KR19980075602A - How to design the heatsink - Google Patents
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Abstract
부품이 접합되는 베이스와, 이 베이스에 결합된 적어도 하나의 방열핀을 포함하는 히트싱크를 상기 부품에 적합하도록 설계하는 히트싱크 설계방법이 개시되어 있다.A heat sink designing method is disclosed in which a heat sink including a base to which components are joined and at least one radiating fin coupled to the base is designed to fit the component.
이 히트싱크 설계방법은, 초기 목적함수와, 히트싱크의 깊이, 방열핀과 방열핀 사이의 간격, 베이스의 두께, 방열핀 개수 중 적어도 하나를 포함하는 히트싱크의 초기 설계변수와, 히트싱크의 최대 허용 폭, 히트싱크의 최대 허용 높이, 방열핀의 최대 허용 길이, 초기 설계변수의 하한값 중 적어도 하나를 포함하는 구속조건을 입력하는 데이타 입력단계와; 입력된 데이타로부터 부품과 히트싱크가 접합된 접합부, 히트싱크 내부, 히트싱크에서 주위 유체로의 열전달을 해석하는 열전달 해석단계와; 접합부의 실제 온도와 열전달 해석단계에 의해 검출된 설계 접합부온도를 비교 판단하는 접합부 온도 판단단계와; 접합부 온도 판단단계에서 설계 접합부 온도가 실제접합부 온도보다 높게 판단된 경우 초기 목적함수 및 초기 설계변수를 변경하고, 변경된 값을 열전달 해석단계에 피드백시키는 목적함수 및 설계변수 변경단계와; 접합부 온도 판단단계에서 설계 접합부 온도가 실제접합부 온도이하로 판단된 경우 설계변수를 출력하는 설계변수 출력단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The heat sink designing method is characterized by including an initial design parameter of the heat sink including an initial objective function, a depth of the heat sink, an interval between the heat dissipation fin and the heat dissipation fin, a thickness of the base, A maximum permissible height of the heat sink, a maximum permissible length of the radiating fin, and a lower limit value of the initial design parameter; A heat transfer analysis step of analyzing the heat transfer from the input data to the junction where the part and the heat sink are bonded, inside the heat sink, and the heat sink to the surrounding fluid; A junction temperature judgment step of comparing and judging the actual junction temperature and the junction temperature detected by the heat transfer analysis step; An objective function and a design parameter changing step of changing an initial objective function and an initial design variable when the design junction temperature is determined to be higher than the actual junction temperature in the step of determining the junction temperature and feeding back the changed value to the heat transfer analysis step; And a design parameter output step of outputting a design parameter when the design junction temperature is determined to be equal to or lower than the actual junction temperature in the step of determining the junction temperature.
Description
본 발명은 부품의 열부하를 줄일 수 있도록 부품의 열적 특성에 맞는 히트싱크(heat sink)를 설계할 수 있도록 하는 히트싱크 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat sink design method capable of designing a heat sink that matches the thermal characteristics of a component so as to reduce the heat load of the component.
일반적으로, 전자제품은 소음 및 전자파 문제를 감안하여 캐비넷의 통기공을 밀폐에 가깝게 최소화하는 추세이다. 이와 같이, 캐비넷의 통기공을 줄이면, 제품 내부의 열부하가 증가하게 되는 단점이 있다. 이러한 열부하 증가 문제를 해결하기 위한 일 방편으로 부품에 히트싱크를 채용한 방안이 있다.In general, electronic products tend to minimize the air vents of the cabinet to close to the enclosure in view of noise and electromagnetic problems. In this way, there is a disadvantage that the heat load inside the product increases when the ventilation hole of the cabinet is reduced. In order to solve this problem of increase in heat load, there is a method of adopting a heat sink in a part.
이 히트싱크는 부품의 열적 신뢰성을 높이기 위해 가장 널리 쓰이는 방열기구이다. 이 히트싱크(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 부품(30)이 탑재되는 베이스(11)와, 이 베이스(11)에 결합된 다수의 방열핀(13)을 포함하여 구성되며, 그 재질 및 베이스(11)의 넓이, 방열핀(13)의 수, 방열핀(13) 사이 간격, 방열핀(13)의 크기 등이 용도에 따라 다르게 선택된다. 이와 같이, 구성된 히트싱크(10)의 효율을 높이기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 강제로 방열시키기 위해 송풍팬(21)과, 이 송풍팬(21)이 설치되는 덕트(23)를 더 구비할 수 있다.This heat sink is the most widely used heat sink to increase the thermal reliability of parts. 1, the heat sink 10 includes a base 11 on which the component 30 is mounted and a plurality of heat radiating fins 13 coupled to the base 11, The width of the base 11, the number of the radiating fins 13, the distance between the radiating fins 13, the size of the radiating fin 13, and the like are selected differently depending on the use. 2, in order to increase the efficiency of the heat sink 10 configured as described above, a blowing fan 21 and a duct 23 in which the blowing fan 21 is installed are further provided can do.
종래에는 부품에 적합한 히트싱크(10)의 설계시 설계자가 복잡한 열역학 개념을 이용하기 어려워 부품에 필요한 정확한 히트싱크의 제원을 얻기가 곤란하였다.Conventionally, it is difficult for a designer to use a complex thermodynamic concept when designing a heat sink 10 suitable for a component, and it is difficult to obtain a precise heat sink required for a component.
