KR20160034633A - 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 - Google Patents

열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 Download PDF

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KR20160034633A
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정미희
최철
김도형
소준영
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한국전력공사
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 유체의 흐름이 난류 특성을 가지는 높은 Re 수(빠른 유속) 조건에서도 신속,정확,간편하게 유체의 열전달계수를 평가할 수 있는 대면적 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 나노유체를 수용하는 용기; 용기 위에 위치하며, 용기의 중심을 기준으로 회전 가능한 회전원판; 및 회전원판에 설치되어, 회전원판의 반경 방향으로 이동 가능한 열선센서를 포함하고, 열선센서를 나노유체에 담군 상태에서, 열선센서의 반경 방향 위치를 결정한 후, 회전원판을 미리 정해진 속도로 회전시키면서, 열선센서를 통하여 나노 유체에 열을 공급하는 동시에 나노 유체의 대류 열전달계수를 측정하는 유체 대류열전달계수 측정 장치를 개시한다.

Description

열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치{Rotation circular plate type convection heat transfer coefficient measuring device using heating wire}
본 발명의 일 실시예는 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치에 관한 것이다.
대표적인 대류열전달계수 측정 장치로 종래의 이중관 열교환기 또는 "가는 열선"을 이용한 비정상열선법(transient hot-wire system) 방식의 대류열전달 측정 장치가 있다. 첫째로, 이중관 열교환기는 항온조 및 이송 펌프와 같은 다양한 주변장치를 필요로 하기 때문에, 대부분 대형이고 복잡하여 나노유체의 대류열전달 성능을 평가하는데 있어 여러 가지 어려움이 많다. 예를 들면, 장치의 내부를 채울만한 충분한 양의 나노유체 시료 확보를 위한 긴 시간과 과다한 비용 문제, 시료를 교환할 경우 장치 내부를 깨끗하게 세척해야 하는 어려움, 장치를 정상 상태에 도달시키는데 오랜 시간이 소요되는 불편함, 획득된 데이터의 정밀도와 측정 과정에서 발생한 열손실 등을 정확하게 산정하지 못할 때 발생하는 불확실성(uncertainty)의 문제 등이 있다. 뿐만 아니라, 시료를 폐기해야 하는 경우 비용 및 환경적 측면까지를 고려한다면, 기존의 장치와는 차별화된 새로운 장치가 필요함을 알 수 있다.
또한, 비정상열선법은, 백금선(Pt wire)과 같이 저항체 및 온도센서 역할을 하는 매우 가는 열선을 유체 속에 담그고 전류를 가한 후, 열선의 저항값 측정을 통하여 열선에서 발생한 주울열(Joule's Heat)이 유체로 발산해 나가는 속도를 평가하는 것이다. 그러나 백금선의 직경이 매우 가늘고 또한 백금선 주위를 흐르는 유체의 속도가 상대적으로 느려 난류 흐름 환경을 정확히 모사하지 못함에 따라 실제 대부분의 유체가 가지는 난류 조건에서의 대류열전달계수 측정이 사실상 불가능한 문제가 있다.
이와 같은 문제들을 해결하기 위하여 본 출원인 및 발명자는 2008년 "나노유체의 열전달 향상 평가장치(대한민국 특허출원번호 10-2008-0051188, 2008.05.30)" 를, 2009년에 "나노유체의 대류열전달계수 측정장치 및 측정방법(대한민국 특허출원번호 10-2009-0059460, 2009.06.30)"을 출원하였다. 상기 두가지 출원특허는 기존 혼합유체의 열전도도 측정에 적용되었던 "비정상열선법"을 응용한 것으로, 소량의 시료만으로 신속,간편,정확하게 나노유체의 대류열전달계수를 측정할 수 있는 것이었다.
다만, 유체의 흐름에 있어서 2008년 출원특허는 기울어진 튜브 끝에 설치된 열선으로 유체를 자유낙하 방식으로 흘려보내는 것이었고, 2009년 출원특허는 유체는 정지해 있는 대신 열선이 일정한 속도로 움직이는 방식이었다. 그러나 상기 두 가지 출원특허는 유속 조절이 가능한 구간이 매우 좁아서 아무리 열선의 이송 속도를 빠르게 하여도 층류 유동 범위를 벗어날 수 없었으며, 이송 속도를 균일하고 일정하게 유지하기 어려웠다. 실제로 나노유체가 열매체로 사용되는 각종 냉각 및 윤활 매체의 유동은 층류가 아닌 난류 조건에서 일어나기 때문에, 해당 환경에서 순수 유체에 대한 나노유체의 열특성 향상 정도를 정확히 측정 및 평가하기 위해서는 반드시 난류 조건에서도 정확한 대류열전달계수의 측정이 필요하며, 유체의 유속도 정확하고 일정하게 제어할 수 있어야만 혼합유체 동적 열특성의 정확한 측정 및 평가가 가능하다.
