KR102583698B1 - 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법을 제공하는 바, 진동형 히트 파이프, 고온 진동형 히트 파이프와 연결된 고온 가열로, 냉각액 블럭, 고압 펌프, 항온 액체 탱크, 유량계, 필터, 냉각액 밸브와 계측 및 제어 시스템을 포함하며; 항온 액체 탱크, 고압 펌프, 필터, 냉각액 밸브, 액체 진입구 T피팅, 냉각액 블럭, 액체 배출구 T피팅과 유량계가 순차적으로 연결되고, 계량계와 항온 액체 탱크가 연결되며, 상기 모든 장치가 순환 연결 회로를 구성하며; 상기 냉각액 블럭의 앞측에 채널을 구비하고, 채널과 고온 진동형 히트 파이프의 응축 구간이 연결되며, 고온 진동형 히트 파이프의 절연 구간이 고온 가열로와 연결된다. 본 발명은 고온 진동형 히트 파이프의 고온 환경 하의 테스트 수요를 만족시킬 수 있고, 설계된 고온 진동형 히트 파이프는 고온 환경 하에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있다.
Description
본 발명은 진동형 히트 파이프 연구 기술 분야에 관한 것으로서, 구체적으로 말하면, 특히 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법에 관한 것이다.
진동형 히트 파이프(OHP)는 Akachi가 20세기 90연대에 제시한 일종 신형, 고효율, 미세 공간, 고 열 유속 밀도 조건 하에서 사용할 수 있는 열전도 부품이다. 진동형 히트 파이프는 만곡된 모세관으로 구성되고, 관내 진공을 형성한 후 적당량의 작동 매체 유체를 충진시킨다. 작동 시, 작동 매체가 가열 구간에서 흡열 팽창 및 승압되어 저온 응축 구간으로 흐르고, 기체 기둥이 냉각 수축되고 또한 파열되며, 양단 간에 압력 차이가 존재하고 또한 인접된 관 간의 압력이 불균형이기 때문에, 작동 매체가 가열 구간과 응축 구간 사이에서 진동 운동하여, 열량의 전달을 구현한다.
일반적으로, 작업 온도가 500℃를 초과하는 진동형 히트 파이프를 고온 진동형 히트 파이프라 칭한다. 현재 생산, 연구 중인 진동형 히트 파이프는 대부분의 작동 온도가 200℃를 초과하지 않으며, 이는 진동형 히트 파이프의 항공 우주 등 고온 열전도 분야에서의 응용을 제약한다. 그러므로 고온 하에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있는 진동형 히트 파이프를 제작하는 것은 중요한 의미를 갖는다.
공학 응용을 지도하고, 고온 진동형 히트 파이프 열전도 성능의 규칙을 파악하며, 서로 다른 동작 조건에 적용되는 고온 진동형 히트 파이프를 설계하기 위하여, 고온 진동형 히트 파이프 열전도 성능에 대하여 연구를 진행하여야 하고, 연구 과정에서 실험 데이터의 정확성과 신뢰성을 확보하여야 한다. 하지만 종래의 진동형 히트 파이프 테스트 방법은 단지 저온 환경 하의 테스트 수요만 만족시킬 수 있고, 고온 환경 하의 테스트 수요를 만족시킬 수 없기 때문에, 신형 고온 진동형 히트 파이프 테스트 시스템을 구축하는 것은 중요한 의미를 갖는다.
상기한 종래 기술에 존재하는 진동형 히트 파이프가 고온 하에서 장시간 안정적으로 작동하기 어렵고, 또한 종래의 진동형 히트 파이프 테스트 방법이 고온 환경 하의 테스트 수요를 만족시킬 수 없는 기술적 과제에 의하여, 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법을 제공한다. 본 발명은 주요하게 테스트 시스템을 사용하여 고온 진동형 히트 파이프를 위하여 고온 환경 하의 테스트 조건을 제공하여, 고온 진동형 히트 파이프가 냉각액을 통하여 가져간 열량을 측량 및 계산하고, 아울러 누설열을 측량 및 계산하여, 더욱 정확하게 고온 진동형 히트 파이프가 전달하는 열량을 측량하여, 더욱 정확하게 고온 진동형 히트 파이프의 열전도 성능을 평가한다.
본 발명의 기술 수단은 하기와 같다.
본 발명의 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프는, 3방향 액체 충진 포트, 및 가열 구간, 열차단 구간, 응축 구간이 한데 집적된 스테인레스강 파이프 어레이를 포함하고, 상기 3방향 액체 충진 포트의 수평 방향 상의 두 개의 포트가 스테인레스강 파이프 어레이의 두 개의 포트와 연결되며, 상기 스테인레스강 파이프 어레이 내의 작동 매체는 고온하에서 비교적 높은 기화 잠열을 가지는 액체 금속이고, 상기 액체 금속은 나트륨-칼륨 합금, 금속 나트륨, 금속 칼륨, 금속 세슘 또는 금속 루비듐 중의 한 가지, 또는 한 가지 이상의 조합 형식이며, 그 중에서, 상기 나트륨-칼륨 합금 중 칼륨의 질량 분률은 25%~75%이며, 상기 액체 금속은 상온 하에서 액체 상태인 특징을 갖고 있어, 가열 과정에 융화 과정을 생략할 수 있으므로, 고온 진동형 히트 파이프의 가동이 더욱 간단하여, 고온 진동형 히트 파이프의 가동 성능을 향상시키고, 액체 충진 난이도를 낮추었다.
또한, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 액체 충진율은 10%~90%이다.
또한, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 관재는 스테인레스강, 니켈 합금 또는 Inconel 니켈 합금 중의 한 가지, 또는 한 가지 이상의 조합 형식이며, 상기 관재는 모두 내고온, 내부식의 특징을 갖고 있고, 고온 하에서 관재와 작동 매체가 비교적 훌륭한 호환성을 갖고 있으며, 아울러 상기 관재는 고온 진동형 히트 파이프의 작동 온도 구역에서 성능이 안정적이고, 고온 진동형 히트 파이프가 고온 환경 하에서 장시간 안정적으로 작동하도록 확보할 수 있으며; 상기 고온 진동형 히트 파이프의 벽 두께는 0.5~3mm이고, 내경은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 는 고온 진동형 히트 파이프의 내경(m)이고, 는 진동형 히트 파이프의 가동 임계 관 직경이며, 는 액체 충진율(%)이고, 는 열량을 가한 후 액체가 총 관 체적에서 차지하는 백분율(%)이며, 은 열량을 가하기 전 조작 온도 하의 액체 밀도(kg/m3)이고, 는 열량을 가한 후 액체 작동 매체의 평균 밀도(kg/m3)이며, 는 기포의 액체에 대한 상승 속도이고(m/s)이고, 는 냉단 온도 하의 작동 매체의 기화 잠열(J/kg)이며, 는 입력 전력(J/s)이고, 는 잠열 비율(%)이다.
