[논문]다공성소결윅구조에 따른 루프 히트파이프에서 압력손실의 이론적 분석

이기우; 이욱현; 박기호; 이계중; 전원표; 인현만

다공성소결윅구조에 따른 루프 히트파이프에서 압력손실의 이론적 분석
Theoretical Analysis of the Pressure Drop in Loop Heat Pipe by Sintered Porous Wick Structure 원문보기

이기우 (한국에너지기술연구원 폐열이용연구센터) , 이욱현 (한국에너지기술연구원 폐열이용연구센터) , 박기호 (한국에너지기술연구원 폐열이용연구센터) , 이계중 (한국에너지기술연구원 폐열이용연구센터) , 전원표 (한국에너지기술연구원 폐열이용연구센터) , 인현만 (한국에너지기술연구원 폐열이용연구센터)

In this paper, the pressure drops were investigated according to the sintered porous wick structure in loop heat pipe(LHP) by theoretical analysis. LHP has the wick only in evaporator for the circulation of working fluid, so utilizes porous wick structure which pore diameter is very small for large capillary force. This paper investigates the effects of different parameters on the pressure drops of the LHP such as particle diameter of sintered porous wick, wick porosity, vapor line diameter, thickness of wick and heating capacity. Working fluid is water and the material of sintered porous wick is copper. According to the these different parameters, capillary pressure, pressure drop in wick were analized by theoretical design method of LHP.

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문제 정의

그러나 국내에서도 히트싱크용 윅식 히트파이프에 대해서는 연구가 이루어 졌지만(章), LHP에대한 연구는 최근에 시작되었으며, LHP의 설계에 핵심요소인 금속소결윅의 구조에 따른 작동 특성과 관련하여 각구성요소에서의 압력손실에 대한 해석이 없어 본 연구에서는 LHP에서 핵심기술인 다공성 금속소결윅의 입자직경, 기공율, 윅의 두께 및 증기관의 직경에 따른 각부 위에서의 압력손실을 윅설계를 위해 이론적으로 분석하였다.

제안 방법

가열방법은 접착식 히터를 증발부하면에 부착하여 사용하는 것으로 하였다. 그리고 냉각 방법은 다수의 판형휜을 부착하여 공기유속 lm/sec로 공랭하는 것으로 하였다. 응축부의 판형휜의 규격은 가로 20mm, 세로 60mm, 두께 0.
그리 크지 않게 된다. 그리고 증기 유동관의 직경을 작게 하면 증기유동저항이 커지므로 입자직경, 윅의 기공율, 윅의 두께, 증기 유동관의 직경 및 가열량 등의 변화에 따른 압력손실을 고찰하였다.
압력손실을 분석하였다. 금속소결윅의 입자직경은 5, 15, 25, 35 ㎛, 기공율은 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 그리고 윅의 두께는 5, 0mm 7.5mm, 10 mm, 증기유동관의 직경은 2.5mm, 3.4mm, 4.2mm, 5.2 mm로 하였으며, 침투율과 액체유동관의 직경은 고정하여 K 二 5.48e-12m2 및 dii 二 2.5 mm로 하였匸+.
시뮤 레이 션의 유동도는 Fig. 2에 나타낸 바와 같으며, 입자직경 CDsn), 기공율(£, yp), 윅의 두께 (〃诚 및 가열량(Q如)을 변수로 하여 압력손실을 게산할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 시뮤레이션방법은 응축부의 크기를 정하여 놓은 상태에서 가열량(0U이 주어지면 윅을 통한 액체보상용기로의 전도열손실, 广0으로 가정하여축부에서 냉각열량, 0二Q如로 하여 응축부의 표면온도, " 내표면온도, Ipic 및 응축부의 표화온도, tuc는 Newton의 냉 각법칙 과 Fourier의 열전도식에 의해 구하고 포화압력, 丄를 구한다.
이론적 분석에서는 Table 1에 나타낸 바와 같이 금속소결윅의 입자직경, 윅의 기공율, 윅의 두께, 증기유동관의 직경 및 가열량 등을 변수로 하여 압력손실을 분석하였다. 금속소결윅의 입자직경은 5, 15, 25, 35 ㎛, 기공율은 0.
1과 같이 하부에서 가열하고 증발 부, 응축부, 증기유동관 및 액체유동관으로 구성하였으며, 증발부에는 작동유체의 순환을 위한 금속소결윅을 내장하는 것으로 하였다. 특히 증발 부내의 가열효과를 향상시키고 발생된 증기의 통로를 위해 깊이 2mm, 폭 2mm 및 피치 4mm 의 그루부를 형성하여 증기통로와 전열면을 형성시켰다. 가열방법은 접착식 히터를 증발부하면에 부착하여 사용하는 것으로 하였다.

대상 데이터

그리고 냉각 방법은 다수의 판형휜을 부착하여 공기유속 lm/sec로 공랭하는 것으로 하였다. 응축부의 판형휜의 규격은 가로 20mm, 세로 60mm, 두께 0.4mm인 37개의 휜을 6mm의 동관에 삽입하여 구성 하였다.

이론/모형

여기서, K는 금속소결윅의 투과성을 나타내는 계수로 Blake-Kozeny⑼의 관계식인 다음식을 이용하였다.

성능/효과

(1)기공율이 작은 범위에서는 입자의 직경이 작을수록 입자의 직경과 윅의 두께에 따라 윅내에서의 압력손실수두가 영향을 받고 있으나, 기공율이 증가하면 입자의 직경에 대한 윅내의 압력손실수두의 영향은 적다.
(2)루프히트파이프의 금속소결윅에서 입자의 직경이 매우 작은 5μ小에서도 기공율을 50% 이상으로 하면 소결윅내에서의 압력손실수두를 감소시킬 수 있다.
(3) 기공율이 증가할수록 압력손실수두는 큰 폭으로 감소하고 두께의 영향은 줄어든다.
(4) 동일한 가열량에서 기공율이 클수록 윅내의 압력손실수두보다 증기관의 압력손실수두를 작게하기위해서는 증기유동관의 직경을 크게하여야 한다.
5mm 및 10mm로 하였을 경우의 모세관수두와 LHP내의 총압력손실수두를 타나낸 것이다. 입자의 직경이 5口小일때 모세관수두는 13m이고 총압력손실수두는 기공율과 윅두께에 따라 영향이 있지만, Im미만으로 작동이 가능한 범위이며, 입자의 직경이 35山肛일때는 모세관수두가 2m로 작아지고 총압력손실수두는 윅의 두께, 기공율 등에 영향을 받지 않고 0.1m정도로서 입자의 직경이 커질수록 모세관 수두가 작아지고 기공율과 윅의 두께에 따른 압력손실 수두의 영향은 작아지는 것을 알 수 있다.

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