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문제 정의
- 핀-휜 구조물을 삽입한 형태를 연구대상으로 설정하였다. 핀-휜 열교환기의 평판 길이에 따른 열전달특성을 고찰하기 위해 핀-휜 열교환기 평판의 길이를 1/2로 줄이고, 핀 간격과 열수가 열전달에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다. 이를 위해 시험부를 기존 평판과 길이를 1/2로 줄인 평판(작은 평판) 2가지로 하여, 기존평판의 열전달 효과와 길이를 1/2로 줄였을 때 같은 열전달 효과를 얻기 위한 실험을 수행하였다.
가설 설정
- 반면에, 피치가 작은 영역에서는 평판의 길이를 1/2로 줄였을 때 같은 열전달 효과를 얻기 위해 피치를 1/2까지는 줄이지 않아도 된다는 것을 시사하고 있다. 피치가 작은 영역에서는 평판의 길이를 1/2로 줄였을 때 피치도 1/2 줄인다면 기대했던 것보다 더 큰 열전달 효과(hA)를 보일 것이다.
제안 방법
- 계측장치에서 발생한 신호는 데이터획득장치(Agilent 34970A)에 연결되었고, 데이터획득장치로부터 GPIB 카드를 이용하여 컴퓨터로 데이터를 전송하였다. LABVIEW 를 이용해서 데이터획득장치를 원격조정하고 컴퓨터에 자료를 저장, 분석하였다.
- 사용하여 측정하였다. 계측장치에서 발생한 신호는 데이터획득장치(Agilent 34970A)에 연결되었고, 데이터획득장치로부터 GPIB 카드를 이용하여 컴퓨터로 데이터를 전송하였다. LABVIEW 를 이용해서 데이터획득장치를 원격조정하고 컴퓨터에 자료를 저장, 분석하였다.
- 고체와 유체의 유효열전도율은 각각 다음과 같이정의하였으며, 횡방향의 열적분산(thermal dispersion) 효과에 대한 유체의 열전도율 kf.dis 는 Kuwahara and Nakayama⑼가 수치해석을 통해 제시한 식을 사용하였다.
- 기판의 온도분포를 측정하기 위해 평판, 작은 평판의 각 열에 횡방향 50mm 간격으로 3개씩, 유동의 진행방향으로 평판은 60mm, 작은 평판은 30mm 간격으로 4개소에서, 총 12개의 열전대를 가열 판과 기판 사이에 삽입하여 채널 벽면온도를 측정하였다. 또 채널내의 온도를 측정하기 위해서 채널 내의 유동의 진행방향으로 입구측에 3개, 출구 측에 6개, 총 9개의 열전대를 채널의 입구와 출구에 각각 횡방향으로 삽입해서 유체의 입.
- 또 채널내의 온도를 측정하기 위해서 채널 내의 유동의 진행방향으로 입구측에 3개, 출구 측에 6개, 총 9개의 열전대를 채널의 입구와 출구에 각각 횡방향으로 삽입해서 유체의 입. 출구온도를 계측하였으며, 이 온도로부터 유체의 혼합평균온도(bulk temperature)를 결정하였다.
- 가열하였다. 또, 휜과 기판 사이, 기판과 박막 가열판 사이의 접촉저항을 최소화하기 위하여 구리성분 접착제를 사용하였다.
- 시험부의 길이는 평판 길이에 따른 열전달 특성을 관찰하기 위해 300mm와 150mm 2가지로 하였으며, 덕트 전체 길이는 1000mm이다. 시험부인 핀-휜 배열 앞부분에 길이 500mm(수력직경의 약 26배)인 덕트를 설치하여, 시험부로 들어오는 유동을 완전발달된 유동으로 만들었다. 본 실험에서의 작동조건은 전면유속이 3m/s이 며, 이는 ReDh - 3600 에 해당하는 난류유동이다.
- 핀-휜 열교환기의 평판 길이에 따른 열전달특성을 고찰하기 위해 핀-휜 열교환기 평판의 길이를 1/2로 줄이고, 핀 간격과 열수가 열전달에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다. 이를 위해 시험부를 기존 평판과 길이를 1/2로 줄인 평판(작은 평판) 2가지로 하여, 기존평판의 열전달 효과와 길이를 1/2로 줄였을 때 같은 열전달 효과를 얻기 위한 실험을 수행하였다.
