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문제 정의
- 본 연구에서는 컴퓨터 CPU 냉각용 미세채널 워터블록의 열성능 특성을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 냉각수는 증류수를 사용하고 채널폭과 높이가 다른 6종류의 미세채널 워터블록을 설계, 제작하여 냉각수유량, 채널폭, 높이 등이 열 저항 및 압력강하에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 컴퓨터 CPU 냉각용 미세채널 워터블록의 열성능 특성을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 냉각수는 증류수를 사용하고 채널폭과 높이가 다른 6종류의 미세채널 워터블록을 설계, 제작하여 냉각수유량, 채널폭, 높이 등이 열 저항 및 압력강하에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 또한 워터블록 입출구의 열교환량을 측정하기 위해 질량유량계(Badger Meter, RCM-125), 열전대Omega, T-type), 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다. 각 계측장치는 보정(Calibration)을 수행 한 후 유량, 온도 및 차압 등을 데이터 레코더 (Yokogawa, MV200)를 이용하여 정상상태에서 모든 결과를 0.5초 간격으로 저장하였다.
- 또한 워터블록 입출구의 열교환량을 측정하기 위해 질량유량계(Badger Meter, RCM-125), 열전대Omega, T-type), 차압계(Rosemount, 3051S)를 설치하였다. 각 계측장치는 보정(Calibration)을 수행 한 후 유량, 온도 및 차압 등을 데이터 레코더 (Yokogawa, MV200)를 이용하여 정상상태에서 모든 결과를 0.
- 실험은 냉각수의 입․출구온도 및 히팅블록의 표면온도가 3분 이상 변화가 없으면 정상상태로 보고 이 때의 실험데이터를 취득하였으며, 각각 수 회 이상 반복실험하고 평균값을 취하여 실험에 의한 오차를 최소화하였다. 또한 입력 열량 (Pinput=IV)과 출력 열량인 냉각수의 입출구 열 교환량(Q=mccp(Tc,out-Tc,in))의 열평형(Heat balance)을 비교하여 10%이내에 들어오는 값을 데이터 처리하였다.
- 시험부의 접촉저항을 최소화하기 위해 디지털 토크 게이지(Shimpo, FGN-20B)를 사용하여 20kgf/cm2 의 힘을 가하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 막기 위해 실험장치 전구간에 걸쳐 단열 처리를 하였다.
- 시스템의 맥동방지를 위해 바이패스 밸브를 사용하였고, 냉각수의 이물질을 여과하기 위해 5㎛의 마이크로 필터(Ultrafilter GmbH, P-SM 03/10)를 사용하였다. 시험부의 접촉저항을 최소화하기 위해 디지털 토크 게이지(Shimpo, FGN-20B)를 사용하여 20kgf/cm2 의 힘을 가하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 막기 위해 실험장치 전구간에 걸쳐 단열 처리를 하였다.
- 실험은 냉각수의 입․출구온도 및 히팅블록의 표면온도가 3분 이상 변화가 없으면 정상상태로 보고 이 때의 실험데이터를 취득하였으며, 각각 수 회 이상 반복실험하고 평균값을 취하여 실험에 의한 오차를 최소화하였다. 또한 입력 열량 (Pinput=IV)과 출력 열량인 냉각수의 입출구 열 교환량(Q=mccp(Tc,out-Tc,in))의 열평형(Heat balance)을 비교하여 10%이내에 들어오는 값을 데이터 처리하였다.
- 75 W/cm2 의 열유속이 발생할 수 있도록 제작하였다. 열원부는 외부로의 열손실을 최소화하기 위해 테프론 재질의 단열블록(상하 20mm, 폭 30mm)으로 단열하였다. 히터의 발생열량은 직류 전원공급장치(Kikusui, PAN250-4.
- 열원부를 모사하기 위해 40×40 mm2 의 면적과 20 mm의 높이를 가지는 구리재질의 히팅블록에 내경 6 mm 구멍 3개를 뚫어 각각 100 W(2 A, 50 V) 용량의 카트리지 히터를 삽입하여 최대 300 W, 18.75 W/cm2 의 열유속이 발생할 수 있도록 제작하였다.
- 1은 실험에 사용된 워터블록을 나타낸 것으로 크기는 40×40 mm, 채널길이는 19 mm이며, 알루미늄 재질로 마이크로 밀링가공을 통하여 제작하였다. 워터블록 외면에는 오링을 체결하여 누설을 방지할 수 있도록 하였으며, 일정한 헤더부를 가질 수 있게 설계하였다.
