[논문]돌출된 열원이 있는 채널에서 대류와 전도열전달을 이용한 냉각특성

손영석; 신지영

문제 정의

않았다. 따라서, 본 연구에서는 돌출된 열원이 있는 인쇄회로기판을 중심으로 상부 및 하부채널에 대류와 전도열전달을 이용하는 경우, 각각의 방식이 전자부품의 냉각특성에 미치는 영향을 비교・분석하여 효과적인 냉각방식을 알아보고자 한다. 이를 위해 고려한 냉각방법은 상부 채널에서는 강제대류를 이용하고, 하부 채널에서는 자연대류, 강제대류, 액체냉각, 전도블록을 이용하는 방식이다.
본 연구에서는 전형적인 전자부품 형상인 일정한 열발생을 갖는 돌출된 열원이 있는 수평 채널에서, 전자부품의 냉각을 위해 전도와 대류를 이용한 다양한 냉각방법을 적용하고 이를 비교 분석하였다. 이를 위해 6가지 경우에 대하여 각각 해석을 수행하여 냉각특성을 조사하고 각 방법에 따른 냉각성능을 비교 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 주로 대류와 전도열전달을 이용하는 경우, 각각의 방식이 냉각특성에 미치는 영향과 효과적인 냉각방식을 알아보고자 한다. 이를 위해 고려한 냉각방법을 Table 1에 정리하였으며, 6가지 경우에 대하여 냉각특성을 해석하고 각 방법에 따른 냉각성능을 비교하였다.
이를 위해 고려한 냉각방법은 상부 채널에서는 강제대류를 이용하고, 하부 채널에서는 자연대류, 강제대류, 액체냉각, 전도블록을 이용하는 방식이다. 특히, 상부 채널에 강제대류를 이용하면서 열전달 증진을 위해 배플을 2개 및 1개 설치한 경우를 고려함으로써 기존의 강제대류방식을 개선할 수 있는 가능성을 검토하고자 한다.

제안 방법

Reynolds 수는 750인 층류유동이며 블록 간의 거리의 비가 0.5일 때 유동장과 무차원온도장, 그리고 블록의 무차원 표면온도를 비교하였다. 유동장 및 온도장을 비교하여 보면 전체적인 유동분포 및 온도분포가 동일함을 확인할 수 있었다.
794m/s이며 이는 Reynolds 수 1000 에 해당하는 층류유동이다. 각각의 경우 유동장 및 온도장, 3개의 발열블록 표면을 따라 표면에서의 온도, 그리고 발열체인 각 블록에서의 최대온도를 구하였다. 해석의 편의를 위하여 무차원 온도를 다음과 같이 정의하였다.
격자수와 시간증분의 변화에 따른 해석 결과를 비교하여 계산결과의 격자수 및 시간증분에 대한 의존성을 분석하고, 이를 토대로 적절한 격자수로 350×115, 시간증분으로 0.05초를 이용하였다.
계산영역 내 고체와 유체의 경계면에서는 점착조건(no slip condition)을 적용하여 속도를 0으로 두었고, 재질이 다른 고체와 고체, 고체와 유체경계면에서는 #으로 하여 열 유속이 일치하도록 하였다.
계산영역 좌우의 입구 및 출구에 있는 고체, 즉 인쇄회로기판 및 상・하부 커버에서의 경계조건으로 속도에 대해서는 u = v = 0을 주었고, 온도에 대해서는 단열조건(# = 0)을 적용하였다.
차분방정식은 TDMA 알고리듬과 함께 ADI 방법을 사용하여 반복계산으로 해를 구한다. 반복계산시 종속변수들의 수렴 정도를 점검하기 위하여 모든 격자점에서의 잔류량(residual)을 조사하였으며, 모든 방정식에 대한 잔류량이 10^-4 이하에 도달하면 수렴된 것으로 간주하였다.
본 연구에 사용한 코드의 타당성을 검증하기 위해, 3개의 돌출 열원이 있는 수평채널에서 강제대류를 이용한 냉각에 대한 수치해석 결과인 Davalath and Bayazitoglu⁽¹³⁾의 연구결과와 비교하였다. Reynolds 수는 750인 층류유동이며 블록 간의 거리의 비가 0.
상부 및 하부 채널에서 냉각유체의 유동 및 대류열전달 특성과 고체상태인 인쇄회로기판, 발열체, 커버의 전도열전달 특성을 해석하였다. 계산영역 내의 속도 및 온도분포를 구하기 위하여 질량, 운동량, 그리고 에너지보존법칙을 적용하였다.
상부에 강제대류를 이용하고 하부에 자연대류를 이용하는 case l을 기준으로 냉각성능을 향상시킬 수 있는 방안으로 case 4~case 6을 검토하였다. 하부에 전도블록을 이용한 경우인 case 4의 경우 전도블록을 설치한 두번째 발열블록에서만 온도의 저하를 볼 수 있고, 그외 발열블록에서는 전도블록이 하부에서의 자연대류 열전달을 방해하므로 오히려 약간 상승하였다.
상부 채널에는 돌출된 열원이 존재하고 하부채널에는 해석경우에 따라 전도블록이 없는 경우와 있는 경우로 나누어진다. 이관수와 박철균⁽⁸⁾은 돌출된 열원의 형상과 위치 등이 유동 및 열전달 특성에 미치는 영향을 수치적으로 해석하여 최적화한 결과를 제시하였으며, 이 결과를 바탕으로 본 해석모델의 기하학적 형상과 치수를 H_UC/H_chip=2, H_UC/H_LC=2, H_UC/H_PCB=10, H_UC/H_cover=20, H_UC/L_chip=1, L_in=L_out=L_s=L_Alb=L_chip= H_UC라는 값을 선정하였다. 하부채널에 전도블록이 있는 모델의 기하학적 형상과 치수를 Fig.
이를 위해 6가지 경우에 대하여 각각 해석을 수행하여 냉각특성을 조사하고 각 방법에 따른 냉각성능을 비교 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 위해 고려한 냉각방법을 Table 1에 정리하였으며, 6가지 경우에 대하여 냉각특성을 해석하고 각 방법에 따른 냉각성능을 비교하였다.
이상의 연구결과에서 알아 본 6가지의 각기 다른 냉각방법에서 각 경우의 냉각특성에 미치는 영향과 효과적인 냉각방식을 알아보기 위해 case 1부터 case 6까지의 각 경우에 대해 블록 표면에서의 무차원온도와 각 블록에서의 최대온도를 비교하여 각 경우의 냉각성능을 비교 분석하였다. 블록표면의 무차원온도는 블록의 표면을 따라서 좌측 하단부터 우측 하단까지를 각 블록당 나타낸 것이다.
블록표면의 무차원온도는 블록의 표면을 따라서 좌측 하단부터 우측 하단까지를 각 블록당 나타낸 것이다. 즉, 첫번째 블록부터 블록의 좌측 표면을 따라 하단에서 상단까지, 상부 표면을 따라 좌측에서 우측까지, 그리고 우측 표면을 따라 상단에서 하단까지를 첫번째, 두번째, 세번째 블록의 순으로 나타내었으며, 블록 사이에 존재하는 간격에서의 온도는 나타내지 않고 3개의 블록 표면온도만 연속적으로 나타내었다.
4에 나타내었다. 하부채널에 냉각유체로 액체인 물을 사용하며, 고전도체의 관 내부를 유동하도록 하여 인쇄회로기판과 접촉하지 않도록 하였다. 공기를 사용하는 case 2와 달리 하부채널에서 인쇄회로기판 밑면 근처에서의 급격한 온도변화는 보이지 않으며, 전체 영역의 온도도 상당히 낮다는 것을 알 수 있디.

