포타슘 및 소듐-포타슘 공융합금 적용 히트 파이프를 이용한 공간 온도 균일도 향상에 관한 실험적 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Achieving a highly uniform temperature field at elevated temperatures is a critical requirement in precision thermometry and numerous high-value industrial applications. However, in the intermediate-to-high temperature range (500 ℃ - 700 ℃), temperature inhomogeneities on the order of several tens of kelvins are inevitable due to enhanced heat losses and the relatively low thermal conductivity of high-temperature materials (e.g., stainless steel, Inconel). To address these limitations, heat pipes employing alkali metal working fluids were fabricated in this work. Specifically, an annular heat pipe liner was fabricated to realize a cylindrical isothermal region with dimensions of 70 mm × 410 mm (diameter × length), and a flat vapor chamber was designed to realize a planar isothermal region of 200 mm × 200 mm (length × width). Potassium was initially considered as the working fluid due to its suitable saturation vapor pressure. However, to alleviate working fluid injection difficulties arising from the complex geometry (i.e., high aspect ratio) of the flat vapor chamber, a sodium-potassium eutectic alloy (NaK) was employed, leveraging its liquid phase at room temperature. The temperature uniformity characteristics of the heat pipes were evaluated using a temperature uniformity factor defined by temperature variations within the measurement region with the investigated parameters including the operating temperature, working fluid mass, initial non-condensable gas (NCG) pressure, and inclination angle. Regarding the effect of the operating temperature, the heat pipes were operated in a temperature range from 600 K to 1000 K with increments of 100 K. Below 700 K, the heat pipes failed to operate due to the insufficient saturation vapor pressure difference to drive the vapor phase working fluid flow (i.e., the viscous limit). However, above 700 K, the temperature uniformities of the heat pipes were significantly improved as a sufficient pressure difference was established. In terms of the working fluid mass, the charging ratio - the volume of the working fluid relative to the void volume of the wick - was varied from 0.2 to 1.1 with increments of 0.3. At charging ratios below 0.5, the annular heat pipe liner was not operational due to insufficient working fluid mass. However, at charging ratios above 0.5, the temperature uniformity of the annular heat pipe liner was improved with increasing temperature, with the best performance observed at a charging ratio of 1.1. These results indicate that the minimum charging ratio required for the operation of the heat pipe liner as an isothermal region is 0.5, while the optimum charging ratio for achieving maximum temperature uniformity is 1.1. As for the effect of NCG, the initial NCG pressure was increased from 0 kPa to 1 kPa in increments of 0.25 kPa. As the initial NCG pressure increased, the region occupied by the NCG within the vapor flow region expanded, leading to a decrease in temperature uniformity and an increase in the minimum operating temperature required for the annular heat pipe liner to function. However, it was observed that as the operating temperature increased, a sufficient saturation vapor pressure difference was established within the device, thereby diminishing the influence of the initial NCG pressure. To evaluate the effect of the inclination angle on the temperature uniformity of the flat vapor chamber, tests were conducted at angles of 0°, 45°, and 90°. It was observed that the flat vapor chamber operated reliably across all tested inclination angles, with only marginal variations in the temperature uniformity factor. These results demonstrate that the influence of the inclination angle on the temperature uniformity performance of the device is negligible.

