A novel heat sink called a centrifugal heat sink is proposed. The principle of coolant pumping in the centrifugal heat sink is similar to a centrifugal fan. The blades of a fan are arranged to be placed between the fins of the heat sink. Due to the relative structure of the blades and the fins, additional space for the blades of the fan is no longer required for the centrifugal heat sink. Consequently, the centrifugal heat sink makes efficient use of its total amount of cooling space.
The shape of the blades for coolant pumping is based on the design principles of centrifugal turbomachinery. Due to the design principles, it is possible to increase the volumetric flow rate of air through the heat sink. By the rotary motion of the blades, the coolant in the heat sink passes through channels formed by the adjacent fins. The essential point of the design of the centrifugal heat sink is that the coolant in the heat sink is induced to pass by the fins in the long direction due to the relative structure of the blades and the fins.
In this paper, an experimental investigation is conducted to demonstrate the concept of the centrifugal heat sink. As the speed of the fan increases, the volumetric flow rate is shown to increase proportionally. To evaluate the thermal performance of the centrifugal heat sink under the constant heat flux condition, the maximum temperature at its base is measured. As a result, the thermal resistance of the centrifugal heat sink is shown to decrease as the rotation speed of the centrifugal heat sink increase.
현재의 전자 장비 냉각 장치로써 가장 널리 쓰이는 팬이 부착된 히트싱크(Heat sink)는 유동을 발생시키는 팬(Fan)과 실제 냉각을 위한 히트싱크가 각각 분리되어 있다. 여기서 팬은 전체 시스템의 20~30%가량의 공간을 차지한다. 이러한 공간을 모두 방열을 위한 공간으로 사용할 수 있다면 히트싱크의 열성능을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 연구에서는 이러한 관점에서 원심력을 이용한 히트싱크의 개발하였다. 즉, 히트싱크의 휜(Fin) 사이의 공간에 유동을 발생 시키기 위한 팬의 블레이드(Blade) 를 삽입하여 종래의 팬을 위한 추가적인 공간을 없앴다. 이러한 히트싱크의 휜과 팬의 블레이드 사이의 구조는 또한 열경계층(Thermal boundary layer)의 성장을 방해한다. 다음과 같은 원심력을 이용한 히트싱크의 개념을 입증하기 위하여 실제 히트싱크를 제작하고 실험적인 방법을 통해 검증하였다.
유체기계의 이론을 바탕으로 설계된 원심력을 이용한 히트싱크의 유체역학적 성능을 팬 성능 검사를 통하여 검증하였다. 그 결과 일반적인 원심 팬과 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 열저항의 계산을 통해 원심력을 이용한 히트싱크의 열성능을 평가하였다. 열저항은 회전수에 따라 지수적으로 감소하였다. 이러한 열저항은 종래의 팬이 부착된 히트싱크보다 다소 높지만 추가적인 연구를 통한 개선의 여지가 있다는 점에서 상당히 고무적이다.
본 연구를 통해 기존의 팬이 부착된 히트싱크와는 새로운 개념의 냉각 장치의 개발이 기대된다. 추후 추가적인 연구를 통하여 높은 성능의 냉각 장치의 개발로 냉각 장치의 소형화를 이룰 수 있다.
