In this thesis, flow characteristics and heat transfer characteristics of the pulsating heat pipe with single turn were experimentally and theoretically investigated. The flow patterns and flow characteristics of the glass pulsating heat pipe with single turn using high speed video camera were observed. The pulsating heat pipe has inner diameter of 1.7 mm and total length of 140 mm and ethanol was used as a working fluid. The pulsating heat pipe transports heat by periodic expansion and contraction of vapor bubbles. At low input power below 40 W, oscillating flow was observed. As the input power increases beyond 50 W, circulatory flow was observed which causes increasing thermal performance of pulsating heat pipe. Based on the flow visualization results, theoretical model which is founded on modified Thome model for flow boiling in a microchannel was suggested to investigate heat transfer mechanism of the pulsating heat pipe. The model well predicts the experimental results within 20 %. From the theoretical study, the film evaporation through the thin film accounts for a significant portion, about 70 % of total heat transfer of pulsating heat pipe.
Micro pulsating heat spreader operating in microchannel was developed and its thermal performance was experimentally evaluated. A total of 10 parallel interconnected rectangular channels forming a meandering closed loop were engraved on a silicon wafer with thickness of 1 mm. The hydraulic diameter of the rectangular channel was about 0.57 mm. The MPHS has a length of 50 mm, width of 15.5 mm, and total thickness of 1.5 mm. Ethanol was used as a working fluid. The MPHS achieved the maximum effective thermal conductivity of 600 W/m.K which is 3.5 times higher than that of silicon (k = 163 W/mK) and 1.5 times higher than that of copper (k = 400 W/mK). The MPHS designed in the present study show higher thermal performance than an existing wicked flat micro heat pipe of similar size (keff = 504 W/mK). The MPHS is competitive compared with existing flat micro heat pipes and can be used as a compact high performance heat spreader. Flow visualization using high speed video camera was performed and the flow visualization results show that the elongated bubble flow (annular flow) is dominant flow pattern. Theoretical study based on the modified Thome model was performed and it presents that the film evaporation through the thin film accounts for a significant portion, about 70 % of total heat transfer of pulsating heat pipe.
미소 채널 내부에서 기포군의 자가 진동현상을 이용하여 열을 전달하는 진동형 히트파이프는 기존의 히트파이프와는 달리 내부에 복잡한 윅구조를 필요로 하지 않기 때문에 초박화 및 소형화가 가능하다. 또한 작동유체의 상변화를 통한 잠열(latent heat)에 의한 열전달과 작동유체의 진동유동을 통한 현열(sensible heat)에 의한 열전달이 복합적으로 발생하여 기존의 히트파이프보다 우수한 열성능을 나타낸다고 알려져 있다. 지금까지 많은 연구자들이 진동형 히트파이프에 대해 실험적 연구와 이론적 연구를 수행하였지만, 아직 내부 유동특성 및 열전달 메커니즘에 대한 신뢰할만한 연구가 부족하고 진동형 히트파이프의 최적 설계안이 없다. 본 연구에서는 진동형 히트파이프의 유동특성 및 열전달 메커니즘을 규명하기 위해, 내부 직경이 1.7 mm, 길이가 140 mm 이며 하나의 턴(turn)을 가지는 유리로 제작된 진동형 히트파이프에 대해 정량적인 유동 가시화 실험을 수행하여 유동 패턴과 기포군의 거동 특성을 살펴보았다. 히트파이프에 가해주는 입열량이 작을 때는 기포군의 주기적인 진동유동이 발생하고, 입열량이 증가함에 따라 기포군이 한쪽방향으로 순환하는 순환유동이 발생함을 확인하였다. 진동형 히트파이프의 열전달 메커니즘을 규명하기 위해 Thome 모델을 적용한 이론적 연구를 수행하였다. 이론적 연구를 통하여 진동형 히트파이프는 내부에 길게 팽창된 기포(elongated bubble)와 채널 벽면 사이에 형성되어 있는 얇은 액막(thin liquid film)을 통한 액막증발(film evaporation)에 의해 대부분의 열이 전달됨을 확인하였다. 최근 소형 전자장치의 냉각을 위해 요구되는 히트파이프의 전체 두께는 1.5 mm 이하 이다. 하지만 지금까지의 연구는 직경이 3 mm 이상의 매크로채널의 진동형 히트파이프에 대한 연구가 주로 이루어져 왔다. 전체 두께가 1.5 mm 이하가 되기 위해서는 내부 직경이 600 um 이하인 마이크로채널에서 구현되는 진동형 히트파이프에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 마이크로 식각 공정기술을 이용하여 실리콘 기반의 평판 진동형 히트파이프를 제작하고 열성능을 평가하였다. 제작된 진동형 히트파이프의 채널의 수력직경은 570 um 이고 히트파이프의 총 두께는 1.5 mm 이다. 열성능 실험결과 유효 열전도도가 최대 600 W/mK로 측정되었으며 높은 열전도도를 가지는 물질로 잘 알려진 구리금속보다 50 % 우수한 열전달 성능을 나타내었다. 또한 윅구조를 가지는 기존의 히트파이프에 비해 동일한 크기일 경우37 % 높은 열전달 성능을 나타내었다. 하이스피드 카메라를 이용하여 채널 내부에서의 기포의 유동특성을 살펴보았다. 유동가시화 결과를 바탕으로 Thome 모델을 적용하여 마이크로 진동형 히트파이프의 열전달 메커니즘을 알아보았다. 앞서 수행한 내경 1.7 mm의 진동형 히트파이프의 경우와 마찬가지로 채널에 형성되어 있는 액막을 통한 액막증발에 의해 대부분의 열이 전달됨을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 얻은 결과들은 진동형 히트파이프의 설계 시 유용하게 이용될 수 있다.
