Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 1 pp. 43-49, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.1.43 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 열전냉각시스템을이용한컴퓨터의발열제어에관한연구 오율권 1, 양호동 2* 1 조선대학교기계시스템공학과, 2 전남도립대학교조선기계과 A Study on Control of Heat Generation in Computer using Thermoelectric Cooling System Yool-Kwon Oh 1, Ho-Dong Yang 2* 1 Department of Mechanical System Engineering, Chosun University 2 Department of Naval Architecture & Mechanical Engineering, Jeonnam Provincial College 요약현재의컴퓨터는고성능화, 다기능화, 소형화, 경량화등의이유로인해기기내부에서발생하는열량이증가하고있는추세이다. 컴퓨터의성능을높이고수명을연장하기위해서는발열을효과적으로제어할수있어야한다. 본연구에서는열전소자를이용한열전냉각시스템을구성하여컴퓨터에설치하였고, 실험을통해기존의공기냉각시스템을사용한컴퓨터내부의온도분포와열전냉각시스템을함께사용한컴퓨터내부의온도분포를측정한후, 이를비교하여열전냉각시스템의발열제어성능을알아보고자하였다. 또한, 열전냉각시스템이기존의컴퓨터냉각시스템을대처할수있는성능을낼수있는지예측해보기위해서기존의냉각시스템을사용한컴퓨터와열전냉각시스템만을사용한컴퓨터내부의온도분포를수치해석을통해예측하고비교해보았다. Abstract In recent years, the amount of heat generated inside of the computer has more increased because of high performance, multi-function, miniaturization and light weight. It is necessary to control the effective heat generation to improve performance and life extension of the computer. In this study, thermoelectric cooling system was manufactured using thermoelectric module and was attached to computer in order to control the heat generated inside computer. And the temperature distributions inside computer were experimentally measured and compared with and without thermoelectric cooling system to investigate the effect of cooling system. Also, to estimate the new cooling system which can substitute for the existing computer cooling system, temperature distributions inside computer were calculated by numerical analysis when there was no cooling system and was applied only cooling system to computer. Key Words : Heat Generation, Numerical Analysis, Temperature Distribution, Thermoelectric Cooling System 1. 서론 현재의컴퓨터는하드웨어와소프트웨어두가지측면에서고성능화를요구하고있어, CPU, GPU, HDD, Power Supply 등의부품에서발열량이지속적으로증가하고, 본체및모니터는소형 경량화되고있으며, 나아가모니터와본체가일체화되고있는추세이다. 이는좁은공간에서많은열량이발생하기때문에우수한방열 본논문은 2010년도조선대학교학술연구비의지원을받아연구되었음. * Corresponding Author : Ho-Dong Yang(Jeonnam Provincial College) Tel: +82-61-380-8638 email: hdyang77@naver.com Received December 19, 2014 Revised January 7, 2015 Accepted January 8, 2015 성능을갖춘냉각시스템이반드시필요하다. 컴퓨터에서가장중요한부분중의하나인 CPU는명령을해독하고산술논리연산이나데이터처리를실행하는장치로서, 발열을제어하지못하면과도한전류가발생하여동작이나연산속도를저하시켜기기의성능을저하시킬뿐만아니라기기의수명을단축시킨다. CPU의작동온도가 10 정도낮아짐에따라칩의성능은 1 ~ 3% 상승하며, 고장비율은 50% 이상감소하게된다 [1, 2]. 기존의보급형컴 43
