본 연구는 실험적인 방법과 열유동 해석 방법을 사용하여 대용량 압출형 히트싱크의 방열성능에 미치는 열원 대칭배열의 영향을 고찰하고, 이를 바탕으로 제조원가가 낮은 고효율의 히트싱크를 제안하고자 한다. 실험결과를 통해서 유사한 유효 유동단면적을 가지는 경우에 히트싱크의 전열면적이 방열성능에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었으며, 히트싱크의 양면 모두를 이용하는 방열이 훨씬 효과적인 방열이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 대칭으로 열원을 배치한 경우가 비대칭 배치보다 효율적으로 방열됨을 알 수 있었다. 해석연구의 결과를 통해서는 실험결과와 정성적으로는 유사한 경향을 확인할 수 있었으며, 실험연구에서 확인하지 못한 질량유량별 및 투입열량별 추이, 단면과 양면 사용의 정량적 비교 등이 가능하였다.
본 연구는 실험적인 방법과 열유동 해석 방법을 사용하여 대용량 압출형 히트싱크의 방열성능에 미치는 열원 대칭배열의 영향을 고찰하고, 이를 바탕으로 제조원가가 낮은 고효율의 히트싱크를 제안하고자 한다. 실험결과를 통해서 유사한 유효 유동단면적을 가지는 경우에 히트싱크의 전열면적이 방열성능에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었으며, 히트싱크의 양면 모두를 이용하는 방열이 훨씬 효과적인 방열이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 대칭으로 열원을 배치한 경우가 비대칭 배치보다 효율적으로 방열됨을 알 수 있었다. 해석연구의 결과를 통해서는 실험결과와 정성적으로는 유사한 경향을 확인할 수 있었으며, 실험연구에서 확인하지 못한 질량유량별 및 투입열량별 추이, 단면과 양면 사용의 정량적 비교 등이 가능하였다.
In this study we investigated the effects of symmetrically arranged heat sources on the heat release performances of extruded-type heat sinks through experiments and thermal fluid simulations. Also, based on the results we suggested a high-efficiency and cost-effective heat sink for a solar inverter...
In this study we investigated the effects of symmetrically arranged heat sources on the heat release performances of extruded-type heat sinks through experiments and thermal fluid simulations. Also, based on the results we suggested a high-efficiency and cost-effective heat sink for a solar inverter cooling system. In this parametric study, the temperatures between heaters on the base plate and the heat release rates were investigated with respect to the arrangements of heat sources and amounts of heat input. Based on the results we believe that the use of both sides of the heat sink is the preferred method for releasing the heat from the heat source to the ambient environment rather than the use of a single side of the heat sink. Also from the results, it is believed that the symmetric arrangement of the heat sources is recommended to achieve a higher rate of heat transfer. From the results of the thermal fluid simulation, it was possible to confirm the qualitative agreement with the experimental results. Finally, quantitative comparison with respect to mass flow rates, heat inputs, and arrangements of the heat source was also performed.
In this study we investigated the effects of symmetrically arranged heat sources on the heat release performances of extruded-type heat sinks through experiments and thermal fluid simulations. Also, based on the results we suggested a high-efficiency and cost-effective heat sink for a solar inverter cooling system. In this parametric study, the temperatures between heaters on the base plate and the heat release rates were investigated with respect to the arrangements of heat sources and amounts of heat input. Based on the results we believe that the use of both sides of the heat sink is the preferred method for releasing the heat from the heat source to the ambient environment rather than the use of a single side of the heat sink. Also from the results, it is believed that the symmetric arrangement of the heat sources is recommended to achieve a higher rate of heat transfer. From the results of the thermal fluid simulation, it was possible to confirm the qualitative agreement with the experimental results. Finally, quantitative comparison with respect to mass flow rates, heat inputs, and arrangements of the heat source was also performed.
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문제 정의
기존의 방열시스템은 인버터 내부의 복잡한 배선과 구조 등으로 인하여 인버터의 한쪽 면만을 사용하고 있다. 본 연구에서는 Fig. 1의 그림과 같은 기존 히트싱크의 사용방식에 대비하여 히트싱크 상하면에 모두 열원을 배치하여 방열하는 히트싱크의 배열방식을 제안하고 검증하고자 한다. 양면 배열이 대칭인 경우와 비대칭인 경우도 비교하여 효과적인 방열을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 압출형 제작 방식과 열원의 양면 배치를 이용하여 제조원가가 저렴하면서 방열 성능은 우수한 고효율 히트싱크의 설계 가능성을 확인하고자 한다. 인버터 내의 배선 구조의 어려움으로 인해 히트싱크의 단면만을 활용하고 또한 크기 문제로 인해 압출형을 택하지 못하고 압입형 히트싱크를 사용하는 기존의 방식 대신 압출형 히트싱크를 사용하고 대칭 혹은 비대칭으로 히트싱크의 양면에 배열된 열원을 조합하여 고효율 방열을 달성하고자 하였다.