본 발명에서는 또한 고온 진동형 히트 파이프의 열전도 성능을 측량하기 위한 상기 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프를 위한 테스트 방법을 제공하는 바, 해당 방법은 하기 테스트 시스템을 통하여 측량을 진행하는 것으로서, 상기 테스트 시스템은 고온 진동형 히트 파이프와 연결된 고온 가열로, 냉각액 블럭, 고압 펌프, 항온 액체 탱크, 유량계, 필터, 냉각액 밸브와 계측 및 제어 시스템을 포함하고, 상기 계측 및 제어 시스템은 상기 각 장치와 신호 연결되며;
상기 항온 액체 탱크는 상기 고압 펌프의 일측과 연결되고, 상기 고압 펌프의 타측은 상기 필터의 일측과 연결되며, 상기 필터의 타측은 상기 냉각액 밸브의 일측과 연결되고, 상기 냉각액 밸브의 타측은 구비된 액체 진입구 T피팅을 통하여 상기 냉각액 블럭의 일측과 연결되며, 상기 냉각액 블럭의 타측은 구비된 액체 배출구 T피팅을 통하여 상기 유량계의 일측과 연결되고, 상기 유량계의 타측은 상기 항온 액체 탱크와 연결되며, 상기 모든 장치가 순환 연결 회로를 구성하고, 상기 항온 액체 탱크가 배출한 냉각액은 반시계 방향을 따라 흐르며, 최종적으로 상기 항온 액체 탱크로 흘러 돌아오고, 냉각액은 상기 고압 펌프를 통하여 순환 왕복 유동을 구현하며; 상기 냉각액 블럭의 외부 앞측에는 상기 고온 진동형 히트 파이프 외경 크기와 부합되는 채널을 구비하고, 상기 채널은 상기 고온 진동형 히트 파이프의 냉각 구간과 연결되며, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 열차단 구간은 상기 고온 가열로와 연결되고, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 가열 구간은 상기 고온 가열로 내에 구비되며; 상기 냉각액 블럭의 내부에는 다층 채널을 구비하고, 냉각액의 상기 채널 내의 유동은 고온 진동형 히트 파이프 응축 구간의 열량을 냉각액으로 전달하고, 나아가 고온 진동형 히트 파이프의 냉각을 구현하며; 상기 필터는 냉각액 중의 불순물에 대하여 필터링을 진행하여, 유량계를 보호하며; 상기 유량계는 냉각액 유량에 대하여 측량을 진행하며; 상기 냉각액 밸브는 냉각액 유량을 조절하며; 상기 항온 액체 탱크는 배출되는 냉각액의 온도가 일정하도록 유지하며; 항온 액체 탱크, 고압 펌프, 냉각액 밸브의 파라미터를 설정하는 것을 통하여 냉각액의 온도와 유량을 제어할 수 있으며;
테스트 방법은, 고압 펌프를 가동시켜 냉각액이 순환을 시작하게 하고, 냉각액 밸브 개방 정도를 조절하고 또한 유량계의 데이터를 읽는 것을 통하여 냉각액 유량을 조절하며, 필터를 통하여 냉각액에 대하여 필터링을 진행하여 불순물을 제거하며; 항온 액체 탱크를 가동시켜, 냉각액 온도에 대하여 조절을 진행하여, 고온 진동형 히트 파이프를 위하여 안정적인 냉각 환경을 제공해주며; 고온 가열로를 저전력 가열 상태로 조절하여 워밍업을 진행하고, 워밍업 과정에서, 서모커플, RTD 온도 센서, 계측 및 제어 시스템에 대하여 디버깅을 진행하여 데이터의 정확성을 확보하며; 고온 가열로의 파라미터 설정을 조절하는 것을 통하여 고온 진동형 히트 파이프의 가열 온도, 가열 속도, 가열 전력 및 경사 각도를 제어 조절하고, 고온 가열로의 가열 프로그램을 조절하는 것을 통하여 다구간 가열 과정 파라미터를 설정하며, 가열 속도와 목표 노내 온도를 조절하고 또한 보온을 진행하며, 그리고 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동하도록 확보한 후 가열 전력을 변함없이 유지하고, 실험 데이터를 기록하며; 고온 가열로를 닫고, 항온 액체 탱크 온도를 낮게 조절하여 쿨링 과정으로 진입하며, 쿨링 과정이 종료된 후, 실험이 종료되는것이 특징이다.
또한, 상기 항온 액체 탱크가 배출하는 냉각액 온도 범위는 5℃~300℃인것이 특징이다.
또한, 상기 고온 진동형 히트 파이프와 냉각액 블럭의 외부 전체는 보온층으로 감싸, 고온 진동형 히트 파이프 응축 구간의 열량이 냉각액에 전달되도록 확보하고, 고온 진동형 히트 파이프가 전달하는 열량이 정확하게 계량되도록 확보하며; 상기 보온층의 재료는 내고온 보온 재료이며, 상기 보온층 내외는 모두 적어도 4개 서모커플을 구비하여, 보온층 내외 서모커플의 리딩 숫자를 통하여 보온층 내외 평균 온도를 측량하여 누설열을 취득하는것이 특징이다.
또한, 상기 액체 진입구 T피팅과 액체 배출구 T피팅은 모두 RTD 온도 센서가 연결되어 있고, 상기 RTD 온도 센서는 냉각액 파이프라인의 중심 위치에 삽입되는것이 특징이다.
또한, 상기 고온 가열로는 고온 진동형 히트 파이프를 가열하기 위한 것으로서, 이는 밀폐 박스 구조이고, 그 상부에는 노 상부 커버가 구비되며, 상기 노 상부 커버에는 단턱홀이 개설되고, 상기 고온 진동형 히트 파이프는 상기 단턱홀의 중부 통공을 통하여 상기 고온 가열로 내부로 삽입되며, 또한 그 열차단 구간을 내고온 보온 재료로 감싸고 또한 상기 노 상부 커버와 수직되는 방향에서 상기 중부 통공 내에 설치되며, 상기 고온 가열로는 상부에 노 상부 커버를 구비하고, 고온 가열로의 전후좌우 네 면에 가열봉을 설치하여, 고온 진동형 히트 파이프가 균일하게 열을 받도록 할 수 있으며; 상기 단턱홀과 수직 설치되는 고온 진동형 히트 파이프가 측면 간격을 형성하고, 상기 측면 간격 내는 내고온 보온 재료를 사용하여 충진 밀폐를 진행하며, 단턱홀을 형성하고 또한 그 중에 내고온 보온 재료를 충진하는 것을 통하여, 보온 재료가 더욱 견고하게 고정되어, 수직의 홀에 의해 초래되는 보온 재료가 탈락하는 현상을 방지할 수 있으며; 상기 고온 가열로의 노체 양측 중심 위치에는 플랜지판이 용접되어 있고, 상기 플랜지판 상에는 기어 전동 기구로 구성된 각도 조절 장치가 설치되어, 고온 가열로의 전체 경사 각도를 조절하고, 나아가 고온 진동형 히트 파이프의 경사 각도를 조절하는 바, 상기 경사 각도 범위는 0~180°이며; 고온 가열로의 파라미터 설정을 조절하는 것을 통하여 고온 진동형 히트 파이프의 가열 온도, 가열 속도, 가열 전력 및 경사 각도를 제어 조절하고, 고온 가열로의 가열 프로그램을 조절하는 것을 통하여 다구간 가열 과정 파라미터를 설정하며, 가열 속도와 목표 노내 온도를 조절하고 또한 보온을 진행하며, 그리고 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동하도록 확보한 후 가열 전력을 변함없이 유지하는것이 특징이다.
