[논문]로봇 냉각을 위한 수냉식 냉각판의 성능 평가

이석원; 강상우; 황규대; 김서영; 리광훈

로봇 냉각을 위한 수냉식 냉각판의 성능 평가
Performance Test of Liquid Cooling Type Cold Plates for Robot Cooling 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.20 no.3, 2008년, pp.189 - 196

이석원 (서울시립대학교 대학원 기계정보공학과) , 강상우 (한국과학기술연구원) , 황규대 (유한대학 산업일본어과) , 김서영 (한국과학기술연구원) , 리광훈 (서울시립대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The increase of system weight due to installation of cooling devices adds electrical and mechanical loads of humanoid robot, and in return, results in much heat. Therefore, the weight of cooling system is a critical issue for robot cooling. In this study, we propose non-metallic cold plates to deal with such problems. We compare thermal performances between one metallic cold plate and five different types of non-metallic cold plates. A metallic cold plate is totally made of copper. Five non-metallic PC(polycarbonate) cold plates, which are designed to reduce the overall weight of robot cooling system, are composed of a polycarbonate cover with different types of base plate. The overall heat transfer coefficients per unit mass and thermal resistances are obtained for the cold plates. The metallic cold plate shows the best thermal performance. It is interesting to note that the PC cold plate with an aluminum base plate with 18 channels shows the best overall heat transfer coefficient per unit mass. Most polycarbonate cold plates display fairly comparable thermal performance with more reduced system weight compared to the metallic cold plate.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

2(e), Fig. 2(f)는 폭 0.5mm, 피치 1mm 의 유로 18개가 같은 높이와 같은 길이로 가공하여, 유로의 재질과 피치 변화에 따른 열적 특성을 비교하고자 하였다. 냉각판의 형상 및 재질은 Fig.
따라서 본 연구에서는 이러한 기술적인 문제를 해결하기 위해 수냉식 냉각판(cold plate)을 제안하고자 한다. 우선 시스템의 중량을 줄이기 위해비금속 재질을 이용하여 새로운 냉각판을 설계하였다.

가설 설정

2(e)의 5종류의 PC 냉각판은 냉각 판의 무게를 줄이기 위하여 냉각판 덮개 부분을 PC로 제작하였으며, 베이스의 5가지 형태에 있어서 Fig. 2(a)의 직접 접촉식 PC 냉각판은 접촉 열저항을 없애기 위하여 베이스 없이 냉각 판 덮개 부분과 히터 블럭을 직접 부착하였다. Fig.

