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문제 정의
- 본 연구는 펠티에 소자를 이용하여 A형상 냉각 핀 히트싱크를 가지고 자연 대류와 강제대류 상태에서 비교하였고, B형상 냉각 핀 히트싱크를 가지고 자연 대류와 강제대류 상태에서 비교하여 냉각 및 히팅 성능을 확인 할 수 있었다.
제안 방법
- 또한 자연대류 상태에서 공기를 주입하지 않고, 대기 중에서 실험을 하였다. 2가지 타입의 형상에 대해서 히팅과 냉각 실험을 하고, 자연대류와 강제대류상태의 결과를 각각 비교 분석 및 성능을 확인하였다.
- Fig. 4(a)는 A형상의 히트싱크에서 전압을 6, 8, 10V으로 바꾸면서 시간에 따른 냉각온도 변화를 자연대류와 강제대류 상태에서 비교 하였다. 실험에서 전압을 6, 8, 10V로 증가 시켰을 때, 냉각온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 최대 -5℃온도가 더 낮게 나타났고, 전압이 10V 일 때, 냉각 온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 최저 -15℃까지 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다.
- 강제대류 상태에서 실험을 위하여 Compressor를 작동시켜 Cone입구에 공기가 계속 공급되고 있는 상태에서 펠티에 소자에 전류를 공급한다. K-type Thermocouple을 펠티에 소자의 표면에 연결하여 펠티에 소자의 온도변화를 데이터로거를 통하여 측정하였다. 또한 자연대류 상태에서 공기를 주입하지 않고, 대기 중에서 실험을 하였다.
- 펠티에 소자 표면의 온도를 측정하기 위해서는 소자 표면에 K-type Thermocouple을 장착하고, 자연대류와 강제대류 환경에서 온도를 측정하였다. 강제대류 상태에서 실험을 하기 위하여 히트싱크의 정면에 Cone 형상을 설치하여 Conpressor에서 들어오는 공기가 주변에서 확산되지 않도록 하였다. 이 때 사용된 공기압은 27 Psi 으로 공기를 주입하였다.
- 강제대류와 자연대류 상태에서 히팅과 냉각실험을 비교 분석 하였다. 펠티에 소자에 Power supply로 전원을 공급하면 히트싱크가 접촉되어 있는 부분에서는 열이 발생하고 접촉되어 있지 않는 부분은 냉각이 된다.
- 본 연구에서는 강제대류와 자연대류 상태에서 일반적인 핀 형태의 히트싱크는 외부의 공기와 접촉하는 면적이 넓어 제품에서 발생하는 열을 외부의 대기 중으로 잘 방출하는 구조이지만, 내부터널 구조를 가지는 히트싱크는 외부의 공기와 접촉면적이 적고 내부의 열을 방출하기가 어렵다[19]. 그래서, 자연대류 및 강제대류에서 내부터널 구조를 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅 성능 연구하였고, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다. 또한, 자연대류와 강제대류 상태에서 히트싱크의 형상이 온도분포의 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였고, 자연대류와 강제대류에 따른 히트싱크의 열전달 특성, 온도분포의 변화를 실험을 통해 비교 연구 하였다.
- 그래서, 자연대류 및 강제대류에서 내부터널 구조를 가지는 히트싱크에 대한 냉각 및 히팅 성능 연구하였고, 시간에 따른 히트싱크의 열전달 특성 및 온도분포의 변화에 따른 실험을 수행하였다. 또한, 자연대류와 강제대류 상태에서 히트싱크의 형상이 온도분포의 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였고, 자연대류와 강제대류에 따른 히트싱크의 열전달 특성, 온도분포의 변화를 실험을 통해 비교 연구 하였다.
- 열을 방출하기 위한 방법으로 발열부의 온도를 제어하기 위해 펠티에 소자와 히트싱크가 사용되는데, 일반적인 평판에 냉각 핀이 부착된 히트싱크가 사용하여 연구를 하거나[10,11], 여러 가지 형상으로 히트싱크를 디자인하고, 이를 바탕으로 해석이나 실험을 수행한 연구들을 하였다[12,13]. 해석과 실험을 통하여 얻은 결과로 최적화된 냉각 핀 형상을 찾고, 냉각 핀 형상이 있는 히트싱크를 자연대류 상태에서 히트싱크의 각도를 바꾸면서 연구를 하였다[14,15].
- 이 논문에서 히트싱크는 냉각 핀 둘레가 대류열전달율(h)과 냉각 핀의 면적(Ac) 보다 클 때 냉각 핀의 효율이 증가하는 이론에 기인해서 설계, 제작 하였다.
- 이 때 사용된 공기압은 27 Psi 으로 공기를 주입하였다. 자연대류 상태에서 공기를 주입하지 않고, 대기중에서 실험을 하였다.
- 펠티에 소자 표면의 온도를 측정하기 위해서는 소자 표면에 K-type Thermocouple을 장착하고, 자연대류와 강제대류 환경에서 온도를 측정하였다. 강제대류 상태에서 실험을 하기 위하여 히트싱크의 정면에 Cone 형상을 설치하여 Conpressor에서 들어오는 공기가 주변에서 확산되지 않도록 하였다.
