KR102105154B1 - 나노 유체의 파울링 측정 장치 - Google Patents

나노 유체의 파울링 측정 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 다른 파울링 측정 장치는, 제1유체가 흐르는 제1유체 채널이 형성된 제1블록; 상기 제1블록과 탈부착 가능하고, 제2유체가 흐르는 제2유체 채널이 형성된 제2블록; 및 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널이 분리되도록, 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널의 사이에 배치되는 박막 시편을 포함할 수 있다.

Description

나노 유체의 파울링 측정 장치{FOULING MEASURING EQUIPMENT FOR NANOFLUIDS}
아래의 실시 예는 나노 유체의 파울링 측정 장치에 관한 것이다.
나노 유체란 일반 유체에 나노 입자(금속, 비금속) 또는 나노 크기의 섬유(fiber)를 분산(Dispersion) 또는 부유(Suspension)시켜 제작한 유체로서 일반 유체에 비해 열전달 특성이 우수한 유체이다. 나노 유체가 일반 유체에 비해 열전달 특성이 우수하다는 점을 이용하여, 열교환 시스템의 열교환 유체로서 나노 유체를 사용할 경우, 열교환 시스템의 크기를 축소시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 나노 유체는 입자들의 분산성이 우수하지 못할 경우, 나노 유체가 흐르는 관에 나노 입자 파울링(fouling)이 발생하여 관을 막아 압력이 높아지거나 관내벽면에 저항층을 생성하여 열전달 저항이 발생하는 문제가 생길 수 있다. 또한, 나노 입자의 충돌에 의해 열전달 표면이 마모가 될 수 있기 때문에, 나노 유체에 대한 신뢰성이 우선적으로 확보되어야 한다.
종래의 나노 유체의 파울링 실험 장치는 열교환기 입출구에서의 온도를 측정하여 열저항을 계산하는 방법을 이용한다. 이러한 방법은 시간에 따른 나노 입자의 파울링을 측정할 수는 있으나, 파울링의 원인규명 및 저감기술 개발 등을 목적으로 표면을 분석하기 위해 장치나 배관의 일부를 절단 및 분해하는 등 측정하는 과정에서 동시에 나노 입자의 파울링이 열전달 표면에 퇴적(deposition)되는 현상을 관찰할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 나노 입자의 충돌에 의한 열전달 표면에서의 마모 특성을 관찰하기 위한 장치가 필요하다.
따라서, 나노 유체의 신뢰성을 확보하기 위하여, 나노 유체의 파울링 및 마모 현상을 측정하고 관찰하기 위한 장치가 요구된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은, 나노 입자의 퇴적에 의한 파울링 현상을 측정하고 관찰할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예의 목적은, 나노 입자에 의한 마모 현상을 측정하고 관찰할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 다른 파울링 측정 장치는, 제1유체가 흐르는 제1유체 채널이 형성된 제1블록; 상기 제1블록과 탈부착 가능하고, 제2유체가 흐르는 제2유체 채널이 형성된 제2블록; 및 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널이 분리되도록, 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널의 사이에 배치되는 박막 시편을 포함할 수 있다.
상기 제1유체 채널은 상기 제1블록의 일면에 함몰되어 형성되고, 상기 제2유체 채널은 상기 제2블록의 일면에 함몰되어 형성될 수 있다.
상기 제1블록 및 제2블록을 탈부착 가능하게 체결하기 위한 탈부착 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 제1블록은, 상기 제1유체 채널과 연통되도록 상기 제1블록을 관통하여 형성되는 제1유체 입구 및 제1유체 출구를 더 포함하고, 상기 제2블록은, 상기 제2유체 채널과 연통되도록 상기 제2블록을 관통하여 형성되는 제2유체 입구 및 제2유체 출구를 더 포함할 수 있다.
상기 제1유체 또는 제2유체의 유출을 방지하기 위하여, 상기 제1블록 또는 제2블록에 연결되는 실링부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1유체는 나노 유체일 수 있다.
일 실시 예에 다른 파울링 측정 장치는, 제1유체가 흐르는 제1유체 채널이 형성된 제1블록; 상기 제1블록과 탈부착 가능하고, 제2유체가 흐르는 제2유체 채널이 형성된 제2블록; 상기 제1블록 및 제2블록의 사이에 배치되며, 제3유체가 흐르는 제3유체 채널이 형성된 중간 플레이트; 및 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널로부터 상기 제3유체 채널을 각각 분리시키는 2개의 박막 시편을 포함할 수 있다.
상기 제1유체 채널은 상기 제1블록의 일면에 함몰되어 형성되고, 상기 제2유체 채널은 상기 제2블록의 일면에 함몰되어 형성되고, 상기 제3유체 채널은 상기 중간 플레이트를 관통하여 형성될 수 있다.
