KR20160107983A - 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20160107983A
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백상우
김태균
백승옥
이동혁
조남규
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 압전소자 및 유체 유동 통로를 포함하는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치를 사용하면, 초음파 발생을 통해 관내 유동의 열전도율을 향상 시킬 수 있고, 초음파 발생기를 부착 시킬 수 있는 전반적인 열 교환기에 활용 할 수 있다. 또한, 열 교환기의 소형화 또는 경량화가 가능할 수 있다.

Description

압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ENHANCING HEAT CONDUCTIVITY USING PIEZOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전소자를 이용하여 발생된 초음파를 통해 관내 유동의 열전도율을 향상 시키는 열 전도율 향상 장치 및 방법에 관한 것이다.
초음파는 음파의 종류 중에서, 사람의 귀로 들을 수 없는 높은 주파수 영역을 말한다. 초음파는 일반적으로 압전 효과(Piezoelectric Effect)에 의하여 발생된다. 압전 효과는 물체에 힘을 가하여 신축시킨 순간에 전압을 일으키고, 역으로 물체에 높은 전압을 가했을 때 신축하는 성질을 말한다. 다시 말하면, 압전성 물질의 판 양면에 크기가 같고 방향이 반대인 전하를 교대로 걸어주면, 그 물질이 수축과 팽창을 반복하게 되고, 전기에너지를 기계에너지로 변환시킨다. 이로 인해 초음파가 발생될 수 있다. 이러한 초음파를 활용한 기술들은 컷팅(cutting) 기술, 용접 및 세척분야에서는 그 활용도가 높고 그 우수성이 인정되고 있지만, 열전달 향상에 대한 분야의 연구는 아직 미비한 수준이다.
현재 사용하는 대부분의 열 교환 시스템은 열 교환 효과를 높이기 위해 열전도율이 높은 고체 물질을 열 경계층으로 사용, 물질의 특성인 끓는점과 어는점을 활용하여 각 시스템에 맞는 액체 물질을 선택하여 사용 또는 유체의 속도를 높이는 방법 등을 사용하고 있다.
종래의 유체의 속도를 높이는 방법을 통한 열 교환 시스템은 목표로 하는 열 교환율의 달성을 위해 보다 많은 양의 냉각수를 사용해야 한다는 문제점을 내포하고 있다. 또한, 유체의 속도를 너무 많이 높이면 유체가 없는 빈 공간인 공동이 생기는 공동현상(cavitation) 등이 발생할 수 있다는 점에서 속도를 높임으로써 열전도율을 높이는 것만으로는 한계가 있다.
열 전달 향상 방법으로는 크게 핀 가공이나 확관, 열 교환기의 회로 변경 들을 통한 수동적인 열 전달 향상 방법과 전기장(Electric field), 자기장(Magnetic field), 초음파(Ultrasonic), 진동(Vibration) 등의 외부동력을 이용하는 능동적 열 전달 향상방법이 있는데, 수동적 열 전달 향상방법은 기계적인 가공의 어려움과 획기적인 열 전달 향상을 기대하기 어려우므로, 최근에는 수동적 열 전달 향상방법과 더불어 능동적 열 전달 향상방법을 함께 적용시키는 복합 열 전달 촉진 연구도 활발히 진행되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치는 이러한 문제점을 해결하고, 초음파 발생을 통해 관내 유동의 열전도율을 향상 시킬 수 있고, 초음파 발생기를 부착할 수 있는 전반적인 열 교환기에 활용 할 수 있다. 또한, 초음파 발생기를 소형으로 제작하여 설치함으로써 열 교환기의 소형화 또는 경량화를 달성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치는 적어도 하나의 압전소자 및 직선 형태의 제 1 구간 및 곡선 형태의 제 2 구간을 포함하는 유체 유동 통로를 포함하고, 유체 유동 통로는, 제 1 구간에서의 난류 생성을 촉진하기 위하여 제 1 구간의 소정의 영역에 설치된 제 1 진동생성부 및 제 1 구간과 연결된 제 2 구간에서의 난류 생성을 촉진하기 위하여 제 2 구간의 소정의 영역에 설치된 제 2 진동생성부를 포함할 수 있다.
또한, 유체 유동 통로는 U자 형태의 파이프일 수 있다.
또한, 제 1 진동생성부가 설치되는 제 1 구간의 소정의 영역은, 제 1 구간의 중앙 영역이고, 제 1 진동생성부는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자를 포함하며, 제 1 구간 내에서 제 1 압전소자와 제 2 압전소자는 상호 대향하여 설치될 수 있다.
