[논문]실험 계획법을 이용한 노트북용 Fanblock 의 소음 성능 최적화

선유명; 구정호; 김예용; 이혁기; 이성호

문제 정의

base line sample 은 현재 design 되고 있는 factor 값을 가지는 fan 으로써 최종적으로는 baseline sample대비 DOE sample중 가장 유량이 증가하는 factor를 찾는데 본 연구의 목적이 있다.
본 연구에서는 실험 계획법을 통하여 fan sample 을 제작하고 동일 소음에서 최대 유량을 얻는 인자와 수준을 파악하였다. radial fan의 경우 성능에 영향을 미치는 인자 중 blade tip clearance와 blade angle 이 유량에 가장 큰 영향을 미치고 있으며 blade tip clearance는 작을수록 blade angle은 클수록 유량이 증가하는 결론을 얻었다.
본 연구의 목적은 동일 size 의 fan 에서 동일 소음에서의 유량증가이며, 유량증가가 각 주요 발열 chipset및 notebook표면 온도의 감소와 상관관계가 있음을 simulation 과 통계 software 인 Minitab 을 이용하여 규명하였다. 유량의 단위는 CFM으로 나타내었다.

제안 방법

DOE Sample에 의한 1차 분석결과 유량에 유의하게 영향을 미치는 인자가 blade tip clearance 와 blade angle 임을 파악하였고, 이 두 가지 인자에 대해서 수준을 3 가지로 나누어 최적화 과정을 진행하였다. 최적화를 위한 수준은 하기와 같다.
fan 성능에 영향을 미치는 인자를 하기와 같이 5 개 인자를 선정하였으며 이를 DOE 를 이용하여 실험 계획을 세워 fan sample을 제작 후 fan speed 와 소음 성능을 측정 하고 각각에 대하여 유량을 측정하여 그 중 35dBA(기준)이 되는 조건의 유량 값에 대하여 분석을 실시하였다.
유량 측정은 fan단품 상태와 fan이 system에 장착되었을 때의 효과를 나타낼 수 있는 BMB(Benchmarking Box)장착 시 유량을 측정 하였다. 본 논문에서의 최종 효과 분석은 BMB 상태에서의 유량값에 대하여 분석 결론을 내었다.
본 연구에서는 fan 성능에 영향을 미치는 인자를 하기와 같이 5 개의 인자로 파악하였고 이를 이용하여 Minitab 의 실험계획법에 따라 fan sample 을 제작하였다. 그림 3은 고려된 각 인자를 그림으로 설명한 것으로써 number of blade 는 blade 개수를 의미하는 것으로 그림3에는 포함되어 있지 않다.
소음 측정은 유량 측정 전에 기준을 마련 하기 위한 단계로서 각 시료로부터 1M 거리에서 35dBA 가 되는 fan speed및 각 Input voltage별 소음 값을 측정 하였으며 35dBA 기준시 유량값을 분석하였다. 유량 측정은 fan단품 상태와 fan이 system에 장착되었을 때의 효과를 나타낼 수 있는 BMB(Benchmarking Box)장착 시 유량을 측정 하였다.
유량 측정은 fan단품 상태와 fan이 system에 장착되었을 때의 효과를 나타낼 수 있는 BMB(Benchmarking Box)장착 시 유량을 측정 하였다. 본 논문에서의 최종 효과 분석은 BMB 상태에서의 유량값에 대하여 분석 결론을 내었다.

대상 데이터

DOE sample은 그림 4와 같이 총 19ea를 제작하였으며 DOE 16ea, base line 2ea, extreme design 1ea 이다. base line sample 은 현재 design 되고 있는 factor 값을 가지는 fan 으로써 최종적으로는 baseline sample대비 DOE sample중 가장 유량이 증가하는 factor를 찾는데 본 연구의 목적이 있다.

데이터처리

각 측정 값에 대한 분석은 통계 분석 tool 인 MINITAB을 이용하였다.

