3D 프린터 마이크로채널 제작 및 액상 물의 압력강하 특성에 관한 연구

박재현(Jaehyun Park),박희성(Heesung Park) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.1

마이크로채널은 단위체적당 표면적비가 높기 때문에 컴퓨터 마이크로 프로세서 냉각, 정밀 화학분석 및 바이오 분야로의 응용이 다양하게 적용 될 수 있어 많은 연구가 진행 중이다. 본 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 사각 마이크로채널을 제작하였고, 실험에서 마이크로채널을 통과하는 액상 물은 탈이온수를 사용하여 유량변화에 대한 압력강하를 측정하였다. 마이크로채널의 크기는 161 μm에서 664 μm로 변화시켜 제작하였으며, 유동의 레이놀즈 수는 16<Re <1000의 범위에서 압력변화를 측정하였다. 마이크로채널의 단면을 절단한 후 전자현미경으로 관찰한 결과 형상이 직사각형의 형태에 매우 근접한 것을 볼 수 있었다. 또한 유체유동의 특성은 전통적인 유체역학의 이론과의 차이를 나타내었으나 최근의 마이크로채널 유동과 연관된 연구와는 유사하게 측정되었다. 본 연구결과 3D프린터를 이용한 사각 마이크로채널의 제작과 이를 유동특성 실험에 적용 가능하다. The validity of friction factor theory, based upon conventional-sized passages for microchannel flows, is an active area of research. The high surface to volume ratio of a microchannel offers many advantages over macroscale devices and processes. This study focused on the laminar flow (16<Re<1000) within rectangular microchannel. The hydraulic diameter was from 161μm to 664μm for single-phase liquid flow. A controllable syringe pump was used to provide flow while a differential pressure transducer was used to record the pressure drop. These results demonstrated that a 3D printer can drastically simplify custom microchannel fabrication and still support complex features, which are typically only accessible with advanced fabrication techniques.

3차원 형상 마이크로채널 내 열유동 수치해석

서장원(Jang Won Seo),이규정(Kyu Jung Lee),최준석(Jun Seok Choi),윤석호(Seok Ho Yoon) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

마이크로채널 열교환기에 대한 관심이 급속히 높아지며 LNG 가스 플랜트 시스템에 적용할 수 있는 소형화 및 고효율의 열교환기 개발이 요구된다. 일반적으로 소형 열교환기는 유로형태와 크기가 마이크로 단위이다 마이크로채널 내 유동 형태는 충류 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 3차원 채널 형태인 V, Y 형상을 제안하고 혼합 및 유동특성에 대하여 관찰하였다. 3차원 모델링 프로그램을 사용하여 상용 코드인 CFX에서 열유동 해석을 수행하였다. 열교환기 재질은 Steel이며 작동유체는 물 대 물, 물 대 공기를 사용하였다. 직관채널을 기준으로 V, Y 형상 결과를 비교하였다, 저온 및 고온 전열판에 각각 유량을 변화시켜가며 열전달 및 압력강하 특성을 고찰하였다. 혼합 및 2차 유동 효과는 열전달률 증가로 나타났으나 압력강하량 역시 증가하였다. The Micro channel plate heat exchangers have been widely employed in the LNG gas plant systems for their compact size and high performance. In general, compact plate heat exchangers have the microchannel flow passages. The flow in the microchannel is characterized as a laminar flow. In this study, 3-d microchannel shapes, V- and Y-shapes are suggested to make mixing effect in the flow due to 3-D shape. The flows in the 3-d microchannels are numerically modeling with Solidworks, CFX programs. The material of micro-structured plate is STS304 and water and air are adopted as working fluids. The straight microchannel case is chosen to be benchmark case, whose results are compared with those of V- and Y-microchannels. The heat transfer rate and pressure drop are estimated at various Reynolds numbers at both hot and cold sides of the microchannel. It is found that mixing and secondary flow enhance the heat transfer but increase the pressure drop.

