In this study, a novel channel layout of pulsating heat pipe (PHP) is first proposed to ensure the orientation-independent performance under a localized heating condition. A dual-diameter channel, which ensures the PHP to have orientation-independent, is employed to a merged channel layout presented by Lim and Kim. The PHP with the channel layout is fabricated using MEMS techniques. Overall dimensions of the PHP are 30×47×1.45 mm3. HFE-7000 is used as the working fluid and the filling ratio is fixed at 45% by volume. In order to evaluate the thermal resistances of the PHP in the vertical orientation and the horizontal orientation, a series of the experiments is conducted in the vertical orientation and the horizontal orientation. Although the dual-diameter channel is employed to the merged channel layout, it is experimentally found that the PHP with the channel layout does not operate normally in the horizontal orientation. To figure out the causes of the problems, the flow behaviors inside the PHP are analyzed using high-speed photography. The results show that the operating mechanism of the dual-diameter channel does not implemented in the merged channel layout. At the top of the condenser section, because all of the merged channels are connected each other, the liquid slug moves from one large-diameter channel not only to a small-diameter channel but also to the other large-diameter channel, which is not flow behavior intended by the dual-diameter channel. In the evaporator section, because there is only one path from the small-diameter channels to the large-diameter channels, not all liquid slugs in the small-diameter channels penetrate into the evaporator section. This results in the decrease of the rate of the liquid supply to the evaporator section, thereby the driving force for the continuous oscillation reduces. To overcome these problems, a novel channel layout for each of the condenser and the evaporator sections is proposed. First, in the condenser section, one large-diameter channel is connected to only one small-diameter channel. Second, for the evaporator section, by penetrating the channel walls between the small-diameter channels and the large-diameter channels less deeply into the evaporator section than the other channel walls. To verify the effectiveness of the proposed channel layout, the PHP with the proposed channel layout is fabricated. The overall dimensions of PHP are identical to those of the PHP with the merged channel layout presented by Lim and Kim. HFE-7000 is used as the working fluid and the filling ratio is fixed at 45% by volume. It has been experimentally confirmed that the thermal performance of PHP with proposed channel layout is about 48% higher than that of PHP with the merged channel layout in the horizontal orientation. The difference of the thermal resistances of the PHP with the proposed channel layout in the vertical orientation and the horizontal orientation are about 10%, which indicates that the proposed channel layout ensures orientation-independent performance of the PHP. Through high-speed photography, the cause of the enhanced thermal performance is found due to the proposed channel layout. In the condenser section, the liquid slugs move from the large-diameter channels to only the small-diameter channels. Then, in the evaporator section, all of the liquid slugs in the small-diameter channel penetrate into the evaporator section due to the proposed channel layout for the evaporator section. These flow behaviors lead to the normal operation of the PHP in the horizontal orientation. If the PHP has the channel layout proposed either for the condenser section or the evaporator section, the PHP does not operate normally in the horizontal orientation. Therefore, PHP should have the channel layouts proposed for both condenser and the evaporator sections in order to have the orientation-independent performance under the localized heating condition.
본 연구에서는 국소 발열 조건에서 진동형 히트파이프가 방향에 무관한 열성능을 가질 수 있도록 하는 새로운 채널 구조가 최초로 제시되었다. 일반적인 채널 구조의 진동형 히트파이프가 방향에 무관한 열성능을 가질 수 있도록 하는 이중 직경 채널이 Lim and Kim이 제시한 채널 병합 구조에 적용되었다. 이러한 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프가 미세전자기계시스템 공정을 이용하여 제작되었다. 진동형 히트파이프의 전체적인 크기는 30×47×1.45 mm3 이다. HFE-7000이 작동 유체로 사용되었고, 충진률은 45%이다. 수직과 수평에서 진동형 히트파이프의 열저항을 평가하기 위해 일련의 실험이 수행되었다. 채널 병합 구조에 이중 직경이 적용되었음에도 불구하고 이러한 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프가 수평에서 정상적으로 작동하지 않는 것이 실험적으로 확인되었다. 원인을 규명하기 위해 초고속 촬영 기법을 이용하여 진동형 히트파이프 내부의 유동을 분석하였다. 분석 결과, 이중 직경의 작동 매커니즘이 채널 병합 구조에서 구현되지 않았다. 응축부 영역 상단에 병합된 모든 채널들이 연결되어 있어 액상 슬러그가 직경이 큰 채널에서 직경이 작은 채널로 이동할 뿐만 아니라 직경이 큰 채널로도 이동하였다. 증발부 영역에서 직경이 작은 채널에서 직경이 큰 채널로 이동할 수 있는 경로가 오직 한 개이므로 직경이 작은 채널에 존재하는 모든 액상 슬러그가 증발부 영역으로 침투하지 않았다. 이것은 증발부로의 액체 공급량 감소를 초래하였고 이로 인해 지속적인 진동 운동을 위한 구동력이 감소하였다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 응축부 영역과 증발부 영역에서 각각 새로운 채널 구조가 제시되었다. 응축부 영역의 채널 구조는 직경이 큰 채널 한 개는 오직 직경이 작은 채널 한 개와 연결되도록 설계되었다. 증발부 영역의 채널 구조는 직경이 작은 채널과 큰 채널 사이의 채널 벽을 증발부로 가장 얕게 침투하도록 설계되었다. 제시된 채널 구조의 유효성을 입증하기 위해 제시된 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프가 제작되었다. 진동형 히트파이프의 전체적인 크기는 Lim and Kim이 제시한 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프의 크기와 동일하다. 작동 유체와 충진률 역시 모두 동일하다. 제시된 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프는 Lim and Kim이 제시한 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프에 비해 수평에서 약 48% 높은 열성능을 가지는 것이 실험적으로 확인되었다. 수직, 수평에서 제시된 채널 구조를 가진 진동형 히트파이프의 열저항 차이는 약 10%로 이는 제시된 채널 구조가 진동형 히트파이프를 방향에 무관한 열성능을 가지도록 하는 것을 의미한다. 초고속 촬영 기법을 통해 제시된 채널 구조로 인해 진동형 히트파이프의 열성능이 향상된 원인을 규명하였다. 응축부 영역에서 제시된 채널 구조로 인해 액상 슬러그는 직경이 큰 채널에서 오직 직경이 작은 채널로만 이동하였다. 그리고 나서, 증발부 영역에서 제시된 채널 구조로 인해 직경이 작은 채널에 존재하는 모든 액상 슬러그가 증발부 영역에 침투하였다. 이러한 유동은 수평에서 진동형 히트파이프의 정상적인 작동을 초래하였다. 만약 응축부와 증발부에서 제시된 채널 구조 중 한 가지만 진동형 히트파이프에 적용되면 진동형 히트파이프는 수평에서 정상적으로 작동하지 않는다. 그러므로 국소 발열 조건에서 진동형 히트파이프가 방향에 무관한 열성능을 가지기 위해서는 응축부와 증발부에서 제시된 채널 구조 모두 적용되어야 한다.
