This is an experimental study for comparing the fluid flow and thermal characteristics of both plate-fin and pin-fin heat sinks exposed to an impinging air stream. In order to evaluate the thermal performance of plate-fin and pin-fin heat sinks under the condition of fixed pumping power, the pressure drop across the heat sink and maximum temperature at its base are measured. The base plate and the pin-fin across section are square. It is demonstrated experimentally that the thermal conductance between the heat sink and the air stream can be maximized by selecting the fin-to-fin spacing.
As a results, the pin-fin heat sinks show better thermal performance than plate-fin heat sinks when the fin-to-fin spacing is decreases. As fin-to-fin spacing increases, the difference in the thermal performance of the two types of heat sinks decreases. And when fin-to-fin spacing more increases, plate-fin heat sinks show better performance than pin-fin heat sinks. Furthermore, at same fin-to-fin spacing condition, as pumping power increases, the plate-fin heat sink show better thermal performance than pin-fin heat sinks when the pumping power is highs. Based on these experimental results, a correlation for the pressure drop across a heat sink subject to an impinging jet and a correlation for its thermal resistance are suggested.
Finally, a region map for the ratio of the thermal resistances of plate-fin heat sinks to pin-fin heat sinks is suggested. This region map can be helpful to determining which heat sinks should be selected and how the chosen heat sink should be designed, when the constraints on the fin-to-fin spacing and the pumping power of heat sinks are given.
본 연구에서는 주로 컴퓨터 내부의 마이크로 프로세서 냉각에 사용되고 있는 fan-mounted 히트싱크에 대한 실험적 연구를 진행하였다. Impinging flow 영향을 받는 히트싱크의 열성능에 중요한 영향을 주는 인자인 휜 간격(Fin-to-fin spacing)과 냉각유체의 유량을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 측정대상으로 플레이트 휜 히트싱크와 핀 휜 히트싱크 각각 5개씩 총 10개의 히트싱크를 제작하였으며, MFC(Mass Flow Controller)로 유량이 제어되는 압축공기소스를 diverging and converging 수직풍동(Vertical wind tunnel)에 연결하여 uniform flow를 발생시켜 주었고, 발열칩을 모사해주기 thin film heater를 히트싱크 아랫면에 부착시켜 주었다. 온도의 측정은 J-type 열전대(Thermocouple)를 이용하였으며, micro manometer를 통해 압력강하량을 추가로 측정하여 유량과 압력강하량의 곱으로 표현되는 펌핑파워(Pumping power)가 일정하다는 제약조건하에서 플레이트 휜 히트싱크와 핀 휜 히트싱크의 유동 및 열적 특성을 상관식으로 표현한 후 비교하였다.
연구결과 constant pumping power일 때 각각의 히트싱크에서는 최적의 휜 간격이 존재한다. 즉, 휜 간격이 넓어져서 휜 개수가 줄고 전체적으로 히트싱크의 열전달 면적이 감소하더라도 휜 사이를 흐르는 유체의 흐름이 원활해진다면 히트싱크의 열성능은 오히려 좋아질 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 열전달 면적의 증가와 유체의 원활한 유동조건이 서로 상충되기 때문에 특정 조건에서 가장 좋은 열성능을 보이는 히트싱크의 최적 휜 간격이 존재하는 것이다. 또한 펌핑파워가 증가하면 할수록 되면 히트싱크의 최적 휜 간격은 점점 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 팬의 성능이 좋아질수록 히트싱크의 저항을 이겨낼 능력이 커지기 때문에, 열전달 면적이 더욱 커지는 더욱 작은 휜 간격에서 최적값을 보이는 것이다.
플레이트 휜 히트싱크와 핀 휜 히트싱크의 열성능은 두가지 관점에서 비교하였다. 먼저 동일한 펌핑파워에서 휜 간격이 달라짐에 따라 변화하는 히트싱크의 열성능은 휜 간격이 작아질수록 핀 휜 히트싱크가 유리하고 휜 간격이 커질수록 플레이트 휜 히트싱크가 유리하다. 이는 휜 간격이 커질수록 핀 휜 히트싱크에 걸리는 압력강하가 작아져 더 많은 유량이 흐를 수는 있지만 플레이트 휜 히트싱크의 총 열전달 면적이 핀 휜 히트싱크의 열전달 면적보다 훨씬 큰 차이로 커지기 때문에 유량의 영향보다 열전달 면적의 영향이 더 커져서 플레이트 휜 히트싱크의 열성능이 더 좋아지는 것이다. 하지만, 동일한 펌핑파워에서 가장 최적의 열성능을 보이는 휜 간격을 각각 선택하여 그 두 종류의 히트싱크를 비교해 보았을때에는 항상 핀 휜 히트싱크가 더 우수한 열성능을 보였다. 결과적으로 휜 간격 역시 최적화된 값으로 선택되어지는 변수라고 볼 수 있기 때문에, 재료 및 제작 비용등의 기타 변수가 제외된 경우에서는 가장 효율적인 히트싱크의 설계는 핀 휜 히트싱크로 선택되어야 한다는 결론을 얻었다.
이러한 경향들을 한번에 알아볼 수 있도록 무차원화된 펌핑파워 및 히트싱크의 여러 변수들과 새로운 매개변수(Parameter)인 플레이트 휜 히트싱크와 핀 휜 히트싱크의 열저항 비를 포함하는 영역도표(Region map)를 제시하여 엔지니어들이 impinging flow영향을 받는 fan-mounted 히트싱크를 실제 설계하는데 있어 쉽게 도움을 받을 수 있도록 guideline을 제시하였다.
