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자연대류상의 LED 모듈의 경량열관리를 위한 하이브리드 휜 히트싱크의 수치적으로 조사된 열성능
Numerically-Investigated Thermal Performances of Hybrid Fin Heat Sinks for Lightweight Thermal Management of LED Modules Under Natural Convection 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.6, 2015년, pp.586 - 591  

김경준 (Department of Mechanical Design Engineering, Pukyong National University)

초록
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본 연구는 자연대류상의 LED 모듈의 경량열관리를 위한 하이브리드 휜 히트싱크(HF HS)의 열성능을 수치적으로 조사한 결과에 대해 논하였다. 할로우 하이브리드 휜 히트싱크(HHF HS)와 솔리드 하이브리드 휜 히트싱크(SHF HS)가 HF HS로 제안되고, 신뢰성있는 수치결과를 획득하기 위하여 3차원 CFD 해석이 수행되었다. 3차원 CFD 연구는 HHF HS와 SHF HS의 성능에 대한 휜 공간과 내부유로직경의 영향을 조사하였다. 연구결과는 HHF HS의 질량기반 열저항이 핀휜 히트싱크(PF HS) 보다 20~32% 작음을 보여주고, 유로직경의 증가에 따라 HHF HS의 질량기반 열저항이 감소함을 보인다. 이 결과는 주로 질량감소와 내부유로를 통한 열방출의 결합효과에 기인한다. 고전적인 PF HS 대비 상당히 우월한 HHF HS의 질량기반 열성능은 자연대류상의 LED 모듈의 경량열관리 적용 가능성을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study discusses numerically-explored thermal performances of hybrid fin heat sinks (HF HSs) for lightweight thermal management of LED modules under natural convection. A hollow hybrid fin heat sink (HHF HS) and a solid hybrid fin heat sink (SHF HS) are proposed as HF HSs. A 3-D CFD analysis has...

주제어

#할로우 하이브리드 휜 히트싱크   #솔리드 하이브리드 휜 히트싱크   #경량열관리   #전산유체역학  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 제안된 할로우 하이브리드 휜 히트싱크 (HHF HS)와 솔리드 하이브리드 휜 히트싱크 (SHF HS)를 소개한다. 그리고 HHF HS와 SHF HS의 열성능을 수치적으로 조사하고 PF HS와 상대비교하기 위한 전산열모델과 모델링 기법에 대해 논한다. 마지막으로 다양한 휜 공간과 내부유로직경에서 전산열모델을 적용하여 결정된 HHF HS, SHF HS, PF HS의 질량기반 열저항 결과를 보여주고, 그 결과에 대한 매개변수적 영향에 대해 논한다.
  • 본 논문에서는 제안된 할로우 하이브리드 휜 히트싱크 (HHF HS)와 솔리드 하이브리드 휜 히트싱크 (SHF HS)를 소개한다. 그리고 HHF HS와 SHF HS의 열성능을 수치적으로 조사하고 PF HS와 상대비교하기 위한 전산열모델과 모델링 기법에 대해 논한다.
  • 본 연구에서는 자연대류상의 LED 모듈의 경량열관리를 위한 하이브리드 휜 히트싱크로 할로우 하이브리드 휜 히트싱크(HHF HS)와 솔리드 하이브리드 휜 히트싱크(SHF HS)를 제안하였다. HHF는 방사형으로 위치한 판 휜을 지니는 할로우 핀 휜이며, 휜 베이스에는 천공이 존재하고, SHF는 방사형으로 돌출된 판 휜을 지니는 솔리드 핀 휜이다.
  • 본 절에서는 전산모사된 SHF HS, HHF HS, PF HS의 대표적 온도장과 유동장을 가시화하여 해석의 정성적 합리성을 확인하고, 대표적인 온도장과 유동장 특성을 이해함이 주목적이다.

