ECO-DESIGN OF HEAT SINKS BASED ON CAD/CAE TECHNIQUES

본 소개 내용은 [Proceedings in Manufacturing Systems]에서 발행한 ["ECO-DESIGN OF HEAT SINKS BASED ON CAD/CAE TECHNIQUES"] 의 연구 내용입니다.

1. Overview:

• 제목: ECO-DESIGN OF HEAT SINKS BASED ON CAD/CAE TECHNIQUES
• 저자: Tudor-George ALEXANDRU, Cristina PUPĂZĂ
• 발행 연도: 2017년
• 발행 학술지/학회: Proceedings in Manufacturing Systems
• 키워드: heat sinks, design tools, eco-design, variable speed drives

2. Abstracts / Introduction

인더스트리 4.0 시대에서 제조 시스템의 전반적인 성능은 임베디드 전자 장치의 효율성에 크게 좌우됩니다. 이러한 부품들은 기계 간 정보 조절에 필수적이며, 원하는 입력/출력 동작을 가능하게 합니다. 경쟁력을 유지하기 위해 제조업체는 제품 수명 주기 동안의 전반적인 성능을 기반으로 여러 설계 결정 루프를 수행하여 제품 설계를 개선하고 있습니다. 그러나 급속한 기술 발전으로 인해 제품은 곧 구식이 됩니다. 따라서 신제품에 대한 높은 수요는 막대한 전자 폐기물 발생으로 이어집니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 새로운 설계 원칙이 등장했습니다. 에코 디자인은 지속 가능한 기술 개발과 함께 제조업체가 환경 및 고객 요구 사항을 모두 충족하는 제품을 구상하는 데 도움이 됩니다. 이러한 학제적 접근 방식은 제품의 전체 수명 주기 단계에 큰 영향을 미치는 환경 비용과 재료 필요성 사이의 균형을 유지합니다. 결과적으로 매립량이 줄어들고 최종 제품에 더 많은 가치가 추가됩니다. 귀중한 지식은 지침, 체크리스트 및 소프트웨어 확장을 통해 새로운 제품으로 이전됩니다. 제조 시스템에 내장된 전력 전자 장치는 고온을 견디고 설계 사양에 따라 작동하려면 적절한 열 설계가 필요합니다. 히트 싱크는 전자 장치 냉각에 가장 일반적으로 사용되는 장치 중 하나입니다. 본 논문은 히트 싱크의 수명 주기 단계를 다루며, 에코 디자인 기준을 충족하도록 확장된 기존 CAD/CAE 설계 도구에 대해 논의합니다. 사례 연구는 가변 속도 드라이브 수동 냉각기 설계를 위한 주어진 개념을 예시합니다.

3. Research Background:

Research Topic의 배경:

오늘날의 산업 응용 분야는 높은 수준의 자동화가 특징이며, 복잡한 시스템은 신호 처리를 통해 원하는 물리적 출력을 생성합니다. 서보 드라이브, 기어박스, PLC 및 가변 속도 드라이브와 같은 기계적 및 전기적 구성 요소를 포함하는 수치 제어 축은 기본적인 요소입니다. 인더스트리 4.0의 출현으로 연결성이 증가하고 사이버-물리 시스템이 부상했으며, 하드웨어와 소프트웨어가 성능을 동등하게 제어합니다. 이는 지능형 기계와 임베디드 전자 장치의 통합을 필요로 합니다. 특히 재활용률이 낮은 유해하고 복잡하며 처리 비용이 많이 드는 전자 폐기물에 대한 우려가 커짐에 따라 환경 인식은 환경적으로 건전한 제조 시스템과 지속 가능한 전자 제품에 대한 수요를 증가시키고 있습니다. 산업용 전자 장치의 소형화는 열 설계 문제를 심화시켜 지속 가능한 열 설계가 중요한 영역으로 부상했습니다.

