선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 과도 상태(Transient state)에서 상변화 물질을 적용한 전자 장비 하우징의 방열 성능을 실험적, 수치적으로 확인하였다. 상변화 물질의 해석 모델 검증을 위해 열특성 실험을 진행하여 용융점, 온도 증분 및 부피 팽창 정도를 확인하였으며, 실험과 동일한 형상에 대해 해석 모델 검증을 진행하였다.
- 상변화 물질의 열특성 실험은 용융시 체적 변화와 용융점 및 상변화 구간에서의 온도 증분을 확인하기 위해 진행하였다. 체적 변화 확인은 밀폐된 전자 장비 하우징 내에서 상변화 물질의 용융으로 인한 체적 팽창이 하우징 구조 안정성에 미치는 영향 확인 및 해석 모델 반영 여부 결정을 위해 진행하였으며, Fig.
- 해석 모델 검증은 상변화 물질의 등가 비열법을 통한 물성치 적용과 체적 팽창이 무시되는 고체 모델 가정에 대한 신뢰성 확인을 위해 진행하였다. 모델 검증을 위해 열특성 실험의 시간에 따른 온도 변화 데이터와 비교하였으며, Fig.
제안 방법
- 장비 내 전자 소자는 시스템 운용 모드에 따라 700초간 가변적으로 발열하도록 하였다. 3차원 모델의 계산을 위해 비압축성 유체에 대한 연속, 운동량, 에너지 방정식을 지배 방정식으로 사용하였고 약 800,000개의 육면체 격자계를 구성하였다.
- 6과 같이 무인 항공 장비에 적용되는 전자 장비에 대한 수치 해석을 진행하였다. 기본 방열 구조는 Fig. 1과 동일하지만 장비 하우징 내 8 mm 제한된 공간에 각각 다른 방열 설계를 적용하였으며, 상변화 물질의 방열 성능 개선 효과 비교를 위해 알루미늄으로 가득 채운 경우도 함께 확인하였다. 장비 내 전자 소자는 시스템 운용 모드에 따라 700초간 가변적으로 발열하도록 하였다.
- 장비 배치 방향에 따른 중력 가속도를 적용하고 공기의 밀도는 Incompressible ideal gas law에 의해 계산되도록 하여 장비 내부 자연대류 현상이 모사되도록 하였다. 두 파트의 기계적 체결부에는 나사 토크에 따른 접촉 저항을 적용하였으며, 소자와 히트 싱크 사이 TIM은 실제 적용 중인 Berquist 사의 Gap Pad-3000S30의 물성치(k=3 W/m-K)를 적용하였다. 상변화 물질의 물성치는 해석 모델 검증 단계에서 적용한 값과 동일하게 입력하였으며, 초기 온도는 장비 운용 조건을 반영한 70 ℃로 적용하고 장비 외부는 단열로 적용하였다.
- 상변화 물질의 해석 모델 검증을 위해 열특성 실험을 진행하여 용융점, 온도 증분 및 부피 팽창 정도를 확인하였으며, 실험과 동일한 형상에 대해 해석 모델 검증을 진행하였다. 등가 비열법으로 계산한 상변화 물질의 물성치 입력 및 고체로 가정한 해석 모델의 신뢰성을 확인하였으며, 이를 반영한 전자 장비 해석 모델을 통해 방열 성능 비교를 수치적으로 진행하였다.
- 해석 모델 검증은 상변화 물질의 등가 비열법을 통한 물성치 적용과 체적 팽창이 무시되는 고체 모델 가정에 대한 신뢰성 확인을 위해 진행하였다. 모델 검증을 위해 열특성 실험의 시간에 따른 온도 변화 데이터와 비교하였으며, Fig. 4와 같이 해석 모델을 구성하였다. 상변화 물질은 실험에서 사용한 주사기와 동일한 공간에 5.
- 1에서 확인할 수 있다. 발열 소자에 방열 패드가 부착된 히트 싱크(하우징 일체)를 장착하여 소자 발열이 하우징 전체에 소산되도록 하고, 하우징에 충진된 상변화 물질의 잠열로 흡수될 수 있게 하였다. 전자 소자의 성능 저하 온도(최소 85 ℃)를 분석하여 그보다 낮은 약 78 ℃에서 용융되는 Barium hydroxide octahydrate 계열 물질(7)을 선정하고, 300 J/g의 잠열을 갖도록 개발한 상변화 물질을 적용하였다.