대상 데이터

본 연구에서 해석하고자 하는 전형적인 전자부품의 형상은 인쇄회로기판 상에 3개의 발열체가 배치되어 있으며, 상부 및 하부 커버로 인하여 인쇄회로기판 상부 및 하부에 채널이 형성되어 있는 모델이다. 상부 채널에는 돌출된 열원이 존재하고 하부채널에는 해석경우에 따라 전도블록이 없는 경우와 있는 경우로 나누어진다.

이론/모형

격자계는 비엇갈림(nonstaggered) 격자를 사용하며, 이러한 격자계에서 발생할 수 있는 압력진동 현상을 방지하기 위하여 모멘텀보간법(momentum interpolation)을 사용하였다. 차분방정식은 TDMA 알고리듬과 함께 ADI 방법을 사용하여 반복계산으로 해를 구한다.
계산영역 내의 속도 및 온도분포를 구하기 위하여 질량, 운동량, 그리고 에너지보존법칙을 적용하였다. 즉, 2차원, 과도상태, 압축성, 가변 물성치의 Navier-Stokes 방정식과 에너지방정식, 2차원 과도 열전도방정식^⑼을 계산영역에 적용하였다.
이상의 지배방정식 및 경계조건을 적용하여 수치해석적으로 해를 구하기 위하여 유한체적법 (finite volume method)⁽¹¹⁾을 사용하였으며, 연속방정식은 SIMPLEC(SIMPLE Corrected)⁽¹²⁾ 방법에 따라 압력 및 압력수정방정식을 생성하는 데 사용된다. 격자계는 비엇갈림(nonstaggered) 격자를 사용하며, 이러한 격자계에서 발생할 수 있는 압력진동 현상을 방지하기 위하여 모멘텀보간법(momentum interpolation)을 사용하였다.
계산영역 내의 속도 및 온도분포를 구하기 위하여 질량, 운동량, 그리고 에너지보존법칙을 적용하였다. 즉, 2차원, 과도상태, 압축성, 가변 물성치의 Navier-Stokes 방정식과 에너지방정식, 2차원 과도 열전도방정식^⑼을 계산영역에 적용하였다.
격자계는 비엇갈림(nonstaggered) 격자를 사용하며, 이러한 격자계에서 발생할 수 있는 압력진동 현상을 방지하기 위하여 모멘텀보간법(momentum interpolation)을 사용하였다. 차분방정식은 TDMA 알고리듬과 함께 ADI 방법을 사용하여 반복계산으로 해를 구한다. 반복계산시 종속변수들의 수렴 정도를 점검하기 위하여 모든 격자점에서의 잔류량(residual)을 조사하였으며, 모든 방정식에 대한 잔류량이 10^-4 이하에 도달하면 수렴된 것으로 간주하였다.

