The rapid development of the performance of semiconductors requires high power, and it has led to a rise in heat flux. Thus, there has been a growing demand for heat spreaders for appropriate thermal management in electronics. Recently, a micro pulsating heat pipe (MPHP) has been getting a lot of attention because of its very simple structure and high thermal performance.
Generally, in electronics, the heating area is restricted to small chip size, and it causes a local heating condition. Under a local heating condition, in case of a MPHP with a uniform channel layout, only a few channels are overlapped with the heating area, and the rest of them are thermally-isolated. A MPHP transfers heat from the evaporator to the condenser through the oscillating motion of the working fluid, which is derived from the pressure difference due to the phase change of the working fluid. Thus, the oscillating motion may not occur in the thermally-isolated channels. To overcome this limitation caused by the local heating condition, it is desirable to induce the active oscillating motion of the working fluid throughout all the channels.
For this objective, in this study, two kinds of channel layouts, according to the size of the local heating area, are suggested. First, the channels of the MPHP are re-arranged that all the channels overlap the heating area, and it is called non-uniform channel layout. In the case of non-uniform channel layout, a non-uniform heating pattern occurs. Thus, the method, which can quantify the non-uniformity of the heating pattern, is proposed taking into account the characteristics of MPHPs, and the experiments are performed to verify the effectiveness of the quantified value. The results show that the thermal performance of the MPHPs with the non-uniform channel layouts is proportional to the effective dissimilarity, which is the proposed value in this study. However, when the heating area is excessively small, all the channels cannot be overlapped the heating area due to the fixed channel width. To overcome this limitation, the channel layout, which is designed based on the topology optimization method, is suggested. In the topology-optimized channel layout, the channels are merged so that all the channels overlap the heating section. To verify the effectiveness of the proposed method, the thermal performance of the MPHP with the topology-optimized channel layout is compared with that of various references. As the results, the thermal performance of the MPHP with the topology-optimized channel layout is up to two times higher than that of the MPHP with the uniform channel layout, and the active oscillating motion of the liquid slugs are observed in all the channels even under the excessively localized heating condition. In this study, the channel design methods of the MPHPs under local heating conditions are firstly suggested. The experimental results clearly show that the proposed methods can widen the applicable range of MPHPs by overcoming the limitation associated with localized heating conditions.
반도체의 고집적화와 기술의 빠른 발전으로 인해 전자장치에 적용되는 칩들의 성능이 급격히 증가하고 있다. 이는 더 많은 전력을 요구하고, 이로 인해 칩에서의 발열량 역시 빠르게 상승하고 있다. 따라서, 전자장치의 성능 및 수명 유지, 사용자의 안전 등을 위해선 전자장치 내 적절한 열관리가 필수적이며 이를 위한 방열장치의 중요성이 대두되고 있다. 이에 최근 차세대 방열 장치로서 단순한 구조를 갖고, 우수한 열성능을 보이는 마이크로 진동형 히트파이프 (Micro pulsating heat pipe, MPHP)에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
일반적으로 전자장치 내 증발부는 칩 크기 수준의 작은 영역으로 이루어져 있고, 방열장치는 이러한 국소 발열부의 열을 전 영역으로 분산 시켜 열점 (Hot spot)을 제거 할 수 있어야 한다. 균일한 채널 배치를 갖는 일반적인 형태의 마이크로 진동형 히트파이프의 경우 국소 발열 조건하에서는 일부 채널만이 증발부에 닿고, 나머지 채널들은 증발부에 닿지 않고 열적으로 독립되어 존재한다. 마이크로 진동형 히트파이프는 작동유체의 응축과 증발로 인해 유도된 채널 간의 압력 차이에 의해 작동유체가 진동하며 열을 전달하기 때문에, 증발부에 닿아 있지 않은 채널에서는 진동 운동이 활발히 일어나지 않게 된다. 국소 발열 조건하에서 마이크로 진동형 히트파이프는 이와 같은 한계를 갖지만, 이를 개선하기 위한 연구는 수행된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 적합한 채널 배치를 통해 국소 발열 조건에서의 한계를 극복하고 열성능을 최대화 하여 마이크로 진동형 히트파이프의 적용 범위를 넓히고자 한다.
이를 위해 본 연구에서는 증발부의 크기 수준에 따른 서로 다른 두 가지 방법을 적용하여 채널 배치의 효과에 대해 살펴보았다. 채널들을 굽혀 배치하였을 때 모든 채널이 증발부에 닿을 수 있는 수준의 증발부 크기에 대해서는 불균일한 채널 배치 (Non-uniform channel layout)를 제안하였다. 채널들을 굽혀 증발부에 닿도록 하는 과정에서 각 채널로 가해지는 열량은 증발부에 닿아있는 길이에 비례하게 되며, 이는 불균일한 가열 조건을 야기한다. 이러한 불균일한 가열 정도를 본 연구에서 제안된 유효 비대칭성 (Effective dissimilarity)이란 값을 통해 정량화 하였다. 실험을 통해 제시된 정량화 값이 열성능과 비례하는 상관관계가 있음을 확인하였고, 이를 통해 최초로 국소 발열 조건에서 마이크로 진동형 히트파이프의 한계를 극복하는 방안을 제시하였다. 이는 매우 간단하고 효과적인 방법이지만, 증발부의 크기가 매우 작은 경우 제시된 불균일한 채널를 적용하더라도 열적으로 독립된 채널이 존재할 수 밖에 없다. 따라서 매우 작은 증발부 조건에서 열적으로 독립된 채널이 없도록 채널들을 배치하기 위해 새로운 형태의 채널 배치를 위상 최적화 기법 (Topology optimization)을 통해 제안하였다. 해당 기법을 기반으로 한 채널 배치에서는 모든 채널들이 증발부에 닿을 수 있도록 채널들이 뭉쳐 전체 채널 수를 줄이는 특징이 있으며, 해당 채널 배치의 유효성을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험 결과, 매우 작은 국소 가열조건에서도 열적으로 독립된 채널이 없어 모든 채널에서 작동유체의 진동 운동이 활발히 일어나며, 열성능이 국소 가열 조건하에서 기존의 균일한 채널 배치에 비해 2 배 이상 향상되는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제안된 방법들은 국소 발열 조건하에서 마이크로 진동형 히트파이프의 한계를 효과적으로 극복하고, 마이크로 진동형 히트파이프의 적용 범위를 다양한 전자 장치들로 확장 시킬 수 있는 기반이 될 수 있다.