- 각 소자에 대한 상변화 물질의 체적 팽창 보완 설계는 소자별 히트 싱크 각각의 마진을 필요로 하며, 시스템 단위로 연결되면 과다 설계의 요인이 될 수 있다. 본 연구에서는 무인 항공 장비에 적용되는 전자 장비의 제한된 운용 시간 내 효율적인 열적 안정성 확보를 위해 장비 하우징 내부에 상변화 물질을 직접 충진하였으며, 이에 대한 과도 상태(Transient state) 방열 성능 확인을 위해 상용 전산 유체 해석 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였다. 상변화 물질에 대한 열특성 실험을 마진이 포함된 운용 시간 동안 진행하고 그 결과와 비교하여 해석 모델의 신뢰성을 검증하였으며, 검증된 해석 모델을 통해 하우징의 방열 성능을 확인하였다.
- 새로 개발한 상변화 물질은 상온에서 분말 상태이므로 충진 용이성을 위해 가열을 통한 1차 용융 후 액체 상태로 취급하였으며, 모든 실험은 상변화 물질이 완전히 응고되어 고체 상태가 된 이후 진행하였다. 상변화 물질에 대한 열특성 실험을 통해 용융시 체적 변화 및 용융점과 상변화 구간에서의 온도 증분을 확인하였으며, 주어진 잠열량과 실험으로 확인한 온도 증분을 통해 등가 비열법이 적용된 수치 해석 모델을 구성하였다. 실험과 동일한 조건으로 진행한 수치 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 해석 모델의 신뢰성을 확인하였으며, 검증된 해석 모델을 사용하여 상변화 물질이 적용된 전자 장비 하우징의 방열 성능을 분석하였다.
- 4와 같이 해석 모델을 구성하였다. 상변화 물질은 실험에서 사용한 주사기와 동일한 공간에 5.2 mL의 고체 상태로 적용하여 체적 변화를 무시하도록 모델링 하였다. 상변화 물질의 밀도는 액체와 고체에 따라 다르게 적용되도록 78 ℃를 기준으로 piecewise linear interpolation 계산법을 사용하였다.
- 두 파트의 기계적 체결부에는 나사 토크에 따른 접촉 저항을 적용하였으며, 소자와 히트 싱크 사이 TIM은 실제 적용 중인 Berquist 사의 Gap Pad-3000S30의 물성치(k=3 W/m-K)를 적용하였다. 상변화 물질의 물성치는 해석 모델 검증 단계에서 적용한 값과 동일하게 입력하였으며, 초기 온도는 장비 운용 조건을 반영한 70 ℃로 적용하고 장비 외부는 단열로 적용하였다.
- 본 연구에서는 과도 상태(Transient state)에서 상변화 물질을 적용한 전자 장비 하우징의 방열 성능을 실험적, 수치적으로 확인하였다. 상변화 물질의 해석 모델 검증을 위해 열특성 실험을 진행하여 용융점, 온도 증분 및 부피 팽창 정도를 확인하였으며, 실험과 동일한 형상에 대해 해석 모델 검증을 진행하였다. 등가 비열법으로 계산한 상변화 물질의 물성치 입력 및 고체로 가정한 해석 모델의 신뢰성을 확인하였으며, 이를 반영한 전자 장비 해석 모델을 통해 방열 성능 비교를 수치적으로 진행하였다.
- 전자 소자의 성능 저하 온도(최소 85 ℃)를 분석하여 그보다 낮은 약 78 ℃에서 용융되는 Barium hydroxide octahydrate 계열 물질(7)을 선정하고, 300 J/g의 잠열을 갖도록 개발한 상변화 물질을 적용하였다. 새로 개발한 상변화 물질은 상온에서 분말 상태이므로 충진 용이성을 위해 가열을 통한 1차 용융 후 액체 상태로 취급하였으며, 모든 실험은 상변화 물질이 완전히 응고되어 고체 상태가 된 이후 진행하였다. 상변화 물질에 대한 열특성 실험을 통해 용융시 체적 변화 및 용융점과 상변화 구간에서의 온도 증분을 확인하였으며, 주어진 잠열량과 실험으로 확인한 온도 증분을 통해 등가 비열법이 적용된 수치 해석 모델을 구성하였다.
