A correlation between oscillation characteristics and the thermal performance in a pulsating heat pipe (PHP) is derived, and based on the correlation, a novel channel design that can effectively improve the thermal performance of a PHP is proposed. To do this, first, a merit number that represents the heat transfer mechanisms inside a PHP is theoretically derived and experimentally verified. The heat transfer mechanisms are defined as the ratio of latent heat to sensible heat, and the merit number is expressed using the amplitude and the frequency. For experimental verification, a PHP with overall dimensions of 28×67.5×1.6 mm3 is fabricated. Then, ethanol is used as the working fluid and the filling ratio is fixed at 45% by volume. The amplitude and the frequency are obtained through the high-speed imaging technique through the glass side while latent heat and sensible heat are obtained through the high-speed infrared imaging technique through the silicon side. Finally, using the verified merit number, a correlation that can predict the thermal performance within a 20% error is derived through linear regression of experimental data reported in the earlier works.
Based on the derived correlation, a passive check valve without a subsidiary channel is proposed to effectively increase the thermal performance of a PHP. To do this, topology optimization is employed to maximize the diodicity (Di) of the check valve. The proposed passive check valve consists of a pair of hook-shaped structures and has a Di value of 2.2. A series of experiments are conducted to determine how effective the proposed passive check valve is in improving the thermal performance and oscillation characteristics of PHPs. The overall dimensions of PHPs are 53.5×80×1.5 mm3. A total of twenty passive check valves are implemented into the entire channel at the location where the condenser section and the adiabatic section meet. HFE-7000 is used as the working fluid and the filling ratio is fixed at 48% by volume. First, a series of experiments is conducted on PHPs with a single-diameter channel in both vertical orientation and horizontal orientation. The experimental results show that the proposed passive check valves significantly improve the thermal performance of PHPs: 48% and 81% reduction in the thermal resistance in the vertical orientation and the horizontal orientation, respectively. Then, a dual-diameter channel with widths of 1 mm and 3 mm is employed to widen the relatively narrower operating range in the horizontal orientation compared to that in the vertical orientation. In PHPs with the dual-diameter channel, it is experimentally confirmed that the passive check valves effectively improve the thermal performance over the wide operating range regardless of the orientation of PHPs: 33% and 34% reduction in the thermal resistance in the vertical orientation and the horizontal orientation, respectively. In addition, it is revealed that implementing the passive check valves and the dual-diameter channel together can lead to 66% and 90% performance improvements of the conventional PHPs in the vertical orientation and the horizontal orientation, respectively. It is found through high-speed photography that this enhanced performance occurs because the passive check valves significantly increase the time-averaged volumetric fraction of vapors in the condenser section by 5 times from 0.09 to 0.45. This stems from the fact that the passive check valves effectively make the fluid flow 3.5 times more preferentially in one direction over the other.
본 연구에서는 진동형 히트파이프에서 진동 특성과 열성능의 상관식을 도출하고, 이를 바탕으로 열성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 채널 디자인을 제안하였다. 상관식을 도출하기에 앞서 진동형 히트파이프 내부의 열전달 기작을 대변할 수 있는 성능 지표를 이론적으로 도출하고 실험적으로 검증하였다. 열전달 기작은 현열에 대한 잠열의 비율로 정의하고, 성능 지표는 진폭과 진동수에 대한 관계식으로 표현하였다. 실험적 검증을 위해 28×67.5×1.6 mm3 크기의 진동형 히트파이프를 제작하고, 그 내부에 에탄올을 45%의 부피 비율 충진율로 주입하였다. 유리 면을 통한 초고속 영상 촬영 기법을 통해서 내부 유동의 진폭과 진동수를 분석하면서 동시에 실리콘 면을 통한 초고속 적외선 측정 기법을 통해서 잠열과 현열을 분석하였다. 최종적으로, 검증된 성능 지표를 기반으로 기존에 보고된 실험값들의 선형 근사를 통해서 열성능을 20% 이내로 예측할 수 있는 상관식을 도출하였다.
도출한 상관식을 바탕으로 진동형 히트파이프의 열성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 패시브 체크밸브를 제안하였다. 이를 위해, 정 방향의 압력 강하에 대한 역 방향의 압력 강하의 비율인 Diodicity (Di)가 최대가 되도록 위상 최적화가 수행되었다. 최적화된 패시브 체크밸브는 갈고리 모양의 구조 한 쌍이 서로 대칭된 형상을 가지며, 2.2의 Di 값을 가진다. 패시브 체크밸브가 진동형 히트파이프의 열성능과 진동 특성을 얼마나 효과적으로 향상시키는지 확인하기 위해서 일련의 실험이 수행되었다. 실험을 위해서 53.5×80×1.5 mm3 크기의 진동형 히트파이프가 제작되었다. 패시브 체크밸브는 응축부와 단열부가 만나는 지점에 총 20개 적용되었다. HFE-7000이 작동유체로 사용되었고, 충진율은 48%의 부피 비율로 설정되었다. 먼저, 일련의 실험이 수직 방향과 수평 방향에서 단일 직경 채널을 가지는 진동형 히트파이프에 대해서 수행되었다. 실험 결과, 패시브 체크밸브가 진동형 히트파이프의 열성능을 획기적으로 향상시키는 것이 확인되었다: 패시브 체크밸브를 적용하면서 진동형 히트파이프의 열저항이 수직 방향과 수평 방향에서 각각 48%와 81% 감소하였다. 다음 단계로 수직 방향의 작동 범위에 비해서 상대적으로 좁은 수평 방향의 작동 범위를 넓히기 위해서 이중 직경 채널이 적용되었다. 이중 직경 채널에서 패시브 체크밸브가 방향에 무관하게 넓은 작동 범위에 걸쳐서 열성능을 효과적으로 향상시키는 것이 실험적으로 확인되었다: 수직 방향과 수평 방향에서 각각 33% 와 34%만큼 열저항이 감소하였다. 추가로 패시브 체크밸브와 이중 직경 채널을 함께 사용하는 것이 기존 진동형 히트파이프의 열성능을 수직 방향에서 66% 그리고 수평 방향에서 90%만큼 향상시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 초고속 영상 촬영 기법을 통해서 이러한 성능 향상의 원인이 패시브 체크밸브가 응축부의 기체 분율을 5배 증가시킨 것에 있다는 것을 확인하였다. 이러한 응축부 기체 분율의 급격한 증가는 패시브 체크밸브가 진동형 히트파이프 내부 유동을 다른 쪽에 비해서 한 쪽으로 흐르는 것을 3.5배 더 선호하도록 만들었기 때문이다.
