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소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅳ
액체 및 액침 냉각
액체는 가스보다 높은 열전도율을 가진다. 그리고 액체 냉각(liquid cooling)은 가스 냉각보다 아주 효과적이다. 그러나 액체 냉각은 그 자신의 위험성과 누설, 부식 여분의 질량 그리고 응축 등과 같은 잠재적 문제점을 가지고 있다. 액체 냉각시스템은 직접냉각 그리고 간접냉각 시스템으로 분류한다. 직접냉각 시스템에서 전자부품들은 액체와 직접적으로 접촉한다. 그리고 부품에서 생성된 열은 직접 액체에 전달된다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
기본 열설계
열설계
하나의 15cm×20cm PCB가 한 측면에 전자 부품들을 가지고 있고 7W의 총 전력을 소산한다. 그 PCB는 다른 PCB들과 함께 하나의 선반에 수직으로 올려져 있다. 만약 부품의 표면온도가 100℃를 초과하지 않는다면 해수면에서 이 PCB가 작동할 수 있는 환경의 최고 온도를 결정하여라. 만약 이 선반이 4000m 고도에 놓이고 그리고 대기압이 61.66kPa인 경우 온도를 계산하여라.
(해) PCB의 표면온도는 100℃를 초과하지 않는다.
가정 1. 정상상태 운전이 존재한다. 2. PCB는 동일한 온도에서 다른 PCB에 의해서 둘러싸이므로 복사 열전달은 무시한다. 3. PCB의 뒷면으로부터 열전달은 아주 작고 무시할 수 있다.
(해석) 전체 PCB의 열 부하는 앞면으로부터 자연대류에 의해서 대기로 소산된다. 그것은 하나의 수직 평판으로 취급할 수 있다. 하나의 수직면에 대한 간략화된 상관 식을 사용하여 이 PCB에 대한 자연대류 열전달계수는 다음과 같이 결정된다.
이 경우 특성 길이는 PCB의 높이(L=0.15m)이다. 그것은 열 흐름의 통로 길이다. 이 관계를 열전달 상관 식에 대입하면
PCB의 전열면적은 A s=(폭)(높이)=0.2m×0.15m=0.03m2, 이것과 그리고 다른 알려진 양을 대입하면
로부터 T fluid = 59.5℃이다.
PCB는 자연대류에서 온도가 59.5℃까지 안전하게 운전된다. 고도 4000m에서 대기압은 61.66kPa, 즉 0.609atm이다. 이 경우 열전달계수는 해수면에서 P 를 곱하여 얻고 여기서 P는 대기 압력이다.
로부터 T fluid=50.6℃이다. 이 값은 1atm에서 얻은 값보다 10℃ 낮다. 대류에 대한 고도의 영향은 높은 고도에서는 고려되어야 한다.
열 설계
전자장치의 몇 가지 엄격한 명세사항은 냉각공기가 전자부품과 직접적으로 접촉하기 위하여 들어가지 않도록 요구한다. PCB 위의 부품에서 발생된 열은 금속코어 스트립 혹은 PCB에 부착된 히트 프레임을 통하여 엔크로즈의 벽에 멀리 떨어져서 전도되어야 한다. 대체적인 해는 공동 코어(hollow core) PCB이고 그것은 기본적으로 글래스-에폭시로 만들어진 좁은 직사각형 단면의 도관이다. 그것은 양측면 위에 전자 부품이 올려져 있다. 부품들에서 발생된 열은 에폭시 보드의 얇은 층을 통하여 냉각공기의 흐름으로 제거된다. 하나의 공동 코어 PCB의 높이가 12cm, 길이가 18cm 일 때 총 40W를 소실한다. PCB의 양측 사이의 공기 구멍의 폭은 0.8cm이다. 냉각공기는 코어로 20℃ 그리고 유동률 0.72L/s로 들어간다. PCB의 양측 표면에 걸쳐 균일한 열이 생성될 경우 (a) 그 공동코어를 떠나는 공기의 온도를 결정하여라. (b) 가장 높은 온도 혹은 코어의 표면 내부온도를 결정하여라.
