[논문]워터블록 내부형상에 따른 수냉식 전자부품 냉각장치 성능변화에 관한 실험적 연구

함형창; 박창용

doi:10.6110/kjacr.2013.25.6.331

워터블록 내부형상에 따른 수냉식 전자부품 냉각장치 성능변화에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Performance of an Electric Component Liquid Cooling System with Variation of the Waterblock Internal Shape 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.6, 2013년, pp.331 - 337

함형창 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) , 박창용 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study on the performance of a liquid electric component cooling system was performed. The thermal resistance and pressure drop at a heat sink were measured, for aluminum waterblocks with four different internal shapes, with either smooth surface, porous media filling, or with fins of 5 mm height, or of 7 mm height. The fins had 0.5 mm thickness, and the gap between the fins was 0.5 mm. The waterblock internal dimension was $36.5{\times}36.5{\times}7mm$. Compared with the waterblock with smooth surface, the thermal resistance reduction was 11%, 46%, and 42% for waterblocks with porous media filling, 5 mm, and 7 mm fins, respectively. A new dimensionless parameter was suggested to evaluate the waterblock performance, with the simultaneous consideration of thermal resistance and pressure drop. The performance of the waterblock with fins of 5 mm height was best by parameter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 이러한 비교는 열저항과 압력강하를 동시에 고려하는 일반적인 무차원 변수가 없어 정량적인 비교가 어려운 측면이 있다. 따라서 본 절에서는 열저항과 압력강하를 동시에 비교 및 평가할 수 있는 무차원 변수를 제시하고 이를 분석에 응용하였다.
또한 미소채널과 관련된 대부분의 연구가 채널이 유동단면의 전체를 차지하고 있는 조건에서 수행되었으며, 유동 단면의 일부에만 채널이 적용되는 경우 이에 대한 열전달 및 압력강하 특성에 관한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 고발열 밀도를 갖는 전자장치의 수냉식 냉각을 위한 워터블록 내부의 다양한 형상이 열전달 및 압력 강하에 미치는 영향에 관한 실험적 분석이 이루어졌으며, 이를 바탕으로 워터블록 내부의 적절한 형상에 관한 고찰이 수행되었다.

제안 방법

덮개에는 대각선 방향으로 2개의 구멍이 있으며 이는 냉각수의 입구와 출구가 된다. 냉각수의 입출구 방향 그리고 채널의 배열은 기존에 발표된 연구^{(6, 7)}에서 제시한 최적의 형상을 참고하여 제작하였다. 발열부와 방열부 사이에는 실리콘 계열의 thermal grease를 사용하여 열저항을 줄이도록 하였다.
냉각수의 입출구 방향 그리고 채널의 배열은 기존에 발표된 연구^{(6, 7)}에서 제시한 최적의 형상을 참고하여 제작하였다. 발열부와 방열부 사이에는 실리콘 계열의 thermal grease를 사용하여 열저항을 줄이도록 하였다.
실험을 통해 얻을 수 있는 최종적인 결과는 방열부 뒷면의 온도, 방열부의 열저항, 그리고 방열부의 냉각수 측 압력강하이다. 방열부 뒷면의 온도(Tbot)는 Fig. 2의 TC1, TC2, 그리고 TC3의 평균값으로 구하였다. 방열부의 열저항은 방열부가 갖는 전도 및 대류열전달의 열저항의 합이며, 식(1)～식(3)을 이용하여 계산한다.
실험에서는 덮개와 4가지 종류의 방열부 사이를 통과하는 냉각수의 유량을 5단계로, 발열부의 히터에 공급하는 전력량을 3단계로 조절하여 총 60개 실험조건이 수행되었다. Table 2은 수행된 실험조건을 보여준다.
유체는 test section으로 유입되어 발열부를 냉각시킨 후 유출되며, 온도가 상승한 작동유체는 항온조에 의해 냉각되는 열교환기를 지나고, 이후 저수조를 지나 다시 펌프로 유입된다. 실험을 위해서 온도와 test section 입출구의 압력차가 측정되었다. 온도는 T-type 열전대를 사용하였으며 측정 전 보정실험을 통해 ±0.
5 mm 폭과 간격을 갖는 높이 7 mm의 핀이 가공되었다. 알루미늄 재질의 핀 가공을 위해 wire 방전가공(EDM： Electrical discharge machining)을 사용하였다.
1℃의 정확도를 갖도록 하였다. 압력차의 측정에는 차압계를 이용하였다.
온도는 T-type 열전대를 사용하였으며 측정 전 보정실험을 통해 ±0.1℃의 정확도를 갖도록 하였다.
본 연구에서 사용된 방열부의 형상조건은 크게 4가지이며 각 유동 단면에 관한 형상은 Table 1에 제시되었다. 첫 번째 형상은 매끈한 표면을 갖는 방열부이며, 두 번째 형상은 첫 번째 형상의 유동공간에 다공성 물질을 삽입하여 열전달 효과를 증가시키려 하였다. 다공성 물질의 재료는 구리이며 공극은 20 PPI(pores per inch)이다.