또한, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 가열 구간, 열차단 구간과 응축 구간은 각각 적어도 하나의 서모커플을 구비하고, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 응축 구간 상부의 횡방향 파이프 상에는 적어도 하나의 서모커플을 구비하며; 상기 고온 진동형 히트 파이프 상에 구비된 서모커플은 고온 진동형 히트 파이프 상의 각 파이프의 가열 구간, 열차단 구간과 응축 구간의 온도 변화 상황을 측정하여 온도 곡선을 취득하고, 고온 진동형 히트 파이프의 열저항을 취득하며, 나아가 고온 진동형 히트 파이프의 열전도 성능을 연구하고, 가열 구간, 응축 구간 서모커플 리딩 숫자를 통하여 가열 구간, 응축 구간 온도를 측량할 수 있으며, 복수의 서모커플 리딩 숫자에 대하여 평균값을 취하는 것을 통하여 가열 구간, 응축 구간의 평균 온도를 계산할 수 있는것이 특징이다.
또한, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 열저항은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 은 고온 진동형 히트 파이프의 열저항(K/W)이고, 는 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동 시 가열 구간의 평균 온도(℃)이며, 는 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동 시 응축 구간의 평균 온도(℃)이고, 는 고온 진동형 히트 파이프의 가열 전력(W)이며;
상기 고온 진동형 히트 파이프의 가열 전력은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 는 고온 진동형 히트 파이프 가열 전력(W)이고, 는 누설열(W)이며, 은 유량계가 측량한 냉각수의 질량 유량(kg/s)이고, 은 액체 배출구 T피팅 위치 RTD 온도 센서가 측량한 온도(℃)이며, 는 액체 진입구 T피팅 위치 RTD 온도 센서가 측량한 온도(℃)이고, 는 냉각액 진입/배출구 위치 온도 차이(℃)이며, 는 조작 온도 하의 물의 비열 용량(J/(kg·K))이고, (+)/2는 조작 온도(℃)이며;
상기 누설열은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 는 누설열(W)이고, 는 보온층 재료의 열전도 계수(W/(m·k))이며, 는 보온층의 면적(m2)이고, 은 보온층 내외 온도 차이(℃)이며, 은 보온층 두께(m)인것이 특징이다.
종래 기술에 비하여, 본 발명은 하기와 같은 이점을 갖는다.
1. 본 발명에서 제공하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법은, 고온 진동형 히트 파이프의 고온 환경 하의 테스트 수요를 만족시킬 수 있고, 아울러 설계된 고온 진동형 히트 파이프는 500℃를 초과하는 고온 환경 하에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있다.
2. 본 발명에서 제공하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법은, 그 테스트 시스템의 냉각액 파이프 라인에 두 개의 RTD 온도 센서, 필터, 고정밀도 유량계를 구비하였고, 그 중에서 액체 진입/배출구 T피팅 상부 포트를 통하여 RTD 온도 센서를 삽입하여 냉각액 진입/배출구의 온도를 측량하여, 냉각액 진입/배출구 온도 차이를 취득하고, 필터는 냉각액 중의 불순물을 필터링할 수 있어, 유량계를 보호함과 아울러 또한 유량 안정을 확보할 수 있고, 유량계는 유량을 측량하고, 상기 데이터를 통하여 고온 진동형 히트 파이프가 전달하는 열량을 계산할 수 있다.
3. 본 발명에서 제공하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법은, 고온 진동형 히트 파이프 응축 구간에 감싸인 보온층 내외에 모두 복수의 서모커플을 구비하는 것을 통하여, 보온층 내외벽의 온도를 측량하고, 열누설을 계산할 수 있다.
4. 본 발명에서 제공하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 및 테스트 방법은, 냉각액 시스템을 사용하여 고온 진동형 히트 파이프가 냉각액을 통하여 가져간 열량을 측량 및 계산하고, 아울러 누설열을 측량 및 계산하여, 더욱 정확하게 고온 진동형 히트 파이프가 전달하는 열량을 측량할 수 있고, 더욱 정확하게 고온 진동형 히트 파이프의 열전도 성능을 평가할수 있다.
요약하면, 본 발명의 기술방안을 적용하면, 종래 기술에 존재하는 진동형 히트 파이프가 고온 하에서 장시간 안정적으로 작동하기 어렵고, 종래의 진동형 히트 파이프 테스트 방법이 고온 환경 하의 테스트 수요를 만족시킬 수 없는 과제를 해결할 수 있다.
상기 이유를 기반으로 본 발명은 진동형 히트 파이프를 사용하여 고온 열전달을 진행하는 우주 항공 등 분야에 널리 보급할 수 있다.
본 발명의 실시예 또는 종래 기술 중의 기술방안에 대하여 더욱 명확한 설명을 진행하기 위하여, 아래 실시예의 설명에 사용될 도면에 대하여 간략한 설명을 진행하는 바, 하기 설명 중의 도면은 본 출원의 일부 실시예에 불과하며, 당업계의 기술자로 말하면 창조성적인 노력이 필요없이 이러한 도면에 의하여 기타 도면을 취득할 수 있다.
도1은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프의 구조도.
도2는 본 발명의 테스트 시스템의 구조도.
도3은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프와 냉각 블럭 모듈의 구조도.
도4는 본 발명의 고온 가열로의 노 상부 커버의 구조도.
도5는 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프 상 서모커플 설치 위치의 분포도.
도6은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프가 가동되고 또한 고온 가열로의 노 온도가 850℃일 때의 온도 곡선도.
도7은 본 발명의 고온 가열로 노 온도가 각각 900℃, 950℃와 1000℃ 단계일 때의 온도 곡선도.
도8은 본 발명의 고온 가열로 노 온도가 각각 1050℃와 1100℃ 단계일 때의 온도 곡선도.
도9는 본 발명의 고온 가열로 노 온도가 각각 1150℃와 1200℃ 단계일 때의 온도 곡선도.
도10은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프의 냉/열단 온도 차이가 전력에 따라 변화하는 곡선도.
도11은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프의 열저항이 전력에 따라 변화하는 곡선도.
도1은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프의 구조도.
도2는 본 발명의 테스트 시스템의 구조도.
도3은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프와 냉각 블럭 모듈의 구조도.
도4는 본 발명의 고온 가열로의 노 상부 커버의 구조도.
도5는 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프 상 서모커플 설치 위치의 분포도.
도6은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프가 가동되고 또한 고온 가열로의 노 온도가 850℃일 때의 온도 곡선도.
도7은 본 발명의 고온 가열로 노 온도가 각각 900℃, 950℃와 1000℃ 단계일 때의 온도 곡선도.
도8은 본 발명의 고온 가열로 노 온도가 각각 1050℃와 1100℃ 단계일 때의 온도 곡선도.
도9는 본 발명의 고온 가열로 노 온도가 각각 1150℃와 1200℃ 단계일 때의 온도 곡선도.
도10은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프의 냉/열단 온도 차이가 전력에 따라 변화하는 곡선도.
도11은 본 발명의 고온 진동형 히트 파이프의 열저항이 전력에 따라 변화하는 곡선도.
주목하여야 할 바로는, 충돌되지 않는 상황 하에서, 본 출원의 실시예 및 실시예 중의 특징은 상호 결합될 수 있다. 아래, 첨부된 도면과 실시예를 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예의 목적, 기술방안 및 이점이 더욱 명확해지도록 하기 위하여, 아래 본 발명의 실시예 중의 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예 중의 기술방안에 대하여 명확하고 완전한 설명을 진행하는 바, 기재되는 실시예는 본 발명의 일부 실시예이고 전부가 아님은 물론이다. 하기 적어도 하나의 예시적인 실시예의 설명은 단지 설명을 위한 것이고, 본 발명 및 그 응용 또는 사용에 대하여 제한하는 것이 전혀 아니다. 본 발명의 실시예에 의하여, 당업계의 기술자들이 창조성적인 노력을 필요로 하지 않고 취득한 모든 기타 실시예는 본 발명의 범위에 속한다 하여야 할 것이다.