(해) 하나의 공동코어 PCB는 강제공기에 의해서 냉각된다. 공기의 출구온도와 최고 표면온도를 결정한다.
(가정) 1. 정상상태 운전이다. 2. 도관의 내부 표면은 매끈하다. 3. 공기는 이상기체이다. 4. 운전은 해수면에서 가동되고 대기 압력은 1atm이다. 5. 전자 부품에서 전체 생성된 열은 공동코어를 통하여 공기의 흐름으로 제거된다.
공기의 상태량은 ρ = 1.184kg/m3, k = 0.02551W/m3℃, Cp = 1007J/kg/℃ ν = 1.562×10-5m2/s Pr = 0.7296
도관의 횡단면적 Ac = (0.12m)(0.003m) = 3.6×10-4m2
공기의 평균속도와 질량 유도율은
(a) 출구에서 공기의 온도
(b) 체널의 표면온도
층류 흐름이므로,
출구 근처의 공동 코어의 표면온도는
표면과 출구공기의 온도 차이는 25.8℃이다. 따라서 코어의 입구에서 표면온도는 45.8℃(20℃+25.8℃)이다.
열 설계
하나의 전자 패키지가 몇 개의 평행판 핀을 포함한다. 폭 W = 2.2cm, 공기의 속도 U = 1.75m/s, 온도 Tair = 20℃이다. 핀 재료는 알루미늄이고 총 패키지의 질량제한은 각 핀에 대해서 알루미늄 1g이 허용된다. 열전달률 에 상응하는 표현과 각 핀으로부터 추출된 열 전달률을 최대화하는 평핀 두께(t)와 길이(L)를 결정하여라.
(해) 1. 핀을 통한 열전달은 주로 L방향에서 발생한다. 2. 핀 길이 L에서 열전달계수는 일정하다. 3. 핀의 기초에서 온도는 균일하다.
(해석)
공기가 퍼져나간 길이 W는 명기되었고
로서
층류유동이므로,
Biot 수는 1보다 매우 적다.
액체 및 액침 냉각
기술의 개요
가. 액체 냉각
액체는 가스보다 높은 열전도율을 가진다. 그리고 액체 냉각(liquid cooling)은 가스 냉각보다 아주 효과적이다. 그러나 액체 냉각은 그 자신의 위험성과 누설, 부식 여분의 질량 그리고 응축 등과 같은 잠재적 문제점을 가지고 있다. 액체 냉각시스템은 직접냉각 그리고 간접냉각 시스템으로 분류한다. 직접냉각 시스템에서 전자부품들은 액체와 직접적으로 접촉한다. 그리고 부품에서 생성된 열은 직접 액체에 전달된다. 간접냉각 시스템에서는 부품과 직접 접촉하지 않는다. 이 경우 발생된 열은 액체에 운반하기 전에 첫째 냉판과 같은 매체에 전달된다.
액체냉각 시스템은 밀폐루프와 개방루프 시스템으로 분류되어 사용된 뒤에 액체는 버릴지 재순환될지가 결정된다. 개방루프 시스템에서 수돗물은 냉각시스템을 통해 흐르고 그것을 가열한 뒤에 배수구에 버린다.
밀폐루프 시스템에서 가열된 물은 열교환기에서 냉각되고 시스템을 통하여 순환된다. 밀폐루프 시스템은 보다 좋은 온도제어를 할 수 있다. 직접냉각 시스템에서 전자부품은 보통 액체 속에 완전히 잠긴다. 부품으로부터 액체로의 열전달은 자연대류 혹은 강제대류 그리고 비등에 의해서 행해지고 포함된 온도의 정도 그리고 유체의 상태량에 의존된다. 전자장치의 액침냉각(immersion cooling)은 보통 비등을 포함하고 아주 높은 열전달 계수를 가진다.
