[논문]통신 함체 냉각용 알루미늄과 플라스틱 열교환 소자의 성능 비교

김내현

doi:10.6110/kjacr.2017.29.6.279

통신 함체 냉각용 알루미늄과 플라스틱 열교환 소자의 성능 비교
Aluminum and Plastic Heat Exchange Element : A Performance Comparison for Cooling of Telecommunication Cabinet 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.6, 2017년, pp.279 - 288

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Heat generation rate in a telecommunication cabinet increases due to the continued usage of mobile devices. Insufficient removal of heat intensifies the cabinet temperature, resulting in the malfunction of electronic devices. In this study, we assessed both aluminum and plastic heat exchangers used for cooling of the telecommunication cabinet, and compared the results against theoretical predictions. The aluminum heat exchanger was composed of counter flow parallel channels of 4.5 mm pitch, and the plastic heat exchangers were composed of cross flow triangular channels of 2.0 mm pitch. Samples were made by installing two plastic heat exchangers in both series and parallel. Results showed that the heat transfer rate was highest for the series cross flow heat exchanger, and was least for the aluminum heat exchanger. The temperature efficiency of the series cross flow heat exchanger was 59% greater than that of the aluminum heat exchanger, and was 4.3% greater than that of the parallel cross flow heat exchanger. In contrast, the pressure drop of the parallel cross flow heat exchanger was significantly lower than other samples. The heat exchange efficiency was also the largest for the parallel cross flow heat exchanger. The theoretical analysis predicted the temperature efficiency to be within 3.3%, and the pressure drop within 6.1%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 두께 40 μm의 플라스틱 필름을 사용하여 전도 열저항을 최소화하고자 하였다.
⁽¹⁾ 최근에는 열싸이폰,⁽²⁾ 액체냉각^{(3, 4)} 등의 냉각 방안이 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 개발을 수행하였다. 플라스틱은 알루미늄에 비하여 가격이 저렴할 뿐 아니라 부식 문제도 없다.

제안 방법

12에는 소자의 실험 결과로부터 도출된 Nusselt 수와 마찰계수를 나타내었다. Nusselt 수와 마찰계수는 제 3장의 성능 해석 절차를 역으로 수행하여 구하였다. Fig.
알루미늄 소자는 표면이 매끈한 플라스틱 소자와는 달리 내측에 반구형 돌출부가 형성되어 있어 열전달계수와 마찰계수의 예측이 어렵다. 따라서 실험 결과로부터 열전달계수와 마찰계수를 산정하였다.
이 경우 채널 형상은 삼각형이 된다. 또한 열교환기 유로 형상도 대향류보다는 직교류를 검토하였다. 직교류는 대향류에 비하여 제조가 손쉬운 장점이 있다.
시료의 압력손실은 정밀도 ±1.0 Pa의 차압 트랜스듀서로 측정하였다.
0 Pa의 차압 트랜스듀서로 측정하였다. 실험은 실내와 실외 측 입구 건습구 온도를 35℃/24℃, 24℃/17℃로 유지하고 풍량을 변화시키며 수행되었다. 이 온습도는 건물 공조시 하절기 설계 조건이다.
3%, 낮게 예측되었다. 알루미늄 소자의 경우는 전술한 바와 같이 내측에 형성된 반구형 돌출부로 인해 열전달계수와 마찰계수의 예측이 어려워 이론 모델과 실험치를 비교하지 않았다.
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 열전달 성능이 감소하는 문제는 직교류 열교환기 2개를 직렬 또는 병렬로 연결하고 채널 핏치를 줄여 열전달면적을 증가시킴으로써 해결하였다. 플라스틱 재질로 제작된 직렬 직교류와 병렬 직교류 소자에 대해 성능시험을 수행하고 알루미늄 대향류 소자와 비교하였다. 또한 실험 결과를 이론적 해석 결과와도 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 통신 함체 냉각 모듈용 알루미늄 및 플라스틱 소자의 성능에 대해 실험을 수행하고 이론적 해석 결과와도 비교하였다. 알루미늄 소자는 핏치 4.5 mm 의 대향류 평행 채널로 구성되고 플라스틱 소자는 핏치 2.0 mm의 직교류 삼각 채널로 구성되었다. 두 개의 플라스틱 소자는 직렬 또는 병렬로 구성되었다.
알루미늄 재질로 크기가 350 mm×140 mm×600 mm이다.
온습도 측정에는 고정밀 Pt-100Ω 센서(정밀도 ±0.1℃)를 사용하였다.
지그는 430 mm×230 mm×1,570 mm 크기로 제작되었다.

