2 0 1
년3
월8
박사 학위 논문열 전 소 자 를 이 용 한 소 형 냉 각 시 스 템 의 냉 각 성 능 에 관 한 연 구
윤 희 성
2013 년 8월 박사학위논문
열전소자를 이용한 소형 냉각시스템의 냉각성능에 관한 연구
조 선 대 학 교 대 학 원
첨 단 부 품 소 재 공 학 과
윤 희 성
열전소자를 이용한 소형 냉각시스템의 냉각성능에 관한 연구
A Study on Cooling Performance using Thermoelectric Module in a Small Cooling System
2013 년 8월 23일
조 선 대 학 교 대 학 원
첨 단 부 품 소 재 공 학 과
윤 희 성
열전소자를 이용한 소형 냉각시스템의 냉각성능에 관한 연구
지도교수 오 율 권
이 논문을 공학 박사학위신청 논문으로 제출함
2013 년 4월
조 선 대 학 교 대 학 원
첨 단 부 품 소 재 공 학 과
윤 희 성
윤희성의 박사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 교수 김 병 철 인 위 원 조선대학교 교수 홍 명 석 인 위 원 조선대학교 교수 김 재 열 인 위 원 조선대학교 교수 유 영 태 인 위 원 조선대학교 교수 오 율 권 인
2013 년 6월
조 선 대 학 교 대 학 원
목 차
제 1 장 서 론 ··· 1
1.1 연구배경 ··· 1
1.2 연구동향 ··· 3
1.3 연구목적 및 내용 ··· 8
제 2 장 냉각시스템의 이론해석 ··· 9
2.1 열전현상 ··· 9
2.1.1 Seebeck 효과 ··· 10
2.1.2 Peltier 효과 ··· 10
2.1.3 Thomson 효과 ··· 11
2.1.4 p형과 n형 반도체 접합부에서 여러 계수의 관계 ··· 11
2.2 열전소자의 열성능 이론 해석 ··· 12
2.3 유한요소법에 의한 온도분포 해석 ··· 19
2.3.1 에너지 보존의 법칙에 의한 열전도 방정식 ··· 19
2.3.2 변분법을 이용한 유한요소 정식화 ··· 23
2.4 열화상카메라 측정 이론 ··· 28
2.5 컴퓨터 냉각 기법 ··· 31
2.5.1 공기 냉각 기법 ··· 31
2.5.2 히트파이프 냉각 기법 ··· 32
2.5.3 냉동사이클 냉각 기법 ··· 32
2.5.4 열 사이폰 냉각 기법 ··· 33
2.1.5 수냉식 냉각 기법 ··· 33
2.5.6 펠티어 소자(Peltier element ; 열전소자) 냉각 기법 ··· 34
제 3 장 실험 및 수치해석 방법 ··· 35
3.1 냉각시스템 ··· 35
3.1.1 열전소자를 이용한 냉각시스템 ··· 35
3.1.2 Piezoelectric actuator를 부착한 냉각시스템 ··· 40
3.1.3 열전소자 냉각부에 방열판을 부착한 냉각시스템 ··· 42
3.1.4 열전소자 냉각부에 방열판과 송풍팬을 부착한 냉각시스템 ··· 44
3.2 냉각시스템 성능 실험장치 ··· 46
3.2.1 온도 측정 장치 ··· 48
3.2.2 유동가시화 장치 ··· 49
3.3 실험방법 및 순서 ··· 50
3.3.1 온도 측정 실험 ··· 50
3.3.2 유동가시화 실험 ··· 55
3.4 컴퓨터 내부의 발열 제어 실험 ··· 57
3.5 수치해석 방법 ··· 58
제 4 장 실험 및 수치해석 결과 ··· 61
4.1 냉각시스템 성능 실험 결과 ··· 61
4.1.1 냉각시스템 온도 측정결과 ··· 61
4.1.2 Piezoelectric actuator를 부착한 냉각시스템 온도 측정결과 ··· 75
4.1.3 방열판을 부착한 냉각시스템 온도 측정결과 ··· 80
4.1.4 방열판과 송풍팬을 부착한 냉각시스템 온도 측정결과 ··· 81
4.2 유동가시화 결과 ··· 83
4.2.1 냉각시스템 유동가시화 결과 ··· 83
4.2.2 Piezoelectric actuator를 부착한 냉각시스템 유동가시화 결과 ··· 85
4.2.3 송풍팬을 부착한 냉각시스템 유동가시화 결과 ··· 89
4.3 컴퓨터 내부의 발열 제어 실험 결과 ··· 93
4.4 수치해석 결과 ··· 96
제 5 장 결 론 ··· 102
참 고 문 헌 ··· 104
LIST OF FIGURES
Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric cooling ··· 12
Fig. 2 3-Node two-dimension triangle element ··· 24
Fig. 3 Loss on convection in surface of i-j ··· 27
Fig. 4 Atmospheric transmission over 1 nautical mile ··· 28
Fig. 5 Radiation patterns of the general measurement condition ··· 29
Fig. 6 Principle of infrared thermal camera ··· 30
Fig. 7 Schematic diagram and photograph of cooling system ··· 37
Fig. 8 Schematic diagram of thermoelectric module ··· 38
Fig. 9 Dimensions of heat sink ··· 39
Fig.10 Cooling fan ··· 39
Fig.11 Schematic diagram of piezoelectric actuators ··· 41
Fig.12 Schematic diagram of cooling system with heat sink at cold side(cooling section) of thermoelectric module ··· 42
Fig.13 Cooling system with heat sink at cold side(cooling section) of thermoelectric module ··· 43
Fig.14 Schematic diagram of cooling system with heat sink and flow fan at cold side(cooling section) of thermoelectric module ··· 44
Fig.15 Cooling system with heat sink and flow fan at cold side(cooling section) of thermoelectric module ··· 45
Fig.16 Schematic diagram of experimental apparatus to investigate cooling performance of cooling system ··· 46
LIST OF FIGURES (Continued)
Fig.17 Photograph of experiment apparatus to investigate cooling performance
of cooling system ··· 47 Fig.18 Schematic diagram of experimental apparatus for measurement
of temperature distribution ··· 48 Fig.19 Schematic diagram of experimental apparatus for flow visualization ··· 49 Fig.20 Schematic diagram of temperature measurement points ··· 51 Fig.21 Schematic diagram of temperature measurement points
between cooling system and piezoelectric actuator ··· 52 Fig.22 Schematic diagram of measurement points for measurement
of temperature inside the chamber··· 54 Fig.23 Photograph of experimental apparatus for measurement temperature
inside the chamber··· 54 Fig.24 Schematic diagram of experimental apparatus
for flow phenomenon visualization inside the chamber ··· 56 Fig.25 Desktop PC with cooling system using thermoelectric module,
heat sink and flow fan··· 57 Fig.26 3-dimensional analysis model of cooling system ··· 59 Fig.27 Schematic diagram of initial temperature condition of cooling system ··· 60 Fig.28 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 5V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 63 Fig.29 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 5V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X··· 63 Fig.30 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 6V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 65
LIST OF FIGURES (Continued)