절연 액이 액침 혹은 직접냉각 시스템에 사용된다. 이 제한은 액침 냉각에서 유망한 액체와 같이 직접적으로 물을 허용하지 않는다. FC75와 같은 플루로카본(fluorocarbon) 유체는 직접 냉각에 적합하여 일반적으로 사용되고 있다. 전자장치의 간접 액체 냉각 시스템은 자동차엔진의 냉각시스템과 같이 운전된다. 물은 실제로 물과 에틸렌글리콜의 혼합물이고 엔진 블록의 실린더 주위 통로를 순환한다. 하나의 전자시스템에서 열은 전자부품에서 발생한다. 이 경우 그 부품들은 고전도성 재료로 만들어진 금속판 위에 설치된다. 그 금속판은 그것에 부착된 튜브들을 통하여 냉각수를 순환함으로써 냉각된다.
가열된 액은 열교환기에서 냉각되고 튜브들을 통해서 펌프에 의해서 순환된다. 그 팽창과 저장 탱크는 액 저장고로서 역할을 할 동안 튜브를 통하여 온도차에 기인한 냉각액의 어떤 팽창과 농축량을 축적한다. 전자장치의 냉각에 시용된 액체는 특별한 응용에 대하여 몇 가지 요건이 있다. 냉각액체의 바람직한 특성은 높은 열전도율, 높은 비열, 그리고 낮은 비체적, 높은 표면장력, 높은 절연강도, 화학적 안전성, 무독성, 낮은 빙점과 높은 비등점 그리고 저렴한 가격 등이다.
하나의 전자 엔크로즈의 히트 싱크 혹은 냉각 판은 보통 이 목적으로 만들어진 채널 혹은 냉각 판에 부착된 튜브들을 통하여 그것을 통과하고 있는 물로 냉각된다. 고성능 시스템에서 냉매는 히트 싱크의 온도를 영도 이하에서 유지하고자 하는 물 대신으로 사용된다. 그리고 전자부품의 접합의 온도를 균형 있게 줄인다.
나. 액침 냉각
고용량 전자부품은 그들을 절연액 속에 담그거나 높은 비등열 전달 계수를 이용하여 효과적으로 냉각할 수 있다. 액침 냉각은 1940년 이후 전자 장치의 냉각에 사용되어 왔다. 그러나 여러 해 동안 그것의 사용은 고출력 레이드 시스템의 전자장비로 제한되어 왔다. 전자장비의 소형화와 높은 열 플럭스 결과는 액침냉각에 관심을 다시 두게 되었다. 명기된 압력에서 유체비등은 상응하는 포화온도와 등온이므로 본질적으로 등온의 방법에서 큰 열량이 비등 과정 중에 흡수되었다. 그래서 액침 냉각은 전자부품에 대하여 하나의 등온조를 제공하고 과열 점을 효과적으로 제거한다. 액침 시스템의 가장 간단한 형태는 하나의 외부 저장 용기를 포함한다. 그것은 연속적으로 전자 엔크로즈에 대하여 액체를 공급한다. 내부에 발생된 증기는 외기로 쉽게 배출하도록 허용되었다.
그림 2에서 증기 통풍 라인 위에서 압력 안전밸브(pressure relief valve)는 압력을 유지하고 미리 조절된 밸브에서 내부온도를 유지한다. 전자 엔클로즈의 내부압력은 대기 압력이고 온도는 액체의 비등 온도이다.
개방루프 형 액침 냉각 시스템은 간단하다. 그러나 몇 가지 비현실적인 것이 있다. 외부 액 저장용기가 있으므로 첫째 그것은 무겁고 부피가 크다. 그리고 증발을 통하여 유체손실이 있기 때문에 계속해서 액체를 공급해야 하고 원가에 부가된다. 앞으로 대기로의 증기 방출은 크게 제한된다. 그래서 개방 루프 형 액침 시스템은 예비적인 사용과 가벼운 임무 사이클에 제한적으로 사용된다. 더욱 복잡한 액침 냉각 시스템은 증기가 응축되고 대기로 방출되는 대신에 전자 엔클로즈에 돌아오는 밀폐 루프로 운전된다. 그러한 시스템의 두 개의 도식적 그림이 그림 3에 주어졌다.
그 첫 시스템은 전자 엔클로즈에 대하여 하나의 외부응축기를 포함한다. 엔클로즈를 떠나는 증기는 엔클로즈 외부의 공기와 물과 같은 유체에 의해서 냉각된다. 두 번째 시스템에서 그 응축액은 재사용을 위하여 돌아간다. 두 번째 시스템에서 응축기는 실제로 전자 엔크로즈에 잠겨있다. 그리고 전자시스템의 한 부분이다. 이 경우에 냉각 유체는 응축기 튜브를 통하여 순환하고 열을 증기로부터 제거한다.
