Pool Boiling Characteristics on the Microstructured surfaces with Both Rectangular Cavities and Channels

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2016.40.6.383 ISSN 1226-4881(P rint) 2288-5324(Online)

사각 공동 및 채널이 형성된 마이크로 구조 표면에서의 수조비등 특성연구 ^§

김동억 ^* · 박수청 ^** · 유동인 ^*** · 김무환 ^**** · 안호선 ^*****† · 명병수 ^*

* 경북대학교 정밀기계공학과, ** 포항공과대학교 기계공학과, *** 포항공과대학교 첨단원자력공학부,

**** 한국원자력안전기술원(KINS), ***** 인천대학교 기계시스템공학부

Pool Boiling Characteristics on the Microstructured surfaces with Both Rectangular Cavities and Channels

Dong Eok Kim ^* , Su Cheong Park ^** , Dong In Yu ^*** , Moo Hwan Kim ^**** , Ho Seon Ahn ^*****† and Byung-Soo Myung ^*

* Dept. of Precision Mechanical Engineering, Kyungpook Nat’l Univ., ** Dept. of Mechanical Engineering, POSTECH, *** Div. of Advanced Nuclear Engineering, POSTECH, **** Korea Institute of Nuclear Safety

(KINS), ***** Div. of Mechanical System Engineering, Incheon Nat’l Univ.

(Received January 16, 2015 ; Revised March 21, 2016 ; Accepted May 1, 2016)

Key Words: Critical Heat Flux(임계열유속), Micro-structured Surface(마이크로구조 표면), Gravity Pressure

Head(중력수두), Capillary Pressure(모세관 압력)

초록 : 사각공동 및 채널이 형성된 마이크로구조 표면을 활용하여 수조비등 임계열유속에 대한 중력 및 모세관 압력의 영향에 대해 연구하였다. 마이크로 공동구조는 모세관 압력에 의한 액체유동을 억제하는 역할을 하였고 , 마이크로 채널구조는 비등표면으로의 1차원적인 액체유동을 유발하는데 기여하였다. 이 를통해 임계열유속과 모세관 유동의 상관관계를 정량화할 수 있었다. 비등표면으로의 액체공급을 위한 원동력은 중력수두 및 모세관 압력에 의해 유발될 수 있다 . 본 연구에서는 수조비등 실험 및 가시화 데 이터의 분석을 통해 수조비등 표면에서의 핵비등을 유지할 수 있는 액체공급은 중력 수두 및 모세관 압력과 밀접한 상관관계를 가지고 있음을 확인할 수 있었다 .

Abstract: Based on a surface design with rectangular cavities and channels, we investigated the effects of gravity

and capillary pressure on pool-boiling Critical Heat Flux (CHF). The microcavity structures could prevent liquid flow by the capillary pressure effect. In addition, the microchannel structures contributed to induce one-dimensional liquid flow on the boiling surface. The relationship between the CHF and capillary flow was clearly established. The driving potentials for the liquid supply into a boiling surface can be generated by the gravitational head and capillary pressure. Through an analysis of pool boiling and visualization data, we reveal that the liquid supplement to maintain the nucleate boiling condition on a boiling surface is closely related to the gravitational pressure head and capillary pressure effect.

§ 이 논문은 대한기계학회 창립 70주년 기념 학술대회 (2015.11.10-14., ICC제주) 발표논문임.

†Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2016 The Korean Society of Mechanical Engineers

1. 서 론

비등 열전달은 단상대류 열전달에 비해 월등히

높은 열전달계수로 인해 고열유속 제거를 위한

가장 효과적인 수단으로 활용되어 왔다. 그러나

비등현상은 제거 가능한 열유속에 있어서 본질적

인 한계를 지닌다. 표면 열유속이 증가함에 따라

비등 표면위에서 수많은 증기 기포가 발생 , 성장

및 이탈을 반복하는 핵비등 영역(Nucleate boiling

regime)으로부터 비등 표면이 증기막으로 덮여 액

를 증진시킨 연구들이 보고되고 있다 .

최적의 CHF 증진성능을 보유한 비등 표면의 설계를 위해서는 마이크로구조에서의 CHF 증진 현상에 대한 물리적 이해가 필수적이다. CHF 현 상을 설명하기 위한 기존의 대표적인 이론으로는 Kutateladze

및 Zuber

에 의해 제안된 수력학적 불안정성 모델 (Hydrodynamic instability theory), Haramura 및 Katto

의 Macrolayer dryout model 등 이 있다 . 그러나 이러한 이론적 모델들은 CHF 현상의 원인을 설명하기 위해 증기 및 액체의 수 력학적 거동만을 고려하고 있어 , 마이크로구조 표면에서의 CHF 증진현상을 설명하는데 한계를 지니고 있다 . 이러한 CHF에 대한 표면의 효과를 설명하기 위한 초기연구는 주로 표면젖음성 (surface wettability)에 주목하였다.