가설 설정

  • 격자생성에는 ANSYS ICEM CFD가 적용되었고, 약 200만 개의 격자가 사용되었으며, 계산에는 ANSYS FLUENT[8]을 이용하여 해석하였으며, 모델의 격자독립성과 공기영역크기에 대한 독립성은 격자와 공기영역의 크기가 히트싱크 열저항 결과에 미치는 영향을 상세히 고찰하여 검증되었다. 공기의 유동조건은 자연대류 상에서 히트싱크의 크기, 표면상태, 휜 공간 등의 기하학적 조건을 고려하여, 정상, 비압축성, 층류유동으로 가정되었다.
  • 모델의 경계조건으로 히트싱크베이스 아랫면에서 균일열유속 부하가 설정되었고, 주변공기온도는 25°C의 실온으로 가정되었으며, 히트싱크의 소재는 전형적인 히트싱크 소재로 광범위하게 사용되는 알루미늄으로 설정되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
HF 이란? HF는 구조적 하이브리드 휜을 의미하며 HF HS는 HF의 배열로 구성된다. Figure 1과 2는 제안된 HHF HS와 SHF HS의 물리적 구조와 기준 수치를 보여주며 여기서 모든 단위는 mm이다.
LDE 모듈은 어디에 적용되고 있는가? LDE 모듈은 에너지 고효율, 장수명, 친환경성의 장점으로 거리조명, 실내조명, 자동차조명등에 광범위하게 적용되고 있다[1]. 발광소자인 LED 광효율의 한계로 상당량의 폐열이 발생하므로 LED 칩 패키지의 장수명과 성능유지를 위해서는 폐열을 효과적으로 방출해야 한다[2].
3차원 CFD 모델링으로 전산해석을 수행하여 히트싱크들의 질량기반 열성능을 해석하고 휜 공간과 내부유로 직경의 매개변수적 영향을 분석한 결과는? 연구결과는 HHF HS의 경우에 20~32%, SHS HS의 경우는 4~9% 정도 PF HS 보다 질량기반 열저항이 작음을 보여주었다. 즉 모든 해석 영역에서 HHF HS가 PF HS보다 질량 기반 열성능이 월등함을 보였다. 이결과는 HHF HS의 질량 절감과 내부유로를 통한 열방출의 결합효과에 기인한 것으로 보인다. 연구결과는 질량기반 열저항이 내부유로직경의 증가에 따라 절감됨을 보여줬는데, 이 결과는 내부유로 직경의 증가에 따르는 휜 축방향 열전도저항의 증가가 질량 기반 열성능에 미치는 부정적 영향보다 히트싱크 질량의 절감이 미치는 긍정적 영향이 더 크기 때문으로 해석된다. PF HS 에 비교하여 우월한 HHF HS의 질량기반 열성능은 자연대류상의 LED 모듈의 경량열관리용으로서의 HHF HS 의 가능성을 가시화한다.
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참고문헌 (9)

  1. J. H. Choi and M. W. Shin, "Thermal investigation of LED lighting module," Microelectronics Reliability, vol. 52, pp. 830-835, 2012. 

    상세보기 crossref

  2. M. Arik, J. Petroski, and S. Weaver, "Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications: Light Emitting Diodes," Proceedings of the 8th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, pp. 113-120, 2002. 

  3. H. Kim, K. J. Kim, and Y. W. Lee, "Thermal performance of smart heat sinks for cooling high power LED modules," Proceeding of the 13th IEEE Intersociety Conferenceon Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems, pp. 62-67, 2012. 

  4. K. J. Kim, "Performance of hybrid fin heat sinks for thermal control of light emitting diode lighting modules," Journal of Electronic Packaging, vol. 136, no.1, 011002, 2014. 

    상세보기

  5. E. A. M. Elshafei, "Natural convection heat transfer from a heat sink with hollow/perforated circular pin fins," Energy, vol. 35, no.7, pp. 2870-2877, 2010. 

    상세보기 crossref

  6. M. S. Jeon, K. J. Kim, "Numerical study on the thermal performance of passively cooled hybrid fins," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 8, pp. 816-821, 2013 (in Korean). 

    원문보기 상세보기 crossref

  7. K. J. Kim, "Orientation effects on the performance of natural convection cooled hybrid fins," Proceedings of the 20th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems, Greenwich, 2014. 

  8. ANSYS Inc., ANSYS Fluent User's Guide, 2014. 

  9. K. A Hoffmann and S. T. Chiang, Computational Fluid Dynamics Volume I, 3rd Ed., Wichita, KS, Engineering Education System, 998. 

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