KR101248931B1 - Micro channel and heat conductor using the same - Google Patents

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Abstract

열 전도 장치는 연소반응물질의 화염을 길이방향으로 전파하는 채널 몸체 및 상기 연소반응물질을 상기 채널 몸체로 전달하는 연료 공급부를 포함하되, 상기 채널 몸체는, 상기 길이방향으로 연장되고, 관(pipe) 형상으로 형성된 단열층 및 상기 단열층 내부면의 상부에 형성된 열 전달층을 포함하고, 상기 열 전달층은 상기 길이방향으로의 열 전달 정도가 상기 길이방향과 수직한 방향으로의 열 전달 정도 보다 큰 열 전달 이등방성을 가진다.The heat conduction apparatus includes a channel body for propagating a flame of a combustion reactant in a longitudinal direction and a fuel supply for delivering the combustion reactant to the channel body, wherein the channel body extends in the lengthwise direction and is a pipe. And a heat transfer layer formed on the inner surface of the heat insulation layer, wherein the heat transfer layer has a heat transfer degree greater than the heat transfer degree in a direction perpendicular to the length direction. Has anisotropy of transmission.

Description

마이크로 채널 및 이를 이용한 열 전도 장치{MICRO CHANNEL AND HEAT CONDUCTOR USING THE SAME}MICRO CHANNEL AND HEAT CONDUCTOR USING THE SAME

본 발명은 마이크로 채널 및 이를 이용한 열 전도 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a microchannel and a heat conduction device using the same.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.In general, a fuel cell is a power generation system that generates electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkaline fuel cells and the like according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

예컨대, 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.For example, polymer electrolyte fuel cells have significantly higher output characteristics, lower operating temperatures, and faster startup and response characteristics than other fuel cells, as well as transport power sources such as mobile power sources for mobile electronics or automotive power sources. Of course, there is a wide range of applications, such as distributed power supply, such as stationary power plants of houses, public buildings.

한편, 최근 마이크로 채널 내 화염발열 반응을 발생시키는 소형 발전 시스템은 상당히 높은 에너지 밀도로 발전이 가능하기 때문에 연료전지 및 배터리 등의 기존 시스템을 대체하는 시스템으로 각광받고 있다. 이때, 통상의 연료전지는 1.62MJ/kg, 리튬이온 배터리는 0.46-0.72 MJ/kg의 에너지 밀도를 가지고, 탄화수소기반의 소형화염발전은 45MJ/kg의 에너지 밀도를 갖는다.On the other hand, the compact power generation system that generates a flame heat reaction in the micro-channel has recently been in the spotlight as a system that replaces existing systems such as fuel cells and batteries because it can generate power with a considerably high energy density. In this case, a typical fuel cell has an energy density of 1.62 MJ / kg, a lithium ion battery has an energy density of 0.46-0.72 MJ / kg, and a hydrocarbon-based small flame power generation has an energy density of 45 MJ / kg.

하지만, 특정 사이즈 이하에서 발생하는 마이크로 채널 내에서의 열 소염(Thermal quenching) 및 라디칼 소염(Radical quenching) 현상은 화염발열 반응을 방해하여 지속적인 발전을 불가능하게 한다.However, thermal quenching and radical quenching phenomena in microchannels that occur below a certain size interfere with the pyrotechnic reaction, making continuous development impossible.

여기서, 열 소염은 비교적 낮은 온도범위(예컨대, 373K ~ 800K)에서 반응채널 외벽으로의 열손실량이 주변의 반응하지 않은 연료로 전달되어야 하는 열 전달량보다 많을 경우에 발생하는 현상이다. 그리고, 라디칼 소염은 고온조건에서 발생하며, 지속적인 연소반응을 가능케 하는 라디칼 중간 매개체가 채널 외벽과 반응을 일으켜 연속적으로 화염이 전파되지 못하는 현상이다.Here, heat dissipation is a phenomenon that occurs in a relatively low temperature range (eg, 373K to 800K) when the amount of heat loss to the outer wall of the reaction channel is larger than the amount of heat transfer to be transferred to the surrounding unreacted fuel. Radical extinction occurs under high temperature conditions, and the radical intermediate mediators, which allow continuous combustion reactions, react with the channel outer wall, and thus flame propagation is not carried out continuously.

