음파가 냉매/음향냉장고 미서 곧 실용화
◎유체 통과한 고음이용 냉각시켜/실험용 제작,우주왕복선서 사용/프레온가스대체품으로 각광… 우리도 개발 서둘러야
소리에 의한 온도변화를 이용해 저온상태를 얻는 「열음향냉동기술」이 차세대 냉동기술의 하나로 활발히 연구되고 있다.
한국표준과학연구원 음향진동연구실 김동혁박사는 14일 열린 선진기술동향 발표회에서 미국등지에서 실용화에 성큼 다가서고 있는 열음향냉동기술개발동향을 소개했다.
그에 따르면 우리가 보통 일상생활에서는 못느끼지만 음파가 유체속을 통과할때는 음파가 진행하는 방향으로 유체의 압력이 주기적으로 변화하면서 유체의 온도에 변화폭이 발생한다.보통수준의 대화에서 발생되는 공기중의 온도변화폭은 섭씨 0.0001도 정도.
열음향냉동기술은 바로 이같은 온도변화폭을 이용해 한쪽의 열을 다른 한쪽으로 뿜어내 저온상태를 얻는 기술이다.
열음향에 관한 연구는 1777년 히긴스라는 사람이 긴 파이프의 한쪽끝에 횃불을 이용해 열을 가했을때 파이프의 반대편에서 음향이 발생하는 것을 최초로 발견한 데로 거슬러 올라간다.이어 19세기 중반 존트하우스는 유리세공을 할때 뜨거운 유리가 찬 유리에 붙는 순간 유리튜브에서 음향이 발생하는 것을 정량적으로 해석해 설명했으며 20세기 중반 타코니스는 초저온 냉동장치의 가스충전튜브 양끝에 심한 온도차이가 존재할때 매우 큰 음향이 발생되는 것을 발견,이를 정성적으로 설명했다.
하지만 이와 반대의 현상,즉 음향을 이용해 저온 열원으로부터 고온 열원으로 열을 이동시키는 열 펌핑현상은 20세기 후반에 와서야 발견됐다.1960년대 중반에 지포드와 롱스워드는 펄스튜브냉장고라고 불리는 장치를 이용해 상당한 수준의 냉동을 실현했는데 이는 튜브에 충전된 가스에 저주파이면서도 고진폭의 압력변화를 가함으로써 저온 열원의 온도를 고온 열원 온도의 약 절반까지 떨어뜨린 것이었다.이같은 연구는 80년대 실용화연구로 이어져 82년 미국립 로스 알라모스 연구소의 휘틀리등이 열음향을 이용한 열기관을 고안하는데까지 이른다.
열음향냉동은 오존층파괴의 원인물질인 염화불화수소(CFC)를 사용하지않고 종래의 열기관과 같은 복잡한 부품이 필요없다는 점이 가장 큰 특징.
특히 20 00년대까지 사용금지가 예고된 프레온가스냉장고의 대체품으로서,우주공간과 같이 고장수리가 어려운 곳에서도 높은 신뢰도를 가진 냉동기로서 효용가치가 커 차세대냉동기술로 부각되고 있다.
현재까지 개발된 열음향냉장고는 먼저 고열로부터 음향에너지를 발생시킨뒤 이 음향에너지로 저온을 얻는 열구동식냉장고와 스피커의 높은 음압을 이용해 열펌핑을 하는 스피커식냉장고의 두가지로 크게 구분된다.이때 필요한 음압은 1백40∼1백50데시벨정도의 높은 수준.
김박사는 『이제 연구를 한지 10년밖에 안돼 실용화되지는 않았지만 실험용 음향냉장고가 지난 1월 우주왕복선 디스커버러호에 실려 우주에 발사되는등 연구진척이 빨라 앞으로 2∼3년내로 가정용 음향냉장고가 출현할 것으로 전망된다』고 말한다.특히 90년도 미국 로스 알라모스연구소가 개발한 열음향냉장고는 최저 절대온도 89도까지 얻을 수있고 절대온도 1백20도에서 5W의 열펌핑을 할수 있는 성능이었으며 디스커버러호에 실린 제품은 인공위성에서 자동적으로 작동하는 첨단제품이라는 것.
김박사는 『미국에 뒤질세라 일본 유럽도 열음향냉동기술개발에 착수하고 있다』면서 『연구현황추적 단계에 머물러 있는 우리나라도 이에대한 연구를 서둘러야 할것』이라고 주장했다.