- 열원부는 외부로의 열손실을 최소화하기 위해 테프론 재질의 단열블록(상하 20mm, 폭 30mm)으로 단열하였다. 히터의 발생열량은 직류 전원공급장치(Kikusui, PAN250-4.5A)의 전압을 조절함으로써 조절하였다.
- 히팅블록 상부 표면에는 T 타입의 열전대 5개를 설치하여 온도를 측정할 수 있도록 하였으며, 히팅블록의 표면 온도는 열전대 5개의 평균값을 사용하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 실험에 사용된 워터블록을 나타낸 것으로 크기는 40×40 mm, 채널길이는 19 mm이며, 알루미늄 재질로 마이크로 밀링가공을 통하여 제작하였다.
- Table 1은 실험에 사용된 미세채널 워터블록 6 종류의 샘플 사양을 나타낸 것이며, 채널의 폭은 0.5~0.9 mm이고, 채널의 높이는 1.5~4.5 mm이다. 샘플별 수력직경(Hydraulic diameter)은 0.
- 3은 본 연구에 사용된 실험장치를 나타낸 것이다. 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조(Jeio tech, RW-0525G)와 정유량 펌프(Micropump, GB-P35)를 사용하였다. 시스템의 맥동방지를 위해 바이패스 밸브를 사용하였고, 냉각수의 이물질을 여과하기 위해 5㎛의 마이크로 필터(Ultrafilter GmbH, P-SM 03/10)를 사용하였다.
- 실험에 사용된 냉각수는 증류수를 사용하였으며, 냉각수의 입구 온도는 항온조를 통하여 20℃ 로 일정하게 고정시켜 놓고 정유량펌프를 통하여 냉각수의 유량을 변화시켰다. 히팅블록에는 직류 전원공급장치의 전압을 조절함으로써 히터의 발생 열량을 조절하였다.
성능/효과
- (1) 입력 열량 100 W인 경우 냉각수 질량유량 0.7 kg/min 이상에서 샘플 2와 3을 제외한 샘플에서 40℃이하로 작동하였으며, 120 W인 경우 100 W 보다 약 5℃ 상회하는 45℃이하에서 작동함을 알 수 있었다.
- (2) 냉각수 질량유량이 증가함에 따라 열저항은 크게 감소하였으나 압력강하는 그와 반대로 크게 증가하였다. 열저항의 경우에는 채널폭이 좁고 높이가 높은 샘플 6이 가장 낮게 나타났으며, 압 력강하의 경우에는 채널폭이 좁고 높이가 낮은 샘플 1이 가장 높게 나타났다.
- (3) 열저항은 채널높이의 변화가 채널폭의 변화 에 비해 크게 영향을 받는 것으로 나타났으며, 압력강하는 채널폭이 채널높이에 비해 그 영향을 크게 받는다는 것을 알 수 있었다.
- (4) 레이놀즈수가 증가함에 따라 열전달계수와 누셀트수는 증가하는 경향을 보였으며, 동일한 레이놀즈수에서 특히 샘플 6과 5의 열전달성능이 가장 크게 나타났다. 미세채널 워터블록의 열전 달 현상을 나타내는 누셀트수에 대한 상관식을 도출하였으며, 그 식은 51 ≤ Re ≤ 1536 , Pr=6.
- 또한 Fig. 4(b)의 입력 열량 120 W인 경우 질량유량 0.7 kg/min에서 모든 샘플의 경우 100 W 보다 약 5℃ 상회하는 45℃이하에서 작동함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 일반적으로 사용되는 CPU 허용온도가 70℃이내이므로 유량 0.
- 2 kg/min 이상에서는 변화의 폭이 상대적으로 적음을 알 수 있다. 6종류의 실험 샘플 중에서 채널폭이 좁고, 채널높이가 높은 샘플 6 의 열저항이 가장 낮게 나타났으며, 채널폭이 넓고 채널높이가 낮은 샘플 3의 열저항이 가장 높게 나타났다. 이것은 채널폭이 좁고, 채널높이가 높아짐에 따라 채널내부에서의 핀에 의한 열전도 와 유체의 대류열전달이 활발하게 일어나면서 얻어지는 결과로 판단된다.
