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.
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.
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...
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 was varied from 5 to 14 mm. The heat release was characterized by the amount of heat released through the heat sink, the surface temperature of heat sink base between the heat sources, and temperature of heat sources. The surface temperatures between heat sources and the amounts of heat release were improved more as the base thickness was decreased. In contrast, the temperatures of the heat sources decreased with increasing base thickness. Based on the case study of these heat sinks, it is believed that a heat sink with a 9.5mm-thick base was optimized for the heat release.
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 was varied from 5 to 14 mm. The heat release was characterized by the amount of heat released through the heat sink, the surface temperature of heat sink base between the heat sources, and temperature of heat sources. The surface temperatures between heat sources and the amounts of heat release were improved more as the base thickness was decreased. In contrast, the temperatures of the heat sources decreased with increasing base thickness. Based on the case study of these heat sinks, it is believed that a heat sink with a 9.5mm-thick base was optimized for the heat release.
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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.
제안 방법
다음으로 히터부의 온도를 수치해석 결과에서 알아보았다. 히터부 온도의 경우 방열 대상의 온도이므로 중요한 변수라 할 수 있다.
또한 상용 전산유체역학 프로그램인 Fluent (ver. 6)를 사용하여 온도 분포를 조사하였다. 일반적인 난류 모델에 사용되는 Standard k-ε 모델을 사용하였으며, 그 외의 경계 조건은 실험 조건에 맞추었다.
세 히트싱크의 상세 사양은 모두 동일하고 베이스 두께만 변화가 있다. 또한 전산유체역학 상용 프로그램인 Fluent (ver. 6)를 이용하여 두께 변화에 따른 온도 분포를 알아보고 실험 결과를 비교 고찰하고 보완하였다.
블록의 크기는 길이 140 mm, 너비 60 mm, 두께 20 mm 이며, 재질은 히트싱크와 동일한 알루미늄 6061이다. 발열봉을 블록에 삽입할 때 열전도성 그리스를 도포하여 접촉면에서의 열저항을 최소화시켰다. 또한 블록에 단열재를 덮어주어 외부로의 열손실을 줄였다.
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.
상용 전산유체역학 프로그램을 이용한 수치 해석 결과는 Table 3과 같다. 외부 경계 조건을 베이스 판의 두께가 5 mm인 히트싱크의 실험결과를 기준으로 하여 맞추어 준 후 동일한 조건으로 나머지 두 히트싱크도 해석 하였다. 1 번과 2 번 위치의 온도 변화는 실험 결과와 동일한 경향을 보이고 있다.
이 때 관의 직경에 따라 완전 발달되는 거리가 다르며 이 비는 레이놀즈 수(Re)에 따라 바뀌게 된다[14]. 이 때문에 입구 덕트의 길이를 정하기에 앞서 유량을 예측하여 Re 수를 계산해주었다. 사용된 팬의 경우, 제조사에서 차압에 따른 유량 변화를 그래프로 제시하는데 Fig.
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. 팬을 가동하여 입구 덕트로 공기가 유입되도록 하면, 공기는 히트싱크를 지나면서 열교환을 하여 유입될 때보다 온도가 상승 하게 된다.
일반적인 난류 모델에 사용되는 Standard k-ε 모델을 사용하였으며, 그 외의 경계 조건은 실험 조건에 맞추었다.
입구 덕트에는 유입되는 공기의 온도와 유속 측정을 위한 열전대와 열선 유속계를 설치하였다. 초기 위치는 입구 덕트의 입구에서 3 m 떨어진 위치에 설치하여 완전 발달된 유동의 유속과 온도가 측정되도록 하였다. 출구 덕트에 설치된 열전대는 팬에서 약 0.
대상 데이터
DAQs 장비로는 Agilent 사의 34970A 모델을 사용하여 열전대에 측정되는 온도를 수집 및 저장하였다. 또한 유입되는 공기의 유속 측정에는 TSI 사의 열선 유속계인 8386 모델을 사용하였다.
또한 블록에 단열재를 덮어주어 외부로의 열손실을 줄였다. 블록은 총 2 개를 사용하였으며, 총 4 개의 발열봉에서 측정된 소비전력량은 1190 W이다.
