전자 제품에 사용되는 반도체 칩은 열에 대하여 높은 민감도를 가지고 있어 작동 온도의 증가에 따라 칩의 고장 가능성이 크게 증가한다. 따라서 전자 장치의 지속적인 성능과 안전성을 보장하기 위하여 적절한 열관리 기술의 적용은 필수적이며, 효율적인 열관리를 위한 방법 중 하나로 나노유체를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자성유체는 나노유체의 일종으로 외부 ...
전자 제품에 사용되는 반도체 칩은 열에 대하여 높은 민감도를 가지고 있어 작동 온도의 증가에 따라 칩의 고장 가능성이 크게 증가한다. 따라서 전자 장치의 지속적인 성능과 안전성을 보장하기 위하여 적절한 열관리 기술의 적용은 필수적이며, 효율적인 열관리를 위한 방법 중 하나로 나노유체를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자성유체는 나노유체의 일종으로 외부 자기장에 반응하여 높은 열전달 특성을 나타내지만 복잡한 열유동 특성으로 인하여 실제 열 시스템에 적용하는 것은 어렵다. 본 연구의 목적은 다양한 공간에서 자성유체의 열유체 거동 및 열전달 특성에 관한 연구를 수행하여 자성유체를 적용한 고출력 LED냉각 시스템을 제안하였고 시스템의 성능 특성을 분석하였다. 자성유체의 열유체 거동 및 열전달 특성 분석을 위하여 다양한 강자성체 입자 함량 및 외부 자기장 조건이 고려되었다. 밀폐 공간 내 자성유체의 Nusselt 수를 예측하기 위하여 수치해석 모델을 제안하였고 기존 연구자의 결과와 비교하여 2.70% 오차 이내로 예측되었다. 자성유체의 열유동 특성은 자기장 세기와 자성유체의 자성입자 함량에 의존적으로 나타났고 자성유체의 평균 Nusselt 수와 열팽창 속도는 해석공간의 고온 및 저온부간 온도차가 클수록 증가하였다. 또한 자기장 방향이 국소 가열 영역 근방이고 냉각 영역의 반대측에 배치되는 경우 자성유체의 냉각 효과가 향상되었다. 또한 응용 연구로서 자성유체를 적용한 고출력 LED 냉각 시스템의 열전달 현상과 이에 의한 조도 특성의 영향을 실험적으로 연구하였다. 고출력 LED에서 발생되는 열을 효과적으로 방열시키기 위하여 1 mm 두께의 24 핀이 적용된 히트싱크를 포함하는 방열 장치를 설계하였고 자성유체, 물, 공기를 작동유체로 적용하였다. 고출력 LED 방열 시스템에 자성유체를 적용할 경우 LED 접합 온도는 공기 및 물을 작동유체로 적용한 경우와 비교하여 각각 15.5% 및 18.2% 감소되었고, 조도 효율은 각각 45.4% 및 51.0% 향상되었다. 자성유체를 적용한 고출력 LED 방열 시스템에 자석을 적용할 경우 LED 접합 온도는 자석을 적용하지 않은 경우와 비교하여 9.7% 감소되었고, 조도 효율은 6.9% 향상되었다. 결론적으로 제안된 자성유체를 적용한 고출력 LED 시스템의 열전달 특성 및 조도 성능 특성은 자동차용 헤드램프 적용 조건에 적합한 것으로 검토되었다.
전자 제품에 사용되는 반도체 칩은 열에 대하여 높은 민감도를 가지고 있어 작동 온도의 증가에 따라 칩의 고장 가능성이 크게 증가한다. 따라서 전자 장치의 지속적인 성능과 안전성을 보장하기 위하여 적절한 열관리 기술의 적용은 필수적이며, 효율적인 열관리를 위한 방법 중 하나로 나노유체를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자성유체는 나노유체의 일종으로 외부 자기장에 반응하여 높은 열전달 특성을 나타내지만 복잡한 열유동 특성으로 인하여 실제 열 시스템에 적용하는 것은 어렵다. 본 연구의 목적은 다양한 공간에서 자성유체의 열유체 거동 및 열전달 특성에 관한 연구를 수행하여 자성유체를 적용한 고출력 LED 냉각 시스템을 제안하였고 시스템의 성능 특성을 분석하였다. 자성유체의 열유체 거동 및 열전달 특성 분석을 위하여 다양한 강자성체 입자 함량 및 외부 자기장 조건이 고려되었다. 밀폐 공간 내 자성유체의 Nusselt 수를 예측하기 위하여 수치해석 모델을 제안하였고 기존 연구자의 결과와 비교하여 2.70% 오차 이내로 예측되었다. 자성유체의 열유동 특성은 자기장 세기와 자성유체의 자성입자 함량에 의존적으로 나타났고 자성유체의 평균 Nusselt 수와 열팽창 속도는 해석공간의 고온 및 저온부간 온도차가 클수록 증가하였다. 또한 자기장 방향이 국소 가열 영역 근방이고 냉각 영역의 반대측에 배치되는 경우 자성유체의 냉각 효과가 향상되었다. 또한 응용 연구로서 자성유체를 적용한 고출력 LED 냉각 시스템의 열전달 현상과 이에 의한 조도 특성의 영향을 실험적으로 연구하였다. 고출력 LED에서 발생되는 열을 효과적으로 방열시키기 위하여 1 mm 두께의 24 핀이 적용된 히트싱크를 포함하는 방열 장치를 설계하였고 자성유체, 물, 공기를 작동유체로 적용하였다. 고출력 LED 방열 시스템에 자성유체를 적용할 경우 LED 접합 온도는 공기 및 물을 작동유체로 적용한 경우와 비교하여 각각 15.5% 및 18.2% 감소되었고, 조도 효율은 각각 45.4% 및 51.0% 향상되었다. 자성유체를 적용한 고출력 LED 방열 시스템에 자석을 적용할 경우 LED 접합 온도는 자석을 적용하지 않은 경우와 비교하여 9.7% 감소되었고, 조도 효율은 6.9% 향상되었다. 결론적으로 제안된 자성유체를 적용한 고출력 LED 시스템의 열전달 특성 및 조도 성능 특성은 자동차용 헤드램프 적용 조건에 적합한 것으로 검토되었다.