응축된 증기는 엔크로즈에 있는 액체의 상부에서 방울이 되고 계속해서 순환된다. 밀폐 루프 액침 냉각시스템의 성능은 증기 중의 공기와 같은 비응축 가스의 출현에 대하여 가장 가능한 시스템이다. 증기 중의 질량에 의해서 공기의 0.5% 증가는 응축열전달 계수를 하나의 인자에 의해서 5까지 떨어지게 한다.
액침 냉각 시스템에 사용된 유체는 실제만큼 가스를 제거해야 하고 충전과정 동안 시스템 내로 어떤 공기가 유입되는 것을 피하기 위하여 주의가 필요하다. 응축과정과 연관된 문제들과 비 응축가스들은 전자 엔크로즈에서 증기 대신에 응축기를 액중에 잠기게 함으로써 피할 수 있다.
그림 4에서 튜브를 통하여 순환되는 물과 같은 냉각 유체는 엔크로즈의 상부에서 절연액체로부터 열을 흡수하고 그것을 과냉시킨다. 전자부품과 접하고 있는 액체는 가열되고 부품으로부터 열을 흡수한 결과로 증발한다. 그러나 증기 기포는 그들이 상부로 이동할 때 붕괴된다. 냉각액으로 열전달의 결과로서 그들은 서로 접촉하기 때문이다. 이 시스템은 아직 비등을 이용한 등온 방법으로 전자부품의 표면으로부터 높은 율의 열을 제거한다. 그러나 총 용량은 액체 대 액체 열교환기에서 외부 냉각 유체로 제거할 수 있는 열전달량에 의해서 제한된다.
강제대류에 연관된 열전달 계수는 응축과 연관된 것보다 아주 낮다. 이 모든 액침 냉각 시스템은 단위 체적 당 아주 높은 전력 소산 전자박스에 대해서는 적합하지 않다. 액침 냉각 시스템에서 앞으로의 한 단계는 절연액체로부터 직접 열을 제거하는 것이다.
열은 엔크로즈의 벽으로 전달되고 외부 액으로 제거된다. 액침냉각 기술은 가장 신뢰할 수 있다. 왜냐하면 그것은 전자 엔크로즈 내로 어떤 침투가 거의 없고 완전히 밀봉된 액체 환경에서 존재하기 때문이다. 그러나 이 시스템의 사용은 제한되고 적절한 전력 소산율을 포함해야 한다. 그 열소산은 엔크로즈의 외부 표면으로부터 열을 제거하는 시스템의 능력에 의해서 제한된다. 이 능력을 강화하기 위하여 엔크로즈의 외부표면은 가끔 핀이 있다. 특별히 엔크로즈가 공기에 의해서 냉각될 때이다.
전자장비의 냉각에 대하여 여러 가지 절연액체에 대한 열전달 계수의 대표적인 범위는 자연대류, 강제대류 그리고 비등열 전달에 대하여 주어졌다. 외부적으로 높은 열전달계수(1500~6000W/m2℃까지)는 FC78 그리고 FC86과 같은 플루로카본(fluorocarbon) 유체의 비등열전달에 의해서 얻어진다. 플루로카본(fluorocarbon) 유체는 전자장치의 액침냉각에 아주 적합하다. 그들은 30℃에서 174℃ 범위의 비등점과 그리고 -50℃ 이하의 응고점을 가진다. 그들은 비인화성이고 화학적으로 불활성이다. 그리고 전자장치에 사용된 재료들과 잘 조화된다.
