공기냉각은 어디까지 가능한가 — 액냉으로 넘어가는 지점

“몇 와트까지 공기로 되나요?“라는 질문을 자주 받습니다. 이 질문에는 답할 수 없습니다. 100W를 넓은 면적에 퍼뜨리면 공기로 충분하고, 5W를 아주 작은 다이에 집중시키면 공기로 어렵습니다.

답을 정하는 것은 와트가 아니라 열유속과 허용 온도차입니다.

필요한 열전달계수로 환산해 보십시오

방열 면에서 공기(또는 액체)로 빠져나가는 열은 뉴턴 냉각식으로 씁니다.

여기서 필요한 것을 뒤집어 봅니다. 열유속 q″ 와 허용 온도차 ΔT 가 주어지면, 필요한 열전달계수는 q″/ΔT 로 정해집니다. 이 값이 각 냉각 방식이 낼 수 있는 h 범위 안에 들어오는지가 판단 기준입니다.

대략적인 h 범위는 이렇습니다.

방식	h [W/(m²·K)]
자연대류 (공기)	5 ~ 25
강제대류 (공기)	25 ~ 250
단상 액냉	500 ~ 15,000
이상(비등) 냉각	5,000 ~ 100,000

히트싱크는 h 를 키우는 것이 아니라 면적을 키워 등가 h 를 올리는 장치입니다. 그래서 실제 시스템에서 공기 쪽 등가 h 는 위 표보다 훨씬 높게 나옵니다. 다만 면적을 늘리는 데는 부피와 압력손실이라는 한계가 있습니다.

공기의 현실적인 상한

부피와 소음 제약을 감안한 실무적인 상한은 등가 h 로 대략 1,000 W/(m²·K) 수준입니다. 허용 온도차 40K 를 가정하면 열유속으로는 4~5 W/cm² 부근입니다.

이 지점을 넘어가기 시작하면 공기냉각은 급격히 비싸집니다. 팬을 키우면 소음이 오르고, 핀을 촘촘히 하면 압력손실이 급증합니다.

동압 항이 유속의 제곱이라는 점이 중요합니다. 풍량을 두 배로 올리면 압력손실은 네 배가 되고, 팬 동력은 그보다 더 커집니다. 공기냉각의 한계는 열전달의 한계가 아니라 소음과 동력의 한계인 경우가 많습니다.

액냉으로 넘어가면 새로운 저항이 생깁니다

액냉의 h 는 공기 대비 두세 자릿수 높습니다.

그런데 h 만 보고 넘어가면 실패합니다. 액냉에는 공기냉각에 없던 항이 하나 더 붙습니다. 유체가 열을 받아 데워지면서 생기는 칼로릭 저항입니다.

유량이 부족하면 콜드플레이트 성능이 아무리 좋아도 출구 쪽이 뜨거워집니다. 여러 발열체를 직렬로 연결한 구성에서 마지막 단이 스펙을 못 맞추는 원인이 대개 이것입니다. 콜드플레이트를 바꿀 문제가 아니라 유량이나 배관 구성을 바꿀 문제입니다.

그리고 펌프 동력이 새로운 원가·소음 항목으로 들어옵니다.

전환하기 전에 확인할 네 가지

1. 열유속이 정말 높은가, 아니면 총 발열량이 큰 것인가

총 발열량이 커도 넓게 분산되어 있으면 공기로 충분합니다. 두 개를 구분하지 않고 액냉을 검토하는 경우가 많습니다.

2. 확산으로 해결되지 않는가

발열원 위에 베이퍼챔버를 두어 열유속을 낮추면 공기 영역으로 다시 내려오는 경우가 있습니다. 이게 가장 값싼 해법입니다. 액냉 검토 전에 반드시 확인하십시오.

3. 진짜 제약이 온도인가, 소음인가

소음이 제약이라면 액냉은 아주 좋은 답입니다. 팬을 없애거나 훨씬 작게 만들 수 있습니다. 이 경우 열적으로는 공기로도 가능하더라도 액냉이 정당합니다.

4. 신뢰성과 서비스 비용을 감당할 수 있는가

누설, 부식, 유체 열화, 커플러 수명, 현장 서비스 절차가 모두 새로 생깁니다. 소비자 가전에서는 이 항목이 열성능보다 결정적인 경우가 많습니다.

정리

판단 순서는 이렇습니다.

1. 총 발열량이 아니라 열유속을 계산한다
2. 허용 온도차로 나눠 필요한 h 를 구한다
3. 그 h 가 공기 영역 안이면 공기로 간다
4. 벗어난다면, 먼저 확산으로 열유속을 낮출 수 있는지 본다
5. 그래도 안 되면 액냉을 검토하고, 이때 칼로릭 저항과 펌프 동력을 함께 설계한다

겹치는 구간에서는 열적으로 양쪽 다 됩니다. 그 구간의 선택은 원가, 부피, 소음, 서비스성의 문제이고, 열해석이 답을 주지 않습니다.

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냉각 방식 선정 판단이나 액냉 전환 타당성 검토가 필요하시면 문의해 주세요.