In this study, a criterion of the channel width for normal operation is proposed to improve the thermal performance of the ultra-thin pulsating heat pipes (PHP). To determine the reason for the poor thermal performance of the ultra-thin PHPs, the ultra-thin PHP with the channel height of $0.2 mm$ is fabricated using MEMS techniques. The overall dimensions of the ultra-thin pulsating heat pipe are $19 \times 50 \times 1 mm^3$, with a volume of $15 \times 44 \times 0.2 mm^3$ available for the channel design. The evaporator section is located at the end of the channel design area, with dimensions of $15 \times 7 mm^2$. R-236fa is used as the working fluid, with a filling ratio of 50%. Experiments are conducted under vertical orientation, and the flow visualizations are conducted using a high-speed camera. The ultra-thin PHP with the inverse aspect ratio of 1.6, calculated by dividing the channel width by the fixed channel height, exhibits significant temporal variation of the evaporator temperature, exceeding $10^\circ C$ over time. And its effective thermal conductivity is about $320 W/m \codt K$ , demonstrating a deteriorated thermal performance similar to the level of that of the ultra-thin PHPs reported so far. Through flow analysis, it was confirmed that abnormal operation, in which the intermittent oscillating motion occurs, is the reason of the poor thermal performance of the ultra-thin PHPs. This abnormal operation occurs when the liquid supply rate to the evaporator section is less than the evaporation rate. To solve this problem, the criterion of the channel width for normal operation of the ultra-thin PHPs is proposed. The liquid supply rate and the evaporation rate are theoretically represented as correlation to the inverse aspect ratio. As the inverse aspect ratio of the channel increases, the increase in the liquid supply rate becomes greater than that of the evaporation rate. The inverse aspect ratio at which the liquid supply rate begins to surpass the evaporation rate is established as the criterion of the channel’s inverse aspect ratio for normal operation. In this experimental case, the ultra-thin PHP can have normal operation when the channel’s inverse aspect ratio is 4.7 or higher. To experimentally validate the criterion of the channel width for normal operation and to optimize the thermal performance of the ultra-thin PHPs, the ultra-thin PHPs with a channel height of $0.2 mm$ and various channel widths are fabricated. The ultra-thin PHPs with the inverse aspect ratio greater than 4.7 have the improved thermal performance. The temporal variation of the evaporator temperature is very stable, remaining below $0.7^\circ C$. Through flow analysis, it was confirmed that this improved thermal performance is occurred due to normal operation with the continuous oscillating motion resulting from the sufficient liquid supply rate greater than the evaporation rate. Among the ultra-thin PHPs with normal operation, the effective thermal conductivity of the ultra-thin PHP with the inverse aspect ratio of 5 has highest effective thermal conductivity about $1420 W/m \codt K$, which is 4.4 times higher than that of the ultra-thin PHP with the inverse aspect ratio of 1.6 and up to 9 times higher than that of the ultra-thin PHP reported so far. And, the thermally optimized channel design of the ultra-thin PHP can be obtained by considering both the figure of merit for the thermal performance and the criterion of the channel width for normal operation.
본 연구에서는 초박막 진동형 히트파이프가 정상적으로 작동할 수 있는 최소 채널 너비의 기준을 제시하여, 초박막 진동형 히트파이프의 열성능을 향상시켰다. 진동형 히트파이프가 박막화되면서 열성능이 악화되는 원인을 파악하기 위해, 채널 높이가 $0.2 mm$ 인 초박막 진동형 히트파이프를 미세전자기계 시스템 공정을 통해 제작하였다. 초박막 진동형 히트파이프의 전체 크기는 $19 \times 50 \times 1 mm^3$이며, 그 중 채널 디자인 가능 부피는 $15 \times 44 \times 0.2 mm^3$ 이다. 증발부는 채널 디자인 가능 면적의 한쪽 끝에 위치해 있으며, 크기는 $15 \times 7 mm^2$ 이다. 작동유체로 R236fa를 사용하였으며, 충진률은 50%이다. 실험은 수직 조건에서 진행되었으며, 초고속 카메라를 통해 초박막 진동형 히트파이프 내 작동유체의 진동 움직임을 관찰하였다. 채널 너비를 고정된 채널 높이로 나눈 값인 역종횡비가 1.6 인 초박막 진동형 히트파이프는 시간에 따라 증발부의 온도가 $10^\circ C$ 이상 큰 폭으로 변동하며, 유효 열전도도는 약 $320 W/m \codt K$ 로 기존에 보고된 초박막 진동형 히트파이프의 유효 열전도도와 비슷한 수준으로 악화된 열성능을 보였다. 유동 분석을 통해 이러한 초박막 진동형 히트파이프의 열성능 악화의 원인이 간헐적인 진동 움직임이 발생하는 비정상작동임을 확인하였다. 이러한 비정상작동은 증발부로의 액체공급률이 증발률보다 적을 때 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해, 초박막 진동형 히트파이프가 정상작동 할 수 있는 최소 채널 너비의 기준을 제안하였다. 액체공급률과 증발률을 이론적으로 각각 역종횡비에 대한 상관식으로 표현하였다. 채널의 역종횡비가 증가함에 따라, 액체공급률의 증가량이 증발률의 증가량보다 더 크다. 따라서 액체공급률이 증발률을 역전하는 시점이 존재하고, 이 시점의 역종횡비는 초박막 진동형 히트파이프가 정상작동 할 수 있는 최소 역종횡비의 기준이 된다. 해당 실험 케이스에서는 채널의 역종횡비가 4.7 이상일 때부터 초박막 진동형 히트파이프가 정상작동 할 수 있다. 정상작동 할 수 있는 최소 채널 너비의 기준을 실험적으로 검증하고, 초박막 진동형 히트파이프의 열성능을 최적화하기 위해 채널의 높이가 $0.2 mm$ 로 동일하면서 다양한 채널 너비를 가진 초박막 진동형 히트파이프를 제작하였다. 역종횡비가 4.7 이상으로 액체공급률이 증발률보다 큰 초박막 진동형 히트파이프에서 지속적인 진동 움직임이 발생하는 정상작동을 하여 열성능이 향상됨을 실험적으로 확인하였다. 정상작동하는 모든 초박막 진동형 히트파이프의 시간에 따른 증발부의 온도 변화는 $0.7^\circ C$ 이하로 매우 안정적이다. 정상적으로 작동하는 초박막 진동형 히트파이프 중에서, 역종횡비가 5인 초박막 진동형 히트파이프의 유효 열전도도는 약 $1420 W/m \codt K$ 로 가장 높은 열성능을 보였다. 이는 역종횡비가 1.6 인 초박막 진동형 히트파이프의 유효 열전도도보다 4.4 배 높으며, 기존에 보고된 초박막 진동형 히트파이프의 유효 열전도도보다 최대 9배 높다. 그리고 이와 같이 최적의 열성능을 가지는 초박막 진동형 히트파이프의 채널 디자인은 열성능 메리트 수와 본 연구에서 제안한 정상작동을 위한 최소 채널 너비의 기준을 함께 사용하여 도출할 수 있음을 확인하였다.
