[열전달] 대류(convection), 어떻게 하면 열 효율을 좋게 할지

 

 

 대류(convection)

 

대류의 간단한 개념에 대해선 이전에 다뤘습니다.

2020/01/15 - [정리, 공부해요/기계공학] - [열전달] 열전달 종류(전도/대류/복사)

[열전달] 열전달 종류(전도/대류/복사)

열의 전달방식 중 유체의 흐름을 활용하는 것이 대류입니다.

 

대류의 영향정도를 비교하기 위해, 공기와 물이 강제로 흐르고 자연스레 흐를 때의 h 값 비교 (h: convective heat transfer coefficient, 대류계수 [W/m^2 K])

h [W/m^2 K]	공기	물
Free (유체의 흐름이 없는 상태), but 온도차에 의한 대류가 일어난다.	5-10	20-100
Forced (강제로 흐르게 한다.): using Fen, Pump	10-40	3000

공기의 경우, 정말 가만히 있을 경우, h의 값이 0.1정도 되기에 insulator에 쓰입니다. (스티로폼은 다공성 구조를 가지고, 외부와 차단된 수많은 구멍들은 공기로 차 있다.) 다만 정지된 공기도 단열로 좋지만, 단열로써는 진공이 최고다. 다만 복사열로 인한 전달이 있을 뿐.

 

물과 공기 간의 대류계수의 차이가 나는 이유는, 둘 간의 density 차이 때문이다. 밀도가 클수록 부딪힐 원소/분자가 많기에 그만큼 열의 흐름이 빠른 것이다.

여기에 더해 열의 흐름을 더 높이려면 turbulent(난류)가 필요하다.

 

Convection: q = h A dT

h: 컨트롤 하기 어렵다. 난류가 되며 유속을 유지하면 좋지만, 쉽지 않다 + fan의 성능 한계

dT: 조절하기 좋지 않다. 열을 빼려는 물질의 온도가 높아져서 성능저하가 오던가 (cpu), 그 물질이 있는 공간을 매우 차갑게 하기엔 한계가 있다(우리가 추운 공간에서 게임을 하면 된다).

대류로 인한 열 흐름의 효율을 높히는 방법을 알아보면,

 

- 대류계수 h

- 표면적 A

 

 대류계수 h

 

h를 높여 대류의 효율을 올리기 위해선: 

 

1. 유속을 빠르게 한다. (주로 laminar flow(층류)에서 통한다. turbulent(난류)는 어디로 튈지 모르기에)

2. 밀도가 큰 유체를 사용한다. 밀도가 크고 capacity가 커서 한번에 많은 양의 열E를 옮길 수 있으면 된다. (공기대신 물을 쓰고, 뜨거운 물 대신 찬 물을 사용한다.)

3. 압력과 viscousity가 줄어야 한다. 난류가 되면 위아래의 열 운송도 있기에 효율이 좋아지기도 하지만, 위아래의 운송과 난잡한 흐름으로 인해 바디 내부에서 뜨거운 공기가 맴돌기도 하기에 기계에 좋지 않고 fan에 과부화가 걸린다.

 

 표면적 A

 

Heat sink 주변의 A(surface area)를 넓혀주면 좋지만, 이 또한 manufacturing method (공정법)의 한계로 무한정 늘릴 순 없다.

작고 미세한 공정은 어렵고 비용도 많이 들고,

표면까지 깔끔한 공정은 어렵다. 표면이 울퉁불퉁하면 난류가 발생하고, interfacial resistance가 발생한다.

 

 

끝으로

 

모든 parameter의 컨트롤로 가능한 효율의 증가는 한계가 있다.

그래도 어느정도의 효율을 내기에 열 방출에 많이 사용되는 요소들은 Fin structure / Heat pipe / Fan이 주가 아닐까.