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문제 정의
- PCM을 적용한 자연대류 방열기와 수냉식 자연대류 방열기의 유량과 전력량 변화에 따른 방열특성에 대한 연구를 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 수냉식과 자연대류 공기혼합방식, 물과 공기 그리고 PCM의 혼합방식을 적용하여 전자기기 액체냉각의 자연대류형 냉각방식의 방열기 특성을 연구하였다. 길이 423 mm, 높이 295 mm, 그리고 폭 83 mm인 전자기기 냉각을 위한 방열기와 상변화 물질을 저장할 탱크를 내부에 삽입하여 설계 및 제작하였다.
제안 방법
- 항온항습실의 실내온도를 30℃로 일정해지도록 약 1시간동안 작동시켜 안정상태가 지속되는지 확인한 후, 이때 물측 온도가 실내온도 조건과 같아지도록 펌프를 작동시켜 유량을 순환시켰으며, 이때 방열기 내부 물측 온도가 실내온도와 동일한 상태에서 히터에 전원을 공급하고 시험을 시작하였다.
- 또한 PCM은 상변화 온도가 38℃와 50℃의 탱크 2개를 제작하였으며 상변화시 체적이 팽창되는 것을 방지하기 위해서 체적의 80%만을 탱크에 저장하였다. 그리고 내부채널에 냉각수가 채널로만 흐르도록 채널이 맞닿는 곳에 실링(sealing)하여 냉각수가 채널로만 흐르도록 하였다.
- 또한 발열체로부터 발생된 열이 외부로 방출되지 않도록 테프론 단열재를 사용하여 발열체를 단열하였다. 그리고 발열부의 접촉저항을 줄이기 위해 접촉면에 열전도도가 큰 서멀그리스(Thermal grease)를 얇게 도포하고 지그를 사용하여 클램프로 일정하게 압력을 가하여 접촉저항을 최소화 시켰다.
- 항온항습실의 실내온도를 30℃로 일정해지도록 약 1시간동안 작동시켜 안정상태가 지속되는지 확인한 후, 이때 물측 온도가 실내온도 조건과 같아지도록 펌프를 작동시켜 유량을 순환시켰으며, 이때 방열기 내부 물측 온도가 실내온도와 동일한 상태에서 히터에 전원을 공급하고 시험을 시작하였다. 기준조건은 유량 22 g/sec, 발열량 150 W로 전력과 유량에 따른 특성을 알아보기 위한 Table 1과 같이 실험조건을 변화시켜 설계변수에 대한 방열기의 특성에 대한 연구를 수행하였다.
- 테두리부분은 특수용접으로 접합했고 PCM을 삽입할 수 있도록 입구와 가스방출을 위한 출구로 총 2개의 주입구를 가공하여 밸브를 설치하였다. 또한 PCM은 상변화 온도가 38℃와 50℃의 탱크 2개를 제작하였으며 상변화시 체적이 팽창되는 것을 방지하기 위해서 체적의 80%만을 탱크에 저장하였다. 그리고 내부채널에 냉각수가 채널로만 흐르도록 채널이 맞닿는 곳에 실링(sealing)하여 냉각수가 채널로만 흐르도록 하였다.
- 본 실험장치는 크게 전자기기에서 발생되는 열을 모사하기 위한 발열부 열을 제거하기 위한 방열시스템으로 구성되어 있으며, 발열부의 경우50×50×10 mm인 구리블럭을 사용하여 직경 6 mm이고 길이가 45 mm이며 100 W를 공급할 수 있는 카트리지 히터 4개를 정면 홀에 장착하였다. 또한 발열체로부터 발생된 열이 외부로 방출되지 않도록 테프론 단열재를 사용하여 발열체를 단열하였다. 그리고 발열부의 접촉저항을 줄이기 위해 접촉면에 열전도도가 큰 서멀그리스(Thermal grease)를 얇게 도포하고 지그를 사용하여 클램프로 일정하게 압력을 가하여 접촉저항을 최소화 시켰다.
