[논문]수치 해석을 통한 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈의 히트 싱크 유로 형상에 따른 방열 성능 분석

손종현; 박성근; 김영범

doi:10.5762/kais.2021.22.3.415

수치 해석을 통한 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈의 히트 싱크 유로 형상에 따른 방열 성능 분석
Numerical analysis of heat dissipation performance of heat sink for IGBT module depending on serpentine channel shape 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.415 - 421

손종현 (한양대학교 융합기계공학과) , 박성근 (한양대학교 기계공학부) , 김영범 (한양대학교 융합기계공학과)

초록
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본 연구는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈의 히트 싱크의 유로의 형상으로써 직선 유로, 한 번 꺾인 형태의 유로, 두 번 꺾인 형태의 유로를 적용하여, 유로의 형상에 따른 방열 성능을 분석하였다. 각 유로 형상에서 운전 조건에 대한 영향 또한 분석하기 위하여 냉각수의 유량과 공급 온도를 추가적으로 제어하며 분석을 진행하였다. 본 연구는 유동 해석을 통하여 이루어 졌으며, 상용 소프트웨어인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 직선 유로보다 꺾인 형태를 갖는 유로의 방열량이 같은 운전 조건에서 최대 8.0 % 수준 개선되었으며, 개선 정도는 냉각수의 공급 온도와는 무관하였고, 냉각수의 유량이 많아질수록 개선 정도가 2.0 %에서 8.0 %까지 증가하였다. 그러나 두 번 꺾인 유로는 한 번 꺾인 유로와 비슷한 수준의 방열 성능을 보였고, 기생 손실에 영향을 주는 압력 강하량은 2.48~2.55배 수준으로 증가하는 결과를 보여, 방열 효율이 낮아지는 것을 확인 하였다. 이를 단위 압력 강하량 당 방열량으로 계산하여 비교하였으며, 직선 유로를 갖는 히트 싱크에서 그 값이 가장 높은 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed the effect on the cooling performance of the channel shape of a heat sink for an insulated gate bipolar transistor (IGBT). A serpentine channel was used for this analysis, and the parameter for the analysis was the number of curves. The analysis was conducted using computational fluid dynamics with the commercial software ANSYS fluent. One curve in the channel improved the heat dissipation performance of the heat sink by up to 8% compared to a straight-channel heat sink. However, two curves in the channel could not improve the heat discharge performance further. Instead, the two curves caused a higher pressure drop, which induces parasitic loss for the pumping of coolant. The pressure drop of the two-curve channel case was 2.48-2.55 times larger than that of a one-curve channel. This higher pressure drop decreased the heat discharge efficiency of the heat sink with two curves. The discharge heat per unit pressure drop was calculated, and the result of the straight heat sink was highest among the analyzed cases. This means that the heat discharge efficiency of the straight heat sink is the highest.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Default case geometry; (a) 3D default model, (b) side view from View 1, (c) side view from View 2.
그림 Fig. 2. (a) Fins and channel shape having one curve, (b) fins and channel shape having two curves.
표 Table 1. Geometrical parameters and the values
그림 Fig. 3. Temperature contour at center plane of channel; (a) straight channel case, (b) one curve channel case, (c) two curves channel case.
그림 Fig. 4. Velocity vector at two curves channel case.
그림 Fig. 5. Discharged heat for volume flow rate at different channel shape cases; (a) 50 ºC of coolant initial temperature condition, (b) 30 ºC of coolant initial temperature condition.
그림 Fig. 6. Temperature volume rendering at coolant channel; (a) straight channel case, (c) two curves channel case.
표 Table 3. Calculated discharged heat at 9 cm³/s and 40 ºC inlet condition for CFD model validation.
표 Table 2. Discharged heat under coolant initial temperature, 50 ºC condition.
그림 Fig. 7. Thermal resistance of each channel case.
그림 Fig. 8. Discharged heat per unit pressure drop of each channel case.

