수직-수평 팬 배치에 따른 라디에이터 냉각 효과 분석

1. 서 론

전력 변압기는 에너지 전송 및 배전 시스템의 핵심 요소이다^[1]. 전력 변압기는 생산 및 설치, 구매 비용이 높아 장기간을 목표로 사용되며, 최대 성능을 만족시키기 위해 과부하 된 상태에서도 운용된다^[2]. 따라서 이와 같은 이유로 변압 과정 중 발생되는 열에 의한 성능 저하 및 수명 단축과 오작동 문제 등이 발생 할 수 있다. 이를 방지하기 위해 라디에이터와 같은 외부 냉각 시스템을 활용하여 온도를 낮추는 것이 중요하다. 최근 변압기의 고효율화, 소형화 추세에 따라 다양한 형태의 변압기 연구들이 진행되고 있다^[3]. 하지만 고효율의 소형화된 변압기 권선은 단위 부피당 발열량이 증가하므로 문제가 되고 있다^[4,5]. 따라서 발열 문제에 대응하기 위한 외부 냉각 시스템의 적용에 있어서 최대 냉각 성능을 유지할 수 있는 연구가 필요하다. Paramaned et al.^[6]은 냉각 팬 위치에 따른 라디에이터의 냉각 성능을 파악하였다. 여기서는 라디에이터의 바닥 면에 냉각 팬을 설치하면 측면 일 때 보다 냉각 효율이 높다는 결과를 얻었다. Fdila et al.^[7]은 냉각 팬의 개수와 크기에 따른 라디에이터 냉각 성능을 수치적으로 분석하였는데, 냉각 팬의 크기와 개수가 증가함에 따라 라디에이터의 냉각 성능이 향상되는 결과를 얻었다. Garelli et al.^[8]은 자연 대류와 수직팬을 이용한 강제 대류 냉각 시스템에서 라디에이터 열 방출량을 비교하였다. 팬을 라디에이터 하부에 설치하여 수직형 기류를 형성하며 라디에이터를 냉각시켰다. 강제 대류시 자연 대류일 때보다 높은 열 방출량이 나타났다. Talu et al.^[9]은 라디에이터의 형상에 따른 냉각 성능에 대하여 연구하였는데, 라디에이터의 오일 입출구와 변압기가 이루는 경사각이 20도 각도를 유지할 때 성능이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. Kim et al.^[10]은 팬 배치와 절연유의 유량을 변경하면서 라디에이터 냉각 성능을 평가하였으며, 절연유의 유량이 높을수록 냉각 성능에 영향을 미친다는 결과를 얻었다. 선행된 연구들에서 라디에이터의 냉각을 위한 팬 배치는 주로 측면이나 바닥의 단일면에 설치되어 있으며, 수직-수평 팬 배치에 따른 냉각 효과에 대한 연구는 미비한 실정이다. 그리고 냉각 시스템의 소형화에 따른 냉각 팬의 설치를 고려한다면 공간적 제약이 발생하게 되면서 팬 개수의 감소와 수평 및 수직면에 팬을 설치해야하는 상황이 발생할 수 있다. 이는 팬을 통한 효과적인 냉각이 어려워지기 때문에 공간의 제약 상황에서의 냉각 시스템 효율을 최적화 하기 위한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 ANSYS사의 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용하였다. 전산유체역학을 이용하여 다양한 수평-수직 교차 형식의 냉각 시스템에 대한 냉각 효과를 분석하였다. 또한 팬 성능에 따른 냉각 효율성을 검토하기 위해 출력이 다른 팬을 모델링하여 냉각에 투입되는 파워와 방출되는 열량의 비율(FOM, factor of merit)을 측정하였다.

2. 이 론

2.2 벽면 온도 구배 조건

라디에이터 주변의 열유동 과정을 분석하기 위해 라디에이터 벽면에 온도 구배 조건을 부여하였다. 이때 사용한 경계 조건의 모식도(Fig. 1(a))와 열 유속과 대류 열 전달 계수는 다음과 같이 정의된다^[11].

$\[ q=h_f\left(T_w-T_f\right) \]$

(5)

$\[ Q=qA \]$

(6)

Fig. 1

Boundary conditions of numerical analysis[11]

여기서 q는 벽면 온도 구배 경계 조건으로 인해 발생된 열유속, Q는 열 방출량, h_f는 열전달 계수, T_w는 벽면 온도, T_f는 주변 유체의 온도, A는 벽면의 면적이다.