대상 데이터

Test section은 알루미늄을 재질로 하여 제작되었으며 Fig. 2에서 보여주는 것과 같이 아래로부터 발열부, 방열부, 그리고 덮개로 구성되어 있다. 발열부는 desk-top 컴퓨터의 CPU를 모사하기 위해 그 크기와 발열량이 정해졌으며, 발열을 위해 3개의 100 W 발열량을 갖는 히터가 설치되었다.
첫 번째 형상은 매끈한 표면을 갖는 방열부이며, 두 번째 형상은 첫 번째 형상의 유동공간에 다공성 물질을 삽입하여 열전달 효과를 증가시키려 하였다. 다공성 물질의 재료는 구리이며 공극은 20 PPI(pores per inch)이다. 다공성 물질의 경우 그 공극이 PPI의 단위로 표현되어 공극의 크기를 정확하게 측정하기 어려웠기 때문에 Fig.
본 연구에서 사용된 방열부의 형상조건은 크게 4가지이며 각 유동 단면에 관한 형상은 Table 1에 제시되었다. 첫 번째 형상은 매끈한 표면을 갖는 방열부이며, 두 번째 형상은 첫 번째 형상의 유동공간에 다공성 물질을 삽입하여 열전달 효과를 증가시키려 하였다.

데이터처리

본 실험에서 측정된 온도, 압력 그리고 질량유량은 데이터 수집장치(NI DAQ-9172)로 연결되어 실시간으로 PC에 저장되었고 정상상태에서 2초 간격으로 15분간 측정된 값의 평균을 이용하여 결과를 분석하였다.