또한, 제 2 진동생성부가 설치되는 제 2 구간의 소정의 영역은, 제 2 구간의 유체 유입 영역이고, 제 2 진동생성부는 제 3 압전소자를 포함할 수 있다.
또한, 제 2 구간의 만곡에 의하여 유체에 대하여 2차 유동 및 유동 정체 구간이 발생 가능하고, 2차 유동 및 유동 정체 구간에 대하여 제 3 압전소자에 의하여 생성된 파동으로 인하여 난류 생성이 촉진될 수 있다.
또한, 제 1 압전소자, 제 2 압전소자 및 제 3 압전소자는 박막 바(bar) 형태로 제작 가능하고, 열 경계층에 대하여 수평 방향으로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법은, 직선 형태의 제 1 구간 및 곡선 형태의 제 2 구간을 포함하는 유체 유동 통로로 유입된 유체에 대하여, 제 1 구간에서의 난류를 생성하기 위하여 제 1 구간의 소정의 영역에 설치된 제 1 진동생성부를 구동시키는 단계 및 제 1 구간과 연결된 제 2 구간에서의 난류를 생성하기 위하여 제 2 구간의 소정의 영역에 설치된 제 2 진동생성부를 구동시키는 단계를 포함하고, 유체 유동 통로는 U자 형태의 파이프일 수 있다.
또한, 제 1 진동생성부가 설치되는 제 1 구간의 소정의 영역은, 제 1 구간의 중앙 영역이고, 제 1 진동생성부는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자를 포함하며, 제 1 구간 내에서 제 1 압전소자와 제 2 압전소자는 상호 대향하여 설치될 수 있다.
또한, 제 2 진동생성부가 설치되는 제 2 구간의 소정의 영역은, 제 2 구간의 유체 유입 영역이고, 제 2 진동생성부는 제 3 압전소자를 포함하며, 제 2 구간의 만곡에 의하여 유체에 대하여 2차 유동 및 유동 정체 구간이 발생 가능하고, 2차 유동 및 유동 정체 구간에 대하여 제 3 압전소자에 의하여 생성된 파동으로 인하여 난류 생성이 촉진될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예로써, 전술한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 전도율 향상 장치를 사용하면, 초음파 발생을 통해 관내 유동의 열전도율을 향상 시킬 수 있고, 초음파 발생기를 부착할 수 있는 전반적인 열 교환기에 활용 할 수 있다. 또한, 초음파 발생기를 소형으로 제작하여 설치함으로써 열 교환기의 소형화 또는 경량화를 달성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치는 관내 유동에 의한 열을 교환하는 열 교환 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 자동차 엔진 냉각시스템에서 피스톤 운동에 의해 발생한 엔진 열을 냉각수를 통해 식히는 워터재킷 부분 또는 가열된 냉각수를 핀을 통해 식히는 라디에이터 부분, 보일러의 배관 속 물을 가열 시키는 부분 또는 방바닥 쪽에 연결 된 방안을 난방 시키는 배관부분 등의 각종 관내 유동에 의해 열 교환을 하는 기기에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 유체의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 유동 통로의 제 1 구간 부분 내부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 유동 통로의 제 2 구간 내부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
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.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자 등을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치의 개략도이다.
초음파에 의한 열전도율 향상 원리는 초음파 진동에 의해 음향흐름(Acoustic streaming)이 난류를 촉진시킴으로써 열 경계층(Thermal boundary layer)을 교란시켜서 열 전도율을 향상시키는 것이다. 다시 말해서, 초음파에 의한 열 전달 향상의 원리는 초음파 진동에 의한 공동현상(Cavitation)과 음향흐름이 열 경계층을 교란시켜서 열 전달을 향상시키는 것이다. 첫째로 초음파 진동에 의하여 국부적으로 압력이 매우 높아졌다가 낮아지면서 공동현상(Cavitation)이 발생하였다가 사라지는 현상이 나타나는데, 이 때 공동(Cavity) 생성 소멸로 인해 주변에 액체의 대류(Jet)가 일어나 유체 내부의 혼합을 촉진하고, 유속이 거의 0에 가까운 열 경계층 부근의 유체에 흐름이 생기도록 하여 열전도율을 향상시키는 것이다. 공동현상을 일으키지 않는 영역의 주파수를 가해줄 경우, 고주파수의 특징인 직진성과 침투력이 강하게 작용함으로 큰 범위의 유체내부에서 원하는 방향으로 열 경계층 부근의 유체에 파동을 전달하여 음향흐름(Acoustic streaming)이 발생하고 궁극적으로 난류를 발생시켜 열전도율을 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치는 적어도 하나의 압전소자(211, 213 또는 311) 및 직선 형태의 제 1 구간(200) 및 곡선 형태의 제 2 구간(300)을 포함하는 유체 유동 통로(100)를 포함하고, 유체 유동 통로(100)는, 제 1 구간(200)에서의 난류 생성을 촉진하기 위하여 제 1 구간(200)의 소정의 영역에 설치된 제 1 진동생성부(210) 및 제 1 구간(200)과 연결된 제 2 구간(300)에서의 난류 생성을 촉진하기 위하여 제 2 구간(300)의 소정의 영역에 설치된 제 2 진동생성부(310)를 포함할 수 있다.