Fig.31 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 6V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X··· 65 Fig.32 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 7V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 66 Fig.33 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 7V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X··· 66 Fig.34 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 8V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 68 Fig.35 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 8V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X··· 68 Fig.36 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 9V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 69 Fig.37 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 9V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X··· 69 Fig.38 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 10V during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 70 Fig.39 Temperature distribution of cooling system at thermoelectric module
as 10V from 180 to 420 seconds at dimensionless coordinate, X··· 70 Fig.40 IR image on cold surface of thermoelectric module
by infrared thermal camera··· 72 Fig.41 Temperature distribution with piezoelectric actuator
as 90Hz during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 76 Fig.42 Temperature distribution with piezoelectric actuator as 90Hz
from 240 seconds to 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 76 Fig.43 Temperature distribution with piezoelectric actuator
as 120Hz during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 77
LIST OF FIGURES (Continued)
Fig.44 Temperature distribution with piezoelectric actuator as 120Hz
from 240 seconds to 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 77 Fig.45 Temperature distribution with piezoelectric actuator
as 150Hz during 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 79 Fig.46 Temperature distribution with piezoelectric actuator as 150Hz
from 240 seconds to 420 seconds at dimensionless coordinate, X ··· 79 Fig.47 Temperature distributions of cooling system with heat sink··· 82 Fig.48 Temperature distributions of cooling system with heat sink and flow fan··· 82 Fig.49 Visualization of flow phenomena in the test section
only operating cooling system using thermoelectric module··· 84 Fig.50 Visualization of flow motion in test section, only piezoelectric actuator··· 86 Fig.51 Visualization of flow phenomena in test section
with cooling system and piezoelectric actuator··· 88 Fig.52 Visualization of flow phenomena inside the chamber
using cooling system with flow fan (1)··· 90 Fig.53 Visualization of flow phenomena inside the chamber
using cooling system with flow fan (2)··· 91 Fig.54 Visualization of flow phenomena inside the chamber
using cooling system with flow fan (3)··· 92 Fig.55 Temperature distribution results inside the Desktop PC··· 93 Fig.56 Temperature distributions inside the Desktop PC
using cooling system with heat sink··· 95 Fig.57 Temperature distributions inside the Desktop PC
using cooling system with heat sink and flow fan··· 95
LIST OF FIGURES (Continued)
Fig.58 Visualization of temperature distribution of the cooling system at solution time 10 seconds by numerical analysis··· 97 Fig.59 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 20 seconds by numerical analysis··· 97 Fig.60 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 30 seconds by numerical analysis··· 98 Fig.61 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 40 seconds by numerical analysis··· 98 Fig.62 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 50 seconds by numerical analysis··· 99 Fig.63 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 60 seconds by numerical analysis··· 99 Fig.64 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 600 seconds by numerical analysis··· 101 Fig.65 Visualization of temperature distribution of the cooling system
at solution time 600 seconds by numerical analysis··· 101
LIST OF TABLES
Table 1. Performance specifications of thermoelectric module ··· 38 Table 2. Performance specifications of heat sink ··· 39 Table 3. Performance specifications of piezoelectric actuators ··· 40 Table 4. Performance specifications of heat sinks in heating section and cooling section of thermoelectric module ··· 43 Table 5. Thermal properties of Aluminum 6063-T83 ··· 60 Table 6. List for comparison of performance coefficient··· 74
NOMENCLATURE
: Area of thermoelectric module
: Coefficient of performance E : Emission rate
: Current intensity : Thermal conductivity
: Number of thermocouples
: Electric power : Resistance of thermoelectric module
: Temperature
: Hot side temperature
: Cold side temperature
: Difference between hot side temperature and cold side temperature
: Average temperature (
)
: Absorbed by Peltier cold side heating power
: Peltier hot side heating power
: Joule heat generation
: Peltier heating power
: Thomson heat flow
: VoltageX, Y : Dimensionless x,y coordinates
: Figure of meritNOMENCLATURE (Continued)
Greeks
: Seebeck coefficient
ε : Radiation
: Peltier coefficient at the junction of materials A and B
: Peltier coefficient
: Peltier coefficient at the junction of materials A and B
: Electric resistively
: Thomson coefficient
Subscript
aug : Augmentation of Heat transfer coefficient atm : Atmosphere temperature
amb : Boundary temperature
ABSTRACT
A Study on Cooling Performance using Thermoelectric Module in a Small Cooling System
Yoon, Hee-Sung
Advisor: Prof. Oh, Yool-Kwon Ph.D.
