[논문]2상 마이크로 채널 히트 싱크에서의 유동 비등 열전달에 관한 연구

최용석; 임태우

doi:10.5916/jkosme.2015.39.7.702

2상 마이크로 채널 히트 싱크에서의 유동 비등 열전달에 관한 연구
Study on flow boiling heat transfer in two-phase micro-channels heat sink 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.7, 2015년, pp.702 - 708

최용석 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 임태우 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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본 연구에서는 FC-72를 작동 유체로 사용하여 이상 유동 비등에 관한 실험을 수행하였다. 마이크로 채널은 깊이 0.2mm, 폭 0.45mm, 길이 60mm 그리고 채널의 개수는 15개로 구성되었다. 실험은 질량유속과 열유속 각각 $200-400kg/m^2s$, $5.6-49.0kW/m^2$ 범위와 증기 건도 0.02-0.93 범위에서 수행되었다. 실험 결과에 따르면 낮은 건도(x<0.2)영역에서는 핵비등에 의한 열전달이 지배적으로 작용하며, 그 이상의 증기 건도 영역에서는 핵비등과 강제 대류 비등의 영향이 복합적으로 작용하는 것으로 나타났다. 핵비등과 강제 대류 비등은 각각 비등수와 대류수에 관한 함수로 표현할 수 있으며, 실험에서 얻어진 열전달 계수는 기존의 상관식에 의한 열전달 계수와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Two-phase flow boiling experiments were conducted using FC-72 as the working fluid. The micro-channels consisted of 15 channels with a depth of 0.2 mm, width of 0.45 mm, and length of 60 mm. Tests were performed over a mass flux range of $200-400kg/m^2s$, heat flux range of $5.6-49.0kW/m^2$, and vapor quality range of 0.02-0.93. Based on the results of the experiment, the heat transfer mechanism by nucleate boiling was dominant at a lower vapor quality (x<0.2), whereas that in the region of a vapor quality greater than 0.2 was complexly influenced by nucleate boiling and forced convection boiling. The nucleate boiling and forced convection boiling could be expressed as functions of the boiling number and convection number, respectively. In addition, the heat transfer coefficient obtained by the experiment was compared with the heat transfer coefficient by the existing correlation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전기·전자 분야에서 냉매로 주로 활용되는 FC-72를 작동 유체로 사용하여 마이크로 채널에서의 2상 유동 비등 열전달 실험을 수행하였으며, 마이크로 채널에서의 비등 열전달 특성 및 메커니즘을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 FC-72를 작동 유체로 사용하여 마이크로 채널에서의 비등 열전달에 관한 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험이 진행되는 동안 작동유체의 유량은 유량계에 의해 측정되며, 본 연구에서 작동유체의 유량은 질량유속 200, 300 그리고 400 kg/m²s의 범위에서 수행되었으며, 각 질량 유속에서 시험부에 가해진 열유속은 5.6 에서 49.0 kW/m²까지이다. 실험조건과 범위는 Table 1과 같다.
일정한 질량유속과 열유속에서 작동유체의 입구온도를 조절하여 출구 증기 건도를 조절한 이전 연구[15]와는 다르게 본 연구에서는 입구온도는 일정하게 고정한 채 열유속을 조절하여 출구 증기 건도를 조절하였다. 작동유체의 입·출구 온도는 T-type 열전대를 사용하여 측정하였으며, 압력 강하는 차압계를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

Figure 2는 시험부를 나타내며, 마이크로 채널의 깊이와 폭은 각각 0.2 mm, 0.45 mm이며, 채널수는 15개로 제작되었다. 채널의 총길이는 60 mm이며, 압력 측정은 40 mm에 이르는 구간에서 이루어졌다.
Figure 1은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도를 나타내고 있으며, 저장탱크, 기어펌프, 유량계, 예열기 그리고 시험부로 이루어져 있다. 본 연구에서는 작동유체로 FC-72 냉매를 사용하였으며, 냉매의 흐름은 먼저 저장탱크에서 기어펌프를 통해 유량계를 거쳐 시험부로 유입된 후 저장 탱크로 다시 모이는 폐회로 시스템으로 구성되어 있다.
3℃이다[16]. 작동유체인 FC-72의 물성치는 제조사인 3M사에서 제공하는 자료를 이용하였다.

이론/모형

[19]는 Churchill et al. [20]의 방법을 이용하여 식 (6)과 같이 열전달 계수를 핵비등과 강제 대류 비등의 영향을 동시에 포함시키는 식으로 표현하였다. Shah와 Kandlikar의 상관식들과 유사하게 Kim and Mudawar 역시 핵비등을 비등수의 함수로서 나타내었으며, 강제 대류 비등에서는 비등수의 비중을 감소시키면서 대류수와 유사한 Martinelli 변수에 관한 항을 추가하였다.

