현재의 컴퓨터는 고성능화, 다기능화, 소형화, 경량화 등의 이유로 인해 기기 내부에서 발생하는 열량이 증가하고 있는 추세이다. 컴퓨터의 성능을 높이고 수명을 연장하기 위해서는 발열을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 열전소자를 이용한 열전냉각시스템을 구성하여 컴퓨터에 설치하였고, 실험을 통해 기존의 공기냉각시스템을 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포와 열전냉각시스템을 함께 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포를 측정한 후, 이를 비교하여 열전냉각시스템의 발열제어 성능을 알아보고자 하였다. 또한, 열전냉각시스템이 기존의 컴퓨터 냉각시스템을 대처할 수 있는 성능을 낼 수 있는지 예측해 보기 위해서 기존의 냉각시스템을 사용한 컴퓨터와 열전냉각시스템만을 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포를 수치해석을 통해 예측하고 비교해 보았다.
현재의 컴퓨터는 고성능화, 다기능화, 소형화, 경량화 등의 이유로 인해 기기 내부에서 발생하는 열량이 증가하고 있는 추세이다. 컴퓨터의 성능을 높이고 수명을 연장하기 위해서는 발열을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 열전소자를 이용한 열전냉각시스템을 구성하여 컴퓨터에 설치하였고, 실험을 통해 기존의 공기냉각시스템을 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포와 열전냉각시스템을 함께 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포를 측정한 후, 이를 비교하여 열전냉각시스템의 발열제어 성능을 알아보고자 하였다. 또한, 열전냉각시스템이 기존의 컴퓨터 냉각시스템을 대처할 수 있는 성능을 낼 수 있는지 예측해 보기 위해서 기존의 냉각시스템을 사용한 컴퓨터와 열전냉각시스템만을 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포를 수치해석을 통해 예측하고 비교해 보았다.
In recent years, the amount of heat generated inside of the computer has more increased because of high performance, multi-function, miniaturization and light weight. It is necessary to control the effective heat generation to improve performance and life extension of the computer. In this study, th...
In recent years, the amount of heat generated inside of the computer has more increased because of high performance, multi-function, miniaturization and light weight. It is necessary to control the effective heat generation to improve performance and life extension of the computer. In this study, thermoelectric cooling system was manufactured using thermoelectric module and was attached to computer in order to control the heat generated inside computer. And the temperature distributions inside computer were experimentally measured and compared with and without thermoelectric cooling system to investigate the effect of cooling system. Also, to estimate the new cooling system which can substitute for the existing computer cooling system, temperature distributions inside computer were calculated by numerical analysis when there was no cooling system and was applied only cooling system to computer.
In recent years, the amount of heat generated inside of the computer has more increased because of high performance, multi-function, miniaturization and light weight. It is necessary to control the effective heat generation to improve performance and life extension of the computer. In this study, thermoelectric cooling system was manufactured using thermoelectric module and was attached to computer in order to control the heat generated inside computer. And the temperature distributions inside computer were experimentally measured and compared with and without thermoelectric cooling system to investigate the effect of cooling system. Also, to estimate the new cooling system which can substitute for the existing computer cooling system, temperature distributions inside computer were calculated by numerical analysis when there was no cooling system and was applied only cooling system to computer.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 가정 및 직장에서 보편화되어 사용되고 있는 컴퓨터의 본체 내부의 발열을 효과적으로 제어해 보고자 열전소자를 사용한 열전냉각시스템을 이용하였다. 실험과 수치해석을 통해 열전냉각시스템이 컴퓨터 내부의 발열을 얼마나 효과적으로 제어할 수 있고, 향후 개선해야 할 내용에는 무엇이 있는지 조사해 보고자 하였다.
본 연구에서는 컴퓨터 내부에서 발생하는 온도분포를 수치해석을 이용하여 계산해 보았다. Fig.
본 연구에서는 컴퓨터 본체 내부의 발열을 효과적으로 제어하기 위하여, 열전소자를 사용한 열전냉각시스템을 컴퓨터에 설치하여 컴퓨터 내부에 발생되는 온도분포를 실험과 수치해석을 통해 측정 및 계산하였으며, 결론을 요약하면 다음과 같다.
따라서, 본 연구에서는 가정 및 직장에서 보편화되어 사용되고 있는 컴퓨터의 본체 내부의 발열을 효과적으로 제어해 보고자 열전소자를 사용한 열전냉각시스템을 이용하였다. 실험과 수치해석을 통해 열전냉각시스템이 컴퓨터 내부의 발열을 얼마나 효과적으로 제어할 수 있고, 향후 개선해야 할 내용에는 무엇이 있는지 조사해 보고자 하였다.
