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문제 정의
- 모터 냉각의 목적은 모터의 장시간 사용으로 발생되는 모터의 과열 등 여러 가지 문제점을 해결함으로써 모터의 효율적인 작동을 보장하는 것이다. 열원 표면의 온도는 방열기 설계의 주요한 요소이다.
- 이와 같이 다양한 종듀의 구동모터의 냉각 장치가 개발되고 있으나 본 연구는 핀 형상의 방열기구 등 모터를 히트파이프를 이용하여 효과적으로 냉각하기 위해서다. 핀 형상은 확장된 표면에 의한 대류열전달 성능의 향상을 위해서 단위 부피당 높은 표면적비와 유동의 효율적인 조합이 중요한 요소임이 알려져 있다.
제안 방법
- 2에 보여진 바와 같이 제작하여 다양한 유동 조건에서의 냉각성능을 측정비교 하였다. Fig. 1과 같이 추가 냉각 장치가 없을 경우, 히트파이프의 열전달 성능을 알기 위한 응축부의 온도를 측정하였고 히트파이프만 설치했을 경우, 히트파이프와 냉각 팬을 모두 있을 경우에 구동 모터 표면 온도 측정을 통한 열전달 특성을 파악하였다.
- 1과 동일하다. Fig. 2에 보여진 바와 같이 제작하여 다양한 유동 조건에서의 냉각성능을 측정비교 하였다. Fig.
- 외부 공기는 2중 덮개 사이에 단열재를 넣어서 차단하였다. J-type의 열전대를 사용하여 히트파이프 응축부와 모터표면의 온도를 측정하였다.
- 팬과 히트파이프를 조합하여 냉각 성능을 실험을 통해 측정하였다. 기존의 연구의 핀의 효율에 대한 자료를 확보하고자 두께(t), 폭(W), 길이(L)가 방열성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존의 연구결과를 바탕으로 히트파이프와 팬을 모터의 냉각에 적용, 다양한 유동 조건에서 팬과 히트파이프를 조합하여 냉각 성능을 실험을 통해 측정하였다. 기존의 연구의 핀의 효율에 대한 자료를 확보하고자 두께(t), 폭(W), 길이(L)가 방열성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 열원 표면의 온도는 방열기 설계의 주요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 방열기의 냉각성능을 표면 온도의 관점에서 평가하였으며 실험여건에 따라 온도변화를 측정하였다.
- 2에서 볼 수 있듯이 5개의 히트파이프를 이용하여 모터의 발생한 열을 히트 싱크와 팬으로 구성된 응축부로 이송시켜 냉각시키는 구조를 가지고 있다. 모터에 설치된 히트파이프 냉각성능시험을 위해 전압(V)의 차이와 모터 표면의 위치에 따른 냉각효과를 측정하기 위해 열전대를 부착하였고 Fig. 2에 모터 냉각의 개략도 및 열전대의 위치를 도시하였다.
- 히트파이프의 응축부에서의 냉각은 히트 싱크와 팬을 이용하여 강제 공냉이 이루어지도록 하였다. 모터의 표면의 냉각 상태와 히트파이프의 냉각 성능시험을 위해 응축부에 J-type 열전대를 설치하여 다양한 조건에서 열원의 온도를 측정하였다.
- 6은 모터의 표면에 5개의 히트파이를 설치하고 냉각팬이 작동할 때 모터 표면의 위에 따른 온도를 2개의 J-type의 열전대로 측정한 결과이다. 열전대의 측정위치는 모터 표면에 설치된 히트파이프의 증발부의 주변(Fig. 2 ①)과 히트파이프 사이의 공간(Fig. 2 ②)에서 온도를 측정하였다. Fig.
- 히트파이프와 냉각팬의 조합은 실제 구동 모터의 냉각에 적용하기 위해서 다양한 유동조건의 변화에 따른 열전달 성능을 실험적으로 측정하고 기존 모터의 방열기의 냉각성능과 비교를 통해 수행하였다. 히트파이프와 냉각팬의 조합은 현용 구동 모터의 냉각용 핀형 방열기보다 설험을 통해 방열성능이 우수하다는 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 모터는 지름 60mm, 높이 80mm의 크기를 가진 형상에 가로(L) 10mm, 세로(W) 80mm, 두께(t) 1mm의 형상의 핀을 40개 부착하였다. 히트파이프는 지름 6mm, 높이 150mm의 형상이며 작동유체는 작동온도 -50 〜 130°C의 범위 내에서 사용하였으며 5개의 히트파이프를 사용하였다.
- 히트파이프는 지름 6mm, 높이 150mm의 형상이며 작동유체는 작동온도 -50 〜 130°C의 범위 내에서 사용하였으며 5개의 히트파이프를 사용하였다. 히트파이프는 증발부, 단열부, 응축부로 구분되고 구성요소로는 Container, Wick, Working Fluid가 있다.
성능/효과
- 히트파이프와 냉각팬이 동시에 작용하였을 때 전도와 강제대류가 일어나 충분한 냉각효과를 나타나서 열원의 표면 온도가 일정한 값에 도달하게 되면 표면온도는 유지되었다. 5개의 히트파이프와 냉각팬으로도 방열성능과 냉각성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 좀더 구체적으로 언급하자면 정상 상태가 되었을 때, 20V 및 14V를 인가할 때 히트파이프를 설치할 때가 설치하지 않을 때보다 냉각이 각각 170% 및 500% 정도가 우수함을 실험적으로 검증할 수 있었다.
