라디에이터의 기능은 일정한 부피의 공간에서 더 높은 열전달 면적을 얻고 구조적 형태를 개선하여 표면에서 주변 유체까지의 열전달 효율을 높이고 표면 처리 등 방법을 구현하여 효과적인 열전달 면적을 증가시킴으로써 방열 강화, 온도 제어 목표를 달성하는 것이다.

부피 출력 밀도, 열 흐름 밀도 요구 사항이 낮은 응용 시나리오에서 사각핀 열 침전은 간단한 구조, 합리적인 제조 비용과 양호한 방열 성능 등 특징이 있어 엔지니어들의 각광을 받고 있다. 

Comparision of different heat transfer methods

1-라디에이터 핀 설계

라디에이터는 주로 방열 확장 표면으로 주로 핀의 높이, 형태, 간격 및 기판 두께 등 매개변수를 중심으로 전개된다.

Plate fin heat sink dimensions

위의 그림에 따라 라디에이터의 확장 면적을 계산할 수 있다.

단일 핀의 면적:A_f = 2L（h+t/2），

간극부위 면적:A_b=Lh, 

방열 부분의 총 면적: At=nA_f+(n±1) A_b(n은 핀의 수이다)

Fin sectional view

방열판의 주요 작용은 표면적을 증가시켜 열 전달 효율을 높이는 것이다. 라디에이터 핀의 간격, 두께와 높이는 라디에이터 핀의 수, 분포 및 전개 면적을 결정하는 중요한 요소이다. 위의 그림과 같이 h↑ 또는 t↓일 때 핀은 더 높고 얇고 더 조밀하여 더 큰 방열 확장 면적을 얻을 수 있다.

방열핀의 표면적이 커지면 공기와의 접촉 면적도 그에 따라 증가하여 열이 더 쉽게 방출된다. 엔지니어는 또 물결무늬 모양, 톱니 모양 등과 같이 핀의 모양을 최적화하는 방식을 통해 라디에이터의 확장 면적을 더욱 늘릴 수 있다.

방열핀의 표면적이 클수록 방열효과가 좋지만, 방열핀이 클수록 좋다고 볼 수는 없다. 자연 방열을 사용하든 강제 냉각을 사용하든 라디에이터 핀 사이의 간격은 표면을 흐르는 공기의 열교환 계수를 결정하는 중요한 요소이다.

The impact of Fin spacing and height on heat dissipation efficiency

자연 방열의 경우, 라디에이터 벽면은 표면의 온도변화로 인해 자연 대류를 일으켜 핀 벽면의 공기층(경계층)을 흐르게 되며, 핀 간격이 너무 작으면 자연 대류의 원활한 흐름을 방해한다. 강제 냉각의 경우, 핀 경계층의 두께가 압축되어 핀 사이의 간격이 상대적으로 좁아질 수는 있지만 가공 수단과 동력 요소의 구동력의 영향을 받아 너무 작아지지는 않으므로 실제 설계에서 핀의 두께와 높이의 균형은 매우 중요하다.

2-라디에이터 기판 설계

기판의 두께는 라디에이터의 효율에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 라디에이터 기판이 얇으면 열원에서 멀리 떨어진 핀에 전달되는 열 저항이 더 커서 라디에이터의 온도 분포가 고르지 않고 열 충격에 대한 저항력이 약해진다.

기판 두께를 증가시키면 온도 불균형의 문제를 개선할 수 있고 라디에이터의 열 충격 저항력을 향상시킬 수 있다. 하지만 너무 두꺼운 기판은 열이 축적되어 오히려 열전도 능력을 감소시킨다.

Heatsink working principle diagrammatic sketch

위 그림과 같이:

열원의 면적이 바닥판의 면적보다 작을 경우, 열은 중심에서 가장자리로 확산되어 확산 열 저항을 형성한다. 열원의 위치는 또한 확산 열 저항에도 영향을 미친다. 열원이 라디에이터 가장자리에 가까우면 가장자리를 통해 열이 더 쉽게 전달되어 확산 열 저항이 감소한다.

