Incomplete combustion due to quenching in a narrow confinement has been a major problem for realization of a reliable micro combustion device. In most micro combustors, effects of flows are absent in the quenching because the flow is laminar and no severe stretch is present. In such circumstance, quenching is caused either by excessive heat loss or by radical depletion to the surface of the microscale combustors.
An experimental investigation was carried out to examine the relative significance of these two causes of quenching of a methane-air premixed flame. A premixed jet burner with a rectangular cross section at the exit was built. At the burner exit, the flame stands between two walls with adjustable distance. The gap between the two walls at which quenching occurs was measured at different wall surface conditions: stainless steel 304, alumina, and quartz. The results were analyzed to estimate the relative significance of heat loss and radical quenching. The measurements indicate that the quenching distance is not governed by physical and chemical properties of the surface at low temperature. At high temperature, however, the surface characteristics strongly impinge on the quenching distance, implying that radical removal at the wall plays a significant role in the quenching process.
In the second part of this thesis, I described the OH LIF measurements to qualitatively estimate the amount of radicals quenched out by chemisorption in the vicinity of the surface. From these measurements it was found that there is no significant OH radical recombination at low temperature surface conditions; in the case of 500℃, however, we observed reduced OH fluorescence intensity indicating significant radical quenching on the surface. When we further raised the temperature of plates to 700℃, OH fluorescence intensity increased again inasmuch as transition of $CH_4$ reaction mechanism has been converted from low temperature reaction mechanism to high temperature one and the rate of surface reaction levels off due to the mass transfer limitation. Spatially resolved measurements of OH radicals in the dimension normal to the inert and reactive alumina plates allow us to observe the effects of temperature and reactivity of the surface on chemical quenching.
The third part covers the following contents. Effects of surface defect distribution on flame quenching are investigated. Emphasis is placed on the chemical quenching phenomenon which is caused by radical adsorption and recombination on the surface. To examine chemical quenching thermally grown silicon dioxide plates with well-defined defect density were prepared. Ion implantation technique was used to control the number of defects, i.e. oxygen vacancies. In an attempt to preferentially remove oxygen atoms from silicon dioxide surface, argon ions with low-energy level from 3keV to 5keV were irradiated at the incident angle of 60℃. Compositional and structural modification of $SiO_2$ induced by low-energy $Ar^+$ ion irradiation has been characterized by Atomic Force Microscopy (AFM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). It was found that as the ion energy increases, the number of structural defect also increases and non-stoichiometric condition of $SiO_x$ (x<2) plate is enhanced. Quenching distances of a methane-air premixed flame were measured for several surface temperature conditions. The measurements indicate that flame quenching is influenced by thermal effect under the temperature of 300℃; as the temperature is raised over 300℃, however, quenching distance is governed by radical adsorption that can be parameterized by oxygen vacancy density on the surface.
본 논문에서는 마이크로 연소기에서 발생하는 열소염과 화학소염의 물리적 메커니즘에 대한 내용을 다루었다. 기존의 연소기에서는 연소실의 크기가 크기 때문에 표면의 영향을 무시할 수 있었다. 하지만 마이크로 연소기 환경에서는 표면적 대 체적 비가 증가하여 표면에서 발생하는 물리 화학적 현상들이 반응 영역의 화염 안정성에 큰 영향을 미치게 된다. 대표적인 현상으로 벽면 열손실에 의해 발생하는 열소염과, 표면에서의 라디칼 재결합 반응에 의해 발생하는 화학소염이 있다. 이 두 소염 메커니즘은 마이크로 연소기 내에서의 안정적인 화염 전파를 저해하는 요소이며, 이를 막기 위한 적절한 소염 방지 대책이 필요하다. 본 논문에서는 이 두 소염 메커니즘의 발생 원인과 표면의 물리적 조건에 따른 각 소염 현상의 상대적 영향을 고찰하였다.