3. 실험 검증 및 경계 조건

본 연구에서는 수치해석 모델을 검증하기 위해 Paramane et al.^[6]의 라디에이터-팬 냉각 실험에서 계측된 라디에이터의 총 열 방출량과 팬의 질량유량 결과를 비교하였다. 검증 모델은 Fig. 2와 같이 높이, 폭, 너비가 5.4 m, 2.1 m, 6.5 m인 유동장 영역에 3개의 팬과 4개의 라디에이터로 구성되며 각 라디에이터의 높이는 2.6 m이다. 팬은 라디에이터의 측면에 수직하게 정렬되었으며, 수치 해석 모델의 경계 조건은 Table 1과 같다^[6]. 유체는 실험 환경 조건인 50℃ 공기로 설정하였으며 비압축성이라 가정하였다. 오직 팬에 의한 냉각 효과만을 검토하기 위해 Inlet과 Outlet은 0 Pa로 설정하였다. Nabati^[12]의 연구에 따르면 라디에이터의 표면 온도변화는 상단에서 하단까지 선형적으로 근사화 할 수 있다. 이에 따라 라디에이터의 표면에는 상단부터 하단까지 93℃에서 80℃까지 선형적으로 온도가 정의된다. 팬 모델은 압력 상승 모델을 사용하여 해석 시간을 단축하고, 수렴성을 확보하여 정확도가 높은 해를 도출하였다. Fig. 2(c)에 라디에이터 핀의 두께 및 개수를 나타내었다. 각 라디에이터는 두께 4 mm, 폭 520 mm인 핀 14개로 구성되어있다. Fig. 3(a)는 라디에이터의 열 방출로 가열된 공기가 팬에 의해 배출되는 유동 결과를 나타낸다. 가열된 공기는 팬에서 나온 유동에 의해 라디에이터 밖으로 배출 된다. Fig. 3(b)는 실험과 해석에서 도출된 라디에이터의 열 방출량과 팬에 나오는 질량 유량을 비교하였다. 해석의 질량 유량과 열 방출량은 2.15 kg/s와 53 kW로, 실험 결과와 2.3%와 1.9%의 오차를 보였다. 이에 따라 본 연구에 사용된 수치해석 모델에 대한 신뢰성을 확보하였으며, 라디에이터의 열 방출량을 예측하는 모델이 검증되었다고 판단할 수 있다.

Fig. 2

CFD modeling

Table 1

Boundary conditions[6]

Fig. 3

Results of validation model

4. 수직-수평 팬 배치 모델 해석 및 결과

4.1 팬 배치 모델

수직-수평 방향의 팬 배치에 따른 냉각 효과를 분석하기 위해 Kim et al.^[10]이 제안한 하이브리드 쿨링 시스템의 팬 배치법을 차용하였으며, Fig. 4와 Table 2에 9가지 배치 안을 나타내었다. 팬 배치는 수직 방향과 수평 방향에 각각 3개의 위치 중 한 곳을 선택하여 수직-수평 배치 효과를 분석할 수 있게 제안되었다. 이에 따라 총 9가지 배치안에 대한 해석을 수행하였다. 또한 팬 성능에 따른 냉각 효과를 분석하기 위해 팬의 압력 차이가 25 Pa과 75 Pa인 팬 조건에 대해 추가적인 해석을 수행하였다.

Fig. 4

Analysis fan layout

Table 2

Fan layout

4.2 수치해석 결과

Fig. 5는 팬의 압력차가 50 Pa일 때, 4 m/s의 유속 등면(Iso-surface)에 대한 온도 분포를 나타낸다. 수직과 수평 팬에서 뻗어 나온 유동은 교차점에서 서로 충돌하여 대각선 방향으로 유동의 형태가 변경된 것을 확인 할 수 있다. 수평 팬의 위치가 B1에서 B3로 이동할수록 수직 팬에서 나오는 유동이 잘 발달하였다. 수직 팬의 위치가 S1에서 S3로 이동할 때는, 이와 반대되는 현상이 관찰되었다. 유동이 직교하면서 충돌할 때 유동의 역류 현상이 발생하였다. 역류 현상은 라디에이터 유동장 내부에 유동이 정체되어 있는 부분까지 공기 흐름을 발생시켜 냉각 효과를 더욱 증진시키는 역할을 한다. Fig. 5(d)-(f)와 같이 수직 팬의 위치가 S2일 때 역류 현상이 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 충돌 후 유동 방향이 변경되어 라디에이터를 통과하는 유동 영역이 S1과 S3일 때보다 많은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 S2에서의 열 방출량이 S1과 S3에서의 열 방출량보다 높게 나타날 것을 유추할 수 있다.

