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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.1 pp.89-94
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.1.089

Durability Analysis through the Radiation of Heat of a Laptop

Moon-Sik Han*, Jae-Ung Cho**#
*Keimyung University Mechanical andA utomotive Engineering Dept.
**Kongju National University Mechanical andAu tomotive Engineering Div.
Corresponding Author : jucho@kongju.ac.kr+82-41-521-9271, 82-41-555-9123
September 23, 2015 November 3, 2015 November 5, 2015

Abstract

This study investigates the durability of the radiator and cooler of a laptop through a thermal analysis. In the result of this study, the maximum deformation happened at the part holding up the support stand at the radiator and cooler. The maximum thermal stress of the cooler was 60.939 Mpa, as low as that of the radiator. In addition, the safety factor of the cooler was 1.64 times as high as that of the radiator. The radiator of the laptop was less durable than the cooler. The result of this study could help with designing a laptop model with a durable radiator and cooler.


노트북에서의 방열을 통한 내구성 해석에 관한 연구

한 문식*, 조 재웅**#
*계명대학교 기계자동차공학과
**공주대학교 기계자동차공학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    노트북은 통상 사람들이 많이 휴대하여 가지고 다니는데, 개인이 사용하다 보면 장시간 사용하여 열이 많이 발생한다. 따라서 노트북에서는 그 열을 식히기 위하여 방열판을 부속품으로 설치하여 CPU 에서 나오는 열을 팬을 통해 쿨링 역할을 하여 그 열을 식힌다[1-6]. 보통 컴퓨터 작업을 하는 사람들은 1개의 핸드폰을 가지고 있듯이 노트북도 한 개씩 이상은 휴대하고 있다. 또한 업무처리나 긴급히 확 인해야 될 공지사항이라든지 프로그래밍과 같은 일 을 하기 위해 노트북을 많이 사용하는데, 이를 몇 시간 사용하다보면 노트북이 열을 받아 그 수명이 줄어들게 되거나 컴퓨터의 내구성이 저하되어 고장 이 난다. 따라서 이러한 단점을 해결하기 위하여 쿨러나 방열판을 설치하는데, 보통 방열판이 없는 노트북은 열이 40℃를 넘어가게 된다. 이를 방지하 기 위하여 노트북 쿨러나 방열판을 이용하게 되는 데 쿨러와 방열판의 비교적 해석을 통해 열적으로 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 한다. 따라서 본 연구에서는 노트북에서의 쿨러나 방열판의 방열 시 에 그 온도를 관찰하고 쿨러나 방열판의 내구성에 대하여 고찰하였다[7-14]. 본 해석 결과는 노트북에서 의 내구성이 있는 쿨러나 방열판의 설계에 도움이 될 수 있다고 사료된다.

    2.모델 및 해석

    2.1해석 모델

    본 연구의 3D 설계된 방열판의 모델은 Fig. 1과 같으며 Model 1이라고 한다. 300*195*35(가로*세로 *높이)의 크기를 가진 일반 형상의 노트북 방열판 의 윗부분이다. 방열판과 비교 해석을 하기 위하여 Fig. 2와 같이 노트북 쿨러인 Model 2를 모델링하 였고 280×250×10(가로×세로×높이)의 크기를 가진다. 또한 Model 1의 해석상 절점 수는 7979개와 요소 수는 7892 개이며, Model 2의 해석상 절점 수는 8207개와 요소 수는 4132개이다. Model 1과 Model 2는 강으로 구성되어 있으며, 그 물성치는 Table 1 에 나타내었다.

    2.2구속 조건

    2.2.1방열판의 구속 조건

    Fig. 3은 방열판 Model 1에 대한 구속조건들을 나타낸 그림이다. 실제적인 조건으로서 그 주위의 온도를 30℃로 하고, 방열판에서 팬이 돌아감으로 서 식은 공기가 닿는 면의 온도는 35℃로 하였다. 또한 노트북의 뒷면의 온도는 시간이 지남에 따라 온도가 계속 올라가는데 평균적으로 둥근 안쪽의 내부 메모리면의 온도는 40℃로 하였다. 이로 인하 여 노트북 뒷면과 접촉되어 있어 그 열이 전달되는 데 그 방열 판 면의 온도는 43℃로 가정하였다.

