상변화 물질 방열판 어셈블리의 열 성능에 대한 실험적 및 전산 연구

본 논문 요약은 [An Experimental and Computational Study on the Thermal Performance of Phase Change Material Heatsink Assemblies] 논문을 기반으로 작성되었으며, [Southern Illinois University Edwardsville, Proceedings of the ASME Heat Transfer Summer Conference, Applied Thermal Engineering]에서 발표되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 상변화 물질 방열판 어셈블리의 열 성능에 대한 실험적 및 전산 연구 (An Experimental and Computational Study on the Thermal Performance of Phase Change Material Heatsink Assemblies)
• 저자: 오스틴 존스 (Austin Jones)
• 출판 연도: 2024년 5월 (학위 논문), 2023년 (ASME), 2024년 (응용 열공학)
• 출판 저널/학술 단체: 남부 일리노이 대학교 에드워즈빌 석사 학위 논문, ASME 열전달 하계 학술대회 논문집, 응용 열공학 (Applied Thermal Engineering)
• 키워드: 상변화 물질 (Phase Change Material), 방열판 (heatsink), 열 관리 (thermal management)

2. 연구 배경:

• 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
  더 작은 풋프린트에서 더 높은 컴퓨팅 성능에 대한 요구가 꾸준히 증가하고 있습니다. 이러한 고전력 밀도 전자 장치는 장치의 듀티 사이클 동안 구성 요소의 최대 허용 작동 한계를 빠르게 초과할 수 있습니다. 이러한 이유로 장치의 안전하고 안정적인 작동을 보장하는 허용 가능한 온도를 유지하기 위한 효과적인 열 솔루션이 필요합니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 상변화 물질(PCM) 방열판을 사용하는 것입니다. 이는 파라핀 왁스와 같은 물질의 높은 융해 잠열을 활용하여 왁스가 녹는 동안 어셈블리의 현열 상승을 지연시키는 수동적 솔루션입니다.
• 기존 연구의 한계:
  기존 PCM 방열판은 대부분의 상변화 물질의 낮은 열전도율로 인해 제약을 받습니다. 낮은 열전도율은 PCM이 잠열을 활용하기에 충분히 빠르게 전자 장치에서 열을 제거할 수 없다는 것을 의미하며, 왁스가 녹는 동안에도 보드 온도는 계속 상승합니다. 금속 나노 입자 또는 금속 폼을 통합하는 것과 같이 열전도율을 향상시키기 위한 기존 접근 방식은 종종 비용, 복잡성 및 잠열 저장 용량의 절충점을 도입합니다.
• 연구의 필요성:
  PCM 방열판의 한계를 극복하기 위해 본 연구는 PCM 방열판 어셈블리의 열전도율을 개선할 필요성을 다룹니다. 본 연구는 혁신적인 설계 수정, 특히 핀 형상 및 산화구리 나노 입자의 통합에 초점을 맞추어 과도한 비용을 발생시키거나 PCM 기반 냉각 솔루션의 고유한 장점을 손상시키지 않으면서 열 성능을 최적화하는 것을 목표로 합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적:
  주요 연구 목적은 PCM 방열판 어셈블리의 열 성능을 실험적 및 전산적으로 조사하고 최적화하는 것입니다. 여기에는 수정된 핀 형상의 효과와 열 발산 및 전자 장치의 온도 관리에 대한 산화구리 나노 입자의 통합을 평가하는 것이 포함됩니다. 본 연구는 미래 전자 전력 시스템의 냉각 요구 사항을 충족하기 위해 PCM 방열판 설계를 최적화하는 데 귀중한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 합니다.
• 주요 연구 질문:
  본 연구는 다음과 같은 주요 연구 질문에 답하고자 합니다.
  • 수정된 핀 형상, 특히 새로운 접힌 핀 설계는 상용 압출 핀과 비교하여 PCM 방열판의 열적 효율성에 어떤 영향을 미칩니까?
  • 핀 방향, 핀 두께, 핀 간 간격과 같은 다양한 핀 매개변수가 PCM 방열판 어셈블리의 전체 열 성능에 미치는 영향은 무엇입니까?
  • 핀 통합 유무에 관계없이 산화구리 나노 입자의 첨가가 PCM 방열판의 열전도율 및 열 저장 능력에 미치는 영향은 무엇입니까?
  • 핀이 있는 PCM 방열판을 설계할 때 열전도율 향상과 잠열 저장 사이의 절충점은 무엇입니까?
  • 작동 중 장치 온도 및 총 작동 시간 측면에서 다양한 열 부하 및 핀 구성에서 PCM 방열판의 형상을 어떻게 최적화할 수 있습니까?
• 연구 가설:
  중심 연구 가설은 핀 형상에 대한 전략적 수정과 산화구리 나노 입자의 포함이 PCM 방열판 어셈블리의 열전도율을 크게 향상시켜 전자 장치에서 발생하는 열을 관리하는 데 효과적일 수 있다는 것입니다. 또한 핀이 있는 PCM 방열판을 설계할 때 열전도율과 잠열 저장 사이에 중요한 절충점이 있다는 가설도 탐구합니다. 본 연구는 접힌 핀과 같은 최적화된 핀 형상이 특정 작동 조건에서 기존 핀 설계보다 우수한 열 성능을 제공할 수 있다는 가설을 추가로 탐구합니다.