따라서, 마이크로 채널 내에서 발생하는 소염 현상을 방지하고 외벽으로의 열손실을 최소화시켜 화염발열 반응을 증가시킬 필요성이 제기된다.
Therefore, there is a need to increase the flame exothermic reaction by preventing the anti-inflammatory phenomenon occurring in the microchannel and minimizing the heat loss to the outer wall.

본 발명의 실시예는 마이크로 채널 내에서의 소염 현상을 방지하고 외벽으로의 열손실을 최소화시켜 화염발열 반응을 증가시키는 마이크로 채널 및 이를 이용한 열 전도 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.An embodiment of the present invention is to provide a micro-channel and a heat conduction apparatus using the same to prevent the anti-inflammatory phenomenon in the micro-channel and to minimize the heat loss to the outer wall to increase the heat generation reaction.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1측면에 따른 열 전도 장치는, 연소반응물질의 화염을 길이방향으로 전파하는 채널 몸체 및 상기 연소반응물질을 상기 채널 몸체로 전달하는 연료 공급부를 포함하되, 상기 채널 몸체는 상기 길이방향으로 연장되고, 관(pipe) 형상으로 형성된 단열층 및 상기 단열층 내부면의 상부에 형성된 열 전달층을 포함하고, 상기 열 전달층은 상기 길이방향으로의 열 전달 정도가 상기 길이방향과 수직한 방향으로의 열 전달 정도 보다 큰 열 전달 이등방성을 가진다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the heat conduction apparatus according to the first aspect of the present invention, the channel body for propagating the flame of the combustion reaction material in the longitudinal direction and for transmitting the combustion reaction material to the channel body And a fuel supply unit, wherein the channel body extends in the longitudinal direction, and includes a heat insulation layer formed in a pipe shape and a heat transfer layer formed on an inner surface of the heat insulation layer, and the heat transfer layer in the length direction. Has a heat transfer anisotropy greater than the heat transfer degree in the direction perpendicular to the longitudinal direction.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 마이크로 채널은 연소반응물질의 화염을 길이방향으로 전파하도록 관(pipe) 형상으로 형성된 단열층 및 상기 단열층 내부면의 상부에 형성된 열 전달층을 포함하고, 상기 열 전달층은 상기 길이방향으로의 열 전달 정도가 상기 길이방향과 수직한 방향으로의 열 전달 정도 보다 큰 열 전달 이등방성을 가진다.
In addition, the micro-channel according to the second aspect of the present invention includes a heat insulation layer formed in the shape of a pipe (pipe) to propagate the flame of the combustion reaction material in the longitudinal direction and a heat transfer layer formed on the inner surface of the heat insulation layer, The transfer layer has heat transfer anisotropy in which the heat transfer in the longitudinal direction is greater than the heat transfer in the direction perpendicular to the longitudinal direction.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 마이크로 채널 내에서의 소염 현상을 방지하고 외벽으로의 열손실을 최소화시켜 화염발열 반응을 증가시킬 수 있다.According to any one of the above-described means for solving the problem of the present invention, it is possible to prevent the anti-inflammatory phenomenon in the micro-channel and to minimize the heat loss to the outer wall to increase the flame heat reaction.

또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 단열층의 단열효과와 열 전달층의 두께 방향으로의 열 전달 방지효과, 고열전도도 및 저열용량 특성을 이용하여, 채널 외벽으로의 열손실을 최소화시켜 연소반응을 효과적으로 지속시킬 수 있다.
In addition, according to any one of the problem solving means of the present invention described above, by using the heat insulation effect of the heat insulating layer and the heat transfer prevention effect in the thickness direction of the heat transfer layer, high thermal conductivity and low heat capacity characteristics, heat loss to the channel outer wall By minimizing this, the combustion reaction can be effectively maintained.

도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치에서의 알루미늄 테르밋 발화반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치의 채널 몸체를 예시한 도면이다.
도 4는 상기 도 3의 채널 몸체의 단면(A") 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널의 열전도 특성에 따른 열전도량을 정량적으로 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 이등방성이 고려된 경우의 열전도 계수를 도시한다.1 is a view for explaining the aluminum thermite ignition reaction in the heat conduction apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a heat conduction apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a channel body of a heat conduction apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view A ″ of the channel body of FIG. 3.
5 is a diagram quantitatively displaying the thermal conductivity according to the thermal conductivity of the channel according to an embodiment of the present invention.
6 shows thermal conductivity coefficients in the case where thermal conductivity anisotropy is considered according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치에서의 알루미늄 테르밋 발화반응을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the aluminum thermite ignition reaction in the heat conduction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로(초소형) 채널 내 화염발열 반응을 발생시키는 소형 발전 시스템은 열전도관과 열전도관 내부에 결합된 나노입자로 구성된다.As shown in FIG. 1, a small power generation system that generates a flame exothermic reaction in a micro (small) channel is composed of a heat conduction tube and nanoparticles bonded inside the heat conduction tube.