Dept. of Advanced Parts & Materials Engineering Graduate School of Chosun University
This study was investigated on cooling performance of small cooling system using thermoelectric module. This study set up cooling system of 4 type to control the heat generated by the computer. In order to find the heat transfer process of cooling system, this study was performed experiments of temperature distribution and flow visualization in cooling field of each cooling system. Also, numerical analysis was performed to assess the preliminary data to performance improvement and optimization of cooling system under same experiment condition.
The experimental results revealed that cooling performance of cooling system improved when voltage applied by thermoelectric module was increased gradually. The voltage applied by thermoelectric module increases, cold side surface of thermoelectric module was frozen, and was occurred dew formation by temperature difference between thermoelectric module and ambient temperature. Because of this, this study chose 7V as applied voltage by thermoelectric module. This study was compared the cooling performance of cooling system for the cases; one without flow and the other with flow
fan. The temperature distributions in the whole cooling field of cooling system were uniformly maintained about 13℃±0.5℃ due to forced convection phenomenon by flow fan. The forced convection phenomenon by flow fan contributed to heat transfer enhancement of cooling field. When the cooling system with heat sink and flow fan was used to cooling of computer, the internal temperature distributions of computer were lowered and uniformly maintained.
The numerical analysis results revealed that temperature distribution of cooling system rapidly fell early on but uniformed maintained after a period of time. This was similar to cooling pattern of experimental results. The numerical analysis results will be used to assess the preliminary data to performance improvement and optimization of cooling system.
제 1 장 서 론
1.1 연구배경
현대 과학 문명은 컴퓨터와 함께 발달되고 있으며 개인용 컴퓨터의 소형화, 고속 화 및 CPU의 고집적, 고밀도화에 따른 성능향상으로 인하여 중앙처리장치(CPU)나 그래픽카드는 차츰 발열량이 증가되고 있다.
이와 같은 고용량 전자기기에서 발생하는 열은, CPU 즉 반도체가 저온이나 상온 에서는 전류를 차단하거나 정류작용을 원활하게 하지만, 온도가 증가할수록 반도체 는 자유전자의 이동이 활발한 도체의 성질을 지니게 되어 과도한 전류가 발생하며 동작이나 연산 속도를 저하시키고, CPU 및 메인보드 수명단축 및 다운현상을 유발 하게 된다. 이러한 현상은 제품의 신뢰성 및 성능을 결정하는 중요한 인자로 작용 하며, 허용온도를 초과할 경우 클럭스피드의 저하, 오작동 및 고장 발생률을 급격 히 증가시킨다. 칩의 경우 작동 온도가 10℃ 정도 높아질 때마다 칩의 수명은 50%
이상씩 감소하는 것으로 알려져 있다[1].
이미 64비트급 컴퓨터 제작 시에 냉각장치의 적용은 당연한 작업으로 여겨지고 있으며, 이제 컴퓨터의 냉각 문제는 한 요소 부품의 문제가 아닌 전체 시스템의 문 제로 확대되어 있는 실정이다. 따라서 이러한 시스템 장애의 문제를 극복하기 위해 필수 불가결한 문제가 쿨러나 냉각 시스템 구축과 같은 냉각 솔루션의 개발로 이 어졌다. 초기의 팬티엄 Ⅱ에서 일반 히트싱크 부착형에서 시작하여 히트싱크에 팬 을 부착하여 어느 정도로 적용되다가 최근에 이르러서는 일반적인 히트싱크와 팬 의 조합으로는 고성능 CPU의 발열을 해결할 수 없다는 결론에 도달하였고, 이에 대한 대안으로서 히트파이프, 수랭, 펠티어 소자, 상변화 방식 등 다양한 신개념의
냉각 솔루션이 등장하고 있으며, 이러한 방식들은 현 컴퓨터 시장에서뿐만 아니라 총체적인 반도체 냉각 시장에서 하나의 비즈니스로서의 영역을 확고히 구축한 상 태이다. 따라서 전자장비의 효율적인 냉각은 장비의 설계와 운용에 매우 중요한 문 제로 대두되고 있다[2,3].
Intel과 AMD 사는 멀티 코어 방식을 채택하여 사용하고 있으며 지속적인 저발열 CPU를 개발하고 있다[4].
향후 출시될 고용량의 CPU와 내부 하드웨어를 장착한 컴퓨터의 발열 문제의 해 결이 절실히 요구되어지며 컴퓨터를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 새로운 형 태의 냉각방식의 개발이 필요한 실정이다.
1.2 연구동향
전자기기의 냉각 기술개발은 중요한 과제가 되고 있는 실정이며, 이러한 컴퓨터 CPU 및 전자기기의 온도상승을 막기 위한 히트싱크나 히트파이프의 다양한 냉각 시스템에 관하여 많은 연구들이 진행되고 있다[5-9]. 이러한 냉각 기법은 크게 공기 냉각기법, 히트파이프 냉각기법, 냉동사이클 냉각기법, 열전소자(Thermoelectric Module) 냉각기법, 열 사이폰 냉각기법 및 수냉각 기법 등으로 구분할 수 있다.
Lee et al[10]는 CPU 냉각에 사용되고 있는 냉각 팬과 발포알루미늄 방열기를 조합 하여 다양한 유동조건에서 홴-발포알루미늄 방열기 조합의 방열성능과 발포알루미 늄 방열기의 높이, 베이스 판의 두께와 냉각 팬과 발포알루미늄 사이의 간격이 발 열성능에 미치는 영향을 실험을 통해 측정하였다. Yoon and Kim[11]은 기존의 히트 파이프를 응용한 루프형 히트파이프를 연구대상으로 하여 루프형 히트파이프(LHP) 를 데스크탑 PC에 적용하여, 외기온도의 변화를 주어가면서 기존(Fan type)의 냉각 방식과 온도분포 및 소음을 비교하여 루프형 히트파이프의 우수성을 확인하였다.