The objectives of this study are to investigate the thermal and flow behavior characteristics of the ferrofluid in different cavities with various the thermal properties of the ferrofluid, the external magnetic fields and the boundary conditions for an application of the thermal management system. I...
The objectives of this study are to investigate the thermal and flow behavior characteristics of the ferrofluid in different cavities with various the thermal properties of the ferrofluid, the external magnetic fields and the boundary conditions for an application of the thermal management system. In addition, heat transfer phenomena of a high power LED cooling system and its influence on illuminance characteristics of the high power LED were investigated experimentally. The numerical model for prediction of a Nusselt number of the ferrofluid was developed and the predictions of the present model showed a good agreement within 2.70% of the data of other researchers. The heat and flow characteristics of the ferrofluid within the tested cavity were found to depend on both magnetic intensity and magnetic volume fractions of magnetite. The mean Nusselt number and the expansion speed of the isotherm contours of the ferrofluid increased with the larger temperature difference between the top and bottom walls of the tested cavity. In the cases that the magnet was located near the local heated surface and located at the opposite side of the cooling area of the cavity, the cooling effect of ferrofluid in the cavity was enhanced. Therefore, in the present study, the location of the magnet was considered near the local heated surface and opposite to cooling area of the cavity for better heat transfer performances. As the application research, the radial fin heat sink filled with the ferrofluid was designed with 24 multi fins of 1.0 mm thickness for the effective cooling of the generated heat during the high power LED operation. The thermal resistance between the surface and the junction points of the high power LED cooling device with the ferrofluid decreased by 15.5% and 18.2%, respectively, compared to those with the air and the water. The illuminance efficacy of the high power LED cooling device with the ferrofluid increased by 45.4% and 51.0% compared to those of the air and the water, respectively. The junction temperature and the illuminance efficacy characteristics of the high power LED cooling device with the magnet at all working voltages decreased by 9.7% and increased by 6.9%, respectively, compared to those without the magnet. As a result, the heat transfer and illuminance characteristics of the high power LED cooling system with the radial heat sink filled with the ferrofluid suggested that it could be suitable as the vehicle headlamps. Additionally, based on the results and discussion obtained in this study, the followings could be suggested as fundamental research for both the cooling performance improvement and cooling system compactness for the electronics with high heat flux.
The objectives of this study are to investigate the thermal and flow behavior characteristics of the ferrofluid in different cavities with various the thermal properties of the ferrofluid, the external magnetic fields and the boundary conditions for an application of the thermal management system. In addition, heat transfer phenomena of a high power LED cooling system and its influence on illuminance characteristics of the high power LED were investigated experimentally. The numerical model for prediction of a Nusselt number of the ferrofluid was developed and the predictions of the present model showed a good agreement within 2.70% of the data of other researchers. The heat and flow characteristics of the ferrofluid within the tested cavity were found to depend on both magnetic intensity and magnetic volume fractions of magnetite. The mean Nusselt number and the expansion speed of the isotherm contours of the ferrofluid increased with the larger temperature difference between the top and bottom walls of the tested cavity. In the cases that the magnet was located near the local heated surface and located at the opposite side of the cooling area of the cavity, the cooling effect of ferrofluid in the cavity was enhanced. Therefore, in the present study, the location of the magnet was considered near the local heated surface and opposite to cooling area of the cavity for better heat transfer performances. As the application research, the radial fin heat sink filled with the ferrofluid was designed with 24 multi fins of 1.0 mm thickness for the effective cooling of the generated heat during the high power LED operation. The thermal resistance between the surface and the junction points of the high power LED cooling device with the ferrofluid decreased by 15.5% and 18.2%, respectively, compared to those with the air and the water. The illuminance efficacy of the high power LED cooling device with the ferrofluid increased by 45.4% and 51.0% compared to those of the air and the water, respectively. The junction temperature and the illuminance efficacy characteristics of the high power LED cooling device with the magnet at all working voltages decreased by 9.7% and increased by 6.9%, respectively, compared to those without the magnet. As a result, the heat transfer and illuminance characteristics of the high power LED cooling system with the radial heat sink filled with the ferrofluid suggested that it could be suitable as the vehicle headlamps. Additionally, based on the results and discussion obtained in this study, the followings could be suggested as fundamental research for both the cooling performance improvement and cooling system compactness for the electronics with high heat flux.
주제어
#자성유체(Ferrofluid) 열전달 특성(Heat transfer characteristics) 조도 특성(Illuminance characteristics) 자기장(Magnetic field)
학위논문 정보
저자
서재형
학위수여기관
동아대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
기계공학과
지도교수
이무연
발행연도
2018
총페이지
x, 115장
키워드
자성유체(Ferrofluid) 열전달 특성(Heat transfer characteristics) 조도 특성(Illuminance characteristics) 자기장(Magnetic field)
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.