Investigations of the relation between the stack temperature profile of a standing wave thermoacoustic cooler and the cooling efficiency were performed. Based on the mathematical derivations using the Rott Equation, it was found that the temperature profile along the stack becomes nonlinear as the enthalpy flux passing through the stack increases. It was also found that such nonlinear temperature profiles lower the cooling efficiency. Simulations using a thermoacoustic simulation program called DELTAE showed that the nonlinear temperature profile occurs with a long stack and large cooling load.
Recently, refrigerants such as freon gases of conventional refrigerators and air conditioners are regarded as causes of air pollutions and global warming. Thus, a new cooling technology needs to be developed and wave cooling systems are being developed, which use acoustic energies. In this article, for the development of a wave cooling system, acoustic cooling devices, which uses a low frequencies of 385 Hz and 1,150 Hz, were fabricated and experiments were performed. Using these results, a high frequency waveguide, which can be substituted for speakers, was designed using finite element methods and fabricated. As a result, the analysis result of the peak impedance value was 35.5 kHz, which agreed well with the measured value of 37.5 kHz with 5.3 % error.
A novel cooling method induced by acoustic streaming generated by ultrasonic vibration at 30㎑ is presented. Ultrasonic vibration is obtained by piezoelectric devices and the maximum vibration amplitude of 50 m is achieved by including a horn, mechanical vibration amplifier in the system and making the complete system resonate. To investigate the enhancement of heat transfer capability of acoustic streaming, the temperature variations of heat source and air in the vicinity of heat source are measured in real-time. It is observed that acoustic streaming is instantly induced by ultrasonic vibration, resulting in the significant temperature drop due to the bulk air flow caused by acoustic streaming. In addition, it is observed that the cooling effect on the heat source is maximized when the gap between the ultrasonic vibrator and heat source coincides with the multiples of half-wavelength of the ultrasonic wave. This fact results from the resonance of the sound wave. The theoretical analysis of the dependence on the gap is also accomplished and verified by experiment. The advantage of the proposed cooling method by acoustic streaming is noise-free due to the ultrasonic vibration and maintenance-free because of the absence of moving parts. Moreover. This cooling method can be utilized to the nano and micro-electro mechanical systems, where the fan-based conventional cooling method can not be employed.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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1997.11a
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pp.8-9
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1997
산업의 발달과 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 고효율, 저공해인 가스터빈의 응용범위가 넓어지고 있는 추세이다. 가스터빈 기관의 효율을 높이기 위해서는 터빈 입구온도를 높이는 것이 필수적인데 이는 재질에 의해 제한 받게 되고 이 때문에 효과적인 냉각방법의 필요성이 대두되었다 충돌제트는 국소적으로 높은 열/물질 전달 효과를 얻을 수 있어서 터빈 블레이드 냉각과 연소기 벽면 냉각에 효과적으로 응용 될 수 있다. 이러한 충돌제트의 냉각효과는 제트출구의 초기조건에 매우 민감한데 Kelvin-Helmholts 불안정은 불안정한 자유전단층에서 자연적인 와류생성(roll up)과 개개의 와류고리 형성의 원인이 되고 이 고리의 성장과 병합(pairing)은 제트의 유동특성에 상당히 영향을 미친다. 제트주위에 생성되는 이러한 와류에 의해 제트중심에서 속도와 난류강도가 변하게 된다. 이러한 제트초기의 불안정성은 하류에서의 와류성장에 영향을 끼치기 때문에 와류의 조절에 의한 충돌 면에의 열 전달 효과 상승을 기대할 수 있다. 이 조절방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 하나는 제트주의 환형관에 이차유동을 가하여 와류를 직접 제어함으로써 자유전단류(free shear layer flow)의 안정성 원리를 이용하여 열 전달을 촉진하는 것이고 다른 하나는 음향여기(acoustic exitation)를 사용하여 제트주위의 와류형성을 조절하는 것인데, 자연적으로 형성되는 와류의 주파수(와류의 고유주파수)나 부조화 주파수(subharmonic)로 음향여기 시키는 경우 제트 주위 와류는 더욱 증폭되고 그렇지 않은 경우 제트주위 와류의 형성이 억제되어 더 긴 제트코어의 길이 및 제트코어 주위에서 작은 크기의 와류들이 형성된다.
Utilizing a thermo-acoustic emission (AE) technique, a study on detection and evaluation of microfractures in cross-ply laminate composites was performed. Fiber breakages and matrix fractures formed by a cryogenic cooling at $-191^{\circ}C$ were observed with ultrasonic C-scan, optical and scanning electron microscopy. Those microfractures were monitored in a non-destructive in-situ state as three different types of thermo-AE signals classified on the basis of Fast-Fourier Transform and Short-Time Fourier Transform. Thus, it was concluded that real-time estimation of microfracture processes being formed during cryogenic cooling could be accomplished by monitoring such different types of thermo-AEs in each time-stage and then by analyzing thermo-AE behaviors for the respective AE types on the basis of the AE signal analysis results obtained during thermal heating and cooling load cycles.
