[논문]전자기기 냉각용 압전팬의 열전달 향상

김은필; 윤정인

doi:10.9726/kspse.2014.18.1.014

전자기기 냉각용 압전팬의 열전달 향상
Heat Transfer Enhancement of a Piezoelectric Fan for Cooling of Electronic Devices 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.1, 2014년, pp.14 - 21

김은필 (부경대학교 냉동공조공학과) , 윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Piezoelectric fans are thin elastic beams whose vibratory motion is actuated by means of a piezoelectric material bonded to the beam. These fans have found use as a means to enhance convective heat transfer while requiring only small amounts of power. This study presents new types of models with heat sink having air passage and investigates experimentally their heat transfer characteristics. From the comparison results for four models, the heat transfer coefficients of model 1 are approximately 44~66% higher than those of the reference model 0. The model 1 show the best overall performance about heat transfer and cooling capability. As shown in above results, it is necessary to design the heat sink with air pass for cooling of electronic devices, in order to increase the convective heat transfer coefficient of a piezoelectric fan for electronic cooling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 주위 공기의 열전달 성능을 향상시키기 위한 방법으로서, 압전팬과 방열판을 조합하여 압전팬 주위의 공기 유동을 보다 효율적으로 활용하고 압전팬에 의해 유도된 유동의 열전달 면적을 늘릴 수 있는 방열판 형상을 찾고자 하는 것이다. 이를 위해 3가지 형태의 공기 유로를 가지는 압전팬을 제작하여 실험적으로 열전달 성능을 서로 비교 및 분석함으로써, 최적의 공기 유로를 가진 방열판과 압전팬 주위의 공기 유동에 대한 열전달 특성을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 전자기기 냉각용 압전팬의 열전달 성능을 향상시키기 위해서 3가지 종류의 공기 유로를 가진 방열판 모델을 제안하였고, 이 모델의 열전달 성능이 얼마나 향상되는지에 대해서 실험적으로 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 절에서는 앞에서 제시한 압전팬과 4가지의 공기 유로를 가진 방열판에 대한 열전달 성능을 서로 비교함으로서, 최고의 열전달 성능을 나타내는 최적의 방열판 형상을 찾고자 하였다. 이를 위해 각 모델에 대한 기판온도, 기판과 공기의 온도차, 주위공기의 대류 열전달 계수를 서로 비교하였다.

제안 방법

시험부에 설치된 기판으로의 전력 공급은 직류전원 공급장치에 의해서 전력을 공급하고, 디지털 멀티메타(Fluke-8842A)를 이용하여 기판에 공급되는 전력을 조절할 수 있도록 하였다. 기판 온도 및 주위공기온도는 직경 0.2 mm의 T형 열전대를 데이터 로그에 연결하여 측정하였다. 특히 기판온도는 Fig.
따라서 히터 입력전력의 미세한 조절에도 기판의 표면온도를 적정온도로 유지할 수 없다. 따라서 압전팬이 작동하지 않은 경우(모델 0)에도 최소한의 안정적인 작동 온도를 유지할 수 있도록 히터 입력전력을 7.2 W로 실험하였고, 그 후 압전팬이 작동 중인 상태에서 출력을 12 W까지 증가시켜 기판과 공기 온도를 측정하였다.
본 연구에서 제안하는 공기 유로를 가진 방열판(모델 1∼3)은 Fig. 5에서와 같이 압전팬 후면의 유로로 공기가 유입된 후, 압전식 팬을 통과해서 전면의 방열판의 상하 유로를 통해 공기가 유출되고, 방열판의 좌우 공기 유로는 닫혀 있어서 공기가 유출되지 않는 구조로 되어 있다.
시험부는 필름히터가 내장된 기판, 동판으로 제작된 방열판, 압전팬으로 구성되며, 이는 안정화된 공기 유동과 일정한 온도의 공기 환경을 만들어 주기 위해서 밀폐된 항온항습실내에 설치하여 실험하였다. 시험부에 설치된 기판으로의 전력 공급은 직류전원 공급장치에 의해서 전력을 공급하고, 디지털 멀티메타(Fluke-8842A)를 이용하여 기판에 공급되는 전력을 조절할 수 있도록 하였다. 기판 온도 및 주위공기온도는 직경 0.
6은 기판과 공기의 온도차(T_b- T_a)를 나타낸 것이다. 실험은 3가지 조건, 즉 압전팬은 끈 상태(off 상태)에서 히트 입력전력이 7.2 W인 경우(off+7.2 W), 압전팬을 작동시킨 상태에서 히트 입력전력이 7.2 W인 경우(on+7.2 W), 압전팬을 작동 시키고 히트 입력전력이 12 W인 경우(on+12 W)에 대해서 실시하였다.
3에서와 같이 기판 상부의 4개 지점에 측정하였다. 압전팬은 증폭기(Piezo amp)와 오실로스코프(Oscilloscope)를 이용하여 주파수와 전압을 일정하게 인가시켜 팬을 가동시켰다.
이 모듈은 2개의 정방형 기판 사이에 필름히터(film heater, 30×30×0.1 mm)를 삽입하여 만들었다.
따라서 본 연구의 목적은 주위 공기의 열전달 성능을 향상시키기 위한 방법으로서, 압전팬과 방열판을 조합하여 압전팬 주위의 공기 유동을 보다 효율적으로 활용하고 압전팬에 의해 유도된 유동의 열전달 면적을 늘릴 수 있는 방열판 형상을 찾고자 하는 것이다. 이를 위해 3가지 형태의 공기 유로를 가지는 압전팬을 제작하여 실험적으로 열전달 성능을 서로 비교 및 분석함으로써, 최적의 공기 유로를 가진 방열판과 압전팬 주위의 공기 유동에 대한 열전달 특성을 규명하고자 한다.
본 절에서는 앞에서 제시한 압전팬과 4가지의 공기 유로를 가진 방열판에 대한 열전달 성능을 서로 비교함으로서, 최고의 열전달 성능을 나타내는 최적의 방열판 형상을 찾고자 하였다. 이를 위해 각 모델에 대한 기판온도, 기판과 공기의 온도차, 주위공기의 대류 열전달 계수를 서로 비교하였다.

