소형컴퓨터용 열사이펀 냉각기의 성능평가 및 가시화

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이 동 근, 변 기 홍*, 박영옥

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터, 동국대학교 기계공학과*

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Performance Evaluation and Visualization of Thermosyphon Cooler for Desktop PC

Dong-Geun Lee, Ki-Hong Byun*, Young-Ok Park

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research, Department of Mechanical Engineering, Dongguk University*

서론

최근 가전제품 및 소형컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등 전기, 전자제품이 소형화 및 집적화 되고 있는 추세이다. 이러한 소형제품에서 발생하는 열은 제품의 성능에 영향을 주기 때문에 발생하는 열의 효과적인 방출이 제품의 성능 및 수명에 영향을 줄 수 있다. 열을 효과적으로 방출하기 위해 팬을 부착하는 방법이 사용되고 있으나, 최근의 노트북 및 소형 검류기, 트랜지스터, 앰프, 고집적 반도체 패키지, 전기 모터의 로터, 지하에 매설되는 고용량의 전기 케이블에는 히트 파이프도 이용되고 있다. 소형컴퓨터 시장은 그 동안 매우 급속하게 성장했으며, CPU (Central Processing Unit), 그래픽 카드등의 부품 성능뿐 아니라, 소음, 무게, 크기 등도 사용자의 입장에서 중요한 고려사항이다. CPU 발열량은 꾸준히 증가되어, 66 MHz 486 급 경우에 CPU 발열량은 4 W 정도였으나, 300∼900 MHz 펜티엄급의 경우에는 10∼18 W, 펜티엄III 의 경우, 약 30 W 이며[1], 펜티엄IV의 경우 약 70 W 이다. 따라서, 여타의 부품온도에 비해 CPU의 고온화 문제가 발생되고 있다. CPU의 파손을 방지하고, 수명을 늘리기 위해서는 온도를 한계온도 이상으로 가열하지 않는 것이 필요하다. CPU정 중앙 표면의 최대허용온도는 약 85℃ 이었으나, 펜티엄IV의 경우 70℃로 낮아졌다. 이와 같이, 낮은 온도를 유지하기 위해 CPU의 열을 효율적으로 방열하는 방안에 대한 연구가 필요하다. 소형컴퓨터의 고성능화로 인해 냉각팬의 속도와 수량이 증가했으며, 소음 또한 증가했다. 조용한 환경에서 소형 컴퓨터를 사용하기 위한 해결책 중의 하나가 분리형 히트파이프나 분리형 열사이펀을 사용하는 것이다. 냉각팬 대신 분리형 열사이펀을 사용하면, 원하는 냉각성능은 물론 소음과 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한 케이스로 시스템을 완전히 밀폐할 수 있으며, 이 경우 내부와 외부간의 공기 순환이 없기 때문에 먼지 및 습기의 유입을 억제할 수도 있다.

본 연구에서는 유리를 사용하여 가시화용 분리형 열사이펀을 제작한 다음, 장치 내에서 일어나는 열전달 현상을 관찰하고, 이 장치의 성능을 평가하고자 한다. 주요변수는 냉각수온, 입열량, 충전율이며, 주 관심사항은 증발부 밑면의 온도, 온도진동, 최적의 충전율이다. 본 연구의 결과는 실물을 제작하는데 도움이 되리라고 생각한다.

이론

히트파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기-액간의 상변화 과정을 통하여 용기 양단 사이에 열을 전달하는 장치로 잠열(Latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일상(Phase)의 작동유체를 이용하는 일반적인 열전달 기기에 비해 매우 큰 열전달 성능을 가진다. 히트파이프의 작동유체 귀환방법에는 중력, 모세관력, 구심력, 정전력, 자력, 삼투압, Bubble pump등 여러 가지가 있으며, 작동유체의 귀환을 위한 다공성 물질(Wick)이 없는 것을 열사이펀(Thermosyphon)이라고 한다. 밀폐형 2상 열사이펀은 용기 양단사이의 증기압 차와 중력에 의하여 작동유체의 순환이 이루어지므로 동력원을 필요로 하지 않는다.

열사이펀의 길이방향으로 증발부(Evaporator), 단열부(Adiabatic Section), 응축부(Condenser)로 구성되며 증발부는 열원(Heat Source)으로부터 열을 흡수하여 액상의 작동유체가 비등을 일으켜 기화되고, 증기가 응축부로 이송된다. 증기는 응축부의 냉각된 벽면에서 잠열을 전달하고 응축되며, 응축된 작동유체는 중력에 의해서 관벽을 따라 증발부로 되돌아오게 된다. 이러한 일련의 반복으로 용기의 하단에서 상단으로 열전달이 이루어지게 되며, 응축부는 증발부보다 항상 높게 설치되어야 한다. 물의 경우 상온(25℃)에서 액체 1 □의 온도를 올리는데 필요한 열량이 4.18 kJ인데 반해서 같은 온도의 물 1 □을 상변화 시키는데 필요한 열량은 2442 kJ이 필요하다.(잠열의 크기는 압력의 변화에도 크게 달라지지 않는다.) 이는 현열의 548배에 해당하는 크기이다. 열사이펀의 열전달 과정이 기-액 상변화에 의존하기 때문에 양단 사이의 온도차이가 작으며, 따라서 열사이펀은 동일한 형상의 고체 물질에 비하여 수백 배의 열전도도를 갖는다. 그러나 열사이펀의 열전달 특성은 내부 작동유체의 비등 메카니즘과 액막 및 증기 유동에 의해 크게 영향받게 되며, 따라서 열사이펀의 길이, 직경, 설치 경사각, 작동유체 충전율, 열유속, 증기압, 작동유체의 물성 등이 열전달율을 결정하는 중요한 인자들이 된다.

