, 자성을 띠는 나노분말을 이용하여 제조된 나노유체와 비자성을 띠는 나노분말을 이용하여 제조된 나노유체를 혼합하여 혼합 나노유체를 제조하게 된다.That is, mixed nanofluids are prepared by mixing nanofluids prepared using magnetic nanopowders and nanofluids prepared using nonmagnetic nanopowders.

혼합 나노유체 재분산단계(Mixed nanofluidic redispersion step ( S140S140 , , S250S250 ))

각각의 나노유체를 적정 비율로 혼합하여 각 나노유체의 장점만을 살리는 시너지 효과를 거두기 위해서는, 단순히 나노유체를 혼합하는 것으로 그쳐서는 안된다. In order to achieve the synergistic effect of mixing each nanofluid at an appropriate ratio to take advantage of each nanofluid, it is not necessary to simply mix the nanofluids.

예를 들어, 각각의 나노유체를 혼합한 후, 간단한 교반작업으로 혼합 나노유체의 제조를 마치면 오히려 각 나노유체의 단점만이 부각되어 순수 나노유체 대비 특성 향상 효과를 전혀 얻지 못한다.For example, after mixing each of the nanofluids, when the preparation of the mixed nanofluids by a simple stirring operation, rather than the disadvantages of each of the nanofluids is highlighted, the effect of improving the properties compared to pure nanofluids is not obtained at all.

따라서, 각 나노유체를 혼합한 후, 초음파분산기와 같은 다소 강력한 분산기구를 이용하여 각 나노유체를 완벽하게 혼합될 수 있도록 나노유체를 혼합 후 분산처리를 실시하는 것이 매우 중요하다.Therefore, after mixing each nanofluid, it is very important to perform dispersion treatment after mixing the nanofluid so that each nanofluid can be perfectly mixed using a rather powerful dispersing device such as an ultrasonic disperser.

본 발명에 따른 자기 나노유체의 사용과정에서는, 상기 자기 나노유체의 제조방법에 의해 제조된 자기 나노유체에 외부에서 교류자기장 또는 초음파를 작용시키게 된다.In the process of using the magnetic nanofluid according to the present invention, an alternating magnetic field or an ultrasonic wave is applied to the magnetic nanofluid manufactured by the method of manufacturing the magnetic nanofluid from the outside.

상기 자기 나노유체에 교류자기장을 작용시키는 과정에서는, 액상에 분산된 나노분말의 평균입도와 밀도에 따라 공진현상을 일으킬 수 있도록 외부에서 작용하는 자기장의 세기와 주파수를 조절하게 된다. 이 때 교류자기장의 자기력선 방향은 고체/액체 열전달면의 수직방향을 향하도록 한다.In the process of applying an alternating magnetic field to the magnetic nanofluid, the intensity and frequency of the externally acting magnetic field are controlled to cause resonance depending on the average particle size and density of the nanopowder dispersed in the liquid phase. At this time, the direction of the magnetic field lines of the alternating magnetic field is directed toward the vertical direction of the solid / liquid heat transfer surface.