마이크로채널 형상에 따른 PCHE 열유동 수치해석

조연화(Yeon Hwa Cho),이규정(Kyu Jung Lee),문동주(Dong Ju Moon),김윤호(Yoon Ho Kim) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

새롭게 제안된 형상의 마이크로채널 PCHE는 기존의 상용 열교환기에 비해 고성능, 고효율의 특성을 보이며 열교환을 수행한다. 본 연구에서는 I, Wavy, Beehive, Surf, I-Wavy, I-Beehive, I-Surf의 형상을 갖는 다양한 마이크로채널을 모델링하였다. 질량유속 변화에 따른 다양한 마이크로채널 내 유체의 유동 특성, 열전달, 압력강하를 살펴보았고 그 결과는 마이크로채널의 열전달 능력을 향상시키는데 향상시키는데 이용된다. I 채널은 새롭게 적용된 채널 형상과의 성능비교를 위해 해석을 수행하였다. 다양한 레이놀즈수 변화 하에서 고온측과 저온측 유체는 대향류 형태로 열교환이 이루어지도록 하였다. 수치해석 결과 Surf 형상이 다른 형상들보다 열교환 성능이 우수함을 확인하였다. The microchannel PCHE(printed Circuit Heat Exchanger) of the newly proposed shapes out-performs other existing commercial heat exchangers while retaining greater performance-effectiveness and energy-efficiency. Various microchannels with the shapes of I, Wavy, Beehive, Surf, I-Wavy, I-Beehive and I-Surf are computationally modeled in this study. Flow characteristics, heat transfer and pressure drop in the microchannel are investigated under the various mass flow rate conditions. The results are utilized to enhance the heat transfer performance of the microchannels. The I microchannel case is chosen to be benchmark case, whose results are compared with those of newly proposed microchannels. The counterflow is arranged at various Reynolds numbers of both hot and cold fluids. It is found that the shapes of surf is better than the others from the point of heat performance.

마이크로채널 형상에 따른 PCHE 열유동 수치해석

조연화(Yeon Hwa Cho),이규정(Kyu Jung Lee),문동주(Dong Ju Moon),김윤호(Yoon Ho Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.1

새롭게 제안된 형상의 마이크로채널 PCHE는 기존의 상용 열교환기에 비해 고성능, 고효율의 특성을 보이며 열교환을 수행한다. 본 연구에서는 I, Wavy, Beehive, Surf, I-Wavy, I-Beehive, I-Surf 의 형상을 갖는 다양한 마이크로채널을 모델링하였다. 질량유속 변화에 따른 다양한 마이크로채널 내 유체의 유동특성, 열전달, 압력강하를 살펴보았고 그 결과는 마이크로채널의 열전달 능력을 향상시키는데 이용된다. I 채널은 새롭게 적용된 채널 형상과의 성능비교를 위해 해석을 수행하였다. 다양한 레이놀즈수 변화 하에서 고온측과 저온측 유체는 대향류 형태로 열교환이 이루어지도록 하였다. 수치해석 결과 Surf 형상이 다른 형상들보다 열교환 성능이 우수함을 확인하였다. The performance of microchannel PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger) is superior to that of other existing commercial heat exchangers. Further, it is also more efficient than other heat exchangers. Various microchannels, whose shapes are straight (I), Wavy, Beehive, Surf, I-Wavy, I-Beehive, or I-Surf, are computationally modeled in this study. The counter-flow arrangement is used, and the flow characteristics, heat transfer, and pressure drop in the microchannels under various mass flow rate conditions are investigated. The results for I microchannel is chosen as the benchmarks and is compared with those of newly proposed microchannels. It is found that the surf-shaped microchannel is most efficient in improving the overall performance of a PCHE.

PDMS 표면특성에 따른 비균일계 마이크로채널의 유속 변화

노순영(Soon Young Noh),이효송(Hyo Song Lee),김기호(Ki Ho Kim),최재호(Jae Ho Choi),유재근(Jae Keun Yu),윤수경(Soo Kyung Yoon),이영우(Young Woo Rhee) 한국청정기술학회 2007 청정기술 Vol.13 No.3

사각 마이크로채널 내의 2 상유동 압력강하와 유동양식에 대한 젖음성의 영향에 대한 연구

최치웅(Chi-woong CHOI),유동인(Dong In Yu),김무환(Moo Hwan Kim) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集B Vol.33 No.12

