열음향 Thermal Acoustic

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열음향 Thermal Acoustic 

1. 열음향 개요

소리에너지와 열에너지간의 상호작용에 대한 현상을 열음향(Thermal Acoustic)현상이라고 부른다. 

1777년 히긴스(Higgins)가 수소불꽃 실험을 하다가 음향진동 현상을 발견하였다. 긴 파이프의 한쪽 끝에 열을 가했을 때 파이프의 반대쪽에서 소리가 발생하는 현상을 발견하여 최초로 소개되었다. 

열음향 현상은 유리를 부는 직공들이 자주 접하였을 것이다. 찬 유리관을 뜨거운 유리관 옆에 놓을 때 소리가 나는 현상을 발견하고, 이러한 현상을 존트하우스(Sondhauss)가 처음으로 연구하여 한쪽 끝이 막힌 유리관을 존트하우스관(Soundhauss tube)라고 하였다. 이것은 최초의 열음향엔진으로 알려져 있다.  

이후에 존트하우스(Sondhauss),라이케(Rike) 등도 열에너지가 소리에너지로 변환되는 것을 확인하였다. 

최초의 열음향엔진으로 알려진 Soundhauss tube는 뜨거운 유리구가 차가운 유리관에 접촉될 때 음향효과를 발생하였다. 

1896년 Rayleigh 등에 의해 Sondhauss tube가 뜨거운 유리구가 차가운 유리관에 접촉될 때 발생하는 소리의 높고낮음에 대해 이론적인 연구가 이루어졌다.

정확한 해석은 20세기 중반에 이르러서야 타코니스(Taconis)에 의해 설명되었다. 

극 저온 냉동장치에서 가스가 주입된 관이 실 온도에서 극저온에 접근할 때 아주 큰 진폭을 갖는 진동이 발생하는 것을 Taconis진동이라고 한다. 

1954년 Clement 등에 의해 이 Taconis진동이 관찰되었고, 

1980년 Yazaki 등에 의해 계속적으로 Taconis진동이  연구되었다.

Carter와 그의 동료들이 Sondhauss관 내부에 스택(Stack)을 도입함으로써 효율을 개선하였으며,

Feldman의 박사논문 연구에서는 이에 근거하여 Sondhauss 진동기에 적판을 설치하여 600W의 열을 가하여 27W의 음향동력을 얻었으며, 열음향 현상을 실험 및 분석하였다. 

2. 열음향에 의한 냉각효과

1966년 Gifford 등은 밀폐관에 가스를 충진시켜 매우 낮은 주파수와 높은 진폭을 가진 압력진동을 가함으로서 온도변화를 발생시켜 관속에서 열 펌프작용이 발생하는 것을 규명하였다.

1975년 Merkli 등은 실린더 모양의 공명기에서 공진하는 가스의 진동 속도배 근처에서 온도저하 현상을 관찰하였다. 

1969년 Rott 등은 열음향 원동기와 열음향 냉동기에 대한 이론 연구를 수행하였으며, 

1983년 Wheatley 등에 의해 열음향 냉동기의 실용화 연구가 시작되었고 

1988년 Hofler는 음향냉동기에 대하여 특허를 출원하였다. Hofler는 냉동기의 실용화 연구에서 출력이 큰 중음 스피커를 사용하고,  10 기압의 헬륨 기체를 충진한 뒤 플라스틱 적판과 구리 열 교환기를 이용하여 500Hz로 공진시켜 영하  의 저온에 도달하였다. 

1992년 Swift는 대형 열음향 엔진의 성능을 분석하였다.

2.1. 냉동 원리

소리는 음파의 형태로 전파되는 파동이기 때문에 전파 시 매질의 진동을 유발한다. 

따라서 대기 중에서 전파되면 기체집단이 진행방향으로 진동하게 되는데 이로 인해 같은 공간 내에서 기체집단이 최대로 모이는 지점과 흩어지는 지점이 생기게 된다. 

이 두 지점은 각각 기체집단이 단열 압축하는 지점, 단열 팽창하는 지점으로 온도의 변화를 유도하게 된다. 

실제로 보통 수준의 대화(50-60dB)에 의해 발생되는 온도변화는 0.0001℃정도의 크기를 가지고 있다.

스피커를 통해 전기에너지를 음향에너지로 바꾼 후, 

열을 함유하고 있는 냉매를 단열팽창 및 수축하여 한쪽 방향으로 열을 이동시켜 원하는 온도차이를 얻을 수 있다.

   

3. 열음향 냉동기

증기 압축식냉동기는 CFC 계열의 냉매를 주로 사용하지만, 

열음향냉동기는 안정된 기체(헬륨, 아르곤, 질소 등)을 작동 유체로 사용한다. 

열음향 냉동기는 음향발생기(Speaker), 고온부와 저온부 한 쌍인 열교환기(Hot & Cold heat exchanger), 적판(Stack), 공명기(Resonator) 구성되어 증기압축식냉동기에 비해 간단하다. 

Heat + Resonator –> Sound = Prime Mover

Sound + Resonator –> Pumps Heat = Refrigerator

a: thermoacoustic prime mover,  b: thermoacoustic refirgerator 

온도변화의 과정에서 기체입자가 보유하고 있는 열은 공명관 내부에 다수의 박판으로 구성되어 있는 적판(stack)으로 전달되며, 이 열은 음파의 진행에 따라  음향발생기 쪽으로 이동하게 된다. 이렇게 전달된 열은 고온열교환기를 이용하여 외부로 방출시키면 저온열교환기에서는 저온을 얻을 수 있다.

음파는 종파인 압력파이므로 음파가 진행하는 방향으로 기체 압력이 주기적으로 변화하게 되며 이에 따라 기체의 단열압축과 단열팽창이 발생하게 된다. 이러한 단열압축 및 팽창은 기체의 온도변화를 동반하게 되는데 기체의 온도변화는 음압의 크기에 비례하며 이것이 적판에 개재되면 기체와 적판 사이에 일종의 열경계층이 존재하게 된다. 이 열경계층에서 기체의 입자 덩어리가 좌우 진동하면서 한 사이클을 행하는 동안 열량은 우측에서 좌측으로 이동하게 된다. 즉 온도구배를 거슬러 전달되는 열펌핑 역할이 수행되며, 이러한 기체의 입자들이 적판을 따라 연속되어 있다고 생각하면 열량은 동온도구배를 거슬러 인접한 기체 입자로 계속 전달된다. 이렇게 기체 입자들은 서로 열교환과 열전달을 하면서 고온부 열교환기에 열을 방출하고 저온부 열교환기에서 열을 흡수하며 이 과정에 의해 정상 상태에 도달할 때까지 계속 온도가 떨어지게 된다.

[1] 소리에너지를 이용한 소형냉동기 모델에 대한 연구, 김이삭, 이종주, 제 55회 전국과학전람회

[2] http://www.aster-thermoacoustics.com

[3] https://sites.google.com/site/professorarturjjaworski/thermoacoustics

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2016. 12. 21 작성