[논문]통신 함체 냉각용 플라스틱 재질의 열교환 소자

김내현

doi:10.5762/kais.2017.18.1.702

초록
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함체 내의 발열은 이동통신기기의 회선 처리 능력이 증가함에 따라 계속 증가하고 있다. 이 열을 적절히 외부로 방출해 주지 않으면 중계기 내의 온도가 상승하여 전자장치 오작동의 원인이 된다. 본 연구에서는 통신 함체 냉각 모듈용 알루미늄 및 플라스틱 소자의 성능에 대해 실험을 수행하고 이론 해석 결과와도 비교하였다. 알루미늄 소자는 핏치 4.5 mm의 대향류 평행 채널로 구성되고 플라스틱 소자는 핏치 2.0 mm의 직교류 및 직교 대향류 삼각 채널로 구성되었다. 한편 직교류 소자의 크기는 알루미늄 소자와 동일하고 직교대향류 소자는 알루미늄 소자보다 33% 크다. 실험 결과 플라스틱 직교 대향류 소자의 전열량이 가장 크고 알루미늄 대향류 소자의 전열량이 가장 작게 나타났다. 또한 알루미늄 대향류 소자를 base 소자로 할 때 플라스틱 직교대향류 소자의 온도교환효율은 base 소자보다 평균 56% 크고 플라스틱 직교류 소자의 값보다는 평균 29% 크게 나타났다. 한편 플라스틱 직교대향류 소자와 base 소자의 압력손실은 유사하게 나타났다. 열교환 효율은 플라스틱 직교대향류 소자에서 가장 크고 플라스틱 직교류 소자에서 가장 작게 나타났다. 또한 이론 모델은 소자의 성능을 다소 과대 또는 과소 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The heat generation rate in a telecommunications cabinet keeps increasing due to the increased usage of mobile devices. Insufficient removal of the heat increases the cabinet temperature, which results in the malfunction of the electronic devices. In this study, tests were conducted on aluminum and ...

The heat generation rate in a telecommunications cabinet keeps increasing due to the increased usage of mobile devices. Insufficient removal of the heat increases the cabinet temperature, which results in the malfunction of the electronic devices. In this study, tests were conducted on aluminum and plastic heat exchangers for cooling a telecommunications cabinet, and the results were compared with theoretical predictions. The aluminum heat exchanger comprised counter flow parallel channels with 4.5-mm pitch, and the plastic heat exchangers comprised cross or cross-counter flow triangular channels with 2.0-mm pitch. The volume of the cross flow heat exchanger was the same as that of the aluminum heat exchanger, and the volume of the cross-counter heat exchanger was 33% larger than that of the aluminum heat exchanger. The results show that the heat transfer rate is the highest for the cross-counter heat exchanger and lowest for the aluminum one. The temperature efficiency of the cross-counter heat exchanger was 56% higher than that of the aluminum one and 20% higher than that of the cross flow heat exchanger. The pressure drop of the cross-counter heat exchanger was approximately the same as that of the aluminum one. The heat exchange efficiency was the highest for the cross-counter heat exchanger and lowest for the cross flow heat exchanger. The theoretical analysis somewhat overestimated or underestimated the data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근에는 열싸이폰[2], 액체냉각[3,4] 등의 냉각방안이 제시되기도 하였다. 본 연구에서는 열교환기를 사용하여 외기로 함체를 냉각하는 강제대류식 냉각방식에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 통신 함체 냉각 모듈용 알루미늄 및 플라스틱 소자의 성능에 대해 실험을 수행하고 이론적 해석 결과와도 비교하였다. 알루미늄 소자는 핏치 4.
본 연구에서는 통신 함체용 냉각 모듈 국산화의 일환으로[6] 상기 독일제 알루미늄 열교환기의 성능을 상회하는 플라스틱 열교환기 개발에 대해 수행하였다. 플라스틱은 알루미늄에 비하여 가격이 저렴할 뿐 아니라 부식문제도 없다.

제안 방법

플라스틱은 알루미늄에 비하여 가격이 저렴할 뿐 아니라 부식문제도 없다. 또한 열교환기 유로 형상도 대향류보다는 직교류를 검토하였다. 직교류는 대향류에 비하여 제조가 손쉬운 장점이 있다.
1℃)를 사용하였다. 실험은 실내와 실외측 입구 건습구 온도를 35℃/24℃, 24℃/17℃로 유지하고 풍량을 변화시키며 수행되었다. 이 온습도는 건물 공조시 하절기 설계조건 [10]이다.
직교대향류 소자의 전체 체적은 알루미늄 소자보다 34% 크다. 직교대향류 소자의 크기는 추후 설명될 이론 해석을 활용하여 선정하였다.
풍동 입구부에는 와이어 메쉬를 설치하여 균질한 유동이 공급될 수 있도록 하였다. 풍량은 송풍기 모터에 연결된 인버터로 조절하였고 시험부 입구측 공기 온습도는 별도의 샘플링 유닛을 시험부 입구에 설치하여 측정하였다. 공기측 풍량은 ASHRAE 41.
대향류에 비해 전열성능이 감소하는 문제는 직교류 열교환기를 직렬로 연결하여 직교대향류 형태로 구성하고 동시에 채널 핏치를 감소하여 전열 면적을 증가시킴으로써 해결하였다. 플라스틱 재질로 제작된 직교류와 직교대향류 소자에 대해 성능 시험을 수행하고 알루미늄 대향류 소자와 비교하였다. 또한 실험 결과를 이론적 해석 결과와도 비교하였다.