실시예1
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프를 제공하는 바, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)는 3방향 액체 충진 포트(30), 및 가열 구간(34), 열차단 구간(33), 응축 구간(32)이 한데 집적된 스테인레스강 파이프 어레이(31)를 포함하고, 상기 3방향 액체 충진 포트(30)의 수평 방향 상의 두 개의 포트가 스테인레스강 파이프 어레이(31)의 두 개의 포트와 용접 연결되며, 상기 스테인레스강 파이프 어레이(31) 내에는 고온 하에서 비교적 높은 기화 잠열을 가지는 액체 금속을 충진시켜 작동 매체로 하고, 상기 액체 금속은 나트륨-칼륨 합금이고, 상기 나트륨-칼륨 합금 중 칼륨의 질량 분률은 25%~75%이며, 나트륨-칼륨 합금은 상온 하에서 액체 상태인 특징을 갖고 있어, 가열 과정에 융화 과정을 생략할 수 있으므로, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가동이 더욱 간단하여, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가동 성능을 향상시키고, 액체 충진 난이도를 낮추었다.
본 실시예에서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 액체 충진율은 10%~90%이다.
본 실시예에서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 관재는 스테인레스강310s이며, 내고온, 내부식의 특징을 갖고 있고, 그 관재와 작동 매체가 고온 하에서 양호한 호환성을 갖고 있으며, 아울러 상기 스테인레스강310s은 고온 진동형 히트 파이프(21)의 작동 온도 구역에서 성능이 안정적이고, 고온 진동형 히트 파이프(21)가 고온 환경 하에서 장시간 안정적으로 작동하도록 확보할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 벽 두께는 0.5~3mm이며, 내경은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 는 고온 진동형 히트 파이프의 내경(m)이고, 는 진동형 히트 파이프의 가동 임계 관 직경이며, 는 액체 충진율(%)이고, 는 열량을 가한 후 액체가 총 관 체적에서 차지하는 백분율(%)이며, 은 열량을 가하기 전 조작 온도 하의 액체 밀도(kg/m3)이고, 는 열량을 가한 후 액체 작동 매체의 평균 밀도(kg/m3)이며, 는 기포의 액체에 대한 상승 속도이고(m/s)이고, 는 냉단 온도 하의 작동 매체의 기화 잠열(J/kg)이며, 는 입력 전력(J/s)이고, 는 잠열 비율(%)이다.
실시예2
실시예1의 기초 상에서, 도2-4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 또한 고온 진동형 히트 파이프의 열전도 성능을 측량하기 위한 상기 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프를 위한 테스트 방법을 제공하는 바, 해당 방법은 하기 테스트 시스템을 통하여 측량을 진행하는 것으로서, 상기 테스트 시스템은 고온 진동형 히트 파이프(21)와 연결된 고온 가열로(20), 냉각액 블럭(22), 고압 펌프(27), 항온 액체 탱크(26), 유량계(25), 필터(28), 냉각액 밸브(29)와 계측 및 제어 시스템을 포함하고, 상기 계측 및 제어 시스템은 데이터 케이블을 통하여 상기 각 장치와 신호 연결을 진행하며;
상기 항온 액체 탱크(26)의 우측은 파이프 라인을 통하여 상기 고압 펌프(27)의 좌측과 연결되고, 상기 고압 펌프(27)의 물 배출구는 파이프 라인을 통하여 상기 필터(28)의 좌측과 연결되며, 상기 필터(28)의 우측은 파이프 라인을 통하여 상기 냉각액 밸브(29)의 좌측과 연결되고, 상기 냉각액 밸브(29)의 우측은 파이프 라인, 구비된 액체 진입구 T피팅(23)을 통하여 상기 냉각액 블럭(22)의 좌측과 연결되며, 상기 냉각액 블럭(22)의 우측은 구비된 액체 배출구 T피팅(24), 파이프 라인을 통하여 상기 유량계(25)의 좌측과 연결되고, 상기 유량계(25)의 우측은 파이프 라인을 통하여 상기 항온 액체 탱크(26)와 연결되며, 상기 모든 장치가 순환 연결 회로를 구성하고, 상기 항온 액체 탱크(26)를 통하여 배출한 냉각액은 반시계 방향을 따라 흐르며, 최종적으로 상기 항온 액체 탱크(26)로 흘러 돌아오고, 냉각액은 상기 고압 펌프(27)를 통하여 순환 왕복 유동을 구현하며; 상기 냉각액 블럭(22)의 외부 앞측에는 상기 고온 진동형 히트 파이프(21) 외경 크기와 부합되는 채널을 구비하고, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 응축 구간(32)을 상기 채널에 삽입하며, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21) 중부의 열차단 구간(33)이 상기 고온 가열로(20)와 연결되고, 또한 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 구간(34)이 고온 가열로(20) 내부로 삽입되며; 냉각액 블럭(22)의 높이와 고온 진동형 히트 파이프(21)가 고온 가열로(20)로 삽입된 길이를 조절하는 것을 통하여, 가열 구간(34), 열차단 구간(33)과 응축 구간(32)의 설치 길이를 조절하며; 상기 냉각액 블럭(22)의 내부에는 다층 채널을 구비하고, 냉각액의 상기 채널 내의 유동은 고온 진동형 히트 파이프(21) 응축 구간(32)의 열량을 냉각액으로 전달하고, 나아가 고온 진동형 히트 파이프(21)에 대하여 냉각을 진행하며; 상기 필터(28)는 냉각액 중의 불순물에 대하여 필터링을 진행하여, 유량계(25)를 보호하며; 상기 유량계(25)는 냉각액 유량에 대하여 측량을 진행하고, 유량계는 고정밀도 질량 유량계이며, 상기 냉각액 밸브(29)는 유량계의 측량 범위 내에서 냉각액 유량을 조절하며; 상기 항온 액체 탱크(26)는 배출되는 냉각액의 온도가 일정하도록 유지하며; 항온 액체 탱크(26), 고압 펌프(27), 냉각액 밸브(29)의 파라미터를 설정하는 것을 통하여 냉각액의 온도와 유량을 제어할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 항온 액체 탱크(26)가 배출하는 냉각액 온도 범위는 5℃~300℃이다.
본 실시예에서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)와 냉각액 블럭(22)의 외부 전체는 보온층으로 감싸, 고온 진동형 히트 파이프(21) 응축 구간(32)의 열량이 냉각액에 전달되도록 확보하고, 고온 진동형 히트 파이프(21)가 전달하는 열량이 정확하게 계량되도록 확보하며; 상기 보온층의 재료는 내고온 보온 재료이며, 상기 보온층 내외는 모두 4개 서모커플을 구비하고, 서모커플은 내고온 세라믹 Nextel 시스 K형 서모커플이며, 보온층 내외 서모커플의 리딩 숫자를 통하여 보온층 내외 평균 온도를 측량하여 누설열을 취득한다.