또한 증기반 동력(vapor recoil force) 및 고체-액체 접착력의 균

형이론 ,

표면열전도 ,

모세관 윅킹

(capillary wicking)

및 Rayleigh-Tayolor 파장변 화

등이 마이크로구조에서의 CHF 증진 메커니 즘으로 제안되었으나, 정성적인 해석수준에 머무 르고 있으며 , 일반화된 이론은 아직까지 정립되 지 못했다.

본 연구에서는 CHF에 대한 중력 및 수 마이크 로미터 스케일의 구조의 영향을 명확히 설명하기 위해 사각 공동 및 채널 (rectangular cavities and channels)이 복합적으로 형성된 마이크로구조 표 면에서 수조비등실험을 수행하였다 . 이 표면에서 마이크로 공동구조는 모세관 압력(capillary pressure)에 의한 액체의 유입을 차단하여, 액체유 동은 마이크로 채널영역에서만 존재한다고 가정 할 수 있다 . 이러한 마이크로구조 표면에서의 수 조비등 실험을 통해, CHF 증진현상을 중력수두 및 모세관압력에 의한 액체공급의 관점에서 분석 하였다.

Fig. 1 SEM images of the micro-structured test

surfaces (a) and static contact angle on the flat silicon oxide surface (

 

) (b)

2. 비등시편 제작 및 실험

본 연구에서는 수평 수조비등 실험을 위해 사 각 공동 및 상부가 개방된 마이크로 채널구조를 갖는 표면을 제작하였다 [Fig. 1(a)]. 비등시편은 구 조가 없는 표면(Bare surface), 마이크로 공동이 균일하게 분포된 표면 (HS) 및 마이크로채널이 시 편의 중앙에 수평으로 배치된 표면(MC)으로 구 분된다 . MC 표면에서 마이크로채널 이외의 영역 에는 마이크로 공동이 형성되어 있으며, 마이크 로 채널이 차지하는 폭에 따라 MC6(마이크로채 널 영역이 6mm) 및 MC12 표면으로 구분할 수 있다 . 즉, MC12 표면의 유효비등면적 내 마이크 로 채널의 총 개수는 MC6 표면의 1.67배이다 (Table 1).

비등시편에서 유효가열 영역은 중앙의 15×10

mm에 해당한다. 비등시편의 제작을 위해 MEMS

기술인 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 활용하

였다 . 수조비등 실험은 초순수(de-ionized water)를

(a)

(b)

Fig. 2 Experimental facility; (a) Pool boiling chamber

and (b) Test sample

Fig. 3 Sequential high speed images of the bubble

behaviors on a heater surface (HS) at near CHF (1000 kW/m

)

활용하여 대기압 포화상태에서 수행되었으며, 시 편의 방향은 수평방향으로 배치하였다 .

CHF는 비등시편의 급격한 온도상승이 발생하는 열유속 으로 결정되었다 . 비등시편의 재료인 산화실리콘 (SiO

) 표면에서의 물의 정적 접촉각(Static contact angle)은 60°±3°였다[Fig. 1(b)].

Fig. 2는 본 연구에서 활용된 수조비등 실험장 치의 개념도를 나타낸다 . 실험장치는 물수조[Fig.

2(a)] 및 비등시편으로 구성된다. 비등 시편[Fig.

2(b)]은 실리콘 웨이퍼로 제작된 히터와 단열 및 시편고정을 위한 PEEK(polyetheretherketone) 재질 의 지그를 조합하여 물수조의 하부에 부착하였 다. 물 수조는 10 mm 두께의 알루미늄 쉬트로 제 작하였고 , 수조의 상부에는 비등 실험 시 증발하 는 증기를 수조로 재유입 시키기 위해 환류냉각 기 (Reflux condenser)를 부착하였다. 비등시편에 열량을 인가하기 위해 시편하부에 두께 1200 Å 의 백금 박막을 증착하고 박막의 양끝단에 연결 된 전선을 통해 직류전원을 인가하여 쥴히팅 (Joule heating)을 수행하였다. 전원공급은 직류전 원공급기(60 V, 500 A)를 사용하여 이루어졌고, 시 편에 인가되는 전력을 측정하기 위해 전원공급회 로에 연결된 기준저항(Vishay, RH0251R00FC02)의 저항값 및 저항을 통한 전압강하를 측정하여 전

류값을 획득하고 , 시편을 통한 전압강하를 측정 하여 전압값을 획득하였다. 또한 비등표면에서의 표면온도 값은 백금박막의 저항이 온도에 따라 선형적으로 변화함을 이용하여 산출하였다.