이때, 열전도관은 알루미나(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 코디어라이트(Cordierite) 등의 단열소재를 사용하여 이루어진다. 그리고, 알루미늄 테르밋(thermite) 발화반응을 이용하여 화염발열 반응(exothermic chemical reaction)을 구현한다.In this case, the heat conduction tube is made of a heat insulating material such as alumina (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), cordierite (Cordierite). In addition, an aluminum thermal ignition reaction is used to implement an exothermic chemical reaction.

이때, 알루미늄과 산화철의 산화환원 반응으로부터 발생한 열은 전도 및 복사 등의 방법으로 열전도 물질 및 공기를 통해 주위에 위치한 알루미늄 입자로 전달된다. 그리고, 전달된 열은 연속적인 테르밋 발화반응을 유발시키게 된다.At this time, the heat generated from the redox reaction of aluminum and iron oxide is transferred to the aluminum particles located around the heat conducting material and air through a method such as conduction and radiation. Then, the transferred heat causes a continuous thermite ignition reaction.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치의 블록도이다.2 is a block diagram of a heat conduction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열 전도 장치(100)는 연료 공급부(105) 및 채널 몸체(110)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the heat conduction device 100 of the present invention includes a fuel supply 105 and a channel body 110.

연료 공급부(105)는 연소반응물질을 채널 몸체(110)로 전달한다. 여기서, 연소반응물질은 액체 연료 및 기체 연료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, 연소 반응 물질은 솔리드(solids) 물질로서 무기질 테르밋 물질, 유기질 에너지 물질을 포함하고, 액체/가스 물질로서 탄화수소 계열의 물질을 포함할 수 있다.The fuel supply 105 delivers the combustion reactants to the channel body 110. Here, the combustion reactant may include one or more of a liquid fuel and a gaseous fuel. For example, the combustion reaction materials may include inorganic thermite materials, organic energy materials as solids materials, and hydrocarbon based materials as liquid / gas materials.

구체적으로, 무기질 테르밋 물질은 알루미늄 나노입자 및 CuO, Fe2O3, MnO2, NiO, SnO2, SiO2, TiO2, MoO3등을 포함할 수 있다. 또한, 유기질 에너지 물질은 RDX(1,3,5-Trinitro-1,3,5-triazacyclohexane), HMX(1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane), CL-20(2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane), TNT(2,4,6-Trinitrotoluene 등) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 탄화수소 계열의 물질은 C2H2, CH4 등을 포함할 수 있다.Specifically, the inorganic thermite material may include aluminum nanoparticles and CuO, Fe 2 O 3 , MnO 2 , NiO, SnO 2 , SiO 2 , TiO 2 , MoO 3 , and the like. Organic energy materials are also RDX (1,3,5-Trinitro-1,3,5-triazacyclohexane), HMX (1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane), CL- 20 (2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane), TNT (2,4,6-Trinitrotoluene, etc.) and the like. In addition, the hydrocarbon-based material may include C 2 H 2 , CH 4 and the like.

채널 몸체(110)는 산화반응에 의해 발생된 연소반응물질의 화염을 길이방향으로 전파하는 일정 크기의 통로가 형성되어 있다. 여기서, 채널 몸체(110)는 화염 진행 방향으로 열을 전달하기에 적합한 튜브의 형태로 형성될 수 있으며, 채널 몸체(110) 내부에는 본원 발명에 따른 열 전달층이 형성될 수 있다. 상세 구성에 대해서는 추후 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.The channel body 110 has a passage having a predetermined size for propagating the flame of the combustion reaction material generated by the oxidation reaction in the longitudinal direction. Here, the channel body 110 may be formed in the form of a tube suitable for transferring heat in the direction of flame progress, the heat transfer layer according to the present invention may be formed in the channel body (110). The detailed configuration will be described later with reference to the drawings.

