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문제 정의
- 본 연구에서는 Zalman LQ315 CPU쿨러에 나노유체를 주입하여 냉각성능을 향상시키는 연구를 진행하였다. 우선적으로 열전도도와 점도를 이용하여 동일 펌핑파워 조건에서 냉각성능을 이론적으로 예측하기 위해 성능계수를 계산하였고, 성능계수 값은 부피비 0.
- 본 연구에서는 컴퓨터 CPU 쿨러에 적용 가능한 나노유체를 제작하고자 하였으며, 동결방지를 위해 물/PG기반 Al2O3나노유체를 제작하였다. 또한 나노유체의 특성을 파악하기 위해 열전도도와 점도를 측정하였고, 성능계수라는 개념을 도입해 물성치로부터 나노유체의 냉각성능을 예측하였다.
제안 방법
- Garg et al.(7)은 EG를 기본유체로 한 Cu 나노유체를 제작하여 점도와 열전도도를 측정하는 실험을 하였다. 부피비 2%의 나노유체의 경우 열전도도가 12% 증가하였으나 점도 역시 25℃조건에서 22% 증가하였다.
- 35%를 각각 가지며 초음파 에너지를 10시간 동안 가하였고, 첨가제는 사용하지 않았다. 나노유체를 제작한 후 우선적으로 열전도도와 점도를 측정하였다. 나노유체의 열전도도는 본 연구팀에서 고안한 비정상열선장치(11-12)를 이용하여 측정하였으며, 오차는 1.
- 나노유체를 제작한 후 우선적으로 열전도도와 점도를 측정하였다. 나노유체의 열전도도는 본 연구팀에서 고안한 비정상열선장치(11-12)를 이용하여 측정하였으며, 오차는 1.5% 이하이다. 열전도도는 실제 CPU냉각시스템의 냉각수 운용온도와 흡사한 40°C에서 측정하였으며, 열전도도 값은 Carslaw와 Jaeger의 식(13)에 의하여 계산된다.
- 나노유체를 제작하였다. 또한 나노유체의 특성을 파악하기 위해 열전도도와 점도를 측정하였고, 성능계수라는 개념을 도입해 물성치로부터 나노유체의 냉각성능을 예측하였다. 최종적으로 제작된 유체를 상용CPU 쿨러에 주입하여 기본유체와 비교하여 성능향상을 평가하는 실험을 수행하였다.
- 성능계수로 예측한 나노유체의 냉각성능향상을 실험적으로 확인하기 위해, 나노유체를 냉각실험성능 실험장치에 적용하여 실험하였다. 냉각성능 향상 폭을 구하는 식에서 가장 중요한 인자는 외기온도와 히터온도의 차이이며, 이 값을 통해 냉각성능이 결정된다.
- 펌프에 CPU를 대체하는 모사발열체를 설치하고 130W의 파워를 가하였다. 온도는 모사발열체와 외기의 온도를 측정하였다. 펌프와 팬에 사용되는 파워는 각각 동일하게 고정하여 실험하였다.
- 1과 같다. 유체를 삽입하기 위해 기존의 쿨러에 진공장비를 결합하였으며, 진공도는 약 0.15 Torr로 형성하였다. 펌프에 CPU를 대체하는 모사발열체를 설치하고 130W의 파워를 가하였다.
- 열전도도의 증가는 냉각성능을 향상시키고, 점도의 증가는 유량의 감소를 야기하여 냉각성능을 하락시킨다. 이러한 상반된 요소를 고려하여 냉각성능을 이론적으로 예측할 수 있는 방법으로 성능계수(7, 14-16)를 도입하였다. 성능계수는 동일한 펌핑파워 내부유동 조건에서 기본유체 대비 나노유체의 열전달성능비를 나타낸 것으로 다음과 같이 정의된다.
- 점도는 Brookfield사의 점도계를 이용하여 측정하였으며 40°C에서 전단속도 300, 600, 900s−1조건으로 측정하였다.
