[논문]스트립휜 히트싱크의 냉각특성

박철우; 김현우; 장충선; 유갑종

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.1.016

스트립휜 히트싱크의 냉각특성
Cooling Characteristics of a Strip Fin Heat Sink 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.29 no.1 = no.232, 2005년, pp.16 - 26

박철우 (경북대학교 기계공학부) , 김현우 (안동정보대학 컴퓨터응용기계과) , 장충선 (경북대학교 대학원 기계공학부) , 유갑종 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Air-cooled heat sinks are employed in many electronic cooling applications since they provide significant heat transfer enhancement and operational flexibility. Strip-shaped fin heat sink is of interest and needs to be investigated as general cooling products for more applicability. The purposes of this study are to evaluate heat sink performance without bypass flow condition and to determine optimal heat sink geometries. The results show that the decreasing rate of thermal resistance of a heat sink decreases with increasing inlet air velocity, and the increasing rate of pressure drop increases with increasing inlet air velocity, but is not affected by input power. The increasing rate of optimal longitudinal fin spacing is larger than that of transverse fin spacing. The strip fin heat sink tested in this study showed better cooling performance compared to that of other plate fin type.matism. 2004; 50(11): 3504-3515.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 기존 히트싱크와 비교하여 냉각성능이 보다 우수하고 소요동력은 최소화 할 수 있는 새로운 형태의 히트싱크 개발이 매우 절실한 실정이다. 그러므 로, 본 연구에서는 스트립 형태의 휜히트싱크의 냉각특성을 연구하고 이를 기존의 상용 히트싱크 의 특성과 비교하여 냉각성능이 보다 우수함을 밝혀보고자 한다.
본 연구에서는 엇갈리게 배치한 히트싱크의 기하학적 형상과 냉각공기의 유동조건의 변화에 따른 스트립휜 히트싱크의 냉각특성에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

(1) 유입공기의 온도를 확인하기 위하여 풍동을 시운전(30분간) 한 후 풍동입구의 공기온도를 측정하여 20℃로 유지하였다.
(2) 마이크로 마노미터를 영점조정(Zbo Setting)한 후 인버터로 송풍기를 가동시켜 측정하고자 하는 유입공기의 속도를 설정하였다. 오리피스의 차압 을 마이크로 마노미터로 측정하여 유량을 계산한 후 채널 단면적으로 나누어서 채널내 평균 유입 공기의 속도와 속도측정기의 측정 평균값을 비교하여 속도의 차이가 ±0.
(4) 데이터 처리장치를 이용하여 3분 간격으로 데이터를 저장하여 시간당 온도변화가 ±0.2℃ 이내 일 때를 정상상태에 도달하는 기준으로 정하고 이 때의 온도 및 압력강하량을 측정하였다.
출구 플 레넘(Exit plenum) ⑥에 와이어 스크린을 설치하여 유동이 균일하게 흐르도록 하였다. 공기유량을 측정하기 위하여 오리피스(Orifice) ⑦을 설치 한 뒤, 플렉시블 호스 (Flexible hose) ⑧을 이용하여 송풍기(Blower) ⑨와 연결하였다.
(5) 입력열량, 히트싱크의 형상 등의 실험조건 이 변경되면 위의 단계 (1)부터 다시 시작하였다. 또한 공기의 유입속도가 변경되면 단계 (2), (3),(4)를 반복적으로 수행하였다.
히트싱크 베 이스판과 모듈 사이의 접촉열저항을 최소화하기 위하여 베이스판 밑면과 케이스표면을 연마한 후열그리스(Themal grease)(YG-6111)를 얇게 도포하였다. 모듈 내부의 열전달 효과를 높이기 위하여 열전도성이 높은 고열전도성 본드(OMEGA bond101)를 충진시키고 덮개로 압착하였다. 발사나무 에 깊이 3mm의 자리면을 가공한 다음 모듈, 열 유속센서 및 압력센서 (SPI Pressurex®)를 부착하였다.
캪톤 히 터 의 리드선은 덮개(Cover)에 지름 1mm의 구멍을 내어 외부로 인출한 후 직류전원 공급장치에 연 결하였다. 모듈표면의 온도는 중심부 3개, 측면 1개 지점에 열전대를 부착하여 측정하였다.
열유속센서는 기판으로의 전도에 의한 열 손실량을 측정 하기 위하여 부착하였다. 압력센서 를 이용하여 접촉압력을 측정하였다. Table 1은 본 연구에서 수행한 실험변수 및 실험범위를 나타낸다.
(2) 마이크로 마노미터를 영점조정(Zbo Setting)한 후 인버터로 송풍기를 가동시켜 측정하고자 하는 유입공기의 속도를 설정하였다. 오리피스의 차압 을 마이크로 마노미터로 측정하여 유량을 계산한 후 채널 단면적으로 나누어서 채널내 평균 유입 공기의 속도와 속도측정기의 측정 평균값을 비교하여 속도의 차이가 ±0.05m/s 이고, 속도변화가 ±0.05m/s 이내일 때를 정상상태로 간주하였다.
직류전원 공급장치(HP E3611A) ⑮를 이용하여 실험조건에 맞는 전압을 적절히 변화시켜 공 급하였다. 유입공기 속도는 인버터(Freqrol-E500) ⑯의 주파수를 조절하여 맞추었다.
전원공급부 ©에서 공급되는 전류는 디지털 멀 티미터(FLUKE, 8842A) ⑭를 이용하여 측정하였다. 직류전원 공급장치(HP E3611A) ⑮를 이용하여 실험조건에 맞는 전압을 적절히 변화시켜 공 급하였다. 유입공기 속도는 인버터(Freqrol-E500) ⑯의 주파수를 조절하여 맞추었다.
히트싱크 중심선상 전 . 후단으 로부터 각각 50mm되는 지점에 1.0mm의 정압공 을 뚫어 피토관을 설치하고 마이크로 마노미터 (FCO 510) ⑫로 압력강하량을 측정하였다. 유입 공기의 속도는 탐촉자(probe)형의 열선식 풍속측정 기인 속도측정기(8302-M-GB) ⑬을 이용하였다.
0n/s로 변화한다. 히트싱 크 형상변수는 휜 높이, 휜 종간격, 휜 횡간격으로 각각 20~35mm, 1.0~6.0mm, L0~11.0mm로변화하였다.
3(d)는 가열부의 분해도이다. 히트싱크 베 이스판과 모듈 사이의 접촉열저항을 최소화하기 위하여 베이스판 밑면과 케이스표면을 연마한 후열그리스(Themal grease)(YG-6111)를 얇게 도포하였다. 모듈 내부의 열전달 효과를 높이기 위하여 열전도성이 높은 고열전도성 본드(OMEGA bond101)를 충진시키고 덮개로 압착하였다.