- 열을 방출하기 위한 방법으로 발열부의 온도를 제어하기 위해 펠티에 소자와 히트싱크가 사용되는데, 일반적인 평판에 냉각 핀이 부착된 히트싱크가 사용하여 연구를 하거나[10,11], 여러 가지 형상으로 히트싱크를 디자인하고, 이를 바탕으로 해석이나 실험을 수행한 연구들을 하였다[12,13]. 해석과 실험을 통하여 얻은 결과로 최적화된 냉각 핀 형상을 찾고, 냉각 핀 형상이 있는 히트싱크를 자연대류 상태에서 히트싱크의 각도를 바꾸면서 연구를 하였다[14,15]. 강제대류 상태에서 냉각 핀 형상이 있는 히트싱크를 열에 대한 영향을 해석하였고[16,17], 냉각핀의 높이, 지름, 간격이 열전달에 영향을 미친다고 발표하였다[18].
- 히팅과 냉각 실험은 Power supply의 전압을 1V∼13V로 바꾸고, 시간은 0.5 sec 간격으로 30초 동안 온도변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 재질은 AL 6061이며, 와이어커팅으로 냉각 핀 형상을 가공하여 실험에 사용하였고, 히트싱트의 크기는 73 × 73 × 70 mm이다. Table 1은 히트싱크의 재질인 AL 6061으로 기계적 물성을 나타내었다. 본 연구에 사용된 실험 장치는 Fig.
- Table 2는 펠티에 소자의 사양인 Acetec사의 HM3030을 사용하였다. Table 3은 실험에 사용된 방열 컴파운드로서 GE Toshiba Silicones사의 Silicone Grease YG6111을 사용 하였고, 히트싱크와 펠티에 소자의 열전도율을 높이기 위하여 방열 컴파운드를 도포하였다.
- Table 2는 펠티에 소자의 사양인 Acetec사의 HM3030을 사용하였다. Table 3은 실험에 사용된 방열 컴파운드로서 GE Toshiba Silicones사의 Silicone Grease YG6111을 사용 하였고, 히트싱크와 펠티에 소자의 열전도율을 높이기 위하여 방열 컴파운드를 도포하였다.
- 재질은 AL 6061이며, 와이어커팅으로 냉각 핀 형상을 가공하여 실험에 사용하였고, 히트싱트의 크기는 73 × 73 × 70 mm이다.
성능/효과
- 8(a)는 강제대류에서 전압이 8, 10, 13V 일 때, A 형상과 B형상 냉각 핀 히트싱크의 시간에 따른 온도 변화를 비교하였다. A, B형상 모두 온도가 증가함을 알 수 있고, A, B형상 냉각 핀 히트싱크에 따라서는 온도 차이는 거의 없는 것으로 보인다. 따라서 강제대류에서 히트싱크의 형상은 온도에 영향을 크게 미치지 않는 것으로 사료된다.
- 8(b)는 자연대류에서 전압이 8, 10, 13V 일 때, A 형상과 B형상의 냉각 핀 히트싱크의 시간에 따른 온도 변화를 비교하였다. A, B형상 모두 온도가 증가함을 알 수 있고, B형상 냉각 핀 히트싱크보다 A형상 냉각 핀 히트싱크의 온도가 10℃ 더 높은 것으로 보인다. 이유는 Fig.
- 7(b)는 B형상의 냉각 핀 히트싱크에서 전압을 8, 10, 13V으로 바꾸면서 시간에 따른 히팅온도 변화를 자연대류와 강제대류 상태에서 비교 하였다. A, B형상 모두 온도가 증가함을 알 수 있고, 히팅온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 온도가 최대 10℃ 더 높게 나타났고, 강제대류 상태에서 최고 145℃까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 온도는 8초 까지 급격히 증가하다가 8초 이후부터 완만하게 증가하는 것을 알 수 있다.
- 히팅 실험에서 A형상 및 B형상 냉각 핀 히트싱크 모두 자연대류와 강제대류에서 온도가 증가하였다. 강제대류에서 A형상 냉각 핀 히트싱크는 최고 150℃, B형상 냉각 핀 히트싱크는 최고 145℃까지 증가 하였고, A형상의 냉각 핀 히트싱크는 온도가 6초 까지 급격히 증가하다가 6초 이후부터 완만하게 증가하였다. B형상 냉각 핀 히트싱크는 온도가 8초 까지 급격히 증가하다가 8초 이후부터 완만하게 증가하였다.
- 냉각 실험에서 A형상 및 B형상 냉각 핀 히트싱크 모두 자연대류보다 강제대류에서 온도가 최저 -15℃ 적게 나타났고, A형상 냉각 핀 히트싱크는 온도가 급격히 감소하다가 6초 이후부터 온도가 일정하게 유지되고, B형상 냉각 핀 히트싱크는 급격히 감소하다가 8초 이후부터 온도가 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 자연대류에서 보다는 강제대류에서 효율이 더 좋은 것으로 사료된다.