Won et al[12]은 소음을 저감시키고 냉각성능을 향상시키기 위해 히트파이프형 쿨 러를 개발하였고 기존의 히트싱크형 쿨러와 비교하였다. Lee et al[13]은 CPU 냉각 을 위해 적층시킨 히트싱크의 겹침 부분을 제외한 측면부분을 절개시켜 표면적을 증가시키고, 유입 공기의 원활한 흐름이 가능하도록 유로를 확장시켜서, 핀과 공기 의 마찰저항을 줄인 새로운 적층형 히트싱크를 고안하였고 설계인자 변화에 따른 열저항 특성을 규명하였다. Kim et al[14]은 고발열 Desktop PC용 CPU 냉각을 위한 증기 압축식 냉각시스템 개발을 위하여 냉각능력 300W급 증발기에 대한 최적화 연구를 수행 하였으며, 이에 따른 시료용 증발기를 제작하고 최적 설계값에 대한 검증 실험을 수행하였다. Kwon et al[15]은 증류수를 냉각수로 사용하여 채널폭과 높이가 다른 6종류의 미세채널 워터블록을 설계, 제작하여 냉각수 유량, 채널폭, 높 이 등에 따라 컴퓨터 CPU 냉각용 미세채널 워터블록의 열성능 특성을 실험을 통 해 평가하였다. Ham et al[16]은 공랭식 Fan-fin CPU 냉각장치 대신, 수냉식 냉각시 스템을 일반 데스크탑에 설치하여 시스템의 부하상태, 라디에이터의 팬속도, 유량
의 조건에 따라 실제 시스템의 성능을 수치해석과 실험을 통해 상용화된 냉각시스 템의 설계 타당성과 개선방향 및 수냉식 CPU 냉각시스템의 가능성 등을 연구하였 다. Cha et al[17]은 컴퓨터 CPU 발열량 150W급 이상의 방열기를 설계하기 위해 자 동차용으로 사용되는 방열기의 크기를 120×120 mm로 컴퓨터 CPU 수냉식 냉각용 으로 축소 제작하였으며, 평판관형 루버핀과 핀관형 등의 총 7종류의 열교환기를 풍속과 유량을 변화시켰을 경우 열전달과 유동특성을 비교 평가함으로서 컴퓨터 CPU 수냉식 냉각방식을 제안하였다. Choi et al[18]은 컴퓨터용 수냉식 냉각시스템 에 사용할 수 있도록 축소 제작된 방열기의 헤더부 튜브삽입 길이 변화에 따른 열 전달 및 유동특성을 평가하기 위해 해석적 연구를 수행하였고, 해석결과의 타당성 을 실험결과를 통해 확인하였다. Choi et al[19]은 데스크탑 PC CPU용 냉각 시스템 전체를 수치해석하여, 최적의 휜 표면적 설계 및 최적의 히트파이프 수량 등을 예 측하였다.
기존에 제안된 방법은 냉각팬을 이용한 공랭식은 저렴하고 설치가 용이하기 때 문에 가장 선호하는 방식이나 냉각의 한계와 소음의 문제가 있으며, 물을 이용한 수냉식은 냉각효율은 좋으나 설치하는데 어려움이 있고, 누수가 발생하면 시스템이 손상되기 때문에 극히 일부에서만 사용하고 있다. 히트파이프 방식의 냉각은 작동 하는데 별도의 동력을 필요로 하지 않으며 무게가 가벼우며, 반영구적이어서 유지, 보수 등의 추가 비용이 적게 드는 장점이 있으나, 정밀한 설계와 제조 공정의 난점 으로 인해 단가가 높다는 단점이 있다.
이러한 선행 연구들을 바탕으로, 전자 제품의 초 소형화 및 고성능 제품의 개발 등으로 인해 국부적인 공간에서의 집중적인 열전달의 필요성은 점차 증대되고 있 으며 이로 인하여 고효율을 요하는 초소형 전자장비나 전자부품의 냉각을 위해 열 전소자의 사용이 증가하고 있고 이에 대한 연구도 확산되고 있는 추세이다.
최근에는 이러한 열전소자를 이용하여 냉각하는 방식을 많이 연구하고 있는 실 정이다. 열전소자를 이용한 전자냉각방식은 1834년에 발견된 냉각 방식으로서 최근 에 여러 냉각 분야에서 이용되고 있다. 이러한 전류의 극성에 따라 열을 흡수·방출 하는 열전소자를 이용한 전자냉각방식은 기존의 프레온 가스나 암모니아와 같은 냉매를 압축기에 의해 강제 순환시켜 냉각하는 증기압축식 냉각방식에 비해 냉매
순환을 위한 기계적인 구동장치인 압축기와 같은 작동 부품이 필요하지 않으므로 마모와 소음이 없고, 냉매의 폐기처분 시 생기는 환경오염을 유발하지 않고, 국소 적으로 목적하는 냉각을 수행하는 특수냉각방식이다. 이러한 냉각방식은 열전소자 의 가격이 비싸고, 냉각성능이 낮은 단점이 있지만, 열전소자의 냉각용량은 직류전 원을 사용하는 열전소자의 입력전압 조절만으로도 제어가 가능하기 때문에 정밀온 도제어가 가능하고, 중력의 영향을 받지 않기 때문에 장소의 구애를 받지 않으며, 저소음, 소형화 등의 장점이 있다[20,21]. 이러한 장점으로 열전소자 냉각방식의 응 용분야는 항공우주분야, 가정 및 산업응용분야, 의료 및 군사용 분야에 이르기까지 다양하다.
열전소자를 이용한 시스템의 성능향상의 변수는 열전소자의 자체 재료의 향상과 시스템의 최적 설계에 있다[22]. 따라서 열전소자에 관한 연구는 열전소자의 자체 에 의한 연구를 넘어 열전소자 시스템에 대한 연구로 확산되고 있는 추세이다.