대상 데이터

3(c)에서 모듈은 고밀도 집적회로(ULSI)를 모사한 형태이고, 기판과 모듈이 동일평면(Flushmount) 형태이다. 모듈의 폭과 길이는 각각 27mm, 두께는 3mm로 하였다. 모듈의 제작은 모듈 표면 에서의 열유속을 균일하게 하기 위하여 두께1.
전원공급부 ©에서 공급되는 전류는 디지털 멀 티미터(FLUKE, 8842A) ⑭를 이용하여 측정하였다. 직류전원 공급장치(HP E3611A) ⑮를 이용하여 실험조건에 맞는 전압을 적절히 변화시켜 공 급하였다.

데이터처리

Wood 등'”은 이론적 해석을 통하여 평판휜 의 국부온도를 구하고 열전달량을 계산하였다. Kadle와 Sparrow"'는 휜의 재질과 간격 변화에 따른 휜의 효율 및 국부 누셀트수를 수치해석으로 구하여 실험결과와 비교하였다. Biber와 Belady'51 는 히트싱크의 크기에 따른 압력강하량을 이론해 석하여 실험결과와 비교하였다.

이론/모형

불확실성의 해석은 Moffat""의 해석방법을 이용하여 해석하였다. 측정된 온도의 불확실도는 ±0.
접촉 열저항을 예측하기 위하여 Yovanovich''' 가 제시한 실험식을 사용하였다. 접촉 열저항 Ra 는 식 (2)로 계산하였다.
확산열저항의 계산은 Behm & Huttumen眼이 제 시한 이론 해석식을 이용하였다. 확산 열저항 RSP 는 식 (3)으로 계산하였다.

