전자 장비에서 발생하는 열은 장비의 성능을 저하시킨다. 이러한 장비의 열을 외부로 방출하기 위한 방법으로 히트싱크가 사용된다. 본 연구에서는 내부터널의 형상을 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅성능을 강제대류 상태에서 열전달 특성에 대하여 고찰하였다. 또한, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다. 냉각실험에서 전압이 10V일 때, A형상이 B형상 보다 온도가 낮게 나타났고, 가장 좋은 냉각효과를 나타내었다. 히팅실험에서 전압이 13V일 때, 온도가 A형상이 B형상 보다 높게 나타났고, A형상이 효율이 더 좋은 것으로 판단된다.
전자 장비에서 발생하는 열은 장비의 성능을 저하시킨다. 이러한 장비의 열을 외부로 방출하기 위한 방법으로 히트싱크가 사용된다. 본 연구에서는 내부터널의 형상을 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅성능을 강제대류 상태에서 열전달 특성에 대하여 고찰하였다. 또한, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다. 냉각실험에서 전압이 10V일 때, A형상이 B형상 보다 온도가 낮게 나타났고, 가장 좋은 냉각효과를 나타내었다. 히팅실험에서 전압이 13V일 때, 온도가 A형상이 B형상 보다 높게 나타났고, A형상이 효율이 더 좋은 것으로 판단된다.
The heat generated by electronic devices can result in performance degradation. Therefore, a heat sink has been used to release the operating heat into the air outside. This study addressed a methodology for a heat sink with an inner tunnel. Under forced convection conditions, the heat transfer char...
The heat generated by electronic devices can result in performance degradation. Therefore, a heat sink has been used to release the operating heat into the air outside. This study addressed a methodology for a heat sink with an inner tunnel. Under forced convection conditions, the heat transfer characteristics were different so the cooling and heating performances were studied for the heat sink with an inner tunnel. This was evaluated by performing the experimental test examining the heat transfer characteristics related to the variance in time and temperature distribution. In the cooling experiment, the temperature of the A-shape was lower than that of the B-shape, when the voltage was 10 V. These experimental results indicate the optimal cooling effect. In a heating experiment, the temperature of the A-shape was higher than that of the B-shape, when the voltage was 13 V. The experimental results showed that the temperature and efficiency of the A-shape were higher than those of the B-shape.
The heat generated by electronic devices can result in performance degradation. Therefore, a heat sink has been used to release the operating heat into the air outside. This study addressed a methodology for a heat sink with an inner tunnel. Under forced convection conditions, the heat transfer characteristics were different so the cooling and heating performances were studied for the heat sink with an inner tunnel. This was evaluated by performing the experimental test examining the heat transfer characteristics related to the variance in time and temperature distribution. In the cooling experiment, the temperature of the A-shape was lower than that of the B-shape, when the voltage was 10 V. These experimental results indicate the optimal cooling effect. In a heating experiment, the temperature of the A-shape was higher than that of the B-shape, when the voltage was 13 V. The experimental results showed that the temperature and efficiency of the A-shape were higher than those of the B-shape.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
강제대류 상태에서 냉각핀 형상이 있는 히트싱크를 열에 대한 영향을 해석하였다[12,13]. Pin-fin 형태의 히트싱크에서 냉각 핀의 높이, 냉각 핀의 지름, 냉각 핀의 간격이 열전달에 어떠한 영향을 주는지를 연구하였다[14]. 지금까지의 연구는 평판 형태의 히트싱크와 전자 장비의 열을 외부로 방출하기 위해 강제대류를 이용한 히트싱크에 관한 연구는 많이 수행 되었다.
열을 외부로 방출하기 위한 방법으로 평판에 냉각핀이 부착된 형태의 히트싱크를 연구하였다[9,10]. 또한, 여러 가지 형태의 히트싱크 형상을 디자인하고, 제작된 히트싱크로 발생하는 열의 특성을 해석과 실험을 통하여 외부로 빠르게 방출할 수 있는 방법들을 연구하였다[11]. 강제대류 상태에서 냉각핀 형상이 있는 히트싱크를 열에 대한 영향을 해석하였다[12,13].