본 실시예에서, 상기 액체 진입구 T피팅(23)과 상기 액체 배출구 T피팅(24)은 모두 나사산을 통하여 RTD 온도 센서가 연결되어 있고, RTD 온도 센서의 모델은 PT100이며, 상기 RTD 온도 센서는 냉각액 파이프라인의 중심 위치에 삽입된다.
본 실시예에서, 상기 고온 가열로(20)는 고온 진동형 히트 파이프(21)를 가열하기 위한 것으로서, 이는 밀폐 박스 구조이고, 그 상부에는 노 상부 커버가 구비되며, 상기 노 상부 커버에는 단턱홀(35)이 개설되고, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)는 단턱홀(35)의 중부 통공을 통하여 상기 고온 가열로(20) 내부로 삽입되며, 또한 그 열차단(33) 구간을 내고온 보온 재료로 감싸고 또한 상기 노 상부 커버와 수직되는 방향에서 상기 중부 통공 내에 설치되며, 상기 고온 가열로(20)는 상부에 노 상부 커버를 구비하고, 고온 가열로의 전후좌우 네 면에 가열봉을 설치하여, 고온 진동형 히트 파이프(21)가 균일하게 열을 받도록 하며; 상기 단턱홀(35)과 수직 설치되는 고온 진동형 히트 파이프(21)가 측면 간격을 형성하고, 상기 측면 간격 내는 내고온 보온 재료를 사용하여 충진 밀폐를 진행하며, 단턱홀(35)을 통하여 내고온 보온 재료를 충진하므로써, 더욱 견고해지게 하여, 수직의 홀에 의해 초래되는 보온 재료가 탈락하는 현상을 방지할 수 있으며; 상기 고온 가열로(20)의 노체 양측 중심 위치에는 플랜지판이 용접되어 있고, 상기 플랜지판 상에는 기어 전동 기구로 구성된 각도 조절 장치가 설치되어, 고온 가열로(20) 전체의 경사 각도를 조절하고, 나아가 고온 진동형 히트 파이프(21)의 경사 각도를 조절하는 바, 상기 경사 각도는 0~180°이며; 고온 가열로(20)의 파라미터 설정을 조절하는 것을 통하여 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 온도, 가열 속도, 가열 전력 및 경사 각도를 제어 조절하고, 고온 가열로(20)의 가열 프로그램을 조절하는 것을 통하여 다구간 가열 과정 파라미터를 설정할수 있으며, 가열 속도와 목표 노내 온도를 조절하고 또한 보온을 진행하며, 그리고 고온 진동형 히트 파이프(21)가 안정적으로 작동하도록 확보한 후 가열 전력을 변함없이 유지한다.
본 실시예에서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 구간(34), 열차단 구간(33)과 응축 구간(32)은 각각 적어도 하나의 서모커플을 구비하고, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 응축 구간(32) 상부의 횡방향 파이프 상에는 적어도 하나의 서모커플을 구비하며; 상기 고온 진동형 히트 파이프(21) 상에 구비되는 서모커플은 모두 내고온 세라믹 Nextel 시스 K형 서모커플이고, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21) 상에 구비된 서모커플은 고온 진동형 히트 파이프(21) 상의 가열 구간(34)과 응축 구간(32)의 온도 변화 상황을 측정하여 온도 곡선을 취득하고, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열저항을 취득하며, 나아가 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열전도 성능을 연구하고, 가열 구간(34), 응축 구간(32) 서모커플 리딩 숫자를 통하여 가열 구간(34), 응축 구간(32) 온도를 측량할 수 있으며, 복수의 서모커플 리딩 숫자에 대하여 평균값을 취하는 것을 통하여 가열 구간(34), 응축 구간(32) 평균 온도를 계산할 수 있다.
실시예3
본 실시예에서는 내경이 6mm, 벽 두께가 1mm이며, 관재가 스테인레스강310s인 고온 진동형 히트 파이프(21)를 선택하여 실험을 진행하며, 고온 진동형 히트 파이프(21) 내 작동 매체의 체적 액체 충진율은 45%이고, 작동 매체는 나트륨-칼륨 합금이며, 그 중에서, 칼륨의 질량 분률은 75%이다. 본 실시예에서, 고온 진동형 히트 파이프(21) 상의 서모커플 설치 위치의 분포도는 도5에 도시된 바와 같고, 고온 진동형 히트 파이프(21) 상에 19개 서모 커플이 구비되는 바, 스테인레스강 파이프 어레이(31)의 3방향 액체 충진구(30) 위치의 횡방향 파이프 라인 상에 19호 서모 커플이 구비되며; 좌측 제1 엘보의 두 인접된 파이프의 가열 구간(34), 열차단 구간(33) 및 응축 구간(32)에 각각 1호 서모 커플(1)과 2호 서모커플(2), 7호 서모커플(7)과 8호 서모커플(8) 및 13호 서모커플(13)과 14호 서모커플(14)이 구비되며; 우측 제1 엘보의 두 인접된 파이프의 가열 구간(34), 열차단 구간(33) 및 응축 구간(32)에 각각 5호 서모 커플(5)과 제6 서모커플(6), 11호 서모커플(11)과 12호 서모커플(12) 및 17호 서모커플(17)과 18호 서모커플(18)이 구비되며; 중간 엘보는 그 중 두 엘보 상의 각 하나의 파이프를 취하여 서모커플을 구비하는 바, 두 파이프의 가열 구간(34), 열차단 구간(33) 및 응축 구간(32)에 각각 3호 서모 커플(3)과 제4 서모커플(4), 9호 서모커플(9)과 10호 서모커플(10) 및 15호 서모커플(15)과 16호 서모커플(16)이 구비되며, 상기 서모커플은 모두 내고온 세라믹 Nextel 시스 K형 서모커플이다.
작동 과정:
(1) 우선 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열차단 구간(33)을 고온 가열로(20)의 노 상부 커버의 단턱홀(35) 내에 고정시키고, 고온 진동형 히트 파이프(21) 가열 구단(34)의 고온 가열로(20) 내의 길이를 조절하며, 그 후 단턱홀(35)과 설치 후의 고온 진동형 히트 파이프(21)가 형성하는 측면 간격 내에 내고온 보온 재료를 사용하여 충진 밀폐를 진행하고, 고온 진동형 히트 파이프(21) 열차단 구간(33)을 고정한 후 고온 가열로(20)를 일정한 경사 각도로 조절하는 바, 본 실시예에서 경사 각도는 90°이며; 그 후 고온 진동형 히트 파이프(21)와 냉각액 블럭(22)을 내고온 보온 재료를 사용하여 전체적으로 다층으로 감싸고, 또한 테스트 시스템 중의 모든 장치를 연결시킨다.
(2) 고압 펌프(27)를 가동시켜 냉각액 순환을 시작하고, 냉각액 밸브(29)의 개방 정도를 조절하고 또한 유량계(25) 데이터를 읽는 것을 통하여 냉각액 유량을 조절하여, 냉각액 유량이 예정값에 도달하고 또한 10분 안정되도록 하며; 필터(28)를 통하여 냉각액에 대하여 필터링을 진행하여 불순물을 제거한다.
(3) 항온 액체 탱크(26)를 가동시켜 냉각액 온도에 대하여 조절을 진행하여, 냉각액 온도가 예정 온도 58℃에 도달하도록 하여, 고온 진동형 히트 파이프(21)를 위하여 안정적인 냉각 환경을 제공한다.
