발열체의 발열량에 따라 능동적으로 냉각하는 방법은 없을까?
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CPU,GPU의 발열 증가로 액침냉각 시스템에서 서버에 따라 열이 비대칭적으로 발생한다.
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기존 방식은 유동 방향과 유량이 고정되어 각각의 열부하 변화에 능동적으로 대응하기 어렵다.
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baffle 각도 제어를 통해 냉각 유체를 발열체 주변으로 유도할 필요가 있다.
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펌프 유량과 baffle을 함께 제어하여 냉각 성능과 에너지 효율을 동시에 개선하고자 하였다.
기존 방식의 문제점
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발열체 주변에 유동 정체 구간이 발생하면 국부 hotspot이 생겨 온도균일도가 저하된다.
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기존 연구는 발열체의 발열량 변화에 따라 능동적인 냉각 방법을 제안하지 않았다.
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냉각 성능 확보를 위해 펌프 유량을 과도하게 높이면 에너지 효율이 떨어질 수 있다.
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능동적인 유동 제어를 하는 선행 연구가 부족하다.
핵심 아이디어
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발열체 온도를 실시간으로 측정하여 온도에 따라 baffle 각도를 조절한다.
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Baffle을 이용해 냉각 유체의 흐름을 발열체 주변으로 유도하여 국부 hotspot을 완화한다. Baffle만으로 냉각이 부족하면, 그때 펌프 제어를 한다.
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CFD 해석을 통해 발열체 온도별 최적 baffle 각도를 도출한다.
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실제 시스템에서는 PID 제어와 폐루프 펌프 유량 제어를 적용하여 냉각 성능과 에너지 효율을 함께 개선한다.
활용된 핵심 기술 또는 이론
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CFD 해석: 발열량과 baffle 각도에 따른 유동 및 온도 분포 분석, 열전달 이론: 평균온도, 열전달계수, 온도균일도, PEC를 통한 냉각 성능 평가
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PID 제어: 온도 센서 값을 기준으로 baffle 각도 조절, 폐루프 제어: 목표 온도와 실제 온도의 차이를 반영하여 펌프 유량을 자동 조절
기존 방식과의 차별성
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기존 방식은 유량 또는 구조가 고정되어 있지만, 본 시스템은 발열체 온도에 따라 baffle 각도와 펌프 유량을 함께 제어한다.
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국부 hotspot 제거와 온도균일도 향상을 동시에 목표로 한다.
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CFD 해석으로 발열량별 최적 baffle 각도를 도출하고, 이를 실제 제어 시스템에 반영하였다.
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폐루프 펌프 유량 제어를 적용하여 필요한 냉각 성능을 유지하면서 에너지 사용을 줄이고자 하였
문제 해결 과정
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문제 인식: CPU,GPU 발열 증가로 액침냉각 시스템 내 국부 hotspot과 온도 불균일 문제가 발생할 수 있음을 확인하였다.
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해석 수행: CFD 해석을 통해 발열체 발열량별 온도 분포와 유동 흐름을 분석하고, 가장 냉각 효과가 좋은 baffle 각도를 도출하였다.
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시스템 구현: 온도 센서, 서보모터, 펌프를 활용하여 baffle 각도 제어와 폐루프 펌프 유량 제어가 가능한 소형 액침냉각 시스템을 구현하였다.
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성능 검증: 실험을 통해 온도균일도 향상, 열전달계수 향상, PEC 향상, 평균온도 감소를 확인하였다.
최종 사용자
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고발열 서버를 운영하는 데이터센터
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액침냉각 기반 열관리 시스템을 개발하는 기업 및 연구기관
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고성능 전자장비의 온도 안정성이 필요한 시스템 운영자
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냉각 성능과 에너지 효율을 동시에 개선해야 하는 산업 현장
기대효과
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발열체의 국부 hotspot을 줄여 온도 안정성을 높일 수 있다. (열폭주 방지)
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온도균일도 향상과 평균온도 감소로 냉각 성능을 개선할 수 있다.
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발열량에 따라 펌프 유량과 baffle 각도를 조절하여 불필요한 에너지 사용을 줄일 수 있다.
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실시간 온도 기반 제어를 통해 열부하 변화에 능동적으로 대응할 수 있다.
참여 정보
팀명
team coolers
수강 교과목
심화종합설계
지도 교수
오동호
참여 개발자
정은희(기계공학부),성창민(기계공학부),신준섭(기계공학부)