이에 따라 설계자가 감각적으로 히트싱크를 설계하는 경향이 있다. 그러므로, 부품의 발열 정도에 비해 히트싱크가 크거나 작게 설계될 우려가 있다.As a result, designers tend to design the heat sink sensibly. Therefore, there is a fear that the heat sink is designed to be larger or smaller than the heat generation degree of the component.
여기서, 히트싱크가 작게 설계된 경우는 부품의 동작시 안전하게 동작 가능한 온도를 넘어서게 되어 부품이 오동작 하거나 그 기능이 상실될 우려가 있다. 그리고, 히트싱크가 크게 설계된 경우는 부품 자체에는 무리가 없으나 원가가 상승되고 무게가 증가되어 낙하 충격시 파손의 위험성이 더 높아지게 된다.Here, when the heat sink is designed to be small, it may exceed the safe operating temperature at the time of operation of the component, and there is a possibility that the component malfunctions or the function thereof is lost. If the heat sink is designed to be large, there is no problem in the component itself, but the cost is increased and the weight is increased, so that the risk of breakage upon drop impact is higher.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 부품에 대한 제원 및 히트싱크의 구속조건 범위 내에서 최적화된 히트싱크를 설계할 수 있는 히트싱크 설계방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a heat sink design method capable of designing an optimized heat sink within a specification range of a component and a constraint condition of the heat sink.
도 1은 일반적인 히트싱크를 보인 개략적인 사시도.1 is a schematic perspective view showing a general heat sink;
도 2는 일반적인 히트싱크와 송풍팬 및 덕트를 구비한 방열기구를 보인 개략적인 단면도.2 is a schematic cross-sectional view showing a conventional heat sink, a ventilation fan having a blowing fan and a duct.
도 3은 히트싱크의 제1형을 보인 개략적인 사시도.3 is a schematic perspective view showing a first type of heat sink;
도 4는 히트싱크의 제2형을 보인 개략적인 사시도.4 is a schematic perspective view showing the second type of heat sink;
도 5는 히트싱크의 제3형을 보인 개략적인 사시도.5 is a schematic perspective view showing a third type of heat sink;
도 6은 히트싱크의 제4형을 보인 개략적인 사시도.6 is a schematic perspective view showing a fourth type of heat sink;
도 7은 히트싱크의 제5형을 보인 개략적인 사시도.7 is a schematic perspective view showing a fifth type of heat sink;
도 8은 히트싱크의 제6형을 보인 개략적인 사시도.8 is a schematic perspective view showing the sixth type of heat sink.
도 9는 히트싱크의 제7형을 보인 개략적인 사시도.9 is a schematic perspective view showing a seventh type of heat sink;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 설계방법을 설명하기 위해 나타낸 순서도.10 is a flowchart illustrating a method of designing a heat sink according to an embodiment of the present invention.
도 11은 히트싱크의 U 채널 구조를 보인 개략적인 사시도.11 is a schematic perspective view showing the U-channel structure of the heat sink.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
10...히트싱크 11...베이스10 ... Heatsink 11 ... Base
13...방열핀 21...송풍팬13 ... radiating fin 21 ... blowing fan
23...덕트 30...부품23 ... duct 30 ... parts
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 부품이 접합되는 베이스와, 이 베이스에 결합된 적어도 하나의 방열핀을 포함하는 히트싱크를 상기 부품에 적합하도록 설계하는 히트싱크 설계방법에 있어서, 초기 목적함수와, 상기 히트싱크의 폭, 방열핀과 방열핀 사이의 간격, 상기 베이스의 두께, 방열핀 갯수 중 적어도 하나를 포함하는 히트싱크의 초기 설계변수와, 히트싱크의 최대 허용 폭, 히트싱크의 최대 허용 높이, 방열핀의 최대 허용 길이, 상기 초기 설계변수의 하한값 중 적어도 하나를 포함하는 구속조건을 입력하는 데이타 입력단계와; 입력된 데이타로부터 부품과 히트싱크가 접합된 접합부, 히트싱크 내부, 히트싱에서 주위 유체로의 열전달을 해석하는 열전달 해석단계와; 상기 접합부의 실제 온도와 상기 열전달 해석단계에 의해 검출된 설계 접합부온도를 비교 판단하는 접합부 온도 판단단계와; 상기 접합부 온도 판단단계에서 설계 접합부 온도가 실제접합부 온도보다 높게 판단된 경우 초기 목적함수 및 초기 설계변수를 변경하고, 변경된 값을 상기 열전달 해석단계에 피드백시키는 목적함수 및 설계변수 변경단계와; 상기 접합부 온도 판단단계에서 설계 접합부 온도가 실제접합부 온도이하로 판단된 경우 설계변수를 출력하는 설계변수 출력단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a heat sink designing method for designing a heat sink including a base to which components are bonded and at least one radiating fin coupled to the base, An initial design parameter of the heat sink including at least one of a width of the heat sink, an interval between the heat dissipation fin and the heat dissipation fin, a thickness of the base, and a number of the heat dissipation fins, an initial design parameter of the heat sink, a maximum allowable width of the heat sink, A maximum permissible length of the radiating fin, and a lower limit of the initial design parameter; A heat transfer analysis step of analyzing the heat transfer from the input data to the junction where the part and the heat sink are joined, inside the heat sink, and from the heat sink to the surrounding fluid; A joint temperature determination step of comparing and comparing the actual temperature of the joint and the design junction temperature detected by the heat transfer analysis step; An objective function and a design parameter changing step of changing an initial objective function and an initial design variable when the design junction temperature is determined to be higher than the actual junction temperature in the step of determining the junction temperature and feeding back the changed value to the heat transfer analysis step; And a design parameter output step of outputting a design parameter when the design junction temperature is determined to be equal to or lower than the actual junction temperature in the determination of the junction temperature.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 설계방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of designing a heat sink according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에 도시된 히트싱크는 베이스와 방열핀의 배치 관계에 따라 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이 7가지 형으로 나눌 수 있다.The heat sink shown in FIG. 1 can be divided into seven types as shown in FIG. 3 to FIG. 9 according to the arrangement relationship of the base and the radiating fin.
