전자시스템의 냉각에서 충돌제트를 적용한 전열제어특성에 관한 연구 (A) Study on the Characteristics of Heat Transfer Control in case of Applying Impinging Jet in the Cooling of an Electric System원문보기
최근의 전자장비시스템은 기계기술과 전자기술의 비약적인 발전과 사용자의 요구 등으로 인하여 그 성능이 고성능화되고 있는 추세이다. 이에 비례하여 전자장비시스템 각 요소의 발열량은 점점 높아가고 있으며, 이에 대한 적절한 대책이 요구되고 있다. 일반적으로 전자장비의 구성요소들은 원활한 동작을 위한 최적의 온도와 시스템의 과부화의 원인이 되는 한계온도값을 가지고 있으며 이를 적절히 제어하지 못하면 시스템의 오작동은 물론 시스템을 구성하는 부품의 파손에 이르러 결국 시스템을 사용하지 못하는 경우도 있다. 주위에서 흔히 접하는 전자장비시스템의 하나인 컴퓨터를 살펴보면, 관련업계의 지속적인 노력으로 중앙연산처리장치(...
최근의 전자장비시스템은 기계기술과 전자기술의 비약적인 발전과 사용자의 요구 등으로 인하여 그 성능이 고성능화되고 있는 추세이다. 이에 비례하여 전자장비시스템 각 요소의 발열량은 점점 높아가고 있으며, 이에 대한 적절한 대책이 요구되고 있다. 일반적으로 전자장비의 구성요소들은 원활한 동작을 위한 최적의 온도와 시스템의 과부화의 원인이 되는 한계온도값을 가지고 있으며 이를 적절히 제어하지 못하면 시스템의 오작동은 물론 시스템을 구성하는 부품의 파손에 이르러 결국 시스템을 사용하지 못하는 경우도 있다. 주위에서 흔히 접하는 전자장비시스템의 하나인 컴퓨터를 살펴보면, 관련업계의 지속적인 노력으로 중앙연산처리장치(CPU)의 고성능화가 이루어지고 있으며, 이에 비례하여 발열량도 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 발열량의 증가에 비례하여 온도상승을 제어하기 위한 팬의 크기가 점점 대형화되고 있는 추세이다. 종래에 사용된 냉각시스템은 팬과 방열판을 조합한 형태였다. 하지만 기존의 이러한 냉각시스템으로는 높아진 발열량에 따른 온도제어를 할 수 있는 한계점에 이르러 최근에는 2개의 쿨링팬을 장착한 타워형과 같이 기존의 냉각방식과 다른 제품도 출시되고 있다. 하지만 이러한 제품은 냉각문제해결에는 좋은 효과를 보이지만, 냉각에만 주목적을 둔 나머지 두 개의 팬이 동시에 작동하여 발생하는 소음이 단점으로 지적되고 있다. 현재 전자부품구성에서 열적설계 관점에서 보면 부품의 고밀접화에 따라 시스템의 내부온도 배출을 위한 냉각유로공간의 협소화로 인하여 전자장비시스템내부의 전체적인 온도가 상승하고 있다. 최근에 CPU의 온도 제어를 위해 출시되는 다양한 쿨러의 크기와 성능은 종래와 비교할 수 없을 정도로 향상되었다. 하지만 발열문제와 소음문제 두 가지를 동시에 만족하기는 상당히 까다로운 조건이 되고 있다. 충돌제트(Impinging Jet)는 충돌면에서의 높은 열 및 물질전달율로 냉각, 건조등 넓은 공업적 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어 제철공정에서의 냉각, 유리의 템퍼링, 터어빈 블레이드 냉각, 종이 필름의 건조 등에 충돌제트가 이용되고 있다. 특히 제품 생산 공정에서의 응용은 제품의 품질을 크게 좌우하기 때문에 이와 관련된 충돌제트의 연구는 매우 중요하다. 최근에는 대규모집적회로(VLSI)의 발달과 함께 반도체 제품의 냉각을 위하여 충돌제트가 이용되기도 한다. 또한 제트 충돌 냉각은 냉각 위치의 조절이 용이하고 국소적으로 아주 높은 열전달 효과를 나타내며, 하류에서 벽면 제트를 형성하여 추가적인 냉각효과를 가지기 때문에 터빈 블레이드 선단의 냉각, 전자 장비의 냉각, 종이 건조, 유리 제조등의 생산공정에서 다른 공정에 영향을 주지 않고 국소적인 열처리가 필요한 공정에서 사용되고 있다. 본 연구에서는 전자장비시스템에서의 효과적인 전열제어를 위하여 국소적으로 높은 열·물질전달 효과를 획득할 수 있는 충돌제트의 전열특성과 유동특성을 수치해석적인 방법과 실험적인 방법으로 고찰하였다. 본 연구는 충돌제트의 중요한 변수인 레이놀즈수와 노즐과 충돌판사이의 거리 그리고 다양한 노즐의 형상을 범위로 하였다 연구 결과 Re=6000 인 경우가 가장 효과적인 결과를 보였으며 노즐과 충돌판사이의 거리비는 6인 경우가 전열해석과 유동해석 결과 효율적인 배치였다. 본 연구에서 고려한 충돌제트냉각방식을 전자장비 시스템에 적용하면 부가적인 장치의 필요없이 효과적인 전열제어를 할 수 있을 것이라고 판단된다.