성능/효과

2)에서는 급격히 감소하였으며, 이러한 경향은 핵비등에 의한 열전달이 지배적으로 작용하고 있음을 나타낸다. 그리고 증기 건도가 더욱 증가함에 따라 열전달 계수는 거의 일정하게 유지되었는데, 이것은 핵비등과 강제 대류 비등에 의한 열전달이 복합적으로 작용하고 있음을 의미한다.
본 연구의 실험결과를 정확하게 예측하기 위해서는 핵비등에 의한 열전달 계수는 증기 건도가 증가함에 따라서 감소하여야 하며, 강제 대류 비등에 의한 열전달 계수는 건도 증가와 함께 증가하여야 될 것으로 판단된다. 향후 마이크로 채널 히트싱크의 효과적인 적용을 위해서는 열전달 특성을 충분하게 내포할 수 있는 상관식의 지속적인 개발이 요구된다.
1. 실험으로부터 얻어진 열전달 계수는 낮은 증기 건도 (x<0.2)에서는 급격히 감소하였으며, 이러한 경향은 핵비등에 의한 열전달이 지배적으로 작용하고 있음을 나타낸다. 그리고 증기 건도가 더욱 증가함에 따라 열전달 계수는 거의 일정하게 유지되었는데, 이것은 핵비등과 강제 대류 비등에 의한 열전달이 복합적으로 작용하고 있음을 의미한다.
열전달 계수는 무차원 수인 비등수 그리고 대류수와 밀접한 관련이 있다. 핵비등이 지배적으로 작용하는 영역에서는 비등수의 영향이 크게 나타나며, 강제 대류 비등이 지배적으로 작용하는 영역에서는 대류수의 영향이 크게 나타나는 것으로 보인다.

후속연구

실험에서 얻어진 열전달 계수는 Kim and Mudawar[19]의 상관식에 의한 열전달 계수와 비교하였으나, 본 연구의 결과를 잘 예측하지 못하였다. 따라서 마이크로 채널에서의 열전달 특성을 정확하게 예측할 수 있는 상관식의 개발이 요구된다.
본 연구의 실험결과를 정확하게 예측하기 위해서는 핵비등에 의한 열전달 계수는 증기 건도가 증가함에 따라서 감소하여야 하며, 강제 대류 비등에 의한 열전달 계수는 건도 증가와 함께 증가하여야 될 것으로 판단된다. 향후 마이크로 채널 히트싱크의 효과적인 적용을 위해서는 열전달 특성을 충분하게 내포할 수 있는 상관식의 지속적인 개발이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 채널을 이용한 히트 싱크에 관한 연구는 어떤 계기로 활발히 진행되고 있는가	마이크로 채널을 이용한 히트 싱크에 관한 연구는 Tuckerman et al. [1]가 초고 집적회로(VLSI : very large scale integrated circuit)의 냉각 성능 향상을 위해 제안한 이후 현재까지 활발하게 진행되고 있다. 특히, 전기·전자 분야에서는 18개월마다 마이크로 칩의 밀도가 2배로 증가한다는 무어의 법칙[2]을 따라서 집적회로의 성능은 꾸준히 증가하고 있다.
	집적회로의 성능은 꾸준히 증가함에 따라 생기는 문제점은?	특히, 전기·전자 분야에서는 18개월마다 마이크로 칩의 밀도가 2배로 증가한다는 무어의 법칙[2]을 따라서 집적회로의 성능은 꾸준히 증가하고 있다. 하지만 이로 인해서 단위 면적당 발생하는 열 또한 계속해서 증가하고 있으므로, 최근에는 이러한 발열을 효과적으로 제거하는 기술의 개발이 중요한 과제로 부각되고 있다.
	무어의 법칙이란?	[1]가 초고 집적회로(VLSI : very large scale integrated circuit)의 냉각 성능 향상을 위해 제안한 이후 현재까지 활발하게 진행되고 있다. 특히, 전기·전자 분야에서는 18개월마다 마이크로 칩의 밀도가 2배로 증가한다는 무어의 법칙[2]을 따라서 집적회로의 성능은 꾸준히 증가하고 있다. 하지만 이로 인해서 단위 면적당 발생하는 열 또한 계속해서 증가하고 있으므로, 최근에는 이러한 발열을 효과적으로 제거하는 기술의 개발이 중요한 과제로 부각되고 있다.

참고문헌 (20)

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Y. S. Choi, T. W. Lim, S. S. You, H. S. Kim, and H. S. Choi, "Boiling heat transfer characteristics of FC-72 in parallel micro-channels," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 38, no. 9, pp. 1032-1038, 2014 (in Korean).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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