KR20170052768A - 핀-휜 및 이를 포함하는 냉각장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉각 장치에 포함되는 핀-휜(pin-fin)에 관한 것으로서, 상기 핀-휜은 기둥 형상이고 갭(gap)을 포함하고, 상기 갭(gap)은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고, 상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함한다.
Description
본 발명은 핀-휜 및 이를 포함하는 냉각장치에 관한 것이다.
가스터빈 블레이드, 복잡한 회로를 지닌 전자 장치 등과 같이 고온의 열에 지속적으로 노출된 장치의 경우 장치의 성능을 유지하기 위해서는 냉각이 필수적이다. 일반적으로 가스터빈 블레이드를 예를 들어 설명하면, 엔진의 효율 및 성능을 높이기 위해 최근 가스터빈 엔진은 1,500-1700에서 작동되도록 설계되고 있으며, 열효율을 더욱 높이기 위해 터빈 입구온도를 연평균 20씩 꾸준히 상승시켜 설계하는 추세이다. 그러나 이는 터빈 블레이드의 열부하를 가중시키고, 이로 인해 블레이드의 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 된다. 따라서, 터빈 블레이드를 보호하기 위한 다양한 냉각기술에 대한 연구가 수십 년간 지속되어 왔다.
이와 관련한 내부 냉각기술로는 대류냉각(convection cooling), 충돌냉각(impingement cooling), 막냉각(film cooling) 등이 있는데, 내부 유로 냉각기술은 블레이드 내부에 부착된 냉각 채널에 압축기로부터 추출한 냉각 유체를 주입하여 강제대류를 발생시킴으로써 고온의 블레이드를 냉각시키는 기법이다. 내부 유로를 통해 대류열전달을 강화시키기 위하여 내부 유로 벽면에 핀-휜, 리브, 딤플 등의 열전달 증진을 위한 장치를 설치한다. 이러한 유동간섭물(turbulator)은 벽 근처 경계층을 교란시키고, 난류의 발생을 촉진시켜 열전달을 증진시키는 역할을 수행한다. 핀-휜의 경우, 열전달면과 핀-휜의 접촉부에서 형성되는 와류(말발굽 와류, 재순환 와류 등)로 인해 열전달면의 냉각 성능을 증진시키며, 특히 공간의 협소로 인해 다른 냉각 방법을 적용하는 것이 어려운 가스터빈 블레이드 후연(trailing edge)에 많이 적용되고 있다.
아래의 선행기술문헌1에는 직사각형 핀-휜 배열의 경우 20%의 열전달 증가가 가능하지만 100% 압력 손실을 발생함을 개시하고 있다. 또한, 선행기술문헌2를 참조하면 원형 핀-휜 배열의 경우 타원형 핀-휜 배열의 경우보다 총 압력 손실이 더욱 큰 것을 알 수 있다.
상기 선행기술문헌1 및 2와 같이, 핀-휜의 열전달 성능 향상을 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 여전히 핀-휜의 열전달 성능 및 압력 손실 성능 향상이 요구되고 있다. 본 발명은 열전달 및 압력 손실 향상을 위한 새로운 형태의 핀-휜 및 이를 포함하는 냉각장치를 제공함을 목적으로 한다.
선행기술문헌1: D. E. Metzger, C. S. Fan, S. W. Haley. "Effects of pin shape and array orientation on heat transfer and pressure loss in pin fin arrays." Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 106.1 (1984): 252-257
선행기술문헌2: O. Uzol, C. Camci. "Heat transfer, pressure loss and flow field measurements downstream of staggered two-row circular and elliptical pin fin arrays." Journal of heat transfer 127.5 (2005): 458-471.
본 발명은 열전달 성능 또는 압력 손실 성능이 향상된 핀-휜 및 이를 포함하는 냉각장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜은, 냉각장치에 포함되는 핀-휜(pin-fin)으로서, 상기 핀-휜은 기둥 형상이고 갭(gap)을 포함하고, 상기 갭(gap)은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고, 상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름 방향에 마주하도록 형성되어 상기 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함한다.