성능/효과

effect가 없는 수준으로 파악되었다. 3수준 실험 결과 그림9와 같이 blade tip clearance가 1mm, blade angle이 70deg일 때 최대 유량값이 측정 되었으며, blade tip clearance가 작아질수록 blade angle 의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.
DOE sample의 각 유량 값 중 blade tip clearance가 -1 수준, blade angle이 +1 수준 일 경우에 유량은 2.95CFM으로 base line의 경우 인 2.74C FM 보다는 약 7.6%의 유량이 상승하는 결론을 얻게 되었다.
수준을 파악하였다. radial fan의 경우 성능에 영향을 미치는 인자 중 blade tip clearance와 blade angle 이 유량에 가장 큰 영향을 미치고 있으며 blade tip clearance는 작을수록 blade angle은 클수록 유량이 증가하는 결론을 얻었다. 본 연구에 적용된 fan 의 경우는 blade tip clearance 1mm, blade angle 70deg 에서 최대 유량을 나타내었고 유량증가에 따른 효과로 fan 소음을 감소 시 킬 수 있었다.
그림 10 은 최적화 시험 결과에 대한 cube plot으로써 최적화 시험 결과 최대 유량은 3.023CFM 으로 양산을 위한 기존 Fan 의 CFM인 2.74C FM 대비 약 10%의 유량의 증가를 얻을 수 있었다.
또한 방열 성능을 향상시키기 위해서는 fan speed 를 증가시키는 방법이 있지만 이는 notebook 품질에 가장 영향을 미치는 fan 소음의 증가를 초래하므로 이 또한 관리규격의 한계가 있다. 따라서 동일한 fan size에서 fan성능을 최적화 시키고자 하는 요구가 있게 되었으며 본 연구에서는 이를 실험계획법을 이용하여 fan 성능을 결정하는 인자를 도출하고 이 중 치명인자를 분석 후 실제 양산성을 고려한 수준에서 최적화시켜 기본 대비 풍량을향상 시키는 조건을 찾았으며, 이를 fan소음을 저감시키는 효과로 활용할 수 있는 결론을 얻어내었다.
radial fan의 경우 성능에 영향을 미치는 인자 중 blade tip clearance와 blade angle 이 유량에 가장 큰 영향을 미치고 있으며 blade tip clearance는 작을수록 blade angle은 클수록 유량이 증가하는 결론을 얻었다. 본 연구에 적용된 fan 의 경우는 blade tip clearance 1mm, blade angle 70deg 에서 최대 유량을 나타내었고 유량증가에 따른 효과로 fan 소음을 감소 시 킬 수 있었다. 본 연구의 결과는 radial fan설계 시 설계 인자 결정 에 중요한 역할을 할 것으로 생각되며, 실제 sample 을 제작하여 진행한 결과이므로 fan 설계 시 simulation에 중요한 back data로 쓰일 수 있을 것이다.
분석 결과 그림 7 과 같이 blade tip clearance 와 blade angle이 fan의 유량에 가장 유의하게 영향을 주는 인자로 파악되었고 blade tip clearance는 -1수준 즉 1.5mm 조건 시 유량이 증가하는 방향이었으며, blade angle은 +1수준 즉 65deg일 경우에 유량이 증가하는 것으로 파악이 되었다.
최적화를 위한 3 수준 실험의 수준 결정은 fan 의 양산성을 고려한 결정으로써 blade angle의 최대는 70deg, blade tip clearance 는 1mm 정도가 양산 시 Side effect가 없는 수준으로 파악되었다. 3수준 실험 결과 그림9와 같이 blade tip clearance가 1mm, blade angle이 70deg일 때 최대 유량값이 측정 되었으며, blade tip clearance가 작아질수록 blade angle 의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에 적용된 fan 의 경우는 blade tip clearance 1mm, blade angle 70deg 에서 최대 유량을 나타내었고 유량증가에 따른 효과로 fan 소음을 감소 시 킬 수 있었다. 본 연구의 결과는 radial fan설계 시 설계 인자 결정 에 중요한 역할을 할 것으로 생각되며, 실제 sample 을 제작하여 진행한 결과이므로 fan 설계 시 simulation에 중요한 back data로 쓰일 수 있을 것이다.

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