한국산학기술학회논문지제 16 권제 1 호, 2015 퓨터는일반방열판부착형에서방열판에팬을부착하는방식으로사용되었으나최근에는고사양컴퓨터사용이많아지면서컴퓨터내부의발열량이많아져이를제어하기위해히트파이프식, 수냉식, 열전소자식, 상변화방식등을이용한냉각시스템이등장하고사용되고있다 [3, 4]. 따라서, 본연구에서는가정및직장에서보편화되어사용되고있는컴퓨터의본체내부의발열을효과적으로제어해보고자열전소자를사용한열전냉각시스템을이용하였다. 실험과수치해석을통해열전냉각시스템이컴퓨터내부의발열을얼마나효과적으로제어할수있고, 향후개선해야할내용에는무엇이있는지조사해보고자하였다. (a) 2. 실험및수치해석방법 2.1 실험장치및방법 2.1.1 열전냉각시스템본연구에서는 Fig. 1에서보는바와같이열전소자 (Thermoelectric Module) 를이용한열전냉각시스템 (Thermoelectric Cooling System) 을제작하였다. 열전소자발열면에는발생하는열을방출하기위한방열판 (Heat Sink) 과방열판의방열을돕기위한냉각팬 (Cooling Fan) 을부착하였고, 열전소자의냉각면에는냉각면적을크게하기위한방열판과발생한냉기를원활하게순환시키기위한송풍팬 (Flow Fan) 을부착했으며, 발열면에서발생된열이냉각면으로전달되는것을방지하기위해단열재를사용하였다. 본연구에사용된열전소자의기본구조는 Fig. 2에나타내었고, 제원및모델명은 Table 1[5] 에나타내었다. 열전소자의최대허용전압은 15.5V 이지만, 컴퓨터의특성상장시간사용에도열전소자에과부하가걸리지않게하기위해최대허용전압보다낮은 12V의전압을직류전원공급장치를통해인가하였다. 발열면과냉각면에사용된방열판의제원은 Table 2에나타내었으며, 일반적으로컴퓨터에서많이사용하는냉각팬과송풍팬을적용하여 DC 12V, 0.3A를공급하여작동시켰다. (b) [Fig. 1] (a)photograph and (b)schematic diagram of cooling system using thermoelectric module [Fig. 2] Schematic diagram of thermoelectric module [Table 1] Specifications of thermoelectric module Specifications(HMN6040) Unit Value Q max W 53 I max A 6.0 V max V 15.5 ΔT max 72 Weight g 23.21 Number of Thermocouples (p-n Type semiconductor) pair 81 Dimensions mm mm mm 40 40 4.0 [Table 2] Specifications of heat sinks Specifications Heat side Cold side Material Al-alloy 60series Al-alloy 60series Weight 940g 300g Type Fin Fin Dimensions 190mm 125mm 40mm 130mm 95mm 25mm 44
열전냉각시스템을이용한컴퓨터의발열제어에관한연구 2.1.2 컴퓨터내부의온도측정실험본실험에서는열전냉각시스템이사용된컴퓨터와일반컴퓨터의본체내부온도를비교하기위해일반컴퓨터본체내부의온도를측정하였으며, 실험에사용된컴퓨터의제원은 Table 3에나타내었다. Fig. 3은일반컴퓨터내부의온도분포측정실험을위한장치를나타내고있으며, 온도측정대상이되는컴퓨터, 온도측정을위한 K-type 열전대, 데이터획득장치 (Date Acquisition Unit), 측정된데이터를저장할컴퓨터로구성되어있다. 열전대를통한외부로의열전도를최소화하기위해모든열전대는감온부를제외하고스테인리스튜브를사용하여절연처리하였다. [Table 3] Specifications of the computer Items Specification CPU Intel Core TM 2 Quad processor Q9300 Graphic Card nvidia Geforce 8600 GT 512MB HDD 500GB(7200rpm S-ATA2) Power Supply 300W Dimensions 390mm 360mm 170mm Fig. 4는일반컴퓨터본체내부의온도측정지점을나타내고있으며, 일정한간격으로컴퓨터본체내부의전영역에서온도분포를측정하기위해 9개의측정지점을선정하였다. 