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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 PZT 홴에 의한 모듈 주위의 유체유동의 가시화 및 각종 냉각 방식에 따른 모듈의 열전달 특성을 규명하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 PZT 홴에 공급되는 전압, 모듈의 냉각방식, 채널 입구의 통기율을 변화 시켜 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 모사 CPU(모듈) 표면 위에 압전 세라믹(piezoelectric ceramic, PZT) 이 부착된 진동판을 설치하여 모듈을 냉각하는 시스템을 고려하고자 한다. 이 진동판을 PZT 홴이라 칭한다.
- 이를 위해 본 연구에서는 PZT 홴에 공급되는 전압, 모듈의 냉각방식, 채널 입구의 통기율을 변화 시켜 연구를 수행하였다.
제안 방법
- (1) PZT 홴에 인가전압을 변화시켜 각 전압에 따른 최대 변위량을 검출하였다. 최대 변위량은 인가전압에 관계없이 동일한 주파수에서 발생하였으며, 이 주파수는 홴의 공진주파수로 23Hz이었다.
- (5) 모듈의 방열이 단열벽온도에 미치는 영향을 열와류인자 F로 표시하여 채널 내 모듈 주위의 F분포를 구하였다. PZT 홴에 의한 모듈 주위의 F분포의 양상은 유동가시화의 경향과 잘 일치함을 보였다.
- 김 용환 등㈣ 은 진동판의 폭에 따른 진동판 주위의 유동장을 진동판의 변위각에 따라 가시화하였다. Burmann 등⑺은 유한요소 모델을 이용하여 압전홴의 두께와 길이에 대한 최적화를 해석적으로 연구하였다. 상기의 연구자들은 시험부 내에 설치된 진동바 주위의 유체유동 및 온도분포를 가시화하는 것에만 연구하였다.
- 모듈의 표면으로부터 3mm 떨어진 위치에 PZT 홴을 설치하였다. PZT 홴은 모듈의 선단부에 별도로 고정 시스템을 제작하여 고정하였다. 본 실험에서 채널입구의 통기율은 10, 20, 30, 40, 100%로 변화시켰다.
- PZT 홴은 주파수 발생기에 의해 주어지는 주파수를 가진 전류를 증폭기(piezo amp)을 이용하여 증가시켜 일정 범위의 전압을 PZT 홴에 공급하여 가동시켰다. 홴의 인가전압은 20V 에서 30V까지로 20V씩 증가시켰다.
- PZT 홴을 이용한 모듈 주위의 유체유동 및 온도분포 그리고 모듈의 열전달 특성을 규명하기 위하여 PZT 홴에 공급하는 인가전압, 모듈과 홴사이의 간격, 냉각방식을 변화시켜 가면서 실험적 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 공진 주파수를 측정하였다. PZT 홴의 공진주파수는 gap-sensor(LC-2400A)를 이용하여 측정하였으며, 이 센서에 의해 측정된 최대 변위량을 데이터처리 시스템을 이용하여 검출하였다. 공진주파수를 검출한 후, 홴의 인가전압, 모듈 표면과 홴 사이의 간격 그리고 냉각 방식에 따른 모듈의 온도변화를 측정하였다.
- 시험부는 가로 450mm, 세로 80mm, 높이 700mm인 수직평행평판 채널로서 투명한 아크릴로 제작하였다. 강제대류에 의한 모듈의 냉각 효과롤 검토하기 위하여 수직 채널의 상단부에는 3개의 원심형 홴(60x60mm2)을 설치하여 채널의 하단부에서 공기가 융입되도록 하였다. 한 변이 45mm인 정방형 모사모듈은 채널 하단부로부터 상부 방향으로 95mm인 위치에 모듈의 선단부가 오도록 부착하였다.
- PZT 홴의 공진주파수는 gap-sensor(LC-2400A)를 이용하여 측정하였으며, 이 센서에 의해 측정된 최대 변위량을 데이터처리 시스템을 이용하여 검출하였다. 공진주파수를 검출한 후, 홴의 인가전압, 모듈 표면과 홴 사이의 간격 그리고 냉각 방식에 따른 모듈의 온도변화를 측정하였다. 모듈의 냉각은 모듈에 휜을 부착한 자연대류방식, 모듈에 횐을 부착하지 않는 경우와 부착한 경우에서 채널의 상단부에 3개의 원심홴만을 구동시킨 강제대류방식(Fig.