또한 히트싱크는 강제대류 상태에서 열전달 특성이 다르게 나타나므로 강제대류 상태에서 내부터널 구조를 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅 성능 연구하였고, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다. 본 논문에서는 강제대류 상태에서 히트싱크의 형상이 온도분포의 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였다.
본 연구는 펠티에 소자를 이용하여 강제 대류 상태에서 A형상과 B형상 히트싱크의 형상에 따른 냉각 및 히팅 성능을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 내부터널을 가지는 히트싱크에 대한 연구를 수행하였다. 또한 히트싱크는 강제대류 상태에서 열전달 특성이 다르게 나타나므로 강제대류 상태에서 내부터널 구조를 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅 성능 연구하였고, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다.
제안 방법
펠티에 소자의 시간에 따른 온도변화를 측정하기 위해 표면에 K-type Thermocouple을 연결하였고, 데이터 로거를 연결하였다. 2가지 타입의 형상에 대해서 히팅과 냉각 실험의 결과를 각각 비교 분석 하여, 히팅과 냉각성능을 확인하였다.
강제 대류 상태에서 히팅과 냉각 실험을 하였다. Power supply에서 전원을 공급하면 펠티에 소자와 히트싱크가 접촉되어 있는 부분은 열이 발생하고 반대면은 냉각이 된다.
또한, 여러 가지 형태의 히트싱크 형상을 디자인하고, 제작된 히트싱크로 발생하는 열의 특성을 해석과 실험을 통하여 외부로 빠르게 방출할 수 있는 방법들을 연구하였다[11]. 강제대류 상태에서 냉각핀 형상이 있는 히트싱크를 열에 대한 영향을 해석하였다[12,13]. Pin-fin 형태의 히트싱크에서 냉각 핀의 높이, 냉각 핀의 지름, 냉각 핀의 간격이 열전달에 어떠한 영향을 주는지를 연구하였다[14].
본 연구에서는 내부터널을 가지는 히트싱크에 대한 연구를 수행하였다. 또한 히트싱크는 강제대류 상태에서 열전달 특성이 다르게 나타나므로 강제대류 상태에서 내부터널 구조를 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅 성능 연구하였고, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다. 본 논문에서는 강제대류 상태에서 히트싱크의 형상이 온도분포의 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였다.
펠티에 소자 표면의 온도를 측정하기 위해서는 소자 표면에 K-type Thermocouple을 장착하여, 강제대류 환경에서 온도를 측정하였다. 히트싱크의 정면에 공기 가 주변으로 확산되지 않도록 Cone형상을 설치하여 대기와의 접촉을 피하고 입구에서 Compressor에서 공기압 27 Psi 으로 공기를 주입하였다.
공기가 계속 공급되고 있는 상태에서 펠티에 소자에 전류를 공급한다. 펠티에 소자의 시간에 따른 온도변화를 측정하기 위해 표면에 K-type Thermocouple을 연결하였고, 데이터 로거를 연결하였다. 2가지 타입의 형상에 대해서 히팅과 냉각 실험의 결과를 각각 비교 분석 하여, 히팅과 냉각성능을 확인하였다.
Table 2는 펠티에 소자 HM3030 사양을 나타내었다. 히트싱크와 펠티에 소자의 열전도율을 높이기 위하여 방열 컴파운드를 도포하였다. 실험에 사용된 방열 컴파운드는 GE Toshiba Silicones사의 Silicone Grease 사용하였고, 사양을 Table 3에 나타내었다.
펠티에 소자 표면의 온도를 측정하기 위해서는 소자 표면에 K-type Thermocouple을 장착하여, 강제대류 환경에서 온도를 측정하였다. 히트싱크의 정면에 공기 가 주변으로 확산되지 않도록 Cone형상을 설치하여 대기와의 접촉을 피하고 입구에서 Compressor에서 공기압 27 Psi 으로 공기를 주입하였다. 펠티에 소자의 사양은 Acetec사의 HM3030을 사용하였다.