제안 방법
먼저, 수치해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 온도측정 실험결과를 토대로, 각 부품의 온도는 실험을 통해 얻어진 값으로 설정하였다. CPU는 41.3℃, GPU는 39℃, HDD는 35℃ Power supply는 34℃, 대기온도는 24℃로 설정하였고, 열전냉각시스템 냉각면의 온도를 15℃로 설정하여, 컴퓨터와 열전냉각시스템을 동시에 작동시켰을 경우와 같은 조건에서 수치해석을 통해 계산된 결과를 실험결과와 비교하여 수치해석 결과의 신뢰성을 확인하도록 하였다. 이를 통해, 어떠한 냉각시스템도 사용되지 않은 컴퓨터의 온도분포와 기존의 냉각시스템을 제거하고 열전냉각시스템만을 사용한 컴퓨터의 내부 온도분포를 계산하여, 각각의 결과를 비교, 분석하였다.
먼저, 수치해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 온도측정 실험결과를 토대로, 각 부품의 온도는 실험을 통해 얻어진 값으로 설정하였다. CPU는 41.
컴퓨터를 작동시켜 선정된 9개의 지점에서 온도변화를 1시간 동안 측정하였으며, 열전대를 통해 측정된 온도값은 데이터 획득장치에 의해 매 5초 간격으로 컴퓨터에 저장하였다. 모든 실험에서 정확한 데이터 획득을 위해 동일한 조건에서 3회 반복하여 실험을 수행하고 얻어진 데이터의 평균값을 결과값으로 사용하였으며, 대기의 온도는 상온상태(약 24℃)를 유지하여 실험을 수행하였다.
본 실험에서는 2.1.2절에서 설명한 실험장치 중에서 컴퓨터 내에 열전냉각시스템을 추가 장착하고 동일한 실험장치로 Fig. 4와 같이 동일한 9개의 지점에서 두 가지 방법으로 온도를 측정하였다.
본 실험에서는 열전냉각시스템이 사용된 컴퓨터와 일반 컴퓨터의 본체 내부온도를 비교하기 위해 일반 컴퓨터 본체 내부의 온도를 측정하였으며, 실험에 사용된 컴퓨터의 제원은 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 열전소자(Thermoelectric Module)를 이용한 열전냉각시스템(Thermoelectric Cooling System)을 제작하였다. 열전소자 발열면에는 발생하는 열을 방출하기 위한 방열판(Heat Sink)과 방열판의 방열을 돕기 위한 냉각팬(Cooling Fan)을 부착하였고, 열전소자의 냉각면에는 냉각면적을 크게 하기 위한 방열판과 발생한 냉기를 원활하게 순환시키기 위한 송풍팬(Flow Fan)을 부착했으며, 발열면에서 발생된 열이 냉각면으로 전달되는 것을 방지하기 위해 단열재를 사용하였다.
3은 일반 컴퓨터 내부의 온도분포 측정 실험을 위한 장치를 나타내고 있으며, 온도측정 대상이 되는 컴퓨터, 온도측정을 위한 K-type 열전대, 데이터 획득장치(Date Acquisition Unit), 측정된 데이터를 저장할 컴퓨터로 구성되어 있다. 열전대를 통한 외부로의 열전도를 최소화하기 위해 모든 열전대는 감온부를 제외하고 스테인리스 튜브를 사용하여 절연처리 하였다.
1에서 보는 바와 같이 열전소자(Thermoelectric Module)를 이용한 열전냉각시스템(Thermoelectric Cooling System)을 제작하였다. 열전소자 발열면에는 발생하는 열을 방출하기 위한 방열판(Heat Sink)과 방열판의 방열을 돕기 위한 냉각팬(Cooling Fan)을 부착하였고, 열전소자의 냉각면에는 냉각면적을 크게 하기 위한 방열판과 발생한 냉기를 원활하게 순환시키기 위한 송풍팬(Flow Fan)을 부착했으며, 발열면에서 발생된 열이 냉각면으로 전달되는 것을 방지하기 위해 단열재를 사용하였다.
