구조적으로 설계된 공중합 안정화 ZnO 나노유체를 이용한 히트파이프의 열전도도 및 열성능 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14219(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

본 연구에서는 많은 산업적 응용에 필수적인 열교환기용 히트파이프의 열전도도, 안정성, 효율 및 저항성을 평가하는 데 중점을 두었습니다. 이를 달성하기 위해 양친매성 폴리(스티렌-co-2-아크릴아미도-2-메틸프로판 설폰산) 폴리(STY-co-AMPS)의 공중합체를 자유 라디칼 중합 기술로 합성했습니다. 분산제는 ZnO 나노유체의 균일한 용액화와 안정화를 위해 사용되었다. 나노유체의 열전도도에 대한 분산제의 영향은 KD2 pro 열특성 분석기를 사용하여 분석되었습니다. 유체 전도도의 상당한 증가는 부피 분율과 비선형 관계를 가졌습니다. 최대 증가는 1.5vol%의 최적화된 분산제 농도에서 관찰되었습니다. 동시에, 나노유체의 열전도도에 대한 분산제의 영향을 선형 고분자 전해질과 비교했습니다. 또한 실험값은 합리적인 일치를 바탕으로 기존의 고전 모델과 비교되었으며, 준비된 나노유체를 작동 매체로 사용했습니다. 기존의 스크린메쉬 히트파이프와 히트파이프의 열저항에 대한 온도분포를 실험적으로 조사하였다. 결과는 나노입자에 분산제의 최적 농도가 기본 유체와 비교하여 향상된 열 효율을 나타냄을 보여줍니다. 또한, 입자 부피 분율과 분산제 농도를 증가시키면 열 저항과 온도 분포가 감소하는 거동을 보입니다.

지난 20년 동안 에너지 저장, 에너지 전송 및 열 생성은 전 세계 에너지 예산의 90%가 할당된 주요 연구 영역입니다. 급속한 발전은 첨단 열 재료 및 기술 연구에 적용되었습니다. 따라서, 장치의 열 전달 성능을 향상시킬 수 있는 작동 유체의 열물리적 특성을 개선할 필요가 있습니다. 주로 엔진오일, 에틸렌글리콜, 물 등은 열전도율이 낮아 열전달 장치의 성능에 영향을 미치기 때문에 기존의 열전달용 유체로 널리 사용되었습니다. 히트파이프는 매우 낮은 온도 강하로 한 곳에서 다른 곳으로 열을 전달하는 2상 열 전달 장치이기 때문입니다. 효과적인 냉각 효율성으로 인해 다양한 열 전달 응용 분야에 널리 사용됩니다. 히트 파이프는 작동 유체가 모세관 압력 구배를 통해 순환하기 때문에 많은 열 응용 분야에서 일반적인 냉각 시스템입니다. 작동 유체의 상 전이 및 증발/응축은 열 전달 특성에 상당한 변화를 일으킵니다. 히트 파이프의 효율성은 재료의 품질/치수, 유체 특성 및 심지 구조1에 따라 결정됩니다. 열 응용 분야에는 태양광 시스템2, 가스 감지3, 전자 냉각4, 광전자공학5, 항공우주6, 열교환기7,8 등이 포함됩니다.

열 전달 응용 분야에서는 기존 유체의 단점을 극복할 수 있는 작동 유체로 나노유체가 사용되었습니다. 잠재력을 실현하고 산업 표준9을 실현하려면 열 나노유체의 안정적인 분산이 필요합니다. NP의 주요 단점은 상 분리되어 유체에서 침전된다는 것입니다. 열 전달 과정에서 응집된 나노유체는 특정 마이크로 전자 시스템에서 막힘 및 마모 문제를 일으킬 수 있습니다10. 열 나노유체의 분산을 달성하는 것은 가장 큰 과제 중 하나이며 표면 전하 추가/계면활성제를 사용한 화학적 표면 변형 활용을 포함하는 많은 접근 방식이 시도되었습니다. 초음파 처리, 기계적 교반 등.

많은 연구자들이 나노유체의 열적 성능을 향상시키려는 시도를 했으며, Kang et al.11은 소결된 히트 파이프에 대한 은 나노유체의 영향을 조사했습니다. 그들의 연구 결과에 따르면 벽 온도 입력 전력은 30-50W 감소했습니다. 또한 히트 파이프의 작동 매체인 나노유체는 기본 유체인 물과 비교할 때 최대 70W의 더 높은 열 성능을 입증했습니다12. 유사하게, Rosari et al.13은 더 낮은 입자 부피 비율에서 ZnO-Ethylene Glycol 기반 나노유체의 열전도도와 히트파이프 열 성능을 조사했습니다. 그들의 관찰에 따르면, 입자 부피 비율과 결정 크기가 증가함에 따라 히트 파이프의 온도 분포와 열 저항이 감소합니다. 반면, Jian et al.14은 나노입자의 질량 농도(0~0.6wt% SiO2 및 0~1.2wt% Al2O3)에서 SiO2-물 및 Al2O3- 물 나노유체를 사용하여 진동 히트 파이프(OHP)의 열 성능 비교를 보고했습니다. 응축기와 증발기의 표면 상태 변화는 주로 입자의 차이로 인해 발생하며 이는 히트 파이프의 열 성능이나 열화에 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다15. 또한, CuO 나노유체의 소결 및 메쉬 심지 히트 파이프에 대한 비교 연구는 Kumaresan et al.16에 의해 수행되었습니다. 그들의 연구에서 소결 심지 히트 파이프의 유일한 효과는 70W의 메쉬 심지 히트 파이프에 비해 히트 파이프의 향상된 열 성능과 열 저항을 보여줍니다.