The Journal of the Acoustical Society of Korea (한국음향학회지)

The Acoustical Society of Korea (한국음향학회)
권호 표지

A Novel Cooling Method by Acoustic Streaming Induced by Ultrasonic Resonator

초음파 진동자에 의해 유도된 음향유동을 이용한 첨단 냉각법

  • 노병국 (대구가톨릭대학교 기계자동차 공학부) ;
  • 이동렬 (대구가톨릭대학교 기계자동차 공학부)
  • Published : 2003.04.01
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

A novel cooling method induced by acoustic streaming generated by ultrasonic vibration at 30㎑ is presented. Ultrasonic vibration is obtained by piezoelectric devices and the maximum vibration amplitude of 50 m is achieved by including a horn, mechanical vibration amplifier in the system and making the complete system resonate. To investigate the enhancement of heat transfer capability of acoustic streaming, the temperature variations of heat source and air in the vicinity of heat source are measured in real-time. It is observed that acoustic streaming is instantly induced by ultrasonic vibration, resulting in the significant temperature drop due to the bulk air flow caused by acoustic streaming. In addition, it is observed that the cooling effect on the heat source is maximized when the gap between the ultrasonic vibrator and heat source coincides with the multiples of half-wavelength of the ultrasonic wave. This fact results from the resonance of the sound wave. The theoretical analysis of the dependence on the gap is also accomplished and verified by experiment. The advantage of the proposed cooling method by acoustic streaming is noise-free due to the ultrasonic vibration and maintenance-free because of the absence of moving parts. Moreover. This cooling method can be utilized to the nano and micro-electro mechanical systems, where the fan-based conventional cooling method can not be employed.

30 ㎑의 초음파 (ultrasonic wave)의 미세 진동에 의해서 유도된 음향유동 (acoustic streaming)에 의한 공기대류를 이용한 새로운 냉각방법을 소개한다. 초음파 진동은 압전소자 (piezoelectric device)에 의해서 얻어지며 50 m 정도의 진동진폭을 얻기 위해 기계적 진동 증폭자인 혼 (horn)을 추가하여 전체 진동 시스템이 공진하도록 구성된다. 음향유동에 의한 열전달 효과의 상승을 측정하기 위해 열원 (heat source) 및 열원 주위의 대기의 온도변화를 실시간으로 측정하였다. 초음파 진동 시작 후 시간지연 없이 음향유동이 유도되어 진동자 주위의 대량의 공기유동으로 인한 급격한 온도감소가 관찰되었다. 또한 열원과 진동자와의 거리가 방사 (radiation)되는 음파 (sound wave)의 반파장 (half wave length)의 정배수가 될 때 열원의 냉각효과가 극대화됨을 실험적으로 관찰하였다. 이는 음파의 공진현상에 기인한 것으로 이론적 고찰을 통한 검증 또한 수행되었다. 음향유동을 이용한 냉각법의 장점은 초음파 진동을 이용하기 때문에 무소음이며 이동 형태의 부품이 없기 때문에 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한 기존의 전기모터를 이용한 냉각팬 (cooling fan)으로는 냉각이 어려운 초소형 기전시스템 (MEMS)의 냉각법으로 사용될 수 있는 첨단 냉각방법이다.

Keywords

References

  1. J. of Acoust. Soc. Am. v.88 no.5 Outer acoustic streaming C.P.Lee;T.G.Wang
  2. J. of Acoust. Soc. Am. v.111 no.2 Acoustic streaming induced by ultrasonic flexural vibrations and associated enhancement of convective heat transfer B.Loh;S.Hyun;P.Ro;C.Kleinstreuer
  3. IEEE Industrial Elcetronics v.48 no.1 Feasibility of using Ultrasonic Flexural waves as a cooling Mechanism P.I.Ro;B.Loh
  4. J. of Sound and Vib. v.61 no.3 Acoustic streaming J.Lighthill
  5. Nonlinear Acoustics M.F.Hamilton;D.T.Blockstock
  6. Phil. Trans. v.121 M.Faraday
  7. Theory of Sound Rayleigh
  8. Boundary Layer Theory H.Schicting
  9. J.of Acoust. Soc. Am. v.30 no.4 Acoustic streaming near a Boundary W.L.Nyborg
  10. Int. J. Heat & Mass Transfer. v.38 no.10 Acoustic enhancement of heat transfer between two parallel plates P.Vainshtein;M.Fichman;C.Cutfinger
  11. J. of Heat Transter v.115 Convective heat transfer from a sphere due to acoustic streaming A.Gopinath;F.Mills
  12. Journal of Heat Transfer v.116 Convective heat transfer due to acoustic streaming across the ends of kundt tube A.Gopinath;F.Mills
  13. Multiphase-Flow and Heat Transfer in Materials Processing ASME v.FED-201/HTD-297 Heat transfer to cylindrical bodies and small particles in an ultrasonic standing-wave fields of melt atomizer V.Uhlenwinkel;R.Meng;K.Bauckhage;P.Schreckenber;O.Andersen
  14. J. of Acoust. Soc. Am. v.25 no.5 Acoustic streaming at high reynolds numbers J.M.Andres;U.Ingard
  15. An Introduction to Ultrasonic Motors T.Sashida