열화상 온도측정 기술 기반 증기 챔버형 열확산 기기의 열확산 성능 평가

Abstract

In this study, heat spreading characteristics of a vapor chamber-type heat spreader was systematically investigated using a noncontact thermographic method. The tested heat spreader was fabricated to have external dimensions of 102 mm × 102 mm × 3 mm (length × width × thickness); the wick was sintered to be eight radially arranged porous channels having 5 mm width and 1 mm thickness, and distilled water was employed as the working fluid. Tested influential parameters included the heat flux, the working fluid charge volume, and the tilt angle to the ground. The heat spreading characteristics of the heat spreader was examined in terms of the temperature distribution and the effective thermal conductivity; the former was measured by noncontact thermographic camera, and the latter was evaluated based on the one-dimensional radial heat conduction equation. The proposed thermographic method of evaluating the effective thermal conductivity was validated by comparing the measured effective thermal conductivity of a copper plate to the known value of the thermal conductivity of copper. The measured effective thermal conductivity values of the copper plate matched the known thermal conductivity of copper within the measurement uncertainties at various test conditions, validating the effectiveness of the proposed thermographic method. Regarding the effect of the heat flux, the vapor chamber-type heat spreader was operated in a heat flux range from 50 W cm^(-2) to 200 W cm^(-2). The effective thermal conductivity increased with increasing heat flux due to the increased mass flow rate of the working fluid with increasing heat flux. In addition, asymmetric distributions of the effective thermal conductivity in different directions from the center were observed, which was caused by the temperature change of the coolant flowing along the coolant flow path. The effect of the working fluid charge volume was tested by comparing the effective thermal conductivities for the working fluid charge volume of approximately 5 ml, 6 ml, and 7 ml. With increasing working fluid charge volume, the effective thermal conductivity decreased and the effective heat spreading region was reduced due to the accumulation of excess liquid near the condensing region. At 200 W cm^(-2), the maximum effective thermal conductivity of 8400 W m^(-1) K^(-1)±670 W m^(-1) K^(-1) (at approximately 95 % level of confidence) was measured for a working fluid charge volume of approximately 5 ml and a tilt angle of 0°. As to the effect of the tilt angle, the heat spreading characteristics was evaluated by tilting the heat spreader at 0°, 45°, 90°. As the tilt angle increased, the distribution of the effective thermal conductivity became more asymmetric, due to the opposite buoyancy effect in the upper and the lower regions of the heat