A Numerical Study of the Effects of Heat Transfer and Fluid Flow on Tube Insertion Length in Computer-Cooling Radiators

기호설명

- -

cp : 정압 비열 [J/kg K]․

D : 지름 [mm]

h : 튜브 삽입 길이 [mm]

L : 길이 [mm]

N : 개수

P : 압력 [Pa]

T : 온도 [℃]

Corresponding Author, kwonok@kitech.re.kr

2011 The Korean Society of Mechanical Engineers

Ⓒ

W : 너비 [mm]

하첨자 학술논문

< > DOI:10.3795/KSME-B.2011.35.2.145 ISSN 1226-4881

컴퓨터 CPU 냉각용 방열기 튜브 삽입길이에 따른 열유동 해석

최진태 권오경 윤재호 김용찬

한국생산기술연구원 에너지설비센터 고려대학교 기계공학과

* , **

A Numerical Study of the Effects of Heat Transfer and Fluid Flow on Tube Insertion Length in Computer-Cooling Radiators

Jin Tae Choi^**, Oh Kyung Kwon^* , Jae Ho Yun^*, Yong Chan Kim^**

* Energy System Technology Center, Korea Institute of Industrial Technology

** Dept. of Mechanical Engineering, Korea Univ.

(Received June 16, 2010 ; Revised November 16, 2010 ; Accepted November 22, 2010)

Key Words: CPU Cooling(CPU 냉각), Electronic Devices(전자기기), Flat-Tube(평판형관), Liquid-Cooling(수 냉식 냉각), Louver-Fin(루버 핀), Radiator(방열기)

초록: 컴퓨터용 방열기의 헤더부 튜브 삽입길이에 따른 열전달 및 유동특성을 파악하기 위하여 수치해 석을 수행하였다 튜브삽입길이. 0, 5, 10mm의 3가지 해석모델을 선정하였으며 해석결과의 타당성 검증 을 위해 삽입길이가 5mm 일 때 샘플을 실험결과와 비교하였다 유량분배의 균일성을 판단하기 위해 각. 튜브에서 유량비를 분석하였고 유량분배 특성을 정량적으로 비교하기 위하여 유량균일도를 정의하였, 다 해석결과를 통하여 모든 샘플에서 열전달량과 압력강하는 질량유량이 증가함에 따라 점차 증가하였. 으며 튜브삽입길이가, 10mm(h/D=0.5)인 샘플 3의 열전달량과 압력강하는 가장 크게 나타났다 유량균일.

도(Stotal)를 조사하였을 때 튜브삽입길이가 0mm(h/D=0)인 샘플 1이 0.0052로 가장 균일한 유량분포를 보

였다.

Abstract: The performance of flat-tube radiators with louvered fins was numerically investigated for different tube insertion lengths. The results of numerical analysis using CFX-11 were compared with experimental results. In this study, three types of flat-tube radiators with louvered fins were considered. An experiment was conducted to validate the numerical results.

Flow rate ratio (FR) and Stotal were introduced to understand the uniformity of flow distribution easily. The results of numerical analysis revealed that the heat transfer rate and pressure drop increased as the mass flow rate increased. Further, the results showed that the heat transfer rate of sample 3 with h/D = 0.5 was higher than that of the other samples. The pressure drop increased as the insertion length toward the header part increased, and the pressure drop in the case of sample 3 appeared to be the highest. The factor Stotal showed that the uniformity of the flow distribution in the case of sample 1 with h/D = 0 was higher than that in the case of the other samples.

1. 서 론

산업의 발전과 더불어 고성능 소형화된 컴퓨, 터의 요구는 꾸준히 증가해 오고 있다 하지만. , 소형화와 고집적화로 인한 단위 체적당 발열량의 증가는 전자기기 성장의 장애 요인이 되었다 칩. 으로부터 발생되는 열을 효율적으로 제거시키지 못할 경우 부품 과열로 인한 오작동 및 신뢰성, 이 저하될 우려가 있다. Pecht는 CPU의 온도가

낮아질 경우 성능은 상승하며 고장

10℃ 1∼3%

률은 2배로 감소한다고 발표하였다.⁽¹⁾ 따라서 전 자기기 냉각에 관련된 연구가 다양한 형태로 진 행되어 왔다.

