[학위논문]FC-72를 적용한 미소 채널 및 마이크로 채널 히트싱크의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 연구 Heat transfer and pressure drop characteristics of FC-72 in mini and micro-channel heat sinks원문보기
본 연구의 목적은 간접 냉각방식의 하나인 미소 채널 및 마이크로 채널이 가공된 히트싱크 내에서 FC-72의 압력강하 및 열전달 성능 특성을 조사하는 것이다. FC-72는 전자부품의 냉각을 위해 특수하게 개발된 냉매로, 전기 화학적으로 우수한 특성을 가지고 있으며 오존 ...
본 연구의 목적은 간접 냉각방식의 하나인 미소 채널 및 마이크로 채널이 가공된 히트싱크 내에서 FC-72의 압력강하 및 열전달 성능 특성을 조사하는 것이다. FC-72는 전자부품의 냉각을 위해 특수하게 개발된 냉매로, 전기 화학적으로 우수한 특성을 가지고 있으며 오존 파괴지수가 0인 환경 친화적인 냉매이다. 본 연구에 사용된 미소 채널 히트싱크는 알루미늄으로 제작되었다. 채널 직경은 2, 3, 4 mm 이며 채널 길이는 100 mm이고 채널과 채널 사이의 간격은 채널 직경과 동일하다. 마이크로 채널 히트싱크는 스테인리스 판에 사각 채널을 식각하였으며, 채널 직경은 61.1, 137.5, 278.0 μm이고 채널 길이는 310 mm 이다. 채널과 채널간의 간격은 채널 폭과 동일하다. 히트싱크 내에서 압력강하 및 열전달 특성을 파악하기 위한 실험은 다양한 운전조건에 대해 이루어졌고, 실험 결과를 바탕으로 무차원상관식을 개발하였다. 미소 채널과 마이크로 채널에서의 단상 압력강하 특성은 기존 상관식과 일치하였으나 채널과 헤더 내에서의 유동 불안정으로 인해 천이 영역으로의 전환이 2300보다 낮은 Re 수에서 일어났다. 미소 채널에서의 2상 압력강하의 경우 채널과 벽면의 상호작용으로 인해 기존 상관식과 차이를 보이고 있었다. 이에 대해 유효 점성계수를 도입하여 기존 상관식들을 수정하였다. 균질유동모델이 본 실험결과를 가장 잘 나타내었고 평균편차 및 표준편차는 각각 0.9%와 27.0% 이었다. 마이크로 채널의 경우는 유동 패턴의 차이로 인해 기존 상관식과 실험값이 차이를 나타냈다. 따라서 유동 패턴에 따른 채널 내에서의 속도 분포 해석을 통해 계산하였고 실험값과의 평균편차는 15.9% 이었다. 미소채널에서의 단상 열전달계수는 채널의 입구길이에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났으며, 실험값과의 비교를 위해 수력학적으로 완전 발달되고 열적으로 발달되고 있는 유동에 관한 상관식을 사용하였다. 따라서 실험값이 계산값보다 큰 값을 갖고 있었다. 또한 헤더 형상을 양단유입, 균일유입, 개별유입으로 달리하여 실험을 수행하였고, 양단유입의 경우는 헤더 내에서의 교란에 의한 영향으로 인해 다른 헤더 형상에 비해 큰 열전달계수를 갖는 것으로 나타났다. 실험값을 바탕으로 미소채널에서의 단상 열전달계수에 대한 상관식을 작성하였고 평균편차와 표준편차는 각각 12.1%, 25.0% 이내인 것으로 나타났다. 마이크로 채널에서도 입구 길이에 따른 열전달계수의 변화를 나타내고 있었고, 특히 낮은 Re 수에서 Nu 수가 1에 가까운 값을 갖는 것으로 나타났다. Nu 수는 Re 수가 증가함에 따라 기존 이론과 유사한 값으로 수렴하였으며, 이와 같은 낮은 Re 수에서의 변화와 입구 영역에서의 영향을 고려하여 상관식을 작성하였다. 작성된 상관식은 실험값과 평균편차 6.2%와 표준편차 7.6%를 나타냈다. 미소 채널에서의 2상 열전달계수는 Kandlikar 상관식에 유체표면계수를 FC-72에 대한 값으로 보정하고 채널에서의 유동을 고려하여 계산하였다. 이와 같이 계산한 값은 실험값과 평균편차와 표준편차가 각각 0.4%와 7.0%를 갖는 것으로 나타났다. 마이크로 채널에서의 2상 열전달계수는 건도의 구간에 따른 변화를 고려하고, 속도 분포 해석 및 기존 상관식을 이용하여 계산하였으며 실험값과 평균편차가 11.0%인 것으로 나타났다.
