KR102119627B1 - 줄 히팅을 이용한 고열유속 단방향 가열시스템 및 이의 제조방법 - Google Patents

줄 히팅을 이용한 고열유속 단방향 가열시스템 및 이의 제조방법 Download PDF

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오훈교
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박민규
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Abstract

본 발명은 전기저항 방법(Electric joule heating)을 이용하여 단방향에 고열유속을 부하할 수 있는 가열시스템 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 가열시스템은, 냉각채널; 상기 냉각채널 상면에 형성된 절연체; 상기 절연체 상면에 형성되되, 발열부 및 상기 발열부의 양단에 구비되는 전극부를 포함하는 발열체; 상기 발열부의 상면에 배치되어 발열체를 상기 냉각채널 방향으로 압착하는 압착판; 및 상기 전극부의 상면에 형성되어 상기 발열체로 전류를 공급하는 전극;을 포함하고, 상기 발열체는 FeCrAl 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

줄 히팅을 이용한 고열유속 단방향 가열시스템 및 이의 제조방법{Electric joule heating system capable of one-side heating for high heat flux and manufacturing method thereof}
본 발명은 전기저항 방법(Electric joule heating)을 이용한 가열시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기저항 방법(Electric joule heating)을 이용하여 단방향에 고열유속을 부하할 수 있는 가열시스템 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
과제고유번호: 1711081956
부처명: 과학기술정보통신부
연구관리 전문기관: 한국연구재단
연구사업명: 핵융합기초연구
연구과제명: 디버터 열속 처리 기술 개발
주관기관: 포항공과대학교
연구기간: 2019.01.01. ~ 2019.12.31.
최근 떠오르는 에너지원인 핵융합 발전소의 경우, 일부 핵심 부품(Divertor)에서 단방향으로 10 MW/m2 이상의 고열유속이 부하된다. 이에 따라, 핵융합 발전에 관한 연구 개발을 위해서는 단방향 고열유속 부하 실험 장치가 필수적이다.
일반적인 발전소의 경우에는 1~3 MW/m2의 수준의 열유속이 발생되기에 10 MW/m2 이상의 고열유속을 인가할 수 있는 가열 장치는 지금까지 제한적으로 개발되어 왔다.
종래에는 고열유속을 부하하기 위해, Beam heating, 카트리지 히터(Conduction heating), Induction heating, 전기저항 방법(Electric Joule heating) 등의 방법이 사용되어 왔다.
Beam heating 방식은 진공 챔버 속에 열유속 부하 대상물을 설치하고, beam source(이온, 전자)를 통해 가열하는 방법이다. 이 방법은 고열유속 생성에는 유리하나, Beam heating 방식을 이용한 가열시스템 제작이 어려우며, 많은 비용이 소모되는 단점이 있다.
카트리지 히터(Conduction heating) 방식은 열전도를 통한 간접적인 가열 방법으로, 균일한 열유속 생성과 정상상태 제어가 어렵다. 또한, 한쪽 면상에 균일한 가열을 위해서는 면상 형태의 고열유속용 카트리지를 필요로 한다. 하지만 대부분 카트리지는 원통형으로 면상 형태의 카트리지 제작이 힘들며, 고열유속용 카트리지 제작에 대한 기술적 한계가 있다.
Induction heating 방식은 도체인 피가열 재료에 대하여 전자기유도에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 가열하는 방법으로 고열유속 생성과 가열효율이 우수하다. 하지만, 균일한 열유속 생성과 정상상태 제어가 어려운 문제가 있다.
전기저항 방법(Electric Joule heating)은 저항이 있는 금속소재 내에 전류를 흘려보내 전기에너지를 열에너지로 변환하여 가열하는 방법이다. 전기저항 방법(Electric Joule heating)을 이용한 가열시스템은 적은 비용으로 단순하게 제작할 수 있으며, 균일한 열유속 생성과 정상상태 제어가 가능한 장점이 있다.
하지만 기존의 전기저항 방법(Electric Joule heating)을 통한 실험은 대상물에 전방향으로 고열유속을 부하하는 방식으로, 전방향의 고열유속 부하와 단방향의 고열유속 부하 현상은 다르기 때문에, 전방향 방식을 통한 실험은 단방향으로 고열유속이 부하되는 산업분야의 열안전성 검증에 대한 한계를 가지고 있다.