대상 데이터

는 수력직경 (m)이다. 알루미늄 소자 채널의 열전달계수는 평행 평판의 완전발달된 균일 열유속 조건의 Nusselt 수 (= 8.24)로부터 구하였다 [12]. Johnson [14]은 직교류 열교환기의 경우 균일 열유속 조건을 사용할 것을 제안한 바 있다.
본 연구에서는 통신 함체 냉각 모듈용 알루미늄 및 플라스틱 소자의 성능에 대해 실험을 수행하고 이론적 해석 결과와도 비교하였다. 알루미늄 소자는 핏치 4.5 mm의 대향류 평행 채널로 구성되고 플라스틱 소자는 핏치 2.0 mm의 직교류 및 직교 대향류 삼각 채널로 구성되었다. 한편 직교류 소자의 크기는 알루미늄 소자와 동일하고 직교대향류 소자는 알루미늄 소자보다 33% 크다.
2에는 600 W급 독일제 냉각 모듈에 장착된 열교환기도 나타나있다. 알루미늄 재질로 크기가 350 mm x 140 mm x 600 mm이다. 유동 형태는 대향류이고 평행 평판(핏치 4.
온습도 측정에는 고정밀 Pt-100Ω 센서 (정밀도 ±0.1℃)를 사용하였다.
4는 소자들이 시험 지그에 장착된 개략도를 보여준다. 지그는 430 mm x 230 mm x 1570 mm 크기로 제작되었다. Fig.

데이터처리

플라스틱 재질로 제작된 직교류와 직교대향류 소자에 대해 성능 시험을 수행하고 알루미늄 대향류 소자와 비교하였다. 또한 실험 결과를 이론적 해석 결과와도 비교하였다. 플라스틱 열교환기는 열 회수 환기 장치, 간접증발냉각기 등에도 적용되고 있다[7].

이론/모형

ANSI/ASHRAE Standard 37 [11]에 따라 오차해석을 수행하였다.
풍량은 송풍기 모터에 연결된 인버터로 조절하였고 시험부 입구측 공기 온습도는 별도의 샘플링 유닛을 시험부 입구에 설치하여 측정하였다. 공기측 풍량은 ASHRAE 41.2 [8]에 된 노즐차압을 이용하여 산정하였고 시험부의 입출구 온습도는 ASHRAE 41.1 [9]에 규정된 샘플링 방법에 의해 측정하였다. 온습도 측정에는 고정밀 Pt-100Ω 센서 (정밀도 ±0.
는 외기 유량 (kg/s)이다. 본 연구의 직교대향류의 ∊-NTU 해석 결과는 Kakac에 의해 그래프 형태로 제시되었다[13]. 두 채널의 유량이 동일한 경우 ∊-NTU 곡선을 다항식으로 피팅하면 다음 식이 얻어진다.

