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Experimental study on heat transfer enhancement using a flow-induced self-oscillating microfin array = 유동에 의해 자가진동하는 미소휜 배열을 이용한 열전달 향상에 관한 연구
서명 / 저자 Experimental study on heat transfer enhancement using a flow-induced self-oscillating microfin array = 유동에 의해 자가진동하는 미소휜 배열을 이용한 열전달 향상에 관한 연구 / Jeung-Sang Go.
저자명 Go, Jeung-Sang ; 고정상
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2001].
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Advanced computers are facing thermal engineering challenges from both high heat generation and reduction of the available heat removal surface area. In the absence of the proper heat removal, the working temperature of electronic components may exceed the required temperature level, which in turn increases the system failure rate. Hence, the employment of a high performance computing system requires efficient and compact cooling technology to provide reliable system operation In this paper, a microfin array heat sink using the flow-induced vibration of a microfin array was experimentally investigated to quantify its effect on heat transfer enhancement in the laminar flow regime. Based on the numerical analysis of a vibrating single microfin, the heat pumping model was developed to understand the heat transfer mechanism of the microfin array heat sink. The heat transfer enhancement was considered to be possible by the rigorous mixing of the fluid resulted from the microfin vibration. Under the structural constraints and fabrication limit, the maximum heat transfer rate was obtained at the intersection of the minimum thickness of the microfin and the constraint on the bending angle. It was also determined that the maximum heat transfer rate changed with the air velocity. The quantitative characterization of the flow-induced vibration of the microfin was determined experimentally, which was totally different from the flow-induced vibration of the meso-scale structures. Due to insufficient information on the vibrating frequency and displacement, the microfin flow sensor was fabricated. The flow-induced vibration of the microfin was visually observed by using a high-speed motion analyzer. From the experimental results of the microfin flow sensor, it was determined that the microfin vibrates with the fundamental natural frequency regardless of the air velocity and the second mode vibration occurs over a certain air velocity. Also, the vibrating displacement of the microfin is not constant and increased with increasing air velocity. Saturation of the vibrating displacement occurs, which is resulted from the appearance of the second mode vibration. Based on the comparative evaluation of the thermal performance, it was determined that the heat transfer enhancement in laminar flow regime is possible using the flow-induced vibration of a microfin array. A microfin array heat sink was fabricated by using the bulk-micromachining technology. The microfin array was initially deflected due to the built-in residual stress difference in two dissimilar thin films, which is essential for the flow-induced vibration. For comparative study, the various roughness element heat sinks such as a plain wall heat sink, a transverse slit heat sink, a parallel slit heat sink and pin fin heat sink were also fabricated with the same material of the microfin array heat sink. The thermal resistance of the microfin array heat sink was experimentally evaluated for different air velocities and compared with those of the roughness element heat sinks. It was determined that the increase in an air velocity from 3 m/s to 6 m/s provides a larger vibrating displacement of the microfin and this in turn improves the heat transport capability of the microfin array heat sink. Especially, for a fluid velocity of 6 m/s, the thermal resistance of the microfin array heat sink is measured to be 4.83℃/W and that of the plain-wall heat sink to be 5.32℃/W, which indicates a 9.2 % cooling enhancement. The thermal resistance of the slit-parallel heat sink is decreased by 2.63 %. Also, the microfin array was removed from the heat sink and its thermal performance was compared to that of the plain heat sink. It was shown that the increased surface area due to the microfin array did not affect the heat transport rate. As a result, it was determined that the flow-induced vibration of the microfin array heat sink plays a key role in enhancing the heat transfer rate in laminar flow regime. Findings of this study clearly showed the possibility of improving the heat transfer rate by the hydrodynamic mixing in laminar flow, which was thought to be very difficult when the size of the structure is smaller than the boundary layer thickness. The most significant contribution lies not only in the quantitative findings of itself but also in shedding light on further research works associated with the flow-induced vibration of a microfin array.

