[논문]자연대류상의 하이브리드 휜 히트싱크의 열특성에 대한 수치적 연구

김경준

doi:10.5916/jkosme.2013.37.1.35

초록
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본 논문은 자연대류상에서 냉각되는 하이브리드 휜 히트싱크(Hybrid Fin Heat Sink, HFH)의 열특성에 대한 수치연구결과를 보고한다. HFH는 평판휜이 결합된 내부유로가 있는 핀 휜으로 이루어진 하이브리드 휜으로 구성된다. HFH의 열성능은 상용 CFD 소프트웨어를 이용하여 수치적으로 연구되었고 핀 휜 히트싱크(Pin Fin Heat Sink, PFH)의 열성능과 비교되었다. 수치연구결과를 통해 HFH의 베이스면적기반, 질량기반 열전달계수가 PFH 보다 각각 12%, 37% 우수함을 발견했다. 증대된 표면적과 가벼운 무게는 PFH보다 우수한 HFH의 열성능을 설명할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports numerical study results with respect to the thermal behavior of a natural convection cooled hybrid fin heat sink (HFH). The HFH consists of hybrid fins, hollow pin fins integrated with plate fins. The thermal performance of the HFH was numerically investigated by employing a comme...

This paper reports numerical study results with respect to the thermal behavior of a natural convection cooled hybrid fin heat sink (HFH). The HFH consists of hybrid fins, hollow pin fins integrated with plate fins. The thermal performance of the HFH was numerically investigated by employing a commercial CFD software package and compared with that of the pin fin heat sink (PFH). Numerical study has found that array-based and mass-based heat transfer coefficients of the HFH are 12% and 37% greater than those of the PFH, respectively. Extended surface area and lighter weight may explain the better thermal performance of the HFH than the PFH.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 HFH의 물리적 구조에 대해서 설명하고, HFH의 CFD 모델과 해석 방법에 대해서 논하며, CFD 분석으로 예측된 HFH와 핀 휜 히트싱크의(Pin Fin Heat Sink, PFH) 열성능을 히트싱크 베이스면적기준 열전달계수(array-based heat transfer coefficient)와 질량기준 열전달계수 (mass-based heat transfer coefficient)로 나타내어 비교 분석하고, HF의 열성능에 대한 경사각 효과의 분석 결과에 대해 논한다.
본 논문은 내부유로가 있는 핀 휜과 평판 휜으로 구성되는 하이브리드 휜 히트싱크(HFH)에 대한 자연대류상의 열성능을 CFD 모델로 해석한 결과에 대해 논한다. 다양한 열율에 대한 HFH의 열성능을 히트싱크 베이스 면적과 히트싱크 질량에 대한 열전달계수인 h_a, h_m으로 분석하였고 핀 휜 히트싱크(PFH)와 비교하였다.
본 연구에선 가볍고, 자연대류상에서 열성능이 우수하고, 에너지 효율적인 히트싱크 개발 목적으로 고안된 하이브리드 휜 히트싱크의 (Hybrid Fin Heat Sink, HFH) 열성능에 대한 수치적 연구가 수행되었다. 하이브리드 휜은(HF) 플레이트 휜들과 내부유로가 존재하는 핀 휜이 결합된 이종 휜이고 HFH는 HF들의 배열로 구성된다.

가설 설정

HFH의 열특성을 분석하기 위해 상용코드인 ANSYS CFX를 사용하여 HFH의 CFD모델이 개발되었고, 모델에는 약 120만개의 격자가 포함되었다. 공기유동은 비압축, 정상유동으로 가정되었고, 이때 모델의 지배방정식은 연속방정식 (1), 운동량 방정식 (2),에너지 방정식 (3)으로 다음과 같다[7].

제안 방법

HFH의 열성능을 다수의 열율에 대해서 계산하였고 PFH 의 계산된 열성능과 비교하였다. 열성능 해석을 위하여 열전달계수를 사용하였는데 h_a는 히트싱크 베이스 면적에 기반한 열전달계수, h_m은 히트싱크 질량에 기반한 열전달계수이고 다음의 두 식으로 정의된다.
본 논문은 내부유로가 있는 핀 휜과 평판 휜으로 구성되는 하이브리드 휜 히트싱크(HFH)에 대한 자연대류상의 열성능을 CFD 모델로 해석한 결과에 대해 논한다. 다양한 열율에 대한 HFH의 열성능을 히트싱크 베이스 면적과 히트싱크 질량에 대한 열전달계수인 h_a, h_m으로 분석하였고 핀 휜 히트싱크(PFH)와 비교하였다. 또한 경사각이 하이브리드 휜의 h_a, h_m에 미치는 영향도 분석하였다.
다양한 열율에 대한 HFH의 열성능을 히트싱크 베이스 면적과 히트싱크 질량에 대한 열전달계수인 h_a, h_m으로 분석하였고 핀 휜 히트싱크(PFH)와 비교하였다. 또한 경사각이 하이브리드 휜의 h_a, h_m에 미치는 영향도 분석하였다. 분석결과는 자연대류상에서 열율의 증가에 따른 공기필름온도의 증가로 인한 부력효과의 증대로 h_a, h_m은 열율에 따라 증가함을 보여준다.