Wettability is a critical parameter in micro-scale two-phase system. Several previous results indicate that wettability has influential affect on two-phase flow pattern in a microchannel. However, previous studies conducted using circular microtube, which was made by conventional fabrication techniques. Although most applications for micro thermal hydraulic system has used a rectangular microchannel, data for the rectangular microchannel is totally lack. In this study, a hydrophilic rectangular microchannel was fabricated using a photosensitive glass. And a hydrophobic rectangular microchannel was prepared using silanization of glass surfaces with OTS (octa-dethyl-trichloro-siliane). Experiments of two-phase flow in the hydrophilic and the hydrophobic rectangular microchannels were conducted using water and nitrogen gas. Visualization of twophase flow pattern was carried out using a high-speed camera and a long distance microscope. Visualization results show that the wettability was important for two-phase flow pattern in rectangular microchannel. In addition, two-phase frictional pressure drop was highly related with flow patterns. Finally, Two-phase frictional pressure drop was analyzed with flow patterns.

새로운 사각 유리 마이크로채널의 제작 방법을 이용한 강제비등에서 표면 적심 영향에 대한 연구

최치웅(Chiwoong Choi),김무환(MooHwan Kim) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

The understanding of boiling phenomena in microchannel is not achieved yet and some disagreements of results still exist. There are many effective parameters in micro-system: for example, channel shape, roughness, material and so on. The one of the possibilities is wettability in surface of microchannel due to interfacial force has more effective role in microscale. In our study, the new fabrication technique of glass rectangular microchannel is developed. And self-aligned bonding technique for glass to glass is developed. The glass was used for hydrophilic surface and SAM (self-assembled monolayer) is treated with OTS (octadecyltrichlorosilane) on bare glass to obtain hydrophobic surface. The experiment of boiling heat transfer in microchannel using two different wettability surfaces was conducted. The flow visualization is carried out using long-distance microscape with high-speed camera. The flow regimes for different wettability surface are obviously different. And new flow regimes are observed in hydrophobic surface, which is similar to multi-droplets. The two-phase pressure drop is increased and heat transfer enhanced in hydrophobic surface. This result is partially different from previous results for wettability effect. The quantitative extension of experiment is needed to understand wettability effect on flow boiling in microchannel.

새로운 채널 배열을 통한 마이크로채널 열교환기 성능 향상 수치 연구

전승원(Seung Won Jeon),이규정(Kyu Jung Lee),문동주(Dong Ju Moon) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.11

기존 마이크로채널 열교환기는 한 플레이트에 고온 또는 저온, 한 종류의 유체만이 흐르고 있다. 채널 내부를 흐르는 유체의 수직 방향으로는 다른 종류의 유체가 존재하지만, 수평 방향으로는 같은 종류의 유체가 존재한다. 그로 인해 수평 방향의 열전달률은 수직 방향에 비하여 낮게 나타나게 된다. 열교환기 성능 향상을 위하여 한 플레이트에서 고온, 저온 유동이 번갈아가며 존재하는 새로운 채널 배열을 제안하였다. 새로운 채널 배열을 위해서는 특별한 입구 및 출구 설계가 필요하다. 제안된 채널 배열을 통하여 기존 열교환기보다 높은 열전달률을 얻을 수 있다. Reynolds 수와 Prandtl수가 증가할수록 새로운 채널 배열로 인한 열 성능 향상이 증가하고, 고체와 유체의 열전도계수 비가 증가할수록 열 성능 향상은 감소한다. In conventional microchannel heat exchangers, only one kind of fluid (hot or cold) flows in each plate. The channels contain different kinds of fluid depending on the vertical position, but they have the same kind of fluid at all horizontal positions. Therefore, there is a slower heat transfer rate in the horizontal direction than in the vertical direction. We propose a microchannel heat exchanger in which hot and cold fluid flows alternately in each plate to improve the thermal performance. This novel channel array requires a special design for the inlet and outlet. The proposed channel array has a faster heat transfer rate than a conventional channel array. The thermal performance of the novel channel array increases with increasing Reynolds number and Prandtl number, but it decreases as the ratio of solid to fluid thermal conductivity increases.