최근 컴퓨팅 시스템은 고성능화 및 고집적화에 따라 단위면적 당 발열량이 급격하게 증가하였고, 또한 소비자들의 포터블(portable) 시스템 요구와 함께 시스템이 경박, 단소화되면서 열을 발산하는 발열면적이 현저하게 감소하는 기술적 추세를 보이고 있다. 따라서 적절하게 열을 발산시키는 냉각시스템이 없다면 전자소자의 정션(junction)온도를 증가시켜, 결과적으로 시스템의 작동을 멈추게 하는 문제를 야기시킨다. 그러므로, 고성능 컴퓨팅 시스템의 채택은 시스템의 안정된 동작을 위해 효과적이고 냉각 시스템을 요구한다. 본 연구에서는 강제대류 냉각이 이용되는 히트씽크의 냉각성능을 향상시키기 위해 층류유동에서 열전달 향상 메커니즘으로 유동에 의해 자가진동하는 미소휜 배열(microfin array)을 이용하여 열전달 향상시키는 정량적인 실험연구를 수행하였다. 먼저, 유체와 미소 구조물의 진동이 커플(couple)된 경우, 유체유동 및 열전달에 관한 이론적 해석은 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 단일 미소휜의 진동에 관한 수치적 해석을 통해 미소휜 배열을 이용한 열전달 향상 메커니즘(mechanism)을 이해하기위해 열펌핑(heat pumping) 모델이라는 열전달 모델을 제안하였다. 미소휜 히트씽크의 열전달 향상은 미소휜 배열의 진동에 의해 발생하는 체적을 변화에 의해 얻어졌다. 또한, 제작의 한계 및 구조물의 제한조건이 주어진 경우, 최대 열전달 향상은 미소휜의 변형각 제한 조건과 최소 미소휜 두께의 교차점에서 얻어졌으며, 이러한 교차점은 유체의 유속에 따라 변함을 볼 수 있었다. 미소휜의 유체유동에 의한 진동은 기존에 유체에 의해 자가진동하는 구조물에 관한 동특성과는 전혀 다른 동적거동을 보였고, 이를 실험적으로 정량화하기 압저항형 센서가 장착된 미소휜 유동센서를 제작하였다. 먼저 미소휜의 유동에 의한 자가진동을 확인하기위해 고속 카메라를 이용하여 관찰한 결과, 유체의 유동이 가해짐과 동시에 미소휜이 진동하는 것을 관찰하였고 또한 유체의 유속이 증가함에 따라 미소휜의 진폭이 증가함을 볼 수 있었다. 그러나 카메라 성능의 한계로 인해 진동수 및 진폭은 정량적으로 측정할 수 없었다. 미소휜의 동특성에 관한 정량적 측정은 미소휜 유동센서로부터 파워스펙트럼 분석과 최고전압의 측정을 통해 얻어졌다. 유동에 의해 자가진동하는 미소휜의 진동수는 유체 유속에 관계없이 미소휜의 구조물 공진주파수와 동일하였으며, 어느정도 이상의 유속에서는 2차모드의 진동이 발생하였다. 또한 유속이 증가함에 따라 미소휜의 진폭은 증가하지만, 계속적으로 증가하지 않고 수렴해가는 것을 볼 수 있었다. 이러한 진폭의 수렴은 2차모드의 발생으로 인해 야기된 것으로 판단되었다. 유동에 의해 자가진동하는 미소휜 배열을 이용하여 층류유동에서 열전달 향상이 가능하다는 것을 보이기 위해 MEMS공정을 이용하여 미소휜 히트씽크를 제작하였고, 열성능을 평가하기 위해 히트씽크의 열저항을 측정하였다. 제작된 미소휜 히트씽크는 유체에 의해 자가진동하는 현상을 일으키기 위해 미소휜을 구성하는 박막의 잔류응력 구배를 이용하여 윗방향의 초기변형을 가지도록 제작하였다. 또한, 평면히트씽크(a plain wall heat sink), 유동에 수직한 방향으로 표면조도를 조절한 히트씽크(a transverse slit heat sink), 유체유동에 수평하도록 표면조도를 조절한 히트씽크(a parallel slit heat sink) 및 두가지 효과를 동시에 고려한 히트씽크(a pin fin heat sink)를 제작하여 열성능 비교시험을 수행하였다. 유체의 유속증가 및 히트씽크 종류에 따라서 각 히트씽크의 열저항 측정을 수행하였다. 미소휜 히트씽크의 경우, 유속증가에 의한 미소휜 배열의 유동에 의한 진폭이 증가함에 따라 열성능이 급격하게 향상되는 결과를 얻었다. 또한 열전달 향상에 미치는 미소휜 배열의 진동 효과를 보기위해 미소휜 히트씽크로부터 미소휜 배열을 제거하고 평면히트씽크와 열성능을 비교한 결과, 열성능 향상에 미소휜 배열의 유체유동에 의한 자가진동이 중요한 인자임을 정량적으로 확인하였다. 마지막으로 본 연구를 통해 층류유동에서의 열전달 면적증가를 제외한 열전달 향상 방법이 무시되었거나 혹은 불가능하다고 생각되었던 연구가 유체유동에 의해 자가 진동하는 미소휜 배열을 이용하여 열전달 향상이 가능하다는 결론을 얻었다. 또한 본 연구는 이러한 실험적인 정량화뿐 만 아니라, 앞으로 이 방향으로의 연구 가능성에 기여하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 01044
형태사항 xi, 119 : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 고정상
지도교수의 영문표기 : Sung-Jin Kim
지도교수의 한글표기 : 김성진
수록잡지명 : "Heat transfer enhancement using flow-induced vibration of a microfin array". Sensors and actuators, v.90 no.3, pp.230-237 (2001)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 Reference : p. 109-113
주제 flow-induced
heat transfer enhancement
microfin array
미소휜
자가진동
열전달
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