기존 연구 현황:

기존 연구에서는 히트 싱크 설계의 지속 가능성을 탐구했습니다. 한 가지 접근 방식은 최소한의 펌핑 동력으로 열 전달을 최대화하는 것을 목표로 하는 자연 및 강제 대류 냉각 히트 싱크에 대한 "최소 에너지" 설계를 강조합니다([7] 참조). 또 다른 연구([8] 참조)에서는 환경적으로 최적의 구성을 위해 냉각 설계에서 열 성능과 재료 투자 간의 균형을 맞추기 위해 지속 가능성 지수를 사용합니다.

연구의 필요성:

전자 폐기물의 증가량과 제조의 환경 영향으로 인해 산업 공학에서 지속 가능한 설계 방식으로 전환해야 합니다. 기존의 히트 싱크 열 설계 접근 방식은 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 열 성능뿐만 아니라 환경 비용도 고려하여 에코 디자인 원칙을 통합하도록 발전해야 합니다. 열적으로 효율적이고 환경적으로 지속 가능한 히트 싱크 설계를 용이하게 하는 방법론과 도구가 필요합니다.

4. Research Purpose 및 Research Questions:

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 CAD/CAE 기술을 활용하고 에코 디자인 원칙을 통합하여 산업용 전자 장치 냉각에 사용되는 히트 싱크에 대한 지속 가능한 설계 접근 방식을 제시하는 것입니다. 본 논문은 히트 싱크의 수명 주기 단계를 논의하고 기존 CAD/CAE 도구를 에코 디자인 기준을 충족하도록 확장하는 방법을 설명하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구 질문:

본 논문은 환경 친화적인 히트 싱크 설계를 위한 CAD/CAE 접근 방식을 개발하고 예시하는 데 중점을 둡니다. 핵심 측면은 LCA(Life Cycle Assessment) 고려 사항을 설계 프로세스에 통합하는 것입니다. 본 연구에서는 가변 속도 드라이브용 수동 냉각기 설계에 초점을 맞춰 성능 및 지속 가능성 요구 사항을 충족하는지 확인하는 사례 연구를 사용하여 제안된 접근 방식을 예시합니다.

5. Research Methodology

연구 설계:

본 연구에서는 에코 디자인 고려 사항으로 보강된 CAD/CAE 기반 설계 방법론을 채택합니다. 이 접근 방식은 각 단계에서 환경 영향 평가를 통합하여 기존의 히트 싱크 설계 프로세스를 확장합니다. 설계 프로세스는 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 설계, 시뮬레이션 및 제조 단계를 포함하며 설계 조정을 위한 피드백 루프를 포함하는 반복적인 과정입니다.

Fig. 1. Stages of Heat Sinks design, simulation and manufacturing.

데이터 수집 방법:

본 연구는 기존의 의미에서 직접적인 경험적 데이터 수집을 포함하지 않습니다. 대신 다음을 활용합니다.

• 분석적 해법: 확립된 열 전달 방정식과 지침을 사용하여 히트 싱크의 초기 설계 매개변수를 결정합니다.
• 3D CAD 모델링: CAD 소프트웨어(AutoCAD, ProEngineer)를 사용하여 히트 싱크 설계의 가상 프로토타입을 만듭니다.
• CAE 시뮬레이션: CAE(Computer Aided Engineering) 소프트웨어(ANSYS Workbench, MSC Patran)를 활용하여 설계의 열적 및 구조적 성능을 시뮬레이션합니다.
• 환경 영향 데이터: LCA(Life Cycle Assessment) 원칙과 같은 기존 데이터 및 방법론을 활용하여 다양한 설계 선택 및 제조 프로세스와 관련된 CO2 배출량을 포함한 환경 영향을 평가합니다.

분석 방법:

분석에는 다각적인 접근 방식이 포함됩니다.

• 열 분석: 분석적 해법 및 CAE 시뮬레이션을 사용하여 열 전달 성능을 평가하고 최적의 핀 간격, 핀 두께 및 전체 열 저항을 결정합니다.
• 구조 분석: CAE 시뮬레이션을 통해 작동 하중 하에서 히트 싱크 설계의 구조적 무결성을 평가하여 기계적 응력을 견딜 수 있는지 확인합니다.
• 환경 영향 평가: LCA 원칙을 적용하여 환경 비용을 기준으로 설계 시나리오를 벤치마킹합니다. 여기에는 CO2 배출량을 추정하기 위해 원자재 요구 사항, 제조 에너지 소비 및 수명 종료 고려 사항을 평가하는 것이 포함됩니다.
• 비교 분석: 열 성능, 구조적 무결성, 제조 가능성 및 환경 영향을 기준으로 다양한 설계 시나리오를 비교하여 가장 지속 가능한 설계를 식별합니다.

