인덕션 쿡탑 기구물 형상변경이 Heatsink 및 Coil 냉각성능에 미치는 영향에 대한 연구

2.1 해석모델 및 경계조건

본 연구에서는 인덕션쿡탑 기계실의 방열성능을 개선하기 위해서, 기존의 기구물 형상을 변경하여, 유로손실은 최소화하고, 방열성능은 극대화하여 기계실 냉각 극대화에 그 목표를 두었다. 수치해석 검토는 상용 CFD tool에 해당하는 Star-ccm+ Ver. 8로 수행하였다.

본 연구에서 다루는 인덕션쿡탑의 기계실 해석영역은 외기를 흡입하는 덕트를 비롯하여, 방열을 위한 Fan과 IPM/Bridge Diode의 방열을 위한 Heatsink 그리고 토출부까지의 영역으로 하였다. 전력이 인가되는 Coil은 총 4개가 있으며, Coil위에 냄비(Pan)가 안착되어 있는 것으로 하였다[Fig. 1 참조]. 경계조건은 외부공기가 유입되는 Air Inlet과 인덕션 기계실 내부공기가 토출되어 나가는 Air Outlet은 Pressure Outlet 조건을 부여하였으며, IPM 및 Bridge Diode는 Energy 조건으로 각각 발열량(W)을 부여하였다. 냄비에 담긴 물이 끓는 조건으로 모사하기 위해 5 mm 두께의 원판형상으로 냄비바닥을 모사하였고, 100℃ 온도조건을 부여하였다. AC 및 DC-motor Fan의 경우 임펠러의 회전을 모사하기 위하여 MRF조건으로 회전수(RPM)를 부여하였다 [Table 1 참조]. 지배방정식은 k-e 난류모델을 적용하였으며, Steady 해석을 수행하였다. Star-ccm+의 Auto-Mesh 기능을 이용하여 약 380만개 수준으로 Polyhedral Mesh를 생성하였으며, 해석소요시간은 3.47 GHz 10CPU 기준으로 약 5시간 소요되었다.

2.2 이 론

IPM/Bridge Diode와 Coil의 냉각수준을 정량화 하기 위하여 열저항 개념으로 정리하였다.

T_max는 IPM/Bridge Diode 최고온도이고 Q는 IPM/Bridge Diode의 총발열량 기준으로 하였다. 인덕션쿡탑 기계실의 냉각을 위해서 AC-motor Fan과 DC-motor Fan이 쓰이는데, 2가지 Fan에 대한 회전수를 다음과 같이 RPM Ratio로 무차원화하여 정리하였다.

Fig. 1

(a) CFD Full Model with Cooktop Components and (b) Layout of Induction Cooktop

Table 1.

Boundary Condition

2.3 현수준 파악

기존 설계 초안의 경우, DC-motor Fan에서 토출된 공기가 IPM/Bridge Diode를 냉각해주는 Heatsink를 빗겨서 지나가는 것을 확인하였다[Fig. 2 참조]. 특히 오른쪽보다 왼쪽에 배치된 Heatsink에서 Bypass되는 유량이 더 많았는데, 이는 Heatsink의 위치와 형상특성에 기인한 것으로 판단되었다. Fan에서 토출된 기류를 Heatsink Fin으로 유도하는 것과 더불어, Fin으로 유입된 공기가 주변외기로 산란되지 않도록 하는 것이 IPM/Bridge Diode 냉각측면에서 중요한 것으로 판단되었다.

IPM/Bridge Diode 및 Coil 냉각을 위해서, Heatsink 및 Duct 형상에 대해서 각각 3, 4가지 사양에 대해서 수치해석적으로 검토하였으며 이를 Table 2에 나타내었다. HS #1은 현재 인덕션 쿡탑 기계실에 장착되어 있는 Heatsink 사양으로, Fin은 지면과 수직방향으로 형성되어 있으며, Base는 삼각형태로 두껍게 되어있다[Fig. 3 참조]. 반면 HS #2, #3 사양의 경우 HS #1 사양 대비 핀길이가 평균적으로 각각 3배, 2배 수준으로 길고, 핀이 지면과 수평방향으로 형성되어 있다. Duct X는 Duct없이 Heatsink(HS #1)만 있는 사양이고, Duct #1은 HS #1 앞에 장착되어 Fan에서 토출되는 공기를 Heatsink로 유입되도록 설계되었다. Duct #2의 경우 HS #1상부로 Bypass되는 유량을 최소화하는 차원에서 설계되었으며, Duct #3은 Fan에서 토출되는 공기를 부분적으로 HS #1으로 유도하고, 그 외의 공기는 상부 및 측면으로 Bypass 되도록 설계되었다.

Fig. 2

Velocity Profile of Base Model

Fig. 3

Cross-section of Heatsink of Base Model (HS #1)

Table 2.