- 길이 423 mm, 높이 295 mm, 그리고 폭 83 mm인 전자기기 냉각을 위한 방열기와 상변화 물질을 저장할 탱크를 내부에 삽입하여 설계 및 제작하였다. 또한 상변화물질을 38℃와 50℃의 두 물질과 수력직경과 방열면적이 같은 방열기를 제작하여 유량과 전력변화 그리고 PCM의 용융온도 변화에 따른 방열성능특성에 관한 실험을 통하여 살펴보았다.
- 이러한 시스템의 특성을 파악하기 위해 히터블럭과 워터블럭, 그리고 방열기에 T-type 온도센서를 각각 설치하였다. 또한 항온조실 바닥에서 약 1 m 높이에서 실내온도를 측정하였으며 각각의 위치에서 측정된 온도는 데이터로거로 자동으로 저장되도록 하였다. 본 연구에서는 MV-200(yogogawa)을 사용하여 2초당 1개의 데이터를 받도록 하였다.
- 방열기의 성능특성을 파악하기 위해서 방열량 150 W, 유량 22 g/sec의 수냉식방열기 성능시험을 수행하고 그 결과를 시간에 따른 온도변화로 그래프를 나타내었으며, 동일한 조건에서 상변화 온도가 38℃와 50℃의 PCM를 적용한 방열기의 특성시험을 분석하고 수냉식방열기와 성능을 비교하였다.
- 본 실험에서는 유량조절을 용이하게 하기 위하여 마그네틱 워터펌프를 사용하였고 순환펌프 출구에 밸브를 설치하여 시스템의 순환수량을 일정하게 조절하였다. 본 시험에서는 순환수는 증류를 사용하였고, 유량측정 방법으로 시스템에 순환되는 물을 1분 동안 받은 후 저울을 이용하여 측정하였으며 유량측정에 신뢰도룰 높이기 위해 5회 측정값에 평균값을 사용하였다. 이러한 시스템의 특성을 파악하기 위해 히터블럭과 워터블럭, 그리고 방열기에 T-type 온도센서를 각각 설치하였다.
- 또한 방열시스템은 워터블럭과 방열기, 리시버, 순환펌프, 그리고 밸브로 구성되어져 있으며 각각의 배관은 10 mm 호스로 연결하였다. 본 실험에서는 유량조절을 용이하게 하기 위하여 마그네틱 워터펌프를 사용하였고 순환펌프 출구에 밸브를 설치하여 시스템의 순환수량을 일정하게 조절하였다. 본 시험에서는 순환수는 증류를 사용하였고, 유량측정 방법으로 시스템에 순환되는 물을 1분 동안 받은 후 저울을 이용하여 측정하였으며 유량측정에 신뢰도룰 높이기 위해 5회 측정값에 평균값을 사용하였다.
- 본 시험에서는 순환수는 증류를 사용하였고, 유량측정 방법으로 시스템에 순환되는 물을 1분 동안 받은 후 저울을 이용하여 측정하였으며 유량측정에 신뢰도룰 높이기 위해 5회 측정값에 평균값을 사용하였다. 이러한 시스템의 특성을 파악하기 위해 히터블럭과 워터블럭, 그리고 방열기에 T-type 온도센서를 각각 설치하였다. 또한 항온조실 바닥에서 약 1 m 높이에서 실내온도를 측정하였으며 각각의 위치에서 측정된 온도는 데이터로거로 자동으로 저장되도록 하였다.
- PCM 탱크는 부피 팽창으로 인한 파손을 고려하여 stainless steel 재질로 두께는 2 mm, 길이 398 mm, 높이 270 mm, 폭 26 mm로 제작했다. 테두리부분은 특수용접으로 접합했고 PCM을 삽입할 수 있도록 입구와 가스방출을 위한 출구로 총 2개의 주입구를 가공하여 밸브를 설치하였다. 또한 PCM은 상변화 온도가 38℃와 50℃의 탱크 2개를 제작하였으며 상변화시 체적이 팽창되는 것을 방지하기 위해서 체적의 80%만을 탱크에 저장하였다.
대상 데이터
- 외부 채널은 폭 12 mm, 휜 높이 275 mm, 공기채널 폭 12 mm로 설계했고 내부채널은 길이 22 mm, 폭 3 mm, 높이 271 mm로 7 Pass이다. PCM 탱크는 부피 팽창으로 인한 파손을 고려하여 stainless steel 재질로 두께는 2 mm, 길이 398 mm, 높이 270 mm, 폭 26 mm로 제작했다. 테두리부분은 특수용접으로 접합했고 PCM을 삽입할 수 있도록 입구와 가스방출을 위한 출구로 총 2개의 주입구를 가공하여 밸브를 설치하였다.