상술한 채널 몸체(110)는 유입부(112), 연소부(114) 및 배출부(116)와 연통된 구조로 구성될 수 있으며, 각각의 구성요소(112, 114, 116)는 채널 몸체(110)에 포함되어 구성될 수 있다.The channel body 110 may be configured to communicate with the inlet 112, the combustion unit 114 and the discharge unit 116, each component 112, 114, 116 is a channel body ( It may be included in the 110.

여기서, 유입부(112)는 연료 공급부(105)로부터 연소반응물질을 공급받으며, 연소부(114)는 채널 몸체(110)와 연통되고, 공급받은 연소반응물질을 산화시켜 화염을 발생시킨다.Here, the inlet 112 receives the combustion reactant from the fuel supply unit 105, and the combustion unit 114 communicates with the channel body 110 and oxidizes the supplied combustion reactant to generate a flame.

배출부(116)는 유입부(112)와 연통되고, 길이방향으로 전파된 화염을 배출시킨다. The discharge part 116 communicates with the inlet part 112 and discharges the flame propagated in the longitudinal direction.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치의 채널 몸체를 예시한 도면이다. 그리고, 도 4는 상기 도 3의 채널 몸체의 단면(A") 사시도이다.3 is a diagram illustrating a channel body of a heat conduction apparatus according to an embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view A ″ of the channel body of FIG. 3.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열 전도 장치(100)의 (마이크로) 채널 몸체(110)(또는 채널)는 단열층(113)과 열 전달층(111)을 포함한다.As shown in FIGS. 3 and 4, the (micro) channel body 110 (or channel) of the heat conduction device 100 of the present invention includes a heat insulating layer 113 and a heat transfer layer 111.

단열층(113)으로는 알루미나(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 코디어라이트(Cordierite) 또는 폴리머(PTFE, polytetrafluoroethylene)층이 사용될 수 있다. 이때, 각 물질의 열 전도도(k)는 알루미나(7.85 Wm-1K-1 (at 1000K)), 실리콘산화물(2.87 Wm-1K-1 (at 1000K)), 코디어라이트 (1.30 Wm-1K-1 (at 1000K))이다.As the heat insulation layer 113, an alumina (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), cordierite, or polymer (PTFE, polytetrafluoroethylene) layer may be used. At this time, the thermal conductivity of each material (k) is alumina (7.85 Wm -1 K -1 (at 1000K)), silicon oxide (2.87 Wm -1 K -1 (at 1000K)), cordierite (1.30 Wm -1 K -1 (at 1000 K)).

단열층(113)은 도시된 바와 같이, 연소 반응이 미리 설정된 방향으로 연속적으로 진행될 수 있도록, 관(pipe) 형태로 구성될 수 있다. 이때, 관 형태의 단면은 원형뿐만 아니라, 삼각형, 사각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.As shown, the heat insulation layer 113 may be configured in the form of a pipe so that the combustion reaction may proceed continuously in a predetermined direction. In this case, the cross section of the tubular shape may be formed in various shapes such as a triangle, a square, as well as a circle.

열 전달층(111)은 단열층(113)의 내부면의 상부에 형성되는 것으로, 저열용량 및 고열전도도를 지닌 물질로 이루어진다. 즉, 관 형상으로 형성된 단열층(113)의 내부면의 상부에 단열층(113)을 형성시킨다. 예를 들면, 단일층 또는 다중층의 탄소나노튜브로 형성되거나 그래핀(graphene) 및 그래파이트(graphite) 쉬트 구조를 가질 수 있다.The heat transfer layer 111 is formed on the inner surface of the heat insulation layer 113 and is made of a material having low heat capacity and high thermal conductivity. That is, the heat insulation layer 113 is formed in the upper part of the inner surface of the heat insulation layer 113 formed in tubular shape. For example, it may be formed of a single layer or multiple layers of carbon nanotubes or may have a graphene and graphite sheet structure.

