밀리 구조 및 마이크로 모세관 구조를 통한 풀비등 임계열유속 증진 메커니즘 규명

Abstract

Critical heat flux (CHF) can be increased by using surface structures to change hydrodynamic behavior. Scale separation can be used to categorize boiling-related-phenomena according to the length scale from nanometer to meter. Previous CHF studies can be categorized into macro-hydrodynamics and micro-hydrodynamics. Macro-hydrodynamics focuses on a region more than a millimeter from the heating surface, and predicts CHF with respect to the liquid supply from the bulk to the surface. In this perspective, interfacial dynamics of vapor jets and paths for liquid supply are major interests. Micro-hydrodynamics considers the region within one millimeter from a surface, and is mainly concerned with liquid spreading behavior when the coolant touches the surface. Microstructures on a heating surface can result in liquid wicking through the surface by capillary pressure, and micro-hydrodynamics predicts CHF by observing liquid wicking amount. Active studies on the prediction and increase of CHF have been conducted in macro- or micro-hydrodynamics, but no comprehensive study has considers both macro- and micro-hydrodynamics to evaluate and increase CHF. This study identifies structures that can control both macro- and micro-hydrodynamics then uses those structures to investigate the mechanism that triggers CHF. To control macro-hydrodynamics, 20 mm tall 2D capillary arteries perpendicular to the heating surface were created using wickable fibers at the sides of the arteries; these structures drag coolant from the bulk to the heating surface. To control micro-hydrodynamics, 20 μm tall microstructures were prepared by changing their geometries. CHF results were inversely proportional to the square root of pitch between arteries; the absolute values differed from the geometry of microstructures on the heating surface. Increase of CHF could be explained by a correlation that considers both macro- and micro-hydrodynamics. CHF saturated on dense arteries, and at values that depended on the micro-scale structures. This study provides useful insights into combined hydrodynamics, and can contribute to increase the safety margin of cooling systems that have high energy density, such as a power plant, integrated electric circuit, and spacecraft. In addition, fiber-based arteries are economical but effective way to secure safety margin.

비등은 액체에서 기체로의 급격한 상변화 현상을 의미하며, 이 때 기화열의 형태로 많은 양의 열이 수반되기 때문에 유체와 접한 표면에서 급격한 냉각이 발생된다. 비등에 의한 열전달은 최대 수 MW/m2 정도의 고열유속이 발생하므로 원자력 발전소, 고집적 전자기기 냉각, 항공산업, 군수산업 등 고밀도의 에너지를 활용하는 분야의 냉각 장치로의 적용을 주목 받고 있다. 표면에서 공급되는 열유속이 증가하면 많은 양의 비등이 발생하며 효율적인 냉각이 일어난다. 하지만 열유속이 임계열유속이라 불리는 임계치를 넘어가면 모든 표면이 기포로 덮이며 주변 액체가 표면에 접촉하지 못한다. 이 경우 기체막이 일종의 단열재로 작용하기 때문에 표면이 더 이상 냉각되지 못하고 표면온도가 급상승하며 심각한 경우 고온에 의한 변형 및 파단이 발생하므로 시스템의 안전성 측면에서 매우 중요하다. 임계열유속 발생 시점의 정확한 예측은 시스템의 한계가동 범위를 결정하기에 필수적이며, 임계열유속의 지연(증진)을 통해 보다 넓은 가동 범위와 안전 마진을 확보할 수 있다. 임계열유속에 관한 기존 연구는 거시규모의 수력학과 미시규모의 수력학의 두 가지 관점에서 수행되었다. 거시규모 수력학은 표면으로부터의 거리가 밀리미터 이상인 영역에 주요 관심을 두고, 주변 환경에서 표면으로 냉각재가 공급되는지를 판단하여 임계열유속을 예측한다. 기체와 액체 사이의 계면 거동과 냉각재 공급 경로가 주요한 관심영역이다. 미시규모 수력학은 표면으로부터 마이크로미터 혹은 그 이하인 영역에 집중하며, 냉각재가 표면의 특정 위치에 공급되었을 때 표면을 따라 퍼져나가는 양상에 주목한다. 표면에 미세구조가 있는 경우 모세관력에 의해 위킹이 발생하며 이를 통한 냉각재의 공급 속도를 통해 임계열유속을 예측한다. 현재까지 거시규모 수력학 및 미시규모 수력학 관점에서 여러 연구가 보고되고 있으며 임계열유속을 정확히 예측하기 위한 관심이 매우 뜨겁다. 하지만 거시 및 미시규모를 동시에 고려하여 임계열유속을 평가 및 예측하는 연구는 현재까지 부족한 상황이다. 본 연구에서는 거시규모 수력학과 미시규모 수력학을 종합하여 평가할 수 있는 컨셉의 표면 구조를 제시하고 임계열유속 발생 메커니즘을 분석하였다. 거시규모 수력학을 조절하기 위하여 높이 20 밀리 미터의 구조물을 가열 표면에 수직으로 세웠으며 벽의 측면이 모세관력을 가지고 있기 때문에 거시 규모에서 냉각재 수급을 조절할 수 있었다. 미시규모 수력학을 조절하기 위하여 가열 표면에 높이 20 마이크로 미터의 미세구조를 제작하였으며 미세구조의 간격 조절을 통하여 표면에서의 냉각재 수급 정도를 조절하였다. 이 두 가지 구조를 활용하여 풀비등 실험을 수행하였으며 거시 및 미시규모 표면개질을 통해 임계열유속이 증진됨을 확인하였으며, 각 규모에서의 냉각재 수급량을 비교 평가하여 임계열유속 발생 메커니즘을 분석하였다. 해당 연구는 거시 및 미시 규모의 수력학 관점을 아우르는 관점에서 임계열유속을 평가한 점에서 중요성을 가진다.