Fig. 5

ISO-surface velocity 4 m/s and temperature

Fig. 6은 팬 배치와 팬 압력차에 따른 라디에이터의 총 열 방출량 결과이다. 전체적으로 팬 모델의 압력 차이가 증가할수록 열 방출량이 높게 분석되었다. 그리고 3가지 팬 모델 모두 S2B1 배치일 때 가장 높은 열 방출량이, S3B3 배치일 때 가장 낮은 열 방출량이 나타났다. 팬의 압력차가 커질수록 S2B1 배치와 S3B3 배치에 대한 열 방출량 차이가 증가하는 것을 확인할 수 있다(Table 3). 라디에이터 냉각 시 성능이 좋은 팬을 사용할수록 팬 배치 선정이 중요한 것으로 판단할 수 있다. 또한 수직 팬의 위치가 S1일때 수평 팬의 위치가 B1에서 B3으로 이동할수록 열 방출량이 증가하는 경향을 보였지만, 수직 팬의 위치가 S2나 S3일 때는 수평 팬의 위치가 B1에서 B3로 갈수록 열 방출량이 감소하는 추세를 보였다. 이는 수직 팬이 S1에 위치할 때, 수직 팬에서 나와 라디에이터를 통과하는 유동이 B1에서 B3로 갈수록 발달하기 때문이다(Fig. 5 (a)-(c)). 하지만 수직 팬이 S2나 S3에 위치할 때는 수평 팬의 위치가 B1에서 B3로 갈수록 유동 충돌 이후 발생하는 대각선 유동이 발달하지 못하여 열 방출량이 감소되었다(Fig. 5(d)-(i)).

Fig. 6

Total heat dissipation

Table 3

Results of max and min heat dissipation

Fig. 7은 팬 압력차가 50 Pa일 때 최대 열 방출량과 최소 열 방출량이 나타났던 S2B1 배치와 S3B3 배치에 대한 해석 결과이다. Fig. 7(a)와 (b)는 각 배치에서 가열된 공기가 팬에 의해 라디에이터 밖으로 퍼져나가는 것을 확인할 수 있다. Fig. 7(a)의 S2B1 배치에서는 팬에서 나온 유동이 충돌 후 생성된 2차 유동 흐름에 의해 라디에이터 A와 B방향으로 가열된 공기가 배출되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 Fig. 7(b)의 S3B3 배치에서는 C방향으로 가열 공기가 배출되며, 배출되는 유량이 S2B1보다 적은 것으로 관찰되었다. Fig. 7(c)는 라디에이터 중심면을 기준으로 가열된 공기의 온도 분포를 히스토그램으로 작성하여 기존 팬 배치 모델의 결과와 비교한 것을 보여준다. S2B1 배치에서는 Fig. 7(a)의 A와 B 방향으로 가열 공기가 많이 배출되면서 70℃ 이상의 공기는 라디에이터 영역에 약 6% 정도 남아있다. 이와 반대로 S3B3 배치에서는 라디에이터 중단의 가열 공기가 많이 배출되지 못하여 70℃ 이상 공기가 약 30% 남아있다. 기존 배치 모델에서의 평균 온도는 56℃이고, S2B1 배치와 S3B3 배치의 평균 온도는 각각 58℃와 63℃이다. S2B1 배치는 기존 배치와 평균 온도가 2℃ 차이가 나지만, S3B3 배치는 8℃가 차이가 나며, 상대적으로 높은 온도 분포를 보였다. 이에 대한 내용은 Table 4에 정리하였다. 따라서 S2B1과 S3B3 배치에서의 최대 및 최소 열 방출량 도출 원인은 공기 배출 현상과 유동장의 온도 분포에 기인하고 있음을 시사한다.

