적층 가공으로 증기 챔버의 열 성능을 개선하는 방법

인터넷에 대한 욕구와 의존도가 계속 증가함에 따라 2025년에는 18초마다 데이터 센터와 상호작용[1]하게 될 것으로 예상됩니다. 이로 인해 전자 산업은 호황을 누리고 있으며, 수요를 따라잡기 위해 데이터 센터의 수가 급속히 증가하고 있습니다. 데이터센터 서버와 함께 최신 전자기기에 전력을 공급하려면 막대한 양의 에너지가 필요하며, 최근 통계에 따르면 데이터센터는 현재 전 세계에서 생성되는 총 에너지의 약 3%를 소비하고 있습니다[2].

전자제품의 열 관리

그러나 이 에너지 소비의 상당 부분은 냉각에 사용되며, 일부 데이터센터에서는 냉각 및 환기 시스템 전력 공급에 40%의 에너지를 소비합니다[3]. 전자 기기의 손상을 방지하고 성능을 유지하며 안정성과 수명을 개선하려면 이렇게 낭비되는 열을 효과적으로 발산해야 합니다.

• 냉각판 열교환기는 전자제품을 위한 효과적인 냉각 장치입니다.

필요한 냉각량과 에너지 소비를 줄이기 위해 전자제품 제조업체와 데이터 센터는 전자 부품을 보다 효율적으로 냉각할 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 이를 통해 에너지 비용뿐만 아니라 탄소 발자국도 최소화할 수 있습니다.

2상 열전달

전자기기를 냉각하는 일반적인 방법은 순환 냉각수를 통해 열원에서 열을 전도하는 금속 방열판을 사용하는 것입니다. 하지만 훨씬 더 효율적인 열 전달 방법은 상변화 기술입니다. 상변화 기술은 기본적으로 작동 유체가 증발하면서 열 에너지를 흡수하고 응축하면서 이 에너지를 발산하는 방식입니다.

"상변화 냉각 기술은 훨씬 빠른 속도로 에너지를 전달하는 매우 효과적인 방법입니다."라고 Conflux Technology의 열 엔지니어인 제이슨 벨라르도 박사는 설명합니다. '작동 유체의 잠열이 높다는 것은 상 변화에 많은 양의 열 에너지가 필요하다는 것을 의미하므로 증발하기 전에 열원에서 많은 열을 흡수할 수 있는 능력이 있습니다.

"부품의 크기가 계속 작아지고 더 컴팩트하고 까다로운 환경이 조성되면서 전자제품의 효율적인 열 관리가 점점 더 중요해지고 있습니다."라고 Velardo는 설명합니다. "상변화 기술의 또 다른 장점은 완전히 수동적이라는 점입니다. 액체를 펌핑해야 하는 기존 냉각 시스템과 달리 기본적으로 자체적으로 작동합니다. 유체를 증기 챔버로 외부로 이동하려면 여전히 팬이나 펌프가 필요하지만, 증기 챔버로 인한 성능 향상으로 이러한 에너지 투입을 최소화할 수 있습니다."라고 설명합니다.

증기 챔버란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

특정 상 변화 열전달 장치 중 하나는 증기 챔버입니다. 이 2상 폐쇄 루프 시스템은 작동 유체와 다공성 심지 구조로 채워진 밀폐된 인클로저로 구성됩니다. 작동 유체는 열원에서 생성된 열 에너지를 흡수하여 증기로 증발시킵니다. 밀도가 낮은 이 증기는 챔버의 더 차가운 영역으로 올라가 다시 액체로 응축되어 상이 바뀌면서 열 에너지를 방출합니다.

그런 다음 액체는 모세관 작용을 통해 다공성 심지 구조를 통해 흐르고 다시 열원으로 돌아와 이 과정을 반복합니다. 이러한 증발과 응축의 지속적인 사이클을 통해 증기 챔버는 넓은 표면적에서 열을 효과적으로 발산할 수 있습니다.

증기 챔버와 히트 파이프

"증기 챔버는 종종 비슷한 상 변화 원리를 기반으로 하는 히트 파이프와 비교되기도 합니다."라고 Velardo는 말합니다. '히트 파이프는 파이프를 따라 A 지점에서 B 지점으로 열을 전달하는 데 중점을 두지만, 증기 챔버는 중앙 지점에서 열을 받아 전체 표면으로 확산하도록 설계되었습니다. 증기 챔버는 열을 분산시키는 데 탁월하기 때문에 고성능 전자제품의 밀집된 환경에서 열을 관리하는 데 이상적입니다.

전통적인 증기 챔버 제조

증기 챔버는 겉으로 보기에는 평판처럼 보이지만 내부는 본질적으로 속이 빈 직사각형 용기입니다. 이 용기에는 작동 유체의 이동을 용이하게 하는 다공성 심지 구조가 늘어서 있고 그 안쪽에는 빈 증기 영역이 있습니다.

