This study was performed to address the effect of dual-diameter channels on operational characteristics of the pulsating heat pipe (PHP) and to determine the optimum range of the difference in channel diameters for which thermal performance enhancement is maximized. To quantitatively observe and understand the characteristics of the PHP, a series of experiments was conducted with varying input power and inclination angle using thermometry and high-speed photography. It was confirmed that unbalanced forces caused by dual-diameter channels help to enhance a flow of the working fluid in the PHP, and it is advantageous for the PHP functionality as the PHP thermal resistance was reduced. The difference between the two tube diameters is small, it makes little difference to operational characteristics of a PHP. On the other hand, too large a diameter difference could lead to an adverse effect on the performance due to large imbalance in driving forces and flow resistances. Therefore, there exists a proper difference in the channel diameters for which thermal performance enhancement of the PHP is guaranteed. In chapter 2, to fundamentally understand the effect of dual-diameter tube on the characteristics of the PHP, experiments were performed using a single-turn PHP which has simplest design. Based on the experi-mental observations, a theoretical model was developed to predict the flow and thermal characteristics of PHPs with a circulating and to suggest guidelines for the design of PHPs with a dual-diameter tube. The model predicts the experimental data well within the error of 15%, and the optimal dimensionless diameter difference was suggested to be $0.15<ΔD/D_{avg}<0.35$. In chapter 3, dual-diameter channels were applied to the flat plate PHP (FP-PHP) applicable to cooling for very thin electronic devices. In the optimal range of the dimensionless diameter difference, the dual-diameter channels not only improve thermal performance of the FP-PHP at vertical position but also make the PHP normally operate at horizontal position.
진동형 히트파이프(Pulsating heat pipe)는 하나의 모세관이 굽어진 형상의 폐루프(Closed loop)를 이루는 구조를 가지고 있다. 폐루프 내에 적정량의 작동 유체(Working fluid)를 주입하면 액상 슬러그(Liquid slug)와 기포 플러그(Vapor plug)로 이루어진 정렬된 기포군(Slug-train unit)이 형성된다. 이 때, 히트 파이프의 증발부(Evaporator section)를 가열하고 응축부(Condenser section)는 냉각하면, 상변화 및 온도변화로 인해 기포 플러그는 팽창/수축을 하게 된다. 진동형 히트파이프 내에 불균일하게 분포되어 있는 기포들의 팽창/수축 현상은 작동 유체의 자가진동(Oscillating flow)을 유발하고, 이러한 작동 유체의 운동으로 인해 증발부에서 응축부로 열이 전달되게 된다. 기존의 실험적 연구들에 따르면, 서로 다른 내경을 가지는 유로를 연결한 이중 직경 관(Dual-diameter channels)을 이용하는 경우 진동형 히트파이프 내부 유로의 비대칭성으로 인해 내부에 순환유동이 유도되고, 이로 인해 히트파이프의 열성능이 향상될 수 있다고 알려져 있다. 양쪽 관의 내경 차이(ΔD)에 따라 진동형 히트파이프의 작동 특성은 크게 달라지는데, 내경 차이가 작은 경우에는 그 영향이 미미하여 큰 열성능 향상 효과를 기대하기 어렵다. 반면, 내경의 차이가 너무 큰 경우에는 힘의 불균형이 커지고, 작은 관에서의 마찰 압력 손실이 급격히 증가하여 성능에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 이중 직경 관으로 인한 진동형 히트파이프의 열성능 향상 효과를 극대화하기 위해서는 유로의 내경 차이가 적절하게 선택되어야 한다. 하지만 기존 연구들에서는 내경 차이 변화가 진동형 히트파이프 작동 특성에 미치는 영향에 대해서는 살펴본 바가 없기 때문에, 기존 결과들로부터 히트파이프의 성능 향상 효과가 최대화되는 이중 직경 관의 내경 차이를 예측하는 데에는 한계가 있다.
본 연구에서는 이중 직경 관이 진동형 히트파이프의 작동 특성(Operational characteristics)에 미치는 영향에 대해 살펴 보았으며, 히트파이프의 열성능 향상 효과를 최대화 할 수 있는 이중 직경 관의 형상을 제안하였다. 온도 측정 기술과 초고속 카메라를 이용하여 진동형 히트파이프의 열성능 측정 및 내부 유동 특성 관측을 수행하였다. 우선, 이중 직경 관이 히트파이프 작동 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 가장 기본적인 형상인 단일 턴(Single-turn)을 가지는 진동형 히트파이프를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과에 따르면 이중 직경 관이 진동형 히트파이프 내부에 순환유동 발생을 유도하며, 진동형 히트파이프의 열성능을 최대 45% 향상시킴을 확인하였다. 순환유동을 가지는 진동형 히트 파이프의 작동 특성을 예측할 수 있는 모델을 제시하였고, 실험 결과를 이용하여 제안된 모델을 검증하였다. 본 연구에서 제안한 모델의 예측결과가 실험결과와 15% 오차 이내에서 일치함을 확인하였다. 실험 측정 결과 및 모델 예측 결과들로부터, 관의 내경 차이와 평균 내경($ΔD/D_{avg}$ )의 비인 가 0.15에서 0.35사이일 때, 히트파이프 열성능 향상 효과가 최대화 되는 것을 확인하였다.
성능 향상 효과가 입증된 이중 직경 유로를 실리콘(Silicon)을 기반 물질로 하는 평판 진동형 히트파이프(FP-PHP)에도 적용하였다. 단일 턴의 히트파이프를 이용한 연구에서 제안된 적정 내경 차이 영역($0.15<ΔD/D_{avg}<0.35$)에서 평판 진동형 히트파이프의 열성능 향상 효과도 최대가 됨을 실험을 통해 검증하였다. 평판형 히트파이프의 경우에는 유로의 수력 직경이 수 백 μm로 작아 표면 장력 및 모세관력의 영향이 증대된다. 따라서, 유로 내경 차이로 인해 발생하는 모세관 압력 (Capillary driving pressure)의 크기가 작동 유체에 작용하는 중력압(Gravitational pres-sure)의 크기와 대등하다. 모세관 압력은 평판형 히트파이프가 설치각도가 작거나 수평으로 설치되어 중력압의 영향이 작을 때, 중력압을 대신하여 작동 유체의 순환을 유발시키는 역할을 한다. 이로 인해 수평 상태에서 작동하지 않는 일반적인 평판 진동형 히트파이프와 다르게 이중 직경 유로를 갖는 평판 진동형 히트파이프는 설치 각도와 상관없이 안정적인 열성능을 가진다. 하지만 이러한 효과 역시 유로의 내경 차이에 따라 달라진다. 따라서, 본 연구에서는 설치 각도와 무관한 열성능을 가지는 히트파이프 설계 방안을 제시하기 위해 진동형 히트파이프를 위한 성능 지수(Figure of merit)를 개발하였다. 실험을 통해 제안된 성능 지수가 진동형 히트파이프의 작동 한계 예측에 적합함을 확인하였으며, 성능 지수가 10^12 이상일 때 히트파이프가 설치 각도와 상관없이 잘 작동하였다.
