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문제 정의
- 아울러 히 트 스프레더를 냉각모듈로 사용한 경우에 대한 CPU 의 냉각성능을 조사하는 기존 연구 또한 아직 드물다. 따라서 본 연구에서는 국내 노트북 개 선모델의 냉각성능 증진을 위하여, 수치해석적 방법을 이용하여 히트 스프레더가 사용된 노트북 에 관하여 유입구에서의 공기유입(air-blowing) 및 공기배줄(air-exhaust) 속도의 크기, 히트 스프레더 재질종류, 그리고 CPU 발열량 등의 파라미터들을 변화시켜 정량적인 자료획득을 목적으로 하는 실 용적인 연구를 수행하고자 한다.
- 본 연구의 목적이 히트 스프레더가 사용된 기존 노트북의 냉각성능개선에 관한 것이므로, 본 연구의 노트북 수치모델은 히트 스프레더가 사용된 최근의 기존 상업용 노트북을 대상으로 모델화 하였으며 이를 Fig. 1에 도시하였다. Fig.
- 이와 같은 불균일 격자분포방식으로 배치된 , 본 연구의 총 격자수는 41(x)x34(y)xl8(z)=25092 개로 이루어졌다. 수치 계산에서 격자수에 따른 결과 값의 변화를 조사해 보기 위해 적은 개수의 격자계로부터 점차적으로 격자수를 증가시켜 가면서 조사해보았다. 32(x)X26(y)시5(z)=12480 개의 격자계일 때부터 유 동분포의 경향과 온도값의 변화가 작아졌으며, 이 보다 더 증가된 41x34x18=25092개의 격자계 이후부터 유동 및 온도 등 수치계산 값의 변화가 일정 해지기 시작하였다.
제안 방법
- Fig. 2 에서 (a) x-y plane 에 나타낸 바와 같이, 본 연구의 격자 분포는 PCMCIA, HDD, Batteiy 및 CD-ROM 둥 오브젝트가 있는 고체영역은 유동 및 온도구배가 작을 것으로 예상하여 격자배치를 성글게 하였으며, 상기 오브 젝트이외의 유동영역에서는 유동 및 온도구배가 클것으로 예상하여 격자를 조밀하게 배치하였다. 노트북의 바닥부분에 VGA, CPU, 그리고 여타 부 품들이 조밀하게 배치되어 있으므로, Fig.
- 7 에 나타내었다. CPU 가 열적으로 안정하게 동작될 수 있는 판별기준은 노트북의 CPU 허용표면온도 (limit case temperature), Tcpu, 蛔(대 략 85℃)로 하였다. 그림을 살펴보면, 공기유입의 경우에는 CPU 발열량이 최대 25W 까지 가능하며 공기배출의 경우에는 최대 22 W 까지 가능하다.
- 히트 스프레 더의 재질종류의 변화로서, 2 절에서 서술된 히트 스프레더의 6 개 요소들 중에서 재질변경이 어려운 두 개의 히트파이프를 제외한 나머지 요소들(알루미늄 플레이트 등)을 기존의 알루미늄에서 구리 및 마그네슘의 재질 등으로 변화 시켜보았다. CPU 의 열량, Qcpu 는 13 ~ 28 W 범 위에서 변화시 켰으며 이 열량변화에 따른 노트북의 온도분포 및 냉각성 능 등을 조사하였다.
- Fig. 1에 나타낸 본 연구의 수치모델이 3차원 형태이고 내부에 PCMCIA, HDD, Battery 및 CD- ROM 등 복잡한 오브젝트들이 많이 존재하고 있어, 내부 전체의 유동이나 온도 분포를 3 차원적으 로 표현하기가 어려우므로 공기유입의 경우와 공 기배출의 경우에 대해 유동 및 온도분포특성이 가장 잘 대비되는 하나의 평면(x-y plane)을 각각 대 표적으로 선정하여 두 경우에 대해 상호 비교하면 서, 유동 및 온도 특성이 CPU 의 냉각성능에 미치는 영향을 논의하고자 하며 이를 Fig. 3 및 4에 각각 나타내었다. 먼저, 노트북 내부 전체에서의 공기흐름을 살펴보기 위해 공기유입의 경우 및 공 기배출의 경우에 대해 각각의 유동분포를 Fig.
