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소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅲ
자연대류와 강제대류 열전달 기술 개요
트랜지스터 같은 그러한 물체를 지나쳐가는 유체유동은 외부 유동이라 부른다. 그리고 내부와 같은 한정된 공간 혹은 인클로즈에서 두 개의 회로 기판 사이의 유사한 통로를 통하는 유동을 내부유동이라 부른다. 유체유동은 층류 혹은 난류로 분류한다. 난류유동은 아주 큰 열전달 계수를 유발하기 때문에 열전달 응용에서 바람직하다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
자연대류와 강제대류 열전달 기술의 개요
자연대류 열전달
저동력 전자 장치는 전통적으로 자연대류와 복사 열전달에 의해서 냉각된다. 자연대류 냉각은 아주 바람직하다. 왜냐하면 파손될 수 있는 어떤 팬도 포함되지 않기 때문이다. 자연대류는 온도차에 의해서 기인된 유체에서 밀도 차에 의한 유체 운동이다. 유체는 가열될 때 팽창되고 밀도가 적어진다. 중력장에서 이 가벼운 유체는 올라가고 자연대류 흐름이라고 불리는 운동을 시작한다.
유체가 좁은 흐름 통로를 통과하거나 많은 장애물이 있을 때 그것은 유체의 속도를 늦추는 경향이 있다. 표면과 유체 사이의 자연대류 열전달의 크기는 유체의 유동률에 직접적으로 관계된다. 자연대류에서 송풍기는 사용되지 않아 유동률을 외부적으로 조절할 수 없다. 이 경우에 유동률은 부력의 동적 평형에 의해서 형성된다. 뜨거운 표면과 그것으로부터 먼 유체 사이의 온도차가 클수록 부력은 커지고 자연대류 흐름은 더욱 강해진다. 그리고 보다 높은 열전달률이 얻어진다.
접촉하는 두 개의 물체가 언제나 서로 상대적으로 움직이고 마찰력은 운동에 대하여 반대방향의 접촉면에서 발달한다. 이 대항력은 유체의 속도를 저하시키고 유체의 유동률을 저하시킨다. 정상 상태 하에서 부력에 의해서 제공된 공기 유동률은 이들 두 효과가 서로 평형인 위치에서 형성된다. 그 마찰력은 고체 면들이 접하면 유체의 흐름과 열전달을 더욱더 혼란시킨다. TV 혹은 VTR 같이 둘러싸인 상태인 전자부품이나 혹은 PCB는 많은 충분한 수의 통풍구로 제공된 자연대류에 의해서 냉각된다.
공기냉각과 강제대류
고체표면과 유체 사이의 대류열전달은 유체의 속도에 비례한다. 속도가 높을수록 유동률은 증가하고 열전달률은 더욱 높아진다. 자연대류 흐름과 연관된 속도들은 자연적으로 낮다. 그리고 자연대류 냉각은 저용량 전자시스템에 제한되어 있다. 자연대류 냉각이 부적절할 때 간단히 팬을 추가하고 전자장비가 내장된 봉입물을 통하여 공기를 보낸다.
강제대류 냉각 전자 장치에서 복사 열전달은 보통 두 가지 이유에서 무시된다. 첫째는 강제대류 열전달은 보통 복사에 기인한 것보다 아주 높다. 그리고 복사를 고려 시 결과에서 현저한 변화가 없다. 두 번째 대류냉각 시스템에 있는 전자부품과 회로기판은 서로 너무 가까워서 거의 같은 온도수준에서 다른 부품에 의해서 둘러싸여진다. 그것은 부품들이 냉각표면의 어떤 직접적인 특징을 거의 가질 수 없다. 이것은 복사에 대하여 적은 결과를 가져오거나 혹은 부품으로부터의 복사작용은 거의 없다.
큰 냉각 표면을 가진 회로기판의 가장자리에 가까운 부품들은 복사에 의한 부가적인 냉각으로부터 다소 도움이 된다. 열적 평형 시스템을 가지는 고성능 부품에 대해 그들 위치를 고려하는 것은 좋은 설계방법이다.