우측 사진의 열원 히터는 블록(block) 모양이고 발열봉 2 개를 삽입하여 제작되었다. 블록의 크기는 길이 140 mm, 너비 60 mm, 두께 20 mm 이며, 재질은 히트싱크와 동일한 알루미늄 6061이다. 발열봉을 블록에 삽입할 때 열전도성 그리스를 도포하여 접촉면에서의 열저항을 최소화시켰다.
1은 본 연구에 사용된 히트싱크 중 베이스 판 두께가 14 mm인 히트싱크의 전체적인 모습을 보여주는 사진이다. 사진에서도 볼 수 있듯 핀의 개수는 16 개이고 재질은 알루미늄 6061 이다. 히트싱크의 너비는 210 mm, 길이는 240 mm이며, 핀의 높이만 50 mm 이다.
2 개를 설치하여 총 최대 유량은 702 ㎥/h이지만 팬 전후단의 차압에 따라 유량이 바뀐다. 우측 사진의 열원 히터는 블록(block) 모양이고 발열봉 2 개를 삽입하여 제작되었다. 블록의 크기는 길이 140 mm, 너비 60 mm, 두께 20 mm 이며, 재질은 히트싱크와 동일한 알루미늄 6061이다.
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, 9.5, 14 mm인세 개의 압출형 히트싱크를 준비하였다. 세 히트싱크의 상세 사양은 모두 동일하고 베이스 두께만 변화가 있다.
히터부 온도의 위치는 온도 측정 위치 중 2 번 위치와 동일한 위치의 베이스 판 윗면이다. 즉, 히터와 베이스 판이 접촉하는 부분을 히터부의 온도로 선정하였다. 각 히트싱크 별 히터부의 온도는 Table 4에 정리하였는데, 베이스의 두께가 두꺼워 질수록 온도가 낮아지는 경향을 보였다.
사진에서도 볼 수 있듯 핀의 개수는 16 개이고 재질은 알루미늄 6061 이다. 히트싱크의 너비는 210 mm, 길이는 240 mm이며, 핀의 높이만 50 mm 이다. 히트싱크의 하판은 따로 있으며, 재질은 아크릴이고 길이와 너비는 히트싱크와 같다.
이론/모형
그 외 데이터 측정, 저장 및 수집 장치들이 있다. 온도 측정에는 Omega 사의 T형 열전대를 사용했는데, 제작과 보정은 Kim 등[15]의 방법을 사용하였다. DAQs 장비로는 Agilent 사의 34970A 모델을 사용하여 열전대에 측정되는 온도를 수집 및 저장하였다.
공기의 열교환량은 다음 식을 통해 계산이 가능 하다[16]. 이 외의 자세한 실험 방법과 데이터 처리과정은 Kim 등[15]의 방법을 참고하였다. 식에서 #, #.
성능/효과
얇아질수록 방열율은 증가하지만 증가량은 감소하는 것을 볼 수 있다. 1 번 위치에서의 온도 변화를 보면 베이스 두께가 5 mm에서 두꺼워질수록 0.38, 3.18 ℃ 증가했으며, 증가량은 증가하는 것을 알 수 있다. 2 번 위치의 경우 1 번과 동일한 순서로 15.
1) 히트싱크 베이스의 윗면 중앙 온도와 방열율은 베이스의 두께가 얇을수록 향상되는 효과를 보였고, 히터부의 온도는 두께가 두꺼울수록 개선되는 효과를 보였다.
2) 세 지표의 비교 고찰을 통해 본 연구에 사용된 세 히트싱크 내에서는 베이스 판의 두께가 9.5 mm인 히트싱크에서 최적점이 나타났다. 따라서 본 연구 결과 내에서는 9.
세 히트싱크에서 계산된 질량유량이 동일하기 때문에 히트싱크의 입출구 온도차가 클수록 방열율이 커지게 된다. 다음으로 베이스의 온도를 보면 1번 위치의 경우 베이스의 두께가 두꺼워질수록 높아지고, 2번 위치의 경우 반대로 낮아지는 경향을 보였다. 베이스의 두께가 두꺼워짐에 따라 방열율이 낮아지므로 베이스 판에 남게 되는 열에너지가 증가하게 된다.