4. 연구 방법론

• 연구 설계:
  본 연구는 PCM 방열판 어셈블리의 열 성능을 평가하기 위해 실험적 연구와 전산 연구를 결합한 혼합 방법론적 접근 방식을 채택합니다. 실험 단계에서는 맞춤형 방열판 프로토타입을 제작하고 테스트하는 반면, 전산 단계에서는 수치 모델링을 활용하여 이러한 어셈블리 내의 열 전달 현상을 시뮬레이션하고 분석합니다.
• 자료 수집 방법:
  실험 데이터는 PCM 방열판 어셈블리, 열원을 시뮬레이션하는 유연한 실리콘 히터, 온도 측정을 위한 열전대, 데이터 수집 시스템 및 전원 공급 장치로 구성된 맞춤형 장치를 사용하여 수집되었습니다. 방열판 내부의 다양한 지점에서의 온도 데이터와 전압 및 전류 판독값이 실험 중에 기록되었습니다. 순수 파라핀 왁스와 산화구리 나노 입자와 혼합된 파라핀 왁스가 PCM으로 사용되었습니다. 테스트는 다양한 핀 형상(상용 압출 및 새로운 접힌 핀), 열 부하 및 나노 입자 농도를 포함한 다양한 조건에서 수행되었습니다.
• 분석 방법:
  전산 분석은 유한 요소 해석 소프트웨어인 ANSYS Fluent를 사용하여 수행되었습니다. PCM 용융 및 응고를 시뮬레이션하기 위해 엔탈피-다공성 방법을 통합하여 방열판 어셈블리의 3D 수치 모델을 생성했습니다. 모델은 실험 데이터에 대해 검증되었습니다. 수치 결과의 정확성을 보장하기 위해 격자 독립성 연구를 수행했습니다. 그런 다음 시뮬레이션을 사용하여 핀 형상(간격 및 두께), 적용된 전력 및 나노 입자 첨가를 포함한 다양한 매개변수가 PCM 방열판의 열 거동에 미치는 영향을 조사했습니다. 1차원 열 저항 분석 및 Kline과 McClintock 방법 [11]을 기반으로 한 불확실성 분석을 포함한 데이터 감소 기술이 실험 및 전산 결과 모두에 적용되었습니다.
• 연구 대상 및 범위:
  연구 대상은 전자 부품 냉각용으로 설계된 PCM 방열판 어셈블리입니다. 연구 범위는 다음을 포함합니다.
  • 두 가지 핀 형상 평가: 상용 압출 핀 및 새로운 접힌 핀.
  • 순수 파라핀 왁스 및 1.5% 산화구리 나노 입자와 혼합된 파라핀 왁스를 PCM으로 사용.
  • 다양한 열 부하(16W ~ 64W)에서 방열판 성능에 대한 실험적 및 수치적 조사.
  • 핀 두께(0.8mm ~ 2.4mm) 및 핀 간격(2.32mm ~ 5.52mm)을 포함한 핀 매개변수 변화 분석.
  • 대칭으로 인해 방열판 어셈블리의 1/4로 모델링된 전산 영역, 제작된 프로토타입(15.24cm × 7.62cm × 5.08cm 알루미늄 하우징)을 기반으로 한 치수.
  • ANSYS Fluent 라이브러리, 실험 측정 및 재료 데이터 시트 [12]에서 얻은 알루미늄 하우징(AL6061) 및 PCM(RT60 파라핀 왁스 및 CuO 나노 입자)에 대한 재료 속성.