1의 그림과 같은 기존 히트싱크의 사용방식에 대비하여 히트싱크 상하면에 모두 열원을 배치하여 방열하는 히트싱크의 배열방식을 제안하고 검증하고자 한다. 양면 배열이 대칭인 경우와 비대칭인 경우도 비교하여 효과적인 방열을 확인하고자 하였다.
가설 설정
측정된 공기의 유속을 덕트 단면에 대한 평균유속으로 사용하기 위해 환산비를 이용하여 계산하였다. 덕트는 충분히 매끄러운 관이고 유속 측정부에서의 공기 유동은 충분히 발달했으며 측정된 유속은 최대 유속으로 가정하였다. 측정된 최대 유속과 평균유속의 환산비는 유동의 레이놀즈 수(Re 수)에 따라 달라지며, 이 환산비를 이용하여 최대 유속을 덕트 단면에 대한 평균유속으로 환산해줄 수 있다.
제안 방법
(13) 하지만 본 실험의 경우, 입구 덕트 길이를 길게 하면 하류에 위치한 유도 팬(induced fan)의 압력손실이 증가되어 질량유량의 현저한 감소를 예상할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실험실이라는 한정된 공간과 압력손실을 고려한 덕트 길이 및 직경을 생각하여 장치를 구성하였다.
사용된 각각의 히트싱크에 대한 방열율과 히트싱크 베이스 상의 기준위치의 온도 등을 측정하고 평가하였다. 또한 실험결과를 보완하기 위하여 상용 열유동 해석 프로그램을 통하여 히트싱크 양면 사용과 열원의 대칭배열의 장점을 확인하였다.
또한, 열선 유속계를 입구 덕트에서 약 800 mm 떨어진 위치에 설치하여 히트싱크를 통과하는 공기의 질량유량을 측정하였다. 측정된 공기의 유속을 덕트 단면에 대한 평균유속으로 사용하기 위해 환산비를 이용하여 계산하였다.
방열성능을 평가하는 지표로는 열원을 통해 투입 되는 열량 대비 히트싱크를 통한 방열량을 측정하여 평가하였다. 방열량은 히트싱크의 공기유량 및 전후단의 온도 차이를 통해서 다음 식 (1)과 같이 구할 수 있다.
인버터 내의 배선 구조의 어려움으로 인해 히트싱크의 단면만을 활용하고 또한 크기 문제로 인해 압출형을 택하지 못하고 압입형 히트싱크를 사용하는 기존의 방식 대신 압출형 히트싱크를 사용하고 대칭 혹은 비대칭으로 히트싱크의 양면에 배열된 열원을 조합하여 고효율 방열을 달성하고자 하였다. 사용된 각각의 히트싱크에 대한 방열율과 히트싱크 베이스 상의 기준위치의 온도 등을 측정하고 평가하였다. 또한 실험결과를 보완하기 위하여 상용 열유동 해석 프로그램을 통하여 히트싱크 양면 사용과 열원의 대칭배열의 장점을 확인하였다.
실험에서 확인한 대칭 열원 배열의 방열증대 효과를 해석으로 확인하기 위하여 Fig. 3의 아래와 같이 5개(비대칭)와 6개(대칭)의 열원 배치를 적용하여 해석을 시도하였으며 결과를 Fig. 8에 나타냈다. 총 투입열량은 3,250 W였다.
앞서 언급한 것과 같이 서로 다른 세 히트싱크에 대한 방열성능 실험 결과만으로 히트싱크 양면 사용의 영향을 정량적으로 논하기에 부족하다고 판단하여, 상용 열유동 해석 프로그램(Fluent)를 사용하여 정량적인 비교를 시도하였다. Fig.
열원인 IGBT 발열을 모사하기 위해 60×140×20mm3(가로×세로×높이)의 알루미늄 블록에 발열체를 삽입하여 열원으로 사용하며, 블록의 위치는 히트싱크에 위치하는 IGBT의 위치와 동일하게 설치하였으며, 열전도성 그리스를 도포하여 히트싱크와의 접촉을 용이하게 하였다.
