배열 충돌제트의 열전달 향상에 미치는 마이크로 핀 휜의 영향에 대한 실험적 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 배열 충돌제트 히트싱크에 마이크로 핀을 설치하여 열전달 성능을 높이는 것을 목적으로 한다. 그리고 마이크로 핀이 설치된 히트싱크에 제트홀 간격(P), 제트홀 출구로부터 충돌면까지 거리(H), 제트홀 지름(D), 제트 속도(V), 입구 과냉도(ΔTsub)의 영향을 실험을 통하여 분석하였다. 실험은 평판 1 케이스, 마이크로 핀 20 케이스를 진행하였고, 기하학적 설계인자는 P = 4.8, 7.2 mm, H = 3.0, 6.0 mm, D = 0.8, 1.2 mm, ΔTsub = 10, 30℃의 범위를 사용하였으며, 유속의 경우 V = 2 m/s인 실험과 Q = 0.95 LPM인 실험으로 나누어 비교하였다. 냉각 유체는 HFE-7100을 사용하였으며, 포화온도 65℃에 해당되는 117.5 kPa을 압력 기준으로 설정하였다. 실험 결과를 비등 곡선과 열전달계수 곡선으로 나타내었고, 가시화 영상을 통해 제트나 기포의 발생 및 분포를 분석하여 각 인자에 대한 영향을 확인하였다. 평판에 비해 마이크로 핀에서 열전달 면적이 2.50배 증가하였으며 임계열유속(Critical heat flux, CHF)은 2.44배 증가하였다. 제트홀 간격이 좁을 경우 제트가 채널 내부로 충분히 분산되지 못하여 하류에 있는 제트가 충돌면에 도달하는 것을 방해하였고, 결과적으로 CHF가 낮아지게 되었다. 충돌면까지 거리가 증가할 경우 기포가 분산될 공간이 충분하지만, 채널 내부 유량이 감소하여 기포 배출이 원활하지 않아 열전달 성능이 감소하였다. 또한 제트홀 지름이 클 경우 동일 제트 속도에서 유량이 증가하고, 마이크로 핀을 완전히 감싸며 제트와 직접적으로 맞닿는 충돌면의 면적이 늘어 CHF가 향상되었다. 제트 속도가 증가할 경우 유체가 비등점에 도달하기 전에 채널을 통과하여 ONB가 지연되었지만, 기포 배출이 원활해져 CHF가 증가하였다. 입구 과냉도가 증가할 경우 기포가 응축되는 현상이 활발해져 제트에 대한 유동 저항이 감소하였고 CHF가 증가하였다. 총21 케이스의 실험에서 309개의 데이터를 얻었고, 그중 ONB 이후의 이상구간인 222개에 대하여 평균 누셀트 수 예측 상관식을 개발하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to enhance the heat transfer performance of jet array impingement by installing micro pin fins. The effects of jet hole spacing (P), distance from jet hole outlet to impingement surface (H), jet hole diameter (D), jet velocity (V), and inlet subcooling temperature (ΔTsub) on the jet array impingement with micro pin fins were experimentally investigated. A total of 21 test cases were conducted, consisting of one smooth surface and twenty micro pin–finned surfaces. The parameters were varied as P = 4.8 and 7.2 mm, H = 3.0 and 6.0 mm, D = 0.8 and 1.2 mm, and ΔTsub = 10 and 30℃. Flow conditions were compared using experiments performed at a fixed jet velocity of V = 2 m/s and at a fixed flow rate of Q = 0.95 LPM. HFE-7100 was used as the working fluid, and the system pressure was set to 117.5 kPa, corresponding to a saturation temperature of 65℃.
The experimental results were presented in boiling curves and heat transfer coefficient curves, and the onset of nucleate boiling (ONB), onset of nucleate boiling degradation (ONBD), and critical heat flux (CHF) were compared for each case. Flow visualization was also conducted to analyze jet behavior, bubble generation, and bubble distribution, and to identify the influence of each parameter. Compared to the smooth surface, the pin–finned surface provided 2.5 times increase in heat transfer area and 2.44 times enhancement in CHF.
When the jet hole spacing was narrow, the jet could not sufficiently disperse within the channel, and the downstream jets were hindered from properly impinging on the heated surface, resulting in reduced CHF. Increasing the distance from the jet hole outlet to the impingement surface provided more space for bubble dispersion; however, the reduced flow rate inside the channel inhibited the effective discharge of bubbles, resulting in a decrease in heat transfer enhancement. A larger jet hole diameter increased the flow rate at the same jet velocity, and because the jet covered the micro pin fins, the CHF was enhanced. When the jet velocity increased, the fluid exited before reaching the boiling point, delaying ONB, but bubble removal became more effective, leading to higher CHF. Increasing inlet subcooling promoted condensation effect, reduced flow resistance against the jet, and consequently increased CHF.
From the 21 test cases, a total of 309 data points were obtained, among which 222 data points in the two-phase regime were used to develop a predictive correlation for the average Nusselt number in a jet array impingement boiling with micro pin fins. This developed correlation showed an MAE of 12.6% and an MRE of 4.2%.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 관련 연구 3
• 1.3 연구 목표 8
• 제 2 장 실험 방법 9
• 2.1 시험부 구성 9
• 2.2 실험 장치 및 방법 17
• 2.3 데이터 리덕션 23
• 2.4 불확도 분석 25
• 제 3 장 실험 결과 및 분석 26
• 3.1 실험 장치 및 방법의 유효성 평가 26
• 3.2 마이크로 핀이 배열 충돌제트에 미치는 영향 30
• 3.3 제트홀 간격(P)이 배열 충돌제트에 미치는 영향 34
• 3.4 제트홀 출구로부터 충돌면까지 거리(H)가 배열 충돌제트에 미치는 영향 38
• 3.5 제트홀 지름(D)이 배열 충돌제트에 미치는 영향 42
• 3.6 제트 속도(V)가 배열 충돌제트에 미치는 영향 46
• 3.7 입구 과냉도(ΔTsub)가 배열 충돌제트에 미치는 영향 51
• 제 4 장 상관식 비교와 개발 55
• 4.1 배열 충돌제트의 평균 누셀트 수 예측 상관식 55
• 4.2 마이크로 핀 배열 충돌제트의 새로운 예측 상관식 59
• 제 5 장 결 론 62
• 참고문헌 65
• ABSTRACT 72