히트파이프에 관한 연구는 구미, 일본 등 선진 각국뿐만 아니라, 중국, 독립국가연합 및 동구권 에서도 다년간 활발하게 진행되어 왔다. 석유파동 이후 에너지 절약을 위한 노력의 결과로 폐 열회수 장치가 많이 개발되면서 히트파이프를 전열소자로 사용한 폐열회수 장치가 상당히 늘어나 이에 소요되는 히트파이프의 생산량도 급격한 신장세를 나타내고 있다. 이는 히트파이프 자체가 응답성이 좋고, 구조가 간단하며, 전열성이 뛰어난 장점으로 인하여 많은 연구가 이루어졌기 때 문이라 하겠다.그 응용분야는 인공위성으로부터 폐열회수용 열교환기, 전기장치 전자소자의 냉각, 음향기기의 냉각, 태양열과 지열의 유효이용, 플라스틱 금형의 냉각, 공작기계의 주축냉각, 포장 기계, 주방기기, 전력케이블의 냉각, 엔진 및 브레이크의 냉각 등 응용분야가 광범위하여 급격 하게 발전하고 있다. 그러나 국내에서는 히트파이프와 관련된 학술적인 연구결과가 발표되고 있을 뿐, 체계적이며 지속적인 연구가 수행되지 못하고 있다. 또한 산업계에서도 관련제품의 대 부분을 수입에 의존하고 있으며, 일부 제작업체에서는 제품이 나오고 있으나 축적기술결여로 그 성능면에 있어서 보증이 어려워 업계의 연구개발에 대한 노력이 절실히 요구되고 있다.
In this paper, the thermoacoustic refrigerating system was implemented and its operation was experimentally verified. The system is composed of several parts ,4 inch midrange speaker, speaker housing, chamber, stack housing, stack of plates, heat exchangers, thin pipe and cavity. The system is filled with He gas at 10 bar and contains T-type thermocouples and condenser microphone for measuring the temperature and pressure inside, respectively. In addition, cooling water is used for protecting speaker from thermal destruction and cooling down the hot heat exchanger. For the experimental verification of the implemented refigerating system, electrical impedance and resonance characteristics were measured. The results showed that it was most efficient to drive the system at 340 Hz. When operated at 340 Hz, $30^\circ{C}$ environments and 50 electical watts, the temperature of the cold region decreased by $16^\circ{C}$. The dissatisfaction mainly comes from the incomplete thermal insulation of the cold region. We also pointed out some guidelines to improve the performance for later study.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.9
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pp.694-702
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2003
A cooling mechanism using acoustic streaming by ultrasonic vibrations and associated convective heat transfer enhancement is investigated experimentally and analytically. Acoustic streaming pattern and associated heat transfer characteristics are presented. Analytical transient temperature profile of the heated plate following Nyborgs theory is accomplished along with experimental measurement. A temperature drop of 30 C is obtained in 4 minutes with vibration amplitude of 10${\mu}{\textrm}{m}$. As the vibration amplitude is further increased to 25${\mu}{\textrm}{m}$ a temperature drop of 40 C is achieved that is the maximum temperature drop obtained with the current experimental apparatus. Analytical heat transfer solutions verified a temperature drop of 4$0^{\circ}C$ with a vibration amplitude of 25${\mu}{\textrm}{m}$ at 28.4 kHz which is experimentally obtained.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.1024-1027
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2004
수원 삼성전자 DM연구소(R4) 신축동 6층 옥상에 위치한 냉각탑으로 인해 인근 연구실 및 사무실에 소음 전파 우려가 있어 이에 대한 소음영향 평가를 수행하고 대책을 수립하고자 한다. 이를 위해 연구실에 대한 소음기준을 설정하고 음향해석기법을 이용하여 방음대책 수립 전 후에 대한 소음영향 평가를 수행하였으며, 냉각탑 소음을 줄이기 위한 방음대책안을 제시하였다.
Ultrasound has been widely used in various industrial fields. One of challenging application areas is cooling microelectronics. Ultrasonic cooling systems can work with air, argon (Ar) and nitrogen (N2) instead of conventional refrigerant such as freon gas, which can cause global warming. Furthermore, ultrasonic systems do not have moving parts, thus high durability can be obtained. So it is necessary to develop ultrasonic cooling systems due to environmental issues and durability points. In this paper, the design and fabrication processes are explained. When designing the system, a feasibility test was performed with a prototype cooler. Based on the result, finite element analysis with ANSYS software was performed. The predicted anti-resonance frequency for a piezoelectric actuator was 34.8 kHz, which was in good agreement with the experimental result of 34.6 kHz with 0.6% error. In addition, the predicted anti-resonance frequency for the ultrasonic waveguide was 39.4 kHz, which also agreed well with the experimental value of 39.8 kHz with 1.0% error. Based on these results, the developed ultrasonic waveguide might be applicable in microchip cooling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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