[논문]나노유체를 이용한 열사이폰 히트싱크

이석호; 신동륜; 임택규; 이충구; 박기호; 이욱현

문제 정의

본 연구는 나노유체를 사용한 응용품에 대한 연구로서 나노유체를 작동유체로 사용한 열사이 폰을 이용한 냉각장치의 개발을 통해 나노유체의 냉각매체로서의 가능성을 평가하였다. 본 연구에서는 나노유체의 농도, 작동유체의 주입량과 경사 각 등 다양한 영향을 평가하고, 모델링하여 시뮬 레이션을 통한 예측 및 실험결과와의 비교도 가능하도록 하였다.
본 연구는 전자부품 냉각을 위한 열사이폰(thermosyphon) 히트싱크(heat sink)를 개발하였다. 내부의 작동유체를 나노유체 (TiOz-Water)로 사용하였으며, 개발된 냉각장치는 150 W 이상의 열전달 성능이 있는 것으로 실험으로 알 수 있었다.
본 연구는 나노유체를 사용한 응용품에 대한 연구로서 나노유체를 작동유체로 사용한 열사이 폰을 이용한 냉각장치의 개발을 통해 나노유체의 냉각매체로서의 가능성을 평가하였다. 본 연구에서는 나노유체의 농도, 작동유체의 주입량과 경사 각 등 다양한 영향을 평가하고, 모델링하여 시뮬 레이션을 통한 예측 및 실험결과와의 비교도 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 열사이폰 내부의 작동유체로 일반적인 순수액체가 아닌 나노 금속입자가 분산된 나노유체를 사용한 연구이며, 나노유체를 이용하여 작동유체의 열전도도를 중가시켜 열전달 성능 향상을 꾀하려 한다. 나노유체는 유체의 열용량 (heat capacity)를 증가시키고, 유체의 유효전도성 을 향상시킨다.

가설 설정

이는 1% 나노유체를 사용시 농도의 증가와 더불어 열사이폰의 특성상 증발에 의해 상숭한 작동유체는 중력에 의해 증발부로 귀환하여야 하나, 나노유체의 농도의 증가는 오히려 중발과 웅축의 반복하는 과정을 소화하지 못하는 현상을 보이는 것으로 판단할 수 있다. 본 연구에서 개발된 냉각장치는 발열체를 전자 부품으로 모사한 것이기에 발열부의 온도변화는 전자부품의 작동과 상관관계가 있을 것이다. 그렇기에 발열부 온도관찰이 필요할 것이기에 Fig.