Kang et al[23]은 공기와 물을 동시에 사용함으로써 현열냉각과 함께 잠열냉각을 이 용한 증발냉각방식을 도입하여 기존의 공랭식과 수냉식보다 방열효과를 높일 수 있었고, Astrain et al[24]은 상변화에 의한 발열부의 냉각방식을 택하여 방열효과를 높일 수 있다고 보고하였다. 또한, Huang et al[25]은 열전모듈의 고온측에 방열효과 가 충분히 이루어져야만 성능을 개선시킬 수 있다는 점을 이용하여, 팬을 설치하고 공기로 열전모듈의 방열부를 냉각시켜 줌으로써 냉동기의 성능을 개선하기도 하였 으며, Lee et al[26]은 Peltier module과 Heat sink, Fan 등을 장착한 시스템을 제작하 여 Peltier module의 종류와 Heat sink의 종류 등을 변화시킴으로써 발열부의 냉각이 원활하게 이루어져 Peltier module의 냉각효율을 높이는지에 대해 규명하였으며 Lee and Kim[27]은 마이크로 열전냉각기의 열성능을 예측하기 위해 열전소자의 두께를 변화시켜 FEMLAB 소프트웨어를 이용하여 3차원 해석을 수행하였다.
최근에는 Solomon[28]에 의해서 열전모듈의 재료와 형상, 구조 등을 변화시킴으 로써 냉동기의 성능을 향상시키는 연구가 수행되었고, Miner and Majumder[29]는 과도전류 열전효과를 이용하여 열전모듈의 성능을 향상시킨 바 있다. Attey[30]는 효과적인 Heat Sink의 방열을 위해 열전달매체로서 공기 대신 액체를 사용하여 성 능을 향상시키는 연구를 수행하였다. 한편, Yamanashi[31]는 열전냉각시스템에서
Heat Sink의 열저항이 성능지수와 냉각성능에 미치는 영향에 대해 연구하였고, Kang et al[32]은 공기와 냉각수를 동시에 사용하는 증발냉각방법을 이용하는 실험 을 수행하여 열전모듈이 소형 에어컨 시스템의 성능에 미치는 영향을 규명하기도 하였다. 이 외에도, Yoo et al[33]은 열전소자 및 열전냉각장치에 관한 이론해석과 실험을 수행하여 최대 성적계수와 온도특성의 관계를 규명하였다.
열전소자 시스템 향상에 관한 연구가 지속적으로 이루어짐에 따라 열전소자를 이용한 제품들의 개발이 활발히 이루어지고 있다. Guler and Ahiska[34]는 6～10℃
를 유지하며 혈액이나 백신 등을 저장할 수 있는 의료용 냉장고를 개발하였으며, Jin et al[35]은 음료수 등을 저장할 수 있는 쇼케이스를 제작하는데 활용하였다. 또 한, Astrain et al[36]은 열전냉각기의 열적·전기적 성능을 예측할 수 있는 계산 모델 을 개발하였고, 계산 모델을 실험적으로 입증하기 위해 열전냉각기를 제작하였다.
열전소자를 이용한 제품들의 냉각성능을 향상시키기 위해 Kim et al[37]은 열전소자 를 이용한 화장품 냉장고의 일정 온도로 냉각하기 위해 고온부 방열팬의 속도를 변화시키는 실험을 통해 연구하였고, Lee et al[38]은 고온측의 발열량을 제어하고자 Pulsating Heat Pipe(진동형 히트파이프, PHP)를 열확산기(Thermal spreader)로 적용하 여 화장품 냉장고를 설계하여 냉각성능실험을 수행하였다. 열전소자를 이용한 냉각 장치 열전달 및 냉각성능을 향상시키기 위한 연구는 다양한 분야에서 수치적 해석 이나 실험적 해석을 통해 이루어지고 있다. 특히, 두 개의 평행한 보(Beam) 사이에 진동을 가진 하였을 때 열전달 촉진을 위해 음향흐름(Acoustic streaming)의 효과에 대한 수치적 연구가 제시된 바 있으며[39], Wan 등[40]은 좁은 통로의 한쪽 벽면에 압전 소자(Piezoelectric bimorph)에 의한 진동을 가진하여 발생한 음향흐름이 강제 대류 냉각을 일으켜 통로 내부의 온도를 감소시키는 것을 수치적·실험적 연구를 통 해 제시하였고, 열원과 압전 작동기(Piezoelectric bimorph actuator)사이의 공기의 유 동 현상을 Particle tracking velocimetry(PTV)를 통해 가시화 하였다.
이러한 열전소자를 이용한 열전냉각장치의 냉각성능을 향상시키기 위해 열전소 자의 자체재료의 향상, 열전소자의 두께 변화, 발열부의 냉각 방식 변화, 방열판의 규격 및 구조 변화, 냉각팬의 속도 변화 등 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있 다.
또한, Lee et al[41]는 열전소자 발열부를 물을 이용하여 냉각하는 수냉식으로 냉 각유니트를 제작하고, 특정한 부분만을 냉각시키는 것이 아니라 컴퓨터 내부 전체 를 냉각시키는 방법으로 연구를 수행하였으나, 팬을 이용한 공랭식을 이용한 연구 는 거의 없는 실정이다.
지속적인 산업과 실생활의 수준 상승과 더불어 전자 부품의 집적 기술의 지속적 인 성장을 감안한다면 신 냉각 기술이 도입될 필요성이 절실하며, 최근 컴퓨터에서 의 고발열은 CPU뿐만 아니라 그래픽 프로세서나 메인보드 칩셋의 고집적화에 따 른 발열량 증가도 일익을 담당하고 있으므로 기존의 냉각 방식으로는 그 한계가 명확하며 그에 따라 소음이 없으면서 냉각 성능이 좋은 냉각 방식이 요구되고 있 는 실정이다.
