1. 서 론

최근 기계가공 시스템에 있어서 생산성을 높이고 절삭공구의 수명을 향상시키기 위해 액체질소와 같은 극저온 유체(cryogenic fluid)의 활용이 증가하고 있으며, 이에 대한 연구도 활발히 수행되고 있다.^(1-3) 선반, 밀링과 같은 절삭공정에 있어서 극저온 액체를 이용하여 재료를 냉각시킬 경우, 재료의 연성이 감소하기 때문에 가공 정밀도와 속도가 향상되는 것으로 알려져 있다. 극저온 기계가공에 적용하는 냉각방식은 3가지 경우가 주로 사용되고 있다. 재료를 극저온 액체에 담가 냉각시킨 후 절삭하는 ①예비 냉각방식, 절삭공구를 극저온으로 처리한 후에 가공하는 ②원격 냉각방식, 마지막으로 극저온 액체의 충돌분류(impinging jet) 또는 분무류(spray flow)에 의해 재료를 냉각하면서 절삭하는 ③직접 냉각방식으로 구분할 수 있다. 이중에서도 극저온 액체를 절삭재료에 직접 분사하여 냉각하는 방식이 냉각액체의 소비는 많지만 가공면의 품질과 가공성능이 우수한 것으로 알려져 있다. 또한 기존의 절삭유는 작업자의 작업환경을 나쁘게 만들고 대량폐기에 의한 환경오염을 유발시키는 단점이 있지만, 질소는 이러한 단점이 없고 생산 및 저장기술의 발전으로 인해 액체질소를 저렴하고 손쉽게 구할 수 있는 점 등으로 인해 친환경적인 절삭제로서의 활용이 급격히 증가할 것으로 기대된다. 분무 냉각기술은 분무유량, 충돌속도 등에 의해 물체의 냉각속도를 적절히 제어할 수 있으며 액체의 소비량에 비해 냉각효과가 매우 우수하기 때문에 오래전부터 금속재료의 열처리공정, 열교환기 등과 같은 다양한 산업분야에 널리 활용되어 왔다.^(4-6) 최근에는 위에서 언급한 바와 같이 극저온 기계가공 시스템에서도 분무냉각기술의 활용이 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 연구도 활발히 수행되고 있다. 그러나 기존의 연구들은 기계가공 시스템에 있어서 극저온 유체를 분사할 경우 재료의 연성이 감소하여 가공성능이 향상되고 공구의 수명이 길어지는 장점이 있음을 설명하는데 그치고 있으며, 극저온 액체의 분무유량과 냉각속도의 관계 또는 분무유량이 분무냉각 열유속에 미치는 영향을 체계적으로 연구한 결과는 그리 많지 않은 실정이다. 본 연구에서는 액체 질소를 활용하여 분무냉각 열전달 실험을 수행하였으며, 주로 막비등(film boiling) 영역을 중심으로 액적유량이 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 중점적으로 관찰하였다.

2. 실험장치 및 방법

Fig. 1에는 실험장치의 개략도를 나타내었다. 실험장치는 액체 질소탱크, 냉각면(test surface), 적외선 가열 장치, 온도 측정장치 등으로 구성되어 있다. 액체 질소탱크를 2개 설치하였으며, 실험직전에 1.2 liter 크기의 보조탱크(auxiliary tank)에 액체질소를 저장한 직후에 실험을 수행하였다. Fig. 2에 냉각면의 개략도를 나타내었다. 냉각면은 직경×높이가 10×10 mm의 원통형 스테인리스강(stainless steel)으로 제작하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 냉각면은 동일한 재료로 제작된 고정틀에 삽입하여 볼트와 세라믹 본드(단열재)를 이용하여 고정하였다. 냉각면을 적외선 히터를 이용하여 약 250℃까지 가열한 후, 냉각면에 액체질소를 분사하여 냉각면을 약 -100℃ 까지 냉각시키는 비정상 실험을 수행하였다.