상기 제1블록 및 제2블록을 탈부착 가능하게 체결하기 위한 탈부착 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 제1블록은, 상기 제1유체 채널과 연통되도록 상기 제1블록을 관통하여 형성되는 제1유체 입구 및 제1유체 출구를 더 포함하고, 상기 제2블록은, 상기 제2유체 채널과 연통되도록 상기 제2블록을 관통하여 형성되는 제2유체 입구 및 제2유체 출구를 더 포함할 수 있다.
상기 제1블록은, 상기 제1블록을 관통하여 형성되는 제3유체 입구 및 제3유체 출구를 더 포함하고, 상기 제1블록 및 제2블록이 체결된 상태를 기준으로, 상기 제3유체 입구 및 제3유체 출구는 상기 제3유체 채널과 연통될 수 있다.
상기 제1유체, 제2유체 또는 제3유체의 유출을 방지하기 위하여, 상기 제1블록 또는 제2블록에 연결되는 실링부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1유체, 제2유체 및 제3유체 중 적어도 하나는 나노 유체일 수 있다.
일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치를 이용하면, 나노 입자의 퇴적에 의한 파울링 현상을 측정하고 관찰할 수 있다.
일 실시 예에 따른 나노 유체의 마모 측정 장치를 이용하면, 나노 입자에 의한 마모 현상을 측정하고 관찰할 수 있다.
일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 및 마모 측정 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 단면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 분해 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 나노 유체의 마모 측정 장치의 개략도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 단면도이다. 도 2는 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 분해 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 각 구성은 개략적으로 도시된 것으로, 각 구성의 위치, 크기, 형상 및 개수를 한정하는 것은 아님에 유의해야 한다.
일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)를 이용하면, 나노 유체의 시간에 따른 파울링을 측정할 수 있으며, 열전달 표면에 나노 입자가 퇴적(deposition)되는 현상을 관찰할 수 있다. 이를 통하여 파울링 현상의 원인 및 메커니즘을 용이하게 분석할 수 있고, 향후 열교환기의 설계 등에 있어서 나노 유체의 파울링에 따라 발생되는 문제를 해결하거나 개선할 수 있다. 한편, 나노 유체(nanofluid)는 나노 크기의 입자를 포함하는 유체를 의미할 수 있다. 나노 크기의 입자는 금속(metal), 산화물(oxide), 탄화물(carbide) 또는 탄소 나노튜브 등으로 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 파울링 측정 장치(1)는 나노 유체의 파울링을 측정하기 위한 것으로 설명되었으나, 미세 크기의 입자를 포함하는 모든 유체에 대하여도 그 파울링을 측정하기 위해 본 발명에 따른 파울링 측정 장치(1)가 이용될 수 있음을 밝혀둔다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)는 제1블록(11), 제2블록(12), 박막 시편(13), 실링부(14), 센서부(15) 및 탈부착 수단(16)을 포함할 수 있다.
제1블록(11) 및 제2블록(12)은 파울링 측정 장치(1)의 몸체를 구성할 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)은 각각 제1유체 및 제2유체가 흐르는 공간을 형성할 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)은 길이 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1블록(11) 및 제2블록(12)은 길이 방향을 갖는 직육면체 형상으로 형성될 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)은 탈부착 가능하게 체결될 수 있다. 다시 말해, 제1블록(11) 및 제2블록(12)은 서로 체결되거나 분리될 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)은 사이에 박막 시편(13)을 보유하면서 서로 체결될 수 있다.
제1블록(11)은 제1유체 입구(111), 제1유체 출구(112) 및 제1유체 채널(113)을 포함할 수 있다.
제1유체 입구(111)는 제1유체가 유입되는 입구일 수 있다. 제1유체 입구(111)는 제1블록(11)의 일측에 관통되어 형성될 수 있다. 제1유체 입구(111)는 제1유체 채널(113)과 연통될 수 있다.
제1유체 출구(112)는 제1유체가 유출되는 출구일 수 있다. 제1유체 출구(112)는 제1블록(11)의 타측에 관통되어 형성될 수 있다. 제1유체 출구(112)는 제1유체 채널(113)과 연통될 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에서, 제1유체 입구(111) 및 제1유체 출구(112)는 제1블록(11)을 직선으로 관통하는 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것으로, 제1유체 입구(111) 및 제1유체 출구(112)는 절곡된 구조로 제1블록(11)을 관통할 수도 있다.
제1유체 채널(113)은 제1유체가 흐르면서 열교환이 이루어지는 공간을 의미할 수 있다. 제1유체 채널(113)은 제1블록(11)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 제1유체 채널(113)은 제1블록(11)의 일면에 함몰되어 형성될 수 있다. 제1유체 채널(113)은 제1블록(11)의 일면의 일부가 내측으로 함몰되어 형성된 공간일 수 있다. 즉, 제1유체 채널(113)은 개방된 상태로 형성될 수 있다. 제1유체 채널(113)은 박막 시편(13)에 의하여 덮임으로써 폐쇄될 수 있다. 제1유체는 제1유체 입구(111)를 통해 유입되고, 제1유체 채널(113)을 지나면서 열교환을 하고, 제1유체 출구(112)를 통해 유출될 수 있다. 제1유체 출구(112)를 통해 유출된 제1유체는, 다시 제1유체 입구(111)를 통해 유입될 수 있다.
