R14와 질소 혼합물을 작동유체로 하는 극저온 열사이펀의 과도상태 특성

Abstract

열사이펀은 작동유체의 기액 상변화를 통한 잠열을 이용해서 열전달을 하기 때문에 유효열전도도가 매우 높은 열전달 기구이다. 하지만, 열사이펀이 정상적으로 작동하기 위해서는 작동 유체가 기체와 액체의 이상으로 존재해야 하기 때문에 작동온도 범위는 궁극적으로 작동유체의 임계점과 삼중점 사이로 제한되며, 이러한 사실은 극저온 영역으로 갈수록 사용할 수 있는 유체가 매우 적어서 더 중요하게 된다. 두 가지 유체를 혼합하게 되면 작동유체에 의해 제한되는 열사이펀의 작동온도 범위를 조절할 수 있다. 본 논문에서는, 질소와 R14 를 혼합유체로 선정하여 극저온 열사이펀의 과도상태 거동과 작동 특성을 살펴보기 위하여 투명 열사이펀을 제작하였다. 실험을 통해 관찰된 사실과 혼합물의 T-x 선도를 바탕으로 혼합유체의 물리적 거동을 상세히 분석하였다. 혼합유체가 시스템의 초기 냉각시간에 미치는 영향을 비교해 보기 위하여, 고압 열사이펀에서 질소의 조성이 25%, 35%, 50% 인 경우에 대해 실험을 수행하였다. 조성에 따른 초기 냉각시간은 유사했고, 그 원인은 액체 R14가 먼저 분리되는 현상과 증발부에 질소와 R14 혼합액체가 존재함으로써 응축부와 증발부 사이의 온도차이가 발생하였기 때문이다. 한편, 질소의 조성이 50% 일 때 순수한 질소의 경우보다 2 K 정도 더 낮은 온도까지 열사이펀이 작동하였고, 이것은 혼합유체를 통해 질소의 삼중점 보다 더 낮은 온도까지 작동하는 열사이펀을 구현할 수 있는 가능성을 보여주었다. 본 논문은, 새로운 혼합 작동유체의 선정과 이에 따른 열사이펀의 과도상태 거동을 예측하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.