In this thesis, the effects of the channel geometry and the number of turns on the operation limit of micro pulsating heat pipes (MPHPs) are studied.
In the first technical chapter, the operation limit of MPHPs is investigated with different channel geometries: cross-sectional shapes and hydraulic diameters. Five-turn closed-loop MPHPs, which have either the circular or square channel with hydraulic diameters of 390, 480, and 570 μm, are fabricated onto a silicon wafer using MEMS techniques. FC-72 is used as the working fluid with the filling ratio of 50%. Experimental results show that the operation limit is observed to increase with the hydraulic diameter in both cross-sectional shapes. At the same hydraulic diameter, the square-channel MPHP can handle approximately 70% higher maximum allowable heat flux than the circular-channel MPHP. Based on the results of flow visualization, a falling-film model for the operation limit of the MPHPs with 5 turns in a vertical orientation is proposed: the MPHPs reach the operation limit when the falling film flow rate is smaller than the evaporation rate. Using a scale analysis and experimental data, a correlation for predicting the maximum allowable heat flux of the MPHPs with 5 turns in a vertical orientation is developed. According to the model, the maximum allowable heat flux is found to be proportional to the third power of the hydraulic diameter regardless of the cross-sectional shape.
In the second technical chapter, the effects of the number of turns and the inclination angle on the operation limit of MPHPs are investigated through a series of experiments. The MPHPs with 5, 10, 15, and 20 turns are fabricated: square channels with a hydraulic diameter of 480 μm are engraved onto a silicon wafer. Experimental results show that the dependence of the maximum allowable heat flux on the inclination angle becomes smaller as the number of turns increases, and the MPHP with 20 turns has almost the same maximum allowable heat flux regardless of the inclination angle. For this orientation-independent case with a large number of turns (20 turns or more), a film-formation model of the operation limit is proposed: the MPHPs reach the operation limit when the liquid-film formation rate is smaller than the evaporation rate. This postulate is experimentally confirmed through comparison between the two rates. By combining the film-formation model with the falling-film model, a correlation for predicting the maximum allowable heat flux in terms of the number of turns and the inclination angle is developed. According to the correlation, the number of turns has to be larger than 17 in order for the MPHP to have orientation-independent maximum allowable heat flux.
본 논문에서는 마이크로 진동형 히트파이프의 작동 한계에 대하여 두가지 실험 변수의 영향을 파악하였다.
첫 번째로 다양한 채널 형상 (채널 단면 형상, 수력 직경 크기)이 작동 한계에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 각각 원형과 정사각형의 단면 형상과 함께 390, 480, 그리고 570 마이크로미터의 수력 직경을 가지면서 턴 수가 5개인 마이크로 진동형 히트파이프를 제작하였다. 작동 유체로 FC-72를 사용하였으며 충진율은 전체 채널 체적 대비 50% 수준으로 고정하였다. 원과 정사각 단면 형상 모두에서, 작동 한계가 나타나는 입열량은 수력 직경이 증가함에 따라 증가하는 것을 실험적으로 관찰하였다. 또한, 같은 수력 직경에서는 정사각형 채널이 원형 채널 보다 약 70% 정도 높은 최대 허용 열유속을 처리할 수 있다. 수직 방향에서 5개의 턴 수를 갖는 마이크로 진동형 히트파이프의 작동 한계에 대한 떨어지는 액막 모델을 유동 가시화를 기반으로 제안하였다. 액상 슬러그의 움직임으로 벽면에 형성된 액막이 중력 방향으로 흘러내리는 양이 액막을 통해 증발되는 양보다 작을 때 작동 한계가 나타날 것이라고 가정하였으며 이를 실험적으로 검증하였다. 스케일 분석과 실험 결과를 이용하여 수직 방향에서 5개의 턴 수를 가질 때의 최대 허용 열유속을 예측하는 상관식을 개발하였다. 모델에 따르면 최대 허용 열유속은 채널 단면 형상에 상관없이 수력 직경의 3제곱에 비례한다.
두 번째는 턴 수 와 기울임 각이 작동 한계에 미치는 영향에 대한 연구를 다루었다. 수력 직경이 480 마이크로미터인 정사각 단면 형상을 가지면서 5, 10, 15, 그리고 20개의 턴 수를 갖는 마이크로 진동형 히트파이프를 제작하였다. 턴 수가 증가하면서 기울임 각에 따른 최대 허용 열유속의 의존성이 점점 작아지다가 20개의 턴 수를 갖는 경우에는 기울임 각과 상관없이 거의 같은 최대 허용 열유속을 갖는 것을 실험적으로 관찰하였다. 이처럼 기울임 각에 대한 의존성이 없는 많은 턴 수의 경우를 위한 액막 형성 모델을 제안하였다. 액상 슬러그의 움직임으로 벽면에 형성된 액막의 평균 공급량이 액막을 통해 증발되는 양보다 작을 때 작동 한계가 나타날 것이라고 가정하였으며 이를 실험적으로 증명하였다. 턴 수의 영향을 포함하기 위하여 액막 형성 모델과 떨어지는 액막 모델을 결합하였으며, 이를 이용하여 턴 수와 기울임 각에 대한 최대 허용 열유속을 예측하는 상관식을 개발하였다. 상관식에 따르면, 마이크로 진동형 히트파이프의 최대 허용 열유속이 기울임 각에 상관없이 일정하기 위해서는 최소 17개 이상의 턴 수를 가져야 한다.
