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문제 정의
- 최근에 히트싱크의 소형화, 경량화를 고려하여 적층형 히트싱크(layered heat sink)가 개발되었 다(6) 본 연구에서는 컴퓨터는 물론 광통신, 유무 선통신기기 및 정밀가공산업에서 사용되고 있는 알루미늄 압출형 히트싱크를 압출방항과 수직으로 여러 개를 절단하여 공기유동을 증가시킨 히트싱크, 알루미늄 다공성 히트싱크, 알루미늄 사각봉을 격자형으로 적층하여 제작한 히트싱크의 열저항 특성을 실험적으로 연구하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 강제대류는 본 연구에서 인버터로 송풍기의 속도를 조절하면서 발열체를 냉각시키도록 하였다. 이때 공기의 속도는 1~5m/s까지 변화시키면서 실험하였으며, 발열체의 온도가 정상상태 (steady state)로 되었을 때의 입력된 전력량, 발열체온도, 주위온도 등을 측정하였다.
- 또한 히트싱크를 통과한 공기가 유동의 방해를 받지 않도록 급확대부를 설치 하였다. 공기의 유량측정을 위하여 지름이 50mm 길이 1, 200mm인 아크릴관으로 공기를 유도하여 공기의 유속을 측정하였다. 또한 히크싱크의 강 제대류 시험을 위하여 아크릴관 끝단에 0.
- 본 실험에서 사용한 발열원으로는 크기가 60 mm X50 mm에 두께 2 mm 알루미늄판에 저항을 부착한 발열체를 제작하였으며, 발열체에 들어가는 전기는 직류 220V 전압를 공급열량의 변화에 따라 가변할 수 있도록 슬라이닥스를 이용하였으며, 발열체에 입력되는 전력량, 전압, 전류를 측정할 수 있는 디지털 멀티미터 이용하여 측정하였다. 또한 발열체의 표면온도를 측정하기 위하여 발열체 위에 T-형 열전대를 설치하여 발열체 표면의 온도를 측정하였다. 측정된 온도는 데이터 취득장치 시스템을 이용하여 기록하였다.
- 5mmX24 mm)을 이루는 형태로 공기유동 자유로이 하여 압출형 히트싱크(이후 기호 f, 압출형 히트싱크로 기술), 알루미늄판에 알루미늄 다공성 재질을 포밍하여 제작한 다공성 히트싱크(이후 기호 p, 다 공성 히트싱크로 기술)는 체적에서 공극이 차지하는 비율인 다공도가 92%, 1인치(inch)당 기공 의 수인 기공밀도 10ppi(pores per inch)인 알루 미 늄 포밍제품을 사용하였다. 또한 사각봉(단면 1.5 X 2.5 mm)을 2 mm 간격으로 한 단을 쌓고 엇갈리게 다음 단을 쌓는 형태로 히트싱크를 제작한 적층형 히트싱크(이후 기호 s, 적층형 히트싱 크로 기술) 제작하여 시험을 수행하였다. 또한 압 출형 히트싱크의 높이에 따른 열저항의 변화를 비교하기 위하여 높이가 28(이후 기호 f), 22(이후 기호 fl), 14(이후 기호 f2)로 핀의 높이를 변화시켜 가면서 실험을 수행하여 핀의 높이에 따른 열저항의 변화를 수행하였다.
- 5 mm)을 2 mm 간격으로 한 단을 쌓고 엇갈리게 다음 단을 쌓는 형태로 히트싱크를 제작한 적층형 히트싱크(이후 기호 s, 적층형 히트싱 크로 기술) 제작하여 시험을 수행하였다. 또한 압 출형 히트싱크의 높이에 따른 열저항의 변화를 비교하기 위하여 높이가 28(이후 기호 f), 22(이후 기호 fl), 14(이후 기호 f2)로 핀의 높이를 변화시켜 가면서 실험을 수행하여 핀의 높이에 따른 열저항의 변화를 수행하였다.