제안 방법

2개의 카트리지 히터를 삽입한 구리 블럭을 열원으로 모사하여 각각 6종류의 냉각판을 설치한 후, 각 냉각판의 열적 성능을 측정, 분석하였다. 실험 장치, 전원 공급장치, 온도, 압력, 유량에 필요한 측정 및 기록 장치들을 Fig.
열량은 20-100W 범위에서 20W씩을 증가시켰다. 각각의 경우에서 3분 동안 온도의 변화가 없으면 정상상태로 간주하여 각각의 온도를 기록 및 저장하였다. 각 지점에서의 온도, 유량, 압력 측정값에 대한 불확실도를 Table 2에 나타내었다(1))
5mm의 홈 1개를 파고, 그 홈 안에 열전대 1 개를 전도성 컴파운드(ACC Silocones, AS1607) 로접합시켜 구리 블럭의 표면 온도를 측정하였다. 냉각 판으로 공급되는 냉각수가 열원으로부터 흡수하는 열전달량을 측정하기 위하여 냉각판 유로의 입출구에 열전대를 각각 설치하였다. 또한 외부 공기 온도의 영향을 배제하기 위하여 온도가 일정하게 유지되는 항온실 내에서 실험을 수행하였다.
2l/min씩 증가시켰다. 냉각수의 유량을 맞춘 다음 히터에 공급되는 직류전원공급 장치의 전압을 조절함으로써 히터의 발생 열량을 조절하였다. 열량은 20-100W 범위에서 20W씩을 증가시켰다.
냉각판과 접촉하는 구리 블럭의 표면에 깊이 0.5mm의 홈 1개를 파고, 그 홈 안에 열전대 1 개를 전도성 컴파운드(ACC Silocones, AS1607) 로접합시켜 구리 블럭의 표면 온도를 측정하였다. 냉각 판으로 공급되는 냉각수가 열원으로부터 흡수하는 열전달량을 측정하기 위하여 냉각판 유로의 입출구에 열전대를 각각 설치하였다.
냉각 판으로 공급되는 냉각수가 열원으로부터 흡수하는 열전달량을 측정하기 위하여 냉각판 유로의 입출구에 열전대를 각각 설치하였다. 또한 외부 공기 온도의 영향을 배제하기 위하여 온도가 일정하게 유지되는 항온실 내에서 실험을 수행하였다. 모든 열전대들은 T형을 사용하였고, data logger (Yogokawa, DR230)에 연결하여 온도를 기록 저장하였다.
또한 외부 공기 온도의 영향을 배제하기 위하여 온도가 일정하게 유지되는 항온실 내에서 실험을 수행하였다. 모든 열전대들은 T형을 사용하였고, data logger (Yogokawa, DR230)에 연결하여 온도를 기록 저장하였다.
유량계 (Dwyer, RMB)를 설치하여 냉각수 유량을 측정하였다. 보다 정확한 질량유량을 측정하기 위하여 1분 동안 비커로 받은 냉각수의 질량을 저울(CAS Co. Ltd., AD-25)로 측정하여 비교하였다.
본 연구에서는 지능로봇 적용을 위하여 냉각 판의 무게를 줄이고 공간적 제약이 적은 냉각장치로서 비금속 재질인 PC로 제작된 5종류의 냉각 판과 구리 재질 냉각판 1종류, 총 6종류의 냉각 판을 제작하여 열저항과 냉각 시스템 무게를 고려한 단위 질량당 총괄열전달계수를 산출하여 열전달 성능을 비교 분석하였다.
공급되도록 하였다. 시스템 내부로 공급되는 냉각수의 유량을 조절 및 측정하기 위하여 유량계(Dwyer, RMB)를 설치하였다. 냉각판과 펌프는 유연성이 좋은 내경 6.
실험결과의 타당성을 검증하기 위하여 발열량과 냉각수에 의하여 교환된 열량의 에너지 평형상태를 비교하였다.
냉각판 베이스의 바닥면과 발열 블럭의접촉면은 접촉저항을 최소화하기 위하여 열 전도성 그리스(SINESTU, KS-612)를 사용하였다. 열원에서 발생한 열이 외기로 빠져나가는 열 손실 없이 냉각판을 거쳐 냉각판 내부를 흐르고 있는 냉각수와 열교환될 수 있도록 열원과 냉각 판을 석면과 유리섬유를 이용하여 외기와 단열시켰다.
한다. 우선 시스템의 중량을 줄이기 위해비금속 재질을 이용하여 새로운 냉각판을 설계하였다. 비금속 재질로 제작한 냉각판이 금속 재질냉각 판에 비하여 낮은 열적 성능을 보일 것이라고 충분히 예상되지만, 냉각장치로 인한 시스템 중량의 증가를 완화시킬 수 있다.
전원공급 장치(GoldStar, GP-1505D)를 조절함으로써 항온조로부터 펌프에 의하여 공급되는 냉각수의 유량을 조절하였으며, 냉각판의 출구 쪽에 유량계 (Dwyer, RMB)를 설치하여 냉각수 유량을 측정하였다. 보다 정확한 질량유량을 측정하기 위하여 1분 동안 비커로 받은 냉각수의 질량을 저울(CAS Co.
5종류의 냉각판을 설계 제작하였다. 총 6종류의 냉각판에 대하여 작동유체의 유량과 열 유속의 변화에 따라 열저항 및 냉각판의 질량당 총괄 열전달 계수를 비교 분석하였다.
총괄열전달계수를 이용하여 냉각판의 성능을 평가하였다.
카트리지 히터가 삽입된 구리 블럭에 4개의 열전대를 설치하여 구리 블럭의 온도분포를 측정하였다. 냉각판과 접촉하는 구리 블럭의 표면에 깊이 0.
3의 하부에 나타내었다. 카트리지 히터는 2개의 연결단자를 갖고 있는 직류 전원공급 장치(TOYOTECH, SDP-30-03TP)에 연결시켜 입력전력을 제어하여 발열체의 열유속을 조절하였다.