- 4(a)는 A형상의 히트싱크에서 전압을 6, 8, 10V으로 바꾸면서 시간에 따른 냉각온도 변화를 자연대류와 강제대류 상태에서 비교 하였다. 실험에서 전압을 6, 8, 10V로 증가 시켰을 때, 냉각온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 최대 -5℃온도가 더 낮게 나타났고, 전압이 10V 일 때, 냉각 온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 최저 -15℃까지 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 온도는 6초 까지 급격히 감소하다가 6초 이후부터 완만하게 떨어지고, 그 이 후 부터는 -15℃로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
- 7(a)는 A형상의 냉각 핀 히트싱크에서 전압을 8, 10, 13V으로 바꾸면서 시간에 따른 히팅온도 변화를 자연대류와 강제대류 상태에서 비교 하였다. 실험에서 전압을 8, 10, 13V로 증가 시켰을 때, 히팅온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 최고 1℃ 정도 더 높게 나타났고, 전압이 13V 일 때, 히팅 온도는 자연대류와 강제대류에서 최고 150℃까지 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 온도는 6초 까지 급격히 증가하다가 6초 이후부터 완만하게 증가하는 것을 알 수 있다.
- 자연대류에서 전압을 6, 8, 10V으로 증가 시켰을 때, A, B형상 냉각 핀 히트싱크는 온도가 모두 감소하고, A 형상 냉각 핀 히트싱크보다 B형상 냉각 핀 히트싱크의 온도가 -2℃ 더 감소하는 것을 알 수 있었다. 자연대류에서는 A형상 냉각 핀 히트싱크 보다 B형상 냉각 핀 히트싱크가 더 효율이 좋은 것으로 사료된다.
- 자연대류에서 전압을 증가시켰을 때, A형상 냉각 핀 히트싱크는 최저 -6℃, B형상 냉각 핀 히트싱크는 최저-8℃ 감소하였고, A형상 냉각 핀 히트싱크 보다는 B형상 냉각 핀 히트싱크의 온도가 더 감소하는 것으로 보아 효율이 더 좋은 것으로 사료된다.
- 강제대류에서 전압이 8, 10, 13V 일 때, A, B형상 냉각 핀 히트싱크 모두 온도가 증가하였고, A, B형상 에 따라서는 온도 차이는 거의 없었다. 자연대류에서도 A, B형상 냉각 핀 히트싱크 모두 온도가 증가하였고, B형상 냉각 핀 히트싱크보다 A형상 냉각 핀 히트싱크의 온도가 10℃ 더 높게 나타났다.
- 4(b)는 B형상의 히트싱크에서 전압을 6, 8, 10V으로 바꾸면서 자연대류와 강제대류 상태에서 비교 실험하였다. 전압을 6, 8, 10V로 증가 시켰을 때, 냉각온도는 자연대류보다 강제대류 상태에서 최대 -2.5℃온도가 더 낮게 나타났고, 전압이 10V 일 때, 강제대류 상태에서 최저 -15℃까지 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 온도는 8초 까지 급격히 감소하다가 8초 이후부터 완만하게 떨어지고, 그 이 후 부터는 -15℃로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
- 9(b)는 자연대류에서 A형상과 B형상 냉각 핀 히트싱크를 전압의 증가에 따른 온도 변화를 나타내었다. 평균적으로 전압이 증가 할수록 온도는 A형상 냉각 핀 히트싱크가 110℃, B형상 냉각 핀 히트싱크는 100℃까지 증가하고, 냉각실험의 자연대류에서와는 달리 온도가 B형상보다 A형상이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.
- 6(b)는 자연대류에서 A형상과 B형상의 냉각 핀 히트싱크를 전압의 증가에 따른 온도 변화를 비교 나타내었다. 평균적으로 전압이 증가 할수록 온도는 A형상 냉각 핀 히트싱크는 최저 -6℃, B형상 냉각핀 히트싱크는 최저 -8℃ 감소하였고, 강제대류에서와는 달리 온도가 A형상보다 B형상 냉각 핀 히트싱크가 최저 -2℃ 더 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.
- 9(a)는 강제대류에서 A형상과 B형상 냉각 핀 히트싱크를 전압의 증가에 따른 온도 변화를 나타내었다. 평균적으로 전압이 증가 할수록 온도는 A형상과 B형상 모두 최대 110℃까지 증가하는 것을 알 수 있고, 온도차는 거의 없었다.
- 히팅 실험에서 A형상 및 B형상 냉각 핀 히트싱크 모두 자연대류와 강제대류에서 온도가 증가하였다. 강제대류에서 A형상 냉각 핀 히트싱크는 최고 150℃, B형상 냉각 핀 히트싱크는 최고 145℃까지 증가 하였고, A형상의 냉각 핀 히트싱크는 온도가 6초 까지 급격히 증가하다가 6초 이후부터 완만하게 증가하였다.
후속연구
- 위의 결과는 제품의 열을 방출하기 위해서 내부터널의 히트싱크를 필요로 하는 제품에 참고 자료로 활용될 것으로 보인다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.