- 0 mL 주사기에 주입하여 응고시킨 후 밀폐된 주사기를 가열하여, 용융시 이동한 피스톤 끝단의 눈금을 통해 체적 팽창량을 확인하였다. 선정된 상변화 물질의 전도 열전달 계수는 약 1 W/m-K으로 매우 낮아 주변 대기 온도의 영향 없이 전체 영역을 고르게 가열하기 위해 100 ℃의 물중탕에서 실험하여, 이후 해석 모델 검증시 경계 조건도 단순화하였다. 상변화 물질의 온도는 T형 열전대(Thermocouple)를 사용하여 측정하였으며, 액화된 상변화 물질의 대류 영향을 배제시키기 위하여 주사기 내측 벽면 4개소에 설치하였다.
- 2와 같이 실험 장비를 구성하였다. 액체 상태의 상변화 물질 5.2 mL를 20.0 mL 주사기에 주입하여 응고시킨 후 밀폐된 주사기를 가열하여, 용융시 이동한 피스톤 끝단의 눈금을 통해 체적 팽창량을 확인하였다. 선정된 상변화 물질의 전도 열전달 계수는 약 1 W/m-K으로 매우 낮아 주변 대기 온도의 영향 없이 전체 영역을 고르게 가열하기 위해 100 ℃의 물중탕에서 실험하여, 이후 해석 모델 검증시 경계 조건도 단순화하였다.
- 3 ℃로 용융시 발생하는 온도 정체 현상을 잘 모사하고 있다. 이를 통해 등가 비열법을 적용한 상변화 물질 해석 모델의 신뢰성을 확인하였다.
- 장비 배치 방향에 따른 중력 가속도를 적용하고 공기의 밀도는 Incompressible ideal gas law에 의해 계산되도록 하여 장비 내부 자연대류 현상이 모사되도록 하였다. 두 파트의 기계적 체결부에는 나사 토크에 따른 접촉 저항을 적용하였으며, 소자와 히트 싱크 사이 TIM은 실제 적용 중인 Berquist 사의 Gap Pad-3000S30의 물성치(k=3 W/m-K)를 적용하였다.
- 제한된 방열 설계 영역 내에서 핀을 적용한 상변화 물질의 방열 성능 비교를 위해 Fig. 6과 같이 무인 항공 장비에 적용되는 전자 장비에 대한 수치 해석을 진행하였다. 기본 방열 구조는 Fig.
- 상변화 물질의 열특성 실험은 용융시 체적 변화와 용융점 및 상변화 구간에서의 온도 증분을 확인하기 위해 진행하였다. 체적 변화 확인은 밀폐된 전자 장비 하우징 내에서 상변화 물질의 용융으로 인한 체적 팽창이 하우징 구조 안정성에 미치는 영향 확인 및 해석 모델 반영 여부 결정을 위해 진행하였으며, Fig. 2와 같이 실험 장비를 구성하였다. 액체 상태의 상변화 물질 5.
대상 데이터
- 선정된 상변화 물질의 전도 열전달 계수는 약 1 W/m-K으로 매우 낮아 주변 대기 온도의 영향 없이 전체 영역을 고르게 가열하기 위해 100 ℃의 물중탕에서 실험하여, 이후 해석 모델 검증시 경계 조건도 단순화하였다. 상변화 물질의 온도는 T형 열전대(Thermocouple)를 사용하여 측정하였으며, 액화된 상변화 물질의 대류 영향을 배제시키기 위하여 주사기 내측 벽면 4개소에 설치하였다. 상변화 물질의 온도는 계측기를 사용하여 2초 간격으로 실시간 저장하였으며, 상변화가 끝난 후 온도 상승이 급격히 발생할 때까지 실험한 결과를 Fig.
- 발열 소자에 방열 패드가 부착된 히트 싱크(하우징 일체)를 장착하여 소자 발열이 하우징 전체에 소산되도록 하고, 하우징에 충진된 상변화 물질의 잠열로 흡수될 수 있게 하였다. 전자 소자의 성능 저하 온도(최소 85 ℃)를 분석하여 그보다 낮은 약 78 ℃에서 용융되는 Barium hydroxide octahydrate 계열 물질(7)을 선정하고, 300 J/g의 잠열을 갖도록 개발한 상변화 물질을 적용하였다. 새로 개발한 상변화 물질은 상온에서 분말 상태이므로 충진 용이성을 위해 가열을 통한 1차 용융 후 액체 상태로 취급하였으며, 모든 실험은 상변화 물질이 완전히 응고되어 고체 상태가 된 이후 진행하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 무인 항공 장비에 적용되는 전자 장비의 제한된 운용 시간 내 효율적인 열적 안정성 확보를 위해 장비 하우징 내부에 상변화 물질을 직접 충진하였으며, 이에 대한 과도 상태(Transient state) 방열 성능 확인을 위해 상용 전산 유체 해석 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였다. 상변화 물질에 대한 열특성 실험을 마진이 포함된 운용 시간 동안 진행하고 그 결과와 비교하여 해석 모델의 신뢰성을 검증하였으며, 검증된 해석 모델을 통해 하우징의 방열 성능을 확인하였다.
