Recent advances in the performance of semiconductor devices have led to a significant rise in the chip power intensity as well as in the generated heat flux as a waste byproduct. This has adversely increased the temperature of hot spots on an electronic chip, which limits further performance enhancements and reduces the overall lifespan of the chip. Thus, the demand for effective cooling devices is on the rise. Micro pulsating heat pipes (MPHPs) are one of the promising candidates for the thermal management of very thin electronic devices owing to the high thermal performance and simple design without a wick.
In the present study, the heat transfer mechanism of a PHP was investigated numerically, and experimentally. First, heat transfer enhancement in oscillating flow, which is closely related to sensible heat transfer in a PHP, was studied using numerical method. The numerical results show that the oscillating flow augments sensible heat transfer significantly. Nevertheless, it is still hard to explain the high thermal performance of a PHP. To verify this finding, the contributions of the sensible/latent heat transfer in a PHP were clarified experimentally. A five-turn closed loop MPHP was fabricated. Using infrared (IR) thermometry, the temperature and heat flux distributions at the fluid-wall interface were measured over the entire MPHP for the first time. High-speed flow visualization, which was synchronized to heat transfer measurements, was utilized to identify the local flow patterns corresponding to the local temperature and heat flux. A quantitative analysis of these data clarified the contributions of sensible/latent heat transfer to overall heat transfer. The results showed that latent heat transfer not only induces the oscillating flow but also contributes significantly to overall heat transfer, whereas sensible heat transfer is a byproduct of the oscillating flow. Latent heat transfer is shown to be the dominant heat transfer mechanism in a PHP.
최근 반도체 장치들의 성능 향상에 따라 마이크로칩의 발열량이 급격히 증가하고 있다. 발열량의 증가는 전자장치의 온도를 높여 전자장치의 성능뿐만 아니라 수명까지도 제한하기 때문에 효율적인 냉각 장치의 개발이 요구된다. 또한, 전자장치가 소형화되는 추세이기 때문에 냉각 장치도 소형 및 박막화 될 필요가 있다. 이에 단순한 채널구조를 가져 쉽게 박막화 가능하면서도 우수한 열전달 성능을 보이는 마이크로 진동형 히트파이프에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 진동형 히트파이프의 열전달 기작을 밝히는 것을 목표로 수치해석 및 실험적 관찰을 수행하였다. 먼저 진동유동에서 열전달 성능이 향상되는 현상을 수치해석적 기법을 이용해 분석하였고, 이를 진동형 히트파이프의 열전달 현상 분석에 활용하였다. 진동 유동이 있을 때 현열 전달이 촉진되지만, 그럼에도 진동유동을 통한 현열 전달은 진동형 히트파이프의 높은 열전달 성능을 설명하기에는 부족하다는 것을 확인하였다. 이러한 사실을 실험적으로 검증하고자 5개의 턴 수를 가지며 수력직경이 835 μm 인 마이크로 채널을 1.1 mm 두께의 유리면에 가공하고, 이를 실리콘 웨이퍼와 접합하여 폐루프 구조를 갖는 마이크로 진동형 히트파이프를 제작하였다. 열화상 카메라를 이용한 온도 및 열유속 측정 기법을 마이크로 진동형 히트파이프에 적용하였으며, 이를 통해 최초로 진동형 히트파이프의 증발부와 응축부에서 온도 및 열유속 분포를 측정하였다. 온도 및 열유속 분포를 측정함과 동시에 이에 대응하는 유동 가시화 또한 수행하였으며, 이들을 활용하여 전체 열전달율에 대한 현열 및 잠열의 기여도를 실험적으로 평가하였다. 관측된 실험결과로부터 잠열 전달은 진동 유동을 일으킬 뿐만 아니라 열전달에도 가장 크게 기여하며, 현열 전달은 부수적인 열전달 기작임을 밝혔다. 즉, 잠열 전달이 진동형 히트파이프에서 가장 주요한 열전달 기작이다.