상기 전방부 및 후방부가 이루는 각도는 180도로서 갭이 I자 형상을 할 수 있으며, 상기 후방부는 상기 전방부로부터 분기되어 2개로 형성됨으로써 갭이 Y자 형상을 할 수 있으며, 상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기되는 부분에서 상기 2개의 후방부가 이루는 각도는 120도일 수 있다. 또한, 상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기되는 부분에서 상기 2개의 후방부가 이루는 각도는 180도가 됨으로써 갭이 T자 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 핀-휜의 밑면 또는 윗면의 지름을 D, 상기 전방부의 폭을 G1이라하면, G1/D는 0.06 이하일 수 있고, 상기 핀-휜의 밑면 또는 윗면의 지름을 D, 상기 후방부의 폭을 G2라하면, G2/D는 0.08 이하일 수 있다. 또한, 상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기되는 부분에서 상기 2개의 후방부가 이루는 각도는 120도 내지 140도일 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 냉각장치는 냉각 채널 및 핀-휜을 포함하고, 상기 핀-휜은 기둥 형상이고 갭(gap)을 포함하고, 상기 갭(gap)은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고, 상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름 방향에 마주하도록 형성되어 상기 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜 및 이를 포함하는 냉각장치는 열전달 성능 또는 압력 손실 성능이 향상된다. 또한, 냉각 성능이 향상된다.
도 1(a) 내지 (c)는 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜이 복 수개가 배열된 것을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜이 배치된 냉각 채널을 도시한 것이다.
도 4는 각 모델에 따른 레이놀즈 수(Re)에 따른 핀 누셀 넘버(Nup) 및 실험 데이터의 핀 누셀 넘버(Nup)를 도시한 것이다.
도 5(a)는 핀-휜에 따른 면적 평균 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(b)는 핀-휜 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(c)는 채널누셀 넘버(Nuc)를 도시한 것이고, 도 5(d)는 압력 계수를 도시한 것이다.
도 6(a) 내지 도 6(d)는 핀-휜 형상에 따른 일정한 강도로 소용돌이 치는 입자의 분포영역을 도시한 것이다. 이를 통하여 핀-휜을 거쳐서 소용돌이가 발생되는 유체의 흐름을 예상할 수 있다.
도 7(a)는 채널의 하부면에서의 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 7(b)는 채널의 측면에서의 누셀 넘버를 도시한 것이다. X는 채널의 길이이고, D는 핀-휜의 지름이다.
도 8(a) 내지 도 8(d)는 갭의 전방부의 폭(G1) 및 핀-휜의 지름(D)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다. G1은 전방부의 너비, D는 핀-휜의 지름이다.
도 9(a) 내지 도 9(d)는 갭의 후방부의 폭(G2) 및 갭의 지름(D)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다.
도 10(a) 내지 도 10(d)는 갭의 전방부로부터 분기되는 후방부의 각도에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다.
도 11은 갭(gap) 및 냉각 흐름 방향에 따른 면적 평균 누셀 넘버를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜이 복 수개가 배열된 것을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜이 배치된 냉각 채널을 도시한 것이다.
도 4는 각 모델에 따른 레이놀즈 수(Re)에 따른 핀 누셀 넘버(Nup) 및 실험 데이터의 핀 누셀 넘버(Nup)를 도시한 것이다.
도 5(a)는 핀-휜에 따른 면적 평균 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(b)는 핀-휜 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(c)는 채널누셀 넘버(Nuc)를 도시한 것이고, 도 5(d)는 압력 계수를 도시한 것이다.
도 6(a) 내지 도 6(d)는 핀-휜 형상에 따른 일정한 강도로 소용돌이 치는 입자의 분포영역을 도시한 것이다. 이를 통하여 핀-휜을 거쳐서 소용돌이가 발생되는 유체의 흐름을 예상할 수 있다.