컴퓨터를작동시켜선정된 9개의지점에서온도변화를 1시간동안측정하였으며, 열전대를통해측정된온도값은데이터획득장치에의해매 5초간격으로컴퓨터에저장하였다. 모든실험에서정확한데이터획득을위해동일한조건에서 3회반복하여실험을수행하고얻어진데이터의평균값을결과값으로사용하였으며, 대기의온도는상온상태 ( 약 24 ) 를유지하여실험을수행하였다. 2.1.3 열전냉각시스템을이용한온도측정실험본실험에서는 2.1.2절에서설명한실험장치중에서컴퓨터내에열전냉각시스템을추가장착하고동일한실험장치로 Fig. 4와같이동일한 9개의지점에서두가지방법으로온도를측정하였다. 첫번째는, 컴퓨터와열전냉각시스템을동시에작동시켜약 1시간동안의온도변화를측정하였고, 두번째는먼저컴퓨터를 1시간동안작동시켜내부의온도가상승한후, 열전냉각시스템을작동시켜 1시간동안의온도변화를측정하였다. [Fig. 3] Schematic diagram of experimental apparatus for temperature measurement inside the computer 2.2 수치해석방법본연구에서는컴퓨터내부에서발생하는온도분포를수치해석을이용하여계산해보았다. Fig. 5는컴퓨터내부에서발열을하는주요부품을포함해형상모델링한것이고, Fig. 6은유한요소해석모델의메쉬 (mesh) 를생성한것을보여주고있다. [Fig. 5] 3-Dimensional analysis model of computer [Fig. 4] Schematic diagram of points for temperature measurement inside the computer 45
한국산학기술학회논문지제 16 권제 1 호, 2015 [Fig. 6] Finite element model of computer 먼저, 수치해석결과의신뢰성을검증하기위해온도측정실험결과를토대로, 각부품의온도는실험을통해얻어진값으로설정하였다. CPU는 41.3, GPU는 39, HDD는 35 Power supply는 34, 대기온도는 24 로설정하였고, 열전냉각시스템냉각면의온도를 15 로설정하여, 컴퓨터와열전냉각시스템을동시에작동시켰을경우와같은조건에서수치해석을통해계산된결과를실험결과와비교하여수치해석결과의신뢰성을확인하도록하였다. 이를통해, 어떠한냉각시스템도사용되지않은컴퓨터의온도분포와기존의냉각시스템을제거하고열전냉각시스템만을사용한컴퓨터의내부온도분포를계산하여, 각각의결과를비교, 분석하였다. 약 28.8 29.8 로가장낮게나타나는것을확인할수있었다. 또한, 40분이후부터온도분포는크게변화하지않고거의일정하게유지되는것을확인할수있었고, 온도분포가가장낮은 8번지점과가장높은 6번지점에서의온도는약 3.7 의차이가발생하였고, 모든측정지점에서의평균온도는약 30.9 로측정되었다. Fig. 8은열전냉각시스템과컴퓨터를동시에작동하였을경우컴퓨터내부의온도를측정한결과이다. 측정지점 7 ~ 9번에서는열전냉각시스템을사용하지않았을경우와유사하게최종온도가약 26.2 27.7 로낮은온도분포를나타냈다. 측정지점 1 ~ 3번에서는최종온도가약 26 27.5 로열전냉각시스템을장착하지않은경우에비해낮은온도분포를보였다. 측정지점 4 ~ 6번에서는많은열을발생하는 CPU, GPU, HDD가가까이위치하였기때문에최종온도가약 27.9 약 29 로상대적으로높게나타났다. 그리고작동시작약 30분이후부터는온도가거의일정하게유지되었고, 모든측정지점에서온도가최소 2 에서최대 6.4 까지낮아지는것을확인할수있었으며, 열전냉각시스템을사용하지않은컴퓨터에비해평균온도도약 2.9 정도낮게나타났다. 33 3. 실험및수치해석결과 3.1 온도분포측정실험결과기존의방열판과냉각팬을이용한공기냉각시스템을사용한컴퓨터를약 1시간동안작동시켜온도분포를측정한결과, CPU는 41.3, GPU는약39, HDD는약 3 5, Power Supply 는약 34 의온도분포를보이는것을확인할수있었다. Fig. 7은기존의냉각시스템을사용한컴퓨터의각측정지점에서온도분포를나타내고있다. 측정지점 3, 6번에서는발열을하는 HDD가가까이위치하고있고, 방열을위한송풍구가멀리위치하였기때문에최종온도가 32.4 와 32.5 로가장높게나타나는것을확인할수있었다. 측정지점 1, 2, 4, 5번에서는열을많이발생하는부품인 CPU, GPU, Power supply 가가까이위치하였으나, 송풍구가가까이위치하였기때문에최종온도가약 30. 