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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 비등현상을 이용한 이상 액체냉각 시스템을 설계하고, 열성능에 대한 실험을 수행하였다. 작동 유체로는 절연성과 화학적 특성을 고려하여 PF5060을 사용하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 비등 촉진 마이크로 구조물을 가진 증발기를 이용하여 휴대용 컴퓨터의 냉각 시스템을 구축하고 시스템의 열성능을 규명하는 것이다. 시스템의 열성능에 대해 알아보기 위해 비등 촉진 마이크로 구조물의 유무, 펌프 유동율, 작동 유체의 체적비, 입력전력을 변화시켜서 연구를 수행하였다.
- 본 연구는 대류 열저항으로 액체 냉각 시스템의 열적 성능을 평가하였다. 대류 열저항이 큰 값을 가지면 고체 표면과 액체 사이에 대류 열전달이 잘 이루어지지 않는다는 것을 의미한다.
- 휴대용 컴퓨터를 위한 비등 촉진 마이크로 구조물을 이용한 이상 냉각 시스템을 구축하고, 시스템의 열성능에 대하여 연구하였다. 비등 촉진 마이크로 구조물의 유무, 작동 유체의 체적비, 펌프 유동율을 변화시킨 실험적 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- (1) 비등 촉진 마이크로 구조물의 유무에 따른 이상 냉각 시스템의 성능에 대해 조사하였다. 본 연구에서의 최적 조건인 작동 유체 체적비 60%와 펌프 유동율 6ml/min에서 비등 촉진 마이크로 구조물이 없는 증발기는 19.
제안 방법
- Hinged copper connector는 두 copper heat pipe 사이의 열전달을 가능하게 하고 notebook cover의 개폐를 도와준다. 허용온도 95℃를 유지하면서, 10～12W 범위 내에서의 hinged heat pipe 성능을 평가하였다. 1990년대 후반에는 유사한 hinged heat pipe system이 IBM Thinkpad mobile computers에서 사용되었다.
- 따라서 본 연구의 목적은 비등 촉진 마이크로 구조물을 가진 증발기를 이용하여 휴대용 컴퓨터의 냉각 시스템을 구축하고 시스템의 열성능을 규명하는 것이다. 시스템의 열성능에 대해 알아보기 위해 비등 촉진 마이크로 구조물의 유무, 펌프 유동율, 작동 유체의 체적비, 입력전력을 변화시켜서 연구를 수행하였다.
- 열전대는 TT -T-36-SLE(ø 0.127mm)인 Cu-Co(T-type)를 사용하였고, Labview 6.0을 이용하여 온도를 측정 및 기록하였다.
- 응축기는 헬리켈 형상의 핀 튜브 열교환기를 사용하였다. 휴대용 컴퓨터의 높이와 크기를 고려하여 응축기를 설계하였다. 튜브의 외부 직경은 5mm이고, 내부 직경은 3.
- 덮개는 1mm 두께의 밑판에 구리를 사용하여 레이저 용접하였다. 휴대용 컴퓨터의 높이 제한 때문에 증발기의 높이를 더 크게 하지는 못하고, 정해진 공간에서 내부 체적을 최대화시킨 설계를 하였다. 증발기는 초기의 overshoot을 줄이고, heat flux를 증가시킨다.
- 작동 유체를 채워 넣은 후 밸브1을 잠근다. 본 연구에서의 모든 실험은 초기압을 대기압 조건하에서 시행하였다. 그러므로 마지막에 다시 밸브2를 이용하여 폐루프 냉각 시스템 내부의 압력을 대기압과 동일하게 조절해준다.
- 온도측정 장비는 Agilent 34970A를 사용하였으며, 34908A 보드에 열전대를 연결하였다. 온도측정 장치 보정실험을 하기 위해 0℃의 기전력 (ElectroMotive-Force)값을 측정하고. 열전대의 접합 부분을 항온조의 수위에 넣고 열전대를 고정한다.
- 열전대의 접합 부분을 항온조의 수위에 넣고 열전대를 고정한다. 항온조의 온도를 0～95℃까지 매 5℃ 간격으로 변화시키며 Agilent 34970A로 기전력을 측정하였다. 측정된 데이터로 기전력-온도 함수를 만들고, T = T (V)함수를 Labview7.
- 8은 온도 측정 지점을 나타내주고 있다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 튜브 내에 thermocouples을 위치시키고 작동유체의 온도를 직접 측정하였다. 대기 온도는 시험부의 중앙에서 측정하였다.
- 비등 촉진 마이크로 구조물, 작동 유체 체적비(fill ratio), 펌프 유동율(flow rate) 등이 이상 액체 냉각 시스템에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 각각의 경우에 대해 실험을 하고 식(1)에 의해 대류 열저항(RT)을 계산하였다. 본 연구에서 사용된 작동 유체 체적비는 다음 식에서 계산하였다.