전자장비의 인클로즈(enclosure)의 외부 표면으로부터 열전달이 무시될 때 공기에 의해서 흡수된 열량은 인클로즈에서 전자부품에 의해서 제거된 열량과 같아진다. 그리고 식 (1-1)과 같이 나타낼 수 있다.
(1-1)
식 (1-1)에서 Q는 공기에 대한 열 전달량이고 Cp는 공기의 비열이다. Tin과 Tout는 인클로즈의 입구와 출구에서 평균온도이고 m 는 공기의 질량유동률이다. 명기된 질량과 동력 소실에 대하여 공기가 인클로즈를 통해 흐를 때 공기온도 상승, Tout - Tin은 일정하게 남는다. 그래서 부품의 표면온도는 더욱 높아진다.
10℃에 대한 공기의 온도 상승을 제한하기 위하여 타당한 설계기법을 고려하고, 부품 표면의 최대 온도는 100℃ 이하이다. 전자박스를 냉각하기 위하여 요구된 공기의 질량흐름률은 냉각에 대한 유용한 공기온도에 의존된다. 공조실과 같은 냉각환경에서 작은 유동률은 적합하다. 그러나 뜨거운 환경에서는 부품의 과열을 방지하기 위하여 큰 유동률이 필요하고 그것과 연관된 잠재적인 문제가 대두된다.
트랜지스터 같은 그러한 물체를 지나쳐가는 유체유동은 외부 유동이라 부른다. 그리고 내부와 같은 한정된 공간 혹은 인클로즈에서 두 개의 회로 기판 사이의 유사한 통로를 통하는 유동을 내부유동이라 부른다. 유체유동은 층류 혹은 난류로 분류한다. 난류유동은 아주 큰 열전달 계수를 유발하기 때문에 열전달 응용에서 바람직하다. 그러나 그것은 큰 마찰계수에 달려있고 매우 큰 팬이나 펌프를 요구한다. 많은 실험적 연구는 큰 물체나 혹은 큰 채널을 통하여 흐를 동안 높은 속도에서 발생하는 난류경향을 보였다. 그리고 작은 점성을 동반하였다. 이들 효과는 식 (1-2)와 같은 무차원수, Reynolds 수로 표현된다.
(1-2)
식 (1-2)에서 U는 유체의 속도(m/s), D는 물체형상의 특성 길이 그리고 ν는 μ/ρ, 동점성계수(m2/s)이다. 유동이 층류에서 난류로 변하는 곳에서 Reynolds 수를 임계 Reynolds 수라 부르고 그 값은 내부유동에서 2300, 평판 위에서 500,000, 원통 혹은 구에 대하여는 200,000이다. 수력직경(hyraulic diameter)은 식 (1-3)과 같이 정의된다.
(1-3)
식 (1-3)에서 Ac는 유체 통로의 횡단 면적이고 p는 원주이다. 원형관에 대한 수력직경은 보통 직경과 동등하다. 대류열전달은 Newton의 냉각 법칙으로 식 (1-4)와 같이 나타낸다.
(1-4)
식 (1-4)에서 h는 평균대류 열전달계수(W/m2℃), As는 전열면적(m2), Ts는 표면온도(℃) 그리고 Tfluid는 외부유동에서 충분히 떨어진 유체온도 혹은 명기된 위치에서 내부유동의 평균온도(℃)이다.
열부하가 일정한 열플럭스 Q를 가진 표면 위에서 균등하게 분포되었을 때, 총 열전달은 Q로 나타낸다. 일정한 열 플럭스에 지배되는 하나의 튜브나 도관을 통한 충분히 발달된 유동에서, 대류열전달 계수 h는 일정하다. 이 경우 표면 온도 Ts와 유체온도 Tfluid는 그림 2와 같이 선형적으로 증가한다. Ts - Tfluid의 차이는 식 (1-5)와 같이 일정하게 된다.
(1-5)
표면온도 증가는 대류열전달계수에 역 비례한다.