본 발명의 일 실시예는 유체의 흐름이 난류 특성을 가지는 높은 레이놀즈 수(Re 수, 빠른 유속) 조건에서도 신속,정확,간편하게 유체의 열전달계수를 측정 및 평가할 수 있는 대면적 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 나노유체(nanofluids) 시료가 가열/냉각 또는 윤활매체로 사용될 경우, 유체의 실제 유동조건에서 대류열전달계수의 향상 정도를 신속,정확하게 제시함으로써, 새로운 고효율 열매체로서의 실적용 가능성을 정확하게 판단할 수 있는 대면적 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 열전달 향상 효과를 가지는 나노유체의 대류열전달계수를 비교,평가함에 있어서, 규칙적이고 균일한 유체 흐름인 층류(laminar flow)에서부터 무질서하고 비정상성을 가지는 난류(turbulent flow) 조건에 이르기까지, 유체의 유동조건이 바뀌어도 정확한 열전달특성 평가가 가능한 대면적 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 제공한다.
즉, 본 발명은 유체의 유속을 일정하고 정확하게 제어할 뿐만 아니라, 유속이 느릴때 발생하는 층류에서부터 유속이 매우 빠를 때 발생하는 난류 조건에 이르기까지 대류열전달계수의 정확한 측정이 가능한 장치의 제공을 해결하고자 하는 과제로 한다. 다르게 설명하면, 이전 발명에서 제안된 기술과 마찬가지로 간단하면서도 신속하게 혼합유체의 대류열전달 특성을 정확하게 측정할 수 있는 측정 장치를 제안한다.
기존에 사용해오던 이중관 열교환기 방식의 장치는 많은 양의 시료가 필요할 뿐만 아니라, 시료의 조성이 바뀌어 튜브 내부에 남은 잔류물을 완전히 제거하기 위하여 매번 순환관 내부를 세척해야 하는 사용상의 불편함과 어려움을 가진다. 반면에 가는 열선을 사용하는 소형 측정 장치는 매우 적은 양의 시료로도 정확한 열특성 평가가 가능하고, 장치가 작고 구조가 간단해서 세척이 용이한 장점을 가진다. 그러나 다양한 유동 조건을 모사하지 못함으로써, 난류 조건에 대한 대류열전달계수 측정이 불가능한 단점을 가졌었다.
종래 발명에서 난류 유동 조건을 모사하지 못했던 이유는 너무 얇은 직경의 열선을 사용함으로써, 열선이 유체 속을 매우 빠른 속도로 움직이더라도 난류의 유체 흐름을 만들어내지 못했던 것에 주로 기인한다. 즉, 발열체이자 온도센서로 사용했던 열선의 직경이 수십 ㎛으로 매우 가늘어서, 유체속에 열선을 아무리 빠른 속도로 이송시켜도 계속 층류가 유지된다.
따라서 본 발명에서는 가는 열선 대신에 써미스터 또는 여러 가닥의 열선을 꼰 형태와 같은 대면적 열선을 발열체이자 온도센서로 사용한다. 써미스터의 경우, 두께(1～5 mm)는 백금 열선(5～50 ㎛)보다 최소 100배 이상 두껍기 때문에, 결과적으로 Re 수도 100배 이상 향상되고 난류의 흐름을 조장하는 효과를 가진다.
또한 기존의 자유낙하 및 수평 왕복이송 방식의 유동발생장치를 사용할 경우, 유체의 유속을 정확하고 균일하게 유지하기 힘든 문제점이 있었다.
이것은 오일과 같이 점도가 높은 유체를 기지로 하여 제조한 나노유체 또는 혼합유체를 대상으로 동적열특성을 측정할 경우, 일정 각도로 기울여진 관 또는 튜브의 내벽에 상당량의 유체가 점착되고, 그 결과 아래의 관 출구에서 배출되는 유체의 양이 일정하지 않기 때문이다. 또한 자유낙하 방식을 개선하기 위해 고안한 수평 왕복이송 방식은 계속하여 정방향과 역방향으로 방향을 바꾸어 작동해야 하는 원리로 인하여, 방향 전환 시 유체에 파동의 교란이 발생하고 유체의 유속(또는 열선의 이송속도)이 정현파의 특성을 가짐으로써 본질적으로 정확하고 균일한 유속의 제어가 불가능하다. 특히 이러한 현상은 난류 조건을 얻기 위해 열선의 이송 속도를 빠르게 할수록 더욱 심각해진다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 본 발명에서는 회전원판을 이용하여 대면적 열선을 일정한 회전 속도로 회전시킴에 의해 일정한 유속과 난류 유동 조건을 얻고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치는 나노유체를 수용하는 용기; 상기 용기 위에 위치하며, 상기 용기의 중심을 기준으로 회전 가능한 회전원판; 및 상기 회전원판에 설치되어, 상기 회전원판의 반경 방향으로 이동 가능한 열선센서를 포함하고, 상기 열선센서를 상기 나노유체에 담군 상태에서, 상기 열선센서의 상기 반경 방향 위치를 결정한 후, 상기 회전원판을 미리 정해진 속도로 회전시키면서, 상기 열선센서를 통하여 상기 나노 유체에 열을 공급하는 동시에 상기 나노 유체의 대류 열전달계수를 측정함을 특징으로 한다.
