[논문]피에조 팬 냉각 성능 측정을 위한 실험장치 구축

오명훈; 박수현; 고재익; 최민석

doi:10.5407/jksv.2018.16.3.052

피에조 팬 냉각 성능 측정을 위한 실험장치 구축
Experimental Facility for Measuring the Cooling Performance of a Piezoelectric Fan 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.16 no.3, 2018년, pp.52 - 58

오명훈 (Dept. of Mechanical Engineering, Myongji Univ.) , 박수현 (Dept. of Mechanical Engineering, Myongji Univ.) , 고재익 (Dept. of Mechanical Engineering, Myongji Univ.) , 최민석 (Dept. of Mechanical Engineering, Myongji Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an experimental facility has been built to measure the cooling performance of a piezoelectric fan. The facility is composed of a heat source made of $50{\mu}m$ Ni-Cr foil, a piezoelectric fan and a rotary fan for cooling the heat source. For two cases where the foil is vertical or horizontal, the surface temperature on the foil has been measured by an IR camera with and without cooling and the cooling performance of both fans has been analyzed. With cooling by both fans, the rotary fan lowers the surface temperature of the foil as a whole, while the piezoelectric fan lowers the surface temperature at the center of the foil locally. It is also found that the cooling effectiveness of the piezoelectric fan is higher on the horizontal foil than on the vertical foil because the natural convection interferes with the jet from the piezoelectric fan.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of experimental facility for measuring the cooling performance of a piezoelectric fan
그림 Fig. 2. Main components for the experimental facility
그림 Fig. 3. Horizontal configuration of a Ni-CR foil
그림 Fig. 4. Piezoelectric fan clamped by a block
그림 Fig. 5. Tip deflection of piezoelectric fan during a period
그림 Fig. 6. Temperature distribution on Ni-Cr foil without cooling
그림 Fig. 7. Temperature distribution on Ni-Cr foil with cooling by piezoelectric fan only
그림 Fig. 8. Temperature distribution on Ni-Cr foil with cooling by rotary fan only
그림 Fig. 9. Temperature distribution on Ni-Cr foil with cooling by both piezoelectric fan and rotary fan
그림 Fig. 10. Temperature distribution along the center line
표 Table 1. Static temperature at the center of Ni-Cr foil depending on the orientation of the facility

AI 본문요약
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문제 정의

가 처음으로 진동평판이 유동을 발생시키는 원리를 분석하였고 진동 평판이 트랜지스터를 냉각시킬 수 있음을 확인하였다. 그 이후로 많은 연구자들이 진동평판 주위에 발생하는 유동을 이해하고 진동평판의 냉각성능을 높이기 위한 이론 및 실험 연구를 수행하였다.^[3-9]특히, Kim 등^[5,6]은 피에조 팬 주위의 유동을 PIV(Particle Image Velocimetry) 기법을 이용해서 측정하고 팬의 끝단으로부터 반대로 회전하는 두 개의 와류가 번갈아 가며 발생함을 보였다.

제안 방법

[11,15,16] 이러한 선행연구를 토대로 최근 피에조 팬 냉각성능 예측을 위한 수치해석 연구를 시작하였으며, 수치해석 연구 결과의 검증을 위한 실험장치를 구축하였다. 이 연구에서는 구축된 실험장치를 통해서 피에조 팬 냉각 성능을 측정하였으며, 열원인 니크롬(Ni-Cr) 박판의 설치 방향(수직/수평)에 따른 영향을 고려하였다.
03℃와 ±2%이다. 각 실험에서는 5분 동안 니크롬 박판의 온도를 7,800번 측정하였으며, 박판의 온도 분포가 준정상 상태에 도달한 후의 데이터만 평균하여 사용하였다. 니크롬 박판에 의한 빛의 반사를 줄이기 위해서 무광택의 검은색 페인트로 코팅하였으며, 이 때 니크롬 박판의 방사율은 Kimber와 Garimella^[17]를 참고하여 0.
각 실험에서는 5분 동안 니크롬 박판의 온도를 7,800번 측정하였으며, 박판의 온도 분포가 준정상 상태에 도달한 후의 데이터만 평균하여 사용하였다. 니크롬 박판에 의한 빛의 반사를 줄이기 위해서 무광택의 검은색 페인트로 코팅하였으며, 이 때 니크롬 박판의 방사율은 Kimber와 Garimella^[17]를 참고하여 0.95로 설정하였다.
^[11,15,16] 이러한 선행연구를 토대로 최근 피에조 팬 냉각성능 예측을 위한 수치해석 연구를 시작하였으며, 수치해석 연구 결과의 검증을 위한 실험장치를 구축하였다. 이 연구에서는 구축된 실험장치를 통해서 피에조 팬 냉각 성능을 측정하였으며, 열원인 니크롬(Ni-Cr) 박판의 설치 방향(수직/수평)에 따른 영향을 고려하였다.
피에조 팬의 냉각효과를 측정하기 위한 실험장치를 구축하였고, 회전형 팬과의 조합 냉각 성능을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
회전형 팬을 작동하는 경우에도 박판의 중심에서 가장 높은 온도를 나타내기 때문에, 중심 온도를 낮추기 위해서 최종 실험에서는 회전형 팬과 피에조 팬을 모두 작동시시켰다. 그 결과 Fig.