- 나노입자를 구매하여 물/PG4:1 혼합액을 기본유체로 제작하였다. 제작된 유체는 부피비 0.25%와 부피비 0.35%를 각각 가지며 초음파 에너지를 10시간 동안 가하였고, 첨가제는 사용하지 않았다. 나노유체를 제작한 후 우선적으로 열전도도와 점도를 측정하였다.
- 또한 나노유체의 특성을 파악하기 위해 열전도도와 점도를 측정하였고, 성능계수라는 개념을 도입해 물성치로부터 나노유체의 냉각성능을 예측하였다. 최종적으로 제작된 유체를 상용CPU 쿨러에 주입하여 기본유체와 비교하여 성능향상을 평가하는 실험을 수행하였다.
- 15 Torr로 형성하였다. 펌프에 CPU를 대체하는 모사발열체를 설치하고 130W의 파워를 가하였다. 온도는 모사발열체와 외기의 온도를 측정하였다.
대상 데이터
- 냉각성능 실험장치는 Zalman의 LQ315 CPU 쿨러를 사용하여 구성하였으며 Fig. 1과 같다. 유체를 삽입하기 위해 기존의 쿨러에 진공장비를 결합하였으며, 진공도는 약 0.
- 실험을 위한 나노유체는 Two-step 방법으로 제작되었으며, Nanophase사의 Al2O3나노입자를 구매하여 물/PG4:1 혼합액을 기본유체로 제작하였다. 제작된 유체는 부피비 0.
성능/효과
- Hwang et al.(3)은 물에 다중벽 탄소나노튜브를 분산시켜 부피비 0.01%의 나노유체에서 열전도도가 11.3% 증가함을 확인하였다. Zhua et al.
- 부피비가 높은 나노유체는 열전도도가 더 향상되었지만 점도 또한 상대적으로 더욱 높아져, 이로 인해 동일한 펌핑파워 조건에서 유량이 감소하여 열전달성능이 하락하였다. 결과적으로 유량감소의 영향이 열전도도 상승의 영향보다 더 크게 작용하여 부피비 0.35%의 나노유체가 냉각성능의 향상 폭이 더 낮게 나타났다. 또한 성능계수를 이용한 냉각성능의 이론적 예측에서 두 부피비의 유체가 0보다 큰 성능계수를 나타내었고, 실험결과 각각의 유체 모두 냉각성능이 향상됨으로써 성능계수에 의한 이론적 예측이 타당함을 확인할 수 있었다.
- 3% 증가하였다. 두 나노유체를 비교하면 부피비 0.35%의 나노유체는 높은 부피비로 인해 열전도도에서 더 높은 결과를 나타냈으나 열전도도 상승폭에 비해 상대적으로 점도가 크게 증가하였다. 열전도도의 증가는 냉각성능을 향상시키고, 점도의 증가는 유량의 감소를 야기하여 냉각성능을 하락시킨다.
- 두 방법으로 제작한 나노유체를 비교한 결과 부피비 0.35%의 경우 부피비 0.25% 나노유체보다 좋지 않은 결과를 보였다. 부피비가 높은 나노유체는 열전도도가 더 향상되었지만 점도 또한 상대적으로 더욱 높아져, 이로 인해 동일한 펌핑파워 조건에서 유량이 감소하여 열전달성능이 하락하였다.
- 4는 본 연구에서의 물성치 측정결과를 식 (3)에 적용하여 부피비별 나노유체의 성능계수를 계산한 결과이다. 두 종류의 유체 모두 0보다 큰 값을 나타내었으며, 상대적으로 부피비가 낮은 부피비 0.25%에서 성능계수가 0.31로 부피비 0.35%의 성능계수 0.2보다 더 높은 값을 나타내었다.