    2.2.2쿨러의 구속 조건

    Fig. 4는 쿨러 Model 2에 대한 구속조건들을 나 타낸 그림이다. 실제적인 조건으로서 그 주위의 온 도를 30℃로 하고, 쿨러의 판이 노트북의 뒷면과 접촉되는 부분을 43℃로 하였다. 노트북에서 열이 가장 많이 나오는 쿨러의 중심 부분은 40℃로 하였 고 열을 식히는데 도움이 되는 뒷부분의 온도는 3 8℃로 가정하였다.

    2.3온도 해석 결과

    Fig. 5는 방열판 Model 1의 온도 분포를 나타낸 그림이다. 최대 온도는 43℃이고 방열판의 하단면 에서 35℃로서 최소 온도가 됨을 알 수 있다. Fig. 6은 쿨러 Model 2의 온도분포를 나타낸 그림이다. 최대 온도는 43℃가 되었다. 중간 쿨러의 중심 부 분의 온도는 40℃가 되고, 쿨러를 통해 나온 열이 쿨러 뒷부분으로 인하여 냉각이 됨을 알 수 있다. 쿨러 뒷부분의 온도는 38℃로 되어 있다.

    2.4열 응력 해석의 경계 조건

    쿨러나 방열판에서 노트북의 무게를 버텨내야 하 는 지지대는 노트북의 무게는 통상 사용되는 2 kg 으로 가정하여 방열판에 올려놓았을 때의 압력은 50 pa로 작용된다고 하였고 쿨러와 방열판의 끝면 은 고정시켰다.

    Fig. 7과 Fig. 8에 방열판 Model 1과 쿨러 Model 2의 열응력 해석의 경계조건들을 나타냈다.

    2.5열 응력 해석 결과

    Fig. 9의 그림은 방열판 Model 1의 전변형량을 나타낸 그림으로써 최대의 변형이 일어 날 수 있는 곳은 노트북의 무게를 버텨내야 하는 지지대를 받 치는 부분과 아랫부분으로써 변형량은 0.17503 mm 인 것을 알 수 있다. Fig. 10의 그림은 방열판 Model 1의 열응력을 나타낸 그림으로써 방열판이 받는 압력의 영향을 받아 최대 153.96 Mpa, 최소 0.051592 Mpa이 발생 됨을 알 수 있다. Fig. 11의 그 림은 방열판 Model 1에 대한 안전계수를 나타낸 그 림으로써 지지대가 연결되는 구멍과 바닥 아랫부분 에서 안전계수가 낮아져서 그 값이 1.6238 이하로 나오게 됨을 알 수 있다. Fig. 12의 그림은 쿨러 Model 2의 전변형량을 나타낸 그림으로써 최대의 변형이 일어 날 수 있는 곳은 노트북의 무게를 버 텨내야 하는 지지대를 받치는 부분과 아랫부분으로 써 변형량은 0.22791 mm인 것을 알 수 있다. 방열 판 Model 1과 쿨러 Model 2의 최대 변형량을 비교 해 보면 0.05288 mm의 차이가 나온 것을 확인하였 고 이 작은 변형량은 Model 1과 Model 2의 구조에 미치는 영향이 없다고 판단된다. Fig. 13의 그림은 쿨러 Model 2의 열응력을 나타낸 그림으로써 그림 으로 쿨러가 받는 압력의 영향을 받아 최대 94.021 Mpa, 최소 0.081662 Mpa이 발생되는 것을 알 수 있다. 여기에 쿨러 Model 2의 최대 열응력은 방열 판 Model 1보다 60.939 Mpa 작으므로써 쿨러 Model 2의 내구성이 더 양호하다고 사료된다.

