열유동해석을 통해 알아보는 통신중계기의 방열 성능

2022.09.02 반디통
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해석 사례

오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “팬 냉각 성능”에 대한 것입니다.

 

최근 5G 시대가 열리면서 고효율과 고발열의 통신장비가 많이 사용되고 있습니다.
현대 시대에서 만약 고장에 의해서 1분이라도 마비가 된다면, 회사, 은행, 식당, 도로교통까지 매우 큰 문제가 발생할 수 있습니다.

 

5G 시대에 따른 고효율, 고발열의 통신중계기

 

밀집된 열이 발생하는 구조물의 경우 가장 위험한 요인 중 하나가 열 입니다.
각 제품에는 운영을 위한 유효한 온도가 존재하며, 어떻게 효과적으로 냉각할 수 있을지 이해하고 접근해야만 합니다.

 

통신중계기 내부의 고발열 소자

 

구조물에 대해 열 유동 해석 검토는 왜 필요할까요?


5G 시대가 되면서 이번 주제인 통신중계기를 포함한 모든 통신장비에는 소형화, 고효율화되면서 성능 향상에 따른 고발열 문제가 주요하게 발생하고 있습니다. 이와 함께 방열 설계에 대한 니즈가 많아지고 있으며, 가장 일반적으로 공기와 같은 유체를 활용한 팬 강제 대류 냉각을 사용하게 됩니다. 하지만 우리 눈에는 보이지 않아 실험하더라도 실제로 설계가 잘되었는지 확인할 수가 없으므로 일반적으로 CAE 열 유동 해석으로 접근합니다.


가시화된 결과를 본다는 것은 매우 중요합니다. 팬의 위치나 개수에 따라 유체가 어떻게 흐르는지 Dead zone이 발생하여 열이 집중되는지, 성능이 부족하지 않은지 등에 대해 수치화된 값으로 보고 효율적인 설계 접근이 가능하기 때문입니다. 하나의 제품 개발 후 수백, 수천 대를 생산 기준으로 생각하면 다양한 조건에 대한 최적화 설계는 안전성을 물론 생산 단가에도 중요한 요인으로 작용할 수 있습니다.


“냉각 성능”에 대해 어떻게 정의하고 설계할 수 있을까요?


열은 우리가 흔히 알고 있는 열역학 법칙에 따라 고온에서 저온으로, 엔트로피가 많은 방향으로 흘러가려고 합니다. 항상 열평형 상태를 이루기 위해 구조물의 내부 혹은 외부의 유체에 의해 열이 이동되는 것을 정의하고 해석하는 것입니다. 대부분의 방열 설계에 유체를 활용하며, 수랭식은 물의 높은 전도율 이용하여 좁은 면적에 대해 효과적으로 적용하고, 공랭식의 경우 공기의 전도율이 낮더라도 전열면을 늘리거나 유속을 빠르게 하여 광범위한 공간에 대하여 내부의 열을 외부로 빼는 설계법이라고 보면 좋습니다.


그렇다면, 팬 강제대류 냉각에 대해서 어떻게 해석 검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제 모델은 통신중계기로 내부 공간 확보가 불가능하므로 수랭식 보다는 주요 부품에 대하여 방열 핀과 팬 강제 대류를 통해 공랭식 설계법으로 적용된 예제입니다. 가시화된 내부 유체 흐름 분석과 함께 온도분포를 확인함으로써 유체를 이용한 냉각 효과에 대해서 이해하는 것을 목표로 하고 있습니다. 그렇다면, 팬 강제 대류 냉각을 어떻게 할 수 있을지 통신중계기 예제와 함께 진행해보도록 하겠습니다.


해석 프로그램


- midas NFX CFD


해석 종류


- 열 유동 해석(Heat Transfer Analysis)


해석 목적


- 고발열 소자가 밀집된 통신중계기의 팬 강제 대류 냉각 효과 검토
- 내부 기류 특성에 따른 온도 분포 검토

 

통신중계기 실제 모델과 해석 모델

그림 1. 통신중계기 실제 모델과 해석 모델

 

주요 해석 결과


- 흡기구 위치가 전면부에 편중되어 있으며, 전면부 위치 및 일부 유로에서 유속이 편중된 결과가 확인됨.
- 내부 편중된 유속 분포에 의해 Dead zone이 형성되어 일부 온도가 크게 증가하는 위치 확인됨.
- 내부 주요 칩에서 상단에서 100도 ~ 106도 온도 분포, 하단에서 72도 ~ 80도 온도 분포 확인됨.
- 입구부 유로 개선을 통해 균일한 유속 및 온도 분포 확보가 필요하며, 주요 부품 온도 결과에 따라 방열 핀 개선, 팬 성능 향상 등 추가적-인 방열 설계가 필요함.
통신중계기 내부 공기에 대한 열유동해석 결과

그림 2.통신중계기 내부 공기에 대한 열유동해석 결과

 

통신중계기 내부 열, 온도 분포 해석 결과

그림 3. 통신중계기 내부 열, 온도 분포 해석 결과

 

통신중계기의 열유동해석에 대해

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