본 연구의 목적은 간접 냉각방식의 하나인 미소 채널 및 마이크로 채널이 가공된 히트싱크 내에서 FC-72의 압력강하 및 열전달 성능 특성을 조사하는 것이다. FC-72는 전자부품의 냉각을 위해 특수하게 개발된 냉매로, 전기 화학적으로 우수한 특성을 가지고 있으며 오존 파괴지수가 0인 환경 친화적인 냉매이다. 본 연구에 사용된 미소 채널 히트싱크는 알루미늄으로 제작되었다. 채널 직경은 2, 3, 4 mm 이며 채널 길이는 100 mm이고 채널과 채널 사이의 간격은 채널 직경과 동일하다. 마이크로 채널 히트싱크는 스테인리스 판에 사각 채널을 식각하였으며, 채널 직경은 61.1, 137.5, 278.0 μm이고 채널 길이는 310 mm 이다. 채널과 채널간의 간격은 채널 폭과 동일하다. 히트싱크 내에서 압력강하 및 열전달 특성을 파악하기 위한 실험은 다양한 운전조건에 대해 이루어졌고, 실험 결과를 바탕으로 무차원상관식을 개발하였다. 미소 채널과 마이크로 채널에서의 단상 압력강하 특성은 기존 상관식과 일치하였으나 채널과 헤더 내에서의 유동 불안정으로 인해 천이 영역으로의 전환이 2300보다 낮은 Re 수에서 일어났다. 미소 채널에서의 2상 압력강하의 경우 채널과 벽면의 상호작용으로 인해 기존 상관식과 차이를 보이고 있었다. 이에 대해 유효 점성계수를 도입하여 기존 상관식들을 수정하였다. 균질유동모델이 본 실험결과를 가장 잘 나타내었고 평균편차 및 표준편차는 각각 0.9%와 27.0% 이었다. 마이크로 채널의 경우는 유동 패턴의 차이로 인해 기존 상관식과 실험값이 차이를 나타냈다. 따라서 유동 패턴에 따른 채널 내에서의 속도 분포 해석을 통해 계산하였고 실험값과의 평균편차는 15.9% 이었다. 미소채널에서의 단상 열전달계수는 채널의 입구길이에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났으며, 실험값과의 비교를 위해 수력학적으로 완전 발달되고 열적으로 발달되고 있는 유동에 관한 상관식을 사용하였다. 따라서 실험값이 계산값보다 큰 값을 갖고 있었다. 또한 헤더 형상을 양단유입, 균일유입, 개별유입으로 달리하여 실험을 수행하였고, 양단유입의 경우는 헤더 내에서의 교란에 의한 영향으로 인해 다른 헤더 형상에 비해 큰 열전달계수를 갖는 것으로 나타났다. 실험값을 바탕으로 미소채널에서의 단상 열전달계수에 대한 상관식을 작성하였고 평균편차와 표준편차는 각각 12.1%, 25.0% 이내인 것으로 나타났다. 마이크로 채널에서도 입구 길이에 따른 열전달계수의 변화를 나타내고 있었고, 특히 낮은 Re 수에서 Nu 수가 1에 가까운 값을 갖는 것으로 나타났다. Nu 수는 Re 수가 증가함에 따라 기존 이론과 유사한 값으로 수렴하였으며, 이와 같은 낮은 Re 수에서의 변화와 입구 영역에서의 영향을 고려하여 상관식을 작성하였다. 작성된 상관식은 실험값과 평균편차 6.2%와 표준편차 7.6%를 나타냈다. 미소 채널에서의 2상 열전달계수는 Kandlikar 상관식에 유체표면계수를 FC-72에 대한 값으로 보정하고 채널에서의 유동을 고려하여 계산하였다. 이와 같이 계산한 값은 실험값과 평균편차와 표준편차가 각각 0.4%와 7.0%를 갖는 것으로 나타났다. 마이크로 채널에서의 2상 열전달계수는 건도의 구간에 따른 변화를 고려하고, 속도 분포 해석 및 기존 상관식을 이용하여 계산하였으며 실험값과 평균편차가 11.0%인 것으로 나타났다.
Advances in electronic packaging increase heat flux of electronic modules. Since the use of a finned heat sink to electronic components is limited by manufacturing constraints and noise levels, the use of liquid cooling is a promising way of maintaining low surface temperature while dissipating larg...
