Thermosiphon, which utilizes phase change of liquid and vapor is an efficient heat transfer device. One of the disadvantages of thermosiphon is that the operating temperature range is limited from the critical to triple points to maintain a two phase state. This fact is critical in cryogenic application because usable cryogenic working fluids are very few. A mixed working fluid has a potential to widen the operating temperature range of the thermosiphon. In this study, the thermosiphon using Nitrogen and R14 mixture as the working fluid is fabricated and tested to investigate its transient thermo-hydraulic characteristic. A transparent pyrex glass tube was used for the thermosiphon itself and the vacuum chamber was also fabricated by glass to visualize the internal state of thermosiphon. The behavior of mixed working fluid during the transient operation is minutely described with T-x diagram of the mixture. The other high-pressure thermosiphon was fabricated to compare the overall cool-down time performance with pure Nitrogen and Nitrogen mole fraction of 25%, 35%, and 50%. In the Nitrogen composition 50%, the lowest temperature of the evaporator was lower than that of pure Nitrogen about 2 K. This result implies the possibility that the minimum operational temperature range could be lower than the melting point of each component of the mixed working fluid. The reduction of overall cool down time had been expected with the mixed working fluid, but the results were not. This fact is due to the separation of liquid R14 from the mixture and the existence of liquid R14/Nitrogen mixture at the evaporator section. These behaviors created the temperature difference between the condenser and the evaporator, so the cool down time performance was not improved. The detailed information about the behavior of mixed fluid in the thermosiphon is to be useful for selecting and predicting a new working fluid of cryogenic thermosiphon.
열사이펀은 작동유체의 기액 상변화를 통한 잠열을 이용해서 열전달을 하기 때문에 유효열전도도가 매우 높은 열전달 기구이다. 하지만, 열사이펀이 정상적으로 작동하기 위해서는 작동 유체가 기체와 액체의 이상으로 존재해야 하기 때문에 작동온도 범위는 궁극적으로 작동유체의 임계점과 삼중점 사이로 제한되며, 이러한 사실은 극저온 영역으로 갈수록 사용할 수 있는 유체가 매우 적어서 더 중요하게 된다. 두 가지 유체를 혼합하게 되면 작동유체에 의해 제한되는 열사이펀의 작동온도 범위를 조절할 수 있다. 본 논문에서는, 질소와 R14 를 혼합유체로 선정하여 극저온 열사이펀의 과도상태 거동과 작동 특성을 살펴보기 위하여 투명 열사이펀을 제작하였다. 실험을 통해 관찰된 사실과 혼합물의 T-x 선도를 바탕으로 혼합유체의 물리적 거동을 상세히 분석하였다. 혼합유체가 시스템의 초기 냉각시간에 미치는 영향을 비교해 보기 위하여, 고압 열사이펀에서 질소의 조성이 25%, 35%, 50% 인 경우에 대해 실험을 수행하였다. 조성에 따른 초기 냉각시간은 유사했고, 그 원인은 액체 R14가 먼저 분리되는 현상과 증발부에 질소와 R14 혼합액체가 존재함으로써 응축부와 증발부 사이의 온도차이가 발생하였기 때문이다. 한편, 질소의 조성이 50% 일 때 순수한 질소의 경우보다 2 K 정도 더 낮은 온도까지 열사이펀이 작동하였고, 이것은 혼합유체를 통해 질소의 삼중점 보다 더 낮은 온도까지 작동하는 열사이펀을 구현할 수 있는 가능성을 보여주었다. 본 논문은, 새로운 혼합 작동유체의 선정과 이에 따른 열사이펀의 과도상태 거동을 예측하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
