[논문]히트파이프 히트싱크에서 평판 휜-관으로 구성된 공기유동 냉각채널의 대류 열전달 특성에 관한 수치해석

김성훈; 신현명; 김철주

히트파이프 히트싱크에서 평판 휜-관으로 구성된 공기유동 냉각채널의 대류 열전달 특성에 관한 수치해석
A Numerical Analysis of Convective Heat Transfer in Air Flow Channels of a Plate Fin-tube Matrix for Heat Pipe Heat Sinks 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.29 no.8, 2005년, pp.862 - 869

김성훈 (계명대학교 기계자동차공학부) , 신현명 (계명대학교 기계자동차공학부) , 김철주 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A study on convective cooling characteristics has been done in the channels with heat pipes and associated Plane fins Analysis with FLUENT V5.0 lies its Purpose on the possible enhancement of heat transfer capability between an existing three in-line arrayed heatpipes and an extending four in-line arrayed heatpipes with increasing channel width. Numerical analysis is limited to the laminar flow in an isolated flow channel by employing cyclic boundary conditions for calculation purposes. Friction factors for three and four in-line arrayed heatpipes are compared with experimental results. In addition, temperature behavior at the plate fin for the three in-line arrayed heatpipes is compared with experiment. Friction factors and overall channel heat transfer coefficients (and/or Nusselt numbers) are presented as a function of Reynolds number. An increase of number of heatpipes and channel width reults in a decrease of the friction factor and doesn't not result in an increase of heat transfer performance. However. considering the 25$\%$ increase of heat load accompanies with maximum 8$^{\circ}C$ rise of average temperature of heat pipes, the four in-line array with the increase of channel width of heat pipe heat sink can be considered appropriate.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

본 연구의 유동해석에 이용된 유체는 공기이며 뉴턴유체, 비압축성, 정상유동으로 가정하여 다음의 지배방정식을 적용하였다.
한편 주기 경계조건은 Fig. 3에서 보듯이 유동단면의 상·하 두 평판 휜에 대해서는 각 평판의 두께의 가운데 면을 각각 유동패널의 상하면으로 정하였고, 휜의 경계면 표면온도는 두 휜에서 반복된다고 가정하여 표면에 사이클릭 경계조건을 식 (5)와 같이 적용하였다.

