본 논문은 자연대류 상에서 수동적으로 냉각되는 다양한 하이브리드 휜들과 핀 휜의 열성능에 대한 수치연구결과를 보고한다. 연구된 하이브리드 휜들은 basic hybrid fin (BHF), hollow hybrid fin (HHF), solid hybrid fin (SHF) 이다. 다양한 방열율에 대한 HF들과 PF의 열성능을 조사하기 위해 CFD 휜 모델이 개발되었다. 휜들의 열성능은 각각의 휜에 대해 휜 베이스 면적에 대한 열전달계수, $h_a$와 질량에 대한 열전달계수, $h_m$ 을 정량화하여 분석되었다. 연구결과는 SHF의 $h_a$가 PF 보다 23% 더 큼을 보여주고, HHF의 $h_m$은 PF 보다 무려 140% 더 크며, HHF의 질량기반 성능, 즉 $h_m$은 BHF 보다 40% 더 우수함이 밝혀졌다.
본 논문은 자연대류 상에서 수동적으로 냉각되는 다양한 하이브리드 휜들과 핀 휜의 열성능에 대한 수치연구결과를 보고한다. 연구된 하이브리드 휜들은 basic hybrid fin (BHF), hollow hybrid fin (HHF), solid hybrid fin (SHF) 이다. 다양한 방열율에 대한 HF들과 PF의 열성능을 조사하기 위해 CFD 휜 모델이 개발되었다. 휜들의 열성능은 각각의 휜에 대해 휜 베이스 면적에 대한 열전달계수, $h_a$와 질량에 대한 열전달계수, $h_m$ 을 정량화하여 분석되었다. 연구결과는 SHF의 $h_a$가 PF 보다 23% 더 큼을 보여주고, HHF의 $h_m$은 PF 보다 무려 140% 더 크며, HHF의 질량기반 성능, 즉 $h_m$은 BHF 보다 40% 더 우수함이 밝혀졌다.
This paper reports numerical study results with respect to the thermal performance of various hybrid fins (HFs) and a pin fin (PF) passively cooled under natural convection state. Investigated HFs are a basic hybrid fin (BHF), a hollow hybrid fin (HHF), and a solid hybrid fin (SHF). CFD models for b...
This paper reports numerical study results with respect to the thermal performance of various hybrid fins (HFs) and a pin fin (PF) passively cooled under natural convection state. Investigated HFs are a basic hybrid fin (BHF), a hollow hybrid fin (HHF), and a solid hybrid fin (SHF). CFD models for both HFs and the PF have been developed to explore their thermal performance under various heat dissipations. Thermal performances of fins have been analyzed by quantifying array-based heat transfer coefficients, $h_a$, and mass-based heat transfer coefficients, $h_m$, for each fin. Study results show that $h_a$ of the SHF is 23% greater than that of the PF. $h_m$ of the HHF is found to be even 140% greater than that of the PF, and the HHF is found to be 40% better than the BHF in terms of the mass-based performance, $h_{m{\cdot}}$.
This paper reports numerical study results with respect to the thermal performance of various hybrid fins (HFs) and a pin fin (PF) passively cooled under natural convection state. Investigated HFs are a basic hybrid fin (BHF), a hollow hybrid fin (HHF), and a solid hybrid fin (SHF). CFD models for both HFs and the PF have been developed to explore their thermal performance under various heat dissipations. Thermal performances of fins have been analyzed by quantifying array-based heat transfer coefficients, $h_a$, and mass-based heat transfer coefficients, $h_m$, for each fin. Study results show that $h_a$ of the SHF is 23% greater than that of the PF. $h_m$ of the HHF is found to be even 140% greater than that of the PF, and the HHF is found to be 40% better than the BHF in terms of the mass-based performance, $h_{m{\cdot}}$.
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문제 정의
본 논문에서는 다양한 HF들의 물리적 구조에 대해서 설명하고, 각각의 HF, 핀 휜의 자연대류상의 열성능을 비교 분석하기 위한 각 휜들의 CFD 모델과 해석 방법에 대해서 논한다. 연구 결과로 CFD 모델로 가시화된 각 HF와 핀휜의 온도장과 주변 공기의 속도장에 대해 토의하고, CFD 해석으로 예측된 각 HF와 핀 휜의 열성능을 베이스 면적기준 열전달계수 (array-based heat transfer coefficient)와 질량기준 열전달계수(mass-based heat transfer coefficient)로 정량화하여 분석한 결과에 대해서 논한다.