도 3은 히트싱크의 제1형을 보인 사시도이다. 도시된 바와 같이 베이스(11)와, 베이스(11)의 부품(30)이 접합되는 면은 평면으로 형성되며 그 이면에 등간격으로 배치된 다수의 방열핀(13)을 포함한다. 이 제1형은 부품(30)이 접합된 면에 회로기판이 인접해 있거나 공간이 협소한 경우에 주로 사용된다. 도면에서 W는 히트싱크의 폭이고, H는 히트싱크의 높이이고, L은 방열핀 길이이고,는 베이스 두께이고,는 방열핀 두께이고, S는 방열핀과 방열핀 사이의 간격이고, P는 히트싱크의 피치이고, D는 히트싱크의 깊이이고, N은 방열핀 개수이다. 그리고,는 부품 접합부의 x방향 시작점이고,는 부품 접합부의 x방향 끝점이고,는 부품 접합부의 y방향 시작점이고,는 부품 접합부의 y방향 끝점이다.3 is a perspective view showing the first type of heat sink. As shown in the drawing, the surface to which the base 11 and the part 30 of the base 11 are joined is formed in a planar shape and includes a plurality of radiating fins 13 arranged on the back surface of the base 11 at regular intervals. This first type is mainly used when the circuit board is adjacent to the surface to which the component 30 is bonded or when the space is narrow. In the figure, W is the width of the heat sink, H is the height of the heat sink, L is the length of the radiating fin, Is the base thickness, P is the pitch of the heat sink, D is the depth of the heat sink, and N is the number of heat dissipation fins. And, Direction start point of the component joint, Is the x-direction end point of the component joint, Direction starting point of the component joint, Is the y-direction end point of the component joint.
도 4는 히트싱크의 제2형을 보인 사시도이다. 도시된 바와 같이 베이스(11)와, 이 베이스(11)의 부품(30)이 접합되는 면에는 부품의 설치가 용이하도록 상대적으로 적게 형성되고, 그 이면에 등간격으로 형성된 방열핀(13)을 포함하여 구성된다. 이 제2형은 부품이 접합된 면에 장애물이 없거나 공간이 여유가 있는 경우에 주로 사용된다. 여기서, St는 히트싱크의 부품 접합부의 방열핀 사이의 폭이고, 미설명된 부호는 도 3을 참고로 설명한 바와 같다.4 is a perspective view showing the second type of heat sink. As shown in the drawing, the base 11 and the base 30 are relatively small in size to facilitate the installation of the components, and the heat radiating fins 13 are formed on the back surface of the base 11 at regular intervals . This type 2 is mainly used when there are no obstacles on the surface where the parts are bonded or when there is space. Here, St is the width between the heat dissipating fins of the component connecting portion of the heat sink, and the reference numerals not described are as described with reference to Fig.
도 5는 히트싱크의 제3형을 보인 사시도이다. 도시된 바와 같이 베이스(11)와, 이 베이스(11)의 부품(30)이 접합되는 부분 및 그 이면의 부분에 여유공간이 마련되도록 그 주변에 형성된 다수의 방열핀(13)을 포함하여 구성된다. 이 제3형은 부품이 접합된 이면의 베이스에 장애물이 있거나 공간적 여유가 없는 경우에 적합하다. 여기서, 미설명된 부호는 도 3 및 도 4를 참고로 설명한 바와 같다.5 is a perspective view showing the third type of heat sink. And a plurality of radiating fins 13 formed around the base 11 and a part of the base 11 where the base 11 is joined and the back surface of the base 11 so as to provide a clearance space therebetween . This type 3 is suitable when there is an obstacle in the base of the back surface to which the parts are bonded and there is no spatial margin. Here, the reference numerals not described are as described with reference to Figs. 3 and 4.
도 6는 히트싱크의 제4형을 보인 사시도이고, 도 7은 히트싱크의 제5형을 보인 사시도이다. 이 제4형 및 제5형은 부품(30)의 열용량이 그다지 크지 않은 경우에 사용된다. 여기서, 미 설명된 부호는 도 3 및 도 4를 참고로 설명한 바와 같다.Fig. 6 is a perspective view showing the fourth type of the heat sink, and Fig. 7 is a perspective view showing the fifth type of the heat sink. The fourth and fifth molds are used when the heat capacity of the component 30 is not so large. Here, the reference numerals not described are as described with reference to Figs. 3 and 4.