- 공기의 유량측정을 위하여 지름이 50mm 길이 1, 200mm인 아크릴관으로 공기를 유도하여 공기의 유속을 측정하였다. 또한 히크싱크의 강 제대류 시험을 위하여 아크릴관 끝단에 0.5kW의 DC 전동기 (3HP, 2극, 3450 RPM) 구동 원심송풍 기를 설치하였다. 시험에서 히트싱크를 통과하는 공기의 속도를 1~5nVs로 변화시켰으며, 속도조절은 출력주파수 범위가 0.
- 설치하여 흡입되는 공기의 상태를 일정하게 유지하도록 하였으며, 항온항습부를 통과한 공기가 250X300mm의 유동의 안정을 위한 덕트부를 통과하도록 하였으며, 시험용 히트싱크로 공기의 유입속도가 일정하게 유지되도록 하기 위하여 히트 싱크의 크기인 50 x 60mm인 급축소부를 만들었으며, 급축소부 끝단에 히트싱크를 장착하여 시험을 수행하였다. 또한 히트싱크를 통과한 공기가 유동의 방해를 받지 않도록 급확대부를 설치 하였다. 공기의 유량측정을 위하여 지름이 50mm 길이 1, 200mm인 아크릴관으로 공기를 유도하여 공기의 유속을 측정하였다.
- 본 시험에 앞서 강제대류 실험에서 발열체에 가한 전기량을 측정하고 이를 열량으로 환산한 값과 공기의 입출구 온도차 및 유량을 측정하여 공기측 열교환량을 비교하여 에너지 평형을 확인하였으며, 열량비를 오차범위 ±5%내에 포함되는 데이터를 유효값으로 실험결과를 분석하였으며, 히트싱크에서 공기와 열교환량을 식(7)로 계 산하였다.
- 설치하여 흡입되는 공기의 상태를 일정하게 유지하도록 하였으며, 항온항습부를 통과한 공기가 250X300mm의 유동의 안정을 위한 덕트부를 통과하도록 하였으며, 시험용 히트싱크로 공기의 유입속도가 일정하게 유지되도록 하기 위하여 히트 싱크의 크기인 50 x 60mm인 급축소부를 만들었으며, 급축소부 끝단에 히트싱크를 장착하여 시험을 수행하였다. 또한 히트싱크를 통과한 공기가 유동의 방해를 받지 않도록 급확대부를 설치 하였다.
- 5kW의 DC 전동기 (3HP, 2극, 3450 RPM) 구동 원심송풍 기를 설치하였다. 시험에서 히트싱크를 통과하는 공기의 속도를 1~5nVs로 변화시켰으며, 속도조절은 출력주파수 범위가 0.5~ 120Hz(최대 360 Hz)의 조절범위를 갖는 인버터를 장착하여 팬의 회전수를 조절하였다. 이와 같은 시험으로부터 열저항을 측정하기 위하여 덕트 축소부에 3개의 T-형 열전대를 설치하였으며, 공기의 유속은 핫 와이어형(Hot-wire type) 풍속계(정밀도 ±0.
- 강제대류는 본 연구에서 인버터로 송풍기의 속도를 조절하면서 발열체를 냉각시키도록 하였다. 이때 공기의 속도는 1~5m/s까지 변화시키면서 실험하였으며, 발열체의 온도가 정상상태 (steady state)로 되었을 때의 입력된 전력량, 발열체온도, 주위온도 등을 측정하였다.
- 먼저 자연대류는 공기를 팬으로 순환시키지 않고 히트싱크의 상부가 개방된 상태에서 가열하면 공기의 온도차에 의하여 발생하는 밀도차로 공기가 순환되어 열전달이 일어나는 것을 말한다. 이때 히트싱크는 방향에 따라 성능의 차이를 나타낼 수 있으므로 히트싱크를 수직 및 수평으로 설치하여 열저항을 측정하였다. 자연대류와 강재대류에서의 열저항은 공급열량 측정, 공기의 입구 온도와 히트싱크의 밑판온도을 측정하여 △T을 계산하고 식(1)과 같이 열저항을 계산하여 분석한 데이터로 냉각능력을 평가하였다.
