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문제 정의
- 본 연구의 목적은 현재 국내 통근용 지하철도 차량에 사용하고 있는 히트파이프 냉각기를 대상으로 열회로 해석과 열전달성눙시험을 수행함으로써 히트파이프 냉각기의 구조와 작동 특성에 대한 이해를 높이는 데 있다. 이러한 연구를 통하여 동력제어반도체의 히트파이프 냉각기의 설계 및 제조기술을 확립할 수 있을 것으로 기대하며 통신장비 등의 냉각, 공조기, 열교환기 등 기타 히트파이프 응용분야에도 파급효과가 있을 것으로 생각한다.
제안 방법
- 시동성에 대한 실험을 수행하고자 냉각기 각 부의 온도가 일정한 온도를 나타낼 때 일정 열부하를 갑자기 가하여 정상 상태에 도달할 때까지의 온도를 2초 간격으로 기록하였다.가해지는 열부하는 냉각기의 사용열부하 범위를 고려하여 200~400W의 범위에서 실험을 수행하였다. 측정값으로부터 증발부, 음축부 및 핀의 열 전달계수는 아래의 상관식으로 계산하였다.
- 2는 본 연구 대상 냉각기의 성능 해석을 위하여 열 전달 경로를 단순화시켜 열저항 회로로 나타낸 것이다. 그리고 냉각기 주요 구성 요소인 히트파이프 및 판(fin)을 대상으로 열전달 해석을 하고 실험값과 비교하였다. 이들 요소 열 전달 문제는 물리적으로 복잡한 내용을 포함하고 있기 때문에 엄밀한 해석은 매우 복잡하다.
- 3과 같이 사각형상의 유동통로를 제작하고 밑면에는 금속망(80 mesh)을 설치하였다. 냉각기 각 무의 온도를 계측하기 위하여 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 냉각기 블록의 표면, 3개 히트파이프 각각의 단열부, 응축부 및 냉각핀에 열천대(K- type, 직경 0.12mm)를 부착하였다. 특히 핀에 열전대를 부착할 때에는 핀의 표면에 홈을 가공한 후 열전대를 부착하여 공기와의 열전달에 의한 오차를 최대한 줄이도록 노력하였다.
- 3과 같이 구성하였다. 냉각기의 열부하 공급은 싸이리스터 직경과 일치하도록 직경 60mm인 2개의 전기발열체를 제작하여 냉각기 블록의 양면에 열을 공급할 수 있도록 하였다. 블록에 발열체를 기계적으로 밀착시킬 수 있도록 설치대 (210mmX 190mmX 141 mm)를 제작하였고 블록과 설치대사이의 내부 공간은 단열재로 채워 블록 또는 발열체로부터 외부 공기로 손실되는 열을 최대한 억제하였다.
- 냉각기의 열부하 공급은 싸이리스터 직경과 일치하도록 직경 60mm인 2개의 전기발열체를 제작하여 냉각기 블록의 양면에 열을 공급할 수 있도록 하였다. 블록에 발열체를 기계적으로 밀착시킬 수 있도록 설치대 (210mmX 190mmX 141 mm)를 제작하였고 블록과 설치대사이의 내부 공간은 단열재로 채워 블록 또는 발열체로부터 외부 공기로 손실되는 열을 최대한 억제하였다. 정량적으로 열 손실량을 계측하지는 못하였으나 발열량와 약 5% 내외로 예측된다.
- 5% 미만이다. 시동성에 대한 실험을 수행하고자 냉각기 각 부의 온도가 일정한 온도를 나타낼 때 일정 열부하를 갑자기 가하여 정상 상태에 도달할 때까지의 온도를 2초 간격으로 기록하였다.가해지는 열부하는 냉각기의 사용열부하 범위를 고려하여 200~400W의 범위에서 실험을 수행하였다.
- 정량적으로 열 손실량을 계측하지는 못하였으나 발열량와 약 5% 내외로 예측된다. 실내에서 발생되는 여러 형태의 공기 흐름 이 핀에 미치는 영향을 억제하기 위해서 Fig. 3과 같이 사각형상의 유동통로를 제작하고 밑면에는 금속망(80 mesh)을 설치하였다. 냉각기 각 무의 온도를 계측하기 위하여 Fig.
- 히트파이프 증발무 및 증기 온도는 직접 계측이 어려워 증발부의 경우는 블록 즉면 온도로 간접 측정하였으며 단열부의 평균 온도로 증기 온도를 계산하여 작동 유체의 물성값을 결정하는 데 이용하였다.이와 로 발열체 접촉면 근처 측면에 열전대를 부착하여 발열체 표면 온도로 대체하였으며 발열체칩온 도(junction temperature)는 실제 소자와의 차이점으로 계즉하지 못하였다.