대상 데이터

HFH의 열특성을 분석하기 위해 상용코드인 ANSYS CFX를 사용하여 HFH의 CFD모델이 개발되었고, 모델에는 약 120만개의 격자가 포함되었다. 공기유동은 비압축, 정상유동으로 가정되었고, 이때 모델의 지배방정식은 연속방정식 (1), 운동량 방정식 (2),에너지 방정식 (3)으로 다음과 같다[7].
Figure 1이 보여주고 있는 것처럼 HFH는 내부 유로가 있는 핀 휜에 플레이트 휜이 결합된 HF의 Figure 1: (a) a 3-D schematic of a HFH (b) a schematic of a HF (c) a 2-D schematic of a HFH 배열로 구성된다. HF의 길이는 50mm, 내부직경은 5mm, 휜 두께는 0.5mm, 플레이트 휜의 길이와 폭은 각각 40mm,10mm 이다. 휜 공간은 15mm이고, 히트싱크 베이스 면적은 75mm × 75mm이며, 히트 싱크 베이스 두께는 5mm이다.
HFH의 내부유로와 장착된 평판 휜에 의한 표면적 증대와 무게감소는 HFH의 열성능이 PFH보다 우수함을 설명할 수 있는 인자이다. 본 연구의 분석 대상인 HFH는 0.134kg, PFH 는 0.164kg 으로 HFH가 18.3% 가볍다. PFH 대비 HFH 의 무게감소는 내부 유로를 갖고 있는 HF의 특수한 구조에 기인하며 이는 Figure 1에 잘 나타나 있다.
휜 공간은 15mm이고, 히트싱크 베이스 면적은 75mm × 75mm이며, 히트 싱크 베이스 두께는 5mm이다.

성능/효과

분석결과는 자연대류상에서 열율의 증가에 따른 공기필름온도의 증가로 인한 부력효과의 증대로 h_a, h_m은 열율에 따라 증가함을 보여준다. HFH의 h_a와 h_m값은 PFH보다 약 12%, 37% 우수함을 분석결과는 보여주는데, 내부유로와 장착된 평판 휜에 의한 표면적 증대와 무게감소가 PFH보다 우수한 열성능을 설명할 수 있다. 경사각의 증가에 따라 h_a와 h_m은 증가하는데, 이는 경사각이 커질수록 공기 plume이 HF의 외부표면적으로부터 방출되는 열율을 증가시키기 적합한 형태로 형성되기 때문으로 보인다.
또한 경사각이 하이브리드 휜의 h_a, h_m에 미치는 영향도 분석하였다. 분석결과는 자연대류상에서 열율의 증가에 따른 공기필름온도의 증가로 인한 부력효과의 증대로 h_a, h_m은 열율에 따라 증가함을 보여준다. HFH의 h_a와 h_m값은 PFH보다 약 12%, 37% 우수함을 분석결과는 보여주는데, 내부유로와 장착된 평판 휜에 의한 표면적 증대와 무게감소가 PFH보다 우수한 열성능을 설명할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 휜이란 무엇인가?	자연대류상에서 열성능이 우수한 전자 및 광전자장치 냉각용 히트싱크를 개발하고자 다수의 연구가 이루어졌다. 대표적인 연구로 고전적 휜 형태를 갖는 플레이트 휜, 핀 휜 히트싱크의 열성능을 최적화하는 방안에 대한 연구가 있었지만[1][2], 다른 형상의 휜들로 이루어져 각각의 장점을 접목할수 있는 복합 휜 형태의 히트싱크에 대해 보고된 연구결과는 발견하기가 곤란하다.
	냉각용 히트싱크관련 대표적인 연구는 무엇인가?	자연대류상에서 열성능이 우수한 전자 및 광전자장치 냉각용 히트싱크를 개발하고자 다수의 연구가 이루어졌다. 대표적인 연구로 고전적 휜 형태를 갖는 플레이트 휜, 핀 휜 히트싱크의 열성능을 최적화하는 방안에 대한 연구가 있었지만[1][2], 다른 형상의 휜들로 이루어져 각각의 장점을 접목할수 있는 복합 휜 형태의 히트싱크에 대해 보고된 연구결과는 발견하기가 곤란하다.
	히트싱크의 무게가 증가할수록 어떠한 문제가 발생하는가?	히트싱크의 무게가 증가할수록 히트싱크 제조에 소모되는 소재량은 증가하고, 제조와 운용상에서 에너지소비는 증가하게 되어, 냉각에 요구되는 자본비용과 운영비용이 모두 증가하게 된다[3]. 따라서 자연대류상의 수동적 냉각조건에선 히트싱크의 무게가 가벼울수록 바람직하다.

참고문헌 (7)

T. Aihara and S. Maruyama, "Free convective/radiative heat transfer from pin-fin arrays with a vertical base plate (general representation of heat transfer performance)", International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 33, no. 6, pp. 1223-1232, 1990.

상세보기
W. A. Khan, J. R Culham, and M. M. Yovanovich, "Optimization of pin-fin heat sinks using entropy generation minimization", Proceedings of the 9th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermo Mechanical Phenomena in Electronic Systems, pp. 259-267, 2004.
R. Bahadur and A. Bar-Cohen, "Thermal design and optimization of natural convection polymer pin fin heat sinks", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 28, no. 2, pp. 238-246, 2005.

상세보기
E. A. M. Elshafei, "Natural convection heat transfer from a heat sink with hollow / perforated circular pin fins", Energy, vol. 35, no. 7, pp. 2870-2877, 2010.

상세보기
T. Icoz and M. Mehmet, "Light weight high performance thermal management with advanced heat sinks and extended surfaces," IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 33, no. 1, pp. 161-166, 2010.

상세보기
H. Kim, K. J. Kim, and Y. Lee, "Thermal performance of smart heat sinks for cooling high power LED modules", Proceedings of the 13th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, pp. 62-67, 2012.
K. A. Hoffmann and S. T. Chiang, Computational Fluid Dynamics Volume I, (3rd ed.), Engineering Education System, 1998.

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