1.3 연구목적 및 내용
이와 같이 냉각에 대한 수랭식, 히트파이프, 상변화 및 열전소자에 관한 연구는 다양한 방법으로 이루어지고 있으나, 전류의 극성에 따라 열을 흡수, 방출하는 열 전소자를 이용한 전자냉각방식의 열전달에 관한 연구는 열전소자의 재료, 형상, 구 조 등의 변화나 냉각방식 및 냉각팬의 속도 제어 등을 통한 연구가 대부분이며 밀폐된 공간을 냉각시키는데 국한 되어 있어서 열전소자를 이용한 냉각시스템에서 성능이 극대화될 수 있는 최적의 상태로 작동되거나 컴퓨터 및 전자기기의 방열에 적용되는 연구는 충분히 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 컴퓨터의 내부에서 발생하는 열을 제어하기 위하여 열전 소자를 이용한 소형 냉각시스템을 4가지 형태로 제작하여 온도를 측정하고 유동의 가시화(Flow visualization) 실험을 통하여 열의 전달프로세스를 규명하며 내부의 방 열을 통해 성능 향상을 위한 조건을 제시하고자 한다.
또한 실험 결과를 바탕으로 최적화된 냉각시스템과 동일 조건에서 수치해석을 실시하여 냉각시스템의 성능개선을 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.
제 2 장 냉각시스템의 이론해석
2.1 열전현상[42]
열전현상은 어떤 물질의 양단에 열과 전류를 동시에 흘렸을 때 상호작용에 의해 서로 영향을 주는 것을 말하며, 전압에 의한 전류의 흐름이 열의 흐름을 유발시켰 을 때, 이는 곧 열펌프(Heat Pump)의 원리가 되며 반대의 경우에 열전 모듈에 의한 발전의 원리가 되는 것이다[43]. 이러한 열전현상에 관한 연구는 1821년 Seebeck의 실험결과를 토대로 두 개의 서로 다른 전도체의 접합부에 열을 가하였을 때 양단 에 전위차가 생긴다는 Seebeck 효과와 1834년 Jean Peltier에 의해 서로 다른 물질에 전류를 통과시켰을 때 접합부 근처에서 온도차가 생긴다는 Peltier 효과로부터 시작 되었다. 이후 1851년 Thomson은 Seebeck 효과와 Peltier 효과의 가역성을 열역학적 으로 이론화하던 중 온도기울기가 있는 도체에 전류를 흘리면 도체내부에서 열이 흡수되거나 또는 열이 발생되는 Thomson 효과를 제안하였다.
어떤 물질의 양단에 온도차와 전압차가 동시에 존재한다면 각각에 의하여 생기 는 열류(Heat flux)와 전류가 상호작용 효과에 의해 서로 영향을 받게 되며 Onsager 이론에 의하여 서로 미치는 정도가 같다. 이러한 원리를 이용하여 서로 다른 물성 치를 가지고 있는 도체나 반도체의 접합부에 일정한 온도를 유지시키면서 전류를 흘렸을 경우 다음과 같은 몇 가지 열전 현상이 나타난다.
2.1.1 Seebeck 효과
물성치가 서로 다른 도체 또는 반도체 A와 B를 접합시키고 접합부에 일정한 온 도를 유지시켰을 경우 두 물질 A와 B의 양단에 일정한 기전력이 발생하는데, 이를 Seebeck 효과라 하며 이때 발생되는 기전력 V는 접점온도의 함수로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
│ (2.1.1)여기서,
: 접점간의 전류량
: 기준온도 : Seebeck 계수2.1.2 Peltier 효과
서로 다른 두 물질의 접합부에 전류를 흘렸을 경우 접합부에서 열의 흡수 및 방 출이 일어나게 되는 데 이러한 현상을 Peltier 효과라 하고 접합부에서 열의 흡수 및 방출량
를 수식으로 표현하면 아래의 식과 같다.
(2.1.2)여기서, : Peltier 계수
2.1.3 Thomson 효과
온도구배가 존재하는 도체 또는 반도체에 전류를 흘렸을 경우 여기에는 열과 전 류가 동시에 흐르게 되며, 이때 열과 전류는 서로 영향을 주게 되는 데, 이러한 현 상을 Thomson 효과라고 한다. 온도구배와 전류의 양에 따른 열의 출입량
를 수 식으로 표현하면 다음의 식과 같다.
(2.1.3)여기에서,
는 Thomson 계수 라고 하며, Thomson 계수, Seebeck 계수, Peltier 계수 간에는 다음과 같은 관계가 성립된다.
(2.1.4)
(2.1.5)2.1.4 p 형과 n형 반도체 접합부에서 여러 계수의 관계
p형과 n형의 두 반도체를 접하였을 경우 Peltier 계수와 Seebeck 계수는 다음의 식과 같은 관계를 갖는다.
(2.1.6)
││ ││ (2.1.7)
2.2 열전소자의 열성능 이론 해석
Fig. 1에서 보이는 바와 같이 p형과 n형 반도체를 조합한 소자에 전류
를 흘 리면, Peltier 효과를 이용한 열전냉각장치는 전기에너지를 직접 냉각에 이용하는 방 식으로 n형과 p형 두 반도체를 접합하여 제작된 열전소자에 전위차를 주게 되면 냉각대상에 접한 점점 (저온접점, 냉각면)의 온도는 감소하고 반대편 접점 (고온접 점, 열방출면)의 온도는 증가한다. 이때 열은 냉각대상으로부터 저온접점으로 흐르 고 고온접점에서 주위로 방출되며 주어진 열전소자의 저온접점에서 흡수할 수 있 는 열량은 열전효과의 기본으로부터 다음과 같이 주어진다.Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric cooling
(2.2.1)여기서, : Seebeck 계수
: 열전소자 저온접점의 절대온도
: 열전소자로 흐르는 전류의 세기한편 저온접점과 고온접점온도차로 인하여 고온접점으로부터 저온접점으로 열전 도에 의한 열역류가 발생하게 되는데 이 열량은 Fourier의 법칙에 의해 다음과 같 이 계산된다[44].