연구 대상 및 범위:

본 연구의 주제는 산업 응용 분야의 전자 부품 냉각용으로 설계된 히트 싱크입니다. 범위는 특히 가변 속도 드라이브용 수동 히트 싱크의 에코 디자인에 초점을 맞춥니다. 설계 프로세스 및 방법론은 일반적인 히트 싱크 설계에 적용 가능한 것으로 제시되지만 이 특정 사례 연구를 통해 예시됩니다. 히트 싱크에 고려된 재료는 Aluminum A360.0-F입니다.

6. Main Research Results:

핵심 연구 결과:

본 연구에서는 에코 디자인 히트 싱크를 위한 CAD/CAE 접근 방식을 성공적으로 개발하고 시연했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.

• 분석적 및 수치적 설계 일치: 분석적 해법을 사용하여 초기 히트 싱크 매개변수를 도출했으며, 이는 CAE 열 시뮬레이션을 통해 검증되어 1.84%의 오차율로 양호한 일치를 보였습니다.
• 에코 디자인 통합: 기존의 CAD/CAE 설계 프로세스를 확장하여 환경적 고려 사항을 통합하여 성능 지표와 함께 환경 영향을 평가할 수 있도록 했습니다.
• 사례 연구 검증: 가변 속도 드라이브용 히트 싱크의 사례 연구는 제안된 접근 방식의 효과를 입증했습니다. 설계 프로세스는 열 성능과 환경 영향을 모두 고려하여 지속 가능한 히트 싱크 설계를 도출했습니다.
• 환경 벤치마크: 다양한 설계 시나리오를 환경 영향에 대해 평가하여 성능과 환경 지속 가능성의 균형을 맞추는 설계를 선택할 수 있도록 했습니다(Fig. 8 참조).

제시된 데이터 분석:

• Fig. 1은 시뮬레이션 및 제조 가능성 피드백을 기반으로 한 설계 조정의 통합을 강조하면서 히트 싱크 설계, 시뮬레이션 및 제조의 반복 단계를 보여줍니다.
• Fig. 2는 히트 싱크 수명 주기의 각 단계(제조, 사용 및 수명 종료)와 관련된 CO2 배출량을 간략하게 설명하고 제조가 주요 기여 요인임을 강조합니다.
• Fig. 3은 핀 수, 핀 간격, 핀 두께 및 재료 선택과 같은 설계 매개변수에 초점을 맞춘 ECO-Design 원칙을 제시하여 환경 영향이 적고 수명 종료 전략이 강화된 제조를 목표로 합니다.
• Fig. 4는 기존 설계 접근 방식과 확장된 에코 디자인 접근 방식을 대조하여 설계 검증 루프에 환경 벤치마크를 통합하는 것을 보여줍니다.
• Fig. 5는 20W 강제 대류 냉각 히트 싱크 설계에 대한 최적 핀 두께와 열 전달률 간의 관계를 보여주며 핀 치수에 대한 최적화 프로세스를 보여줍니다.
• Fig. 6은 PTC ProEngineer를 사용하여 생성된 히트 싱크의 3D CAD 모델로, 설계 단계에서 개발된 가상 프로토타입을 보여줍니다.
• Fig. 7은 MSC Patran의 CAE 모델 전처리 과정을 보여주며, 시뮬레이션 및 분석 설정을 나타냅니다.
• Fig. 9는 기준선 및 최종 히트 싱크 설계를 비교하여 분석 및 최적화를 기반으로 이루어진 설계 수정을 강조합니다.
• Fig. 10은 CAE 시뮬레이션에서 얻은 히트 싱크 하단의 정상 상태 온도 분포를 표시하여 열 성능을 보여줍니다.
• Fig. 11은 구조 분석에서 얻은 히트 싱크의 등가 폰 미세스 응력 분포를 제시하여 구조적 무결성을 확인합니다.
• Fig. 12는 환경 벤치마킹 및 설계 선택에 사용되는 다양한 프로파일 길이를 가진 여러 설계 시나리오를 보여줍니다.
• Fig. 13은 가공 작업에 대한 공구 및 공정 매개변수를 결정하는 데 사용되는 Sandvik CoroGuide 도구를 보여주며, 이는 제조 비용 및 배출량 추정과 관련이 있습니다.