    Fig. 14의 그림은 쿨러 Model 2에 대한 안전계수 를 나타낸 그림으로써 지지대가 연결되는 구멍과 바닥부분에서 안전계수가 낮아져서 그 값이 2.659 이하로 나오게 됨을 알 수 있다. 여기에 쿨러 Model 2의 안전계수가 Model 1보다 약 1.64배로 더 큼으로써 쿨러 Model 2의 내구성이 더 양호하는 것 을 확인하였다.

    2.6해석 결과의 비교

    해석상에서 통상 노트북의 무게가 보통 2kg이라 고 하면, 그러한 노트북을 올려놓았을 때, 그 작용 압력은 50 pa로 가하여진다. 결과적으로 Model 1 방열판이나 Model 2 쿨러가 받는 열응력은 Model 1 방열판 및 Model 2 쿨러는 각각 최대 153.96 Mpa 및 94.021 Mpa을 받게 됨으로써 Model 2 쿨러 가 Model 1 방열판보다 60.939 Mpa 작으므로써 Model 1방열판이 Model 2 쿨러보다 더 내구성이 작다고 할 수 있다. 따라서 노트북 방열판과 쿨러 의 내구성면에서 보았을 때, Model 1 방열판의 경 우가 Model 2 쿨러보다 그 무게가 5 kg까지 나간다 고 본다면 Model 2쿨러의 경우는 2~3 kg 밖에 안 나간다. 따라서 내구성면에서 Model 1 방열판이 Model 2 쿨러보다는 더 약화될 수 있다고 사료된 다.

    3.결 론

    본 연구에서는 노트북에서의 Model 1방열판과 Model 2쿨러에 대한 열적 응력해석을 통하여 그 내 구성을 고찰하였다. 연구 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다

    1. Model 1 방열판과 Model 2 쿨러에서 지지대를 받치는 부분과 아랫부분에서 최대의 변형이 일어 났다.

    2. Model 1 방열판과 Model 2 쿨러의 최대 변형량 을 비교해보면 아주 작은 차이를 나타냈는데 Model 1과 Model 2의 구조에 미치는 영향이 없 다고 판단된다.

    3. Model 1 방열판과 Model 2 쿨러의 열응력을 비 교해 보면 Model 2 쿨러의 최대 열응력은 Model 1 방열판보다 60.939 Mpa 작으므로써 Model 2 쿨러의 내구성이 더 양호하다. 또한 Model 2 쿨 러의 안전계수가 Model 1 방열판보다 약 1.64배 로 더 크다는 것을 확인하였으며, Model 2 쿨러 의 내구성이 Model 1 방열판보다 더 양호하다고 보인다.

    4. 내구성면에서 노트북의 방열판이 쿨러보다는 더 약화될 수 있다고 사료된다. 본 해석 결과를 이 용하면 노트북에서의 내구성이 있는 쿨러나 방열 판의 설계에 도움이 될 수 있다고 사료된다.

    Figure

    KSMPE-15-89_F1.gif
    Analysis model 1 as radiator
    KSMPE-15-89_F2.gif
    Analysis model 2 as cooler
    KSMPE-15-89_F3.gif
    Constraint conditions of model 1
    KSMPE-15-89_F4.gif
    Constraint conditions of model 2
    KSMPE-15-89_F5.gif
    Temperature of model 1
    KSMPE-15-89_F6.gif
    Temperature of model 2
    KSMPE-15-89_F7.gif
    Constraint conditions of model 1
    KSMPE-15-89_F8.gif
    Constraint conditions of model 2
    KSMPE-15-89_F9.gif
    Total deformation of model 1
    KSMPE-15-89_F10.gif
    Equivalent stress of model 1
    KSMPE-15-89_F11.gif
    Safety factor of model 1
    KSMPE-15-89_F12.gif
    Total deformation of model 2
    KSMPE-15-89_F13.gif
    Equivalent stress of model 2
    KSMPE-15-89_F14.gif
    Safety factor of model 2

    Table

    Material property

    Reference

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