실린더형 증발부를 갖는 루프히트파이프의 작동 한계에 관한 실험적 연구 = Experimental Study on the Operating Limit of a Loop Heat Pipe with Cylindrical Evaporator

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid development of electronic technology has led to increased integration density and power density in semiconductor chips, making effective thermal management in high-heat-flux environments a critical challenge. Conventional air-cooling methods are inadequate for these high-density thermal environments. Furthermore, traditional two-phase device, such as conventional heat pipe, suffer from significant pressure drops during long-distance heat transport, while thermosiphons are gravity-dependent, restricting their installation orientation. Consequently, there is a distinct need for research into high-efficiency heat transfer devices capable of operating over long distances and in anti-gravity(adverse gradient) orientations without external power.
This study aims to experimentally investigate the operating range of a Loop Heat Pipe (LHP) featuring a cylindrical evaporator, designed to overcome these limitation. Specifically, it focuses on identifying the high heat load limit (capillary limit) and the low heat load limit (viscous limit). For this investigation, a cylindrical LHP was designed and fabricated.
Methanol was selected as the working fluid, with a filling ratio of 30%. The inclination(tilt angle), which significantly impacts LHP performance, was est as the primary experimental variable. The maximum heat transfer performance and the minimum start-up heat lead were measured under favorable (positive) gradient, horizontal and adverse (negative) gradient conditions. Based on the experimental results, this research seeks to elucidate the dependency of the LHP’s operating limits on inclination. The findings are expected to serve as critical baseline data for the future design and optimization of LHPs.

국문 초록 (Abstract)

최근 전자 기술의 급격한 발전으로 반도체 칩의 집적도와 전력 밀도가 증가함에 따라, 고열유속 환경에서의 효과적인 열 관리가 핵심 과제로 부상하였다. 기존의 공랭식 냉각은 이러한 고밀도 발열 환경에서 한계가 있으며, 2상 유동 장치인 일반 히트파이프는 장거리 열 이송 시 압력 강하가 크고 열사이펀은 중력에 의존하여 설치 방향에 제한이 있다. 따라서 외부 동력 없이 장거리 및 역구배 환경에서도 작동할 수 있는 고효율 열전달 장치에 관한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 이러한 한계를 극복할 수 있는 실린더형 증발부를 갖는 루프히트파이프를 대상으로 시스템의 안정적인 작동 범위를 결정하는 고열 부하 한계(모세 한계)와 저열 부하 한계(점성 한계)를 실험적으로 규명하는 것을 목표로 한다. 연구를 위해 실린더형 루프히트파이프를 설계 및 제작하였으며 작동유체는 메탄올, 충전율은 30%로 선정하였다. 루프히트파이프의 성능에 큰 영향을 미치는 기울기를 주요 변수로 설정하여 정방향 구배, 수평, 역방향 구배 조건에 따른 최대 열전달 성능과 최소 시동 열 부하를 측정하였다. 본 연구의 실험 결과를 기반으로 루프히트파이프의 작동 한계가 기울기에 의존함을 규명하고자 하며, 향후 LHP 설계의 핵심 지표로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.2.1 실린더형 증발부 구조 3
• 1.2.2 루프히트파이프의 작동 한계 4
• 1.2.3 일반 히트파이프의 작동 한계 5
• 1.3 연구 목적 6
• Ⅱ. 이론적 배경 7
• 2.1 루프히트파이프의 구조 7
• 2.2 루프히트파이프의 작동 원리 8
• 2.3 모세관 한계 10
• Ⅲ. 루프히트파이프의 제작 11
• 3.1 루프히트파이프의 작동유체 선정 11
• 3.2 루프히트파이프의 기하학적 요소 12
• 3.3 작동유체 충전율 결정 15
• Ⅳ. 실험 장치 및 방법 17
• 4.1 실험 장치 17
• 4.2 실험 방법 21
• Ⅴ. 실험 결과 및 고찰 22
• 5.1 고열 부하 한계 22
• 5.1.1 임계 열 부하 구간 22
• 5.1.2 LHP 최대 열전달 성능 측정 25
• 5.2 저열 부하 한계 29
• 5.3 가변 컨덕턴스 32
• 5.4 기울기에 따른 작동 한계 특성 33
• 5.4.1 고열 부하 한계 특성 33
• 5.4.2 저열 부하 한계 특성 34
• 5.5 기울기에 따른 열저항 특성 35
• 5.5.1 고열 부하 열저항 특성 35
• 5.5.2 저열 부하 열저항 특성 36
• Ⅵ. 결론 37
• □ 참고문헌 38
• □ Abstract 41