성능/효과

그러므로 Fig. 16과 Fig. 17의 결과로부터 실제 의 소형 전자장치의 냉각에 사용되고 있는 유입 공기의 속도 fs=3m/s를 고려하여 볼 때, 본 연구에서 제시한 스트립휜 히트싱크가 기존의 Jonsson과 Moshfegh'"'의 스트립휜 히트싱크 등에 비하여 열 전달 및 압력강하 측면에서 모두 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다.
17은 강제대류 영역에서 덕트레이놀즈수 知命)의 변화에 따른 압력계수(CPc)의 변화를 나타낸 그림이다. 먼저 스트립휜 히트싱크간의 비 교에서 보면 압력계수 변화량은 본 연구에 사용된 스트립휜 히트싱크의 경우 기존의 Jonsson과 Moshfegh(")의 스트립휜 히트싱크와 비교하여 Reg = 3.94x103을 경계로 이 보다 낮은 범위에서 는 크게 나타났으며, 높은 범위에서는 작게 나타났다. 그런데 Rem = 3*10.
(1) 유입공기의 속도가 증가함에 따라 히트싱 크열저항의 감소율은 작아지며, 히트싱크의 열저 항은 대류열저항의 변화와 직접 상관된다. 그리고 유입공기의 속도가 증가함에 따라 압력강하량 의 증가율은 커지며, 압력강하량에 대한 입력열 량의 영향은 상대적으로 작게 나타난다.
(2) 바이패스 유동이 없는 경우, 냉각성능의 최적 임계 휜높이는 7/=30mm 이다. 특히 //=30mm 이상에서의 휜높이의 증가는 압력 강하량을 증가시켜 소요 동력을 크게 할 뿐 열전달 향상에는 크게 영향을 미치지 못한다.
(3) 또한 최적의 휜간격은 유입공기의 속도가 작고 입 력열량이 클수록 커지며, 휜높이에는 영향을 받지 않는다.
그리고 이러한 결과들을 바탕으로 종합적으로 판단해 볼 때, K”=3.0m/s이고, H=30mm인 경우, 최적의 휜 종간격과 휜 횡간격은 각각 &=2mm와 Sz=3mm이었다. 또한 Fig.
(4) 본 연구에서 제시한 장.단의 휜을 사용하여 휜이 교차적으로 배열된 형태의 스트립휜 히트싱 크가 기존의 일정된 크기의 스트립휜 히트싱크와 평판휜 히트싱크에 비해 상대적으로 냉각특성이 우수하게 나타났다.
5m/s인 경우를 보면, 현재 상용화된 실제 전자장치 냉각에 사용되고 있는 유입공기의 속도 인 3m/s보다 낮은 속도이다. 따라서 R尸3m/s 에 해 당되는 덕트레이놀즈수 Reg = 6.94시범위를 보 면, 이때의 압력계수는 본 연구에서 제시한 스트립 휜 히트싱크가 CP(=9.58로 기존의 스트립흰 히트 싱크보다 작게 나타난다.
또한 평판휜 히트싱크와 비교하여 본다면, 압 력계수는 전 실험구간에 걸쳐 본 연구에 사용된 스트 립 휜 히 트싱 크의 압력계 수가 Jonsson과 Moshfe앙(3)의 평판휜 히트싱크에 비해 평균 12% 정도 크게 나타났다. 이것은 휜의 길이 변화에 따른 결과로서 평판흰 히트싱크의 경우, 각 휜에 대하여 하나의 입구수축과 출구팽창을 가졌던 반 면에 스트립휜 히트싱크의 경우에는 다수의 수축 과 팽창을 하게됨으로 압력강하량이 더욱 커지게 되기 때문이다.
먼저 휜의 횡간격이 임계 횡간격보다 작을 경우에는 전열 면적은 커지지만 휜과 휜 사이를 통 과하는 마찰저항의 증가로 인하여 공기의 속도가 줄어들어 열전달 감소효과가 더욱 커지게 되므로 히트싱크 열저항은 증가하게된다. 일반적으로 휜 에서의 대류열전달량은 흰 및 주위 둘레에 따라 변하고 각 점에서의 값들은 그 점에서의 유체유 동에 많은 영향을 받는다.
기존의 연구에서 이들이 사용한 스트립휜 히트싱크는 휜의 형상이 휜의 길이가 일정한 직사각형이고, 정렬된 배열 이었다. 이러한 기존의 스트립횐 히트싱크와의 상관관계를 통하여 볼 때, 평균누셀트수는 전 영 역에 걸쳐서 본 연구에서 사용한 스트립휜 히트 싱크의 경우가 직사각형의 스트립휜 히트싱크 및 평판휜 히트싱크에 비해 대류열전달의 향상으로 인하여 평균누셀트수가 각각 평균 19%와 29% 정도 크게 나타났다.
56%이다. 이와 같이 기본적으로 측정된 변수들의 불확실성으로부터 계산된 덕트레이놀즈수, 히트싱크열저항, 누셀 트수 및 압력계수의 불확실도는 각각 7.43%, 0.85%, 2.87%, 3.96% 정도이다.
불확실성의 해석은 Moffat""의 해석방법을 이용하여 해석하였다. 측정된 온도의 불확실도는 ±0.25℃ 정도이며, 유입공기의 속도 및 압력강하 량의 불확실도는 각각 1.32%, 2.56%이다. 이와 같이 기본적으로 측정된 변수들의 불확실성으로부터 계산된 덕트레이놀즈수, 히트싱크열저항, 누셀 트수 및 압력계수의 불확실도는 각각 7.

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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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