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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 자동차용 방열기로 사용되는 라디에이터의 크기를 90×90 mm, 19mm, 24 mm, 1 Hole, 9 Hole로 컴퓨터 CPU 액체냉각용으로 동일하게 축소 제작하였으며, 샘플(Sample) 의 유로를 각각 1, 2, 5 Pass로 형상화하여 풍속과 유량을 변화 시켰을 때 열성능을 비교 고찰하여 컴퓨터 CPU 액체냉각방식의 설계 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 장치는 물 측의 경우 온도와 유량을 일정하게 유지하도록 항온조, 기어펌프, 디지털 유량계, 차압계 등을 설치하였으며, 공기 측은 일정 풍속을 유지 할 수 있도록 팬(Fan) inverter를 설치하고 Tunnel로 유입되는 온도는 항온 항습기를 이용하여 일정하게 제어하였다. 그리고 다점 풍속계와 마이크로 마노미터로 유입 공기의 풍속과 시험부의 입·출구 공기의 차압을 측정하도록 하였고 각각 5개의 T-type 열전대를 설치하여 입․ 출구 공기의 온도를 측정하고 이 온도로 유체의 혼합평균 온도(Bulk temperature)를 결정하였다.
- 장치는 물 측의 경우 온도와 유량을 일정하게 유지하도록 항온조, 기어펌프, 디지털 유량계, 차압계 등을 설치하였으며, 공기 측은 일정 풍속을 유지 할 수 있도록 팬(Fan) inverter를 설치하고 Tunnel로 유입되는 온도는 항온 항습기를 이용하여 일정하게 제어하였다. 그리고 다점 풍속계와 마이크로 마노미터로 유입 공기의 풍속과 시험부의 입·출구 공기의 차압을 측정하도록 하였고 각각 5개의 T-type 열전대를 설치하여 입․ 출구 공기의 온도를 측정하고 이 온도로 유체의 혼합평균 온도(Bulk temperature)를 결정하였다.
- 그리고 풍동을 가동시켜 시험부에서 풍속을 측정하여 일정 풍속으로 유지하도록 한후 항온 항습기를 가동시켜 Tunnel 입구공기의 온도를 20℃로 일정하게 조절한다. 유입되는 공기와 물의 온도가 일정해지면 열전대를 이용하여 입구와 출구의 온도를 측정하도록 하였다. Table 2는 실험에 사용된 방열기의 사양을 나타낸 것이며, 방열기의 열적성능을 비교하기 위해서 각 Sample을 교체하여 실험하였고 시험부의 온도변화가 ±5℃이내, 압력은 ±5 kPa이내의 범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하고 이때부터 데이터를 측정하여 데이터 레코더(MV200 30CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
- 유입되는 공기와 물의 온도가 일정해지면 열전대를 이용하여 입구와 출구의 온도를 측정하도록 하였다. Table 2는 실험에 사용된 방열기의 사양을 나타낸 것이며, 방열기의 열적성능을 비교하기 위해서 각 Sample을 교체하여 실험하였고 시험부의 온도변화가 ±5℃이내, 압력은 ±5 kPa이내의 범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하고 이때부터 데이터를 측정하여 데이터 레코더(MV200 30CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
- 전체 열 저항으로 부터 물 측과 관내 측 열 저항을 구하였다. 여기서 물 측의 불결저항을 무시 하고 계산을 하였다.
- 전체 열 저항으로 부터 물 측과 관내 측 열 저항을 구하였다. 여기서 물 측의 불결저항을 무시 하고 계산을 하였다. 식 (8)에서 UA를 구하기 위하여 관내 측 열전달계수 hi는 Gnielinski(6) 가제안한 다음 식을 이용하였다.
- 현재 상용화되고 있는 컴퓨터 CPU 액체냉각용 라디에이터를 대상으로 19mm와 24mm 폭을 가지고 튜브의 Pass 수 변화에 따른 열성능을 실험적으로 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 흡입형 풍동(Wind tunnel) 실험 장치를 구성하여 사용하였으며 Fig. 1은 본 실험의 대상인 컴퓨터 CPU 액체냉각용 라디에이터의 실험장치 개략도를 나타낸 것이다.
이론/모형
- Sample의 UA 값은 Unmixed-unmixed cross-flow에 대한 ε-NTU 관계식을 이용하였다.(5)
성능/효과
- 실험에서 물 측과 공기 측 평균 열교환량이 ±15%내의 오차범위 안에 포함되는 데이터를 유효 값으로 하였다. 샘플의 전열량은 관내 측과 공기 측의 평균값을 사용하였고 여기서 #, #와 cpo, cpi는 공기와 물의 질량유량과 정압비열 이다.
- Fig. 5 및 Fig. 6은 각각 물 측의 압력강하와 전열량을 나타내었으며, 풍속을 2 m/s로 고정하고 유량을 변화시켰을 때 유량이 증가 할수록 압력강하도 증가하며, 샘플 4 (24mm, 2Pass)의 경우 압력강하가 높은 경향을 나타내었고, 19 mm의 샘플이 24mm의 샘플보다 압력강하가 작은 것을 볼 수 있다. 이는 헤더부분의 형상에 따른 것으로 판단되어진다.
- (1) 동일 Size 즉, 90×90에서 튜브의 Hole 수와 Pass 수, 폭이 19mm, 24mm로 변화할 때 유속이 증가할수록 열전달은 커지며, 압력강하도 증가하는 경향을 보였다. 이는 헤더부가 급격하게 감소하는 것을 나타내며, 열전달의 증가폭에 비해 압력강하의 증가 폭이 매우 크다.
- (2) 현재 컴퓨터 CPU 냉각에 사용되는 2 Pass 라디에이터의 경우 결과 그래프에서와 같이 압력 강하 대비 열전달계수를 비교하였을 때 펌프와 팬의 성능을 고려한 적절한 설계라고 판단되며, 유량 분배의 문제점이 해결된다면 성능이 한층더 좋아질 것으로 판단된다.
- (3) 유량 1.7 LPM, 풍속 2 m/s에서 압력강하 대비 열전달계수를 비교할 때 24mm 샘플의 라디에이터가 높은 성능을 나타내었다. 하지만 공기측의 압력강하를 감안한 Fin 폭 및 팬의 설계가 우선되어야 할 것으로 사료된다.
- 실험결과를 처리하기에 앞서 Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 물 측과 공기 측의 열평형이 ±15%에 위치하는 것을 확인하였으며, Pass 수가 늘어날수록 Qi가 Qo보다 큰 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 7 LPM, 풍속 2 m/s에서 압력강하 대비 열전달계수를 비교할 때 24mm 샘플의 라디에이터가 높은 성능을 나타내었다. 하지만 공기측의 압력강하를 감안한 Fin 폭 및 팬의 설계가 우선되어야 할 것으로 사료된다. 향후에는 크기 120×120mm, Tube 폭 19, 24mm, Tube hole 1, 9의 라디에이터의 연구를 진행할 예정이며, 펌프와 팬 최적선정을 통하여 액체냉각방식의 효율을 개선하고자한다.
- 하지만 공기측의 압력강하를 감안한 Fin 폭 및 팬의 설계가 우선되어야 할 것으로 사료된다. 향후에는 크기 120×120mm, Tube 폭 19, 24mm, Tube hole 1, 9의 라디에이터의 연구를 진행할 예정이며, 펌프와 팬 최적선정을 통하여 액체냉각방식의 효율을 개선하고자한다.
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