대상 데이터

니크롬 박판의 온도를 측정하기 위해서 열화상 카메라인 FLIR 사의 T530sc 모델을 이용하였다. 모든 물체는 절대온도 이상의 온도를 가지고 있고 그 온도에 상응하는 열에너지를 적외선 형태로 발산하고 있는데, 열화상 카메라는 적외선의 열에너지를 측정하여 온도로 표시한다.
로터리 팬은 개인 컴퓨터 냉각에 많이 사용되는Zalman사의 직경 120mm ZM-F3 모델을 사용하였다. 이 모델은 팬에 부가되는 전압 및 전류에 따라 회전수가 변하지만, 이 냉각실험에서는 팬 회전수를 685rpm으로 고정하였고, 이 때 팬 하류의 평균유속은 약 0.
발열 평판은 폭 100mm, 높이 40mm, 두께가 50μm인 니크롬 박판으로 최대한 균일하게 전류를 흘려주기 위해서 구리 판으로 양 끝이 고정되어 있기 때문에, 실제로 유동에 노출되는 면적은 폭 70mm,높이 40mm이다. 발열평판에 전원을 공급하기 위해서 Toyotech 사의 DP30-10DU 전원장치를 사용하였으며 공급되는 전압은 0.9V이고 전류는 10A이다.
실험장치는 크게 발열평판과 냉각장치인 피에조 팬 및 회전형 팬으로 구성되어 있다. Fig.
피에조 팬의 끝단은 니크롬 박판으로부터 3mm 떨어져 있으며, 박판에 수직으로 설치되어 있다. 피에조 팬에 전원을 공급하는 함수 발생기와 앰프는 각각 Agilent사의 33210A 모델과 NF Cooperation사의 BA4825를 이용하였다.
피에조 팬은 PiezoDrive사의 BA4510 모델로 전체 길이는 45mm, 폭(τ)은 10mm, 두께는 0.5mm이지만, Fig. 4와 같이 블록에 고정했을 때 실제 움직이는 길이(L)는 30mm이다.

성능/효과

1. 니크롬 박판을 수직으로 배치한 경우에 자연 대류에 의한 냉각효과로 박판의 중심 온도가 더 낮았으며 온도가 가장 높은 영역이 박판의 상부에 나타난다. 반면에, 박판을 수평으로 배치하는 경우에는 박판 중심에서 가장 높은 온도가 관찰되었다.
2. 박판을 수평으로 배치한 경우에 수직으로 배치한 경우보다 피에조 팬이나 회전형 팬에 의한 냉각효과가 더 높게 나타났다.
3. 회전형 팬은 박판의 온도를 전체적으로 감소시키지만 피에조 팬은 국부적으로 온도를 상당히 감소시킨다. 그 결과 두 팬을 동시에 작동시킬 경우에는 각각의 냉각 효과가 더해진 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 피에조 팬을 작동한 경우에 수평으로 배치된 박판에서는 중심온도가 약 28ºC 감소하였고, 수직으로 배치된 박판에서는 약 15ºC 감소하였다. 결과적으로 피에조 팬은 박판이 수평으로 배치된 경우에 더 높은 냉각 성능을 얻을 수 있었다. 회전형 팬만 작동하는 경우에는 회전형 팬에 의한 유동이 자유 대류보다 커 두 평판의 온도가 비슷하게 유지되었다.
회전형 팬을 작동하는 경우에도 박판의 중심에서 가장 높은 온도를 나타내기 때문에, 중심 온도를 낮추기 위해서 최종 실험에서는 회전형 팬과 피에조 팬을 모두 작동시시켰다. 그 결과 Fig. 9에 나타난 것처럼 회전형 팬에 의해서 전체적으로 박판의 온도가 감소하였고, 중심에서 온도가 높은 부분은 피에조 팬에 의해서 독립적으로 냉각시킬 수 있었다. 이 실험에서도 박판이 수평으로 배치된 경우에 박판 중심에서 더 높은 냉각효과를 얻을 수 있었다.
회전형 팬 및 피에조 팬을 동시에 작동시킨 경우에는, 회전형 팬이 니크롬 박판의 온도를 전체적으로 감소시키고 피에조 팬이 박판 중심의 온도를 국부적으로 냉각시켜 더 나은 냉각효과를 얻을 수 있었다. 그리고, 박판이 수평으로 배치된 경우에 수직으로 배치된 경우보다 더 낮은 중심 온도를 얻을 수 있었다.
본 연구 그룹에서는 다년간의 연구를 통해서 피에조 팬 주변에서 발생하는 3차원 와류의 형상을 정확하게 파악할 수 있는 수치해석 기법을 확립하였고, 실험을 통해서 충분히 검증하였다. ^[11,15,16] 이러한 선행연구를 토대로 최근 피에조 팬 냉각성능 예측을 위한 수치해석 연구를 시작하였으며, 수치해석 연구 결과의 검증을 위한 실험장치를 구축하였다.
9에 나타난 것처럼 회전형 팬에 의해서 전체적으로 박판의 온도가 감소하였고, 중심에서 온도가 높은 부분은 피에조 팬에 의해서 독립적으로 냉각시킬 수 있었다. 이 실험에서도 박판이 수평으로 배치된 경우에 박판 중심에서 더 높은 냉각효과를 얻을 수 있었다. 박판이 수평인 경우에는 피에조 팬에 의해서 온도가 높은 영역이 박판 좌우 가장자리로 밀려가 있지만, 수직인 경우에는 온도가 높은 영역이 중심과 가장자리의 중간 정도에 형성된다.
회전형 팬만 작동하는 경우에는 회전형 팬에 의한 유동이 자유 대류보다 커 두 평판의 온도가 비슷하게 유지되었다. 회전형 팬 및 피에조 팬을 동시에 작동시킨 경우에는, 회전형 팬이 니크롬 박판의 온도를 전체적으로 감소시키고 피에조 팬이 박판 중심의 온도를 국부적으로 냉각시켜 더 나은 냉각효과를 얻을 수 있었다. 그리고, 박판이 수평으로 배치된 경우에 수직으로 배치된 경우보다 더 낮은 중심 온도를 얻을 수 있었다.