전반부에서는 플레이트의 물리 화학적 성질에 따라서 나타나는 화염의 소염 특성을 고찰하였다. 스테인리스 스틸, 알루미나, 쿼츠의 세 종류의 플레이트를 준비하였으며, 각 플레이트를 반 응성과 비반응성 플레이트로 구분하여 플레이트의 온도 조건에 따라서 나타나는 소염 특성을 알아보았다. 실험 결과 총 세 가지 소염 구간이 나타남을 확인하였다. 우선 플레이트의 온도가 저온인 경우에는 플레이트 온도 증가에 따라서 소염 거리가 감소하는 구간으로 벽면을 통한 열손실이 감소하기 때문이다. 표면의 온도가 더 증가하여 어느 임계 온도를 지나면서 소염 거리가 증가하는 구간이 나타났다. 표면을 통한 열손실의 감소하였음에도 불구하고 소염 거리가 증가하는 이 구간은 표면에서의 라디칼 재결합 반응이 활성화되기 때문에 나타나는 현상이다. 플레이트의 온도가 더 증가하면 소염 거리가 급격히 감소하는 구간이 나타난다. 600도 이상의 표면 온도에서 이와 같은 현상이 나타나는 이유는 표면 반응의 고유한 특징인 질량 전달 한계와 메탄 연소 반응의 메커니즘 변화에 기인한다. 플레이트의 종류와 반응성에 따라서 각 구간을 구분 짓는 온도가 다르게 나타났으며, 금속 계열인 스테인리스 스틸이 세라믹 계열인 알루미나와 쿼츠보다 라디칼과의 반응성이 더 높은 것으로 나타났다.
표면 위에서 발생하는 라디칼 소염 현상을 규명하기 위해 레이저 유도 형광법을 이용하여 OH 라디칼 농도 측정 실험을 수행하였다. 레이저 계측 결과, 300도 이하의 온도에서는 OH 형광 신호에 큰 차이가 없었으며 이것은 화염의 소염 구간이 열소염 구간에 있기 때문이다. 그러나 500도 표면 온도에서 OH 형광 신호의 강도가 상당히 감소하였음을 확인하였으며, 이것으로부터 앞서 측정한 소염 거리 측정 결과에서 나타난 바와 같이 500도 근처의 온도에서 라디칼 재결합 반응이 활발하게 발생한다는 것을 검증할 수 있었다. 700도 표면 온도에서는 OH 형광 강도가 다시 증가하였다. 소염 거리 측정 결과에서 소염 거리가 급격하게 감소하는 구간이 이와 같이 라디칼들의 밀도가 다시 증가하기 때문에 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 표면의 결함 분포에 따라서 나타나는 화학 소염 특성을 고찰하였다. 화염-표면 상호작용시 라디칼의 흡착점 역할을 하는 표면 점 결함인 산소 공공의 밀도를 조절하기 위해 반도체 공정에서 웨이퍼에 불순물을 도핑할 때 이용하는 이온 주입법을 이용하였다. 아르곤 이온의 조사 에너지 크기를 3~5keV로 다르게 설정하여 표면 결함 밀도가 조절된 실리콘 옥사이드 플레이트를 제작할 수 있었다. 이에 대한 구조 화학적 분석을 위해 원자 힘 현미경(AFM)과 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용하였으며, 분석 결과 이온 에너지의 크기에 비례하여 표면 결함의 수가 증가한다는 것을 확인하였다. 이 플레이트를 이용하여 표면 온도 조건에 따른 소염 거리 측정 실험을 수행하였으며, 300도 이하의 온도에서는 표면의 물리적 성질에 소염에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. 하지만300도 이상의 표면 온도에서 표면 결함 밀도가 큰 플레이트 일수록 더 큰 소염거리 값을 나타냄을 확인하였다. 이 연구 결과는 표면에서 발생하는 화학 소염 현상이 특정 온도 이상의 고온에서 활성화되며 표면 점 결함인 산소 공공의 밀도와 밀접한 관련이 있음을 시사한다.
이상의 연구를 통하여 마이크로 연소기 내에서 발생하는 소염 현상의 발생 메커니즘을 규명할 수 있었으며, 이 연구 결과는 초소형 동력원 개발을 위한 기반 기술로 활용되어 질 수 있을 것이다.