성능/효과

(1) 알루미늄 대향류 소자를 base 소자로 할 때 플라스틱 직교대향류 소자의 전열량이 가장 크고 의base 소자의 전열량이 가장 작다. 이는 직교대향류 소자의 전열면적 증가에 의한 전열량 증가가 유동 방향에 의한 전열량 감소보다 큰 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다.
(2) 플라스틱 직교대향류 소자의 온도교환효율은 base 소자의 값보다 평균 56% 크고 플라스틱 직교류 소자의 값보다는 평균 29% 크다.
(3) 플라스틱 직교대향류 소자와 base 소자의 압력손실은 유사하게 나타났다. 이는 플라스틱 직교대향류 소자의 전방 면적이 base 소자에 비하여 38% 크기 때문에 작은 수력 직경에도 불구하고 base 소자와 유사한 압력손실을 보이는 것으로 판단된다.
(4) 열교환 효율은 플라스틱 직교대향류 소자에서 가장 크고 플라스틱 직교류 소자에서 가장 작게 나타났다.
8에는 세 종류 시료의 압력 손실 ΔP (Pa)를 나타내었다. 플라스틱 직교대향류 소자와 base 소자의 압력손실은 유사한 반면 플라스틱 직교류 소자의 압력손실은 현저히 크게 나타났다. 이는 플라스틱 직교류 소자의 수력직경이 1.
이는 풍량이 증가하면 NTU가 감소하고 따라서 온도교환효율도 감소한다. 플라스틱 직교대향류 소자의 온도교환효율은 base 소자의 값보다 평균 56% 크고 플라스틱 직교류 소자의 값보다는 평균 29% 크다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중계기의 크기에 따라 함체 내 발열을 어떻게 처리하는가?	중계기에서 발생하는 열은 출력신호가 작은 소형인 경우 수십에서 수백 W이고, 중형인 경우 수백 W에서 1 kW 내외, 광통신에 사용되는 대형인 경우 1～4 kW정도 된다[1]. 비교적 발열량이 적은 소형 중계기에서는 내부 발열을 함체 외벽에 방열 핀을 부착하여 자연대류에 의해 처리하고, 중형 중계기의 경우는 방열 핀 또는 열교환기를 사용하여 외기로 함체를 냉각한다. 대형 중계기에 있어서는 외기 냉각만으로는 부족하므로 공조기(에어컨)를 사용하여 함체를 냉각한다[1]. 최근에는 열싸이폰[2], 액체냉각[3,4] 등의 냉각방안이 제시되기도 하였다.
	함체 내의 발열이 야기할 수 있는 문제는 무엇인가?	함체 내의 발열은 이동통신기기의 회선 처리 능력이 증가함에 따라 계속 증가하고 있다. 이 열을 적절히 외부로 방출해 주지 않으면 중계기 내의 온도가 상승하여 전자장치 오작동의 원인이 된다. 본 연구에서는 통신 함체 냉각 모듈용 알루미늄 및 플라스틱 소자의 성능에 대해 실험을 수행하고 이론 해석 결과와도 비교하였다.
	중계기의 역할은 무엇인가?	우리나라는 세계최초로 CDMA 방식의 디지털 회선접속방식을 상용화하였고 이 후 이동 통신 가입자는 기하급수적으로 늘고 있다. 단말기에서 나오는 신호를 수신하고 이를 증폭하여 재송출하는 중계기는 이동통신 시스템의 핵심 구성요소이다. 이동통신의 특성상 중계기를 옥외에 설치하는데, 대기 중의 먼지와 같은 오염 물질로부터 보호하여야 하고, 외부의 전자기파로 부터 격리하여야 하며, 그 밖의 다른 위해 요소로부터 보호하여야 한다.

참고문헌 (15)

Schmidt, R. R. and Shaukatullah, "Computer and telecommunications equipment room cooling : a review of literature," IEEE Transactions on components and packaging technologies, vol. 26, no. 1, pp. 89-98, 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TCAPT.2003.811482

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Kang, I.-S., Choi, D.-K. and Kim, T.-Y., "The experimental study on the performance of two-phase loop thermosyphon system for electronic equipment cooling," Trans. B, KSME, vol. 28, no. 4, pp. 415-424, 2004.

원문보기 상세보기
Jeon, J., Kim, Y., Choi, J.-M., Hyun, D.-S. and Yun, L., "Performance characteristics of liquid cooling heat exchangers with MPCM slurry designed for telecommunication equipment," Korean J. Air-Conditioning Refrigeration Engineering, vol. 19, no. 10, pp. 710-717, 2007.
Kim, Y., Choi, J. M., Kang, H., Yoon, J., Kim, Y., Lee, H. and Choi, K., "Performance characteristics of a hybrid air-conditioner for telecommunication equipment rooms," Korean J. Air-Conditioning Refrigeration Engineering, vol. 18, no. 11, pp. 874-880, 2006.
http://www.rittal.com
CleanAirNanoTech, "600W telecommunication cabinet cooling module equipped with sensible heat exchanger," Annual Report to KETEP, 2016.
ASHRAE Standard 41.2, Standard method for laboratory air-flow measurement, ASHRAE, 1986.
Kim, N.-H., "Performance comparison between indirect evaporative coolers made of aluminum, plastic or plastic/paper," J. Korea Academia-Industrial Cooperation Society, vol. 16, no. 12, pp. 8165-8175, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.12.8165

원문보기 상세보기
ASHRAE Standard 41.1, Standard method for temperature measurement, ASHRAE, 1986.
KS C 9306, Air Conditioner, 2002
ANSI/ASHRAE Standard 37, Standard measurement guide, engineering analysis of experimental data, ASHRAE, 2005.
Kays, W. M. and London, A. L., Compact Heat Exchangers, McGraw-Hill Pub., 1984.
Kakac, S., Boilers, Evaporators and Condensers, John Wiley and Sons Inc., 1991.
Johnson, J. E., Heat and mass transfer between two fluid streams separated by a thin, permeable barrier, Ph.D. Thesis, University of Minnesota, Department of Mechanical Engineering, 1997.
Mills, A. F., Basic Heat and Mass Transfer, Irwin Pub., 1995.

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