데이터처리

플라스틱 재질로 제작된 직렬 직교류와 병렬 직교류 소자에 대해 성능시험을 수행하고 알루미늄 대향류 소자와 비교하였다. 또한 실험 결과를 이론적 해석 결과와도 비교하였다. 플라스틱 열교환기는 열 회수 환기 장치, 간접증발냉각기 등에도 적용되고 있다.

이론/모형

급배기 풍량이 동일한 경우 온도교환 효율은 열교환기의 유용도와 같게 된다. ANSI/ASHRAE Standard 37⁽¹¹⁾에 따라 오차해석을 수행하였다. 건습구 온도 측정 오차 ±0.
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.
마찰계수의 경우 Pethkhov의 식은 적용 범위가 Re >10,000이나 본 실험 범위(2,200 <Re <4,400)에 적합한 상관식이 없어 이 식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 플라스틱 직렬 직교류 소자의 온도교환 효율은 알루미늄 소자의 값보다 평균 59% 크고 병렬 직교류 소자의 값보다는 평균 4.3% 크다. 이는 플라스틱 소자의 열전달 면적이 알루미늄 소자보다 현저히 크고 직렬직 교류의 유용도가 병렬 직교류의 값보다 크기 때문이다.
(12) 실험 시 함체측(Q_h )과 외기측(Q_c)의 열전달율은 5% 내에서 일치하였다.
(2) 알루미늄 소자를 기준으로 직렬 직교류 소자의 압력손실은 42% 크게 나타났다. 이는 직교류 소자의 수력직경이 1.
(3) 열교환 효율은 병렬 직교류 소자에서 현저히 크게 나타났다.
(4) 이론 모델에서 소자의 온도교환 효율은 3.3%, 압력손실은 6.1% 내에서 예측하였다.
열전달율은 풍량이 증가할수록 증가함을 보인다. 또한 플라스틱 직렬 직교류 소자의 열전달율이 가장 크고(알루미늄 소자의 1.59배) 알루미늄 소자의 열 전달율이 가장 작음을 보인다. 일반적으로 대향류의열 성능은 직교류 보다 우수하다.
2배) 증가된다. 직교류 소자의 열전달면적 증가에 따른 열전달율 증가가 유동 형태에 의한 열전달율 감소보다 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.Fig.
9는 풍량이 낮을수록 예측이 개선됨을 보여준다. 평균적으로 직렬 직교류 소자의 효율은 2.3%, 병렬 직교류 소자의 효율은3.3%, 낮게 예측되었다. 알루미늄 소자의 경우는 전술한 바와 같이 내측에 형성된 반구형 돌출부로 인해 열전달계수와 마찰계수의 예측이 어려워 이론 모델과 실험치를 비교하지 않았다.
이는 풍량이 증가하면 NTU가 감소하고 따라서 온도교환효율도 감소한다. 플라스틱 직렬 직교류 소자의 온도 교환효율은 알루미늄 소자의 값보다 평균 59% 크고 병렬 직교류 소자의 값보다는 평균 4.3% 크다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 중계기내부에 장착되는 전자소자의 작동 상한 온도는?	(1) 이 열을 적절히 외부로 방출해 주지 않으면 중계기 내의 온도가 상승하여 전자장치 오작동의 원인이 된다. 일반적으로 중계기내부에 장착되는 전자소자의 작동 상한 온도는 60℃정도이다. 중계기에서 발생하는 열은 출력신호가 작은 소형인 경우 수십에서 수백 W이고, 중형인 경우 수백 W에서 1 kW 내외, 광통신에 사용되는 대형인 경우1~4 kW정도 된다.
	소형 중계기의 열 방출 방법은?	중계기에서 발생하는 열은 출력신호가 작은 소형인 경우 수십에서 수백 W이고, 중형인 경우 수백 W에서 1 kW 내외, 광통신에 사용되는 대형인 경우1~4 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.
	중계기의 함체를 밀폐형으로 제작하는 이유는?	단말기에서 나오는 신호를 수신하고 이를 증폭하여 재송출하는 중계기는 이동통신시스템의 핵심 구성요소이다. 이동통신의 특성상 중계기를 옥외에 설치하는데, 대기 중의 먼지와 같은 오염물질로부터 보호하여야 하고, 외부의 전자기파로 부터 격리하여야 하며, 그 밖의 다른 위해 요소로부터 보호하여야 한다. 이 같은 이유로 중계기의 함체를 밀폐형으로 제작한다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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ASHRAE Standard 41.1, 1986, Standard Method for Temperature Measurement, ASHRAE.
KS C 9306, 2002, Air Conditioner.
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Petukhov, B. S., 1970, Heat transfer and friction in turbulent pipe flow with variable physical properties, Advances in Heat Transfer, Vol. 6, eds., J. P. Hartnett and T. F. Irvine, Academic Press, New York.
Gnielinski, V., 1976, New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow, Int. Chemical Engineering, Vol. 16, pp. 359-368.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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