강제 대류에서 기류 방향이 방열판 성능에 미치는 영향
강제 대류 조건에서 히트 싱크가 작동할 때, 핀 방향에 대한 공기 흐름 방향은 열저항을 결정하는 가장 중요한 기하학적 요소입니다. 평행 공기 흐름 구성(핀 채널을 따라 흐르는 유동)은 동일한 체적 유량에서 수직(충돌) 흐름보다 일반적으로 20-40% 더 낮은 열저항을 제공하지만, 동일한 압력 강하를 달성하려면 2-3배 더 많은 표면적이 필요합니다. 최적의 선택은 단순한 열 성능 수치가 아닌 시스템 임피던스, 사용 가능한 팬 정압, 공간 여유에 따라 달라집니다.
열저항 비교: 평행 흐름 vs. 수직 흐름
핀 피치 2.5mm, 핀 높이 25mm의 표준 알루미늄 압출 히트 싱크의 경우, 일반적인 공기 유량에서 성능 차이를 정량화할 수 있습니다. 3m/s의 면 속도에서 평행 흐름 구성은 100mm x 100mm 베이스에 대해 약 0.42°C/W의 열저항을 달성하는 반면, 동일한 히트 싱크를 수직 흐름으로 사용하면 0.58°C/W를 나타냅니다. 이러한 불리함은 낮은 속도에서 더 커집니다. 1m/s에서 평행 흐름은 0.85°C/W를 제공하는 반면 수직 흐름은 1.35°C/W로 37%의 성능 저하가 발생합니다. 이는 수직 흐름이 핀 끝단에 정체 구역을 생성하여 공기가 급격하게 방향을 바꾸도록 강제하고, 이로 인해 핀 앞전 첫 10mm 구간에서 국소 열전달 계수가 최대 45%까지 감소하기 때문입니다.
지배적인 무차원 변수는 핀 채널의 수력 직경에 기반한 레이놀즈 수입니다. 평행 흐름의 경우 층류에서 난류로의 천이는 Re = 2300에서 발생하며, 이는 2.5mm 채널에서 약 2.8m/s에 해당합니다. 이 속도 이하에서는 열전달이 발달하는 층류 경계층에 의존하는데, 이는 효율적이지만 입구 난류에 민감합니다. 수직 흐름은 항상 각 핀 뒤에서 와류가 발생하는 혼합 영역에서 작동하며, 핀 베이스 접합부에 국소적인 핫스팟을 생성합니다.
압력 강하와 팬 곡선 상호 작용
압력 강하는 수직 흐름이 문제가 되는 부분입니다. 2.5mm 피치의 일반적인 100 x 100mm 히트 싱크는 평행 흐름에서 3m/s일 때 45Pa의 압력 강하를 발생시킵니다. 동일한 히트 싱크를 수직 흐름으로 사용하면 180Pa로 4배 증가합니다. 이는 팬 곡선의 작동점을 이동시켜 실제 체적 유량을 감소시킵니다. 팬이 50Pa 정압에서 50CFM을 공급하는 경우, 평행 흐름은 48CFM의 실제 처리량을 허용하지만 수직 흐름은 31CFM으로 감소합니다. 순 열적 영향은 고유한 열전달 불리함에 더해 유량 감소로 인해 히트 싱크 성능이 22% 더 악화되는 것입니다.
축류 팬(전자 장치에서 일반적)의 경우, 축류 팬은 낮은 정압을 제공하므로 수직 흐름은 거의 항상 좋지 않은 선택입니다. 200Pa 이상의 정압을 가진 원심 블로어는 수직 흐름을 처리할 수 있지만, 동일한 블로어를 사용한 평행 흐름과 비교해도 열적 이득은 여전히 부정적입니다. 수직 흐름이 유리한 유일한 시나리오는 핀 높이가 매우 낮고(10mm 미만) 베이스 면적이 넓어 총 핀 표면적 대비 정체 구역이 최소화되는 경우입니다.
각 공기 흐름 방향에 따른 핀 형상 최적화
핀 간격과 높이는 공기 흐름 방향에 맞게 조정되어야 합니다. 평행 흐름의 경우 최적의 핀 피치(중심 간 거리)는 자연 대류에서 강제 대류로 전환되는 영역에서 2.0-3.0mm이며, 핀 높이는 20-35mm 사이가 적합합니다. 핀 높이 대 채널 폭 비율(종횡비)은 과도한 경계층 중첩 없이 최대 표면적을 위해 8:1에서 12:1이어야 합니다. 3m/s에서 2.5mm 피치와 25mm 높이는 92%의 핀 효율을 제공합니다.