위와 같은 실험방법론을 통해 열유속 및 비등 표면온도의 불확실성을 계산한 결과, 각각 15 kW/m2 및 ±1.5 °C 이하로 나타났다.

3. 실험결과 및 분석

본 연구에서 수행된 수조비등 실험의 모든 조 건에서 CHF 부근의 높은 열유속 도달 후 작은 핵비등 기포의 병합에 의해 형성되는 상대적으로 큰 사이즈의 병합기포가 비등표면에 예외없이 나 타났다(Fig. 3). 그림에서 볼 수 있듯이, 표면에서 생성된 수많은 단일 기포들은 급격히 성장하고 , 근접한 기포와 병합한다. 이를 통해 병합기포가 형성되고 , 이러한 기포는 표면에서 이탈한다. 그 러므로 높은 열유속에서 나타나는 병합기포의 거 동은 현상학적으로 CHF와 밀접한 관련을 맺는 다. Haramura 및 Katto

의 연구에서, 그들은 앞서 언급한 병합기포의 하부에 고립된 (isolated) 액체- 기체 혼합층이 존재한다고 가정하였고, 이를 Macrolayer로 명명하였다.

하지만 본 연구의 고속 가시화 이미지(Fig. 1) 를 통해 , Macrolayer는 고립되어 있기 보다는 비 등 표면으로의 액체공급에 대해 개방되어 있다고 보는 것이 합리적이다 .

비등 표면위에 병합기포(coalesced bubble)가 존

재할 경우 , 표면으로의 물 공급은 기포주변 액체

의 중력에 의한 수두에 의해 공급될 수 있다. 이러

0 200 400 600 800 0

200 400 600 800

(b)

, 6 6

12 , 12

MC c MC

MC c MC

CHF N

CHF N

Δ ≅

Δ

MC12

Nc=666

MC6

Nc=400

CH F in cr em en t,

CH F

kW/m 2

Number of microchannels, Nc Bare and HS

Straight line

Fig. 4 Pool boiling curves (a) and CHF increment

with the increase of number of microchannels (b)

급격한 증발, 계면 및 비등 표면은 유입되는 액 체 유동에 대한 가속 (acceleration) 및 마찰(friction) 저항으로 작용하게 된다. 이러한 상황에서 중력 에 의한 수두가 이상유동압력강하를 극복하고 , 비등표면에 액체를 공급하게 되면 핵비등 상태가 유지될 수 있다 . 그러나 열유속이 증가함에 따라, 기포발생 및 계면에서의 증발량이 증가하면 비등 표면으로의 액체공급이 차단되고 , 결국 CHF가 발생하게 된다.

비등 표면에 형성된 마이크로구조는 표면으로의 액체공급을 증진시키는데 기여할 수 있다. 마이크 로 구조표면에서의 비등상황에서 , 고체-액체-기체 삼중 접촉선(triple contact line) 부근에 마이크로구 조로 인한 곡면 메니스커스 (Curved meniscus)가 형성된다. 이러한 메니스커스는 증기-액체 계면을 가로지르는 모세관 압력차를 형성시킨다 . 특히 본 연구에서 사용된 마이크로 채널구조 표면에서 형성되는 모세관 압력차는 식 (2)에 의해 근사적 으로 계산할 수 있다.

∆

 cos     (2) 여기서 ∆

, ,  및  는 각각 모세관 압력차, 액체 표면장력 , 마이크로채널 폭 및 후진접촉각 (receding contact angle,   

)이다.

위의 분석결과로부터, 수조비등 상황에서 핵비 등 영역의 유지는 중력수두 및 모세관 압력차에 의한 비등표면으로의 액체공급 능력에 의해 결정 된다고 할 수 있다 . 즉, CHF는 열유속 증가에 따 른 비등 표면상의 유동저항 증가에 의한 액체 공 급의 차단에 의해 발생하는 결과이다 .

이를 통해 CHF는 식 (3)과 같이 단순화할 수 있다 .





 



 



(3)

여기서 

, 

, 

, 

및 

는 각각 CHF 값, 유효 비등면적, 중력수두에 의한 액체 체적유 량 , 모세관 압력차에 의한 액체 체적유량 및 증 발잠열이다.

중력수두에 의한 액체 체적유량 

는 중력수

두 및 비등표면상의 유동저항의 함수가 될 것이

다. 중력수두의 경우, 근사적으로 액체 밀도, 중

력가속도 및 Rayleigh-Taylor 파장으로 표현할 수

있다. 그러나 비등표면에서의 유동저항을 계산하

기 위해서는 비등기포 밀도 (nucleate site density),

Macrolayer 내 액체의 유동면적, 증기-액체 계면

및 비등 표면에 의해 작용하는 점성항력 (viscous

drag force) 및 상변화로 인해 발생하는 가속 압력

강하 등의 매우 복잡한 변수들을 고려해야 한다 .

