In this paper, the study conducted a study on a method for enhancing the heat transfer performance of a phase change material and a study for applying a thermal management device. Heat transfer enhancement of the phase change material can maximize the use of latent heat energy in narrow temperature range. First, bubbles driven flow, nanoparticles, combinations method of bubble driven flow and nanoparticles, and encapsulation methods were studied to enhance the heat transfer performance of the phase change material. The bubble driven flow increased the convective heat transfer coefficient by 1.3 to 2.4 times and decreased the thermal resistance by 15%. Thermal conductivity was increased by up to 5.7% by nanoparticles. The combination of nanoparticles and bubble driven flow improves heat transfer performance with complementary effects. A study was also conducted to analyze the heat transfer characteristics of phase change materials and apply them to thermal management devices. In this study, experimental studies and numerical analysis studies were conducted in parallel. In addition, the performance of phase change materials and thermal management devices was evaluated in detail using visualization techniques such as particle image velocimetry (PIV), laser induced fluorescence (LIF), shdowgraphy. The performance of the thermal management system was improved by application of phase change materials with heat transfer enhancement methods to battery thermal management system (BTMS), Latent heat thermal energy storage (LHTES), PCM wall device, etc. The flow rate of the latent heat energy storage system increased by 6.38 times, the thermal stratification was completely resolved, and the charging time was reduced by 35%. PCM wall devices transmit 30% less energy and store 14% more energy inside.
본 논문에서는 상변화물질(PCM)의 열전달 성능을 향상시키기 위한 방법에 대한 연구와 열관리장치 적용을 위한 연구를 수행하였다. 상변화물질의 열전달 향상은 좁은 온도 범위에 서의 잠열 에너지 사용을 극대화할 수 있다. 먼저 상변화물질의 열전달 성능을 향상시키기 위해 기포 구동 흐름, 나노입자, 기포 구동 흐름과 나노입자의 조합 방법, 캡슐화 방법 등을 연구하였다. 버블 구동 흐름은 대류 열전달 계수를 1.3~2.4배 증가시키고 열저항을 15% 감소시켰다. 또한, 나노입자에 의해 열전도도가 최대 5.7% 증가하였다. 나노 입자와 버블구동 흐름의 조합은 보완 효과와 함께 열 전달 성능을 향상시킨다. 상변화물질의 열전달 특성을 분석하여 열관리장치에 적용하기 위한 연구도 진행되었다. 본 연구에서는 실험연구와 수치해석 연구를 병행하였다. 또한 입자영상속도측정(PIV), 레이저유도형광(LIF), shdowgraphy 등의 시각화 기법을 이용하여 상변화물질 및 열관리소자의 성능을 상세하게 평가하였다. 열전달 강화법을 적용한 상변화물질을 배터리 열관리시스템(BTMS), 잠열 에너지 저장장치(LHTES), PCM 벽체 등에 적용하여 열관리시스템의 성능을 향상시켰다. 잠열 에너지 저장 시스템의 유량은 6.38배 증가하였고, 열층화는 완전히 해소되었으며 충전 시간은 35% 단축되었다. PCM 벽면 장치는 에너지를 30% 적게 전달하고 내부에 14% 더 많은 에너지를 저장하였다.