고점도 액상매체 속에 분산된 자성 나노분말의 운동성을 향상시키기 위해 시료에 작용하는 외부 교류자기장은 솔레노이드(Solenoid) 및 헤름홀쯔(Helmholtz) 코일 등을 이용하여 발생시키게 되며, 전압 220V, 교류 주파수 60Hz 조건에서 30mT 이상의 자기장을 발생시키도록 한다. 외부 교류자기장의 세기가 증가할수록 유체에 함유된 자성 나노분말의 반응성도 증가하기 때문에 자기장의 세기를 증가시키기 위해 ⅰ)코일에 흘려주는 전압을 상승시키거나, ⅱ) 코일의 중심에 규소강판과 같은 철심을 설치하고, ⅲ) 자기력선 방향을 따라서 철심의 상부와 하부를 동일 재질의 금속부재로 연결한다. 또한 유체의 점도 및 유체속에 분산된 자성 나노분말의 크기, 비중 및 교류자기장에 대한 응답성 정도 등에 따라서 분말이 진동할 때 공명현상을 일으키는 주파수가 달라지기 때문에 이를 조절하기 위하여 코일에 공급되는 전류의 교류 주파수를 조절하도록 한다. 이 때, 가능한 교류자기장의 자기력선을 열전달면에 수직 방향을 향하도록 한다. 마지막으로 액상 용매에 대한 자성분말의 상대적 운동성을 강화하기 위하여 시료에 초음파를 추가로 활용할 수 있다.The external alternating magnetic field acting on the sample to improve the mobility of the magnetic nanopowder dispersed in the high-viscosity liquid medium is generated by using solenoid and Helmholtz coils. Generate a magnetic field of 30 mT or more. As the strength of the external alternating magnetic field increases, the reactivity of the magnetic nanopowder contained in the fluid also increases, i) to increase the voltage applied to the coil in order to increase the strength of the magnetic field, or ii) such as a silicon steel sheet in the center of the coil. Install the iron core and ⅲ) Connect the upper and lower parts of the iron core with the metal member of the same material along the direction of magnetic force line. In addition, the frequency of resonance caused when the powder vibrates depends on the viscosity of the fluid, the size of the magnetic nanopowder dispersed in the fluid, the specific gravity and the degree of responsiveness to the alternating magnetic field. Adjust the AC frequency. At this time, the magnetic field lines of the alternating magnetic field should be as perpendicular to the heat transfer plane as possible. Finally, ultrasonic waves may be added to the sample to enhance the relative motility of the magnetic powder with respect to the liquid solvent.

한편, 나노유체와 같은 액상시료의 열전도도는 표면이 절연 코팅된 백금선(Pt Wire)을 열선이자 온도 센서로 사용하는 비정상열선법(Transient Hot-Wire Method)을 사용하여 측정한다. 이것은 순간적으로 백금선에 가열전류를 흘리면 열선에서 발생한 열량이 열선 자체 및 열선과 반경 방향으로 접한 유체의 온도를 상승시키는데 사용됨을 이용한 것이다. 즉, 열선을 둘러싸고 있는 유체의 열전도율이 높으면 발생된 열은 대부분 유체로 전달되어 열선 자체의 온도상승이 적지만, 유체의 열전도율이 낮으면 발생된 열량은 유체로 잘 전달되지 못하여 결과적으로 열선의 온도상승이 크게 나타난다. 또한 시료에 자기장을 가하면 열전도도 측정 센서 및 측정장치 역시 자기장의 영향을 받음으로써 데이터에 오류가 포함될 가능성이 높다. 따라서 시료를 제외한 나머지 장비 및 전선 등은 자기장의 영향을 최소화할 수 있도록 자기장 차폐재를 사용해야 한다.Meanwhile, the thermal conductivity of a liquid sample such as nanofluid is measured by using a transient hot-wire method using a platinum wire (Pt Wire) having an insulating coating on its surface as a heating wire and a temperature sensor. This is because when the heating current flows to the platinum wire instantaneously, the amount of heat generated from the heating wire is used to raise the temperature of the heating wire itself and the fluid in radial contact with the heating wire. That is, if the thermal conductivity of the fluid surrounding the hot wire is high, most of the heat generated is transferred to the fluid, so that the temperature rise of the hot wire itself is small.However, if the fluid has low thermal conductivity, the amount of heat generated is not well transferred to the fluid. The rise is large. In addition, when a magnetic field is applied to a sample, thermal conductivity sensors and measuring devices are also affected by the magnetic field, which may cause errors in the data. Therefore, magnetic field shielding materials should be used for the equipment and wires except the sample to minimize the influence of the magnetic field.

이하에서는, 본 발명에 따른 자성 나노유체의 제조와, 외부 교류자기장에 의한 나노유체의 열전도도 및 열전달 특성 향상에 대한 구체적인 실시예를 설명하기로 한다.Hereinafter, specific examples of the production of the magnetic nanofluid according to the present invention and the improvement of thermal conductivity and heat transfer characteristics of the nanofluid by an external alternating magnetic field will be described.

