KR101202740B1 - 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법 및 이를 이용하여 제작된 파이프 - Google Patents

나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법 및 이를 이용하여 제작된 파이프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속물질 또는 비금속물질의 나노입자를 함유한 나노유체를 사용하여 파이프 내벽 또는 파이프 내 윅 구조물 표면에 박막 다공층을 형성시키고자 하는 부분을 선택적으로 코팅할 수 있는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법 및 이를 이용하여 제작된 파이프에 관한 것으로, 나노유체가 충진될 수 있는 내부 공간을 구비한 파이프와 나노유체를 준비하는 준비단계와, 상기 내부공간에 나노유체를 충진하는 충진단계와, 상기 파이프를 밀봉하는 밀봉단계 및 상기 파이프의 박막 다공층을 형성하려는 부분을 가열하여 코팅상태에 이르도록 하는 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법 및 이를 이용하여 제작된 파이프{METHOD FOR SELECTIVE COATING OF A THIN POROUS LAYER ON THE INNER SURFACE OF PIPES USING NANOFLUIDS AND PIPES FABRICATED BY USING THE SAME}
본 발명은 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법 및 이를 이용하여 제작된 파이프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속물질 또는 비금속물질의 나노입자를 함유한 나노유체를 사용하여 파이프 내벽 또는 파이프 내 윅 구조물 표면에 박막 다공층을 형성시키고자 하는 부분을 선택적으로 코팅할 수 있는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법 및 이를 이용하여 제작된 장치에 관한 것이다.
파이프 내벽 표면에 박막 다공층을 형성시킬 경우 모세관 펌프 루프(CPL : Capillary Pumped Loop), 히트파이프(heat pipe), 루프히트파이프(loop heat pipe) 등의 상변화 현상을 이용한 열전달 장치의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다는 사실은 잘 알려져 있다.
가장 대표적인 예가 미세 금속분말을 파이프 내벽에 다층 소결한 소결 윅(sintered metal wick) 구조물을 갖는 히트파이프이다. 소결 윅 구조물을 갖는 히트파이프의 경우 기공 유효반경을 작게 만듦으로써 작동 유체를 원활하게 귀환시키는 데에 필요한 모세관력을 잘 발생시킬 수 있으므로 열전달 효율이 향상되는 효과를 나타낸다.
또한, J. Wang, I. Catton, 2001, "Enhanced evaporation heat transfer in triangular grooves covered with a thin fine porous layer," Applied Thermal Engineering 21 pp. 1721-1737 에 의하면 삼각홈 표면에 박막 다공층을 코팅하는 경우 증발 열전달 특성이 좋아진다는 것이 보고되었다. 박막 다공층의 형성으로 인해 추가적인 모세관력이 생성될 뿐 아니라 높은 열전달 특성을 갖는 증발면적이 증가하게 되어 박막 다공층을 코팅하지 않은 경우에 비해 증발 열전달 특성이 현저하게 향상되는 것이다.
이후 다수의 연구 및 실험을 통해 파이프 내벽 표면에 홈이 형성된 그루브 윅(grroved wick), 메쉬 레이어가 적층 형성된 구조를 갖는 스크린 메쉬 윅(screen mesh wick) 등의 윅 구조물의 표면에 박막 다공층이 코팅된 경우에도 열전달 성능이 향상된다는 사실이 보고된 바 있다.
그러나 실제로 내부에 윅 구조물을 갖고 있는 파이프의 경우 윅 구조물 표면에 추가적으로 박막 다공층을 코팅시키는 데에는 기술적인 어려움이 존재한다.
종래 파이프 내벽 표면 또는 파이프 내 윅 구조물 표면에 박막 다공층을 형성시키는 방법으로 제시된 것 중 하나로는 파이프 내부에 소결 윅 구조물을 형성시키는 방법이 있다. 통상적으로 소결 윅의 제작은 파이프 내부에 심(mandrel)을 삽입하여 증기유동통로를 확보하고, 파이프와 심 사이에 확보된 증기유동통로를 통해 금속물질과 기공형성제(pore former)를 채워넣은 후 소결공정을 거쳐 심을 제거하는 과정을 통해 이루어진다.
