진동형 히트파이프를 이용한 히트싱크의
냉각 성능에 관한 연구
최근 가정용 컴퓨터와 노트북 등의 중앙처리장치(CPU) 속도가 급격히 빨라지고 있다. 더욱이 화석 에너지 고갈 위기에 따라 제품의 발열량 은 급속도로 늘어날 전망이라는 관측이 나왔다. 때문에 에너지절약에 대한 해결이 동반된 연구가 이뤄져야 한다는 목소리가 커지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 발열원에 히트싱크를 직접 부착하는 강제대류 방식에 대한 연구가 진행되고 있고, 최근 들어 열전소자를 이 용한 냉각방식과 히트파이프를 이용한 방식도 대두되고 있다. 그 중 열저항 특성 연구에 집중했던 기존 방식에서 벗어나 Pulsating Heat Pipe(PHP)를 열확산기로 적용시킨 연구방식을 소개한다. 글, 자료 제공 최우석(한국남동발전(주) 삼천포화력본부 발전운영 1부)
ESCO Report
[Fig. 1]
그 외 히트파이프를 이용한 방식이 있다.
[Fig. 2] 발열부측 열을 윅형 히트파이프로 운송하여 냉각 시키는 방식으로 제조 단가가 비싸다는 단점을 지닌다. 이 와 같이 다양한 냉각방식이 개발, 연구되고 있으며 히트싱 크의 중요성이 부각됨에 따라 더욱 가속화될 전망이다.
1. 연구의 배경 및 목적
디지털 시대, 정보화 시대에 접어들면서 컴퓨터와 IT 관련 기기 및 전자제품들은 고성능화, 고출력화 되고 있으며 이 와 더불어 전자 제품의 발열량이 증가하고 있다. 이는 제 품의 성능을 저하시키거나 고장의 원인이 되어 제품의 내 구성 및 신뢰성에 큰 영향을 준다. 이에 전자제품으로부 터 발생되는 열을 효과적으로 제거하기 위한 히트싱크의 설계 및 관리는 차세대 신제품 개발에 필수 불가결한 요 소라고 할 수 있다.
그리고 최근 가정용 컴퓨터, 노트북 등은 초소형화, 고성 능화의 요구로 정보처리의 두뇌인 중앙처리장치(CPU)의 속도가 급격한 속도로 빨라지고 있으며, 향후 보다 가속화 되어 제품의 발열량은 급속도로 늘어날 전망이다.
게다가 화석 에너지 고갈 위기에 따라 각종 산업 분야에 서 에너지 절약 및 효율을 높이기 위한 노력이 뒷받침 되 지 않은 기술은 차츰 외면당하고 있는 실정이다. 기존에 제시된 문제에 에너지 절약에 대한 해결이 동반된 연구가 이루어져야만 하는 시기에 도달한 것이다.
이러한 모든 문제를 해결하기 위한 노력으로 발열원에 히
트싱크를 직접 부착하여 팬을 사용하지 않고 냉각시키는
자연대류 방식과 발열원에 히트싱크와 팬을 부착하여 냉
각하는 강제대류 방식에 대한 연구가 지속되고 있다. 그
리고 최근에는 열전소자를 이용한 냉각방식도 각광을 받
고 있다.
하지만 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 냉각방식인 알 루미늄 압출식 평행핀 형상의 히트싱크의 방열 성능 향상 에 관한 연구는 휜 형상과 분포에 관련된 열저항 특성 연 구에 집중되고 있어 Pulsating Heat Pipe(이하 PHP)를 히트싱크에 적용한 연구는 부족한 실정이다.
PHP는 우수한 열전달 성능을 가지며 응축부에서 응축된 액을 증발부로 환류시키는 윅이 없기 때문에 구조가 간단 하고 다양한 형상의 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있 다. 또한 반 영구적이며 별도의 동력을 필요로 하지 않아 에너지 절약적인 차원에서도 많은 장점을 가지고 있다.
따라서 본 연구에서는 사출 성형 알루미늄 히트싱크의 열저항 성능 향상을 위해 PHP를 열확산기(thermal spreader)로 적용하였다. 실험결과는 열전소자의 발열량 과 강제대류시의 유속에 따른 히트싱크의 열저항을 비교 하였고, 또한 수치해석을 통해 향후 고성능 히트싱크를 설 계하는데 활용하고자 한다.
