확장 면적을 이용한 안정된 증발 마이크로채널 시스템의 설계

이희준(Hee Joon Lee),Shi-chune Yao 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.8

마이크로채널 표면의 핵에서 생성된 기포는 물을 작동유체로 이용하는 경우 채널의 좁은 단면적에 의해 압착되어 유동불안정성을 유발한다. 직관 마이크로채널에서 압착된 기포는 관성 유동의 역방향인 채널 상류로 진행한다. 마이크로채널에서 역방향 유동을 없애기 위해 채널 하류의 단면적을 확장시키는 것이 효과적이다. 그 이유는 압착된 기포의 전후단 계면의 표면장력에 의한 압력차이가 계면의 반지름에 역비례해서 자연적으로 기포가 채널 하류로 이동하려는 힘이 발생하기 때문이다. 확장 증발 마이크로채널에서 정적 유동불안정성 모델이 제시되었으며, 실험으로 모델을 검증하였다. 또한, 안정된 확장 시스템을 설계하기 위해 국부 설계 개념을 도입하였다. 검증된 모델과 개념을 바탕으로 안정된 확장 증발 마이크로채널 설계를 성공적으로 수행하였다. A growing bubble can be squeezed for water, and it will then encounter flow instability, which reverses toward upstream in straight micro-channels. To reduce the flow instability, a micro-channel that expands at the downstream end has been found to be effective. In the expanding area, a growing bubble will tend to move downstream because the net surface tension force of a vapor-liquid interface is inversely proportional to the local radius of curvature. We propose a static flow instability model and validate it experimentally. Moreover, we apply the local-instability parameter concept to the real design of a stable evaporative micro-channel with an expanding area. Based on the localinstability model, we establish a static design for stable expanding evaporative micro-channels.

마이크로채널에서의 비등열전달 현상에 관한 연구

정남균(Namgyun Jeong) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.9

최근 기기들이 소형화 되고 이에 따른 효율적인 열방출 방안이 필요해지면서, 마이크로채널에서의 비등에 관한 연구가 주목받고 있다. 그러나 마이크로채널의 경우는 마찰계수 및 열전달 특성이 매크로스케일의 경우와 달라 기존에 매크로스케일에서 도출된 상관식과 비교 시에 큰 오차를 발생시킨다. 또한, 채널 내에서의 비등현상은 메커니즘의 복잡함으로 인하여 실제 문제 적용에 있어서 실험적, 이론적인 방법만으로 접근하는데 무리가 있다. 따라서 이러한 방법들과 더불어 수치해석적인 연구방법이 보완되어져야 하는데, 그동안 수행되어진 연구들은 매크로채널에서의 연구가 대부분이다. 본 연구는 최근 CFD 방법의 대안으로 제시된 격자 볼츠만 방법을 마이크로채널에서의 비등현상을 모의하는데 적용해보았으며, 마이크로채널 내에서의 기포 성장과정에 대하여 예측해 보았다. Recently, efficient heat dissipation has become necessary because of the miniaturization of devices, and research on boiling on micro-channels has attracted attention. However, in the case of micro-channels, the friction coefficient and heat transfer characteristics are different from those in macro-channels. This leads to large errors in the micro scale results, when compared to correlations derived from the macro scale. In addition, due to the complexity of the mechanism, the boiling phenomenon in micro-channels cannot be approached only by experimental and theoretical methods. Therefore, numerical methods should be utilized as well, to supplement these methods. However, most numerical studies have been conducted on macro-channels. In this study, we applied the lattice Boltzmann method, proposed as an alternative numerical tool to simulate the boiling phenomenon in the micro-channel, and predicted the bubble growth process in the channel.

마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도에 따른 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 연구

이해승(Hae-Seung Lee),전둥순(Dong-Soon Jeon),김영률(Young-Lyoul Kim),김선창(Seon-Chang Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.6

마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도에 따른 R-134a의 증발열전달 특성에 관하여 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 채널의 굽힘 각도가 120°, 150° 및 180°인 마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발온도와 Reynolds수 변화에 따른 열전달 특성을 대향류 조건에서 실험하였으며, 실험결과 마이크로채널 열교환기에서 증발열전달량과 증발열전달계수는 R-134a의 레이놀즈수 증가에 따라 증가하였다. 또한 채널의 굽힘 각도가 120° 및 150°인 마이크로채널 열교환기는 증발온도 4.9~14.9 ℃에서 채널굽힘 각도가 180°인 마이크로채널 열교환기와 비교하여 평균 약 17.1% 및 13.3%로 증발열전달량이 증가하였으며, R-134a의 증발열전달계수는 채널의 굽힘 각도가 작을수록 증발열전달계수가 증가하는 것으로 나타났다. Experimental investigations have been carried out to examine the evaporative heat transfer characteristics of R-134a with the channel-bending angle (CBA) in microchannel heat exchangers. In this study, we examined the effects of evaporation temperature and Reynolds number of R-134a on the evaporative heat transfer characteristics of R-134a in microchannel heat exchangers with CBAs of 120°, 150°, and 180° under counterflow conditions. Experimental results show that the evaporative heat transfer rate and evaporative heat transfer coefficient increased with an increase in the Reynolds number of R-134a. Further, the evaporative heat transfer rate corresponding to CBAs of 120° and 150° increased to values greater than the evaporative heat transfer rate corresponding to 180° by approximately 17.1% and 13.3%, respectively, for evaporating temperatures in the range 4.9?14.9℃. The evaporative heat transfer coefficient was affected by the channel angle with increasing evaporative heat transfer coefficient at small channel bending angle.