히트싱크 베이스 판의 동일한 위치에서의 해석 결과와 실험 결과 온도는 같은 경향을 보여주고 있고, 실험 결과에서의 방열율 변화는 베이스 판 두께가 두꺼워질수록 감소하는 경향을 보였다. 두 결과만을 비교했을 때는 베이스 판 두께가 얇을수록 방열 성능이 좋은 것으로 보인다.
5 mm인 히트싱크에서 최적점이 나타났다. 따라서 본 연구 결과 내에서는 9.5 mm 두께의 베이스 판을 갖는 히트싱크가 최적의 방열 성능을 보이는 히트싱크로 판단되었다.
본 연구에서의 방열 성능 지표인 방열율을 먼저 보면, 베이스 판의 두께가 두꺼워질수록 방열율이 낮아지는 경향을 보였다. 세 히트싱크에서 계산된 질량유량이 동일하기 때문에 히트싱크의 입출구 온도차가 클수록 방열율이 커지게 된다.
실험 결과를 먼저 보면 방열율은 베이스 판의 두께가 14, 9.5, 5 mm로 얇아질수록 1.9, 0.7 % 증가했다. 얇아질수록 방열율은 증가하지만 증가량은 감소하는 것을 볼 수 있다.
평면도에서 히터 중앙을 가로 질러 A-A` 단면에서의 온도 분포를 보여주는 것이 나머지 세 그림이며 동일한 온도 스케일로 표현되었다. 실험과 해석 결과에서 베이스 판의 두께가 두꺼워질수록 1 번 위치에서의 온도가 높아지는데, 온도 분포도에서도 온도가 상승하여 점점 붉어지는 것을 볼 수 있다. 또한 2 번 위치에서 온도가 낮아지는 것 역시 확인할 수 있다.
실험과 해석이 진행된 세 히트싱크에서의 결과만으로 볼 때 방열 성능 지표를 비교해 보면 베이스의 두께가 9.5 mm인 히트싱크에서 최적점이 나타나고 있다. 이를 통해 세 히트싱크에서는 베이스 판의 두께가 9.
Kim 등[9]은 자연대류와 강제대류 조건에서 세 가지 형상 히트싱크의 열저항 특성을 실험하였다. 실험을 통해 자연대류에서 각 형상의 수평 수직 방향에서의 열저항 특성과 강제대류에서 적층형 히트싱크의 성능이 가장 우수함을 보였다. Kim [10]은 자연대류 조건에서 내부유로가 있는 하이브리드 핀을 갖는 히트싱크의 열특성에 대해 수치해석적 연구를 진행하여 제시한 하이브리드 핀 히트싱크의 냉각성능이 우수함을 보였다.
11 ℃ 감소하여 2 번 위치 온도와 같은 경향을 보였다. 열 저항의 정량적인 수치로 보았던 히터부와2 번 위치 온도의 차를 보면 5 mm 두께부터 베이스의 두께가 두꺼워지는 순서로 0.83, 0.92 ℃ 증가하여 점점 증가폭이 커지는 경향을 보였다.
2번 위치는 열 저항 증가에 따른 베이스 윗면과 아랫면의 온도차 증가를 고려하면, 2 번 위치의 히터 온도가 같다고 가정할 때 나타날 수 있는 경향이라 생각할 수 있다. 이러한 결과로 볼 때 베이스 판 두께가 얇을수록 방열 성능이 좋은 것을 확인할 수 있다.
06 ℃ 감소하였고, 감소량은 증가하는 경향을 보였다. 해석 결과의 경우 1 번 위치의 온도는 베이스 판의 두께가 두꺼워 질수록 1.83, 0.11 ℃ 증가해 점점 증가량 줄어들었다. 2 번 위치 온도의 경우에는 같은 순서로 4.
히트싱크 베이스 판의 동일한 위치에서의 해석 결과와 실험 결과 온도는 같은 경향을 보여주고 있고, 실험 결과에서의 방열율 변화는 베이스 판 두께가 두꺼워질수록 감소하는 경향을 보였다. 두 결과만을 비교했을 때는 베이스 판 두께가 얇을수록 방열 성능이 좋은 것으로 보인다.
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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