- Fig. 13은 실험으로 측정한 누셀트수와 상관식으로 얻어진 결과를 나타낸 것으로 실험값과 상관식과의 오차는 최대 12.89%, 평균 ±5.28% 이내로 비교적 잘 일치하였다.
- 5는 입력 열량 100 W인 경우 냉각수의 질량유량에 따른 열저항의 변화를 나타낸 것이다. 냉각수 질량유량이 증가함에 따라 열저항은 1.2 kg/min이하의 적은 유량에서는 열저항이 크게 감소하다가 1.2 kg/min 이상에서는 변화의 폭이 상대적으로 적음을 알 수 있다. 6종류의 실험 샘플 중에서 채널폭이 좁고, 채널높이가 높은 샘플 6 의 열저항이 가장 낮게 나타났으며, 채널폭이 넓고 채널높이가 낮은 샘플 3의 열저항이 가장 높게 나타났다.
- 10은 채널높이에 따른 미세채널 워터블록 의 압력강하를 살펴본 것이다. 동일한 질량유량 에서 채널높이가 높아짐에 따라 압력강하는 크게 감소하는 경향을 보였으며, 냉각수 유량이 큰 경우 그러한 경향은 더욱 크게 나타났다. Fig.
- 7의 채널폭의 변화에 비해 채널높이에 따른 열저항은 크게 변화하는 것으로 나타났다. 따라서 열저항은 채널폭 보다는 채널높이의 변화에 따라 그 영향이 더욱 크게 나타나는 것을 확인하였다.
- 11과 12는 레이놀즈수 증가에 따른 열전달 계수와 누셀트수의 변화를 나타낸 것이다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 열전달계수와 누셀트수 는 증가하는 경향을 보이며, 특히 동일한 레이놀즈수에서 샘플 6과 5의 열전달성능이 가장 크게 나타났다.
- 미세채널 워터블록의 열전 달 현상을 나타내는 누셀트수에 대한 상관식을 도출하였으며, 그 식은 51 ≤ Re ≤ 1536 , Pr=6.97 범위에서 실험값과 오차가 최대 12.89%, 평균 ±5.28% 이내로 비교적 잘 일치하였다.
- 6은 입력 열량 100 W인 경우 냉각수의 질량유량에 따른 압력강하의 변화를 나타낸 것이다. 유량이 증가함에 따라 실험 대상 모든 샘플 에서 압력강하는 크게 증가하였으며, 그중에서 채널폭이 좁고, 채널높이가 낮은 샘플 1의 압력 강하가 가장 크게 나타났으며, 채널폭이 넓고 채 널높이가 낮은 샘플 3의 압력강하가 가장 낮게 나타났다. 이것은 채널폭이 좁고, 채널높이가 낮아짐에 따라 채널내부의 마찰저항과 유동저항의 증대에 따른 차압이 증가하는 것으로 판단된다.
- 7 kg/min에서 모든 샘플의 경우 100 W 보다 약 5℃ 상회하는 45℃이하에서 작동함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 일반적으로 사용되는 CPU 허용온도가 70℃이내이므로 유량 0.2 kg/min, 120 W인 경우에도 안전하게 사용할 수 있음을 확인하였다.
- 일반적으로 히트싱크(Heat sink)의 열저항이 0.3 ℃/W 내외(8) 인 점으로 보았을 때 본 연구에서 제안하는 미세채널을 이용한 수냉식 워터블록은 실제 펌프 작동유량인 0.7 kg/min에서 0.2 ℃/W이하로 성능이 매우 우수함을 알 수 있다.
- 9는 채널높이에 따른 미세채널 워터블록의 열저항을 살펴본 것이다. 채널폭이 0.5 mm인 경우 동일한 질량유량에서 채널높이가 높아짐에 따라 열저항은 크게 감소하는 경향을 보였으며, 냉각수유량이 적은 경우 그 경향은 더욱 크게 나타났다. Fig.
후속연구
- 최근의 전자기기는 갈수록 고집적화, 고성능화가 되면서 이로 인해 시스템의 단위 면적당 발열량이 급격히 증가하여 열적인 문제로 인한 시스템 오류와 기기 수명이 크게 단축되고 있는 실정이다. 이에 따라서 국내외의 많은 연구자들은 고성능, 컴팩트한 전자기기 냉각장치 개발에 연구 를 집중하고 있으며, 이러한 경향은 앞으로 더욱 가속될 전망이다.
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