Fig. 4에서 볼 수 있듯이, Bare 및 HS 표면의

CHF 값은 거의 동일하다. 이러한 결과로부터 두

표면에서 비등표면으로의 액체 공급특성이 중력

수두에 의해 결정된다고 판단할 수 있다 . Bare 및

HS 표면의 구조상 모세관 압력차에 의한 액체유

동의 영향을 무시할 수 있기 때문에 두 표면에서

Fig. 5 Wicking of liquid on the microchannel

surface

의 병합기포 크기가 유사하다면 , 동일한 중력 수 두가 형성되고 이로 인해 비슷한 CHF 값을 갖게 된다고 유추할 수 있다 . 참고로, 본 실험에서 CHF 값은 비등시편의 급격한 온도상승이 발생하 는 열유속으로 결정되었다 .

하지만 MC6 및 MC12 표면에서 CHF 값은 Bare 및 HS 표면에 비해 현저히 증가하였다. 또 한 CHF 값의 증가정도는 상대적으로 MC12 표면 에서 크게 나타났다 . 이러한 결과는 비등표면에 서 발생하는 모세관 압력차에 의한 액체유동이 CHF에 직접적인 영향을 준다는 것을 명확하게 나타낸다. Fig. 4(a) 및 (b)의 MC6 및 MC12 표면 CHF 결과에서 HS 표면에 대한 CHF 증가 비율은 두 마이크로채널 표면에 형성된 채널의 개수비와 정확하게 일치하였다 (식 (4)).

∆

∆

≈ 



(4) 여기서 ∆ 및 

는 각각 HS 표면에 대한 CHF 증가량 및 유효 비등면적 내의 마이크로채 널 개수이다.

이러한 결과는 식 (3)에서 제시한 CHF 관계식 의 물리적 타당성을 입증하는 결과라고 판단된 다 . 식 (3)에 따르면, 본 연구에서 활용된 비등 시 편에서의 중력에 의한 수두[식 (1)], 즉 중력수두 에 의한 액체공급유량 (

)이 일정하다고 가정하 면 임계열유속은 모세관 압력차 [식 (2)]에 의한 액체공급유량(

)에 선형적으로 비례하게 된다.

MC6 및 MC12 표면에서의 각 마이크로채널의 단 면형상은 동일하였다. 그러므로 이러한 마이크로 채널에 의해 유발되는 모세관 압력차가 동일하다 고 가정하면 각 채널을 통해 공급되는 액체유량 또한 동일할 것이다 . 이러한 상황에서 채널 개수 의 증가에 따라 공급되는 액체유량이 선형적으로 증가할 것으로 판단할 수 있고 , Fig. 4의 결과는 이를 실험적으로 입증한다고 할 수 있다.

본 연구에서는 이러한 마이크로채널 구조 내 모세관 압력차로 인한 액체 유동의 효과를 명확 히 파악하기 위해 모세관 윅킹실험을 수행하였다 (Fig. 5). 그림에서 보는 바와 같이 마이크로채널 내에서의 액체 첨단 (Liquid precursor)은 시간에 따 라 선형적으로 이동하였다. 표면과 액적의 접촉 직후 , Liquid precursor는 채널을 따라 급속히 이 동하였으며, 유동의 평균속도는 15.8 mm/s로 측정 되었다 . 정량적으로 이 속도의 크기는 CHF 부근

의 열유속에서 증발로 인해 요구되는 액체질량에 비해 현저히 작은 양이라고 할 수 있다. 그러나 윅킹 실험의 특성들 (비등조건과 비교하여, 높은 액체점성 및 밀도, 삼중 접촉선의 이동으로 인한 추가적인 마찰 압력강하 등 )을 고려할 때, 본 실 험 결과는 마이크로채널 표면에서의 CHF 증진을 정성적으로 설명할 수 있는 결과로 판단된다 .

4. 결 론

마이크로 공동 및 채널이 형성된 표면에서의

비등 현상에 대한 실험적 연구를 통해 , 본 연구

에서는 중력수두 및 모세관 압력차에 의해 형성

에 관한 물리적 설명은 모세관 압력차에 의한 비 등 표면으로의 액체공급으로 설명되는 미시적 효 과 및 중력수두에 의한 거시적 효과를 모두 고려 한다. 이를 통해 도출된 CHF 현상에 대한 이해 는 비등 열전달 시스템에서 CHF 증진을 위한 최 적의 마이크로구조 표면을 설계하는데 의미있게 활용될 수 있을 것이다 .

후 기

본 연구는 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재 원으로 한국연구재단 원자력연구기반확충사업의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

(No. NRF-2015M2B2A9029279) (References) 참고문헌

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