냉각면의 뒷면에는 외경 1.0 mm의 열전대를 표면으로부터 약 2.0 mm의 위치에 삽입하였다. 이 열전대를 이용하여 냉각과정에 있어서 냉각면의 온도이력을 측정하였으며, 이러한 방법으로 측정된 온도이력을 열전도 역산법(inverse heat conduction method)에 적용하여 냉각면의 표면온도와 열유속을 계산하였다.⁽⁷⁾ 열전대의 위치 측정과 열전대에 의한 온도측정 오차를 고려한 측정결과의 불확실성(uncertainty)은 5% 이내이다.⁽⁸⁾

액체질소의 분무압력은 보조탱크에 연결된 공기압축기를 이용하여 1~4 kg/cm²의 범위에서 조절하였으며, 냉각면에 공급되는 액적유량은 보조탱크에 저장된 액체질소의 소비량을 측정하여 계산하였다. 이러한 방법 으로 측정된 액적유량밀도(droplet flow rate)는 0.0146~0.0277 m³/(m²s)의 범위에 있음을 알 수 있었다. 본 실험 에서는 Ikeuchi사의 원추형(full cone) 가압식 분무노즐(J020)을 사용하였으며, 오리피스 직경은 약 0.45 mm로 측정되었다. 본 연구에서는 주로 이 범위에서 액적유량밀도가 액체질소의 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 파악하였다. 분무노즐과 냉각면의 거리는 분사각을 고려하여 약 8 mm로 설정하여 실험을 수행하였다. 열전도 역산법을 이용하여 표면온도와 열유속을 계산함에 있어서 열전대의 위치, 온도측정 시간간격 등에 의한 측정 오차에 관해서는 선행 연구결과⁽⁹⁾에 자세히 나타내었다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 3에는 보조탱크의 압력을 1~4 kg/cm²의 범위에서 조절하여 분무노즐을 통과하는 액체질소의 유량을 측정한 결과를 나타내었다. 위에서 언급한 바와 같이 액체질소의 유량은 액체질소를 1.2 liter 크기의 보조탱크에 채운 후에 일정한 압력 하에 소비되는 액체질소의 부피와 시간을 측정함으로서 산출하였다. Fig. 3으로부터 압력이 1~4 kg/cm²일 경우 유량은 0.11~0.21 liter/min의 범위에서 증가하고 있음을 알 수 있다. Fig. 4에는 Fig. 3에서 측정한 유량을 냉각면의 면적으로 나누어 액적유량밀도로 나타내었다. 액적유량밀도는 단위시간, 단위면적당 냉각면에 충돌하는 액적의 전체 부피를 나타내며 분무냉각 열전달에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 알려져 있다. Fig. 4에서 알 수 있듯이 액적유량밀도는 0.0146~0.0277 m³/(m²s)의 범위이며, 본 연구에서는 이 액적유량밀도 범위에서 분무냉각 실험을 수행하여 액적유량밀도가 액체질소의 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 파악하였다. Fig. 5에는 액적유량밀도를 0.0146~0.0277 m³/(m²s)의 범위에서 변화시켜 냉각면의 온도를 측정한 결과를 나타 내었다. 단, Fig. 5에 나타낸 측정결과는 냉각면의 표면온도가 아닌 표면에서 2 mm 지점에 위치한 냉각면 내부의 온도 측정결과이다. 그림으로부터 액적유량밀도가 증가할수록 냉각속도가 빠르게 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한 액적유량밀도가 증가할수록 저온에서 냉각속도가 불안정해지는 것을 알 수 있다. 액적유량밀도가 0.0146 m³/(m²s)인 경우에는 막비등영역이 -50℃까지 유지된 후에 급냉(quench)이 발생하지만, 액적유량밀도가 이보다 큰 경우에는 0℃ 부근에서 급냉이 발생하며, 냉각이 진행될수록 냉각속도가 불안정해지는 것을 알 수 있다.