- 상변화 물질에 대한 열특성 실험을 통해 용융시 체적 변화 및 용융점과 상변화 구간에서의 온도 증분을 확인하였으며, 주어진 잠열량과 실험으로 확인한 온도 증분을 통해 등가 비열법이 적용된 수치 해석 모델을 구성하였다. 실험과 동일한 조건으로 진행한 수치 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 해석 모델의 신뢰성을 확인하였으며, 검증된 해석 모델을 사용하여 상변화 물질이 적용된 전자 장비 하우징의 방열 성능을 분석하였다.
이론/모형
- 상변화 물질의 밀도는 액체와 고체에 따라 다르게 적용되도록 78 ℃를 기준으로 piecewise linear interpolation 계산법을 사용하였다. 단, 비열은 등가 비열법 적용을 위해 고체, 액체 및 상변화 구간 총 세 단계로 나누어 입력하였으며, 상변화 구간에서의 비열은 식 (1)의 등가 비열법(8)으로 계산하여 적용하였다.
- 2 mL의 고체 상태로 적용하여 체적 변화를 무시하도록 모델링 하였다. 상변화 물질의 밀도는 액체와 고체에 따라 다르게 적용되도록 78 ℃를 기준으로 piecewise linear interpolation 계산법을 사용하였다. 단, 비열은 등가 비열법 적용을 위해 고체, 액체 및 상변화 구간 총 세 단계로 나누어 입력하였으며, 상변화 구간에서의 비열은 식 (1)의 등가 비열법(8)으로 계산하여 적용하였다.
성능/효과
- 30 ℃에서 가열한 상변화 물질은 76 ℃에서 용융되기 시작하여 794초간 온도 상승이 지연되다가 79 ℃를 지나면서 급격하게 증가함을 확인하였다. 따라서 상변화 구간의 온도 증분 3 ℃와 300 J/g의 잠열량으로부터 등가 비열을 계산하고 해석 모델에 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 핀이 적용된 경우에는 적용되지 않은 경우에 비해 상변화 물질 자체의 온도 상승이 5 ℃ 이상 지연되며, 이 온도 차이는 약 5분의 온도 상승 지연 효과를 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 동일한 방열 설계 공간에서 핀과 함께 충진된 상변화 물질의 체적이 핀 없이 충진된 경우에 비해 70%이고 상변화 물질의 확보, 충진에 들어가는 시간적, 금전적 비용을 고려하면, 적절한 핀 설계와 함께 충진되는 상변화 물질은 상대적으로 경제적인 비용으로 높은 열적 안정성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 또한 운용 시간이 더욱 늘어날 때 상변화 물질의 2차 상변화(기화)로 인한 체적 팽창을 지연시킬 수 있어 구조 안정성 또한 확보할 수 있다.
- 30 ℃에서 가열한 상변화 물질은 76 ℃에서 용융되기 시작하여 794초간 온도 상승이 지연되다가 79 ℃를 지나면서 급격하게 증가함을 확인하였다. 따라서 상변화 구간의 온도 증분 3 ℃와 300 J/g의 잠열량으로부터 등가 비열을 계산하고 해석 모델에 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 소자의 온도 상승 지연 효과는 상변화 물질의 잠열량에 비례하여 증가하며, 이에 따라 전자 모듈이 안정적으로 운용될 수 있는 시간도 함께 증가하게 된다. 또한 상변화 물질을 핀과 함께 적용시키면 보다 적은 양의 상변화 물질로 보다 오랜 시간 온도 상승을 지연시켜 열적 안정성과 경제적인 이득을 얻을 수 있으며, 2차 상변화(기화)로 인한 국소 영역의 급격한 체적 팽창을 지연시켜 구조적 안정성 또한 오랜 시간 확보할 수 있음을 확인하였다.
