KR102390966B1 - 열전달 계수 실험장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예는 냉각수의 상변화 유무에 따라 다공성 물질과 냉각수 사이의 열전달을 모의하고 해당되는 열전달 계수를 산출할 수 있는 열전달 계수 실험장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치는 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질과 냉각수의 저장공간을 갖는 저장용기, 저장용기의 길이방향 외주면을 따라 설치되어 저장용기의 내부에 저장된 다공성 물질을 가열하는 가열부, 그리고 저장용기의 내부에 저장된 다공성 물질과 냉각수의 온도를 측정하는 온도 검출부를 포함하며, 냉각수의 상변화 유무에 따라 다공성 물질과 냉각수 사이의 열전달을 모의한다.

Description

열전달 계수 실험장치 및 방법{APPARTUS AND METHOD FOR TESTING HEAT TRANSFER COEFFICIENT}
본 발명은 열전달 계수 실험장치 및 방법에 관한 것이다.
특정 금속 물질과 냉각수 사이의 열전달 계수를 측정하기 위해서는 해당 물질 내부에 전기 히터를 매립하여 간접적으로 가열하거나 또는 전선을 결속하여 직접 가열함으로써 냉각수와의 열전달 상황을 모의한다. 하지만 측정 대상 물질이 다공성일 경우, 전기 히터가 냉각수와 접촉하지 않도록 매립할 수 없어 간접 가열이 불가능하다. 또한, 임계 열유속을 넘어 막 비등(film boiling) 영역으로 가게 되면, 열전달율이 급격히 감소하면서 표면의 온도가 급증하게 되어 도선 접촉부의 내구성, 온도에 따른 전기저항의 변화, 도선에 의한 열전달 등의 문제가 있어 직접 가열의 적용도 어렵다. 따라서, 금속 다공성 물질과 냉각수 사이 열전달 계수를 측정할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 954,197는 "대류열전달계수 측정장치 및 측정 방법"을 개시한다.
한국등록특허 954,197
본 발명의 한 실시예는 냉각수의 상변화 유무에 따라 다공성 물질과 냉각수 사이의 열전달을 모의하고 해당되는 열전달 계수를 산출할 수 있는 열전달 계수 실험장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치는 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질과 냉각수의 저장공간을 갖는 저장용기, 저장용기의 길이방향 외주면을 따라 설치되어 저장용기의 내부에 저장된 다공성 물질을 가열하는 가열부, 그리고 저장용기의 내부에 저장된 다공성 물질과 냉각수의 온도를 측정하는 온도 검출부를 포함하며, 냉각수의 상변화 유무에 따라 다공성 물질과 냉각수 사이의 열전달을 모의한다.
한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법은 저장용기 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질을 설치하는 단계, 저장용기 내부에 냉각수를 공급하며 냉각수의 공급 흐름을 유지하는 단계, 가열부로 다공성 물질을 가열하는 단계, 그리고 다공성 물질과 냉각수 사이의 대류 열전달을 모의하여 해당되는 열전달 계수를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예는 냉각수의 상변화 유무에 따라 다공성 물질과 냉각수 사이의 열전달을 모의하고 해당되는 열전달 계수를 산출하여 다공성 물질의 열적 안전 제한치를 제시할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법을 도시한 흐름도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 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.
이하에서는 도면들을 참조하여 열전달 계수 실험장치 및 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치는 저장용기(10), 가열부(100), 온도 검출부를 포함하며, 냉각수(20)의 상변화 유무에 따라 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 열전달을 모의 실험할 수 있다.