제안 방법

Fig. 1에 보이는 것처럼 본 연구에서 수행된 열사이폰(thermosyphon) 히트싱크(heat sink)는 MCM(MultiChip Module) 냉각용으로 개발된 시스템으로 열원(heat source)과 냉각유체 사이의 온도차가 50℃ 일 경우에 최대 150 W 이상의 열전달 성능을 갖도록 설계되었다. 실험을 위해 개발된 나노유체열사이폰 히트싱크는 크게 증발부와 응축부, 그리고 그 사이를 유체가 이동할 수 있도록 연결된 수송부로 구성되어 있다.
가열부 에는 1개의 열전대가 가열부 표면에 중앙에 연결되었으며 중발부 출구 4개, 응축부 입구에 4개, 그리고 응축부에 상단에 4개의 열전대를 부착하였다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 각각의 열전대는 Data Acquisition System(MX 100D, Yokogawa) 에 연결되었으며, 컴퓨터를 통해 상시 히트싱크의 온도변화를 관찰할 수 있도록 하였다.
나노유체를 작동유체로 사용한 실험을 모델링하고 시뮬레이션하기 위하여 나노유체의 물성치 값들을 알아야 한다. 나노유체가 모유체와 다르게 차이를 보이는 물성으로는 크게 열전도계수, 점성계수, 밀도, 비열 등이 있으며, 프로그램에서 앞의 물성값들은 예전 연구사례를 바탕으로 경험 식을 사용하였으며, 기타 물성치들은 모유체의 물성값을 사용하였다.
나노유체의 물성치는 현재 지속적으로 연구되어지고 있으나 그 사례가 미약하여 물성값들을 구할 수 있는 식들의 검증된 결과와 함께 제시하기는 어려운 면이 있으나 시뮬레이션 코드에서는 가장 근사한 모델을 구성하기 위하여 해당 식들을 사용하였다.
5%일 경우보다 1%일 경우에 입자의 충돌이 증가하여 작동유체의 상승은 활발하나 모세관력에 의한 유체의 귀환이 늦은 것으로 판단된다. 내부의 작동유체의 충진량을 결정하기 위하여 액체의 양을 변화시키며 물을 이용하여 그 영향을 평가하였다. 실험결과 내부의 작 동유체의 양은 3mL일 경우 최적의 작동성능을 보여주고 있는 것으로 Fig.
시뮬레이션의 논리적인 과정은 열사이폰의 열원(heat source)으로부터 냉각유체까지 열이 전달되기까지 각 경계의 온도를 규명하고 있으며, 열사이폰 히트싱크의 시뮬레이션은 전체 열저항 네트워크에 바탕을 두고 수행하게 된다. 시뮬레이션은 근본적으로 각각의 열저항을 계산하고 열저항 네트워크가 Gauss-Seidel 방법⑼에 의한 반복계산에 의해 최종적으로 수렴 조건(#)을 만족시킴으로써 시뮬레이션을 수행하게 된다. 히트싱크 전체 열전달 성능은 식(1)으로 나타낼 수 있다.
3은 프로그램의 손쉬운 접근성을 위하여 개발된 윈도우 모듈이다. 시뮬레이션의 논리적인 과정은 열사이폰의 열원(heat source)으로부터 냉각유체까지 열이 전달되기까지 각 경계의 온도를 규명하고 있으며, 열사이폰 히트싱크의 시뮬레이션은 전체 열저항 네트워크에 바탕을 두고 수행하게 된다. 시뮬레이션은 근본적으로 각각의 열저항을 계산하고 열저항 네트워크가 Gauss-Seidel 방법⑼에 의한 반복계산에 의해 최종적으로 수렴 조건(#)을 만족시킴으로써 시뮬레이션을 수행하게 된다.

대상 데이터

4 mm 동관으로 만들어졌으며 나노유 체를 작동유체로 사용했다. 각각의 열사이폰은 50 mm의 증발부, 290 mm의 수송부, 그리고 150 mm의 웅축부로 구성되어 있다. 각 열사이폰은 50x 50x10mm의 증발부인 알루미늄 블록(block)의 상부에 5mm 간격으로 만들어진 구멍에 삽입되었다.
본 연구는 전자부품 냉각을 위한 열사이폰(thermosyphon) 히트싱크(heat sink)를 개발하였다. 내부의 작동유체를 나노유체 (TiOz-Water)로 사용하였으며, 개발된 냉각장치는 150 W 이상의 열전달 성능이 있는 것으로 실험으로 알 수 있었다. 일반적인 물과 같은 유체를 작동유체를 사용 시와 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 실험에서 사용된 나노유체는 TiO₂ 입자를 모유체에 분산시켜 만들어진 유체로 농도에 따라 제작되어 실험에 이용하였다. 사용된 나노유체의 입자크기에 따른 분포도를 입자분석기를 통하여 분석한 결과 입자는 평균 50nm의 직경을 가지며 20nm에서 100 nm 정도까지 정규분포를 갖는 것으로 알 수 있었다.
본 연구를 위하여 사용된 열사이폰은 외경 6.3 mm, 내경 4.4 mm 동관으로 만들어졌으며 나노유 체를 작동유체로 사용했다. 각각의 열사이폰은 50 mm의 증발부, 290 mm의 수송부, 그리고 150 mm의 웅축부로 구성되어 있다.
1에 보이는 것처럼 본 연구에서 수행된 열사이폰(thermosyphon) 히트싱크(heat sink)는 MCM(MultiChip Module) 냉각용으로 개발된 시스템으로 열원(heat source)과 냉각유체 사이의 온도차가 50℃ 일 경우에 최대 150 W 이상의 열전달 성능을 갖도록 설계되었다. 실험을 위해 개발된 나노유체열사이폰 히트싱크는 크게 증발부와 응축부, 그리고 그 사이를 유체가 이동할 수 있도록 연결된 수송부로 구성되어 있다.