성능/효과

(1) 유동단면을 미소채널로 모두 채우는 7 mm 핀 높이 방열부보다 덮개와 핀 끝 사이에 2 mm의 간격을 두는 5 mm 핀 높이의 방열부의 냉각 및 압력강하 성능이 더 우수하였다.
(2) 매끈한 표면을 갖는 방열부에 비해 열저항의 감소율은 다공성 물질을 삽입하는 경우 평균 11%, 5 mm 핀 높이의 경우 평균 46%, 7 mm 핀 높이의 경우 평균 42%이다.
(3) 매끈한 표면을 갖는 형상에 비해 워터블록 입출구의 압력강하 증가율은 다공성 물질을 삽입하는 경우 평균 21%, 5 mm 핀 높이의 경우 평균 5%, 7 mm 핀 높이의 경우 평균 50%이다.
(4) 열저항과 압력강하를 모두 고려하는 무차원 변수(j/K_L^1/2)를 제시하였으며, 이를 이용하여 방열부의 형상에 따른 성능특성을 정량적으로 표현하는 것이 가능하였다.
7은 매끈한 표면을 갖는 방열부의 열저항에 비해 전열촉진을 위한 형상이 어느 정도의 열저항 감소 효과를 가져오는지 보여준다. 다공성 물질을 삽입하는 경우에는 매끈한 표면에 비해 약 11% 정도의 평균 열저항 감소효과가 있으며 5 mm의 핀 높이를 갖는 경우 46%, 7 mm의 핀 높이를 갖는 경우 42%의 평균 열저항 감소가 있음을 알 수 있다.
독립적으로 수행된 실험을 통해 외부로 손실되는 시간당 열량을 구하였으며 이는 전기히터로 가해지는 에너지의 1.6%∼3.2%였다.
실험을 통해 얻을 수 있는 최종적인 결과는 방열부 뒷면의 온도, 방열부의 열저항, 그리고 방열부의 냉각수 측 압력강하이다. 방열부 뒷면의 온도(Tbot)는 Fig.
유량이 가장 낮은 경우는 측정값이 작아 계측 오차로 인한 정확한 비교가 어려워 1.0∼2.5 kg/min 유량조건의 매끈한 표면과 비교하면, 압력강하량 증가율은 7 mm 미소채널 높이의 경우 50%, 다공성 물질을 삽입하는 경우 21%, 5 mm 미소채널 높이의 경우 5%였다.
10에 제시되어있다. 전술한 것과 같이 주어진 유량조건에서 5 mm 핀 높이를 갖는 방열부의 성능이 가장 우수한 것으로 나타났으며 유동 단면을 모두 미소채널로 채우는 7 mm 핀 높이를 갖는 경우가 다음으로 높은 성능을, 마지막으로 매끈한 표면을 갖는 경우와 다공성 물질을 삽입한 방열부의 성능은 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고발열 전자장치에 냉각을 수행하지 않으면 어떤 일이 발생하는가?	최근 전기회로의 고성능화와 고집적화, 그리고 고휘도 LED 조명사용 증가에 따라 고발열 밀도를 갖는 전자장치의 냉각이 중요해지고 있다. 고발열 전자장치에 적절한 냉각을 수행하지 않는 경우 전자부품 성능저하나 수명단축의 원인이 된다. 전자장치의 냉각으로 가장 널리 사용되는 공랭식은 비교적 저가로 안정적인 냉각을 구현하는 장점이 있지만 공기가 갖는 낮은 단위 유량 당 열수송 능력으로 인해 냉각 능력에 제한이 있으며, 고속회전 팬을 사용해야 하므로 이에 의한 소음발생이 심하다는 단점을 갖고 있다.
	공랭식의 장단점은 무엇인가?	고발열 전자장치에 적절한 냉각을 수행하지 않는 경우 전자부품 성능저하나 수명단축의 원인이 된다. 전자장치의 냉각으로 가장 널리 사용되는 공랭식은 비교적 저가로 안정적인 냉각을 구현하는 장점이 있지만 공기가 갖는 낮은 단위 유량 당 열수송 능력으로 인해 냉각 능력에 제한이 있으며, 고속회전 팬을 사용해야 하므로 이에 의한 소음발생이 심하다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 보완 하기 위해 다양한 전자부품 냉각방법이 제시되고 있으며(1-4) 그 중 하나가 수냉식 냉각방법이다.
	공랭식의 단점을 보완하기 위한 벙법은 무엇인가?	전자장치의 냉각으로 가장 널리 사용되는 공랭식은 비교적 저가로 안정적인 냉각을 구현하는 장점이 있지만 공기가 갖는 낮은 단위 유량 당 열수송 능력으로 인해 냉각 능력에 제한이 있으며, 고속회전 팬을 사용해야 하므로 이에 의한 소음발생이 심하다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 보완 하기 위해 다양한 전자부품 냉각방법이 제시되고 있으며(1-4) 그 중 하나가 수냉식 냉각방법이다. 수냉식 냉각 기술은 액체가 갖는 높은 단위 유량 당 열수송 능력을 고발열 전자장치 냉각에 활용하려는 것이며, 수냉식 시스템을 적용한 CPU 및 GPU 냉각 시스템이 고성능 desktop 컴퓨터용으로 제작되어 상용화되었다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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