저장용기(10)는 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질(30)과 냉각수(20)의 저장공간을 갖는다. 저장용기(10)는 도가니를 포함할 수 있다. 저장용기(10)는 고주파 유도가열에 영향을 받지 않는 재질로 형성될 수 있다. 고주파 유도가열은 전도성 물질을 가열하므로 다공성 물질(30) 이외의 것은 비전도성 재질로 제작할 수 있다. 여기서, 비전도성 재질은 세라믹, 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장용기(10), 커버부(12), 실링부(14), 조립에 필요한 자재, 냉각수 배관 관련자재는 세라믹, 폴리머 재질을 포함할 수 있다. 여기서, 다공성 물질(30)은 고주파 유도가열이 가능한 전도성 재질로 금속, 흑연을 포함할 수 있다. 여기서 다공성이라 함은 물질 내부에도 냉각수(20)가 침투하여 열교환이 가능한 구조를 말한다. 예를 들어, 전극 재료, 필터 등에 주로 쓰이는 메탈폼의 형태일 수도 있으며, 작은 분말들을 열적 성형하여 만든 소결체의 형태일 수도 있다. 또한, 단순히 볼, 실린더 같은 모양의 작은 입자들을 한 데 모아 놓은 형태로 형성할 수도 있다. 따라서, 다공성 물질은 메탈폼, 소결체, 그리고 볼 형상의 소입자 집합체 중 1개 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 다공성 물질(30)은 금속 다공성 물질을 포함한다. 고주파 유도가열의 특성상 다공성 물질(30)은 가열부(100)에 가까운 부분부터 가열되므로 다공성 물질(30)의 온도 균일성을 위해 반경이 작고 일정한 봉 형상이 좋다.
저장용기(10)는 상부가 개구된 원통형상으로 형성될 수 있다. 저장용기(10)의 상부에 개폐구조로 결합되는 커버부(12)를 더 포함할 수 있다. 저장용기(10)의 상부와 커버부(12)의 사이에 구비되어 저장용기(10)를 실링하는 실링부(14)를 더 포함할 수 있다.
저장용기(10)의 내부로 냉각수(20)를 공급하는 냉각수 공급라인(110), 그리고 저장용기(10)의 내부에 저장된 냉각수(20)를 외부로 배출하는 냉각수 배출라인(120)을 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 냉각수 공급라인(110)은 저장용기(10)의 하부에 연결될 수 있다. 냉각수 공급라인(110)이 저장용기(10)의 하부에 구비됨에 따라 저장용기(10)에 냉각수(20)를 용이하게 채울 수 있다. 한편, 냉각수 공급라인(110)에 구비되어 냉각수 공급라인(110)을 통해 저장용기(10)로 공급되는 냉각수(20)의 유량을 측정하는 유량계(FM)를 더 포함할 수 있다.
가열부(100)는 저장용기(10)의 길이방향 외주면을 따라 설치되어 저장용기(10)의 내부에 저장된 다공성 물질(30)을 가열할 수 있다. 가열부(100)는 저장용기(10)의 길이방향을 따라 저장용기(10)의 외주면을 감싸도록 설치되는 고주파 유도가열 코일을 포함할 수 있다. 다공성 물질(30)이 균일하게 가열될 수 있도록 고주파 유도가열 코일의 간격은 조정할 수 있다.
온도 검출부는 저장용기(10)의 내부에 저장된 다공성 물질(30)과 냉각수(20)의 온도를 측정할 수 있다. 온도 검출부는 광섬유 온도센서 및 열전대(TC) 중 1개 이상을 포함할 수 있다.