또한, 압전소자(211, 213 또는 311)는 압력을 가했을 때 전위차가 발생되고 반대로 전위차가 인가되면 물리적 변위가 생기는 원리를 이용할 수 있는 물질로, 예를 들어 단결정 세라믹스(Singlecrystal Ceramics), 다결정 세라믹스(Polycrystal Ceramics), 고분자 소재, 박막소재 또는 다결정 세라믹스와와 고분자 소재를 복합한 복합소재를 포함할 수 있다.
또한, 단결정 세라믹스는 좁은 공진주파수 대역과 매우 작은 온도계수를 가질 수 있으며, 예를 들어 α-AlPO4(인산알루미늄, Aluminium Phosphate ,Berlnite), α-SiO2(석영, Quartz), LiTiO3(티탄산 리튬, Lithium Titanate), LiNbO3(나이오븀산 리튬, Lithium Niobate), SrxBayNb2O8(나이오븀산 스트론튬 바륨, Strontium Barium Niobate, SBN), Pb5-Ge3O11(게르마늄산 납, Plumbum Germanate), Tb2(MoO4)3 (몰리브덴산 터븀, Terbium Molybdate), Li2B4O7(붕산 리튬, Lithium Borate), CdS(황화카드뮴, Cadmium Sulfide), ZnO(산화 아연, Zinc Oxide), Bi12SiO20(규소산 비스무트, Bismuth silicate) 또는 Bi12GeO20(게르마늄산 비스무트, Bismuth Germanate)를 포함할 수 있다.
또한, 다결정 세라믹스는 우수한 압전특성을 가질 수 있으며, 예를 들어 PZT(티탄산 지르콘산 납, Plumbum Zirconate Titanate)계, PT(티탄산 납, Plumbum Titanate)계, PZT-Complex Perovskite계 또는 BaTiO3(티탄산 바륨, Barium Titanate)를 포함할 수 있다.
또한, 고분자 소재는 예를 들어 PVDF(폴리플루오린화비닐리덴, Poly VinyliDenediFluoride), P(VDF-TrFe), P(VDFTeFE) 또는 TGS(황산 트리글리신, Triglycine Sulfate)를 포함할 수 있다.
또한, 박막 소재는 예를 들어 ZnO(산화 아연, Zinc Oxide), CdS(황화카드뮴, Cadmium Sulfide) 또는 AlN(질화 알루미늄, Aluminium Nitride)를 포함할 수 있다.
또한, 복합소재는 예를 들어 PZT-PVDF, PZT-실리콘 고무(PZT-Silicon Rubber), PZT-에폭시(PZT-Epoxy), PZT-발포 폴리머(PZT-Foaming Polymer) 또한 PZT-발포 우레탄(PZT-Foaming Urethane)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 전도율 향상 장치는 초음파 진동에 의한 공동현상과 음향흐름에 의하여 열 경계층을 교란시켜서 열 전달이 향상되도록 할 수 있다. 유체 유동 통로(100)의 압전소자가 공동현상을 일으키지 않는 영역의 고주파수대 초음파를 발생시킬 경우, 고주파수의 특징인 직진성과 침투력이 강하게 작용하여 큰 범위의 유체 내부에서 원하는 방향으로 열 경계층 부근의 유체에 파동을 전달할 수 있다. 따라서 유체 유동 통로(100)내에서 음향흐름(acoustic streaming)이 발생하고 궁극적으로 난류를 발생시켜 열 전도율을 향상 시킬 수 있다.