도 7(a)는 채널의 하부면에서의 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 7(b)는 채널의 측면에서의 누셀 넘버를 도시한 것이다. X는 채널의 길이이고, D는 핀-휜의 지름이다.
도 8(a) 내지 도 8(d)는 갭의 전방부의 폭(G1) 및 핀-휜의 지름(D)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다. G1은 전방부의 너비, D는 핀-휜의 지름이다.
도 9(a) 내지 도 9(d)는 갭의 후방부의 폭(G2) 및 갭의 지름(D)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다.
도 10(a) 내지 도 10(d)는 갭의 전방부로부터 분기되는 후방부의 각도에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다.
도 11은 갭(gap) 및 냉각 흐름 방향에 따른 면적 평균 누셀 넘버를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1(a) 내지 (c)는 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜이 복 수개가 배열된 것을 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜은 냉각장치에 포함되며, 상기 핀-휜은 기둥 형상이고 갭(gap)을 포함하고, 상기 갭(gap)은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고, 상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름 방향에 마주하도록 형성되어 상기 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함한다.
도 1 및 도 2에서 화살표는 냉각장치의 냉각 흐름의 방향을 표시한 것이다. 도 1(a) 내지 (c)에서 갭은 핀-휜의 높이 방향(도 3의 z방향)을 따라 일정한 폭을 갖도록 형성된다. 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜은 냉각장치의 냉각 채널 내에 설치되는 핀-휜에 대한 발명으로써, 상기 핀-휜은 냉각 채널의 상부 및 하부 유로에 고정되어 설치된다. 즉, 상기 핀-휜의 상부 및 하부는 상기 냉각 채널의 상부 유로 및 하부 유로에 접하게 된다. 또한, 상기 핀-휜에 형성된 갭은 상기 핀-휜의 상부에서부터 하부까지 일정한 폭을 갖도록 형성된다. 또한, 상기 갭은 냉각장치의 냉각 흐름의 방향을 마주하는 방향으로 형성된다. 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜은 이와 같이 형성된 갭을 포함함으로써 열 전달 성능, 압력 손실을 개선할 수 있다. 상기 핀-휜의 외부면 및 갭이 냉각 흐름을 간섭하게 됨으로써 냉각장치의 냉각 채널의 냉각 성능을 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예와 달리, 갭이 핀-휜의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되지 않는 경우에는 갭에 의한 냉각 흐름 간섭은 다른 형태로 발현된다. 이 경우, 냉각장치의 냉각 채널의 하부 유로 및 상부 유로에서의 열 전달 성능이 다르게 나타날 것이므로 냉각 채널 전체에서의 열전달 부조화가 발생할 수 있으며, 냉각장치의 냉각 성능이 저하될 수 있다. 또한, 이와 같은 냉각 채널 상부 유로 및 하부 유로의 냉각 흐름 간섭의 차이는 압력 손실을 보다 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예와 달리, 갭이 냉각장치의 냉각 흐름을 마주하는 방향으로 형성되지 않는 경우에는 갭에 의한 냉각 흐름 간섭이 충분히 발생하지 않아 핀-휜의 열 전달 성능이 개선되지 않는다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜은 냉각 채널의 상부 유로 및 하부 유로에 걸쳐 일정한 폭의 갭을 포함하기 때문에, 냉각 장치의 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
상기 갭은 냉각 흐름의 방향을 마주하도록 형성되어 상기 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어올 수 있도록 형성되어 있다. 이 때, 상기 냉각 흐름이 갭 내부로 들어올 수 있도록 형성된 부분을 전방부라고 한다. 또한, 상기 냉각 흐름은 갭을 통하여 핀-휜 외부로 배출되며, 이 때, 상기 냉각 흐름이 배출되는 갭의 부분을 후방부라고 한다.
