초록 ▼

고효율의 열전달 기기에 속하는 증발식 냉각판, 히트파이프, 모세관 펌프루프 등의 응용기기 내부에서는 모세관 구조물로 덮힌 표면으로부터 작동유체의 증발 및 응축 상변화 현상이 일어나고 있다. 본 연구에서는 실험적 방법으로 모세관 구조물이 열전달 표면을 덮고 있는 조건을 고려한 열전달 특성을 분석하여 관련 기기의 모델링과 성능예측 및 설계에 실용성 있는 기술적 자료를 확보하는 것을 목적으로 하였다.
모세관 구조물로 덮힌 표면에서의 상변화 열전달 특성을 지배하는 여러 물리적 인자중에서 본 연구에서는 열플럭스, 모세관구조물의 기하학적

고효율의 열전달 기기에 속하는 증발식 냉각판, 히트파이프, 모세관 펌프루프 등의 응용기기 내부에서는 모세관 구조물로 덮힌 표면으로부터 작동유체의 증발 및 응축 상변화 현상이 일어나고 있다. 본 연구에서는 실험적 방법으로 모세관 구조물이 열전달 표면을 덮고 있는 조건을 고려한 열전달 특성을 분석하여 관련 기기의 모델링과 성능예측 및 설계에 실용성 있는 기술적 자료를 확보하는 것을 목적으로 하였다.
모세관 구조물로 덮힌 표면에서의 상변화 열전달 특성을 지배하는 여러 물리적 인자중에서 본 연구에서는 열플럭스, 모세관구조물의 기하학적 형태 및 표면의 경사각 등이 액체-기체의 경계면에서의 열전달계수에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
환경에의 영향과 위험성 작동 온도의 범위 등을 고려하여 에탄올을 작동유체로 하고 스크린 윅을 모세관 구조물로 사용하였으며 모세관 구조물의 드라이아웃(dryout)이 발생하지 않는 정상상태의 평판 히트파이프 내부에서의 증발 및 응축 열전달로 그 범위를 제한하였다. 1차년에는 실험장치의 제작과 구성, 그리고 낮은 메쉬 번호 위주의 기초 실험을 수행하였으며, 2차년도에는 높은 메쉬 번호와 높은 열부하까지 실험과 자료분석을 수행하였다.
실험장치는 12 mm 두께의 구리를 가공하여 제작된 길이 600 mm의 평판형 히트파이프로서 상부에 높이 45 mm의 덮게가 부착되어 증기 유동 공간을 확보하였다. 실험에 사용한 스크린으로 성긴 메쉬는 80번으로부터 시작하여 조밀한 메쉬는 350번까지 작동유체의양, 열부하 그리고 경사각을 변화하면서 진행하였다. 메쉬 번호가 80이고 경사각이 5도인 경우에 한해서만 비교 기준치로서 물을 사용한 경우의 실험을 수행하였다.
증발부 및 응축부에서 각각 축방향으로 3개의 위치에서 단면의 두께 방향으로 고체,액체 및 증기 영역의 온도 변화를 추적하였다. 한 축방향 위치에서 평판에 수직인 방향으로 2점 이상의 온도 측정치를 바탕으로 국소 열유속을 산정하였으며, 액체-증기 경계면 부근에서와 증기 영역에서는 프로브형 열전대로 측정한 온도를 이용하여 국소 열전달계수를 계산하였다. 국소 열유속의 최대값은 평균 열유속의 3배 정도인 50,000 W/$m^2$의 범위까지관측되었다. 국소 열전달계수의 값은 국소 열유속, 작동액체, 모세관구조물의 메쉬 번호, 그리고 표면의 경사각 등의 함수로 표현하였다. 측정된 국소 열전달계수는 열유속의 증가에 따라 대수 함수적으로 증가하는 경향을 보였으며, 실험 범위에서 관측된 값은 $10^2$에서$10^5W/m^2$-K 부근이었다. 한편, 증발부와 응축부에서 각각 축방향으로 그 중앙의 위치에서보다는 단열부에 가까운 위치에서 높은 열전달이 일어났으며, 실험자료의 변화 경향은 응축부에서 보다 명확히 나타났다.

Abstract ▼

Evaporation and condensation of working fluid occurs at a surface covered with capillary structures in high-efficiency heat transfer devices such as heat pipes, evaporative cold plates, and capillary pumped loops.
The objective of this study is to provide practical engineering data empirically th

Evaporation and condensation of working fluid occurs at a surface covered with capillary structures in high-efficiency heat transfer devices such as heat pipes, evaporative cold plates, and capillary pumped loops.
The objective of this study is to provide practical engineering data empirically that can be utilized in modeling, performance prediction and design of related devices, by analyzing characteristics of heat transfer through the surface covered with capillary structures.
Among various physical factors that influence the heat transfer under the specified condition, heat flux, geometry of the capillary structure, and the inclination of the surface are considered in this study. The effect of these variables are quantitatively analyzed.
Ethanol was selected as a working fluid since it is less harmful to human and to the environment and has lower operating temperature range than water. Wire screen meshes were used as the capillary structure. The scope of this study is limited to a normal operation range of a flat heat pipe where no dryout occurs. During the first year, the experimental setup was fabricated and the basic experiment was conducted primarily on coarse mesh numbers. And during the second year of this study, experiments were conducted on higher mesh numbers and higher thermal loads.
The experimental setup was a flat heat pipe made of 12-mm thick and 600-mm long copper plate which had a cover of 45 mm in height to secure the vapor passage. The experiment was compared with that from the water only in the case of 80 mesh and 5 degree tilt. The temperatures of the solid, liquid and the vapor in the direction of thickness were measured at 3 locations in the evaporator and the condenser, respectively. The local heat flux was estimated using two or more temperature readings in the plate normal to the surface, and the local heat transfer coefficient was calculated based on the temperature readings from probe thermocouples at the liquid-vapor interface and in the vapor region. The maximum value of the local heat flux was as much as 3 times that of averaged heat flux of 50,000 W/$m^2$. The local heat transfer coefficient was presented as a function of local heat flux, working fluid, mesh number of the screen and the tilt angle of the surface. The measured local heat transfer coefficient exhibit a logarithmic increase. The local heat transfer coefficient ranged $10^2 to 10^5 W/$m^2$-K. A higher heat transfer occurred in the region nearer to the adiabatic section and condenser, respectively. The experimental data in the condenser region exhibited more clear and co-linear trends.

목차 Contents

• 제1장 서 론...7
• 제2장 이론적 배경...9
• 제3장 실험장치 및 실험방법...11
• 제4장 실험결과 및 고찰...15
• 제5장 결 론...39
• 참고문헌...40