개념 단계 - 냉각 및 공기 흐름 파트 1

이 오픈 소스 노트북 프로젝트의 이번 설치에서는 냉각 시스템에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 먼저, 장치 내부의 공기 흐름에 초점을 맞추고 이전 기사에서 정의한 요구 사항을 충족하기 위해 고려해야 할 사항을 알아보겠습니다.

개념 단계에서 최종 장치에 구현해야 할 주요 기술 요구 사항을 살펴보았습니다. 그 요구 사항 중 하나는 장치의 하단에서 공기를 끌어들일 수 없다는 것이었습니다. 시장에 나와 있는 대부분의 노트북이 그렇게 하고 있으며 그럴만한 충분한 이유가 있습니다. 자체 디자인 작업을 시작하고 CAD 모델로 들어가기 전에 현 상태를 살펴보고 검증된 접근 방식에서 배울 수 있는 것을 알아보겠습니다.

Dell XPS 9500 살펴보기

현대 노트북에서 냉각 솔루션이 어떻게 구현되는지 보여주기 위해 Dell XPS 9500을 살펴보겠습니다. 이는 i7-10750 프로세서와 NVIDIA GTX 1650 Ti GPU를 탑재한 15인치 장치로, 전체 부하 하에서 100와트 이상을 소모할 수 있습니다. 따라서 냉각 솔루션은 13인치 장치보다 훨씬 클 것이지만, 운영 원리는 동일합니다.

장치 하단에는 다수의 공기 흡입구가 보입니다. 환기구 배열은 장치 하단 커버의 거의 전체 길이에 걸쳐 있습니다.

DELL XSP 9500의 하단 뷰

하단 커버를 제거하면 내부 팬에서 실제로 사용되는 환기구의 일부만이 작은 부분임을 알 수 있습니다. 약 50%의 공기 통로는 단열 필름으로 막혀 있습니다. 공기가 활발하게 끌어들여질 수 있는 영역에서는 팬 앞에 공기 필터가 없습니다. 미세 메시 공기 필터는 특히 높은 유동 저항을 가질 수 있습니다. 그렇기 때문에 하부 압력면에 추가 필터 없이도 3년간의 사용 기간 동안 막힌 냉각 핀으로 인한 성능 손실 없이 관리할 수 있는 시스템이 흥미롭습니다. 물론, 이 예시는 입자 수와 입자 크기가 장소마다 다르기 때문에 전적으로 대표적이지는 않습니다.

장치의 하단 커버

이 기계는 각각 팬 출구 바로 앞에 위치한 지퍼 핀 방열판 패키지를 사용하는 두 개의 레이디얼 팬을 사용합니다. 두 개의 방열판 패킷은 두 개의 8mm 평면 열 파이프를 사용하여 주 CPU와 GPU에 연결됩니다.

하단 커버와 구성 요소 배치의 두 이미지를 겹쳐 보면 시스템 내의 공기 흐름이 어떻게 발달하는지 보여줍니다.

XPS 9500 내부의 공기 흐름

이 배치의 이점은 다음과 같습니다:

• 흐름 경로가 가능한 한 짧아 압력 강하를 최소화하고 방열판을 통한 공기 속도를 높일 수 있습니다;
• 메인보드나 다른 내부 구성 요소 위로 공기가 강제로 통과하지 않아 전자 부품에 먼지가 쌓일 가능성이 낮습니다;
• 시원한 공기 흡입구와 뜨거운 공기 배출구가 넓게 떨어져 있습니다.

이 배치의 단점은 다음과 같습니다:

• 노트북을 부드러운 표면에 사용할 때 하단의 통풍구가 쉽게 막힙니다;
• 메인보드를 가로지르는 공기 흐름이 없기 때문에 모든 발열 구성 요소는 큰 열 확산기가 필요하거나 CPU 또는 GPU 열 확산기에 열적으로 결합되어야 합니다.

