한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 19 물 /PG- 기반 Al 2 O 3 나노유체를적용한수냉식 CPU 쿨러의냉각성능 박용준 * 김규한 * 이승현 * 장석필 Cooling Performance of Liquid CPU Cooler using Water

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1 한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 19 물 /PG- 기반 Al 2 O 3 나노유체를적용한수냉식 CPU 쿨러의냉각성능 박용준 * 김규한 * 이승현 * 장석필 Cooling Performance of Liquid CPU Cooler using Water/PG-based Al 2 O 3 Nanofluids Y. J. Park, K. H. Kim, S. H. Lee and S. P. Jang Key Words: Nanofluids( 나노유체 ), Propylene glycol( 프로필렌글리콜 ), Aluminum oxide( 산화알루미늄 ), Liquid CPU cooler( 수냉식 CPU 냉각장치 ), Performance factor( 성능계수 ) Abstract In this study, the cooling performance of a liquid CPU cooler using the water/propylene glycol(pg)-based Al 2O 3 nanofluids is experimentally investigated. Water/PG-based Al 2O 3 nanofluids are manufactured by two-step method with ultrasonic energy for 10 hours. The volume fractions of the nanofluids are 0.25% and 0.35%. Thermal conductivity and viscosity of the nanofluids are measured to theoretically predict the thermal performance of the liquid CPU cooler using performance factor. Performance factor results indicate that the cooling performance of the liquid CPU cooler can be improved using the manufactured nanofluids. To evaluate the cooling performance of the liquid CPU cooler experimentally, temperature differences between ambient air and heater are measured for base fluid and nanofluids respectively. Based on the results, it is shown that performance of the liquid CPU cooler using Al 2O 3 nanofluids is improved maximum up to 8.6% at 0.25 Vol.%. 기호설명 그리스문자 C k C μ k PF q T : 부피비대비열전도도증가량의기울기 : 부피비대비점도증가량의기울기 : 열전도도 : 성능계수 : 열량 : 열선의온도변화 (Recieved: 03 February 2014, Recieved in revised form: 07 March 2014, Accepted: 08 March 2014) * 회원, 한국항공대학교항공우주및기계공학부 책임저자, 회원, 한국항공대학교항공우주및기계공학부 TEL : (02) FAX : (02) η : 냉각성능향상폭 µ : 점도하첨자 Amb : 외기 bf : 기본유체 Ht : 히터 nf : 나노유체