가장 보편적인 CPU 냉각방식은 Fan을 이용한 공냉식(Air cooling) 냉각이다. Fan 소음과 실내온 도가 높을 경우 효율적인 냉각이 어렵다는 단점 을 가지고 있어 발열량이 높은 고성능, CPU의 발열을 제거하는데 신뢰성을 잃고 있다 따라서. 최근에는 전열면적이 큰 마이크로 채널을 이용하 여 공기보다 열전달계수가 100 배 이상 높은 물 을 통해 발열을 제거하는 수냉식 냉각에 대한 연 구가 활발히 진행되고 있다.^(2,3)

수냉식(Liquid cooling) 냉각시스템은 워터블럭

방열기 팬 펌프

(Water block), (Radiator), (Fan),

저장조 등으로 구성된다 소형

(Pump), (Reservoir) . 펌프를 이용하여 냉각수를 순환시키고, 발열부

에 부착된 마이크로 채널 워터블럭을 통과 (CPU)

시킨다 워터블럭을 통해 발열부의 열이 제거되. 고 이 때 제거된 열은 방열기를 통하여 상대적, 으로 온도가 낮은 본체외부의 공기와 열교환으로 냉각수의 온도를 낮게 만들어 다시 시스템을 순 환시킨다 냉각수 온도를 낮추어 효율적인 냉각. 작용을 할 수 있도록 하는 방열기는 워터블럭과 더불어 수냉식 냉각 시스템에서 중요한 역할을 하는 요소이다.

평판관형 루버핀(Louver fin)과 핀튜브(Fin-tube) 형 공기조화용 방열기에 관한 연구는 활발히 진 행되어져 왔지만 전자기기 냉각용으로 적용 가, 능한 소형 방열기에 대한 연구는 대단히 부족한 상황이다. 특히, 작업자가 라디에이터 헤더부에 튜브를 삽입하여 브레이징(Brazing)할 때 작업자 마다 튜브 삽입길이가 달라지게 되면서 그에 따 라 열유동 특성이 달라질 것으로 판단된다.

따라서 본 연구에서는 컴퓨터용 수냉식 냉각시 스템에 사용할 수 있도록 축소 제작된 방열기의 헤더부 튜브삽입 길이 변화에 따른 열전달 및 유 동특성을 평가하기 위해 3가지 샘플을 선정하였 다 선정된 샘플들의 해석적 연구를 위해. CFD 상용코드인 CFX-11⁽⁴⁾을 사용하였다 해석결과의 타. 당성은 실험결과와의 비교를 통하여 확인하였다.

전산유체해석 2.

2.1 해석영역

컴퓨터용 방열기의 헤더부 튜브 삽입길이에 따 른 열전달 및 유동특성을 파악하기 위하여 3가지 샘플을 선정하였다 해석에 사용된 방열기는 두. 개의 유로를 갖는 2 pass이며 튜브 내부에는, 9 개의 홀(hole) 이 있다 유체는 입구포트와 헤더부. 를 통해 유입되며 튜브 내부의 홀을 따라서 하, 부 방향으로 흐른 뒤 하부 헤더부에서 선회하여 배플(baffle)을 사이에 두고 상부방향으로 흘러 출 구 포트로 나가는 구조로 되어있다. 120 × 120 사이즈의 이 부착될 수 있도록 설계되었

mm Fan

으며, Fin pitch 는 1.5 mm 이다. 또한 Louver

및 각도 는 이다

pitch (angle) 1.5 mm, 20° . Fig. 1 은 해석에 사용된 방열기의 내부형상을 해석하기 위하여 모델링한 것이다 세부치수는. Table 1에 나타내었으며 각 샘플의 헤더부와 튜브삽입 형, 상을 Table 2에 나타내었다 튜브삽입길이. h는 각 각 0, 5, 10 mm 이다.

