In the present study, the effect of the condenser section length on the thermal perfor-mance of PHPs was investigated experimentally under the constraint of fixed evaporator section and total lengths. Using MEMS techniques, silicon-based PHPs with 10 turns and hydraulic diameter of 667μm were fabricated to evaluate the thermal performance of sili-con-based PHPs. The evaporator section and the total lengths were fixed at 20 mm and 100 mm, respectively. The thermal resistance was evaluated from temperature measurement while flow visualization was conducted using high speed camera with different condenser section lengths. The optimum condenser section length, for which the temperature of evapo-rator section was the lowest, was found to be 10mm experimentally. When the condenser section length became smaller than the optimum length, the temperature of the evaporator section increased because the heat transfer area of the condenser section decreased. When the condenser section length became larger than the optimum length, the stopover phenom-enon was observed through flow visualization. The stopover phenomenon affected the for-mation of the liquid film in evaporator section and adiabatic section of PHPs. The variations in temperature of the evaporator section with time was less significant as the condenser sec-tion length decreased due to continuous liquid film supply.
최근 전자 장치의 소형화 및 집적화로 인하여 전자 장치 내 단위 면적당 발열량이 급격히 증가하고 있다. 따라서, 적은 공간에서도 열을 효과적으로 방출할 수 있는 방열 시스템 개발은 필수적이다. 현재, 열을 효과적으로 분산시키기 위해 다양한 방열 장치가 사용되는데 그 중 작동 유체의 잠열에 의한 열전달을 이용한 히트파이프가 일반적이다. 그러나, 히트 파이프는 내부의 윅구조에 의해 소형화 및 박막화가 어렵다. 이러한 상황 속에 진동형 히트파이트(pulsating heat pipe)는 윅구조 없이 작동 유체의 진동 거동으로 열을 효과적으로 방출하기에 차세대 냉각 장치로 각광 받고 있다.
진동형 히트 파이프는 일반적으로 증발부, 단열부, 응축부로 나뉘어 진다. 일반적으로 냉각 장치를 설계할 때, 제한된 공간과 열원에서 열설계를 수행하여야 한다. 따라서, 단열부와 응축부의 길이는 진동형 히트 파이프의 필수적인 설계 요소이다.
이에 따라 본 연구는 응축부의 길이가 진동형 히트 파이프의 열성능에 미치는 영향을 실험적으로 비교 및 분석하였다. 미세 전자 제어기술(MEMS) 공정을 이용하여 실리콘 기반 평판 진동형 히트파이프를 제작하였다. 응축부의 길이에 따른 열성능을 평가하기 위하여 실리콘 기반 평판 진동형 히트파이프의 증발부와 단열부, 응축부의 표면 온도를 시간에 따라 측정하였다. 열성능은 입열량에 따른 증발부의 평균온도 그리고 증발부와 응축부의 시간 평균 온도를 이용하여 계산한 열저항을 이용한다. 각 응축부 길이에 따른 작동 유체의 진동 거동 특성을 관찰하기 위하여 초고속 카메라를 이용한 유동 가시화를 수행하였다.
응축부의 길이가 길어질수록 작동 유체가 시간에 따라 단열부 중심에 정체하였다가 움직이고 다시 정체하는 stopover 현상이 두드러졌다. 이에 의해 작동 유체의 진동 거동이 활발하지 않아 증발부와 단열부에 공급되는 작동 유체의 양이 감소하고 특히, 증발부 영역에 형성되는 액막이 부분적으로 말라 있는 것을 관측하였다. 따라서, 증발부에서 응축부로 열을 효과적으로 전달하지 못한 채 과열되어 열성능은 악화된다. 응축부의 길이가 짧아질수록 작동 유체가 방열할 수 있는 면적은 감소한다. 따라서, 응축부의 길이가 특정 이하로 짧아질 경우, 증발부의 마이크로채널 내는 마르지 않은 채 진동 거동이 활발하지만, 증발부의 온도는 증가하고 최대 입열량은 감소한다.
이에 의해 본 연구에서 증발부의 온다가 가장 낮은 열성능을 보였던 최적 응축부 길이를 실험적으로 제안하였다. 최적 응축부 길이를 갖는 진동형 히트파이프는 증발부의 온도가 낮을 뿐만 아니라 최대 입열량도 증가하고 시간에 따라 온도 변동이 감소하여 안정적인 열성능을 보였다.