마이크로 밀링과 자기디버링을 적용한 마이크로 유동채널 가공

곽태경(Tae-Kyung Kwak),곽재섭(Jae-Seob Kwak) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.8

본 연구는 마이크로 머시닝을 적용한 유동채널가공에서 버의 발생과 제거에 관한 연구이다. AISI316 스테인리스강의 마이크로 유동채널가공은 마이크로 밀링과 자기 디버링을 결합하여 실시하였다. 먼저 마이크로 밀링으로 유동채널을 가공하였고, 가공조건에 따라 마이크로 채널주변에 미소 버가 생성됨을 확인하였다. 미소 버를 제거하기 위해서 자기 디버링을 행하였다. AISI316 스테인리스강은 비자성체로 자기연마에 큰 영향을 미치는 자속밀도가 매우 낮은 금속이다. 본 연구에서는 공작물의 자속 밀도를 향상시키기 위해서 자기 테이블을 개발하여 이를 자기연마 디버링에 적용하였고, 주사전자현미 경(SEM)과 표면형상기로 자기 디버링에 의한 버의 제거효과를 측정하였다. This study aims to verify burr formation and to remove the burrs in micro-channel fabrication using micro-machining tools. The machining processes are combined with micro-milling and magnetic abrasive deburring for AISI316 stainless steel. Depending on the micro-milling conditions that are applied, burrs are formed around the side walls. Magnetic abrasive deburring is used to remove these burrs. AISI316 stainless steel is a nonferrous material and its magnetic flux density, which is an important parameter for efficient magnetic abrasive deburring is low. To enhance this magnetic flux density, we design and build a magnetic array table. The effect of removing burrs is evaluated via SEM and a surface tester.

마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 실험적 연구

이해승(Haeseung Lee),전동순(Dong-Soon Jeon),김영률(Young-Lyoul Kim),김용찬(Yongchan Kim),김선창(Seon-Chang Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.2

마이크로채널 열교환기에서 R-134a의 증발열전달 특성에 관하여 실험적 연구를 수행하였다. 마이크로 채널은 금속박판인 SUS304에 포토에칭 공정으로 식각되었으며, 13개의 금속박판은 차례로 적층되어 확산접합 공정을 통하여 접합되었다. 본 연구에서는 R-134a의 증발온도, 질량유속 그리고 물의 입구온도의 변화에 따른 열전달 특성을 대향류 조건에서 실험하였다. 실험결과 R-134a와 물의 입구온도차가 클수록 증발열전달량은 증가하였으며, 증발열전달계수는 0.67 ㎾/㎡ ?℃에서 6.23 ㎾/㎡ ?℃이었다. 아울러 마이크로채널 열교환기에서 R-134a와 물의 열교환에 따른 증발열전달 특성에 영향을 미치는 Reynold수와 무차원 온도비 θ를 도출하여 Nusselt수에 관한 실험적 상관식을 제안하였다. An experimental investigation was carried out to examine the evaporative heat transfer characteristics of R-134a in a micro-channel heat exchanger. The micro-channel heat exchanger used in this study was a sort of plate heat exchanger. Micro-channels were fabricated on the SUS304 plate by the photo-etching process: 13 sheets of plates were stacked and bonded by the diffusion bonding process. The effects of the evaporating temperature, mass flux of R-134a, and inlet temperature of water were examined. As the difference between the inlet temperatures of R-134a and water increased, the heat transfer rate increased. The evaporative heat transfer coefficients obtained in this study range from 0.67 to 6.23 ㎾/㎡ ?℃. The experimental correlation for the Nusselt number as a function of the Reynold number and θ was suggested for the micro-channel heat exchanger.

소형 고분자 전해질 연료전지의 성능향상을 위한 채널 형상의 개선 및 제작

김대영(Dae-Young Kim),왕학민(Hak-Min Wang),최갑승(Kap-Seung Choi),박상기(Sang-Ki Park),김민철(Min-Chol Kim),김형만(Hyung-Man Kim) 한국자동차공학회 2007 한국자동차공학회 지부 학술대회 논문집 Vol.- No.-

Recently, the interest on the development of fuel cell is growing rapidly . because, it is considered to be a novel form of power source to solve not only the environment problem but also drain natural resource problem. In this paper, hydrogen gas flow in micro-channel was numerically analyzed concerning about various channel shapes to estimate the efficiency of micro fuel cell. Each flow characteristic with the same boundary condition was simulated in each different shape (6-types) of micro-channels which have been already developed and newly designed as well. The result of analysis shows that characteristics of flow such as velocity, uniformity, and flow rate, depend highly upon the channel shape itself. That means it is expectable to increase the efficiency of micro fuel cell through optimal configuration of channel shape for hydrogen gas flow. Finally, actual micro flow channels were fabricated using SU-8 and the performance of PEM fuel cell was also carried out by these micro prototypes.