명세서 전체에서 "열 경계층"은 벽과 유체 사이에 전열이 진행될 때, 벽의 온도로부터 유체의 온도에 이를 때까지 온도가 변하게 되고, 이 때 벽에 잇닿아 있는 유체의 층을 의미할 수 있다.
또한, 압전소자를 이용한 전도율 향상 장치는 예를 들어 초음파 진동세기 또는 주파수 등을 실시간으로 조절하여 열전도율을 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 제 1 진동생성부(210), 제 2 진동생성부(310) 및 적어도 하나의 압전소자(211, 213 또는 311)와 연결되어 있을 수 있다.
또한, 유체 유동 통로(100)는 U자 형태의 파이프(pipe)일 수 있다.
또한, 제 1 진동생성부(210)가 설치되는 제 1 구간(200)의 소정의 영역은, 제 1 구간(200)의 중앙 영역(C)일 수 있고, 제 1 진동생성부(210)는 제 1 압전소자(211)와 제 2 압전소자(213)를 포함하며, 제 1 구간(200) 내에서 제 1 압전소자(211)와 제 2 압전소자(213)는 상호 대향하여 설치될 수 있다. 제 1 구간(200)의 중앙 영역(C)에 제 1 진동생성부(210)를 설치함으로 인해 제 1 구간(200) 내의 모든 영역에 초음파에 의한 파동이 전달 될 수 있다.
또한, 제 1 압전소자(211)와 제 2 압전소자(213)는 상호 대향하여 설치됨으로 인해, 제 1 구간(200)의 중앙 영역(C)에서 열 경계 층에 대한 수직방향으로 향하는 파동은 반대편 파동과 만나 상쇄될 수 있다. 결국 중앙 영역(C)의 유체 흐름에서 파동의 영향은 미치지 않고, 열 경계층 부분에만 파동이 전달되어 진동을 줌으로써 유체의 흐름을 만들어 열 전도율을 향상 시킬 수 있다.
또한, 제 2 진동생성부(310)가 설치되는 제 2 구간(300)의 소정의 영역은, 제 2 구간(300)의 유체 유입 영역이고, 제 2 진동생성부(310)는 제 3 압전소자(311)를 포함할 수 있다. 다시 말해서 제 2 진동생성부(310)는 유체 유입 영역에 설치될 수 있고, 이러한 제 2 진동생성부(310)는 적어도 하나의 압전소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에서와 같이, 제 2 진동생성부(310)에는 제 3 압전소자(311)만이 설치될 수 있거나 또다른 압전소자가 추가적으로 설치될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 유체의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제 2 구간(300)의 만곡에 의하여 유체에 대하여 2차 유동 및 유동 정체 구간이 발생 가능하고, 2차 유동 및 유동 정체 구간에 대하여 제 3 압전소자(311)에 의하여 생성된 파동으로 인하여 난류 생성이 촉진될 수 있다. 다시 말해서, 제 2 구간(300)의 열 경계층에 파동을 전달하여 유체의 흐름을 만들고, 2차 유동 및 유동 정체 구간에 에너지(energy)를 전달하여 제 2 구간(300)의 전반적인 난류 생성을 촉진시킬 수 있어 열 전도율을 향상 시킬 수 있다.
대부분의 관내 유동은 난류운동을 한다. 난류가 많이 발생하면 관내의 손실률이 올라간다. 다시 말해서 관내의 열전도율이 향상되는 것이다. 도 2의 제 1 구간(200)에서 나타나는 유체 흐름의 분포는 유체 중심부는 유체가 가지는 최고 속력으로 이동하지만, 열 경계층 부분의 유체는 관 내벽의 마찰계수 또는 유체가 가지는 점성 등 다양한 요소에 의해 유체 속도가 거의 0에 가깝게 나타난다. 열 경계층의 유체의 흐름이 있어야 열전도율 향상에 도움을 줄 수 있다. 제 2 구간(300) 에서는 바깥쪽과 안쪽 관의 단면적의 변화가 일어남으로 인해 도 2에서와 같이 높은 압력 영역에서 낮은 압력 영역으로의 압력 차이가 형성되고 높은 압력에서 낮은 압력으로 흐르는 유동에 의해 생성되는 2차 유동이 발생할 수 있다. 도 2의 유동 정체 구간은 제 2 구간(300)의 꺾이는 부분에서 발생되는 영역으로 유체의 흐름이 거의 없는 부분이다. 열 전도율 향상을 위해서는 이러한 2차 유동을 지속하여 난류를 발생시켜야 하고, 유동 정체 구간의 유동을 발생시켜야 하는데, 이를 위해서는 유동 정체 구간에 에너지를 지속적으로 전달해 주어야 한다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서와 같이 제 2 구간(300)에 설치된 제 3 압전소자(311)에 의하여 생성된 초음파의 파동으로 인하여 난류 생성을 촉진할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 유동 통로(100)의 제 1 구간(200) 부분 내부를 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 유동 통로(100)의 제 2 구간(300) 내부를 설명하기 위한 도면이다.
