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Title Page

Abstract

Contents

Nomenclature 17

CHAPTER 1. Introduction 19

1.1. Background 19

1.2. Literature review 24

1.2.1. Study on microchannel heat exchanger 24

1.2.2. Study on PCHE 28

1.3. Objectives and organizations 30

CHAPTER 2. Microchannel Printed Circuit Heat Exchanger 32

2.1. Micro photo-etching and diffusion bonding 32

2.1.1. Micro photo-etching 32

2.1.2. Diffusion bonding 35

2.2. Microchannel PCHE design and scrutiny 37

2.2.1. Design and scrutiny of microchannel metal-sheets 37

2.2.2. Fabrication of microchannel PCHE 44

CHAPTER 3. Numerical Analysis of Microchannel PCHE 47

3.1. Numerical method and algorithm 47

3.1.1. Introduction 47

3.1.2. Governing equations 47

3.2. Numerical calculation methods 54

3.2.1. Numerical models 54

3.2.2. Approach and assumption 57

3.3. Numerical results 63

3.3.1. Mesh dependency investigation 63

3.3.2. Simulation results for heat transfer 64

3.3.3. Simulation results for pressure drop 76

3.4. Comparison of performance for heat transfer and pressure drop 83

CHAPTER 4. Experimental Setup and Test Conditions 89

4.1. Experimental setup 89

4.1.1. Experimental apparatus 89

4.1.2. Measuring equipment on the hot side and cold side loops 91

4.2. Test conditions 96

4.3. Inside wall temperature measurements 104

4.4. Data reduction 107

4.5. Uncertainty analysis 112

CHAPTER 5. Experimental Results 114

5.1. Heat transfer rate on microchannel configurations 114

5.1.1. Same Reynolds numbers of the hot and cold sides 114

5.1.2. Fixed Reynolds number of cold side 122

5.1.3. Inside wall temperature on microchannel PCHE 128

5.2. Heat transfer coefficient on microchannel configurations 134

5.2.1. Modified Wilson plot method 134

5.2.2. Heat transfer coefficient of cold side 139

5.2.3. Heat transfer coefficient of hot side 141

5.2.4. Water-to-water heat transfer coefficient 143

5.3. Pressure drop on microchannel configurations 148

5.3.1. Pressure drop of each configuration 148

5.3.2. Friction factor 155

5.4. Performance evaluation 159

CHAPTER 6. Conclusions 163

6.1. Numerical simulations 163

6.2. Experimental Results 165

References 168

Appendix 175

Appendix A. Uncertainty Analysis 175

Appendix B. Numerical Simulation Analysis 180

Appendix C. Correlation Analysis 182

Appendix D. PCHE of Louver Microchannel 185

Appendix E. PCHE of Dimple Microchannel 194

Abstract (In Korean) 203

List of tables

Table 1. Dimension and heat transfer performance of micro heat exchanger 26

Table 3.1. Specifications of the metal sheet with microchannels 54

Table 3.2. Properties of the working fluid and material 62

Table 3.3. Heat transfer enhancement ratio and pressure drop ratio for the various microchannel configurations 87

Table 4.1. Specifications of thermocouples 91

Table 4.2. Specifications of magnetic gear pump 92

Table 4.3. Specifications of flow meter. 93

Table 4.4. Specifications of pressure transducers 94

Table 4.5. Specifications of data acquisition unit 95

Table 4.6. Specifications of experimental parameters 102

Table 4.7. Uncertainties for all experimental data 113

Table 5.1. Correlations of cold-side heat transfer coefficient for 4 configurations of PCHE with microchannels 139

Table 5.2. Correlations of hot-side heat transfer coefficient for 4 configurations of PCHE with microchannels 142

Table 5.3. Correlations of water-to-water heat transfer coefficient for 4 configurations of PCHE with microchannels 145

Table 5.4. Correlations of f factor for all PCHEs with microchannels 156

List of figures

Fig. 1.1. The relative size of a PCHE versus a Shell & Tube exchanger 20

Fig. 1.2. Overview of compact heat transfer surfaces, adapted from shah (1983) 22

Fig. 1.3. Temperature and pressure capability for a PCHE 23

Fig. 2.1. Micro photo-etching processes 34

Fig. 2.2. The illustration of boding process for the mechanism of diffusion bonding by Sue Dunkerton (1985) 36