그러나 이러한 방법은 내부에 윅 구조물을 구비한 파이프에는 적용하기가 쉽지 않고, 특히 윅 구조물이 형성되지 않은 경우라도 내부에 증기유동통로 확보를 위한 심이 삽입될만큼 충분한 공간이 마련되어 있지 않은 미소 원관 또는 덕트의 경우에는 적용이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 추가적인 모세관력을 생성하고 및 높은 열전달 특성을 갖는 증발면적을 증가시킴으로써 파이프의 열전달효율을 높일 수 있도록 나노유체를 이용하여 파이프 내벽 또는 파이프 내 윅 구조물 표면에 박막 다공층을 코팅하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 파이프의 크기와 무관하게 미소 원관 또는 덕트의 경우에도 적용가능한 박막 다공층 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이러한 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 이용하여 제작된 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기본유체에 나노입자가 분산된 나노유체가 충진될 수 있는 내부 공간을 구비한 파이프와 나노유체를 준비하는 준비단계와, 상기 내부공간에 나노유체를 충진하는 충진단계와, 상기 파이프를 밀봉하는 밀봉단계 및 상기 파이프의 박막 다공층을 형성하려는 부분을 가열하여 코팅상태에 이르도록 하는 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 나노유체는 물, 에틸렌글리콜, 아세톤, 알코올 등의 기본유체 내에 30 ㎚ ~ 500 ㎚ 크기의 금, 은, 구리 중 어느 하나의 금속물질 또는 Al2O3, CuO, SWCNT(Single Wall Carbon Nanotube), MWCNT(Multi Wall Carbon Nanotube), TiO2, Fe2O3, ZnO, SiO2, 다이아몬드 중 어느 하나의 비금속물질 등의 나노입자가 분산되어 있을 수 있다.
또한, 박막 다공층의 투과도를 조절할 수 있도록 상기 충진단계는 상기 나노입자의 크기를 조절하는 단계 및 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 박막 다공층의 투과도 및 유효열전도도를 조절할 수 있도록 상기 충진단계는 상기 나노입자의 모양를 조절하는 단계 및 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 박막 다공층의 두께를 조절할 수 있도록 상기 충진단계는 상기 나노유체에 포함된 상기 나노입자의 부피조성비를 조절하는 단계 및 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
뿐만 아니라, 유체유동 특성 및 열전달 특성이 전혀 다른 여러 겹의 박막 다공층을 코팅할 수 있도록 상기 코팅단계를 수행한 후 상기 파이프의 밀봉을 해제하고 다른 나노유체를 준비하는 단계를 거쳐 다시 상기 충진단계, 상기 밀봉단계 및 상기 코팅단계를 수행하는 과정을 다수회 반복하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 따르면 파이프 내벽 또는 파이프 내 윅 구조물 표면에 박막 다공층을 코팅하여 추가적인 모세관력을 생성할 뿐만 아니라 높은 열전달 특성을 갖는 증발면적을 증가시킴으로써 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 파이프의 크기와 무관하게 미소 원관 또는 덕트의 경우에도 적용 가능한 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법이 제공된다.
또한, 파이프 내벽 표면에서 박막 다공층이 형성되기를 원하는 위치만을 선택적으로 코팅할 수 있도록 하는 박막 다공층 코팅 방법이 제공된다.
본 발명의 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 따르면 금, 은, 구리 등의 금속물질 뿐만 아니라 Al2O3, CuO, SWCNT(Single Wall Carbon Nanotube), MWCNT(Multi Wall Carbon Nanotube), TiO2, Fe2O3, ZnO, SiO2, 다이아몬드 등의 비금속물질을 나노입자로 이용하는 경우에도 파이프 내벽 표면에 박막 다공층을 형성함으로 인하여 파이프의 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 코팅 방법이 제공된다.
또한, 나노유체의 기본유체에 분산되는 나노입자의 크기, 입자의 모양 및 나노유체에 포함된 나노입자의 부피조성비를 조절하여 박막 다공층의 투과도와 유효열전도도, 두께를 조절할 수 있는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법이 제공된다.