이론/모형

나노유체의 비열과 밀도에 대한 연구사례가 미약하여 Jang(14)의 연구 예를 바탕으로 혼합이론 을 바탕으로 계산하였다(14,15)
열전도계수의.다수의 이론식들이 본 시뮬레이션을 위하여 시도되어 가장 안정적 결과를 보여 준 Maxwell(13)의 구형 입자가 분산되었을 경우에 대하여 구한 유효 열전도계수식을 사용하였다.
여기서 비등에 의한 열전달계수식은 Forster and ZubaiW'(2)의 비등 열전달계수식을 사용하였다. #(7)
여기서 응축에 의한 열전달계수는 Nusselt(9)의 응축열 열전달계수식을 사용하였다.
여기서, a는 모유체와 금속입자 간의 열전도도비이며, a는 나노입자와 모유체간의 체적비이다. 히트파이프에서 점성계수의 역할은 나노유체의 모세관력 향상에 표면장력과 함께 중요한 역할을 하기에 물성치 판단이 중요할 것이기에 시뮬레이션에서는 Einstein(10) 모델 가지고 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

(1) 나노유체의 농도는 농도가 증가함에 따라 열전달 성능이 선형적으로 증가하는 것은 아니 며, 본 연구에서는 0.5% Vol. 농도일 경우에 최적의 작동상태와 성능을 보여주고, 농도의 증가 와 함께 성능은 저하되는 것으로 알 수 있었다.
(2) 경사각에 따른 영향은 물일 경우와 마찬가지로 경사각의 증가는 성능의 저하를 가져왔으 나, 농도가 높을 경우 경사각의 중가와 성능이 다소 증가하는 것으로 알 수 있었다.
(3) 나노유체를 작동유체로 사용하는 열사이폰을 모델링하기 위해 나노유체의 물성치를 사용한 계산을 수행하였으나, 1% 이상의 고농도와 고발열량에 대한 시뮬레이션값은 많은 오차를 보이는 것으로 알 수 있었다.
(4) 본 연구에서는 기존의 일반적인 순수유체가 아닌 나노금속입자를 포함하는 나노유체를 작동유체로 사용하는 열사이폰에 대한 실험 및 시뮬레이션을 수행하였으며, 물성치 등의 이론적인 일반식의 부재로 시뮬레이션 결과가 실험결과와는 많은 이격을 보이는 부분도 있었으나 열사 이폰의 작동상태를 예측할 수는 있었다.
5% TiO₂-Water를 나노유체로 사용 시 50W 이하에서는 물을 작동유체로 사용시보다 큰 차이를 보이지 않았으며, 고열량일 경우 물보다 다소 못한 열전달 성능을 보여주었다. 1% 의 TiCh-Water 나노유체를 작동유체로 사용시는 물일 경우보다 성능이 많이 저하되는 것으로 관찰되었다. 그러나 그림상에서 물을 작동유체로 사용시 열유속을 증가시켜 180 W의 열이 공급되 었을 경우 냉각장치의 발열부 표면의 온도는 급격히 상숭하여 임계열유속(CHF) 한계에 이르는 것으로 관찰되었다.
그림에서 볼 수 있듯이 열원과 냉매의 온도차인 ΔTh-c가 50℃ 일 경우 열전달 성능은 150W 이상인 것으로 알 수 있다. 50P는 전자부품냉각을 위한 냉각장치 제작시 필요로 하는 기본적인 온도차로 본 연구에서 개발된 나노유체 열사이폰을 이용한 냉각장치는 전자부품냉각을 위한 충분한 냉각성능이 있는 것으로 알 수 있으며, 아울러 물을 작동유체 로 사용시에도 충분한 열전달 성능을 발휘하는 것으로 알 수 있다. 본 연구개발에서 개발된 나노유체 열사이폰 냉각장치에서 나노유체를 사용 시에는 0.
10은 내부의 작동유체를 나노유체(TiO₂-Water)로 하였을 경우 나노 입자의 체적 대비 함유량에 따른 영향을 평가해 본 것이다. 그림에서 나노유체가 농도가 증가하면 열전도도가 증가하기 때문에 당연히 농도의 중가와 선형적으로 열전달 성능도 증가할 것으로 판단하였으나, 실험결과 나노유체의 농도가 어느 시점을 기준으로 열전달 성능은 감소하는 것으로 실험을 통하여 알 수 있었다. 실험결과 0.
