고온 초전도체 냉각을 위한 이중 증발부 열사이펀에 대한 실험적 연구

Abstract

본 논문에서는 저압영역에서 상, 하로 분리되어 있는 고온 초전도체 냉각을 위한 이중 증발부 열사이펀의 개발 및 성능 개선을 위한 실험을 수행하였다.

먼저, 작은 크기의 이중 증발부 열사이펀을 설계 및 제작하여 냉각 과정과 정상 상태의 특성을 실험적으로 알아 보고 열전달 기구로서의 가능성을 알아 보았다. 이중 증발부 열사이펀의 냉각 과정은 열사이펀의 온도와 압력의 변화에 따라 5개의 구간으로 나누어 설명 할 수 있었다. 정상 상태 일 때는 예상하지 못한 증발부 사이의 온도 차이가 발생하였기 때문에, 이 온도 차이의 원인을 규명하고 이중 증발부 열사이펀의 구조이기 때문에 오는 필연적인 것이지, 아니면 줄일 수 있는 것이지 파악하였다. 그리고 더 작은 온도 차이로 같은 열량을 뽑아 낼 수 있는 이중 증발부 열사이펀의 성능 개선을 위해 비등 및 응축에 관한 기초 실험을 수행하였다. 아울러 이중 증발부 열사이펀의 작동 제한을 나타내는 플러딩 현상을 예측할 수 있는 관계식들을 실험적으로 고찰해 보았다. 실험 결과, 증발부 사이의 온도 차이의 원인은 증발부 사이에 있는 단열부 2의 전도 열저항의 차이로 이중 증발부 열사이펀의 설계 시 이를 줄이는 방안에 대해 연구되었다. 그리고 이중 증발부 열사이펀의 성능을 개선하기 위해 비등 및 응축에 관한 기초 실험 결과를 바탕으로 1차원 열저항 모델을 이용하여 온도 차이를 줄일 수 있는 응축부, 증발부 1 그리고 증발부 2의 면적을 찾았다. 이를 바탕으로 대형 이중 증발부 열사이펀을 제작하여 실험하였으며, 실험결과 1 기압 이하라는 진공의 저압영역에서 작은 온도 차이(1.3 K)로 많은 열량(88.4 W)을 뽑을 수 있는 이중 증발부 열사이펀의 개발 성과를 얻었다.

본 논문에서 제시한 이중 증발부 열사이펀은 플라이휠 에너지 저장 시스템을 비롯하여 상, 하로 분리되어있는 고온 초전도체를 냉각하는 시스템의 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.