[논문]유한 요소법을 이용한 히트싱크의 성능평가를 위한 열해석 연구

이봉구; 이민

doi:10.5762/kais.2014.15.9.5467

[국내논문] 유한 요소법을 이용한 히트싱크의 성능평가를 위한 열해석 연구
Thermal Analysis of the Heat Sink Performance using FEM 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.9, 2014년, pp.5467 - 5473

초록
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최근 전자 및 기계부품 기술의 발전으로 전자 장비는 더욱 고성능화, 소형화, 다기능화 되면서 시스템 내부에 발생하는 발열부의 온도를 제어하기 위해 히트싱크가 사용된다. 본 연구에서는 내부 터널 구조의 2가지 형상의 히트싱크의 열 성능평가를 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수치해석 하였다. 수치해석은 자연대류 상태에서의 열 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열 성능을 평가하였다. 또한 시간에 따른 열전달 특성과 온도분표의 해석결과를 기초로 하여 히트싱크의 성능평가를 예측하였다. 수치해석의 결과, 형상 A 히트싱크가 형상 B의 히트싱크보다 열 전달율이 자연대류에서 약 70% 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the numerical analysis results with respect to the thermal behavior of a natural convection cooled pin-fin heat sink. The heat sink consisted of pin fins integrated with plate fins. The heat sinks were designed with two different types to fit the limited internal space. The two types of heat sinks designed were analyzed using the ANSYS software package, and the numerical analysis results were compared with the cooling performance of the two types of heat sinks. The results of the simulation were analyzed according to the temperature distribution and air flow characteristics, heat flux etc. This study examined the correlation of the cooling performance with the heat sink internal structure and fin shape. FEM (Finite Element Method) confirmed the cooling performance of heat sink type A under natural convection conditions as the best results. The results of the numerical simulation showed that the heat sink type A shape showed an approximately 70 percent better heat transfer rate with natural convection than that of type B.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 내부터널 구조 형상을 갖는 핀 휜과 평판 휜으로 구성되는 히트싱크의 자연대류조건에서 열성능을 수치해석의 과도 열 해석을 통하여 확인하였다. 수치 해석은 자연대류 상태에서의 냉각 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열성능을 평가하였다.
본 연구에서 이 논문에서 히트싱크는 냉각 핀 둘레가 대류 열 전달율(h)과 냉각핀의 면적(A_c) 보다 클 때 냉각핀의 효율이 증가하는 이론에 기인해서 설계하여 유한요소법을 적용하여 검증하였다.

가설 설정

이와 같이 펠티에 소자에 인가된 전압에 의해 가열, 냉각이 일어나며, 수치 해석에 사용된 경계조건은 최대 인가전압인 13V를 걸어 주었을 때 펠티어 소자의 냉각온도는 –14℃로 가정하여 해석을 진행하였다.