- 본 수치계산에서는 압력이 p로서의 압력차이값 만이 필요하므로 대기압의 게이지 압력을 이용하여도 압력 및 유동분포를 정확히 계산할 수 있게된다. 본 연구의 수치걔산영역은 노트북을 둘러싼 케이스(히트 스프레더의 외부표면)까지 포함된 영역이匸" 케이스의 온도분포를 수치적으로 계산하기 위호!], 케이스와 주위 대기사이의 대류열전달 열경계조건을 모델링하였다. 케이스 주위의 대기는 강제유동 이 없는 자연대류상황이므로 이 때의 대류열전달 계수 및 대기온도는 각각 h = 10 W/m2-K 및 L = 24℃ 의 값을 사용하였다.
- 계산 영역 내에 존재하는 모든 벽면에서는 난류 생성과 소멸이 대략적으로 평형을 이룬다는 가정하에서 유도된 벽함수를 써서 아래에 나타내어진 바와 같이 벽면 최인접 위치에서 벽면에 평행한 방향의 속도 온도 난류운동에너지 그리고 난류운동에너지 소산율을 계산하였다. 벽면 최인접 격자점에서의 속도는 아래 식과 같이 정의된다.
- 그림을 살펴보면, 공기유입의 경우에는 CPU 발열량이 최대 25W 까지 가능하며 공기배출의 경우에는 최대 22 W 까지 가능하다. 또한 공기유입의 경우에 대흐)■여 VGA, HDD, PCMCIA, CD-ROM 및 Batteiy 의 온도변화를 조사하여 그림에 함께 나타내었다. VGA 의 온도는 CPU 열량이 증가할수록 67.
- 본 연구에서 설정 한 수치계산방법 의 타당성 검 증을 위해, 수치모델과 유사한 실제 노트북(11*=1.2 m/s 인 공기배출의 경우, Qcpu =13 W, 그리고 알루 미늄 히트 스프레더 사용)에 대해 온도 실측이 선 행되었으며, 이 실측된 실험값과 수치계산된 수치 값을 Table 3에 상호 비교하였다. Table 3에 나타낸 각 부품들의 온도 값들은 하나의 부품상에서의 여러 국부온도들을 평균한 값에 해당된다.
- 노트북에서 냉각특성에 영향을 미치는 요소들은 유입구 속도 등 여러가지일 것이다. 본 연구에서는 유입구에서의 공기유입 및 공기배출 속도의 크 기, 히트 스프레더 재질종류, 그리고 CPU 발열량 등의 변화에 관한 파라메타를 수치계산조건으로 선정하였으며, 이러한 조건들은 기존 노트북에서 현실적으로 수용가능한 정도에서 선택된 것들로서 전자적으로 영향을 줄 수 있는 심한 구조변화 등의 조건들은 가급적 피하였다. 유입구에서의 공기 유입 및 공기배출속도의 크기, |UhJe 0.
- 수치계산조건을 |uin|=1.2 m/s 및 QCPU=13 W 으로 하여, 히트 스프레더의 재질변화에 따른 CPU 의 냉각특성을 조사하였으며 이를 Fig. 6 에 나타내었다. 그림을 살펴보면, 구리재질 히트 스프레더의 Tcpu 가 가장 낮은 값을 가지므로 CPU 의 냉각에 가장 유리하다고 말할 수 있다.
- 4 m/s 범위내에서 감소하거나 증가시켰다. 히트 스프레 더의 재질종류의 변화로서, 2 절에서 서술된 히트 스프레더의 6 개 요소들 중에서 재질변경이 어려운 두 개의 히트파이프를 제외한 나머지 요소들(알루미늄 플레이트 등)을 기존의 알루미늄에서 구리 및 마그네슘의 재질 등으로 변화 시켜보았다. CPU 의 열량, Qcpu 는 13 ~ 28 W 범 위에서 변화시 켰으며 이 열량변화에 따른 노트북의 온도분포 및 냉각성 능 등을 조사하였다.