제2블록(12)은 제2유체 입구(121), 제2유체 출구(122) 및 제2유체 채널(123)을 포함할 수 있다. 제2블록(12)은 제1블록(11)과 대칭적인 구조로 형성될 수 있다.
제2유체 입구(121)는 제2유체가 유입되는 입구일 수 있다. 제2유체 입구(121)는 제2블록(12)의 일측에 관통되어 형성될 수 있다. 제2유체 입구(121)는 제2유체 채널(123)과 연통될 수 있다.
제2유체 출구(122)는 제2유체가 유출되는 출구일 수 있다. 제2유체 출구(122)는 제2블록(12)의 타측에 관통되어 형성될 수 있다. 제2유체 출구(122)는 제2유체 채널(123)과 연통될 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에서, 제2유체 입구(121) 및 제2유체 출구(122)는 제2블록(12)을 직선으로 관통하는 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것으로, 제2유체 입구(121) 및 제2유체 출구(122)는 절곡된 구조로 제2블록(12)을 관통할 수도 있다.
제2유체 채널(123)은 제2유체가 흐르면서 열교환이 이루어지는 공간을 의미할 수 있다. 제2유체 채널(123)은 제2블록(12)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 제2유체 채널(123)은 제2블록(12)의 일면에 함몰되어 형성될 수 있다. 제2유체 채널(123)은 제2블록(12)의 일면의 일부가 내측으로 함몰되어 형성된 공간일 수 있다. 즉, 제2유체 채널(123)은 개방된 상태로 형성될 수 있다. 제2유체 채널(123)은 박막 시편(13)에 의하여 덮임으로써 폐쇄될 수 있다. 제2유체는 제2유체 입구(121)를 통해 유입되고, 제2유체 채널(123)을 지나면서 열교환을 하고, 제2유체 출구(122)를 통해 유출될 수 있다. 제2유체 출구(122)를 통해 유출된 제2유체는, 다시 제2유체 입구(121)를 통해 유입될 수 있다.
박막 시편(13)은 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)의 경계를 구성할 수 있다. 박막 시편(13)은 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)이 분리되도록, 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)의 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 박막 시편(13)은, 일면이 제1유체 채널(113)에 접하고 타면이 제2유체 채널(123)에 접하도록, 제1블록(11) 및 제2블록(12)의 사이에 배치될 수 있다. 박막 시편(13)은 개방된 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)을 덮음으로써, 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)에 각 유체가 흐를 수 있도록 각 채널(113, 123)을 폐쇄시킬 수 있다. 제1유체 및 제2유체는 박막 시편(13)을 사이에 두고 각 채널(113, 123)을 타고 흐르면서 서로 열교환을 수행할 수 있다. 박막 시편(13)의 일면에는 제1유체가 접촉되고, 타면에는 제2유체가 접촉될 수 있다. 박막 시편(13)은 나노 입자의 퇴적을 관찰하기 용이하도록, 예를 들어 수백 마이크로미터 크기의 두께로 형성될 수 있다. 박막 시편(13)은 길이 방향으로 형성될 수 있다.
실링부(14)는 제1유체 및 제2유체의 유출을 방지할 수 있다. 다시 말해, 실링부(14)는 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)을 타고 흐르는 각 유체가 각 채널(113, 123) 밖으로 흘러나오는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 실링부(14)는 오링(O-ring) 또는 고무 패킹을 의미할 수 있다. 실링부(14)는 제1블록(11) 및 제2블록(12)에 삽입되어 고정될 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)에는 실링부(14)가 삽입되기 위한 홈이 형성될 수 있다. 실링부(14)는 박막 시편(13)을 수직한 방향에서 바라볼 때를 기준으로, 박막 시편(13)의 둘레 방향을 따라서 배치되고, 폐곡선 형상을 가질 수 있다. 실링부(14)는 탈부착 수단(16)이 가압되어 체결됨에 따라 탄성적으로 압축될 수 있다. 실링부(14)는 박막 시편(13)이 손상되지 않도록, 박막 시편(13)을 탄성적으로 지지할 수 있다. 실링부(14)는 예를 들어, 제1유체의 유출을 방지하기 위해 제1블록(11)에 연결되는 제1실링부재(141) 및 제2유체의 유출을 방지하기 위해 제2블록(12)에 연결되는 제2실링부재(142)를 포함할 수 있다. 제1실링부재(141) 및 제2실링부재(142)는 박막 시편(13)에 대응되는 크기로 형성될 수 있다.