기본 이론
액체냉각은 튜브로 된 금속판에 부착된 전자장치의 군집을 냉각하기 위하여 효과적으로 사용될 수 있다. 여기서 12TO-3 케이스에서 150W까지 각 소산하는 열은 액체 흐름을 통하여 뒷면 위에 튜브를 장비한 히트 싱크에 올려진다. 장치의 케이스와 액 사이의 열 저항은 최소화 된다. 왜냐하면 전자장비가 냉각라인에 걸쳐 배치되기 때문이다. 액체 대 케이스의 열 저항은 장치 사이의 간격에 의존되고 장치와 판 사이의 접촉 열 저항의 질에 관계된다. 판의 두께, 그리고 액체의 유동률에 관계된다. 튜브로 된 금속판은 크기가 15.2cm×18cm×2.5cm이고 그리고 소산열은 2W까지 가능하다. 액체냉각 시스템의 열저항 네트워크는 그림 5에 나타나 있다.
실리콘 기저 전자장치의 접합온도(junction temperature)는 보통 125℃까지 제한되어 있다. 한 장치의 케이스 대 접합점 열 저항은 제작자로부터 제공된다. 액체 대 케이스의 열 저항은 액체와 케이스의 온도를 계측하거나 총 소실된 전력에 의해 차이를 분할하여 실험적으로 결정된다. 열교환기에서 액체 대 공기의 열 저항은 다음과 같은 방법으로 결정된다.
(1-1)
(1-2)
여기서 Tliqud, device와 Tliquid, hx는 액체의 전자장치에 대 한 입구 온도와 열교환기에서 온도이다. 액체냉각된 메탈 판위에 올려진 전자부품들은 부품과 판 사이에 열적저항을 최소화하기 위하여 좋은 열적 접촉을 제공해야 한다. 열적저항은 실리콘 그리스 혹은 베릴륨(beryllium) 산화물을 사용하여 최소화할 수 있고 그리고 부품들을 금속판에 단단히 고정시키는 것이다.
연구 동향
가. 히트 파이프(heat pipe)의 기본개념
에너지 변환시스템의 주 목적 중의 하나는 수열부로부터 다른 장소 즉 작동유체의 가열을 위하여 어떤 장소로 에너지를 전달하는 것이다. 작은 표면적과 작은 온도차에서 많은 양의 열을 전달시키는 장치가 히트파이프(heat pipe)이다. 히트 파이프의 작동방법이 그림 6에 도시되어 있다. 이 장치는 원 관과 내부 쪽 주위를 심지 역할(wicking)의 재료가 동심원관의 층으로 구성되어 있다. 시스템의 중심부에는 작동유체가 가열부 끝으로부터 오른쪽의 열방출부 끝으로 자유로이 지나가도록 텅 비어 있다. 수열 부는 증발기와 같은 역할을, 열방출 부는 응축기와 같은 역할을 한다.
응축기와 증발기는 길이 L인 단열 부위에 연결되어 있다. 액체는 심지 역할의 물질에 모세관 현상에 의해서 스며들고 열을 히트 파이프 끝의 증발기에 가해주면 윅(wick) 내의 액체는 증발한 후 중심의 공간을 통하여 열을 방출하는 응축기 쪽으로 이동한다. 이때 기체는 응축하여 윅으로부터 돌아오며 이 사이클을 반복한다.
히트 파이프를 작동시키기 위하여서는 최대 모세관 흡입 수두(pumping head), (△pc)max가 히트 파이프 내의 압력강하를 극복할 수 있어야 한다. 이 압력 강하는 세부분으로 구성된다.
1). 응축기로부터 증발기로 액체를 되돌려오는 데 드는 압력
강하, △pe,
2). 증발기로부터 응축기로 기체의 유동에 드는 압력강하, △
pv와
3). 증발기와 응축기의 위치 차에서 야기되는 퍼텐셜 수두, △
pg
압력 평형의 조건은 다음과 같이 표현된다.
(1-3)
만일 이 조건을 만족하지 못하면 윅은 증발기 영역에서 거동되고 히트 파이프는 작동을 중지한다. 균일한 윅을 통한 유동의 액체 압력 강하는 다음의 실험식으로부터 구한다.
(1-4)
이 때 μe = 액체 점성
m= 질량 유동률
ρl= 액체 밀도
Aw= 윅의 단면적
Kw= 윅의 침투성 또는 윅 계수
Leff = 증발기와 응축기 사이의 유효거리로 다음과 같다.
