유한 요소법을 이용한 히트싱크의 성능평가를 위한 열해석 연구

이 소개 자료는 "[한국산학기술학회논문지]"에 게재된 "[유한 요소법을 이용한 히트싱크의 성능평가를 위한 열해석 연구]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 유한 요소법을 이용한 히트싱크의 성능평가를 위한 열해석 연구 (Thermal Analysis of the Heat Sink Performance using FEM)
• 저자: 이봉구¹, 이민²
• 발행 연도: 2014
• 학술지/학회명: 한국산학기술학회논문지 (Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society)
• 키워드: 히트싱크, FEM, 펠티에 모듈, 내부 구조, 자연 대류 (Key Words : Heat sink, FEM, Peltier Module, Internal Structure, Natural Convection)

2. 초록 (요약):

최근 전자 및 기계부품 기술의 발전으로 전자 장비는 더욱 고성능화, 소형화, 다기능화 되면서 시스템 내부에 발생하는 발열부의 온도를 제어하기 위해 히트싱크가 사용된다. 본 연구에서는 내부 터널 구조의 2가지 형상의 히트싱크의 열 성능 평가를 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수치해석 하였다. 수치해석은 자연대류 상태에서의 열 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열 성능을 평가하였다. 또한 시간에 따른 열전달 특성과 온도분포의 해석결과를 기초로 하여 히트싱크의 성능평가를 예측하였다. 수치해석의 결과, 형상 A 히트싱크가 형상 B의 히트싱크보다 열 전달율이 자연대류에서 약 70% 향상되었다.

3. 서론:

최근 전자 및 기계 산업의 발전으로 전자 장비는 점차 고성능화, 소형화, 다기능화 되고 있다. 전자 장비에서 발생하는 열은 전자 장비의 성능을 저하시키거나 고장의 원인이 되고 있다. 그래서 이러한 전자 장비에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 방법으로 Thermoelectric devices(TE)를 사용해 오고 있다. P-type과 N-type 반도체 (semiconductors)로 구성된 Thermoelectric devices(TE)는 열전냉각기(Thermoelectric coolers)와 열전발전기(Thermoelectric generators)로 나눌 수 있다. 열전 냉각기는 펠티에 효과(Peltier effect)를 통해서 전기를 열에너지로 바꾸고, 열전 발전기는 제벡효과(Seebeck effect)를 통해서 열에너지를 전기로 바꾼다. 펠티에 소자는 발열부의 온도를 잘 제어하지 못하면 발열부의 온도가 냉각부로 전도되면서 효율이 급격하게 떨어지는 문제가 발생한다. 발열부의 온도를 제어하기 위해 히트싱크가 사용되며, 히트싱크는 주로 일반적인 평판에 냉각 핀이 부착된 형태가 사용된다. 본 연구에서는 내부 터널 구조의 2가지 형상의 히트싱크의 열 성능 평가를 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수치해석 하였다. 수치해석은 자연대류 상태에서의 열 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열 성능을 평가하였다. 또한 시간에 따른 열전달 특성과 온도분포의 해석결과를 기초로 하여 히트싱크의 성능평가를 예측하였다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

전자 장비의 고성능화, 소형화, 다기능화 추세에 따라 시스템 내부 발열부의 온도 제어가 중요해졌으며, 이를 위해 히트싱크가 필수적으로 사용된다. 특히 펠티에 소자와 같은 열전 소자의 효율적인 냉각을 위해서는 히트싱크의 성능이 중요하다.

이전 연구 현황:

열전 소자[1-3], 특히 펠티에 효과를 이용한 열전 냉각기[4-6]와 제벡 효과를 이용한 열전 발전기[7]에 대한 연구가 진행되어 왔다. 펠티에 소자의 열펌핑 현상[8]과 이를 위한 히트싱크 설계에 관한 연구도 다수 존재한다. 일반적인 평판형 히트싱크[9,10] 및 다양한 형상의 히트싱크 최적화 연구[11-13]가 수행되었으며, 강제 대류를 이용한 판형 히트싱크 연구[14,15]와 핀-휜 히트싱크의 냉각핀 형상(높이, 지름, 간격)이 열전달에 미치는 영향[16]에 대한 연구도 이루어졌다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 내부 터널 구조를 가진 두 가지 다른 형상의 히트싱크에 대해 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 열 성능을 평가하는 것이다. 자연대류 조건에서 수치해석을 통해 냉각핀 형상에 따른 냉각 성능을 비교 분석하고, 시간에 따른 열전달 특성 및 온도분포 해석 결과를 바탕으로 히트싱크의 성능을 예측하고자 한다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 내부 터널 구조와 핀-휜(Pin-fin)을 갖는 두 가지 히트싱크 형상(Type A, Type B)을 설계하고, 3차원 모델링 후 ANSYS 소프트웨어를 사용하여 과도 열 해석을 수행하는 것이다. 자연대류 조건 하에서 두 히트싱크의 온도 분포, 열 유속, 그리고 전체 열전달률을 비교하여 제한된 공간 내에서 더 효율적인 설계를 규명하는 데 중점을 둔다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

내부 핀-휜 구조를 갖는 두 가지 유형의 히트싱크(Type A, Type B)를 Pro-E 소프트웨어를 사용하여 설계하였다. 히트싱크의 재료는 알루미늄(AL6061)을 사용하였다. 이 설계들의 열 성능은 ANSYS FEM 소프트웨어 패키지를 사용하여 과도 열 해석(Transient thermal)을 통해 평가되었으며, 특히 자연대류 조건을 적용하였다.