센서부(15)는 제1유체 또는 제2유체의 온도 또는 압력을 측정할 수 있다. 센서부(15)는 온도 센서 및 압력 센서를 포함할 수 있다. 센서부(15)는 제1유체 입구(111), 제1유체 출구(112), 제2유체 입구(121) 및 제2유체 출구(122)에 각각 설치될 수 있다. 한편, 센서부(15)는 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)에 설치될 수도 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)에는 센서부(15)가 설치되기 위한 공간이 마련될 수 있다. 센서부(15)에서 측정된 제1유체 및 제2유체의 입구 및 출구에서의 온도 값 및/또는 압력 값을 이용하여, 각 유체의 열저항을 계산할 수 있다. 센서부(15)의 측정은 실시간으로 수행될 수 있다.
탈부착 수단(16)은 제1블록(11) 및 제2블록(12)을 탈부착 가능하게 체결시킬 수 있다. 예를 들어, 탈부착 수단(16)은 서로 체결 가능한 볼트와 너트를 포함할 수 있다. 탈부착 수단(16)은 용이하게 체결되거나 분리될 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)에는 탈부착 수단(16)이 삽입되기 위한 공간이 마련될 수 있다. 탈부착 수단(16)을 서로 체결시킴으로써, 제1블록(11) 및 제2블록(12)을 체결시킬 수 있다. 또한, 탈부착 수단(16)을 서로 분리시킴으로써, 제1블록(11) 및 제2블록(12)을 서로 분리시킬 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)를 이용한 실험 방법에 대하여 설명하도록 한다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)은, 박막 시편(13)을 사이에 두고 탈부착 수단(16)에 의하여 서로 체결될 수 있다. 박막 시편(13)은 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)이 서로 분리되도록, 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 박막 시편(13)은 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)의 경계 벽으로 기능할 수 있다. 한편, 제1블록(11) 및 제2블록(12)에는 실링부(14) 및 센서부(15)가 연결될 수 있다. 제1블록(11) 및 제2블록(12)을 서로 체결시킨 후, 제1유체 입구(111) 및 제2유체 입구(121)로 제1유체 및 제2유체를 각각 유입시킬 수 있다. 예를 들어, 제1유체는 나노 유체이고, 제2유체는 냉각 유체일 수 있다. 나노 유체는 고온 상태의 나노 유체일 수 있다. 냉각 유체는 고온의 나노 유체를 냉각시키기 위하여 저온 상태일 수 있다. 한편, 냉각 유체는 저온 상태의 나노 유체일 수도 있다. 제1유체 및 제2유체는, 각각 제1유체 채널(113) 및 제2유체 채널(123)을 지나면서 박막 시편(13)을 통해 서로 열교환을 수행할 수 있다. 박막 시편(13)의 일면에는 제1 유체가 흐르고, 타면에는 제2유체가 흐를 수 있다. 센서부(15)는 제1유체 및 제2유체의 입구 및 출구에서의 온도 및/또는 압력을 측정할 수 있다. 센서부(15)에서 측정된 온도 및/또는 압력 값을 이용하여, 제1유체 및/또는 제2유체의 열저항을 계산할 수 있으며, 계산된 열저항을 이용해 파울링 현상을 분석할 수 있다. 제1유체 및 제2유체를 일정 시간 유동시킨 뒤에 탈부착 수단(16)을 분리하여, 제1블록(11) 및 제2블록(12)을 서로 분리시킬 수 있다. 박막 시편(13)은 별도의 고정 장치 없이 제1블록(11) 및 제2블록(12)의 사이에 보유되어 있었으므로, 제1블록(11) 및 제2블록(12)을 서로 분리시키면 박막 시편(13)을 손상시키지 않으면서 박막 시편(13)을 꺼낼 수 있다. 즉, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)를 이용하면, 나노 유체가 유동하면서 열교환이 수행된 박막 시편(13)을 손상없이 획득할 수 있다. 획득한 박막 시편(13)을 전자현미경 등을 통해 관찰하여 나노 입자의 퇴적 현상을 직접 관찰하고 분석할 수 있다. 또는, 다양한 실험을 통해 박막 시편(13)을 분석하여, 파울링 현상의 원인과 메커니즘을 효율적으로 분석할 수 있다. 한편, 제1유체가 나노 유체이고 제2유체가 냉각 유체인 것으로 설명하였으나, 제1유체 및 제2유체는 다양한 유체로 설정될 수 있다. 제1유체가 냉각 유체이고 제2유체가 나노 유체여도 무방하며, 제1유체는 나노 입자가 아닌 마이크로 크기의 입자를 포함하는 유체일 수도 있다. 한편, 도 1에 화살표로 도시된 유체의 유동 방향은 예시적인 것으로, 도시된 방향의 역방향으로 유체를 유동시킬 수도 있다. 즉, 입구와 출구라는 용어가 유체의 유동 방향을 한정하는 것은 아님에 유의해야 한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 단면도이다. 도 4는 일 실시 예에 따른 나노 유체의 파울링 측정 장치의 분해 사시도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 각 구성은 개략적으로 도시된 것으로, 각 구성의 위치, 크기, 형상 및 개수를 한정하는 것은 아님에 유의해야 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(2)는 제1블록(21), 제2블록(22), 중간 플레이트(23), 박막 시편(24), 실링부(25), 센서부(26) 및 탈부착 수단(27)을 포함할 수 있다.