AI 본문요약
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문제 정의

뿐만 아니라 유량이 증가할수록, 냉각수의 초기 농도가 낮을수록 방열량이 늘어나는 것은 자명한 결과이므로 해당 변수에 대한 방 열량 비교는 연구 성과로써 의미가 적다. 따라서 본 연구에서는 유로 형상으로 인한 방열량 차이만을 비교하고 분석하였다. 방열량은 Eq.
본 연구는 IGBT용 히트 싱크를 포함한 산업 전반에 사용되는 히트 시크를 설계하는 설계자들이 각자의 설계 제약 조건에 맞는 효율적인 방열이 가능한 히트 싱크의 유로를 설계하는데 방향을 제시하여, 다양한 산업 분야에 이바지 할 수 있기를 기대한다. 뿐만 아니라, 본 연구 결과를 토대로, 곡률부에 대한 히트 싱크의 형상 파라미터를 다루는 추가적인 연구가 이루어 져야하며, 이를 통하여 더 향상된 방열량을 얻을 수 있을 수 있을 것이라 생각된다.
본 연구에서는 IGBT 모듈에서 발생하는 손실에 의한 열에너지를 효과적으로 배출하여 IGBT 성능 유지와 내구성을 향상시키기 위한 히트 싱크의 형상을 설계하였고, 히트 싱크의 유로 형상에 따른 방열량을 분석하였다. 연구의 결과를 요약하면 아래와 같다.
본 연구의 목적은 유로의 형상에 따른 방열량 계산이기 때문에 동일 유로에서의 운전 조건 변화에 대한 방열량 비교는 연구 목적과 벗어난다. 뿐만 아니라 유량이 증가할수록, 냉각수의 초기 농도가 낮을수록 방열량이 늘어나는 것은 자명한 결과이므로 해당 변수에 대한 방 열량 비교는 연구 성과로써 의미가 적다.
연구는 전산 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD)을 통해 이루어 졌으며, 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용하였다. 분석 결과를 방열량, 열 저항 그리고 기생손실에 영향을 주는 압력 강하 당 방열량으로 제시하여, 전자 소자용 히트 싱크 설계자들에게 설계를 위한 가이드를 제시하는 것을 목표로 하였다.

가설 설정

∙ 냉각수의 온도는 유로를 흐르는 동안 변하지 않는다.
히트 싱크의 온도는 80 ℃로 유지된다.
연구 목적인 방열량 측정을 위하여 히트 싱크의 상단부의 온도(열원의 온도)를 80 ℃ 로 고정하여 해석을 진행하였으며, 냉각수를 통한 방열을 제외한 다른 열전달 현상은 무시하였다. 모든 해석 조건 중 가장 높은 두 번 꺾인 유로의 15 cm³/s 유속 조건에서 Reynolds 수가 102.9 수준이었으므로, 임계값에 미치지 못하여 모든 조건에서의 유동은 층류로 가정하였다. 해석은 ANSYS 13 FLUENT를 사용하여 수행되었으며, 정상상태 해석을 수행하였다.

제안 방법

2 (a)인 1번 꺾인 형태의 유로, Fig. 2 (b)인 2번 꺾인 형태의 유로를 선정하였으며, 유로 형상이외의 파라미터는 고정하기 위하여, 유로의 꺾인 부분은 히트 싱크베이스와 닿지 않도록 모델링을 진행 하였다. 뿐만 아니라 유로의 형상을 제외하고 모든 파라미터의 값은 직선 유로의 모델에 사용된 값을 이용하여 계산되었다.
운전 조건 중 냉각수의 유량과 냉각수의 초기 온도를 선정하였다. 냉각수의 유량은 3, 6, 9, 12, 15 cm³/s 의 조건에 대하여 분석하였으며, 냉각수의 공급 온도는 30, 40, 50 ℃에 대하여 분석하였다. 해석에 사용한 히트 싱크의 재료는 AL6063이며 밀도는 2700 kg/m³, 열전도도는 218 W/m∙K, 비열은 900 J/kg∙K이다[7, 8].
5에 제시되어있다. 본 연구에서는 냉각수의 공급 온도를 3가지 조건 (30, 40, 50 ℃)에 대하여 분석하였다. 직선 유로에 비해서 꺾인 형상을 가진 유로가 유량이 늘어날수록 큰 성능개선을 보인 것은 주목할 만한 결과이다.
본 연구에서는 방열을 위한 유체로 액체를 이용하는수냉 히트 싱크의 유로 형상을 제어하여, 유로 형상에 따른 방열 성능을 냉각수(coolant)의 유량 및 입구 온도 조건을 변경하며 분석하였다. 연구는 전산 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD)을 통해 이루어 졌으며, 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용하였다.
435 W/m∙K, 비열은 3626 J/kg∙K이다[9]. 연구 목적인 방열량 측정을 위하여 히트 싱크의 상단부의 온도(열원의 온도)를 80 ℃ 로 고정하여 해석을 진행하였으며, 냉각수를 통한 방열을 제외한 다른 열전달 현상은 무시하였다. 모든 해석 조건 중 가장 높은 두 번 꺾인 유로의 15 cm³/s 유속 조건에서 Reynolds 수가 102.
운전 조건 중 냉각수의 유량과 냉각수의 초기 온도를 선정하였다. 냉각수의 유량은 3, 6, 9, 12, 15 cm³/s 의 조건에 대하여 분석하였으며, 냉각수의 공급 온도는 30, 40, 50 ℃에 대하여 분석하였다.
주 변수인 해석 형상에서 운전 조건에 따른 방열량을 분석하기 위하여, 운전 조건 또한 변수로 연구를 진행 하였다. 운전 조건 중 냉각수의 유량과 냉각수의 초기 온도를 선정하였다.
질량 보존 방정식은 해석을 위하여 나눈 부피 요소로 들어오고 나가는 질량의 총합은 0임을 의미하여, 본 연구에서는 생성되거나 소멸되는 질량은 없으므로 우변을 0 으로 하였다.
는 출구와 입구에서의 평균 냉각수 온도이다. 해석 조건에서 언급한 바와 같이, 냉각수로 인한 방열만은 다루었기 때문에, 냉각수에 전달된 열량을 방열량으로 하여 이후 결과 분석을 수행하였다.

