다양한 유형의 리브와 콘을 갖춘 마이크로채널 히트싱크의 성능 개선 및 열역학적 평가

Nov 12, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10802(2022) 이 기사 인용

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본 연구의 목적은 열역학 제1법칙과 제2법칙을 기반으로 수치 시뮬레이션을 통해 마이크로채널 히트싱크의 성능을 조사하는 것입니다. 직사각형 마이크로채널 방열판의 열 전달 및 흐름 특성은 6가지 유형의 표면 강화제를 추가하여 개선되었습니다. 단면에는 직사각형, 삼각형, 육각형 모양의 리브와 원뿔이 포함됩니다. 원뿔은 베이스에 직교하는 45° 각도로 제도하여 동일한 리브 단면으로 만들어졌으며, 이는 압력 강하를 크게 줄일 것으로 예상됩니다. 리브와 콘의 성능은 마찰 계수, 벽 전단 응력, 엔트로피 생성 속도, 증가 엔트로피 생성 수, 열 저항 및 열 에너지 전달 효율과 같은 다양한 매개변수를 사용하여 평가되었습니다. 본 연구의 결과는 45° 각도의 원뿔의 새로운 효과가 마찰 손실을 감소시키는 것으로 나타났습니다(최대 압력 강하 감소는 85%). 열적 거동에 대한 절충안이 나타났습니다(감소된 최대 Nusselt 수는 25%입니다). 마찬가지로, 코닝을 적용하면 벽 전단 응력과 마찰 계수가 크게 감소하여 펌핑 전력 요구 사항이 감소할 수 있습니다. 또한 삼각형 리브는 직사각형 및 육각형 리브보다 열에너지를 전달하는 능력이 더 높습니다. 또한, 본 연구에서는 삼각형 리브의 총 엔트로피 발생률 경향이 Re = 400까지 감소한 다음 계속 증가하는 것으로 조사되었으며, 이는 낮은 레이놀즈 수에서 마찰 손실보다 열 손실이 더 크다는 것을 의미합니다. 그러나 특히 삼각형 리브에서 와류 생성이 발생하는 높은 레이놀즈 수에서는 마찰 손실이 열 손실보다 지배적입니다.

집적 회로의 계속되는 기술 발전으로 인해 최소 크기1,2,3,4,5에 무거운 회로가 축적되어 열 유속이 증가하게 되었습니다. 결과적으로 전통적인 방식이 아닌 효율적인 냉각 기술이 요구되었습니다. 마이크로 전자기계 시스템 분야의 급속한 발전으로 인해 연구자들은 새로운 마이크로 냉각 기술을 개발하게 되었습니다. 이전에는 마이크로 히트 파이프, 마이크로 전기 유체 역학 및 마이크로 채널 히트 싱크를 포함한 수많은 기술이 개발되었습니다6. 이러한 기술 중에서 MCHS(Microchannel Heat Sink)가 가장 효율적인 것으로 입증되었습니다. 이 연구는 1981년 Tuckerman과 Pease7에 의해 처음으로 실리콘 마이크로채널 방열판의 열 전달을 보여주기 위해 수행되었습니다. 이 연구는 주로 790W/cm2의 속도로 열을 제거하는 마이크로채널 방열판의 능력에 중점을 두었습니다. 그들은 방열판에 의해 제공되는 체적 표면에 대한 더 넓은 면적이 열 효율을 크게 증가시켰다는 것을 설명했습니다. 마이크로채널 방열판은 단상 액체 흐름을 통합한 가장 진보된 열 교환 기술입니다. 단상 액체 흐름을 위한 마이크로 채널의 응용 분야는 전자 장치 냉각 목적, 항공 우주 기술 및 레이저 기술을 사용하는 공정 장비입니다8.

그 이후로 마이크로채널 방열판에 대한 필요성이 증가함에 따라 매끄러운 직사각형 마이크로채널의 열 흐름 패턴을 조사하기 위해 수많은 실험 및 수치 연구가 수행되었습니다. MCHS의 열 성능을 향상시키는 데에는 마이크로 채널을 통한 압력 강하와 같은 제한 사항이 있어 펌핑 전력 소비 및 누출 위험이 증가합니다. 또한, 채널의 크기가 작기 때문에 선형 영역에서 유동이 강직하게 되어 불규칙한 유동에 비해 성능이 저하됩니다. 부하 열의 지속적인 증가와 전자 부품의 온도 측정에 대한 세심한 요구로 인해 선형 기본 채널은 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 결과적으로, 연구의 초점은 마이크로 채널의 열 전달 성능을 향상시키기 위해 활용될 수 있는 수동적 방법과 기술로 전환되었습니다. 예를 들어 Steinke와 Kandlikar9는 미세 채널의 열 흐름을 향상시키는 데 유용할 수 있는 몇 가지 기술을 제안했습니다. 언급할만한 가치가 있는 기술 중 하나는 혼합의 흐름을 향상시키기 위한 혼합 기능을 통합하고, 단편화된 구조를 사용하여 국부적인 열 전달 계수를 높이기 위해 경계면을 파손시키는 것입니다.