또한, 제 1 압전소자(211), 제 2 압전소자(213) 및 제 3 압전소자(311)는 박막 바(bar) 형태로 제작 가능하고, 열 경계층에 대하여 수평 방향으로 설치될 수 있다. 박막 바(bar)형태는 제 1 구간 또는 제 2 구간에 압전소자를 설치하였을 때 유체의 흐름에 방해하는 것을 방지 할 수 있다.
또한, 제 1 압전소자, 제 2 압전소자 및 제 3 압전소자는 초음파 발생기로 지칭될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발생기는 공동현상 발생이 적으면서 파동의 침투력 또는 직진성을 높이기 위해 예를 들면 40kHz 내지 100kHz의 주파수를 발생시킬 수 있다. 초음파는 주파수에 따라 그 특성이 달라지는데, 단주파수(예를 들어 25 내지 40kHz 정도)는 공동현상(Cavitation)이 많이 생성되지만, 파동의 침투력은 약하며 파동이 회절이 강하고 정재파가 강력하게 작용한다. 정재파는 반사가 있는 선로상에서 전압 또는 전류는 입사파와 반사파의 합성한 파가 되고, 이 입사파와 반사파의 위상이 적당한 경우 선로상의 일정한 장소에 전압 또는 전류의 극대값 또는 극소값이 나타날 때 파장을 의미한다. 초음파 발생기 제작 시 단주파수를 발생시키는 장치일수록 그 크기가 커질 수 있다. 예를 들면, 대략 길이가 50mm~100mm일 수 있고, 주파수가 작을수록 크기가 더 커질 수 있다. 반면, 고주파수(예를 들어 50 내지 500kHz 정도)는 공동현상이 상대적으로 적고, 파동의 침투력은 강하다. 또한, 파동이 회절하기 보다는 직진성이 강하고, 정재파가 약하게 작용한다. 초음파 발생기 제작 시 고주파수를 발생시키는 장치일수록 그 크기가 작아질 수 있다. 예를 들면, 대략 길이가 20mm~50mm일 수 있고, 사용자의 제작 의도에 따라 더 작게도 제작될 수 있다. 물론 초음파 발생기 제작은 장착될 위치나 형상에 따라 다양한 크기나 모양으로 제작될 수 있다.
전술한 설명은 예시적인 것으로, 관내 유체 흐름을 최대한 방해하지 않으면서도 열 전도율 향상을 위한 난류 발생을 촉진하기 위하여 초음파 발생 주파수, 주파수 발생 방향, 초음파 발생기의 형상, 설치 위치를 다양하게 구현할 수 있다.
예를 들어, 초음파 발생기는 바람직하게는 공동현상 발생이 상대적으로 적으면서도, 파동의 침투력이나 직진성이 높고, 소형으로 제작이 가능한 60kHz 내지 80kHz 수준의 고주파 발생기로 제작할 수 있다. 또한, 발생기 제작 시 형태는 관내에 설치 시 최대한 유체의 흐름에 방해가 되지 않도록 길고 납작 형태인 얇은 막대 형태로 관 내벽 규격에 맞추어 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법은, 직선 형태의 제 1 구간(200) 및 곡선 형태의 제 2 구간(300)을 포함하는 유체 유동 통로(100)로 유입된 유체에 대하여, 제 1 구간(200)에서의 난류를 생성하기 위하여 제 1 구간(200)의 소정의 영역에 설치된 제 1 진동생성부(210)를 구동시키는 단계(S100) 및 제 1 구간(200)과 연결된 제 2 구간(300)에서의 난류를 생성하기 위하여 제 2 구간(300)의 소정의 영역에 설치된 제 2 진동생성부(310)를 구동시키는 단계(S200)를 포함할 수 있다. 유체 유동 통로(100)는 U자 형태의 파이프일 수 있다.
