미니 채널 히트싱크 내부 과냉 흐름 비등 열전달 및 압력강하 특성에 관한 실험적 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 길이 150 mm의 미니 채널 히트싱크를 활용하여 과냉 입구 조건에서의 흐름 비등 열전달 및 압력강하 특성을 실험적으로 조사하였다. 특히, 채널 전체에 걸쳐 과냉 흐름 비등이 발생하는 경우와 과냉에서 포화 흐름 비등으로 전이되는 경우의 특성을 비교분석하였다. 작동유체로는 FC-72를 사용하였으며, 채널의 수력직경은 2.4 mm이다. 과냉 출구 조건에서는 채널 전체에서 핵비등이 지배적으로 나타났으며, 중력의 영향으로 상부는 길게 늘어난 기포 영역, 하부는 액체 유동 영역으로 분리되는 매크로 채널과 유사한 유동 양상이 나타났다. 반면, 포화 출구 조건에서는 채널 내부에서 과냉 흐름 비등에서 포화 흐름 비등으로의 전이가 발생하며, 하류에서는 파형 환상 유동이 발달하였다. 채널 하류에서는 대류비등이 나타났으나, 채널 전 구간에서 핵비등 열전달이 지배적으로 발생하였다. 흐름 비등이 발생하는 동안 열유속이 증가함에 따라 마찰 및 가속 압력구배가 증가하여 압력강하가 증가하였고, 질량유속이 높을수록 임계열유속에서의 압력강하가 크게 나타났다. 포화 출구 조건에서는 유동 불안정성이 발생하였으며, 초기 드라이아웃 여부에 따라 Type C와 Type D로 구분되었다. 고속 푸리에 변환 분석을 통해 유동 불안정성이 발생함에 따라 10 Hz 이하의 저주파 진동 특성이 지배적으로 나타났다. 마지막으로 이전 문헌에서 개발된 과냉 및 포화 흐름 비등 열전달계수 예측상관식을 본 연구의 실험 데이터와 비교 및 평가하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study experimentally investigated the flow boiling heat transfer and pressure drop characteristics under subcooled inlet conditions using a 150 mm long mini-channel heat sink. In particular, the study focused on comparing the case where subcooled flow boiling occurred throughout the entire channel with the case where it transitioned to saturated flow boiling. FC-72 was used as the working fluid, and the channel had a hydraulic diameter of 2.4 mm. Under subcooled outlet conditions, nucleate boiling dominated along the entire channel, and gravitational effects caused the flow to separate into two distinct regions: an elongated bubble region in the upper part of the channel and a liquid flow region in the lower part, similar to the behavior observed in macro-channels. In contrast, under saturated outlet conditions, a transition from subcooled to saturated flow boiling occurred inside the channel, and a wavy annular flow developed in the downstream region. Although convective boiling was observed in the downstream portion, nucleate boiling remained the dominant heat transfer mechanism over the entire channel. In the two-phase flow region, the pressure drop increased due to enhanced two-phase frictional and accelerational pressure gradients, and higher mass velocity resulted in significantly larger pressure drops near critical heat flux (CHF). Under saturated outlet conditions, flow instability developed and was classified into Type C and Type D depending on the occurrence of dryout incipience. Fast Fourier transform (FFT) analysis showed that, as flow instability intensified, the pressure fluctuation transitioned from a high frequency stable two-phase flow (Type B) to low frequency unstable two-phase flow (Type C and D). Finally, existing correlations for predicting local heat transfer coefficients during flow boiling were evaluated against the present data, providing new insight into heat transfer behavior under mixed subcooled and saturated boiling conditions.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 관련 연구 4
• 1.3 연구 내용 및 목표 9
• 제2장 실험 방법 10
• 2.1 실험 장치 10
• 2.2 실험 절차 17
• 2.3 데이터 리덕션 20
• 2.4 불확도 분석 25
• 제3장 결과 및 고찰 27
• 3.1 실험 장치 및 절차의 유효성 확인 28
• 3.2 흐름 비등 유동 양식 및 패턴 35
• 3.2.1 과냉 출구 조건 (xe,out < 0)과 포화 출구 조건 (xe,out > 0) 35
• 3.2.2 유동 불안정성 45
• 3.3 흐름 비등 압력강하 특성 54
• 3.4 흐름 비등 열전달 특성 61
• 3.4.1 채널 바닥면 온도 61
• 3.4.2 열전달계수 66
• 3.5 흐름 비등 열전달 상관식과의 비교 76
• 제4장 결론 90
• 참고문헌 93
• ABSTRACT 101