Boyd, Ronald D., et al. "High heat flux removal from a single-side heated monoblock using flow boiling." International journal of heat and mass transfer 47.10-11 (2004). Yan, Jianguo, et al. "Subcooled flow boiling heat transfer of water in circular tubes with twisted-tape inserts under high heat fluxes." Experimental Thermal and Fluid Science 68 (2015). Chen, Peipei, Barclay G. Jones, and Ty A. Newell. "An Experimental Investigation of Sub-Cooled Flow Boiling in Hypervapotron Cooling Configuration." 12th International Conference on Nuclear Engineering. American Society of Mechanical Engineers (2004).
본 발명은 빔(Beam) 장치가 아닌 전기저항 방법(Electric Joule heating)을 통하여 단방향에 10MW/m2 이상의 고열유속을 부하할 수 있는 가열시스템 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태는 단방향으로 고열유속을 부하하는 가열시스템에 관한 것으로, 냉각채널(100); 상기 냉각채널(100) 상면에 형성된 절연체(200); 상기 절연체(200) 상면에 형성되되, 발열부(310) 및 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320)를 포함하는 발열체(300); 상기 발열부(310)의 상면에 배치되어 발열체(300)를 상기 냉각채널(100) 방향으로 압착하는 압착판(400); 및 상기 전극부(320)의 상면에 형성되어 상기 발열체(300)로 전류를 공급하는 전극(500);을 포함한다.
상기 발열체(300)는 FeCrAl 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발열체(300)는 상기 발열부(310)와 전극부(320) 사이에 구비되는 연결부(330)를 더 포함하고, 상기 연결부(330)는 곡면형상인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열시스템은, 상기 압착판(400)의 상면에는 형성된 댐퍼(600)를 더 포함하고, 상기 댐퍼(600)는 하나 이상의 체결 돌기(611)가 형성된 본체 댐퍼(610); 및 상기 댐퍼(610)의 체결 돌기(611) 위에 구비되는 하나 이상의 분리형 댐퍼(620);를 포함할 수 있다.
상기 본체 댐퍼(610) 및 분리형 댐퍼(620)는 댐퍼 스프링(630)을 통해 연결 되는 것이 바람직하다.
상기 발열체(300)와 압착판(400) 사이에는 실리카포(800)가 구비될 수 있다.
상기 절연체(200)는, 용사코팅(Thermal Spray)을 통해 냉각채널(100)에 Al2O3를 증착시켜 형성되는 것이 바람직하고, 상기 압착판(400)은, 도 하부 압착판(410) 및 상부 압착판(420)을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 하부 압착판(410)은 Al2O3로 형성되며, 상기 상부 압착판(420)은 SiO2로 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연체(200)와 발열체(300) 사이에는 서멀 페이스트(thermal paste)가 삽입되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로는, 가열시스템의 제조방법을 들 수 있는데, 냉각채널(100)을 준비하는 냉각채널 준비단계; 냉각채널(100) 상면에 알루미나(Al2O3)를 코팅하여 절연체(200)를 형성하는 절연체 형성단계; 절연체(200)의 상면에 발열체(300)를 적층하는 발열체 적층단계; 및 압착판(400)으로 발열체(300)에 압력을 가하여 상기 발열체(300)를 냉각채널(100) 방향으로 압착하는 발열체 압착단계;를 포함한다.
상기 절연체 형성단계는, 용사코팅(Thermal Spray)으로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 발열체(300)는, 발열부(310); 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320); 및 상기 발열부(310)와 전극부(320)를 연결하는 연결부(330);를 포함하고, 상기 연결부(330)는 곡면형상인 것이 바람직하다.
기존의 Electric Joule heating 방식을 이용한 고열유속 열안전성 평가는 전방향 고열유속 부하를 통해 이루어졌다. 하지만 이는 단방향 고열유속 부하 상황과 다른 상황이며, 열안전성 평가에도 다른 실험결과를 초래한다. 비록 Electric joule heating을 통해 단방향으로 열유속을 부하할 수 있는 가열시스템이 있지만, 이는 최대 1.5 MW/m2 열유속으로서 10 MW/m2 고열유속을 만들지 못하였다. 또한, 빔(Beam) 장치를 통해 대상물에 단방향으로 고열유속을 부하할 수 있지만, 높은 난이도의 장치 제작성과 제작비용이 비싼 단점이 있다.