- 단열벽온도 (Tad) 를 측정하기 위해 벽면에 두께 0.2mm의 천을 부착하고 그 위에 액정막을 접착시켰다. 액정막(liquid crystal film)은 측온범위가 32.
- 통기면적의 조절은 다음과 같이 행하였다. 먼저 채널 상단에 설치된 홴에 의하여 유출되는 공기속도를 유속계로 측정하였다. 다음에 출구의 공기속도와 출구면적을 곱하여 유줄유량을 구하였다.
- 액정막의 지시온도의 검정은 액정보정장치에 열전대를 부착하여 행하였다. 모듈 주위의 색분포는 체널 상부에 설치된 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였으며, 촬영된 결과는 영상처리장치를 이용하여 데이터를 정리하였다.
- 공진주파수를 검출한 후, 홴의 인가전압, 모듈 표면과 홴 사이의 간격 그리고 냉각 방식에 따른 모듈의 온도변화를 측정하였다. 모듈의 냉각은 모듈에 휜을 부착한 자연대류방식, 모듈에 횐을 부착하지 않는 경우와 부착한 경우에서 채널의 상단부에 3개의 원심홴만을 구동시킨 강제대류방식(Fig. 3) 그리고 모듈에 휜을 부착하지 않고 PZT 홴만에 의한 방식을 이용하였다. 모듈에 부착시키는 휜은 실제 CPU에 부착하는 상용화된 제품을 사용하였다’ 그리고 원심홴을 이용한 강제대류에서 채널의 입구의 유속은 Vi=0.
- PZT 홴은 모듈의 선단부에 별도로 고정 시스템을 제작하여 고정하였다. 본 실험에서 채널입구의 통기율은 10, 20, 30, 40, 100%로 변화시켰다. 통기율(=채널 입구에서 부분적으로 개방된 통기면적(A)/ 채널 입구가 완전 개방되었을 때의 통기면적(Ao)) 100%는 채널 입구가 완전 개방된 상태를 나타낸다.
- 본 연구에서는 먼저 PZT 홴의 인가전압에 따른 공진 주파수를 측정하였다. PZT 홴의 공진주파수는 gap-sensor(LC-2400A)를 이용하여 측정하였으며, 이 센서에 의해 측정된 최대 변위량을 데이터처리 시스템을 이용하여 검출하였다.
- 전력을 조절하도록 하였다. 시험부 입구의 공기온도, 모듈의 표면온도 그리고 채널의 상부표면 온도는 직경 0.2mm의 T형 열전대를 온도측정 장치(Fluke 2286A)에 연결하여 측정하였다.
- 시험부에 설치된 모듈로의 전력 공급은 직류전원 공급장치에 의해서 전력을 공급하고, 디지털멀티메타(FIuke-8842A)를 이용하여 모듈에 공급되는 전력을 조절하도록 하였다. 시험부 입구의 공기온도, 모듈의 표면온도 그리고 채널의 상부표면 온도는 직경 0.
- 9X:(적색/녹색) 그리고 3*C 7(녹색/청색)예서 변색경계가 식별 용이하였으며, 이들의 경계를 측정으로 이용하였다. 액정막의 지시온도의 검정은 액정보정장치에 열전대를 부착하여 행하였다. 모듈 주위의 색분포는 체널 상부에 설치된 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였으며, 촬영된 결과는 영상처리장치를 이용하여 데이터를 정리하였다.
- 다음에 출구의 공기속도와 출구면적을 곱하여 유줄유량을 구하였다. 출구에서의 유량값을 이용하여 채널입구에서 연속방정식을 만족하도록 통기면적에 따른 공기속도를 구하면서 원하는 통기율에 부합되도록 통기면적을 조절하였다. 통기면적은 길이 450mm, 폭 80mm, 두께 1mm의 스틸로폼에 직경 1mm의 구멍을 뚫어 조절하였다.