<실시예><Examples>

자성 magnetism 나노유체의Nanofluidic 제조 Produce

자성 나노유체를 제조하기 위하여 건식법으로 제조된 사용 Fe3O4 나노분말을 사용하였다. 상기 Fe3O4 분말(Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.)은 평균입도 20nm, 순도 99.5% 및 구상 형상을 가진다. 상기 분말을 분산시킬 액상용매로는 군사용 용매로 널리 사용되는 절연 특성의 냉각유(Xceltherm 500M, Radco Industries)를 사용하였으며, 이것은 40℃에서 5.1cSt의 점도값을 가진다.In order to prepare a magnetic nanofluid, a used Fe 3 O 4 nanopowder prepared by a dry method was used. Fe 3 O 4 The powder (Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) has an average particle size of 20 nm, a purity of 99.5%, and a spherical shape. As a liquid solvent to disperse the powder, a cooling oil (Xceltherm 500M, Radco Industries) having an insulating property widely used as a military solvent was used, which has a viscosity value of 5.1 cSt at 40 ° C.

상기 Fe3O4 나노분말의 친유성 표면개질을 위하여 분말 무게에 대하여 30중량%의 알킬 아릴 설포네이트(Alkyl Aryl Sulfonate)를 분산제로 상기 냉각유에 우선 첨가하고 충분히 교반하였다(S100).For lipophilic surface modification of the Fe 3 O 4 nanopowder, 30% by weight of alkyl aryl sulfonate (Alkyl Aryl Sulfonate) based on the weight of the powder was first added to the cooling oil as a dispersant and sufficiently stirred (S100).

상기 분산제가 첨가된 상기 냉각유에 Fe3O4 나노분말을 1중량% 농도로 첨가한 후, 균질기(T25, 1KA)를 이용하여 30분간 사전 교반하였다(S110).Fe 3 O 4 nanopowder was added to the cooling oil to which the dispersant was added at a concentration of 1% by weight, and then pre-stirred for 30 minutes using homogenizers (T25, 1KA) (S110).

사전 교반을 마친 후, 600W 출력의 초음파분산기(UH600SR, SMT)를 이용하여 시료를 순환시키며 2시간 분산시킴으로써 우수한 분산성의 자성 나노유체를 제조하였다(S120). 제조된 자성 나노유체의 분산안정성 데이터를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이, 대기압의 1147배에 해당하는 원심력을 시료에 가했을 때, 0.5중량% 이하의 저농도 시료에서는 나노분말의 침전이 무시할 정도로 작고, 1중량% 농도 시료에서도 분말의 침전량이 많지 않아서 대기압 조건에서는 매우 우수한 분산성을 가짐을 알 수 있다.After completing the pre-stirring, the magnetic nanofluid of excellent dispersibility was prepared by dispersing the sample for 2 hours by circulating the sample using ultrasonic disperser (UH600SR, SMT) of 600W output (S120). Dispersion stability data of the prepared magnetic nanofluid is shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, when a centrifugal force corresponding to 1147 times atmospheric pressure is applied to the sample, the precipitation of the nanopowder is small in the low concentration sample of 0.5 wt% or less, and the precipitation amount of the powder is not large even in the 1 wt% concentration sample. It can be seen that under atmospheric pressure, it has a very good dispersibility.

외부 교류자기장 발생External AC magnetic field generation

상기 과정을 통해 제조된 자성 나노유체 시료에 자기장 발생장치를 이용해 교류자기장을 작용시키게 된다.The magnetic nanofluidic sample produced by the above process is operated with an alternating magnetic field using a magnetic field generator.

자기방 발생장치는 도 3에서 보는 바와 같이 외경 65mm, 높이 150mm의 연철 철심 둘레에 직경 2mm의 에나멜 코일을 권선수 1000회로 감았으며, 자기력선의 방향을 따라 철심의 상부와 하부를 동일 철심부재(두께 8mm, 폭 65mm)로 연결한 솔레노이드 코일(외경 170mm, 높이 150mm)(100)을 사용하였다.As shown in Fig. 3, the magnetic room generator is wound around a soft iron core having an outer diameter of 65 mm and a height of 150 mm with a winding number of enameled coils of 2 mm in diameter for 1000 turns, and the upper and lower portions of the iron core in the direction of the lines of magnetic force are the same iron core member (thickness). A solenoid coil (outer diameter 170 mm, height 150 mm) (100) connected by 8 mm and width 65 mm) was used.