Advances in electronic packaging increase heat flux of electronic modules. Since the use of a finned heat sink to electronic components is limited by manufacturing constraints and noise levels, the use of liquid cooling is a promising way of maintaining low surface temperature while dissipating large heat fluxes resulting from miniaturization of the electronic modules. The objective of this study is to investigate pressure drop and heat transfer characteristics of advanced liquid cooling systems for electronic devices with high heat flux by varying operating conditions and geometries. The liquid cooling method applied in this study is indirect cooling using forced convective heat transfer. The working fluid is FC-72(C6H14). Pressure drop and heat transfer characteristics of indirect cooling were investigated in mini- and micro-channels. The mini-channel heat sink was made of aluminum. The mini-channels have diameters of 2, 3 and 4 mm in regular intervals with a channel length of 100 mm. The micro-channel heat sink was made of stainless steel. The micro-channels have hydraulic diameters of 61.1, 137.5 and 278.0 µm with rectangular shape in regular intervals with a channel length of 310 mm. Tests were conducted with variations of heat flux, mass flux, and channel shape. Single-phase pressure drop characteristics in mini- and micro-channels had a good agreement with the conventional theory, but the earlier transition from laminar to turbulent flow was observed in mini-channels. This phenomenon is due to the flow instability in channels and inlet header. The two-phase pressure drops in mini- and micro-channels were somewhat different from those of the conventional correlations. Concerning the two-phase pressure drop in mini-channels, the conventional correlations provided lower estimations than the experimental pressure drops. This difference may be caused by the wall effect, which was considered to the conventional correlation in terms of effective viscosity. Among the modified correlations for the two-phase pressure drop in mini-channel used in this study, the modified homogeneous model yielded the best fit with the measured data. The values calculated by the modified homogeneous correlation showed a mean absolute deviation 27.0%. In case of the micro-channel, the conventional correlations provided higher estimations than the experimental pressure drop. This difference may be caused by the difference among the flow patterns in micro-channel and large diameter channel. Therefore, the correlation for the two-phase pressure drop in micro-channel was derived from the analysis of velocity profiles, which was achieved from mass balances and appropriate boundary conditions according to the flow patterns in micro-channel. The predictions by the new correlation for the two-phase pressure drop in micro-channel showed a mean absolute deviation of 7.6% with the experimental data. The single-phase heat transfer coefficients in mini-channel were closely connected with thermal and hydrodynamic entry length. The experimental data were slightly higher than the values calculated by the correlation for fully developed laminar flow and thermal entrance region. This is because the flow is hydrodynamically developing through the channel. Therefore, the new correlation for the single-phase heat transfer coefficients in mini- and micro-channel implied the dimensionless entry length. The heat transfer coefficients measured in mini-channels fitted the predictions within a mean absolute deviation of 12.1%. The single-phase heat transfer coefficients measured in micro-channels fitted the predictions within a mean absolute deviation of 6.2%. The two-phase heat transfer coefficients in mini-channel were similar with the predictions of Kandlikar correlation (1990), however the Kandlikar correlation (1990) using the fluid surface parameter for water slightly over-predicted. The Kandlikar correlation (1990) includes the fluid surface parameter FFl. But
Advances in electronic packaging increase heat flux of electronic modules. Since the use of a finned heat sink to electronic components is limited by manufacturing constraints and noise levels, the use of liquid cooling is a promising way of maintaining low surface temperature while dissipating large heat fluxes resulting from miniaturization of the electronic modules. The objective of this study is to investigate pressure drop and heat transfer characteristics of advanced liquid cooling systems for electronic devices with high heat flux by varying operating conditions and geometries. The liquid cooling method applied in this study is indirect cooling using forced convective heat transfer. The working fluid is FC-72(C6H14). Pressure drop and heat transfer characteristics of indirect cooling were investigated in mini- and micro-channels. The mini-channel heat sink was made of aluminum. The mini-channels have diameters of 2, 3 and 4 mm in regular intervals with a channel length of 100 mm. The micro-channel heat sink was made of stainless steel. The micro-channels have hydraulic diameters of 61.1, 137.5 and 278.0 µm with rectangular shape in regular intervals with a channel length of 310 mm. Tests were conducted with variations of heat flux, mass flux, and channel shape. Single-phase pressure drop characteristics in mini- and micro-channels had a good agreement with the conventional theory, but the earlier transition from laminar to turbulent flow was observed in mini-channels. This phenomenon is due to the flow instability in channels and inlet header. The two-phase pressure drops in mini- and micro-channels were somewhat different from those of the conventional correlations. Concerning the two-phase pressure drop in mini-channels, the conventional correlations provided lower estimations than the experimental pressure drops. This difference may be caused by the wall effect, which was considered to the conventional correlation in terms of effective viscosity. Among the modified correlations for the two-phase pressure drop in mini-channel used in this study, the modified homogeneous model yielded the best fit with the measured data. The values calculated by the modified homogeneous correlation showed a mean absolute deviation 27.0%. In case of the micro-channel, the conventional correlations provided higher estimations than the experimental pressure drop. This difference may be caused by the difference among the flow patterns in micro-channel and large diameter channel. Therefore, the correlation for the two-phase pressure drop in micro-channel was derived from the analysis of velocity profiles, which was achieved from mass balances and appropriate boundary conditions according to the flow patterns in micro-channel. The predictions by the new correlation for the two-phase pressure drop in micro-channel showed a mean absolute deviation of 7.6% with the experimental data. The single-phase heat transfer coefficients in mini-channel were closely connected with thermal and hydrodynamic entry length. The experimental data were slightly higher than the values calculated by the correlation for fully developed laminar flow and thermal entrance region. This is because the flow is hydrodynamically developing through the channel. Therefore, the new correlation for the single-phase heat transfer coefficients in mini- and micro-channel implied the dimensionless entry length. The heat transfer coefficients measured in mini-channels fitted the predictions within a mean absolute deviation of 12.1%. The single-phase heat transfer coefficients measured in micro-channels fitted the predictions within a mean absolute deviation of 6.2%. The two-phase heat transfer coefficients in mini-channel were similar with the predictions of Kandlikar correlation (1990), however the Kandlikar correlation (1990) using the fluid surface parameter for water slightly over-predicted. The Kandlikar correlation (1990) includes the fluid surface parameter FFl. But
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