(가로×세로×높이)의 알루미늄 블록에 발열체를 삽입하여 열원으로 사용하며, 블록의 위치는 히트싱크에 위치하는 IGBT의 위치와 동일하게 설치하였으며, 열전도성 그리스를 도포하여 히트싱크와의 접촉을 용이하게 하였다. 온도 측정을 위한 열전대는 T형 열전대(TG-T-36-500, Omega Co.)를 제작하고 보정하여 사용하였으며, 히트싱크 전후의 공기온도와 히트싱크 베이스 상부 기준온도(열원 사이의 중간 부분)를 측정하였다.
본 연구에서는 압출형 제작 방식과 열원의 양면 배치를 이용하여 제조원가가 저렴하면서 방열 성능은 우수한 고효율 히트싱크의 설계 가능성을 확인하고자 한다. 인버터 내의 배선 구조의 어려움으로 인해 히트싱크의 단면만을 활용하고 또한 크기 문제로 인해 압출형을 택하지 못하고 압입형 히트싱크를 사용하는 기존의 방식 대신 압출형 히트싱크를 사용하고 대칭 혹은 비대칭으로 히트싱크의 양면에 배열된 열원을 조합하여 고효율 방열을 달성하고자 하였다. 사용된 각각의 히트싱크에 대한 방열율과 히트싱크 베이스 상의 기준위치의 온도 등을 측정하고 평가하였다.
2007년 Yang 등(8)은 다양한 핀의 형상에 따른 히트싱크의 방열을 조사하였다. 판(plate), 슬릿(slit) 및 루버(louver) 형상의 핀을 가지는 히트싱크가 대상이었으며, 저속 유동영역에서 핀 간격의 영향을 실험적으로 조사하였다. 한편, 팁 클리어런스(tip clearance)와 바이패스 유동이 판형 핀을 갖는 히트싱크의 방열에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하기도 하였다.
히트싱크를 통과하는 공기유량은 0.11, 0.22,의 세 경우에 대하여 해석하였으며, 히트싱크 단면/양면 사용을 비교하는 계산에서는 1,950 W (650 W×3개 혹은 325 W×6개)와 3,900W (1,300 W×3개 혹은 650 W×6개)를 투입열량으로 사용하였으며, 양면 사용 히트싱크에서 열원 대칭 배치의 영향을 확인하기 위한 계산에서는 3,250 W (비대칭 열원 배치는 650 W×5개, 대칭 열원 배치는 542 W×6개)를 적용하였다.
히트싱크의 단면 사용과 양면 사용을 비교하는 실험에서는 1,710 W (570 W×3개 혹은 285 W×6 개)와 3,420 W (1,140 W×3개 혹은 570 W×6개)를 투입열량으로 사용하였으며, 양면 사용 히트싱크에서 열원 배치의 영향을 확인하기 위한 실험에서는 비대칭 배치는 2,850 W (570 W×5개), 대칭 배치는 3,000 W (500 W×6개)를 사용하였다.
대상 데이터
인버터 생산업체에서 현재 일반적으로 주력 생산하는 중대형 태양광 인버터는 350 kW 규모이며, 여기에는 히트싱크 1개와 팬 2개 및 IGBT 3 개 등으로 구성된 PEBB(power electronic building block)이 2개 혹은 3개가 병렬로 설치되어 있으며 (stack), 각각의 PEBB은 사용되는 IGBT의 변환용량에 따라 약 120 - 180 kW의 전력변환을 담당 한다. 본 연구에서는 인버터 생산업체인 K사에서 사용하고 있는 D사의 압입형 히트싱크의 실물 규격을 사용하고자 하는데, 유동이 통과하는 전면부 폭 400 mm, 길이 325 mm, 높이(핀 높이 및 상하 베이스 두께 포함) 100 mm의 규격이다.
8에 나타냈다. 총 투입열량은 3,250 W였다. 대칭으로 열원을 배치한 경우에 비대칭 배치보다 열원 사이의 기준 위치에서의 온도는 3.
데이터처리
또한, 열선 유속계를 입구 덕트에서 약 800 mm 떨어진 위치에 설치하여 히트싱크를 통과하는 공기의 질량유량을 측정하였다. 측정된 공기의 유속을 덕트 단면에 대한 평균유속으로 사용하기 위해 환산비를 이용하여 계산하였다. 덕트는 충분히 매끄러운 관이고 유속 측정부에서의 공기 유동은 충분히 발달했으며 측정된 유속은 최대 유속으로 가정하였다.