이때, 열 전달층(111)은 연소 반응의 전달 방향인 수평 방향(kx 방향과 kz 방향)으로의 열전도율(또는, 열 전달률)이 동일하도록 구성한다. 그리고, 연소 반응의 전달 방향과 수직한 방향(ky 방향)으로의 열전도율이 수평 방향의 열전도율보다 작게되도록 구성한다. 예컨대, 101-103 비율로 상대적으로 작기 때문에 수평방향으로 뛰어난 열전도 특성을 나타낸다. 이와 같이, 열이 일정 방향으로 전달되도록 열 전달층(111)이 열 전달 이등방성(anisotropy)을 갖도록 구성한다. 이러한 구성에 따라, 열손실이 최소화된 상태에서 수평방향으로의 열전도가 더욱 효율적으로 진행된다. At this time, the heat transfer layer 111 is configured such that the heat conductivity (or heat transfer rate) in the horizontal direction (kx direction and kz direction) that is the transfer direction of the combustion reaction is the same. The thermal conductivity in the direction perpendicular to the transfer direction of the combustion reaction (ky direction) is configured to be smaller than the thermal conductivity in the horizontal direction. For example, the thermal conductivity is excellent in the horizontal direction because it is relatively small at a ratio of 10 1 -10 3 . As such, the heat transfer layer 111 is configured to have heat transfer anisotropy so that heat is transferred in a predetermined direction. According to this configuration, heat conduction in the horizontal direction proceeds more efficiently in a state where heat loss is minimized.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널의 열전도 특성에 따른 열전도량을 정량적으로 표시한 도면이다.5 is a diagram quantitatively displaying the thermal conductivity according to the thermal conductivity of the channel according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열 전도 장치(100)가 화염발열 반응에 미치는 영향을 유한요소법을 기초로 검증하였다. 여기서, 열 전도 장치(100)의 채널 몸체(110) 표면에서 일어나는 알루미늄 테르밋 반응을 기초로 채널 몸체(110) 내에서의 화염반응을 모사하였다. 상술한 알루미늄 테르밋 반응은 예컨대, 지름이 80nm인 알루미늄 나노입자와 지름이 50nm인 산화철 나노입자(Fe2O3)의 산화 환원 발열반응으로 정의될 수 있으며, 관련된 화학 반응식은 하기 화학식 1과 같이 정의될 수 있다.As shown in FIG. 5, the effect of the heat conduction apparatus 100 of the present invention on the flame heating reaction was verified based on the finite element method. Here, the flame reaction in the channel body 110 is simulated based on the aluminum thermite reaction occurring on the surface of the channel body 110 of the heat conduction device 100. The above-described aluminum thermite reaction may be defined as, for example, a redox exothermic reaction of aluminum nanoparticles having a diameter of 80 nm and iron oxide nanoparticles having a diameter of 50 nm (Fe 2 O 3 ), and a related chemical reaction formula is defined as in Chemical Formula 1 below. Can be.

[화학식1][Formula 1]

2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe + ΔH(~3.9 kJ/g) 2Al + Fe 2 O 3- > Al 2 O 3 + 2Fe + ΔH (~ 3.9 kJ / g)

여기서, 채널(110)의 열전도 특성(열전도도 및 열용량)에 따라 열이 주변의 알루미늄 입자로 전달되는 열전도량이 달라지게되며, 이는 유한요소 해석결과를 통해서도 확인할 수 있다. 이때, 전달되는 열을 정량적으로 표시하기 위해 "Overall Heat Transfer Coefficient"(U, kW/m2K)로 변환하여 평가할 수 있다.Here, the amount of heat conduction to which the heat is transferred to the surrounding aluminum particles varies depending on the heat conduction characteristics (thermal conductivity and heat capacity) of the channel 110, which can be confirmed through finite element analysis results. In this case, in order to quantitatively display the transferred heat, it may be evaluated by converting it to “Overall Heat Transfer Coefficient” (U, kW / m 2 K).

보다 구체적으로, 고 열전도도 및 저 열용량 특성을 지닌 탄소나노튜브(CNT) 기판(층)(111)이 고 열전도도 및 고 열용량 특성을 지닌 구리기판(Copper)보다 약 14배 이상의 열전도 능력을 나타낸다. 또한, 단열기판으로 활용된 폴리머층(PTFE)보다도 수배 이상의 열전도 특성을 나타낸다. More specifically, the carbon nanotube (CNT) substrate (layer) 111 having high thermal conductivity and low heat capacity exhibits about 14 times more thermal conductivity than a copper substrate having high thermal conductivity and high heat capacity. . In addition, it exhibits heat conduction properties that are several times higher than that of the polymer layer (PTFE) utilized as the heat insulating substrate.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 이등방성이 고려된 경우의 열전도 계수를 도시한다.6 shows thermal conductivity coefficients in the case where thermal conductivity anisotropy is considered according to an embodiment of the present invention.