제1블록(21)은 제1유체 입구(211), 제1유체 출구(212), 제1유체 채널(213)을 포함할 수 있다. 제2블록(22)은 제2유체 입구(221), 제2유체 출구(222), 제2유체 채널(223)을 포함할 수 있다.
제1블록(21)의 제1유체 입구(211), 제1유체 출구(212) 및 제1유체 채널(213)과 제2블록(22)의 제2유체 입구(221), 제2유체 출구(222) 및 제2유체 채널(223)에 대한 내용은 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)에서 설명한 내용과 중복되는 내용이므로 생략하도록 한다.
제1블록(21) 및 제2블록(22)은 사이에 중간 플레이트(23)를 두고 서로 체결될 수 있다. 또한, 제1블록(21)과 중간 플레이트(23)의 사이 및 제2블록(22)과 중간 플레이트(23)의 사이에는 각각 박막 시편(24)이 배치될 수 있다.
제1블록(21)은 제3유체 입구(214) 및 제3유체 출구(215)를 더 포함할 수 있다.
제3유체 입구(214)는 제3유체가 유입되는 입구일 수 있다. 제3유체 입구(214)는 제1블록(21)의 일측에 관통되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3유체 입구(214)는 제1유체 입구(211)보다 더 외측에 형성될 수 있다.
제3유체 출구(215)는 제3유체가 유출되는 출구일 수 있다. 제3유체 출구(215)는 제1블록(21)의 타측에 관통되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3유체 출구(215)는 제1유체 출구(212)보다 더 외측에 형성될 수 있다.
한편, 제2블록(22)도 제1블록(21)과 마찬가지로, 제3유체 입구(224) 및 제3유체 출구(225)를 더 포함할 수 있다. 제2블록(22)의 제3유체 입구(224) 및 제3유체 출구(225)에 대한 내용은, 제1블록(21)의 제3유체 입구(214) 및 제3유체 출구(215)에 대한 내용과 중복되는 내용이므로 생략하도록 한다.
중간 플레이트(23)는 제3유체가 흐르는 공간을 형성할 수 있다. 중간 플레이트(23)는 제1블록(21) 및 제2블록(22)의 사이에 배치될 수 있다. 중간 플레이트(23)는 길이 방향으로 형성될 수 있다. 중간 플레이트(23)는 제3유체 채널(231)을 포함할 수 있다.
제3유체 채널(231)은 제3유체가 흐르면서 열교환이 이루어지는 공간을 의미할 수 있다. 제3유체 채널(231)은 중간 플레이트(23)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 제3유체 채널(231)은 중간 플레이트(23)를 관통하여 형성될 수 있다. 제3유체 채널(231)은 개방된 상태로 형성될 수 있다. 제3유체 채널(231)은 2개의 박막 시편(24)에 의하여 양쪽에서 덮임으로써 폐쇄될 수 있다. 중간 플레이트(23)는 제3유체 채널(231)이 제3유체 입구(214, 224) 및 제3유체 출구(215, 225)와 연통되도록, 제1블록(21) 및 제2블록(22)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1블록(21) 및 제2블록(22)이 서로 체결된 상태를 기준으로, 제3유체 입구(214, 224) 및 제3유체 출구(215, 225)는 제3유체 채널(231)과 연통될 수 있다. 제3유체는 제3유체 입구(214, 224)를 통해 유입되고, 제3유체 채널(231)을 지나면서 열교환을 하고, 제3유체 출구(215, 225)를 통해 유출될 수 있다. 제3유체 출구(215, 225)를 통해 유출된 제3유체는, 다시 제3유체 입구(214, 224)를 통해 유입될 수 있다.
