KEA 한국전자정보통신산업진흥회

다이어프램 밸브는 일반적으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 또는 고무로 제작된 다이어프램으로 구성되며, 이 다이어프램의 변위를 통해 밸브 개도량을 조절하여 유량을 제어한다. 그러나 밸브가 갑자기 닫히면 액체 내에서 큰 압력 변동이 발생하고, 이로 인해 캐비테이션이 발생할 수 있다. 캐비테이션 과정에서 형성된 증기 기포는 급격히 붕괴되어 밸브 본체에 침식과 손상을 유발하고, 나아가 전체 시스템의 성능과 안정성에도 악영향을 미친다. 본 연구에서는 다이어프램 밸브의 2차원 과도 수치해석을 통해 캐비테이션 현상을 구현하고, 다이어프램 형상 변화를 통해 캐비테이션 발생을 억제하는 방법을 모색하였다. 또한 수격 현상(water hammering)의 발생을 함께 관측하여 캐비테이션과의 상관성을 분석하였다.

다이어프램 밸브는 일반적으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 또는 고무와 같은 유연한 소재로 제작된 다이어프램을 변위시켜 개도량을 조절함으로써 유량을 제어한다. 유체와 구동부를 분리할 수 있어 오염을 방지하는 등 장점이 많아 반도체 장비에 널리 사용된다. 그러나 밸브가 급격히 닫히면 액체 내 큰 압력 변동으로 인해 캐비테이션이 발생할 수 있으며, 이 과정에서 형성된 기포는 붕괴하면서 밸브 본체에 침식·부식 등의 손상을 유발하고, 나아가 전체 시스템의 성능과 안정성에도 악영향을 미친다. 따라서 다이어프램 밸브의 2차원 과도 수치해석을 통해 캐비테이션 현상을 구현하고, 수격 현상의 발생을 함께 관측하여 캐비테이션과의 상관성을 분석하였다. 더 나아가 다이어프램 형상 등 다양한 인자에 대한 수치해석을 수행하여, 캐비테이션 발생을 억제할 수 있는 방안을 도출하였다.

전자 부품 발열 소자의 집적화로 단위 면적당 발열량이 증가함에 따라, 차세대 냉각 기술로서 흐름 비등을 이용한 멀티채널 냉각판의 개발 필요성이 제기되고 있다. 이를 위해 이상 유체를 활용한 대면적 멀티채널 냉각판의 열성능 및 열설계 특성에 대한 분석이 요구된다. 본 연구에서는 예측 모델과 실험을 통해 대면적 멀티채널 냉각판의 열성능 및 열설계 특성을 검증하였다. 이를 위해 기존에 제안된 상관식을 기반으로 MATLAB에서 유한차분법을 적용한 예측 모델을 제작하였으며, 해당 모델을 통해 압력 강하와 열전달계수 등 열성능 지표뿐 아니라 드라이아웃, 초킹, 임계열유속과 같은 열설계 한계를 예측하였다.

저는 다양한 현상을 수치해석을 통해 구현하는 데 관심이 있습니다. 지금까지 여러 분야에서 수치해석을 활용하여 현상을 모사해왔으며, 특히 비공기압 타이어의 열전달 및 유동 특성을 분석하는 등 자동차와 직접적으로 연관된 연구를 수행해왔습니다. 또한 히트싱크의 유동 균일성 향상이나 열전달 성능 예측 모델 개발과 같이 자동차의 다양한 발열 부품에 적용 가능한 연구를 진행하였습니다. 더불어 동적 격자를 활용한 수치해석 경험은 작동부가 많은 자동차 부품의 거동 해석에도 응용할 수 있습니다.

[주요논문 연구분야]
제 연구는 크게 수치해석 기반 연구와 실험 기반 연구로 구분할 수 있습니다. 지금까지는 주로 수치해석을 진행해왔으나, 수치해석의 검증과 보완을 위해 최근에는 실험 연구도 병행하고 있습니다.

수치해석 연구에서는 먼저, 비공기압 타이어의 변형으로 인해 발생하는 발열을 주행 중 공기 유동을 통해 냉각하는 과정을 구현하고, 냉각 성능 향상 방안을 제시하였습니다. 또한 유체-구조 연계 해석을 통해 최적 형상을 탐색하는 연구를 진행하였습니다. 멀티채널 히트싱크에 대해서는 채널 길이 변화와 돌기형 휜(bumped fin) 설치를 통한 유동 균일성 향상을 분석하였으며, 산학과제를 통해 대면적 멀티채널의 열전달 성능과 열설계 한계를 예측하는 모델을 개발하였습니다. 더불어 동적 격자를 이용해 다이어프램 밸브의 캐비테이션 발생 억제 방안을 제시하였고, 풀비등 현상을 구현하기 위한 상변화 수치해석도 진행하고 있습니다.

실험 연구에서는 배열 충돌제트에서 절연유체를 이용한 냉각 성능을 평가하였으며, 기존 평판과 비교해 사각핀, 마름모핀, 원형핀 등 다양한 핀 배열을 적용하여 성능 향상을 검증하였습니다.



[프로젝트 수행경험]
제가 현재까지 진행한 연구를 정리하면 다음과 같습니다.

1. 수치해석을 통한 물리적 현상 구현 및 성능 향상
- sliding mesh, multiple reference frame 등 타이어의 회전을 구현할 수 있는 기법을 적용하여 비공기압 타이어에서 열전달 및 유동 특성을 연구
- dynamic mesh중 layering method를 사용하여 다이어프램 밸브의 운동을 구현하고 캐비테이션 억제방안 도출

2. 멀티채널 히트싱크
- 채널의 길이를 증가시키고, 돌기형 휜을 설치하여 유동 균일성 향상
- 상관식을 사용하여 열전달성능 및 열설계 한계를 예측하는 모델 구축

3. 상변화 냉각 연구
- 수치해석을 통해 풀비등 현상 구현 및 구조물 내부의 비등 특성 분석
- 실험을 통해 핀이 설치된 배열충돌제트의 성능 분석