또한, 나노입자로 이루어진 박막 다공층을 형성시킨 파이프의 밀봉을 해제하고 다시 다른 나노입자가 포함된 나노유체를 사용하여 또 다른 박막 다공층을 코팅함으로써 유체유동 특성 및 열전달 특성이 전혀 다른 여러 겹의 박막 다공층을 코팅할 수 있도록 하는 코팅 방법이 제공된다.
이 때, 형성된 박막 다공층의 유체유동 특성 및 열전달 특성이 서로 다른 다양한 파이프를 제작한 후 파이프의 밀봉을 해제하고 특정 나노유체를 충진시켜 열전달 특성을 시험함으로써 해당 나노유체를 작동유체로 사용하는 경우 박막 다공층 내에서의 압력강하를 최소화하면서 열전달 효율 향상을 최대로 하는 박막 다공층의 구조와 두께를 찾을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법의 메카니즘을 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 의하여 내부에 윅 구조물을 갖지 않는 파이프 내벽 표면에 박막 다공층이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 의하여 내부에 그루브 윅 구조물을 갖는 파이프 내벽 표면에 박막 다공층이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 의하여 내부에 스크린 메쉬 윅 구조물을 갖는 파이프 내벽 표면에 박막 다공층이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 의하여 박막 다공층을 코팅하기 전과 코팅한 후 스크린 메쉬 윅 구조물 표면을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 나노유체에 포함된 나노입자의 크기를 조절함으로써 투과도가 조절된 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 나노유체에 포함된 나노입자의 모양을 조절함으로써 투과도 및 유효열전도도가 조절된 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 나노유체에 포함된 나노입자의 부피조성비를 조절함으로써 두께가 조절된 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 유체유동 특성 및 열전달 특성이 전혀 다른 여러 겹의 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법의 메카니즘을 설명한 도면이며, 도 3, 도 4, 도 5는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 의하여 내부에 윅 구조물을 갖지 않는 파이프 내벽 표면, 그루브 윅 구조물을 갖는 파이프 내벽 표면, 스크린 메쉬 윅 구조물을 갖는 파이프 내벽 표면에 박막 다공층이 형성되는 과정을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법에 의하여 박막 다공층을 코팅하기 전과 코팅한 후 스크린 메쉬 윅 구조물 표면을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법은 나노유체(30)가 충진될 수 있는 내부공간(15)을 구비한 파이프(10)와 나노유체(30)를 준비하는 준비단계(S100)와, 상기 내부공간(15)에 나노유체(30)를 충진하는 충진단계(S200)와, 상기 파이프(10)를 밀봉하는 밀봉단계(S300) 및 상기 파이프(10)의 박막 다공층(40)을 형성하려는 부분을 가열하여 코팅상태에 이르도록 하는 코팅단계(S400)를 포함한다.
상기 준비단계(S100)에서는 내벽 표면에 박막 다공층(40)을 형성시키고자 하는 파이프(10)와 박막 다공층(40)을 구성하는 나노입자(32)를 포함하는 나노유체(30)를 준비한다.
상기 파이프(10)는 열전도성이 좋은 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 파이프(10)의 외경이나 내경에는 아무런 제한이 없어 미소 원관 또는 덕트의 경우에도 적용가능하다.
여기서, 파이프(10)는 윅 구조물(20)을 구비하는 것이 바람직하다. 윅 구조물(20)은 모세관력을 발생시킴으로써 후술할 코팅단계(S400)에서 박막 다공층(40)이 코팅되도록 유동하는 나노유체(30)가 가열하는 측으로 회귀할 수 있도록 하는 구동력(driving force)를 발생시킨다. 윅 구조물(20)로는 그루브 윅, 스크린 메쉬 윅, 소결 윅 등이 사용될 수 있다.
상기 나노유체(30)는 기본유체(31) 내에 30 ㎚ ~ 500 ㎚ 크기의 나노입자(32)가 분산되어 이루어진다. 기본유체(31)로는 물, 에틸렌글리콜, 아세톤, 알코올 등이 사용될 수 있으며, 나노입자(32)는 금, 은, 구리 등의 금속물질과 Al2O3, CuO, SWCNT(Single Wall Carbon Nanotube), MWCNT(Multi Wall Carbon Nanotube), TiO2, Fe2O3, ZnO, SiO2, 다이아몬드 등의 비금속물질이 사용가능하다.