온도 검출부에 전기적으로 연결되어 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 열전달 모의실험과 관련된 데이터를 획득하고 저장하여 해당되는 열전달 계수를 산출하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부는 온도 검출부를 통해 전달된 다공성 물질(30)의 온도정보와 냉각수(20) 온도정보를 분석하고, 열전달 모의 실험과 관련된 산출식을 계산할 수 있다. 제어부는 정보 처리 장치의 프로세서에 의하여 연산, 처리 등이 되는 것으로, 컴퓨터에서 특정한 기능을 수행하는 프로그램의 논리적인 일부분을 뜻하며, 소프트웨어, 하드웨어 등으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정보 처리 장치는 퍼스널 컴퓨터(personal computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer), PDA(personal digital assistant), 휴대폰, 스마트 기기, 태블릿(tablet) 등이 있다. 그리고 제어부는 열전달 모의 실험과 관련된 데이터를 저장하는 저장부를 별도로 구비할 수 있다. 저장부는 열전달 모의 실험과 관련된 제어 및 정보 처리, 관련 데이터와 프로그램을 저장하는 장치로, 고속 랜덤 액세스 메모리(high-speed random access memory), 자기 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치, 기타 비휘발성 고체 상태 메모리 장치(non-volatile solid-state memory device) 등의 비휘발성 메모리 등 다양한 종류의 메모리를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치를 이용하면, 냉각수(20)의 상변화 유무에 따라 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 열전달을 모의하고 해당되는 열전달 계수를 산출하여 다공성 물질(30)의 열적 안전 제한치를 제시할 수 있다. 예를 들어, 열전달 계수 실험장치를 이용한 열전달 계수 실험방법은 냉각수(20) 상변화의 유무에 따라 냉각수(20)가 비등하지 않는 영역인 비 보일링 영역(Non-Boiling Regime)과 냉각수(20)의 비등 영역인 보일링 영역(Boiling Regime)에서 다공성 물질(30)과의 열전달 계수를 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법을 도시한 흐름도이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 저장용기(10) 내부에 다공성 물질(30)을 설치한 후 냉각수(20)를 공급하면서 고주파 유도가열을 이용해 다공성 물질(30)을 가열하고, 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 대류 열전달을 모의하여 열전달 계수를 산출할 수 있다.
먼저, 저장용기(10) 내부에 다공성 물질(30)을 설치한다(S210). 가열부(100)를 통해 냉각수(20)는 가열되지 않고 다공성 물질(30)만을 가열하여 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이 대류 열전달을 모의하기 위해 고주파 유도가열 방식을 이용할 수 있다. 이러한 이유로, 고주파 유도가열에 영향을 받지 않는 재질로 형성된 저장용기(10)의 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질(30)을 설치한다. 저장용기(10) 내부에 다공성 물질(30)이 설치된 상태에서 커버부(12)로 저장용기(10)의 상부를 닫는다.
이어서, 저장용기(10) 내부에 냉각수(20)를 공급하며 냉각수(20)의 공급 흐름을 유지한다(S220). 냉각수(20)를 저장용기(10) 아래에서 위로 공급하며 저장용기(10) 내부에 냉각수(20)가 가득 채워질 수 있도록 한다. 저장용기(10) 내부에 냉각수(20)가 공급되는 상태에서 가열부(100)로 다공성 물질(30)을 가열한다(S230). 냉각수(20)의 유량을 일정하게 유지한 상태에서 가열부(100)의 전원을 올려 가열을 시작한다. 저장용기(10) 내부에 다공성 물질(30)을 설치한 후 냉각수(20)를 공급하면서 고주파 유도가열을 이용해 다공성 물질(30)을 가열하고, 냉각수(20)와의 대류 열전달을 모의한다. 냉각수(20)의 공급을 계속 유지함으로써 비 보일링 영역(Non-Boiling Regime)을 유지할 수 있다. 대류 열전달로 인해 냉각수(20)의 온도는 공급측 보다 배출측이 높아진다.
다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 대류 열전달을 모의하여 해당되는 열전달 계수를 산출한다(S240). 이때 온도 검출부를 이용하여 다공성 물질(30)의 표면 온도와 냉각수(20)의 입출구 온도를 측정하고 유량계(FM)를 이용하여 냉각수(20)의 유량을 측정한다. 에너지 보존 법칙에 따라 다공성 물질(30)에서 냉각수(20)로의 열전달율(
Figure 112020090040481-pat00001
)은 수학식 1을 이용해서 산출할 수 있다. 여기서, 저장용기(10)를 통한 열전달은 무시한다.
[수학식 1]
Figure 112020090040481-pat00002
여기서,
Figure 112020090040481-pat00003
; 냉각수(water)의 비열,
Figure 112020090040481-pat00004
; 냉각수의 질량 유량,
Figure 112020090040481-pat00005
; 냉각수의 공급측과 배수측 사이 온도차(냉각수의 입출구 온도차),
Figure 112020090040481-pat00006
; 다공성 물질-냉각수 열전달 계수,
Figure 112020090040481-pat00007
; 유효 열전달 면적(다공성 물질의 겉면적과 공극률의 함수),
Figure 112020090040481-pat00008
; 평균온도차(다공성 물질과 냉각수의 평균 온도차)를 나타낸다.