대상 데이터

5에서도 알 수 있듯이, 기존의 모델(Fig. 5 (a))을 포함하여 총 4가지 모델을 사용하였다. Fig.
시험부는 필름히터가 내장된 기판, 동판으로 제작된 방열판, 압전팬으로 구성되며, 이는 안정화된 공기 유동과 일정한 온도의 공기 환경을 만들어 주기 위해서 밀폐된 항온항습실내에 설치하여 실험하였다. 시험부에 설치된 기판으로의 전력 공급은 직류전원 공급장치에 의해서 전력을 공급하고, 디지털 멀티메타(Fluke-8842A)를 이용하여 기판에 공급되는 전력을 조절할 수 있도록 하였다.
4의 검은색 부분)으로부터 압전 세라믹을 평판의 양측면에 부착하여 형성시켰다. 실험에 사용된 압전팬은 15 V의 전압 및 115 Hz의 작동 주파수에서 9.5 mm의 진폭을 갖는 장치이다.
4와 Table 1은 압전팬의 구조와 사양을 각각 나타낸 것이다. 압전팬은 직사각형 평판으로 스테인레스 강을 사용하여 제작하였다. 압전팬에 전류를 공급시키기 위한 전극은 팬의 고정단(Fig.

이론/모형

본 실험의 불확실도은 Kline과 McClintock¹³⁾이 제안하는 방법으로 평가하였다. PZT 팬의 변위량은 0.