상기 회전원판의 속도는 시간에 따라 일정할 수 있다.
상기 나노유체의 측정 가능한 유동조건은 10≤Re≤50의 난류 범위일 수 있다.
상기 열선센서에는 정온도유지회로, 정전류유지회로 또는 정전압유지회로가 연결될 수 있다.
상기 회전원판은 상기 회전원판의 직경보다 큰 직경을 갖는 회전 테이블에 결합되고, 상기 회전 테이블은 제1모터에 결합되어 회전되고, 상기 회전 테이블의 일측에는 회전수 미터가 설치되어, 상기 회전 테이블의 회전수가 제어될 수 있다.
상기 회전원판에는 상기 회전원판의 반경 방향으로 열선센서를 이동시키기 위한 이동 부재가 설치되고, 상기 이동 부재는 웜 기어를 갖는 제2모터; 및 상기 웜 기어에 결합된 웜을 포함하고, 상기 웜에 상기 열선센서가 결합될 수 있다.
상기 열선센서는 상기 회전원판의 반경 방향을 따라 다수개가 설치될 수 있다.
상기 열선센서는 고정 저항 Rs; 및 상기 고정 저항 Rs에 직렬로 연결된 써미스터 저항 Rth를 포함하고, 상기 고정 저항 Rs가 정전압 직류전원 Vs에 연결되며, 상기 써미스터 저항 Rth에 인가되는 전압 Vth가 측정되어 유체 대류열전달계수가 계산될 수 있다.
상기 써미스터 저항 Rth는 NTC(Negative temperature coefficient) 소자일 수 있다.
상기 써미스터 저항 Rth는 두께가 1 내지 10 mm일 수 있다.
본 발명을 이용하면, 낮은 Re 수 조건에서 뿐만 아니라, 높은 Re 수 조건에서의 나노유체 대류열전달 특성의 정확한 파악이 가능해진다. 또한, 본 장치를 이용하여 얻은 데이터를 동일한 Re 수에서 실험된 다른 결과들과의 비교 측정에 활용할 수도 있다. 써미스터는 온도 변화에 대한 저항 변화가 대단히 민감하므로, 기존 열선을 사용한 장치보다 나노유체의 대류열전달 성능을 보다 정밀하게 평가할 수 있다.
또한, 써미스터의 특성상 기존 열선을 사용한 장치보다 센서의 내구성이 대폭 향상된다. 써미스터 센서 표면에 절연처리를 확실히 하여 물, 에틸렌글리콜 등 전기 전도성 유체에 대한 대류열전달 성능 시험도 가능하다.
다음으로, 유체 유속의 정확하고 균일한 제어도 가능해진다. 기존의 자유낙하 방식이나 수평 왕복이송방식의 경우에는 난류 조건을 조성하기 위해 센서의 이송속도를 빠르게 하면 할수록, 속도의 제어도 어렵고 유체 유동 파동에 교란 현상이 발생하는 문제점들이 있었다. 그러나 회전 방식을 채택하면 시료 내 진동 현상도 사라지고 유체 유속도 일정하고 정확하게 유지시킬수 있다.
일례로, 본 발명에서는 기존에 사용하였던 가는 열선 대신에 대면적 열선, 일례를 들면 직경이 100배 수준인 써미스터(직경 1 내지 5 mm)를 저항체이자 온도센서로 사용하였다. 제시한 장치를 이용하면 기존 장치에서 모사할 수 있었던 Re 수(＜10)보다 100배 이상 증가된 난류 조건을 모사할 수 있다. 따라서 실제로 나노유체가 열 및 윤활매체로 사용될 실제 환경에서 보다 정확한 대류열전달특성 데이타를 제공할 수 있게 된다.