2 20 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) 1. 서론전자장치들은생활의편의를위해발달하고있으며점점고성능및다기능을추구하고있다. 이러한고성능, 다기능지향적인전자장치의발달은내부의전자소자들의성능향상으로이루어지며, 전자소자성능의향상은곧발열량의상승으로연결된다 (1). 전자장치의발열량증가는냉각시스템의성능향상을필요로하며, 이로인해기존의공랭식냉각시스템에비해냉각성능이뛰어난수냉식냉각시스템의필요성은더욱커지고있다. (2) 최근들어고성능컴퓨터에도시스템안정성을높이기위해수냉식쿨러를사용하는경우가많다. 이러한수냉식냉각시스템에사용되는냉각수들은사용환경에따라동결방지를위해부동액을첨가하여야하며, 부동액으로대부분 Ethylene Glycol(EG) 과 Propylene Glycol(PG) 을사용한다. 그중 PG는 EG보다비교적유해하지않기때문에외부로누수될가능성이있는냉각시스템에많이쓰이고있다. PG나 EG를사용하면물보다낮은어는점을얻을수있지만물에비해상대적으로낮은열전도도를가지는단점이있다. 이러한기존유체의낮은열적물성치의한계를개선하기위해나노유체가도입되고있다. 나노유체는열전달성능을향상시키기위해유체보다열전도도가뛰어난나노크기 (10 9 m) 의금속, 비금속입자를유체에분산시켜제작하는공업용열교환유체이다. Hwang et al. (3) 은물에다중벽탄소나노튜브를분산시켜부피비 0.01% 의나노유체에서열전도도가 11.3% 증가함을확인하였다. Zhua et al. (4) 은물-기반 Al 2O 3 나노유체를제작하여질량비0.15% 에서열전도도를 10.1% 상승됨을보고하였다. Suganthi et al. (5) 의연구에의하면부피비 2% 의 PG-기반 ZnO나노유체의열전도도가순수 PG에비해약 25% 정도증가하는결과를보였다. 또한 Timofeeva et al. (6) 의연구에의하면 EG-기반부피비 5% Al 2O 3 나노유체를실험한결과열전도도가기본유체보다 13% 증가하였다. 이처럼나노유체는기본유체보다열전도도가상승하는이점이있지만점도역시상승한다는단점이있다. Garg et al. (7) 은 EG를기본유체로한 Cu 나노유체를제작하여점도와열전도도를측정하는실험을하였다. 부피비 2% 의나노유체의경우열전도도가 12% 증가하였으나점도역시 25 o C조건에서 22% 증가하였다. Duangthongsuk et al. (8) 의연구에서는물-기반 TiO 2 나노유체를제작하였는데부피비 2%, 35 C에서점도가기본유체대비약 17% 증가하였다. 이러한점도상승은동일한펌 핑파워에서유량을감소시키는역할을하여냉각성능에악영향을미칠수있다. 지금까지의나노유체의물성치연구는많은선행연구가있었으며, 나노유체를자동차와같은실제냉각시스템에적용한연구도다양하게진행되었다 (9~10). 반면에컴퓨터에는수냉식냉각시스템을적용한연구가적으며, 특히부동액-기반나노유체를이용한연구는적었다. 이는컴퓨터의경우실내에서사용하므로부동액이필요한경우가적기때문이다. 하지만유통중에는실외에노출되는과정이존재하며, 보관과정에서도충분히동결의위험이생길수있다. 이로인해수출용수냉식냉각장치의냉각유체는부동액을사용하고있다. 본연구에서는컴퓨터 CPU 쿨러에적용가능한나노유체를제작하고자하였으며, 동결방지를위해물 /PG- 기반 Al 2O 3 나노유체를제작하였다. 또한나노유체의특성을파악하기위해열전도도와점도를측정하였고, 성능계수라는개념을도입해물성치로부터나노유체의냉각성능을예측하였다. 최종적으로제작된유체를상용 CPU 쿨러에주입하여기본유체와비교하여성능향상을평가하는실험을수행하였다. 2. 본론 2.1 나노유체제작실험을위한나노유체는 Two-step 방법으로제작되었으며, Nanophase사의 Al 2O 3 나노입자를구매하여물 /PG 4:1 혼합액을기본유체로제작하였다. 제작된유체는부피비 0.25% 와부피비 0.35% 를각각가지며초음파에너지를 10시간동안가하였고, 첨가제는사용하지않았다. 나노유체를제작한후우선적으로열전도도와점도를측정하였다. 나노유체의열전도도는본연구팀에서고안한비정상열선장치 (11-12) 를이용하여측정하였으며, 오차는 1.5% 이하이다. 열전도도는실제 CPU냉각시스템의냉각수운용온도와흡사한 40 C에서측정하였으며, 열전도도값은 Carslaw와 Jaeger의식 (13) 에의하여계산된다. q k = (1) 4π d T dlnt 여기서 k는열전도도, q는열선에가한열량, T는열선의온도차, t는시간을나타낸다. 점도는 Brookfield사의점도계를이용하여측정하였으며 40 C에서전단속

3 한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 21 Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus Fig. 2 Relative thermal conductivity of nanofluids 도 300, 600, 900s 1 조건으로측정하였다. 점도계의오차는 1% 이하이다. 2.2 실험장치및실험방법냉각성능실험장치는 Zalman의 LQ315 CPU 쿨러를사용하여구성하였으며 Fig. 1과같다. 유체를삽입하기위해기존의쿨러에진공장비를결합하였으며, 진공도는약 0.15 Torr로형성하였다. 펌프에 CPU를대체하는모사발열체를설치하고 130W의파워를가하였다. 온도는모사발열체와외기의온도를측정하였다. 펌프와팬에사용되는파워는각각동일하게고정하여실험하였다. 즉동일펌핑파워조건이다. 실험에서측정된온도를이용하여냉각성능향상폭을구하는식은다음과같다. T Ht ( T Amb ) η bf ( T Ht T Amb ) = nf 100 ( T Ht T Amb ) bf 여기서 T Ht 는히터의온도 T Amb 는외기의온도를나타내며하첨자 nf는나노유체, bf는기본유체를나타낸다. 3. 결과 3.1 나노유체물성치측정및성능계수적용열전도도를측정한결과는 Fig. 2에나타나있다. 부피비 0.25% 인나노유체의경우기본유체대비 1.7% 상승하였으며, 부피비 0.35% 인나노유체는기본유체보다 3.6% 상승하였다. 이는나노유체의부피비와관련시킬수있으며부피비가더높은경우에열전도도가더욱상승한것으로보인다. (2) Fig. 3 Relative viscosity of nanofluids Figure 3를보면부피비별점도상승폭은매우다르게나타난다. 전단속도 900s 1 에서측정한결과부피비 0.25% 의나노유체는기본유체대비 0.8% 증가하였고, 부피비 0.35% 의나노유체점도는기본유체대비 11.3% 증가하였다. 두나노유체를비교하면부피비 0.35% 의나노유체는높은부피비로인해열전도도에서더높은결과를나타냈으나열전도도상승폭에비해상대적으로점도가크게증가하였다. 열전도도의증가는냉각성능을향상시키고, 점도의증가는유량의감소를야기하여냉각성능을하락시킨다. 이러한상반된요소를고려하여냉각성능을이론적으로예측할수있는방법으로성능계수 (7, 14-16) 를도입하였다. 성능계수는동일한펌핑파워내부유동조건에서기본유체대비나노유체의열전달성능비를나타낸것으로다음과같이정의된다. PF = 5C k C µ 여기서 C k 와 C µ 는나노유체의부피비대비열전도도증 (3)