주: 확산 열 저항은 라디에이터 설계에서 열이 열원의 중심에서 가장자리로 확산되는 과정에서 발생하는 저항을 말한다. 이러한 현상은 일반적으로 열원의 면적이 바닥판의 면적과 크게 다를 때 발생하며, 열은 작은 영역에서 큰 영역으로 확산된다.

3-핀과 기판의 접합 공정

라디에이터 핀과 기판의 접합 공정은 일반적으로 양자 사이의 양호한 열 전도와 기계적 안정성을 보장하기 위해 여러 가지 방법이 있는데 주로 크게 일체 성형과 비일체 성형의 두 가지 범주로 나눈다.

일체 성형의 라디에이터는 라디에이터 핀과 라디에이터 기판이 일체화되어 있어 접촉 열 저항이 없다. 주로 다음과 같은 몇 가지 공정이 있다.

l 알루미늄 다이캐스팅 성형: 알루미늄 잉곳을 녹여 액상으로 만든 후 고압으로 금속 몰드에 충진하고 다이캐스팅기를 통해 직접 다이캐스팅 성형하여 라디에이터를 만들며 복잡한 모양의 라디에이터 핀을 제작할 수 있다.

l 알루미늄 압출 성형: 알루미늄 재료를 가열한 후 알루미늄 재료를 압출 실린더에 넣고 특정 압력을 가하여 특정 다이 구멍에서 흘러나오도록 하여 필요한 단면 모양과 크기의 블랭크를 얻은 다음 절단, 정밀 가공 등 추가 가공을 거친다.

l 냉간 단조 처리의 장점은 세밀한 라디에이터 핀으로 제작할 수 있어 재료의 열전도율이 높지만 비용이 상대적으로 높으며 이형 처리 능력이 알루미늄 압출보다 우수하다.

l 릴리빙 라디에이터 재질은 구리일 수 있다. 열전도율이 높고 핀이 매우 세밀하며, 핀을 기판에서 직접 커터로 삽질할 수 있어 핀의 높이가 높고 길이가 길면 응력의 영향을 받아 핀이 변형되기 쉽다.

비일체 성형, 라디에이터 핀과 라디에이터 기판을 별도로 가공한 다음 라디에이터 핀을 용접, 리벳팅, 접착 등 공정을 통해 접합시킨다. 주로 다음과 같은 몇 가지 공정이 있다.

l 용접식: 핀과 기판을 금속 접합제를 이용하여 용접으로 연결시키며 고온 납땜과 저온 솔더페이스트 용접이 있다.

용접 열전달 성능이 우수하다. 솔더페이스트로 Al 기판과 핀을 용접하려면 먼저 니켈 도금이 필요한데 이는 비용이 많이 들어 대형 라디에이터에는 적합하지 않는다. 납땜은 니켈 도금이 필요하지 않지만 용접 비용이 여전히 높다.

l 리벳팅식: 핀을 기판의 홈에 삽입한 후 몰드를 통해 홈을 중앙으로 압출하여 핀을 단단히 감싸서 굳게 결합된다.

리벳팅식의 장점은 열전달 성능이 우수하다. 하지만 리벳팅된 제품은 반복 사용 후 틈새 및 헐거움의 위험이 있다. 리벳팅 공정을 개선하여 신뢰성을 높일 수 있지만 그에 따라 비용이 증가하므로 리벳팅식의 탭 라디에이터는 신뢰성 요구가 높지 않은 경우에 많이 사용된다.

l 접착식: 일반적으로 열전도성 에폭시 수지를 사용하여 핀과 기판을 단단히 접착하여 열 전도를 실현한다.

접착식은 열전도성 에폭시 수지를 사용하여 용접에 비해 열전도율이 훨씬 낮지만 FIN이 높은 고배율, 작은 간격의 라디에이터에 적합하다. 방열 성능에 대한 요구가 높지 않은 시나리오에서 사용할 수 있다. 

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