또한 과거의 자유낙하 또는 수평 왕복이송 방식 대신에 회전원판을 이용한 유동발생장치를 고안함으로써, 측정 유체의 균일하고 정확한 유동 속도 제어가 가능토록 하였다. 유동발생장치에 설치되는 열선은 반경 방향으로 이동이 가능하고, 그에 따른 유속(회전속도)이 자동적으로 계산될 수 있도록 하였다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 도시한 사시도이고, 도 1b는 회전원판에서의 열선센서의 설치 상태를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 중 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 중 고정 저항과 대면적 열선이 직렬로 연결된 상태를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 중, 일례로, 정온도 증폭기에서 열선센서가 포함된 브릿지의 좌측부분을 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 층류(laminar flow)는 규칙적이고 균일한 유체 흐름을 의미하고, 난류(turbulent flow)는 무질서하고 비정상성을 갖는 유체 흐름을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 나노유체는 물, 에틸렌글리콜, 엔진오일 등과 같은 열전달 기본유체에 열전도율이 매우 높은 초미세 나노 입자를 미량 혼합한 것으로, 차세대 고효율 열 및 윤활매체를 의미한다. 이러한 나노유체의 열전달특성은 기존 유체와 비교하여 수 배 이상 향상된다. 이와 같이 우수한 열 특성을 가진 나노유체를 기존 열교환기에 적용하면, 열교환기의 크기를 줄이거나 펌프 동력을 현저히 감소시킬 수 있다.
고상 나노입자와 액상 냉매의 혼합유체에 대한 열전달 특성이 향상되는 현상은 단순히 나노입자의 높은 열전도율에 의한 효과만으로는 설명되지 않으며, 부가적으로 유체 내에서 입자의 미세한 움직임에 따른 혼합 효과 등으로 설명될 수 있다. 초기 나노유체 연구에서는 열전도율(thermal conductivity) 향상을 주요 관점에서 서술하였으나, 최근에는 나노유체에 의한 대류열전달 효과 상승을 직접적인 지표로 설명하려는 시도가 이루어지고 있다. 이 때, 대류열전달 효과는 대류열전달계수의 측정으로 확인된다. 즉 발열체의 열을 유체로 냉각하는 경우, 유체의 대류열전달계수가 높을수록 발열체에서 유체로의 열발산 속도가 빨라져서 발열체의 온도 상승을 크게 억제할 수 있으며, 동일한 냉각 효과를 위해 유체 유동 속도를 저속으로 유지할 수 있어서 유체 순환용 펌프 동력이 절감되는 효과를 기대할 수 있다.
기존에 개발된 나노유체 대류열전달 성능측정장치는 전통적인 이중관열교환기를 사용하거나, 매우 가는 열선 주위의 대류열전달 현상을 이용한 것이다. 이중관 열교환기를 사용하는 경우, 장치가 대형이고 장치 운전에 많은 양의 나노유체 시료가 필요하며, 장치의 세척이 불편한 단점을 가진다.
반면 가는 열선을 사용하는 장치는 소량의 유체만으로도 열특성의 정확한 평가가 가능하지만, 측정 가능한 유체의 유동 조건이 층류로 평가되는 10 이하의 낮은 Re 수로 제한되는 단점을 가진다. 또한 동적열특성 평가에 있어서 가장 기본적으로 측정해야 하는 유체 유동속도에 있어서, 과거에는 자유낙하 또는 수평 왕복이송 방식을 채택하였으나, 유체마다 제각기 다른 점도(viscosity) 값을 가짐에 따른 특성 차이를 제대로 반영하지 못하고, 1축 왕복이송장치의 특성상 정현파(sine wave)의 속도분포를 가짐으로써 정확한 등속도 유지가 어려웠다.
레이놀즈 수, 즉, Re 수는 다음 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 수로서, 유동의 종류를 결정하는 매우 중요한 지표이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서 ρ,μ는 각각 유체의 밀도와 점도, U는 유동속도, D는 열선의 지름을 의미한다. 예를 들어 1 m/s 정도의 저속으로 움직이는 엔진오일 속에 가열된 직경 50 ㎛의 열선이 놓여 있다면, 아래 수학식 2와 같이 레이놀즈 수(Re 수)가 계산된다.
[수학식 2]
Figure pat00002
이러한 Re 수는 기존 연구에서 수행된 Re 수와 비교하여 너무 낮기 때문에, 실제 작용 환경에서 나노유체의 의미 있는 유동 특성을 비교,평가하기 힘들다. 만약 대상 유체가 엔진오일일 경우, 유체는 고정되어 있으므로 유체의 밀도(ρ)와 점도(μ)는 변경할 수 없으며, 단지 유동 속도(U)와 센서 크기(D)만을 변경할 수 있다.