4 22 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) Fig. 4 Performance factors of nanofluids 가량과점도증가량의기울기값이다. 이때성능계수가 0보다크면냉각성능의향상을기대할수있으며, Fig. 4는본연구에서의물성치측정결과를식 (3) 에적용하여부피비별나노유체의성능계수를계산한결과이다. 두종류의유체모두 0보다큰값을나타내었으며, 상대적으로부피비가낮은부피비 0.25% 에서성능계수가 0.31로부피비 0.35% 의성능계수 0.2보다더높은값을나타내었다. 3.2 냉각성능실험성능계수로예측한나노유체의냉각성능향상을실험적으로확인하기위해, 나노유체를냉각실험성능실험장치에적용하여실험하였다. 냉각성능향상폭을구하는식에서가장중요한인자는외기온도와히터온도의차이이며, 이값을통해냉각성능이결정된다. Fig. 5는히터에 130W의열을가하였을때외기와히터의온도차를측정한것으로서, 나노유체와기본유체의결과를비교한그래프이다. Fig. 5의 (a) 에서시간의흐름에따라나노유체의성능이변하는현상이발견되어장시간동안실험을진행하였으며, 그결과 Fig. 6과같이일정시간이후에는성능이일정한것으로나타났다. 실험결과에서온도차의평균을구하게되면부피비 0.25% 의나노유체는기본유체를측정하였을때외기와히터의온도차가 12.0 C이며, 나노유체를적용하였을때는온도차가 11.0 C이다. 이를앞서표현한냉각성능향상폭으로계산한결과가 Fig. 7에나타나있으며, 나노유체의경우기본유체보다 8.6% 의냉각성능이증가하였다. 부피비 0.35% 의경우기본유체를측정하였을때온도차가 12.2 C이고, 나노유체를적용한후실험을진행하였 Fig. 5 Temperature differences in cooling performance test of nanofluids Fig. 6 Long term test of nanofluids 을때온도차가 12.1 C로나노유체적용후성능의차이가거의없었다. 두방법으로제작한나노유체를비교한결과부피비

5 한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 23 면, 부피비 0.25% 의나노유체는기본유체대비 8.6% 의냉각성능이증가하였으며, 부피비 0.35% 나노유체의경우 0.2% 의냉각성능이증가하였다. 실험결과에서냉각성능의차이가크게나타난것은나노유체의성능이점도에큰영향을받아서생긴현상으로판단된다. 연구결과를정리하면성능계수를이용하여나노유체의물성치만으로냉각성능의향상을이론적으로예측할수있음을보였으며, 수냉식 CPU 쿨러에서나노유체적용시최적의부피비를선정하는것이중요하다는결과를얻었다. Fig. 7 Cooling performance enhancement of nanofluids 후 기 0.35% 의경우부피비 0.25% 나노유체보다좋지않은결과를보였다. 부피비가높은나노유체는열전도도가더향상되었지만점도또한상대적으로더욱높아져, 이로인해동일한펌핑파워조건에서유량이감소하여열전달성능이하락하였다. 결과적으로유량감소의영향이열전도도상승의영향보다더크게작용하여부피비 0.35% 의나노유체가냉각성능의향상폭이더낮게나타났다. 또한성능계수를이용한냉각성능의이론적예측에서두부피비의유체가 0보다큰성능계수를나타내었고, 실험결과각각의유체모두냉각성능이향상됨으로써성능계수에의한이론적예측이타당함을확인할수있었다. 또한, 부피비 0.25% 의나노유체의성능계수가부피비 0.35% 나노유체의성능계수보다 1.5배정도높았는데냉각성능향상폭은부피비 0.25% 와 0.35% 가각각 8.6%, 0.2% 가증가하여성능계수에비해편차가큰것으로나타났다. 4. 결론본연구에서는 Zalman LQ315 CPU쿨러에나노유체를주입하여냉각성능을향상시키는연구를진행하였다. 우선적으로열전도도와점도를이용하여동일펌핑파워조건에서냉각성능을이론적으로예측하기위해성능계수를계산하였고, 성능계수값은부피비 0.25% 에서 0.31, 0.35% 에서 0.2로나타났다. 이를통해실험전에나노유체를사용함으로써 CPU 쿨러의성능이향상될것으로예측하였다. 제작한두나노유체를 CPU 쿨러에주입하여냉각성능의향상폭을비교한결과를살펴보 이논문은 2011년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임.(No ). 참고문헌 (1) J.-T. Choi, O.-K. Kwon, D.-A. Cha, J.-H. Yun, Y. C. Kim, Experimental Study of Liquid Cooling System for Computer, 2010 Summer Annual Conference, 2010, pp , Korea. (2) H. C. Hahm, C. Y. Park, Experimental Study on the Performance of an Electric Component Liquid Cooling System with Variation of the Waterblock Internal Shape, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 6, 2013, pp (3) Y. J. Hwang, Y. C. Ahn, H. S. Shin, C. G. Lee, G. T. Kim, H. S. Park, J. K. Lee, Investigation on Characteristics of Thermal Conductivity Enhancement of Nanofluids, Current Applied Physics, Vol. 6, No. 6, 2006, pp (4) D. Zhua, X. Lia, N. Wanga, X. Wanga, J. Gao, H. Li, Dispersion Behavior and Thermal Conductivity Characteristics of Al 2O 3 H 2O Nanofluids, Current Applied Physics Vol. 9. No.1, 2009, pp (5) K. S. Suganthi, M. Parthasarathy, K. S. Rajan, Liquidlayering Induced, Temperature-dependent Thermal Conductivity Enhancement in ZnO Propylene Glycol Nanofluids, Chemical Physics Letters, Vol , 2013, pp (6) E. V. Timofeeva, A. N. Gavrilov, J. M. McCloskey, Y.