- 35%의 나노유체가 냉각성능의 향상 폭이 더 낮게 나타났다. 또한 성능계수를 이용한 냉각성능의 이론적 예측에서 두 부피비의 유체가 0보다 큰 성능계수를 나타내었고, 실험결과 각각의 유체 모두 냉각성능이 향상됨으로써 성능계수에 의한 이론적 예측이 타당함을 확인할 수 있었다. 또한, 부피비 0.
- 또한, 부피비 0.25%의 나노유체의 성능계수가 부피비 0.35% 나노유체의 성능계수보다 1.5배 정도 높았는데 냉각성능 향상 폭은 부피비 0.25%와0.35%가 각각 8.6%, 0.2%가 증가하여 성능계수에 비해 편차가 큰 것으로 나타났다.
- 2에 나타나 있다. 부피비 0.25%인 나노유체의 경우 기본유체 대비 1.7% 상승하였으며, 부피비 0.35%인 나노유체는 기본유체보다 3.6% 상승하였다. 이는 나노유체의 부피비와 관련시킬 수 있으며 부피비가 더 높은 경우에 열전도도가 더욱 상승한 것으로 보인다.
- 25% 나노유체보다 좋지 않은 결과를 보였다. 부피비가 높은 나노유체는 열전도도가 더 향상되었지만 점도 또한 상대적으로 더욱 높아져, 이로 인해 동일한 펌핑파워 조건에서 유량이 감소하여 열전달성능이 하락하였다. 결과적으로 유량감소의 영향이 열전도도 상승의 영향보다 더 크게 작용하여 부피비 0.
- 실험 결과에서 온도차의 평균을 구하게 되면 부피비 0.25%의 나노유체는 기본유체를 측정하였을 때 외기와 히터의 온도 차가 12.0°C이며, 나노유체를 적용하였을 때는 온도차가 11.0°C이다.
- 실험결과에서 냉각성능의 차이가 크게 나타난 것은 나노유체의 성능이 점도에 큰 영향을 받아서 생긴 현상으로 판단된다. 연구결과를 정리하면 성능계수를 이용하여 나노유체의 물성치만으로 냉각성능의 향상을 이론적으로 예측할 수 있음을 보였으며, 수냉식 CPU 쿨러에서 나노유체 적용 시 최적의 부피비를 선정하는 것이 중요하다는 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 Zalman LQ315 CPU쿨러에 나노유체를 주입하여 냉각성능을 향상시키는 연구를 진행하였다. 우선적으로 열전도도와 점도를 이용하여 동일 펌핑파워 조건에서 냉각성능을 이론적으로 예측하기 위해 성능계수를 계산하였고, 성능계수 값은 부피비 0.25%에서 0.31, 0.35%에서 0.2로 나타났다. 이를 통해 실험 전에 나노유체를 사용함으로써 CPU 쿨러의 성능이 향상될 것으로 예측하였다.
- 2로 나타났다. 이를 통해 실험 전에 나노유체를 사용함으로써 CPU 쿨러의 성능이 향상될 것으로 예측하였다. 제작한 두 나노유체를 CPU 쿨러에 주입하여 냉각성능의 향상 폭을 비교한 결과를 살펴보면, 부피비 0.
- 전단속도 900s−1에서 측정한 결과 부피비0.25%의 나노유체는 기본유체 대비 0.8% 증가하였고, 부피비 0.35%의 나노유체 점도는 기본유체 대비 11.3% 증가하였다.
- 이를 통해 실험 전에 나노유체를 사용함으로써 CPU 쿨러의 성능이 향상될 것으로 예측하였다. 제작한 두 나노유체를 CPU 쿨러에 주입하여 냉각성능의 향상 폭을 비교한 결과를 살펴보면, 부피비 0.25%의 나노유체는 기본유체대비 8.6%의 냉각성능이 증가하였으며, 부피비 0.35% 나노유체의 경우 0.2%의 냉각성능이 증가하였다. 실험결과에서 냉각성능의 차이가 크게 나타난 것은 나노유체의 성능이 점도에 큰 영향을 받아서 생긴 현상으로 판단된다.
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