본 연구에선 자연대류 상에서 가볍고, 열 성능이 우수하며, 에너지 효율적인 히트싱크 설계에 기초 가이드라인을 제시할 목적으로 선행연구[7]-[9]에서 고안된 다양한 하이브리드 휜들의 열 성능에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 하이브리드 휜 중에 기본 하이브리드 휜(Basic Hybrid Fin, BHF)과 할로우 하이브리드 휜(Hollow Hybrid Fin, HHF)은 평판 휜이 결합된 내부유로가 있는 핀 휜으로 구성되고, BHF는 평판휜이 내부유로를 관통하여 핀 휜의 외부로 돌출되지만, HHF는 평판휜이 단지 외부면에서 돌출되어 형성된 구조이다.
본 논문에서는 다양한 HF들의 물리적 구조에 대해서 설명하고, 각각의 HF, 핀 휜의 자연대류상의 열성능을 비교 분석하기 위한 각 휜들의 CFD 모델과 해석 방법에 대해서 논한다. 연구 결과로 CFD 모델로 가시화된 각 HF와 핀휜의 온도장과 주변 공기의 속도장에 대해 토의하고, CFD 해석으로 예측된 각 HF와 핀 휜의 열성능을 베이스 면적기준 열전달계수 (array-based heat transfer coefficient)와 질량기준 열전달계수(mass-based heat transfer coefficient)로 정량화하여 분석한 결과에 대해서 논한다.
제안 방법
BHF와 HHF의 경우 내부유로가 존재하는 핀휜과 평판휜으로 구성되어 있고, 반면에 SHF는 내부 유로가 없는 핀휜과 평판휜으로 구성되어있다. 다양한 열 유속에 대하여 각각의 HF들과 PF의 열성능을 수치적으로 예측된 휜 베이스 면적에 대한 열전달계수(ha)와 질량에 대한 열전달계수(hm)을 이용하여 비교하고 분석하였다.
본 논문은 자연대류 상에서 냉각되는 다양한 하이브리드 휜들(BHF, HHF, SHF)의 열 성능을 CFD 모델을 이용하여 해석하고 PF 와 비교 분석한 연구결과에 대해 논한다.
대상 데이터
자연대류에 의하여 공기 냉각되는 다양한 구조의 하이브리드 휜(BHF, HHF, SHF)들의 열 특성을 분석하기 위해 상용코드인 ANSYS Fluent를 사용하여 각각의 HF의 3-D CFD모델이 개발되었고, 모델에는 약 220 ~ 330만개의 격자가 포함되었다.
HF의 세 구조는 내부유로, 내부유로 내 평판휜, 외부에 돌출된 평판휜 각각의 열적효과를 일반적인 PF의 경우와 비교하여 연구하기 위해서 고안된 구조이다. 휜의 소재로는 타 금속대비 가공이용이하고, 가볍고, 열전도율이 우수한 알루미늄이 선택되었고, 각 휜의 총길이는 50mm, 내부직경은 5mm, 휜 두께는 0.5mm, 평판 휜의 길이는 40mm로 설정되었다.
성능/효과
가 HHF 보다 우수한 이유는 HHF의 전도열저항보다 작은 SHF의 전도열저항의 효과가 HHF의 내부 유로에 의한 대류 열전달 증대 효과보다 베이스 면적에 대한 열성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 설명할 수 있다. HHF의 hm이 BHF 보다 우수함은 HHF의 내부유로에 평판 휜이 결합 되어 있지 않은 관계로 BHF 보다 가벼운 무게에 기인한 것으로 해석이 가능하다.
SHF의 ha가 HHF 보다 우수한 이유는 HHF의 전도열저항보다 작은 SHF의 전도열저항의 효과가 HHF의 내부 유로에 의한 대류 열전달 증대 효과보다 베이스 면적에 대한 열성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 설명할 수 있다. HHF의 hm이 BHF 보다 우수함은 HHF의 내부유로에 평판 휜이 결합 되어 있지 않은 관계로 BHF 보다 가벼운 무게에 기인한 것으로 해석이 가능하다.