히팅과 냉각 실험은 Power supply의 전압을 1V∼13V로 바꾸고, 시간은 0.5 sec 간격으로 30초 동안온도변화를 관찰하였다.
대상 데이터
1은 내부터널구조를 가지는 2가지 형태의 히트싱크를 설계 하였고, 크기는 73 × 73 × 70 mm이다. 사용된 히트싱크의 재질은 AL 6061으로 기계적 물성을 Table 1에 나타내었다. Fig.
히트싱크와 펠티에 소자의 열전도율을 높이기 위하여 방열 컴파운드를 도포하였다. 실험에 사용된 방열 컴파운드는 GE Toshiba Silicones사의 Silicone Grease 사용하였고, 사양을 Table 3에 나타내었다.
히트싱크의 정면에 공기 가 주변으로 확산되지 않도록 Cone형상을 설치하여 대기와의 접촉을 피하고 입구에서 Compressor에서 공기압 27 Psi 으로 공기를 주입하였다. 펠티에 소자의 사양은 Acetec사의 HM3030을 사용하였다.
성능/효과
(b) 두 실험을 통하여 A형상 냉각핀 히트싱크가 13V일 경우 150℃로 가장 좋은 히팅효과가 나타나는 것을 확인하였다.
B형상 보다는 A형상 냉각 핀 히트싱크가 히팅효과가 5℃ 높게 나타났고, 효율이 좋은 것으로 사료된다. A형상 냉각 핀 히트싱크의 전압이 13V에서 가장 좋은 히팅효과가 나타나는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었고, A형상과 B형상을 비교해 보면, 형상에 따른 온도의 변화가 거의 없었다. 히팅효과 역시 12초까지 급격하게 증가하고 그 이후부터 30초까지는 온도가 150℃로 완만하게 증가하는 것을 알 수가 있다.
냉각 실험에서 A형상은 전압이 10V일 때 최저온도가 -14℃로 나타났고, B형상에서는 전압이 10V일 때 최저온도가 -15℃로 나타났다. B형상 냉각 핀 히트싱크의 전압이 10V에서 -15℃로 가장 좋은 냉각효과가 나타나는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었고, A형상과 B형상을 비교해 보면, 형상에 따라서는 온도의 변화가 거의 없었다. 온도는 10초까지는 급격히 떨어지고, 10초부터 30초까지 -15℃ 이하로 계속 유지되는 것을 알 수 있었다.
전압에 따른 온도변화를 보면, 냉각실험에서 전압이 증가할수록 온도는 A형상과 B형상 모두 감소하는 것을 알 수 있었고, 히팅 실험에서 전압이 증가할수록 온도는 A형상과 B형상 모두 증가하는 것을 알 수 있었다. 냉각과 히팅실험에서 형상에 따른 온도변화를 보면 그 차이는 미비하였다.
A형상의 냉각 핀 히트싱크와 비슷한 경향을 보이고 있다. 전압이 10V에서 최저온도가 -15℃로 나타났고, 가장 좋은 냉각효과가 나타나는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
3(a)에서 실험결과를 보면, 전압을 1V∼ 13V까지 증가 시켰을 때, 냉각온도는 최저 -14℃까지 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 전압이 10V에서 최저온도가 -14℃로 나타났으므로, 전압 10V에서 좋은 냉각효과가 나타나는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
6(a)에서 실험결과를 보면, 전압을 1V∼ 13V까지 증가 시켰을 때, 히팅온도는 최대 150℃까지 상승하는 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 전압이 13V에서 최대온도가 150℃로 나타났고, 히팅효과가 나타나는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자 장비에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 Thermoelectric devices는 어떤 형태로 나눌 수 있는가?