대상 데이터

해석에 사용한 히트 싱크의 재료는 AL6063이며 밀도는 2700 kg/m³, 열전도도는 218 W/m∙K, 비열은 900 J/kg∙K이다[7, 8]. 냉각수로는 에틸렌글리콜 50% 희석 액을 사용하였으며 밀도는 1048.5 kg/m³, 열전도도는 0.435 W/m∙K, 비열은 3626 J/kg∙K이다[9]. 연구 목적인 방열량 측정을 위하여 히트 싱크의 상단부의 온도(열원의 온도)를 80 ℃ 로 고정하여 해석을 진행하였으며, 냉각수를 통한 방열을 제외한 다른 열전달 현상은 무시하였다.
본 연구에서는 IGBT 소자의 베이스 플레이트 크기인 36 mm x 60 mm의 면적을 갖는 히트 싱크 베이스를 적용하였으며 [6], 초기 형상이라고 할 수 있는 일반적인 직선 유로를 갖는 형상은 Fig. 1과 같다. Fig.
냉각수의 유량은 3, 6, 9, 12, 15 cm³/s 의 조건에 대하여 분석하였으며, 냉각수의 공급 온도는 30, 40, 50 ℃에 대하여 분석하였다. 해석에 사용한 히트 싱크의 재료는 AL6063이며 밀도는 2700 kg/m³, 열전도도는 218 W/m∙K, 비열은 900 J/kg∙K이다[7, 8]. 냉각수로는 에틸렌글리콜 50% 희석 액을 사용하였으며 밀도는 1048.

데이터처리

위의 결과를 검증하기 위하여 이상적인 조건에서의 방열량을 계산하여 비교하였다. 이상적인 조건에 적용된 가정은 아래와 같다.
9 수준이었으므로, 임계값에 미치지 못하여 모든 조건에서의 유동은 층류로 가정하였다. 해석은 ANSYS 13 FLUENT를 사용하여 수행되었으며, 정상상태 해석을 수행하였다. 분석 방법으로는 Finite volume method를 사용하였으며, Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations (SIMPLE) 알고리즘을 사용하여 계산을 수행하였다.

이론/모형

해석은 ANSYS 13 FLUENT를 사용하여 수행되었으며, 정상상태 해석을 수행하였다. 분석 방법으로는 Finite volume method를 사용하였으며, Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations (SIMPLE) 알고리즘을 사용하여 계산을 수행하였다. Relaxation factor는 pressure는 0.
변경하며 분석하였다. 연구는 전산 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD)을 통해 이루어 졌으며, 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용하였다. 분석 결과를 방열량, 열 저항 그리고 기생손실에 영향을 주는 압력 강하 당 방열량으로 제시하여, 전자 소자용 히트 싱크 설계자들에게 설계를 위한 가이드를 제시하는 것을 목표로 하였다.

