This study designed and fabricated a cryogenic loop heat pipe (CLHP) operating at 80-120 K. The CLHP used a compact and efficient wick-inserted condenser which enhanced the heat transfer efficiency inside the condenser. This study also verified the comprehensive operational characteristics of the CLHP in detail and proposed the efficient operating strategy of the CLHP. The CLHP needs a specific process to chill down an evaporator before normal operation, which is different from the conventional room-temperature heat pipe. Moreover, the effective thermal conductance, the maximum heat transport capability, and the thermo-hydraulic behavior change by the variation in the governing parameters such as the initial charging pressure of a working fluid, the heat loads on the primary and secondary evaporators, and the cooling capacity of the cryocooler connected to the condenser. The temperatures of the evaporator and the condenser are also sensitively influenced by those governing parameters. Therefore, in order to obtain an accurate thermal performance of the CLHP and operate the CLHP efficiently, the operational characteristics of the CLHP should be investigated comprehensively.
Nitrogen was selected as a working fluid considering the target temperature range of 80 ? 120 K. A pressure lower than 2 MPa with a 3-liter gas buffer tank was chosen from the appropriate liquid volume fraction in cryogenic steady state operation. The maximum capillary force was calculated from the pore size, the porosity, and the permeability of the sintered nickel wick, and the effective length from the evaporator to the condenser was decided as 680 mm. The 70-mm long compact condenser adopting the porous annular-cylindrical wick was fabricated for the purpose of raising the heat-exchanging area between the condenser and the working fluid and the condensation heat transfer coefficient. The effect was analyzed and the different condenser were compared.
The initial charging pressure of the working fluid, the heat loads on the primary and secondary evaporators, and the cooling capacity of the cryocooler were chosen as the governing parameters because they determine the thermodynamic states of the CLHP. The operating characteristics of the CLHP were investigated by variating those governing parameters. The matching characteristics between the heat loads on the primary and secondary evaporators were also studied. The effective thermal conductivity of the CLHP which is several dozen or hundreds larger than that of the conventional metallic thermal link was obtained.
Additionally, the heat switch capability of the CLHP was validated through experiments in various operational conditions. The heat switch function was achieved by controlling the heat load on the secondary evaporator. The switching off process was investigated experimentally and numerically in detail. The CLHP was successfully utilized as a cryogenic heat switch which has significantly large on/off thermal conductance ratios in cryogenic temperature. The on-off thermal conductance ratio was evaluated as 400 to 3900 from the experiments.
본 논문은 응축기 내부에 다공성 윅을 장착하여 열전달 효율을 개선한 80-120 K에서 작동하는 극저온 루프 히트파이프를 개발하여 지배 인자의 변화에 따른 상세 작동 특성을 규명하고 효율적인 운용 전략을 제시하는 것을 목표로 한다. 극저온 루프 히트파이프는 상온에서 작동하는 히트 파이프와는 달리, 정상 작동 전 증발기 냉각을 위한 특별한 과정이 필요하다. 또한, 지배 인자들 중 작동 유체의 충진 압력, 주증발기 및 부증발기로의 열부하, 냉동기 냉각 용량의 변화에 따라 유효 열전도율, 최대 열운송량, 열수력적 거동이 민감하게 달라지고, 증발기와 응축기의 온도도 크게 변화한다. 따라서, 극저온 루프 히트파이프에 대해 목표하는 열전달 성능을 정확히 구현하고 효율적으로 운용하기 위해서는, 상세 작동 특성을 종합적으로 분석하여 적용하여야 한다.
목표 온도 범위인 극저온에 적합한 질소를 작동 유체로 선정하고, 정상 상태에서의 적정 액체 부피분율을 고려하여 2 MPa 이하의 초기 유체 충진 압력과 3리터의 기체 저장소 크기를 정하였다. 소결윅의 기공 특성을 고려하여 발생 가능한 최대 모세관력의 크기를 도출하고, 증발기에서 응축기까지의 유효 길이를 680 mm로 결정하였다. 길이 70 mm의 실린더형 응축기 내부 열교환 효율 개선을 위해 응축기 내부에 고리형 다공성 윅을 적용하여, 열교환 면적과 응축열전달 계수를 향상시키고 그 효과를 기존 응축기와 비교, 분석하였다.
극저온 루프 히트파이프 작동시 열역학적 상태를 결정하는 지배 인자들 중, 작동 유체의 충진 압력, 주증발기 및 부증발기로의 열부하 크기, 냉동기의 냉각 용량 변화에 따른 히트파이프의 작동 특성 변화와 상관 관계를 분석하였다. 실험 결과로부터 극저온 루프 히트파이프의 유효 열전도도를 도출하여, 기존 금속 열전도 장치 대비 크게는 수백 배 이상의 열전달 성능을 발휘할 수 있음을 확인하였다.
부가적으로, 다양한 실험 조건에서 정상 상태의 부증발기 열부하를 단속하여 극저온 루프 히트파이프의 열스위치 성능을 검증하고, switch-on 상태에서 off 상태로 변화하는 과정을 실험적, 해석적으로 분석하였다. 실험 결과를 바탕으로 부가적인 부품 적용 없이 극저온 루프 히트파이프 자체로 400에서 3900의 높은 on/off 열전도비를 구현할 수 있음을 검증하였다.