Figure Name List:

• Fig. 1. 히트 싱크 설계, 시뮬레이션 및 제조 단계.
• Fig. 2. 히트 싱크의 수명 주기와 관련된 CO2 배출량.
• Fig. 3. ECO-Design 원칙.
• Fig. 4. 기존 설계에서 에코 디자인으로의 확장.
• Fig. 5. 20W 강제 대류 냉각 히트 싱크 설계에 대한 최적 핀 두께 대 열 전달률.
• Fig. 6. PTC ProEngineer를 사용한 3D CAD 모델.
• Fig. 7. MSC Patran을 사용한 CAE 모델 전처리.
• Fig. 8. 다중 설계 시나리오의 환경 벤치마크.
• Fig. 9. 히트 싱크: a - 기준선 설계; b - 최종 설계.
• Fig. 10. 히트 싱크 하단의 정상 상태 온도.
• Fig. 11. 히트 싱크의 등가 폰 미세스 응력.
• Fig. 12. 총 프로파일 길이를 다양하게 한 다중 설계 시나리오.
• Fig. 13. Sandvik CoroGuide 공구 및 공정 매개변수 계산기.

7. Conclusion:

핵심 결과 요약:

본 연구에서는 에코 디자인 원칙을 통합하여 산업 공학의 히트 싱크 설계를 위한 혁신적인 CAD/CAE 접근 방식을 소개합니다. 이는 환경 시나리오를 비용을 기준으로 평가하기 위한 의사 결정 루프를 통합하여 기존 설계 방법론을 확장합니다. 본 연구는 제조 기준과 배출량 추정치를 결합하는 참신성을 강조합니다. 가변 속도 드라이브 히트 싱크에 대한 사례 연구는 지속 가능성을 촉진하면서 설계 요구 사항을 성공적으로 충족하는 새로운 CAD/CAE 접근 방식의 효율성을 입증합니다. 이 접근 방식에는 분석적 해법, 3D CAD 모델링, 열 및 구조 분석을 위한 CAE 시뮬레이션, LCA 원칙을 사용한 환경 벤치마킹이 포함됩니다.

연구의 학문적 중요성:

학문적 중요성은 특히 히트 싱크에 대한 지속 가능한 제품 설계를 위한 통합 CAD/CAE 프레임워크 개발에 있습니다. 이는 열 공학과 환경 영향 평가를 결합한 구조화된 방법론을 제공함으로써 해당 분야에 기여합니다. 본 연구는 제품 수명 주기 전체를 고려하고 설계 초기 단계에 환경적 요소를 통합하는 것의 중요성을 강조합니다.

실용적 의미:

실용적으로 본 연구는 엔지니어와 제조업체가 보다 환경 친화적인 히트 싱크를 설계할 수 있는 귀중한 방법론을 제공합니다. 제안된 CAD/CAE 접근 방식을 사용함으로써 기업은 전자 제품의 환경 발자국을 줄이고 전자 폐기물을 줄이며 제품 성능을 저하시키지 않으면서 증가하는 환경 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 사례 연구는 산업 응용 분야에서 이 접근 방식을 구현하는 방법에 대한 구체적인 예를 제공합니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구에서는 향후 연구에서 제조 비용과 환경 영향을 더욱 최소화하기 위해 다기준 최적화 기술을 통합하는 데 집중할 수 있음을 인정합니다. 다양한 재료, 제조 공정 및 보다 정교한 LCA 도구를 탐색하는 것도 접근 방식을 향상시킬 수 있습니다. 향후 연구에서는 이 방법론을 다른 전자 부품 및 열 관리 솔루션에 적용하여 영향력을 확대할 수도 있습니다.

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