후속연구

박판이 수평인 경우에는 피에조 팬에 의해서 온도가 높은 영역이 박판 좌우 가장자리로 밀려가 있지만, 수직인 경우에는 온도가 높은 영역이 중심과 가장자리의 중간 정도에 형성된다. 이러한 차이는 피에조 팬에 의해서 발생되는 제트와 자연대류의 간섭 때문으로 예상되지만, 추후 수치해석을 통해서 정확하게 분석되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피에조 팬의 장점은 무엇인가?	일반적으로 회전형 팬이 주요 냉각 장치로 사용되고 있지만, 회전형 팬은 일정크기 이하로 만들기 어렵고 크기가 작아질수록 공력 및 냉각 성능이 감소하는 단점이 있다. 최근, 피에조 물질을 도포한 진동 평판이 작은 부품 소자를 냉각하기 위한 대체 도구로 대두되고 있는데, 피에조 팬은 구조가 간단하여 작은 크기로 만들기 쉬울 뿐만 아니라 소모 전력이 적고 냉각에 필요한 충분한 풍량을 만들어내는 장점이 있다.
	전자 부품 및 장비의 온도를 적절하게 제어할 필요성이 높아지는 이유는 무엇인가?	새로운 공정 및 제작기법의 발달로 전자 부품의 크기가 점점 작아지고 전자장비의 집적도가 높아지기 때문에, 전자 부품 및 장비의 온도를 적절하게 제어할 필요성이 높아지고 있다. 일반적으로 회전형 팬이 주요 냉각 장치로 사용되고 있지만, 회전형 팬은 일정크기 이하로 만들기 어렵고 크기가 작아질수록 공력 및 냉각 성능이 감소하는 단점이 있다.
	전자 부품 및 장비의 온도를 제어하기 위한 회전형 팬의 단점은 무엇인가?	새로운 공정 및 제작기법의 발달로 전자 부품의 크기가 점점 작아지고 전자장비의 집적도가 높아지기 때문에, 전자 부품 및 장비의 온도를 적절하게 제어할 필요성이 높아지고 있다. 일반적으로 회전형 팬이 주요 냉각 장치로 사용되고 있지만, 회전형 팬은 일정크기 이하로 만들기 어렵고 크기가 작아질수록 공력 및 냉각 성능이 감소하는 단점이 있다. 최근, 피에조 물질을 도포한 진동 평판이 작은 부품 소자를 냉각하기 위한 대체 도구로 대두되고 있는데, 피에조 팬은 구조가 간단하여 작은 크기로 만들기 쉬울 뿐만 아니라 소모 전력이 적고 냉각에 필요한 충분한 풍량을 만들어내는 장점이 있다.

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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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