전자기기 냉각을 위한 적층형 히트싱크의 방열 특성에 관한 연구

Abstract

최근 전자기기의 소형화, 고집적화로 인해, 전자제품의 성능향상 및 신뢰성의 요구가 정보통신, 개인용 컴퓨터, 전자기기, 자동화기기 등의 여러 분야에서 중요하게 대두 되고 있다. 본 연구에서는 이러한 전자기기 시스템의 방열문제에 필수적인 고효율 히트싱크의 실험 및 수치해석에 대한 연구를 수행하였다. 동일한 크기의 히트싱크 밑면에 대하여 동일한 체적을 갖는 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크, 적층형 히트싱크(A-Type, B-Type), 등에 대하여 강제대류 냉각방식에 대하여 방열성능 실험을 수행하였다. 히트싱크의 냉각특성은 자연대류 냉각방식에 대하여 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크, 적층형 히트싱크 순서로 방열성능이 우수하였으나, 강제대류 냉각방식에 대하여 적층형 히트싱크가 압출형 히트싱크, 다공성 히트싱크 순서로 각각 대략 23% 정도 방열성능이 우수하게 나타났다. 따라서 적층형 히트싱크가 강제대류 냉각방식에서 방열성능이 우수함을 알아내고, 열전달 현상에 영향을 미치는 인자인 핀 피치, 핀 높이, 히트싱크 높이 변화에 대하여 열전달 및 압력강하 특성에 대한 연구를 수행하였으며, 열전달 특성에 대해서는 히트싱크의 높이가 낮아지면서 설계인자의 영향이 적으며, 공기 속도가 증가함에 따라 히트싱크 높이에 따른 영향이 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 압력강하량은 핀 높이 보다는 핀 피치의 영향을 크게 받으며, 히트싱크의 높이가 감소하면서 핀 피치와 핀 높이에 대한 압력강하량의 영향은 크게 감소하는 것으로 나타났다. 실험 결과로부터 적층형 히트싱크의 설계인자인 Reynolds 수, 핀 높이, 핀 피치, 히트싱크 높이 변화가 Nusselt 수 및 압력강하 특성에 어떠한 영향을 미치며, 적층형 히트싱크 설계 시 열전달량 및 히트싱크의 설계인자를 결정하는데 적용하기 위하여 아래와 같이 상관식을 유도하여 각각 0.5%~11%, ±14%의 오차 내에서 일치함을 확인했다. ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) 그리고 적층형 히트싱크의 수치해석을 수행하고, 동일한 조건의 실험결과와 비교하여 4.9%~15%의 범위에서 일치함을 확인하였으며, 열전달 및 유동특성에 대하여 고찰하였고, 적층형 히트싱크의 성능향상에 대한 개선방안을 제시하였다.