결국 Re 수를 키우기 위해서는 유체의 유동 속도를 증가시키거나 센서 직경을 키워야 하는데, 이것은 결국 장치의 대형화를 유도하기 때문에 현실적으로 어렵다. 따라서 간단한 구조의 장비로 신속,정확하게 열전달계수의 측정이 가능하며, 높은 Re 수 조건에서도 측정이 가능한 신개념의 대류열전달 성능평가장치의 개발이 필요하다.
이하의 설명에서 열선센서는 열선, 써미스터, 써미스터 저항 또는 온도센서로 불릴수도 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 도시한 사시도이고, 도 1b는 회전원판에서의 열선센서의 설치 상태를 도시한 개략도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유체 대류열전달계수 측정 장치는 나노유체를 수용하는 상부가 개방된 원통 형태의 용기(100)와, 용기 위에 위치하며, 용기의 중심을 기준으로 회전 가능한 회전원판(120)과, 회전원판에 설치되어, 회전원판의 반경 방향으로 이동 가능한 동시에 나노유체에 담궈지는 열선센서(110)를 포함한다.
여기서, 회전원판(120)은 회전원판의 직경보다 상대적으로 더 큰 직경을 갖는 회전 테이블(121)에 결합되어 있고, 이러한 회전 테이블(121)에는 DC 모터(130)가 결합됨으로써, 회전 테이블(121)이 소정 방향으로 회전하게 되어 있다. 더불어, DC 모터(130)는 제어 장치(140)에 결합되어, 회전수가 제어된다. 더욱이, 회전 테이블(121)의 측부에는 회전수 센서(141a) 및 회전수 미터(141)가 결합됨으로써, 회전 테이블(121) 또는 회전원판(120)의 회전수가 정밀하게 제어될 수 있다.
한편, 열선센서(110)는 나노유체에 담궈진 상태에서, 열선센서의 회전원판에서의 반경 방향 위치가 결정된 후, 회전원판이 미리 정해진 속도로 회전되고, 이때 열선센서를 통하여 나노 유체에 열이 공급되는 동시에, 나노유체의 대류 열전달계수가 측정될 수 있다. 이러한 열선센서(110)는 회전원판의 반경을 따라 다수개가 설치됨으로써, 다양한 유체 속도에 대한 열전달계수의 동시 측정도 가능하다.
더불어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 회전원판(120)에는 회전원판의 반경 방향으로 열선센서(110)를 이동시키기 위한 이동 부재가 더 설치될 수 있다. 이러한 이동 부재는 웜 기어(131a)를 갖는 제2모터(131), 웜 기어에 결합된 웜(131b)을 포함하고, 웜(131b)에 열선센서(110)가 결합된다. 여기서, 웜(131b)은 대략 직사각 플레이트 형태이며, 일측에만 치차가 형성되고, 이러한 치차가 웜 기어(131a)에 결합될 수 있다. 물론, 열선센서(110)는 웜(131b)의 하단에 결합되어 하부 방향으로 연장됨으로써, 웜 기어(131a)에 간섭되지 않는다. 더불어, 웜(131b)을 가이드하는 가이드 구조가 더 구비될 수 있으며, 이러한 이동 부재는 본 명세서를 읽어본 당업자라면 용이하게 구현할 수 있으므로, 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다. 더욱이, 이러한 이동 부재의 구조 외에 다양한 다른 구조의 채택도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 중 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 회전 중심부에서 떨어진 거리에 따라 다양한 속도가 용기 내에 존재하며, 열선센서(110)의 이송 속도는 모터(130)의 회전 속도 및 회전원판(120)의 중심에 대한 반경거리에 의존함으로써, 균일하고 정확한 유동속도의 제어가 가능할 뿐 아니라 복수의 열선센서(110)를 회전원판(120)에 부착할 경우에는 서로 다른 유속조건을 갖는 데이터의 동시 확보가 가능하다. 도면중 도면 부호 141a는 회전 테이블(121)에 결합되어 회전수를 측정하고, 이를 회전수 미터(141)로 전달하는 회전수 센서이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 중 고정 저항과 대면적 열선이 직렬로 연결된 상태를 도시한 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열선센서는 고정 저항 Rs와 대면적 열선(예를 들면, 써미스터) Rth가 직렬로 연결된 형태를 할 수 있다. 여기서, Vs는 정전압 직류전원으로, 고정 저항과 써미스터는 이 전압을 분할하는 기능을 가진다. 또한, 본 발명에서는 상기 고정 저항 Rs에 정전압유지회로뿐만 아니라 정온도유지회로 또는/및 정전류유지회로가 더 연결될 수 있다. 일정한 작동조건 하에서 만약 대류열전달계수가 증가하면 대면적 열선이 냉각되고, 온도가 낮아지므로 저항은 증가한다. 저항이 증가되면 열선에 걸리는 전압 Vth가 증가하게 된다.