(1-5)
여기서, Le = 증발기 길이, Lc = 응축기 길이
식 (1-5)는 기체상의 압력강하는 액체의 압력 손실에 비하여 일반적으로 작다. 기체의 속도가 음속과 비교하여 작은 한 정상 층류유동에 대하여 다음과 같이 나타낸다.
(1-6)
여기서 Dυ기체와 접하고 있는 윅의 안쪽 지름이고 하첨자 υ는 기체의 성질을 나타낸다. 액체의 정압 또는 퍼텐셜 수두에 의한 압력차는 양, 음 또는 영이 되며 이는 증발기와 응축기의 상대적 위치에 따라 좌우된다. 압력차 △pg는 다음과 같다.
(1-7)
이 때 φ는 수평과 히트 파이프의 축 방향과의 각도이다.
표면장력의 결과는 오목한 면의 압력이 볼록한 면의 압력보다 낮다는 것이다. 결과로서 야기되는 압력 △p는 표면장력 σl과 곡률반경 rc의 관계가 된다. 반구표면 장력의 원주 방향의 힘은 2 πrc σ l이고, 이는 표면에 작용하는 압력 △pπ와 평형을 이룬다.
(1-8)
표면 장력의 또 다른 예는 접수유체(wetting fluid)에 모세관을 수직으로 세웠을 때 관찰할 수 있다. 모세관에서 유체는 관내로 상승하며 압력평형은 다음 식과 같이 주어진다.
(1-9)
여기서 θ는 접촉각(contact angle)이며 접수유체에 대하여 0과 π/2 사이에 있다. 식 (1-5), (1-6)), (1-7), (1-8) 그리고 (1-9)를 식 (1-4)의 압력 항에 대입하면 식 (1-10)을 얻는다.
(1-10)
흡수효과의 한계에 의한 히트 파이프의 최대 열 수송 능력은 다음식과 같다.
(1-11)
이 식과 식 (1-9)로부터
(1-12)
여기서,
(1-13)
M을 장점도(figure of merit)라 하고 그림 7에 온도함수로 나타낸다.
널리 사용되는 히트 파이프의 중요한 치수 및 운전 변수의 최대 성취 동력 전달 사이의 관계식은
(1-14)
여기서 Aw= 윅의 면적
g= 중력 가속도
hfg= 액체의 증발 잠열
ρ l = 액체의 밀도
μl = 액체의 점성
lw= 윅 내 유체의 흡수높이
흡수높이는 (1-15)
여기서 σ l= 표면 장력
rc= 기공의 유효 반지름
전체 동력 전달에 영향을 주는 인자들은 윅의 면적, 유효 흡입 높이와 히트 파이프의 길이이다. 작동온도의 최고한계와 응축부의 히트 파이프 온도 강하와 작동온도는 윅의 두께와 함께 증가한다. 만일 윅의 두께가 온도를 고려한 것에 기초를 둔다면 주어진 동력을 전달시킬 수 있는 최대 히트 파이프 길이가 결정된다. 액체 금속을 히트 파이프의 성능에 영향을 주는 인자들의 한계치들이 그림 8에 표시되었다.
배석태은 그의 연구에서 전자산업계의 지속적인 노력으로 중앙연산 처리 장치(CPU)의 고성능화가 이루어지고 있으며 이에 비례하여 발열량도 지속적으로 증가하고 있다고 지적하였다. 종래에 사용된 냉각시스템은 팬과 방열판을 조합한 형태인데 발열량의 증가에 비례하여 온도상승을 제어하기 위한 팬의 크기가 점점 대형화되고 있는 추세이다. 이러한 냉각 시스템은 증가된 발열량에 따른 온도제어에 대한 한계점을 드러냈고 최근에는 2개의 냉각 팬을 장착한 타워형과 같이 기존의 냉각 방식과 다른 제품도 출시되고 있다. 하지만 이러한 제품은 냉각에만 주안점을 둔 나머지 소음과 진동 등의 또 다른 문제점을 발생시키고 있다.