- 비등 촉진 마이크로 구조물이 냉각 시스템에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 비등 촉진 마이크로 구조물을 부착하지 않은 증발기를 사용하여 실험을 하였다. 비등 촉진 마이크로 구조물을 제외하고, 증발기의 규격은 모두 동일하게 제작하였다.
- 펌프 유량율은 가장 큰 6ml/min을 유지하면서, 체적비 50%와 60%의 경우에 대해 실험을 하고, 데이터를 비교하였다. Fig.
- 작동 유체의 체적비와 펌프 유동율은 각각 60%, 6ml/min로 작동 조건은 동일하다. 그러나 각각의 경우에서 소산할 수 있는 최대 열유속에서의 TC를 비교하였다. 비등 촉진 마이크로 구조물이 부착된 증발기에서의 최대 열유속은 7W/cm2이고, 대기온도 28.
- 작동 유체는 증발기에 채워지고, 증발기와 연결된 튜브 및 응축기에 부분적으로 채워진다. 0.033cm3/s(4ml/min)의 펌프 유동율을 일정하게 유지하고, 40%, 50%, 60%, 70%의 체적비를 실험을 하였다. 이후의 모든 실험에서는 비등 촉진 마이크로 구조물이 부착된 증발기를 사용하였다.
- 마이크로 펌프의 유동율이 작동 유체의 대류 열전달 계수를 결정하기 때문이다. 실험은 펌프 유동율 2ml/min～6ml/min(0.033cm3/s～1.0cm3/s)의 범위에서 1ml/min(0.017cm3/s)씩 증가 시키면서 진행하였다. 체적비는 최적 조건인 60%를 사용하였다.
- 휴대용 컴퓨터를 위한 비등 촉진 마이크로 구조물을 이용한 이상 냉각 시스템을 구축하고, 시스템의 열성능에 대하여 연구하였다. 비등 촉진 마이크로 구조물의 유무, 작동 유체의 체적비, 펌프 유동율을 변화시킨 실험적 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 비등현상을 이용한 이상 액체냉각 시스템을 설계하고, 열성능에 대한 실험을 수행하였다. 작동 유체로는 절연성과 화학적 특성을 고려하여 PF5060을 사용하였다.
- 이 시스템은 증발기에 비등 촉진 마이크로 구조물을 6층으로 쌓아 올렸다. 작동유체는 PF5060을 사용 하였고, 105℃의 증발기 바닥 온도를 유지하면서 81W를 소산시킬 수 있었다.
- 시험부는 증발기, 응축기, 마이크로 펌프, 진공펌프, 압력계 등이 튜브로 연결되어있다. 전력공급 장치는 VUPOWER AK3005DD를 사용하였고, 데이터획득 장치는 Agilent 34970A(34908A board)를 이용하였다. 열전대는 TT -T-36-SLE(ø 0.
- 시험부는 320×320mm2의 크기를 가진다.
- 마이크로 구조물은 작동유체와의 온도차가 기포를 생성한다는 핵비등의 이론을 기초로 한다. 마이크로 구조물의 재질은 알루미늄이고, 크기는 각각 W=12.5mm, L=12.5mm, H=1mm이다. 채널 폭, 채널 깊이, 채널 간격은 각각 Wt=0.
- 실험에 사용된 heater는 Kapton Flexible Heater (22×22mm2)이다.
- 압력계는 TIF Digital pressure gauge(± 2% 오차)를 사용하였다.
- heater는 증발기 밑면에 열적으로 잘 접촉되어 있다. 실험에 사용된 튜브는 열에 강하고 투명한 teflon tube(1/4inch)이고, 마이크로 펌프를 구동하기 위하여 flexible silicone tube 도 함께 사용하였다.
- 7은 열전대 보정 실험 장치의 개략도이다. 온도측정 장비는 Agilent 34970A를 사용하였으며, 34908A 보드에 열전대를 연결하였다. 온도측정 장치 보정실험을 하기 위해 0℃의 기전력 (ElectroMotive-Force)값을 측정하고.
이론/모형
- 그로인해 CPU와 같은 부품 등에서의 단위 면적당 발열량이 점점 더 증가되고 있다. 이러한 열 유속들을 처리하기 위해서 여러 가지 냉각 방식들을 이용하였다. 이전까지 휴대용 컴퓨터의 냉각 방식 중에는 CPU의 표면에 heat sink를 부착하고, 그 위의 휀을 이용하여 주위의 공기로 강제 공랭시키는 방식이 주류를 이루었다.