도 1(a)를 참조하면, 기둥 형상인 핀-휜의 상부면 또는 하부면을 기준으로 할 때, 전방부 및 후방부는 동일 방향으로 형성됨으로써, 갭은 I자 형태로 배치될 수 있다. 도 1(b)를 참조하면, 갭은 전방부로 분기된 2개의 후방부를 포함할 수 있고, 상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기된 부분의 각도는 0도 초과 내지 180도 미만일 수 있다. 이와 같이 상기 갭은 Y자 형태로 배치될 수 있다. 도 1(c)를 참조하면, 갭은 갭의 전방부로 분기된 2개의 후방부를 포함할 수 있고, 상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기된 부분의 각도는 180도 일 수 있다. 이와 같이 상기 갭은 T자 형태로 배치될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜은 갭(gap)을 포함하기 때문에 열 전달 능력을 개선할 수 있다. 또한, 압력 손실을 개선할 수 있다.
다만, 상기 도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 실시 예를 도시한 것으로, 본 발명은 여기에 한정하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜이 배치된 냉각 채널을 도시한 것이다. 도 3의 냉각 채널은 본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜 및 본 발명의 실시 예에서 벗어난 핀-휜의 열 전달 능력 및 압력 손실을 비교하기 위한 것이다.
도 3을 참조하면, 냉각 채널은 길이(L), 폭(W) 및 높이(H)를 가지며, 냉각 흐름이 냉각 채널의 일 방향으로부터 길이방향(x방향)을 따라 이동하며, 상기 냉각 채널의 하부면에 핀-휜이 기둥 형상으로 세워져 배치된다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핀-휜과 갭이 없는 핀-휜의 열 전달 능력 및 압력 손실을 비교하기 위하여, 냉각 채널의 유동장과 온도장에 대한 수치해석을 수행하였다. 삼차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes equation을 풀기 위해 비정렬격자계를 채택한 상용전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-15.0을 사용하였으며, 사면체 및 육면체 격자를 구성하여 수치해석을 수행하였다. 또한 유동장 및 온도장을 해석하기 위한 난류모델로는 shear stress transport 난류모델(SST 모델)을 사용하였다. 작동유체는 공기(ideal gas, air)이며, 경계조건으로는 입구에 일정속도를 지정하였고, 출구에는 정압력조건을 주었다. 열전달면과 핀-휜의 표면에는 일정 열유속조건과 점착조건을 사용하였다. 도 4는 각 모델에 따른 레이놀즈 수에 따른 핀 누셀 넘버(Nup) 및 실험 데이터의 핀 누셀 넘버(Nup)를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, SST 모델의 경우 실제 데이터의 핀 누셀 넘버와 상당히 일치함을 알 수 있다.
나아가, 레이놀즈수(Reynolds number)의 변화에 따른 면적 평균한 누셀트수(Nusselt number)를 계산하여 열 전달 성능에서의 냉각성능을 평가하였으며, 레이놀즈수 및 누셀트수는 각각 다음과 같이 정의된다.
[수학식1]
[수학식2]
상기 수학식 1 또는 2에 있어서, U는 내부냉각유로의 입구 속도, Dh는 냉각 채널의 수력직경, ρ는 냉각유체의 밀도, μ는 점성계수, q0는 열전달면에 주어진 열유속, kf는 열확산계수, Tw는 단열벽면온도, Tb는 각각의 핀-휜의 벌크온도를 의미한다.
도 5(a)는 핀-휜에 따른 면적 평균 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(b)는 핀-휜 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(c)는 채널누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 5(d)는 압력 계수를 도시한 것이다.
도 5(a) 내지 도 5(c)에서 핀-휜 누셀 넘버는 핀-휜에서의 누셀 넘버를 의미하고, 채널누셀 넘버는 핀-휜이 배치된 채널에서의 누셀 넘버를 의미하고, 면적 평균 누셀 넘버는 상기 핀-휜 누셀 넘버 및 채널누셀 넘버가 모두 고려하여 얻어진 누셀 넘버를 의미한다.