- 따라서 전압의 차이로 인한 표면온도의 상승은 미미하여 온도변화에 미치는 영향이 크지 않다는 것을 알 수 있다. Fig. 4에서 14V의 전압으로 공급되었을 때를 비교하면 그 보다 약 59.45%의 냉각 효과가 증가하였으며 20V의 전압으로 공급하였을 때는 약 67.4%의 냉각효과를 나타났다. 히트파이프와 냉각팬이 모터의 표면을 효과적으로 냉각할 수 있는 것을 알 수 있다.
- 6에서 보여진 바와 같이 히트파이프의 사이의 공간에도 증발부의 주변온도와 비슷한 결과로 알 수 있듯이 히트파이의 영향을 받아 모터의 표면이 냉각된다는 것을 알 수 있다. Fig.4(20V 의 구동전압)와 비교했을 때 모터 표면의 온도는 그보다 각각 약 65.3%, 67.4% 정도로 냉각효과가 증가하였으며 Fig. 5에서의 실험보다 냉각효과가 그보다 각각 약 17.2%, 18.7%가 증가하였다. 냉각 팬은 히트파이프의 웅축부에서 방열되는 열뿐만 아니라 모터 표면에도 영향을 주어 냉각효과를 더욱 증가시켜 주는 것으로 예상된다.
- 5 배 정도의 냉각성능 향상을 나타내었다. 그러나 14v의 전압을 인가할 경우에는 냉각초기, 10sec 이내에서는 냉각 성능을 향상을 보여주지 않았지만 냉각 시간이 40sec 이상에서는 히트파이프를 사용할 경우가 사용하지 않는 경우보다 3~5배 정도의 냉각성능 향상을 보여 주었다.
- 8은 구동모터에 히트파이프를 사용하지 않을 경우에 14v 및 20v의 전압을 공급하였을 때 핀형 방열기의 구동모터와 냉각팬이 작동하여 구동모터가 냉각될 경우, 대류열전달 계수를 측정한 것이다. 냉각 초기시간 10sec 이내에는 14v의 전압을 인가하였을 때 3배 이상 구동 모터가 냉각이 잘 되었으나 30sec 이상의 냉각시간에서는 20v의 전압을 인가할 경우에 냉각이 약 32%~35% 정도 냉각 성능이 우수한 것으로 측정되었다.
- 9는 구동모터에 히트파이프를 사용할 경우에 14v 및 20v의 전압을 공급하였을 때 핀형 방열기의 구동모터와 냉각팬이 작동하여 구동모터가 냉각될 경우와 히트파이프의 사용하지 않을 경우의 대류열전달 계수의 비를 측정한 것이다. 이 결과를 살펴보면 20v 전압인가의 경우 냉각초기, 10sec 이내에서는 히트파이프를 사용할 경우가 사용하지 않는 경우 보다 3~15배 정도의 냉각 성능의 향상을 보여주었고 냉각시간이 20sec 이상에서는 최고 1.5 배 정도의 냉각성능 향상을 나타내었다. 그러나 14v의 전압을 인가할 경우에는 냉각초기, 10sec 이내에서는 냉각 성능을 향상을 보여주지 않았지만 냉각 시간이 40sec 이상에서는 히트파이프를 사용할 경우가 사용하지 않는 경우보다 3~5배 정도의 냉각성능 향상을 보여 주었다.
- 10은 구동 모터에 20v의 전압을 인가하여 모터의 국소 냉각을 수행하기 위하여 히트파이프를사용했을 때, 히트파이프 주위의 국소적인 위치에 따른 열전달 계수를 측정한 데이터이다. 이 측정에서도 알 수 있듯이 냉각초기, 10sec 이내에서는 히트파이프의 주위(Fig.에서 ①위치)에서 가장 냉각이 잘 되고 있음을 알 수 있고 냉각시간 10~30 sec 사이에서는 히트파이프의 응축부 주위에서의 냉각이 히트파이프 주위 및 증발부 주위보다 약 30%~60% 정도 냉각이 잘 되고 있으며 냉각시간 40sec 이후에는 응축부 주위의 냉각이 히트파이프 주위 및 증발부 주위보다 20%~25% 정도 냉각이 국소적으로 수행되고 있음을 알 수 있었다.
- 5개의 히트파이프와 냉각팬으로도 방열성능과 냉각성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 좀더 구체적으로 언급하자면 정상 상태가 되었을 때, 20V 및 14V를 인가할 때 히트파이프를 설치할 때가 설치하지 않을 때보다 냉각이 각각 170% 및 500% 정도가 우수함을 실험적으로 검증할 수 있었다.
- 수행하였다. 히트파이프와 냉각팬의 조합은 현용 구동 모터의 냉각용 핀형 방열기보다 설험을 통해 방열성능이 우수하다는 것을 확인하였다. 히트파이프와 냉각팬이 동시에 작용하였을 때 전도와 강제대류가 일어나 충분한 냉각효과를 나타나서 열원의 표면 온도가 일정한 값에 도달하게 되면 표면온도는 유지되었다.
- 히트파이프와 냉각팬의 조합은 현용 구동 모터의 냉각용 핀형 방열기보다 설험을 통해 방열성능이 우수하다는 것을 확인하였다. 히트파이프와 냉각팬이 동시에 작용하였을 때 전도와 강제대류가 일어나 충분한 냉각효과를 나타나서 열원의 표면 온도가 일정한 값에 도달하게 되면 표면온도는 유지되었다. 5개의 히트파이프와 냉각팬으로도 방열성능과 냉각성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 앞으로 다양한 크기의 구동모터에 이러한 냉각장치를 적용하는 연구와 냉각장치의 체적문제를 개선하는 연구가 추가되어야 할 것이다.
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