3℃, GPU는 39℃, HDD는 35℃ Power supply는 34℃, 대기온도는 24℃로 설정하였고, 열전냉각시스템 냉각면의 온도를 15℃로 설정하여, 컴퓨터와 열전냉각시스템을 동시에 작동시켰을 경우와 같은 조건에서 수치해석을 통해 계산된 결과를 실험결과와 비교하여 수치해석 결과의 신뢰성을 확인하도록 하였다. 이를 통해, 어떠한 냉각시스템도 사용되지 않은 컴퓨터의 온도분포와 기존의 냉각시스템을 제거하고 열전냉각시스템만을 사용한 컴퓨터의 내부 온도분포를 계산하여, 각각의 결과를 비교, 분석하였다.
첫 번째는, 컴퓨터와 열전냉각시스템을 동시에 작동시켜 약 1시간 동안의 온도변화를 측정하였고, 두 번째는 먼저 컴퓨터를 1시간 동안 작동시켜 내부의 온도가 상승한 후, 열전냉각시스템을 작동시켜 1시간 동안의 온도변화를 측정하였다.
컴퓨터를 작동시켜 선정된 9개의 지점에서 온도변화를 1시간 동안 측정하였으며, 열전대를 통해 측정된 온도값은 데이터 획득장치에 의해 매 5초 간격으로 컴퓨터에 저장하였다. 모든 실험에서 정확한 데이터 획득을 위해 동일한 조건에서 3회 반복하여 실험을 수행하고 얻어진 데이터의 평균값을 결과값으로 사용하였으며, 대기의 온도는 상온상태(약 24℃)를 유지하여 실험을 수행하였다.
성능/효과
1. 컴퓨터와 열전냉각시스템을 동시에 작동시켰을 경우 열전냉각시스템을 사용하지 않은 경우에 비해 평균온도가 약 3.6℃ 낮아졌고, 컴퓨터를 1시간 먼저 작동시킨 후 열전냉각시스템을 작동시키더라도 평균온도가 약 3.2℃ 낮아졌다. 이를 통해, 열전냉각시스템은 장시간 사용으로 인해 컴퓨터 내부의 온도가 적정 이상 높아질 경우에 컴퓨터 내부의 발열을 효과적으로 제어할 수 있는 활용가치가 있는 냉각시스템이다.
2. 기존의 냉각시스템을 제거한 상태에서 열전냉각시스템만 사용하여 수치해석 한 결과, 기존의 공기냉각시스템을 사용한 경우에 비해 측정지점에 따른 온도편차는 약 9.2℃로 크게 나타났지만, 평균온도는 약 28℃로 기존의 냉각시스템을 사용한 경우에 비해 약 2.1℃정도 낮은 온도분포를 나타냄으로써 컴퓨터 내부의 보조 냉각시스템이 아닌 주 냉각시스템으로 충분한 효과를 얻을 수 있는 가능성을 확인하였다.
9℃ ∼ 약 29℃로 상대적으로 높게 나타났다. 그리고 작동시작 약 30분 이후부터는 온도가 거의 일정하게 유지되었고, 모든 측정지점에서 온도가 최소 2℃에서 최대 6.4℃까지 낮아지는 것을 확인할 수 있었으며, 열전냉각시스템을 사용하지 않은 컴퓨터에 비해 평균온도도 약 2.9℃ 정도 낮게 나타났다.
기존의 방열판과 냉각팬을 이용한 공기 냉각시스템을 사용한 컴퓨터를 약 1시간 동안 작동시켜 온도분포를 측정한 결과, CPU는 41.3℃, GPU는 약39℃, HDD는 약 35℃, Power Supply는 약 34℃의 온도분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
8℃로 가장 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 40분 이후부터 온도분포는 크게 변화하지 않고 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었고, 온도분포가 가장 낮은 8번 지점과 가장 높은 6번 지점에서의 온도는 약 3.7℃의 차이가 발생하였고, 모든 측정지점에서의 평균온도는 약 30.9℃로 측정되었다.
5℃로 온도차가 크게 나타나는 것으로 계산되었다. 모든 측정지점에서 평균온도는 냉각시스템을 사용하지 않은 경우 약 35.6℃이고, 열전냉각시스템을 사용한 경우 약 28℃로 나타났다.
11은 동일한 조건에서 실험결과와 수치해석 결과를 비교하기 위해 나타낸 그래프이다. 수치해석에 사용한 모델은 주요 발열부만을 모델링하여 계산되었기 때문에 실험결과와 비교했을 때, 각 측정지점에서 최소 0℃에서 최대 1.9℃의 온도차가 발생하였으나, 전체적인 온도분포 패턴은 매우 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 적용하여 계산된 수치해석 결과는 온도분포 측정 지점별 경향성을 예측하는데 신뢰할 수 있다고 할 수 있다.
