대면적 미니채널 히트싱크에서의 R134a 흐름 비등의 압력강하 및 유동 불안정성 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

이상유동을 할용한 미니채널 히트싱크는 고출력 전자장비 칩 및 국방 전자기기의 효과적인 열관리 수단으로 널리 적용되고 있다. 그러나 기존 연구의 대부분은 짧은 채널 또는 긴 원형관을 대상으로 수행되어 긴 사각 멀티채널에서의 이상유동 및 압력강하 특성은 충분히 규명되지 않았다. 국방 및 항공우주 분야에서는 열이 넓은 면적으로 분포되고 유동 경로가 길게 형성되는 경우가 많아 안정적인 열설계를 위해서는 긴 사각채널 내 이상유동 거동을 이해하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 지금까지 보고된 사례 중 가장 긴 사각채널 길이를 갖는 멀티채널 히트싱크를 대상으로 R134a의 흐름 비등 특성을 실험적으로 조사하였다. 실험은 입구 건도 -0.01에서 -0.0005, 열유속 32.4–149.8 kW/m2, 입구 압력 591.9–607.9 kPa의 조건에서 수행되었으며, 유동가시화를 통해 채널 길이에 따른 계면 발달과 유동 전이 과정을 관찰하였다. 측정된 유동 패턴 및 압력강하 데이터는 기존의 짧은 채널 및 원형관 기반 상관식과 유동맵과 비교하여 긴 사각채널에 대한 적용성을 평가하였다. 채널 길이가 길어짐에 따라 약한 및 강한 유동 진동이 발생하고 드라이아웃 구간에서 압력 변동이 크게 증가하는 등 뚜렷한 유동 불안정성이 관찰되었으며, 이러한 결과를 바탕으로 액막 안정성, 유동 불안정성, 드라이아웃 영역 간의 상호 연관성을 설명할 수 있는 압력 변동 맵을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Two-phase cooling using mini-channel heat sinks is widely recognized as an effective thermal management method for high-power electronic and defense systems. However, most existing studies focus on short channels or long circular tubes, resulting in limited understanding of two-phase flow and pressure drop behavior in long rectangular multi-channel configurations. In defense and aerospace applications, heat often spreads over a large surface with an extended flow path, making it essential to clarify two-phase flow characteristics in long rectangular channels for stable thermal design. This study experimentally investigates the flow boiling of R134a in a multi-channel heat sink that features one of the longest rectangular channel lengths reported to date. The experiments are conducted at inlet qualities between −0.01 and −0.0005, heat fluxes ranging from 32.4–149.8 kW/m2, and inlet pressures between 591.9–607.9 kPa. High-speed visualization is employed to observe interfacial development and flow regime transitions along the extended channel. The measured flow pattern and pressure drop data are compared with existing correlations and flow regime maps proposed for short and circular channels to evaluate their applicability to long rectangular geometries. Distinct flow instability behaviors are observed along the extended flow path, including weak and strong oscillations and increased pressure fluctuations near the dryout onset. Based on these results, a pressure fluctuation map is proposed to describe the relationship among liquid film stability, flow instability, and the dryout region in long multi-channel heat sinks.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 관련 연구 2
• 1.3 연구 목표 5
• 제2장 실험 방법 6
• 2.1 실험 루프 및 시험부 6
• 2.2 실험 절차 및 데이터 리덕션 11
• 2.3 측정 불확도 분석 12
• 제3장 결과 및 고찰 15
• 3.1 실험 장치 및 절차의 유효성 확인 15
• 3.2 유동 패턴 18
• 3.2.1 유동 패턴 분석 18
• 3.2.2 기존 유동 패턴 맵과의 비교 24
• 3.3 압력강하 29
• 3.3.1 압력강하 구성요소 29
• 3.3.2 마찰 압력구배 34
• 3.3.3 압력강하 상관식 비교 44
• 3.4 유동 불안정성 53
• 제4장 결론 63
• 참고문헌 65
• ABSTRACT 74