[논문]히트싱크를 이용한 전자통신 시스템의 방열설계 프로그램 개발

이정환; 김종만; 전지환; 배철호; 서명원

doi:10.3795/ksme-b.2007.31.3.256

[국내논문] 히트싱크를 이용한 전자통신 시스템의 방열설계 프로그램 개발
Development of Thermal Design Program for an Electronic Telecommunication System Using Heat Sink 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.31 no.3 = no.258, 2007년, pp.256 - 263

이정환 (성균관대학교 대학원 기계공학부) , 김종만 (성균관대학교 대학원 기계공학부) , 전지환 (성균관대학교 대학원 기계공학부) , 배철호 (성균관대학교 대학원 기계공학부) , 서명원 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the cooling performance of heat sinks for an electronic telecommunication system by adequate natural convection. Heat generation rates of electronic components and the temperature distributions of heat sinks and surrounding air are analyzed experimentally and numerically. In order to perform the heat transfer analysis for the thermal design of telecommunication system a program is developed. The program used the graphic user interface environment to determine the arrangement of heat sources, interior fan capacity, and heat sink configuration. The simulation results showed that the heat sinks were able to achieve a cooling capacity of up to 230W at the maximum temperature difference of $19^{\circ}C$. To verify the results from the numerical simulation, an experiment was conducted under the same condition as the numerical simulation, and their results were compared. The design program gave good prediction of the effects of various parameters involved in the design of a heat sinks for an electronic telecommunication system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전자통신 시스템에 적용 가능한 저소음 냉각 설계기술 개발을 위하여 시스템의 형상, 열원의 배치, 풍속, 히트싱크의 형상(핀 길이, 핀 높이, 핀 간격 등)을 설정하고 해석을 수행하면 시스템 내부의 온도 상승을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한 프로그램을 통한 해석결과의 검증을 위하여 실험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 상기에 언급한 전자통신 시스템의 기하학적인 제약조건에 적합한 히트싱크의 형상도출을 위하여 시스템 전체에 230W의 부하가 작용하는 조건에 대한 자연대류 해석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 자세한 해석 결과는 5장에서 언급될 것이며, 제일 낮은 평균온도분포를 보이는 것은 예상대로 case 1이다.

제안 방법

(1) 본 연구에서 개발한 프로그램은 전자통신시스템에 익숙하지 않은 사용자도 쉽게 모델을 구성하고 해석을 수행할 수 있도록 사용자 인터페이스를 구성하였다.
(4) 기존의 팬을 이용한 냉각방식에서 발생하는 소음, 진동, 공간적 제약 및 팬 구동에 의한 전력사용 등의 단점을 극복하기 위한 방안을 제시하였다.
(6) 따라서 본 연구에서는 기존의 팬을 이용한 냉각방식에 대한 데이터의 활용을 위해 Fig. 3과 같은 장치를 구성하고, 예비실험으로써 발열량 측정을 위하여 열교환기(heat exchanger)부를 팬으로 대체하여 실험을 수행하였다. 측정결과 실험장치의 각 랙(rack)은 소비전력의 약 30%의 발열량을 나타내었다.
13과. 같이 시스템 내부에서 최고온도 분포를 보이는 부위에 대한 평균온도를 산출하고 사용자에 의하여 주어지는 한계온도와의 비교를 통해 설계된 열교환기의 사용 가능성을 판정해 주는 모듈을 구성하였다. 즉, 이를 통해 사용자는 용이하고 신속하게 현재 시스템에 적합한 열교환기의 형태를 도출 할 수 있게 된다.
4에 나타낸 바와 같이 21채널을 사용하였고, 각 채널마다 열전대를 연결하여 여러 지점의 온도를 동시에 읽을 수 있도록 하였다. 또한 전원공급을 위한 장치로는 교류 전원공급 장치를 사용하였고, 전원공급의 모니터링을 위하여 디지털 파워 미터(digital power meter)를 사용하였다.
본 연구에서는 해석결과를 사용자가 이해하기 쉬운 형태로 표현하기 위하여 원하는 부분에 대한 정보를 데이터 타입으로 출력할 수 있도록 하였으며, Fig. 13과. 같이 시스템 내부에서 최고온도 분포를 보이는 부위에 대한 평균온도를 산출하고 사용자에 의하여 주어지는 한계온도와의 비교를 통해 설계된 열교환기의 사용 가능성을 판정해 주는 모듈을 구성하였다.
상기에 개발된 프로그램을 이용하여 다양한 조합의 모델에 대한 열전달 해석을 수행하였다. 이용된 히트싱크는 항류형 (counter flow) 방식으로 설계하였으며, 전자통신 시스템의 기하학적인 제약조건을 고려하여 핀 두께 0.
실험은 외기온도 및 습도를 각각 43℃, 30%로 유지시켜 최악의 조건으로 설정하였으며, 기준접점부는 단열시켰다. 온도측정은 외기의 안정된 온도유지와 시스템 내의 온도가 정상상태로 도달할 때까지 충분한 시간 간격을 두어 실시하였으며, 3회 반복실험 후 평균하여 그 결과 값을 시스템 내부와 히트싱크의 온도로 결정하였다.
01℃이다. 온도측정은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 21채널을 사용하였고, 각 채널마다 열전대를 연결하여 여러 지점의 온도를 동시에 읽을 수 있도록 하였다. 또한 전원공급을 위한 장치로는 교류 전원공급 장치를 사용하였고, 전원공급의 모니터링을 위하여 디지털 파워 미터(digital power meter)를 사용하였다.
단열시켰다. 온도측정은 외기의 안정된 온도유지와 시스템 내의 온도가 정상상태로 도달할 때까지 충분한 시간 간격을 두어 실시하였으며, 3회 반복실험 후 평균하여 그 결과 값을 시스템 내부와 히트싱크의 온도로 결정하였다.
5와 같이 변수화된 모델(parametric model DB)을 구성하여 사용자로부터 시스템의 형상정보, 경계조건 등 모델 파라미터를 입력받을 수 있도록 구성하였다. 이러한 사용자의 입력정보를 바탕으로 Fig. 6에 나타낸 GAMBIT⁽¹¹⁾을 이용하여 해석모델을 구성한 후, 열원의 타입, 대류조건 등 해석과 관련된 파라미터를 입 력받아 해석을 수행하고, 그 결과를 출력 할 수 있도록 구성하였다. 이의 전체적인 흐름도 및 구성된 GUI는 Fig.
이용된 히트싱크는 항류형 (counter flow) 방식으로 설계하였으며, 전자통신 시스템의 기하학적인 제약조건을 고려하여 핀 두께 0.001m, 높이 0.46m, 폭 0.54m, 내부길이 0.08m, 외부길이 0.1m에 대하여 Table 1에 나타낸 것처럼 4가지 핀 간격 모델을 구성하였다.
즉, 전자통신 시스템에 사용되는 중요 제원에 대한 정보를 바탕으로 Fig. 5와 같이 변수화된 모델(parametric model DB)을 구성하여 사용자로부터 시스템의 형상정보, 경계조건 등 모델 파라미터를 입력받을 수 있도록 구성하였다. 이러한 사용자의 입력정보를 바탕으로 Fig.
해석결과의 검증을 위해 Fig. 14와 같은 실험 장치를 구성하여 대류열전달 실험을 수행하였다. 즉, 상기에 언급한 것과 같이 가장 낮은 온도분포를 보이는 case 1과 동일한 조건인 핀 두께 0.
히트싱크의 실제 제작을 고려하여 최소 핀 간격은 0.01m로 제한하였으며, 시스템 내부 팬에 의한 냉각효과를 고려하기 위해 내 · 외부 핀 간격이 다른 모델(case 3, 4)도 해석을 수행하였다. 해석결과를 통하여 전체적으로 가장 낮은 온도분포를 보이는 경우는 예상대로 열 교환면적이 넓은 0.