Fig. 2.3. Configuration of the micro heat exchanger 40

Fig. 2.4. Cross-sectional view of the layers of metal sheets 41

Fig. 2.5. Drawings of failed design of metal sheets with microchannels 41

Fig. 2.6. Drawing of a successful design of metal sheets with microchannels 41

Fig. 2.7. The hot- and cold-side metal sheets with the straight microchannels 42

Fig. 2.8. Configuration of the metal sheet with straight microchannels 43

Fig. 2.9. Stacked metal sheets for hot and cold sides 44

Fig. 2.10. PCHE core with microchannels 44

Fig. 2.11. Cross-sectional view of PCHE with microchannels fabricated the diffusion bonding method 45

Fig. 2.12. A PCHE with microchannels fabricated using the diffusion bonding method 46

Fig. 3.1. Flow chart of SIMPLEC algorithm 52

Fig. 3.2. Iterative convergence procedure. For steady problems, the maximum iteration number is limited by NITER. The time is controlled by NSTEP. 53

Fig. 3.3. Process diagram of CFD-ACE+ 53

Fig. 3.4. Schematic of suggested shapes 55

Fig. 3.5. CFD models of the microchannel in the metal sheets 60

Fig. 3.6. A projected plane and a cross-sectional view of the microchannel PCHE 61

Fig. 3.7. Boundary conditions of the CFD models 62

Fig. 3.8. Grid dependency test for the straight microchannel 63

Fig. 3.9. Effective heat flux vs. Reynolds number for the counter and parallel flows in the straight microchannels 64

Fig. 3.10. Velocity and temperature distributions for the straight microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 65

Fig. 3.11. Effective heat flux vs. Reynolds number for the herringbone and wavy microchannels 67

Fig. 3.12. Velocity distributions for the herringbone and wavy microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 67

Fig. 3.13. Temperature distributions for the herringbone and wavy microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 68

Fig. 3.14. Velocity contours for the herringbone and wavy microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 68

Fig. 3.15. Effective heat flux vs. Reynolds number for the offset strip fin and beehive microchannels 70

Fig. 3.16. Velocity distributions for the offset strip fin and beehive microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 70

Fig. 3.17. Temperature distributions for the offset strip fin and beehive microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 71

Fig. 3.18. Velocity contours for the offset strip fin and beehive microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 71

Fig. 3.19. Effective heat flux vs. Reynolds number for the rough surf and smooth surf microchannels 73

Fig. 3.20. Velocity distributions for the surf microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 74

Fig. 3.21. Temperature distributions for the smooth and rough surf microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 74

Fig. 3.22. Velocity contours for the smooth and rough surf microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 75

Fig. 3.23. Pressure drop vs. Reynolds number for the straight microchannel 79

Fig. 3.24. Pressure distributions for the straight microchannel (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 79

Fig. 3.25. Pressure drop vs. Reynolds number for the herringbone and wavy microchannels 80

Fig. 3.26. Pressure distributions for the herringbone and wavy microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 80

Fig. 3.27. Pressure drop vs. Reynolds number for the offset strip fin and beehive microchannels 81

Fig. 3.28. Pressure distributions for the offset strip fin and beehive microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 81

Fig. 3.29. Pressure drop vs. Reynolds number for the rough and smooth surf microchannels 82

Fig. 3.30. Pressure distributions for the rough and smooth surf microchannels (Reh＝500, Th＝40℃/Tc＝20℃, Counter flow)(이미지참조) 82

Fig. 3.31. Effective heat flux vs. Reynolds number for the various microchannel configurations 85

Fig. 3.32. Pressure drop vs. Reynolds number for the various microchannel configurations 85

Fig. 3.33. Heat transfer enhancement ratio with Reynolds number for the various microchannel configurations 88

Fig. 3.34. Pressure drop ratio with Reynolds number for the various microchannel configurations 88

Fig. 4.1. Schematic diagram and photograph of experimental apparatus 90

Fig. 4.2. T-type thermocouples with T-union 91

Fig. 4.3. Magnetic gear pumps with the drive controller of DC motor 92

Fig. 4.4. Measuring equipment of flow rate. 93

Fig. 4.5. Measuring equipment of pressure drop 94

Fig. 4.6. Data acquisition system 95

Fig. 4.7. A drawing of a hot-side metal sheet with wavy microchannels 97

Fig. 4.8. Photos of the metal sheet with wavy microchannels 97

Fig. 4.9. A drawing of a hot-side metal sheet with beehive microchannels 98

Fig. 4.10. Photos of the metal sheet with beehive microchannels 98

Fig. 4.11. A drawing of a hot-side metal sheet with surf microchannels 99

Fig. 4.12. Photos of the metal sheet with surf microchannels 99

Fig. 4.13. Microscope photos of the microchannel configurations 100

Fig. 4.14. Stacked layers of the PCHE cores 102

Fig. 4.15. Unified PCHEs with microchannels 103

Fig. 4.16. Photograph of the micro-thermocouple metal sheet 105

Fig. 4.17. Implant position of the micro-thermocouple metal sheet 105

Fig. 4.18. Specifications of micro-thermocouple 106

Fig. 4.19. Heat exchanger temperature profiles 109

Fig. 5.1. Heat transfer rate for the PCHEs with microchannels (Rehot＝Recold)(이미지참조) 116