- 이 때문에 운용 초기인 약 100초까지는 PCM이 충진된 모듈의 CPU 온도가 상대적으로 빠르게 상승하는 반면, 100초 이후부터 온도 상승률이 급격히 지연되는 현상을 확인할 수 있으며, 시간에 따른 각 경우의 CPU 온도를 Table 1에 나타내었다. 또한 상변화 물질이 핀과 함께 충진된 모듈의 CPU 온도는 핀 없이 충진된 모듈에 비해 온도 상승이 약 3 ℃ 지연됨을 확인할 수 있다. 이러한 온도 상승률 차이에 의한 CPU 온도 차이는 운용 시간이 길어질수록 증가하며, 적절한 핀설계와 함께 상변화 물질이 충진된 전자 모듈일수록 장시간 운용에 열적으로 유리함을 알 수 있다.
- 알루미늄만 채워진 경우 전체 하우징으로의 열 확산은 매우 빠르게 진행되지만 온도 상승을 지연시키지 못하기 때문에 하우징 전체의 온도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 반면 방열 설계 공간에 상변화 물질을 적용하면 하우징 전체로의 열확산은 다소 지연되지만 상변화 물질이 열 흡수를 통해 용융되기 때문에 특정 온도에서 정체가 발생하고 전체 하우징의 온도는 크게 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다. 핀이 적용된 경우에는 적용되지 않은 경우에 비해 열전도성이 낮은 상변화 물질 전체에 열을 고르게 전달할 수 있으며 이를 통해 상변화 물질 전체에 대한 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
- 전자 모듈 하우징을 알루미늄만으로 제작하면 전자 소자로부터 발생한 열이 빠른 속도로 하우징 전체에 고르게 확산되어 소자의 온도 상승을 지연시킬 수 있지만, 확산 이후에는 모듈 전체의 온도가 빠른 속도로 함께 증가하기 때문에 운용 시간이 길어질수록 전자 소자의 온도 상승을 지연시킬 수 없게 된다. 반면, 하우징 내부에 상변화 물질을 충진시킬 경우 운용 초반에는 상변화 물질의 낮은 열전도도에 따라 열저항으로 작용하여 하우징 전체로의 열 확산을 지연시킬 수 있으나, 용융점까지 온도가 상승한 이후에는 소자로부터 발생한 열이 상변화를 위한 잠열로 사용되기 때문에 소자를 포함한 모듈 전체의 온도 상승이 지연됨을 확인하였다. 소자의 온도 상승 지연 효과는 상변화 물질의 잠열량에 비례하여 증가하며, 이에 따라 전자 모듈이 안정적으로 운용될 수 있는 시간도 함께 증가하게 된다.
- 상변화 물질에 대한 수치 해석이 실험 결과를 전체적으로 잘 반영하고 있으며, 특히 상변화가 시작하는 용융점은 76 ℃로 동일하게 모사하고 있다. 온도 유지 시간은 약 800초로 실험 결과와의 오차가 1% 이내임을 확인하였으며, 상변화 구간의 온도 증분은 약 3.3 ℃로 용융시 발생하는 온도 정체 현상을 잘 모사하고 있다. 이를 통해 등가 비열법을 적용한 상변화 물질 해석 모델의 신뢰성을 확인하였다.
- 2 mL)되는 동안 육안으로 확인 가능한 부피 변화가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 이를 통해 상변화 물질의 용융 및 응고 과정 간 체적 변화는 거의 발생하지 않음을 확인하였으며, 밀폐 하우징에 충진시켜도 구조 안정성을 확보할 수 있을 것으로 확인하였다.
- 8(a)에서는 핀과 상변화 물질이 함께 적용된 방열 설계가 발열 소자의 열적 안정성 뿐만 아니라 상변화 물질의 방열 효율 또한 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 핀이 적용된 경우에는 적용되지 않은 경우에 비해 상변화 물질 자체의 온도 상승이 5 ℃ 이상 지연되며, 이 온도 차이는 약 5분의 온도 상승 지연 효과를 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 동일한 방열 설계 공간에서 핀과 함께 충진된 상변화 물질의 체적이 핀 없이 충진된 경우에 비해 70%이고 상변화 물질의 확보, 충진에 들어가는 시간적, 금전적 비용을 고려하면, 적절한 핀 설계와 함께 충진되는 상변화 물질은 상대적으로 경제적인 비용으로 높은 열적 안정성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.