5. 주요 연구 결과:

• 주요 연구 결과:
  • 접힌 핀 형상은 상용 압출 핀에 비해 PCM을 완전히 녹이는 데 필요한 시간이 11% 증가했지만 열원 인터페이스 온도는 6.5% 더 높았습니다. 이는 접힌 핀이 작동 시간을 연장하는 대신 작동 중 구성 요소 온도가 약간 더 높아지는 절충점을 나타냅니다.
  • 더 얇은 핀(0.8mm 벽 두께)은 더 두꺼운 핀(2.4mm)에 비해 용융 시간을 17% 증가시켜 핀 두께를 줄이면 잠열 저장 지속 시간을 늘릴 수 있지만 인터페이스 온도가 약간(4%) 증가하는 것으로 나타났습니다.
  • 더 큰 핀 간격(5.52mm)은 가장 긴 용융 시간(3093초)을 가져왔지만 세 가지 구성 모두에서 가장 높은 인터페이스 온도를 나타내 핀 간격이 열 저장 용량과 열 발산 효율 모두에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.
  • 파라핀 왁스에 1.5% 산화구리 나노 입자를 첨가하면 열원 인터페이스 온도가 5°C 감소하고 최종 작동 온도가 순수 파라핀 왁스 구성보다 8.75% 향상되어 나노 입자가 열전도율을 향상시키는 데 효과적임을 강조했습니다.
  • 실험 데이터로 검증된 수치 시뮬레이션은 실험 결과와 밀접하게 일치하여 PCM 방열판 성능을 예측하는 데 있어 전산 모델의 신뢰성을 확인했습니다.
• 통계적/질적 분석 결과:
  • 실험 데이터는 반복 테스트 간에 6% 미만의 차이를 보여 재현성이 우수함을 나타냅니다.
  • 불확실성 분석은 열 유속의 상대적 불확실성을 ±0.8%로 추정했습니다.
  • 격자 독립성 연구는 350,000개 이상의 노드를 가진 격자가 격자 크기에 독립적인 결과를 제공함을 확인했습니다.
  • 다양한 핀 형상, 두께, 간격 및 나노 입자 첨가에 걸쳐 용융 시간 및 인터페이스 온도에 대한 정량적 비교가 이루어져 열 성능에서 통계적으로 유의미한 추세를 입증했습니다.
  • 온도 및 액체 분율 등고선 플롯에서 얻은 질적 관찰은 PCM 용융 과정과 설계 매개변수가 열 분포에 미치는 영향에 대한 시각적 통찰력을 제공했습니다.
• 데이터 해석:
  • 결과는 PCM 방열판 설계에서 열전도율과 잠열 저장 사이에 중요한 절충점이 있음을 나타냅니다. 접힌 핀은 용융 시간을 연장하는 반면, 압출 핀에 비해 핀 부피 감소 및 잠재적으로 낮은 유효 열전도율로 인해 작동 온도가 더 높아집니다.
  • 더 얇은 핀과 더 큰 핀 간격은 용융 지속 시간을 늘리면서 인터페이스 온도를 상승시키는 경향이 있어 열 저장과 발산 모두를 최적화하려면 균형이 필요함을 시사합니다.
  • 산화구리 나노 입자는 열전도율을 효과적으로 향상시켜 작동 온도를 낮추고 전체적인 열 관리를 개선합니다.