6 24 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) V. Tolmachev, S. Sprunt, L. M. Lopatina, J. V. Selinger, Thermal Conductivity and Particle Agglomeration in Alumina Nanofluids: Experiment and Theory, Physical Review E, Vol. 76, Issue 6, 2007, pp (7) J. Garg et al. Enhanced Thermal Conductivity and Viscosity of Copper Nanoparticles in Ethylene Glycol Nanofluid, Journal of Applied Physics Vol. 103, Issue 7, 2008, pp (8) W. Duangthongsuk, S. Wongwises, Measurement of Temperature-dependent Thermal Conductivity and Viscosity of TiO 2-water Nanofluids, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 33, 2009, pp (9) K. Y. Leong, R. Saidur, S. N. Kazi, A. H. Mamun, Performance Investigation of an Automotive Car Radiator Operated with Nanofluid-based Coolants (Nanofluid as a Coolant in a Radiator), Applied Thermal Engineering, Vol. 30, Issues 17-18, 2010, pp (10) S. M. Peyghambarzadeh, S. H. Hashemabadi, M. Seifi Jamnani, S. M. Hoseini, Improving the Cooling Performance of Automobile Radiator with Al 2O 3/water Nanofluid, Applied Thermal Engineering, Vol. 31, Issue 10, 2011, pp (11) J.-H. Lee, K. S. Hwang, S. P. Jang, B. H. Lee, J. H. Kim, S. U. S. Choi and C. J. Choi, Effective Viscosities and Thermal Conductivities of Aqueous Nanofluids Containing Low Volume Concentrations of Al 2O 3 Nanoparticles, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 51, 2008, pp (12) S. -H. Lee, S. P. Jang, Note: Effect of the Tilting Angle of the Wire on the Onset of Natural Convection in the Transient Hot wire method, Review of Scientific Instruments, Vol. 83, 2012, pp (13) H. S. Carslaw, J. C. Jaeger, Conduction of Heat on Solids, 2nd Ed, 1959, Oxford University Press. (14) S.-H. Lee, H. J. Kim, S. Y. Lee, K. H. Kim, Y.-J. Park, J.-H. Lee, J.-I. Seo, S. M. Cha and S. P. Jang, A Study on the Thermal Performance of Water-based Carbon Nanotubes (CNT) Nanofluids in Laminar Flow Region, Proc. of the KSME, 2013 Spring Annual Conference, 2013, pp , Korea. (15) R. Prasher, D. Song, J. Wang, and P. Phelan, Measurements of Nanofluid Viscosity and its Implications for Thermal Applications, Applied Physics Letters, Vol. 89, 2006, pp (16) E. V. Timofeeva, W. Yu, D. M. France, D. Singh, J. L. Routbort, Nanofluids for Heat Transfer : an Engineering Approach, Nanoscale Research Letters, Vol. 6, 2011, pp. 182.

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