A one-dimensional mathematical model for miniature heat pipes with divergent groove and fine fiber wick structure is developed and solved numerically to yield the maximum heat transport capability, the capillary, liquid, and vapor pressure distributions along the length of the heat pipe under steady-state conditions. The liquid-vapor interfacial shear stress has been included in the model. In order to obtain the permeability of the wick structures, either numerical methods or empirical correlations are used. To verify the modeling, the maximum hear transport capability is compared with the results of the experimental investigations.
Physical insight into the transport phenomena in the heat pipes has been acquired and used for optimizing the wick structures, which results in the higher capillary pumping ability and the lower flow resistance. Also, We discuss more refined configuration that improves the performance of miniature heat pipes.
이미 상용화되어 전자장비의 냉각에 사용되고 있는 Divergent groove wick 구조를 가지는 Furukawa사의 히트파이프와 Fine fiber wick구조를 가지는 Fujikura사의 히트파이프에 대한 열 및 유체의 이동현상을 규명하고자 하였으며, 그 결과로 부터 윅 구조의 최적화 등을 통해 히트파이프의 열전달성능을 향상시킬 방안에 대해 모색하였다. 히트파이프의 최대열전달량을 계산하기 위해 윅 내부의 액체유동과 기체영역을 통과하는 기체유동에 대한 압력강하 방정식을 사용하였으며, 두 개의 다른 윅 구조에 대한 모델링을 통해 히트파이프가 정상상태로 작동하는 경우 모세관반경에 대한 지배방정식을 구하였다. 유도된 지배방정식을 1차 상미분방정식이며 이를 풀이하기 위하여 정상상태로 작동하는 히트파이프의 물리적 상황을 가정하여 수렴조건과 경계조건을 부여하였으며, 계산결과가 질량보존을 만족하기 위한 알고리즘을 적용하였다. 지배방정식과 풀이방법의 타당성을 검증하기 위하여 각 제조사에서 발표한 실험자료를 이용하였으며, 계산의 결과와 실험결과가 잘 일치하였다. 실험결과와 비교를 통해 타당성이 검증된 Fine fiber wick에 대한 모델링 결과를 이용하여 윅 구조의 최적화작업을 수행하였다. 또한 기존 히트파이프의 성능을 향상시키기 위한 방법으로 내부구조물을 삽입하는 방법을 제안하였다.
