냉각제

3. 액체 냉각제

물은 가장 흔한 냉각제이다. 높은 열용량과 저렴한 비용으로 인해 적합한 열 전달 매체가 된다. 일반적으로 부식 억제제 및 부동액과 같은 첨가제와 함께 사용된다. 부동액은 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 또는 프로필렌 글리콜과 같은 유기 화학 물질의 수용액으로, 수성 냉각제가 0°C 이하의 온도를 견뎌야 하거나 비등점을 높여야 할 때 사용된다. 베타인은 순수한 식물 주스로 만들어져 독성이 없고 친환경적이라는 점을 제외하면 유사한 냉각제이다.^[1]

• 매우 순수한 탈이온수는 낮은 전기 전도도 때문에 고출력 송신기 및 고출력 진공관과 같은 일부 전기 장비를 냉각하는 데 사용된다.
• 중수는 중수형 원자로를 포함한 일부 원자력 발전소에서 원자로 냉각재 및 중성자 감속재로 사용된다. 경수형 원자로(비등수형 원자로와 가압수형 원자로)는 일반(경수) 물을 사용한다. CANDU 원자로와 같은 일부 설계는 중수를 감속재와 보조 냉각제로, 경수를 1차 열 전달 유체로 사용한다.

• 광유는 많은 기계식 기어에서 냉각제와 윤활제 역할을 모두 한다. 피마자유와 같은 일부 식물성 오일도 사용된다. 높은 비등점 때문에 광유는 주거용 휴대용 전기 라디에이터 및 산업 공정 가열/냉각용 폐쇄 루프 시스템에 사용된다. 광유는 비전도성이므로 단락이나 부품 손상 없이 수중 PC 시스템에 자주 사용된다.
• 폴리페닐 에테르 오일은 고온 안정성, 낮은 휘발성, 윤활성 및/또는 방사선 저항이 필요한 경우에 적합하다. 퍼플루오로폴리에테르 오일은 더욱 화학적으로 비활성인 변형이다.
• 디페닐 에테르(73.5%)와 바이페닐(26.5%)의 공융 혼합물은 넓은 온도 범위와 400°C까지의 안정성 때문에 사용된다.
• 폴리염화 바이페닐과 폴리염화 테르페닐은 낮은 가연성, 내화학성, 소수성 및 유리한 전기적 특성으로 인해 열 전달 응용 분야에 사용되었지만, 현재 독성 및 생물 축적으로 인해 단계적으로 폐지되었다.
• 실리콘 오일과 플루오르화 탄소 오일(예: 플루오리너트)은 넓은 작동 온도 범위로 인해 선호되지만, 높은 비용으로 인해 적용이 제한된다.
• 변압기유는 고출력 전기 변압기의 냉각 및 추가 전기 절연에 사용된다. 일반적으로 광유가 사용되며, 특수 용도로는 실리콘 오일이 사용된다. 폴리염화 바이페닐은 오래된 장비에 일반적으로 사용되었으며, 현재 오염 위험이 있다.

• 250 ~ -265°C의 액체 수소도 냉각제로 사용할 수 있다. 액체 수소는 로켓 연료로도 사용되며 로켓 엔진 노즐 및 연소실 냉각에도 사용된다.

4. 상변화 냉각제

일부 냉각제는 동일한 회로에서 액체와 기체 형태로 모두 사용되며, 유체의 비상변화 비열 외에도 비등/응축 상변이, 즉 기화 엔탈피의 높은 비 잠열을 활용한다.

냉매는 액체와 기체 사이의 상변이를 거쳐 낮은 온도를 얻는 데 사용되는 냉각제이다. 할로메탄이 자주 사용되었으며, 가장 흔하게는 R-12 및 R-22이 사용되었으며, 종종 액화 프로판 또는 R-134a와 같은 다른 할로알케인이 사용되었다. 무수 암모니아는 대형 상업 시스템에서 자주 사용되며, 초기 기계식 냉장고에서는 이산화황이 사용되었다. 이산화 탄소 (R-744)는 자동차, 가정용 에어컨, 상업용 냉장 및 자동 판매기의 기후 제어 시스템에서 작동 유체로 사용된다. 그렇지 않으면 훌륭한 많은 냉매는 환경적 이유로 단계적으로 폐지된다 (CFC는 오존층 영향으로 인해, 이제 많은 후속 물질은 지구 온난화로 인해 제한에 직면함, 예를 들어 R134a).

히트 파이프는 냉매의 특별한 응용 분야이다.

물은 때때로 이런 방식으로 사용되며, 예를 들어 비등수형 원자로에서 사용된다. 상변이 효과는 의도적으로 사용될 수도 있고, 해로울 수도 있다.

상변화 물질은 고체와 액체 사이의 다른 상변이를 사용한다.