수치해석을 통한 PEMFC 채널의 설계와 SU-8을 이용한 채널 제작 및 성능 평가

최인재(Injea Choi),왕학민(Hakmin Wang),최갑승(Kap-Seung Choi),김형만(Hyung-Man Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.4

연료전지는 환경문제와 천연자원 고갈을 해결할 수 있기 때문에 가장 주목받고 있는 새로운 동력원이다. 본 논문에서는 마이크로 연료전지의 효율을 높이기 위해 다양한 형상에 대해 마이크로 채널에서 수소가스 유동을 수치해석 하였다. 이미 개발된 채널과 새롭게 고안된 채널, 모두 여섯 개의 다른 형상을 가진 채널이 같은 유동 특성과 경계조건으로 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 통해 유속, 유동분포 유동균일성 등이 채널형상에 따라 영향을 많이 받는 것을 알았다. 이에 수소 가스 유동을 고려한 채널형상 최적화를 통해 연료전지의 성능을 향상시키고자 하였다. 수치해석을 통한 최적화된 채널형상을 사용한 실험결과 평균보다 높은 전류밀도를 나타내었다. 그러나 내구성이 낮았다. Fuel cells have attracted enormous interest as new power sources because the cells can be used to solve the problem of environmental pollution as well as the natural-resource exhaustion problem. In this study, hydrogen-gas flow in microchannels of different shapes was numerically analyzed to improve the efficiency of a microfuel cell. Flow characteristics in six microchannels of different shapes but under identical boundary conditions were simulated. The analysis result shows that the flow characteristics such as velocity, uniformity, and flow rate, greatly depend upon the channel shape. This implies that the efficiency of microfuel cell can be expected to be increased by adopting the optimal configuration of channel shape for hydrogen-gas flow. The experimental results show that power density of a PEMFC with a microflow channel is higher than that of a PEMFC without a microflow channel; however, a durable catalyst is required in MEA.

수치해석을 통한 PEMFC 채널의 설계와 SU-8을 이용한 채널 제작 및 성능 평가

최인재(Injea Choi),김형만(Hyung-Man Kim),왕학민(Hakmin Wang),최갑승(Kap-Seung Choi),김대영(Dae-Young Kim) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

A fuel cell is most interesting new power source because it solves not only the environment problem but also natural resource exhaustion problem. In this paper, hydrogen gas flow in micro-channel was numerically analyzed about various channel shapes to improve the efficiency of micro fuel cell. Flow characteristics with the same boundary condition were simulated in six different shapes of micro-channels which have been already developed and newly designed as well. The result of analysis shows that characteristics of flow such as velocity, uniformity, and flow rate, depend highly upon the channel shape itself. That means it is expectable to increase the efficiency of micro fuel cell through optimal configuration of channel shape for hydrogen gas flow. Finally, actual micro flow channels were fabricated using SU-8 and the performance of PEM fuel cell was also carried out with these micro prototypes.

채널 형상에 따른 마이크로 판형열교환기의 열적 특성 연구

김윤호(Yoon-Ho Kim),서장원(Jang-Won Seo),문정은(Chung-Eun Moon),이규정(Kyu-Jung Lee) 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.5

This paper presents the thermal characteristics for micro heat exchanger with different micro-channel shapes. The shapes of micro-channel has been manufactured sheet metal by chemical etching for the I shape of straight channel and V and W shapes of chevron feature and fabricated micro plated heat exchangers using the vacuum brazing of bonding technology. The experimental study has been performed on heat transfer and pressure drop characteristics with various Reynolds number for water to water at the counter flows. The average heat transfer rate of V and W shapes has been showed about 1.5~1.6 times large than those of I shape. For the comparison of Nusselt number, it is known that the convective heat transfer of V and W shapes represent more effect than I shape. The pressure drops of V and W shapes are about 1.2~1.7 times lager than those of I shape.

마이크로채널 열교환기의 유로형상에 따른 극저온 성능특성에 관한 실험적 연구

김종혁(Jong Hyuk Kim),김덕종(Duckjong Kim),최준석(Jun Seok Choi),윤석호(Seok Ho Yoon) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

The thermal performance of the micro channel heat exchangers have been investigated in this study. The micro channel heat exchangers which have two different flow path shape were fabricated respectively. One micro channel path is L-shape and the other is S-shape. And the cryogenic test setup was build and the experimental tests were implemented. The primary fluid is methane and the secondary fluid is nitrogen. These two fluids exchanged the heat in the counter-flow micro channel heat exchanger. The overall heat transfer coefficient and pressure drop was measured and compared.