성능/효과

(1) 동일한 기하학적 구조와 열원일 경우 잘 알려진 바와 같이 자연대류보다는 강제대류의 냉각성능이 더 양호하며, 냉각유체의 경우 기체보다는 물과 같은 액체의 냉각성능이 더 양호함을 보였다. 그러므로, 전자부품의 발열량에 따라서 발열량을 효과적으로 소산시킬 수 있는 냉각유체의 공급형태와 냉각유체의 선택이 필요하다는 것을 알 수 있다.
(3) 상부채널에서 공기에 의한 강제대류를 이용하는 경우 열원 중간에 배플을 설치함으로써 냉각 유체의 흐름을 열원 쪽으로 유도하여 국부적인 냉각효과의 상승을 볼 수 있었다. 또한 발열체 사이에 2개의 배플을 설치한 경우와 하류측 1개의 배플만 설치한 경우가 전반적으로 상이한 냉각성능을 나타냄을 알 수 있었다.
상부채널에서도 강제대류에 의한 영향으로 블록의 상부 표면 근처에서 열경계층으로 인해 온도가 급격히 변화함을 알 수 있다. 각 블록의 전체적인 온도는 case l과 마찬가지로 첫번째 블록에서 열전달이 가장 잘 일어나 온도가 가장 낮고, 두번째 및 세번째 블록이 이보다 조금씩 높아짐을 알 수 있다. 하부채널에도 강제대류를 이용하는 case 2는 하부채널에 자연대류를 이용하는 case l의 경우보다 내부의 온도가 저하함을 볼 수 있으며, 이는 하부채널에서 냉각유체에 의한 강제대류로 열전달량이 증대되기 때문이다.
그러나 세번째 블록에서는 첫번째와 두번째 블록에서의 열전달량이 증가하여 이미 온도가 상승한 냉각유체와 접하기 때문에 블록온도가 급격히 상승한다. 그러므로, 상부채널에 2개의 배플을 설치함으로써 첫번째와 두번째 블록에서는 냉각효과의 증대를 가져올 수 있으나 세번째 블록에서는 오히려 냉각효과가 감소할 수도 있다는 것을 알 수 있다.
공기를 사용하는 case 2와 달리 하부채널에서 인쇄회로기판 밑면 근처에서의 급격한 온도변화는 보이지 않으며, 전체 영역의 온도도 상당히 낮다는 것을 알 수 있디. 따라서, 기체보다 액체를 냉각유체로 사용하는 것이 냉각성능이 더 우수하다는 사실을 확인할 수 있다. 각 블록의 전체적인 온도는 거의 비슷한 형태를 지니며 이는 상부채널에서의 공기에 의한 강제대류의 효과보다 하부채널에서의 액체냉각에 의해 냉각특성이 좌우된다는 사실을 보여준다.
냉각효과의 상승을 볼 수 있었다. 또한 발열체 사이에 2개의 배플을 설치한 경우와 하류측 1개의 배플만 설치한 경우가 전반적으로 상이한 냉각성능을 나타냄을 알 수 있었다. 특히, 상류측에서의 활발한 열전달이 냉각유체의 온도상승으로 이어지고 이로 인해 하류측 발열체의 온도가 과도하게 상승할 수도 있기 때문에, 배플 수 및 위치의 선정이 매우 중요한 설계변수임을 알 수 있다.
유동장 및 온도장을 비교하여 보면 전체적인 유동분포 및 온도분포가 동일함을 확인할 수 있었다. 블록 표면의 무차원온도도 거의 비슷한 분포를 보임을 확인하였으며, 최대오차는 약 5%였다. 이를 통해 본 연구에서 개발한 코드가 유체유동 및 온도뿐만 아니라 발열 블록의 온도도 타당하게 예측함을 알 수 있었다.
5일 때 유동장과 무차원온도장, 그리고 블록의 무차원 표면온도를 비교하였다. 유동장 및 온도장을 비교하여 보면 전체적인 유동분포 및 온도분포가 동일함을 확인할 수 있었다. 블록 표면의 무차원온도도 거의 비슷한 분포를 보임을 확인하였으며, 최대오차는 약 5%였다.
블록 표면의 무차원온도도 거의 비슷한 분포를 보임을 확인하였으며, 최대오차는 약 5%였다. 이를 통해 본 연구에서 개발한 코드가 유체유동 및 온도뿐만 아니라 발열 블록의 온도도 타당하게 예측함을 알 수 있었다.

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