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Experimental study on the operational characteristics of pulsating heat pipes in a horizontal orientation = 진동형 히트 파이프의 수평 작동 특성에 관한 실험적 연구
서명 / 저자 Experimental study on the operational characteristics of pulsating heat pipes in a horizontal orientation = 진동형 히트 파이프의 수평 작동 특성에 관한 실험적 연구 / Soohwan Jun.
저자명 Jun, Soohwan ; 전수환
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

In this thesis, the operational characteristics of micro pulsating heat pipes (MPHPs) in a horizontal orientation is experimentally investigated. Furthermore, based on the experimental observations, a criterion for normal operation of PHPs in a horizontal orientation is provided as a design guideline. For this, the experiments are performed using the silicon-based MPHP with 10 turns, which is fabricated through MEMS techniques. The rectangular micro-channels engraved on the silicon wafer form a closed loop and have the width and the depth of 1 mm and 0.5 mm, respectively. The overall dimensions of the MPHP are 50 x 33.5 x $1.7 mm^3$. Ethanol is used as the working fluid and the filling ratio is 47% on the average. A transparent glass wafer is bonded to a silicon wafer for flow visualization. The temporal variations in the temperature and pressure of vapor plugs are simultaneously measured using micro-thermocouples and pressure transducers. The measured temperature and pressure data are fully synchronized in real time with the flow characteristics obtained through a high-speed photography. In the first technical chapter, the thermodynamic state of vapor plugs is experimentally examined prior to developing a theoretical model for a vapor plug. Since the equation of state to be used in a model for a vapor plug depends on its thermodynamic state, it is essential to identify the thermodynamic state of vapor plugs. It is experimentally found that the thermodynamic state of a vapor plug in the MPHP depends on the presence of the liquid film surrounding the vapor plug. If a vapor plug is surrounded by the liquid film, the vapor plug is saturated and there is no temperature difference along the vapor plug. On the other hand, if a vapor plug is in direct contact with the dry wall without the liquid film, the vapor plug is superheated and there is a difference in the vapor temperature between the evaporator section and the adiabatic section. Especially, during a stopover period in a horizontal orientation, it is shown that the vapor temperature in the evaporator section is significantly higher than the saturation temperature and almost identical to the wall temperature. In the second technical chapter, a transition between a stopover and a large-amplitude oscillation in a horizontal orientation is investigated, and finally a criterion for normal operation of PHPs even in a horizontal orientation is developed through experimental and theoretical investigations. For this, the MPHP is treated as a mass-spring-damper system and it is postulated that a transition from a stopover to a large-amplitude oscillation in the MPHP occurs with negative damping that induces dynamic instability in vibration systems. To verify this postulate, a spring-damper model for a vapor plug in the MPHP is developed in conjunction with the experimental observations, and then the postulate is confirmed. Finally, a criterion for normal operation of PHPs in a horizontal orientation is suggested in the form of a figure of merit, which is defined as the ratio of the vapor damping coefficient to the fictional damping coefficient. For PHPs filled with ethanol, it is experimentally confirmed that D_h/L_eff has to be larger than approximately 0.03 for normal operation without any stopover even in a horizontal orientation.