이러한 전자 장비에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 방법으로 Thermoelectric devices(TE)를 사용해 오고 있다[1-3]. Thermoelectric devices(TE) 는 열전냉각기 (thermoelectric coolers)와 열전발전기(thermoelectric generators)의 형태로 나눌 수 있다. 열전냉각기는 전기를 열에너지로 바꾸는 펠티에 효과(Peltier effect)이고[4-6], 열전발전기는 열에너지를 전기로 바꾸는 제벡효과 (Seebeck effect)다[7].
펠티에 효과란 무엇인가?
열전냉각기는 전기를 열에너지로 바꾸는 펠티에 효과(Peltier effect)이고[4-6], 열전발전기는 열에너지를 전기로 바꾸는 제벡효과 (Seebeck effect)다[7]. 펠티에 효과는 서로 다른 도체의 양끝을 접합하고, 한 쪽 회로에 직류 전압을 보내면 한쪽 면에서는 냉각, 다른 한쪽면에서는 가열이 일어나는 현상을 말한다[8]. 따라서 전자 장비에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 것이 중요하다.
히트싱크는 무엇을 위해 사용되는가?
전자 장비에서 발생하는 열은 장비의 성능을 저하시킨다. 이러한 장비의 열을 외부로 방출하기 위한 방법으로 히트싱크가 사용된다. 본 연구에서는 내부터널의 형상을 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅성능을 강제대류 상태에서 열전달 특성에 대하여 고찰하였다.
참고문헌 (15)
Y. Pan, B. Lin, J. Chen, "Performance analysis and parametric optimal design of an irreversible multi-couple thermoelectric refrigerator under various operating conditions", Appl. Energy, Vol. 84, pp. 882-892, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2007.02.008
M. Chen, L.A. Rosendahl, T. Condra, "A three-dimensional numerical model of thermoelectric generators in fluid power systems", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 54, pp. 345-355, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.08.024
W.H. Chen, C.Y. Liao, C.I. Hung, "A numerical study on the performance of miniature thermoelectric cooler affected by thomson effect", Appl. Energy, Vol. 89, pp. 464-473, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.08.022
J. Luo, L. Chen, F. Sun, C. Wu, "Optimum allocation of heat transfer surface area for cooling load and COP optimization of a thermoelectric refrigerator", Energy Convers Manage, Vol. 44, pp. 3197-3206, 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.09.037
D. Champier, J.P. Bedecarrats, M. Rivaletto, F. Strub, "Thermoelectric power generation from biomass cook stoves", Energy, Vol. 35, pp. 935-942, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2009.07.015
D.R. Lee, "Investigation of optimal cooling performance using peltier module and heat sink", Journal of the korea society for power system engineering, Vol. 10, No. 4, pp. 65-70, 2006.
S.H. Yu, K.S. Lee, S.J. Yook, "Natural convection around a radial heat sink", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 53, pp. 2935-2938, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.02.032
R. Arularasan, R. Velraj, "Modeling and simulation of a parallel plate heat sink using computational fluid dynamics", Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 51, pp. 415-419, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s00170-008-1867-9
B.S. Seo, K. J. Lee, J.K. Yang, Y. S. Cho, D.H. Park, "Development and characterization of optimum heat sink for 30W chip on board LED down-light", Transactions on electrical and electronic materials, Vol. 13, No. 6, pp. 292-296, 2012.
P. Teertstra, M.M. Yovanovich, J. R. Culham, "Analytical forced convection modeling plate fin heat sinks", J. Electronics Manufacturing, Vol. 10, No. 4, pp. 253-261, 2000. DOI: http://dx.doi.org/10.1142/S0960313100000320
C.T. Chen, H.I. Chen, "Multi-objective optimization design of plate-fin heat sinks using a direction-based genetic algorithm", Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, Vol. 44, pp. 257-265, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jtice.2012.11.012
K.T. Chiang, C.C. Chou, N.M. Liu, "Application of response surface methodology in describing the thermal performances of pin-fin heat sinks", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, pp. 1196-1205, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2008.10.009
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.