The enhancement of convective heat transfer, which is crucial on electronics cooling, is investigated by experimental endeavors. This thesis consists of common research on heat sink and advanced research on the effect of pulsating flow in channel for heat transfer enhancement. First, experiments have been performed to investigate the cooling performance of triangular folded fin heat sinks made of 6000 series aluminum in a duct flow. The fin height is varied from 19 mm to 36 mm and the fin pitch from 5.0 mm to 9.0 mm. The duct air velocity is in the range of 1.0 m/s to 5.0 m/s and the corresponding Reynolds number based on the hydraulic diameter is varied from 212 to 1974. The experimental results show that the cooling performance of triangular folded fin heat sink is influenced by the fin pitch, the Reynolds number and the fin height. It increases substantially as the fin pitch decreases and the Reynolds number and the fin height increase. By compiling the experimental data, the heat transfer and the friction factor correlations with $\pm6.5%$ and $\pm20%$ accuracy, respectively, are provided for effective design of triangular folded fin heat sinks. Second, experiments have been performed to investigate heat transfer enhancement from a heated square cylinder in a channel by pulsating flow. For all the experiments, the amplitude of the pulsating flow is fixed at A = 0.05. The effects of the Reynolds number based on the mean flow velocity (Re = 350 and 540), the pulsating frequency (0Hz<$f_p$<60 Hz) and the blockage ratio of the square cylinder (β=1/10,1/8,and1/6) on convective heat transfer are examined. The measured Strouhal numbers of shedding vortices for non-pulsating (A = 0) steady inlet flow are compared with the previously published data, and good agreement is found. The "lock-on" phenomenon is clearly observed for a square cylinder in the present flow pulsation. When the pulsating frequency is within the lock-on regime, the heat transfer from a square cylinder is substantially enhanced. In addition, the influence of the Reynolds number and the blockage ratio on the lock-on occurrence is discussed in detail. Finally, experiments are carried out to investigate the influence of wall proximity on heat transfer enhancement from a heated square cylinder in a channel by pulsating flow. The vortex shedding frequency and the time-averaged Nusselt number are measured for various gap height (S/D = 3.5, 2.0, 1.5, 1.0 and 0.75) at Reynolds number Re = 700. The measured Strouhal numbers as function of the gap height for non-pulsating (A = 0.0) steady inlet flow are compared with the previously published data, and good agreement is found. The lock-on phenomenon is observed in the present flow pulsation for various gap heights. When the pulsating frequency is within the lock-on regime, heat transfer from the square cylinder is significantly enhanced. It is also revealed that as the gap height decreases, the heat transfer enhancement factor E is increased and loc-on regime shrinks.
고밀도, 고집적화 되어가고 있는 전자장비의 냉각문제는 지난 수십 년간 수많은 국내외 연구자들에 있어 지속적인 연구개발의 대상이었다. 소형화 및 경량화에 따라 전자 부품의 소비 전력이 높아지고 부품간의 열적 간섭으로 인하여 내부 열 발생이 급격히 증가하고 있는 추세이다. 특히 휴대용 및 데스크톱 컴퓨터의 성능이 1980년대 대형컴퓨터에 육박하는 성능으로 향상되고 있으며 이러한 경향은 앞으로 더욱 가속될 전망이다. 그러므로 내부 발열을 제거하여 전자기기의 신뢰성을 확보할 수 있는 효율적인 방열 설계 및 해석 기술의 개발이 필수적이다. 따라서, 본 학위논문에서는 현재 첨단 전자기기에서 사용중인 히트싱크의 열성능 향상 및 맥동 유동을 이용한 열전달 향상에 중점을 두었다.
2장에서는 기존 압출성형방식의 plate fin 히트싱크에 비해 전열면적이 넓은 삼각형 박막절곡 핀 히트싱크에 대한 방열 성능을 분석하였다. 다양한 재원의 삼각형 박막절곡 핀 히트싱크에 대해 방열 성능 및 압력특성을 측정하였고 동일한 재원의 plate fin 히트싱크와 성능을 비교 분석하였다. 실험 데이터를 바탕으로 하여 95% 신뢰수준에서 Nusselt 수는 $\pm6.5%$, friction factor는 $\pm20.0%$ 정확도를 가진 상관식을 제시하였다. 또한, 제시된 상관식은 핀 높이보다 핀 피치와 Reynolds 수에 더 큰 영향을 받음을 알 수 있었다. 본 학위논문에서 제시된 삼각형 박막절곡 핀 히트싱크는 높은 Reynolds 수에서 plate fin 히트싱크와 비슷한 성능을 보인다.
3, 4장에서는 맥동유동을 이용한 국한 유로 내 사각 실린더 발열체의 열전달 향상에 관한 연구를 수행하였다. 일정한 Reynolds 수 및 실린더 형상에서 실린더를 특정한 주파수로 요동시키거나 유동을 주기적으로 가하게 되면 후류에 형성되는 와류 생성 주파수를 조절할 수 있게 되며 공력학적 힘이 현저히 증가하게 된다. 이러한 것을 “lock-on" 현상이라 한다. 다시 말해 "lock-on" 현상이 발생하면 후류에서 형성되는 와류 생성 주파수가 특정한 주파수로 이동하게 된다. 따라서 본 장에서는 이러한 lock-on 현상을 이용한 열전달 향상에 목적을 두었다. 가진 주파수 (0Hz≤$f_p$≤90 Hz), 맥동 유동의 평균 유속 (Re = 350, 540 and 700), 차페율 (blockage ratio), 실린더와 벽면 사이 거리 (S/D = 3.5, 2.0, 1.5, 1.0 and 0.75)의 변화가 열전달 향상 및 lock-on 영역에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 사각 실린더 발열체를 가진 국한 유로에서 맥동유동에 의한 lock-on 현상을 관찰 하였다. Reynolds 수가 증가할 수록, 차폐율이 감소할수록 lock-on 영역은 더 넓어지며, 열전달 향상도 두드러진다. Lonk-on 현상이 발생될 때, 열전달 증가가 두드러진다. 특히, 가진 주파수가 와류의 고유주파수 (natural shedding frequency)의 2배가 되는 경우 열전달이 가장 크게 증가된다. 맥동유동이 가해지지 않았을 때, 실린더와 벽면 사이의 거리 (S/D) 가 2.0 이하인 경우, Strouhal 수와 박리영역이 증가되고 비대칭 속도분포를 보인다. 또한, 시간 평균 Nusselt 수도 감소한다. 실린더와 벽면 사이 거리 변화에 따라 lock-on 현상을 관찰하였으며 거리가 감소할수록 lock-on 영역은 감소하였다. 실린더와 벽면 사이 거리가 2.0 에서 0.75로 감소할수록, 열전달 향상비(E)는 1.095에서 1.195로 증가하였다.