도 8은 히트싱크의 제6형을 보인 사시도로서, 도 4에 도시된 제2형과 실질적으로 같으며, 부품(30)이 접합되는 이면에 형성된 방열핀(13)이 비등간격으로 배치된 것에 그 차이점이 있다. 이 제6형은 부품(30)이 접합된 이면의 중앙부위에 공간 여유가 없을 때 주로 사용된다. 여기서,는 부품이 접합되는 이면의 비등간격으로 된 방열핀 사이의 간격이고, 미 설명된 부호는 도 3 및 도 4를 참고로 설명한 바와 같다.Fig. 8 is a perspective view showing the sixth type of heat sink, which is substantially the same as the second type shown in Fig. 4, in which the heat radiating fins 13 formed on the back surface of the part 30 are arranged at a non- There is a difference. This sixth type is mainly used when there is no room in the central portion of the back surface to which the component 30 is bonded. here, Is the distance between the radiating fins at the boiling interval of the back surface to which the parts are bonded, and the reference numerals not described are as described with reference to Figs. 3 and 4.
도 9는 히트싱크의 제7형을 보인 사시도로서, 베이스(11)와, 이 베이스(11)의 양면 각각에 비등간격으로 배치된 다수의 방열핀(13)을 포함하여 구성된다. 이 제7형은 제2형에 있어서, 방열핀의 피치 및 방열핀 길이가 제각기 다른 경우에 주로 사용된다. 여기서, L1은 부품이 접합되지 않는 베이스 이면의 방열핀 길이이고, L2는 부품이 접합된 베이스 면의 방열핀 길이이다. 미 설명된 부호는 도 3 및 도 4를 참고로 설명한 바와 같다.Fig. 9 is a perspective view showing a seventh type of heat sink, which comprises a base 11 and a plurality of heat-radiating fins 13 arranged at equal intervals on both sides of the base 11. Fig. This type 7 is mainly used in cases where the pitch of the radiating fins and the length of the radiating fins are different from each other in the second type. Here, L1 is the length of the radiating fin of the base back surface where the components are not bonded, and L2 is the radiating fin length of the base surface to which the components are bonded. The reference numerals not described are as described with reference to Figs. 3 and 4.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 설계방법을 설명하기 위해 나타낸 순서도이다.10 is a flowchart illustrating a method of designing a heat sink according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 데이터 입력단계(110)와, 열전달 해석단계(120)와, 접합부 온도 판단단계(130)와, 목적함수 및 설계변수 변경단계(140)와, 설계변수 출력단계(150)를 포함하여 구성된다.As shown in the figure, the data input step 110, the heat transfer analysis step 120, the junction temperature determination step 130, the objective function and design parameter change step 140, and the design parameter output step 150 .
상기 데이터 입력단계(110)는 초기 목적함수, 히트싱크의 초기 설계변수 및 구속조건을 입력하는 단계이다. 여기서, 초기 목적함수는 제품 내부에 허용가능한 히트싱크의 중량이다. 이 목적함수는 상기 목적함수 및 설계변수 변경단계(140)에서 다른 조건이 만족하는 범위내에서 최소화되도록 변경된다. 상기 초기 설계변수는 히트싱크의 깊이(D), 방열핀과 방열핀 사이의 간격(S), 상기 베이스의 두께(tb), 방열핀 개수(N), 히트싱크의 높이(H) 중 적어도 하나를 포함한다. 여기서, 상기 초기 설계변수들 모두를 입력하는 경우는 설정된 값이 바른지를 평가하는 평가방법에 해당되며, 이 값들은 접합부 온도 판단단계(130)와, 목적함수 및 설계변수 변경단계(140)를 통해 조정될 수 있다. 상기 구속조건은 상기 제품의 내부에서 상기 히트싱크, 팬 및 덕크의 크기의 허용가능한 범위와, 상기 부품의 설치에 적합한 조건 및 상기 히트싱크의 제작상의 난점등으로 포함한다. 즉, 상기 구속조건은 히트싱크의 최대 허용 폭, 히트싱크의 최대 허용 높이, 방열핀의 최대 허용 길이, 상기 초기 설계변수의 하한값 중 적어도 하나를 포함한다.The data input step 110 is a step of inputting an initial objective function, an initial design parameter of the heat sink, and a constraint condition. Here, the initial objective function is the weight of an acceptable heat sink inside the product. This objective function is changed so as to be minimized within the range in which the other conditions are satisfied in the objective function and design parameter change step 140. [ The initial design parameter includes at least one of a depth D of the heat sink, a gap S between the heat radiating fin and the heat radiating fin, a thickness tb of the base, a number of radiating fins N, and a height H of the heat sink . In the case of inputting all of the initial design variables, it corresponds to an evaluation method for evaluating whether a set value is correct. These values are determined through a junction temperature determination step 130 and an objective function and a design parameter change step 140 Lt; / RTI > The constraint condition includes an allowable range of the sizes of the heat sink, the fan, and the duct in the product, a condition suitable for installation of the component, and a difficulty in manufacturing the heat sink. That is, the constraint condition includes at least one of a maximum allowable width of the heat sink, a maximum allowable height of the heat sink, a maximum permissible length of the heat dissipation fin, and a lower limit value of the initial design variable.