이에 따라 본 발명은 Electric joule heating 방법을 통해 단방향에 10 MW/m2 이상의 고열유속을 부하할 수 있는 가열시스템을 개발함으로써, 많은 산업분야의 열안전성 평가에 활용될 수 있다. 특히, 수십 MW/m2의 고열유속이 단방향에 부하되는 핵융합 플라즈마 대향 부품(PFC, Plasma Facing Component)의 열안전성 평가 및 연구에 효율적으로 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열시스템을 도시적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압착판의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연체와 발열체의 접촉면을 확대한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가열시스템의 사진이다.
도 7은 발열체의 전류밀도를 측정한 결과이다.
도 8은 균일 압착 검사를 실시한 압력 측정 필름의 사진이다.
도 9는 열유속에 따라 냉각채널의 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 가열시스템 및 이의 제조방법에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열시스템을 도식적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 측면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압착판의 사시도 이다.
도 1 내지 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열시스템은, 냉각채널(100); 상기 냉각채널(100) 상면에 형성된 절연체(200); 상기 절연체(200) 상면에 형성되되, 발열부(310) 및 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320)를 포함하는 발열체(300); 상기 발열부(310)의 상면에 배치되어 발열체(300)를 상기 냉각채널(100) 방향으로 압착하는 압착판(400); 및 상기 전극부(320)의 상면에 형성되어 상기 발열체(300)로 전류를 공급하는 전극(500);을 포함한다.
냉각채널(100)은 발열체(300)에서 발생하는 열을 전달받는 역할을 하는 것으로, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 냉각채널(100)에는 냉각채널(100)을 관통하는 관(120)이 형성되어, 상기 관(120)은 물(water)과 같은 냉각유체로 채워질 수 있다.
이러한 냉각채널(100)은 구리와 같은 금속 등으로 형성될 수 있으나, 높은 열전도율을 갖는 CuCrZr합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, CuCrZr합금은 약 300 ~ 500℃의 온도 범위에서 우수한 기계적 성질(극한강도, 항복응력 등)과 연성을 가지고 있어 본 발명의 냉각채널(100)의 재질로 사용하기에 바람직하다.
상기 냉각채널(100)의 상면에는 절연체(200)가 형성된다. 절연체(200)는 발열체(300)에서 발생하는 열을 냉각채널(100)로 전달하되, 발열체(300)에 흐르는 전류가 냉각채널(100)로 흘러가는 것을 차단하는 역할을 하는 것으로, 알루미나(Al2O3)로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 절연체(200)의 두께는 약 100㎛인 것이 바람직하다.
이러한 절연체(200)는, 용사코팅(Thermal Spray)을 통해 냉각채널(100)에 알루미나(Al2O3)를 증착시킴으로써 형성시킬 수 있다. 용사코팅(Thermal Spray)이란 플라즈마, 토치 등과 같은 열원에 의해 용융된 입자를 고속으로 기재에 출동시켜 소결하는 공정으로, 넓은 면적의 기재에 금속 또는 세라믹을 마이크로 미터(㎛) 두께로 코팅할 수 있다. 따라서, 냉각채널(100)과 접촉 열저항이 작은 알루미나(Al2O3)로 마이크로 미터 단위의 얇은 두께로 냉각채널(100)에 증착시켜 절연체(200)를 형성하기 위해서는 용사코팅(Thermal Spray) 기법을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 가열시스템은, 상기 발열체(300)에 전류를 흘려 보내 전기에너지를 열에너지로 변환시키는 전기저항 방법(Electric joule heating)을 통해 가열한다. 이러한 발열체(300)는 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt) 등의 단일금속 이나, 철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al), 니켈(Ni)-크롬(Cr) 등의 합금으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 FeCrAl 합금으로 형성될 수 있고, 더욱 바람직하게는 Cr 22wt%, Al 5.8wt% 및 Fe 72.2wt%으로 이루어진 합금으로 형성될 수 있다.
FeCrAl 합금(Cr 22wt%, Al 5.8wt% 및 Fe 72.2wt%)은 약 1,500℃의 높은 녹는점 및 1.45 x 10-6 Ωm의 높은 비저항를 갖고 있을 뿐만 아니라, 일반적인 금속과 달리 온도가 변하여도 비저항 값이 일정하여 고열유속을 만들기에 적합하다.