최근의 전자장비시스템은 기계기술과 전자기술의 비약적인 발전과 사용자의 요구 등으로 인하여 그 성능이 고성능화되고 있는 추세이다. 이에 비례하여 전자장비시스템 각 요소의 발열량은 점점 높아가고 있으며, 이에 대한 적절한 대책이 요구되고 있다. 일반적으로 전자장비의 구성요소들은 원활한 동작을 위한 최적의 온도와 시스템의 과부화의 원인이 되는 한계온도값을 가지고 있으며 이를 적절히 제어하지 못하면 시스템의 오작동은 물론 시스템을 구성하는 부품의 파손에 이르러 결국 시스템을 사용하지 못하는 경우도 있다. 주위에서 흔히 접하는 전자장비시스템의 하나인 컴퓨터를 살펴보면, 관련업계의 지속적인 노력으로 중앙연산처리장치(CPU)의 고성능화가 이루어지고 있으며, 이에 비례하여 발열량도 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 발열량의 증가에 비례하여 온도상승을 제어하기 위한 팬의 크기가 점점 대형화되고 있는 추세이다. 종래에 사용된 냉각시스템은 팬과 방열판을 조합한 형태였다. 하지만 기존의 이러한 냉각시스템으로는 높아진 발열량에 따른 온도제어를 할 수 있는 한계점에 이르러 최근에는 2개의 쿨링팬을 장착한 타워형과 같이 기존의 냉각방식과 다른 제품도 출시되고 있다. 하지만 이러한 제품은 냉각문제해결에는 좋은 효과를 보이지만, 냉각에만 주목적을 둔 나머지 두 개의 팬이 동시에 작동하여 발생하는 소음이 단점으로 지적되고 있다. 현재 전자부품구성에서 열적설계 관점에서 보면 부품의 고밀접화에 따라 시스템의 내부온도 배출을 위한 냉각유로공간의 협소화로 인하여 전자장비시스템내부의 전체적인 온도가 상승하고 있다. 최근에 CPU의 온도 제어를 위해 출시되는 다양한 쿨러의 크기와 성능은 종래와 비교할 수 없을 정도로 향상되었다. 하지만 발열문제와 소음문제 두 가지를 동시에 만족하기는 상당히 까다로운 조건이 되고 있다. 충돌제트(Impinging Jet)는 충돌면에서의 높은 열 및 물질전달율로 냉각, 건조등 넓은 공업적 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어 제철공정에서의 냉각, 유리의 템퍼링, 터어빈 블레이드 냉각, 종이 필름의 건조 등에 충돌제트가 이용되고 있다. 특히 제품 생산 공정에서의 응용은 제품의 품질을 크게 좌우하기 때문에 이와 관련된 충돌제트의 연구는 매우 중요하다. 최근에는 대규모집적회로(VLSI)의 발달과 함께 반도체 제품의 냉각을 위하여 충돌제트가 이용되기도 한다. 또한 제트 충돌 냉각은 냉각 위치의 조절이 용이하고 국소적으로 아주 높은 열전달 효과를 나타내며, 하류에서 벽면 제트를 형성하여 추가적인 냉각효과를 가지기 때문에 터빈 블레이드 선단의 냉각, 전자 장비의 냉각, 종이 건조, 유리 제조등의 생산공정에서 다른 공정에 영향을 주지 않고 국소적인 열처리가 필요한 공정에서 사용되고 있다. 본 연구에서는 전자장비시스템에서의 효과적인 전열제어를 위하여 국소적으로 높은 열·물질전달 효과를 획득할 수 있는 충돌제트의 전열특성과 유동특성을 수치해석적인 방법과 실험적인 방법으로 고찰하였다. 본 연구는 충돌제트의 중요한 변수인 레이놀즈수와 노즐과 충돌판사이의 거리 그리고 다양한 노즐의 형상을 범위로 하였다 연구 결과 Re=6000 인 경우가 가장 효과적인 결과를 보였으며 노즐과 충돌판사이의 거리비는 6인 경우가 전열해석과 유동해석 결과 효율적인 배치였다. 본 연구에서 고려한 충돌제트냉각방식을 전자장비 시스템에 적용하면 부가적인 장치의 필요없이 효과적인 전열제어를 할 수 있을 것이라고 판단된다.
The researcher inquired into the ratio of distance among, Reynolds numbers, nozzle and impingement plate, and nozzle configuration with the help of a numerical method and an experimental method with a view to making study of the characteristics of heat transfer control in a system applying an imping...