- 5~ 120Hz(최대 360 Hz)의 조절범위를 갖는 인버터를 장착하여 팬의 회전수를 조절하였다. 이와 같은 시험으로부터 열저항을 측정하기 위하여 덕트 축소부에 3개의 T-형 열전대를 설치하였으며, 공기의 유속은 핫 와이어형(Hot-wire type) 풍속계(정밀도 ±0.4%) 를 설치하였다.
- 이때 히트싱크는 방향에 따라 성능의 차이를 나타낼 수 있으므로 히트싱크를 수직 및 수평으로 설치하여 열저항을 측정하였다. 자연대류와 강재대류에서의 열저항은 공급열량 측정, 공기의 입구 온도와 히트싱크의 밑판온도을 측정하여 △T을 계산하고 식(1)과 같이 열저항을 계산하여 분석한 데이터로 냉각능력을 평가하였다. 또한 히트 싱크와 발열체 사이의 접촉열저항의 차이를 줄이기 위하여 틈 사이에 열전도도가 0.
- 체적이 동일하고 본 연구에 사용된 적층형 히트싱크, 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크에 대하여 자연대류 및 강제대류에서의 공급열량과 공기의 유속를 변화하면서 히트싱크의 방열특성을 시험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한 발열체의 표면온도를 측정하기 위하여 발열체 위에 T-형 열전대를 설치하여 발열체 표면의 온도를 측정하였다. 측정된 온도는 데이터 취득장치 시스템을 이용하여 기록하였다.
대상 데이터
- Fig. 2와 같이 본 연구에 사용된 3가지 종류 히트싱크 모두 크기가 50X60mm, 높이 28mm (base plate 두께 4mm)로 일정하게 제작하였다. 현재 일반적으로 사용되는 히트싱크는 알루미늄 압출형이 주로 사용되고 있으나, 개선된 형태의 히트싱크인 압출형 히트싱크에 압출방향에 수직으로 절단하여 각각이 핀형상(3nunX 1.
- 본 실험에서 사용한 발열원으로는 크기가 60 mm X50 mm에 두께 2 mm 알루미늄판에 저항을 부착한 발열체를 제작하였으며, 발열체에 들어가는 전기는 직류 220V 전압를 공급열량의 변화에 따라 가변할 수 있도록 슬라이닥스를 이용하였으며, 발열체에 입력되는 전력량, 전압, 전류를 측정할 수 있는 디지털 멀티미터 이용하여 측정하였다. 또한 발열체의 표면온도를 측정하기 위하여 발열체 위에 T-형 열전대를 설치하여 발열체 표면의 온도를 측정하였다.
- 2와 같이 본 연구에 사용된 3가지 종류 히트싱크 모두 크기가 50X60mm, 높이 28mm (base plate 두께 4mm)로 일정하게 제작하였다. 현재 일반적으로 사용되는 히트싱크는 알루미늄 압출형이 주로 사용되고 있으나, 개선된 형태의 히트싱크인 압출형 히트싱크에 압출방향에 수직으로 절단하여 각각이 핀형상(3nunX 1.5mmX24 mm)을 이루는 형태로 공기유동 자유로이 하여 압출형 히트싱크(이후 기호 f, 압출형 히트싱크로 기술), 알루미늄판에 알루미늄 다공성 재질을 포밍하여 제작한 다공성 히트싱크(이후 기호 p, 다 공성 히트싱크로 기술)는 체적에서 공극이 차지하는 비율인 다공도가 92%, 1인치(inch)당 기공 의 수인 기공밀도 10ppi(pores per inch)인 알루 미 늄 포밍제품을 사용하였다. 또한 사각봉(단면 1.