2. 진동형 히트파이프의 원리
히트 파이프는 밀페된 용기 내에서 작동 유체의 증발 및 응축을 연속적으로 행하여 잠열의 형태로서 열을 수송하 는 열전달 기구(Heat Transfer device)이며, 그 대표적 인 예로는 써모사이폰(Thermosyphon), 윅(Wick)형 히 트 파이프, 마이크로 히트 파이프(Micro Heat Pipe) 및 드림 파이프(dream Pipe) 등이 있으며 각각이 이미 실
용화되어 있다.
그러나, 써모사이폰은 응축된 액을 중력에 의해 증발부로 환원시켜야 하기 때문에 증발부(가열부)가 항상 응축부(냉 각부) 아래에 있어야 하는 사용 조건에 제한이 있으며, 써 모사이폰 및 윅형 히트 파이프 모두, 앞서 언급한 설치 공 간의 제약으로 인해 컴팩트화 측면에서 세관화가 요구되 지만, 관경의 감소에 따른 열전달 한계가 있어 세관화가 어 렵다. 물론 이러한 목적으로 마이크로 히트 파이프가 응 용되고 있지만 제작이 어렵고, 이 또한 열수송량이 매우 작아서 대량의 열수송이 곤란하다.
이러한 기존의 단점을 극복하는 열 수송 기구로서, PHP 에 대한 관심이 집중되고 있다. PHP는 1987년 Akachi에 의해 처음으로 제안되었으며, Fig. 3와 같이 크게 루프형 (Looped type) PHP와 비루프형(Non Looped Type 또 는 Closed-end) PHP로 나뉜다. PHP는 유체의 진동에 의해 열을 수송하는 열전달 기구로, 그 구조는 [Fig. 4]
에 나타낸 것과 같이, 간단히 세관을 사행(serpentine)
시킨 밀폐 구조로서, 진공 상태로 만든 후 임의의 비율로
작동 유체를 충전시킨 매우 단순한 구조로 되어 있다. 그
리고 그 형상은 매우 간단하고, 세관이기 때문에 유연성
을 가지고 있으며, 고압에도 견딜 뿐만 아니라, 특히 일정
턴 수 이상에서는 상부·수평·하부 가열 모드에서도 정상
적인 작동이 가능하다. PHP는 무엇보다도 저비용으로 제
작이 가능하며, 제작공정도 매우 간단하다는 등의 장점
을 가지고 있다. 또한 별도의 동력이 필요하지 않고 반영
구적이기 때문에 에너지 절약적인 측면에서도 많은 장점
을 가지고 있다.
기본적인 작동은 작동액 및 증기포의 불규칙적인 루프 내 순환 또는 축방향 진동에 의한 것이며, 가열부에 주어진 열량만큼의 핵비등(Nuclear boiling)을 일으키고, 핵비 등에 의해 발생된 기포는 합쳐진 후 기액 슬러그류(slug Flow)의 형태로 된다. 슬러그류는 압력파(Pressure Wave)를 발생시킴과 동시에 축방향 진동을 동반하는 유 동으로 되어 순환하고, 증기의 기포가 대류열전달과 잠열 수송을 한다.
3. 실험 장치의 구성
실험장치는 크게 시험부, 풍량을 조절하는 제어부와 데이 터 처리부로 구성되며 Fig. 5는 강제대류 실험장치의 개 략도이다.
먼저 시험부는 기존에 가장 많이 사용하는 사출 성형 알 루미늄 히트싱크와 3mm 동관으로 만든 루프형 PHP를 결합한 히트싱크를 사용하였고 히트싱크의 형상은 Fig. 6 에 나타내었다. 실험에 사용된 히트싱크는 알루미늄 재질 로 가로 200㎜, 세로 100㎜, 높이 30㎜이고 0.18m
2의 전 열면적과 13개의 평판 휜을 가진다. PHP는 외경 3㎜, 내 경 2㎜의 동관을 소재로 제작하였으며, 길이 330㎝, 무 게 140g, 체적 10.37㎤, 전열면적은 311㎠이며 총 턴수 는 9턴수이다.