성능/효과

직선 유로에 비해서 꺾인 형상을 가진 유로가 유량이 늘어날수록 큰 성능개선을 보인 것은 주목할 만한 결과이다. 그러나 꺾인 횟수가 증가하여도 성능은 거의 변화가 없었으며, 유량이 늘어나면 오히려 조금이나마 방열량이 감소하는 결과를 보였다. Fig.
넷째, 단위 압력 강하량 당 방열량은 직선 유로의 히트싱크가 가장 높은 값을 보였고, 그 값은 꺾인 횟수가 증가할수록 낮아졌다.
둘째, 꺾인 횟수가 늘어나면 유속이 늘어나고, 그로 인하여 원심력의 영향을 크게 받아 방열량이 더 이상 개선되지 않는 경향을 보였다.
특히 방열량이 비슷했던 한번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크와 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크에서의 압력 강하량이 약 2배가 차이나서, 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크에서 1 Pa당 방열량이 한번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크의 값의 반에 머무는 결과를 확인할 수 있다. 따라서 설계 제약 조건으로 냉각수 공급을 위하여 쓸 수 있는 출력이 낮은 경우에는 직선 유로의 히트 싱크를 쓰는 것이 좋으며, 냉각수 공급을 위한 출력에 여유가 있을 경우에는 한 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크를 사용하는 것이 효율적임을 알 수 있다.
증가할수록 증가였다. 본 연구에서는 최대 약 8% 의 방열량 개선을 보였다.
셋째, 냉각수의 공급 온도의 영향은 유로의 형상에 따라 바뀌지 않았다. 방열량에 대하여 냉각수의 공급 온도와 유로의 형상은 독립된 인자임을 확인하였다.
냉각수의 공급 유량 9cm³/s 공급 온도 40 ℃ 조건에서의 계산 값을 Table 3에 나타내었다. 이상적인 조건에서 계산된 값보다 해석을 통해 얻어진 값이 낮으며, 이상적인 조건에서 가장 먼 해석 조건인 두 번 꺾인 유로에서 그 차이가 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 위 계산을 통하여, 해석 결과가 타당한 범위 안에 들어온다고 판단된다.
8)는 압력 강하 1 Pa당 열 배출량을 나타낸 그래프이다. 직선 유로에서 가장 높은 수치를 보이며, 꺾인 횟수가 늘어날수록 크게 감소하는 결과를 보였다. 특히 방열량이 비슷했던 한번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크와 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크에서의 압력 강하량이 약 2배가 차이나서, 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크에서 1 Pa당 방열량이 한번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크의 값의 반에 머무는 결과를 확인할 수 있다.
열 저항도 방열량과 비슷한 경향을 보였다. 직선 유로에서 높은 열 저항을 보였으며, 한 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크와 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크의 열 저항이 거의 동일한 수준의 값을 보였다. 그 경향은 Fig.
첫째, 직선 유로에 비해서 꺾인 형상이 있는 유로가 방열량이 개선되는 결과를 보였으며, 개선 정도는 냉각수의 유량이 증가할수록 증가였다. 본 연구에서는 최대 약 8% 의 방열량 개선을 보였다.
직선 유로에서 가장 높은 수치를 보이며, 꺾인 횟수가 늘어날수록 크게 감소하는 결과를 보였다. 특히 방열량이 비슷했던 한번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크와 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크에서의 압력 강하량이 약 2배가 차이나서, 두 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크에서 1 Pa당 방열량이 한번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크의 값의 반에 머무는 결과를 확인할 수 있다. 따라서 설계 제약 조건으로 냉각수 공급을 위하여 쓸 수 있는 출력이 낮은 경우에는 직선 유로의 히트 싱크를 쓰는 것이 좋으며, 냉각수 공급을 위한 출력에 여유가 있을 경우에는 한 번 꺾인 유로를 갖는 히트 싱크를 사용하는 것이 효율적임을 알 수 있다.
Kim 등 [4]은 핀의 높이에 따른 히트 싱크의 온도 분포에 대하여 실험하였다. 핀의 높이가 감소할수록 열전달 면적이 감소하여 방열성능이 떨어지는 결과를 보였다. Mohammed 등 [5] 은히트 싱크의 핀의 단면 형상을 지그재그 형상, 곡선 형상, 톱니 형상으로 제작하여 각 형상에 대한 방열 성능을 분석하였는데, 지그재그 형상으로 제작된 핀에서의 방열 성능이 가장 좋은 결과를 보였다.

후속연구

할 수 있기를 기대한다. 뿐만 아니라, 본 연구 결과를 토대로, 곡률부에 대한 히트 싱크의 형상 파라미터를 다루는 추가적인 연구가 이루어 져야하며, 이를 통하여 더 향상된 방열량을 얻을 수 있을 수 있을 것이라 생각된다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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J. M. Holt, H. Mindlin, C. Y. Ho, "Structural Alloys Handbook", West Lafayette, 1996.
D. Bohne, S. Fischer, E. Obermeier "Thermal Conductivity, Density, Viscosity, and Prandtl-Numbers of Ethylene Glycol-Water Mixtures", Berichte der Bunsengesellschaft fur physikalische Chemie, Vol.88, No.8, pp739-742, 1984. DOI: https://doi.org/10.1002/bbpc.19840880813

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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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