평판형 증발부를 갖는 루프히트파이프의 역구배 작동 특성에 관한 연구 :Operational Characteristics of a Loop Heat Pipe with a Flat Evaporator at Adverse Tilt Angles

배장현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 배장현 (한국항공대학교, 한국항공대학교 일반대학원)

지도교수: 부준홍

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

평판형 증발부를 갖는 루프히트파이프의 역구배 작동 특성에 관한 연구

배장현 항공우주및기계공학과 2020.01 학위논문

2018

평판형 증발부를 갖는 루프히트파이프의 역구배 작동 특성에 관한 연구

배장현 , 임경택 , 조영탁 외 1명 대한기계학회 춘추학술대회 2018.12 학술대회자료

아세톤을 작동유체로 하며 평판형 증발부를 갖는 루프히트파이프의 천이 및 정상상태 작동 특성

배장현 , 임경택 , 조영탁 외 1명 대한기계학회 춘추학술대회 2018.04 학술대회자료

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루프히트파이프는 일반적인 히트파이프에 비하여 고성능으로 역구배 작동 성능이 우수하다고 알려져 있다. 그러나 루프히트파이프 관련 문헌에서 실제 역구배 작동에 대한 정량적 자료와 상세 특성을 제시하고 있는 경우는 많지 않다. 본 연구에서는 고발열 전자 부품에 접속이 용이하고, 열저항을 감소시키기 위해서 평판형 증발부를 갖는 루프히트파이프를 설계하였고, 증발부가 상부에 위치하는 역구배 상태에서 온도와 열저항을 비교하여 작동 특성을 조사하였다.
루프히트파이프의 증발부는 전열면적 기준 40 mm(W) x 40 mm(L) x 15 mm(H)의 사각 평판형이고, 이를 포함한 루프히트파이프의 모든 구조은 스테인리스 스틸로 제작되었으며 작동유체로는 아세톤을 사용하였다.. 증발부 내부에는 기공율 55 %의 니켈 소결윅을 삽입하였다. 증기관과 액체관의 내경은 각각 4.76 mm와 2.58 mm이고, 0.6 m의 열이송 거리를 갖는다. 응축부의 크기는 60 mm(W) x 60 mm(L) x 14 mm(H) 로, 냉각수를 사용한 강제 냉각 방식으로 증발부에서 이송된 열을 처리하였다.
루프히트파이프의 성능에 영향을 미치는 실험 인자로서 작동유체의 충전량, 공급 열부하, 그리고 역구배 경사각을 고려하였다. 작동유체의 충전량은 루프히트파이프의 전체 내부 체적 기준으로 50 % ~ 60 %에 해당하는 24 ml ~ 26 ml를 충전하였고, 공급 열부하는 최대 300 W(열유속 19 W/cm2)까지 공급하였다. 루프히트파이프의 기울기는 수평 상태부터 역구배 경사 90°까지 변화를 주었다. 한편, 루프히트파이프의 설정 온도 범위는 전자 장비의 냉각 등에 적용을 고려하였으며, 또한 작동액체와 증발부 구조의 안정성을 고려하여 증발부 증기 출구 온도 기준 100℃로 제한하였다.
본 연구에서 설계한 평판형 증발부를 갖는 루프히트파이프는 수평인 상태에서 열부하를 단계적으로 증가시키는 경우, 설정한 온도 범위에서 최고 열부하 300 W(열유속 19 W/cm2)까지 안정적인 작동 성능이 관찰되었으며, 30 W(열유속 2 W/cm2)의 낮은 열부하에서도 루프히트파이프가 안정적인 시동 성능을 보였다. 열저항은 열부하 증가에 따라 감소하여 최소 0.14 ℃/W로 나타났다.
각 열부하에서 점진적으로 역구배 경사를 증가시키는 경우, 60 W에서 260 W까지의 모든 열부하에서 역구배 경사 90°까지 안정적으로 작동하는 것을 확인하였다. 한편, 300 W 열입력에서는 역구배 경사 40°까지 안정적으로 작동하는 것을 관찰하였다. 300 W 열부하에서 역구배 경사각을 조절하는 경우, 열저항은 0.07 ℃/W 범위에서 미소하게 변화하였다.
상온에서 일시에 열부하를 공급하여 루프히트파이프를 시동하는 경우, 60 W의 열부하에서는 역구배 10°까지 시동이 가능하였으나, 180 W 열입력에서는 역구배 경사 80°까지 루프히트파이프가 시동 가능하였다. 시험한 최대 공급 열부하인 300 W에서는 설정 온도 상한으로인해 역구배 경사 15°까지 상온 시동 특성을 관찰하였다.
평판형 증발부를 사용하는 루프히트파이프의 역구배 작동 성능에서 기존 문헌 상의 연구 대비 열이송 거리, 열부하(열유속) 등에서 증진된 결과를 확인하였으며, 이는 본연구에서 적용한 설계의 적절성을 보이고 있다. 또한, 본연구에서는 기존 연구 대비 대폭 확장된 역구배 각도 및 높이차 범위에서의 정량적 성능 특성을 정량적으로 제시하였다.