대류열전달계수가 증가할수록 전자부품의 표면온도는 더욱 낮아진다. 유체의 출구온도 Tout가 알려졌을 때 유통채널의 끝에서 발생되는 가장 높은 표면 온도는 다음식과 같이 결정된다.
(1-6)
만약 이온도가 안전범위 이내가 아니면 유동량을 증가시키기 위하여 큰 팬을 사용해야 한다. 대류 열전달 계수 h는 무차원수, Nusselt 수(Nu)로 나타내고 식 (1-7)과 같다.
(1-7)
식 (1-7)에서, k는 열전도율이고 D는 형상의 특성 길이이다. 실험 데이터에 근거한 평균 Nusselt 수는 외부유동인 경우는 그림 2에, 균일 열 플럭스 상태의 내부유동의 경우(Re<2300)는 그림 3에 주어지고 난류유동인 경우는 식 (1-8)과 같이 Dittus-Boelter 상관으로부터 어떤 형태에 대해서나 결정한다.
(1-8)
식 (1-8)에서 Pr은 Prandtl 수(μCp/k)로 상온에서 공기에 대해서는 0.7이다. 위의 상관 식에서 내부 유동에 대해서는 유체의 상태량들은 체적평균유체온도(bulk mean fluid temperature), Tave = 0.5(Tin - Tout)에서 평가되고 그것은 튜브의 입구와 출구에서 산술평균 온도이다. 외부유동에 대해서는 막 온도(film temperature), Tfilm = 0.5(Ts + Tfluid)에서 평가한다.
팬의 선택
팬을 선택하는 데는 두 가지 중요한 고려 사항이 있다. 그 시스템의 정압 수두(static pressure head), 그것은 공기를 통과시킬 때 그것은 하나의 전자 시스템이 공기에 제공하는 총 저항이고 공기의 체적유량을 제공한다. 축류 팬은 간단하고 작고 가볍고 저가이다. 그리고 그들은 큰 유동량을 전달한다. 그러나 그들은 상대적으로 적은 압력수두의 시스템에 적당하다. 또한 축류 팬은 고속으로 운전하면 소음이 발생한다.
레이디얼 팬(radial fan) 혹은 원심 팬은 상대적으로 낮은 속도에서 높은 정압 수두를 가지고 시스템에 적당한 유동률을 공급할 수 있다. 그들은 크고 무겁고 더욱 복잡하다. 그리고 축류 팬보다 고가이다. 팬의 성능은 특성곡선이라 불리는 일련의 곡선으로 나타내고 그것은 기술자가 팬의 선택을 하기 위하여 팬 제작자에 의해서 제공된다. 팬에 대한 공기의 유동률에 대하여 대표적인 시스템 유동저항 곡선과 함께 전형적인 정압수두가 그림 4에 주어졌다.
팬은 열 유동률에서 가장 높은 압력수두를 증가시킨다. 이것은 엔크로즈의 출구통풍구가 차단된 제한된 경우에 상응한다. 유동률은 정압수두의 감소와 함께 증가한다. 팬이 유통저항이 없을 때 최대 값에 도달한다. 어떤 전자 엔크로즈가 유동에 대하여 어떤 저항을 제공한다. 그 시스템 저항 곡선은 포물선이 된다. 그리고 압력 혹은 그것의 저항에 기인하여 압력손실이 유동률의 제곱에 비례한다. 팬은 엔크로즈를 통하여 유동을 유지시키기 위하여 이 저항을 극복해야 한다.
강제대류 냉각 시스템의 설계는 총 시스템 특성화 곡선의 결정을 요구한다. 이 선도는 다른 유동률에서 정압강하를 계측함으로써 정확하게 만들 수 있다. 그것은 또한 압력저하 평가에 의해서 결정된다. 하나의 팬은 그 팬의 정압선도와 시스템 정압선도가 교차하는 점에서 운전한다. 한 팬은 시스템에 대하여 낮은 유동저항을 가진 시스템에 높은 유동률을 제공한다. 시스템의 열 부하 설계와 공기의 허용온도 상을 이용하여 한 시스템에 대한 요구된 공기 유동률은 열전달 조건 단독으로부터 결정할 수 있다. 이 유동률에서 시스템의 유동 저항은 해석적이나 실험적으로 결정할 수 있다.