이어서 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 폴리머 층(113)과 탄소나노튜브층(111)이 결합된 경우에 열전도 이등방성(kx=kz>ky)이 커짐에 따라 열전도 계수(heat transfer coefficient)가 증가하고 있음을 확인할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 6, when the polymer layer 113 and the carbon nanotube layer 111 are combined according to the embodiment of the present invention, as the thermal conductivity isotropy (kx = kz> ky) increases, It can be seen that the heat transfer coefficient is increasing.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 전도 장치(100)를 시뮬레이션한 실험 결과를 도시한다.7 shows experimental results of simulating the heat conduction apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 바와 같이, 통상적인 구리기판 및 구리기판 상의 탄소나노튜브층은 화염전파를 효과적으로 진행시키지 못한다. 반면, 폴리머 기판(층)(113) 상에서의 탄소나노튜브층(111)의 화염반응은 예컨대, 약 1.7 m/s의 속도로 전파된다. 즉, 기존에는 열 소염으로 인한 채널 외벽으로의 열손실이 주변의 알루미늄 입자로의 열 전달량 보다 컸다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, a conventional copper substrate and a carbon nanotube layer on the copper substrate do not effectively propagate flame propagation. On the other hand, the flame reaction of the carbon nanotube layer 111 on the polymer substrate (layer) 113 propagates at a speed of about 1.7 m / s, for example. That is, it can be seen that the heat loss to the outer wall of the channel due to heat dissipation was larger than the heat transfer to the surrounding aluminum particles.

보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 실험 예에서 폴리머 기판 상에서 화염전파속도는 약 1.7m/s(702)를 나타낸다. 이때, 예컨대 단일층의 탄소나노튜브층(111)(SWNT, single-walled nanotube)과 폴리머층(113)(PTFE)을 결합시켰을 경우(도 3 참조)에, 화염전파속도는 약 2.5m/s(704)로 가속된다.More specifically, in an experimental example according to an embodiment of the present invention, the flame propagation velocity on the polymer substrate is about 1.7 m / s (702). At this time, for example, when a single carbon nanotube layer 111 (SWNT, single-walled nanotube) and a polymer layer 113 (PTFE) are combined (see FIG. 3), the flame propagation speed is about 2.5 m / s. Is accelerated to 704.

이는 탄소나노튜브층(111)이 테르밋 반응 내에서의 열 전달 속도를 증가시켰음을 나타내고, 이를 통해 열전도 이등방성이 커짐에 따라 열전도 계수가 증가하였음을 알 수 있다.This indicates that the carbon nanotube layer 111 increased the heat transfer rate in the thermite reaction, and as a result, the thermal conductivity coefficient increased as the heat conduction anisotropy increased.

이와 같이, 폴리머층(113)의 단열효과와 탄소나노튜브층(111)의 두께 방향(또는 화염전파방향의 수직방향)으로의 열 전달 방지효과, 탄소나노튜브층의 고열전도도 및 저열용량 특성이 소염 현상을 방지하여 외벽으로의 열손실을 최소화시켜 연소반응을 증가시킬 수 있다.In this way, the heat insulation effect of the polymer layer 113, the heat transfer prevention effect in the thickness direction (or the vertical direction of the flame propagation direction) of the carbon nanotube layer 111, the high thermal conductivity and low heat capacity characteristics of the carbon nanotube layer By preventing the anti-inflammatory phenomenon, it is possible to increase the combustion reaction by minimizing the heat loss to the outer wall.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

105: 연료 공급부 110: 채널 몸체
111: 탄소나노튜브층 112: 유입부
113: 폴리머층 114: 연소부
116: 배출부105: fuel supply unit 110: channel body
111: carbon nanotube layer 112: inlet
113: polymer layer 114: combustion part
116: discharge section

Claims (10)