상기 솔레노이드 코일(100)은 권선수 200회마다 탭(Tap)을 내어 5가지 권선수(220, 400, 600, 800, 1000)별로 실험이 가능하도록 하였다. 권선수 600회의 조건에서 솔레노이드 코일에 220V, 60Hz의 전원을 공급할 경우, 국부적으로 최대 72mT의 자기장을 발생하였다.The solenoid coil 100 is a tap (Tap) every 200 times the number of windings to enable the experiment for each of the five windings (220, 400, 600, 800, 1000). When supplying 220V, 60Hz power to the solenoid coil under the condition of 600 turns, a local magnetic field of up to 72mT was generated.

자기장의 세기는 아래의 표-1에 보인 바와 같이 솔레노이드 코일의 각 부위별로 제각기 다른 값을 보였다.As shown in Table 1 below, the strength of the magnetic field was different for each part of the solenoid coil.

[표-1}TABLE-1

AA BB CC DD 600600 72.472.4 20.820.8 12.212.2 6.76.7 800800 48.148.1 15.115.1 8.28.2 5.25.2 10001000 35.035.0 12.012.0 6.86.8 4.04.0

따라서, 도 4에서 보는 바와 같이 솔레노이드 코일(100)의 여러 부위 중에서 자기장 세기가 가장 높게 나타난 A-C방향이 자성유체 시료용기(200)의 측면, 즉 자기력선의 방향이 열전도도 측정장치 백금선에 수직하도록 시료를 위치시킨다. Accordingly, as shown in FIG. 4, the AC direction in which the magnetic field strength is the highest among the various parts of the solenoid coil 100 is the side of the magnetic fluid sample container 200, that is, the direction of the magnetic force line is perpendicular to the thermal conductivity measuring device platinum line. Locate it.

솔레노이드 코일에 공급되는 전류의 전압값을 50~200V로 달리하였을 때, 도 3의 A 및 B 위치에서의 자기장 세기변화를 도 5에 나타내었다. 즉, 전류의 전압값이 증가함에 따라 자기장 세기도 이에 비례하여 증가함을 알 수 있다.When the voltage value of the current supplied to the solenoid coil is varied from 50 to 200 V, the change in the magnetic field strength at the A and B positions of FIG. 3 is shown in FIG. 5. That is, it can be seen that as the voltage value of the current increases, the magnetic field strength also increases in proportion thereto.

열전도도 측정Thermal conductivity measurement

비정상열선법에 의해 자성 나노유체의 열전도도를 측정할 때 가장 주의해야 할 점은 시료뿐만이 아니라 열전도도 측정센서 및 측정장비도 자기장의 영향을 동시에 받는다는 것이다. 따라서 시료와 함께 외부자기장에 노출될 수밖에 없는 열전도도 측정센서를 제외한 측정장치 및 전선류에 대한 자기장 영향을 최소화하기 위하여 규소강판 재질의 자기장 차폐재를 솔레노이드 코일 주위에 설치하였다.When measuring the thermal conductivity of magnetic nanofluids by the unsteady heating method, the most caution is that not only the sample but also the thermal conductivity sensor and the measuring equipment are affected by the magnetic field at the same time. Therefore, magnetic field shielding material made of silicon steel sheet was installed around the solenoid coil in order to minimize the magnetic field influence on the measuring device and wires except the thermal conductivity sensor which can only be exposed to the external magnetic field with the sample.