spreader together with the extended liquid flooded portion in the lower part of the heat spreader. However, at higher tilt angles (e.g., 45° and 90°), a dry out was observed at a heat flux of 200 W cm^(-2) and a working fluid charge volume of 5 ml, which was caused by the increased liquid hydrostatic pressure loss. Regarding the combined effect of the working fluid charge volume and the tilt angle, the critical heat flux, causing a dryout at higher tilt angles, was increased with increasing working fluid charge volume. This was caused by the decrease in the filtration pressure loss as the liquid return path from the lower part of the heat spreader to the center was reduced as the working fluid charge volume increased. In addition, at the upper region of the heat spreader, the maximum effective thermal conductivity at 45° of the tilt angle was higher than the value at 90°, which was resulted from the combined effect of the buoyancy of the vapor phase and the change in the thickness of the liquid film in the upper region of the heat spreader.|현대 전자 소자의 고출력화 및 소형화에 따른 고열유속 운용환경은 전자 기기 운전온도 상승에 의한 고장 및 오작동 발생을 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 국소 영역에 집중된 발열원의 열을 넓은 면적으로 고속 확산시켜 실질적 열유속 저감을 실현할 수 있는 고성능 열확산 소재 또는 기기의 적용이 필요한 실정이며, 이를 실현할 수 있는 대표적인 기기가 증기 챔버형 열확산 기기이다. 다만, 기존의 증기 챔버형 열확산 기기 구조는 열확산 성능 개선 및 박판화에 한계를 보였으며, 다양한 구동환경에서 열확산 기기의 유효성 확인을 위한 열확산 성능 평가에 있어 접촉식 온도측정 기술의 한계를 보였다. 이러한 기존 증기 챔버형 열확산 기기 구조 및 평가 기술의 한계를 극복하기 위해 방사형 채널 형태로 소결된 윜을 적용한 열확산 기기를 제작하고, 해당 기기의 열확산 성능 확인을 위해 열화상 온도측정 기술을 이용한 유효 열전도도를 측정하였다. 본 연구에서는 방사형 채널 형상 소결 윜을 적용한 외형 102 mm × 102 mm × 3 mm (𝐿 × 𝑊 × 𝐻) 크기의 증류수(작동유체) - 구리(재질)의 증기 챔버형 열확산 기기를 제작하여 다양한 영향인자(열 유입률(열유속), 작동유체 주입체적(주입비), 경사각) 변화에 대한 유효 열전도도 변화를 측정하고자 하였다. 이를 위해 먼저 증기 챔버형 열확산 기기와 동일한 외형을 가지는 구리판을 대상으로 유효 열전도도를 측정한 결과, 문헌 상에 알려진 구리의 열전도도와 측정불확도 내에서 일치하는 결과를 보여 본 연구에서 사용한 열화상 측정 응용 유효 열전도도 평가 기술의 유효성을 검증하였다. 열확산 기기의 열확산 성능에 열유속 변화가 미치는 영향과 관련하여, 50 W cm−2부터 200 W cm−2의 열유속 범위에서 열확산 성능 평가 결과 열유속 증가에 따라 증기상 작동유체 질량유량 증가로 인해 유효 열전도도가 증가함을 확인하였다. 또한 냉각수 채널 내 냉각수 유동 경로를 따른 온도변화에 의해 유효 열전도도 분포의 비대칭성이 나타남을 확인하였다. 작동유체 주입체적에 대한 영향은 약 5 ml, 6 ml, 7 ml의 작동유체 주입체적에 대해 유효 열전도도 변화를 비교함으로써 수행하였다. 시험 결과, 작동유체 주입체적 증가에 따라 열확산 기기 외곽부에서 액체상 점유면적이 증가하여 유효 열전도도가 감소하고 유효 열확산 영역이 축소되는 것을 확인하였다. 이때 측정된 최대 유효 열전도도는 열유속 200 W cm−2 , 작동유체 주입체적 약 5 ml , 경사각 0° 에서 8400 W m−1 K−1 ± 670 W m−1 K−1 이었다. 경사각의 영향에 대해서는 작동유체 주입체적 약 5 ml와 0°, 45°, 90°의 경사각에서 열확산 성능을 평가하였으며, 경사각 증가에 따라 열확산 기기 상부(𝑟 > 0 cm)와 하부(𝑟 < 0 cm)에서 상반된 부력 효과와 기기 하부에 집중 분포한 액체상 작동유체로 인해 유효 열전도도 분포의 비대칭성이 심화됨을 확인하였다. 또한, 200 W cm−2의 열유속에서 경사각 증가에 따라 정수압 손실이 증가하여 5 ml의 작동유체 주입체적 운전 시 작동유체 마름이 발생하였다. 작동유체 주입체적 및 경사각의 복합 영향과 관련하여, 작동유체 주입체적 및 경사각 증가에 따라 기기 하부에 집중된 액체상 작동유체에 의해 윜 중앙부로의 액체상 회귀 경로가 단축되어 여과 압력손실이 감소하고 작동유체 마름이 발생하는 한계 열유속이 증가함을 확인하였다. 또한, 열확산 기기 상부에서 작동유체 주입체적 증가 시, 경사각 증가에 따라 부력에 의한 유동손실 감소 및 액막 두께 변화에 따라 경사각 45°에서 최대 상부 누적 유효 열전도도가 측정되었다.