이러한 발열체(300)는, 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 발열부(310); 및 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320);를 포함할 수 있다. 상기 발열부(310)는 직접적으로 열이 발생되는 부분으로, 발열부(310)는 판 형상으로 형성될 수 있으면, 판 형성의 발열부(310)의 두께(D)는 약 33 ~ 2800㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 400㎛일 수 있다. 발열부(310)의 두께(D)가 33㎛ 미만인 경우에는, 고열유속을 만들기 해서는 높은 전압이 필요하여 66V, 3200A 전원공급장치(SCR)를 통해서는 고열유속의 만들기 어려우며, 33㎛ 미만의 두께를 갖는 발열부(310)를 가공하는 것도 불가능하다. 또한, 발열부(310)의 두께(D)가 2800㎛를 초과하는 경우에는, 66V, 3200A 전원공급장치(SCR)를 기준으로 너무 높은 전류가 발생하여 고열유속을 만들 수 없으며, 온도가 너무 높이 올라가 발열체(310)가 녹게 된다.
전극부(320)는, 후술될 전극(500)과 접촉하여 전류를 공급받는 역할을 하는 것으로, 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 블록형상으로 형성되어 상기 발열부(310)의 양단에 구비될 수 있다.
또한, 상기 발열체(300)는, 상기 발열부(310)와 전극부(320) 사이에 구비되는 연결부(330)를 더 포함하고, 상기 연결부(330)는 곡면 형상으로 이루어질 수 있다.
전류밀도는 단위 면적당 흐르는 전류량으로서 전류밀도가 높을수록 발생되는 열유속이 커지게 되며, 전류밀도 분포가 균일할수록 균일한 열유속을 만들 수 있다. 발열체(300)에서 균일한 전류밀도 분포가 형성되도록, 상기 연결부(330)는 약 5 내지 10mm의 곡률반경을 갖는 오목한 곡면 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 곡률반경이 5mm 미만인 경우에는 균일한 전류밀도가 형성되지 않으며, 10mm 초과인 경우에는 전류밀도 분포의 균일성이 더 이상 증가하지 않는다.
압착판(400)은, 발열체(300)를 상기 냉각채널(100) 방향으로 물리적 압착하기 위한 것으로, 후술될 댐퍼(600)에 압력을 받아 발열체(300)를 압착한다. 이러한 압착판(400)은, 발열체(300)를 균일하게 압착하기 위해, 발열체(300)의 곡면 형상의 연결부(330)와 대응되는 모서리(430)가 둥근 육면체 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 모서리(430)의 곡률 반경은 연결부(330)의 곡률반경과 일치하는 것이 바람직하다.
상기 압착판(400)은, 도 1에 도시된 것과 같이, 하부 압착판(410) 및 상부 압착판(420)을 포함할 수 있다. 하부 압착판(410)은 알루미나(Al2O3)로 형성될 수 있으며, 상부 압착판(420)은 이산화규소(SiO2)로 형성되는 것이 바람직하다. 이산화규소(SiO2)는 낮은 열전도율(1.4 W/mK)을 갖기 때문에, 발열체(300)에서 발생하는 높은 온도로 인해 발생될 수 있는 댐퍼(600)와 댐퍼 스프링(630)의 열손상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 압착판(400)의 상면에는 댐퍼(600)가 형성될 수 있으며, 상기 댐퍼(600)는 댐퍼 나사(710)에 의해 압력을 받아 압착판(400)으로 전달한다.
이러한 댐퍼(600)는, 하나 이상의 체결 돌기(611)가 형성된 본체 댐퍼(610) 및 상기 댐퍼(610)의 체결 돌기(611) 위에 구비되는 하나 이상의 분리형 댐퍼(620)를 포함하며, 상기 본체 댐퍼(610) 및 분리형 댐퍼(620)는 댐퍼 스프링(630)을 통해 연결 된다.
상기 댐퍼 나사(710)가 정확한 위치에서 분리형 댐퍼(620)를 압착할 수 있도록 분리형 댐퍼(620)의 상부에는 정렬 홀이 형성될 수 있다.
이와 같이, 본체 댐퍼(610)와 분리형 댐퍼(620)가 댐퍼 스피링(630)을 통해 연결되는 경우에는, 고온으로 발열체(300) 등의 가열시스템의 부품이 열팽창하여 파손되는 것을 방지할 수 있다.