상기 충진단계(S200)에서는 파이프(10)를 비운 후 파이프(10) 내부공간(15)에 유체를 채워 넣는다. 여기서 파이프(10) 내부공간(15)을 진공상태로 만든 후 진공펌프와 파이프(10)사이에 위치한 밸브를 막아 진공을 유지한다. 나노유체(30)를 주입한 용기를 밸브에 연결한 후 밸브를 열게 되면 압력차에 의해 나노유체(30)가 진공을 유지하고 있는 파이프(10)로 이동하면서 충진 된다. 이 경우 나노유체(30)의 끓는점이 낮아짐으로써 낮은 온도에서도 기화가 이루어지도록 하는 효과가 있다. 적은 가열량만으로도 유체 유동이 원활이 이루어지도록 함으로써 박막 다공층(40)을 형성하는 데에 필요한 에너지 소모 및 시간 소모를 줄일 수 있게 된다.
상기 밀봉단계(S300)에서는 파이프(10)에 마개를 씌우고 용접하거나, 파이프를 압착하거나, 접합공정을 통하여 나노유체(30)가 새어나오지 않도록 단단하게 봉인한다.
상기 코팅단계(S400)에서는 박막 다공층(40)이 형성되기를 원하는 영역을 가열하여 파이프 각 부의 온도변화가 없게 되는 정상상태(steady state)에 이를 때까지 열을 가해준다.
도 2를 참조하면 파이프(10) 내벽에 박막 다공층(40)이 코팅되는 메카니즘은 다음과 같다.
파이프(10) 내부의 박막 다공층(40)을 코팅하고자 하는 부분을 가열하면 파이프(10) 내부공간(15)에 주입되어 있는 나노유체(30)는 공급된 열을 흡수하여 기화한다. 파이프(10)를 따라 파이프(10)의 끝단쪽으로 이동한 나노유체(30)는 끓는점보다 낮은 온도를 나타내는 영역에서 응축잠열을 파이프(10) 외부로 방출하면서 액화된다. 액화된 나노유체(30)는 윅 구조물(20)이 공급하는 모세관력 또는 가열하는 영역을 응축되는 영역보다 낮게 위치하도록 설정함으로써 얻어지는 중력에 의하여 다시 가열하는 영역으로 이동하면서 나노유체(30)의 유동이 일어나게 된다.
코팅과정에서 파이프(10)는 나노유체(30)가 열을 흡수하여 증기로 상변화를 일으키는 증발부(evaporator)(11)와, 상기 증발부(11)로부터 끝단 쪽으로 멀리 떨어지도록 위치하여 나노유체(30)의 끓는점보다 낮은 온도를 나타내어 나노유체(30)가 열을 방출하면서 다시 액체로 상변화를 일으키는 응축부(condenser)(13)와, 증발부(11)와 응축부(13) 사이에 위치하는 영역에 해당하는 단열부(adiabatic section)(12)로 구분되어지게 된다.
이 과정에서 증발부(11)에 가해진 열에 의해 나노유체(30)를 구성하는 기본유체(31)가 증발하게 됨에 따라 나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)가 윅 구조물(20)의 표면에 축적(accumulation)된다. 이러한 현상이 반복되어 파이프(10)가 정상상태에 도달하게 되면 윅 구조물(20) 표면에는 박막 다공층(40)이 형성되는 것이다.
상기 박막 다공층(40)의 코팅은 열을 가해준 부위에 한하여 이루어지므로 파이프(10) 내에서 원하는 영역에 한하여 선택적으로 박막 다공층(40)을 형성시킬 수 있다. 파이프(10)의 설치구조에 따라 나노유체(30)의 유동을 추가적인 모세관력을 요하는 영역에만 선택적으로 박막 다공층(40)을 형성시킴으로써 비용을 절감할 수도 있고, 필요한 경우에는 파이프(10) 전면을 순차적으로 가열해나감으로써 내벽 또는 내부의 윅 구조물 표면 전면에 박막 다공층(40)이 형성된 파이프(10)를 제작할 수도 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 이용하여 제작되는 파이프(10)는 나노유체(30) 내에 부유 또는 분산되어 있는 나노입자가 박막 다공층을 형성함에 따라 생성되는 추가적인 모세관력 및 높은 열전달 특성을 나타내고 상변화 현상을 촉진하는 증발면적의 증가를 메카니즘으로 하여 파이프의 현저한 열전달 효율 향상을 나타낸다.