- 6笆이며, 고온측으로부터 감청색, 청색, 녹색, 적색, 갈색의 순으로 5종류의 색올 나타낸다. 특히 337C(갈색/적색), 34.9X:(적색/녹색) 그리고 3*C 7(녹색/청색)예서 변색경계가 식별 용이하였으며, 이들의 경계를 측정으로 이용하였다. 액정막의 지시온도의 검정은 액정보정장치에 열전대를 부착하여 행하였다.
대상 데이터
- 5는 PZT 홴의 구조를 나타내고 있다. PZT 홴은 길이 100mm, 폭 7mm, 두께 0.2mm의 치수를 가지는 직사각형 평판으로 스테인레스강을 사용하여 제작하였다. PZT 홴에 전류를 공급시키기 위한 전극은 홴의 고정단(Fig.
- 3은 본 실험에 사용된 시험부의 개략도를 나타낸 그림이다. 시험부는 가로 450mm, 세로 80mm, 높이 700mm인 수직평행평판 채널로서 투명한 아크릴로 제작하였다. 강제대류에 의한 모듈의 냉각 효과롤 검토하기 위하여 수직 채널의 상단부에는 3개의 원심형 홴(60x60mm2)을 설치하여 채널의 하단부에서 공기가 융입되도록 하였다.
- 2는 본 연구에 사용된 실험장치의 개략도를 나타낸다. 시험부는 높이 80mm인 수직 평행평판 채널로 시험부의 유동가시화를 용이하게 하기 위해 투명 아크릴로 제작하였다. 시험부 내의유체 유동의 가시화는 PIV (particle imaging velocimetry) 시스템을 이용하였다.
- 출구에서의 유량값을 이용하여 채널입구에서 연속방정식을 만족하도록 통기면적에 따른 공기속도를 구하면서 원하는 통기율에 부합되도록 통기면적을 조절하였다. 통기면적은 길이 450mm, 폭 80mm, 두께 1mm의 스틸로폼에 직경 1mm의 구멍을 뚫어 조절하였다.
이론/모형
- 본 실험에서 수행한 측정의 불확실성은 Kline 과 McClintock⑻의 방법으로 평가하여 다음과 같이 추정 하였다. PZT 홴의 변위량은 0.
- 시험부는 높이 80mm인 수직 평행평판 채널로 시험부의 유동가시화를 용이하게 하기 위해 투명 아크릴로 제작하였다. 시험부 내의유체 유동의 가시화는 PIV (particle imaging velocimetry) 시스템을 이용하였다. PIV 시스템은 120mJ/pulse의 이 중 펄스 방식의 Nd:Yag 레이저 시스템과 1KXIK의 고해상도 CCD카메라, 동기화 장치 (synchronizer), 화상처리장치로 구성되어 있다.
성능/효과
- (2) 공진주파수 23Hz에서 모듈 표면과 PZT 홴사이 의 최 적간격 이 3mm일 때 모듈의 열 전달 촉진이 가장 효과적임을 알았다. 또한 최적간격 3mm에서 모듈의 온도는 홴의 인가전압의 증가에 따라 지수적으로 감소하여 인가전압이 60V 이상에서의 모듈온도는 2℃ 이하로 거의 일정함을 보였다.
- (3) 모듈에 횐이 부착되고 채널 입구의 유속이 0.7m/s인 강제대류 냉각방식은 채널 입구의 통기율에 크게 의존하였으나, PZT 홴을 이용한 모듈 냉각은 시험부 입구의 통기율에 거의 무관함을 알았다. 또한 냉각 방식에 따른 모듈의 온도 강하를 비교해 볼 때 PZT 홴을 이용한 냉각방식이 강제대류 방식에 비해 전자기기에 실장된 CPU 에 부착된 방열 휜과 홴을 제거하기 때문에 시스템의 소형화에 매우 효과적임을 알았다.