다공성 물질(30)은 그 내부 빈 공간에 채워진 냉각수(20)와도 열교환이 이뤄지기에 단순히 겉면적을 대입할 수 없어 유효 열전달 면적(
Figure 112020090040481-pat00009
)을 구해야 한다. 유효 열전달 면적(
Figure 112020090040481-pat00010
)은 겉면적과 공극률(porosity)과 관련 있다.
다공성 물질(30)의 겉면적만 다르게 하여 실험 데이터를 쌓으면 해당 물질의 유효 열전달 면적에 대한 함수를 제시할 수 있고 이에 따른 열전달 계수를 구할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법을 도시한 흐름도이다. 그리고 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험방법을 도시한 흐름도이다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치는 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치와 냉각수 공급라인과 냉각수 배출라인에서 차이점이 있다. 예를 들어, 냉각수 공급라인(110a)은 저장용기(10)의 하부에 설치되고, 냉각수(20)를 공급하여 저장용기(10)에 채워 보일링 영역(Boiling Regime)으로 유지해야 하므로 별도의 냉각수 배출라인은 생략한다. 다만 냉각수(20)가 비등하면서 발생되는 증기를 배출하는 증기 배출라인(140)을 포함한다. 또한, 냉각수 공급라인(110a)과 증기 배출라인(140)에 연결되어 수위 측정을 하는 투명관(130)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치에서 저장용기(10), 가열부(100), 온도 검출부를 포함한 열전달 모의 실험장치는 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치의 구성을 사용할 수 있다. 따라서, 중복되는 설명은 생략한다.
고주파 유도가열로 인하여 다공성 물질(30)에 주입된 열량의 대부분은 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 상변화 열전달로 빠져나가고 나머지 부분 중 대부분은 다공성 물질(30)의 온도를 상승시키는 데 사용되고 극히 작은 부분은 저장용기(10)를 통한 열전달로 빠져나간다. 따라서, 보일링 영역(Boiling Regime)에서의 실험은 2단계로 진행될 수 있다.
1단계는 도 4의 실험방법으로 고주파 유도가열로 인해 다공성 물질(30)로 주입되는 열전달율(
Figure 112020090040481-pat00011
)을 구하기 위한 실험이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 고주파 유도가열을 이용해 저장용기(10)에 냉각수(20)가 없는 상태에서 다공성 물질(30)을 가열하고, 다공성 물질(30)로 주입된 열전달율(
Figure 112020090040481-pat00012
)을 산출할 수 있다.
먼저, 저장용기(10) 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질(30)을 설치한다(S410). 가열부(100)로 다공성 물질(30)을 가열한다(S420). 저장용기(10) 내부에 다공성 물질(30)을 설치하고 가열부(100)의 전원을 올려 가열을 시작한다. 온도 검출부를 이용하여 다공성 물질(30)의 표면 온도를 측정한다. 그리고 다공성 물질(30)로 주입된 열전달율(
Figure 112020090040481-pat00013
)을 수학식 2를 이용해서 산출한다(S430). 고주파 유도가열로 인하여 다공성 물질(30)로 주입된 열전달율(
Figure 112020090040481-pat00014
)은 수학식 2를 이용해서 산출할 수 있다. 여기서, 저장용기(10) 내부 공기를 통한 열전달은 무시한다.
[수학식 2]
Figure 112020090040481-pat00015
여기서,
Figure 112020090040481-pat00016
; 가열부(100)의 출력,
Figure 112020090040481-pat00017
; 다공성 물질(30)을 가열하는 것에 대한 효율,
Figure 112020090040481-pat00018
; 다공성 물질(30)의 비열,
Figure 112020090040481-pat00019
; 다공성 물질의 질량,
Figure 112020090040481-pat00020
; 다공성 물질의 평균 온도 변화율을 나타낸다.