제안 방법

이러한 냉각장치의 설계에서는 언제나 응축부관, 휜, 공기 사이 대류 열전달, 유동 마찰 손실, 등이 가장 중요한 문제이다. 본 연구는 이 문제들에 대한 수 치해석 연구의 결과이며 Fig. 1의 두 경우에 대한 해석을 실시하고 그 결과를 비교하였다. 국내에서 개발한 4열 히트파이프 히트싱크의 시제품을 이용한 선행 실험연구에서는 약 1T.
본 연구에서의 실제의 히트파이프에 유입되는 유동과 같은 속도의 조건을 이용하여 수치해석을 수행하였으며 속도조건은 2.0〜10 m/s까지 총 9 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다.
0 m/s이고 응축부 관벽에서 열유속이 약 7200 W/mM 경우 4열 휜-히트파이프 히트싱크를 이용하여 유동채널 내부 평판 흰의 표면에서 국소 온도 즉정 실험을 수행한 결과3〕와 수치해석 결과를 비교한 것이다. 온도 측정은 휜의 표면위에 유동방향으로 관 측면에서 10mm에 놓인 선을 따라 휜 선단으로부터 각각 10, 50, 95, 125, 170, 210, 220 mm의 위치에 열전대를 설치하여 수행하였다. 히트파이프 관벽 의 단면 평균온도는 휜이 설치되지 않은 부분에서 관원주를 따라 4지점을 선택하여 측정한 온도의 평균값을 취하였다.
는 알루미늄 휜의 열전도율을 나타낸다. 유동장과 고체가 접하는 면에서는 온도와 열유속이 같다는 경계조건과 비활조건을 적용하였다.
전력반도체 냉각용 히트파이프 히트싱크에서 평판 휜과 히트파이프 응축관 직렬 배열 구조의 열 교환기에 대한 유동 및 열전달 문제를 수치 해석적 방법을 적용하고 해를 구하였다. 한국에서 개발한 냉각부하 1.
3에 공기와 히트파이프-휜 사이 열전달문 제의 경계조건을 표시하였다. 채널의 왼쪽 벽은 절연의 경계조건을 적용하여 외부와의 열전달을 차단하고 오른쪽 벽은 2열로 배열된 채널 중 1개의 채널만을 해석하는 조건으로 대칭의 경계조건을 적용하였다. 휜의 상하단면은 두께 0.
0^[8]을 활용하였다. 채널의 입구에서 일정한 유속의 흐름과 급격한 유선의 변화를 억제하기 위하여 유동 채널전체길이 의 1/4 크기의 입구길이 (Inlet Buffer Length) 를 고려하였고, 출구에서는 재순환 영역이 채널 내부 흐름에 미치는 영향을 배제하기 위하여 채널길이의 2배 크기의 출구길이(Outlet Buffer Length)를 적용 하였다.
전력반도체 냉각용 히트파이프 히트싱크에서 평판 휜과 히트파이프 응축관 직렬 배열 구조의 열 교환기에 대한 유동 및 열전달 문제를 수치 해석적 방법을 적용하고 해를 구하였다. 한국에서 개발한 냉각부하 1.5 kW 급 4열 히트파이프 히트싱크와 일본에서 사용하는 0.9 kW급 3열 히트파이프 장치를 대상으로 각각 히트파이프 관과 휜 주위 유동장과 열전달 특성을 검토하였다. 연구 결과에 대한 결론은 아래와 같다.
온도 측정은 휜의 표면위에 유동방향으로 관 측면에서 10mm에 놓인 선을 따라 휜 선단으로부터 각각 10, 50, 95, 125, 170, 210, 220 mm의 위치에 열전대를 설치하여 수행하였다. 히트파이프 관벽 의 단면 평균온도는 휜이 설치되지 않은 부분에서 관원주를 따라 4지점을 선택하여 측정한 온도의 평균값을 취하였다. Fig.

이론/모형

주기적으로 반복되는 경계조건을 부여하는데 용이하도록 정렬격자구조를 사용하였으며 대류항의 처리방법은 Power law방법을 사용하였다. 운동량식에서 속도-압력의 coupling은 SIMPLE법을 채택하였으며 반복계산을 할 때에 수렴조건에 대한 각 종속변수의 상대 값들을 전체 채널에 대한 질량유량은 1×10^-3. 운동량과 에너지식에서는 1×10^-4을 사용하였다.
유동해석에는 GAMBIT^[8]을 이용하여 히트파이프의 Wireframe 및 mesh작업을 수행하였고 solver계산에는 FLUENT 5.0^[8]을 활용하였다. 채널의 입구에서 일정한 유속의 흐름과 급격한 유선의 변화를 억제하기 위하여 유동 채널전체길이 의 1/4 크기의 입구길이 (Inlet Buffer Length) 를 고려하였고, 출구에서는 재순환 영역이 채널 내부 흐름에 미치는 영향을 배제하기 위하여 채널길이의 2배 크기의 출구길이(Outlet Buffer Length)를 적용 하였다.
주기적으로 반복되는 경계조건을 부여하는데 용이하도록 정렬격자구조를 사용하였으며 대류항의 처리방법은 Power law방법을 사용하였다. 운동량식에서 속도-압력의 coupling은 SIMPLE법을 채택하였으며 반복계산을 할 때에 수렴조건에 대한 각 종속변수의 상대 값들을 전체 채널에 대한 질량유량은 1×10^-3.