여기서, 나노입자가 갖는 열전도도 특성 뿐 아니라, 추가적 모세관력 생성 및 상변화 현상을 촉진하는 증발면적의 증가가 본 발명의 직접적인 메카니즘이므로 나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)가 금속물질인 경우는 물론 비금속물질인 경우에도 성능향상이 가능한 장점이 있다.
도 3을 참조하면 내부에 윅 구조물을 갖지 않는 파이프(10) 내벽 표면에 박막 다공층(40)이 형성되는 과정이 도시되어 있다. 이러한 경우 박막 다공층(40)은 소결 윅 형태로 코팅된다. 기존에 소결 윅 구조물을 갖는 파이프의 경우에도 동일한 과정을 통해 기존에 생성된 소결 윅 층 상부에 또 다른 소결 윅 구조물이 적층 형성될 수 있다.
도 4, 도 5을 참조하면 각각 내부에 그루브 윅, 스크린 메쉬 윅 구조물(20)을 갖는 파이프(10)의 내벽 표면에 박막 다공층(40)이 형성되는 과정이 도시되어 있다. 가열을 시작하면 그루브나 메쉬 구조의 표면 중 기본유체(31)의 증발이 잘 일어나는 부분으로부터 나노입자가 축적되기 시작하고, 정상상태에 도달하면 일정 두께를 갖는 박막 다공층(40)을 형성하게 된다. 도 6을 참조하면 스크린 메쉬 윅 구조물(20)에 본 발명에 따른 코팅 방법을 적용하여 박막 다공층(40)이 형성된 윅 구조물 표면의 모습을 볼 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 나노유체에 포함된 나노입자의 크기를 조절함으로써 투과도가 조절된 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면 본 발명의 제2실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법은 상기 준비단계(S100)와, 상기 충진단계(S200)와, 상기 밀봉단계(S300) 및 상기 코팅단계(S400)를 포함하고, 여기서 상기 충진단계(S200)는 상기 나노입자의 크기를 조절하는 단계(S210) 및 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계(S250)로 이루어진다. 도 1에 도시된 단계들과 동일한 번호에 의해 지정되는 단계들은 동일한 동작 및 기능을 가지므로 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 이용하면 다양한 유체유동 특성을 갖는 파이프(10)의 제작이 가능하다.
상기 나노입자의 크기를 조절하는 단계(S210)에서는 나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)의 크기를 다양하게 조절하고, 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계(S250)에서는 조절된 크기의 나노입자를 포함하는 나노유체(30)를 파이프 내부공간(15)에 주입한다.
나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)가 구형인 경우, 해당 나노입자(32)로 형성된 박막 다공층(40)의 투과도(permeability)는 다음과 같은 식으로 표현된다.
Figure 112010033453340-pat00001
(K: 투과도, ε: 공극율(porosity), dNP: 나노입자의 직경)
나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)의 크기를 변형시키는 경우, dNP값이 변화함에 따라 박막 다공층(40)의 투과도(K)를 변화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 나노유체에 포함된 나노입자의 모양을 조절함으로써 투과도 및 유효열전도도가 조절된 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면 본 발명의 제3실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법은 상기 준비단계(S100)와, 상기 충진단계(S200)와, 상기 밀봉단계(S300) 및 상기 코팅단계(S400)를 포함하고, 여기서 상기 충진단계(S200)는 상기 나노입자의 모양을 조절하는 단계(S220) 및 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계(S250)로 이루어진다. 도 1 및 도 7에 도시된 단계들과 동일한 번호에 의해 지정되는 단계들은 동일한 동작 및 기능을 가지므로 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 나노입자의 모양을 조절하는 단계(S220)에서는 나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)의 모양을 다양하게 조절한다.