- (4) PZT 홴에 의한 모듈표면 위의 유동패턴은 홴의 양 측면으로 Y자 형태의 vortex 유동이 발생함을 관찰하였다. Y자 유동은 인가전압이 증가할수록 점점 커졌으며, 인가전압이 60V 이상에서는 Y자 유동이 나타나지 않음을 알 수 있었다.
- Fig. 11(a)( 7p=20V) 경우에서 모듈 표면 위의 유동패턴은 홴의 진동에 의해 vortex유동이 발생하며, 이 유동은 y축을 기준으로 土%축 방향으로 Y자 형태를 이루면서 대칭적으로 강력하게 분사되는 유동이 발생함을 관찰할 수 있었다. 그리고 Y자 방향으로 유줄된 vortex 유동은 하류방향(채널 상단부)으로 이동하면서 중력의 영향에 의해 다시 모듈 쪽으로 재귀환되면서 모듈 후단부의 모퉁이 영역에서 Y자 유동과 재결합되었다.
- 인가전압이 40V[Fig. 11(b)]일 때는 Y자 형태의 분사유동은 더욱 더 강력해지며, y축과 분사유동과 이루는 각 a는 작아졌고, 팬 측면의 유동층의 폭 b도 더욱더 얇아짐을 관찰할 수 있었다.그러나 Vn60V[Fig.
- 그러나 Vn60V[Fig. 11(c)]일 때는 Y형태의 유동과 팬 측면의 유동층은 거의 보이지 않으며, 모듈의 후미에 작은 와류가 형성되어짐을 알 수 있었다.
- F분포를 구하였다. PZT 홴에 의한 모듈 주위의 F분포의 양상은 유동가시화의 경향과 잘 일치함을 보였다. 모듈 주위의 F분포가 FN3.
- 추정 하였다. PZT 홴의 변위량은 0.01mm, 채널 입구의 공기온도, 모듈온도 그리고 채널 벽면 온도 ±0.3K, 액정막의 변색 경계의 공간 분해능 약 1mm, 모듈로의 입 력전력은 0.32%, 복사에 의한 열손실량은 0.43%로 평가되었다.
- 관찰하였다. Y자 유동은 인가전압이 증가할수록 점점 커졌으며, 인가전압이 60V 이상에서는 Y자 유동이 나타나지 않음을 알 수 있었다.
- 9는 냉각 방식과 시험부 입구의 통기율에 따른 모듈의 온도변화를 나타낸다. 강제대류 냉각방식에서 통기율이 증가할수록 모듈의 온도는 높게 나타났다. 이것은 채널 상단부에서 유량이 일정할 때 하단부의 통기면적을 증가시킬수록 유속은 감소하기 때문이다.
- 또한 최적간격 3mm에서 모듈의 온도는 홴의 인가전압의 증가에 따라 지수적으로 감소하여 인가전압이 60V 이상에서의 모듈온도는 2℃ 이하로 거의 일정함을 보였다. 따라서 모듈의 냉각 효과를 증대시키는가 장 효율적인 인가전압은 60V임을 알았다.
- 그러나 , 舟60μ에서는 모듈온도차는 2K 이하로 거의 일정함을 나타내고 있다. 따라서 모듈의 냉각 효과를 증대시킬 수 있는 가장 효율적인 인가전압은 60V임을 알 수 있었다.
- 7m/s인 강제대류 냉각방식은 채널 입구의 통기율에 크게 의존하였으나, PZT 홴을 이용한 모듈 냉각은 시험부 입구의 통기율에 거의 무관함을 알았다. 또한 냉각 방식에 따른 모듈의 온도 강하를 비교해 볼 때 PZT 홴을 이용한 냉각방식이 강제대류 방식에 비해 전자기기에 실장된 CPU 에 부착된 방열 휜과 홴을 제거하기 때문에 시스템의 소형화에 매우 효과적임을 알았다.
- 가장 효과적임을 알았다. 또한 최적간격 3mm에서 모듈의 온도는 홴의 인가전압의 증가에 따라 지수적으로 감소하여 인가전압이 60V 이상에서의 모듈온도는 2℃ 이하로 거의 일정함을 보였다. 따라서 모듈의 냉각 효과를 증대시키는가 장 효율적인 인가전압은 60V임을 알았다.
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