[열전달] 핀(Fin)의 필요성과 열흐름의 해석

 

 

 Fin의 필요성

 

사양이 높은 컴퓨터를 조립하면, 그 속에 들어가는 CPU를 쿨링해주는 Heat sink인 Fin 구조가 촘촘하니 높게 올라서 있는걸 볼 수 있습니다. 물론 Fin만 있는 것이 아닌, 정말 좋은 녀석들은 Heat pipe가 들어가서 cooling을 더 효율적으로 해줍니다.

Fin은 열 흐름에서 대류의 흐름을 좋게 해주기 위해 고안된 구조입니다.

2020/04/15 - [정리, 공부해요/기계공학] - [열전달] 대류(convection), 어떻게 하면 열 효율을 좋게 할지

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

- Fin에서의 열흐름 설명

- Fin에 붙는 Fan의 위치/방향

- Fin Performance

- Fin 제작에서의 소재 선택

 

 Fin에서의 열흐름 설명

 

하나하나의 fin에서 보자면,

전도(conduction) 면에서 보면 단면적 대비 길이가 길어지기 때문에 전도 효율이 떨어집니다.

대류(convention) 면에서 보면 표면적이 늘기 때문에 대류 효율이 증가합니다.

그렇기에 전도가 충분히 일어나는 물질을 사용할 때, 이 핀 구조의 효율이 더 증대됩니다. 아니, 전도가 충분하지 못한 시스템에서는 오히려 이 핀 구조는 있으나 마나 한 구조가 됩니다.

 

전도: fin의 끝까지 열을 보내려는 source. 즉, 열을 얼마나 빨리 fin의 끝까지 보내는지

= conduction이 좋으면 T-x그래프 기울기가 작다. 왜냐하면 멀리까지 열전도가 잘 되니, O포인트에서 멀리까지도 T가 비슷하게 유지된다.

대류: fin의 중간중간 열을 빼가려는 source. 즉, fin의 끝단에 열이 도달하기 전에 뽑아가려 한다.

= T-x 그래프에서 보면, 이러한 대류의 역할이 곡률을 만든다.

대류가 잘되면, T(fin)과 T(infinite)의 차가 줄어들고, 전도가 대류의 속도를 따라가지 못하면 fin의 끝단까지의 온도 분포가 고르게 되지 못하고, 끝단은 유체의 온도와 비슷하지만, base(fin이 달린 part of body)의 온도가 비교적 높기에 base에 가까운 fin의 온도는 높다. 그렇기에 T-x그래프는 가파르게 떨어지게 그려진다.

 

Fin을 필요로 하는 곳은, 전도가 대류에 비해 잘 되는 시스템.

전도가 대류의 효율을 따라주지 못하면 fin을 넣으나 마나한 시스템이 된다. 전도로 인해 열이 fin의 끝단까지 옮겨지고 그를 빼내는 역할이 대류이기에.

 

Fin 구조도, 어쨋든 base의 열을 빠르게 내보내기 위한 구조이니 base의 온도변화가 중요하다.

 

 Fin에 붙는 Fan의 위치/방향

 

Fan의 방향이 Fin --> Base 방향으로 불어주면 끝단까지 갈 수 있고,

Base에서 올라오는 대류현상과 부딪혀 turbulent가 발생하기에 더 많은 Heat energy를 뽑아낼 수 있다.

 

 Fin Performance

 

Fin은 사용 시 2배 이상의 효율이 나야 설치할 가치가 있따.

적어도 Fin의 열저항이 대류의 열저항보다 작아야 한다. (전도가 대류에 맞게 잘 일어나야 한다.)

그러니 대류계수인 h가 크면 Fin은 필요가 없고, Fin은 h 값이 작아 대류가 시원치 않을 때 필요한 구조이다.

그래서 Fin의 열저항을 줄여 Conduction이 대류에 맞게 열을 잘 흘려주기 위해

Fin의 시작점은 비교적 A(단면적)가 넓어서 전도가 잘 되게 하고,

끝단으로 갈 수록 옮길 수 있는 열량이 줄어드니, 끝으로 갈수록 얇게 만들어 공간적 효율, 열효율을 따져서 만드는 구조도 있다.

 Fin 제작에서의 소재 선택

 

Conductivity(전도성=k) 만으로는 Cu(구리) < Ag(은), 다이아, 텅스템, graphene(그래핀) 이지만.

제조가 어렵거나 비싸던가 구조가 엉망으로 만들어진다.

그렇기에 무게가 중요할때는 가벼운 Al(알루미늄)을 사용하고,

한정된 공간에 conduction(전도)을 높히기 위해서는 Cu(구리)를 주로 사용한다.