데이터 수집 및 분석 방법:

해석은 전도에 의한 열전달률(푸리에의 열전도 법칙, 논문의 식 (1), (2)), 대류에 의한 열전달률(뉴턴의 냉각 법칙, 식 (3)), 그리고 냉각핀의 유효성(식 (4))과 같은 기본적인 열전달 원리에 기초하였다.
수치해석(FEM)은 ANSYS를 사용하여 수행되었다.
시뮬레이션을 위한 경계 조건은 다음과 같다:

• 펠티에 소자는 냉각온도 -14℃를 제공 (13V 입력 가정).
• 히트싱크 표면에는 22℃의 자연대류 경계 조건 설정.
  데이터 분석은 30초 동안의 히트싱크 온도 분포와 그에 따른 열 유속에 중점을 두었다.

연구 주제 및 범위:

연구 범위는 다음을 포함한다:

• AL6061로 제작된 두 가지 히트싱크 유형(Type A, Type B)의 설계 및 3D 모델링.
• 자연대류 조건에서의 열 성능 비교.
• 내부 구조 및 핀 형상이 냉각 성능에 미치는 영향 조사.
• 히트싱크 성능 예측을 위한 온도 분포 및 열 유속 분석.
• FEM 해석을 위한 모델의 요소망 생성, 각 유형에 대한 절점(node) 및 요소(element) 수 명시 ([Table 4]).

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 히트싱크 Type A의 표면적(146,624 mm²)은 Type B(108,759 mm²)보다 약 25% 더 넓었다 ([Table 3]).
• 온도 분포 ([Fig. 3], [Table 5]): 자연대류 조건에서 30초 작동 후, 히트싱크 Type A는 최소 -11.44°C, 최대 -11.19°C의 온도를 나타냈다. 히트싱크 Type B는 최소 -12.05°C, 최대 -11.92°C의 온도를 보였다. 논문에서는 Type A가 더 넓은 표면적으로 인해 열전달 효율이 높아 냉각 성능이 더 우수하다고 기술하고 있다.
• 열 유속 ([Fig. 4]):
  • Type A 히트싱크: 최소 열 유속 2.34 W/m² (논문 본문은 2.34W/m², Fig. 4는 6.90e-6 W/mm²로 표시, 이는 6.9 W/m²에 해당), 최대 열 유속 2246.3 W/m² (논문 본문 값 사용).
  • Type B 히트싱크: 최소 열 유속 6.9 W/m², 최대 열 유속 870.9 W/m².
• 열 전달율: Type A의 열 전달율은 최대 14.9 kW로 가장 높았으며, Type B는 8.7 kW로 더 낮은 결과를 나타냈다.
• 전반적 성능: 수치해석 결과, 히트싱크 Type A는 Type B에 비해 자연대류 조건에서 약 70% 더 나은 열 전달율을 보였다. 이는 Type A 표면에서의 공기 유동 속도가 빠르고 핀 끝으로 갈수록 낮은 온도 분포를 나타내어 열 유속이 증가하였고, 상대적으로 넓은 표면적으로 인해 열전달률이 높은 것으로 사료된다.

[Fig. 2] Elements of heat sink (a) type A (b) type B

[Fig. 3] Temperature distribution of heat sink (a) type A (b) type B

그림 및 표 이름 목록:

• [Fig. 1] Heat conduction through a large plane wall
• [Fig. 2] Type of heat sink with internal structure (a) type A (b) type B
• [Fig. 3] Temperature distribution of heat sink (a) type A (b) type B
• [Fig. 4] Heat flux of heat sink (a) type A (b) type B
• [Table 1] Thermal properties of AL6061
• [Table 2] Minimum thickness of the die casting products[16]
• [Table 3] Type of surface area
• [Table 4] Number of nodes and elements of heat sink
• [Table 5] Temperature of heat sink

7. 결론:

본 논문은 내부 터널 구조 형상을 갖는 핀 휜과 평판 휜으로 구성되는 히트싱크의 자연대류조건에서 열성능을 수치해석의 과도 열 해석을 통하여 확인하였다. 수치해석은 자연대류 상태에서의 냉각 성능을 수치해석으로 비교 분석하여 냉각핀 형상에 따른 열성능을 평가하였다.
수치해석의 결과 형상 A 히트싱크가 형상 B의 히트싱크의 열 전달율이 자연대류조건하에서 약70%이상 향상됨을 알 수 있었는데 이것은 발생되는 열을 효율적으로 방열이 일어나는 공기와의 접촉 면적이 넓어 공기유동이나 열 전달율이 향상되었기 때문이다. 또한 시간변화에 따른 온도분포 역시 형상 A의 히트싱크가 휜의 중심방향으로 낮은 온도분포를 결과를 얻을 수 있었다.
본 논문을 통하여 히트싱크의 구조 및 휜 형상에 따른 냉각성능의 상관관계를 도출할 수 있었고, 설계된 형상별 히트싱크의 온도분포, 열 유속에 대한 수치해석을 통하여 형상 A 히트싱크가 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 히트싱크의 높이와 휜 길이가 증가 할수록 냉각성능이 향상됨을 보였다. 따라서 휜 높이 및 길이의 증가로 인한 전열면적의 증가는 히트싱크의 냉각성능 향상에 도움이 되지만, 특수금형과 같은 전체적인 시스템의 크기를 고려하여 적절한 휜 높이와 길이 즉 내부형상구조를 고려하여 선택하여야 한다. 본 연구의 결과를 활용하여 일반적인 히트싱크형 자연대류 방열장치를 설계할 경우 히트싱크의 내부형상 및 구조를 고려하여 적절한 설계가 가능할 것으로 예측된다.

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9. 저작권:

• 이 자료는 "이봉구, 이민"의 논문입니다. "[유한 요소법을 이용한 히트싱크의 성능평가를 위한 열해석 연구]"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.9.5467

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