혼합냉매 줄톰슨 냉동기를 위한 마이크로 채널 인쇄기판형 열교환기 설계에 관한 연구

Abstract

열교환기는 극저온 공정에서 성능을 결정하는 매우 중요한 구성 요소이다. 최근 극저온 시스템의 소형화에 따라 열교환기의 크기도 감소해야 하는데, 이 때 마이크로 채널 열교환기를 사용할 수 있다. 일반적으로 열교환기를 설계할 때는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 문제를 무시하고 설계를 하지만, 극저온 상황에서는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 문제가 열교환기의 유용도에 심각한 영향을 나타내며, 이는 극저온 공정의 성능 하락으로 이어진다. 본 학위논문에서는 초박형 마이크로 채널 열교환기에서 발생되는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 문제에 따른 유용도를 정량적으로 표현하였으며, 이 두 가지 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시하였다. 먼저 축방향 열전달 효과를 확인할 수 있는 열교환기 모델을 제시하였다. 축방향 열전달 게수 (λ)가 0.005 이하일 때, 축방향 열전달의 효과를 무시할 수 있는 경우인 것을 확인하였다. 실제 열교환기 제작에 있어서 열교환기의 단면가공을 통하여 축방향 열전달 길이와 단면적을 증가할 수 있으며, 축방향 열전달 계수를 0.001 정도로 유지할 수 있는 방법을 제시하였다. 축방향 열전달 문제와 더불어, 유동 불균형 문제를 확인할 수 있는 열교환기 모델을 제시하였다. 마이크로 채널 열교환기에서 발생할 수 있는 유동 불균형의 양상과 정도를 가정하였으며, 정도와 양상에 따라 열교환기의 유용도 하락을 계산하였다. 마이크로 채널 열교환기의 입구(헤더)에서는 적층 방향과 평행 방향으로 유동 불균형이 발생할 수 있으며, 특히 적층 방향으로의 유동 불균형이 더욱 큰 유용도 손실을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이 때, 유동 불균형을 해소할 수 있는 구조가 열교환기 내부에 설치되어 있으면, 열교환기의 유용도 손실을 회복할 수 있는 것을 알 수 있었다. 평행 마이크로 채널을 형성하는 벽의 일부분을 허물어 바이패스 구조를 형성하면, 유동 재분배 역할을 하는 것을 CFD를 통하여 알 수 있었다. 축방향 열전달을 구분할 수 있는 열교환기, 유동 불균형 현상을 구분할 수 있는 열교환기를 각각 제작하여 극저온 혼합냉매 줄톰슨 공정에 적용하여 열교환기의 유용도를 관찰하였다. 유동 불균형과 축방향 열전달에 제어되면, 예상한 유용도를 나타내는 것을 실험적으로 확인하였다. 본 논문은 초박형 마이크로 채널 열교환기에서 발생할 수 있는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 효과를 수치적, 실험적으로 확인할 수 있었다. 열교환기 설계에 있어서, 제시하는 모델을 이용하면 더욱 정확한 유용도를 예측할 수 있으며, 축방향 열전달과 유동 불균형 해소법을 적용하여 고효율 열교환기를 제작할 수 있을 것이다.