도 5(a)를 참조하면, I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜의 면적 평균 누셀 넘버가 갭이 없는 핀-휜에 비하여 현저하게 높은 것을 알 수 있다. 이는 I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜의 열 전달 성능이 갭이 없는 핀-휜에 비하여 현저하게 높은 것을 의미한다. T자 갭 핀-휜의 면적 평균 누셀 넘버가 가장 높은데, 이는 T자 갭 핀-휜의 채널누셀 넘버가 핀-휜의 채널누셀 넘버에 비하여 월등히 높기 때문이다(도 5(c) 참조). 이를 통하여, T자 갭 핀-휜의 열 전달 성능이 가장 우수함을 알 수 있다.
도 5(d)를 참조하면, I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜의 압력 계수가 갭이 없는 핀-휜에 비하여 낮은 것을 알 수 있다. 이는 I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜의 경우 핀-휜에 의한 압력 손실을 갭이 없는 핀-휜에 비하여 크게 개선할 수 있음을 알 수 있다.. 반면, T자 갭 핀-휜은 압력계수가 높게 관찰된다. 도 5(c) 및 도 5(d)를 참조하면, T자 갭 핀-휜은 갭(gap)의 형상에 의해 압력계수가 높은 대신 갭(gap)에 의한 열 전달 성능이 높은 것을 알 수 있다.
도 6(a) 내지 도 6(d)는 핀-휜 형상에 따른 일정한 강도로 소용돌이 치는 입자의 분포영역을 도시한 것이다. 이를 통하여 핀-휜을 거쳐서 소용돌이가 발생되는 유체의 흐름을 예상할 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(c)에서 핀-휜 누셀 넘버는 핀-휜에서의 누셀 넘버를 의미하고, 채널누셀 넘버는 핀-휜이 배치된 채널에서의 누셀 넘버를 의미하고, 면적 평균 누셀 넘버는 상기 핀-휜 누셀 넘버 및 채널누셀 넘버가 모두 고려된 누셀 넘버를 의미한다.
도 5(a)를 참조하면, I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜의 면적 평균 누셀 넘버가 갭이 없는 핀-휜에 비하여 현저하게 높은 것을 알 수 있다. 이는 I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜의 열 전달 성능이 갭이 없는 핀-휜에 비하여 현저하게 높은 것을 의미한다. T자 갭 핀-휜의 면적 평균 누셀 넘버가 가장 높은데, 이는 T자 갭 핀-휜의 채널누셀 넘버가 핀-휜의 채널누셀 넘버에 비하여 월등히 높기 때문이다(도 5(c) 참조). 이를 통하여, T자 갭 핀-휜의 열 전달 성능이 가장 우수함을 알 수 있다.
도 5(d)를 참조하면, I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜의 압력 계수가 갭이 없는 핀-휜에 비하여 낮은 것을 알 수 있다. 이는 I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜의 경우 핀-휜에 의한 압력 손실을 갭이 없는 핀-휜에 비하여 크게 개선할 수 있음을 알 수 있다. 반면, T자 갭 핀-휜은 압력계수가 높게 관찰된다. 도 5(c) 및 도 5(d)를 참조하면, T자 갭 핀-휜은 갭(gap)의 형상에 의해 압력계수가 높은 대신 갭(gap)에 의한 열 전달 성능이 높은 것을 알 수 있다.
도 7(a)는 채널의 하부면에서의 누셀 넘버를 도시한 것이고, 도 7(b)는 채널의 측면에서의 누셀 넘버를 도시한 것이다. X는 채널의 길이이고, D는 핀-휜의 지름이다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 채널의 하부면 및 측면에서의 누셀 넘버는 I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜이 갭이 없는 핀-휜에 비하여 큰 것을 알 수 있다. 따라서, I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜의 열 전달 성능이 갭이 없는 핀-휜 보다 우수함을 알 수 있으며, 상기 도 5(c)의 결과와 일치함을 알 수 있다.
도 8(a) 내지 도 8(d)는 갭의 전방부의 폭(G1) 및 핀-휜의 지름(D)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다. G1은 전방부의 너비, D는 핀-휜의 지름이다.