성능/효과

PZT 팬의 변위량은 0.01 mm, 기판온도 및 주위공기온도 ±0.5℃, 히터의 입력전력은 0.32%, 대류 열전달계수는 4.52%로 평가되었다.
2 W인 조건에서는 모델 0(h_b,mod0)이 공기유로를 가진 모델 1~3에 비해 낮게 나타났다. 그리고 3가지 실험조건 모두에 대해서 모델 1의 대류 열전달 계수(h_b,mod1)가 가장 높고, 모델 2와 3의 대류 열전달 계수는 거의 비슷하게 나타났다. Fig.
그리고 4가지 모델에 대한 대류 열전달 계수를 비교한 결과, 모델 1의 열전달 계수값이 44∼66% 정도 가장 높고, 그 다음으로 모델 2와 3이 24∼58% 정도 높게 나타났다.
위의 결과로부터, 전자기기 냉각용 압전팬의 방열 성능을 향상시키기 위한 방법으로 공기 유로를 가진 3가지의 방열판 모델을 제시하였고, 이들 모델 모두 설치하지 않은 경우에 비해서 열전달 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 그리고 공기 유로를 가진 3가지 모델 중에서는 공기 유속이 가장 빠를 것으로 예상되는 모델 1이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 향후 모델 1의 방열 성능을 더욱더 향상시키기 위한 방안으로 핀을 부착하여 방열판을 설계할 필요가 있으며 이에 대한 연구도 진행할 필요가 있음을 알 수 있었다.
2 W)인 조건에서는 공기 유로를 가진 방열판 모델(model 1∼3)이 공기 유로가 없는 방열판 모델(model 0)보다 냉각 성능이 우수하였다. 그리고, 모델 1의 경우는 비슷한 결과가 나온 모델 2, 3과 달리 다소 낮은 온도를 보여주며 3가지 실험 조건 모두에서 가장 좋은 결과를 보였다.
본 연구에서 제시한 4가지 모델에 대한 기판온도와 온도차(기판과 공기)를 비교해 볼 때, 모델 1의 방열 및 냉각 성능이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 그리고 4가지 모델에 대한 대류 열전달 계수를 비교한 결과, 모델 1의 열전달 계수값이 44∼66% 정도 가장 높고, 그 다음으로 모델 2와 3이 24∼58% 정도 높게 나타났다.
위의 결과로부터, 전자기기 냉각용 압전팬의 방열 성능을 향상시키기 위한 방법으로 공기 유로를 가진 3가지의 방열판 모델을 제시하였고, 이들 모델 모두 설치하지 않은 경우에 비해서 열전달 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 그리고 공기 유로를 가진 3가지 모델 중에서는 공기 유속이 가장 빠를 것으로 예상되는 모델 1이 가장 우수한 것을 알 수 있었다.
이상의 연구로부터, 압전팬은 기초연구에서부터 실용화 연구까지 광범위하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 하지만, 압전팬을 이용하여 열전달 성능을 향상시키기 위한 연구는 거의 없는 실정이다.
방열판 모델 1의 외부 면적이 가장 작음에도 불구하고 가장 높은 이유는 수직면의 면적이 가장 크기 때문인 것으로 생각된다. 즉, 강제대류에서는 수직방향의 흐름이 중요하며 3가지의 모든 방열판 모델들은 슬릿(slit)을 통해 상하로 유동이 발생 할 수 있는 구조인데다 열전도 과정에서 열원과 가장 가까이 있는 슬릿 주변 수직면이 가장 온도가 높기 때문에 강제대류 상황에서도 기판 가까이의 수직면적이 가장 큰 모델 1이 가장 좋은 방열 성능을 보였다.

후속연구

그리고 공기 유로를 가진 3가지 모델 중에서는 공기 유속이 가장 빠를 것으로 예상되는 모델 1이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 향후 모델 1의 방열 성능을 더욱더 향상시키기 위한 방안으로 핀을 부착하여 방열판을 설계할 필요가 있으며 이에 대한 연구도 진행할 필요가 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 전자기기의 냉각방식으로 무엇이 적용되고 있는가?	현재 전자기기의 냉각방식으로는 방열핀 부착 냉각방식과 히트파이프 채용 냉각방식 등이 많이 적용되고 있다. 이러한 방식들은 팬의 용량과 소음의 증가, 방열핀의 크기 증가, 유체 누설에 의한 고장, 가격 대비 성능 저하 등을 일으킨다.
	압전팬은 무엇인가?	압전팬(piezoelectric fan)은 Fig. 1에 나타낸 것처럼, 압전효과(piezoelectricity)를 갖는 PZT 기반의 압전소재 사이에 탄성변형이 가능한 얇은 판재를 넣어서 조립한 것이다. 이때 PZT 압전소재는 전압을 가하면 기계적 변형을 일으키고, 역으로 기계적인 압력이 가해지면 전압을 발생시키는 특성을 가진 소자이다.
	전자기기의 단위면적당의 발열량 증가는 어떤 문제를 일으키는가?	이로 인해 전자기기의 단위면적당의 발열량도 크게 증가하게 되었다. 이러한 발열량은 전자기기의 오작동과 성능저하를 유발하거나 고장을 일으킨다. 따라서 전자기기가 최고의 성능을 발휘하기 위해서는 반드시 냉각을 시켜야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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