Study Cases of Heatsink and Duct Design

Fig. 4

Outlet Air Flow Rate and Temperature vs. Fan RPM-Ratio of Base Model

Fig. 5

Thermal Resistance and Temperature vs. RPM-Ratio of Base Model

Fig. 6

Parameter Study for DC-motor Fan Angle of Base Model

2.4 해석결과

Fig. 4과 같이, RPM-Ratio에 따른 Air-outlet으로 토출되는 풍량과 공기의 온도를 나타내었다. RPM-Ratio가 증가할수록 토출되는 공기의 유량은 거의 선형적으로 증가하였으며, 토출되는 공기의 온도는 반비례하여 떨어지는 경향을 보였다. Fig. 5에는 RPM-Ratio 증가에 따른 Heatsink의 열저항변화 및 Coil의 온도변화를 나타내었다. 우편에 위치한 Heatsink보다 좌편에 위치한 Heatsink의 열저항 감소가 더 두드러지게 나타났는데, 우측 Heatsink에 부착된 IPM 발열량이 나머지 IPM보다 상대적으로 더 커서 나타난 현상으로 판단된다. RPM-Ratio 증가에 따른 Coil냉각 즉 온도강하 측면에 있어서는 Coil #2, #3이 Coil #1, #4 보다 열세였는데 이는 Coil #2, #3이 Fan 토출기류의 영향이 적은 Fan상부에 위치하기 때문인 것으로 보여진다.

Fig. 7

Thermal Resistance and Temperature vs. DC-motor Fan Angle

Fig. 8

Thermal Resistance and Temperature vs. Heatsink Type without Duct

Fig. 9

Thermal Resistance and Temperature vs. Duct Type with HS #1

DC-motor Fan 토출부를 시계 반대방향으로 각각 5, 10˚ 회전시켜서(Fig. 6 참조) 열저항 및 Coil 온도 변화에 대해서 검토하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 도시하였다. 좌측에 위치한 Heatsink의 경우 Fan 각도 5˚ 근방에서 열저항이 최저가 되는 것을 확인하였으며, 우측에 위치한 Heatsink의 경우 Fan 각도 10˚ 이상일 때 열저항이 최저가 되는 것을 확인하였다. 즉 좌측과 우측에 위치한 Heatsink에 적합한 Fan 각도가 서로 상이하게 나타났는데, 이는 좌측에 위치한 Heatsink의 경우 Fan 각도가 증가할수록 Heatsink 옆으로 bypass 되는 유량은 줄어드는 반면에, Fan 토출기류가 점점 Heatsink 저면두께가 두꺼운 쪽으로 가면서 Heatsink 저면부에 충돌하는 기류가 많아져서 생긴 현상으로 판단된다. 반면에 우측에 위치한 Heatsink의 경우 Fan 각도가 증가할수록 Heatsink 옆으로 bypass 유량은 줄어들면서 Heatsink 핀으로 유입되는 유량이 많아져서 이러한 현상이 발생한 것으로 판단된다. IPM/Bridge Diode 및 Coil 냉각 측면에서 Fan 각도 10˚가 가장 양호하였다.

Heatsink 형상변경(Table 2 참조)에 따른 IPM/Bridge Diode 및 Coil의 냉각수준을 Fig. 8에 나타내었다. HS #2, #3 사양의 경우 Heatsink 열저항이 낮아짐으로 IPM과 Bridge Diode 냉각에는 효과적이나, Coil #1을 제외한 전체적인 Coil 냉각에 있어서는 불리했다. 특히 Coil #2의 온도가 급격히 올라갔는데, 이는 Fan 토출유량이 HS #1 저면부와 많이 부딪치는 것과는 달리 HS #2, #3 사양의 경우 Fan 토출유량이 Heatsink 저면부에 부딪히는 유량이 HS #1 사양보다 상대적으로 적어서 Coil #2로 유도되는 유량이 적어진 것에 기인한 것으로 판단된다. 다른 것에 비해서 Coil #3의 온도변화가 적었는데, 이는 Coil #3이 AC-motor Fan과 제일 가까이 있고 DC-motor Fan 토출기류의 영향권에서 가장 멀리 있기에, Heatsink 형상변경에 따른 온도변화가 상대적으로 적게 나타난 것으로 보여진다.

Duct 형상변경(Table 2 참조)에 따른 IPM/Bridge Diode 및 Coil의 냉각수준을 Fig. 9에 나타내었다. Duct #1, #2의 경우 Heatsink의 열저항이 낮아짐으로 IPM/Bridge Diode 냉각측면에서 유리하지만 Coil의 온도는 상승한 것을 알 수 있다. Duct #1, #2를 장착한 경우 Duct 없는 사양 대비 Heatsink 열저항은 각각 평균적으로 9.7, 15.2% 감소하였고 Coil의 온도는 각각 평균적으로 2.4, 9.4℃ 상승하였다. Duct #3의 경우 Heatsink 앞단에서 Coil로 유도되는 유동을 고려한 사양으로, Heatsink 열저항은 평균적으로 12.8% 감소하였고 Coil의 온도는 평균적으로 4.8℃ 증가한 것을 확인하였다.