Parameters Size

Dinlet(mm) 6

Dheader(mm) 20

Lbody(mm) 165 Wbody(mm) 102

Wheader(mm) 50

Wtube(mm) 19

Nholes 9

Ntubes 10

Npasses 2

TUn n = 1 to 10 Table 1 Specifications of the modelling

Sample no.

(Insertion)

헤더부 형상

No. 1 (h/Dheader=0)

No. 2 (h/Dheader=0.25)

No. 3 (h/Dheader=0.5)

Table 2 Header parts of computational models

Fig. 1 Computational modelling of the radiator

2.2 해석방법

해석모델의 열유동특성을 조사하기 위하여

상용코드인 을 사용하였으며 다음과

CFD CFX-11 ,

같은 가정을 두었다.

방열기 내 유체의 유동은 정상상태이다

a. .

방열기 내부유동은 난류유동이다

b. .

복사열전달은 무시한다

c. .

작동유체는 비압축성이다

d. .

Domain Boundaries Settings

Working Fluid (Water)

Inlet Temp.

(℃) 35

Outlet

Static pressure

(Pa)

0 Other walls Adiabatic

Ambient

Temp.(℃) 20 Flow rate

(kg/min)

Heat transfer coefficient(W/m²℃)

0.7 230

1.2 327

1.7 335

2.0 337

Table 3 Numerical conditions

격자를 생성하기 위해 CFX-Mesh를 사용하였 다 비정렬 격자를 기본으로 경계층의 열전달과. 유동특성 해석의 정확도를 높이기 위하여 채널 내의 9개 홀(hole) 경계면 부근에 조밀한 격자와 인플레이션 효과를 주었다.

본 해석모델은 최소길이와 최대길이의 차이가 커 격자점이 많아지게 된다 과도하게 많은 격자. 점은 높은 사양의 CPU를 요구할 뿐만 아니라 해 석시간이 길어지는 단점을 갖고 있다 본 해석모. 델은 효과적인 격자를 형성하기 위하여 헤더부와 튜브를 나누어 격자를 생성하였다.

실제 형상에서 루버핀과 접합되어 있는 튜브의 양쪽면에 공기측 열전달계수를 경계조건으로 하 였다 이 때 열전달계수는 샘플. 2의 실험을 통하 여 얻어진 값을 사용하였다.^(5~7) 외기온도는 20℃

이며, 그 외 벽면들(Walls)의 경계조건으로 을 주었다 정상상태에서의 연속방정식

Adiabatic . ,

운동량 방정식, 에너지 방정식의 이산화는 에서 제공하는 차항 이상의 정확도를 가

CFX-11 2

지는 High resolution scheme을 사용하였으며 난,

류모델로 열유동해석에 가장 널리 쓰이는

난류모델을 사용하였다 에

standard k-ε . Table 3 해석조건을 나타내었으며 실험결과와 비교하기 위해 동일한 조건하에서 샘플 2의 실험을 실시하 였다. 작동유체는 물이며 입구온도는 30℃이고, 유량은 각각 0.7, 1.2, 1.7, 2.0 kg/min 이다.

실험장치 및 방법 3.