모든 실험은 순수 냉각유에 대하여 열전도도를 측정한 후, 그 값을 기준으로 하여 열전도도 및 열전도도 상승폭을 계산하였다. 열선이자 측정센서로 사용된 백금선은 절연코팅된 직경 25㎛의 것을 사용하였으며, 백금선에 전달되는 공급전압은 3.5V로 하여 샘플링율 1kHz 조건에서 10초 동안 10000개의 데이터를 획득, 분석하였다. 권선수 800번의 조건에서 1중량%의 Fe3O4 자성 나노유체에 대하여 솔레노이드 코일에 흐르는 전류의 전압값을 50~200V로 달리하면서 자성유체의 열전도도를 비교, 측정하였다(도6). 외부에서 교류자기장을 가하지 않은 상태에서 단순히 냉각유에 1중량%의 Fe3O4 나노분말을 첨가하여 자성 나노유체를 제조했을 때는 순수 냉각유에 대한 열전도도 향상폭이 오차범위 내에서 무시할 정도로 작았는데, 도 6에서와 같이 외부에서 교류자기장을 작용시키면 자성 유체의 열전도도가 순수 냉각유 대비 5~10% 상승함을 확인할 수 있었다.In all the experiments, the thermal conductivity of the pure cooling oil was measured, and then the thermal conductivity and the thermal conductivity rise were calculated based on the values. The platinum wire used as a hot wire and a measuring sensor was used as an insulating coated diameter of 25㎛, and the supply voltage to the platinum wire was 3.5V, and 10000 data were acquired and analyzed for 10 seconds at a sampling rate of 1kHz. The thermal conductivity of the magnetic fluid was compared and measured while varying the voltage value of the current flowing through the solenoid coil at 50 to 200 V with respect to 1 wt% Fe 3 O 4 magnetic nanofluid under the condition of winding number 800 (FIG. 6). When the magnetic nanofluid was prepared by simply adding 1% by weight of Fe 3 O 4 nanopowder to the cooling oil without applying an alternating magnetic field from the outside, the thermal conductivity improvement for the pure cooling oil was negligibly small. As shown in FIG. 6, when the AC magnetic field is applied from the outside, the thermal conductivity of the magnetic fluid is 5 to 10% higher than that of the pure cooling oil.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명 하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주내에서 변경할 수 있다.As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiments, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and those skilled in the art can change the scope within the scope of the claims. have.

도 1은 본 발명에 따른 자성 나노유체의 제조공정을 나타낸 흐름도.1 is a flow chart showing a manufacturing process of the magnetic nanofluid according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노유체의 분산안정성을 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the dispersion stability of the magnetic nanofluid according to an embodiment of the present invention.

도 3은 교류자기장 발생을 위해 사용되는 솔레노이드 코일을 나타낸 사진.Figure 3 is a photograph showing a solenoid coil used for generating an alternating magnetic field.

도 4는 자성 나노유체 및 외부 교류자기장에 의한 고점도 액상시료의 열전도도 향상을 확인하기 위한 실험장치의 사진.Figure 4 is a photograph of the experimental apparatus for confirming the thermal conductivity of the high viscosity liquid sample by the magnetic nanofluid and external alternating magnetic field.

도 5는 솔레노이드 코일에 흐르는 전류의 전압 크기에 따른 위치별 자기장 세기 및 전류를 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the magnetic field strength and current for each position according to the voltage magnitude of the current flowing in the solenoid coil.

도 6은 솔레노이드 코일에 흐르는 전류의 전압 크기에 따른 자성 나노유체의 열전도도 상승폭을 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the thermal conductivity rise of the magnetic nanofluid according to the voltage magnitude of the current flowing in the solenoid coil.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 솔레노이드 코일 200 : 시료용기100: solenoid coil 200: sample container

Claims (13)

