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히트싱크 베이스의 두께 변화가 방열성능에 미치는 영향
Effect of the variation of base thickness on the heat release performance of the heat sink 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.8, 2014년, pp.4749 - 4755  

김정현 (전북대학교 기계설계공학부) ,  이교우 (전북대학교 기계설계공학부)

초록
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본 연구는 고용량 인버터 등의 열 발생 환경에서 히트싱크의 방열성능을 극대화하기 위한 파라미터 연구의 일환으로 히트싱크 베이스 두께 변화에 대한 방열성능 변화를 조사하였다. 베이스 두께가 각각 5, 9.5 및 14 mm인 히트싱크의 방열성능을 히트싱크 베이스의 윗면 중앙 온도, 히트싱크를 통한 방열량 및 열원부의 온도 등의 세 가지 지표의 비교를 통하여 고찰하였다. 실험연구와 전산유체역학 프로그램을 이용한 해석연구를 병행하여 베이스 두께 변화에 따른 각 방열 성능 지표에 변화가 있음을 확인하였다. 베이스의 윗면 중앙 온도와 방열율은 베이스의 두께가 얇을수록 향상되는 효과를 보였고, 베이스 열원부의 온도는 베이스의 두께가 두꺼울수록 낮아지는 경향을 보였다. 성능 지표의 비교 고찰을 통해 연구에 사용된 세 히트싱크 내에서는 베이스의 두께가 9.5 mm인 히트싱크에서 최적점이 나타났다. 따라서 제한적이지만 본 연구결과 내에서는 9.5 mm 두께의 베이스를 가지는 히트싱크가 최적의 방열 성능을 보이는 것으로 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, to maximize the heat release from the heat generating environment, such as a high-capacity inverter, the heat release performance of the extruded-type heat sinks with the variation of the base thickness were investigated using the experimental and numerical methods. The base thickness...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 앞선 연구들[11-13]보다 고용량 환경에서 히트싱크 베이스 두께 변화에 대한 히트싱크의 방열성능 변화를 연구하고자 하였다. 입력 열로 사용하기 위해 소비전력량이 1190 W인 열원 히터(heater)를 제작하였으며, 히트싱크 베이스 판의 두께가 5, 9.
  • 본 연구에서는 히트싱크 베이스 판 두께 변화에 대한 방열 성능 변화를 실험과 전산유체역학 프로그램을 이용한 해석을 통해 알아보았다. 방열 성능 지표를 히트싱크 베이스의 윗면 중앙 온도, 히트싱크를 통한 방열량과 히터부의 온도로 하는 세 가지 지표의 비교를 통한 고찰을 진행했다.
  • 본 연구에서는 히트싱크를 통한 방열량, 베이스 판의 온도 및 히터부 온도를 방열성능의 지표로 삼았다. 세 히트싱크의 베이스 판 두께 변화에 따른 방열량 변화 및 히트싱크의 온도 변화를 비교하여 방열 성능 변화를 고찰하고자 하였다. 이를 위해 강제대류를 이용한 방열 방식으로 히트싱크의 방열성능을 실험하였다.

가설 설정

  • 팬의 작동전압 (operation voltage)은 16에서 30볼트 사이이다. 차압을 약 190 Pa로 가정하여 총 유량을 400 ㎥/h로 예측하였고 계산된 평균 유속은 14.15 m/s 이다. 평균 유속에 따른 Re 수는 9.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기, 전자기기들이 작동하면서 발생하는 전력 손실의 문제점은? 현대사회에서 사용되는 인버터 등의 전기, 전자기기들은 작동하면서 열의 형태로 전력 손실이 발생된다. 이렇게 발생되는 열은 기기 내부 및 소자의 온도를 상승시켜 수명을 줄이고 성능을 저하시킨다[1,2]. 이러한 수명 단축과 성능 저하를 줄이기 위해 방열시스템이 필요하며, 방열시스템에는 주로 히트싱크가 사용된다.
히트싱크의 역할은? 이러한 수명 단축과 성능 저하를 줄이기 위해 방열시스템이 필요하며, 방열시스템에는 주로 히트싱크가 사용된다. 히트싱크는 발열부로부터 핀(fin)까지 열을 전달하여 주위 유체로 방열 시키는 역할을 하며, 다양한 규모의 방열시스템에 사용 되고 있으며, 히트파이프와 결합한 형태도 개발이 이루어지고 있다[3-7].
전기, 전자기기의 방열시스템에는 주로 무엇이 사용되는가? 이렇게 발생되는 열은 기기 내부 및 소자의 온도를 상승시켜 수명을 줄이고 성능을 저하시킨다[1,2]. 이러한 수명 단축과 성능 저하를 줄이기 위해 방열시스템이 필요하며, 방열시스템에는 주로 히트싱크가 사용된다. 히트싱크는 발열부로부터 핀(fin)까지 열을 전달하여 주위 유체로 방열 시키는 역할을 하며, 다양한 규모의 방열시스템에 사용 되고 있으며, 히트파이프와 결합한 형태도 개발이 이루어지고 있다[3-7].
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참고문헌 (16)