Fig. 7

Difference between S2B1 and S3B3

Table 4

Percentage of temperature distribution

Fig. 8은 최대 열 방출량이 나온 S2B1 배치에 대해 3가지 팬 모델 결과이다. Fig. 8(a)-(c)는 각각의 팬 모델에서 4 m/s의 유속 등면에 대한 공기 온도 분포를 나타낸다. 팬 모델의 압력 차가 커질수록 유동 충돌 후 발생하는 역류와 대각선 유동이 크게 발달되며, 이로 인해 라디에이터의 열 방출량도 증가하였다. Fig. 8(d)는 개별 라디에이터에 대한 열 방출량을 보여주며, 이에 대한 수치는 Table 5에 나타냈다. 가로축은 라디에이터의 번호를 의미하며, 세로축은 각 라디에이터에서 방출되는 열량을 의미한다. 팬의 압력차가 25 Pa과 50 Pa 일 때는 라디에이터 1번과 2번에서 가장 높은 열 방출량이 분석되었다. 75 Pa 모델에서는 라디에이터 2번과 3번에서 가장 높은 열 방출량이 분석되었다. 이는 25 Pa과 50 Pa 팬 모델에서는 유동 충돌 후 생성되는 2차 유동이 크게 발달되지 않아 S1 팬과 B1 팬에서 나오는 직선형 유동에 영향을 크게 받지만, 75 Pa 팬 모델에서는 2차 유동이 발달하여 라디에이터 2번과 3번의 열 방출량이 크게 증가하였다.

Fig. 8

Analysis result at S2B1 fan layout

Table 5

Heat dissipation of each radiator in S2B1 layout

Fig. 9는 수직 팬이나 수평 팬의 위치가 동일할 때 평균 열 방출량을 계산하여 팬 모델과 위치와의 관계를 나타낸다. Fig. 9(a)는 수직 팬의 위치가 S1에서 S3로 변할 때 팬의 압력차이에 대한 평균 열 방출량 결과이다. 팬의 위치가 S2일 때 모든 팬 모델에서 높은 열 방출량을 나타내고 있는데, 팬 압력차이가 50 Pa일 때 S1과 S2 위치의 평균 열 방출량은 거의 일치하였다. S3 위치에서는 모든 팬 모델에서 낮은 열 방출량을 나타냈다. Fig. 9(b)는 수평 팬의 위치와 팬 모델과의 관계를 나타낸다. 모든 팬 모델에서 B1 위치일 때 열 방출량과 기울기가 가장 크게 나타났다. 이는 수평 팬의 위치가 B1일 때는 팬의 압력 차이에 큰 영향을 받는 것으로 해석 할 수 있다.

Fig. 9

Mean heat dissipation according to fan model

Fig. 10은 각 인자들의 상대적인 중요성을 확인하기 위해 평균 값을 나타낸 그래프이다. 해당 인자에 대해 해석 결과들의 평균을 산출하고 그래프의 기울기와 평균 값 등을 이용하여 영향 인자를 평가할 수 있다. 팬 모델 그래프의 기울기가 가장 크기 때문에 팬 모델의 압력 차이를 주영향 인자로 볼 수 있다. 팬 배치의 관점에서 볼 때 수직 팬과 수평 팬의 위치가 각각 S2, B1일 때 가장 좋은 냉각 성능을 나타내고 있다. 수직 팬의 위치를 S3으로 변경하거나, 수평 팬의 위치를 B2나 B3로 변경할 때 냉각 성능이 현저히 감소하는 것을 예측할 수 있다. 열 방출량은 팬의 압력 차이에 대해 선형적인 경향을 나타내고 있지만, 팬의 배치에 대해서는 선형적 경향이 나타나지 않는다. 따라서 열 방출량에 대한 결과를 정확히 해석하기 위해서 팬 위치에 따른 유동 충돌 현상에 대한 이해가 요구된다.

Fig. 10

Mean value analysis to find main effect

Fig. 11은 팬 배치와 모델에 따른 FOM 값을 나타내었다. FOM은 팬 출력과 열 방출량을 이용하여 팬의 냉각 효율을 평가할 수 있는 지표이며, 높은 값을 나타낼수록 냉각 효율이 좋다. FOM은 식 (11)으로 정의된다.

$\[ FOM=\left(Q_{AF}-Q_{AN}\right)/P_{AF} \]$

(11)

Fig. 11

Effect of fan model and factor of merit from radiators for fan layout

여기서 Q_AF는 냉각 팬이 구성된 냉각 시스템의 총 열 방출량, Q_AN는 냉각 팬이 구성되지 않아 라디에이터의 자연 대류 현상만으로 냉각하는 냉각 시스템의 총 열 방출량, P_AF는 냉각 팬의 총 출력 파워를 의미한다.

