Boiling heat transfer in confined jet impingement : experimental investigation and development of predictive tools

국문 초록 (Abstract)

고열유속 전자장치의 신뢰할 수 있는 냉각 기술 개발은 차세대 열관리에 필수적이다. 지난 수십 년 동안 충돌제트 비등은 가장 효과적인 상변화 냉각 방법 중 하나로 광범위하게 연구되어 왔다. 또한, 여러 연구는 배열충돌제트와 채널 유동을 결합한 하이브리드 냉각 방식의 비등 특성을 조사하여 두 방식의 장점을 활용하고자 하였다. 그러나 제한된 공간의 충돌제트 비등의 평균 열전달계수와 임계열유속을 정확하게 추정하는 예측 도구는 과냉 비등 조건에서 특히 부족한 실정이다. 본 연구에서는 절연성 유체 FC-72를 사용하여 제한된 공간의 배열충돌제트 냉각시스템에서 과냉 흐름 비등 열전달을 실험적으로 조사하였다. 이 시스템에서 원형 제트는 좁은 채널 내부의 가열면에 충돌하여 측면 출구를 통해 배출되었다. 제트홀 개수, 제트홀 출구로부터 충돌면까지의 거리, 제트홀 직경, 제트 속도 및 입구 과냉도 등 주요 매개변수를 체계적으로 변화시켰다. 고속 시각화는 채널 내의 기포 거동을 조사하기 위해 수행되었다. 또한, 본 연구에서는 기존 연구와 본 연구의 데이터를 결합한 통합 데이터베이스를 활용하여 평균 열전달계수와 임계열유속에 대한 예측 도구를 개발하였다. 다양한 무차원 매개변수를 기반으로 새로운 경험 상관식을 제안하고, 통합 데이터베이스에서 도출된 작동 범위에 걸쳐 인공 신경망 모델을 학습하여 각 예측 대상(평균 열전달계수, 임계열유속)에 대해 별도의 모델을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 경험 상관식과 인공 신경망 모델은 기존 상관관계에 비해 높은 정확도로 제한된 공간의 충돌제트 비등에 대한 평균 열전달계수와 임계열유속을 예측함을 보여주었다. 추가적으로, 유동을 충돌제트 영역과 채널 냉각 영역으로 분할하고 각 영역에 면적 가중치를 부여하여 결합함으로써, 하이브리드 구성의 임계열유속을 추정하는 수정된 중첩 기법을 개발하였으며, 이는 데이터 전반에 걸쳐 향상된 일치도를 보였다. 이러한 노력을 종합하면, 본 연구는 고열유속 전자장치를 위한 제한된 공간의 충돌제트 비등 시스템의 설계와 평가를 위한 실용적인 예측 도구를 제공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Developing reliable cooling technologies for high-heat-flux electronics is essential for next-generation thermal management. Over the past few decades, jet impingement boiling has been investigated extensively as one of the most effective phase-change cooling methods. Additionally, several studies have explored the boiling characteristics of a hybrid cooling scheme, which combines jet array impingement with confined channel flow, aiming to leverage the advantages of both. However, tools that accurately estimate the average heat transfer coefficient and critical heat flux for confined jet impingement boiling—especially under subcooled boiling conditions—remain limited. This study experimentally investigates subcooled flow boiling heat transfer in confined jet array impingement cooling systems using the dielectric fluid FC-72, where circular jets impinge on a heated surface inside a narrow channel and exit through lateral outlets. Key parameters, including the number of jet holes, the distance from the jet hole outlet to the impingement surface, jet hole diameter, jet velocity, and inlet subcooling temperature, are systematically varied. High-speed visualization is also conducted to examine vapor bubble dynamics within the confined channel. Additionally, this study develops predictive tools for the average heat transfer coefficient and the critical heat flux using a consolidated database of confined jet impingement boiling that combines data from the present work and previous studies. New empirical correlations are proposed based on relevant dimensionless parameters, and artificial neural network models are trained across operating ranges drawn from the consolidated database with separate models developed for each target. The results show that the empirical correlations and artificial neural network models developed in this study predict the average heat transfer coefficient and critical heat flux for confined jet impingement boiling with high accuracy relative to existing correlations. Furthermore, a modified superposition technique is formulated that partitions the flow into jet impingement and channel cooling regions, assigns area weightings to each contribution, and combines them to estimate critical heat flux in hybrid configurations with improved agreement across datasets. Taken together, these efforts provide practical predictive tools for the design and assessment of confined jet impingement boiling systems for high-heat-flux electronics.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Overview 1
• 1.2 Background of jet impingement boiling 3
• 1.3 Objectives of this study 9
• 2. Methodology 11
• 2.1 Experimental methods 11
• 2.1.1 Experiment loop and test module assembly 11
• 2.1.2 Experimental procedure 15
• 2.1.3 Data reduction and measurement uncertainty 18
• 2.2 Consolidated database of confined jet impingement boiling 24
• 2.3 ANN model architecture and training 32
• 3. Experimental results 36
• 3.1 Repeatability test and validation 36
• 3.2 Effects of number of jet holes and jet velocity 42
• 3.3 Effect of inlet subcooling temperature 50
• 3.4 Effects of distance from jet hole outlet to impingement surface and jet hole diameter 57
• 4. Development of predictive tools 65
• 4.1 Development of new correlations 66
• 4.1.1 New correlation for average heat transfer coefficient 66
• 4.1.2 New correlation for critical heat flux 87
• 4.2 Development of ANN models 108
• 4.2.1 ANN models for average heat transfer coefficient 108
• 4.2.2 ANN models for critical heat flux 130
• 4.3 Development of mechanistic model 153
• 4.3.1 Developing homogeneous layer model 153
• 4.3.2 Previous superposition technique 160
• 4.3.3 Modified superposition technique 169
• 5. Conclusions and future work 184
• 5.1 Conclusions 184
• 5.2 Recommendation for future work 188