상기 열전달 해석단계(120)는 입력된 데이타로부터 부품과 히트싱크가 접합된 접합부에서의 열전달을 해석한다. 이 열전달 해석단계(120)는 상기 접합부, 히트싱크 내부의 전도에 의한 열전달 해석단계, 히트싱크에서 주위 유체로의 자연대류 및 강제대류에 의한 열전달 해석단계, 히트싱크 자체와 주위 유체로의 복사에 의한 열전달 해석단계를 포함하여 이루어진다.The heat transfer analysis step 120 analyzes the heat transfer at the junction where the component and the heat sink are joined from the input data. The heat transfer analysis step 120 includes a heat transfer analysis step by conduction in the junction, a heat sink inside, a heat transfer analysis step by natural convection from the heat sink to ambient fluid and forced convection, And a heat transfer analysis step.
상기 전도에 의한 열전달 해석단계는 부품과 베이스 사이의 온도차가 존재할 때 접촉부를 통해 에너지가 고온에서 저온으로 흐르는 현상을 이용한 것으로 이러한 현상을 전도 열전달이라 한다. 이때 단위 면적당 열전달량은 면적에 수직한 방향의 온도 구배에 비례한다. 즉, 단위면적당 열전달량은 수학식 1과 같다.The analysis of heat transfer by conduction uses the phenomenon that energy flows from a high temperature to a low temperature through a contact part when there is a temperature difference between the part and the base, and this phenomenon is referred to as conduction heat transfer. The heat transfer per unit area is proportional to the temperature gradient in the direction perpendicular to the area. That is, the heat transfer amount per unit area is expressed by Equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
여기서,는 열전도 계수이고,는 면적이고,는 온도 구배이다. 그리고, 부호 - 는 열의 전달방향을 나타낸다. 상기 접촉부에서의 열전도를 좋게하기 위해 상기 베이스에 상기 부품이 밀착되도록 실리콘 그리스 또는 고무를 부착한다.here, Is a thermal conductivity coefficient, Is an area, Is the temperature gradient. And - denotes the transmission direction of the column. Silicone grease or rubber is adhered to the base so that the component is in close contact with the base to improve the thermal conductivity at the contact portion.
자연대류에 의한 열전달 해석단계는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 즉, 상기 히트싱크가 베이스와, 이 베이스에 부착된 다수의 방열핀을 포함하도록 설계하는 경우에는 수학식 2를 만족하는 열전달계수 h에 의해 열전달을 해석하고, 상기 히트싱크가 부품이 접합되는 베이스만 포함하도록 설계하는 경우에는 수학식 3을 만족하는 열전달계수 h에 의해 열전달을 해석한다. 여기서, 수학식 2와 수학식 3은 아래와 같다.The heat transfer analysis by natural convection can be roughly divided into two stages. That is, when the heat sink is designed to include a base and a plurality of heat dissipating fins attached to the base, the heat transfer is analyzed by the heat transfer coefficient h satisfying Equation (2) The heat transfer is analyzed by the heat transfer coefficient h satisfying the expression (3). Here, Equations (2) and (3) are as follows.
[수학식 2]&Quot; (2) "
[수학식 3]&Quot; (3) "
여기서,은 수학식 4를,은 특성길이로 수학식 5를,는 수학식 6을 만족한다.here, &Quot; (4) " (5) as a characteristic length, Satisfies the expression (6).
[수학식 4]&Quot; (4) "
[수학식 5]&Quot; (5) "
여기서,이고,; 히트싱크의 방열핀과 방열핀 사이의 갭이고,; 방열핀 높이이고,이다.here, ego, ; A gap between the heat radiation fin and the heat radiation fin of the heat sink, ; The height of the radiating fin, to be.
[수학식 6]&Quot; (6) "
이다. to be.
상기는 레일리(Rayleign) 수로 아래의 수학식 7로 표현된다.remind Is expressed by Equation (7) below, which is a Rayleigh channel.
[수학식 7]&Quot; (7) "
여기서,는 중력가속도이고,; 열팽창 계수이고,; 히트싱크의 베이스의 표면온도이고,; 히트싱크 주변의 유체온도이고,; 유체의 점성계수이고,; 프란틀(Prandtl) 수이고, H ; 히트싱크의 높이이다.here, Is the gravitational acceleration, ; Thermal expansion coefficient, ; The surface temperature of the base of the heat sink, ; The fluid temperature around the heat sink, ; The viscosity of the fluid, ; Prandtl number, H; Height of the heat sink.
또한,는 아래의 수학식 8로 표현된다.Also, Is expressed by the following equation (8).
[수학식 8]&Quot; (8) "
상기 히트싱크의 상기 강제대류에 의한 열전달 해석단계는, 상기한 히트싱크에 방열팬과 이 방열팬이 설치되는 덕크를 포함하는 경우에 대한 해석으로 아래의두 경우로 나누어 해석할 수 있다. 즉, 상기 히트싱크가 베이스와, 이 베이스에 부착된 다수의 방열핀을 포함하고, 이 히트싱크를 감싸는 덕트와, 이 덕트에 설치된 방열팬을 포함하도록 설계하는 경우에는 아래의 수학식 9를 만족하는 열전달계수에 의해 열전달을 해석하고, 상기 히트싱크가 부품이 접합되는 베이스만을 포함하고, 상기 히트싱크를 감싸는 덕트와 이 덕트에 설치된 방열팬을 포함하도록 설계하는 경우에는 아래의 수학식 10를 만족하는 열전달계수에 의해 열전달을 해석하는 것을 특징으로 한다.The analysis of the heat transfer by the forced convection of the heat sink can be divided into the following two cases in the case where the heat sink includes the heat radiation fan and the duct where the heat radiation fan is installed. That is, when the heat sink includes a base and a plurality of heat dissipating fins attached to the base, and a duct enclosing the heat sink and a heat dissipating fan installed in the duct, the following expression (9) is satisfied Heat transfer coefficient And the heat sink includes only the base to which the components are joined and is designed to include a duct surrounding the heat sink and a heat dissipation fan installed in the duct, the heat transfer coefficient satisfying the following expression (10) To analyze the heat transfer.