고점도 냉각유에 분산제를 넣고 교반하는 단계;Adding a dispersant to the high viscosity cooling oil and stirring; 분산제가 첨가된 상기 냉각유에 강자성체 또는 상자성체의 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계; 및Adding a ferromagnetic or paramagnetic magnetic nanopowder to the cooling oil to which the dispersant is added and stirring; And 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 분산시키고 상기 나노분말의 표면을 개질시키는 단계를 포함하여 제조된 자성 나노유체에 외부에서 교류자기장을 작용시키되,Dispersing the agitated nanofluid with a high energy dispersing mechanism and modifying the surface of the nanopowder to act an alternating magnetic field externally to the prepared magnetic nanofluid. 상기 나노분말의 평균입도와 밀도에 따라 공진현상을 일으킬 수 있도록 60 Hz의 주파수에서 외부에서 작용하는 자기장의 세기를 35 내지 72.4 mT로 조절하는 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.Method of using a magnetic nanofluid, characterized in that to control the intensity of the external magnetic field to 35 to 72.4 mT at a frequency of 60 Hz to cause resonance depending on the average particle size and density of the nanopowder. 저점도 액상 용매에 분산제를 넣고 교반하는 단계;Stirring the dispersant in a low viscosity liquid solvent; 분산제가 첨가된 상기 액상 용매에 강자성체 또는 상자성체의 자성을 띠는 나노분말을 넣고 교반하는 단계;Adding a ferromagnetic or paramagnetic magnetic nanopowder to the liquid solvent to which the dispersant is added and stirring; 교반된 나노유체를 고에너지 분산기구로 분산시키고 상기 나노분말의 표면을 개질시키는 단계; 및 Dispersing the stirred nanofluid with a high energy dispersing device and modifying the surface of the nanopowder; And 저점도 액상 용매를 고점도 냉각유로 치환시켜 자성 나노유체를 완성하는 단계를 포함하여 제조된 자성 나노유체에 외부에서 교류자기장을 작용시키되,Substituting an alternating magnetic field externally to the prepared magnetic nanofluid, including the step of completing the magnetic nanofluid by substituting a low viscosity liquid solvent with a high viscosity cooling oil, 상기 나노분말의 평균입도와 밀도에 따라 공진현상을 일으킬 수 있도록 60 Hz의 주파수에서 외부에서 작용하는 자기장의 세기를 35 내지 72.4 mT로 조절하는 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.Method of using a magnetic nanofluid, characterized in that to control the intensity of the external magnetic field to 35 to 72.4 mT at a frequency of 60 Hz to cause resonance depending on the average particle size and density of the nanopowder. 삭제delete 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, 상기 강자성체로는 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.The ferromagnetic material is a method of using a magnetic nanofluid, characterized in that iron, nickel, cobalt or alloys thereof. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, 상기 분산제는 상기 나노분말에 대하여 1~40중량% 함유되는 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.The dispersant is a method of using magnetic nanofluids, characterized in that 1 to 40% by weight based on the nanopowder. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, 상기 나노분말은 상기 냉각유에 대하여 0.001~5.0중량%로 첨가되며, 상기 나노분말의 직경은 1~100nm인 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.The nano powder is added in 0.001 to 5.0% by weight based on the cooling oil, the diameter of the nano powder is a method of using magnetic nano fluid, characterized in that 1 ~ 100nm. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, 상기 고에너지 분산기구는 비드밀, 초음파분산기 또는 고압균질기인 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법The high energy dispersing mechanism is a method of using magnetic nanofluids, characterized in that the bead mill, ultrasonic disperser or high pressure homogenizer. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 자성 나노유체는The method of claim 1 or claim 2, wherein the magnetic nanofluid is 자성 나노유체를 비자성 나노유체와 혼합하여 혼합 나노유체를 제조하는 단계; 및Mixing a magnetic nanofluid with a nonmagnetic nanofluid to prepare a mixed nanofluid; And 상기 혼합 나노유체를 재분산시키는 단계를 더 포함하여 제조된 혼합 나노유체인 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.Method of using a magnetic nanofluid, characterized in that the mixed nanofluid prepared further comprising the step of redispersing the mixed nanofluid. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, 상기 교류자기장의 자기력선 방향은 열전달면의 수직 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.Magnetic field line direction of the alternating magnetic field is a direction of the magnetic nanofluid, characterized in that the direction of the heat transfer surface. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, 상기 냉각유와 나노분말 사이의 상대적인 운동성을 강화하기 위해 시료에 초음파를 제공하는 것을 특징으로 하는 자성 나노유체의 사용방법.Method of using a magnetic nanofluid, characterized in that to provide an ultrasonic wave to the sample to enhance the relative motility between the cooling oil and the nanopowder.
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