접촉열저항(Contact Conductance) 제대로 이해하기!

2023년 05월 18일

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해석지식통 기술 자료

 

 

미시적인 관점에서 기계가공된 모든 표면은 이상적인 평면과 달리 굴곡이 있습니다. 이러한 불완전은 표면 거칠기(roughness)와 표면 파형(waviness)로 나타냅니다. 표면 거칠기는 미시적 규모의 요철이며 절삭도구의 형상, 공정, 금형에 의해 생깁니다. 표면 파형은 거시적 규모의 형상이며 열처리 또는 절삭도구의 진동으로 인해 생깁니다.

 

이러한 표면의 기하학적 불완전이 있기 때문에 고체인 두 물체가 접촉하면 극히 일부만 (미시적인 요철의 마루 부분끼리만) 서로 닿습니다. 두 물체 사이의 압력이 증가하면 요철에 다소 변형이 일어나면서 실제 접촉면이 늘어납니다. 물리적인 유효 접촉이 없는 부분은 공간을 채운 기체나 써멀 그리스, 복사 등에 의해 열전달이 일어납니다.

 

거시적인 열저항 효과는 접촉하는 두 물체의 온도 분포를 이용해 측정할 수 있습니다. 접촉열저항 Rc은 온도 강하 ∆Tc와 통과 열유속의 비로 나타낼 수 있습니다.

 

이미지 001-May-18-2023-02-17-58-7263-AM

 

동일 금속이 접촉되며, 주변에 공기가 존재한다는 가정하에 일반적으로 사용되는 접촉열저항은 다음 표와 같습니다.

(“구리 [진공]”은 진공 상태)

 

재료

거칠기 (um)

온도 (℃)

면압 (MPa)

Rc (m2K/W)

동일 금속 접촉

416 Stainless steel

2.54

90~200

0.3~2.5

2.63E-04

304 Stainless steel

1.14

20

4~7

5.26E-04

알루미늄

2.54

150

1.2~2.5

8.77E-05

구리

1.27

20

1.2~20

6.99E-06

구리

3.81

20

1~5

1.80E-05

구리 [진공]

0.25

30

0.7~7

8.77E-05

(출처 : https://www.engineersedge.com)

 

이종 금속간 접촉 시 일반적으로 사용되는 접촉열저항은 다음 표와 같습니다.

 

재료

거칠기 (um)

온도 (℃)

면압 (MPa)

Rc (m2K/W)

동일 금속 접촉

스테인레스 스틸

– 알루미늄

20 - 30

20

10

3.45E-04

20

2.78E-04

스테인레스 스틸

– 알루미늄

1.0 - 2.0

20

10

6.10E-05

20

4.81E-05

Steel Ct-30

– 알루미늄

1.4 - 2.0

20

10

2.00E-05

15~35

1.69E-05

Steel Ct-30

– 알루미늄

4.5 - 7.2

20

10

2.08E-04

30

1.20E-04

알루미늄

– 구리

1.3 - 1.4

20

5

2.38E-05

15

1.79E-05

알루미늄

– 구리

4.4 - 4.5

20

10

8.33E-05

20~35

4.55E-05

(출처 : https://www.engineersedge.com)

 

접촉열저항 적용은 왜 필요할까요?

 

모든 가공물체는 조건에 따라 미시적인 형상 굴곡이 생길 수 밖에 없으며, 고체와 유체, 기체 간의 열전도율 차이에 따라 온도가 전달되는 성능이 달라지게 됩니다. 하지만 상용적인 CFD 해석 툴에서 사용되는 요소 스케일과 차이가 크기 때문에 상세하게 모사하여 반영하기가 어렵습니다. 대안으로 사이에서 발생하는 저항값을 실험 혹은 해석적으로 정의된 계수로 반영하여 쉽고 간단하게 모사하기 위함입니다.

 

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