[학위논문]LIF를 이용한 마이크로 진동형 열교환기 내부 열유동 가시화 및 성능평가 : Visualization of Internal Thermal Flow by LIF and Performance Evaluation for Micro Pulsating Heat Exchangers원문보기
이 논문은 마이크로 진동형 열교환기의 내부 열유동에 대한 연구이다. 작은 전자부품에서 열을 제어하기 위해 마이크로 진동형 열교환기는 루프형태의 채널이 형성된 작은 크기로 제작되었다. 마이크로 진동형 열교환기의 작동원리는 작동유체가 액체 슬러그와 기체 플러그의 2상 유동 상태가 되어, 자가진동에 의해 열이 전달되는 것이다. 채널 내부에서 슬러그와 플러그 상태의 유체는 진동과 회전 유동을 병행하며 더욱 높은 열교환율을 나타내게 된다. 채널 유동에 관계되는 모세관력, ...
이 논문은 마이크로 진동형 열교환기의 내부 열유동에 대한 연구이다. 작은 전자부품에서 열을 제어하기 위해 마이크로 진동형 열교환기는 루프형태의 채널이 형성된 작은 크기로 제작되었다. 마이크로 진동형 열교환기의 작동원리는 작동유체가 액체 슬러그와 기체 플러그의 2상 유동 상태가 되어, 자가진동에 의해 열이 전달되는 것이다. 채널 내부에서 슬러그와 플러그 상태의 유체는 진동과 회전 유동을 병행하며 더욱 높은 열교환율을 나타내게 된다. 채널 유동에 관계되는 모세관력, 관성력, 점성력은 유체에 작용하는 지배적인 힘으로써 작용한다. 또한 작동유체의 물성과 채널의 형태에 따라 변화하는 채널 내부 열유동 현상은 열교환기의 효율을 결정하는 중요한 인자로써 작용된다. 마이크로 진동형 열교환기에 대한 기초 연구로써 단일 채널에서 모세관 운동에 의한 채널 유동이 실험과 이론 모델을 통하여 수행되었다. 채널 유동을 가시화 함으로써 다양한 점도의 유체가 채널을 이동할 때 변화하는 동적 접촉각과 유체의 이동거리 등을 실험적으로 분석하였다. 실험에서 얻은 동적 접촉각을 채널 유동에 관계된 이론 모델에 적용하여 마이크로 채널을 통한 유체의 유동 현상을 이론과 실험으로 비교 검증하였다. 동적접촉각이 적용된 모델식을 바탕으로 마이크로 채널 유동에 관계되는 힘의 크기들을 분석하였다. 특히 계면이 이동함에 따라 동적접촉각이 크게 변화하는 시간영역에서 유체에 작용되는 힘의 변화를 비교 함으로써 시간에 따른 지배적인 힘의 변화를 규명하였다. 또한 무차원수를 이용하여 시간에 따라 변화하는 힘의 크기를 다양한 점성력에 대한 실험식으로써 제시하였다. 단일 채널의 기초연구를 바탕으로 루프 형태의 다중채널로 구성된 열교환기를 제작하여 열적 성능 평가를 수행하였다. 열교환기는 내부 채널의 형태가 비대칭형과 대칭형의 크기를 가진 두 종류의 시편을 MEMS공정을 통하여 제작하였다. 시편들의 크기는 동일하며 비대칭과 대칭형 채널의 수력직경은 각각 444 um, 571 um이다. 열전대를 통하여 채널 내부 작동유체의 물성, 열입력량과 작동유체의 충진률에 따른 열교환율을 측정하였다. 측정된 열교환율을 토대로 열교환기의 최적 충진률을 도출하였다. 또한 압력과 온도측정을 가시화 시스템과 동기화하여 채널 내부 유동을 가시화함으로써 온도와 압력에 따른 두 가지의 열유동 패턴을 규명하였다. 마이크로 진동형 열교환기의 내부 열유동을 LIF기법을 이용하여 온도장 가시화 분석을 수행하였다. 우선적으로 열교환율에 영향을 미치는 경사각, 작동유체의 충진률, 채널 크기의 불균일성에 대한 열적 성능이 평가되었다. LIF 기법으로써 형광 염료와 레이저를 통해 채널 내부 열유동의 이미지를 연속적으로 획득하여 시간에 따른 온도장의 변화를 가시화하였다. 가시화된 온도장을 바탕으로 채널 내부에서 발생되는 계면의 변형과 환류 형태의 열유동 현상이 채널 내부의 열교환기의 주요 열유동 현상으로 규명 되었다. 또한 중력에 의한 작동유체의 환수력이 열교환율에 미치는 영향이 고찰되었다.