오픈 소스 노트북의 공기 흐름 개념

이전 접근 방식의 이점은 장치 하단에 공기 흡입구를 배치하기 위한 매우 좋은 근거입니다. 그러나 불필요한 병목 현상을 만들지 않으면서 공기 흡입구를 장치의 뒷면이나 옆면으로 이동할 수 있는 방법이 있어야 합니다.

그래서 우리는 냉각 개념 설계를 위해 두 가지 접근 방식을 고려했습니다:

첫 번째 접근 방식에서는 공기가 장치의 오른쪽에서 끌어들여져 메인보드를 지나 노트북의 왼쪽에서 배출됩니다. 방열판 패킷은 노트북의 왼쪽 통풍구와 레이디얼 팬 사이에 바로 위치합니다.

이 접근법의 주요 단점은 메인보드가 노트북 전면, 트랙패드 아래에 위치해야 한다는 것입니다. 배터리 팩은 키보드 아래에 위치해야 합니다. 이로 인해 노트북의 질량 중심이 뒤로 이동하여, 화면을 모두 젖힌 상태에서 열고 사용할 때 불안정해집니다. 결과적으로 나중에 이 접근법을 버렸습니다.

다음 그림은 첫 번째 개념에서 공기 흐름이 어떻게 발달했을지 보여줍니다. (나중에 무료 및 오픈 소스 도구를 사용하여 이와 같은 시뮬레이션을 설정하는 방법을 살펴볼 것입니다.)

폐기된 냉각 개념의 공기 흐름 경로

배터리를 뒤쪽으로 옮기는 것이 불가능하므로, 내부 구성 요소의 새로운 배치가 설계되어야 했습니다. 그리고 메인보드가 이제 키보드 아래에 위치하기 때문에, 공기 흡입구를 옆면에서 끌어들이는 것은 더 이상 옵션이 아닙니다. 공기 통풍구에 필요한 공간이 이미 IO 인터페이스에 의해 차지되었기 때문입니다.

대안적 접근법으로서, 우리는 공기 흡입구와 배출구를 모두 노트북의 뒷면에 배치했습니다. 이 방법으로, 노트북의 거의 전체 길이를 공기 통풍구로 활용하여 흐름 저항을 최소화할 수 있습니다. 흡입구를 배출구 근처에 배치하면, 뜨거운 공기를 다시 기계 안으로 끌어들이지 않도록 주의해야 합니다.

업데이트된 공기 흐름 경로는 다음과 같습니다:

업데이트된 공기 흐름 경로

이 접근법을 사용하면, 장치 뒷면의 큰 부분이 냉각 공기 흡입구로 할당됩니다. 이 공기 흡입구의 단면적이 상대적으로 크기 때문에, 압력 강하를 너무 많이 일으키지 않으면서도 미세 메쉬 공기 필터를 흡입구 앞에 설치할 수 있습니다. 필터링된 냉각 공기가 메인보드를 지나가면서 SSD, 메모리, VRM 및 지원 회로와 같은 구성 요소를 냉각할 수 있습니다. 그리고 냉각 공기가 필터링되기 때문에, 메인보드에 먼지가 쌓이는 위험도 줄일 수 있습니다. 냉각 공기를 메인보드를 가로질러 끌어당기는 것의 추가적인 이점은 키보드와 메인보드 사이에 뜨거운 공기의 주머니가 형성되지 않도록 할 수 있다는 것입니다. 이는 과도한 사용 시 키보드 온도를 효과적으로 낮출 수 있어야 합니다.

다음 렌더링은 키보드 모듈 아래에 메인보드의 새로운 위치를 보여줍니다:

키보드 모듈 아래에 위치한 메인보드

냉각 팬 흡입구 여유 공간

위에서 설명한 대로 공기 흐름을 설정하면 시스템을 냉각하는 유효한 접근 방식을 가지게 됩니다. 이제 이 개념을 CAD에 통합하고 초기 반복에서 시뮬레이션을 사용하여 접근 방식을 검증해야 합니다.