마이크로채널 탈수소 화학반응기에서 수소화붕소나트륨 수용액의 계면마찰에 대한 실험연구

최석현(Seok Hyun Choi),황승식(Sueng Sik Hwang),이희준(Hee Joon Lee) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.2

수소화붕소나트륨은 수소 에너지를 저장 및 공급할 수 있는 안정된 금속 물질이다. 본 논문에서는 탈수소 화학반응기 유로 설계를 위해 수력학적 직경 461 ㎛ 를 가지는 마이크로채널에서 수소화붕소나트륨 수용액의 탈수소 화학반응이 일어날 때 수용액과 수소 기체 간의 이상유동 계면마찰에 대하여 실험연구를 수행하였다. 화학반응기 마이크로채널은 직사각 단면으로 높이 300 ㎛, 너비 1 ㎜, 길이 50 ㎜ 로 실리콘 웨이퍼에 공정되었으며, 가수분해 촉진을 위해 루테늄을 촉매로서 100 ㎚ 두께로 채널 표면에 증착하였다. 가시화 결과 Re 수 30 이하에서 기포유동 양상이 관측되었다. 이상마찰승수는 기포율에 선형적으로 비례하며, 탈수소 화학반응기를 설계할 때 계면마찰에 영향을 미치는 수용액의 초기농도, 촉매 화학반응률, 체류시간을 고려해야 된다. Sodium borohydride (NaBH4) is considered as a secure metal hydride for hydrogen storage and supply. In this study, the interfacial friction of two-phase flow in the dehydrogenation of aqueous NaBH₄ solution in a microchannel with a hydraulic diameter of 461 ㎛ is investigated for designing a dehydrogenation chemical reactor flow passage. Because hydrogen gas is generated by the hydrolysis of NaBH₄ in the presence of a ruthenium catalyst, two different flow phases (aqueous NaBH4 solution and hydrogen gas) exist in the channel. For experimental studies, a microchannel was fabricated on a silicon wafer substrate, and 100-㎚ ruthenium catalyst was deposited on three sides of the channel surface. A bubbly flow pattern was observed. The experimental results indicate that the two-phase multiplier increases linearly with the void fraction, which depends on the initial concentration, reaction rate, and flow residence time.

마이크로 Pin Fin 화학반응기에서 수소화붕소나트륨 수용액의 압력강하 및 탈수소 화학반응 연구

정기문(Ki Moon Jung),최석현(Seok Hyun Choi),이희준(Hee Joon Lee) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.6

수소화붕소나트륨은 안정적으로 수소가 저장된 물질이며, 촉매반응으로 수소를 용이하게 분리할 수 있다. 본 연구에서는 탈수소 반응률을 높이기 위해 비표면적이 큰 마이크로 pin fin 화학반응기를 제작하여 수소화붕소나트륨 수용액의 압력강하 및 탈수소 화학반응 실험을 수행하였다. 나노공정을 이용하여 실리콘웨이퍼에 높이 300 μm, 직경 50 μm의 pin fin을 축간격 1.3, 횡간격 1.5으로 엇갈림 배열하였다. 수소화붕소나트륨 수용액은 5~20 wt.% 농도로 Re수 1~60으로 공급되었으며, 초고속카메라를 이용하여 탈수소반응 유동양상을 관찰하였다. 실험 결과 마이크로 pin fin 화학반응기는 동일 수력학적직경을 가지는 직관 마이크로채널 화학반응기보다 화학반응 성능이 2.45배 우수한 반면, 압력강하는 1.5배 증가하였다. Dehydrogenation from the hydrolysis of a sodium borohydride (NaBH4) solution has been of interest owing to its high theoretical hydrogen storage capacity (10.8 wt.%) and potentially safe operation. An experimental study has been performed on the catalytic reaction rate and pressure drop of a NaBH4 solution over both a single microchannel with a hydraulic diameter of 300 μm and a staggered array of micro pin fins in the microchannel with hydraulic diameter of 50 μm. The catalytic reaction rates and pressure drops were obtained under Reynolds numbers from 1 to 60 and solution concentrations from 5 to 20 wt.%. Moreover, reacting flows were visualized using a high-speed camera with a macro zoom lens. As a result, both the amount of hydrogenation and pressure drop are 2.45 times and 1.5 times larger in a pin fin microchannel array than in a single microchannel, respectively.