도 8(a)를 참조하면 면적 평균 누셀 넘버는 I자 갭 핀-휜의 경우 가장 높고, Y자 갭 핀-휜에서는 G1/D가 0.02 미만인 경우에는 일정한 값으로 포화됨을 알 수 있다. 상기 면적 평균 누셀 넘버의 분포는 채널누셀 넘버의 영향이 주된 것임을 알 수 있다(도 14(c) 참조). 따라서, Y자 갭 핀-휜의 경우 G1/D가 0.02 이상인 경우 열 전달 성능이 보다 향상됨을 알 수 있다.
도 8(d)를 참조하면, Y자 갭 핀-휜의 경우 G1/D가 0.06 이하인 경우 압력 계수가 0.45이하이므로 압력 손실을 보다 개선할 수 있음을 알 수 있다. G1/D가 0.08 이상인 경우에는 갭이 없는 핀-휜의 압력 계수와 유사한 값을 보여, 압력 손실이 개선되지 않음을 알 수 있다.
도 9(a) 내지 도 9(d)는 갭의 후방부의 폭(G2) 및 갭의 지름(D)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다.
도 9(a)를 참조하면, I자 갭 핀-휜의 면적 평균 누셀 넘버가 가장 크며, Y자 갭 핀-휜의 경우 갭의 지름에 대한 갭의 후방부의 폭 G2/D가 증가함에 따라 면적 평균 누셀 넘버가 증가함을 알 수 있다. 이러한 경향은 핀-휜 누셀 넘버 및 채널누셀 넘버에서도 유사하게 관찰되었다. 따라서, Y자 갭 핀-휜의 경우 갭의 지름에 대한 갭의 후방부의 폭 G2/D가 증가함에 따라 열 전달 성능이 향상됨을 알 수 있다.
도 9(d)를 참조하면, Y자 갭 핀-휜의 경우, G2/D가 0.08 이하인 경우 압력 계수가 0.45이하이므로 압력 손실을 보다 개선할 수 있음을 알 수 있다. G2/D가 0.10 이상인 경우에는 갭이 없는 핀-휜의 압력 계수와 유사한 값을 보여, 압력 손실이 개선되지 않음을 알 수 있다.
도 10(a) 내지 도 10(d)는 갭의 전방부로부터 분기되는 후방부의 각도(θ)에 따른 면적 평균 누셀 넘버, 핀-휜 누셀 넘버, 채널누셀 넘버 및 압력 계수를 도시한 것이다.
도 10(a)를 참조하면, I자 갭 핀-휜, Y자 갭 핀-휜 및 T자 갭 핀-휜에서 모두 갭이 없는 핀-휜보다 면적 평균 누셀 넘버가 크며, 이로써 열 전달 성능이 향상되었음을 알 수 있다. 특히, 후방부 사이의 각도가 120도 이상인 경우 열 전달 성능이 현저하게 향상됨을 알 수 있다. 도 10(b) 및 도 10(c)를 참조하면 이러한 열 전달 성능에 영향을 주는 주된 요소는 채널누셀 넘버임을 알 수 있다.
도 10(d)를 참조하면 후방부 사이의 각도가 140도 이상인 경우에는 갭이 없는 핀-휜의 압력 계수보다 높아져 압력 손실 개선 효과가 없음을 알 수 있다.
따라서, 후방부 사이의 각도가 120도 이상인 경우 열 전달 성능이 현저하게 향상시킬 수 있으며, 후방부 사이의 각도를 140도 이하로 함으로써 압력 손실을 개선할 수 있다.