액체 가스는 여기에 속하거나 냉매에 속할 수 있으며, 액체 가스의 온도는 종종 증발에 의해 유지된다. 액체 질소는 실험실에서 가장 잘 알려진 예이다. 상변이는 냉각된 계면에서 발생하지 않고, 대류 또는 강제 흐름에 의해 열이 전달되는 액체 표면에서 발생할 수 있다.

5. 고체 냉각제

일부 응용 분야에서 고체 물질이 냉각제로 사용된다. 이러한 물질은 기화하는 데 많은 에너지를 필요로 하며, 이 에너지는 기화된 가스에 의해 운반된다. 이 방식은 우주 비행, 절삭 대기 재진입 방어막 및 로켓 엔진 노즐 냉각에 흔히 사용된다. 동일한 접근 방식은 절삭 코팅이 적용되는 구조물의 화재 보호에도 사용된다.

드라이아이스와 물 얼음은 냉각되는 구조물과 직접 접촉할 때 냉각제로 사용할 수도 있다. 때로는 추가적인 열 전달 유체가 사용되기도 한다. 물과 얼음, 아세톤 속의 드라이아이스는 두 가지 인기 있는 조합이다.

물 얼음의 승화는 아폴로 계획의 우주복을 냉각하는 데 사용되었다.

6. 용융 금속 및 용융염 냉각제

액체 가용 합금은 고온 안정성이 요구되는 분야, 예를 들어 일부 고속 증식로 원자로에서 냉각재로 사용될 수 있다. 나트륨(나트륨 냉각 고속 원자로에서) 또는 나트륨-칼륨 합금인 NaK가 자주 사용되며, 특수한 경우에는 리튬을 사용할 수 있다. 냉각재로 사용되는 또 다른 액체 금속은 납으로, 납 냉각 고속 원자로 또는 납-비스무트 합금에 사용된다. 일부 초기 고속 중성자 원자로는 수은을 사용했다.

특정 응용 분야의 자동차 포핏 밸브 스템은 속이 비어 있고 나트륨으로 채워져 열 수송 및 전달을 개선할 수 있다.

매우 고온의 분야, 예를 들어 용융염 원자로 또는 초고온 가스 냉각로에서는 용융 염을 냉각재로 사용할 수 있다. 가능한 조합 중 하나는 플루오린화 나트륨과 테트라플루오붕산 나트륨(NaF-NaBF₄)의 혼합물이다. 다른 선택으로는 FLiBe와 FLiNaK가 있다.

7. 나노유체 냉각제

새로운 종류의 냉각제는 나노유체이며, 물과 같은 운반체 액체에 나노입자라고 하는 미세한 나노 스케일 입자가 분산되어 있다. 예를 들어, CuO, 알루미나,^[6] 이산화 티타늄, 탄소 나노튜브, 실리카 또는 금속(예: 구리 또는 은 나노로드)과 같은 맞춤형 나노입자를 운반체 액체에 분산시키면 운반체 액체만 사용하는 경우보다 결과적으로 냉각제의 열 전달 능력이 향상된다.^[7] 이론적으로 이 향상은 350%까지 가능하다. 그러나 실험에서는 이처럼 높은 열 전도도 개선이 입증되지 않았지만, 냉각제의 임계 열유속이 크게 증가하는 것을 발견했다.^[8]

몇 가지 상당한 개선이 가능하다. 예를 들어, 직경 55nm±12nm, 평균 길이 12.8μm인 은 나노로드를 0.5% 사용하면 물의 열 전도도가 68% 증가했으며, 0.5%의 은 나노로드는 에틸렌 글리콜 기반 냉각제의 열 전도도를 98% 증가시켰다.^[9] 0.1%의 알루미나 나노입자는 물의 임계 열유속을 최대 70%까지 증가시킬 수 있다. 이 입자는 냉각된 물체에 거친 다공성 표면을 형성하여 새로운 기포가 형성되도록 유도하고, 친수성 특성은 기포를 밀어내어 증기층 형성을 방해한다.^[10] 5% 이상의 농도를 가진 나노유체는 비뉴턴 유체처럼 작용한다.

참조

_[1] 웹사이트 Betaine as coolant http://www.thermera.[...]
_[2] 웹사이트 Duratherm Extended Life Fluids http://www.duratherm[...]
_[3] 웹사이트 Paratherm Corporation http://www.paratherm[...]
_[4] 웹사이트 Column: Keep Your Cool http://www.truckingi[...] Heavy Duty Trucking 2009-08
_[5] 웹사이트 ctemag.com http://www.ctemag.co[...] 2011-10-02
_[6] 웹사이트 Noghrehabadi Bibliography http://www.nanofluid[...]
_[7] 학술지 A review on nanofluids - part II: experiments and applications 2008-12
_[8] 웹사이트 scienceblog.com http://www.sciencebl[...]
_[9] 서적 SAE Technical Paper Series 2007-07-09
_[10] 웹사이트 mit.edu http://web.mit.edu/m[...]