이 논문은 마이크로 진동형 열교환기의 내부 열유동에 대한 연구이다. 작은 전자부품에서 열을 제어하기 위해 마이크로 진동형 열교환기는 루프형태의 채널이 형성된 작은 크기로 제작되었다. 마이크로 진동형 열교환기의 작동원리는 작동유체가 액체 슬러그와 기체 플러그의 2상 유동 상태가 되어, 자가진동에 의해 열이 전달되는 것이다. 채널 내부에서 슬러그와 플러그 상태의 유체는 진동과 회전 유동을 병행하며 더욱 높은 열교환율을 나타내게 된다. 채널 유동에 관계되는 모세관력, 관성력, 점성력은 유체에 작용하는 지배적인 힘으로써 작용한다. 또한 작동유체의 물성과 채널의 형태에 따라 변화하는 채널 내부 열유동 현상은 열교환기의 효율을 결정하는 중요한 인자로써 작용된다. 마이크로 진동형 열교환기에 대한 기초 연구로써 단일 채널에서 모세관 운동에 의한 채널 유동이 실험과 이론 모델을 통하여 수행되었다. 채널 유동을 가시화 함으로써 다양한 점도의 유체가 채널을 이동할 때 변화하는 동적 접촉각과 유체의 이동거리 등을 실험적으로 분석하였다. 실험에서 얻은 동적 접촉각을 채널 유동에 관계된 이론 모델에 적용하여 마이크로 채널을 통한 유체의 유동 현상을 이론과 실험으로 비교 검증하였다. 동적접촉각이 적용된 모델식을 바탕으로 마이크로 채널 유동에 관계되는 힘의 크기들을 분석하였다. 특히 계면이 이동함에 따라 동적접촉각이 크게 변화하는 시간영역에서 유체에 작용되는 힘의 변화를 비교 함으로써 시간에 따른 지배적인 힘의 변화를 규명하였다. 또한 무차원수를 이용하여 시간에 따라 변화하는 힘의 크기를 다양한 점성력에 대한 실험식으로써 제시하였다. 단일 채널의 기초연구를 바탕으로 루프 형태의 다중채널로 구성된 열교환기를 제작하여 열적 성능 평가를 수행하였다. 열교환기는 내부 채널의 형태가 비대칭형과 대칭형의 크기를 가진 두 종류의 시편을 MEMS공정을 통하여 제작하였다. 시편들의 크기는 동일하며 비대칭과 대칭형 채널의 수력직경은 각각 444 um, 571 um이다. 열전대를 통하여 채널 내부 작동유체의 물성, 열입력량과 작동유체의 충진률에 따른 열교환율을 측정하였다. 측정된 열교환율을 토대로 열교환기의 최적 충진률을 도출하였다. 또한 압력과 온도측정을 가시화 시스템과 동기화하여 채널 내부 유동을 가시화함으로써 온도와 압력에 따른 두 가지의 열유동 패턴을 규명하였다. 마이크로 진동형 열교환기의 내부 열유동을 LIF기법을 이용하여 온도장 가시화 분석을 수행하였다. 우선적으로 열교환율에 영향을 미치는 경사각, 작동유체의 충진률, 채널 크기의 불균일성에 대한 열적 성능이 평가되었다. LIF 기법으로써 형광 염료와 레이저를 통해 채널 내부 열유동의 이미지를 연속적으로 획득하여 시간에 따른 온도장의 변화를 가시화하였다. 가시화된 온도장을 바탕으로 채널 내부에서 발생되는 계면의 변형과 환류 형태의 열유동 현상이 채널 내부의 열교환기의 주요 열유동 현상으로 규명 되었다. 또한 중력에 의한 작동유체의 환수력이 열교환율에 미치는 영향이 고찰되었다.
This study was carried out the internal thermal flow of a micro pulsating heat exchanger. To control heat from small electronic parts, the micro pulsating heat exchanger was produced in a small size with a loop-shaped channel. The working principle of the micro pulsating heat exchanger is that the w...