대상 데이터

또한 셀프모듈은 장비를 구성하는 핵심 구성 부로써 비상시 전원공급을 위한 무정전 전원공급 장치(UJS), 자료분석을 위한 자료처리기 등 많은 전자부품이 밀집되어 있는 부분이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 열 발생량이 상대적으로 적은 전시모듈을 제외한 셀프모듈을 연구대상으로 하여 실험장치를 구성하였다.
전자통신 시스템 내부와 히트싱크의 온도측정을 위하여 T형 열전대를 사용하였다. T형 열전대의 온도범위와 오차범위는 각각 -400~800℃±0.

데이터처리

수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한 프로그램을 통한 해석결과의 검증을 위하여 실험결과와 비교하였다.

성능/효과

(2) 경험에 의존하여 진행되었던 설계부분을 전산화하였고, 프로그램을 이용하여 해석 모델을 생성하면 모델링 시간을 단축시킬 수 있으며 다양한 설계변경에 신속히 대응할 수 있다.
(3) 시스템의 허용온도 범위를 만족시키는 히트싱크 크기 및 핀의 개수, 각 랙의 팬 용량 등을 제시함으로써 초기설계에서 발생할 수 있는 설계오류를 방지할 수 있다.
(4) 이러한 문제는 수년 전까지만 해도 개인용 PC에서의 해석이 불가능하였으나, 컴퓨터 성능의 급속한 발전 및 전산유체역학 관련 해석기술의 지속적 발달로 수치 해석적 방법에 의한 접근이 가능하게 되었다. 지금까지 전자 부품의 냉각과 관련된 연구는 다양한 방법으로 접근되어 왔다.
3과 같은 장치를 구성하고, 예비실험으로써 발열량 측정을 위하여 열교환기(heat exchanger)부를 팬으로 대체하여 실험을 수행하였다. 측정결과 실험장치의 각 랙(rack)은 소비전력의 약 30%의 발열량을 나타내었다.
01m로 제한하였으며, 시스템 내부 팬에 의한 냉각효과를 고려하기 위해 내 · 외부 핀 간격이 다른 모델(case 3, 4)도 해석을 수행하였다. 해석결과를 통하여 전체적으로 가장 낮은 온도분포를 보이는 경우는 예상대로 열 교환면적이 넓은 0.01m 간격 모델이며, case 3과 4를 통하여 시스템 내부 팬에 의한 냉각효과는 거의 없었다는 것을 확인할 수 있었다

참고문헌 (11)

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상세보기
Soule, C., 2001, 'Future Trends in Heat Sink Design,' ElectronicsCooling, Vol. 7, No. 1, pp. 18-27

상세보기
http://www.electronics-cooling.com
Incropera, F. P. and DeWitt, D. P., 1996, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4ed., John Wiley & Sons
Kim, S. Y. and Rahph L. Webb, 2002, 'Thermal Performance Analysis of Fan-Heat Sinks for CPU Cooling,' International symposium(KSME part), pp. 2588-2594
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Lee, K. W., Park, K. H., Rhi, S. H. and Yoo, S. Y., 2002, 'Heat Pipe Heat Sink Development for Electronics Cooling,' Transaction of the SAREK, Vol. 14, No. 8, pp. 664-670
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Park, B. C., Copeland, D. and Nakayama, W., 1995, 'Cooling of Electronic Systems by Using Manifold Microchannel Heat Sinks,' Autumn conference Proc. of the KSME(B), pp. 74-80
http://www.fluent.com

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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