- 따라서 본 연구에서는 수냉식과 자연대류 공기혼합방식, 물과 공기 그리고 PCM의 혼합방식을 적용하여 전자기기 액체냉각의 자연대류형 냉각방식의 방열기 특성을 연구하였다. 길이 423 mm, 높이 295 mm, 그리고 폭 83 mm인 전자기기 냉각을 위한 방열기와 상변화 물질을 저장할 탱크를 내부에 삽입하여 설계 및 제작하였다. 또한 상변화물질을 38℃와 50℃의 두 물질과 수력직경과 방열면적이 같은 방열기를 제작하여 유량과 전력변화 그리고 PCM의 용융온도 변화에 따른 방열성능특성에 관한 실험을 통하여 살펴보았다.
- 본 실험장치는 크게 전자기기에서 발생되는 열을 모사하기 위한 발열부 열을 제거하기 위한 방열시스템으로 구성되어 있으며, 발열부의 경우50×50×10 mm인 구리블럭을 사용하여 직경 6 mm이고 길이가 45 mm이며 100 W를 공급할 수 있는 카트리지 히터 4개를 정면 홀에 장착하였다.
- 또한 항온조실 바닥에서 약 1 m 높이에서 실내온도를 측정하였으며 각각의 위치에서 측정된 온도는 데이터로거로 자동으로 저장되도록 하였다. 본 연구에서는 MV-200(yogogawa)을 사용하여 2초당 1개의 데이터를 받도록 하였다.
- 그림에서와 같이 앞판과 PCM그리고 뒤판을 설계하고 재작하여 조립하였다. 앞판과 뒤판은 aluminum 재질로 길이 423 mm, 높이 295 mm, 폭 83 mm 이다. 외부 채널은 폭 12 mm, 휜 높이 275 mm, 공기채널 폭 12 mm로 설계했고 내부채널은 길이 22 mm, 폭 3 mm, 높이 271 mm로 7 Pass이다.
- 앞판과 뒤판은 aluminum 재질로 길이 423 mm, 높이 295 mm, 폭 83 mm 이다. 외부 채널은 폭 12 mm, 휜 높이 275 mm, 공기채널 폭 12 mm로 설계했고 내부채널은 길이 22 mm, 폭 3 mm, 높이 271 mm로 7 Pass이다. PCM 탱크는 부피 팽창으로 인한 파손을 고려하여 stainless steel 재질로 두께는 2 mm, 길이 398 mm, 높이 270 mm, 폭 26 mm로 제작했다.
이론/모형
- 또한 본 시험에 사용된 PCM은 T-history분석법을 이용하여 PCM의 상변화온도와 잠열량을 측정하였으며, 잠열량은 각각 38℃에는 203.266 J/g와 50℃는 138.26 J/g의 물질을 사용하였다.
성능/효과
- (1)PCM을 적용한 방열기에서 발열량 150 W, 순환수량 22 g/sec에서 상변화온도 38℃인 PCM을 이용한 경우 9000 sec동안 히터블럭 온도를 6℃가량 낮게 유지하였다.
- (2) 상변화가 끝나도 PCM을 이용한 방열기 성능이 수냉식과 유사한 성능을 나타내었고 상변화 온도 50℃인 PCM의 경우 순환수 온도와 PCM 상변화 온도차가 적어 PCM 효과가 크게 나타나지는 않았다.
- (3) 발열량이 증가할수록 PCM을 적용한 방열기가 우수한 성능을 나타내었으며 순환수 유량에 따른 영향은 적은 것으로 나타났고 발열량과 순환수 온도 등을 고려하여 적절한 설계가 필요할 것으로 판단된다.
- Fig. 3은 수냉식방열기의 시간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프로 전력이 공급된 후 온도가 약 5000 sec가 지나서 방열기 내부 측 온도가 일정하게 유지함을 알 수 있으며, 이때 히터블럭 표면온도가 약 67℃이고 방열기 입출구 평균온도가 약 54℃로 일정하게 유지되었다.
- Fig. 4는 상변화 온도가 38℃인 PCM을 적용하여 시간에 따른 온도변화 데이터로서 약 2000 sec 까지 히터블럭의 표면온도가 57℃ 정도로 급격히 온도가 상승하다가 상변화로 인해 약 9000 sec 동안 61℃를 유지하였으며 물 측 평균온도는 대략 47℃를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수냉식 방열기와 동일하게 히터블럭에서 받은 열을 방열기 핀을 통하여 공기중으로 방출하고 일부를 방열기 내부의 PCM으로 열이 흡수됨으로서 동일한 발열량을 공급하더라도 히터블럭 온도와 순환수 온도를 낮게 유지하는 것을 알 수 있었으며, 이때 순환수 온도는 PCM의 상변화 온도인 38℃보다 높은 47℃정도로 나타내었다.
- Fig. 6은 PCM의 상변화가 일정하게 유지되는 실험 시작 3시간 후 실험결과를 분석한 데이터로 발열량이 증가할수록 열저항값은 감소하였으며, 발열량이 증가하면서 PCM을 이용한 방열기의 성능이 향상되었으며, 상변화 온도 50℃보다는 38℃성능이 우수하였다. 발열량 150 W의 경우 수냉식 방열기의 열저항값이 0.
- 즉 PCM 38℃를 삽입한 방열기의 온도가 수냉식에 비해 20% 온도가 감소되었다. 그리고 PCM 38℃의 경우 발열온도와 상관없이 전구간의 발열량에 적용이 가능함을 알 수 있을 것으로 판단되나 5 0℃의 경우는 발열량이 180 W이상에서 효율적으로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 전체적으로 발열량이 증가할수록 Tm-Tamb가 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한 발열량이 증가할수록 PCM 상변화온도 38℃와 50℃는 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 특히 PCM 상변화 온도 38℃의 경우 전구간에 따라 온차가 일반형보다 낮게 나타났으며, 전력량이 150 W일 때 수냉식 방열기가 24℃로 가장 높게 나타났고 38℃가 20℃로 온도차가 가장 낮게 나타났다.
- 그러나 방열기가 전자기기 냉각에 적용되는데 있어서 발열원 부분의 온도가 설정온도 이상 올라가지 않고 유지하는데 목적이 있으므로 이것을 적절히 설계하면 발열원의 온도를 6℃ 정도 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다. 시간이 지남에 따라 PCM이 완전히 융해된 12,000 sec 후에는 수냉식 냉각기와 동일하게 히터블럭 온도가 67℃, 순환수 입출구 평균온도가 54℃를 유지하여 PCM을 이용하지 못하는 냉각조건에서도 성능이 떨어지지 않는 것으로 나타났다.
- 4는 상변화 온도가 38℃인 PCM을 적용하여 시간에 따른 온도변화 데이터로서 약 2000 sec 까지 히터블럭의 표면온도가 57℃ 정도로 급격히 온도가 상승하다가 상변화로 인해 약 9000 sec 동안 61℃를 유지하였으며 물 측 평균온도는 대략 47℃를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수냉식 방열기와 동일하게 히터블럭에서 받은 열을 방열기 핀을 통하여 공기중으로 방출하고 일부를 방열기 내부의 PCM으로 열이 흡수됨으로서 동일한 발열량을 공급하더라도 히터블럭 온도와 순환수 온도를 낮게 유지하는 것을 알 수 있었으며, 이때 순환수 온도는 PCM의 상변화 온도인 38℃보다 높은 47℃정도로 나타내었다. 그 원인은 순환수와 PCM 탱크 내부의 PCM과 열전달량이 작기 때문이며, 또한 PCM 탱크 내부에서 고체에서 액체로 상변화하면서 열전달이 떨어지는 것을 알 수 있다.
- 9는 실험 3시간 후 분석한 데이터로 발열량 변화에 따른 Tm-Tamb의 데이터 특성이다. 전체적으로 발열량이 증가할수록 Tm-Tamb가 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한 발열량이 증가할수록 PCM 상변화온도 38℃와 50℃는 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다.
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