This study was carried out the internal thermal flow of a micro pulsating heat exchanger. To control heat from small electronic parts, the micro pulsating heat exchanger was produced in a small size with a loop-shaped channel. The working principle of the micro pulsating heat exchanger is that the working fluid becomes a two-phase flow state of liquid slug and gas plug and transmits heat by self-oscillating. The fluids in slug and plug states inside the channel achieve a higher heat transfer rate by making oscillating and circulating flows simultaneously. The capillary force, inertial force, and viscous force associated with the channel flow act as the dominating force on the fluid. Furthermore, the thermal flow phenomenon inside the channel which changes according to the properties of the working fluid and the shape of the channel act as critical factors that determine the efficiency of the heat exchanger. As a basic research on the micro pulsating heat exchanger, channel flow by capillary motion in a single channel was implemented through an experiment and a theoretical model. By visualizing the channel flow, the dynamic contact angle and the moving distance of fluid which change while fluids with various viscosities move the channel were analyzed experimentally. By applying the dynamic contact angle obtained from the experiment to the theoretical model related to channel flow, the flow phenomenon of fluid through a micro channel was comparatively verified through theory and experiment. Based on the model formula to which a dynamic contact angle is applied, the sizes of forces related to micro channel flow were analyzed. In particular, the change of dominant power over time was investigated by comparing the change of force acting on the fluid in the time domain where the dynamic contact angle varies greatly along with the moving interface. Furthermore, the size of changing force over time was presented with an experimental formula on various viscous forces using dimensionless numbers. The thermal performance was evaluated by producing a heat exchanger consisting of loop-shaped multiple channels based on the basic research on single channel. Two heat exchanger specimens with asymmetric and symmetric internal channels were fabricated through the MEMS process. The specimens had the same size and the hydraulic diameters of the asymmetric and symmetric channels were 444 μm and 571 μm, respectively. The heat transfer rates according to the properties, heat input, and filling rate of the working fluid inside the channel were measured using thermocouples. The optimum filling ratio of the heat exchanger was derived based on the measured heat transfer rates. Furthermore, the two thermal flow patterns according to temperature and pressure were investigated by synchronizing the pressure and temperature measurements with the visualization system and thus visualizing the flow inside the channel. The temperature field visualization analysis of the internal thermal flow of a micro pulsating heat exchanger was carried out using the LIF technique. First, the thermal performance was evaluated according to the angle of inclination influencing the heat transfer rate, the filling rate of the working fluid, and the unhomogeneity of channel size. With the LIF technique, the images of the thermal flow inside the channel were continuously obtained through fluorescent dyes and laser to visualize the variation of temperature field over time. Based on the visualized temperature field, the deformation of the interface inside the channel and the thermal flow phenomenon of a reflux type were found to be major thermal flow phenomena of the heat exchanger inside the channel. Furthermore, the effect of the reflux flow by gravity on heat transfer rate was examined.
This study was carried out the internal thermal flow of a micro pulsating heat exchanger. To control heat from small electronic parts, the micro pulsating heat exchanger was produced in a small size with a loop-shaped channel. The working principle of the micro pulsating heat exchanger is that the working fluid becomes a two-phase flow state of liquid slug and gas plug and transmits heat by self-oscillating. The fluids in slug and plug states inside the channel achieve a higher heat transfer rate by making oscillating and circulating flows simultaneously. The capillary force, inertial force, and viscous force associated with the channel flow act as the dominating force on the fluid. Furthermore, the thermal flow phenomenon inside the channel which changes according to the properties of the working fluid and the shape of the channel act as critical factors that determine the efficiency of the heat exchanger. As a basic research on the micro pulsating heat exchanger, channel flow by capillary motion in a single channel was implemented through an experiment and a theoretical model. By visualizing the channel flow, the dynamic contact angle and the moving distance of fluid which change while fluids with various viscosities move the channel were analyzed experimentally. By applying the dynamic contact angle obtained from the experiment to the theoretical model related to channel flow, the flow phenomenon of fluid through a micro channel was comparatively verified through theory and experiment. Based on the model formula to which a dynamic contact angle is applied, the sizes of forces related to micro channel flow were analyzed. In particular, the change of dominant power over time was investigated by comparing the change of force acting on the fluid in the time domain where the dynamic contact angle varies greatly along with the moving interface. Furthermore, the size of changing force over time was presented with an experimental formula on various viscous forces using dimensionless numbers. The thermal performance was evaluated by producing a heat exchanger consisting of loop-shaped multiple channels based on the basic research on single channel. Two heat exchanger specimens with asymmetric and symmetric internal channels were fabricated through the MEMS process. The specimens had the same size and the hydraulic diameters of the asymmetric and symmetric channels were 444 μm and 571 μm, respectively. The heat transfer rates according to the properties, heat input, and filling rate of the working fluid inside the channel were measured using thermocouples. The optimum filling ratio of the heat exchanger was derived based on the measured heat transfer rates. Furthermore, the two thermal flow patterns according to temperature and pressure were investigated by synchronizing the pressure and temperature measurements with the visualization system and thus visualizing the flow inside the channel. The temperature field visualization analysis of the internal thermal flow of a micro pulsating heat exchanger was carried out using the LIF technique. First, the thermal performance was evaluated according to the angle of inclination influencing the heat transfer rate, the filling rate of the working fluid, and the unhomogeneity of channel size. With the LIF technique, the images of the thermal flow inside the channel were continuously obtained through fluorescent dyes and laser to visualize the variation of temperature field over time. Based on the visualized temperature field, the deformation of the interface inside the channel and the thermal flow phenomenon of a reflux type were found to be major thermal flow phenomena of the heat exchanger inside the channel. Furthermore, the effect of the reflux flow by gravity on heat transfer rate was examined.
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