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[Think] 4. Heat Transfer in Electric MachinesMechanical Design 2020. 10. 4. 15:23반응형
2020.10.3 기술이 발전하고 우리가 사용하는 가전제품의 성능이 좋아질수록 발열 문제는 더 큰 문제가 되어서 나타나기 마련이다. 오늘은 이러한 발열과 관련된 열전달(Heat Transfer)에 관해 이야기 해보려 한다.
1. 열이 전자기기에 미치는 영향
일반적으로 전자기기의 온도가 높아지면 다음과 같은 영향을 일으킨다.
(1) 부품 기능적 장해 : 소자의 정상적인 동작을 보증할 수 없게 된다.
(2) 부품 수명 저하 : 전자 부품의 고장률을 높여 수명을 줄인다.
High temperature increases the fatigue of material.
(3) 기계적 장해 : 열응력이나 열팽창에 의해 기계 부품에 데미지를 주고 오작동을 부른다.
(4) 화학변화의 촉진에 의한 장해 : 화학변화에 의해 특성이 열화되어 오작동을 부른다.
(5) 사람에 미치는 장해 : 사용자에 화상을 입게 하거나 불쾌감을 준다.
(6) 제품 적정사용온도보다 10ºC 높아질 때마다 제품 수명이 절반으로 줄어든다.
(항상 이런 것은 아니고 예외가 있지만, 대개 경험식으로 많이 알려진 내용이다.)In general, the Arrhenius model is likely appropriate for certain failure mechanisms including corrosion,
electromigration and certain manufacturing defects [1], but is not suitable for other significant failure modes, such as the formation of conductive filaments, contact interface stress relaxation, and fatigue of packageto-board level interconnect [5]. Ref [9] reviews electronics failure modes that are influenced by temperature and discusses which of them can be modeled with the Arrhenius equation
(출처: Ross Wilcoxon, "Does a 10°C Increase in Temperature Really Reduce the Life of Electronics by Half?",Aug. 18. 2017,electronics-cooling.com)
모든 전자부품에서는 열이 발생되는데 발열체의 온도 상승을 억제하기 위해 방열 면적을 확대하여 표면적을 높이거나 부품의 열전도로 등가 표면적을 확대하는 등의 방법이 있다.
(일반적인 열전달은 전도, 대류, 복사를 통해 발생한다.)
2. 전자기기 냉각방법 (Cooling techniques for electric machines)
전자기기 냉각방법은 열전달 방식에 따라 분류된다.
전도, 대류(강제, 자유), 방사, 증발 냉각, 그리고 냉매의 상변화를 이용하는 방법이 있다.
일반적으로 이런 열전달 방식은 복합적으로 일어난다. (Fig.8 참조)
2-(1). 열전달
열전달에는 전도, 대류 열전달과 방사(복사)열 전달이 있고, 대류 열전달율을 향상시키려면 풍속을 증대시키고 흐름을 난류화하는 방법이 있다.
각각의 사전적 의미를 살펴보면 다음과 같다. (GENERAL BACKGROUND KNOWLEDGE)
(1) 전도 (Conduction)
고체 내부 및 정지유체의 액체와 기체와 같이 물체 내의 온도차에 따른 열의 전달을 전도라 하며, 미시적으로는 물체내부의 분자나 전자가 갖고 있는 에너지가 인접한 분자나 전자에 도달되기 때문에 일어나는 열의 이동 현상이다.
(2) 대류 (Convection)
고체 벽과 유체 사이의 전열은 전도와 대류에 의하여 이루어지늗데, 대류란, 유체의 온도차가 있을 때 밀도차에 의해 유체의 순환운동이 일어나고 그 운동과 더불어 열이 이동하는 현상이다.
즉, 유체(Fluid)와 고체(Solid) 사이의 열 교환 현상이라 생각하면 된다.
(3) 복사 (Radiation)
열이 고온물체로부터 전자파로 되어 공간을 지나 저온 물체에 도달한 후 열로 변환되는 현상을 가리킨다.