유도가열장치의 출력(
Figure 112020090040481-pat00021
)을 조정하여 상기 과정을 반복함으로써 가열부 출력에 따른 다공성 물질(30)로 주입된 열전달율(
Figure 112020090040481-pat00022
)을 구할 수 있다(S440).
2단계는 도 5의 실험방법으로 냉각수의 비등 영역에서 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이의 열전달 계수(
Figure 112020090040481-pat00023
)를 구하기 위한 실험이다. 도 3과 도 5를 참조하면, 고주파 유도가열을 이용해 저장용기(10)에 냉각수(20)를 채운 상태에서 다공성 물질(30)을 가열하고, 다공성 물질(30)에서 냉각수(20)로 전달되는 열전달 계수(
Figure 112020090040481-pat00024
)를 산출할 수 있다.
먼저, 저장용기(10) 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질(30)을 설치한다(S510). 저장용기(10) 내부에 냉각수(20)를 공급하여 기설정된 수위로 냉각수(20)를 채운다(S520). 냉각수(20)가 저장용기(10) 내부에 채워진 상태에서 저장용기(10) 내부로 공급되는 냉각수(20)를 차단한다. 즉, 저장용기(10) 내부에 다공성 물질(30)을 설치하고 냉각수(20)를 저장용기(10)에 가득 채운 후 냉각수 공급밸브를 잠근다. 실험하는 동안 저장용기(10) 내부에 공급되어 저장되는 냉각수(20)는 추가 공급없이 기체로 상변화하여 배기되므로 수위는 계속 감소하게 된다. 따라서, 투명관(130)을 활용하여 저장용기(10)에 저장되는 냉각수(20)의 수위가 다공성 물질(30)보다는 항상 위에 있도록 주의해야 한다. 가열부(100)로 다공성 물질(30)을 가열한다(S530). 온도 검출부를 이용하여 다공성 물질(30)의 표면 온도와 냉각수(20)의 온도를 측정한다. 냉각수(20)의 온도가 비등점에 도달하면, 다공성 물질(30)에서 냉각수(20)로 전달되는 열전달 계수(
Figure 112020090040481-pat00025
)를 수학식 3을 이용해서 산출한다(S540). 여기서, 저장용기(10)를 통한 열전달은 무시한다. 다공성 물질(30)에서 냉각수(20)로 전달되는 열전달 계수(
Figure 112020090040481-pat00026
)는 수학식 3을 이용해서 계산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020090040481-pat00027
여기서,
Figure 112020090040481-pat00028
; 고주파 유도가열로 인하여 다공성 물질(30)에 주입된 열전달율(유도가열은 전도성을 가진 물질만 가열하므로 1단계에서 구한 값을 대입해도 무방함),
Figure 112020090040481-pat00029
는 다공성 물질(30)의 온도 상승분,
Figure 112020090040481-pat00030
는 냉각수 상변화 열전달분,
Figure 112020090040481-pat00031
; 유효 열전달 면적(실험 1에서 구함, 다공성 물질(30)의 겉면적과 공극률의 함수, Non-Boiling Regime 에서 구할 수 있음),
Figure 112020090040481-pat00032
; 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 비등점 사이 온도차를 나타낸다.
유도가열장치의 출력(
Figure 112020090040481-pat00033
)을 조정하여 상기 과정을 반복함으로서 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 비등점 사이 온도차(
Figure 112020090040481-pat00034
)에 따른 열전달 계수(
Figure 112020090040481-pat00035
)를 구할 수 있다(S550).