3.1 실험장치

해석결과 검증을 위한 실험을 실시하기 위해 풍동 실험장치를 제작하였다. Fig. 2는 실험장치 의 개략도를 나타낸다 항온조로 물의 온도를 일. 정하게 유지한 후 펌프를 가동시켜 유량을 조절 하였다 그리고 풍동을 가동시켜 시험부에서 풍. 속을 측정하여 일정한 풍속으로 유지하도록 한 후 항온항습기를 가동시켜 Tunnel 입구공기의 온 도를 20℃로 일정하게 조절하였다 유입되는 공. 기와 물의 온도가 일정해지면 열전대를 이용하여 입구와 출구의 온도를 측정하였다 해석데이터와. 비교를 하기 위해 샘플 2의 헤더형상을 가진 방 열기를 실험하였다 시험부의 온도변화가. ±0.5℃

이내 압력은, ±0.1kPa이내의 범위에 있을 때 정상 상태에 도달하였다고 판단하고 이때부터 데이터 를 측정하여 기록장치(DA100)와 RS-232C 케이블 을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.

3.2 결과처리

해석 데이터 검증을 위한 실험에서 물측과 공 기측 평균 열교환량이 ±15%내의 오차범위 안에 포함되는 데이터를 유효값으로 하였다 물측 열. 전달량 측정을 위하여 식 (1)을 사용하였으며 이, 때 _와, _{ }는 각각 물의 질량유량과 정압비열 이다. _, _는 물의 입 출구 온도이다.․

_ __{ } _{ } (1)

유량분배의 균일성을 판단하기 위해 각 튜브에 서의 유량을 분석 하였는데 각 패스의 유량은, 다음과 같은 유량비(flow rate ratio, FR)로 나타내 었다.⁽⁸⁾

   

  



_

_

×  (2)

유량분배 특성을 정량적으로 비교하기 위하여 식 (3)과 같이 유량균일도를 정의하였다.

_{}



^

^







_ (3)

위의 유량균일도는 표준편차의 개념으로 사용 하였으므로 유량균일도가 0에 가까울수록 유량분 배가 균일하고 그 값이 커질수록 유량분배가 불, 균일함을 의미한다 하첨자. i, j는 각각 패스번호 와 채널번호를 나타내며 Np는 패스의 개수, Nc

는 채널개수이다. _{ } 는 실제 각 튜브로 들어 가는 유량이며, _{} 은 각 패스에서 유량이 이 상적으로 분배될 때의 유량을 나타낸다.

Fig. 2 Schematic diagram of the experimental apparatus

Mass Flow Rate (kg/s)

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

Temperature difference ()℃

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

h/D_header= 0.25 (exp.) h/Dheader= 0.25 (num.)

Inlet Temp. = 35℃

Ambient Temp. = 20℃

Fig. 3 Validation of numerical results

Tube number

0 1 2 3 4 5 6

Flow rate ratio (%)

19.0 19.5 20.0 20.5 21.0

h/D_header= 0 h/D_header= 0.25 h/Dheader= 0.5

Ideal flow rate ratio

Mass flow rate = 0.7 kg/min

Fig. 4 Flow rate ratio for the downstream for tubes

Tube number

5 6 7 8 9 10 11

Flow rate ratio (%)

19.0 19.5 20.0 20.5 21.0

h/D_header= 0 h/D_header= 0.25 h/D_header= 0.5

Mass flow rate = 0.7 kg/min Ideal flow rate ratio

Fig. 5 Flow rate ratio for the upstream for tubes

Hole Number

0 2 4 6 8 10

Velocity (m/s)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

h/Dheader = 0 h/Dheader = 0.25 h/Dheader = 0.5

Fig. 6 Velocity comparison at each hole

Direction Sample Tube 1 Tube 2 Tube 3 Tube 4 Tube 5

Down stream

1

2

3

Table 4 Downstream velocity vector with the variation of tube insertion

결과 및 고찰 4.

해석결과의 검증 4.1

은 해석결과의 타당성을 검증하기 위해 Fig. 3

샘플 의 입 출구 온도 변화 값을 비교한 것이다2 ․ . 실험결과와 비교하였을 때 유량변화에 의한 입 출․ 구 온도변화는 질량유량이 증가하면서 입 출구 온․ 도차가 감소하는 동일한 경향을 나타내었으며,

Sample

no. Stotal

Mean velocity Downstream

(m/s)

Upstream (m/s) No. 1 0.0052 0.2530 0.2937 No. 2 0.0131 0.2528 0.2936 No. 3 0.0151 0.2525 0.2932 Table 7 Characteristics of flow rate ratio and

mean velocity

약 6~15%의 차이를 보여 해석결과의 타당성을 확인하였다.