이하에는 본 발명의 동작 원리에 대해 좀더 자세하게 설명한다.
일반적으로 대류열전달계수를 측정할 유체가 주어지면 유체의 밀도와 점도는 바꿀 수 없으므로, 높은 Re 수 측정을 위해서는 유체의 유동속도 또는 열선(발열체)의 직경을 키워야 한다. 일반적으로 주어진 장치에서 유체의 유속을 높이기 위해서는 다량의 유체와 대형 펌프가 요구될 것이며, 따라서 새로운 고효율 나노유체 개발 초기 단계에서 유체 물성평가에 사용하기에 부적합하다.
또한 난류 조건을 형성시키기 위해 기존 수평 왕복이송장치의 열선 이송 속도를 증가시키면 열선 및 열선 지지대에 의하여 시료에 이상 파동이 발생할 뿐만 아니라, 균일한 속도 유지가 어려워진다. 즉 수평왕복운동 특성 상, 정방향에서 역방향으로, 역방향에서 다시 정방향으로 계속하여 운동 방향이 전환되면서 열선의 이송속도는 정현파의 거동을 하게 되며, 운동방향이 전환되는 포인트에서 유체의 관성 때문에 이송 방향으로 쏠림에 의한 일종의 진동 현상이 유체에 발생한다. 센서(열선)의 이송속도가 느린 경우(즉, 층류조건)에는 유체에 도입되는 진동(또는 파동의 교란) 현상을 억제하고 이송속도를 비교적 정확하게 제어할 수 있으나, 난류 유동조건을 확보하기 위해 무리하게 열선의 이송속도를 증가시키면 유체의 속도가 일정치 않고 계속하여 달라지기 때문에 측정자의 의도대로 정확하게 유속을 제어하기 힘들다.
이에 따라 본 발명에서는 직선왕복운동이 아니라 회전운동 방식으로 열선이 이송되는 방식을 도출한 것이다. 상술한 바와 같이 도 1a, 도 1b 및 도 2는 유체가 일정한 속도로 회전하도록 회전원판(120)을 이용하여 제조한 회전이송장치의 개략도이다. 아래에는 유체가 담긴 용기가 위치하며, 그 위를 회전이 가능한 회전원판이 회전테이블에 고정되어 덮개 형태로 설치된다. 유체속도 조절이 가능한 DC 모터(130)를 이용하여 회전테이블(121)의 회전수를 조절하며, 회전테이블의 측면에는 회전수(rpm) 미터(예를 들면 DT-2235A)(141)를 부착하여 회전테이블의 회전수를 모니터링한다. 회전테이블의 중심에는 유체 용기가 부착되어 있으며, 회전 중심부에서 떨어진 거리(원판 반경)에 따라 다양한 속도가 용기 내에 존재한다. 유체의 속도도 모터의 회전속도가 일정하면 일정하게 유지될 뿐만 아니라, 이송 방향의 전환 없이 정해진 한 방향으로만 움직이기 때문에 방향 전환 시마다 발생하는 용기 속 유체의 진동 현상도 소멸된다. 도 2는 도 1a에 표시한 장치의 각부 치수의 일례를 나타낸 것이나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다. 임의의 위치에서의 유속은 다음과 같은 수학식 3으로 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
원하는 용기의 위치에 열선 센서를 위치시키면 센서는 일정한 속도를 경험하게 된다. 원판의 외부에 부착된 rpm 미터를 이용하면 유체 속도를 정확히 환산할 수 있다. 따라서 회전원판을 이용한 나노유체 속도발생 장치에서는 이전 출원특허에서 문제가 되었던 유속의 정밀도와 진동문제를 근본적으로 해결할 수 있다.
또한, 지금까지의 연구에서는 백금선과 같이 직경이 수십 ㎛ 수준으로 매우 얇은 열선 형태의 발열체를 사용하여 대류열전달계수 측정 장치를 제작하였으나, 그 직경이 매우 작아서 유체의 흐름을 불규칙하게 만들 수 없어 Re 수가 높은 난류 조건을 형성하지 못하였다.
본 발명에서는 열선 센서 및 발열체로서 가는 열선 대신에 써미스터(thermister) 또는 여러 가닥의 열선을 꼰 형태와 같은 대면적 열선을 사용하였다. 써미스터의 경우, 온도가 올라가면 저항이 감소하고, 냉각되어 온도가 떨어지면 저항이 증가하는 특징을 가진다. 즉, 써미스터는 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 타입이다. 써미스터의 온도 저항 관계식은 다음 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure pat00004
상기 식에서 Rth는 써미스터 센서가 가지는 저항이고, R0는 기준 온도에서의 써미스터 저항, Tth는 해당 온도(측정 온도), T0는 기준 온도(예를 들면, 25 ℃), B는 써미스터 상수이다. 수학식 4를 통하여 알 수 있듯이 써미스터의 저항은 온도의 상승에 따라서 급격히 감소한다. 써미스터의 공칭 직경은 대략 2 내지 10 mm 이므로, Re는 아래 수학식 5와 같이 계산된다.
