발열체 온도 기반 액침냉각 baffle 제어 시스템

발열체 온도 기반 액침냉각 baffle 제어 시스템

발열체의 발열량에 따라 능동적으로 냉각하는 방법은 없을까?

CPU,GPU의 발열 증가로 액침냉각 시스템에서 서버에 따라 열이 비대칭적으로 발생한다.

기존 방식은 유동 방향과 유량이 고정되어 각각의 열부하 변화에 능동적으로 대응하기 어렵다.

baffle 각도 제어를 통해 냉각 유체를 발열체 주변으로 유도할 필요가 있다.

펌프 유량과 baffle을 함께 제어하여 냉각 성능과 에너지 효율을 동시에 개선하고자 하였다.

기존 방식의 문제점

발열체 주변에 유동 정체 구간이 발생하면 국부 hotspot이 생겨 온도균일도가 저하된다.

기존 연구는 발열체의 발열량 변화에 따라 능동적인 냉각 방법을 제안하지 않았다.

냉각 성능 확보를 위해 펌프 유량을 과도하게 높이면 에너지 효율이 떨어질 수 있다.

능동적인 유동 제어를 하는 선행 연구가 부족하다.

핵심 아이디어

발열체 온도를 실시간으로 측정하여 온도에 따라 baffle 각도를 조절한다.

Baffle을 이용해 냉각 유체의 흐름을 발열체 주변으로 유도하여 국부 hotspot을 완화한다. Baffle만으로 냉각이 부족하면, 그때 펌프 제어를 한다.

CFD 해석을 통해 발열체 온도별 최적 baffle 각도를 도출한다.

실제 시스템에서는 PID 제어와 폐루프 펌프 유량 제어를 적용하여 냉각 성능과 에너지 효율을 함께 개선한다.

활용된 핵심 기술 또는 이론

CFD 해석: 발열량과 baffle 각도에 따른 유동 및 온도 분포 분석, 열전달 이론: 평균온도, 열전달계수, 온도균일도, PEC를 통한 냉각 성능 평가

PID 제어: 온도 센서 값을 기준으로 baffle 각도 조절, 폐루프 제어: 목표 온도와 실제 온도의 차이를 반영하여 펌프 유량을 자동 조절

기존 방식과의 차별성

기존 방식은 유량 또는 구조가 고정되어 있지만, 본 시스템은 발열체 온도에 따라 baffle 각도와 펌프 유량을 함께 제어한다.

국부 hotspot 제거와 온도균일도 향상을 동시에 목표로 한다.

CFD 해석으로 발열량별 최적 baffle 각도를 도출하고, 이를 실제 제어 시스템에 반영하였다.

폐루프 펌프 유량 제어를 적용하여 필요한 냉각 성능을 유지하면서 에너지 사용을 줄이고자 하였

문제 해결 과정

문제 인식: CPU,GPU 발열 증가로 액침냉각 시스템 내 국부 hotspot과 온도 불균일 문제가 발생할 수 있음을 확인하였다.

해석 수행: CFD 해석을 통해 발열체 발열량별 온도 분포와 유동 흐름을 분석하고, 가장 냉각 효과가 좋은 baffle 각도를 도출하였다.

시스템 구현: 온도 센서, 서보모터, 펌프를 활용하여 baffle 각도 제어와 폐루프 펌프 유량 제어가 가능한 소형 액침냉각 시스템을 구현하였다.

성능 검증: 실험을 통해 온도균일도 향상, 열전달계수 향상, PEC 향상, 평균온도 감소를 확인하였다.

최종 사용자

고발열 서버를 운영하는 데이터센터

액침냉각 기반 열관리 시스템을 개발하는 기업 및 연구기관

고성능 전자장비의 온도 안정성이 필요한 시스템 운영자

냉각 성능과 에너지 효율을 동시에 개선해야 하는 산업 현장

기대효과

발열체의 국부 hotspot을 줄여 온도 안정성을 높일 수 있다. (열폭주 방지)

온도균일도 향상과 평균온도 감소로 냉각 성능을 개선할 수 있다.

발열량에 따라 펌프 유량과 baffle 각도를 조절하여 불필요한 에너지 사용을 줄일 수 있다.

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)

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충남대학교 산학연교육연구관 2층 C룸, 캡스톤디자인 운영지원실

문의

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042-605-3609,3610

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