박막 시편(24)은 제1유체 채널(213)과 제3유체 채널(231) 및 제2유체 채널(223)과 제3유체 채널(231)의 경계를 형성할 수 있다. 박막 시편(24)은 2개가 마련될 수 있다. 2개의 박막 시편(24)은 제1유체 채널(213) 및 제2유체 채널(223)로부터 제3유체 채널(231)을 각각 분리시킬 수 있다. 2개의 박막 시편(24)은 제1유체 채널(213)과 제3유체 채널(231) 및 제2유체 채널(223)과 제3유체 채널(231)의 사이에 각각 배치될 수 있다. 다시 말해, 2개의 박막 시편(24)은, 제1블록(21)과 중간 플레이트(23)의 사이 및 제2블록(22)과 중간 플레이트(23)의 사이에 각각 배치될 수 있다. 박막 시편(24)은 개방된 제1유체 채널(213), 제2유체 채널(223) 및 제3유체 채널(231)을 덮음으로써, 제1유체 채널(213), 제2유체 채널(223) 및 제3유체 채널(231)에 각 유체가 흐를 수 있도록 각 채널(213, 223, 231)을 폐쇄시킬 수 있다. 제1유체 및 제2유체는 박막 시편(24)을 사이에 두고 각 채널(213, 223)을 타고 흐르면서 제3유체와 열교환을 수행할 수 있다. 박막 시편(24)은 나노 입자의 퇴적을 관찰하기 용이하도록, 예를 들어 수백 마이크로미터 크기의 두께로 형성될 수 있다. 박막 시편(24)은 길이 방향으로 형성될 수 있다.
실링부(25)는 제1유체, 제2유체 및 제3유체의 유출을 방지할 수 있다. 다시 말해, 실링부(25)는 제1유체 채널(213), 제2유체 채널(223) 및 제3유체 채널(231)을 타고 흐르는 각 유체가 각 채널(213, 223, 231) 밖으로 흘러나오는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 실링부(25)는 오링(O-ring) 또는 고무 패킹을 의미할 수 있다. 실링부(25)는 제1블록(21) 및 제2블록(22)에 삽입되어 고정될 수 있다. 제1블록(21) 및 제2블록(22)에는 실링부(25)가 삽입되기 위한 홈이 형성될 수 있다. 실링부(25)는 박막 시편(24)을 수직한 방향에서 바라볼 때를 기준으로, 박막 시편(24)의 둘레 방향을 따라서 배치되고, 폐곡선 형상을 가질 수 있다. 실링부(25)는 탈부착 수단(27)이 가압되어 체결됨에 따라 탄성적으로 압축될 수 있다. 실링부(25)는 박막 시편(24)이 손상되지 않도록, 박막 시편(24)을 탄성적으로 지지할 수 있다. 실링부(25)는 예를 들어, 제1유체의 유출을 방지하기 위해 제1블록(21)에 연결되는 제1실링부재(251), 제2유체의 유출을 방지하기 위해 제2블록(22)에 연결되는 제2실링부재(252) 및 제3유체의 유출을 방지하기 위해 제1블록(21) 및 제2블록(22)에 연결되는 제3실링부재(253)를 포함할 수 있다. 제1실링부재(251) 및 제2실링부재(252)는 박막 시편(24)에 대응되는 크기로 형성될 수 있고, 제3실링부재(253)는 중간 플레이트(23)에 대응되는 크기로 형성될 수 있다.
센서부(26)는 각 유체의 입구(211, 221, 214, 224), 출구 (212, 222, 215, 225) 및 채널(213, 223, 231)에 설치될 수 있다. 센서부(26)에 대한 내용은 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)에서 설명한 내용과 중복되는 내용이므로 생략하도록 한다.
탈부착 수단(27)에 대한 내용은 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(1)에서 설명한 내용과 중복되는 내용이므로 생략하도록 한다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(2)를 이용한 실험 방법에 대하여 설명하도록 한다. 제1블록(21) 및 제2블록(22)은 중간 플레이트(23) 및 2개의 박막 시편(24)을 사이에 두고 탈부착 수단(27)에 의하여 서로 체결될 수 있다. 2개의 박막 시편(24)은 제1유체 채널(213)과 제3유체 채널(231)의 사이 및 제2유체 채널(223)과 제3유체 채널(231)의 사이에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1블록(21), 박막 시편(24), 중간 플레이트(23), 박막 시편(24) 및 제2블록(22)의 순서로 배치되어 연결될 수 있다. 박막 시편(24)은 제1유체 채널(213)과 제3유체 채널(231) 및 제2유체 채널(223)과 제3유체 채널(231)의 경계 벽으로 기능할 수 있다. 한편, 제1블록(21) 및 제2블록(22)에는 실링부(25) 및 센서부(26)가 연결될 수 있다. 