또한 격자계의 타당성을 검증하기 위해 유량이 일 때 샘플 의 격자수를 달리하여 해 0.7 kg/min , 1

석을 수행하였으며 그 결과는 Table 8과 같다. 격 자수 1,456,702개의 해설결과와 770,378 , 2,133,432개 개 각각의 결과차이는 약 1%였으며 정확성과 해, 석시간을 고려해 본 논문에서는 1,456,702개로 해 석을 수행하였다.

Direction Sample Tube 6 Tube 7 Tube 8 Tube 9 Tube 10

Up stream

1

2

3

Table 5 Upstream velocity vector with the variation of tube insertion

Sample

no. Velocity vector

No. 1

No. 2

No. 3

Table 6 Velocity vector distribution

Number of

nodes 770,378 1,456,702 2,133,432 Temp.

difference ( )

3.010 2.964 2.961

Pressure drop

(kPa) 1291.8 1289.8 1289.2 Table 8 Results of numerical analysis for different

mesh

Mass flow rate (kg/min)

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Pressure drop (kPa)

1 2 3 4 5 6

h/D_header= 0 h/Dheader= 0.25 h/Dheader= 0.5

Fig. 7 Variation of pressure drop with the mass flow rate

유동 및 열전달특성 4.2

4.2.1 유동특성

방열기에서 튜브 삽입길이에 따른 유량균일도 를 파악하기 위해 각 튜브에서의 유량을 분석, 하였다. Fig. 4는 유량이 0.7 kg/min이며 Downstream 으로 흐를 때 각 튜브로 들어가는 유량비율을, 나타낸 것이다 이 때 튜브의 개수가. 5개 이므로 이상적인 유량비는 20% 이다 샘플. 1의 경우 입 구 포트와 가까운 1번 튜브의 유량이 가장 크며, 샘플 2와 샘플 3은 입구 포트와 가장 먼 5번 튜 브에서 가장 큰 유량이 흘렀다 이상적 유량비를. 고려하였을 때 Downstream 방향 유량분포의 경우 샘플 이 가장 균일함을 확인할 수 있다1 .

는 방향으로 유량이 흐를 때의

Fig. 5 Upstream

유량분포를 나타낸 것이다 샘플. 1의 경우 튜브 에서 가장 큰 유량이 흘렀으며 이상적인 유량

7 ,

비가 20%임을 고려하였을 때 비교적 유량분포가 균일함을 확인할 수 있다 샘플. 2와 샘플 3은 각 각 9번 튜브와 10번 튜브에서 가능 큰 유량흐름 을 보였으며 샘플 1에 비해 상대적으로 유량분포 가 균일하지 않음을 확인할 수 있다.

와 는 튜브 삽입 길이에 따른 유체유동 Table 4 5

을 확인하기 위하여 유체가 헤더부에서 각 튜브로, 들어갈 때 속도 벡터장을 하류와 상류로 나누어 나 타낸 것이다 하류유동시 최외각 두 홀의 유체속도. 가 상대적으로 작고 상류유동 시 그 반대경향이, 나타났다 이것은 각 튜브로 흡입되는 초기유체의. 운동방향이 다르기 때문으로 판단된다.

Mass flow rate(kg/min)

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Averaged heat transfer rate (W)

140 150 160 170 180 190 200 210

h/D_header= 0 h/Dheader= 0.25 h/Dheader= 0.5

Inlet temp.=35℃

Ambient air temp.=20℃

Fig. 8 Variation of heat transfer rate with the mass flow rate

은 각 홀 로 유입되는 작동유체의 Fig. 6 (Hole)

속도를 나타낸 것이다 샘플. 3의 속도가 비교적 낮게 유지되며 각 홀의 속도차이가 작은 것을, 확인할 수 있다 이것은 튜브삽입길이에 따른 헤. 더부 유체의 유동변화에 의한 것으로 판단된다.