Fig. 6에는 Fig. 5에 나타낸 냉각곡선을 열전도 역산 해석을 위한 프로그램에 적용하여 냉각면의 표면온도와 열유속을 계산하여 나타내었다. 단, Fig. 6에는 안정적인 온도 측정결과를 얻을 수 있었던 막비등영역을 중심 으로 계산결과를 나타내었다. Fig. 6으로부터 알 수 있듯이 액적유량밀도가 증가할수록 분무냉각 열유속은 증가하고 있다. 또한 Fig. 6에는 액체질소의 풀비등 열유속을 Klimenko의 연구결과⁽¹⁰⁾를 활용하여 계산한 결과를 함께 나타내어 본 연구결과와 비교하였다. Klimenko는 수평 상향면에 대하여 아래와 같은 풀비등 열유속 상관식을 제안하였다.

위 식에서 액체와 냉각면 사이에 형성된 증기흐름이 층류(Gr ≤ 10⁸)일 경우에는 식(1), 증기흐름이 난류(Gr ＞ 10⁸)일 경우에는 식(2)를 이용하여 풀비등 열유속을 계산할 수 있다. 또한 Klimenko는 냉각면의 크기가 일정 크기 이하(d/l_cr < $2\sqrt{6}$)로 작아질 경우에 적용할 수 있는 열전달 상관식을 제안하였다.

금속재료 또는 공구를 액체질소에 담가 냉각시킬 경우 Klimenko가 제시한 풀비등 상관식을 이용하여 근사적인 냉각속도의 추정이 가능하다. 단, 본 연구에서는 Klimenko의 연구결과를 활용하여 풀비등 열유속을 계산함에 있어서 냉각면의 직경을 분무냉각 실험에 활용한 냉각면과 동일한 직경인 10 mm로 설정하여 계산하였다. 그리고 Fig. 6에는 물을 사용한 경우 대한 분무냉각 열유속을 선행 연구결과⁽¹¹⁾를 이용하여 계산한 결과도 나타내었다. 선행 연구로부터 얻어진 순수 물에 대한 분무냉각 막비등 열유속에 관한 상관식은 다음과 같다.

Fig. 6으로부터 알 수 있듯이 액체질소의 분무냉각 열유속은 풀비등 열유속보다 높게 나타나고 있음을 알 수 있으며, 이는 분무냉각이 풀비등 냉각보다 냉각효과가 크기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 액체질소의 분무냉각 열유속은 동일한 액적유량밀도의 순수한 물을 사용할 경우보다는 작은 것으로 예측되었다. 이는 순수 물의 증발열이 액체질소의 증발열보다 매우 크기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 7에는 분무냉각 막비등 열전달 계수와 액적유량밀도와의 간단한 상관관계를 나타내었으며, 그림으로부터 열전달계수 h는 D^0.7에 비례하고 있는 것을 알 수 있다. q_w = h․ΔT_sat의 관계를 이용하여 식(5)를 정리하면 h = C․D^0.7의 관계를 얻을 수 있으며, 본 실험결과는 이러한 순수 물을 대상으로 실험하여 얻은 선행 연구결과와 일치하고 있음을 알 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 액체질소를 이용하여 분무냉각 실험을 수행하였으며, 주로 막비등영역에서 액적유량밀도가 분무냉각 열전달에 미치는 영향을 중점적으로 관찰하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 본 실험범위에 있어서 액적유량밀도가 증가할수록 액체질소의 분무냉각 열유속은 증가하였다. 분무냉각 열유속은 액체질소의 풀비등 열유속보다 높게 나타나고 있으나, 동일한 액적유량의 순수한 물을 사용할 경우의 분무냉각 열유속보다는 작은 것으로 예측되었다. 이는 순수물의 증발열이 액체질소의 증발열보다 매우 크기 때문인 것으로 판단된다.

(2) 액체질소의 분무냉각 열전달계수는 D^0.7에 비례하고 있는 것을 알 수 있었으며, 이러한 결과는 순수 물을 대상으로 실험하여 얻은 선행 연구결과와 일치하였다.