유동률과 필요한 압력 수두를 알고 제작자의 카타로그로부터 팬을 선정하기가 쉽다. 다음은 전자 시스템의 강제공기 냉각과 연관된 몇 가지 일반적 가이드라인이다.
1). 강제공기 냉각을 결정하기 전에 자연대류 냉각이 적절한 지를 결정하라.
만약 저동력 시스템인 경우 그것을 포함하고 팬과 연관된 모든 문제를 피하라. 예로 단가, 동력소비, 소음, 복잡성, 유지비 그리고 가능한 고장 등과 같다.
2). 너무 작지도 않고 너무 크지도 않은 것을 선정하라. 하나의 소형 팬은 전자시스템을 과열시키고 실패를 야기시킨다. 하나의 너무 큰 팬은 분명히 부적절한 냉각을 제공한다. 그러나 그것은 불필요하게 커져서 더욱 고가가 되고 더 많은 동력을 소비한다.
3). 만약 팬 모터에 의한 소모된 전력에 기인하여 공기의 온도 상승은 수용한다.
4). 공기 통풍의 위치와 크기, 전체 박스를 통하여 적당한 공기흐름. 그 면적에서 통풍구의 크기를 확대함으로써 더 많은 공기는 어떤 면적에 유도할 수 있다. 총 배출면적은 입구 유동면적만큼 커야 하고 공기 유동의 막힘은 피해야 한다. 그것은 공기 유동을 감소시킬 수 있다.
5). 가장 중요한 전자 부품은 입구 근처에 배치해야 가장 시원하다. 동력을 많이 소비하는 중요하지 않은 부품은 출구 가까이에 배치하라.
6). 박스 내에서 회로기판과 전자부품을 정돈하라. 공기 유동에 대한 박스의 저항을 최소화하고 같은 속도에서 박스를 통한 공기의 유동은 최대화 된다. 운전 동안 뜨거운 공기 포켓이 없음을 확인하라.
7). 높은 고도의 이용에서 고도의 효과를 고려하라.
8). 불필요한 모서리, 급격한 회전, 급팽창과 수축, 그리고 아주 높은 속도(7m/s 이상) 등과 같은 시스템의 유동저항을 증가시키는 어떤 부분들은 피하라. 유동저항은 거의 유동률에 비례한다. 또한 아주 낮은 속도를 피하라. 왜냐하면 이들은 빈약한 열전달 성능을 야기시키고 공기 중의 오염물질과 먼지를 전자부품 위에 가라앉힌다.
9). 유동로를 방해하는 대신에 강제대류를 피하고 자연대류와 같은 시스템을 마련하라. PCB들을 수직으로 설치하라. 그리고 부근의 다른 통로 대신에 공기를 밑으로부터 상부로 공급하라.
10). 설계가 두 개 혹은 그 이상을 요구할 때 팬을 평행 혹은 연속적인 설치에 대한 결정이 필요하다. 연속적으로 설치된 팬들은 유용한 압력수두를 증대시킨다. 높은 유동저항과 함께 시스템을 적합화시켜라. 병행으로 연결된 팬은 공기의 유동률을 증가시키고 그리고 작은 유동저항으로 시스템에 가장 잘 부합된다.
퍼스널 컴퓨터의 냉각
가장 최초 초소형 처리장치인 4004 칩의 소개는 1970년 초기에 인텔사에 의해서 계산기 그리고 세탁기에서부터 컴퓨터까지 소비상품에서 전자시대의 시작을 가져왔다. 퍼스널 컴퓨터의 중추인 초소형 처리장치는 기본적으로 DIP 형 LSE 패키지이고 중앙연산장치(CPU), 메모리, 그리고 몇 가지 입/출력 용량을 포함한다. 대표적인 탁상용 퍼스널 컴퓨터는 머더보드에 연결된 소수의 회로기판으로 구성되고 그것은 초소형 처리장치 그리고 메모리 칩을 내장한다. 그것은 디스크와 CD-ROM 드라이브를 내장한다. 이 매직(magic) 박스에 연결은 모니터, 키보드, 프린트 그리고 다른 보조 장치들이다. 그림 5와 같이 그 PCB들은 통상적으로 보다 좋은 냉각을 위해서 마더보드에 수직으로 설치된다.
