This paper reports an experimental and numerical investigation of the effects of random vibration on the melting behavior of phase change material (PCM) and the thermal performance of a PCM-based heat sink. While the random vibration of the overall acceleration from 2 to 16 g rms for the frequency range from 15 to 2000 Hz was applied to a rectangular container, in which paraffin wax as PCM and the heat sink were attached to each other, constant heat flux was imposed on the heat sink. Temperature recordings of the PCM and the heat sink, along with photographs of the melting front, during melting were analyzed to evaluate the melting heat transfer characteristics of the PCM and the performance of the PCM-based heat sink. The experimental results showed that the random vibration has no effects on the melting behavior early in the melting process during which conduction is the primary mode of heat transfer. However, the vibration significantly affected the melting behavior later in the process during which natural convection is the primary mode of heat transfer. The vibration augmented heat transfer in the molten PCM and increased the surface-averaged Nusselt number on the heat sink. The augmented heat transfer promoted melting of the PCM and delayed the rise in temperature of the heat sink. The time for the temperature of the PCM-based heat sink to rise to a threshold increased dramatically as the intensity of random vibration increased. A correlation for the surface-averaged Nusselt number was developed, devising the vibrational Rayleigh number to consider the effects of random vibration. A numerical method to simulate the thermal performance of the PCM-based heat sink under random vibration was devised and verified through the experimental results. Comparisons between the numerical and experimental results showed a good agreement for both static and vibration cases.
본 논문에서는 불규칙 진동이 상변화물질의 용융거동 및 상변화물질 기반 히트싱크의 성능에 미치는 영향을 실험적 및 수치적으로 분석한다. 상변화물질로서 파라핀 왁스와 히트싱크가 수용된 사각 용기에 15 ~ 2000 Hz의 주파수 대역에서 2 ~ 16 g rms의 가속도를 가지는 불규칙 진동을 인가하면서 히트싱크에 일정한 열유속을 부여했다. 상변화물질과 히트싱크의 온도 및 용융전단면 사진을 분석하여 불규칙 진동 환경에서 상변화물질의 열전달 특성 및 히트싱크의 성능을 평가했다. 실험 결과, 전도에 의한 열전달이 지배적인 용융 초기에는 불규칙 진동이 용융거동에 영향을 미치지 않지만, 자연대류에 의한 열전달이 지배적인 그 이후 시간에서는 진동이 상당한 영향을 미쳤다. 불규칙 진동이 용융된 상변화물질 내에서 열전달 및 히트싱크에서의 표면 평균 누셀 수를 증가시키고, 상변화물질의 용융을 촉진하고, 히트싱크의 온도상승을 지연시켰다. 진동의 강도가 커질수록 히트싱크의 온도가 임계치까지 상승하는데 걸리는 시간이 증가했다. 불규칙 진동을 고려한 무차원수 해석을 위해 진동 레일리 수를 고안하고, 표면 평균 누셀 수에 대한 상관 관계식을 도출했다. 불규칙 진동 환경에서 상변화물질 기반 히트싱크의 성능을 모의하는 수치해석 방법을 개발하고, 실험결과를 통해 검증했다.
