오늘 다뤄볼 주제는 수냉유로를 통한 '냉각 효율'에 대한 것입니다.
방열 설계에 대한 고민을 할 때, 냉매의 종류를 빼놓을 수 없습니다. 일반적으로 냉각수, 물, 공기 등 다양한 매질을 활용하기도 합니다. 하지만, 그 매질에 따라 효과나 방열 설계 방안 또한 달라질 수 있어 정확한 설계 방안을 이해하는 것이 중요합니다.
웨이퍼 히팅블럭과 같이 진공 상태에서 고온의 환경에 사용되는 제품에 대해서는 공기를 이용한 공냉 방식은 제한될 수 있습니다. 히팅 블록 내부에 전도율이 높은 냉각수 유로를 만들어 그 효과를 증대 시키는 방향으로 설계하기도 합니다.
방열 설계를 할 때 가장 먼저 고려해야 할 요소는 냉매의 종류입니다. 일반적으로 냉각 방식은 팬이나 HVAC를 활용한 공냉 방식, 배관을 이용한 수냉 방식, 그리고 탱크를 활용한 냉침 방식 등으로 나뉩니다. 설계 대상의 환경과 목적에 따라 적절한 냉매와 냉각 방식을 선택해야 합니다.
공냉 방식은 건물 실내처럼 넓은 공간이나 전자 장비 내부처럼 유로 설계가 어려운 협소한 공간에서 활용됩니다. 이때 쿨링 팬, 크로스플로우 팬 등의 동력 장치나 HVAC 시스템을 이용해 공기의 흐름을 조절할 수 있습니다.
반면, 액체 냉각 방식은 공기보다 20~30배 높은 열전도율을 가지기 때문에 냉각 효과가 뛰어납니다. 그러나 중력의 영향을 받기 때문에, 유로를 설계하거나 탱크를 이용하여 액체를 채우는 방식이 필요합니다. 주로 반도체 장비처럼 진공 환경이 요구되거나, CPU 냉각처럼 특정 부위의 냉각 효과를 극대화해야 하는 경우 사용됩니다. 냉매의 종류와 설계의 목적에 따라 적절하게 선택하는 것이 중요합니다.
액체 냉각 방식에서는 유로를 통해 열교환이 이루어지기 때문에, 유로 설계가 핵심적인 요소입니다. 특히, 액체와 발열체 간의 접촉 면접이 넓을수록 열교환 효율이 증가하지만, 초기 열교환량이 과도하게 높아지면 액체의 온도가 상승하여 후단에서 열교환 효율이 저하될 수 있습니다. 이는 온도 균일성에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 균일성과 열교환 효율 간의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.
최적의 유로 설계가 매우 중요하며, 형상안에 따라 온도 분포 확인이 필요합니다. 두 가지가 상반된 결과를 만들어낼 수 있기 때문에 균일성과 열교환 효율 사이에서 저울질이 매우 중요합니다.
이번 예제에서는 웨이퍼 히팅 블럭과 내부의 냉각수 유로 형상 변경에 따라 효과를 보는 것을 목적으로 합니다. 유로의 형상에 따라 온도 균일도와 열교환 효율이 어떻게 변하는지에 대해 이해하는 것이 필요합니다.
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