- 비등 촉진 마이크로 구조물은 증발기 내부의 표면적을 증가시키고, 핵생성 자리를 제공하기 위하여 증발기 밑면에 thermal bond를 이용하여 부착시켰다. 마이크로 구조물은 작동유체와의 온도차가 기포를 생성한다는 핵비등의 이론을 기초로 한다. 마이크로 구조물의 재질은 알루미늄이고, 크기는 각각 W=12.
- 항온조의 온도를 0～95℃까지 매 5℃ 간격으로 변화시키며 Agilent 34970A로 기전력을 측정하였다. 측정된 데이터로 기전력-온도 함수를 만들고, T = T (V)함수를 Labview7.0에 적용하여 온도를 측정하였다.
성능/효과
- 2℃였다. 그러므로 비등 촉진 마이크로 구조물을 포함하지 않은 냉각 시스템으로는 19.4W 이상을 소산시킬 수 없었고, 대류 열저항의 최소값은 RT = 3.71℃/W이었다.
- 86℃/W였다. 그러므로 비등 촉진 마이크로 구조물을 부착한 냉각 시스템은 비등 촉진 마이크로 구조물이 없는 경우보다 소산할 수 있는 최대 열유속이 약 74.7% 증가하였고, 대류 열저항은 약 49.9% 감소하였다.
- 이것은 작동 유체의 양이 일정량 이상일 경우에는 시스템 내부 압력이 증가하여 작동 유체의 비등점(Tb)을 상승시키기 때문이다. 그 결과 체적비 60%에서보다 체적비 70%에서 Tc, Te-out이 각각 2.2～8.3℃, 2.7～6.7℃ 씩 증가하였다(Fig. 12(b), Fig.
- 이것은 작동 유체의 양이 일정량 이상일 경우에는 시스템 내부 압력이 증가하여 작동 유체의 비등점(Tb)을 상승시키기 때문이다. 그 결과 체적비 60%에서보다 체적비 70%에서 Tc, Te-out이 각각 2.2～8.3℃, 2.7～6.7℃ 씩 증가하였다(Fig. 12(b), Fig.
- 12(c)). 그러므로 본 연구에서의 최적의 작동 유체 체적비는 60%라는 것을 알 수 있다. 이후의 모든 실험은 60% 체적비에서 시행하였다.
- 14는 최적 조건에서의 시간에 따른 각 위치의 온도를 나타낸 그림이다. film heater와 증발기 출구의 온도는 전원 공급 후 약 3분 정도 지나면 정상 상태에 도달한다는 것을 알 수 있었다. 그러나 응축기의 입구와 출구의 온도는 각각 10분, 25분 경과 후에 정상 상태에 도달하였다.
- (1) 비등 촉진 마이크로 구조물의 유무에 따른 이상 냉각 시스템의 성능에 대해 조사하였다. 본 연구에서의 최적 조건인 작동 유체 체적비 60%와 펌프 유동율 6ml/min에서 비등 촉진 마이크로 구조물이 없는 증발기는 19.4W(Tc=98.2℃) 이상을 소산시킬 수 없었고, 대류 열저항의 최소값은 RT =3.71℃/W이었다. 비등 촉진 마이크로 구조물을 부착한 경우에는 부착하지 않은 경우보다 소산할 수 있는 최대 열유속이 약 74.
- 71℃/W이었다. 비등 촉진 마이크로 구조물을 부착한 경우에는 부착하지 않은 경우보다 소산할 수 있는 최대 열유속이 약 74.7% 증가하였고, 대류 열저항은 약 49.9% 감소하였다.
- (2) 이상 냉각 시스템에서 작동 유체의 양은 시스템의 열성능에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 체적비 40% 또는 50%에서는 증발기 입구로 들어오는 응축된 작동 유체의 양보다 증발기에서 기화되는 작동 유체의 양이 많기 때문에 dry out이 일어난다.
- 7℃씩 증가하였다. 그러므로 본 연구에서의 최적의 체적비는 60%라는 것을 알 수 있었다.
- 4℃였다. 이것은 본 연구에서 사용된 헬리켈 형상의 핀튜브 열교환기 스테인레스 재질로 되어 있기 때문에 냉각 효율이 현저히 떨어진다는 것을 알 수 있었다. 이상적인 냉각 시스템에서는 응축기의 출구 온도와 증발기의 입구 온도는 동일하게 유지되어야한다.
후속연구
- 그러나 전자의 경우에는 소음과 진동 및 에너지 소비의 증가로 컴퓨터의 성능 저해 및 수명을 단축시키는 요인의 하나로 작용되며, 후자의 경우 가격 대비 성능 측면에서 소비자의 만족도를 따라주지 못하는 실정이다. 따라서 chip을 허용작동온도의 범위로 유지시켜 장비의 수명연장 및 신뢰성과 안정성을 향상시키고 소비자의 요구에 맞는 방열성능이 우수한 냉각방식에 대한 연구가 필요하다.
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