(4) 고온 가열로(20)를 저전력 가열 상태로 조절하여 워밍업을 진행하는 바, 저온 상태 하에서, 고온 가열로(20)의 지나치게 빠른 가열 속도는 쉽게 탄소-규소 봉을 손상시키기 때문이며; 워밍업 과정에서, 서모커플, RTD 온도 센서, 테스트 시스템에 대하여 디버깅을 진행하여, 데이터의 정확성을 확보하며; 고온 가열로(20)의 워밍업이 종료되면 다음 단계를 진행한다.
(5) 고온 가열로(20)의 가열 전력을 증가시키고, 고온 가열로(20)의 목표 온도를 850℃로 조절하여 승온시키며; 고온 가열로(20) 노 내 온도가 850℃에 도달한 후, 20분 유지하고, 이 과정에서, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열부하를 일정하게 유지하며; 실험 데이터를 기록하고, 그 후 다음 단계를 진행한다.
(6) 고온 가열로(20)의 목표 온도를 900℃로 조절하여 승온시키며; 고온 가열로(20) 내 온도가 900℃에 도달한 후, 20분 유지하고, 이 과정에서, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열부하를 일정하게 유지하며, 실험 데이터를 기록하고, 다음 단계를 진행한다. 상기 가열 과정을 반복하고, 또한 고온 가열로(20) 내 온도를 각각 950℃, 1000℃, 1050℃, 1100℃로 승온시켜, 서로 다른 가열 전력 하의 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열전도 성능을 테스트하며, 실험 데이터를 기록하고, 다음 단계를 진행한다.
(7) 고온 가열로(20)를 닫고, 항온 액체 탱크(26)의 온도를 낮추어 쿨링 과정으로 진입하며, 쿨링 과정이 종료되면 실험이 이로써 종료된다.
(8) 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열부하를 계산하는 바, 그 가열 전력은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 는 고온 진동형 히트 파이프 가열 전력(W)이고, 는 누설열(W)이며, 은 유량계가 측량한 냉각수의 질량 유량(kg/s)이고, 은 액체 배출구 T피팅 위치 RTD 온도 센서가 측량한 온도(℃)이며, 는 액체 진입구 T피팅 위치 RTD 온도 센서가 측량한 온도(℃)이고, 는 냉각액 진입/배출구 위치 온도 차이(℃)이며, 는 조작 온도 하의 물의 비열 용량(J/(kg·K))이고, (+)/2는 조작 온도(℃)이다.
(9) 누설열을 계산한다.
보온층 내외에 구비된 서모커플의 리딩 숫자를 통하여 보온층 내외 평균 온도를 취득하여 누설열을 취득하는 바, 누설열은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 는 누설열(W)이고, 는 보온층 재료의 열전도 계수(W/(m·k))이며, 는 보온층의 면적(m2)이고, 은 보온층 내외 온도 차이(℃)이며, 은 보온층 두께(m)이다.
(10) 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열저항을 계산하는 바, 그 열저항은 하기 공식을 만족시키며,
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식에서, 은 고온 진동형 히트 파이프의 열저항(K/W)이고, 는 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동 시 가열 구간의 평균 온도(℃)이며, 는 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동 시 응축 구간의 평균 온도(℃)이고, 는 고온 진동형 히트 파이프의 가열 전력(W)이다.
도6은 고온 진동형 히트 파이프(21)가 가동되고 또한 고온 가열로(20)의 노 온도가 850℃일 때의 온도 곡선도이다. 도6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 가열로(20)는 2700초에서 워밍업을 종료하고, 가열 개시 단계에서, 온도 상승 속도가 빨라지고, 가열 구간(34)에서 온도가 790℃에 도달할 때, 가열 구간(34)과 열차단 구간(33) 온도가 급격하게 하강하고, 응축 구간(32) 온도가 급격하게 상승하며, 고온 진동형 히트 파이프(21)가 가동되고, 이때 고온 가열로(20) 노 온도가 아직 사정 설정된 850℃에 도달하지 못하고, 가열로 전력이 상승 단계에 처하며, 이때 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열부하는 안정적인 진동 운동을 유지할 수 없고, 3300초에서 고온 진동형 히트 파이프(21) 일부 엘보가 작동을 정지하는 현상이 나타나는 바, 1호 서모커플(1), 2호 서모커플(2), 3호 서모커플(3)과 4호 서모커플(4)의 온도가 상승하고, 13호 서모커플(13), 14호 서모커플(14), 15호 서모커플(15)과 16호 서모커플(16)의 온도가 하강하는 것을 측정하였는 바, 해당 파이프에 진동 감쇄 현상이 발생하였다는 것을 설명한다. 5호 서모커플(5)과 6호 서모커플(6)의 온도가 안정적인 것을 측정하였고, 그 대응되는 냉단 온도가 급격하게 변화하지 않는 바, 이 두 파이프의 작동이 정상적이라는 것을 설명한다. 가열로가 부단히 승온함에 따라, 고온 진동형 히트 파이프(21)가 2차 가동되고, 또한 3900초에서 사전 설정 온도에 도달하고, 고온 진동형 히트 파이프(21)가 안정적으로 작동하기 시작한다.
도7은 고온 가열로(20) 노 온도가 각각 900℃, 950℃와 1000℃ 단계일 때의 온도 곡선도이다. 도7로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 가열로(20) 노 온도가 900℃와 950℃ 단계일 때, 고온 진동형 히트 파이프(21) 작동이 비교적 안정적이고, 열차단 구간(33) 분층 현상이 작으며, 이때 가열 구간(34) 온도는 노 온도가 향상됨에 따라 상승하고, 아울러 응축 단계(32) 온도가 상승하고, 냉/열단 온도 차이가 감소하며, 열부하가 증가하고, 열저항이 감소한다. 좌측 엘보 응축 구간(32) 분층이 약화될 때, 우측 엘보 응축 구간(32)에는 여전히 분층이 존재하며, 17호 서모커플(17)과 18호 서모커플(18) 간의 온도 차이가 비교적 큰 것을 측정하는 바, 이는 고온 진동형 히트 파이프(21)가 안정적으로 작동할 때 엘보 단일 파이프가 열전도하는 현상이 존재하기 때문이고, 19호 서모커플(19)의 온도가 안정적인 것을 측정한다. 고온 가열로(20) 노 온도가 1000℃ 단계일 때, 가열 구간(34) 온도가 파동하기 시작하고, 열차단 구간(33)이 분층되며, 좌측 엘보의 13호 서모커플(13)과 14호 서모커플(14)에 격렬한 파동이 발생하고 또한 반대되는 변화 추세를 나타내며, 19호 서모커플(19)의 온도가 빠르게 상승하는 것을 측정하고, 이때 진동이 격렬하고 환류가 나타나려는 추세가 존재한다.
도8은 고온 가열로(20) 노 온도가 각각 1050℃와 1100℃ 단계일 때의 온도 곡선도이다. 도8로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 가열로(20) 노 온도가 1050℃ 단계일 때, 7호 서모커플(7)과 11호 서모커플(11)의 온도가 하강하는 것을 측정하고, 8호 서모커플(8)과 12호 서모커플(12)의 온도가 빠르게 상승하며, 9호 서모커플(9)과 10호 서모커플(10)이 계속하여 비교적 높은 온도를 유지하고, 8호 서모커플(8)과 12호 서모커플(12)의 온도가 7호 서모커플(7)과 11호 서모커플(11)의 온도보다 크고, 아울러 19호 서모커플(19)의 온도가 빠르게 상승하는 것을 측정하며, 열차단 구간(33)에 선명한 분층이 형성되고, 이와 대응되는 응축 구간(32) 온도가 마찬가지의 변화 추세가 존재하며, 양호하고 안정적인 환류 상태를 형성하고, 열전도 효과를 증강시킨다. 고온 가열로(20) 노 온도가 1100℃ 단계일 때, 각 서모커플의 온도가 노 온도가 1050℃ 단계 하의 온도에 비하여 파동이 발생하고 또한 온도가 상승 변화를 보이며, 환류 상태도 파동이 발생한다.
