실험 결과에 의해 최적화된 냉각시스템과 동일한 조건으로 수치해석을 실시하였 다. 앞 3.5절의 수치해석 방법으로 전류의 극성에 따라 열을 흡수·방출하는 열전소 자, 열전소자의 발열부에서 발생하는 열을 제어하기 위한 방열판과 열전소자 냉각 부의 열전달 면적을 증가시키기 위한 방열판으로 구성된 냉각시스템을 모델링하였 으며, 각 구성 요소들 사이의 접촉면은 전도영역으로 설정하고, 각 방열판의 경계 면은 대류영역으로 경계조건을 설정하여 총 164,799개의 element로 격자(Mesh)를 생 성하여 수치해석을 수행하였다.
냉각시스템의 열전소자와 방열판의 초기 온도 조건을 15 ℃로 설정하며, 열전소 자에 전압을 공급하였을 경우 열을 흡수·방출하는 특성을 고려하여 열전소자의 발 열부에서는 온도가 증가하고 냉각부에서는 온도가 감소하도록 하여 냉각시스템의 온도분포를 해석하였다.
시간이 경과함에 따라 열전소자의 발열부에 부착된 방열판은 열전소자의 발열부 에서 방출하는 열에 의해 점점 온도가 증가하였으며, 열전소자의 냉각부에 부착된 방열판은 소자에서 열을 흡수하여 온도가 낮아졌다.
수치해석 결과에서 열전소자의 발열부에 부착된 방열판보다 냉각부에 부착된 방 열판이 냉각 초기 급격한 온도변화가 이루어지고 있으며, 이는 냉각부에 부착된 방 열판의 크기가 발열부에 부착된 방열판보다 작아 빠른 시간에 열전달이 이루어지 고 있어 급격한 온도변화가 이루어졌다.
냉각시스템의 온도분포 해석 결과들에서 보는 바와 같이, 열전소자에서 열을 흡 수·방열하게 되면 열전소자에 부착된 방열판으로 열이 전달되면서 급격하게 온도변 화가 이루어지며, 열전소자 발열부에 부착된 방열판은 해석 시간이 40초까지는 급 격한 온도변화가 이루어지다가 40초 이후부터 일정한 온도분포를 유지하였다. 이는 열전소자에서 방출하는 열이 전도에 의해 방열판으로 전달되게 되고, 방열판 표면 과 주위 온도가 대류에 의한 열전달이 이루어지면서 방열판으로 전달된 열이 외부 로 방출되기 때문에 일정한 온도분포를 형성하게 된다.
Fig. 58 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 10 seconds by numerical analysis
Fig. 59 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 20 seconds by numerical analysis
Fig. 60 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 30 seconds by numerical analysis
Fig. 61 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 40 seconds by numerical analysis
Fig. 62 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 50 seconds by numerical analysis
Fig. 63 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 60 seconds by numerical analysis
Fig. 64는 해석시간이 600초에서의 냉각시스템의 온도분포 해석결과를 보여주고 있으며, 발열부 방열판의 최고 온도는 38.86 ℃, 냉각부 방열판의 최저 온도는 4.21
℃로 해석되었으며 온도분포가 일정하게 유지되었다.
Fig. 65는 방열판 사이에 있는 열전소자의 온도분포 해석결과를 보여주고 있으며, 시간이 경과함에 따라 열전소자 발열부와 냉각부 사이에 전도에 의한 열전달이 이 루어지면서 열평형을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다.
수치해석 결과와 온도측정 실험 결과를 비교하였을 경우, 냉각시스템을 작동하였 을 경우 냉각영역에서 급격하게 온도가 떨어지다가 일정 시간 후 일정하게 유지되 는 결과가 유사하게 나타났으며, 이러한 수치해석 결과는 점차 소형화되면서 고집 적화 되어 가는 전자장비 및 제품의 발열을 위한 냉각시스템을 제작하거나 이러한 냉각시스템의 냉각성능 개선을 위한 예비성능평가를 위한 중요한 자료로 활용가치 가 높을 것으로 사료된다.