대상 데이터
- 이는 노트북의 온도실측결과, 키보드를 제 거한 상태에서도 부품들의 온도가 키보드가 존재하는 상태와 거의 동일하였으므로 수치계산상의 용량을 줄이기 위한 하나의 방편이다. 노트북 모델을 둘러싸고 있는 표면 전체 크기는 Fig. 1의 좌표를 참조하여 , 310 mm(가로 X 방향) x 255 mm(세 로 y 방향) X 22 mm(높이 z 방향)이다. 노트북 내부에 Battery, CD-ROM, HDD, PCMCIA 보드, Mother 보드, VGA 칩, CPU, 그리고 Fan 등이 Fig.
- 32(x)X26(y)시5(z)=12480 개의 격자계일 때부터 유 동분포의 경향과 온도값의 변화가 작아졌으며, 이 보다 더 증가된 41x34x18=25092개의 격자계 이후부터 유동 및 온도 등 수치계산 값의 변화가 일정 해지기 시작하였다. 따라서 본 연구에서는 41x34x18=25092개의 격자계를 채택하였다. 반복 계산시 속도, 압력, 난류 및 온도 변수의 이완 계 수 값은 각각 0.
- 본 연구에서 설정한 노트북 수치모델에서, 노트 북 유입구의 폭(40 mm)을 특성길이로 하는 Reynolds 수를 산정해 볼 때, 약 3000 ~ 6000 정도 로서 난류 유동에 속하며 난류 모델로서 표준 kE 난류 모델이 도입되었다.(疆)본 난류 모델을 이 용함으로써 수치 계산상의 수렴성, 또한 수치 계 산으로부터 획득한 유속 및 온도 등의 값이 실험 값과 비교해 볼 때 만족할만한 수준임을 확인하였다.
- 유입구에서의 유입 및 배출 속도 크기변화에 따른 부품의 냉각특성 데이터는 노트북 설계시에 홴의 소비동력 선정자료로서 이용될 수 있다. 이를 위해, 속도 크기변화에 따른 부품의 온도변화를 Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 PHOENICS V.3.2 를 이용하여 수 치해석 하였다. PHOENICS。)는 유한체적법(finite volume method)에 근간을 둔 Navier-Stokes 방정식 풀이용 상용 프로그램이며 엇갈림(staggered) 격자 방식을 채용하고 있다.
성능/효과
- (1) 공기유입의 경우에서는 유입구로부터 유입 된 냉각공기가 CPU 및 VGA 의 냉각모듈인 히트 스프레더 및 히트싱크 등에 팬에 의해 충돌분사되는 유동이 발생하므로 CPU 및 VGA 의 부품 냉각 에 공기배출의 경우보다 상대적으로 유리하다. 반면에 PCMCIA, HDD 및 CD-ROM 등의 부품 주변 에는 CPU 및 VGA 부품 냉각으로 인한 다소 더 워진 기류가 형성되므로 공기배출의 경우보다 상대적으로 냉각이 불리하게 된다.
- (2) 공기유입의 경우가 배출의 경우보다 대략 7% 정도 더 우수한 CPU 의 냉각성능을 갖으며 유 입속도의 크기를 증가시킴으로써 성능이 증대된다. (3) 히트 스프레더의 재질로서 통상적으로 사용하는 알루미늄올 구리로 대치하면 약 12%의 냉각 성능을 더 촉진 시킬 수 있다.
- (2) 공기유입의 경우가 배출의 경우보다 대략 7% 정도 더 우수한 CPU 의 냉각성능을 갖으며 유 입속도의 크기를 증가시킴으로써 성능이 증대된다. (3) 히트 스프레더의 재질로서 통상적으로 사용하는 알루미늄올 구리로 대치하면 약 12%의 냉각 성능을 더 촉진 시킬 수 있다. 본 연구에서 얻은 이러한 정량적인 데이터는 새로운 노트북 모델을 설계할 시에 알루미늄 스프레더 재질을 구리로 대 체할 경우에 증가되는 비용만큼 실질적인 효과를 거둘 수 있을 지의 판단 여부를 설계자에게 제시 하는 자료가 될 수 있을 것이다.
- (4) 알루미늄 스프레더 및 L2m/s 의 속도크기에 대해, CPU 의 최대가능발열량은 공기유입의 경우에 25 W, 공기배출의 경우에는 22 W 정도이다.
