A one-dimensional mathematical model for a miniature heat pipe with a grooved wick structure has been developed to predict thermal performance characteristics including the effects of the shear stress at the liquid-vapor interface, the initial liquid charge, and the contact angle. From the proposed model, the governing equation for the steady-state operation is obtained and solved numerically. Because the liquid-vapor interfacial shear stress affects seriously the liquid flow and the maximum heat transport rate of the grooved wick heat pipe, an accurate modeling for the pressure drop characteristics of the liquid flow is required. In particular, a novel method called a modified Shah method is suggested and validated by experiment; this method is an essential feature of the proposed model and accounts for the effect of the liquid-vapor interfacial shear stress. An experimental apparatus for measuring non-dimensional friction factor (Po) of the liquid flow in open rectangular microchannels with the hydraulic diameters of 0.4mm, 0.43mm, 0.48mm is constructed in order to reproduce real situations in the grooved wick heat pipe. Analytic results from the modified Shah method are compared with the experimental data, and they show a close agreement with each other. In addition to measuring Po, visualization of the liquid flow in the open microchannels using micro-PlV (Particle Image Velocimetry) is performed. On the other hand, experiments for measuring the maximum heat transport rate and the total thermal resistance are conducted in order to verify the proposed mathematical model of the grooved wick heat pipe. The experimental data for the maximum heat transport rate considering heat loss from the experimental apparatus are shown to be in close agreement with numerical results. The proposed mathematical model is used for the thermal optimization of the wick structure with respect to the width and the height of groove. As a result of the optimization, it is estimated that the maximum heat transport rate of outer diameter 3mm and 4mm heat pipes can be enhanced up to 48% and 73%, respectively, when the groove wick structure is optimized from the existing configurations. Similarly, the total thermal resistance of these heat pipes can be reduced by 7% and 11%, respectively.
최근 전자산업이 급속도로 발전함에 따라 전자장비의 성능은 놀라운 속도로 향상되고 있다. 이에 따라 전자장비에서 발생하는 열량은 성능향상에 비례하여 꾸준히 증가하고 있으며, 전자장비의 냉각은 전자제품 개발에 새로운 문제점으로 대두되고 있다. 특히 노트북과 같은 고발열/소형 전자장비의 경우, 냉각에 사용될 수 있는 공간이 매우 작기 때문에 기존의 히트싱크 (Heat Sink)를 이용한 강제대류 냉각방식이 그대로 적용될 수 없으며, 그 대안으로 소형 히트파이프 (Miniature Heat Pipe)를 이용한 냉각기술이 현재 널리 사용되고 있다. 노트북을 포함한 미래의 고발열/소형 전자장비의 경우에는 냉각모듈의 열전달 성능이 전체 전자장비의 작동유무까지도 결정짓는 중요한 요인이 될 것으로 예상된다. 이러한 현실적인 요구에 대응하기 위하여 냉각 모듈의 핵심부품인 소형 히트파이프의 열전달 성능을 더욱 향상시키기 위한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 전자장비 냉각에 널리 쓰이고 있는 그루브 윅 (Grooved Wick) 을 갖는 히트파이프 내부의 열 및 유체의 유동에 대한 이론적인 해석모델을 개발하여 그 타당성을 실험적인 방법으로 검증한 후, 개발된 해석모델을 이용하여 히트파이프의 열전달 성능이 극대화되는 윅 구조를 찾고자 하였다. 이를 위해 그루브 윅을 갖는 히트파이프에서 발생하는 물리적 상황과 유사한 대항류가 존재하는 미소개유로를 지나는 액체유동 (Liquid flow in an open microchannel with countercurrent vapor flow)을 풀이할 수 있는 해석적 방법인 Modified Shah method를 제안하였으며, 이를 실험적으로 검증하기 위해 액체 유동저항 측정 및 Micro-PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용한 액체 유동장 가시화에 관한 실험을 수행하였다. 아울러, 개발된 히트파이프 해석모델을 검증하기 위하여 실제 사용되고 있는 외경 3, 4mm그루브형 히트파이프의 최대열전달량과 열저항을 측정하는 실험을 수행하였으며, 이를 통해 본 연구에서 제안된 히트파이프 해석모델의 타당성을 검증하였다. 최종적으로 실험을 통해 검증된 해석모델을 이용하여 그루브 윅을 갖는 히트파이프의 열전달 성능을 극대화 시키는 최적화된 그루브 구조의 형상변수값을 도출하였다. 그 결과 외경 3, 4mm히트파이프의 경우, 현재의 히트파이프 구조에서 그루브의 너비와 폭을 적절히 조정하면 최대열전달량은 48%, 73%가 증가하며, 열저항은 7%, 11%가 감소할 수 있음을 알 수 있었다.