일반적으로 용기는 가공된 금속 시트를 결합하여 만들어집니다. 심지는 분말 층을 증착한 다음 압축하고 가열하여 단단하지만 다공성 구조를 만드는 방식으로 별도로 제조됩니다. 이 심지는 금속 시트의 표면에 접착되고 금속 접합 공정을 통해 어셈블리의 두 반쪽이 서로 결합됩니다.

"이러한 전통적인 제조 기술의 문제점은 공정이 너무 많다는 것뿐만 아니라 각 공정마다 조금씩 다른 온도와 환경이 필요하다는 점입니다."라고 Velardo는 말합니다. "누출을 방지하기 위해 구조물을 안전하게 결합하고 밀봉하려면 공정의 순서를 고려해야 하는데, 이는 매우 복잡할 수 있습니다. 

증기 챔버의 혁신: 적층 제조의 잠재력

제조 공정을 간소화하기 위해 컨플럭스 테크놀로지는 적층 제조를 사용하여 용기, 심지, 챔버를 단일 프린팅 공정으로 하나의 모놀리식 구조로 프린팅하는 실험을 해왔습니다. 이를 통해 제조 단계의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 층별로 구조를 구축하는 고유의 충실도 덕분에 적층 제조는 열 차단 성능을 유지하거나 개선하면서 고유한 모양을 만들 수 있습니다.

"3D 프린팅 증기 챔버에 대한 연구가 거의 없는 만큼 흥미로운 R&D 프로젝트이지만, 저희는 이 프로젝트가 엄청난 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다."라고 Velardo는 강조합니다. "주요 장점 중 하나는 기존 방식으로는 효과적으로 제조하고 밀봉하기 매우 어려운 매우 섬세하고 복잡한 디자인을 만들 수 있다는 점입니다. 이는 이전에는 불가능했던 매우 까다로운 환경에서도 증기 챔버를 사용할 수 있는 기회를 열어줍니다.

증기 챔버 성능 향상

Conflux의 초기 증기 챔버 설계는 알루미늄 용기와 심지, 아세톤을 작동 유체로 사용하는 원형 형태였습니다. 몇 가지 초기 테스트 결과, 심지의 유압 성능과 증기 챔버의 열 성능 모두 유망한 것으로 나타났습니다:

• 적층 제조 심지는 전통적으로 제조된 심지 구조와 유사한 투과성과 다공성을 가졌습니다.
• 적층 제조 증기 챔버의 열 저항은 고체 금속 열 스프레더에 비해 약 10% 감소하는 것으로 나타났습니다.
• 증기 챔버는 또한 고체 스프레더에 비해 표면의 온도 분포가 더 균일했습니다.
• 2상 증기 챔버 솔루션으로 전환하여 약 50%의 중량 감소

"심지 구조를 개발하는 것이 가장 어려운 과제였습니다."라고 Velardo는 설명합니다. "적층 제조가 발명된 이래로 다공성이 전혀 없는 단단한 구조를 인쇄하는 것이 어려웠습니다. 하지만 심지 구조는 다공성이어야 했기 때문에 생각을 완전히 뒤집어야 했습니다.

심지 내부의 수천 개의 미세한 구멍은 모세관 작용을 통해 작동 유체가 심지를 통과할 수 있도록 합니다. 이렇게 하면 응축된 작동 유체를 열원으로 다시 순환시키는 데 필요한 압력 차이가 발생합니다. 이러한 기공의 특성에 따라 심지의 성능과 증기 챔버 및 기타 2상 열전달 장치에서의 적합성이 결정됩니다.

"일반적으로 가장 효과적인 심지 구조는 소결 분말 심지입니다."라고 Velardo는 설명합니다. '분말을 다이에 넣고 압축한 후 오븐에서 융합하는 방식으로, 선택적 레이저 소결과 유사한 원리입니다. 우리는 이전에 한 번도 해본 적 없는 적층 제조 기술을 사용하여 소결 심지를 제조할 수 있는지 확인하고 싶었기 때문에 오븐 대신 레이저를 사용하여 인쇄하는 동안 분말을 부분적으로 녹였습니다. 이 레이저의 동작을 정밀하게 제어하여 심지의 특성을 미세하게 조정하여 더 높은 열 성능을 달성하는 동시에 용기의 단단한 벽과 심지의 다공성 벽 인쇄 사이를 전환할 수 있었습니다."라고 Velardo는 설명합니다.

"전반적으로 우리 연구는 적층 제조가 증기 챔버에 필요한 제조 공정의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기존 설계보다 더 높은 열 성능을 가진 증기 챔버를 생산할 수 있음을 보여주었습니다. 아직 더 많은 연구가 필요하지만, 연구 개발의 성공에 따라 여러 건의 적층 증기 챔버 특허를 출원했습니다. 적층 제조 증기 챔버가 전자 냉각 산업에 가져올 수 있는 잠재적 이점은 매우 흥미롭습니다.

참조

[1] 데이터 센터 전력 소비 [온라인]. 댄포스

[2] 2023. 무엇이 하이퍼스케일을 하이퍼스케일로 만들까요? [온라인]. AFL 하이퍼스케일

[3] 2022. 데이터 센터 냉각 비용 [온라인]. 데이터스팬