Loop heat pipe(LHP) is known as a device that can exhibit a higher performance than traditional heat pipes, especially at adverse tilt angles. In the literature on LHP, however, only few studies provided quantitative data and detailed characteristics of actual operation at adverse tilt. In this study, a loop heat pipe having a flat evaporator was designed for better interface with high heat generating electronic components and thus lower thermal contact resistance. The operating charateristics of the LHP were investigated by comparing typical temperatures and thermal resistances at adverse tilts, where the evaporator was positioned higher than the condenser.
The evaporator of the LHP had a flat rectangular wall having a size of 40 mm(W) x 40 mm(L) x 15 mm(H). All parts of the LHP including the evaporator were fabricated by stainless steel and working fluid was acetone. Sintered nickel wick having a porosity of 55 % was inserted as a capillary structure inside the evaporator. Inner diameters of the vapor and liquid lines were respectively 4.76 mm and 2.58 mm respectively, and the distance between the evaporator and the condenser was 0.6 m. The condenser had a size of 60 mm(W) x 60 mm(L) x 14 mm(H) and dissipated the transferred heat from the evaporator by forced convection of cooling water.
Fill charge amount of the working fluid, input thermal load and adverse tilt angle were considered as the experimental factors affecting the performance of the loop heat pipe. The working fluid charge was varied from 24 ml to 26 ml which corresponded to 50 % to 60 % based on the total internal volume of the LHP, and the maximum thermal load was 300 W (heat flux 19 W/cm2). The tilt of the loop heat pipe was varied from horizontal configuration to adverse tilt angle of 90°. On the other hand, temperature was imposed by 100℃(based on the vapor temperature at the evaporator exit) considering the application to the cooling of electronic equipment, the stability of the working fluid and evaporator structure.
When the heat load was gradually increased at horizontal configuration, the LHP in this study demonstrated stable operating performance up to 300 W (heat flux 19 W/cm2) below the temperature limit. The loop heat pipe achieved stable startup even at a low thermal load of 30 W (heat flux 2 W/cm2). The thermal resistance decreased with increasing thermal load, showing a minimum of 0.14 ℃/W.
As the adverse tilt angle gradually increased for each specified thermal load, the loop heat pipe showed stable operational performance up to the adverse tilt angle of 90° in the heat load range of 60 W to 260 W. For a thermal load of 300 W, however, it was observed that the LHP stably operated only up to adverse tilt angle of 40°. During the variation of the adverse tilt angle, the thermal resistance changed slightly as much as 0.07 ℃/W.
For the cold startup test of the LHP, a specified thermal load was suddenly applied in room temperature. For a thermal load of 60 W, the cold startup was possible up to an adverse tilt angle of 10°. However, for a thermal load of 180 W, the cold startup was achieved up to an adverse tilt angle of 80°. For the maximum thermal load of 300 W, the cold startup characteristics were observed up to an adverse tilt angle of 15° due to the imposed temperature limit.
Compared to the previous studies in the literature, the operational performance at the adverse tilt of the loop heat pipe with a flat evaporator in this study demonstrated improvements in the heat transfer distance, heat load(heat flux), and thermal resistance. In addition, this study presents quantitative performance characteristics in the range that is significantly expanded adverse tilt angle and height difference compared with the previous studies.

#루프히트파이프(Loop Heat Pipe) #평판형 증발부(Flat Evaporator) #역구배(Adverse Tilt) #상온시동(Cold Start) #실험(Experiment)

목 차
요 약 i
목 차 ⅲ
그림목록 ⅴ
표 목 록 ⅸ
기호목록 ⅹ
제 1장 서론 1
제 2장 루프히트파이프 제작 3
2.1 루프히트파이프 작동유체 선정 3
2.2 루프히트파이프 제원 4
제 3장 실험장치 및 실험방법 6
3.1 실험장치 6
3.2. 실험방법 9
제 4장 실험결과 및 고찰 10
4.1 루프히트파이프의 성능계산 이론 10
4.2 루프히트파이프의 불확실도 해석 12
4.3 수평 상태에서 루프히트파이프의 성능 14
4.3.1 열부하에 따른 온도 이력 14
4.3.2 열부하에 따른 열저항 변화 18
4.3.3 충전량 변화에 따른 성능 비교 20
4.4 역구배 상태에서 루프히트파이프의 성능 22
4.4.1 역구배 경사 변화에 따른 증발부와 응축부 간 평균 온도 차이 22
4.4.2 역구배 경사 변화에 따른 열저항 변화 26
4.5 급격한 열부하 공급에 의한 상온 시동 특성 28
4.5.1 상온 시동에서 역구배 경사 변화에 따른 열저항 변화 28
4.5.2 열부하 60 W에서 상온 시동 특성 31
4.5.3 열부하 110 W에서 상온 시동 특성 34
4.5.4 열부하 180 W에서 상온 시동 특성 37
4.5.5 열부하 230 W에서 상온 시동 특성 40
4.5.6 열부하 300 W에서 상온 시동 특성 43
제 5장 결론 46
참고문헌 48
SUMMARY 51

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