오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “방열팬 효과”에 대한 것입니다. 현대에 이르러 일상생활에서 소형에서 대형까지 많은 배터리가 사용됩니다. 냉각 성능이 떨어지거나 열이 갇히는 문제 발생에 따라 제품의 성능이 저하되거나 화재로 인한 피해가 다수 발생합니다.
용량이 많아질수록 복잡한 형태로 구성하고 보관을 위한 트레이와 방열 팬을 활용한 온도 제어가 이루어지고 있습니다.
방열 팬 설계 시 어떠한 것들을 주요하게 보고 확인이 필요한지 유체 해석 관점에서의 접근이 매우 중요합니다.
방열팬 설계에서 유체해석은 왜 필요할까요?
이번 주제인 배터리 트레이 구조물은 일상생활에서 일정 규모 이상의 전자 장비에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 다수의 배터리 구성이 필요한 구조물에서는 배터리의 보관과 온도 조절을 위해 간격을 통한 구성이 필요하고 이를 냉각하기 위한 장치들로 구성하기 위해 별도의 트레이가 필요한 것입니다. 또한, 소형 혹은 단일 배터리에서는 면적이 작기 때문에 수랭 방식이 효과적일 수 있으나, 면적이나 규모가 커질수록 기체를 이용한 방열 팬 방식을 채택하게 됩니다.
단순히 공간적인 효율만 생각한다면 배터리를 밀집해서 구성하면 매우 쉽게 설계할 수 있지만 반대로 갇힌 열에 의해서 화재의 위험을 급속도로 증가할 수 있습니다. 주변에서 쉬운 예시로 본다면 더운 날 여러 사람이 밀집하면 할수록 우리가 느끼는 더위와 짜증지수가 매우 크게 증가합니다. 선풍기를 틀어도 밀집한 경우에는 해소되지 않기 때문에 간격을 확보하거나 성능이 좋은 대형 선풍기 혹은 에어컨 등을 사용하게 됩니다. 실제 기체의 흐름은 사람의 눈에 보이지 않기 때문에 어떤 설계에서 효과적으로 적용될 것인가에 대해 유체 해석적인 접근이 필요합니다.
방열팬에 의한 냉각효과를 고려하여 어떻게 설계할 수 있을까요?
방열 팬에 의한 내부 강제대류 상황에서는 유체의 속도와 흐름이 중요합니다. 우리 눈에는 보이지 않지만 유체는 항상 흐르고 있으며, 팬 모터, 유체의 종류, 형상 등에 의해서 흐름의 방향성이 결정되고 부분적으로는 빠른 속도로 집중되거나 부분적으로는 속도가 거의 존재하지 않는 세 구간이 존재하기도 합니다. 유체에 의한 냉각은 흐름에 의해 유발되는 열을 가지고 이동하는 대류 효과로 발생하기 때문에 냉각이 반드시 필요한 구간에서는 원활한 유체의 흐름이 존재하는 것이 매우 중요합니다. 일반적으로 풍동시험이나 가시화된 컨투어 결과로 표현되는 전산 유체 해석(CFD)를 통해 접근하고 설계에 반영하게 됩니다.
이번 예제인 배터리 트레이 구조물에서는 방열 팬에 의한 강제대류 상황이 모사되어 있으며, 배터리가 적층 된 협소 공간에서 유체 흐름이 사구간 없이 원활하게 발생하는지, 실제적인 대류에 의한 냉각 효과가 어느 정도인지 온도 결과와 함께 확인해 보는 것을 목적으로 합니다. 예제 모델은 전체 배터리 트레이 중 1개 층을 별도 구성한 파트 모델로써, 방열 팬 2개 장착 시 내부 유체 흐름과 온도 변화 관측을 목표로 진행하여 해석한 자료입니다.
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