7 31.9 로상대적으로낮은온도분포를나타내고있다. 측정지점 7, 8, 9번에서는지속적으로열을발생하는장치가가까이위치하지않았기때문에최종온도가 Temperature[ o C] 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 Point1 Point2 Point3 Point4 Point5 Point6 Point7 Point8 Point9 0 10 20 30 40 50 60 Time[min] [Fig. 7] Result of temperature distribution in computer Temperature[ o C] 29.5 29.0 28.5 28.0 27.5 27.0 26.5 26.0 25.5 25.0 24.5 24.0 23.5 Point1 Point2 Point3 Point4 Point5 Point6 Point7 Point8 Point9 0 10 20 30 40 50 60 Time[min] [Fig. 8] Result of temperature distribution in computer using thermoelectric cooling system 46
열전냉각시스템을이용한컴퓨터의발열제어에관한연구 Temperature[ o C] 33.0 32.5 32.0 31.5 31.0 30.5 30.0 29.5 29.0 28.5 28.0 27.5 27.0 26.5 26.0 25.5 Point1 Point2 Point3 Point4 Point5 Point6 Point7 Point8 Point9 를작동시킨경우에컴퓨터내부의온도분포를계산한결과이고, Fig. 13은열전냉각시스템만을사용하였을경우에컴퓨터내부의온도분포를계산한결과이다. 또한, Fig. 14는어떠한냉각시스템도사용하지않은경우와열전냉각시스템만의사용한경우의온도분포결과를비교하여나타낸것이다. 0 10 20 30 40 50 60 Time[min] [Fig. 9] Result of temperature distribution in computer using thermoelectric cooling system after 1 hour Fig. 9는컴퓨터를 1시간동안작동시켜컴퓨터내부의온도를일정하게유지시킨후열전냉각시스템을작동하였을경우의온도분포결과이다. 측정지점 7 9번에는발열체가가까이위치하지않았기때문에약 26.9 27.4로낮은온도분포를보였고, 측정지점 1 3번에서는열전냉각시스템이가까이위치하였기때문에최종온도가약 25.8 27.2 로상대적으로낮은온도분포를보였다. 측정지점 4 6번에서는많은열을발생하는 CPU, GPU, HDD가가까이위치하였기때문에최종온도가약 29 29.7 로상대적으로높게나타냈다. 열전냉각시스템을작동시킨후 30분이지난이후부터온도가일정하게유지되었으며, 열전냉각시스템을사용하지않은경우에비해최소 1.8 에서최대 6.5 까지온도가낮아진것을확인할수있었고, 평균온도는약 27.7 로나타났다. 3.2 수치해석결과 Fig. 10은컴퓨터와열전냉각시스템을동시에작동하였을때, 수치해석에의해계산된온도분포결과를보여주고있다. 또한, Fig. 11은동일한조건에서실험결과와수치해석결과를비교하기위해나타낸그래프이다. 수치해석에사용한모델은주요발열부만을모델링하여계산되었기때문에실험결과와비교했을때, 각측정지점에서최소 0 에서최대 1.9 의온도차가발생하였으나, 전체적인온도분포패턴은매우유사하게나타나는것을확인할수있었다. 이를통해본연구에서적용하여계산된수치해석결과는온도분포측정지점별경향성을예측하는데신뢰할수있다고할수있다. Fig. 12는어떠한냉각시스템도사용하지않고컴퓨터 [Fig. 10] Result of numerical analysis on temperature distribution in computer [Fig. 11] Comparison between results of temperature distribution by numerical analysis and experiment [Fig. 12] Result of numerical analysis on temperature distribution in computer removed cooling system 47