실험

1. 실험장치

열사이펀은 내부유동을 관찰하기 위하여 내열성인 Pyrex Glass를 사용하여 제작하였다. 응축부에서 귀환하는 작동유체가 액체관으로만 귀환할 수 있도록 응축부 중앙 하부에 액체관을 연결했고, 증기관은 액체관보다 20 □ 높게, 응축부 안으로 5 □가 돌출하게 하였다. 증기관으로의 작동유체의 귀환을 방지하여 플러딩 현상을 줄이고자 하는 것이 목적이다. 응축부는 증발부보다 높게 설치하여 응축부에서 응축된 작동유체의 대부분이 중력에 의해 액체관을 통해서 증발부로 귀환할 수 있도록 하였다. 증기관보다 액체관을 길게하여 증발부에서 기화된 증기가 액체관보다는 증기관을 더 수월하게 통과하도록 하였다. 기화된 증기는 두 관을 모두 통해서 응축부로 전달된다. 응축부와 증발부 중심부 사이의 수직거리는 185 mm이다. 한편 본 실험의 경우 작동유체의 충전을 용이하게 처리할 수 있도록 응축부 상단에 진공밸브를 부착하여 필요에 따라 개폐할 수 있도록 하였다.

(1) 열사이펀의 진공

열사이펀 내부의 기체와 표면에 부착되어 있는 불응축 가스(N2, O2, CO2등)를 제거하기 위하여 충분한 시간 동안 Rotary Pump(Welch 1402, 1×10-4 Torr)를 가동하여 0.1 Torr까지 진공도를 만들었다. 또, 응축부 상단의 진공밸브를 통하여 작동유체를 각각의 실험조건에 따른 증발부 내부체적 10%, 20%, 50%의 작동유체를 유입한 후 진공밸브를 차단하였다. 열사이펀 내부의 진공도는 Pirani Vacuum Gauge(Ulvac GP-1S, 20∼3×10-3 Torr)를 이용하여 측정하였다.

(2) 냉각부

응축부의 응결현상을 명확히 관찰하기 위하여 응축부의 가시화가 용이하도록 직경 248 □, 높이 113 □인 투명 아크릴로수조(Water Jacket)를 제작하여 열사이폰의 응축부를 둘러쌌으며, 응축부에서 전달되는 열량을 정산하기 위하여 냉각수 입구와 출구의 온도는 열전대(T-type)를 사용해서 측정하였다. 냉각수는 항온 저온 순환수조(제이오텍, RC-10 V, RC-10 H)를 이용하여 강제대류 방식으로 했으며, 냉각수 유량은 부유식 물 유량계(Dwyer)(0.2∼1500 cc/min)로 측정하였다.

(3) 가열부

증발부 밑면을 가열하기 위해 가로 75 □, 세로 75 □인 판히터를 증발부 밑면에 부착하였다. 판히터(100 W 220 V)의 저항은 일정하며, 최고 온도는 500℃까지 가능하다. 입열량은 Slidacs로 전압을 조절하여 판히터의 발열량을 제어하였으며, 판히터에 유입되는 전력량은 Digital Power Meter(Tokokawa 2533)를 이용하여 측정하였다. 판히터에서 발생한 열량이 증발부 밑면으로 유입되도록 증발부와의 접촉면적을 제외하고 판히터의 모든 면을 단열재(석면)로 보온하였다.

(4) 온도 측정

Fig. 1은 열사이펀의 표면 온도를 측정하기 위한 열전대(T-type)의 위치이다. Pyrex Glass와 열전대의 선형팽창계수가 틀려서 열전대를 열사이펀 내부에 삽입한 다음 용접할 수가 없기 때문에 석면 테이프를 이용하여 응축부 상단과 하단에 각각 1본씩, 액체관과 증기관에 각각 1본씩, 증발부 밑면과 윗면에 각각 1본씩, 총 6본을 열사이펀 표면에 부착하였다. 열전대의 온도측정은 모듈이 접속된 자료수집장치(HP 34970 A)를 이용하였다. 측정된 전위차로부터 온도를 결정하는 과정과 측정빈도를 제어하는 일은 HP사의 상용 소프트웨어인 HP Bench Link Data Logger를 사용하여 수행하였으며, 10초마다 1번씩 컴퓨터에 자동으로 기록하였다.

