Thermo-economic optimization for the advanced material selection of fins and heat sinks1. 개요:

1. 개요:

• 제목: Thermo-economic optimization for the advanced material selection of fins and heat sinks
• 저자: Hulusi Delibaş, İbrahim Halil Yılmaz
• 발행 연도: 2025년 2월
• 발행 학술지/학회: Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, Volume 208, 110109

2. 연구 배경:

핀(fins)과 히트싱크(heat sinks)는 열을 효율적으로 제거하기 위해 널리 사용되는 열 요소입니다. 효율적인 열 제거는 낮은 비용으로 이루어져야 하며, 핀 프로파일, 재료 특성, 표면 특성, 원자재 비용 및 제조 비용은 경쟁력 있는 재료를 선택하는 데 중요한 요소입니다.

기존 연구는 특정 재료 또는 제조 공정에 초점을 맞추거나, 열전도율만을 고려하는 경향이 있었습니다. 따라서 열전도율과 비용을 동시에 고려하는 종합적인 접근 방식이 필요합니다. 또한, 최근 마이크로일렉트로닉스 기술의 발전으로 열 플럭스 제거율이 1 kW/cm²까지 증가하는 추세이며, 기존의 공랭식 시스템으로는 이러한 수요를 충족할 수 없어 액체 냉각 시스템이 필요해지고 있습니다.

기존 연구들의 한계점은 다양한 핀 구성과 재료에 대한 포괄적인 비교가 부족하고, 제조 공정 비용을 고려하지 않거나, 재료 지수 제시 없이 연구가 진행된 점입니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적: 핀과 히트싱크의 재료 선택을 위한 열역학적 및 경제적 최적화 방안을 제시하고, 제조 공정을 고려한 종합적인 접근 방식을 개발하는 것입니다.
• 핵심 연구 질문: 핀과 히트싱크에 최적의 재료와 제조 공정은 무엇이며, 이를 선택하기 위한 효과적인 지표는 무엇인가?
• 연구 가설: 열전도율이 높고 제조 비용이 낮은 재료와 공정을 선택하면 열 제거 효율이 높아지고 전체적인 비용이 감소할 것이다.

4. 연구 방법론:

• 연구 설계: 
  • 4223개의 후보 재료와 146개의 제조 공정, 그리고 5가지 일반적인 핀 프로파일을 고려하여 열역학적 및 경제적 최적화를 수행하는 연구 설계를 채택했습니다.
• 데이터 수집 방법: 
  • 문헌 연구를 통해 재료 특성, 제조 공정 비용, 열전달 특성 등에 대한 데이터를 수집했습니다.
  • Granta CES EduPack 소프트웨어를 이용하여 재료 데이터를 분석했습니다.
• 분석 방법: 
  • 두 가지 새로운 재료 지수를 제시하여 핀과 히트싱크 재료를 선택하기 위한 가이드라인을 제시했습니다.
  • 비용 모델을 사용하여 제조 공정을 비교하고, 다양한 핀 프로파일의 생산 특성을 조사했습니다.
• 연구 대상 및 범위: 
  • 4223개의 후보 재료, 146개의 제조 공정, 5가지 핀 프로파일, 그리고 다양한 열전달 특성 및 비용 데이터를 분석했습니다.

5. 주요 연구 결과:

• 핵심 발견사항: 
  • 두 가지 새로운 재료 지수를 개발하여 핀 및 히트싱크 재료 선택에 대한 가이드라인을 제공했습니다. 직선형 핀이 핀핀 핀에 비해 경제적으로 약 8배 더 효율적이라는 것을 밝혔습니다.
  • 열간 및 냉간 성형 공정을 통해 90.2~98.1% 향상된 열전도율을 얻을 수 있음을 확인했습니다.
  • 열간 개방형 다이 단조 공정이 다른 공정 중에서 가장 낮은 상대 비용 지수를 나타냈습니다.
  • 베릴리아 합금과 질화알루미늄이 접촉형 히트싱크에 적합한 재료임을 확인했습니다. (60-330 W/m·°C 열전도율)
• 통계적/정성적 분석 결과: 
  • 다양한 재료와 제조 공정에 대한 비용 및 성능 분석 결과를 표와 그림으로 제시했습니다. (Figure List and Description은 논문의 그림과 표를 참조)
• 데이터 해석: 
  • 제시된 재료 지수와 비용 모델을 통해 최적의 재료 및 제조 공정을 선택하는 방법을 제시했습니다.
  • 다양한 핀 프로파일과 제조 공정에 따른 열전도율과 비용의 상관관계를 분석했습니다.
• Figure List and Description: 
  • 논문에 제시된 그림과 표에 대한 자세한 설명은 논문을 참고해야 합니다.

6. 결론 및 논의:

본 연구는 핀과 히트싱크의 재료 선택을 위한 두 가지 새로운 재료 지수를 제시하고, 열전도율과 비용을 동시에 고려한 최적화 방안을 제시했습니다. 직선형 핀이 핀핀 핀보다 경제적으로 훨씬 우수하며, 열간 및 냉간 성형 공정이 열전도율 향상에 효과적임을 확인했습니다. 베릴리아 합금과 질화알루미늄은 접촉형 히트싱크에 적합한 재료로 나타났습니다. 본 연구는 열전달 및 경제적 분석을 결합하여 핀 특성과 적용 가능한 제조 공정을 최적화하는 비용 효율적인 고급 재료 선택 방법을 제시합니다. 이 연구는 열 시스템 설계 및 제조에 대한 실질적인 시사점을 제공합니다. 그러나 본 연구는 특정 범위의 재료와 제조 공정에 국한되어 있으며, 향후 더 광범위한 연구가 필요합니다.

7. 향후 연구 제언:

• 후속 연구는 더욱 다양한 재료와 제조 공정을 고려하여 연구 범위를 확장할 필요가 있습니다. 다양한 냉각 유체를 고려한 연구도 필요합니다.
• 실제 응용 환경에서의 성능 검증 연구가 필요합니다. 실험적 검증을 통해 시뮬레이션 결과의 정확성을 확인해야 합니다.
• 본 연구에서 제시된 재료 지수의 정확성 및 일반화 가능성에 대한 추가 연구가 필요합니다.

8. 참고문헌 요약:

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• Global Heat Sinks Market Outlook. Retrieved Nov 8, 2024, from...

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저작권 및 참고 자료

본 자료는 Hulusi Delibaş와 İbrahim Halil Yılmaz의 논문 "Thermo-economic optimization for the advanced material selection of fins and heat sinks"를 기반으로 작성되었습니다.

논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.cep.2024.110109

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