In the present work, two kinds of flow sensors are developed. One is a micro-thermal flow sensor using thin-film thermocouples. The other is a flow sensor using surface dielectric barrier discharge at atmospheric pressure.
First of all, a micro-thermal flow sensor is developed using thin-film thermocouples as temperature sensors. A micro-thermal flow sensor consists of a heater and thin-film thermocouples which are deposited on a quartz wafer using stainless steel masks. Thin-film thermocouples are made of standard K-type thermocouple materials. The mass flow rate is measured by detecting the temperature difference of the thin-film thermocouples located in the upstream and downstream sections relative to a heater. The performance of the micro-thermal flow sensor is experimentally evaluated. The effects of mass flow rate, input power, and position of temperature sensors on the performance of the micro-thermal flow sensor are experimentally investigated. At low values, the mass flow rate varies linearly with temperature difference. The linearity of the micro-thermal flow sensor is shown to be independent of the input power. The position of the temperature sensors is experimentally shown to affect both the sensitivity and the linearity of the micro-thermal flow sensor. Also, the sensitivity of the micro-thermal flow sensor is deeply investigated. A simple numerical model for analyzing heat transfer phenomena in the micro-thermal flow sensor is presented. The proposed model is validated by experimental results. Based on the results from the validated model, a correlation that predicts the sensitivity of the micro-thermal flow sensor is presented. From the correlation, the manner in which the heat loss, the positions of the temperature sensors, the input power, and the heater length affect the sensitivity of the micro-thermal flow sensor is investigated.
Secondly, a novel flow sensor is developed using surface dielectric barrier discharge. The surface dielectric barrier discharge between two circular electrodes covered with a dielectric plate is generated by flowing helium. The dielectric plate and electrodes are located on the bottom of a rectangular channel. Discharge current of the dielectric barrier discharge is changed with varying flow rates. As flow rate of helium increases, a number of helium particles per time increase and more helium are ionized. As helium ions increase, electrical power also increases. Therefore, it is possible to measure the flow rate by correlating generated electrical power of surface dielectric barrier discharge with flow rates. Experimentally, it is shown that frequency, channel height, distance between electrodes and diameter of electrodes are important for the performance of the flow sensor using surface dielectric barrier discharge.
Finally, how to measure flow rates in multi-channels is investigated using thermal flow sensors and flow sensors using surface dielectric barrier discharge. From numerical simulation, flow rates in multi-channels can be measured using thermal flow sensors when the transverse thermal conductivity of the sensor tube is low. Also, experimental results show that electric insulation between channels is necessary for measuring flow rates in multi-channels using DBD flow sensors.
산업의 발달 및 인구의 증가로 인하여 세계적으로 에너지 소비량은 시간이 갈수록 증가하고 있다. 이러한 에너지 소비량의 증가는 화석 연료 재고량을 줄여 에너지의 가격을 상승시킨다. 또한 증가된 화석 연료의 소비로 인하여 화석 연료를 소비할 때 생겨나는 여러 가지 반응물에 의한 환경 오염이 급격하게 증가하고 있다. 이에 최근 들어 환경 오염을 잘 시키지 않으며 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 분위기 속에 연료 전지 및 전기 자동차에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료 전지와 전기 자동차의 성능 및 수명을 위하여 시스템 내의 유동 해석이 중요한 연구 분야 중에 하나이다. 즉, 연료 전지 내에서 생산되는 유체의 효율적인 제거 및 들어가는 연료의 효율적인 배분을 위해 다채널 내에서의 유량 분포 특성을 파악하는 것이 필요하다. 이를 위해 다채널 시스템 내에서 각 채널로 들어가는 유량을 측정할 필요가 있다. 또한 전기 자동차의 동력원인 배터리 팩의 긴 수명과 최적 성능을 위하여 배터리 팩들의 온도들이 균일하게 유지 되어야 한다. 이를 위해 배터리 팩 내로 들어가는 유량의 적절한 분배가 필요하고 이를 위해 각 채널로 들어가는 유량을 측정할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 채널 내에서의 유량을 측정할 수 있는 유량 센서를 개발하고자 한다. 본 연구에서 개발하는 유량 센서는 미소 열식 유량 센서와 이온을 이용한 유량 센서이다.