The researcher inquired into the ratio of distance among, Reynolds numbers, nozzle and impingement plate, and nozzle configuration with the help of a numerical method and an experimental method with a view to making study of the characteristics of heat transfer control in a system applying an impinging jet. The researcher depended on FLUENT, or the thermal fluid commercial code for the cause of numerical interpretation, relying on the non-contract measurement method in terms of an experimental method. As far as a measuring method is concerned, the researcher used the infrared thermal image processing system for the thermal field analysis, counting on PIV for the benefit of the flow filed analysis. As far as the conditions of numerical analysis and the conditions of the experiment are concerned, the Reynolds numbers range from Re=1500 to Re=7500. The distance(H) between the nozzle and the impingement plate was examined in relation to the range H/D 2, 4, 6, 8, and 10 on the basis of the diameter of nozzle outlets. The nozzle configuration was examined in relation to the sharp type nozzle and the square type nozzle. The ratio of distance among Reynolds numbers, nozzles and the impingement plates was examined in relation to H/D=6 and two nozzle configuration. In terms of the nozzle configuration, the sharp edge and the type nozzle were comparatively examined in relation to 30℃, 45℃, 60℃ and 75℃ on the basis of the outlet angles and the ratio of distance(H/D)=6. As a result, the researcher has come to the following conclusions. 1. The survey of the Reynolds numbers shows that the more the velocity increases, the more lowly the temperature distribution of the impingement plate turns out to be. The range from Re=1500 to Re=3000 leaves something to be desired as the range of the Reynolds numbers for the cooling effect of the impingement plates. The range over Re=6000 shows few changes in the cooling efficiency of the impingement plate. In terms of the efficiency of energy Re=6000 is the most appropriate conditions. 2. The range from 2 to 4 in terms of the ratio of distance(H/D) between the nozzle and the impingement plate shows the locally cooling effect of the middle part of the impingement plate. H/D=6 is a favorable arrangement for the even cooling effect of the whole impingement plate. The ratio of distance over H/D=6 shows a decrease in cooling efficiency. In the area of the free jet, up to H/D=4 on the basis of Re=6000, the potential core is maintained. In the range more than that, on the basis of Re=1500 to Re=4500, the potential core decreased. 4. If the ratio of distance between the nozzle and the impingement plate is more than 6, the range of the ratio of distance fails to influence the area of impingement in terms of velocity gushing out of the nozzle due to the distorting phenomenon of the main fluid jet. 5. In case of the nozzle configuration, the potential core of the square type nozzle is more highly distributed than the sharp type nozzle, which leads to a low distribution of temperature on the impingement plate. 6. If the impingement jet is applied to the electronic-equipment system, the system is expected to display the effect of high heat transfer without any additional equipment besides the established equipment designed for the heat transfer control of the system components.
The researcher inquired into the ratio of distance among, Reynolds numbers, nozzle and impingement plate, and nozzle configuration with the help of a numerical method and an experimental method with a view to making study of the characteristics of heat transfer control in a system applying an impinging jet. The researcher depended on FLUENT, or the thermal fluid commercial code for the cause of numerical interpretation, relying on the non-contract measurement method in terms of an experimental method. As far as a measuring method is concerned, the researcher used the infrared thermal image processing system for the thermal field analysis, counting on PIV for the benefit of the flow filed analysis. As far as the conditions of numerical analysis and the conditions of the experiment are concerned, the Reynolds numbers range from Re=1500 to Re=7500. The distance(H) between the nozzle and the impingement plate was examined in relation to the range H/D 2, 4, 6, 8, and 10 on the basis of the diameter of nozzle outlets. The nozzle configuration was examined in relation to the sharp type nozzle and the square type nozzle. The ratio of distance among Reynolds numbers, nozzles and the impingement plates was examined in relation to H/D=6 and two nozzle configuration. In terms of the nozzle configuration, the sharp edge and the type nozzle were comparatively examined in relation to 30℃, 45℃, 60℃ and 75℃ on the basis of the outlet angles and the ratio of distance(H/D)=6. As a result, the researcher has come to the following conclusions. 1. The survey of the Reynolds numbers shows that the more the velocity increases, the more lowly the temperature distribution of the impingement plate turns out to be. The range from Re=1500 to Re=3000 leaves something to be desired as the range of the Reynolds numbers for the cooling effect of the impingement plates. The range over Re=6000 shows few changes in the cooling efficiency of the impingement plate. In terms of the efficiency of energy Re=6000 is the most appropriate conditions. 2. The range from 2 to 4 in terms of the ratio of distance(H/D) between the nozzle and the impingement plate shows the locally cooling effect of the middle part of the impingement plate. H/D=6 is a favorable arrangement for the even cooling effect of the whole impingement plate. The ratio of distance over H/D=6 shows a decrease in cooling efficiency. In the area of the free jet, up to H/D=4 on the basis of Re=6000, the potential core is maintained. In the range more than that, on the basis of Re=1500 to Re=4500, the potential core decreased. 4. If the ratio of distance between the nozzle and the impingement plate is more than 6, the range of the ratio of distance fails to influence the area of impingement in terms of velocity gushing out of the nozzle due to the distorting phenomenon of the main fluid jet. 5. In case of the nozzle configuration, the potential core of the square type nozzle is more highly distributed than the sharp type nozzle, which leads to a low distribution of temperature on the impingement plate. 6. If the impingement jet is applied to the electronic-equipment system, the system is expected to display the effect of high heat transfer without any additional equipment besides the established equipment designed for the heat transfer control of the system components.
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