- 실험을 통해서 알아보았다. 이를 위해 채널 내에 핀-휜을 삽입하고 채널벽면에 일정한 열 유속을 공급하여 핀의 직경, 피치, 열전달 면적 등의 변화에 따른 열전달 특성을 고찰하여, 핀-휜 구조물을 전자장비의 냉각에 사용하였을 때 구조물의 직경과 피치 그리고 평판 길이에 따른 열전달 특성을 분석하고자 한다.
- 즉, 평판에서 작은 평판으로 길이를 줄였을 때 같은 열전달 효과를 얻을 수 있는 핀의 피치 변화를 실험을 통해서 알아보았다. 이를 위해 채널 내에 핀-휜을 삽입하고 채널벽면에 일정한 열 유속을 공급하여 핀의 직경, 피치, 열전달 면적 등의 변화에 따른 열전달 특성을 고찰하여, 핀-휜 구조물을 전자장비의 냉각에 사용하였을 때 구조물의 직경과 피치 그리고 평판 길이에 따른 열전달 특성을 분석하고자 한다.
- 4는 공기의 전면유속을 3m/s로 하였을 때 평판의 길이변화와 이에 따른 피치변화에 따른 열전달 계수와 면적의 곱을 나타낸 것이다. 즉, 평판에서 작은 평판으로 길이를 줄이고, 피치를 1/2 로 줄였을 때 열전달계수와 면적의 곱을 지름별로 비교 분석하였다. 피치가 작은 영역에서 큰 영역으로 갈수록 열전달계수와 면적의 곱이 비슷해지는 경향이 나타난다.
- 또 채널내의 온도를 측정하기 위해서 채널 내의 유동의 진행방향으로 입구측에 3개, 출구 측에 6개, 총 9개의 열전대를 채널의 입구와 출구에 각각 횡방향으로 삽입해서 유체의 입. 출구온도를 계측하였으며, 이 온도로부터 유체의 혼합평균온도(bulk temperature)를 결정하였다. 온도계 측에 사용한 열전대는 36-게이지(직경 0.
- 충분한 시간이 지나 정상상태에 도달한 후, 기판의 온도, 유체의 온도, 유량 박막 가열판에 가해진 전력량을 열전대, 열선유속계, 차압계, 전력계를 사용하여 측정하였다. 계측장치에서 발생한 신호는 데이터획득장치(Agilent 34970A)에 연결되었고, 데이터획득장치로부터 GPIB 카드를 이용하여 컴퓨터로 데이터를 전송하였다.
- 2에 본 연구대상의 개 략도를 나타내었다. 평판 사이에 원형 핀-휜을 삽입한 형태이며, 벽면에서 균일한 열유속이 공급되는 경우의 강제대류 열전달 특성에 대하여 고찰하였다. 핀-흰 구조물을 다공성매질로 모델링하고, 입구영역의 길이는 매우 짧고 물성치는 온도에 관계없이 일정하다고 가정 하면, 운동 량방정 식 과 에너지 방정 식 은 다음과 같다.
- 핀-휜 구조물은 Table 1에 나타낸 바와 같이 핀의 직경을 6, 10, 15, 20mm로 정하고 피치를 달리하여 다공도를 변화시킬 수 있도록 설치하였으며, 모든 경우 종방향과 횡방향의 피치가 같은직교배열을 사용하였다.
- 핀-휜 구조물을 전자시스템의 냉각에 적용하기 위해, 본 연구에서는 핀-휜을 삽입한 채널에서 채널 길이 변화에 따른 열전달 특성을 실험과 해석을 통해 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 구리재 질로 만든 핀-휜을 부착하기 위한 기 판 (base plate)은 300x200 mm와 150x200 mm인 두께 3 mm의 구리판을 사용하였으며, 그 외부 면에 박막 가열판(foil heater)을 설치하여 가열하였다. 또, 휜과 기판 사이, 기판과 박막 가열판 사이의 접촉저항을 최소화하기 위하여 구리성분 접착제를 사용하였다.
- 본 연구에서는 핀-휜을 이용한 전자부품의 냉각 특성을 모사하기 위해 일정 열유속이 공급되는 채널에서 핀-휜 구조물을 삽입한 형태를 연구대상으로 설정하였다. 핀-휜 열교환기의 평판 길이에 따른 열전달특성을 고찰하기 위해 핀-휜 열교환기 평판의 길이를 1/2로 줄이고, 핀 간격과 열수가 열전달에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다.
- 주위 공기(15~20℃)는 팬을 통해 덕트로 유입되면서 입구 영역을 거쳐 완전발달된 유동이 되어 시험 부를 통과하여 실험장치 밖으로 배출된다. 시험 부의 외부 벽면은 두께 25mm의 단열재를 덮어 주위로의 열손실을 최소화하였으며, 유동에 수직한시험부 단면적은 200x10mm(수력직경 19.05mm) 로 폭과 높이의 비ew)는 20이다. 시험부의 길이는 평판 길이에 따른 열전달 특성을 관찰하기 위해 300mm와 150mm 2가지로 하였으며, 덕트 전체 길이는 1000mm이다.
