Cryogenic thermosiphons are efficient heat transfer devices between a cryocooler and the thermal load that is to be cooled. This paper presents an idea of thermosiphon that peculiarly implements two evaporators to cool both HTS bulks in different location simultaneously. A so-called double-evaporator thermosiphon was designed, fabricated and tested using nitrogen under sub-atmospheric pressure condition. To confirm feasibility of the double-evaporator thermosiphon, the experiment on cool-down process and steady-state operation was conducted by a small-sized double-evaporator thermosiphon ($L_{tot}$ = 231 mm, $d_o$ = 50 mm). The invisible interior condition of the double-evaporator thermosiphon is described in detail during the cool-down process according to the internal thermal states. The double-evaporator thermosiphon worked successfully at steady-state operation. The results showed that the performance of the double-evaporator thermosiphon had the total temperature difference of 1.59 K and temperature difference between two evaporators of 0.64 K at the heat flow of 10.6 W. It was necessary to improve the performance of the double-evaporator thermosiphon and to find out the source of temperature difference between two evaporators. Therefore, an additional experiment was conducted. The heat transfer coefficients of liquid nitrogen were experimentally obtained in the specific condition of the thermosiphon. Moreover, correlations related to maximum heat transfer rate were experimentally examined to predict the flooding phenomenon. From the experimental results, the temperature difference between two evaporators is attributed to the conductive thermal resistance of the adiabatic section 2. The method to minimize temperature difference between two evaporators is presented in this thesis. The proper area selection of condenser, evaporator 1 and evaporator 2 is studied using thermal resistance model to reduce total temperature difference. Based on the preceding results of small-sized double-evaporator thermosiphon and additional experiments, a large-sized double-evaporator thermosiphon ($L_{tot}$ = 1050 mm, $d_o$ = 160 mm) was designed, fabricated and tested for the actual HTS application. The superior heat transfer characteristic of the double-evaporator thermosiphon can be a great advantage in cooling HTS bulk system that is separated vertically.
본 논문에서는 저압영역에서 상, 하로 분리되어 있는 고온 초전도체 냉각을 위한 이중 증발부 열사이펀의 개발 및 성능 개선을 위한 실험을 수행하였다.
먼저, 작은 크기의 이중 증발부 열사이펀을 설계 및 제작하여 냉각 과정과 정상 상태의 특성을 실험적으로 알아 보고 열전달 기구로서의 가능성을 알아 보았다. 이중 증발부 열사이펀의 냉각 과정은 열사이펀의 온도와 압력의 변화에 따라 5개의 구간으로 나누어 설명 할 수 있었다. 정상 상태 일 때는 예상하지 못한 증발부 사이의 온도 차이가 발생하였기 때문에, 이 온도 차이의 원인을 규명하고 이중 증발부 열사이펀의 구조이기 때문에 오는 필연적인 것이지, 아니면 줄일 수 있는 것이지 파악하였다. 그리고 더 작은 온도 차이로 같은 열량을 뽑아 낼 수 있는 이중 증발부 열사이펀의 성능 개선을 위해 비등 및 응축에 관한 기초 실험을 수행하였다. 아울러 이중 증발부 열사이펀의 작동 제한을 나타내는 플러딩 현상을 예측할 수 있는 관계식들을 실험적으로 고찰해 보았다.
실험 결과, 증발부 사이의 온도 차이의 원인은 증발부 사이에 있는 단열부 2의 전도 열저항의 차이로 이중 증발부 열사이펀의 설계 시 이를 줄이는 방안에 대해 연구되었다. 그리고 이중 증발부 열사이펀의 성능을 개선하기 위해 비등 및 응축에 관한 기초 실험 결과를 바탕으로 1차원 열저항 모델을 이용하여 온도 차이를 줄일 수 있는 응축부, 증발부 1 그리고 증발부 2의 면적을 찾았다.
이를 바탕으로 대형 이중 증발부 열사이펀을 제작하여 실험하였으며, 실험결과 1 기압 이하라는 진공의 저압영역에서 작은 온도 차이(1.3 K)로 많은 열량(88.4 W)을 뽑을 수 있는 이중 증발부 열사이펀의 개발 성과를 얻었다.
본 논문에서 제시한 이중 증발부 열사이펀은 플라이휠 에너지 저장 시스템을 비롯하여 상, 하로 분리되어있는 고온 초전도체를 냉각하는 시스템의 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