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치와 방법을 이용하면, 다공성 물질(30)과 냉각수(20) 사이 열전달을 모의하고 열전달 계수를 측정할 수 있다. 특히, 냉각수(20)의 비등 영역에서의 열전달 모의가 가능하므로 임계 열유속(critical heat flux)을 실험적으로 구할 수 있다. 임계 열유속에 도달하여 막 비등(film boiling)으로 열전달 방식이 전환되면 열전달율이 급격히 감소하면서 열전달 표면의 온도가 급증해 해당 시스템은 심각한 손상을 입게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예를 활용하면 냉각수(20)의 상변화가 발생하는 시스템에서 다공성 물질(30)의 열적 안전 제한치를 나타내는 중요한 기준점을 제시할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전달 계수 실험장치를 이용하여 다공성 물질(30)과 냉각수(20)의 비등점 사이 온도차에 따른 열전달 계수를 구할 수 있다. 즉, 다공성 물질(30)에 대한 보일링 커브(Boiling Curve)를 실험적으로 제시할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 ; 저장용기 12 ; 커버부
14 ; 실링부 20 ; 냉각수
30 ; 다공성 물질 100 ; 가열부
110 ; 냉각수 공급라인 120 ; 냉각수 배출라인

Claims (17)

  1. 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질과 냉각수의 저장공간을 갖는 저장용기,
    상기 저장용기의 길이방향을 따라 상기 저장용기의 외주면을 감싸도록 설치되는 고주파 유도가열 코일을 포함하여 상기 저장용기의 내부에 저장된 상기 다공성 물질을 가열하는 가열부, 그리고
    상기 저장용기의 내부에 저장된 상기 다공성 물질과 상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도 검출부
    를 포함하며,
    상기 가열부를 통해 상기 다공성 물질만을 가열하여 상기 냉각수의 상변화 유무에 따라 상기 다공성 물질과 상기 냉각수 사이의 열전달을 모의하는 열전달 계수 실험장치.
  2. 제1항에서,
    상기 온도 검출부에 전기적으로 연결되어 상기 다공성 물질과 상기 냉각수 사이의 열전달 모의와 관련된 데이터를 획득하고 저장하여 해당되는 열전달 계수를 산출하는 제어부를 더 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  3. 제1항에서,
    상기 저장용기는 상부가 개구된 원통형상으로 형성되는 열전달 계수 실험장치.
  4. 제3항에서,
    상기 저장용기의 상부에 개폐구조로 결합되는 커버부를 더 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  5. 제4항에서,
    상기 저장용기의 상부와 상기 커버부의 사이에 구비되어 상기 저장용기를 실링하는 실링부를 더 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  6. 제1항에서,
    상기 저장용기의 내부로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인, 그리고
    상기 저장용기의 내부에 저장된 냉각수를 외부로 배출하는 냉각수 배출라인을 더 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  7. 제6항에서,
    상기 냉각수 공급라인은 상기 저장용기의 하부에 연결되는 열전달 계수 실험장치.
  8. 제7항에서,
    상기 냉각수 공급라인에 구비되어 상기 냉각수 공급라인을 통해 상기 저장용기로 공급되는 상기 냉각수의 유량을 측정하는 유량계를 더 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에서,
    상기 저장용기는 세라믹 재질을 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  11. 제1항에서,
    상기 온도 검출부는 광섬유 온도센서 및 열전대 중 1개 이상을 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  12. 제1항에서,
    상기 다공성 물질은 금속 다공성 물질 및 흑연 중 1개 이상을 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  13. 제12항에서,
    상기 금속 다공성 물질은 메탈폼, 소결체, 그리고 볼 형상의 소입자 집합체 중 1개 이상을 포함하는 열전달 계수 실험장치.
  14. 저장용기 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질을 설치하는 단계,
    상기 저장용기 내부에 냉각수를 공급하며 상기 냉각수의 공급 흐름을 유지하는 단계,
    상기 저장용기의 길이방향을 따라 상기 저장용기의 외주면을 감싸도록 설치되는 고주파 유도가열 코일을 포함하는 가열부로 상기 저장용기의 내부에 저장된 상기 다공성 물질을 가열하는 단계, 그리고
    상기 가열부를 통해 상기 다공성 물질만을 가열하여 상기 다공성 물질과 상기 냉각수 사이의 대류 열전달을 모의하여 해당되는 열전달 계수를 산출하는 단계
    를 포함하는 열전달 계수 실험방법.