제안 방법

해석과 실험을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 최적화된 냉각 핀 형상을 찾았다. 냉각 핀 형상이 있는 히트싱크를 강제 대류에서 열에 대한 영향을 해석하였다[14,15]. 핀 휜(Pin-fin) 히트싱크에서 냉각핀의 높이, 냉각핀의 지름, 냉각핀의 간격이 열전달에 영향을 미친다[16].
수치해석은 자연대류 상태에서의 열 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열 성능을 평가하였다. 또한 시간에 따른 열전달 특성과 온도분표의 해석결과를 기초로 하여 히트싱크의 성능평가를 예측하였다.
본 논문은 금형내부의 냉각채널에 펠티에 소자와 접합되어 있는 히트싱크가 금형코어에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있도록 설계하여 이를 수치해석의 모델링에 적용하였다. 히트싱크설계는 기존 제품에 적용이 되지 않은 내부형상 구조를 같은 두 가지 형태의 핀휜 히트싱크(Pin Fin Heat Sink)를 구조와 형상을 변화시켜 Pro-e로 설계하였다.
현재까지 강제대류를 이용한 판형 히트싱크에 관한 연구는 많이 수행되었다. 본 연구에서는 내부 터널 구조의 2가지 형상의 히트싱크의 열 성능 평가를 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수치해석 하였다. 수치해석은 자연대류 상태에서의 열 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열 성능을 평가하였다.
본 논문은 내부터널 구조 형상을 갖는 핀 휜과 평판 휜으로 구성되는 히트싱크의 자연대류조건에서 열성능을 수치해석의 과도 열 해석을 통하여 확인하였다. 수치 해석은 자연대류 상태에서의 냉각 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열성능을 평가하였다. 수치해석의 결과 형상 A 히트싱크가 형상 B의 히트싱크의 열 전달율이 자연대류조건하에서 약70%이상 향상됨을 알 수 있었는데 이것은 발생되는 열을 효율적으로 방열이 일어나는 공기와의 접촉 면적이 넓어 공기유동이나 열 전달율이 향상되었기 때문이다.
본 연구에서는 내부 터널 구조의 2가지 형상의 히트싱크의 열 성능 평가를 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수치해석 하였다. 수치해석은 자연대류 상태에서의 열 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열 성능을 평가하였다. 또한 시간에 따른 열전달 특성과 온도분표의 해석결과를 기초로 하여 히트싱크의 성능평가를 예측하였다.
열 유속(Heat flux)은 단위시간당 단위면적을 통하여 이동한 열에너지의 양을 말하며, 정확한 표현은 열 유속 밀도(Heat flux density)이다. 열 유속에 대한 수치해석은 자연대류상태의 경계조건하에서 해석하였다. 해석결과 설계된 히트싱크의 형태별 열 유속은 Fig.
9W/m² 열 유속이 나타났다. 이와 같은 수치해석의 결과 열 전달율(Heat transfer rate)을 분석하였다. 설계된 히트싱크 형상 A의 열 전달율은 최대14.
히트싱크의 여러 형상을 디자인하고 해석과 실험을 하였다[11-13]. 해석과 실험을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 최적화된 냉각 핀 형상을 찾았다. 냉각 핀 형상이 있는 히트싱크를 강제 대류에서 열에 대한 영향을 해석하였다[14,15].
그리고 히트싱크의 표면에는 22℃의 자연대류 경계조건을 설정하여 수행하였다. 휜 히트싱크의 열 특성에 대한 수치해석은 일정시간이 지난 후에 열적평형상태를 히트싱크의 온도분포를 통하여 알아보았으며, 히트싱크의 각각의 형상별 과도열(Transient thermal) 해석을 수행하였다. 히트싱크의 형상별 요소(Element)생성은 Fig.
본 논문은 금형내부의 냉각채널에 펠티에 소자와 접합되어 있는 히트싱크가 금형코어에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있도록 설계하여 이를 수치해석의 모델링에 적용하였다. 히트싱크설계는 기존 제품에 적용이 되지 않은 내부형상 구조를 같은 두 가지 형태의 핀휜 히트싱크(Pin Fin Heat Sink)를 구조와 형상을 변화시켜 Pro-e로 설계하였다. 설계된 히트싱크를 3차원 모델링하여 발열성능을 알아보기 위한 수치해석을 ANSYS에 의해 수행하였다.
히트싱크는 주로 일반적인 평판에 냉각 핀이 부착된 히트싱크가 사용된다[9,10]. 히트싱크의 여러 형상을 디자인하고 해석과 실험을 하였다[11-13]. 해석과 실험을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 최적화된 냉각 핀 형상을 찾았다.

대상 데이터

2(a),(b)와 같이 두 가지 형상의 히트싱크를 모델링하였다. 3D 형상 모델링한 히트싱크의 재료는 알루미늄 (AL6061)을 사용하였으며, 알루미늄의 열적특성은 Table 1과 같다.

데이터처리

히트싱크설계는 기존 제품에 적용이 되지 않은 내부형상 구조를 같은 두 가지 형태의 핀휜 히트싱크(Pin Fin Heat Sink)를 구조와 형상을 변화시켜 Pro-e로 설계하였다. 설계된 히트싱크를 3차원 모델링하여 발열성능을 알아보기 위한 수치해석을 ANSYS에 의해 수행하였다.

