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열전도도와 온도차이와의 관계에 대하여 질문드립니다.
게시물ID : science_62392짧은주소 복사하기
작성자 : qing香
추천 : 0
조회수 : 946회
댓글수 : 14개
등록시간 : 2017/02/02 17:04:40
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컴퓨터 관련 내용이라 컴게로 갈까 생각했으나 저에게는 단순 계산이 아니어서..... 과게에 질문 드립니다.

컴퓨터 시피유와 히트싱크(냉각팬) 사이에 열전도 물질인 서멀 그리스나 서멀 패드를 사용하는데요.
이유는 다들 아시겠지만 금속인 시피유(히트 스프레더)와 히트싱크 사이의 공극을 메꿔서 열전달 효율을 높여주기 위함이죠.


열전도가 200W/mK인 물질A 와 그 두배인 400W/mK의 물질 B, 다시 B의 두배인 800W/mK짜리 물질 C가 있다고 했을 때, 

주변온도 동일, 같은 시피유, 히트싱크 사용, 같은 양의 시피유에 주는 부하, 물질 ABC의 면적, 두께 등등
다른 조건은 다 같다고 가정하고,

A를 사용했을 때 100도 였던 온도가 B를 사용했을 때 90도가 되었다면 C를 사용했을 때에는 70도가 되나요?
* 열전도도가 2배 높아지면 떨어지는 온도도 2배인가?


[열전도도 = 비열 x 밀도 x 열확산율] 로 알고 있습니다만,
물질 ABC의 비열, 밀도, 열확산율이 각각 다 다르더라도 열전도도는 A와B 2배, B와C 2배 이므로 온도차이도 딱 배수로 차이가 나나요?


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2017-02-02 17:12:57추천 0
당연히 열이 더 떨어지지요 라는 답변을 하려고 했다가...

그냥 뒷 사람에게 기대를 걸어봅니다.
댓글 0개 ▲
2017-02-02 19:51:18추천 0
열이 주위로 빠져나가는거 없이 전도로만 빠져나간다면 열전도도가 두배가 되면 온도강하 역시 두배가 되어야겠죠? 실제로는 주위로 빠져나가는 것들이 있기 때문에 훨씬 복잡하겠죠?
댓글 1개 ▲
2017-02-03 09:51:53추천 0
답변 감사드립니다.
아무것도 고려 안하고 열전도도만 고려하면 온도차도 2배가 되는게 맞나요?
2017-02-02 19:56:39추천 0
몇가지 더 변수가 있을것 같네요.(잘은 모르지만..)

서멀구리스는 히트싱크 A,B,C 모두 100% 성능을 발휘시켜줄 수 있는가?
예를들어, CPU는 4차선도로 가득채워서 나오고 히트싱크 각각은 모두 2차선,4차선,8차선 도로 일 때
서멀구리스가 2차선도로인지, 16차선도로인지에 따라 병목현상으로 인해 제 성능을 발휘할 수 있느냐죠.

또 하나는 그렇게 부하를 주는 중에 본체 내부의 온도는 항상 동일한가? 동일하지 않는가? 입니다.
초기 온도값은 동일하더라도, 히트싱크가 냉각이 되면서 본체 내부 온도를 상승시키겠죠.
이 온도를 고정시켜놓으면 당연히 성능이 좋은 히트싱크가 이론상으로는 성능에 비례한 결과를 내놓겠지만..
실제로는 더 빨리 CPU를 냉각시키는 만큼 본체 내부 온도를 더 빨리 상승시킬 수 있죠.
다른 쿨러 등이 활발하게 활동해준다면 더할나위 없이 좋겠지만.. 동일온도에 대한 부분이 조금 애매하기도 하네요.
댓글 1개 ▲
2017-02-03 10:11:45추천 0
답변 감사드립니다.

제 설명이 부족했던 것 같습니다.
제 글의 요지는 히트싱크가 아니라 써멀 패드입니다. 히트싱크는 같은 것을 그대로 사용합니다.
제 글의 ABC는 써멀 패드입니다.

말씀드린대로 예를 들어 CPU가 4차선 도로로 가득 차서 나오고,
써멀 패드가 2차선, 4차선 8차선으로 변하면 어떻게 될까하는 질문입니다.

시피유야 풀로드 걸면 이론적으론 사용 와트수가 같으니 온도가 일정하다고 보고, 히트싱크도 그대로 같은 것을 사용한다고 해서 변수를 없애주고,
A라는 200W/mK짜리 써멀패드를 사용했을 때 시피유 온도가 100도였는데
B라는 400W/mK짜리 써멀패드를 사용했을 때 시피유 온도가 90도였다면
C라는 800W/mK짜리 써멀패드를 사용하면 시피유 온도가 몇도가 될까? 라는게 제 글의 요지입니다.
200W/mK이었을 때 100도, 400W/mK이었을 때 90도로 열전도도가 2배 높아졌을 때 10도가 떨어졌으니,
다시 그 두배인 800W/mK이 되면 온도도 2배인 20도가 떨어질까? 입니다.

물론, 팬 속도나 바람의 세기 등도 고정이구요. 이것까지 따지자면 한도 끝도 없기에.....
2017-02-02 20:48:58추천 0
잘 오셨습니다..
설명이 길어서 그림으로 첨부합니다~

댓글 9개 ▲
2017-02-02 20:49:31추천 0
이거 한장씩 밖에 추가 안되나요..??;;

2017-02-02 20:56:45추천 0
결국 최종단의 대류열전달량을 키워서 방열을 해야 합니다..
근데 성능향상이 어려울 거라고 말씀드린 것은
위에서 설명한 것과 같이
1.fan을 늘려서 h를 늘리거나
2.fin의 단면적을 변화시키거나 해서 A를 늘리거나
3.델타T(=핀온도 - 대기온도)를 늘려야되는데..