CAD 모델을 정제하기 전에, 시스템 내에서 팬의 배치에 대한 제약 사항을 이해해야 합니다. 냉각 팬 흡입구 주변의 여유 공간에 특별한 주의가 필요합니다. 팬 공기 흡입구는 키보드 모듈 바로 아래에 위치하여 공기를 끌어들이기 위한 작은 간격만을 제공합니다. 이 구간의 압력 강하를 시뮬레이션을 사용하여 검증할 수 있습니다. 그러나 팬의 흡입구에 매우 가까운 장애물을 배치할 때 추가적인 공기역학적 효과가 발생합니다. 축류 팬은 흡입 경로의 차단에 특히 민감합니다. 원심 팬은 일반적으로 높은 흐름 저항 환경에 더 적합하지만, 흡입구 근처의 최적이 아닌 공기 흐름은 성능에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

팬의 흡입구에서 소용돌이치거나 회전하는 흐름이 발생하지 않도록 해야 합니다. 이는 팬 성능을 저하시키고 추가적인 소음을 발생시킬 수 있습니다. 또한 팬 로터의 각 부분이 균일한 압력 차를 경험하도록 팬에 균등하게 분포된 질량 흐름이 들어가야 합니다.

팬 흡입구에서 회전하는 흐름은 흡입구에 가까운 평면 장애물이 배치될 때 팬 로터 자체의 영향으로 생성될 수 있습니다. 불행하게도 이는 개요된 냉각 개념에서 사용된 팬의 정확한 장착 위치입니다. 이러한 회전 흐름을 시뮬레이션을 사용하여 모델링하는 것은 매우 어렵고 팬 블레이드 기하학의 정확한 지식이 필요합니다. 시뮬레이션이 실행 가능한 옵션이 아니므로 팬의 측정을 수행해야 합니다.

간소화된 팬 측정

목표는 팬 흡입구에서 평면 장애물을 유지해야 하는 최소 거리를 결정하는 것입니다.

실험 설정에서, 팬의 입구에 어떠한 장애물도 없이 냉각 팬의 공기 속도가 측정됩니다. 차단 보드를 사용하여, 팬 공기 입구에 점점 더 가까이 가져가면서 팬의 출구에서 공기 속도를 모니터링합니다. 이 방법으로, 차단물과 팬 입구 사이의 거리에 대한 출력 공기 속도의 함수를 설정할 수 있습니다. 이 함수는 장애물과 입구 사이의 최소 거리가 팬의 성능을 10% 이상 감소시키지 않아야 하는 것을 알려줘야 합니다.

원하는 결과를 달성하기 위해, 팬 출구에서 공기 속도를 측정하는 반복 가능한 방법이 필요합니다. 이렇게 작은 팬 출구의 공기 속도를 측정할 수 있는 풍속계에 접근할 수 없기 때문에, 우리는 임시방편을 사용해야 합니다.

이를 위해, 하나의 팬만이 활성화되어 있는 두 개의 냉각 팬을 연결하여 사용할 것입니다. 첫 번째 팬에 의해 생성된 공기 흐름으로 두 번째 팬이 구동되므로, 두 번째 팬의 타코 신호를 사용하여 주파수 카운터로 로터 속도를 측정할 수 있습니다.

외부 소스에서 제공된 공기 흐름만으로 팬을 구동하려고 할 때, 특히 낮은 흐름 속도에서는 쉽게 문제에 부딪힐 수 있습니다. 팬 모터의 자기 코깅 토크 때문에 팬은 높은 흐름 속도에서만 회전합니다.

이를 방지하기 위해, 두 번째 팬은 스테이터를 제거하고 타코미터 신호를 위한 회로 보드와 홀 센서를 그대로 두는 방식으로 수정해야 합니다. 우리가 이렇게 한 방법은 다음과 같습니다:

• 그런 다음, 자석 배열을 사용하여 로터를 MagFix 베어링에서 밀어냅니다:

• 마지막으로, 컨트롤러 PCB를 손상시키지 않고 팬 모터를 제거할 수 있습니다:

이러한 수정을 가진 팬을 다시 조립한 후, 이제 매우 낮은 속도의 공기 흐름을 나타낼 수 있습니다. 타코 출력을 사용하여, 회전 속도를 정확하게 정량화할 수 있습니다. 팬은 회전당 두 개의 펄스를 출력합니다.