제1블록(21) 및 제2블록(22)을 서로 체결시킨 후, 제1유체 입구(211), 제2유체 입구(221) 및 제3유체 입구(214, 224)로 제1유체, 제2유체 및 제3유체를 각각 유입시킬 수 있다. 제1유체, 제2유체 및 제3유체 중 적어도 하나는 나노 유체일 수 있다. 예를 들어, 제1유체 및 제2유체는 냉각 유체이고, 제3유체는 나노 유체일 수 있다. 나노 유체는 고온 상태의 나노 유체일 수 있다. 냉각 유체는 고온의 나노 유체를 냉각시키기 위하여 저온 상태일 수 있다. 제1유체 및 제2유체는, 각 제1유체 채널(213) 및 제2유체 채널(223)을 지나면서 박막 시편(24)을 통해 제3유체와 열교환을 수행할 수 있다. 센서부(26)는 제1유체, 제2유체 및 제3유체의 입구 및 출구에서의 온도 및/또는 압력을 측정할 수 있다. 센서부(26)에서 측정된 온도 및/또는 압력 값을 이용하여, 제1유체, 제2유체 및/또는 제3유체의 열저항을 계산할 수 있으며, 계산된 열저항을 이용해 파울링 현상을 분석할 수 있다. 제1유체, 제2유체 및 제3유체를 일정 시간 유동시킨 뒤에 탈부착 수단(27)을 해체하여, 제1블록(21) 및 제2블록(22)을 서로 분리시킬 수 있다. 박막 시편(24)은 별도의 고정 장치 없이 제1블록(21) 및 제2블록(22)의 사이에 보유되어 있었으므로, 제1블록(21) 및 제2블록(22)을 서로 분리시키면 박막 시편(24)을 손상시키지 않으면서 박막 시편(24)을 꺼낼 수 있다. 즉, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(2)를 이용하면, 나노 유체가 유동하면서 열교환이 수행된 박막 시편(24)을 손상없이 획득할 수 있다. 특히, 일 실시 예에 따른 파울링 측정 장치(2)는 2개의 박막 시편(24)에서 동시에 열교환이 수행되므로, 한번의 실험으로 2개의 박막 시편(24) 샘플을 획득할 수 있다. 획득한 박막 시편(24)을 전자현미경 등을 통해 관찰하여 나노 입자의 퇴적 현상을 직접 관찰하고 분석할 수 있다. 또는, 다양한 실험을 통해 박막 시편(24)을 분석하여, 파울링 현상의 원인과 메커니즘을 효율적으로 분석할 수 있다. 한편, 제1유체가 냉각 유체이고 제2유체가 나노 유체인 것으로 설명하였으나, 제1유체, 제2유체 및 제3유체는 다양한 유체로 설정될 수 있다. 제1유체 및 제2유체가 나노 유체이고 제3유체가 냉각 유체여도 무방하며, 제3유체는 나노 입자가 아닌 마이크로 크기의 입자를 포함하는 유체일 수도 있다. 또한, 제1유체, 제2유체 및 제3유체의 온도나 압력 조건을 서로 다르게 설정할 수 있다. 한편, 도 3에 화살표로 도시된 유체의 유동 방향은 예시적인 것으로, 도시된 방향의 역방향으로 유체를 유동시킬 수도 있다. 즉, 입구와 출구라는 용어가 유체의 유동 방향을 한정하는 것은 아님에 유의해야 한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 나노 유체의 마모 측정 장치의 개략도이다. 도 5에 도시된 각 구성은 개략적으로 도시된 것으로, 각 구성의 위치, 크기, 형상 및 개수를 한정하는 것은 아님에 유의해야 한다.
일 실시 예에 따른 마모 측정 장치(3)를 이용하면, 나노 입자의 충돌에 의하여 열전달 표면이 침식되는 정도를 관찰할 수 있다.
일 실시 예에 따른 마모 측정 장치(3)는 챔버(31), 회전부(32) 및 박막 시편(33)을 포함할 수 있다.
챔버(31)는 나노 유체를 수용할 수 있다. 챔버(31)는 원형으로 형성될 수 있다.
회전부(32)는 챔버(31) 내에 수용된 나노 유체를 유동시킬 수 있다. 예를 들어, 회전부(32)는 임펠러일 수 있다. 회전부(32)는 챔버(31) 내에서 회전함으로써, 나노 유체의 유동을 형성할 수 있다.
박막 시편(33)은 나노 입자의 충돌에 따른 마모 특성을 분석하기 위한 시편일 수 있다. 박막 시편(33)은 나노 유체가 수용된 챔버(31) 내에 고정될 수 있다. 박막 시편(33)이 챔버(31) 내에 고정된 각도는 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 박막 시편(33)은 나노 유체의 유동 방향에 수직한 각도로 고정되거나, 나노 유체의 유동 방향에 평행한 각도로 고정될 수 있다. 박막 시편(33)은 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 박막 시편(33)은 챔버(31)의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 복수 개의 박막 시편(33)이 챔버(31) 내에 고정되는 각도는 서로 다르게 조정될 수 있다. 박막 시편(33)은 탈부착이 용이하도록, 고정대(34)에 핀으로 고정될 수 있다.
