In this study, effects of micro-post arrays on the operating limit of Pulsating Heat Pipes (PHP) were experimentally investigated. Using MEMs techniques, and anodic bonding, micro-post arrays and channels were etched on a silicon wafer and a glass wafer (#7740 PyrexTM) respectively and bonded to each other to fabricate a PHP with micro-post arrays. The height, diameter, and pitch of micro-post arrays were determined to maximize the supply rate of liquid supplied by the capillarity of micro-post arrays. Also, to investigate effects of arrangements of micro-post arrays, a bare PHP without micro-post arrays (Case 1), PHPs with two different arrangements of micro-post arrays (Case 2, Case3) were fabricated and experimentally investigated. Experimental results showed that Case 3, where micro-post arrays are located in all channels of a PHP did not operate regardless of the input power. On the other hand, Case 2, where micro-post arrays are located in alternating turns of channels, normally operated with the oscillating motion of liquid slugs and vapor plugs. Also, the maximum allowable input power of Case 2 increased by approximately 36% compared to Case 1. When the input power corresponding to the operating limit of Case 1 is applied to Case 1, all liquid films around vapor plugs in the evaporator section dried out. Because there was no liquid film left in the evaporator section, oscillating motion because the phase change of a liquid film was absent. On the other hand, when the same input power was applied to Case 2, liquid films were left around vapor plugs due to the additional liquid supplied by micro-post arrays which are located in alternating turns of channels, were left around vapor plugs. The maximum allowable input power of a PHP increases sustaining the oscillating motion by increased liquid supply rate. Proposed optimization method for dimensions of micro-post arrays and the consideration for the selection of the arrangement of micro-post arrays in this study help to increase the operating limit of a PHP effectively.
본 연구에서는 마이크로-기둥 배열이 진동형 히트파이프의 작동 한계에 미치는 영향을 실험적으로 관찰하였다. 미세전자기계시스템 공정과 아노딕 본딩을 이용하여 실리콘 기판과 유리 기판에 각각 마이크로-기둥 배열과 채널을 식각하였고 이들을 결합하여 마이크로-기둥 배열이 존재하는 진동형 히트파이프를 제작하였다. 마이크로-기둥의 높이, 지름, 피치는 배열 내부의 모세관 현상으로 인한 가열부로의 액체 공급량을 최대화하는 값으로 결정하였고 마이크로-기둥 배열의 배치가 진동형 히트파이프의 작동 한계에 미치는 영향을 관찰하기 위해 마이크로-기둥 배열이 없는 기존의 진동형 히트파이프 (Case 1), 두가지 다른 배치의 마이크로-기둥 배열이 각각 존재하는 진동형 히트파이프들 (Case 2, Case 3)을 제작하여 실험하였다. 실험 결과, 모든 채널에 마이크로-기둥 배열이 존재하는 Case 3는 입열량에 상관없이 작동하지 않는다. 반면에 채널의 턴 별로 마이크로-기둥 배열이 존재하는 Case 2에선 액상 슬러그와 기상 플러그가 활발히 진동하여 정상 작동한다. 이때, Case 2의 작동 한계는 Case 1의 작동 한계에 비해 대략 36% 상승하였다. Case 1 에선 작동 한계에 해당하는 입열량이 가해졌을때, 가열부 내의 기상 플러그 주변으로 액막이 존재하지 않아 더 이상 상변화를 통한 액상 슬러그와 기상 플러그의 진동 움직임이 존재하지 않는다. 반면에 Case 2에선 동일 입열량이 가해졌을때, 마이크로-기둥 배열이 존재하는 채널을 통한 가열부로의 액체의 추가 공급이 가열부 내 기상 플러그 주변으로 마르지 않은 액막을 형성한다. 이 잔여 액막이 상변화를 통해 꾸준한 진동 움직임을 형성하므로 진동형 히트파이프의 작동 한계를 상승시킨다. 본 연구에서 제시된 마이크로-기둥의 치수 최적화 방법과 진동형 히트파이프에 적절한 배치 선정 기준을 통하여 진동형 히트파이프의 작동 한계를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