한국산학기술학회논문지제 16 권제 1 호, 2015 [Fig. 13] Result of numerical analysis on temperature distribution in computer using thermoelectric cooling system [Fig. 14] Comparison between numerical results of temperature distribution using thermoelectric cooling system and removed cooling system 열전냉각시스템에서발생한냉기가 Power supply의벽면과부딪히면서측정지점 1번방향으로원활한유동이이루어지지못해측정지점 1번에서온도차가약 4.6 로가장적게나타났으며, 측정지점 2, 3, 4, 5번지점에서약 9.2 10.5 로온도차가크게나타나는것으로계산되었다. 모든측정지점에서평균온도는냉각시스템을사용하지않은경우약 35.6 이고, 열전냉각시스템을사용한경우약 28 로나타났다. 3. 결론 본연구에서는컴퓨터본체내부의발열을효과적으로제어하기위하여, 열전소자를사용한열전냉각시스템을컴퓨터에설치하여컴퓨터내부에발생되는온도분포를실험과수치해석을통해측정및계산하였으며, 결론을요약하면다음과같다. 1. 컴퓨터와열전냉각시스템을동시에작동시켰을경우열전냉각시스템을사용하지않은경우에비해평균온도가약 3.6 낮아졌고, 컴퓨터를 1시간먼저작동시킨후열전냉각시스템을작동시키더라도평균온도가약 3.2 낮아졌다. 이를통해, 열전냉각시스템은장시간사용으로인해컴퓨터내부의온도가적정이상높아질경우에컴퓨터내부의발열을효과적으로제어할수있는활용가치가있는냉각시스템이다. 2. 기존의냉각시스템을제거한상태에서열전냉각시스템만사용하여수치해석한결과, 기존의공기냉각시스템을사용한경우에비해측정지점에따른온도편차는약 9.2 로크게나타났지만, 평균온도는약 28 로기존의냉각시스템을사용한경우에비해약 2.1 정도낮은온도분포를나타냄으로써컴퓨터내부의보조냉각시스템이아닌주냉각시스템으로충분한효과를얻을수있는가능성을확인하였다. 3. 본연구의실험및수치해석결과를통해향후연구에서는열전냉각시스템에사용되는열전소자의성능을현재보다더향상시키고, 열전냉각시스템의적용위치를발열량이많은 CPU와 GPU에가깝게한다면, 기존의냉각시스템보다측정지점별온도편차감소와우수한발열제어성능을기대할수있다. References [1] M. Pecht, "Handbook of Electronics Package Design", Marcel Dekker, Inc., pp. 40-43, 1990. [2] J. T. Choi, O. K. Kwon, D. A. Cha, J. H. Yun and Y. C. Kim, "Experimental Study of Liquid Cooling System for Computer", Journal of the SAREK, pp. 867-872, 2010. [3] B. H. Kang, Y. Jaluria and S. S. Tewari, "Mixed Convection Transport from an Isolate Heat Source Module on a Horizontal Plate", Journal of Heat Transfer, Vol. 112, pp 653-661, 1990. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2910437 [4] S. Y. Kim, H. J. Sung and J. M. Hyun, "Mixed convection from Multi-Layered Boards with Cross-Sreamwise Periodic Boundary Conditions", International Journal Heat and Mass Transfer", Vol. 35, pp. 2941-2952, 1992. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0017-9310(92)90314-i 48
열전냉각시스템을이용한컴퓨터의발열제어에관한연구 [5] "THERMOELECTRIC MODULE CATALOG", ACETEC Co., Ltd, Deagu, Korea, 2004. 오율권 (Yool-Kwon Oh) [ 정회원 ] 1981 년 8 월 : 한양대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 1991 년 8 월 : 경희대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1981 년 9 월 ~ 현재 : 조선대학교기계시스템공학과교수 < 관심분야 > 열공학, 열에너지시스템 양호동 (Ho-Dong Yang) [ 정회원 ] 2005 년 2 월 : 조선대학교대학원정밀기계공학과 ( 공학석사 ) 2008 년 8 월 : 조선대학교대학원정밀기계공학과 ( 공학박사 ) 2009 년 3 월 ~ 현재 : 전남도립대학교조선기계과초빙교수 < 관심분야 > 열유체, 수치해석 49