팬은 보통 전자부품을 냉각하기 위하여 섀시 후부나 혹은 측면에 위치한다. 거기에는 또한 공기 순환을 용이하게 하는 미늘창과 개구가 측면 표면에 있다. 그러한 개구는 표면 위에는 위치하지 않는다. 왜냐하면 많은 사용자가 책이나 다른 물건을 놓음으로써 통로를 막기 때문이다. 그것은 안전을 위협하고 시스템을 손상시킬 수 있다.
기본 이론
열전달 관점에서 그 통풍구들은 유체저항을 최소화가 가능할 정도로 커야 되고 공기의 주입을 위해 케이스의 바닥에 그리고 공기의 배출을 위하여 상부에 위치해야 한다. 통풍구는 보통 공기 입구에 대하여 측면 혹은 뒷면 아래 부분에 위치하고 공기 배출로 면적의 상부에 위치한다. 온도 T에서 표면으로부터 유체온도 Tfluid에 대한 대류에 의한 열전달은 식 (1-9)와 같이 나타낸다.
(1-9)
hconv는 대류열전달계수이고 A s는 전열면적이다. 대류 열전달 계수 h conv는 전열면의 형상과 유체유동의 형태에 의존된다. 자연대류 흐름은 층류유동으로부터 시작된다. 그리고 물체의 크기나 뜨거운 표면과 유체 사이 온도차가 클 때 난류로 바뀐다. 공기에 대하여 포함된 온도차가 100℃ 이하일 때, 유동은 층류로 남는다. 물체의 특성길이는 0.5m 이하이고 그것은 전자장비에서 거의 항상 일정하다. 그래서 전자장비의 해석에서 공기흐름은 층류라고 가정할 수 있다. 대기압에 대한 공기의 층류흐름에 대한 자연대류 열전달계수는 다음과 같이 간략화된 식 (1-10)으로 주어진다.
(1-10)
식 (1-10)에서 △T(Ts-Tfluid)는 표면과 유체 간의 온도차이다. L은 특성길이, K는 상수이고 그 값은 물체의 형상과 배치에 의존된다. 그림 6에서 주어진 열전달계수는 전자장비에서 만나는 일반적인 형상에 적용된다. 이들 관계로부터 대류열전달계수(hconv)가 결정되면 열전달률은 식 (1-11)로 결정할 수 있다. 그림 6에서 관계들은 P를 곱함으로써 1보다 다른 압력에서도 사용할 수 있다. 식 (1-11)에서 P는 대기 압력에서 공기의 압력이다.
(1-11)
일반적으로 복사 열전달량의 크기는 자연대류열전달에 비교할 수 있다. 이것은 특별히 플라스틱과 채색된 표면과 같이 그것의 방사력이 1에 접근하는 경우이다. 복사열전달은 다듬어진 금속 표면에 대해서는 무시할 수 있다. 왜냐하면 그들은 같은 온도에서 표면으로 둘러싸인 물체들에 대해서 아주 낮은 방사력을 가지기 때문이다. 온도 Tsurr에서 아주 큰 표면으로 완전히 둘러싸인 표면온도 Ts사이에서 복사열전달은 다음 식으로 나타낼 수 있다.