3의 방법은 이미 알루미늄 열전도도가 매우 높아서 사용이 어려울 것 같고,
2의 방법도 상용 fin을 쓰고 계시다면 형상이 어느정도 최적화되어 있을 겁니다..
그래서 형상을 변경해도 크게 열전달률이 향상이 안될 겁니다..
그래서 아마 1번 방법으로 h를 늘려야 합니다..(h는 단면적 형상..혼합의정도..공기유량..등 변수가 많습니다)
그런데 fan 용량을 늘리자니.. 아마 소비전력이 늘어나니...쉽지가 않고...ㅠ
2017-02-02 20:59:41추천 0
최대한 효율을 낼 수 있게 여러인자들을 잘 변경해보시라고 밖에 말씀을 못드리겠네요..
공냉식이라면 수냉식으로 바꿔보시는 것도 방법이 될 것 같습니다.
2017-02-02 21:07:58추천 0
아 참고로 열전도도는 비례상수입니다.. 이 물질의 열전도가 얼마나 잘 일어날지 알 수 있는 상태량입니다
2017-02-03 10:28:28추천 0
공책에 그림까지 그려주시는 상세한 답변에 머리 숙여 감사드립니다.
님의 내용을 정리해 보자면,

열원과 히트싱크 사이의 갭을 메우기 위해 서멀패드 or 컴파운드를 사용합니다. 실제 써멀패드 열전도도는 약 1~2K/mK 정도 밖에 안됩니다.
공기로 채워져 있을 때의 열전도도가 높기(X) 낮기 때문에 주로 쓰는 거.....
그래도 안쓰는 거 보단 낫고, 두께도 엄청 얇기 때문에 열전도도가 낮아도 크게 문제가 안됨.

결론 먼저 말씀드리면 실제로 A랑 B랑 크게 차이가 안날 겁니다.
전도 열전달량은 아래식으로 정리되는데요.
q=-KA・dT/dX
지금 CPU상태를 그려보면
(그림 생략합니다......)

따라서 방열판의 열전도도가 상승하면 금속핀의 전도는 활발해지겠지만 이미 Al의 열전도도가 좋기 때문에 fin에서 열분포는 크게 차이가 없음.

여기서 냉각의 역할을 주로 fan이 하는데 다른 온도 조건은 다 똑같으므로 방열 성능은 크게 차이가 없음.
아마 10% 내외일거임....
왜냐하면 대류열전달식은 λA(T핀끝-T대기)인데 핀끝의 온도가 크게 차이가 안남.
성능을 향상시키려면 fan출력을 높여서 λ를 키우거나 fin면적을 넓혀서 A를 키우거나 ΔT(T핀끝-T대기)를 높여야 하는데
A1ΔT룰 바꾸긴 어렵고, fan 바꿔서 λ를 높여야 됨.
2017-02-03 10:37:50추천 0
제 글이 엉망이어서 역시 제대로 전달이 안된 것 같습니다.

제 글의 요지는
기본적으로 Al히트싱크를 사용하는데 열원과 히트싱크 끝단의 온도차이는 분명히 발생하죠.
그 이유는 Al 자체의 열전도도도 있지만 서멀 컴파운드의 문제가 가장 클겁니다. 없는 것 보다야 낫지만 보통 1~2W/mK이고, 높아도 8~10W/mK에,
50~100W/mK짜리 써멀 패드라고 팔고 있긴 하지만 열전도도는 두께에 반비례 하므로 일반적인 써멀 컴파운드보다 성능이 떨어지죠.

위의 강철연금술사님께의 대댓글에도 적었듯이 히트싱크가 아닌,
A라는 200W/mK짜리 써멀패드를 사용했을 때 시피유 온도가 100도였는데
B라는 400W/mK짜리 써멀패드를 사용했을 때 시피유 온도가 90도였다면
C라는 800W/mK짜리 써멀패드를 사용하면 시피유 온도가 몇도가 될까? 라는게 제 글의 요지입니다.
200W/mK이었을 때 100도, 400W/mK이었을 때 90도로 열전도도가 2배 높아졌을 때 10도가 떨어졌으니,
다시 그 두배인 800W/mK이 되면 온도도 2배인 20도가 떨어질까? 입니다.

대류까지 생각하면 끝이 없기에 예를 들어 20℃의 커다란 항온 챔버에 넣고 CPU팬으로 냉각을 했을때 로, 즉 신선한(?) 공기가 계속 유입되는 상태로 가정을 하고요.
[본인삭제]qing香
2017-02-03 13:57:47추천 0
2017-02-03 17:37:16추천 0
아 써멀패드를 바꾸신다는 거였군요 ;;
당연히 k를 200, 400, 800로 바꾸면 2배 4배 증가하는 게 낮습니다.
1차원으로 고려하면 q=k dT/dx니깐 k에 선형적으로 비례하죠~
그런데 앞서 말씀드렸듯이 써멀패드가 두께가 매우 얇기때문에(dx가 매우작음) 전체적인 방열입장에서 봤을 때는 방열량은 크게 차이가 없을겁니다..
위의 그림에서 서멀패드 온도떨어지는 구간이 매우 작다고 생각해보세요..
2017-02-06 11:31:27추천 0
답변 감사드립니다.
역시 열전도도와 비례해서 배수로 증가하는군요.

많은 도움이 되었습니다.
항상 행복하세요!!!
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