- 05mm) 로 폭과 높이의 비ew)는 20이다. 시험부의 길이는 평판 길이에 따른 열전달 특성을 관찰하기 위해 300mm와 150mm 2가지로 하였으며, 덕트 전체 길이는 1000mm이다. 시험부인 핀-휜 배열 앞부분에 길이 500mm(수력직경의 약 26배)인 덕트를 설치하여, 시험부로 들어오는 유동을 완전발달된 유동으로 만들었다.
- 출구온도를 계측하였으며, 이 온도로부터 유체의 혼합평균온도(bulk temperature)를 결정하였다. 온도계 측에 사용한 열전대는 36-게이지(직경 0.127mm) 인 T-형(구리-콘스탄탄) 열전대이다.
데이터처리
- 본 연구에서 수행한 실험결과의 타당성을 검증하기 위해 Fig. 3에 평판과 작은 평판에 대한 실험 결과를 본 연구의 해석결과 및 유사한 구조물에서의 타 연구자의 결과와 비교하여 나타내었다. X-축의 Nuexp는 본 연구의 실험데 이 터를 이용하여 식(12)로 계산한 Nusselt 수이며, y-축에 나타낸 Nucale 본 연구에서 설정한 실험조건을 각 연구자가 제시한 상관식과 본 연구의 해석과정에 대입하여 계산한 Nusselt 수를 뜻한다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 수행한 핀-휜을 삽입한 채널에 대한 실험과 해석결과는 타 연구자의 결과와 비교하여 비교적 잘 맞았으며, 이를 통해 실험데이터 및 해석결과의 신뢰성을 판단할 수 있었다.
- (2) 실험결과로부터 평판에서 작은 평판으로 줄이는 경우 같은 열전달 효과를 얻기 위해서는, 피치가 작은 영역에서는 피치를 1/2까지 줄이지 않아도 되나 피치가 큰 영역에서는 피치를 1/2로 줄여야 비슷한 열전달 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- (3) 해석결과로부터 평판에서 작은 평판으로 평판의 길이를 1/2로 줄이는 경우 핀의 배열이 조밀한 영역에서는 피치를 1//§(=0.58)로, 그리고 핀의 배열이 성긴 영역에서는 피치를 1/2(= 0.5) 로 줄일 때 비슷한 열전달 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 본 실험에서의 실험오차를 확인해 보면, 전력계의 오차는 2%, 열전대의 고정점오차는 이고, 반복측정에 의한 랜덤오차는 최대 0.3℃이고, 데이터 획득 장치의 온도 변환오차는 Q05℃이다. 전력계의 오차, 열전대의 오차, 데이터획득장치의 오차를 고려하여 열전달계수의 실험오차를 구하면 벽면 온도와 유체온도의 차이가 30笆일 경우 3.
- 본 연구에서 수행한 실험값과 계산값, 해석 값에 오차가 존재하기는 하지만 실험조건 및 기하학적 형상이 타 연구자가 다공성물질에 대해 상관 식을 제시할 때의 조건과 동일하지 않은 점을 고려하면 비교적 잘 맞는다고 판단할 수 있으며, 이를 통해 실험데이터 및 본 연구의 해석 결과의 신뢰성을 어느 정도 판단할 수 있다.
- 출구 온도차를 이용하여 계산한 열 전달량에 비해 평균 3% 높게 나타났으며, 이로부터 단열재를 통하여 손실된 열손실을 평균 3%로 판단하였다. 실험을 수행하기 전에 박막 가열 판에 일정한 전원을 공급하였을 때 기판에 균일한 열 유속이 공급되는가를 확인하기 위한 예비실험을 수행한 결과, 기판 각 부분에서 측정한 최대 온도 차는 0.2℃ 이내의 범위로 나타났다.
- 입 . 출구 온도차를 이용하여 계산한 열 전달량에 비해 평균 3% 높게 나타났으며, 이로부터 단열재를 통하여 손실된 열손실을 평균 3%로 판단하였다. 실험을 수행하기 전에 박막 가열 판에 일정한 전원을 공급하였을 때 기판에 균일한 열 유속이 공급되는가를 확인하기 위한 예비실험을 수행한 결과, 기판 각 부분에서 측정한 최대 온도 차는 0.
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