This thesis is to introduce a microchannel heat sink subject to an impinging jet, which has characteristics of the high heat transfer coefficient and the small pressure drop. For the purpose, the thesis first investigates the fluid flow and heat transfer phenomena of the microchannel heat sink subject to an impinging jet experimentally. In order to investigate the thermal characteristics of the heat sink experimentally, a micro-thermal sensor array is developed to measure temperature distributions at the surface of microstructures. Microfabrication processes for the micro-thermal sensor array and their advantages are described.
The main objective of the thesis is to present correlations for the pressure drop and the thermal resistance in terms of geometric variables and the Reynolds number. In order to present a correlation for the pressure drop a similarity solution of velocity profiles for a microchannel heat sink subject to an impinging jet is obtained by using a porous medium approach. The pressure drop obtained by a similarity solution is compared with that of experimental results. Based on the similarity solution and experimental results, a correlation of the pressure drop is proposed. In order to present a correlation of the thermal resistance, the thermal characteristics of the microchannel heat sink subject to an impinging jet are experimentally investigated with a micro-thermal sensor array. Based on the experimental results a correlation of the thermal resistance is presented. Effects of the channel height and the width on the pressure drop and the thermal resistance are experimentally explained.
The microchannel heat sink subject to an impinging jet is shown to be capable of minimizing the two inherent disadvantages of the microchannel heat sink with a parallel flow, which are the high pressure drop and the large temperature difference between the inlet and the outlet within the heat source. In addition, it is shown that the microchannel heat sink subject to an impinging jet removes the four disadvantages, which are the instability of the cooling device, the high pressure drop, the hot spots and the large dimension, previously mentioned. Optimum sizes of the microchannel heat sink subject to an impinging jet are presented by using the correlations for the pressure drop and the thermal resistance under the fixed pumping power condition. Finally, it is shown that the cooling performance of a microchannel heat sink subject to an impinging jet is superior to that of the microchannel heat sink with a parallel flow under the fixed pumping power condition.
본 연구에서는 고발열, 고집적 전자 부품을 냉각하기 위해 사용될 수 있는 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크를 제시하였다. 이를 위해 본 연구에서는 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 유동 및 열적 특성을 실험적으로 연구하였다. 특히 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 열적 특성을 연구하기 위해서 미소 구조물의 표면 온도를 측정할 수 있는 Micro-thermal Sensor Array를 개발하였으며 Micro-thermal Sensor Array에 대한 제조 공정 및 장점들을 제시하였다.
본 연구의 목적은 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 압력 강하 및 열저항 관계식을 형상 함수와 Reynolds Number의 함수로 제시하는데 있다. 압력 강하 관계식을 얻기 위해서 본 연구에서는 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크 내부의 유동장에 대한 Similarity Solution을 Porous Medium Approach를 이용하여 구했으며 Similarity Solution에서 얻은 압력 강하와 실험에서 얻은 압력 강하를 비교해 보았다. 그리고 Similarity Solution과 실험 결과를 바탕으로 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 압력 강하 관계식이 제시되었다.
충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 열적 특성은 본 연구에서 개발한 Micro-thermal Sensor Array를 이용하여 실험적으로 분석하였다. 그 실험 결과를 바탕으로 열저항 관계식이 제시되었다. 그리고 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 채널 높이 및 채널 폭이 압력 강하와 열저항에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다.
본 연구에서는 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크가 기존의 고성능 냉각 장치의 여러 문제점들인, 큰 압력 강하, 상변화를 이용한 냉각 장치에서의 Instability, Hot Spots, 냉각 장치의 큰 Size들을 급격히 감소 시킬 수 있음을 보여주었다. 특히 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크가 기존의 평행 유동을 가지는 마이크로 채널의 문제점인 큰 압력 강하와 히트 싱크 내의 큰 온도 편차를 최소화 할 수 있음을 보여 주었다. 그리고 본 연구에서 제시한 압력 강하 관계식과 열저항 관계식을 이용하여 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크의 최적화된 크기가 결정되었다. 마지막으로 본 연구에서는 충돌 제트를 가지는 마이크로 채널 히트 싱크가 평행 유동을 가지는 마이크로 채널 히트 싱크보다 열성능이 우수함을 보여 주었으며 고발열, 고집적 전자 부품의 냉각 장치로 적합함을 보여 주었다.