이론/모형
외기 온도는 20oC로 설정하였으며, 표준 ｋ-ε난류모델을 사용하였다.
성능/효과
Fig. 6의 1,950 W 투입열량일 때보다 더 심화된 경향을 보이는데, 단면 사용보다 양면을 모두 이용하여 방열하는 경우에 기준온도는 13.5∼ 15.5oC, 열원부의 최고온도는 26.0∼28.0oC 더 낮게 계산되어 방열이 개선되었음을 알 수 있었다.
당초 설계와는 약간씩 발열량이 달리 제작된 카트리지 히터의 용량으로 인해 히터 5개와 6개의 열량 합은 각각 2,850 W와 3,000 W로 측정되었다. 결과에서, 적은 투입열량임에도 불구하고 비대칭인 경우가 베이스 기준온도가 3.1oC 가량 높았으며 방열률은 7% 이상 낮게 측정되었다. 대칭으로 열원을 배치한 경우가 효율적으로 방열됨을 알 수 있었다.
대칭으로 열원을 배치한 경우에 비대칭 배치보다 열원 사이의 기준 위치에서의 온도는 3.0∼5.0oC, 열원부(최고) 온도는 6.0∼7.0oC 가량 낮게 계산되어 보다 효과적이 방열이 가능함을 알 수 있었다.
동일한 히트싱크에 대하여 공기유량이 증가하면서 방열량이 증가하여 온도는 낮아지며, 단면 사용보다 양면을 모두 이용하여 방열하는 경우에 기준온도는 6.5∼ 8.0oC, 열원부의 최고온도는 13.5∼14.0oC 더 낮게 계산되었다.
또한, 양면을 모두 사용한 E-26(×4) 히트싱크가 단면만을 사용한 E-76 히트싱크에 비해 베이스 온도는 2.8oC 낮고, 방열률은 6.5% 이상 높음을 확인할 수 있다.
마지막으로 E-26(×4) 히트싱크는 두 투입열량에 대하여 각각 0.394 kg/s와 0.386 kg/s으로 측정되었다.
먼저, 투입열량이 1,710 W인 경우를 보면, Table 1을 참조하여 예상할 수 있는 것처럼 단면 사용의 경우에 전열면적이 훨씬 큰 E-76 히트싱크가 E-47 히트싱크에 비해 베이스 온도는 4.7℃ 가량 낮고, 방열률은 5% 이상 높음을 볼 수 있다. 전열면적이 유사한 E-76과 E-26(×4)에 대하여 각각 단면과 양면에 열원을 배치한 경우를 살펴보면, 양면을 모두 사용한 E-26(×4) 히트싱크가 단면만을 사용한 E-76 히트싱크에 비해 베이스 온도는 1.
실험결과를 통해서 유사한 유효 유동단면적을 가지는 경우에 히트싱크의 전열면적이 방열성능에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었으며, 히트싱크의 양면 모두를 이용하는 방열이 훨씬 효과적인 방열이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 대칭으로 열원을 배치한 경우가 보다 효율적으로 방열됨을 알 수 있었다.
5% 이상 높음을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해서 유사한 유동단면적을 가지는 경우 히트싱크의 전열면적이 방열성능에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었으며, 양면 모두를 이용하는 방열이 효과적인 방열이 가능함을 알 수 있었다.
이상의 해석결과는 히트싱크의 형상, 투입열량이나 유량조건 등에서 실험과 차이가 있어서 실험결과와는 정량적으로 다소 차이를 보이지만, 정성적으로는 유사한 경향을 확인할 수 있었으며 실험연구에 확인하지 못한 질량유량별 및 투입열량별 추이, 단면과 양면 사용의 정량적 비교 등이 가능하도록 도움을 받을 수 있었다.
전열면적이 유사한 E-76과 E-26(×4)에 대하여 각각 단면과 양면에 열원을 배치한 경우를 살펴보면, 양면을 모두 사용한 E-26(×4) 히트싱크가 단면만을 사용한 E-76 히트싱크에 비해 베이스 온도는 1.9oC 낮고, 방열률은 6% 가량 높음을 확인할 수 있다.
해석연구를 통해서는 실험연구와 정성적으로는 유사한 경향을 확인할 수 있었으며, 실험연구에 확인하지 못한 질량유량별 및 투입열량별 추이, 단면과 양면 사용의 정량적 비교가 가능하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양광 인버터는 무엇인가?