반복 가능하고 신뢰할 수 있는 측정을 수행하기 위해서는 견고한 기계 설계가 필요합니다. 간단한 3D 프린트 홀더를 사용하여 두 개의 팬을 고정시키고, 테스트 장치에서 측정 팬까지 공기 가이드를 제공합니다.

3D 프린트 테스트 고정구

테스트 및 측정 팬 설치 후 3D 프린트 테스트 고정구

간소화된 팬 측정 결과

위에서 설명한 테스트 측정 설정을 사용하여, DUT 입구 앞에 차단 보드를 배치했습니다. 차단 보드와 팬 공기 흡입구 사이의 거리는 0mm에서 2mm 사이에서 0.1mm 단계로 변화되었습니다. 차단 보드가 없는 상태에서의 테스트 실행은 최대 달성 가능한 공기 속도를 참조로 사용되었으며, 동시에 소음 수준이 기록되었습니다.

공기 속도 측정 결과 vs. 입구 장애물까지의 거리

소음 수준 스펙트럼 분포

측정 결과는 팬의 성능이 10% 이상 떨어지지 않도록 하기 위해 최소 1.1mm의 흡입 간격이 필요하다는 것을 보여줍니다. 팬 소음의 스펙트럼 분포는 모든 측정 실행에서 놀랍도록 유사합니다. 특히 저거리 측정에서 고주파수 범위의 변동이 있습니다—이는 예상되는 바입니다. 1mm 이상의 거리로 실행된 측정은 서로 소음 스펙트럼에서 매우 작은 편차만 보입니다.

공기 흐름 시뮬레이션

이전 측정은 이제 CAD 모델로 전달될 수 있는 중요한 통찰력을 제공했습니다. 팬은 팬 흡입구와 팬 위에 장착된 키보드 모듈 사이에 최소 1.1mm의 거리가 있도록 통합되어야 합니다.

방사형 팬을 위한 올바른 장착 스페이서를 사용하면 키보드 모듈과 팬 상단 사이의 여유 공간은 대략 1.92mm입니다. 그 값에서 키보드 아래에 있는 보강재와 절연 필름을 위해 0.5mm를 빼야 합니다. 다행히도, 거리는 여전히 1.1mm보다 큽니다. 시스템에서 팬의 예비 배치가 완료되면, 기존 기하학에서 시뮬레이션 모델을 생성할 수 있습니다.

팬 흡입구와 키보드 모듈 하단 사이의 거리

시뮬레이션 모델의 목표는 노트북의 공기 흡입구와 공기 배출구 사이의 압력 강하를 제공하는 것입니다. 히트 싱크 패킷과 공기 필터는 유동 경로에서 가장 큰 압력 강하를 생성할 것입니다. 이 두 가지 측면은 아직 정의되지 않았으며 향후 시뮬레이션에서 고려될 것입니다. 현재로서는 노트북 내부의 유동 프로필과 관련된 압력 강하에만 초점을 맞춥니다.

내부 공기 경로의 압력 강하는 여러 부피 유량에 대해 계산될 것입니다. 여러 유량을 통해 스윕하면 압력 강하 대 부피 유량의 함수를 생성할 수 있습니다. 이 함수와 팬 데이터시트에 의해 제공된 팬 곡선 사이의 교차점은 시스템에서 팬이 생성하는 최종 부피 공기 흐름 및 따라서 공기 속도를 알려줍니다. 유동 프로필 압력 강하의 함수는 히트 싱크 패킷과 공기 필터의 압력 강하 함수가 계산되면 그에 따라 조정되어야 합니다.

시뮬레이션을 준비하기 위해, CAD 모델은 단순화되어야 하며 유체 시뮬레이션 도메인을 위한 부피가 추출되어야 합니다. 첫 번째 단계에서, 메인보드에 위치한 구성 요소는 바운딩 박스 모델로 대체될 것입니다. 이는 기하학의 복잡성뿐만 아니라 나중에 생성될 시뮬레이션 메시의 복잡성을 크게 줄입니다.

원본 기하학을 가진 메인보드의 구성 요소

경계 상자는 기하학의 큰 특징을 따르도록 설정되어 있지만, 정점 수가 많은 특징을 포함합니다. 작지만 세부적인 특징은 흐름 프로필에 의미 있는 영향을 주지 않으므로 제외할 수 있습니다.

시뮬레이션 영역 내 중요 기하학적 특징을 감싸는 경계 상자

구성 요소의 단순화된 표현이 제자리에 있으면, 노트북 케이스, 메인보드 및 모든 구성 요소, 그리고 단순화된 공기 부피 사이의 간단한 부울 차이 연산을 통해 노트북 내부의 공기 부피를 추출할 수 있습니다.

시뮬레이션에 사용될 공기 부피

첫 번째 시뮬레이션을 1m³/h의 체적 유량으로 실행하면 다음과 같은 속도 및 압력 분포를 제공합니다:

첫 번째 시뮬레이션 결과

이 시뮬레이션은 우리에게 두 가지 매우 중요한 통찰을 제공합니다. 첫 번째 결과는 입구와 출구 사이의 평균 압력 강하가 15 파스칼입니다. 두 번째 결과는 압력 필드의 열 지도에서 보이는 짙은 파란색 점을 언급합니다. 이 국소적인 매우 낮은 압력 영역은 팬 입구 바로 위에 있는 회전하는 공기류인 작은 소용돌이의 중심입니다. 이 회전은 도메인으로 들어오는 공기류가 팬 축에 수직인 충동을 가지고 있기 때문에 발생합니다. 공기가 팬에 가까워짐에 따라 속도가 빨라지고 운동량 보존으로 인해 빠르게 회전하는 소용돌이가 형성됩니다.

이전 섹션에서 설명한 바와 같이, 팬 입구에서의 소용돌이치는 공기 흐름은 추가적인 소음을 발생시키고 효율을 감소시킵니다. 따라서, 우리는 소용돌이가 형성되는 것을 방지하는 방법을 찾아야 합니다. 그것은 미래 업데이트를 위한 도전이 될 것입니다.

부피 유량을 통한 스윕을 수행하면, 시뮬레이션은 다음과 같은 압력 강하 대 유량 곡선을 밝혀냅니다:

노트북 내부 공기 경로의 압력 강하 대 부피 유량

현재 고려 중인 팬의 데이터 시트는 다음과 같은 압력 대 부피 유량 그래프를 제공합니다:

팬의 데이터시트

팬 곡선의 X와 Y 값을 추출하여 시뮬레이션된 압력 강하와 같은 다이어그램에 배치하면 두 개의 교차하는 함수를 보여줍니다. 팬 곡선과 시뮬레이션된 압력 강하 곡선 사이의 교차점은 단위에서 설정될 부피 유량과 압력을 나타냅니다. 그러나, 우리는 여전히 두 가지 중요한 파라미터인 핀의 열 싱크 압력 강하와 공기 필터 압력 강하를 놓치고 있습니다. 위에서 설립된 워크플로우로, 나중에 이 값들을 추가하는 것은 문제가 되지 않을 것입니다.

열 싱크와 공기 필터 없이 시스템의 결과적인 공기 흐름은 압력 강하 28 파스칼에서 약 1.5m³/h가 되어야 합니다.

팬 곡선 대 압력 강하 곡선

다가오는 프로젝트 업데이트에서, 우리는 공기 흐름 개념을 더욱 세밀하게 다듬고, 흐름 및 열 전달 시뮬레이션을 위한 오픈 소스 도구 사용에 대해 더 깊이 파고들 것입니다. 또한, 노트북의 첫 번째 구성 요소를 설계하고, 조립하며, 테스트할 예정입니다.

아직 탐색할 것이 많으니, 계속 주목해 주세요!