도 11은 I자 핀-휜 및 Y자 핀-휜에서, 냉각 흐름과 갭(gap)의 방향에 따른 면적 평균 누셀 넘버를 기재한 것이다. 도 11을 참조하면, 갭(gap) 방향이 냉각 흐름과 일치하는 경우 평균 누셀 넘버가 현저하게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 냉각 흐름이 갭에 의한 변동으로 인하여 열전달 성능이 향상되었음을 보여주는 것이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 냉각장치는 냉각 채널 및 앞서 설명한 핀-휜을 포함을 포함한다. 구체적으로, 상기 핀-휜은 기둥 형상이고, 상기 핀-휜은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고 상기 핀-휜을 관통하는 갭(gap)을 포함하고, 상기 갭은 냉각 흐름 방향으로 형성되어 상기 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함한다. 또한, 상기 냉각장치에 포함되는 핀-휜은 앞서 설명된 내용을 포함할 수 있다.
상기 냉각장치의 냉각 채널의 내부는 냉각 흐름이 지날 수 있는 유로를 형성한다. 상기 냉각 채널 내부의 상부를 상부 유로, 상기 냉각 채널 내부의 하부를 하부 유로라고 할 수 있으며, 상기 핀-휜은 상기 냉각 채널의 상부 유로 및 하부 유로와 연결되도록 배치될 수 있다.
상기 냉각장치 내에서 핀-휜은 도 2에서 보이는 바와 같이 배열될 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 냉각장치는 가스터빈 블레이드, 복잡한 회로를 지닌 전자 장치 등과 같이 고온의 열에 지속적으로 노출된 장치의 냉각을 위해 사용될 수 있으며, 냉각을 위한 냉각 흐름(예를 들면 공기의 흐름)을 이용한다. 상기 냉각장치에 포함되는 핀-휜은 상기 냉각 흐름이 흐르는 방향과 동일한 방향으로 갭을 형성함으로써 냉각 효율 및 압력 손실을 개선할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300: 핀-휜
110, 210, 310: 갭(gap)
111, 211, 311: 전방부
112, 212, 312: 후방부
110, 210, 310: 갭(gap)
111, 211, 311: 전방부
112, 212, 312: 후방부
Claims (11)
- 냉각장치에 포함되는 핀-휜(pin-fin)에 있어서,
상기 핀-휜은 기둥 형상이고 갭(gap)을 포함하고,
상기 갭(gap)은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고,
상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제1항에 있어서,
상기 전방부 및 후방부가 이루는 각도는 180도인 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제1항에 있어서,
상기 후방부는 상기 전방부로부터 분기되어 2개로 형성되는 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제3항에 있어서,
상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기되는 부분에서 상기 2개의 후방부가 이루는 각도는 120도인 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제3항에 있어서,
상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기되는 부분에서 상기 2개의 후방부가 이루는 각도는 180도인 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제3항에 있어서,
상기 핀-휜의 밑면 또는 윗면의 지름을 D, 상기 전방부의 폭을 G1이라하면, G1/D는 0.06 이하인 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제3항에 있어서,
상기 핀-휜의 밑면 또는 윗면의 지름을 D, 상기 후방부의 폭을 G2라하면, G2/D는 0.08 이하인 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제3항에 있어서,
상기 후방부가 상기 전방부로부터 분기되는 부분에서 상기 2개의 후방부가 이루는 각도는 120도 내지 140도인 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 제1항에 있어서,
상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름 방향에 마주하도록 형성된 것을 특징으로 하는 핀-휜.
- 냉각 채널; 및
상기 냉각 채널 내부에 배치된 핀-휜을 포함하고,
상기 핀-휜은 기둥 형상이고 갭(gap)을 포함하고,
상기 갭(gap)은 상기 핀-휜의 기둥 형상의 높이 방향을 따라 일정한 폭으로 형성되고,
상기 갭(gap)은 상기 냉각장치의 냉각 흐름 방향에 마주하도록 형성되어 상기 냉각 흐름이 상기 갭 내부로 들어오도록 형성된 전방부 및 상기 갭 내부로 들어온 냉각 흐름이 배출되도록 형성된 후방부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
- 제10항에 있어서,
상기 핀-휜은 상기 냉각 채널의 하부 및 상부를 연결하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
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