오늘 다뤄볼 주제는 열전달해석을 통한 '줄발열'에 대한 것입니다.
전자장비 내부에는 도체로 구성된 다양한 금속 부품이 존재합니다. 발생하는 전압차와 형상의 저항성에 따라 발생하는 전류 밀도가 발열의 형태로 발생합니다.
줄발열 현상은 많은 대상에서 발생할 수 있고 이를 고려한 상세 온도 분석이 필요합니다.
줄발열 현상에 의해 발생하는 고온의 상태는 전자장비 내부 제품에 대하여 수명 감소부터 화재까지 다양한 문제를 야기할 수 있습니다. 보편적으로는 공냉방식의 강제대류에 의한 냉각효과를 고려하여 실제적인 온도 분석과 추가적인 방열 설계에 활용합니다.
줄발열 해석을 사용하는 이유는 무엇일까요?
보편적으로 사용되는 발열, 즉 Heat generation은 체적에서 발생하는 평균적인 열량을 의미합니다. 온도에 대한 해석을 하기 위해 기본적인 요건 중 하나인 발생하는 에너지량에 대해 정의할 때 흔히 사용합니다. 하지만 전류의 흐름이나 형상적인 저항성과 상관없이 단순히 균일하게 발생하는 열을 의미하므로 도체의 부품에서는 문제가 발생할 수 있습니다.
반도체나 전자장비에 포함되는 기판의 회로 등에서 발생하는 열을 해석에 고려하기 위해서는 해당 도체의 전기장 해석이 선행되어야 합니다. 전기장 해석을 간략화 하여 전기장에 의해 발생한 열량만을 계산할 수도 있으나, 전기장 형성 또한 온도의 영향을 받기 때문에 열전달 해석과 전기장 해석을 연계하는 것이 더욱 정확한 예측을 할 수 있습니다.
실제 현상을 예측하여 가상공간에 구현하고 다양한 조건에 대한 검토를 진행하므로 좀 더 정확한 해석과 예측이 요구되고, 이를 반영하기 위한 도체 내 발열에 대한 하나의 현상이 구현된 기능으로 이해해보면 좀 더 쉽습니다. 줄발열 해석과 연계하여 구조, 유동해석 등 다양하게 활용하여 제품 내 온도 변화에 대한 검토가 가능합니다.
줄발열 해석에서 고려해야 할 사항은 어떤 것인가?
줄발열 해석을 위해서는 전압에 대한 차이와 형상에 대한 고려가 필요합니다. 전류의 흐름은 전압차로부터 발생하고, 불연속적인 형상에 따라 전류가 밀집되는 효과가 발생할 수 있습니다. 흔히 줄발열에 대하여 저항적 발열이라고도 표현합니다. 3D CAD data와 도체의 전기적 전도율, 전압차를 이용해 전류 밀도를 계산하고 이를 발열로 표현합니다.
줄발열에 대한 모사가 완료된 후에는 연계하는 해석 분야에 대한 고민이 필요합니다. 일반적인 접근으로 냉각 효과에 대한 고려가 필요할 것인가? 강제대류 상황에서 공냉식이나 수냉식인가, 쿨링팬에 대한 P-Q 곡선이 존재하는가? 온도가 높다면 어떻게 방열 설계의 개선안을 가져갈 것인가 등 보편적인 온도에 대한 해석 관점으로 생각해보면 좋습니다.
이번 예제에서는 레지스터 내부에 발생하는 줄발열과 전원 ON/OFF에 따른 4분간 쿨링팬 가동시 온도 변화 및 1분간 자연대류 상황에서의 온도 변화 등 조건 변화에 따른 내부 레지스터의 온도 변화를 관측합니다. 층류, 난류, 유동장 흐름 여부, 전류 발생 여부 등 다양한 조건에 대한 검토를 수행하며, 줄발열과 연계된 해석에서의 온도 변화를 이해하는 것을 목적으로 합니다.
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