  1. Santi, E., Caiafa, A., Kang, X., Hudgins, J. L., Palmer, P. R., Goodwine, D. and Monti, A., "Temperature Effects on Punch-Through IGBTs", IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 40, No. 2, pp. 472-482, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2004.824513 

  2. Lee, S. H. and Chung, H. J., "Study on Lifetime Estimation of TFT-LCD Modules by Temperature Stress", J. of Korea Institute of Information Tech., Vol. 7, No. 5, pp. 1-7, 2009. 

  3. Lee, J. W., "Design of a Heat Dissipation System for the 400kW IGBT Inverter", The Trans. of the KIPE, Vol. 9, No. 4, pp. 350-355, 2004. 

  4. Ko, M. S., Lee, J. H., Oh, S. J., Cho, H. S. and Seo, T. B., "Cooling Performance of LED Head Lamp with Heat Sink and Cooling Fan", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 33, No. 12, pp. 947-951, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2009.33.12.947 

  5. Kim, T. H., Do, K. H., Choi, B. I., Han, Y. S. and Kim, M. B., "Development of a Cooling System for a Concentrating Photovoltaic Module", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 35, No. 6, pp. 551-560, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2011.35.6.551 

  6. Lee, K. W., Park, K. H., Rhi, S. H. and Yoo, S. Y., "Heat Pipe Heat Sink Development for Electronics Cooling", SAREK, Vol. 14, No. 8, pp. 664-670, 2002. 

  7. Kim, J. S., Ha, S. J. and Kwon, Y. H., "A Study on Cooling Performance of Aluminium Heat Sink with Pulsating Heat Pipe", J. of the Korean Soc. of Marine Eng., Vol. 35, No. 8, pp. 1016-1021, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2011.35.8.1016 

  8. Riu, K. J., Park C. W., Kim, H. W. and Jang, C. S., "Cooling Characteristics of a Strip Fin Heat Sink", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 29, No. 1, pp. 16-26, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2005.29.1.016 

  9. Kim, J. H., Yun, J. H. and Lee, C. S., "An Experimental Study on the Thermal Resistance Characteristics for Various Types of Heat Sinks", SAREK, Vol. 14, No. 8, pp. 676-682, 2002. 

  10. Kim, K. J., "Numerical study on the thermal behavior of a natural convection hybrid fin heat sink", J. of the Korean Soc. of Marine Eng., Vol. 37, No. 1, pp. 35-39, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2013.37.1.35 

  11. Mohan, R. and Govindarajan, DR. P., "Thermal Analysis of CPU with variable Heat Sink Base Plate Thickness using CFD", International J. of the Computer, the Internet and Management, Vol. 18, No. 1, pp. 27-36, 2010. 

  12. Kosar, A., "Effect of substrate thickness and material on heat transfer in microchannel heat sinks", Int'l J. of Thermal Sciences, Vol. 49, pp. 635-642, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2009.11.004 

  13. Li, J. and Shi, Z. S., "3D numerical optimization of a heat sink base for electronics cooling", Int'l Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 39, pp. 204-208, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.12.001 

  14. White, Frank M., "Fluid mechanics", 5th ed., McGraw-Hill, 2003. 

  15. Kim, J. H., and Lee, G. W., "Performance Evaluation of Swaged-and Extruded-type Heat Sinks Used in Inverter for Solar Power Generation", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 10, pp. 933-940, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2013.37.10.933 

  16. Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L. and Lavine, A. S., "Introduction to Heat Transfer," 5th ed., John Wiley and Sons, 2006. 

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