상기 전극(500)은 발열체(300)로 전류를 공급하는 역할을 하는 것으로, 상기 전극부(320)의 상면에 형성되며, 전원공급장치와 연결된다. 이러한 전극(500)은 발열체(300)에 전류를 공급하기 위해 양극(510)과 음극(520)을 포함할 수 있으며, 양극(510)은 발열체(300)의 일측 전극부(320)의 상면에 형성되며, 음극(520)은 타측 전극부(320)의 상면에 형성된다.
이러한 전극(500)은 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 또는 은(Ag)과 같은 금속으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 구리(Cu)로 형성될 수 있다.
상기 전극(500) 위에는 하나 이상의 전극 나사(720); 및 상기 전극 나사(720)에 체결되어 전극(500) 압력을 가하는 하나 이상의 나사 스프링(730);이 구비될 수 있으며, 바람직하게는 양극(510) 및 음극(520) 각각에 4개의 전극 나사(720) 및 나사 스프링(730)이 구비될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 발열체(300)와 압착판(400) 사이에는 실리카포(800)가 구비될 수 있다. 실리카포(800)는 발열체(300)와 압착판(400) 사이에서 곡면형상의 연결부(330) 부분을 균일하고, 빈틈없이 압착하기 위한 것으로, 바람직하게는 상기 발열체(300)와 압착판(400) 사이에는 두께가 0.8t인 1장의 실리카포(800)가 구비될 수 있다.
이러한 실리카포(800)는 초고온에서도 견딜 수 있도록, SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, MgO, Na2O, K2O 및 TiO2를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 SiO2 98.92 wt% Al2O3 0.44wt%, CaO 0.77wt%, Fe2O3 0.01wt%, MgO 0.01wt%, Na2O 0.02wt%, K2O 0.01wt% 및 TiO2 0.36wt%를 포함할 수 있다.
상기 절연체(200)와 발열체(300) 사이의 접촉 열저항을 감소시키기 위해, 절연체(200)와 발열체(300) 사이에는 서멀 페이스트(thermal paste)가 삽입될 수 있다.
도 5에 도시된 것과 같이, 발열체(300)를 고르게 압착하여 절연체(300)와 접합시켜도 발열체(300)와 절연체(200)의 표면 거칠기에 의해 공기층(10)이 형성되게 되는데, 이러한 공기층(10)의 의해 접촉 열저항이 발생하게 된다. 이러한 공기층(10)에 Carbon micro particles을 주성분으로 하는 서멀 페이스트(thermal paste)를 삽입함으로써 접촉 열저항을 감소시키게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태는 가열시스템의 제조방법에 관한 것으로, 냉각채널(100)을 준비하는 냉각채널 준비단계; 냉각채널(100) 상면에 알루미나(Al2O3)를 코팅하여 절연체(200)를 형성하는 절연체 형성단계; 및 절연체(200)의 상면에 발열체(300)를 적층하는 발열체 적층단계; 및 압착판(400)으로 발열체(300)에 압력을 가하여 상기 발열체(300)를 냉각채널(100) 방향으로 압착하는 발열체 압착단계;를 포함하여 가열시스템을 제조할 수 있다.
상기 냉각채널(100)에는 냉각채널(100)을 관통하는 관(120)이 형성되어, 상기 관(120)은 물(water)과 같은 냉각유체로 채워질 수 있으며, 이러한 냉각채널(100)은 구리와 같은 금속 등으로 형성될 수 있으나, CuCrZr합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 절연체 형성단계는, 용사코팅(Thermal Spray)을 통해 냉각채널(100) 상면에 알루미나(Al2O3)를 코팅하여 수행될 수 있으며, 절연체(200)의 두께가 약 100㎛가 될 때까지 수행되는 것이 바람직하다.
상기 발열체(300)는, 발열부(310); 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320); 및 상기 발열부(310)와 전극부(320)를 연결하는 연결부(330)를 포함할 수 있다.
상기 발열부(310)는 직접적으로 열이 발생되는 부분으로, 발열부(310)는 판 형상으로 형성될 수 있으면, 판 형성의 발열부(310)의 두께(D)는 약 33 ~ 2800㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 400㎛일 수 있다. 발열부(310)의 두께(D)가 33㎛ 미만인 경우에는 고열유속(최대 10 MW/m2)의 만들기 어려우며, 2800㎛를 초과하는 경우에는 온도가 너무 높이 올라가 발열체(310)가 녹게 된다.
