[논문]앰프용 히트싱크의 방열특성에 관한 해석적 연구

서재형; 이무연

doi:10.5762/kais.2015.16.2.947

앰프용 히트싱크의 방열특성에 관한 해석적 연구
Numerical Analysis on Cooling Characteristics of the Heat Sink for Amplifier 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.2, 2015년, pp.947 - 951

초록
AI-Helper

본 연구의 목적은 앰프용 방열장치로서 히트싱크의 방열특성을 수치적으로 연구하는 것이다. 히트싱크의 열전달 성능을 분석하기 위하여 상용 수치해석 프로그램인 ANSYS의 정상상태 열모델을 사용하여 해석하였고 히트싱크의 핀 두께, 핀 피치 및 핀 개수에 따른 열전달 성능을 고찰하였다. 결과적으로, 히트싱크의 Junction부 온도는 핀 두께 및 핀 개수가 증가할수록 감소하였다. 또한 히트싱크의 핀 두께를 1 mm에서 3 mm로 증가함에 따라 열저항은 $0.764^{\circ}C/W$에서 $0.739^{\circ}C/W$으로 향상되었고, 히트싱크의 핀 개수를 9개에서 20개로 증가함에 따라 열저항은 $1.254^{\circ}C/W$에서 $0.610^{\circ}C/W$로 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to numerically investigate the cooling characteristics of the heat sink as a cooling device for the amplifier. In order to analyze the heat transfer performances of the heat sink, the steady-state thermal model of the ANSYS software was used and analyzed with the fin thickness, fin pitch and fin number of the heat sink. As a result, the temperature at the junction of heat sink was decreased with the increase of fin thickness and fin number. In addition, the thermal resistances of the heat sinks were enhanced from $0.764^{\circ}C/W$ to $0.739^{\circ}C/W$ and $1.254^{\circ}C/W$ to $0.610^{\circ}C/W$, respectively, with the increase of the fin thickness from 1 mm to 3 mm and fin number from 9 to 20, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 냉각시스템 구동 시 에너지 소비가 거의 없고, 작은 공간에서도 효과적으로 사용할 수 있는 히트싱크를 앰프용으로 사용 가능한지에 대하여 평가하고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 상용 수치해석 프로그램인 ANSYS (v13.
본 연구는 앰프용 히트싱크의 온도분포 및 열저항 등의 열전달 특성을 해석적으로 연구하기 위하여 핀 두께, 핀 피치 및 핀 개수 변화에 따른 히트싱크 모델별 정상상태 열전달 해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 앰프용 히트싱크의 방열성능을 분석하기 위하여 상용 수치해석 프로그램인 ANSYS (v13.0)의 정상상태 열전달 해석 모델을 이용하여 히트싱크의 온도 분포를 수치적으로 해석하였다. 본 연구의 대상인 히트싱크의 형상은 Fig.
따라서 본 연구에서는 냉각시스템 구동 시 에너지 소비가 거의 없고, 작은 공간에서도 효과적으로 사용할 수 있는 히트싱크를 앰프용으로 사용 가능한지에 대하여 평가하고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 상용 수치해석 프로그램인 ANSYS (v13.0)을 이용하여 정상상태 열전달 해석을 수행하였고, 앰프용 히트싱크의 핀 개수, 핀피치 및 핀 두께에 따른 열전달성능을 고찰하였다.
히트싱크의 재질은 알루미늄이고, 본 연구에 사용된 수치해석 조건은 Table 1에 나타내었으며, 히트싱크 핀 개수, 핀 피치 및 핀 두께 변화에 따른 해석 모델의 사양은 Table 2에 나타내었다. 핀 피치, 핀 두께 및핀 개수의 영향을 고찰하기 위하여 M1, M2, M3 해석 모델은 핀 피치 및 핀 개수는 같고 핀 두께를 각각 1 mm, 2 mm, 3 mm로 변화시켰고, M2, M4, M5, M6 해석 모델은 핀 두께는 같고 핀 개수를 각각 16, 20, 12, 9로 변화시켰다.
432×10^-3 W/mm²적용하였고 주변온도는 21 ℃로 고정하였다. 히트싱크 모델별 방열성능을 분석하기 위하여 히트싱크 베이스 (Base and Junction)부 온도를 서로 비교하였고 식 (1)을 이용하여 열저항을 계산하여 열전달 특성을 고찰하였다. 여기서 P_amp는 앰프의 전력이며, T_amb는 주변온도이고 T_jun는 핀과 히트싱크 베이스의 접합부 온도이다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 히트싱크의 형상은 Fig. 1과 같으며 히트싱크의 가로(L, mm), 세로(W, mm) 및 높이(H, mm)는 각각 236(L) × 78(W) × 38(H)이다.
1과 같으며 히트싱크의 가로(L, mm), 세로(W, mm) 및 높이(H, mm)는 각각 236(L) × 78(W) × 38(H)이다. 히트싱크의 재질은 알루미늄이고, 본 연구에 사용된 수치해석 조건은 Table 1에 나타내었으며, 히트싱크 핀 개수, 핀 피치 및 핀 두께 변화에 따른 해석 모델의 사양은 Table 2에 나타내었다. 핀 피치, 핀 두께 및핀 개수의 영향을 고찰하기 위하여 M1, M2, M3 해석 모델은 핀 피치 및 핀 개수는 같고 핀 두께를 각각 1 mm, 2 mm, 3 mm로 변화시켰고, M2, M4, M5, M6 해석 모델은 핀 두께는 같고 핀 개수를 각각 16, 20, 12, 9로 변화시켰다.