Fig. 5.2. Comparison of heat transfer rates for all PCHEs with microchannels (Rehot＝Recold)(이미지참조) 117

Fig. 5.3. Heat transfer performance for the PCHEs with microchannels (Rehot＝Recold)(이미지참조) 120

Fig. 5.4. Heat transfer performance for all PCHEs with microchannels (Rehot＝Recold)(이미지참조) 121

Fig. 5.5. Heat transfer rate for the PCHEs with microchannels 123

Fig. 5.6. Comparison of heat transfer rates for all PCHEs with microchannels (Recold＝350)(이미지참조) 124

Fig. 5.7. Heat transfer performance for the PCHEs with microchannels (Rehot＝Recold)(이미지참조) 126

Fig. 5.8. Comparison of heat transfer performance for all PCHEs with microchannels (Recold＝350)(이미지참조) 127

Fig. 5.9. Inside wall temperature for PCHE with the straight microchannel (Rehot＝ Recold)(이미지참조) 129

Fig. 5.10. Inside wall temperature for PCHE with the wavy microchannel (Rehot＝Recold)(이미지참조) 129

Fig. 5.11. Inside wall temperature for PCHE with the beehive microchannel (Rehot＝Recold)(이미지참조) 130

Fig. 5.12. Inside wall temperature for PCHE with the surf microchannel (Rehot＝Recold)(이미지참조) 130

Fig. 5.13. Inside wall temperature for all PCHEs with microchannels (Rehot＝Recold, Hot/Cold＝3/4)(이미지참조) 132

Fig. 5.14. Inside wall temperature at measurement position of #3 (Hot/Cold＝3/4) 133

Fig. 5.15. Modified Wilson plot method flow diagram 138

Fig. 5.16. Typical modified Wilson plot results for the calibration of cold-side heat transfer coefficient 140

Fig. 5.17. Comparison between suggested correlations and experimental data for hot-side heat transfer coefficients 142

Fig. 5.18. Comparison between hot/cold side correlations and newly proposed water-to-water heat transfer coefficient correlations 146

Fig. 5.19. Effect of Reynolds number on heat transfer coefficient for 4 PCHEs with microchannels 146

Fig. 5.20. Variation of Nusselt number with Reynolds numbers for the PCHEs with microchannels 147

Fig. 5.21. Comparison of the heat transfer enhancement ratio for the PCHEs with microchannels 147

Fig. 5.22. Pressure drop vs. Reynolds number for the PCHEs with microchannels 150

Fig. 5.23. Effect of Reynolds number on pressure drop per the number of stacked layers for the PCHEs with microchannels 151

Fig. 5.24. Comparison of pressure drop for all PCHEs with microchannels 154

Fig. 5.25. Comparison of pressure drop per the number of stacked layer for all PCHEs with microchannels 154

Fig. 5.26. Comparison of friction factor correlation and experimental data for the PCHEs with microchannels 156

Fig. 5.27. Comparison of friction factor correlation for all PCHEs with microchannels 158

Fig. 5.28. Comparison of performance factor for the PCHEs with the diversely microchannel shapes 162

초록보기

본 연구는 마이크로 포토에칭과 확산접합으로 제작된 소형 및 경량화된 고효율 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기의 성능 평가 및 설계 기술을 확보하는 것이 주목적이다. 최근 전자 및 기계장치들의 크기가 작아지면서 국부적으로 고발열이 야기되어 이에 대한 냉각 연구가 절실히 요구되고 있다. 마이크로채널과 확산접합을 이용한 인쇄기판형 열교환기의 열유동 연구를 통해 기존의 상용 열교환기에 비하여 고효율, 고성능의 소형 및 경량화 된 열교환기 설계 및 제작 기술은 에너지 효율 향상에 있어 필수적이다.