Fig. 64 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 600 seconds by numerical analysis
Fig. 65 Visualization of temperature distribution of thermoelectric module at solution time 600 seconds by numerical analysis
제 5 장 결 론
본 연구에서는 컴퓨터의 내부에서 발생하는 열을 제어하기 위하여 열전소자를 이용한 소형 냉각시스템을 4가지 형태로 제작하여 온도를 측정하고 유동의 가시화 (Flow visualization)실험을 통하여 열의 전달프로세스를 규명하여 컴퓨터 내부의 방 열을 통하여 성능 향상을 위한 조건을 제시하였다.
실험과 같은 조건에서 수치해석을 실시하여 냉각시스템의 성능 개선을 위한 기 초 자료를 제시하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 냉각시스템의 열전소자에 공급하는 전압을 달리하였을 경우 열전소자의 발열부 를 방열판과 냉각팬을 사용하여 발생하는 고온의 열원을 제어하여 열전소자 냉 각부로의 영향을 최소화하였으며, 열전소자에 공급하는 전압이 증가될수록 흡열 량의 증가로 인해 냉각영역에서 발생하는 온도가 낮아지게 된다. 이로 인해 냉 각시스템의 냉각성능은 향상되었지만, 열전소자에 공급하는 전압이 증가될수록 열전소자 냉각부의 표면이 0℃ 이하로 내려가게 되어 결빙되거나, 주위와의 온 도차에 의하여 결로 현상이 발생하므로 열전소자의 냉각부 표면이 0℃ 이하로 내려가지 않는 최적의 전압은 7V이었다.
2. Piezoelectric actuator를 부착한 냉각시스템은 piezoelectric actuator에서 발생한 강 한 상·하 진동에 의해 냉각시스템 냉각영역에 균일한 온도를 유지하도록 하였으 며, 열전소자 냉각부에 방열판을 부착한 냉각시스템은 방열판에 의한 열전달 면 적의 증가로 냉각성능이 향상되었으며, 송풍팬을 부착하지 않았을 경우보다 방 열판과 송풍팬을 부착한 냉각시스템의 경우가 송풍팬이 냉각시스템에서 발생되
는 냉기를 순환시켜 냉각영역에서 원활한 열전달로 인해 냉각성능이 가장 우수 함을 확인할 수 있었다.
3. 유동가시화 결과를 통해 냉각시스템 냉각영역의 양쪽 측면 가장자리에서 자연대 류에 의한 순환현상이 일어나면서 외부의 공기가 냉각영역 내부로 들어오게 되 어 냉각영역의 중앙부분이 측면부분보다 상대적으로 낮은 온도를 형성하는 것과 piezoelectric actuator로 인해 발생하는 강한 상·하 진동과 송풍팬이 냉각영역 내에 강제대류를 일으키게 함으로써 냉각영역 내의 열전달이 향상되어 냉각시스템의 냉각성능이 향상되는 것을 확인하였다.
4. 컴퓨터 내부 전체 시스템에서 발생하는 열을 제어하기 위해 방열판을 부착한 냉 각시스템과 방열판과 송풍팬을 부착한 냉각시스템을 적용하였을 경우, 방열판과 송풍팬을 부착한 냉각시스템이 강제대류에 의해 냉각성능이 향상되었으며 컴퓨 터 내부에 일정한 온도를 유지하여 안정적인 상태로 나타났다.
5. 실험 결과에 의해 최적화된 냉각시스템과 동일한 조건에서 수치해석을 행하여 냉각시스템의 냉각패턴에 대한 온도분포를 비교한 결과 냉각시스템을 작동하였 을 경우 냉각영역에서 발생하는 온도가 급격하게 떨어지다가 일정하게 유지되었 으며, 이는 실험 결과와 거의 같은 결과이었다. 이러한 수치해석 결과는 점차 소 형화되면서 고집적화 되어 가는 전자장비 및 제품의 발열을 위한 냉각시스템을 제작하거나 이러한 냉각시스템의 냉각성능 개선을 위한 예비성능평가를 위한 중 요한 자료로 활용가치가 높을 것으로 사료된다.
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