본 논문에서는 마이크로 진동형 히트 파이프의 수평 작동 특성을 실험적으로 분석하고, 실험적 관측을 기반으로 하여 진동형 히트 파이프가 수평에서도 정상 작동하기 위한 기준을 제안하고자 한다. 이를 위해 미세전자기계시스템 공정을 통해 제작된 10턴의 실리콘 기반 마이크로 진동형 히트 파이프를 이용하여 실험을 수행하였다. 마이크로 진동형 히트 파이프 내 폐루프를 형성하기 위해 1 밀리미터의 너비와 0.5 밀리미터의 깊이를 갖는 직사각 단면 형상의 마이크로 채널을 실리콘 기판에 식각하였다. 작동 유체로는 에탄올이 사용되었고, 작동 유체의 체적 충진율은 평균적으로 47%의 값을 갖도록 하였다. 내부 작동 유체의 진동 거동을 가시화하기 위해 투명한 유리 기판을 채널이 식각된 실리콘 기판에 부착하였다. 시간에 따른 기포 플러그 내 온도와 압력 변화를 동시 다발적으로 측정하기 위해 마이크로 열전대와 압력 센서를 사용하였다. 측정된 기포 플러그의 온도와 압력 정보는 초고속 촬영 기법을 통해 얻어진 내부 유동 가시화 정보와 함께 실시간으로 동기화되어 분석되었다. 첫 번째 챕터에서는 기포 플러그에 대한 이론적 모델을 개발하기에 앞서, 기포 플러그의 열역학적 상태를 실험적으로 규명하였다. 기포 플러그에 대한 이론적 모델을 개발하는데 필요한 상태 방정식은 기포 플러그의 열역학적 상태에 따라 결정되기 때문에 기포 플러그의 열역학적 상태를 확인하는 것은 모델 개발에 있어 매우 중요하다. 실험적 관측에 따르면, 마이크로 진동형 히트 파이프 내 기포 플러그의 열역학적 상태는 기포 플러그 주위를 둘러싸고 있는 액막의 유무에 따라 결정된다. 기포 플러그가 액막에 둘러싸인 경우, 기포 플러그는 포화 상태를 갖고 기포 플러그 내 길이 방향으로의 온도 차이가 거의 존재하지 않는다. 반면에 기포 플러그가 액막이 없이 마른 벽면에 노출되어 있는 경우, 기포 플러그는 증발부에서 과열 상태가 되고 기포 플러그 내 길이 방향으로 온도 차가 발생한다. 특히 마이크로 진동형 히트 파이프가 수평 방향으로 작동할 때 스톱오버가 발생하게 되면, 증발부에서 기포 플러그의 온도는 벽면의 온도와 거의 같아지며 크게 과열되어 있다는 것을 확인하였다. 두 번째 챕터에서는 진동형 히트 파이프 내에서 발생하는 진동 천이 현상을 분석하기 위해, 마이크로 진동형 히트 파이프를 질량-스프링-감쇠기 시스템으로 모델링하였다. 이때 스톱오버에서 큰 진폭의 진동으로의 천이는 음감쇠 현상으로부터 유도된 동적 불안정성에 기인한다는 가설을 수립하였다. 이러한 가설을 검증하기 위해 실험적 관측을 기반으로 한 기포 플러그의 스프링-감쇠기 모델을 개발하였으며, 이를 적용하여 해당 가설이 참임을 증명하였다. 이러한 결과를 활용하여, 최종적으로 기포 플러그의 감쇠 계수와 마찰 감쇠 계수 간의 비율로 표현되는 진동형 히트 파이프의 수평 작동에 관한 성능 지수를 제안하였다. 제안된 성능 지수는 진동형 히트 파이프의 수력 직경과 유효 길이 간 비율의 제곱에 비례하는 형태를 갖는다. 개발된 성능 지수를 검증하기 위해 에탄올을 충진한 진동형 히트 파이프의 실험 결과들을 활용하였고, 에탄올을 충진한 진동형 히트 파이프가 약 0.03 이상의 수력 직경과 유효 길이의 비율을 가질 때 수직 방향에서뿐만 아니라 수평 방향에서도 스톱오버 없이 정상 작동한다는 것을 실험적으로 검증하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 19027
형태사항 vi, 86 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 전수환
지도교수의 영문표기 : Sung Jin Kim
지도교수의 한글표기 : 김성진
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 References : p. 79-82
주제 Pulsating heat pipe
horizontal orientation
operational characteristics
experiments
stopover
thermodynamic state
mass-spring-damper system
negative damping
dynamin instability
진동형 히트 파이프
수평 방향
작동 특성
실험
스톱오버
열역학적 상태
질량-스프링-감쇠기 시스템
음감쇠
동적 불안정성
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