  15. 제14항에서,
    상기 열전달 계수는 상기 다공성 물질에서 상기 냉각수로의 열전달율(
    Figure 112020090040481-pat00036
    )을 포함하며, 상기 열전달율(
    Figure 112020090040481-pat00037
    )은 하기 수학식 1:
    [수학식 1]
    Figure 112020090040481-pat00038

    (여기서,
    Figure 112020090040481-pat00039
    ; 냉각수(water)의 비열,
    Figure 112020090040481-pat00040
    ; 냉각수의 질량 유량,
    Figure 112020090040481-pat00041
    ; 냉각수의 공급측과 배수측 사이 온도차(냉각수의 입출구 온도차),
    Figure 112020090040481-pat00042
    ; 금속 다공성 물질-냉각수 열전달 계수,
    Figure 112020090040481-pat00043
    ; 유효 열전달 면적(다공성 물질의 겉면적과 공극률의 함수),
    Figure 112020090040481-pat00044
    ; 평균온도차(다공성 물질과 냉각수의 평균 온도차))
    을 이용해서 산출되는 열전달 계수 실험방법.
  16. 저장용기 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질을 설치하는 단계,
    가열부로 상기 다공성 물질을 가열하는 단계,
    상기 다공성 물질로 주입된 열전달율(
    Figure 112020090040481-pat00045
    )을 하기 수학식 2:
    [수학식 2]
    Figure 112020090040481-pat00046

    (여기서,
    Figure 112020090040481-pat00047
    ; 가열부의 출력,
    Figure 112020090040481-pat00048
    ; 다공성 물질을 가열하는 것에 대한 효율,
    Figure 112020090040481-pat00049
    ; 금속 다공성 물질의 비열,
    Figure 112020090040481-pat00050
    ; 금속 다공성 물질의 질량,
    Figure 112020090040481-pat00051
    ; 다공성 물질의 평균 온도 변화율)
    를 이용해서 산출하는 단계, 그리고
    상기 가열부 출력을 조정하여 반복 실험하는 단계
    를 포함하는 열전달 계수 실험방법.
  17. 저장용기 내부에 열전달 성능 측정 대상물인 다공성 물질을 설치하는 단계,
    상기 저장용기 내부에 냉각수를 공급하여 기설정된 수위로 냉각수를 채우는 단계,
    상기 냉각수가 상기 저장용기 내부에 채워진 상태에서 상기 저장용기 내부로 공급되는 냉각수를 차단하는 단계,
    상기 저장용기의 길이방향을 따라 상기 저장용기의 외주면을 감싸도록 설치되는 고주파 유도가열 코일을 포함하는 가열부로 상기 저장용기의 내부에 저장된 상기 다공성 물질을 가열하는 단계,
    상기 가열부를 통해 상기 다공성 물질만을 가열하여 상기 다공성 물질에서 상기 냉각수로 전달되는 열전달 계수(
    Figure 112021124983947-pat00052
    )를 하기 수학식 3:
    [수학식 3]
    Figure 112021124983947-pat00053

    (여기서,
    Figure 112021124983947-pat00054
    ; 고주파 유도가열로 인하여 다공성 물질에 주입된 열전달율(유도가열은 전도성을 가진 물질만 가열하므로 1단계에서 구한 값을 대입해도 무방함),
    Figure 112021124983947-pat00055
    는 다공성 물질의 온도 상승분,
    Figure 112021124983947-pat00056
    는 냉각수 상변화 열전달분,
    Figure 112021124983947-pat00057
    ; 유효 열전달 면적(실험 1에서 구함, 다공성 물질의 겉면적과 공극률의 함수, Non-Boiling Regime 에서 구할 수 있음),
    Figure 112021124983947-pat00058
    ; 다공성 물질과 냉각수의 비등점 사이 온도차)
    을 이용해서 산출하는 단계, 그리고
    상기 가열부 출력을 조정하여 반복 실험하는 단계
    를 포함하는 열전달 계수 실험방법.
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