도9는 고온 가열로(20) 노 온도가 각각 1150℃와 1200℃ 단계일 때의 온도 곡선도이다. 도9로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 가열로(20) 노 온도가 1150℃ 단계일 때, 7호 서모커플(7)과 11호 서모커플(11)의 온도가 빠르게 상승하고, 18호 서모커플(18)의 온도가 빠르게 하강하며, 13호 서모커플(13)과 14호 서모커플(14)의 온도가 상승하고, 19호 서모커플(19)의 온도가 빠르게 하강하는 것을 측정하며, 가열 구간(34) 온도 파동이 소실되고, 그 후 작동 상태가 안정적으로 되기 시작하고, 이때 일방향 순환이 소실되고, 재차 진동 상태를 회복한다. 고온 가열로(20)의 노 온도가 1200℃ 단계일 때, 7호 서모커플(7)과 11호 서모커플(11)의 온도에 격렬한 파동이 발생하고, 18호 서모커플(18)의 온도가 상승하며, 고온 진동형 히트 파이프(21) 작동이 불안정적이고, 성능이 악화된다.
도10은 고온 진동형 히트 파이프(21)의 냉/열단 온도 차이가 전력에 따라 변화하는 곡선도이다. 도10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 진동형 히트 파이프(21) 냉/열단 온도 차이는 열부하의 향상에 따라 먼저 감소하고 후에 증가하며, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 전력이 3306.4W(노 온도가 1050℃)일 때 최소값이 나타난다.
도11은 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열저항이 전력에 따라 변화하는 곡선도이다. 도11로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 진동형 히트 파이프(21) 열저항은 가열 전력의 향상에 따라 먼저 감소하고 후에 증가하며, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열부하가 3306.4W(노 온도가 1050℃)일 때 최소값이 나타난다.
도6-9로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예 중의 고온 진동형 히트 파이프(21)는 500℃를 초과하는 고온 환경 하에서 작동할 수 있는 능력을 갖는다. 도10-11로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열저항이 작을 수록 성능이 좋다.
도6-11로부터 알 수 있는 바와 같이, 전체 테스트 시스템을 사용하여 정확하게 고온 진동형 히트 파이프(21)의 서로 다른 동작 조건 하의 실험 데이터를 측정할 수 있고, 본 실시예의 테스트 시스템은 고온 진동형 히트 파이프(21)의 고온 환경 하의 테스트 수요를 만족시킨다.
마지막으로 설명하여야 할 바로는, 이상의 각 실시예는 본 발명의 기술안을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 구체적으로 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 실시예들에 기재된 기술안에 대하여 수정, 혹은 그 중의 일부분 혹은 전부의 기술특징에 대하여 균등치환하는 등 변경을 진행할 수 있으며, 이러한 변경은 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는다.
1: 1호 서모커플
2: 2호 서모커플
3: 3호 서모커플
4: 4호 서모커플
5: 5호 서모커플
6: 6호 서모커플
7: 7호 서모커플
8: 8호 서모커플
9: 9호 서모커플
10: 10호 서모커플
11: 11호 서모커플
12: 12호 서모커플
13: 13호 서모커플
14: 14호 서모커플
15: 15호 서모커플
16: 16호 서모커플
17: 17호 서모커플
18: 18호 서모커플
19: 19호 서모커플
20: 고온 가열로
21: 고온 진동형 히트 파이프
22: 냉각액 블럭
23: 액체 진입구 T피팅
24: 액체 배출구 T피팅
25: 유량계
26: 항온 액체 탱크
27: 고압 펌프
28: 필터
29: 냉각액 밸브
30: 3방향 액체 충진구
31: 스테인레스강 파이프 어레이
32: 응축 구간
33: 열차단 구간
34. 가열 구간
35: 단턱홀
2: 2호 서모커플
3: 3호 서모커플
4: 4호 서모커플
5: 5호 서모커플
6: 6호 서모커플
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9: 9호 서모커플
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11: 11호 서모커플
12: 12호 서모커플
13: 13호 서모커플
14: 14호 서모커플
15: 15호 서모커플
16: 16호 서모커플
17: 17호 서모커플
18: 18호 서모커플
19: 19호 서모커플
20: 고온 가열로
21: 고온 진동형 히트 파이프
22: 냉각액 블럭
23: 액체 진입구 T피팅
24: 액체 배출구 T피팅
25: 유량계
26: 항온 액체 탱크
27: 고압 펌프
28: 필터
29: 냉각액 밸브
30: 3방향 액체 충진구
31: 스테인레스강 파이프 어레이
32: 응축 구간
33: 열차단 구간
34. 가열 구간
35: 단턱홀
Claims (10)
- 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프에 있어서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)는 3방향 액체 충진 포트(30), 및 가열 구간(34), 열차단 구간(33), 응축 구간(32)이 한데 집적된 스테인레스강 파이프 어레이(31)를 포함하고, 상기 3방향 액체 충진 포트(30)의 수평 방향 상의 두 개의 포트가 스테인레스강 파이프 어레이(31)의 두 개의 포트와 연결되며, 상기 스테인레스강 파이프 어레이(31) 내의 작동 매체는 액체 금속이고, 상기 액체 금속은 나트륨-칼륨 합금, 금속 나트륨, 금속 칼륨, 금속 세슘 또는 금속 루비듐 중의 한 가지, 또는 두 가지 이상의 조합 형식이며, 상기 나트륨-칼륨 합금 중 칼륨의 질량 분률은 25%~75%인 것을 특징으로 하고,
상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 관재는 스테인레스강, 니켈 합금 또는 Inconel 니켈 합금 중의 한 가지, 또는 두 가지 이상의 조합 형식이며; 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 벽 두께는 0.5~3mm이고, 내경은 하기 공식을 만족시키며,
;
식에서, 는 고온 진동형 히트 파이프의 내경(m)이고, 는 진동형 히트 파이프의 가동 임계 관 직경이며, 는 상기 고온 진동형 히트 파이프의 총 관 체적에서 상기 액체 금속의 체적이 차지하는 비율인 액체 금속 충진율(%)이고, 는 열량을 가한 후 액체가 총 관 체적에서 차지하는 백분율(%)이며, 은 열량을 가하기 전 조작 온도 하의 액체 밀도(kg/m3)이고, 는 열량을 가한 후 액체 작동 매체의 평균 밀도(kg/m3)이며, 는 기포의 액체에 대한 상승 속도이고(m/s)이고, 는 냉단 온도 하의 작동 매체의 기화 잠열(J/kg)이며, 는 입력 전력(J/s)이고, 는 상기 고온 진동형 히트 파이프가 작동 매체를 통하여 전달하는 전체 열량 대비 잠열 비율(%)인 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프. - 제1항에 있어서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 총 관 체적에서 상기 액체 금속의 체적이 차지하는 비율인 액체 금속 충진율은 10%~90%인 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프.