열 전도 장치에 있어서,
연소반응물질의 화염을 길이방향으로 전파하는 채널 몸체 및
상기 연소반응물질을 상기 채널 몸체로 전달하는 연료 공급부를 포함하되,
상기 채널 몸체는,
상기 길이방향으로 연장되고, 관(pipe) 형상으로 형성된 단열층 및
상기 단열층 내부면의 상부에 형성된 열 전달층을 포함하고,
상기 열 전달층은 상기 길이방향으로의 열 전달 정도가 상기 길이방향과 수직한 방향으로의 열 전달 정도 보다 큰 열 전달 이등방성을 가진 열 전도 장치.In the heat conduction device,
Channel body for propagating the flame of the combustion reactants in the longitudinal direction and
A fuel supply for delivering the combustion reactant to the channel body,
The channel body,
An insulating layer extending in the longitudinal direction and formed in a pipe shape;
A heat transfer layer formed on the inner surface of the heat insulation layer,
And the heat transfer layer has heat transfer anisotropy in which the heat transfer degree in the longitudinal direction is greater than the heat transfer degree in the direction perpendicular to the longitudinal direction. 제 1 항에 있어서,
상기 단열층은 알루미나(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 코디어라이트(Cordierite) 및 폴리머(PTFE, polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 것인 열 전도 장치.The method of claim 1,
The thermal insulation layer is any one of alumina (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), cordierite (Cordierite) and a polymer (PTFE, polytetrafluoroethylene) comprising any one of the thermal conduction device. 제 1 항에 있어서,
상기 열 전달층은 단일층의 탄소나노튜브, 다중층의 탄소나노튜브, 그래핀(graphene) 및 그래파이트(graphite) 쉬트 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 것인 열 전도 장치. The method of claim 1,
The heat transfer layer is a heat conduction device comprising any one of a single layer of carbon nanotubes, multiple layers of carbon nanotubes, graphene (graphene) and graphite (graphite) sheet. 제 1 항에 있어서,
상기 채널 몸체는
상기 연소반응물질을 공급받는 유입부,
상기 유입부와 연통되고, 상기 연소반응물질을 산화시켜 상기 화염을 발생시키는 연소부 및
상기 채널 몸체에 연통되고, 길이방향으로 전파된 화염을 배출시키는 배출부를 포함하는 것인 열 전도 장치.The method of claim 1,
The channel body is
An inlet receiving the combustion reactant,
A combustion unit communicating with the inlet and oxidizing the combustion reaction material to generate the flame;
And a discharge portion communicating with the channel body and discharging the flame propagated in the longitudinal direction. 제 1 항에 있어서,
상기 연소반응물질은
액체 연료 및 기체 연료 중 하나 이상을 포함하는 것인 열 전도 장치.The method of claim 1,
The combustion reaction material
And at least one of a liquid fuel and a gaseous fuel. 제 1 항에 있어서,
상기 화염은 알루미늄 테르밋(thermite) 반응에 기초하여 생성된 것인 열 전도 장치.The method of claim 1,
The flame is generated based on an aluminum thermite reaction. 마이크로 채널에 있어서,
연소반응물질의 화염을 길이방향으로 전파하도록 관(pipe) 형상으로 형성된 단열층 및
상기 단열층 내부면의 상부에 형성된 열 전달층을 포함하고,
상기 열 전달층은 상기 길이방향으로의 열 전달 정도가 상기 길이방향과 수직한 방향으로의 열 전달 정도 보다 큰 열 전달 이등방성을 가진 마이크로 채널.In the micro channel,
An insulating layer formed in a pipe shape to propagate the flame of the combustion reaction material in a longitudinal direction;
A heat transfer layer formed on the inner surface of the heat insulation layer,
The heat transfer layer has a heat transfer anisotropy in which the heat transfer degree in the longitudinal direction is greater than the heat transfer degree in the direction perpendicular to the length direction. 제 7 항에 있어서,
상기 단열층은 알루미나(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 코디어라이트(Cordierite) 및 폴리머(PTFE, polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 것인 마이크로 채널.The method of claim 7, wherein
The insulating layer is a microchannel comprising any one of alumina (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), cordierite (Cordierite) and polymer (PTFE, polytetrafluoroethylene). 제 7 항에 있어서,
상기 열 전달층은 단일층의 탄소나노튜브, 다중층의 탄소나노튜브, 그래핀(graphene) 및 그래파이트(graphite) 쉬트 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 것인 마이크로 채널.The method of claim 7, wherein
The heat transfer layer is a micro-channel comprising one of a single layer of carbon nanotubes, multiple layers of carbon nanotubes, graphene (graphene) and graphite (graphite) sheet. 제 7 항에 있어서,
상기 화염은 알루미늄 테르밋(thermite) 반응에 기초하여 생성된 것인 마이크로 채널.
The method of claim 7, wherein
The flame is generated based on an aluminum thermite reaction.
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