13은 본 연구에서 개발된 냉각장치의 열전달 성능을 열저항으로 표시한 것이다. 그림에서볼 수 있듯이 본 연구의 목표인 150W에서 약 0.28℃/W 정도의 열저항을 가지고 있는 것으로 알 수 있으며, 본 열저항은 전체 시스템의 열저 항으로 저항값에는 방열부와 냉각장치 사이의 접 촉, 횐(Fin)을 통한 방열저항 등을 포함한 값으로 실제 열사이폰만의 열저항은 더 감소할 것이다. Fig.
5% Vol. 농도일 경우에 최적의 작동상태와 성능을 보여주고, 농도의 증가 와 함께 성능은 저하되는 것으로 알 수 있었다.
50P는 전자부품냉각을 위한 냉각장치 제작시 필요로 하는 기본적인 온도차로 본 연구에서 개발된 나노유체 열사이폰을 이용한 냉각장치는 전자부품냉각을 위한 충분한 냉각성능이 있는 것으로 알 수 있으며, 아울러 물을 작동유체 로 사용시에도 충분한 열전달 성능을 발휘하는 것으로 알 수 있다. 본 연구개발에서 개발된 나노유체 열사이폰 냉각장치에서 나노유체를 사용 시에는 0.1, 0.5% TiO₂-Water를 나노유체로 사용 시 50W 이하에서는 물을 작동유체로 사용시보다 큰 차이를 보이지 않았으며, 고열량일 경우 물보다 다소 못한 열전달 성능을 보여주었다. 1% 의 TiCh-Water 나노유체를 작동유체로 사용시는 물일 경우보다 성능이 많이 저하되는 것으로 관찰되었다.
입자를 모유체에 분산시켜 만들어진 유체로 농도에 따라 제작되어 실험에 이용하였다. 사용된 나노유체의 입자크기에 따른 분포도를 입자분석기를 통하여 분석한 결과 입자는 평균 50nm의 직경을 가지며 20nm에서 100 nm 정도까지 정규분포를 갖는 것으로 알 수 있었다.
그림에서 볼 수 있듯이 물을 작동유체로.사용시보다 나노유체를 사용시 온도진동의 진폭이 다소 증가하는 것으로 관찰되었으며, 물을 작동유체로 사용할 경우 0.7P 정도의 진폭으로 온도진동이 균일하게 진행하고 있는 것으로 보여주고 있으나, 나노유체를 사용시 불규칙한 간격으로 온도 상승 고점이 관찰되었다. 0.
15는 나노유체 열사이폰을 모델링을 통하여 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 시뮬레이션 결과를 보면 물일 경우 실험결과와 계산결과가 잘 일치했었지만, 나노유체에 대한 실험결과의 비교에서는 농도가 1% 이상에서와 고발열량에 대한 시뮬레이션 결과는 많은 이격을 보이는 것으로 알 수 있었다. 이는 앞에서 언급하였듯이 나노유체의 농도가 증가함에 따라 일반적인 열유체유동에서 이론적으로 규명된 거시계의 이론으로 나노유체를 설명한다는 데에 어려움이 있는 것으로 판단되며, 기존의 순수액체를 이용한 계산방법에 단순히 물성치값을 나노유체에 대한 실험식을 가지고 계산하는 것은 무리가 있으리라 생각이 든다.
그림에서 나노유체가 농도가 증가하면 열전도도가 증가하기 때문에 당연히 농도의 중가와 선형적으로 열전달 성능도 증가할 것으로 판단하였으나, 실험결과 나노유체의 농도가 어느 시점을 기준으로 열전달 성능은 감소하는 것으로 실험을 통하여 알 수 있었다. 실험결과 0.5%일 경우 열전달 성능은 최적의 결과를 보여주었으며, 농도가 적거나 증가함에 따라 열전달 성능은 오히려 감소하는 것으로 관찰되었다. 이는 Jang and Choi⑻의 나노유체에서의 열전달 방법에 대한 모델에서처럼 농도의 증가가 내부의 입자의 활동을 위한 평균 입자(mean free path) 간격의 감소로 입자간의 충돌과 확산운동의 감소가 영향이 있을 것으로 판단되며, 나노유체의 농도가열전도도 증가와 함께 열전달 성능도 함께 증가하지 않기에 최적의 농도를 선정하여야 함을 보여주고 있다.

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