분석결과는 HF들과 PF는 0.18~0.53W/㎠의 균일 열유속 조건에서 ha의 경우 SHF는 HHF보다 6%, PF보다 23% 더 우수하고, hm의 경우 HHF가 BHF 보다 40%, PF보다 140% 더 우수함을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하이브리드 휜의 종류별 구성은 어떻게 되는가?
본 연구에선 자연대류 상에서 가볍고, 열 성능이 우수하며, 에너지 효율적인 히트싱크 설계에 기초 가이드라인을 제시할 목적으로 선행연구[7]-[9]에서 고안된 다양한 하이브리드 휜들의 열 성능에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 하이브리드 휜 중에 기본 하이브리드 휜(Basic Hybrid Fin, BHF)과 할로우 하이브리드 휜(Hollow Hybrid Fin, HHF)은 평판 휜이 결합된 내부유로가 있는 핀 휜으로 구성되고, BHF는 평판휜이 내부유로를 관통하여 핀 휜의 외부로 돌출되지만, HHF는 평판휜이 단지 외부면에서 돌출되어 형성된 구조이다. 솔리드 하이 브리드 휜(Solid Hybrid Fin, SHF)은 평판 휜이 결합된 핀 휜으로 구성된다.
Hybrid Fin의 종류별 구조는 어떻게 되는가?
BHF는 내부유로를 지닌 핀휜에 평판휜이 관통하여 형성된 구조이고, HHF는 평판휜이 내부유로가 존재하는 핀 휜의 외면에 장착되어 있는 형태이지만, SHF는 핀휜 외부에 평판 휜이 돌출 된 구조이다. HF의 세 구조는 내부유로, 내부유로 내 평판휜, 외부에 돌출된 평판휜 각각의 열적효과를 일반적인 PF의 경우와 비교하여 연구하기 위해서 고안된 구조이다. 휜의 소재로는 타 금속대비 가공이용이하고, 가볍고, 열전도율이 우수한 알루미늄이 선택되었고, 각 휜의 총길이는 50mm, 내부직경은 5mm, 휜 두께는 0.
히트싱크의 열성능과 경량성이 요구되는 이유는?
자연대류 상에서 히트싱크의 냉각성능을 향상시키기 위해서 표면적 증대 구조물인 휜의 역할이 매우 중요함에도 불구하고, 이에 관해 보고된 연구는 단일 형상의 플레이트 휜, 핀 휜 등으로 한정되어 있다[1][2]. 히트싱크 무게는 히트싱크의 소재및 제조에 소모되는 에너지 및 비용, 장착되는 시스템의 구조적 안정성 등에 직접적인 영향을 미치므로 자연대류상의 히트싱크는 열성능과 더불어 경량성도 요구되어 진다. 따라서 최근에는 경량 히트싱크 개발을 위한 다양한 연구들이 활발하게 진행되고 있다[3]-[6].
참고문헌 (10)
W. A. Khan, J. R Culham, and M. M. Yovanovich, "Optimization of pin-fin heat sinks using entropy generation minimization", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 28, no. 2, pp. 247-254, 2005.
E. M. Sparrow and S. B. Vemuri, "Orientation effects on natural convection/radiation heat transfer from pin-fin arrays", International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 29, no. 3, pp. 359-368, 1986.
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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.
R. Bahadur and A. Bar-Cohen, "Analysis and design of a least material orthotropic pin fin heat sinks", Proceedings of the 10th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems, pp. 305-313, 2006.
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.
H. Kim, K. J. Kim, and Y. Lee, "Thermal performance of smart heat sinks for cooling high power LED modules", Proceeding of the 13th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, pp. 62-67, 2012.
K. J. Kim, "Numerical study on the thermal behavior of natural convection hybrid fin heat sinks", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 1, pp. 51-56, 2013 (in Korean).
M. S. Jeon and K. J. Kim, "Thermal behavior of passive air cooled hybrid fins", The Korean Society of Mechanical Engineers 2013 Spring Meeting Spring Meeting, pp. 252-253, 2013 (in Korean).
K. A. Hoffmann and S. T. Chiang, Computational Fluid Dynamics Volume I, 3rd ed., KS, USA: Engineering Education System, 1998.
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