태양광 인버터는 태양전지 등에서 발생된 직류 전기를 부하나 전력계통에 공급하기 전에 교류 전기로 전환하는 변환장치이다.(1) 인버터는 직류- 교류 변환을 담당하는 절연 게이트 양극성 트랜 지스터(insulated-gate bipolar transistors, IGBTs), 다수의 전기전자 부품 및 제어장치, 그리고 방열 시스템으로 구성되어 있다.
압출 방식 히트싱크 크기의 제약이 수반되는 이유는 무엇인가?
뿐만 아니라 제작단가 측면에서도 강점을 가질 수 있기 때문에 압출형 히트싱크는 전자부품의 방열을 비롯한 다양한 형태의 중소형 방열시스템에서 사용되고 있다. 하지만 본 연구의 대상인 태양광 인버터와 같은 대형 히트싱크를 압출형으로 제작하는 경우에는 다수의 핀에 의한 큰 전열 면적으로 인해서 매우 큰 압출 압력과 설비의 대형화가 요구된다. 따라서 압출 방식 히트싱크는 많은 장점에도 불구하고 압출할 수 있는 히트싱크 크기의 제약이 수반될 수 있다.
인버터는 어떻게 구성되는가?
태양광 인버터는 태양전지 등에서 발생된 직류 전기를 부하나 전력계통에 공급하기 전에 교류 전기로 전환하는 변환장치이다.(1) 인버터는 직류- 교류 변환을 담당하는 절연 게이트 양극성 트랜 지스터(insulated-gate bipolar transistors, IGBTs), 다수의 전기전자 부품 및 제어장치, 그리고 방열 시스템으로 구성되어 있다. IGBT는 높은 변환 속도를 가지는 전력 반도체이며 인버터에 필수적인 요소이다.
참고문헌 (14)
Chou, W., 2008, "Choose Your IGBTs Correctly for Solar Inverter Applications," Power Electronic Technology, August, pp. 20-23.
Oh, K. S., 2001, IGBT Basics 1 Fairchild Semiconductor (Application Note 9016), p. 15.
Han, M., Lee, S.-D., Hong, C., Yang C.-S. and Kim, K.-S., 2007, "Development of Water-Cooled Heat Sink for High-Power IGBT Inverter," The 7th Int. Conf. on Power Elec., pp. 295-299.
Sorensen, N. R., Thomas, E. V., Quintana. M. A., Barkaszi, S., Rosenthal, A., Zhang, Z. and Kurtz, S., 2012, "Thermal Study of Inverter Components," IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (June 3-8, Austin, Texas), NREL/CP-5200-55509.
Shaukatullah, H., Storr, W. R., Hansen, B. J. and Gaynes, M. A., 1996, "Design and Optimization of Pin Fin Heat Sinks for Low Velocity Applications," IEEE Trans. on Comp., Pack. Manufac. Tech.-Part A, Vol. 19, No. 4, pp. 486-494.
Riu, K.-J., Park, C.-W., Kim, H.-W. and Jang, C.-S., 2005, "Cooling Characteristics of a Strip Fin Heat Sink," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 29, No. 1, pp. 16-26.
Lee, J.-H., Kim, J.-M., Chun, J.-H., Bae, C.-H. and Suh, M.-W., 2007, "Development of Thermal Design Program for an Electronic Telecommunication System Using Heat Sink," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 31, No. 3, pp. 256-263.
Yang, K.-S., Chiang, C.-M., Lin, Y.-T., Chien, K.-H. and Wang, C.-C., 2007, "On the Heat Transfer Characteristics of Heat Sinks: Influence of Fin Spacing at Low Reynolds Number Region," Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp. 2667-2674.
Kim, J. W., Kim, S. H. and Kim, J., 2010, "Thermal Optimization of a Straight Fin Heat Sink with Bypass Flow," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 34, No. 2, pp. 179-184.
Schulz, M., 2013, "Improved Thermal Transfer for Power Modules," Article Power Electronics Europe 03/2013.
Application Note AND9016/D (ON $Semiconductor ^{(R)}$ ), 2015, "Heat Sink Selection Guide for Thermally Enhanced S08-FL," Feb., 2015-Rev.1, pp. 1-7.
Kim, J. H. and Lee, G. W. 2013, "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.
White, F. M., 2003, "Fluid Mechanics," 5th ed., McGraw-Hill.
Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L. and Lavine, A. S., 2006, "Introduction to Heat Transfer," 5th ed., John Wiley and Sons.
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