[수학식 9]&Quot; (9) "
[수학식 10]&Quot; (10) "
여기서,는 방열핀 사이에서의 속도를 기준으로 한 레이놀즈(Reynolds)수로 아래의 수학식 11을 만족한다.here, Is the Reynolds number based on the speed between the radiating fins, and satisfies the following equation (11).
[수학식 11]&Quot; (11) "
는 덕트 내부로의 유체 유입속도에 대한 덕트 내부에서의 유체속도를 나타낸 속도분포이고,; 방열핀 영역을 지나는 유체의 평균속도이다. 그리고,는 덕크와 히트싱크 사이에서의 속도를 기준으로 한 레이놀즈(Reynolds)수로 수학식 12로 표현된다. Is a velocity distribution representing the fluid velocity in the duct relative to the fluid inflow velocity into the duct, ; It is the average velocity of the fluid passing through the radiating fin region. And, Is expressed by Equation (12) as the Reynolds number based on the velocity between the duct and the heat sink.
[수학식 12]&Quot; (12) "
여기서,는 덕트와 히트싱크 사이를 지나는 유체의 평균속도이다.here, Is the average velocity of the fluid passing between the duct and the heat sink.
상기 복사에 의한 열전달 해석단계는 아래의 수학식 13을 만족하는 열전달계수와, 아래의 수학식 14를 만족하는 히트싱크 핀과 핀 사이의 열전달 및 핀에서 주위 유체로의 열전달에 관계하는 회색체 열 교환율(Gray Body Exchange Factor) F에 의해 열전달을 해석한다. 도 11은 상기한 회색체 열 교환율 F를 설명하기 위해 나타낸 히트싱크의 U 채널 구조를 보인 도면이다. 도면에서, 참조번호 1, 3, 4 각각은 히트싱크의 표면이고, 참조번호 2, 5, 6 각각은 대응하는 면의 공기를 나타낸 것이다.The heat transfer analysis step by radiation is performed by using a heat transfer coefficient < RTI ID = 0.0 > And a gray body exchange factor F relating to the heat transfer between the heat sink pin and the pin and the heat transfer from the fin to the surrounding fluid satisfying Equation (14) below. FIG. 11 is a view showing a U-channel structure of a heat sink shown for explaining the gray body heat exchange rate F. FIG. In the drawings, reference numerals 1, 3 and 4 denote the surfaces of the heat sink, and reference numerals 2, 5 and 6 denote the air on the corresponding surfaces, respectively.
[수학식 13]&Quot; (13) "
여기서,는 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann)상수이고,는 표면온도(℃)이고,대기온도(℃)이다.here, Is a Stefan-Boltzmann constant, Is the surface temperature (占 폚) It is the atmospheric temperature (℃).
[수학식 14]&Quot; (14) "
는 아래의 수학식 15로 표현된다. Is expressed by the following equation (15).
[수학식 15]&Quot; (15) "
수학식 15에서,,,및각각은 수학식 16에서 수학식 20으로 나타낼 수 있다.In Equation (15) , , , And Each can be expressed by the following equation (20) in the equation (16).
[수학식 16]&Quot; (16) "
여기서,은 복사흡수율을 나타낸 것이고,는 히트싱크 표면(3)의 표면적이다.here, Represents the radiation absorption rate, Is the surface area of the heat sink surface (3).
[수학식 17]&Quot; (17) "
여기서,은 히트싱크 표면(1)의 표면적이다.here, Is the surface area of the heat sink surface (1).
[수학식 18]&Quot; (18) "
여기서,는 핀에서 핀로의 형태계수이다.here, The pin In the pin .
[수학식 19]&Quot; (19) "
[수학식 20]&Quot; (20) "
상기한 바와 같은 수학식 1 내지 수학식 20를 통해 해석된 열전달 해석단계를 통해 설계온도를 알 수 있다.The design temperature can be determined through the heat transfer analysis step analyzed through Equations (1) to (20) as described above.
상기 접합부 온도 판단단계(130)는 부품의 데이타북을 통해 알 수 있는 상기 접합부의 실제 온도와 상기 열전달 해석단계에 의해 검출된 설계 접합부온도를 비교 판단한다. 이 단계를 통해 설계 접합부 온도가 실제접합부 온도보다 높게 판단된 경우 상기 목적함수 및 설계변수 변경단계(140)를 수행하고, 그렇지 않은 경우 설계변수 출력단계(150)가 진행된다.The joint temperature determination step 130 compares the actual temperature of the joint, which is known through the data book of the part, with the temperature of the design joint detected by the heat transfer analysis step. If the design junction temperature is determined to be higher than the actual junction temperature through the step, the objective function and the design parameter change step 140 are performed. Otherwise, the design parameter output step 150 is performed.