성능/효과
- Fig. 3과 Fig. 4는 각 히트싱크에 대한 수직 방향과 수평 방향에 대한 자연대류에 관한 실험을 그래프로 나타낸 것으로 수직방향의 자연대류의 열저항값은 압출형 히트싱크가 가장 우수하며, 다공성 히트싱크와 적층형 히트싱크가 순서로 열 저항 성능이 우수하며, 압출형 히트싱크가 다공 성 히트싱크와 적층형 히트싱크에 비하여 4-8% 정도 우수한 성능을 나타내고 있다. 또한 수평 방향의 자연대류 시험에서도 수직 방향과 마찬가지로 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크, 적층형 히트싱크의 순서로 방열성능이 나타내고 있으며, 수직 방향 자연대류 실험보다 각각 9-24% 정도의 차이를 나타내고 있다.
- 그리고 Tasaka et al.⑸은 파형 휜(corrugated-fins)에 대하여 공기 유동면적과 파형휜의 공기유동각 의 변화에 대한 실험결과 공기유동각의 변화에 대한 열저항의 변화가 적다는 것을 보여준다.
- 강제대류의 방열특성은 적층형 히트싱크, 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크 순서로 각각 대략 23% 정도 성능이 우수한 것으로 나타나고 있다. 압출형 히트싱크의 높이 변화에 따른 방열특성 은 자연대류의 경우 각각 약 10~25% 정도의 열저항 성능의 변화를 나타내고 있으며, 강제대류의 경우 높이에 따라 각각 15~20% 정도의 열저항의 변화를 나타내고 있다.
- 하지만 수평 방향의 경우 중앙부 공기가 온도상승으로부터 밀도차에 의한 유동으로 사면에서 빠르게 공기가 유입되어 공기 흐름이 원활하게 열전달을 향상시킨다. 따라서 각각의 히트싱크 수직 방향과 수평 방향의 방향 방열성능 비교에서는 적층형 히트싱크는 4% 내외로 크게 변화가 없지만, 다공성 히트싱크는 10-15%, 압출형 히트싱크는 15~22%로 수평 방향의 실험이 수직방향의 실험보다 방열성능이 우수한 것으로 나타내고 있다. 위의 결과는 적층형 히트싱크의 경우 수직 .
- 위의 결과는 적층형 히트싱크의 경우 수직 . 수평 방향 모두 공기의 유동이 사각터널로 공기가 흘러 유동저항이 많이 발생하여 열저항값이 크게 나타나며, 압출형 히트 싱크는 하부로부터 공기가 유입되는 수직 방향보다 사면에서 공기의 유입이 원활한 수평 방향이 수직 방향보다 현저히 열저항값이 적다.
- 열교환면적 , 열전달계수의 함수이므로 공급열량 변화에 따라 열저항은 변화가 없다는 것을 알 수 있고, 본 실험을 통하여 각 형상에 따른 히트싱크가 공급열량 30 W, 40 W, 50 W로 변화시켜 감에 따라 일정한 열저항 특성을 가지고 있음을 실험을 통하여 다시 한번 검증하였다. 따라서 이는 추후 시험에서 공급열량 변화에 대한 시험을 생략하여 도 크게 문제가 되지 않는다는 것을 알 수 있다.
- 자연대류 실험의 경우 수평 방향이 수직 방향보다 방열성능이 우수하였으며, 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크, 적층형 히트싱크의 순서로 방열성능이 나타내었다.
- 자연대류의 경우 히트싱크의 높이가 높을수록 수직 방향 실험에서 11~15% 정도의 열저항 성능이 우수하다는 것을 알 수 있고, 수평 방향의 실험에서는 13~26% 정도의 열저항 성능이 우수함을 알 수 있다. 이는 수직 방향보다는 수평 방향의 방열량이 크므로 히트싱크의 높이에 따른 열저항 성능의 변화가 크다는 것을 알 수 있다.
- 히트싱크의 각 형상별 방열특성은 적층형 히트 싱크, 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크 순서로 각각 대략 23% 정도 성능이 우수한 것으로 나타나고 있다. 기존에 사용되고 있는 압출형 히트싱 크보다 적층형 히트싱크가 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 앞으로 적층형 히트싱크의 단수나 간격 사각봉이 크기에 따른 방열특성과 다공성 히트싱크의 다공도와 기공밀도에 따른 방열특성에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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