PCB 채널내의 리브 형상 및 난류촉진기 위치에 따른 열전달특성에 관한 수치해석 = A Numerical Analysis on Heat Transfer Characteristics of PCB Channel with Geometric Rib Configuration and Turbulence Promoter’s Position

국문 초록 (Abstract)

최근 ICT산업의 도약적인 발달에 따라 전자장비의 소형화, 고밀도화 및 고속화가 진전됨으로써 이에 따라 반도체 집적기술의 발달은 칩과 모듈, 전자부품에서 발생되는 발열량이 급격히 증가됨으로써 장자장비의 내부열을 외부로 적절히 방출시키기 위한 열제어시스템 적용에 대한 연구의 중요성을 인식하고 있다. 보통 컴퓨터 내부에 여러 종류의 발열체 및 유동방해요소들이 PCB(Printed Circuit Board : 인쇄회로기판) 채널 내에 부착되어 있으며 사용목적에 따라 설치 공간, 전열면적, 열교환량 등의 제한조건을 가지므로 이에 대한 열전달효과를 향상시키기 위하여 채널내의 냉각유체의 입구속도 증가, 열원사이의 간격 증대, 난류촉진기의 설치, 히트싱크 등의 시스템을 이용한 다양한 설계기술이 적용되고 있다.
본 연구는 유동의 박리 및 경계층 해석에 적절히 이용되는 SST 난류모델을 적용하여 4개의 리브가 부착한 수평 PCB 채널 내에서 내부강제대류의 열전달특성을 고찰하였다. CFD 해석시 적용한 매개변수는 리브 폭, 리브 높이, 리브 간격, 채널 높이, 열원 및 난류촉진기 설치 등이고, 해석시 기본 경계조건은 채널 입구의 온도 및 유속은 300K, 3.84m/s, 열유속은 358W/㎡으로 하였다.
그 결과로 리브 폭비율(x/h)이 증가할수록 열전달특성이 감소하는 반면에 리브 높이비율(h/x)이 증가할수록 열전달특성은 증가하는 경향을 나타내었으며, 리브 간격비율(s/x)이 증가할수록 열전달에 크게 영향을 미치지 않았고, 채널 높이비율(H/x)이 증가할수록 열전달 성능이 감소함을 나타냈다.
또한 열원의 크기배열은 낮은 열유속에서 높은 열유속으로 증가시킬수록 열원의 영향을 받아 열전달계수는 증가하는 경향을 나타냈지만 일정한 열유속 조건이 안정된 열전달특성을 보였으며, 난류촉진기는 채널 입구에 가까운 리브 1번 위치의 상단에 설치했을 경우가 4개의 가열리브 전체에 가장 영향을 크게 미치게 되고, 압력강하특성을 고려할 때 가장 적절한 위치로 선정할 수 있었다.
따라서 PCB 채널 내에 부착되는 리브의 기하학적 형상, 열원, 난류촉진기 설치 등에 의해 열전달 및 압력강하의 특성에 크게 영향을 미침으로써 본 연구의 해석결과는 PCB 채널내의 열제어시스템 설계시 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, according to the progress of the ICT (Information and Communications Technologies) industries, miniaturization, high density and high speed of electronic equipment have developed. Because the development of semiconductor integration technology has increased the heat generated from chips, modules, and electronic components, it is important to study the application of the thermal control system for the heat release. Generally, various kinds of heating elements and flow disturbance elements are attached to a PCB (Printed Circuit Board) channel inside the computer. According to the purpose of use, it are limited by the installation space and the heat transfer area and heat exchanges accounts. In order to improve the effect, various design techniques using a system such as an increase in inlet velocity of a cooling fluid in a channel, an increase in a space between heat sources, installation of a turbulent accelerator, and a heat sink have been applied.
In this study, I applied the SST turbulence model which is appropriately used for flow separation and boundary layer analysis, and considered the heat transfer characteristics of internal forced convection in a horizontal PCB channels with four ribs. During CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis, the parameters applied rib width, rib height, rib interval, channel height, heat source and turbulence promoter installation etc. As the boundary conditions, the channel inlet temperature and flow rate were respectively 300 and 3.84, the heat flux was 358.
As a result, the heat transfer characteristics was decreased as the rib width ratio (x/h) was increased, while it was increased as the rib height ratio (h/x) was increased. Also as the rib interval ratio (s/x) was increased, the heat transfer characteristics showed little effect, and as the channel height ratio (H/x) was increased, the heat transfer characteristics was decreased. In addition, as the arrangement of heat source size was increased to high heat flux from low heat flux, it was influenced by heat source size and the heat transfer coefficient showed a tendency to increase, but the case of constant heat flux condition was indicated stable heat transfer characteristics.
When the turbulence promoter was installed in the upper part of rib No. 1 position the closely to the channel entrance, the heat transfer characteristics was greatly influenced on the whole of four heating ribs. and in oder to consider the pressure drop characteristics, the most appropriate turbulence promoter’s position was able to select No. 1 in its final analysis.
So, as the analysis results applied various parameters (the geometric shape of ribs attached in the PCB channel, the heat source, and the turbulence promoter), it will be applied as useful reference for the heat control system of PCB.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론
• 1.1. 연구배경 .......................................................................................... 1
• 1.2. 연구동향 ......................................................................................... 2
• 1.3. 연구내용 및 목적 ............................................................................ 8
• 2. 난류모델이론
• 2.1. Standard 모델 ........................................................................ 10
• 2.2. RNG 모델 ............................................................................... 12
• 2.3. Realizable 모델 ...................................................................... 13
• 2.4. Standard 모델 ...................................................................... 14
• 2.5. BSL 모델 ............................................................................... 15
• 2.6. SST 모델 ............................................................................... 16
• 3. 전산해석
• 3.1. 해석모델 ........................................................................................ 19
• 3.2. 수치해석 및 경계조건 .................................................................... 22
• 4. 해석결과 및 고찰
• 4.1. 난류모델을 이용한 수치해석의 타당성 검증 ................................. 29
• 4.2. PCB 채널내의 리브 위치에 따른 열전달 특성 ............................. 32
• 4.3. PCB 채널내의 리브 형상에 따른 열전달 특성 .............................. 40
• 3.1 리브 폭의 영향 ........................................................................ 40
• 3.2 리브 높이의 영향 .................................................................... 45
• 3.3 리브 간격의 영향 .................................................................... 50
• 3.4 채널 높이의 영향 .................................................................... 54
• 4.4. 리브표면의 열원 변화에 따른 열전달 특성 ..................................... 58
• 4.1 열유속 증가의 영향 ................................................................ 58
• 4.2 열원 배열의 영향 .................................................................... 62
• 4.5. 난류촉진기의 설치 위치에 따른 열전달 특성 ................................. 67
• 5. 결론 ................................................................................................ 74
• 참고문헌 ............................................................................................... 77
• Abstract .............................................................................................. 83