Fig. 6 히트싱크의 형상
Size (L×W×T) (m) 200×100×30 Number of fins (EA) 13
Heat transfer area (㎡) 0.18
Material Aluminum
히트싱크의 열저항 성능을 알아보기 위해 흡입형 소형풍 동을 제작하였다. 풍동장치는 개방형으로 제작되었으며, 공기 유입측에 기류안정과 이물질 유입 방지를 위해 스크 린 메쉬를 설치하였다. 공기 입·출구 온도 계측부, 플레 넘, 노즐 유랑계, 그리고 송풍기 및 인버터로 구성되고, 송 풍기에 연결된 인버터를 이용하여 풍량을 조절하였다.
본 실험에 사용된 가열 장치는 크기가 세로 5㎝, 가로 5
㎝, 그리고 두께 0.3㎝의 히터와 히터로 공급되는 전력을 측정할 수 있는 digital Power Meter로 이루어져 있다.
발열체에 들어가는 전력량을 일정하게 유지하기 위해 슬 라이덕스를 이용하였다. 히터와 히트싱크 사이의 열전달 을 향상시키기 위해 Thermal Grease를 사용하였으며 외 부로의 열손실을 방지하기 위해 단열을 실시하였다.
4. 히트싱크 냉각 성능 실험 방법
본 연구에서는 PHP 내부의 불응축 가스를 제거하고 작 동유체를 충전하기 위하여, 히트파이프 내부를 로터리 펌 프(RP)와 디퓨져 펌프(dP)로 이루어진 고진공 시스템으 로 5.0 × 10-5 torr까지 진공시키고 2시간 정도 유지하 였다. 그리고 작동 유체는 R-22로서 정확한 충전을 위하 여 냉매 충전 실린더를 사용하였다. 작동유체는 선행연구 에 따라 최적 충전율로 알려져 있는 φ : 40%(Vol.) 타입 으로 준비하여 실험하였다.
히트싱크의 열 저항을 구하기 위해 입·출구 공기의 온도,
히터표면온도, 방열판 온도, 그리고 대기온도를 T형 열전
대를 부착하여 측정하였다. 강제대류 냉각 방식으로 풍속
은 1m/s~4m/s까지 1m/s씩 증가시키면서 실험하였으며,
가열 열량은 30W를, 60W, 80W, 100W로 실험하였다. 실
험은 발열체의 온도가 정상상태로 되었을 때의 입력된 전
력량, 발열체 온도, 주위 온도 등을 측정하였다. 열저항
에 사용된 히트싱크의 온도는 히트싱크의 상·중·하 3부
분의 온도를 측정하여 정상상태(steady state)에 도달한
후 10분 동안 취득한 값을 평균하여 나타내었고, T-type
의 열전대를 사용하여 다점의 온도를 계측하는 것으로 구
성되었다. 실험조건은 Table 2에 자세히 나타내었다.
5. 실험 결과 및 고찰
5.1 히트싱크의 표면 온도 비교
Fig. 14, 15는 유속에 따른 히트싱크의 표면 온도를 나 타내며 모든 실험 결과는 유속이 증가할수록 표면 온도 가 낮게 나타나고, 열량이 증가할수록 표면 온도는 높아 졌다. 그리고 유속이 빨라질수록 히트싱크 표면온도의 감 소는 점점 완만해졌다. 즉, 입력열량과 유속에 비례하여 PHP가 히트싱크의 냉각에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있으며, 입력열량이 커질수록 PHP의 작동이 더욱 원 활하게 되어 히트싱크의 냉각에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
입력 열량이 같을 때, PHP 결합형 히트싱크는 기존의 히트싱크에 비해 표면 온도가 낮게 나타나는 것을 통해 PHP가 Thermal spreader로써의 역할을 잘 수행하였 음을 알 수 있다.
그리고 히트 싱크의 열 부하가 커지더라도 작동상태에 문 제점이 나타나지 않았다. 이는 다양한 용량을 갖는 여러
가지 전자기기의 히트싱크에 PHP가 적용이 가능하다는 것을 보여준다.
5.2 히트싱크의 열저항
본 실험에서는 히트싱크만 사용하였을 경우와 PHP를 열 확산기로 적용한 히트싱크의 경우에 냉각 성능의 차이를 알기 위해 히트싱크의 열저항을 구하였다.
