Abstract
In electric commuter trains using AC motors, lots of GTO thyristors and diodes are needed for power controls. These semiconductors generate heat about 1~2 kW, and for cooling which perfluorocarbon(PFC) heat pipes have been in use for the last two decades. The present study was investigated on the effects of such important design parameters as structure of internal surface (grooved or smooth), fill charge ratio, and inclinating angle from a vertical on heat transfer coefficients at both evaporators and condensers. To obtain experimental data, several heat pipes of the same geometry of 520 mm long and diameter of 15.88 mm but different in fill charge ratio and internal surface structure were designed and fabricated. For prediction of the heat transfer coefficients, related expressions were examined and the results of calculations were compared with experimental data. Performance tests were conducted while heat pipes operated at mode of thermosyphons. High enhancements of heat transfer coefficient were obtained internal grooves. In these cases, the evaporating heat transfer coefficients distributed in the range of 2~5.5 kW/$m^2$K, with an increase of heat flux from 15~45 kW/$m^2$. These experimental data were in good agreement with Rohsenow's expression based on nucleate boiling when correction factor $C_R$=1.3 was encountered. In addition, the condensation heat transfer coefficients were distributed from 1.5 to 3.5 kW/$m^2$K, and the data were in good agreements with Nusselt's correlation, based on filmwise condensation on vertical plate, when choosing a correction factor $C_N=4$. A fill charge ratio of 40~100% were recommended, and the in clination angle effects were negligible when the angle was higher then 30$^{\circ}$.
전기 철도 차량의 A.C 모터 속도제어에는 여러 개의 GTO thyristor와 다이오드가 필요하다. 그런데 이러한 반도체 소자들은 약 1~2 kW의 열을 발생하기 때문에 냉각장치가 필요하며 이러한 반도체의 냉각에는 Perfluorocarbon(PFC)을 작동유체로 하는 히트파이프를 많이 사용하고 있다. 본 연구에서는 PFC 히트파이프의 증발 및 응축 열전달 계수에 미치는 관련변수로 주입율, 관의 내부 표면상태, 경사각, 증기압, 열유속 등의 영향을 파악하고, 열전달 계수를 예측할 수 있는 상관식을 제시하고자 하였다. 이를 위해 내부 표면에 그루브가 설치된 동관과 표면이 매끈한 외경 15.88mm인 동관을 이용하여 주입율이 다른 총 길이 520mm의 PFC 히트파이프와 열사이폰을 제작하고 실험을 수행하였다. 증발 열전달 계수는 열유속 15~45 kW/$m^2$의 범위일 때 2 kW/$m^2$K~5.5 kW/$m^2$K 사이의 분포를 보였다. 실험결과는 수정계수 CR=1.3을 적용할 때 Rohsenow의 핵비등 상관식과 실험치가 매우 접근된 결과를 보였으며 이러한 결과는 내부 벽면 그루브의 열전달 촉진효과이다. 응축 열전달 계수의 측정치는 1.5kW/$m^2$K~3.5kW/$m^2$K 사이의 분포를 보였으며 Nusselt 막응축 모델에 수정계수 CN=4를 도입함으로써 매우 접근된 예측이 가능하였다. 증발부 체적에 대한 작동유체 주입율은 40~100%의 범위가 적절하였다. 그리고 30$^{\circ}$이상의 경사각에서는 경사각의 영향이 미소하였다.