(2.2.2)
여기서, : 열전소자의 열전도계수
: 열전소자의 단면적
: 저온접점과 고온접점의 온도차 : 저온접점과 고온접점의 거리또한, 열전소자내를 흐르는 전류에 의해 Joule열이 발생하게 되는데 이 열은 양분 되어 각각 고온접점과 저온접점으로 흐르고, 저온접점으로 역류하는 Joule열은 열전 소자의 저항을
이라 할 경우
(2.2.3)으로 나타난다. 열전소자에 의한 전열량은 식 (2.2.4)와 같다.
(2.2.4)
이를 저온접합부에서 제기되는 열의 양
는 Peltier 효과에 의한 것에 Joule열에 의하여 발생하는 열의 반이 저온부로 흘러들어오는 것과 고온부와 저온부의 온도 차에 의한 열전도성 열전달량을 감하고 Thomson 효과를 무시한다면, 저온접합부의흡열량
는 식 (2.2.5)와 같으며
(2.2.5)고온부의 발열량
는 식 (2.2.6)과 같다.
(2.2.6)소자에 걸리는 전압
는 Seebeck effect에 의한 전압과 소자의 전기저항으로 인한 전압이 더해지기 때문에 소자에 공급되는 실제전력
는
(2.2.7)로 표현된다.
위 식 (2.2.7)은 열전소자를 작동시키는데 필요한 전력을 나타내는 식으로서 우변 의 첫 항의 제백효과(Seebeck Effect)에 의한 전압 강하량이고 둘째 항은 전기 저항 에 의한 전압 강하량으로 이 두 항의 합이 소비 전력량이다. 식 (2.2.5)와 식 (2.2.6) 으로부터 성적계수를 구해보면 식 (2.2.8)과 같이 표현된다.
(2.2.8)어떤 물체를 냉각하려고 할 때 뺏어야 하는 열량은 다음과 같이 표시할 수 있다.
(2.2.9)
식 (2.2.9)에서 는 Active Heat Load 로서 냉각장치에 의해 발생하는 열을 의미한다. 일반적으로 전력 입력량(IV)과 같다.
(2.2.10)
식 (2.2.10)에서는 는 3가지 발생열로 구성되어 있는데 은 전선이 나 나사 등에 의해 냉각시스템에서 외부로 열이 전달되는 경우를 말하고 식 (2.2.11)과 같이 나타낼 수 있다.
(2.2.11)
은 외부와 냉각되는 장치 사이의 온도차에 의해 발생되는 열량을 말하며
식 (2.2.12)와 같이 표현된다.
(2.2.12)
복사에 의한 은 일반적으로 무시되는 경우가 많은데 가 작거나
Δ
T 가 클 때 혹은 진공 상황에서는 중요하게 간주되면 식 (2.2.13)과 같이 표현된다. (2.2.13)
열전소자의 성능계수 (COP, Coefficient of Performance)는 소요되는 전력에 대한 냉각능력의 비로 다음 식으로 표현된다.
(2.2.14)앞에서 서술한
의 식은 전류
의 2차식 이므로 다른 조건이 주어지면
를 최대로 하는 전류
가 존재한다.열전소자의 냉각용량()을 다음과 같이 간단히 구할 수 있다.
× ×× (2.2.15)
여기서, 와 는 공기의 풍량(체적), 밀도, 비열과 온도차이다.
입력일 는 열전소자에 직접 인가되는 일()과 열전소자 발열부 제어를 위해 사용되는 냉각팬에 인가되는 일의 합으로서 계산된다. 식은 다음과 같다.
(2.2.16)
과 은 각각 열전소자와 냉각팬에 공급되는 입력 일을 나타낸다.
이를 토대로, 열전냉각시스템의 방열면이 방열판에 위치하고 흡열면이 대기 중에 위치하는 것을 고려하였을 때, 이러한 냉각시스템을 사용할 때에는 열전소자를 가 진하여 대기중으로부터 열량
를 흡수하고자 하는 것이 주목적이고, 이 경우 성 능계수는 식 (2.2.17)으로 구할 수 있다[45].
(2.2.17)결국, 온도만의 함수로 성능계수 산출식을 정의하면 식 (2.2.18)과 같이 정리할 수 있다.
(2.2.18)여기서,
은 열전소자를 작동하기 전 냉각영역의 온도,
는 열전소자를 작동한 후 냉각영역의 온도를 나타낸다.또한, , 와 R은 열전소자의 제백(Seebeck) 계수, 열저항 그리고 전기저항을 나 타내는 열전효율계수로서 다음과 같이 표현된다[46-48].
m ax
(2.2.19)
m axm ax
m ax
m ax
(2.2.20)
m ax
m ax
m ax
(2.2.21)
상부 전극을 포함하는 저온접합부가 완전히 단열되고
일 때 소자에서 얻 어지는 최대의 온도차
에 도달하고 식 (2.2.22)과 같이 표현된다[49].
(2.2.22)또한, 전류의 양이 증가함에 따라 Joule 열의 효과가 증가하기 때문에 성적계수가 증가하다가 감소한다. 따라서, 최대의 성능계수가 존재하며 이를 구하면 식 (2.2.23) 과 같다[49].
(2.2.23)
여기서,
, 성능지수 (Figure of Merit)2.3 유한요소법에 의한 온도분포 해석
2.3.1 에너지 보존의 법칙에 의한 열전도 방정식
대류가 없는 일차원 열전도 현상에 대한 기본 미분 방정식을 통한 에너지 보존 의 법칙에 의하여[50],
Ein + Egenerated = △U + Eout
또는
∆
(2.3.1)으로 표현할 수 있다.