첫째로 박막형 열전대를 이용하여 미소 열식 유량 센서를 개발한다. 일반적으로 사용되는 PR Mask 대신에 사용하기 편리하고 재사용이 가능하여 공정시간과 공정비용의 측면에서 이점을 가지고 있는 스테인리스 스틸 마스크를 사용하여 스퍼터링 공정을 이용하여 제작한다. 미소 열식 유량 센서 내의 온도 센서는 상용 열전대와 같은 물질을 이용하여 제작하였기 때문에 상용 열전대와 같은 특성을 가지게 된다. 미소 열식 유량 센서의 채널은 PDMS를 이용하여 쉽게 제작할 수 있고 PDMS 채널과 미소 열식 유량 센서는 바이오 공학에서 많이 사용되는 공기 플라즈마를 이용하여 접합한다. 미소 열식 유량 센서의 성능에 영향을 미치는 인자로 유량, 인가해주는 열량, 온도 센서의 위치를 선정하고 이 인자들의 변화에 따른 미소 열식 유량 센서의 특성에 대하여 실험적으로 연구한다. 더불어 간단한 수학적 모델링을 통하여 미소 열식 유량 센서의 Sensitivity에 관한 연구를 수행한다. 수학적 모델링은 실험 결과에 의해 검증된다. 검증된 수학적 모델링을 바탕으로 Sensitivity에 관한 상관식을 제안한다. 제안된 상관식으로부터 열손실, 온도 센서의 위치, 히터에 인가된 열량, 히터의 길이가 미소 열식 유량 센서의 Sensitivity에 영향을 미친다는 것을 확인 할 수 있다.
둘째로 방전(Discharge)을 이용한 유량 센서를 개발한다. 기존에 연구된 것과 같은 방식을 가지는 코로나 방전(Corona Discharge)을 이용한 유량 센서를 제작한다. 이와 같은 유량 센서는 코로나 방전에 의해 생긴 이온이 유량에 따라 이온이 편향되는 정도를 측정하여 유량을 측정하게 된다. 그러나 실험을 수행하여 본 결과 코로나 방전이 불안정하고 전극으로 사용되는 핀이 사용하면서 마모하며 유체의 속도가 작으면 이온의 편향이 잘 되지 않는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 유전체 방전(Dielectric Barrier Discharge)을 이용하여 유량 센서를 제작한다. 유량이 증가할수록 두 전극 사이에 발생하는 이온이 증가하는 원리를 이용하여 단면이 사각인 채널 내에서의 유전체 방전을 이용한 유량 센서를 개발한다. 실험적인 연구를 통해 인가 전압의 주파수, 채널 높이, 두 전극 간의 거리, 전극의 크기에 따른 유전체 방전을 이용한 유량 센서의 성능 변화를 연구한다. 사각 채널의 이온 유량 센서를 바탕으로 원형 관 내에서 유전체 방전을 이용한 유량 센서를 또한 개발한다.
위와 같이 개발된 유량 센서를 이용하여 다채널 내에서의 유량을 측정할 수 있는지에 관한 연구를 수행한다. 첫째로 수치 해석 프로그램을 이용하여 열식 유량 센서를 다채널 내에서의 유량 측정을 할 수 있는지에 관하여 수치 해석적 연구를 수행한다. 그 결과 센서 판의 유동에 수직한 방향의 열전도도를 줄이면 채널들 간의 열전달 간섭 현상을 줄여 다채널 내에서의 유량을 측정할 수 있다는 것을 확인하였다. 둘째로 실험적으로 이온을 이용한 유량 센서를 다채널 내에서의 유량 측정을 할 수 있는지에 관하여 연구를 수행하였다. 그 결과 모든 채널을 동시에 플라즈마를 형성하게 되면 채널 간의 플라즈마가 서로 관섭하여 정확한 유량을 측정할 수 없다는 것을 확인하였다. 이를 방지하기 위해 채널 간의 전기적 절연을 시켜주게 되면 다채널 내에서의 유량을 측정할 수 있을 것으로 판단된다.
