In this thesis, experimental and theoretical analyses are performed to develop a thermal network-based model for predicting the thermal resistance of pulsating heat pipes (PHPs). Based on the experimental investigations, a complex flow mode inside a PHP is simplified as a quantitative parameter. Moreover, a network of thermal resistances associated with the heat transfer processes involved in a PHP is established based on the theoretical investigations. This in turn leads to developing a simple but accurate model considering the flow mode and heat transfer processes inside a PHP.
In the first technical chapter, a flow mode inside a PHP is quantified as a governing parameter affecting the thermal resistance of PHPs, prior to developing the thermal resistance model for a PHP. Since a PHP transfers the heat through fluid motion, simplification of the flow mode inside a PHP is essential to developing the thermal resistance model for a PHP. Experiments on silicon-based PHPs are conducted to identify the governing parameter on the various flow modes inside a PHP. Using MEMS techniques, a serpentine channel is engraved on the silicon wafer. Pyrex glass covers the etched silicon wafer to visualize the flow mode inside a PHP. Ethanol, FC-72, HFE-7000, and R-134a are used as the working fluids. High-speed photography and thermometry are performed to investigate the flow and the thermal characteristics of PHPs. To simplify the complex flow modes inside a PHP as a governing parameter, an average volumetric fraction in the condenser section is introduced. The average volumetric fraction in the condenser section is shown to be a major contributor to the thermal resistance of a PHP; an increase of the average volumetric fraction in the condenser section leads a reduction of the thermal resistance due to enhanced latent heat transfer in the condenser section.
In the second technical chapter, a thermal network-based model for predicting the thermal resistance of PHPs is developed and proposed through theoretical investigations. For this, the thermal network analysis, which is generally used to predict the thermal resistance of a conventional heat pipe, is applied to simplify the heat transfer processes involved in a PHP. Each of heat transfer processes involved in a PHP is expressed as individual thermal resistances using the average volumetric fraction in the condenser section. The proposed model is found to be accurate in predicting not only total thermal resistance of a PHP but also individual thermal resistances associated with each of heat transfer processes. Using individual thermal resistances associated with each of heat transfer processes, the predicted axial temperature profiles along the substrate are shown to match well with the experimental data. Based on the proposed model, it is found that an increase of latent heat transfer in a PHP leads to a reduction of the thermal resistance of a PHP. Finally, the thermal resistance of a PHP is predicted within 13% for various working fluids and geometric parameters using the proposed model.
본 연구에서는 실험적∙이론적 분석을 바탕으로 하여 진동형 히트파이프의 열저항을 예측하는 열적 네트워크 기반의 모델을 개발하고자 한다. 실험적인 고찰을 바탕으로 진동형 히트파이프 내부의 복잡한 유동을 정량적인 매개 변수로 단순화하였다. 또한 이론적인 고찰을 바탕으로 진동형 히트파이프 내부의 열전달 과정들로 이루어진 열저항의 네트워크를 수립하였다. 이는 진동형 히트파이프의 유동 모드와 열전달 과정을 고려한 간단하고도 정확한 모델 개발로 이어지게 되었다.
첫 번째 챕터에서는 진동형 히트파이프의 열저항 모델을 개발하기에 앞서, 진동형 히트파이프의 유동모드를 열저항에 지배적인 영향을 주는 매개변수로 정량화 하였다. 진동형 히트파이프는 유체의 움직임을 통하여 열을 전달하기에 유동모드를 단순화하는 것은 모델 개발에 있어 매우 중요하다. 진동형 히트파이프의 다양한 유동모드의 지배변수를 규명하기 위하여 실리콘 기반의 진동형 히트파이프에 대한 실험이 수행되었다. 미세전자기계시스템 공정을 이용하여 구불구불한 채널을 실리콘 기판에 식각하였다. 식각된 실리콘 기판을 투명한 유리기판으로 덮어 진동형 히트파이프의 유동모드가 가시화되도록 하였다. 에탄올과 R-134가 작동유체로 사용되었다. 진동형 히트파이프의 유동∙열 적 특성을 파악하기 위하여 초고속 촬영 기법과 온도 측정법이 수행되었다. 진동형 히트파이프의 복잡한 유동모드를 지배변수로 단순화하기 위하여 응축부에서의 평균 부피 분율이라는 개념이 제안되었다. 응축부에서의 평균 부피분율은 진동형 히트파이프의 열저항에 가장 크게 기여하는 것으로 밝혀졌다: 응축부에서의 평균 부피분율이 증가함에 따라 응축부에서의 잠열 열전달이 향상되어 진동형 히트파이프의 열저항이 감소하였다.
두 번째 챕터에서는 이론적 분석을 바탕으로 진동형 히트파이프의 열저항을 예측할 수 있는 열적 네트워크 기반의 모델이 개발되고 제안되었다. 이를 위해, 히트파이프의 열저항을 예측하기 위해서 사용되는 열적 회로 기법이 진동형 히트파이프의 열전달 과정들을 단순화하기 위해 사용되었다. 진동형 히트파이프의 각각의 열전달 과정들은 각각의 독립적인 열저항으로 표현되었다. 응축부에서의 평균 부피분율을 이용하여 진동형 히트파이프의 열저항을 예측할 수 있는 이론적 모델이 제안되었다. 제안된 모델은 진동형 히트파이프의 전체 열저항을 예측하는 것뿐 아니라 각각의 열전달 과정에 해당하는 독립적인 열저항들도 잘 예측함을 확인하였다. 독립적인 열저항들을 이용하여 예측된 진동형 히트파이프의 축방향 표면의 온도는 실험결과와 일치한다. 개발된 모델을 기반으로 하여 진동형 히트파이프에서 잠열 열전달의 증가는 열저항의 감소로 이어짐을 확인하였다. 최종적으로 제안된 모델은 다양한 작동유체와 형상변수에 대해서도 진동형 히트파이프의 열저항을 13% 이내로 예측한다.