성능/효과

또한 시간변화에 따른 온도분포 역시 형상 A의 히트싱트가 휜의 중심방향으로 낮은 온도분포를 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문을 통하여 히트싱크의 구조 및 휜 형상에 따른 냉각성능의 상관관계를 도출할 수 있었고, 설계된 형상별 히트싱크의 온도분포, 열 유속에 대한 수치해석을 통하여 형상 A 히트싱크가 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 히트싱크의 높이와 휜 길이가 증가할수록 냉각성능이 향상됨을 보였다.
이와 같은 수치해석의 결과 열 전달율(Heat transfer rate)을 분석하였다. 설계된 히트싱크 형상 A의 열 전달율은 최대14.9㎾로 가장 높았으며, 상대적으로 열전달면적이 작았던 형상 B의 히트싱크의 열 전달율은 8.7㎾ 낮은 결과를 나타내었다. 이는 형상 B의 히트싱크보다 형상 A의 히트싱크가 표면에서의 공기의 유동속도가 빠르고 온도분포가 휜 끝으로 갈수록 낮은 온도를 나타내어 열유속이 증가하였고, 표면적이 상대적으로 넓어 열전달율이 높은 것으로 사료된다.
Table 3은 알루미늄 제품의 최소두께를 적용한 히트싱크의 모델링 형상치수를 분석하여 표면적을 계산한 결과 Type B의 히트싱크의 표면적이 Type A보다 약 25%작은 표면적을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과를 통하여 자연대류 상태에서 발생하는 열을 대기 중으로 효율적으로 방열하는 히트싱크의 형상은 Type A와 같이 표면적인 넓은 나무형상의 히트싱크의 냉각효율이 우수할 것으로 판단된다.
자연대류 경계조건하에서 수치해석의 결과 30초 후에 형상 A의 히트싱크의 냉각온도는 최소 -11.44℃ 이고, 형상 B의 최소 냉각온도 –12.05℃ 이므로 A형상의 히트싱크가 B형상의 히트싱크보다 냉각성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 논문을 통하여 히트싱크의 구조 및 휜 형상에 따른 냉각성능의 상관관계를 도출할 수 있었고, 설계된 형상별 히트싱크의 온도분포, 열 유속에 대한 수치해석을 통하여 형상 A 히트싱크가 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 히트싱크의 높이와 휜 길이가 증가할수록 냉각성능이 향상됨을 보였다. 따라서 휜 높이 및 길이의 증가로 인한 전열면적의 증가는 히트싱크의 냉각성능 향상에 도움이 되지만, 특수금형과 같은 전체적인 시스템의 크기를 고려하여 적절한 휜 높이와 길이 즉 내부형상구조를 고려하여 선택하여야 한다.

후속연구

따라서 휜 높이 및 길이의 증가로 인한 전열면적의 증가는 히트싱크의 냉각성능 향상에 도움이 되지만, 특수금형과 같은 전체적인 시스템의 크기를 고려하여 적절한 휜 높이와 길이 즉 내부형상구조를 고려하여 선택하여야 한다. 본 연구의 결과를 활용하여 일반적인 히트싱크형 자연대류 방열장치를 설계할 경우 히트싱크의 내부 형상 및 구조를 고려하여 적절한 설계가 가능할 것으로 예측된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	'펠티에 효과'란 무엇인가?	열전 냉각기는 펠티에 효과(Peltier effect)를 통해서 전기를 열에너지로 바꾸고[4-6], 열전 발전기는 제벡효과(Seebeck effect)를 통해서 열에너지를 전기로 바꾼다[7]. 펠티에 효과는 두 개의 서로 다른 도체의 양끝을 접합한 다음, 회로에 직류 전압을 보내면 한쪽 면에서는 냉각, 다른 한쪽 면에서는 가열이 일어나는 히트 펌핑(heat pumping)현상을 말한다[8].
	Thermoelectric devices는 어떤 형태가 존재하는가?	P-type와 N-type 반도체 (semiconductors)로 구성된 Thermoelectric devices(TE) 는 두 개의 형태로 나눌 수 있다. 하나는 열전냉각기(Thermoelectric coolers)와 열전발전기 (Thermoelectric generators)이다. 열전 냉각기는 펠티에 효과(Peltier effect)를 통해서 전기를 열에너지로 바꾸고[4-6], 열전 발전기는 제벡효과(Seebeck effect)를 통해서 열에너지를 전기로 바꾼다[7].
	Thermoelectric devices는 어떤 목적으로 사용되는가?	전자 장비에서 발생하는 열은 전자 장비의 성능을 저하시키거나 고장의 원인이 되고 있다. 그래서 이러한 전자 장비에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 방법으로 Thermoelectric devices(TE)를 사용해 오고 있다[1-3]. P-type와 N-type 반도체 (semiconductors)로 구성된 Thermoelectric devices(TE) 는 두 개의 형태로 나눌 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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