상기 전극부(320)는, 블록형상으로 형성되어 상기 발열부(310)의 양단에 구비될 수 있으며, 상기 연결부(330)는 곡면 형상으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 연결부(330)는 약 5 내지 10mm의 곡률반경을 갖는 오목한 곡면 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 곡률반경이 5mm 미만인 경우에는 균일한 전류밀도가 형성되지 않으며, 10mm 초과인 경우에는 전류밀도 분포의 균일성이 더 이상 증가하지 않는다.
이러한 발열체(300)는 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt) 등의 단일금속 이나, 철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al), 니켈(Ni)-크롬(Cr) 등의 합금으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 FeCrAl 합금으로 형성될 수 있고, 더욱 바람직하게는 Cr 22wt%, Al 5.8wt% 및 Fe 72.2wt%으로 이루어진 합금으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 발열체 적층단계는, 절연체(200)와 발열체(300) 사이에는 서멀 페이스트(thermal paste)를 삽입하는 단계를 포함할 수 있다. 서멀 페이스트(thermal paste)는 발열체(300)와 절연체(200)의 표면 거칠기에 높아진 접촉 열저항을 감소시키기 위한 것이다.
상기 발열체 압착단계는, 압착판(400)을 발열체(300) 상면에 적층하고 댐퍼(600) 및 댐퍼 나사(710)를 통해 압착판(400)에 압력을 가하여 수행될 수 있다. 댐퍼(600) 및 댐퍼 나사(710)에 대해서는 이미 상술되었으므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 압착판(400)은, 발열체(300)를 균일하게 압착하기 위해, 발열체(300)의 곡면 형상의 연결부(330)와 대응되는 모서리(430)가 둥근 육면체 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 모서리(430)의 곡률 반경은 연결부(330)의 곡률반경과 일치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압착판(400)은 하부 압착판(410) 및 상부 압착판(420)을 포함할 수 있다. 하부 압착판(410)은 알루미나(Al2O3)로 형성될 수 있으며, 상부 압착판(420)은 이산화규소(SiO2)로 형성되는 것이 바람직하다. 이산화규소(SiO2)는 낮은 열전도율(1.4 W/mK)을 갖기 때문에, 발열체(300)에서 발생하는 높은 온도로 인해 발생될 수 있는 댐퍼(600)와 댐퍼 스프링(630)의 열손상을 방지할 수 있다.
상기 발열체(300)와 압착판(400) 사이에는 실리카포(800)가 구비될 수 있다. 실리카포(800)는 발열체(300)와 압착판(400) 사이에서 곡면형상의 연결부(330) 부분을 균일하고, 빈틈없이 압착하기 위한 것으로, 바람직하게는 상기 발열체(300)와 압착판(400) 사이에는 2장의 실리카포(800)가 구비될 수 있다.
이러한 실리카포(800)는 초고온에서도 견딜 수 있도록, SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, MgO, Na2O, K2O 및 TiO2를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 SiO2 98.92 wt% Al2O3 0.44wt%, CaO 0.77wt%, Fe2O3 0.01wt%, MgO 0.01wt%, Na2O 0.02wt%, K2O 0.01wt% 및 TiO2 0.36wt%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따른 가열시스템의 제조방법은, 발열체(300)의 전극부(320) 상면에 전극(500)을 형성하는 전극 형성단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 전극 형성단계는, 발열체 적층단계 이후에 수행될 수 있으며, 발열체 압착단계와 동시에, 또는 순차적으로 수행될 수 있다.
상기 전극(500)은 발열체(300)로 전류를 공급하는 역할을 하는 것으로, 상기 전극부(320)의 상면에 형성되며, 전원공급장치와 연결된다. 이러한 전극(500)은 발열체(300)에 전류를 공급하기 위해 양극(510)과 음극(520)을 포함할 수 있으며, 양극(510)은 발열체(300)의 일측 전극부(320)의 상면에 형성되며, 음극(520)은 타측 전극부(320)의 상면에 형성된다.
상기 전극(500)은 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 또는 은(Ag)과 같은 금속으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 구리(Cu)로 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
[ 실시예 ]
앞서 살펴본 본 발명의 가열시스템을 제조하였다.