(1-12)
식 (1-12)에서, ε은 표면의 방사율, A는 전열면적이고, σ는 Stefan-Boltzmann 상수(σ=5.67×10-8 W/m2), 그리고 K4=0.1714×10-8Btu/hft2R4이다. 이는 냉각기 표면으로 둘러싸인 뜨거운 표면의 부분이다. 그 view factor의 수치는 0으로부터 1의 범위이다. 예비 해석에서 그 표면은 보통 완전히 하나의 단순한 가정적인 표면으로 둘러싸이고 그것의 온도는 주위 표면의 평균온도와 같다. 저동력 PCB의 배열은 종종 상부에 적당한 개구와 하부에 공기흐름을 조장하는 개구를 가진 섀시 내에 장비된 것들에 의해서 자연대류로 냉각된다. PCB들 사이의 공기는 전자장비에 의해서 가열될 때 상승한다. 그리고 아래로부터 들어오는 냉각기 공기로부터 교체된다. 이것은 평행한 흐름 통로를 통하여 자연대류 흐름으로부터 시작되고 PCB에 의해서 형성된다. 그 PCB는 자연대류 흐름을 이용하여 수직으로 설치되어야 한다. 그리고 에어포켓을 최소화해야 한다.
유용한 캐비닛 간격을 너무 가까이 설치하면 저항이 증가하기 때문에 유동을 폐쇄하는 경향이 있다. 그래서 PCB 사이에는 최적의 간격을 유지해야 한다. 그것은 PCB 사이에 2cm의 간격이 알려져 있고 이는 유효한 자연대류 냉각을 위하여 적당한 공기 흐름을 제공한다. PCB의 열전달 해석에서 복사 열전달은 무시한다. 왜냐하면, 부품의 구조는 다른 열발생 부품들에 의해서 크게 차단되기 때문이다. 그 결과로 뜨거운 부품표면은 차거운 표면 대신에 다른 뜨거운 면에 접한다. 예외는 섀시의 끝에 냉각 측 표면을 바라보는 두 개의 PCB가 있는 경우이다. 그래서 복사에 의해 제공된 부가적인 냉각을 이용하는 섀시의 벽에 접하고 있는 PCB 위에 어떤 고성능 부품을 탑재하는 것이 현명하다. 약 5W를 소산하는 회로판은 자연대류에 의해서 효과적으로 냉각할 수 있다. PCB로부터 열전달은 한 측면에 균등한 열원을 가지고 다른 측면은 단열된 직사각판으로 그들을 취급하여 계산할 수 있다. 왜냐하면 PCB의 뒷면으로부터 열전달은 PCB에 대하여 작고 양측에 전자 부품이 장착되기 때문이다. 그 열전달률과 전열면 적은 두 배로 크다.
자연대류 흐름이 단지 중력장에서 발생됨을 고려해야 한다. 그래서 공간 내에서 자연대류에 의한 열전달은 없다. 이것은 공기통로가 방해되고 뜨거운 공기가 융기하지 않는 경우이다. 대류에 의한 공기의 운동과 열전달은 없다. 자연대류에 의해 뜨거운 표면으로부터 열전달, 복사 열전달은 표면에 대하여 핀을 부착함으로써 강화될 수 있다. 이 경우 열전달은 제작자로부터 공급된 데이터로 결정될 수 있다.
연구 동향
Abdul Heem는 개별적인 열 발생 격판을 가진 정 사각 케비티(cavity)에서 부력으로 유발된 대류에 대한 2차원 수치해석으로 전자장비의 냉각 문제를 다루었다. 케비티의 벽들은 열적온도나 상부로의 동등한 열 플럭스에 지배를 받는다. Grashof 수 그리고 Prandtl 수는 106 그리고 0.71로 고정하였다. 격판의 다른 위치의 효과는 유선과 온도 윤곽으로 나타내었다.
수평 혹은 수직 판의 모멘텀은 그들 중의 하나가 등온 케비티 벽이 존재에 하는 것을 제외하고는 총체 열전달률을 중요하게 변화시키지 않았다. 등온 케비티 벽의 경우에서 총체 열전달 률은 수평 격판의 상부로 억압되게 된다. 그리고 케비티의 중심영역에서 수직격판의 수평운동을 강화한다. 격판 중의 하나가 케비티 벽의 열적 경계층에 가까워질 때 그리고 등온 케비티 벽의 경우에서 전도는 그들 사이에서 지배적이다.