[수학식 5]
Figure pat00005
이와 같이 하여, 가느다란 열선을 사용한 경우보다 대략 180배(이전 Re=0.1, 현재 Re=18) 이상 높은 Re 수에서의 데이터 비교가 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 써미스터의 직경을 조절하여, 나노유체의 측정 가능한 유동조건을 10≤Re≤50의 난류 범위로 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 써미스터와 같은 대면적 센서에 전류를 흘리고 전압을 측정하기 위해 도 3의 회로를 개시한다. 도 3은 고정 저항 Rs와 써미스터 Rth가 직렬로 연결된 회로를 나타낸다. Vs는 정전압 직류전원으로, 고정 저항과 써미스터는 이 전압을 분할하는 기능을 가진다. 도 3에서 숫자 1, 2는 써미스터 센서의 단자를 의미한다. 일정한 작동 조건 하에서 만약 대류열전달계수가 증가하면 써미스터가 냉각되고, 온도가 낮아지므로 저항은 증가한다.
저항이 증가되면 써미스터에 걸리는 전압 Vth가 증가하게 된다. 반대로 대류열전달계수가 감소하면 써미스터가 가열되고, 온도가 상승하므로 저항은 감소한다. 써미스터의 온도는 다음과 같은 3개의 수학식 6 내지 8에 의하여 결정된다.
[수학식 6] 써미스터 센서 주위 대류열전달 관계식
Figure pat00006
[수학식 7] 써미스터 온도저항 관계식
Figure pat00007
[수학식 8] 직렬회로에서 동일한 전류조건
Figure pat00008
수학식 8에서 알려진 Vs, Rs에 대하여 Vth를 측정하면 Rth를 알 수 있다. Rth가 구해지면 수학식 7을 통하여 Tth를 알 수 있고, 수학식 6을 통하여 대류열전달계수(Convection heat transfer coefficient) h를 계산할 수 있다. 나노유체의 h 값이 순수 유체의 h 값보다 높다면 나노유체의 대류열전달 성능이 향상되었다고 판단할 수 있다. 수학식 6에서, A는 상수이고, Tf는 열선 주위를 둘러싸고 있는 유체의 온도이다.
한편, 열선 주위를 감싸는 유체의 유속이 일정하거나 정지해 있을 때, 이 열선에 일정한 전류를 흘리면 외부로의 대류열전달과 자체 발열이 균형을 이루는 조건에서 열선의 온도가 결정되고 일정하게 유지된다. 그러나 만약 유체의 유속이 증가하면 대류열전달이 증가하게 되고 열선의 온도는 낮아지게 된다. 다시 이 열선의 온도를 처음의 상태로 되돌리려면 열선에 가하는 전압(전류)을 증가시켜 발열량을 증가시켜야 한다. 이와 반대로 유체의 유속이 감소하면 대류열전달량이 감소하고 열선의 온도는 증가하게 될 것이다. 열선의 온도를 처음 상태로 되돌리려면 열선에 가하는 전압을 낮추어서 흐르는 가열 전류를 줄여야 한다. 따라서 열선 발열체의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 특정한 제어회로가 필요하다.
본 발명에서는 이를 위해, 예를 들면, 정온도 열선 유지회로를 이용하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치 중, 일례로, 정온도 증폭기에서 열선센서가 포함된 브릿지의 좌측부분을 나타낸 회로도이다.
도 4에서, 브릿지 상단 전압 VT와 열선전압 VW를 기록한다면, 대류열전달계수를 환산할 수 있다. 도 4에서 RT는 고정저항이고, RW는 열선의 저항이다.
이와 같이, 정온도 열선 유지회로는 휘스톤브릿지(Wheatstone bridge)와 증폭기로 구성되며, 이 두 부분이 부귀환 제어회로(negative feedback control unit)를 이루도록 연결되어 있다. 열선은 온도에 따라 그 저항이 수학식 9와 같이 선형적으로 변한다.
[수학식 9]
Figure pat00009
RW는 동작 저항이고 R0는 0 ℃에서의 저항이다. α는 온도저항계수이며 백금선의 경우, 0.0039092/℃이다. 브릿지는 4개의 저항으로 구성되는데, R1, R2, Rp는 고정저항이고 RW는 수학식 9에서 설명한 바와 같이 온도에 따라 저항이 변한다. RP는 표면에 눈금(dial)을 가지고 있어서 0에서 1k까지 저항을 바꿀 수 있는데 한번 설정하면 고정저항으로 동작한다. 브릿지 상단에 가해진 전압 Eb는 4개의 저항에 의해 분할되어 다음 수학식 10과 같이 E1과 E2로 표시된다.