- 삭제
- 고온 진동형 히트 파이프의 열전도 성능을 측량하기 위한 제1항 또는 제2항의 상기 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프를 위한 테스트 방법에 있어서, 해당 방법은 하기 테스트 시스템을 통하여 측량을 진행하는 것으로서, 상기 테스트 시스템은 고온 진동형 히트 파이프(21)와 연결된 고온 가열로(20), 냉각액 블럭(22), 고압 펌프(27), 항온 액체 탱크(26), 유량계(25), 필터(28), 냉각액 밸브(29)와 계측 및 제어 시스템을 포함하고, 상기 계측 및 제어 시스템은 상기 각 장치와 신호 연결되며;
상기 항온 액체 탱크(26)는 상기 고압 펌프(27)의 일측과 연결되고, 상기 고압 펌프(27)의 타측은 상기 필터(28)의 일측과 연결되며, 상기 필터(28)의 타측은 상기 냉각액 밸브(29)의 일측과 연결되고, 상기 냉각액 밸브(29)의 타측은 구비된 액체 진입구 T피팅(23)을 통하여 상기 냉각액 블럭(22)의 일측과 연결되며, 상기 냉각액 블럭(22)의 타측은 구비된 액체 배출구 T피팅(24)을 통하여 상기 유량계(25)의 일측과 연결되고, 상기 유량계(25)의 타측은 상기 항온 액체 탱크(26)와 연결되며, 상기 모든 장치가 순환 연결 회로를 구성하고, 상기 항온 액체 탱크(26)가 배출한 냉각액은 반시계 방향을 따라 흐르며, 최종적으로 상기 항온 액체 탱크(26)로 흘러 돌아오고, 냉각액은 상기 고압 펌프(27)를 통하여 순환 왕복 유동을 구현하며; 상기 냉각액 블럭(22)의 외부 앞측에는 상기 고온 진동형 히트 파이프(21) 외경 크기와 부합되는 채널을 구비하고, 상기 채널은 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 냉각 구간(32)과 연결되며, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 열차단 구간(33)은 상기 고온 가열로(20)와 연결되고, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 구간(34)은 상기 고온 가열로(20) 내에 구비되며;
테스트 방법은, 고압 펌프(27)를 가동시켜 냉각액이 순환을 시작하게 하고, 냉각액 밸브(29) 개방 정도를 조절하고 또한 유량계(25)의 데이터를 읽는 것을 통하여 냉각액 유량을 조절하며, 필터(28)를 통하여 냉각액에 대하여 필터링을 진행하여 불순물을 제거하며; 항온 액체 탱크(26)를 가동시켜, 냉각액 온도에 대하여 조절을 진행하여 고온 진동형 히트 파이프(21)를 위하여 하나의 안정적인 냉각 환경을 제공해주며; 고온 가열로(20)를 저전력 가열 상태로 조절하여 워밍업을 진행하고, 워밍업 과정에서, 서모커플, RTD 온도 센서, 계측 및 제어 시스템에 대하여 디버깅을 진행하여 데이터의 정확성을 확보하며; 고온 가열로(20)의 파라미터 설정을 조절하는 것을 통하여 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 온도, 가열 속도, 가열 전력 및 경사 각도를 제어 조절하고, 고온 가열로(20)의 가열 프로그램을 조절하는 것을 통하여 다구간 가열 과정 파라미터를 설정하며, 가열 속도와 목표 노내 온도를 조절하고 또한 보온을 진행하며, 그리고 고온 진동형 히트 파이프(21)가 안정적으로 작동하도록 확보한 후 가열 전력을 변함없이 유지하고, 실험 데이터를 기록하며; 고온 가열로(20)를 닫고, 항온 액체 탱크(26) 온도를 낮게 조절하여 쿨링 과정으로 진입하며, 쿨링 과정이 종료된 후, 실험이 종료되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법. - 제4항에 있어서, 상기 항온 액체 탱크(26)가 배출하는 냉각액 온도 범위는 5℃~300℃인 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)와 냉각액 블럭(22)의 외부 전체는 보온층으로 감싸고, 상기 보온층의 재료는 내고온 보온 재료이며, 상기 보온층 내외는 모두 적어도 4개 서모커플을 구비하여, 보온층 내외벽의 온도를 측량하여 누설열을 취득하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 액체 진입구 T피팅(23)과 액체 배출구 T피팅(24)은 모두 RTD 온도 센서가 연결되어 있고, 상기 RTD 온도 센서는 냉각액 파이프라인의 중심 위치에 삽입되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 고온 가열로(20)는 밀폐 박스 구조이고, 그 상부에는 노 상부 커버가 구비되며, 상기 노 상부 커버에는 단턱홀(35)이 개설되고, 상기 단턱홀(35)의 중부 통공은 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)와 연결되며; 상기 단턱홀(35)과 노 상부 커버에 수직되는 고온 진동형 히트 파이프(21) 간에 형성된 측면 간격 내는 내고온 보온 재료를 사용하여 충진 밀폐를 진행하며; 상기 고온 가열로(20)의 노체 양측 중심 위치에는 플랜지판이 용접되어 있고, 상기 플랜지판 상에는 기어 전동 기구로 구성된 각도 조절 장치가 설치되어, 고온 가열로(20)의 전체 경사 각도를 조절하는 바, 그 경사 각도 범위는 0~180°인 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 가열 구간(34), 열차단 구간(33)과 응축 구간(32)은 각각 적어도 하나의 서모커플을 구비하고, 상기 고온 진동형 히트 파이프(21)의 응축 구간(32) 상부의 횡방향 파이프 상에는 적어도 하나의 서모커플을 구비하여, 고온 진동형 히트 파이프의 온도 변화를 취득하고, 그 열전도 특성을 분석하며, 또한 고온 진동형 히트 파이프의 열저항을 계산하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 고온 진동형 히트 파이프의 열저항은 하기 공식을 만족시키며,
;
식에서, 은 고온 진동형 히트 파이프의 열저항(K/W)이고, 는 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동 시 가열 구간의 평균 온도(℃)이며, 는 고온 진동형 히트 파이프가 안정적으로 작동 시 응축 구간의 평균 온도(℃)이고, 는 고온 진동형 히트 파이프의 가열 전력(W)이며;
상기 고온 진동형 히트 파이프의 가열 전력은 하기 공식을 만족시키며,
;
;
식에서, 는 고온 진동형 히트 파이프 가열 전력(W)이고, 는 누설열(W)이며, 은 유량계가 측량한 냉각수의 질량 유량(kg/s)이고, 은 액체 배출구 T피팅 위치 RTD 온도 센서가 측량한 온도(℃)이며, 는 액체 진입구 T피팅 위치 RTD 온도 센서가 측량한 온도(℃)이고, 는 냉각액 진입/배출구 위치 온도 차이(℃)이며, 는 조작 온도 하의 물의 비열 용량(J/(kg·K))이고, (+)/2는 조작 온도(℃)이며;
상기 누설열은 하기 공식을 만족시키며,
;
식에서, 는 누설열(W)이고, 는 보온층 재료의 열전도 계수(W/(m·k)) 이며, 는 보온층의 면적(m2)이고, 은 보온층 내외 온도 차이(℃)이며, 은 보온층 두께(m)인 것을 특징으로 하는 액체 금속 고온 진동형 히트 파이프 테스트 방법.
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