열해석 및 방열 설계의 필요성

최근 전자기기의 열 문제에 대한 심각성이 늘어나고 있다. 현재의 기술 개발은 저전력 설계 기술이 고속화를 따라잡지 못하는 상황에 있다. 전자기기의 열 설계는 이와 같은 고밀도화에 의해 증가한 발열 밀도로부터 기기를 어떻게 보호해서 동작이나 신뢰성을 유지하는 것이 중요하다. 또 전자기기는 그 개발 사이클이 짧아서 설계가 고정된 후에 열 대책을 세우는 것은 신속한 제품개발을 기대할 수 없으며, 보다 효율적인 설계를 위하여 열해석 필요하다. 이에 따라 제품 설계를 하는 기계 설계자에게 열 해석 및 방열 설계에 대한 요구 사항들이 많이 늘어나고 있다.

제품 개발 시 열해석 및 방열 설계가 왜 필요한가?

• 복잡해진 구성
• 구성 요소들의 기능 향상
• 좁은 공간의 활용
• 좁은 공간에 더 많은 기능 요구
• 최적화하기 위한 경쟁
• 냉각 기술 향상
• 좁은 공간에 더 많아진 기능과 부품에 의한 냉각 기술 향상 요구  
• Time to Market
• 경쟁의 증가로 인한 개발 기간 단축

제품 설계 시 설계자의 방열 설계에 대한 아이디어 요구 사항

• 시스템 사이즈 결정
• 시스템 구성 방향 제시
• 최적화하기 위한 경쟁
• 비용 결정: 고가 or 저가형
• 온도 규정 만족
• 시스템 수명과 연관
• 강제 대류 시 소음 결정
• 팬 사양 결정

열 이론의 이해(용어 설명)

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온도란 무엇인가?

   일상적: 어떤 물체가 차갑고 뜨거운 정도를 수치적으로 나타낸 것

   과학적: 물체를 구성하는 분자의 평균 운동 에너지를 나타낸 것

    ▪ 섭씨온도 °C (Celsius temperature)

      : 1 기압에서 순수한 물의 어는점을 0, 끓는점을 100으로 하고, 그 사이를 100등분하여 한 눈금을 1℃로 정한 온도

   ▪ 절대온도 °K (Kelvin temperature)

     : 이론적으로 분자의 운동 에너지가 0이 되는 온도를 절대 0도라고 하고, 섭씨온도와 같은 눈금 가격을 가지는 온도

 

열이란?

     온도를 변화시키는 원인으로 에너지를 주고받는 형태의 일종

 

열역학

  ▪ 열역학 제 1 법칙 (first law of thermodynamics)

    : 물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 그 물체에 가해야 하는 열량 Q 과 일 W 의 합은 일정하   다 ⇒ 에너지 보존의  법칙

  ▪ 열역학 제 2 법칙 (second law of thermodynamics)

   : 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다는 법칙 ⇒ 엔트로피 증대의 법칙  

  ▪ 열역학 제 0 법칙 (zeroth law of thermodynamics)

   : 어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형 상태에 있다 ⇒ 열평형 상태

 

열전달  Mechanism

▪ 열역학 : 열의 평형상태를 취급

▪ 열전달 : 열 에너지가 평형 상태를 유지라기 위해 이동하는 량을 취급

- 열의 이동 과정: Conduction , Convection,  Radiation

전도(Conduction)

▪ 입자간 상호작용에 의해 에너지가 많은 입자에서 에너지가 적은 입자로 전달되는 에너지의 형태.

- 고체 : 분자의 진동과 자유전자의 에너지 전달에 의함.

- 기체, 액체 : 분자들의 충돌과 확산에 의함.

▪ 열전도도(thermal conductivity) [W/m℃]

  :물질에 따른 열전도 능력

  

대류(Convection)

▪ 고체면과 인접하여 유동하는 액체 또는 기체 사이에서 발생하는

열전달 현상.

- 전도와 유체운동의 복합적 영향을 받음.

강제대류(forced convection)

: 외부의 영향에 의하여 표면 위로 유체가 강제로 유동되는 경우.

자연대류(natural convection)

: 유체 내부의 온도차에 의해 유체유동이 이루어지는 경우.

 

복사(Radiation)

▪ 물질의 원자나 분자의 구조가 변하면서 전자파 또는 광자의 형태로 방출되는 에너지의 전달.

- 중간매체가 필요 없음.

- 온도에 의해 물체가 방출하는 열복사(thermal radiation)만 취급.

 

방열 대책

부품의 소비전력을 내릴 수 없다고 하면 부품 온도를 내리기 위해서 얻는 대책은 세 가지 방법이 있다.

첫째, 유효 방열면적을 크게 한다(방열부품, heatsink 사용, 유효표면적 확대).

둘째, 열전달율을 향상시킨다(대류, 방사열전달 향상-풍속증대, 난류화).

셋째, 주위온도를 내린다(환기 풍량을 증대, 주위 열원으로 영향을 배제).

전자기기의 저열저항화 중에서도 가장 중요하고 꼭 생각해야 할 것이 ‘방열 면적의 확대’이다. 방열 면적을 확대하는 방법은 다양하지만 기본은 ‘부품을 면적의 큰 물체에 접속해 방열시키는 것’이다.

이를 위해서는 열해석을 통한 제품 설계가 필요하다. 전자기기는 그 개발주기가 짧으며 설계가 고정된 후에 열 설계에 의한 대책을 세우는 것은 제품의 개발 속도를 따를 수 없으며, 따라서 열 설계는 설계 초기단계부터 도입되어야 효율적인 개발을 수행할 수 있다. 즉 제품개념 단계에서 시스템 성능해석, 부품 레이아웃 해석, 및 설계 파라미터 해석 등에 적용되어야 한다