  • 최적의 핀 형상 및 PCM 조성 선택은 특정 응용 분야 요구 사항, 특히 허용 가능한 작동 온도 범위 및 원하는 듀티 사이클 지속 시간에 따라 달라집니다. 더 긴 작동 시간을 우선시하고 약간 더 높은 온도를 허용할 수 있는 응용 분야의 경우 접힌 핀과 더 얇은 핀 설계가 적합할 수 있습니다. 더 낮은 작동 온도가 필요한 응용 분야의 경우 나노 입자 강화 PCM 및 잠재적으로 압출 핀이 선호될 수 있습니다.
• 그림 목록:
  • 그림 1 방열판 형상의 단면도
  • 그림 2 실험 설정의 개략도
  • 그림 3 전산 영역의 3D 개략도
  • 그림 4 열원 인터페이스에서 실험 및 시뮬레이션 결과 비교
  • 그림 5 32W 입력 전력에서 상용 압출 핀 시뮬레이션의 온도 등고선
  • 그림 6 32W 입력 전력에서 상용 핀 시뮬레이션의 액체 분율 등고선
  • 그림 7 압출 핀에 대한 3가지 다른 입력 전력 값에서의 열원 인터페이스 온도
  • 그림 8 접힌 핀에 대한 3가지 다른 입력 전력 값에서의 열원 인터페이스 온도
  • 그림 5. 격자 독립성 연구.
  • 그림 6. PCM 유무에 따른 방열판 설계 간의 열원 인터페이스 온도 비교.
  • 그림 7. 시뮬레이션 및 실험 결과 비교.
  • 그림 8. 액체 분율 및 온도 등고선.
  • 그림 9. 3.92mm 핀 간격 및 1.6mm 핀 벽 두께에서 액체 분율에 대한 다양한 적용 전력의 영향.
  • 그림 10. 3.92mm 핀 간격 및 1.6mm 핀 벽 두께에서 인터페이스 온도에 대한 다양한 적용 전력의 영향.
  • 그림 11. 3.92mm 핀 간격 및 32W 적용 전력에서 액체 분율에 대한 다양한 핀 두께의 영향.
  • 그림 12. 3.92mm 핀 간격 및 32W 적용 전력에서 인터페이스 온도에 대한 다양한 핀 두께의 영향.
  • 그림 13. 1.6mm 핀 벽 두께 및 32W 적용 전력에서 액체 분율에 대한 다양한 핀 간격의 영향.
  • 그림 14. 1.6mm 핀 벽 두께 및 32W 적용 전력에서 인터페이스 온도에 대한 다양한 핀 간격의 영향.
  • 그림 2 실험 어셈블리의 개략도
  • 그림 3 전산 영역의 3D 개략도
  • 그림 4 실험 및 시뮬레이션 결과의 열원 인터페이스 비교
  • 그림 5 다양한 핀 형상에 대한 실험 결과 비교
  • 그림 6 구리 산화물 나노 입자 유무에 따른 핀 없음 및 접힌 핀 케이스에 대한 실험 결과
  • 그림 7 16W 입력 전력에서 접힌 핀 시뮬레이션의 온도 등고선
  • 그림 8 16W 입력 전력에서 접힌 핀 시뮬레이션의 액체 분율 등고선
  • 그림 9 RT50, RT60, RT70HC를 사용한 접힌 핀 방열판 어셈블리 비교

6. 결론 및 논의:

• 주요 결과 요약:
  본 연구에서는 새로운 접힌 핀이 있는 PCM 방열판 어셈블리를 실험적 및 수치적으로 조사하여 성능을 상용 압출 핀 및 핀이 없는 기준선과 비교했습니다. 접힌 핀 설계는 특히 산화구리 나노 입자와 결합했을 때 연장된 용융 시간과 관리 가능한 인터페이스 온도 사이의 균형을 입증했습니다. 매개변수 연구 결과 더 얇은 핀과 더 큰 핀 간격이 용융 시간을 연장할 수 있는 반면, 나노 입자 첨가는 작동 온도를 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났습니다. 최적의 구성은 냉각되는 특정 전자 장치의 특정 열 요구 사항에 따라 달라집니다.
• 연구의 학문적 의의:
  본 연구는 다양한 핀 형상 및 PCM 개선 사항에 대한 자세한 비교 분석을 제공함으로써 PCM 방열판 설계에 대한 학문적 이해에 기여합니다. 검증된 전산 모델은 향후 방열판 설계 및 최적화 연구를 위한 귀중한 도구를 제공합니다. 결과는 핀 형상, PCM 속성 및 열 성능 간의 복잡한 상호 작용을 강조하여 단순한 열전도율 향상 이상의 미묘한 통찰력을 제공합니다.
• 실용적 의미:
  본 연구의 실용적 의미는 특히 주기적인 전력 수요가 있는 시나리오에서 전자 장치용 수동 냉각 솔루션 설계에 중요합니다. 결과는 나노 입자로 강화된 접힌 핀 PCM 방열판이 고전력 밀도 전자 장치에 대한 향상된 열 관리를 제공할 수 있음을 시사합니다. 본 연구는 엔지니어가 특정 응용 분야 요구 사항 및 열 제약 조건을 기반으로 방열판 성능을 최적화하기 위해 적절한 핀 형상, PCM 재료 및 나노 입자 첨가제를 선택하는 데 지침을 제공합니다. 결과는 주기적인 전력 수요가 있는 장치의 열 냉각 시스템의 효율성을 높이기 위해 유사한 크기 및 전력 수요의 장치에 직접 적용할 수 있습니다.
• 연구의 한계:
  본 연구는 테스트된 특정 핀 형상(압출 및 접힌 핀) 및 PCM 재료(파라핀 왁스 및 산화구리 나노 입자)로 제한됩니다. 더 넓은 범위의 핀 설계, PCM 조성 및 작동 조건을 탐구하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 본 연구는 주로 일정한 열 유속 시나리오에 초점을 맞추었습니다. 실제 전자 장치는 더 복잡하고 과도적인 열 생성 프로필을 나타낼 수 있습니다. 나노 입자 침전 또는 응집을 포함하여 나노 입자 강화 PCM 방열판의 장기적인 성능 및 신뢰성은 본 연구에서 평가되지 않았습니다.

7. 향후 후속 연구:

• 후속 연구 방향:
  향후 연구는 열 성능을 극대화하기 위해 핀 모양, 간격 및 방향의 변화를 탐구하여 접힌 핀 형상의 추가 최적화에 초점을 맞춰야 합니다. 최적화된 핀 형상과 다양한 유형 및 농도의 나노 입자를 결합하는 시너지 효과를 조사하는 것도 유망한 방향입니다. 더 높은 열전도율과 융해 잠열, 더 낮은 융점을 가진 대체 PCM 재료를 탐구하는 것도 방열판 성능을 향상시킬 수 있습니다.
• 추가 탐구가 필요한 영역:
  추가 탐구가 필요한 영역은 다음과 같습니다.
  • 실제 전자 장치 작동을 더 잘 시뮬레이션하기 위해 과도 및 가변 열 부하 조건에서 최적화된 PCM 방열판의 성능 조사.
  • 향상된 PCM 방열판에서 열 순환 안정성 및 나노 입자 분산 안정성을 평가하기 위한 장기적인 신뢰성 연구 수행.
  • 접힌 핀 방열판 및 나노 입자 강화 PCM의 비용 효율적인 제조 방법 탐구하여 실제 구현 촉진.
  • PCM 내부의 자연 대류 및 방열판 표면에서 복사열 전달과 같은 더 복잡한 열 전달 현상을 통합하도록 전산 모델 확장.
  • 극심한 열 관리 문제에 대한 하이브리드 냉각 솔루션을 만들기 위해 마이크로 팬 또는 열전 냉각기와 같은 능동 냉각 요소와 최적화된 PCM 방열판을 통합할 가능성 조사.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "오스틴 존스"의 논문: "[An Experimental and Computational Study on the Thermal Performance of Phase Change Material Heatsink Assemblies]"을 기반으로 합니다.
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