방사열 전달율을 향상시키려면 고온면의 방사율을 올리고 주위의 흡수율을 올리는 방법이 있다.
부품의 소비전력이 커지면 히트싱크나 히트플레이트 등을 이용해 방열 면적을 늘리는 대책과 팬을 이용해 열전달율을 올리는 대책의 어느 쪽을 선택해서든 대처해야 한다.
일반적으로 소음이나 먼지 문제가 일어나지 않고, 전력이 불필요한 ‘면적 확대’ 방법이 먼저 활용된다.
2-(2) Cooling Location
전자 제품의 냉각방식에서 스테이터 냉각(Stator cooling)방식이 가장 일반적이다.
직접 냉각방식과 간접 냉각방식이 있는데, 이때 직접 냉각방식은 스테이터 중심부에서 열교환이 발생하는 것이고 간접 냉각 방식은 축방향이나 횡방향으로 스테이터의 표면을 흐르는 냉매가 열을 흡수하는 방식이다.
Water jacket (엔진에서도 많이 쓰임)이 가장 일반적인 간접 냉각방식이다.
2-(3) 방열대책 (저열저항화를 위한 어프로치)
전자기기의 저열저항화는 파라미터가 한정되어 해결방법이 그리 많지 않다.
예를 들면 장치에 실장된 어느 부품이 기준을 넘는 고온이 되어 버렸다고 하자.
이 부품의 열대책은 부품의 온도를 나타내는 상기 식으로부터 생각하면 알기 쉽니다.
상기 식으로부터 부품의 소비전력을 내릴 수 없다고 하면 부품 온도를 내리기 위해서 얻는 대책은 세 가지 방법이 있다.
(1) 유효 방열면적을 크게 한다. (방열부품, heatsink 사용 , 유효표면적 확대)
(2) 열전달율을 향상시킨다. (대류, 방사열전달 향상 – 풍속증대, 난류화)
(3) 주위의 온도를 내린다. (환기 품량을 증대, 주위 열원으로 영향을 배제)
전자기기의 저열 저항화 중에서도 가장 중요하고 꼭 생각해야 할 것이 ‘방열 면적의 확대’이다. 방열 면적을 화대하는 방법은 다양하지만 기본은 ‘부품을 면적의 큰 물체에 접촉해 방열시키는 것’이다. 따라서 반드시 ‘접속 한다’ 부분에 따른 ‘접촉 열저항의 감소’가 큰 과제이다.
3. 방열면적 확대와 접촉 열저항
‘방열면적의 확대’는 전자기기의 저열저항화 중에서도 가장 중요하고 먼저 생각해야 할 것이다.
방열면적 확대는 팬 설치 등 다른 대책에 비하면 코스트가 적어도 되기 때문에 소음/먼지/전력소비 팬수명 걱정이 필요 없다. 이때 접촉 열저항이란 접촉면의 미세한 요철에 의해 직접 접촉부분의 면적이 외고나의 접촉면적보다 훨씬 작기 때문에 생긴다.
예를 들면 반도체 부품이 히트싱크에 붙어 있는 경우 접촉 열저항 때문에 반도체 부품과 히트싱크 사이에 온도차가 생긴다. 접촉 열저항 값은 다음의 요인에 의해 변동된다.
(1) 면끼리의 접촉압력
(2) 접촉면적(외관상)
(3) 면표면의 불규칙
(4) 고체의 열전도율
(5) 틈새의 유체 열전도율
(6) 경도
cf. 방열면적 확대를 통해 열교환 효율을 높이는 방법으로 다공성 매체를 사용하는 방법도 있다.
(관련 연구에 관해서는 다시 다뤄볼 계획이다.)
4. 방열 재료의 활용 (TIM, Thermal Interface Material)
TIM (Thermal Interface Material)에는 방열시트, 방열윤활유, 열전도성 접착제, 방열겔, PCM(Phase Change Material) 등 각종 형태의 제품이 있다.