물리적 모델과 좌표는 그림 7에서 설명하고 있다. 모델은 2차원 정사각 케비티로 측면의 길이는 L, 그리고 높이는 H이다. 격판은 라이소스로 처리하였고 생성된 열량은 q”이다.
그림 8은 격판이 케비티의 중점에 위치(D1=D2=0) 할 때, 등온과 유선을 나타낸다. 두 개의 대립한 회전 순환은 강한 소용돌이와 약한 소용돌이를 형성하고 있다. 수평 격판의 여러 가지 위치에 대하여 등온 유선의 변화를 그림 8에 나타내었다. 중심 영역(-0.25≤D1≥0.25)에서, 수평격 판의 상부 움직임은 가장 중요한 소용돌이들이 형성되는 활동영역을 축소하였고, 총체적인 Nusselt 수가 계산되었다.
ITBC(isothermal heated baffle) 경우에서 그들 중의 하나가 벽에 올려지는 것을 제외하고는 수평 혹은 수직 격판 어느 쪽의 움직임도 총체적인 열전달률을 나타내지 못했다. 수평 격판이 바닥 벽에 아주 가깝거나 혹은 수직 격판이 측면 벽에 아주 가까울 때 총체 열전달률은 그것의 최고 값에 도달하였다.
Huzayin 등은 전자장치의 복합열원 시뮬레이션의 배열에 대한 실험적 연구를 하나의 단일 열 공기 제트에 대하여 수행하였다. 다른 저동력 배열은 그 공기 제트로부터 소비된 공기흐름에 의해서 냉각되었다. 그 실험적 연구는 2상에서 수행되었다. 첫 상에서 배열의 각 블록은 동시에 가열되고 다른 블록의 배열은 비 가열이 유지된다. 하류의 블록들에 대한 열적 후류 효과와 가열된 각 불록의 Nusselt 수가 연구되었고 제트의 Reynolds 수의 다른 값과 제트 인핀징에 관한 블록의 위치와 오리피스와 인핀징 표면 사이의 이탈거리에 상관되었다. 중첩 기술이 현재의 상관식에 실제적으로 중요함을 설명하기 위하여 수행되었다. 이 상은 중첩기술을 입증하기 위하여 유지되었다.
실험 장치: 실험장치의 도식적 선도를 그림 10에서 나타낸다. 공기는 공기 저장 탱크를 통해 압축기로부터 그리고 건조되고 테스트 섹션의 여과된 상부흐름으로 공급된다.
실험조건들:
각 블록의 전력 밀도 0.2W/cm2
공기의 Reynolds 수 500 ~ 25,00
무차원 틈새거리(오리피스와 블록 사이의 틈새 H/블록의 두께 B) 2 ~ 8
온도증가: 그림 11은 블록 M0 만이 가열하고 M1, M2, M3 그리고 M4는 비 가열되는 경우 활동열의 블록 온도증가를 다른 Reynolds 수와 틈새거리(H/B)에서 나타내고 있다. 그림 12는 블록 M0, M1, M2, M3 그리고 M4가 다른 Reynolds 수와 틈새거리(H/B=5)에서 동시에 가열되지 않을 때의 온도 분포를 나타낸다. 그림 12에서 X=0.25 아래에서는 거의 일정하다. 이것은 제트의 탓이고, 제트가 벽의 영역에서 소비한 유동이 감속시킨 것으로 생각된다.
정체 Nusselt 수; 그림 13은 블록 M0에서 정체 Nusselt 수의 변화이다. Reynolds 수>1500, H/B=5에서 정체 Nusselt 수는 최대이고, Re>1500 경우는 H/B=3에서 최대이다. 이것은 정체 Nusselt 수가 다른 연구자(D. H Lee) 등의 연구 결과와 부합하는 것으로 생각된다.
그림 12는 상관식 (1-13)과 ±8% 내에서 정체 Nusselt 수와 부합됨을 나타낸다.
(1-13)
그림 14는 블록 M1, M2, M3 그리고 M4의 Nusselt 수를 상관 식 (1-14)을 비교한 것으로 계산 값과 ±15% 범위에서 부합한다.
(1-14)
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제목: 소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅲ
