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차세대 에너지 핵심기술로 기대되는 열음향 레이저[학술기고] 재생에너지를 이용한 열음향 레이저 개발
  • 김남진 기계메카에너지화학 공학부 교수
  • 승인 2020.05.28 09:20
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김남진
기계메카에너지화학공학부 교수

열음향 레이저는 음파가 공기나 비활성 기체를 통과할 때, 압력과 속도의 진동이 생기는 원리로 열음향 효과에 의해서 발생된 진동을 기계적인 힘으로 바꾸는 장치를 말한다. 이 글에서는 열음향 레이저의 핵심기술인 공명튜브와 스택의 변화에 따른 음파가 생성되는 특징을 설명하고자 한다.

차세대 에너지관련 핵심기술로 기대되고 있는 열음향은 태양열 및 폐열과 같은 재생 가능한 에너지를 열원으로 사용할 수 있으며, 고온부에서 저온부로 열이 흐르면서 열에너지를 소리에너지로 변환시키는 신개념 열변환 시스템이다. 

열음향 시스템은 엔진, 펌프, 냉장 및 냉동기, 레이저 등 다양한 분야에 이용이 가능하며, 압축기와 같은 기계를 필요로 하지 않기 때문에 비교적 구조가 간단하고, 각종 소음 및 기기의 진동을 제거 할 수 있으며, 시스템의 수명 연장 및 부품을 단순화 시킬 수 있다. 특히, 열음향 레이저는 음향파를 발생시키는 공명튜브의 형상에 따라 특정 주파수를 갖는 음향파를 발생시킬 수 있으며, 발생되는 음향파는 압축파와 같은 충격파를 발생시켜 결석 분쇄 및 종양 제거와 같은 의학과 관련된 분야에 적용시킬 수 있다. 또한 음향파의 주파수를 증가시켜 초음파로 이용할 수 있고, 압전기와 같은 음향전원변환기에 적용할 경우 전기를 생산하는데 활용할 수도 있다.

그림은 열음향 레이저의 주파수 분석을 위해 구성된 장치의 개략도이다. v/4L(v:음파속도,L :길이)의 기본 진동수 음향파를 발생시키는 한쪽 끝이 막힌 공명튜브와 튜브 내부에서 단열 및 음향 임피던스의 역할을 수행하는 스택, 가열부분에 열을 발생시키기 위한 니크롬선과 구리선으로 구성돼있다. 전력을 공급해주기 위한 DC 전원공급장치와 열음향 레이저에서 발생되는 음향파의 특성을 분석하기 위한 음향파 분석기가 설치돼 있다. 공명튜브 외부와 스택의 가열면과 냉각면의 온도를 측정하기 위해서 총 3개의 K-타입 온도센서를 사용했으며, 가열면의 온도가 수 백 ℃ 이상 증가하기 때문에 공명튜브는 고온에 강한 Pyrex를 스택은 벌집형태의 세라믹 재질을 사용하였다. 

실험중인 공명튜브(위). 실험장치 개략도(그림, 아래).

 

◇스택의 채널수에 따른 음압측정
스택의 채널수가 200 CPSI (Cells Per Square Inch)일 경우 스택의 위치가 튜브의 닫힌 면에서 7∼8cm 지점에서만 열음향파가 발생하며, 300 CPSI에서는 4∼12cm, 400 CPSI에서는 3∼13cm 사이의 지점에서 열음향파가 발생된다. 또한 200, 300, 400 CPSI의 스택에서 평균음압레벨이 가장 높은 스택의 위치는 튜브의 닫힌 면에서 각각 7, 6, 5 cm이고, 이 때의 평균 음압레벨은 각각 103, 108, 111.8 dB이며, 최고 음압레벨은 104.1, 109.4, 112.8 dB이다. 따라서 스택의 채널수가 200, 300, 400 CPSI로 증가할수록 최고음압레벨을 발생시키는 스택의 위치가 1 cm씩 감소한다. 

이와 같은 결과로 열음향파의 발생구간과 평균 음압레벨은 스택의 채널수와 스택의 위치에 따라 달라지며, 스택의 채널수가 증가할수록 평균 음압레벨과 열음향파가 발생되는 구간이 넓어진다. 

◇스택의 길이변화에 따른 음압측정
스택의 길이가 변함에 따라 평균 음압레벨이 변하고, 내경 10mm의 공명튜브에서는 길이 25mm의 스택을 100%로 할 경우 200%일 때 음향파가 발생되지 않는다. 평균 음압레벨은 모든 공명튜브에서 스택의 길이가 100%, 25mm일 때 가장 높게 측정되었고, 스택의 길이 100%를 기준으로 스택의 길이가 짧아지거나 커질수록 평균 음압레벨이 감소한다. 또한 음향파의 주파수는 스택의 길이를 변화시켰을 경우에도 500 Hz로 일정하게 발생된다.

◇공명튜브 내 스택의 위치변화에 따른 음압측정
공명튜브 내경 10, 15, 20 mm에서 모두 음향파가 발생되지 않는다. 이는 스택의 길이에 비해 공명튜브의 길이가 충분히 길지 않기 때문에 가열면와 냉각면의 열교환기 역할을 담당하는 스택이 제대로 그 기능을 수행하지 못하며, 튜브의 냉각이 효율적으로 이루어지지 않기 때문이다. 

공명튜브 내경 10 mm에서는 스택의 위치가 튜브의 닫힌 면에서 6 cm 지점에서만 음향파가 발생하고, 내경 15 mm에서는 5, 6 cm 지점에서, 내경 20 mm에서는 4 ∼ 8 cm 사이의 지점에서 음향파가 발생한다. 

발생되는 평균 음압레벨은 스택의 위치에 따라 변화하고, 주파수는 음향파가 발생한 모든 구간에서 동일하게 630 Hz가 발생된다. 또한 같은 길이의 공명튜브에서 발생되는 음향파의 평균음압레벨은 튜브의 내경이 작아질수록 감소하며, 음향파가 발생되는 구간도 줄어든다. 이는 공명튜브의 내경이 작아질수록 스택의 채널을 통해 발생되는 열음향 레이저의 음파와 공명튜브의 정규 진동수와 일치하는 구간이 줄어든다는 것을 의미한다. 

음향파가 발생하는 구간은 공명튜브 내경 10, 15, 20mm에서 각각 5∼11, 4∼11, 3∼13cm이고, 150mm의 공명튜브에서와 마찬가지로 음향파의 발생구간과 평균 음압레벨은 튜브의 내경과 스택의 위치에 따라 달라진다. 

열음향 레이저가 발생된 모든 구간에서 측정된 음향파의 주파수는 500Hz로 동일하였다. 또한 내경 10, 15, 20mm의 공명튜브에서 평균음압레벨이 가장 높은 스택의 위치는 튜브의 닫힌 면에서 각각 7, 6, 5cm이고, 이 때의 평균 음압레벨은 각각 95.3, 105.5, 111.8dB이며, 최고 음압레벨은 96.4, 106.3, 112.8dB이다. 따라서 공명튜브의 내경이 10, 15, 20 mm으로 증가할수록 최고음압레벨을 발생시키는 스택의 위치가 1 cm씩 감소한다.  

◇공급 전력에 따른 음압측정
공명튜브의 내경이 증가할수록 음향파를 발생시킬 수 있는 최소공급전력은 감소하며, 발생되는 음향파의 평균음압레벨은 증가한다. 공급전력을 20∼35W로 증가시키면서 측정한 음향파의 평균음압레벨을 나타낸 그래프로 공급전력이 증가할수록 평균음압레벨도 증가한다. 그러나 공급전력이 20, 25, 30, 35W일 때, 튜브 내경 20mm에서의 평균 음압레벨 증가량은 2.05, 1.48, 1.36로 음압 증가량은 공급전력이 증가함에 따라 감소한다. 

앞에서 열음향 레이저의 핵심기술인 공명튜브와 스택의 변화에 따른 음파가 생성되는 특징을 알아본 결과 동일 길이의 공명튜브에서 발생되는 음향파의 평균 음압레벨은 튜브의 내경이 작아질수록 감소하며, 음향파가 발생되는 구간도 줄어든다. 또한 스택의 길이에 비해 공명튜브의 길이가 충분히 길지 않으면 가열면과 냉각면의 열교환기 역할을 담당하는 스택이 제대로 그 기능을 수행하지 못한다. 그리고 스택의 채널수와 위치에 따라 열음향파의 발생구간과 평균 음압레벨이 달라지며, 스택의 채널수가 증가할수록 평균 음압레벨과 열음향파가 발생되는 구간이 넓어진다. 

열음향 레이저가 제 기능을 충분히 발휘하기 위해서는 수 백℃ 이상의 고밀도 태양광원을 효과적으로 열음향 레이저의 스택에 공급하여 수 kHz의 음파를 발생시키는 것이다. 따라서 본 글에서 언급된 결과는 태양에너지 또는 폐열을 열원으로 사용하는 열음향 레이저의 개발에 있어서 중요한 기초자료가 될 것으로 사료된다.

김남진 기계메카에너지화학 공학부 교수  webmaster@jejunu.ac.kr

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