Experimental investigations on the thermo-hydrodynamic characteristics of closed-loop pulsating heat pipes (CLPHPs)

Abstract

Owing to the excess generation of heat in devices for applications such as electronic, space, and nuclear applications, it is essential to develop more economical, risk free, and reliable thermal management devices. Material science, packaging concepts, fabrication technology, and novel cooling techniques are some key areas requiring research for successful thermal management. In recent decades, various two phase passive cooling technologies based on latent heat transfer have been introduced, such as heat pipes, thermosyphons, vapor chambers, and loop heat pipes. The main advantages of these devices are their efficiency, adaptability, cost effective nature, and passivity. Focusing on the two phase heat transfer system, this thesis describes the complex thermo hydrodynamic behaviors of the closed loop pulsating heat pipes (CLPHPs), which is the new device in the family of two phase passive heat transfer systems. Theses devices are very unique to their simple wickless structures. The performance of these device s is reliant on the internal bubble patterns which also defines the events and mechanisms, pressure, temperature, velocity, acceleration perturbations, flow regimes changes, bubbles displacements, etc. combining these factors also contributes to the thermal performance of the CLPHPs. The effect of the coolant source is also the major factor while being neglected in previous studies. Considering the literature study, the heat transfer characteristics are varied for different devices and coolant sources, yet not fully understand and defined. To understand the thermo hydrodynamic of these two phase heat transfer devices with checking its limits in different convection sources, two different experimental set ups have been envisioned, fabricated and tested in a laboratory. The set up is specially designed for flow visualization, which can better define the flow regime trends when the heat load is increased. The primary influence parameter which affects the thermo fluidic properties of the systems are as follows; • Convection source and length • Volumetric filling ratio • Fill ratio consistent with convection source • Orientation • Thermo physical properties • Heat flux The thesis provides a detailed discussion on the performance of CLPHP when subjected to different convection sources under vertical bottom heating mode orientation, especially the limits were checked the convection sources in the first experiment. The opti mal filling ratio was found out when the ambient conditioned cooled the system in another experiment. For two different experiments, two different working fluid is used, hence the performance has been checked with different thermo physical properties. Of c ourse, the flow regimes were captured for both of the experiments to understand the bubble dynamics with different convection sources and working fluid. Apart from the working fluid and heat flux, the performance is strongly linked with the flow patterns e xisting inside the device. Delicate aspects of these two phase flow dynamics and their relations with the heat transfer characteristics have been emphasized leading to the formulation of primary design rules. The present studies can be used as a scale for future innovative industrial applications based on its thermo hydrodynamics properties. Although some nuances of the device operation remain unexplored, it is believed that major advancement in the understanding of the thermo hydrodynamics of CLPHPs for d ifferent convection sources, and the optimal filling ratio for natural convection has been accomplished accomplished|최근 전자 우주 등의 응용분야에서 사용되는 장치에서는 과도한 열이 발생하기때문에 경제 적이며 안정적인 열관리 장치의 개발에 대한 요구가 증가하고 있으며 이를 위하여 재료 생 산 및 냉각 기술분야에서 관련연구가 활발하게 이루어지고 있다 최근 수십 년동안 고효율 의 냉각 성능을 확보하기 위하여 히트 파이프 (h eat pipe) 써모싸이폰 thermosyphon), 증기 챔 버 vapor chamber) 및 루프 히트 파이프 loop heat pipe) 와 같은 잠열을 이용한 이상 (two phase) 유동 수동 냉각 기술이 소개되고 있다 본 논문에서는 이상 유동 수동 냉각 기술의 하나인 폐쇄 루프 맥동 히트파이프 closed loop pulsating heat pipes, CLPHP) 의 복잡한 열유동 학적 거동에 대하여 연구하였다 기존 히트 파이프와 비교할 때 CLPHP 는 w ick 이 없는 단순 한 구조로 그 성능이 우수하다고 알려져 있 다 CLPHP 의 성능은 내부 이상 유동 패턴과 밀접 한 연관이 있으며 내부 유동은 채널 크기 , 채널 수 , 냉각 장치 등 다양한 요인에 영향을 받 는 것으로 알려져 있지만 아직까지 CLPHP 내부 유동에 대한 이해와 연구는 충분하지 않다 본 논문에서 는 다양한 요인 중에서 냉각이 CLPHP 내부 유동과 성능에 미치는 영향에 대하 여 실험적 연구를 진행하였다 냉각장치가 CLPHP 의 열유동학적 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 실험실 스케일에 서 두 가지 다른 실험을 구성하고 실험을 진행하였다 실험 장치는 유동가시화 기법을 적용 하여 유동 패턴과 CLPHP 성능을 확인할 수 있도록 특별히 제작되었다 C LPH P 의 열유동학적 특성에 미치는 주요인자는 냉각원 및 채널길이 충전율 설치 방향 작동유체 열물성 입력 열유속 등이 있다 본 연구에서는 증발부가 하단 , 응축부가 상단에 위치한 수직상태로 설치 된 CLPHP 에서 냉각 방법에 따른 성능과 유동 패턴의 비교 연구를 진행하였다 첫 번째 실험 에서는 자연 대류와 강제 대류를 냉각으로 사용할 때의 성능과 유동 변화에 대하여 관찰하 고 각 냉각 조건에 따른 열유동학적 특성을 분석하였다 두 번째 실험에서는 자연 대류를 냉 각원으로 사용하는 조건에서 최적의 열적 성능을 가지는 충전율을 알아보고 유동 패턴과 CLPHP 성능과의 관계를 분석하였다 아직까지 CLPHP 의 복잡한 특성에 대하여 완전하게 이해되지는 않았지만 , 본 연구를 통하여 냉각 방식 및 충전율 변화에 따른 CLPHP 의 열유동학적 특성에 대한 이해가 한단계 향상되 었다 본 연구 결과는 미래의 다양한 산업 응용 분야에서 적용될 수 있는 CLPHP 설계의 기 초 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.