히트 파이프(heat pipe)는 진공으로 되어있는 내부에 일정량의 작동유체를 봉입한 형태이며 효과적인 열전달을 할 수 있는 두 상(two phase)을 가진 장치로 증발부, 단열부 그리고 응축부로 구분된다. 히트 파이프는 전자장비의 냉각, 태양열의 태양 에너지의 회수 또는 지열회수 등에 사용될 수 있고 콤팩트 열 교환기나 효율적인 열전달 효과를 획득하기 위하여 냉각 방식으로의 사용이 증가하고 있다.
배석태의 논문은 전자장치의 냉각에 관련된 분리형 히트파이프의 온도제어특성을 규명하고 응축부와 중간부 간의 높이, 입열부하, 작동유체 충전량 등의 변수를 변화시키면서 최적조건을 찾아 히트파이프의 전열능력을 향상시키는 자료를 제공하고 있다.
그림 8, 그림 10은 증발부 사이의 높이가 55cm일 때의 온도분포이다. 그림 9는 작동유체 충전량이 50%이고, 입열량이 50W, 60w, 그리고 70w로 변화할 때의 분포를 나타낸다. 작동 초기에는 증기의 유입이 일어나 증기 유동관은 온도가 같이 상승한다. 응축부에서 응축된 작동유체가 증발부 측으로 흘러내리는 순간부터 액체유동관 온도는 응축부 설정온도 30℃ 정도로 유지되는 경향을 보이지만, 입열부가 커질수록 액체 유동관으로 증기 유입이 수시로 일어나 온도분포가 변하는 경향을 보이고 있다.
그림 10은 작동유체 충전량이 100%일 때 온도분포이다. 액체유동관은 작동 초기에 다소 불안정하게 수시로 변화하는 온도분포를 보이지만 전반적으로 응축 부의 설정온도를 유지하면서 온도가 일정하게 유지되는 경향을 보이고 입열량이 70W이면 안정적인 작동을 하고 있다. 그림 11은 입열량 50W, 60W 그리고 70W일 경우 작동유체 충전량에 따른 열 저항을 나타내고 있다. 각각의 열 부하에 최적의 충전량이 따로 존재한다고 판단된다.
열 유속 70W일 때는 충전량 100%일 때의 열 저항이 가장 낮은 것으로 보아 이때 냉각 성능이 가장 좋다. 즉 작동유체 충전량은 입열 부하가 50W, 70W일 때 100%이지만 작동유체 충전량 50%일 경우 온도분포가 불안정하므로 적정 작동 유체 충전량은 100%이다. 분리형 히트파이프를 전자장비 내의 발열체 냉각에 적용한 결과 70W 또는 그 이상의 열부하를 냉각시킬 수 있고 발열체 표면온도를 CPU 작동한계온도 80℃ 이하로 유지시킬 수 있으므로 효율적인 냉각 방식이라 판단된다.
강인식은 써모사이폰(thermosyphon)을 이용하여 효과적인 열전달 성능을 얻기 위한 대표적인 연구 대상으로 지열 및 폐열 회수 시스템이 있으며 이에 대하여 다양한 실험 및 이론 연구를 진행한 바 있다. J. S. Lee 등은 써모사이폰을 열 전달 매체로 하고 열전소자를 이용하는 냉장 시스템에 대하여 실험 및 이론적 연구를 수행하였다. 최근에는 전자장치 냉각장치로서 써모사이폰에 대한 관심이 증가하고 있다.
강인식 등은 무선통신 옥외형 무인 지국의 증폭기를 냉각하기 위한 시스템으로 R141b 냉매를 사용한 2상 유동 순환형 써모사이폰을 제안하였다. 응축기의 냉각 팬을 이용한 강제 대류형을 채택하였다. 써모사이폰을 전자장치의 냉각용으로 산업에 적용하고자 할 때 다음과 같은 사항이 설계의 중요한 요건이 된다. 냉각 장치의 주 목적은 증발기의 냉각에 있으므로 증발기의 온도는 가능한 낮아야 한다. 이와 함께 상변화 특성을 이용하므로 시스템은 전체적으로 냉매의 온도차가 작을수록 좋다. 또한 시스템의 누설에 대한 신뢰성 문제를 고려한다면 작동압력이 낮고 열부하의 변화에 따른 시스템 운전 범위에서 압력의 변화가 작을수록 유리하다.
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제목: 소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅳ
