엣지 컴퓨터 방열성능 향상을 위한 최적설계

(Optimum Design for Improving Heat Dissipation Performance of Edge Computer)

변 지 현*, 김 정 한, 김 성 호, 황 상 호, 권 오 언, 윤 철 진

(재)경북IT융합산업기술원

(JiHyeon Byeon, Jung Han Kim, Sungho Kim, Sang-Ho Hwang, Oeon Kwon, Cheol Jin Yoon, )

(Gyeongbuk Institute of IT Convergence Industry Technology (GITC))

Abstract : Electric/electronic components that are used in the whole industry, such as the electricity, electronic, vehicle fields, etc., became lightweight, compact, and multifunctional due to their advanced functions. Accordingly, components having various functions generate a lot of heat unlike simple electronic components. The heat generated by this degrades the function of the device inside the component, causes malfunction, and has the greatest effect on the life and reliability of the component. Therefore, there is a need for a technology that effectively discharges heat generated from each component to the outside. In this paper, the optimal design was performed to develop a heat dissipation housing for monitoring edge computers to be used in poor environments such as high temperature and dust.

Key words : Edge Computer, Optimization, Heat Phenomenon, Monitoring System

I. 서론

임베디드 컴퓨터의 기능은 고도화 되어 산업전반에 적용되고 있다. 다기능 탑재로 부피가 커지고, 발열량이 많아진다. 하지만, 사용자는 편의성을 확보를 위해 소형화 및 경량화를 요구한다. 장치를 작동하면서 발생하는 열은 부품내부의 소자의 기능을 저하시키고, 오작동을 야기하며, 부품의 수명과 신뢰성에 가장 큰 영향을 준다. 따라서, 부피를 줄이면서 일정 온도를 유지하는 형상설계 최적화 기술이 필요하다.

본 논문에서는 고온, 분진 등 열악한 환경에서 사용할 모니터링용 엣지컴퓨터의 최적형상 설계를위해 방열현상을 분석하였다.

*변지현 (benji014a@gmail.com) 경북IT융합산업기술원

※ 이 논문은 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.2021-0-02016, Digital Twin을 활용한 고위험군 장비 사용 작업자 안전관리 모니터링 플랫폼 개발)

Ⅱ. 해석환경

그림 1. Analysis Setup

모니터링용 엣지컴퓨터 방열열해석은 방열핀 형상 및 간격(갯수)를 변수로 선정하여 해석을 진행하였다. 방열핀 길이는 5mm, 10mm, 15mm로 정의하였고 간격은 약 3mm, 4mm, 5mm로 정의하였다. 또한, 내부공간은 동일하게 정의하였다

Room Temp.는 25°C로 정의하고, 방열하우징 공간을 225°C로 정의하였다.

그림 2. Geometry Factor

방열하우징은 몸채와 뚜껑으로 이뤄져있으며, 내부에는 아두이노와 이더넷 보드가 삽입되어있다. 실제 아두이노가 연산하면서 나오는 메인칩의 최고온도는 70°C 정도이다.

Ⅲ. 시험결과

표 1. Geometry Condition

No	길이	Body		Bottom		결과 Max.(Avg.) [°C]
		핀 개수	핀간격 [mm]	핀 개수	핀간격 [mm)]
1	5	23	2.932	27	3.077	69.1(67.8)
2	5	17	4.031	21	4	74.6(73.3)
3	5	14	4.962	17	5	78.8(77.7)
4	10	24	3.022	27	3.077	57.3(55.8)
5	10	18	4.088	21	4	62.6(61.2)
6	10	15(69.5)	4.964	17	5	74.1(67.0)
7	15	26	2.98	27	3.077	56.0(51.4)
8	15	20	3.921	21	4	54.8(53.3)
9	15	16	4.967	17	5	59.0(57.5)

그림 3. Analysis Result(1)

예측한데로, 표면적이 넓은 형상 순서대로 포화온도가 나왔다. 방열핀 15mm, 간격 약 3mm(0.233 [eqn: m ^{2}])일 때 가장 낮은 온도 56.01°C가 나왔고, 방열핀 5mm, 간격 약 5mm(0.109[eqn: m ^{2}])일 때 78.8°C로 최고온도가 나왔다. 해당 표면적의 차이는 약 2.13배이다.

그림 4. Analysis Result Max. Min. Temp

그림 . Analysis Result(2)

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 엣지 컴퓨터 방열성능 향상을 위해 방열해석을 통해 최적설계를 진행하였다. 표면적이 넓은 모델이 낮은 포화온도와 좋은 열확산결과를 보였다. 주조성을 고려하여 모델 No.9. No.5를 최적형상으로 선정하였다. 향후 가공 이슈에 맞춰 추가 분석할 예정 이다.

References

[1] HONG-SEN KOU, Thermal Analysis and Optimum Fin Length of a Heat Sink Heat Transfer Engineering, 24(2):18–29, 2003