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압전세라믹 냉각팬에 대한 수치해석적 연구
A Numerical Analysis in Piezoelectric Fan Systems 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.8, 2011년, pp.994 - 1000  

박지호 (부경대학교 냉동공조공학과 대학원) ,  김은필 (부경대학교 냉동공조공학과)

초록
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본 논문은 압전소자의 주기적인 발진운동을 탄성 변환하여 유체유동을 유발하는 압전소자 팬의 수치해석 모델에 대한 연구이다. LED 모듈 등의 고밀도 열이 발생하는 소형 전자장치의 냉각에 적용이 가능한 압전소자 냉각팬의 성능 향상을 위해 CFD 도구를 이용하였다. 본 논문의 결과는 압전소자의 길이 5cm와 방열판의 길이 3cm라는 비율이 효과적이었다. 이는 기하학적으로 비슷한 형태를 가지고 다른치수를 가지는 모델에서 기초적인 설계를 하는데 도움이 될 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the piezoelectric fan cooling system is investigated. In order to find the proper geometry and configuration, the numerical model for the flow field and heat transfer investigation is used. A simplified nonlinear deformation model is employed for transient solutions of a piezoelectric...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 그림 2 및 3에서도 나타낸 바와 같이 유도된 유동은 회전하는 형태로, 그 접촉면을 수직면단 하나가 아닌 2개 이상으로 하는 것이 가능하다. 따라서 유도된 회전 형태의 유동을 작은 공간 내에 유지시키면서 그로인한 열전달 면적을 향상시킬 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 그림 3은 이러한 개념을 나타낸 것이며, 이를 통해 2가지의 새로운 모델을 제시해 보았다.
  • 상기의 연구들은 소형 전자 부품들에 대한 압전소자 팬의 냉각 성능을 입증 하고 이러한 압전소자 팬의 성능 향상 및 소음, 설치 공간에 있어서의 최적화 등에 관한 연구에 초점을 둔 것을 알 수가 있다. 본 연구에서는 다양한 변수에 적응 가능한 설계를 위해 압전소자 팬의 CFD 해석 모델을 개발하고, 이를 바탕으로 좁은 공간에서 열전달 면적을 늘릴 수 있는 압전소자 팬의 방열판 설계를 개발하여 압전소자 팬의 성능을 향상 시키고자 하였다. 이를 위하여 우선 Dynamic mesh의 적용과 같이 주기적으로 운동하는 압전소자 팬에 관한 CFD 모델의 구축에 있어 필수적인 요소들을 이차원 환경에서 분석검토 하여 기반이 되는 모델을 구축하였고 이것을 토대로 압전소자 팬에 적용 할 새로운 방열판 디자인의 개념을 적용한 분석을 실시하였다.

가설 설정

  • 시뮬레이션 내에서의 압전소자 팬은 그림 6의 왼쪽 항목에서 볼 수 있는 것처럼, 그 수직 단면을 묘사하여 주변 둘레의 온도가 300K를 유지하는 15cm ×20cm 의 닫힌 공간에 위치하도록 하였으며 주기적인 운동으로 유체유동을 유발하는 압전 팬의 운동 및 그 유동은 FLUENT의 UDF 및 Dynamic mesh를 통해 구현하였다[6]. 그리고 이러한 압전 팬의 움직임을 나타내는 데 간단한 2차 곡선의 움직임을 한다고 가정하였으며 식 (1), (2)와 같이 정의한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
반도체 소자는 소모전력 만큼 무엇을 동반하는가? 최근의 전자기기의 부품 중 CPU(중앙처리 장치)나 LED와 같은 반도체 소자의 경우 기술의 발전에 따라 성능 및 효율이 향상되면서 그 크기가 점점 소형화되고 있으며, 모바일 분야의 경우에도 이러한 반도체 집적 기술의 발달과 리튬이온 배터리 등의 전력 저장 기술의 발달로 차츰 고성능의 CPU나 GPU(그래픽 처리 장치) 등이 탑재되면서 소형의 장치에 다양한 기능을 가진 제품들이 경쟁적으로 출시되고 있다. 그러나 반도체 소자는 그 소모전력 만큼의 발열을 필연적으로 동반하게 된다. 저전력 성능을 요구하는 시장의 추세에 따라 소비전력은 줄어들었지만 이러한 저전력 기술을 실현시키는 것 중에 가장 큰 역할을 한 것이 고밀도 집적기술이었기 때문에 소자의 표면적 또한 급격히 작아져 단위면적당 발열량은 오히려 증가하였기 때문에 전자장치의 안정적인 작동 및 사용자의 안전한 사용을 위해 반도체 소자 부품의 표면온도를 유지하는 것이 점점 더 큰 도전이 되어가고 있다.
압전소자 팬이란? 압전소자 팬(Piezoelectric fan)이란 그림 1[1]에 나타낸 것처럼, 극성이 다른 압전소자를 서로 맞대어 굽힘 운동이 발생하도록 한 것에 인가되는 전류의 극성을 주기적으로 바꾸어 그 입력된 전류의 주파수에 따른 진동을 발생하게끔 하고 그 끝에 얇고 긴 진동판을 부착하여 압전소자의 진동을 증폭시킨 장치이다.
압전소자 팬 및 수직 열전달 표면 주변에 유동을 일부분 가로 막는 형태의 방열판으로 얻을 수 있었던 효과 및 기대효과는? 주변으로 곧 분산되어 제한된 면적에서 성능을 발휘하는 압전소자 팬에 의해 유도된 유동을 효율적으로 활용하기 위하여 압전소자 팬 및 수직 열전달 표면 주변에 유동을 일부분 가로 막는 형태의 방열판을 설정해 보았다. 이러한 방열판의 형태는 유도된 유동을 가두어 유속을 증가 시킬 수 있었으며 여기에 방열 면과 수직한 부분에 작은 홈을 추가하여 압력 상승에 따른 열의 정체 현상을 해소하여 냉각성능을 개선할 수 있음이 예상되었다.
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참고문헌 (7)

  1. piezo.com 

  2. T., Acikalin, A., Raman and S.V, Garimella, "Two-dimensional streaming flows induced by resonating, thin beams", J. Acoust. Soc. Am. vol. 114, pp. 1785-1795, 2003 

  3. T., Acikalin, S.M., Wait, S.V., Garimella and A. Raman, "Experimental investigation of the thermal performance of piezoelectric fans", Heat Transfer Eng. vol 25, pp. 4-14, 2004 

  4. Kuo Hao Tseng at al., "Piezo fan for thermal management of electronics", 2010, Fujikura Technical Review, no. 39, pp. 39-43, 2010 

  5. 박상희, 최문철, "밀페공간 내에서 압전세라믹 냉각홴의 열성능에 관한 실험적 연구", 대한기계학회논문집 B권, 제30권, 제12호, pp. 1173-1180, 2006 

  6. FLUENT 6.2 Theory Guide. ANSYS, INC. 

  7. R, Byron Bird, Warren E. Stewart and Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, JHON WILEY & SONS, INC, 2002 

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