CuCrZr로 형성된 냉각채널(27mm x 200mm x 18mm)의 상면에 용사코팅 기법으로 Al2O3를 100㎛ 두께로 증착시켜 절연체를 형성하였다. 절연체 상에 thermal paste(MX-4 thermal paste, ARCTIC 社)를 도포한 후 발열체를 적층하였다. 이 때, 발열체는, 400㎛의 두께를 갖는 판(23mm x 97.50mm) 형상의 발열부의 양단에 블록(26.9mm x 41.25mm x 10.4mm) 형상의 전극부가 구비되고, 발열부와 전극부를 연결시켜주는 연결부는 곡률반경이 10mm인 오목한 곡면으로 이루어지도록 설계되었다. 발열체의 재질은 Cr 22wt%, Al 5.8wt% 및 Fe 72.2wt%으로 이루어진 합금으로 하였다.
또한, 발열체를 절연체가 코팅된 냉각채널과 물리적으로 압착시키기 위해, 하부 압착판(Al2O3) 및 상부 압착판(SiO2)으로 이루어진 압착판을 발열체의 발열부상에 적층시켰다. 이 때, 실리카포(SiO2 98.92 wt% Al2O3 0.44wt%, CaO 0.77wt%, Fe2O3 0.01wt%, MgO 0.01wt%, Na2O 0.02wt%, K2O 0.01wt% 및 TiO2 0.36wt%)를 발열체와 압착판 사이에 배치하였다.
6개의 체결돌기가 형성된 본체 댐퍼를 압착판 상면에 배치하고, 체결돌기와 스프링을 이용해 분리형 댐퍼 6개를 본체 댐퍼와 연결하였다. 본체 댐퍼는 SUS 316으로 형성하였으며, 분리형 댐퍼는 구리(Cu)로 형성하였다. 각각의 분리형 댐퍼에 M8 나사를 이용해 압력을 가하여 발열체로 약 1.36 MPa의 압력이 가해지도록 하였다.
또한, 발열체의 전극부의 상면에 구리(Cu)로 전극을 형성하였다. 상기 전극은 M10나사와 금형스프링을 통해 고정시켰으며, 전원공급장치와 연결하여 발열체로 전류를 공급할 수 있도록 하였다.
이와 같이 제조된 가열시스템을 도 6에 나타내었다.
[ 실험예 1: 발열체의 전류밀도 측정]
전류밀도는 단위 면적당 흐르는 전류량으로서, 발열체의 전류밀도가 높을수록 발생되는 열유속이 커지게 된다. 발열체에서 균일한 전류밀도 분포가 나와야 균일한 열유속을 만들 수 있기 때문에, 발열체가 균일한 전류밀도 분포를 갖는지 확인하기 위해 실시예의 발열체 및 비교예 1, 2의 전류밀도를 측정하였다.
비교예 1 및 2는 실시예의 발열체와 동일하게 제조하되, 연결부의 형상을 달리하여 제조하였다. 비교예 1의 연결부는 곡면 형상이 아닌 수직으로 꺽이는 형상으로 제조하였고, 비교예 2의 연결부는 곡률반경이 5mm가 되도록 제조하였다.
실시예의 발열체 및 비교에 1, 2의 전류밀도를 COMSOL 해석 프로그램을 통해 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다(도 7(a)는 비교예 1의 결과이고, (b)는 비교예 2의 결과이며, (c)는 실시예의 결과이다).
도 7의 결과를 살펴보면, 최고전류밀도는 비교예 1에서 9.09 x 107 W/m2, 비교예 2에서 8.4 x 107 W/m2, 실시예에서 8.03 x 107 W/m2로 나타난다. 비교예 1에서는 국소적으로 가장 높은 최고 전류밀도가 나타난 반면, 곡면 형상을 갖는 비교예 2 및 실시예에서는 너비 방향으로 균일한 전류밀도 가지며, 최고 전류밀도도 비교예 1보다 낮게 나타났다. 특히, 비교예 2에 비하여 실시예에서 균일한 전류밀도 분포가 나타났으며, 최고 전류밀도도 낮게 나타났다.