유량분배특성 및 속도의 변화를 확인하기 위해 에 속도벡터장을 나타내었다 샘플 와 샘플

Table 6 . 2

의 경우 길어진 튜브관의 영향으로 헤더부 벽면에 3

서 유체속도가 빨라지게 되고 튜브사이에 정체점이, 생기게 되어 유체의 분포가 고르지 못한 것을 확인 할 수 있다 유량분배특성을 정량적으로 비교하기. 위하여 Table 7과 같이 유량균일도를 나타내었다. 유량균일도가 에 가까울수록 유량분포가 균일하고0 그 값이 클수록 유량분배가 불균일함을 나타낸다.

유량균일도의 특성을 고려하여 비교하면 샘플 1의

Stotal이 0.0052로 에 근접하고 가장 균일한 유량분0 ,

포를 갖는다는 것을 확인할 수 있다 샘플 의 경우. 3

Stotal 이 0.0151로 가장 큰 값을 갖고 샘플들 중 가,

장 불균일한 유량분포를 갖는다.

4.2.2 압력강하

은 질량유량 변화에 따른 압력강하를 나 Fig. 7

타낸 그래프이다 질량유량이 증가함에 따라 압. 력강하는 증가하는 경향을 나타내었으며 유체의 정체현상과 더불어 긴 튜브와의 마찰로 인하여 샘플 의 압력강하가 가장 크게 나타났다3 .

열전달특성 4.2.3

은 질량유량 변화에 따른 열전달량의 변화를 Fig. 8

나타낸 그래프이다 작동유체의 입구온도와 주변온도. 를 각각35 , 20℃ ℃로 하였을 때 모든 샘플에서 질량, 유량이 증가하면서 열전달량이 증가하는 경향을 보였 다 또한 샘플 이 해석 유량 범위에서 가장 큰 열전. 3 달량을 보였다 이것은 튜브측면에서 상대적으로 불. 균일한 유량분배를 보이지만 Table 7과 Fig. 6에서 확 인할 수 있듯이 각 홀간 유체속도의 차이가 상대적으 로 작고 튜브내 유체의 평균속도 또한 작게 형성되, 어 타 모델에 비해 열전달량이 큰 것으로 판단된다.

4. 결 론

컴퓨터용 수냉식 시스템에 사용할 수 있도록 축소 제작된 방열기의 헤더부 튜브 삽입길이 변 화에 따른 열전달 및 유동특성을 해석한 결과 다 음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

해석결과의 타당성 검증을 위해 실험결과와 (1)

비교한 결과 입 출구 온도차는 약․ 6~15％의 차이 를 보여 해석결과의 타당성을 확인하였다.

유량균일도

(2) (Stotal)를 조사하였을 때 샘플 1이

로 가장 균일한 유량분포를 보이는 것으로 0.0052

확인되었다.

모든 샘플에서 질량유량이 증가함에 따라 (3)

열전달량이 증가하는 경향을 보였으며 샘플, 3이 가장 큰 열전달량을 보였다 샘플. 3의 경우 샘플 에 비해 상대적으로 불균일한 유량균일도를 1, 2

보이지만 튜브내 유체의 평균속도가 가장 작아 열전달량이 큰 것으로 판단된다.

모든 샘플에서 압력강하는 질량유량이 증가 (4)

함에 따라 점차 증가하였으며 유체의 정체 현상, 및 튜브내 마찰의 영향으로 샘플 3의 압력강하가 가장 크게 나타났다.

후 기

본 연구는 산업기술연구회의 협동연구사업 과( 제번호 : B551179-05-02-08)의 일환으로 수행되었

으며 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.

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