[수학식 10]
Figure pat00010
부귀환 제어회로의 기능은 증폭기에 입력되는 이 두 전압의 차이가 0이 되도록 Eb를 조절하는 것이다. 이에 따라 RW가 조절되어 수학식 10과 같아진다. E1과 E2가 같으면 브릿지가 균형을 이루었다고 말하고 다음의 수학식 11을 얻게 된다.
[수학식 11]
Figure pat00011
열선을 둘러싸고 있는 유체의 유속조건이 변화하면 TW가 변하고 수학식 11에 따라 RW가 변한다. 이 때 수학식 10에서 RW를 제외한 나머지 저항들은 모두 고정저항이므로 E1과 E2 사이에 차이가 발생하여 직류증폭기에 전달되는 전압은 (+) 또는 (-)가 될 것이다. 예를 들어 균형을 이루고 있던 열선 주위의 유체의 유속이 증가하면 대류열전달계수가 증가하고 열선은 순간적으로 냉각된다. 이것은 열선온도 TW가 감소되는 것을 의미하고 수학식 9에 따라 RW도 감소하게 된다. RW의 감소는 수학식 10에서 E1이 E2와 비교하여 순간적으로 작아지는 것을 의미하며 증폭기의 이득(gain)을 G라고 할 때 아래의 수학식 12와 같이 출력 Eb가 증가하는 효과로 나타난다.
[수학식 12]
Figure pat00012
증가된 Eb에 의하여 열선에는 더 많은 가열전류가 흐르게 되므로 열선의 온도는 증가하게 된다. 즉, 유체 유속의 증가로 냉각되어 낮아진 열선의 온도가 다시 증가되도록 부귀환 제어회로가 작동하고 열선은 다시 처음 온도로 돌아간다. 만약 순수유체와 나노(혼합)유체의 대류열전달 성능이 다르다면 동일한 유동조건 아래에서 열선을 동일한 온도로 유지시키기 위하여 필요한 전력량이 다르게 될 것이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 열선을 이용한 회전원판 방식 유체 대류열전달계수 측정 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 용기 110; 열선센서
120; 회전원판 121; 회전 테이블
130,131; 모터

Claims (10)

  1. 나노유체를 수용하는 용기;
    상기 용기 위에 위치하며, 상기 용기의 중심을 기준으로 회전 가능한 회전원판; 및
    상기 회전원판에 설치되어, 상기 회전원판의 반경 방향으로 이동 가능한 열선센서를 포함하고,
    상기 열선센서를 상기 나노유체에 담군 상태에서, 상기 열선센서의 상기 반경 방향 위치를 결정한 후, 상기 회전원판을 미리 정해진 속도로 회전시키면서, 상기 열선센서를 통하여 상기 나노 유체에 열을 공급하는 동시에 상기 나노 유체의 대류 열전달계수를 측정함을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전원판의 속도는 시간에 따라 일정한 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노유체의 측정 가능한 유동조건은 10≤레이놀즈 수(Re 수)≤50의 난류 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열선센서에는 정온도유지회로, 정전류유지회로 또는 정전압유지회로가 연결된 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전원판은 상기 회전원판의 직경보다 큰 직경을 갖는 회전 테이블에 결합되고,
    상기 회전 테이블은 제1모터에 결합되어 회전되고,
    상기 회전 테이블의 일측에는 회전수 미터가 설치되어, 상기 회전 테이블의 회전수가 제어됨을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전원판에는 상기 회전원판의 반경 방향으로 열선센서를 이동시키기 위한 이동 부재가 설치되고, 상기 이동 부재는
    웜 기어를 갖는 제2모터; 및
    상기 웜 기어에 결합된 웜을 포함하고,
    상기 웜에 상기 열선센서가 결합된 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열선센서는 상기 회전원판의 반경 방향을 따라 다수개가 설치된 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열선센서는 고정 저항 Rs; 및
    상기 고정 저항 Rs에 직렬로 연결된 써미스터 저항 Rth를 포함하고,
    상기 고정 저항 Rs가 정전압 직류전원 Vs에 연결되며, 상기 써미스터 저항 Rth에 인가되는 전압 Vth가 측정되어 유체 대류열전달계수가 계산됨을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 써미스터 저항 Rth는 NTC(Negative temperature coefficient) 소자인 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 써미스터 저항 Rth는 두께가 1 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 유체 대류열전달계수 측정 장치.
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