대상 데이터

3에서 보듯이 냉각 판 덮개와 베이스, 2부분으로 나누어져 있으며, 냉각수가 누수되지 않도록 실리콘 접착제 (WACKER, ELASTOSIL E43)를 사용하여 접착하였다. 냉각판 베이스의 바닥면과 발열 블럭의접촉면은 접촉저항을 최소화하기 위하여 열 전도성 그리스(SINESTU, KS-612)를 사용하였다. 열원에서 발생한 열이 외기로 빠져나가는 열 손실 없이 냉각판을 거쳐 냉각판 내부를 흐르고 있는 냉각수와 열교환될 수 있도록 열원과 냉각 판을 석면과 유리섬유를 이용하여 외기와 단열시켰다.
시스템 내부로 공급되는 냉각수의 유량을 조절 및 측정하기 위하여 유량계(Dwyer, RMB)를 설치하였다. 냉각판과 펌프는 유연성이 좋은 내경 6.5 mm의 타이곤(TYGON) 관을 사용하여 연결하였다.
본 실험을 위하여 제작한 6종류의 냉각판을 Fig. 2에 나타내었다. 각 냉각판은 Fig.
본 연구에서는 로봇 발열체를 모사한 열원을 냉각시키기 위한 냉각장치로서 1종류의 구리 재질 냉각 판과 절연성 비금속 재질인 PC(polycarbonate) 로 5종류의 냉각판을 설계 제작하였다. 총 6종류의 냉각판에 대하여 작동유체의 유량과 열 유속의 변화에 따라 열저항 및 냉각판의 질량당 총괄 열전달 계수를 비교 분석하였다.

성능/효과

7에 비교하여 나타내었다. Fig. 7의 전체 열저항을 보면 전도열 저항이 낮은 구리 재질 냉각판이 가장 좋은 성능을 나타내었고, 구리 베이스 PC 냉각판, 알루미늄 베이스의 PC 냉각판, 직접 접촉식 PC 냉각 판 순으로 전체 열저항 값이 증가하는 것을 알 수 있다. 직접접촉식 PC 냉각판의 경우, 질량 유량 0.
결과적으로 알루미늄 유로가 가공된 베이스를 가지는 PC 냉각판이 가벼운 무게와 적정한 수준의 열적 성능을 갖추고 있으므로 냉각장치로 인한 시스템의 중량 증가가 매우 제한적인 인간형 로봇의 열적 문제를 해결할 수 있는 매우 적절한 대안임을 알 수 있다.
4%의 중량이 감소하였다. 구리 재질 냉각판에 비하여 열저항은 증가하였지만 상당한 중량 감소 효과를 보였다.
9에 각각 나타내었다. 구리 재질 냉각판은 효과적인 열전달 면적이 크기 때문에 알루미늄 베이스 PC 냉각 판보다 55%, 구리 베이스 PC 냉각판보다 32%의 높은 총괄열전달계수를 보였다. 구리 재질 냉각 판은 총괄열전달계수가 가장 높지만, 6종류의 냉각 판 중 가장 무겁기 때문에 질량당 총괄 열전달 계수는 구리 베이스 PC 냉각판과 알루미늄 베이스 PC 냉각판보다 낮다.
내부에 18개의 유로가 가공된 구리 재질 냉각 판이 열저항 측면에서 가장 좋은 성능을 보인 반면, 18개의 유로가 가공된 알루미늄 베이스 PC 냉각판이 구리 재질 냉각판보다 높은 질량당 총괄 열전달 계수를 보였다. 따라서 비금속 재질로 제작된 알루미늄 베이스의 PC 냉각판이 시스템의 중량저감이 필수적인 인간형 서비스 로봇 냉각 시스템에 적절한 대안이 될 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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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