Parametric study를 통한 무선충전기 수동 냉각방식 설계 = Wireless charger passive cooling method design through parametric study

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the increasing use of portable electronic devices, wireless charging technology has gained importance. Wireless chargers for smartphones are prone to heat deformation and thermal failure. A highly effective cooling system becomes essential because this is aggravated by a higher charging speed and capacity. Previous research showed that the actual thermal deformation behavior of the PCB (Printed Circuit Board) could be predicted accurately by finite element analysis. In this parametric study, the cooling efficiency should be improved by optimizing the cooling hole position of the outer case. The design goal is a case shape that generates minimal heat in the area in contact with the smartphone.
Thermal flow analysis was performed using Ansys Discovery to evaluate the optimal location of the cooling hole. The temperature was minimum when the holes were located on both sides of the upper part. The topology was optimized based on the hole location, and the maximum hole size was determined through optimization. A sample case with the optimized shape was made by 3D printing, and the temperature distribution was measured using a TIC (Thermal Imaging Camera). Good agreement was found between the TIC measurements and FE results.

국문 초록 (Abstract)

휴대용 전자기기의 사용량 증가와 더불어 간편하게 충전이 가능한 무선 충전 기술이 지속적으로 요구 되고 있다.
무선 충전 기술들 중 상용화 가장 많이 되어있는 스마트폰 무선 충전기는 충전 시 높은 열이 발생하며 이로 인한 고장에대한 연구가 사전에 수행되었다. 이를 해결하기 위해 발열로 인한 변형에 관한 연구를 사전에 수행하였고 그 결과 유한요소 해석을 통해 무선 충전기 내 PCB(Printed Circuit Board) 부품에 대해 실제 열변형 거동을 근사하게 예측할 수있었다. 이 현상은 충전속도와 용량의 증가로 인해 더 심해지게 되었고, 변형을 경감시키기 위한 냉각 시스템이 절실히요구되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 냉각 효율이 개선되는 무선 충전기의 형태를 설계하기 위해 외부 케이스의 냉각홀 위치를 변수로 설정하여 Parametric study를 수행하였다. 설계 목표는 무선충전기의 스마트폰과 맞닿는 면적에서가장 낮은 온도가 발생하는 케이스의 형태이다. 특히 가장 낮은 온도가 나타나는 냉각 홀의 위치를 특정하기위해 3차원유한요소해석 프로그램 Ansys Discovery로 열 유동 해석을 진행하였다. 해석 결과 상단부의 양쪽 측면에 냉각 홀이위치했을 때 최소의 온도가 나타남을 확인하였다. 찾아낸 냉각 홀의 위치를 기반으로 위상 최적화를 진행하였고, 최적화결과를 통해 냉각 홀의 최대 크기를 결정하였다. 연구 결과로 얻어진 최적 설계 형상은 3D프린팅을 통해 직접 제작후 열화상 카메라로 온도를 측정하여 본연구의 유용성을 검증하였다.

참고문헌 (Reference)

• 1 남효덕 ; 신수현 ; 정성수 ; 이용봉 ; 이두희, "온도변화에 따른 플라스틱의 진동감쇠특성" 한국소음진동공학회 15 (15): 213-218, 2005
• 2 C. Y. Kim, "Structural Parameters Study of a Battery Cooling System with an Air Tunnel" Kongju University 2022
• 3 "SM-G960N manual"
• 4 M. S. Kim, "Operando identification of the chemical and structural origin of Li-ion battery aging at near-ambient temperature" 142 (142): 13406-13414, 2020
• 5 "CATIA V5 site"
• 6 "Ansys Discovery site"