2. 실험 방법

실험은 열사이펀 각 부위에 부착되어 있는 열전대의 온도가 정상상태에 이를 때까지 실험을 수행하였다. 비교적 입열량이 작을 때(약 9∼40 W)는 1∼2시간 정도의 시간이 소요되었고, 입열량이 클 때(약 50∼110 W)는 2∼3시간 정도의 시간이 소요되어도 증발부 밑면 온도와 판히터의 온도가 정상상태에 도달하지 않아 실험을 중지하고, 평균온도를 사용하였다.

한 가지 조건의 충전율 실험이 끝나면 열사이펀 응축부의 상단에 설치된 진공 밸브로 내부의 작동유체를 배출시키고, 열사이펀의 내부를 건조시킨 후 진공을 유지한 상태에서 작동유체를 주입한 후 진공밸브를 차단하였다. 그 후 작동유체의 충전율, 입열량, 냉각수 온도를 변화시키면서 열사이폰의 성능평가 및 가시화를 하였다. 증발부 밑면은 수평을 유지하였으며, 실험실의 온도는 23∼25℃를 유지하였다. 실험변수들을 요약하면 Table 1과 같다.

Table 1 The controlled variables and parameters

for experiment.

Heating power(W)	9, 17.8, 23, 29, 40, 50, 60, 70, 90, 110
Filling Ratio(%)	10, 20, 50
Coolant Temperature(℃)	5, 15, 25, 35, 50, 70
Coolant Flow Rate	500 cc/min
Inclination Angle	0°

Fig. 1 Thermocouples location of

the thermosyphon.

결론

본 실험에서는 가시화를 위해서 제작한 분리형 열사이펀의 유동 및 성능을 평가했다. 증발부의 가열량과 응축부의 냉각량 및 충전율을 변화시키면서 증발부 표면온도를 측정했다. 가시화를 통해서 성능평가 중 일어나는 제 현상을 온도 데이터에서도 확인할 수 있었다. 증발부 액체풀의 유동 및 비등 영역은 열유속의 크기에 따라 자연대류 비등, 펄스비등, 펄스비등에서 핵비등으로의 천이영역으로 구분하였다.

이 실험에서 작동이 멈추는 작동한계는 관찰할 수 없었으며, 충전율을 줄이거나 입열량을 증가시켜야 한다. 증발부 밑면에서 온도진동이 관찰되었으며, 이는 이 시스템의 유용함에 영향을 미치는 중요한 한계가 될 수 있다. 실험결과는 다음과 같은 경향을 보이고 있다. 입열량이 증가하면, 증발부 밑면 온도는 증가하고 있다. 입열량이 증가하면 귀환하는 응축액의 양이 증가하고 있다. 입열량이 증가하면 온도진동의 폭과 주기가 감소한다. 가열이 증발부의 입열에 의해서 제어되는 경우, 냉각수온이 증가하면 증발부 밑면 온도가 증가한다.

충전율은 50%인 경우가 10, 20%보다 증발부 밑면 온도가 낮았으며, 대체로 온도진동 폭이 작았다. 주기적인 불안정 특성을 배제하기 위하여 충전율을 높이는 것이 좋다. 그러므로 충전율은 50%가 적당하다. 충전율이 50%인 경우는 낮은 입열량에서도 슬러그류(Slug Flow)가 주류를 이루었으나, 성능에는 지장이 없는 것으로 나타났다.

증발부와 루프를 단열 한 경우가 비단열의 경우보다 대체로 증발부 밑면 온도가 낮았고, 온도진동 폭도 상당히 줄어들었다. 효과적인 냉각을 위해서는 증발부와 루프를 단열 하는게 좋다. 이 장치의 경우 증발부와 응축부를 연결한 액체관과 증기관이 성능에 미치는 영향이 컸다. 증기의 원활한 열전달이 중요하면 이 부분을 단열해야 하며, 보조응축기 또는 보조가열원으로 사용하고자 하는 경우는 단열을 하지 않아도 된다.

단열, 비단열 관계없이 냉각수온이 증가할수록 열저항은 감소하는 경향을 보이고 있고, 단열, 비단열 모두 충전율 50%에서 열저항이 가장 낮았다. 단열인 경우 충전율이 열저항에 미치는 영향은 비단열인 경우에 비해서 작았다.

충전율 20%에서 증발부 밑면의 온도가 가장 높았고, 열저항이 커진 현상에 대해서는 연구가 필요하다고 생각한다.

결론적으로 세 충전율 중에서, 충전율 50%에서 증발부와 루프를 단열하면 증발부 밑면 온도가 가장 낮고, 온도진동이 줄고, 열저항이 가장 작았다.

참고문헌

[1] Azar, K., 1999, The History of Power  Dissipation, Electronics Cooling, Vol. 6, No.     1, pp. 42-50.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년