- 한편 Uehara et al ⑹은 액막 응축을 기초로 평판 위의 웅축에 대해 액막유동 영역별로 아래의 상관식을 제시하였다.
- 특히 핀에 열전대를 부착할 때에는 핀의 표면에 홈을 가공한 후 열전대를 부착하여 공기와의 열전달에 의한 오차를 최대한 줄이도록 노력하였다. 히트파이프 증발무 및 증기 온도는 직접 계측이 어려워 증발부의 경우는 블록 즉면 온도로 간접 측정하였으며 단열부의 평균 온도로 증기 온도를 계산하여 작동 유체의 물성값을 결정하는 데 이용하였다.이와 로 발열체 접촉면 근처 측면에 열전대를 부착하여 발열체 표면 온도로 대체하였으며 발열체칩온 도(junction temperature)는 실제 소자와의 차이점으로 계즉하지 못하였다.
대상 데이터
- 한편 Uiara et 시의 난류영역에 적용하는 상관식은 200W 이상의 구간에서 실험치에 완만하게 접근하고 있으나 이 이하의 구간에서는 열부하가 낮을수록 그 차가 크게 나타나고 있다. 본 연구 대상의 경우 Uehara et al.이 제시한 기준에 의한 난뷰 영역은 290W 이상이었으며 낮은 열부하 범위에서 오차가 상대적으로 크게 나타나고 있다.
- 소자의 발열량에 따라 하나의 소자에 2개의 냉각기를 소자 양면에 부착하거나 냉각기의 양면에 2개의 소자가 부착되는 둥열적 경로는 배치 구조에 따라 상이하다. 본 연구에서는 GTO 소자의 양면에 2개의 냉 각기 를 설치 하여 하나의 냉 각기당 최대 400W의 열부하를 처리하는 경우를 대상으로 하였다.
- Table 2는 일반적으로 적용되는 히트파이프 냉각기의 설계사양이다. 연구 대상 냉각기는 각 소자당 최대 약 800W의 발열량을 갖는 GTO 싸이리스터를 냉각하고자 개발된 것으로서 이러한 히트파이프 냉각기의 구조와 제원은 Fig. 1과 Table 3에 나타나 있는 것과 같으며 3개의 전기 절연성 히트파이프의 증발부가 병렬로 알루미늄 블록에 용접되어 있고 히트파이프의 응축부에는 알루미늄 재질의 핀(200mmX 5OmmX0.8mm)이 64개 설치되어 있다. 이 냉각 기는 수평면과 약 70의 경사각을 갖도록 설치한다.
- 히트파이프 용기는 외경 약 22mm의 구리관으로 내면에 나선형 그루브(groove) 구조의 윅(wick)이 있다. 증발부와 옹축부는 각각 110mm, 625mm이고 단열부는 세라믹관을 포함하여 70mm이다. 자세한 제원은 Table 3에 나타나 있다.
- 히트파이프 냉각기의 열전달 실험장치는 현재 치하철 차량에 사용되고 있는 냉각기를 이용하여 Fig. 3과 같이 구성하였다. 냉각기의 열부하 공급은 싸이리스터 직경과 일치하도록 직경 60mm인 2개의 전기발열체를 제작하여 냉각기 블록의 양면에 열을 공급할 수 있도록 하였다.
데이터처리
- 성능 실험은 냉각기의 발열체에 전기적으로 일정량의 열을 발생시키고 모든 측정점의 온도가 정상 상태에 도달되었을 때 온도기록계(DA-100, YokogawaJS. 50개의 데이터를 기록한 후 평균 처리하였으며 약 450W의 열부하 범위까지 단계적으로 증가시켰다. 열부하는 디지털 전력량계(DRP-300D, Digital Electronics Co.
이론/모형
- 핀에서의 자연대류열 전달계수는 수직 평판 위의 층류자연대류에 관한 Churchill and Chu의 상관식을 적용하였다.⑼
성능/효과
- (1) 냉각기의 시동실험 결과 히트파이프의 시동에 따른 핵비 등에 의한 초기 과열 등의 과도 특성은 나타나지 않았으며 20분 이상의 긴 시간이 요구되었다
- 지난 20여년 동안 철도차량용 동력제어반도체소자의 냉각장치는 Table 1과 같이 침적방식(tank immersed type) 또는 히트파이프식 둥작동유체의 상 변화 열 전달을 이용하는 기술이 개발되어 사용되고 있다.(1)이들 중 전자는 큰 냉매용기(5~ 13L)를 필요로 하며, 이 경우 냉매 저장 압력용기의 안전성, 기밀성 등에 관련된 규제조건을 만족하는 데 어려움이 있었다. 그 외에 냉매로 사용하는 프레온(freon) 계열의 유체는 대기환경오염 규제에 따라 사용에 제한을 받고 있다.
- (2) 열회로 상의 각 요소열 저항은 핀의 대류 열저항 이 전체 열저항 의 약 50%로써 지배적인 인자이다. 다음은 히트파이프와 발열체 사이의 열 접촉 저항이다.
- (3) 열전달 해석 결과 히트파이프 증발부와 핀에서는 실험 결과와 전반적으로 접근된 결과를 보였다. 히트파이프의 응축열 저항은 예측값과 실험치가 난류 구간에서 일치하였으나 열부하가 작은 경우에는 그 차가 컸다.
- OO80W으로 이들의 합은 &#의 약 7% 미만이며, 열부하 증가에 따라 급격히 감소하고 있다. 그리고 약 400 W의 열을 이송할 때 히트파이프의 증발부와 응축부 두 열 저항의 합은 약 0O15P/W로 입력 열부하(400W)를 고려하면 온도차 약 5~6P로써 매우 높은 열전도성을 보여주고 있으며 이러한 높은 열전도 특성이 냉각기 구성의 핵심 요소임을 알 수 있다. 한편 실험 결과 뇌 O0W에서 블록흔 공기온도에 바하여 60~65#의 온도상숭을 이루 는 것으로 파악되며, 이러한 결과는 설계 목표인 최대 Q=400W일 때 Table 2의 최대 허용 온도 상승값을 55C로 파악하더라도 다소 높은 값이다.
- 여기서, Cy는 액체-고체 표면에 따른 상수로 현재까지 PFC-구리값에 대한 참고자료를 확인하기가 어려웠다. 다만 Ueda et aL(4) 실험 결과 R-113 인 경우 열사이폰에서 #=0.0047을 Kang et al ⑸ 은 열사이폰과 내부 그루브형 PFC 열사이폰에 관한 실험 결과로부터 #=0.0036을 제시하였으며 내부 그루브형 히트파이프에서 열전달 계수가 약 30% 상승함을 보였다.
- 도시철도 차량의 GTO 싸이리스터를 냉각하는 히트파이프 냉각기의 성능시험을 수행한 결과 히트파이프를 포함하여 각 구성 요소의 제원과열 전 달 특성에 관하여 기초적인 지식을 얻을 수 있었다. 이들 내용들에 대한 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 그리고 약 400 W의 열을 이송할 때 히트파이프의 증발부와 응축부 두 열 저항의 합은 약 0O15P/W로 입력 열부하(400W)를 고려하면 온도차 약 5~6P로써 매우 높은 열전도성을 보여주고 있으며 이러한 높은 열전도 특성이 냉각기 구성의 핵심 요소임을 알 수 있다. 한편 실험 결과 뇌 O0W에서 블록흔 공기온도에 바하여 60~65#의 온도상숭을 이루 는 것으로 파악되며, 이러한 결과는 설계 목표인 최대 Q=400W일 때 Table 2의 최대 허용 온도 상승값을 55C로 파악하더라도 다소 높은 값이다. 따라서 현 사양의 냉각기를 적용하기 위해서는 최대 열저항을 나타내는 핀에서의 열저항을 감소시킬 수 있도록 핀의 수량 증가를 통한 충분한 핀 면적의 확보가 이루어져야 할 것으로 생각 한다,
후속연구
- 이 제시한 기준에 의한 난뷰 영역은 290W 이상이었으며 낮은 열부하 범위에서 오차가 상대적으로 크게 나타나고 있다. 유사한 결과를 Fukano and Hadoguchi", 에 의해 수행된 R-113인 경우나 PFC인 경우 Kang et al ⑸의 논문에서 확인할 수 있으나 현재까지 이에 대한 설명을 여러 참고문헌에서도 확인하기가 어려웠으며 이에 대한 연구가 필요한 것으로 생각한다.
- 히트파이프의 응축열 저항은 예측값과 실험치가 난류 구간에서 일치하였으나 열부하가 작은 경우에는 그 차가 컸다. 따라서 이 문제에 대한 보다 엄밀한 연구가 수행되어야 할 것으로 보인다.
- 본 연구의 목적은 현재 국내 통근용 지하철도 차량에 사용하고 있는 히트파이프 냉각기를 대상으로 열회로 해석과 열전달성눙시험을 수행함으로써 히트파이프 냉각기의 구조와 작동 특성에 대한 이해를 높이는 데 있다. 이러한 연구를 통하여 동력제어반도체의 히트파이프 냉각기의 설계 및 제조기술을 확립할 수 있을 것으로 기대하며 통신장비 등의 냉각, 공조기, 열교환기 등 기타 히트파이프 응용분야에도 파급효과가 있을 것으로 생각한다.
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