또한, 제 1 진동생성부(210)가 설치되는 제 1 구간(200)의 소정의 영역은, 제 1 구간(200)의 중앙 영역(C)이고, 제 1 진동생성부(210)는 제 1 압전소자(211)와 제 2 압전소자(213)를 포함하며, 제 1 구간(200) 내에서 제 1 압전소자(211)와 제 2 압전소자(213)는 상호 대향하여 설치될 수 있다.
또한, 제 2 진동생성부(310)가 설치되는 제 2 구간(300)의 소정의 영역은, 제 2 구간(300)의 유체 유입 영역이고, 제 2 진동생성부(310)는 제 3 압전소자(311)를 포함하며, 제 2 구간(300)의 만곡에 의하여 유체에 대하여 2차 유동 및 유동 정체 구간이 발생 가능하고, 2차 유동 및 유동 정체 구간에 대하여 제 3 압전소자(311)에 의하여 생성된 파동으로 인하여 난류 생성이 촉진될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법과 관련하여서는 전술한 장치에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 방법과 관련하여, 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
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.
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.
100: 유체 유동 통로
200: 제 1 구간
210: 제 1 진동생성부
211: 제 1 압전소자
213: 제 2 압전소자
300: 제 2 구간
310: 제 2 진동생성부
311: 제 3 압전소자

Claims (10)

  1. 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치에 있어서,
    적어도 하나의 압전소자; 및
    직선 형태의 제 1 구간 및 곡선 형태의 제 2 구간을 포함하는 유체 유동 통로를 포함하고,
    상기 유체 유동 통로는,
    상기 제 1 구간에서의 난류 생성을 촉진하기 위하여 상기 제 1 구간의 소정의 영역에 설치된 제 1 진동생성부; 및
    상기 제 1 구간과 연결된 상기 제 2 구간에서의 난류 생성을 촉진하기 위하여 상기 제 2 구간의 소정의 영역에 설치된 제 2 진동생성부를 포함하는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 유동 통로는 U자 형태의 파이프인 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 진동생성부가 설치되는 상기 제 1 구간의 소정의 영역은, 상기 제 1 구간의 중앙 영역이고, 상기 제 1 진동생성부는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자를 포함하며, 상기 제 1 구간 내에서 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자는 상호 대향하여 설치되는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 진동생성부가 설치되는 상기 제 2 구간의 소정의 영역은, 상기 제 2 구간의 유체 유입 영역이고, 상기 제 2 진동생성부는 제 3 압전소자를 포함하는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 구간의 만곡에 의하여 상기 유체에 대하여 2차 유동 및 유동 정체 구간이 발생 가능하고, 상기 2차 유동 및 상기 유동 정체 구간에 대하여 상기 제 3 압전소자에 의하여 생성된 파동으로 인하여 난류 생성이 촉진되는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 압전소자, 상기 제 2 압전소자 및 상기 제 3 압전소자는 박막 바(bar) 형태로 제작 가능하고, 상기 열 경계층에 대하여 수평 방향으로 설치되는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 장치.
  7. 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법에 있어서,
    직선 형태의 제 1 구간 및 곡선 형태의 제 2 구간을 포함하는 유체 유동 통로로 유입된 유체에 대하여, 상기 제 1 구간에서의 난류를 생성하기 위하여 상기 제 1 구간의 소정의 영역에 설치된 제 1 진동생성부를 구동시키는 단계; 및
    상기 제 1 구간과 연결된 상기 제 2 구간에서의 난류를 생성하기 위하여 상기 제 2 구간의 소정의 영역에 설치된 제 2 진동생성부를 구동시키는 단계를 포함하고,
    상기 유체 유동 통로는 U자 형태의 파이프인 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 진동생성부가 설치되는 상기 제 1 구간의 소정의 영역은, 상기 제 1 구간의 중앙 영역이고, 상기 제 1 진동생성부는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자를 포함하며, 상기 제 1 구간 내에서 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자는 상호 대향하여 설치되는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 진동생성부가 설치되는 상기 제 2 구간의 소정의 영역은, 상기 제 2 구간의 유체 유입 영역이고, 상기 제 2 진동생성부는 제 3 압전소자를 포함하며,
    상기 제 2 구간의 만곡에 의하여 상기 유체에 대하여 2차 유동 및 유동 정체 구간이 발생 가능하고, 상기 2차 유동 및 상기 유동 정체 구간에 대하여 상기 제 3 압전소자에 의하여 생성된 파동으로 인하여 난류 생성이 촉진되는 압전소자를 이용한 열 전도율 향상 방법.
  10. 제 7 항의 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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