또한 유효열전도도(effective thermal conductivity)는 다음과 같은 식으로 표현된다.
Figure 112010033453340-pat00002
(ke: 유효열전도도, kf: 기본유체의 열전도도, kNP: 나노입자의 열전도도, G: 나노입자의 형상계수)
나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)의 모양을 변형시키는 경우, 공극률(ε)과 나노입자의 형상계수(G)가 달라진다. 예를 들어 나노입자가 구형인 경우 공극률(ε)은 0.36 - 0.43, Fiber형인 경우 공극률(ε)은 0.88 - 0.93의 값을 갖는다. 입자의 모양을 달리함에 따라 박막 다공층(40)의 투과도(K)가 달라질 것이다. 또한, 형상계수(G)의 변화에 따라 박막 다공층(40)의 유효열전도도가 달라질 것이다.
이하, 본 발명의 제4실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 나노유체에 포함된 나노입자의 부피조성비를 조절함으로써 두께가 조절된 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9를 참조하면 본 발명의 제4실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법은 상기 준비단계(S100)와, 상기 충진단계(S200)와, 상기 밀봉단계(S300) 및 상기 코팅단계(S400)를 포함하고, 여기서 상기 충진단계(S200)는 상기 나노유체에 포함된 상기 나노입자의 부피조성비를 조절하는 단계(S230) 및 상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계(S250)로 이루어진다. 도 1 및 도 7에 도시된 단계들과 동일한 번호에 의해 지정되는 단계들은 동일한 동작 및 기능을 가지므로 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 나노유체에 포함된 상기 나노입자의 부피조성비를 조절하는 단계(S230)에서는 상기 나노유체(30)의 단위부피당 포함되어 있는 나노입자(32)의 부피를 다양하게 조절한다.
나노유체(30)에 포함된 나노입자(32)의 부피조성비를 증감시킴에 따라 단위부피당 박막 다공층(40)을 형성시키는 나노입자의 수가 증감하기 때문에 코팅되는 박막 다공층(40)의 두께를 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 제5실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 유체유동 특성 및 열전달 특성이 전혀 다른 여러 겹의 박막 다공층을 선택적으로 코팅하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10을 참조하면 본 발명의 제5실시예에 따른 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법은 상기 준비단계(S100)와, 상기 충진단계(S200)와, 상기 밀봉단계(S300) 및 상기 코팅단계(S400)를 포함하고, 상기 코팅단계(S400)를 수행한 후, 상기 파이프의 밀봉을 해제하고 다른 나노유체를 준비하는 단계(S110)를 거쳐 다시 상기 충진단계(S200), 상기 밀봉단계(S300) 및 상기 코팅단계(S400)를 수행하는 과정을 다수회 반복한다.
상기 파이프의 밀봉을 해제하고 다른 나노유체를 준비하는 단계(S110)에서는 나노입자(32)로 이루어진 박막 다공층(40)이 형성되어 있는 파이프(10)의 밀봉을 해제하고 다른 나노입자(32)를 포함하거나, 나노입자(32)의 크기가 다르거나, 나노입자(32)의 모양이 다르거나, 나노입자(32)의 부피조성비를 변화시킨 나노유체(30)를 준비한다.
기존에 형성되어 있는 박막 다공층(40)과 다른 유체유동 특성 또는 열전달 특성을 갖는 박막 다공층(40)을 코팅시킴으로써 유체유동 특성 및 열전달 특성이 전혀 다른 여러 겹의 박막 다공층(40)이 형성된 파이프(10)를 얻을 수 있다.
상기한 박막 다공층(40)의 투과도(K), 유효열전도도, 두께, 및 층의 구조를 달리함으로써 형성된 박막 다공층의 유체유동 특성 및 열전달 특성을 서로 달리하는 다양한 파이프를 제작할 수 있다. 제작된 파이프(10)의 밀봉을 해제하고 특정 나노유체(30)를 충진시킨 후 열전달 특성을 시험함으로써 박막 다공층(40)을 이루는 입자와 작동유체로 사용되는 나노유체(30)에 함유된 입자의 재질, 크기, 모양 등이 다른 다양한 경우에 파이프(10)가 갖는 열전달 특성을 평가할 수 있다.