수직 흐름의 경우 핀 높이를 10-15mm로 줄이고 피치를 4.0-5.0mm로 늘려 공기가 핀 사이로 침투할 수 있도록 해야 합니다. 4mm 피치와 12mm 높이의 100 x 100mm 히트 싱크를 수직 흐름에서 3m/s로 사용하면 0.62°C/W를 달성하지만, 여전히 평행 흐름 기준인 0.42°C/W보다 나쁩니다. 그러나 수직 공간은 25mm 대신 12mm만 차지하므로 1U 서버 애플리케이션에서 결정적일 수 있습니다. 엔지니어링 트레이드오프는 명확합니다. 수직 흐름은 z-높이 공간의 50%를 절약하는 대신 열 성능의 30-40%를 희생합니다.
스카이빙 및 본딩 핀 히트 싱크: 방향 민감성
스카이빙 핀 히트 싱크(솔리드 구리 또는 알루미늄 블록에서 절단된 핀)는 계면 저항이 없으며 핀 피치를 1.0mm 이하로 달성할 수 있습니다. 평행 흐름에서 1.2mm 피치와 30mm 높이의 구리 스카이빙 히트 싱크는 4m/s에서 0.28°C/W에 도달합니다. 그러나 이러한 조밀한 핀은 수직 흐름에 매우 민감하여 정체 효과가 너무 심해 열저항이 0.75°C/W로 63%의 불리함이 발생합니다. 본딩 핀 히트 싱크(베이스 플레이트에 에폭시로 접합된 핀)는 유사하게 작동하지만 본드 라인 열저항으로 인해 추가로 5-8%의 불리함이 있습니다.
지퍼 핀 히트 싱크(크림핑 핀)는 지그재그 핀 배열을 통해 수직 흐름 문제를 부분적으로 완화합니다. 지퍼 핀 히트 싱크를 수직 흐름에서 3m/s로 사용하면 0.50°C/W를 달성하여 직선 핀 히트 싱크의 0.58°C/W보다 14% 개선됩니다. 그러나 추가 스탬핑 및 조립 공정으로 인해 제조 비용이 18-25% 증가합니다. 대량 생산(10,000개 이상)의 경우, BQUQ는 공간 제약이 절대적이지 않은 한 평행 흐름 설계의 압출 히트 싱크를 권장합니다.
3m/s 면 속도에서의 히트 싱크 성능 데이터 표
| 구성 | 핀 피치 (mm) | 핀 높이 (mm) | 압력 강하 (Pa) | 열저항 (°C/W) | 상대 공기 흐름 방향 |
| 알루미늄 압출, 평행 흐름 | 2.5 | 25 | 45 | 0.42 | 핀 방향과 평행 |
| 알루미늄 압출, 수직 흐름 | 2.5 | 25 | 180 | 0.58 | 핀 방향과 수직 |
| 알루미늄 압출, 최적화된 수직 흐름 | 4.0 | 12 | 95 | 0.62 | 핀 방향과 수직 |
| 스카이빙 구리, 평행 흐름 | 1.2 | 30 | 120 | 0.28 | 핀 방향과 평행 |
| 스카이빙 구리, 수직 흐름 | 1.2 | 30 | 400 | 0.75 | 핀 방향과 수직 |
| 지퍼 핀 알루미늄, 수직 흐름 | 3.0 | 20 | 150 | 0.50 | 핀 방향과 수직 |
| 히트 파이프 어셈블리, 평행 흐름 | 3.5 | 40 | 60 | 0.18 | 베이퍼 챔버와 함께 핀 방향과 평행 |
위 데이터는 100mm x 100mm 베이스 플레이트, 알루미늄 6063-T5 합금(열전도율 201 W/m·K) 또는 구리 C11000(385 W/m·K), 주변 공기 25°C, 균일하게 분포된 50W 열원을 가정합니다. 열저항에는 베이스 확산 저항이 포함되며 열원 접합부에서 유입 공기까지 측정됩니다.
애플리케이션별 권장 사항 및 엔지니어링 근거
히트 싱크에 축류 팬이 직접 장착된 통신 인클로저의 경우 항상 평행 흐름을 사용하십시오. 팬 출구 난류(일반적으로 15-20% 난류 강도)는 평행 흐름 채널에서 혼합을 강화하여 이상적인 층류 가정보다 열전달 계수를 8-12% 향상시킵니다. 팬을 핀 끝단에서 5-10mm 간격으로 배치하여 공기가 채널로 진입하기 전에 유동이 발달할 수 있도록 하십시오.