소형, 경량의 고효율 열교환기 기술개발의 일환으로 MEMS 공정의 하나인 마이크로 포토에칭 기술을 이용하여 마이크로채널 형상의 금속박판을 제작하고 3차원 전산해석을 수행하여 중요 형상 인자를 최적화하였다. 최적화된 마이크로채널 형상을 적용하여 금속박판을 제작하고 이를 적층하여 확산접합 기술로 소형, 경량의 일체형 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기를 제작하였다. 상용 제품 수준의 인쇄기판형 열교환기 제작 방법을 모색하고 실제 제작, 실험을 통해 제작 방법의 타당성을 확인하였다. 열전달 및 압력강하 특성을 분석하여 마이크로 채널 중요 형상 인자에 따른 상관식을 개발하고 성능을 평가하여 설계 자료로 제공하고 기술을 확보하고자 한다.

금속박판에 적용될 수 있는 직관, 파형, 옵셋 스트립 핀, Beehive, Surf 마이크로채널을 설계 및 모델링하여 전산해석을 수행하였다. 유동, 열전달, 압력강하 특성 결과로부터 압력강하를 최소화하면서 높은 열전달 성능을 얻을 수 있는 형상을 제안하였다. 기초 성능비교로 사용되는 직관 마이크로채널과 웨이비 마이크로채널, Beehive 마이크로채널, 매끄러운 Surf 마이크로채널을 선택하여 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기의 제작 및 설계에 적용하였다. 직관 마이크로채널, 웨이브 마이크로채널, Beehive 마이크로채널, Surf 마이크로채널을 가지는 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기에 대해 입구온도와 고온/저온측의 레이놀즈수를 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 고온측 입구온도는 40℃~50℃, 저온측 입구온도는 20℃로 고정하였고, 레이놀즈수의 범위는 100~700, 금속박판의 적층수는 고온/저온측 적층수가 3/4와 5/6장일 때 실험을 수행하였다. 고온측과 저온측의 작동유체는 정제수를 사용하였으며, 유동은 대향류 조건에서 실험을 수행하였다.

고온측과 저온측 레이놀즈수 변화에 따른 열전달률과 압력강하를 측정하였다. 열전달 성능은 총괄열전달계수와 각 형상의 전열면적의 곱으로 나타내었으며 마이크채널의 고온측과 저온측 열전달 계수는 Modified Wilson Plot 기법을 사용하여 계산하였다. 웨이브 마이크로채널이 가장 높은 고온측 열전달계수를 나타내었고, Surf>Beehive>Straight 마이크로채널 순이었다. 웨이브, Beehive, Surf 마이크로채널은 레이놀즈수가 증가할수록 열전달계수도 크게 증가하였다. Nu수는 직관 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기와 비교하여 웨이브 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기가 최대 1.7배까지 상승하며, Beehive 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기는 최대 1.4배, Surf 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기는 최대 1.5배까지 상승하였다. 마찰계수는 직관 마이크로채널과 비교하여 웨이브 마이크로채널의 경우 약 1.9~5.9배, Beehive 마이크로채널의 경우 약 1.6~2.3배, Surf채널의 경우 약 1.1∼3.1배 정도 더 높았다. 압력강하량에서는 웨이브 마이크로채널이 가장 높고 직관, Beehive, Surf 마이크로채널은 유사한 경향을 나타내었지만, 마찰계수에서는 웨이브, Surf, Beehive, 직관 마이크로채널 순이었다.

최종적으로, 열전달 상관식과 마찰계수 상관식을 종합적으로 판단하여 각 형상에 대한 성능계수를 평가하였다. 마이크로채널 PCHE의 성능 계수로부터 제안된 Beehive, Surf 마이크로채널은 모두 웨이브 마이크로채널보다 매우 높은 성능계수를 나타내었다. 이는 파형채널의 경우 우수한 열전달 성능을 나타냈지만 압력강하도 매우 높은 결과를 나타내었기 때문이다. 비교적 낮은 레이놀즈수에서는 직관 마이크로채널 인쇄기판형 열교환기가 우수한 성능계수를 나타내고 있지만, 레이놀즈수가 증가할수록 제안된 마이크로채널 형상들이 우수한 성능을 나타냈으며, Surf 마이크로채널이 우수한 형상임을 확인하였다.

마이크로채널 인쇄기판형 열교환기의 적용분야는 냉난방시스템의 증발기/응축기, 연료전지 냉각시스템, 자동차의 증발기 및 라디에이터, 화학 반응용 콤팩트 열교환기, 의료기기의 냉각, 고열유속 핵발전 열교환기, 고발열 정보 통신 장비들의 냉각기, 극저온 열교환기 등 매우 다양하다. 본 연구를 바탕으로 초소형 크기의 열교환기를 사용하여 기존의 냉각방식의 단점을 최소화하고 냉각성능을 개선시킬 수 있는 냉각시스템을 개발할 수 있으리라 기대할 수 있다.

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