성능/효과

1. 4열 히트파이프 히트싱크는 3열의 경우와 비교하여 동일 열유속 조건에서 전체 열부하가 약 28% 크다. 4열의 경우에 관의 배열 수와 단면적 증가에 따라 예상되는 열전달 및 유동 마찰 저항 문제를 휜의 폭과 길이를 보다 강화함으로써 해결한 것은 매우 적절한 것임을 확인할 수 있었다.
2. 입구 유동 속도 조건과 히트파이프 평균 온도를 이용한 열전달계수를 정의함으로써 히트파이프의 작동 온도 범위를 고려한 유동 조건을 2-10m/s의 넓은 속도 범위에서 예측할 수 있다.
3열과 4열 히트파이프 냉각장치의 휜 채널에서 레이놀즈 수가 증가함에 따라 평균 열전달계수와 누셀트 수는 비교적 선형적으로 증가하였다. 이 결과를 이용하면 유동 속도 변화에 따른 히트파이프 전체 평균 온도를 예측할 수 있으며 따라서 히트파이프의 성능을 고려한 냉각장치의 열적안정성을 검토하는데 도움이 될 것으로 생각한다.
4열 히트파이프 히트싱크는 3열의 경우와 비교하여 동일 열유속 조건에서 전체 열부하가 약 28% 크다. 4열의 경우에 관의 배열 수와 단면적 증가에 따라 예상되는 열전달 및 유동 마찰 저항 문제를 휜의 폭과 길이를 보다 강화함으로써 해결한 것은 매우 적절한 것임을 확인할 수 있었다.

후속연구

3. 그러나 4열 또는 3열 냉각장치에 대해 휜의 형상과 흰의 수 등 제반 설계 인자들에 대해 보다 넓은 범위에 대해 이 연구에서 수행한 수치해석을 적용한다면 최적 설계 유무를 판정하는데 필요한 자료를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
3열과 4열 히트파이프 냉각장치의 휜 채널에서 레이놀즈 수가 증가함에 따라 평균 열전달계수와 누셀트 수는 비교적 선형적으로 증가하였다. 이 결과를 이용하면 유동 속도 변화에 따른 히트파이프 전체 평균 온도를 예측할 수 있으며 따라서 히트파이프의 성능을 고려한 냉각장치의 열적안정성을 검토하는데 도움이 될 것으로 생각한다. 그러나 위의 식 (8)은 휜 열전달 이론을 적용하지 않고 있으며 따라서 Fig.

참고문헌 (9)

이영수, 이기우, '히트파이프 열교환기,' 대한기계학회, 제35권, 제9호, pp. 805-815, 1995
김성훈, 한태원, '히트파이프-휜으로 구성된 채널에서의 강제 대류 열전달,' 계명대학교 산업기술연구소 논문집, 23-1호, pp. 351-360, 2000
김철주, 강국환, 이진성, 김재진, 'Heat Pipe식 Heat Sink 설계 및 제조 기술 개발,' 현대중공업 주전력 변환장치 개발 위탁 연구 보고서, 1998
이수영, 홍성은, 강국환, 김성훈, 김철주, '평판 Fin-tube 배열을 갖는 히트파이프 히트 싱크의 라디에이터를 통과하는 공기 유동에 관한 대류 열전달 및 압력강하연구,' 한국에너지공학회, 제9권, 제3호, pp. 212-220, 2000
김철주, 강국환, 김재진, 임광빈, '반도체 냉각용 히트파이프 식 냉각기 관련기술,' 현대중공업 주전력 변환 장치 개발 위탁 연구 보고서, 1997
이영수, 장영석, '운전조건에 따른 히트파이프를 이용한 열교한기의 특성에 관한 연구,' 공기조화 및 냉동공학회논문집, 제2권, 제3호, pp. 155-165, 1990
진윤근 '휜-히트파이프 열교환기에서 대류 열전달의 성능 향상에 관한 연구,' 계명대학교 석사학위논문, 2001
FLUENT V5.0 Manual
S. Patankar, Numerical Fluid Flow and Heat Transfer, Taylor & Francis, 1978

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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