본 연구에 사용된 Q_AN값은 19.7 kW이고^[6], 25 Pa, 50 Pa, 75 Pa 팬 모델의 P_AF값은 각각 46.37 W, 172.06 W, 393.06 W이다. 제시된 수치들을 이용하여 제안된 팬 배치와 모델에 따른 FOM 값은 막대 그래프, 기존 모델의 FOM 값은 회색 점선으로 표현하였다(Fig. 11). Fig. 11를 보면, 팬 모델에 따라 FOM 값에 큰 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 25 Pa 팬 모델에서 가장 큰 FOM이 분석되었으며, 팬의 압력 차가 커질수록 FOM의 값이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 팬 모델에 따른 팬 출력 파워의 증가 비율이 라디에이터의 열 방출량 증가 비율보다 크기 때문이다. 팬 모델이 25 Pa일 때는 모든 팬 배치에서 기존 모델의 FOM인 129.9보다 큰 값이 도출되었다. 이와는 반대로 75 Pa 팬 모델에서는 모든 팬 배치에 대해서 기존 모델보다 낮은 FOM 값이 도출되었다. 따라서 25 Pa 팬 모델은 낮은 열 방출량을 나타내지만 냉각 효율성이 높다고 판단할 수 있으며, 75 Pa 팬 모델은 높은 열 방출량을 나타내지만 냉각 효율성은 상대적으로 낮다고 판단할 수 있다. 50 Pa 팬 모델은 S2B3, S3B2, S3B3 배치에서 기존 모델보다 낮은 FOM이 나타났고, S1B1 배치에서 FOM은 171.7으로 가장 높게 분석되었다. 따라서 50 Pa 팬 모델의 S1B1 배치는 기존 모델보다 낮은 열 방출량 성능을 보였지만, 기존 모델보다 높은 냉각 효율을 보여줬다. 이는 기존 모델에 사용된 팬의 개수는 3개지만, S1B1 배치에서는 2개의 팬만 사용하여 냉각 시스템의 팬 출력 파워를 낮추면서도 비슷한 열 방출량을 나타낼 수 있기 때문이다.

5. 결 론

본 연구에서는 수직-수평 형태의 팬 배치와 팬 성능에 따른 라디에이터 냉각 효과를 분석하였다. 전산유체역학의 해석적 연구 방법의 타당성을 입증하고, 향후 확장된 모델 해석을 진행하기 위해 수치해석 방법을 검증하였다. 수치해석 결과와 실험 결과는 열 방출량에서 2.3%, 질량 유량에서 1.9%의 오차를 나타내어 타당성을 입증하였다.

라디에이터의 냉각 성능은 수직 팬과 수평 팬의 위치에 많은 영향을 받았다. 수직 팬의 경우 S2 팬 위치는 S1과 S3 위치일 때보다 더 많은 열을 방출할 수 있었다. 반면 수평 팬의 경우에는 B1 팬 위치에서 가장 많은 열을 방출 할 수 있었다.

수직-수평 팬에서의 각 유동은 교차점에서 충돌함에 따라 새로운 유동 흐름이 생성되었다. 생성된 유동은 냉각 순환이 이루어지지 않은 부분까지 유동 흐름을 발생시켜 냉각 효과를 증진 시키는 역할을 한다. 생성된 유동은 S2B1 배치일 때 가장 크게 발달하였으며, 이에 따라 팬의 성능에 관계없이 S2B1 배치에서 가장 큰 열 방출량이 나타났다. 이와 반대로 유동 충돌 효과가 크지 않았던 S3B3 배치에서 가장 낮은 열 방출량이 나타났다.

팬의 성능과 냉각 효율은 비례하지 않았다. 팬의 성능이 좋을수록 더 많은 양의 열을 방출하지만, FOM 값은 더욱 감소하였다. 팬의 압력 차이가 25 Pa이고 S2B1 배치일 때 가장 높은 FOM이 도출되었으며, 팬의 압력차이가 75 Pa이고 S3B3 배치일 때 가장 낮은 FOM이 도출되었다. 압력 차이가 50 Pa인 팬이 S2B1 배치일 때는 기존 배치일 때보다 약 5.38% 열 방출량이 감소하였지만, 32.18% 냉각 효율은 증가하였다.

결론적으로 냉각 시스템의 소형화에 따라 팬 설치의 공간적 제약 발생 시 S2B1 배치를 적용하면, 팬의 개수를 감소시키면서 효율적인 냉각 효과를 기대할 수 있다.

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