이러한 방법을 사용하면 해당 나노유체(30)를 작동유체로 사용하는 경우 박막 다공층(40) 내에서의 압력강하를 최소화하면서 열전달 효율 향상을 최대로 하기에 필요한 박막 다공층(40)의 구조와 두께를 찾아낼 수 있다.
10 : 파이프 11 : 가열부
12 : 단열부 13 : 응축부
15 : 내부공간 20 : 윅 구조물
30 : 나노유체 31 : 기본유체
32 : 나노입자 40 : 박막 다공층
A : 가열부에서 기화된 기본유체의 이동방향
B : 응축부에서 액화된 기본유체의 이동방향

Claims (10)

  1. 기본유체에 나노입자가 분산된 나노유체가 충진될 수 있는 내부공간을 구비한 파이프와 나노유체를 준비하는 준비단계와;
    상기 내부공간에 나노유체를 충진하는 충진단계와;
    상기 파이프를 밀봉하는 밀봉단계; 및
    상기 파이프의 박막 다공층을 형성하려는 부분을 가열하여 코팅상태에 이르도록 하는 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노유체는 기본유체 내에 30 ㎚ ~ 500 ㎚ 크기의 나노입자가 분산된 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충진단계는 상기 나노입자의 크기를 조절하는 단계; 및
    상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충진단계는 상기 나노입자의 모양을 조절하는 단계; 및
    상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충진단계는 상기 나노유체에 포함된 상기 나노입자의 부피조성비를 조절하는 단계; 및
    상기 나노유체를 상기 파이프에 주입하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅단계를 수행한 후,
    상기 파이프의 밀봉을 해제하고 다른 나노유체를 준비하는 단계;를 거쳐 다시 상기 충진단계, 상기 밀봉단계 및 상기 코팅단계를 수행하는 과정을 다수회 반복하는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 기본유체는 물, 에틸렌글리콜, 아세톤, 알코올 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 나노입자는 금, 은, 구리 중 어느 하나의 금속물질인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 나노입자는 Al2O3, CuO, SWCNT(Single Wall Carbon Nanotube), MWCNT(Multi Wall Carbon Nanotube), TiO2, Fe2O3, ZnO, SiO2, 다이아몬드 중 어느 하나의 비금속물질인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 파이프 내벽 표면의 박막 다공층의 선택적 코팅 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9879167B2 (en) 2015-06-26 2018-01-30 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Nanofluids containing carbon nanotubes and metal oxide nanoparticle composites with enhanced heat transfer and heat capacity properties
KR101836670B1 (ko) 2016-07-19 2018-04-19 현대자동차주식회사 나노소재, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 나노유체
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050269065A1 (en) 2004-06-07 2005-12-08 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Heat pipe with hydrophilic layer and/or protective layer and method for making same
US20060051536A1 (en) * 2004-09-08 2006-03-09 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Heat pipe

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050269065A1 (en) 2004-06-07 2005-12-08 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Heat pipe with hydrophilic layer and/or protective layer and method for making same
US20060051536A1 (en) * 2004-09-08 2006-03-09 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Heat pipe

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9879167B2 (en) 2015-06-26 2018-01-30 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Nanofluids containing carbon nanotubes and metal oxide nanoparticle composites with enhanced heat transfer and heat capacity properties
US10077391B2 (en) 2015-06-26 2018-09-18 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Water-based nanofluid heat transfer medium
US10138404B1 (en) 2015-06-26 2018-11-27 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Heat transfer medium containing multi-wall carbon nanotubes
US10266738B2 (en) 2015-06-26 2019-04-23 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Aqueous nanofluid composition containing doped and undoped carbon nanotubes
KR101836670B1 (ko) 2016-07-19 2018-04-19 현대자동차주식회사 나노소재, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 나노유체
KR102006602B1 (ko) 2018-05-25 2019-08-05 주식회사 아이파이프 항균 기능을 갖는 친환경 코팅층이 내벽에 형성된 파이프, 그 코팅방법 및 코팅장치

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