도 5를 참조하여, 일 실시 예에 따른 마모 측정 장치를 이용한 실험 방법에 대하여 설명하도록 한다. 챔버(31)에 나노 유체를 수용하고, 박막 시편(33)을 나노 유체에 잠기도록 챔버(31) 내에 고정시킬 수 있다. 회전부(32)를 회전시켜 나노 유체의 유동을 형성할 수 있다. 나노 유체의 유동에 따라, 나노 유체 내에 분산되어 있는 나노 입자는 박막 시편(33)에 충돌하게 되고, 박막 시편(33)은 나노 입자의 충돌에 의하여 침식되거나 마모될 수 있다. 일정 시간만큼 나노 유체를 회전시킨 다음, 박막 시편(33)을 고정대(34)에서 분리하여, 박막 시편(33)의 표면을 관찰하거나 시간에 따른 무게를 측정하여 마모 정도를 측정할 수 있다. 한편, 일 실시 예에 따른 마모 측정 장치(3)는 박막 시편(33)의 무게를 측정하기 위한 센서(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 센서는 박막 시편(33)을 고정대(34)에서 분리하지 않고도, 박막 시편(33)의 무게를 실시간으로 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
1: 파울링 측정 장치
11: 제1블록
12: 제2블록
13: 박막 시편
2: 파울링 측정 장치
21: 제1블록
22: 제2블록
23: 중간 플레이트
24: 박막 시편
3: 마모 측정 장치
31: 챔버
32: 회전부
33: 박막 시편

Claims (13)

  1. 파울링 측정 장치에 있어서,
    제1유체가 흐르는 제1유체 채널이 형성된 제1블록;
    상기 제1블록과 탈부착 가능하고, 제2유체가 흐르는 제2유체 채널이 형성된 제2블록; 및
    상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널이 서로 차단되도록, 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널의 사이에 배치되어 상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널의 경계를 구성하는 박막 시편을 포함하는, 파울링 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체 채널은 상기 제1블록의 일면에 함몰되어 형성되고,
    상기 제2유체 채널은 상기 제2블록의 일면에 함몰되어 형성되는, 파울링 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1블록 및 제2블록을 탈부착 가능하게 체결하기 위한 탈부착 수단을 더 포함하는, 파울링 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1블록은, 상기 제1유체 채널과 연통되도록 상기 제1블록을 관통하여 형성되는 제1유체 입구 및 제1유체 출구를 더 포함하고,
    상기 제2블록은, 상기 제2유체 채널과 연통되도록 상기 제2블록을 관통하여 형성되는 제2유체 입구 및 제2유체 출구를 더 포함하는, 파울링 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체 또는 제2유체의 유출을 방지하기 위하여, 상기 제1블록 또는 제2블록에 연결되는 실링부를 더 포함하는, 파울링 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체는 나노 유체인, 파울링 측정 장치.
  7. 파울링 측정 장치에 있어서,
    제1유체가 흐르는 제1유체 채널이 형성된 제1블록;
    상기 제1블록과 탈부착 가능하고, 제2유체가 흐르는 제2유체 채널이 형성된 제2블록;
    상기 제1블록 및 제2블록의 사이에 배치되며, 제3유체가 흐르는 제3유체 채널이 형성된 중간 플레이트; 및
    상기 제1유체 채널 및 제2유체 채널로부터 상기 제3유체 채널이 각각 차단되도록, 상기 제1블록과 중간 플레이트 사이 및 상기 제2블록과 중간 플레이트 사이에 각각 배치되어 경계를 구성하는 2개의 박막 시편을 포함하는, 파울링 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1유체 채널은 상기 제1블록의 일면에 함몰되어 형성되고,
    상기 제2유체 채널은 상기 제2블록의 일면에 함몰되어 형성되고,
    상기 제3유체 채널은 상기 중간 플레이트를 관통하여 형성되는, 파울링 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1블록 및 제2블록을 탈부착 가능하게 체결하기 위한 탈부착 수단을 더 포함하는, 파울링 측정 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1블록은, 상기 제1유체 채널과 연통되도록 상기 제1블록을 관통하여 형성되는 제1유체 입구 및 제1유체 출구를 더 포함하고,
    상기 제2블록은, 상기 제2유체 채널과 연통되도록 상기 제2블록을 관통하여 형성되는 제2유체 입구 및 제2유체 출구를 더 포함하는, 파울링 측정 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1블록은, 상기 제1블록을 관통하여 형성되는 제3유체 입구 및 제3유체 출구를 더 포함하고,
    상기 제1블록 및 제2블록이 체결된 상태를 기준으로, 상기 제3유체 입구 및 제3유체 출구는 상기 제3유체 채널과 연통되는, 파울링 측정 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1유체, 제2유체 또는 제3유체의 유출을 방지하기 위하여, 상기 제1블록 또는 제2블록에 연결되는 실링부를 더 포함하는, 파울링 측정 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제1유체, 제2유체 및 제3유체 중 적어도 하나는 나노 유체인, 파울링 측정 장치.
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