Fig. 11, 12는 히트싱크에 히터를 결합하여 히터의 열량을 30W, 60W, 80W, 100W로 변화 시키면서 유속에 따른 히트싱크의 열저항을 비교하여 나타낸 것이다. 두 가지 타 입 모두 유속의 증가에 따라 열저항을 감소하였으며 유속 이 증가할 때 PHP 결합형 히트싱크의 경우 열저항이 평 균 49.99% 감소하였고, 기존의 히트싱크의 경우에는 평 균 34.74% 감소하였다. 이는 PHP 결합형 히트싱크의 경 우에 히트파이프도 히트싱크와 함께 강제대류에 의해 냉 각됨으로써 열저항을 더욱 감소시킨 것으로 보이며, 이는 히트싱크의 냉각 성능 향상을 위해 열확산기로서 PHP를 활용 가능성을 나타낸다.
5.3 총괄열전달계수
PHP가 히트싱크의 열전달 향상에 미친 영향을 알아보 기 위해 히트싱크만 사용하였을 경우와 PHP를 열확산기 로 적용한 히트싱크의 경우에 대한 총괄열전달계수를 구 하였다.
Working fluid R-22( φ : 40%) Air velocity 1 ㎧, 2㎧, 3 ㎧, 4 ㎧ Input a mount of heat 30W, 60W, 80W, 100W
Case Heat Sink
Heat Sink + PHP
Fig. 13, 14는 입력열량을 변화시키면서 유속에 따른 히 트싱크의 총괄열전달계수을 비교하여 나타낸 것이다. 유 속의 증가에 따라 총괄열전달계수, U는 증가하였으며 유 속이 빨라질수록 증가폭도 커졌다. 또한 입력열량이 커질 수록 열전달이 잘 되는 것을 알 수 있었다.
입력열량이 100W, 유속이 4m/s 일때, 총괄열전달계수 는 최대값을 가졌으며 PHP를 적용하지 않았을 경우에 20.9 W/m2K이고 PHP를 적용하였을 경우에는 36.0 W/
m2K로 약 15 W/m2K의 차를 나타내었다. 유속이 1m/s 일때, 약 8 W/m2K의 차를 나타낸데 비교해본 결과 유 속의 증가에 따라 총괄열전달 계수가 비약적으로 커짐을 알 수 있었다.
6. 수치해석
본 연구의 실험에 대하여 수치해석을 수행하고 냉각 성능 의 실험 결과와 수치해석 결과를 비교하여 수치해석의 타 당성을 검증하고 PHP를 이용한 히트싱크에 대한 수치해 석 신뢰성을 확보하는데 수치해석의 주안을 두었다.
수치해석은 CFX 10.0을 이용하였으며 실험 단면의 1/4을 해석하는 조건으로 대칭의 경계조건을 적용하였고, 해석 에 사용된 히트싱크의 격자수는 약 420,000개이다. 수치 해석에 사용된 유체는 공기이며 뉴턴유체, 비압축성, 정 상유동으로 가정하여 해석을 실시하였고, 그 외 해석조 건은 실험에 사용된 모든 조건을 동일하게 적용하여 실
시하였다.
해석은 가정의 소형 전자제품에서 주로 발생하는 열량 60W에 소형 팬의 유속인 2m/s 일 때, 히트싱크와 PHP 를 적용한 히트싱크 두 가지 타입에 대하여 실시하였다.
수치해석에 따른 히트싱크 온도 분포를 Fig. 15과 Fig. 16 에 나타내었다. 그림에서 나타난 것과 같이 기존의 히트싱 크의 경우 305K~320K 정도의 범위에서 온도 분포를 보 였고 그에 비해 PHP 결합형 히트싱크는 302K~308K 정 도의 온도 분포를 나타내었다.
Fig. 17은 히트싱크의 실험에 의한 열저항 값과 수치해석 을 통한 열저항 값을 비교하여 나타낸다. 강제대류의 유 속이 2m/s 일 때, 열저항은 실험을 기준으로 기존의 히 트싱크는 0.393, PHP 결합형 히트싱크는 0.253이고, 해 석에 의한 열저항은 기존의 히트싱크가 0.405, PHP 결 합형 히트싱크가 0.260을 나타낸다. 이는 수치해석에 의 한 열저항과 실험에 의한 열저항 값은 오차범위 5%를 만 족한다. 이를 통해 실험 및 수치해석에 대한 신뢰성을 확 보하였다.
7. 결론