성능/효과

1. 히트싱크는 핀 두께 및 핀 개수를 증가할수록 방열 성능이 향상되었으며, 히트싱크의 핀 두께를 1 mm, 2 mm, 3 mm 증가함에 따라 히트싱크 Junction부 온도는 97.4 ℃, 95.9 ℃, 94.9 ℃로 감소하였고, 핀 개수를 9, 12, 16, 20로 증가함에 따라 히트싱크 Junction부 온도는 146.4 ℃, 118.3 ℃, 95.9 ℃, 82.0℃로 감소하였다.
3. 히트싱크의 핀 두께를 1 mm에서 3mm로 증가함에 따라 열저항은 0.764 ℃/W에서 0.739 ℃/W로 3% 향상되었고, 핀 개수를 9개에서 20개로 증가함에 따라 열저항은 1.254 ℃/W에서 0.610 ℃/W로 51% 향상되었다.
4. 히트싱크의 열전달 성능을 향상시키기 위해서는 핀두께 증가보다는 핀 개수 증가가 효과적이다.
2는 핀 두께, 핀 피치 및 핀 개수 변화에 따른 히트싱크 모델별 정상상태 열전달 해석을 통한 열전달 특성을 해석적으로 나타내었다. M1, M2, M3 모델의 해석 결과를 통하여 핀 두께 1 mm, 2 mm, 3 mm 변화에 따른 히트싱크 Junction 부 온도 변화를 비교하였고, 핀 두께 증가에 따라 Junction부 온도는 97.4 ℃, 95.9 ℃, 94.9 ℃로 감소함으로서 방열성능이 향상된 것을 알 수 있었다. 또한, M2, M4, M5, M6 모델의 해석결과를 통하여 핀 개수 9, 12, 16, 20 변화에 따른 히트싱크 Junction 부 온도 변화를 비교하였고, 핀 개수 증가에 따라 Junction부 온도는 146.
0 ℃로 감소함으로서 방열성능이 향상된 것을 알 수 있었다. 결과적으로 히트싱크는 핀 두께 및 핀 개수가 증가할수록 방열성능이 향상됨을 알 수 있었다. Fig.
9 ℃로 감소함으로서 방열성능이 향상된 것을 알 수 있었다. 또한, M2, M4, M5, M6 모델의 해석결과를 통하여 핀 개수 9, 12, 16, 20 변화에 따른 히트싱크 Junction 부 온도 변화를 비교하였고, 핀 개수 증가에 따라 Junction부 온도는 146.4 ℃, 118.3 ℃, 95.9 ℃, 82.0 ℃로 감소함으로서 방열성능이 향상된 것을 알 수 있었다. 결과적으로 히트싱크는 핀 두께 및 핀 개수가 증가할수록 방열성능이 향상됨을 알 수 있었다.
또한, 핀 두께 3 mm인 히트싱크 M3 해석 모델과 핀개수 20인 히트싱크 M4 해석 모델의 재료 질량을 비교해 보면, 각각 1.258 kg 및 1.080 kg로 M4 모델이 M3 모델 보다 16.5% 질량이 감소하지만 Junction부 온도는 94.9 ℃에서 82.0 ℃로 감소함으로서 M4의 방열성능이 M3보다 증가함을 알 수 있다. 즉, 히트싱크의 열전달 성능을 향상시키기 위해서는 핀 두께 증가보다는 핀 개수 증가가 효과적임을 알 수 있다.
히트싱크의 핀 두께를 1 mm, 2 mm, 3 mm로 증가할 경우 Junction 부 온도 및 열저항은 감소하였고, 핀개수를 9, 12, 16, 20으로 증가시킬 경우 열저항은 감소하였다. 즉 히트싱크의 핀 두께를 1 mm에서 3mm로 증가함에 따라 열저항은 0.764 ℃/W에서 0.739 ℃/W로 3% 향상되었고, 핀 개수를 9개에서 20개로 증가함에 따라 열저항은 1.254 ℃/W에서 0.610 ℃/W로 51% 향상되었다. 결과적으로 수치해석 결과로부터 핀 두께 및 핀 개수를 증가시킬 경우 히트싱크의 방열성능이 향상됨을 알 수 있었고, 이러한 이유는 핀 두께 및 핀 개수 증가에 따른 핀 표면적 증가로 전열 성능 향상에 따른 히트싱크의 방열량이 증가하였기 때문이다[6].
0 ℃로 감소함으로서 M4의 방열성능이 M3보다 증가함을 알 수 있다. 즉, 히트싱크의 열전달 성능을 향상시키기 위해서는 핀 두께 증가보다는 핀 개수 증가가 효과적임을 알 수 있다. 결과적으로 본 연구결과를 히트싱크 설계에 적절히 활용할 수 있으며, 히트싱크를 적용한 앰프의 요구 방열량에 따라 필요한 히트싱크 핀 개수를 설계할 수 있으며 핀 개수와 핀 두께 변화에 따른 열전달 성능 특성 분석을 통하여 히트싱크 필요 재료의 최소 질량을 산출하는데 사용될 수 있다.