국문 초록 (Abstract)

현대 산업 발전에 따라 첨단 소재 및 친환경 에너지 생산과 같은 고부가가치 산업에서부터 표준백금저항온도계(standard platinum resistance thermometer, SPRT)의 교정을 위한 알루미늄 고정점(660.323 ℃) 실현과 같은 기초과학 분야에 이르기까지 500 ℃에서 700 ℃ 범위의 중·고온 영역 균일 온도장 실현에 대한 수요가 증가하고 있다. 다만, 상온 대비 운전온도 증가에 따라 증가하는 외부로의 열손실에 의해 온도제어 영역의 온도구배 증가 및 온도 균일도 감소가 필연적으로 발생한다. 온도제어 영역의 온도 균일도를 개선하기 위해 전도 기반 열확산 소재를 적용할 수 있으나, 해당 방법은 소재의 유한한 열전도도로 인해 온도구배 개선에 한계를 가진다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 내부 작동유체 상변화 및 고속 대류 열전달 기반 피동형 2 상 열전달 장치인 히트 파이프를 사용하여 중·고온 대역 온도제어 영역의 공간 온도 균일도를 향상시키고자 하였다. 본 연구는 70 mm × 410 mm (직경 × 길이) 크기의 원통형 등온영역 실현을 위해 환형 단면을 가지는 히트 파이프 라이너와, 200 mm × 200 mm (가로 × 세로) 크기의 판형 등온면 실현을 위한 판형 증기 챔버를 제작하였다. 히트 파이프 라이너의 작동유체로는 500 ℃에서 700 ℃ 범위의 중·고온 영역에서 적절한 포화 증기압 특성을 갖는 포타슘을 사용하였다. 다만, 판형 증기 챔버의 경우, 좁은 단면을 가지는 내부 구조로 인해 발생할 수 있는 작동유체 주입의 어려움을 개선하기 위해 상온에서 액체상 특성을 가지며 포타슘과 유사한 포화 증기압 특성을 갖는 소듐과 포타슘의 공융합금(NaK)을 사용하였다. 이와 같은 히트 파이프 라이너 및 증기 챔버의 온도 균일도 특성 평가를 위해 본 연구는 온도제어 영역 내 온도변화를 기반으로 정의된 온도 균일도 지표(temperature uniformity factor)를 사용하였으며, 다양한 영향인자(운전온도, 작동유체 주입량, 초기 불응축 기체 압력, 경사각) 변화에 따른 온도 균일도 특성 변화를 평가하였다. 본 연구에서 시험한 히트 파이프 라이너는 700 K 미만의 운전온도에서는 점성한계 발현에 따라 작동하지 않았으나, 700 K 이상의 운전온도에서는 작동에 필요한 포화 증기압차가 형성되어 운전온도 상승에 따라 온도제어 영역 온도 균일도가 개선되는 것을 확인하였다. 작동유체 주입량 영향과 관련하여, 히트 파이프 라이너는 윅 공극 체적(void volume) 대비 작동유체 체적으로 정의된 주입비 0.5 이상의 작동유체 주입량에서 정상적으로 작동하였으며, 주입비 증가에 따라 온도 균일도 특성이 개선되었다. 이러한 결과를 통해 히트 파이프 라이너의 작동 가능 최소 작동유체 주입비는 0.5이며, 최적 주입비는 1.1 인 것으로 확인되었다. 히트 파이프 라이너 내부 불응축 기체 영향의 경우, 불응축 기체 압력 증가에 따라 증기 유동 영역 내 불응축 기체 점유 영역이 증가하여 온도 균일도가 감소하고 히트 파이프 라이너의 시동 온도가 증가하는 것을 확인하였다. 다만, 운전온도 증가에 따라 히트 파이프 라이너 내 작동유체 증기압 상승에 따라 불응축 기체의 영향은 감소하였다. 또한, 본 연구에서 시험한 판형 증기 챔버는 운전온도 상승에 따라 열확산면 상 온도 균일도 특성이 개선되는 것이 확인되었다. 증기 챔버의 온도 균일도 특성에 지면 대비 경사각이 미치는 영향과 관련하여, 모든 시험 경사각(0°, 45°, 90°)에서 증기 챔버가 정상적으로 작동하는 것을 확인하였으며, 증기 챔버의 온도 균일도 특성에 경사각이 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 5
• 1.2.1. 중·고온 히트 파이프 5
• 1.2.2. 정량적 성능 평가 지표 14
• 1.3. 연구 목표 15
• 2. 중·고온 히트 파이프 16
• 2.1. 환형 히트 파이프 라이너 16
• 2.2. 판형 증기 챔버 17
• 3. 실험방법 및 실험장치 구성 19
• 3.1. 주요 영향인자 및 실험범위 19
• 3.2. 온도 균일도 성능 평가 지표 21
• 3.3. 실험방법 및 실험장치 구성 23
• 4. 실험결과 및 토의 29
• 4.1. 환형 히트 파이프 라이너의 온도 균일도 특성 29
• 4.1.1. 환형 히트 파이프 라이너의 유효성 평가 29
• 4.1.2. 운전온도의 영향 31
• 4.1.3. 작동유체 주입량의 영향 33
• 4.1.4. 불응축 기체의 영향 37
• 4.2. 판형 증기 챔버의 온도 균일도 특성 42
• 4.2.1. 판형 증기 챔버의 유효성 평가 42
• 4.2.2. 운전온도의 영향 45
• 4.2.3. 경사각의 영향 48
• 5. 결론 54
• 6. 참고문헌 56
• 영문 초록 65
• 감사의 글 67