높이가 15mm로 제한된 인버터 및 전원 공급 장치 애플리케이션의 경우 넓은 핀 피치(4.5mm)와 짧은 핀(10mm)을 가진 수직 흐름 설계를 사용하십시오. 35%의 열적 불리함을 수용하되, 핀에 도달하기 전에 열을 확산시키기 위해 베이스 플레이트 두께를 6mm에서 10mm로 늘려 보상하십시오. 이렇게 하면 유효 열저항이 12-15% 감소하여 전체적으로 평행 흐름 설계 대비 20% 이내로 성능을 끌어올릴 수 있습니다.
히트 싱크가 보조적인 액체 냉각 시스템에서는 액체 루프가 열의 70-80%를 제거하므로 공기 흐름 방향의 중요성이 덜합니다. 이 경우 작고 조용한 팬을 사용할 수 있도록 낮은 압력 강하(30Pa 미만)를 우선시하십시오. 3.0mm 피치와 20mm 높이의 평행 흐름 알루미늄 압출 히트 싱크는 단 25Pa의 압력 강하에서 0.55°C/W를 달성하며, 3000RPM으로 작동하는 40mm 축류 팬에 이상적입니다.
일반적인 실수와 시정 조치
실수 1: 공기 흐름이 개선될 것이라고 생각하고 팬 축에 수직으로 핀이 배치된 히트 싱크를 설치하는 경우. 이는 팬에 공기를 핀 사이로 강제하는 슈라우드가 있는 경우에만 작동합니다. 슈라우드가 없으면 공기는 히트 싱크 주변의 저항이 가장 적은 경로를 따라 흐르며 핀을 완전히 우회합니다. 시정 조치: 수직 흐름 설계에는 항상 덕트나 슈라우드를 추가하거나 히트 싱크를 90도 회전시키십시오.
실수 2: 모듈형 제품 라인에서 여러 공기 흐름 방향에 동일한 히트 싱크를 사용하는 경우. 방향에 따라 열 성능이 20-40% 달라지므로 최악의 구성이 설계를 결정합니다. 시정 조치: 두 방향 모두 테스트하고 각각의 성능을 데이터시트에 명시하거나, 방향 간 성능 차이가 10-15%에 불과한 핀 핀 히트 싱크(원형 핀)를 사용하십시오.
실수 3: 입구 공기 온도 상승을 무시하는 경우. 평행 흐름에서는 공기가 핀을 따라 100mm를 이동하는 동안 5-8°C 가열되어 히트 싱크 후면이 전면보다 15-20% 더 뜨거워집니다. 수직 흐름에서는 전체 표면이 거의 균일한 입구 공기 온도를 보입니다. 고전력 부품(100W 이상)의 경우 이 온도 구배는 열 응력과 불균일한 팽창을 유발할 수 있습니다. 시정 조치: 80W 이상의 전력에서는 핀에 도달하기 전에 베이스 온도를 균일화하기 위해 베이퍼 챔버 베이스를 고려하십시오.
결론 및 실용적인 크기 설계 규칙
공기 흐름 방향은 총 표면적을 제외한 어떤 단일 변수보다 히트 싱크 성능을 결정합니다. 최대 열 효율을 위해 항상 기본 공기 흐름이 핀 채널과 평행하도록 구성하십시오. 수직 방향이 불가피한 경우 핀 피치를 최소 4.0mm로 늘리고 핀 높이를 15mm 미만으로 줄이며 공기를 핀 사이로 강제하기 위해 슈라우드를 추가하십시오. 일반적인 50W 애플리케이션의 경우 평행 흐름 알루미늄 압출 히트 싱크(100 x 100 x 25mm, 2.5mm 피치)는 3m/s에서 45°C의 접합 온도를 유지하지만, 동일한 히트 싱크를 수직 흐름으로 사용하면 58°C에서 작동하여 많은 반도체의 55°C 한도를 초과할 수 있습니다.
이 지침을 따르는 엔지니어는 반복 프로토타이핑 주기를 최소 1회 줄여 프로젝트당 2-3주의 개발 시간과 약 1,500 USD의 프로토타입 툴링 및 테스트 비용을 절약할 수 있습니다. BQUQ에서는 모든 고객에게 히트 싱크 도면에 공기 흐름 방향과 예상 면 속도를 명시하고, 팬 곡선의 허용 압력 강하를 함께 제공할 것을 권장합니다. 이후에 툴링 및 생산 가격을 견적해 드립니다.
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