상기 목적함수 및 설계변수 변경단계(140)는 상기 초기 목적함수 및 초기 설계변수를 변경하고, 변경된 값을 상기 열전달 해석단계(120)에 피드백시킨다.The objective function and design variable changing step 140 changes the initial objective function and the initial design variable and feeds the changed value to the heat transfer analysis step 120. [
여기서, 초기 설계변수 변경단계(140)는 주어진 열부하에 대하여 온도상승은 동일하게 하면서, 상기 목적함수 즉, 히트싱크의 중량을 최소화함과 아울러, 후술하는 구속조건을 만족하도록 함을 말한다.Here, the initial design parameter changing step 140 minimizes the objective function, that is, the weight of the heat sink, while maintaining the same temperature rise for a given heat load, and satisfies the constraint described later.
히트싱크의 설계변수는 상기한 바와 같이, 방열핀과 방열핀사이의 간격(S), 방열핀 두께(tf), 베이스 두께(tb), 히트싱크 깊이(D), 히트싱크 높이(H) 및 방열핀 개수(N)로서 6개이며, 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 히트싱크의 종류에 따라 다르게 정의된다. 상기 방열핀 두께(tf)는 방열핀 효율 98% 이상을 만족시킴에도 불구하고 1.0mm이내이다. 즉, 압축 가능 치수 이내의 값이므로 변경할 필요가 없다. 따라서, 방열핀두께(tf)를 제외한 나머지 설계 변수 5개를 수학식 21와 같이 설정한다.As described above, the design parameters of the heat sink are such that the distance S between the radiating fins and the radiating fins, the radiating fin thickness tf, the base thickness tb, the heatsink depth D, the heatsink height H, N, and are defined differently depending on the type of the heat sink as shown in FIGS. The thickness tf of the radiating fin is within 1.0 mm although the radiating fin efficiency is 98% or more. That is, since it is a value within the compressible dimension, there is no need to change it. Therefore, five design variables other than the heat radiation fin thickness (tf) are set as shown in Equation (21).
[수학식 21]&Quot; (21) "
X(1) = 히트싱크 깊이(D)X (1) = heat sink depth (D)
X(2) = 방열핀과 방열핀 사이의 간격(S)X (2) = distance between the radiating fin and the radiating fin (S)
X(3) = 방열핀의 높이(H)X (3) = height of radiating fin (H)
X(4) = 베이스 두께(tb)X (4) = base thickness (tb)
X(5) = 방열핀 개수(N)X (5) = number of radiating fins (N)
상기 목적함수는 수학식 22와 같이 설정한다.The objective function is set as shown in Equation (22).
[수학식 22]&Quot; (22) "
목적함수 : F(x) = 히트싱크 중량Objective function: F (x) = Heatsink weight
구속조건은 수학식 21에 언급된 설계 변수들의 변경 범위를 설정하는 조건으로 히트싱크 표면온도가 반도체 접합점(junction) 온도 기준으로 결정된 목표 설계 온도()보다 작거나 같도록 하는 부등의 온도 구속조건과, 히트싱크의 최대 허용 가능한 외곽 치수를 설계자가 결정하고 이 범위 내에서 크기를 결정하거나 기하학적 형상에 의한 상호 연관 치수의 치수 구속조건으로 나눌 수 있다.The constraint is a condition for setting the range of change of the design parameters referred to in Equation (21), where the heat sink surface temperature is the target design temperature (< RTI ID = 0.0 > ) And the maximum allowable outline dimensions of the heat sink are determined by the designer and can be divided into dimensional constraints within the range or dimensional constraints of the interconnected dimensions by geometric shape .
상기한 온도 및 치수 구속조건을 아래의 수학식 23에 나타내었다.The above temperature and dimensional constraint conditions are shown in the following Equation (23).
[수학식 23]&Quot; (23) "
여기서,는 최대 허용 히트싱크 폭이고,는 최대 허용 히트싱크 방열핀 길이이고,는 최대 허용 히트싱크 높이이고,각각은 설계변수의 하한값이고,는 히트싱크 방열핀 길이 대 방열핀 간격이 5를 넘지 않도록 한 구속조건이다. 이 구속조건은 압출 성형시 이 수치 이상에서 금형의 무리 및 히트싱크의 변형을 방지하기 위한 조건이다.here, Is the maximum allowable heat sink width, Is the maximum allowable heat sink fin length, Is the maximum allowable heat sink height, Each design variable Lt; / RTI > Is a constraint condition in which the length of the heat sink radiating fin to the radiating fin gap does not exceed 5. This constraint is a condition for preventing the molding of the mold and the deformation of the heat sink at an above-mentioned value during extrusion molding.
상기한 구속조건 중은 도 3 및 도 6에 도시된 히트싱크의 제1형 및 제4형에 대한 구속조건이고, 다른 형에 있어서는 약간의 수정이 필요하다. 다른 형에 대한 구속조건 대한 설명은로부터 쉽변경 가능하므로 그 자세한 설명은 생략한다.Among the above constraint conditions Is a constraint condition for the first and fourth types of heat sinks shown in Figs. 3 and 6, and a slight modification is required for the other types. A description of the constraints on the other type The detailed description thereof will be omitted.