[ 실험예 2: 균일 압착 검사]
발열체와 절연체가 코팅된 냉각채널이 균일하게 압착되지 않으면, 발열체에서 국소적으로 온도가 상승하게 되어, 발열체의 수명이 감소될 뿐만 아니라 고열유속 생성이 어렵다. 따라서, 발열체가 균일하게 압착되는지 확인하기 위해, 실시예의 발열체와 절연체 사이에 압력 측정 필름을 삽입하여 균일 압착 검사를 실시하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8의 결과를 살펴보면, 발열체가 균일하게 압착되는 것을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 3: 단방향 고열유속 실험]
실시예의 가열시스템을 이용해 단방향 고열유속 실험을 실시하였다. 전원공급장치를 이용해 발열체에 전류를 공급하여 냉각채널에 단방향의 열유속을 부하하고 냉각채널의 온도를 측정하였다. 냉각채널의 냉각유체로는 물을 이용하였으며, 냉각채널 입구 쪽 물의 온도는 15℃, 유속은 8m/s, 압력은 20 bar로 하였다. 열유속마다 냉각채널의 온도를 측정하고, 냉각채널의 온도를 정상상태로 제어한 후 다음 열유속으로 증가시켜 냉각채널의 온도를 측정하였다. 열유속 측정은 전원공급장치에 나타나는 DC전류, 전압을 통해 측정하였으며, 실험의 정확성을 위해 동일한 조건으로 3회 반복하여 수행하고 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9의 결과를 살펴보면, 부하되는 열유속이 증가할수록 냉각채널의 온도가 증가하였으며, 본 발명의 가열시스템은 10 MW/m2 의 고열유속을 단방향에 부하할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
10: 공기층 100: 냉각채널
120: 관 200: 절연체
300: 발열체 310: 발열부
320: 전극부 330: 연결부
400: 압착판 410: 하부 압착판
420: 상부 압착판 500: 전극
510: 양극 520: 음극
600: 댐퍼 610: 본체 댐퍼
611: 체결돌기 620: 분리형 댐퍼
630: 댐퍼 스프링 710: 댐퍼 나사
720: 전극 나사 730: 나사 스프링
800: 실리카포 900: 나사 체결판

Claims (10)

  1. 단방향으로 고열유속을 부하하는 가열시스템에 있어서,
    냉각채널(100);
    상기 냉각채널(100) 상면에 형성된 절연체(200);
    상기 절연체(200) 상면에 형성되되, 발열부(310) 및 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320)를 포함하는 발열체(300);
    상기 발열부(310)의 상면에 배치되어 발열체(300)를 상기 냉각채널(100) 방향으로 압착하는 압착판(400); 및
    상기 전극부(320)의 상면에 형성되어 상기 발열체(300)로 전류를 공급하는 전극(500);을 포함하고,
    상기 발열체(300)는 FeCrAl 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열체(300)는,
    상기 발열부(310)와 전극부(320) 사이에 구비되는 연결부(330)를 더 포함하고,
    상기 연결부(330)는 곡면형상인 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압착판(400)의 상면에는 형성된 댐퍼(600)를 더 포함하고,
    상기 댐퍼(600)는 하나 이상의 체결 돌기(611)가 형성된 본체 댐퍼(610); 및 상기 댐퍼(610)의 체결 돌기(611) 위에 구비되는 하나 이상의 분리형 댐퍼(620);를 포함하며,
    상기 본체 댐퍼(610) 및 분리형 댐퍼(620)는 댐퍼 스프링(630)을 통해 연결 되는 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발열체(300)와 압착판(400) 사이에는 실리카포(800)가 구비되는 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연체(200)는, 용사코팅(Thermal Spray)을 통해 냉각채널(100)에 Al2O3를 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압착판(400)은, 도 하부 압착판(410) 및 상부 압착판(420)을 포함하며,
    상기 하부 압착판(410)은 Al2O3로 형성되고,
    상기 상부 압착판(420)은 SiO2로 형성되는 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연체(200)와 발열체(300) 사이에는 서멀 페이스트(thermal paste)가 삽입되는 것을 특징으로 하는, 가열시스템.
  8. 냉각채널(100)을 준비하는 냉각채널 준비단계;
    냉각채널(100) 상면에 알루미나(Al2O3)를 코팅하여 절연체(200)를 형성하는 절연체 형성단계;
    절연체(200)의 상면에 발열체(300)를 적층하는 발열체 적층단계; 및
    압착판(400)으로 발열체(300)에 압력을 가하여 상기 발열체(300)를 냉각채널(100) 방향으로 압착하는 발열체 압착단계;를 포함하는 가열시스템의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연체 형성단계는 용사코팅(Thermal Spray)으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 가열시스템의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 발열체(300)는, 발열부(310); 상기 발열부(310)의 양단에 구비되는 전극부(320); 및 상기 발열부(310)와 전극부(320)를 연결하는 연결부(330);를 포함하며,
    상기 연결부(330)는 곡면형상인 것을 특징으로 하는, 가열시스템의 제조방법.
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