- 2 ℃ 정도를 나타낸다. (b)공기 배출 의 경우에서는 VGA 및 CPU 등의 부품에서 유입 구쪽 방향의 온도구배가 다른 방향보다 비교적 작은 구배를 이루고 있음을 볼 수 있으며 이는 노트 북 내부에서 유입구로 공기가 흘러나가는 유동형태의 영향 때문이다. 각 부품의 평균온도는
- 본 연구에서 설정한 노트북 수치모델에서, 노트 북 유입구의 폭(40 mm)을 특성길이로 하는 Reynolds 수를 산정해 볼 때, 약 3000 ~ 6000 정도 로서 난류 유동에 속하며 난류 모델로서 표준 kE 난류 모델이 도입되었다.(疆)본 난류 모델을 이 용함으로써 수치 계산상의 수렴성, 또한 수치 계 산으로부터 획득한 유속 및 온도 등의 값이 실험 값과 비교해 볼 때 만족할만한 수준임을 확인하였다. 유동장 내의 밀도변화에 대해 Boussinesq approximation 을 사용하는 비압축성 정상상태 3 차 원 난류혼합대류유동의 지배 방정식은 연속방정식, 운동량방정 식 , 난류운동에 너 지 방정 식 , 난류운동에 너지소산율방정식 및 에너지방정식 등으로 구성되 며 다음의 식 (1)~(7) 과 같다.
- 따라서 CPU 냉각성능 증진의 측면에서 히트 스프레더의 재질로서 알루 미늄 혹은 구리를 이용하는 방안이 추천되고 마그 네슘은 피하는 것이 좋다. 나아가 상기의 열저항 값들을 정량적으로 계산해 볼 때, 구리를 사용하는 것이 알루미늄을 사용하는 것보다 약 12% 정도의 냉각성능을 촉진 시킬 수 있음을 알 수 있다. 표의 공기배출의 경우에서는, 재질변화에 따른 열 저항의 크기들은 공기유입의 경우보다 다소 크나 열저항의 감소경향은 유사하다.
- 또한 공기유입의 경우에 대하여 VGA, HDD, PCMCIA, CD-ROM 및 Battery 둥 주요부품의 온도 변화룔 조사하여 그림에 함께 나타내었다. 속도크기가 증가할수록 VGA: 61.3~54.7℃, HDD: 55.0-51.5℃, PCMCIA: 54.4-51.1 ℃, 그리고 CD- ROM: 45.1~41.2℃ 등의 범위에서 각 부품의 온도 들이 선형적인 비율로 감소함을 보였다. 이와 반 면에 Battery 는 38.
- 각 부품에서의 수치값은 실험값보다 약 1 ~ 3℃ 정도 높으며 실험값에 대한 수치값의 오차는 최소 3% - 최대 8% 정도를 나타낸다. 수치값과 실험값의 분포 경향이 거의 유사하며 오차 정도가 작으므로 본 연구의 수치값 의 타당성을 믿을 수가 있었으며, 또한 3 ~ 8% 정도의 오차이내로 수치값의 결과를 신뢰할 수 있었다.
- 1 정도이다. 알루미늄재질과 구리재질 히트 스프레더의 열저항 값들은 평균값보다 낮으며 마그네슘재질은 평균값 보다 높아짐을 알 수 있다. 따라서 CPU 냉각성능 증진의 측면에서 히트 스프레더의 재질로서 알루 미늄 혹은 구리를 이용하는 방안이 추천되고 마그 네슘은 피하는 것이 좋다.
후속연구
- CPU 허용표면온도(limit case temperature), TCPUj |jmit는 대략 85℃ 이며°)이보다 낮은 온도를 유지하기위해 CPU 의 열을 효율적으로 방열하는 방안에 대한 연구가 필요하게 되었다.
- (3) 히트 스프레더의 재질로서 통상적으로 사용하는 알루미늄올 구리로 대치하면 약 12%의 냉각 성능을 더 촉진 시킬 수 있다. 본 연구에서 얻은 이러한 정량적인 데이터는 새로운 노트북 모델을 설계할 시에 알루미늄 스프레더 재질을 구리로 대 체할 경우에 증가되는 비용만큼 실질적인 효과를 거둘 수 있을 지의 판단 여부를 설계자에게 제시 하는 자료가 될 수 있을 것이다.
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