여기서, Ein : 검사체적에 유입되는 에너지 [Joule]
: 내부에너지의 변화량 [kW·h]
: x검사체적 표면에 통해 전도되어 들어오는 열유속 [kW/m2]
: x+dx검사체적 표면을 통해 전도되어 나가는 열유속 [kW/m2]
: 시간 [h, sec] : 내부적인 열원 [kW/m3]
이때, 열은 물체 내에 온도차가 있으면 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르고, 이를 식으로 Fourier's의 열전도 법칙에 의하여
를 정리하면,
(2.3.2)
여기서,
: x 방향의 열전도율 [kW/m·℃] : 온도 [℃]
: 온도구배 [℃/m]
위 식 (2.3.2)는
방향의 열유속이
방향의 온도구배에 비례함을 설명하고 있고, 테일러급수를 사용하여 2차 항까지 표현하면,
(2.3.3) 내부에너지의 변화는 다음과 같이 표현된다.∆
(2.3.4)여기서,
: 비열 [kW․h/(kg·℃)]
: 질량밀도 [kg/m3]위의 식 (2.3.2) ~ (2.3.4)를 식 (2.3.1)에 대입하고,
로 나누어서 간단히 정리 하면 다음과 같은 일차원 열전도 방정식이 얻어진다.
(2.3.5)
정상상태에서는 시간에 관한 미분은 0이 되어 다음의 식 (2.3.6)과 나타낼 수 있다.
(2.3.6)이때 3차원 열전도 현상을 고려하면, 1차원의 경우와 유사하게 정상상태에 대해 서 절대 좌표
,
와
방향에 일치하는 물성치를 볼 수 있다.
(2.3.7)여기서 재료를 등방성 재질로 고려하면 열전도율은
(정수)라 할 수 있기에 식 (2.3.7)은 다음과 같이 표현 가능하다.
(2.3.8)
대기와 접하고 있는 전도체에서 열전달이 발생한다면, 그 대기는 내부 온도와 압 력차에 의해 대기 중에서 발생되는 자연대류에 의한 유동이 발생할 것이며, 이때의 대류열손실에 대한 열전도 기본 미분 방정식을 유도하기 위하여 위 식 (2.3.1)의 에 너지 보존 방정식을 이용하여 다음과 같은 식 (2.3.9)를 얻을 수 있다.
(2.3.9)여기서, 는 일정 단면의 면적 를 둘러싸는 주변길이이다.
위 식 (2.3.9)의 모든 항들을 대류 열전달에 의한 열유동을 제외하여 정리하면 다 음의 식 (2.3.10)과 같이 나타낼 수 있다.
∞
(2.3.10)여기서,
: 열전달계수 [kw/(m2·℃)]∞ : 대기온도 (자유 유동 대기온도)
: 고체/기체의 접촉면에서의 고체 표면온도
2.3.2 변분법을 이용한 유한요소 정식화
위의 여러 식으로 결정되어 지는 온도분포는 물체 안으로 혹은 밖으로 이동하는 열의 양과 물체 내부의 응력들에 영향을 미치고, 그 열응력을 측정하기 위하여 물 체 내부의 온도분포를 알아야 한다[51]. 이에 유한요소법은 물체 내부의 온도분포 와 열응력을 예측하는데 아주 유용한 방법이다. 각 경계요소마다 주어질 경계조건 인 위의 수식들을 변분법을 이용하여 3차원 열전달 방정식을 정식화 하여 보면, 위 의 식 (2.3.7)과 식 (2.3.10)을 범함수의 최소화에 의해 다음과 같이 유도하였다.
(2.3.11)여기서,
∞
와 는 각각 열유속
와 대류손실
∞
가 발생하는 면적들이다.
와 h는 같은 표면 위에서 동시에 발생하는 것이 아니므로 같은 표면위에 명시할 수 없다.Fig. 2는 평판 해석을 위해서 평판을 삼각형 요소로 분할하여 해석을 실시하는데 그 삼각형 요소의 한 부분을 표현한 것이다. 삼각형 요소는 i, j, m과 같은 절점을 가지는데, 그 형상이 불규칙적이기 때문에 물체의 경계에 가장 가깝게 표현될 수 있다. 각 절점은 2개의 자유도, 즉 x와 y방향 변위를 가진다. 여기서 ui와 vi를 각각 절점 i에서의 x와 y방향 변위 성분으로 한다.
Fig. 2 3-Node two-dimension triangle element
이를 바탕으로 하여 온도함수는 다음과 같이 주어진다.
(2.3.12)
여기서, ti, tj, tm은 절점온도이고, 형상함수들은 다음과 같다.
(2.3.13)
여기서,
는
온도의 변화에 의한 온도기울기 행렬
는
(2.3.14)여기서, 행렬
이다.이에 열유속－온도기울기 관계는
(2.3.15)여기서, 물성행렬
이다.열전달 현상을 위한 요소 전도행렬을 바탕으로 요소강성행렬을 표현하면 다음과 같이 표현된다.
(2.3.16)요소 안에서 두께가 일정하다면 식 (2.3.16)의 모든 적분항이 상수가 되어 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
(2.3.17)
(2.3.18)식 (2.3.17)은 전체좌표계에 대한 강성행렬 식 (2.3.16)에서 순수하게 전도에 의한 부분이고, 식 (2.3.18)은 대류에 의한 부분으로 대류가 있는 삼각 요소의 절점 와
사이의 면을 고려하여 요소의 세 부분에서 물체에 의해 발생되는 열이 절점에서 생성된 것으로 나타내며 다음과 같이 식 (2.3.19)로 정리할 수 있다.
(2.3.19)위 식을 세분화 하면,
on side i-j
on side j-m
on side m-i
처럼 나타낼 수 있다. 여기서, , , 는 요소의 측면의 길이이고,
는 각각의 면에서 일정하다고 가정하고
∞로 대치하면 식 (2.3.19)와 유사하게 계산 이 가능하다.Fig. 3 Loss on convection in surface of i-j
전체좌표계에 대한 방정식을 얻기 위한 요소 방정식들의 조합과 경계조건을 위 하여 두 요소사이의 공통 절점의 온도가 같다는 필요조건을 기초로 두고 있다. 절 점온도 경계조건을 만족시키는 전체좌표계에 대한 절점온도를 계산하고, 식 (2.3.14)로부터 요소내의 온도기울기, 식 (2.3.2)로부터 열유속을 계산한다.