후속연구

즉, 히트싱크의 열전달 성능을 향상시키기 위해서는 핀 두께 증가보다는 핀 개수 증가가 효과적임을 알 수 있다. 결과적으로 본 연구결과를 히트싱크 설계에 적절히 활용할 수 있으며, 히트싱크를 적용한 앰프의 요구 방열량에 따라 필요한 히트싱크 핀 개수를 설계할 수 있으며 핀 개수와 핀 두께 변화에 따른 열전달 성능 특성 분석을 통하여 히트싱크 필요 재료의 최소 질량을 산출하는데 사용될 수 있다. 이러한 특성을 반영하여 히트싱크 설계 시 제작 단가 측면에서 히트싱크의 핀 두께 변화보다는 핀 개수 변화를 주는 것이 방열에 효과적임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	히트싱크의 핀 두께 및 핀 개수는 온도분포 관련 방열 성능에 어떠한 영향을 미치는가?	1. 히트싱크는 핀 두께 및 핀 개수를 증가할수록 방열 성능이 향상되었으며, 히트싱크의 핀 두께를 1 mm, 2 mm, 3 mm 증가함에 따라 히트싱크 Junction부 온도는 97.4 ℃, 95.9 ℃, 94.9 ℃로 감소하였고, 핀 개수를 9, 12, 16, 20로 증가함에 따라 히트싱크 Junction부 온도는 146.4 ℃, 118.3 ℃, 95.9 ℃, 82.0℃로 감소하였다.
	본 논문의 히트싱크의 열전달 성능을 분석하기 위해 사용한 상용 수치해석 프로그램은 무엇인가?	본 연구의 목적은 앰프용 방열장치로서 히트싱크의 방열특성을 수치적으로 연구하는 것이다. 히트싱크의 열전달 성능을 분석하기 위하여 상용 수치해석 프로그램인 ANSYS의 정상상태 열모델을 사용하여 해석하였고 히트싱크의 핀 두께, 핀 피치 및 핀 개수에 따른 열전달 성능을 고찰하였다. 결과적으로, 히트싱크의 Junction부 온도는 핀 두께 및 핀 개수가 증가할수록 감소하였다.
	본 논문에서 히트싱크의 핀 두께 및 핀 개수를 핀두께를 1 mm, 2 mm, 3 mm로 증가 및 핀개수를 9, 12, 16, 20으로 증가시켰을 때 열저항 관련 방열 성능에 어떠한 영향을 미치는가?	3. 히트싱크의 핀 두께를 1 mm에서 3mm로 증가함에 따라 열저항은 0.764 ℃/W에서 0.739 ℃/W로 3% 향상되었고, 핀 개수를 9개에서 20개로 증가함에 따라 열저항은 1.254 ℃/W에서 0.610 ℃/W로 51% 향상되었다.

참고문헌 (6)

T. K. Lim, H. S. Lee, J. P. Won, J. W. Cho, M. Y. Lee, "Study on the Performance Characteristics of the Thermosyphon Used for the Vehicle Operated at Low Temperature Conditions", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 2, pp. 510-515, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.2.510

원문보기 상세보기
Y. H. Jung, D. R. Lee, "The Study on Heat Radiation Performance of the Heat Sink for Power Amplifier Use", Proc. of the SAREK Summer Annual Meeting, pp 1145-1150, 2011.
J. H. Kim, G. W. Lee, "Effect of the variation of base thickness on the heat release performance of the heat sink", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 15, No. 8, pp. 4749-4755, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.8.4749

원문보기 상세보기
J. H. Kim, J. H. Yun, C. S. Lee, "An Experimental Study on the Thermal Resistance Characteristics for Various Types of Heat Sinks", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 14, No. 8, pp.676-682, 2002.
S. H. Ryu, J. K. Hong, C. S. Won, H. K. Ahn, D. Y. Han, "Thermal Distribution Modeling of IGBT with heatsink areas", Proc. of KIEEME Summer Annual Meeting, pp. 30-31, 2008.
S. C. Lim, M. H. Lee, K. M. Kang, "Thermal Analysis of Heat Sink Models using CFD simulation", Korean Journal of Materials Research, Vol. 15, no. 12, pp. 829-832, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.3740/MRSK.2005.15.12.829

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증