상기한 온도 및 치수 구속조건을 1961년에 로센(Rosen)에 의해 개발된 기울기 투영법(GPM; Gradient Projection Method)을 적용하여 새로운 설계변수를 추출하는 것이 바람직하다.It is preferable to extract the new design parameters by applying the Gradient Projection Method (GPM) developed by Rosen in 1961 to the above temperature and dimensional constraint conditions.
상기 변수 출력단계(150)는 상기 접합부 온도 판단단계(130)에서 그 판단 조건이 만족하는 경우 수행되는 단계로 초기 목적함수 및 설계변수에 대해 보정된 목적함수 및 설계변수를 출력한다. 여기서, 출력은 모니터, 프린터, 플로터등을 이용하여 등을 이용한다.The variable output step 150 is performed when the determination condition is satisfied in the junction temperature determination step 130, and outputs an objective function and a design variable corrected for the initial objective function and the design variable. Here, the output uses a monitor, a printer, a plotter, or the like.
상기한 바와 같이, 구성된 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 설계방법을 통하여 설계된 히트싱크의 제원을 표 1 내지 표 3을 참고로 설명한다.As described above, the specifications of the heat sink designed through the heat sink designing method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to Tables 1 to 3.
표 1은 자연대류에 의한 열전달 특성을 검증하기 위한 초기 히트싱크의 설계값을 보인 것이다.Table 1 shows the design values of the initial heat sink to verify the heat transfer characteristics by natural convection.
[표 1][Table 1]
핀개수를 제외한 설계변수는 그대로 두고, 핀 개수를 2개에서 20개까지 변화시키면서 모델들을 생성하였으며, 이들 모델 각각에 대한 수치해석 결과와 본원 발명에 따른 방법에 의한 해석 결과를 비교하여 표 2에 나타내었다.The model was created by varying the number of pins from 2 to 20. The results of numerical analysis for each of these models were compared with those of the method according to the present invention, Respectively.
[표 2][Table 2]
여기서, FLOTHERM은 FLOMETICS사의 수치해석 프로그램이다. 두 방법에 의한 해석결과 핀 개수 각각에 대한 표면온도를 비교하여 볼때, 핀 개수가 14개까지는 해석 결과가 대체로 일치함을 알 수 있다. 한편, 핀개수가 16개 이상의 경우 즉, 핀 사이의 간격이 2.7mm 이하의 경우, 표면온도에 대한 해석 오차가 커짐을 알 수 있다. 하지만, 실제 방열핀의 가공시 방열핀 사이의 간격이 3.0mm 이내의 영역으로는 가공하지 않기 때문에 큰 문제가 없다.Here, FLOTHERM is a numerical analysis program of FLOMETICS. As a result of the analysis by the two methods, it can be seen that the analysis results are almost identical when the number of pins is 14, when the surface temperature is compared with respect to each number of pins. On the other hand, when the number of pins is 16 or more, that is, when the distance between the pins is 2.7 mm or less, the analysis error with respect to the surface temperature increases. However, since there is no machining in the area of 3.0 mm or less between the radiating fins when the radiating fin is actually processed, there is no great problem.
계산 시간을 상호 비교하여 볼때, FLOTHERM의 계산시간은 방열핀 개수가 추가되어 해석영역의 유한 체적이 증가함에 따라 계산 시간이 점점증가되면서, 계산시간이 5400초에서 7200초 정도 소요된다. 반면, 본원 발명의 계산시간은 방열핀의 개수에 무관하여 대략 2초정도 소요되므로 해석시간을 대폭 줄일 수 있다.The calculation time of FLOTHERM takes about 5400 to 7200 seconds as the number of radiating fins is added and the finite volume of the analysis area increases. On the other hand, since the calculation time of the present invention takes about 2 seconds regardless of the number of the radiating fins, the analysis time can be drastically reduced.
상기 표 1의 초기 설계변수를 이용하고, 방열핀 개수가 12개인 모델에서 목표 설계온도는 100.862℃이다. 이 목표 설계온도를 만족시키면서 히트싱크의 중량이 최소가 되는 설계변수는 표 3에 나타낸 바와 같다.Using the initial design parameters in Table 1, the target design temperature in a model with 12 radiating fins is 100.862 ° C. The design variables that minimize the weight of the heat sink while satisfying the target design temperature are shown in Table 3.
[표 3][Table 3]
상기한 바와 같이, 구성된 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크의 설계방법은 부품의 열부하를 줄일 수 있도록 부품의 열적 특성에 맞는 히트싱크를 짧은 시간 내에 설계할 수 있도록 한다. 또한, 이 히트싱크의 설계방법을 컴퓨터 프로그램에 응용하는 경우, 설계자가 원하는 설계 초기 설계 변수를 입력함에 의해 용이하게 목적함수 즉, 히트싱크의 중량을 최소화시키면서 설계 접합부 온도가 실제 접합부 온도 이하가 되도록 하는 설계변수를 얻을 수 있다.As described above, the method of designing the heat sink according to the embodiment of the present invention configured as described above enables the heat sink to be designed in a short time in accordance with the thermal characteristics of the component so as to reduce the thermal load of the component. In addition, when the design method of the heat sink is applied to a computer program, the designer inputs desired design initial design variables so that the design junction temperature is less than the actual junction temperature while minimizing the objective function, that is, the weight of the heat sink. Can be obtained.
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