열전냉각시스템에서 발생한 냉기가 Power supply의 벽면과 부딪히면서 측정지점 1번 방향으로 원활한 유동이 이루어지지 못해 측정지점 1번에서 온도차가 약 4.6℃로 가장 적게 나타났으며, 측정지점 2, 3, 4, 5번 지점에서 약 9.2℃ ∼ 10.5℃로 온도차가 크게 나타나는 것으로 계산되었다.
7℃로 상대적으로 높게 나타냈다. 열전냉각시스템을 작동시킨 후 30분이 지난 이후부터 온도가 일정하게 유지되었으며, 열전냉각시스템을 사용하지 않은 경우에 비해 최소 1.8℃에서 최대 6.5℃까지 온도가 낮아진 것을 확인할 수 있었고, 평균온도는 약 27.7℃로 나타났다.
9℃의 온도차가 발생하였으나, 전체적인 온도분포 패턴은 매우 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 적용하여 계산된 수치해석 결과는 온도분포 측정 지점별 경향성을 예측하는데 신뢰할 수 있다고 할 수 있다.
후속연구
3. 본 연구의 실험 및 수치해석 결과를 통해 향후 연구에서는 열전냉각시스템에 사용되는 열전소자의 성능을 현재보다 더 향상시키고, 열전냉각시스템의 적용 위치를 발열량이 많은 CPU와 GPU에 가깝게 한다면, 기존의 냉각시스템보다 측정지점별 온도편차 감소와 우수한 발열제어 성능을 기대할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컴퓨터의 내부에서 발생하는 열량이 증가하는 이유는 무엇인가?
현재의 컴퓨터는 고성능화, 다기능화, 소형화, 경량화 등의 이유로 인해 기기 내부에서 발생하는 열량이 증가하고 있는 추세이다. 컴퓨터의 성능을 높이고 수명을 연장하기 위해서는 발열을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다.
컴퓨터의 성능과 수명의 연장을 위해서 필요한 것은 무엇인가?
현재의 컴퓨터는 고성능화, 다기능화, 소형화, 경량화 등의 이유로 인해 기기 내부에서 발생하는 열량이 증가하고 있는 추세이다. 컴퓨터의 성능을 높이고 수명을 연장하기 위해서는 발열을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 열전소자를 이용한 열전냉각시스템을 구성하여 컴퓨터에 설치하였고, 실험을 통해 기존의 공기냉각시스템을 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포와 열전냉각시스템을 함께 사용한 컴퓨터 내부의 온도분포를 측정한 후, 이를 비교하여 열전냉각시스템의 발열제어 성능을 알아보고자 하였다.
컴퓨터의 부품으로부터 나타나는 발열량을 줄이기 위해 사용되는 시스템은 무엇인가?
현재의 컴퓨터는 하드웨어와 소프트웨어 두 가지 측면에서 고성능화를 요구하고 있어, CPU, GPU, HDD, Power Supply 등의 부품에서 발열량이 지속적으로 증가하고, 본체 및 모니터는 소형․경량화되고 있으며, 나아가 모니터와 본체가 일체화되고 있는 추세이다. 이는 좁은 공간에서 많은 열량이 발생하기 때문에 우수한 방열성능을 갖춘 냉각시스템이 반드시 필요하다. 컴퓨터에서 가장 중요한 부분 중의 하나인 CPU는 명령을 해독하고 산술논리연산이나 데이터 처리를 실행하는 장치로서, 발열을 제어하지 못하면 과도한 전류가 발생하여 동작이나 연산속도를 저하시켜 기기의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 기기의 수명을 단축시킨다.
참고문헌 (5)
M. Pecht, "Handbook of Electronics Package Design", Marcel Dekker, Inc., pp. 40-43, 1990.
J. T. Choi, O. K. Kwon, D. A. Cha, J. H. Yun and Y. C. Kim, "Experimental Study of Liquid Cooling System for Computer", Journal of the SAREK, pp. 867-872, 2010.
B. H. Kang, Y. Jaluria and S. S. Tewari, "Mixed Convection Transport from an Isolate Heat Source Module on a Horizontal Plate", Journal of Heat Transfer, Vol. 112, pp 653-661, 1990. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2910437
S. Y. Kim, H. J. Sung and J. M. Hyun, "Mixed convection from Multi-Layered Boards with Cross-Sreamwise Periodic Boundary Conditions", International Journal Heat and Mass Transfer", Vol. 35, pp. 2941-2952, 1992. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0017-9310(92)90314-I
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.