전자기기에서 발생하는 열을 외부로 배출할 때 영향을 주는 요소가 몇 가지 있다.
(1) The mode of heat transfer
(2) Heat transfer area and geometry (기하학적 형상)
(3) Working Fluid (작동유체: 냉매)
(4) Flow rate of working fluid and the temperature of workding fluid
TIM이 가지고 있어야 할 요건은 다음과 같다.
TIM을 이용할 때 열적 특성에 주목할 뿐만 아니라 신뢰성, 안정성, 제조성, 안전성 등 폭넓은 관점에서 평가해야 하는 것이다.
(1) 열전도율이 크다. (온도와 시간에 의한 변화가 적다.)
(2) 열응력, 폐해 등에 의해 부품에 영향을 주지 않는다. (유연성이 풍부하다.)
(3) 밀착성, 잘 벗겨지지 않는다.
(4) 내열성이 높다.
(5) 변화하지 않고 특성이 안정되어 있다. (기계적 열적 특성이 변화하지 않는다.)
(6) 가공성이 좋다. (제조 보수현장에서 작업성이 좋다.)
5. 냉각 디바이스의 종류
노트 PC에 사용하고 있는 냉각디바이스는 냉각팬, 히트싱크, 히트파이프, 방열시트, 방열윤활유 5종류이다.
(1) 냉각팬
냉각 팬의 종류는 축류팬, 원심팬, 횡류팬 등이 있다.
냉각팬 자체도 당연히 전력을 보시하고 발열을 한다. 팬 제어를 PWM 제어로 해 소비전력을 통상의 저압 제어보다 반 이하 발열로 억제하고 있다.
(2) 히트싱크 / 히트파이프
히트싱크 및 히트파이프는 냉각보다도 방열 면적을 넓게 하기 위해서 사용하는 디바이스이다.
히트싱크에 이용하고 있는 열전도 재료를 <표2>에 나타내었다.
히트싱크는 핀을 밀어 내 형재, 냉간 단조, 주조재 등에 의해 대체 성형한 것, 핀을 납땜한 것 등이 있다.
(3) 열전도성 재료 (방열시트와 방열 윤활유)
방열시트, 방열 윤활유는 발열부품과 히트싱크의 열 접촉재료로서 사용하고 있다.
CPU 등 발열량, 발열밀도가 높은 것에 접촉시키는 재료는 열전도율이 높고 두께는 가능한 한 얇은 것을 사용하는 것이 철칙이다.
6. Conclusion and Opinion
전자기기의 발열에 의한 손상은 대부분 Copper Losses, Iron Losses, Magnet Losses and Mechanical Losses의 네 가지 형태가 지배적이다. 기구적 형상 개선으로 열 교환율을 높이는 방법에는 한계가 있기에 Thermal management 단계에서 소재의 역할이 중요한 부분을 차지한다는 것을 알 수 있다.
어떤 제품이든 제조 원가를 낮추는 것이 중요하기에, Mateiral, Cost 그리고 열적 개선까지 고려한 최적설계가 필요하다.
이러한 수치해석에 주로 사용되는 방식은 FE 방식이 있으며, 열적 분석방식인 LPTN 분석법이 있으니 참고하길 바란다.
en.wikipedia.org/wiki/Lumped-element_model
7. References
[1] 문현찬,전자기기ㆍ부품의 방열문제에 대한 대책 및 기술 동향, 정보통신 기술 정책 및 산업 주간기술 동향 1405호,2009, 정보통신산업진흥원,p1-13)
[2] YANG, Yinye, et al. Thermal management of electric machines. IET Electrical Systems in Transportation , 2016, 7.2: 104-116.
[3] JANDAUD Pierre-Olivier LE BESNERAIS Jean,HEAT TRANSFER IN ELECTRIC MACHINE Overview of cooling and
simulation techniques in electric machines, September. 2017, www.eomys.com[4] Ross Wilcoxon, "Does a 10°C Increase in Temperature Really Reduce the Life of Electronics by Half?",Aug. 18. 2017,electronics-cooling.com
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