액티브 냉각

능동 냉각은 일반적으로 전자 장치 및 실내 건물에 구현되어 내부로부터의 적절한 열 전달 및 순환을 보장하는 열 저감 메커니즘입니다.

수동 냉각과는 달리 능동 냉각은 작동하기 위해 에너지 소비에 전적으로 의존합니다.열을 방출하기 위해 에너지를 소비하는 다양한 기계 시스템을 사용합니다.일반적으로 수동적인 방법으로 온도를 유지할 수 없는 시스템에서 구현됩니다.능동 냉각 시스템은 보통 전기나 열 에너지를 사용하여 전력을 공급받지만, 일부 시스템은 태양 에너지 또는 수력 발전 에너지로 전력을 공급받을 수도 있습니다.필요한 작업을 수행할 수 있도록 잘 관리되고 지속 가능해야 하며, 그렇지 않으면 물체 내에 손상이 발생할 수 있습니다.상업용 액티브 냉각 시스템의 다양한 응용 분야에는 실내 에어컨, 컴퓨터 팬 및 히트 ^[1]^[2]^[3]펌프가 포함됩니다.

건물의 용도

많은 건물들이 냉방 수요를 많이 필요로 하며, 전 세계 50대 대도시 지역 중 27곳이 고온 또는 열대 기후 지역에 위치하고 있습니다.이를 통해 엔지니어는 구조물 전체에 걸쳐 적절한 환기를 보장하기 위해 열 균형을 설정해야 합니다.

열 균형 방정식은 다음과 같습니다.

$p\cdot c_{p}\cdot V\cdot dT/dt=E_{int}+E_{Conv}+E_{Vent}+E_{AC}$

$p$ 서p { $displaystyle$ p $}$ 는 $p$ 공기 밀도, $c_{p}$ { $displaystyle c_{p}$ 는 $c_{p}$ 일정한 압력에서 공기의 특정 열 용량, $dT/dt$ T $dT/dt$ / $dT/dt$ { $displaystyle dT$ / $dt}$ 는 $dT/dt$ 열 전달 속도, $E_{int}$ $E_{int}$ $E_{int}$ $E_{int}$ { $displaystyle E_{int$ }는 $E_{int}$ 내부 열 이득, $E_{Conv}$ C $E_{Conv}$ $E_{Conv}$ v { $displaystyle$ E_ $}$ 는 $E_{Conv}$ 내부 열 전달 속도입니다 $.$ 외피를 통한 식사 전달, $E_{Vent}$ $E_{Vent}$ $E_{Vent}$ t $E_{Vent}$ {\ $displaystyle E_{Vent}$ 는 $E_{Vent}$ 실내와 실외 공기 사이의 열 이득/손실, $E_{AC}$ $E_{AC}$ {\ $displaystyle E_{$ $AC}}$ 는 $E_{AC}$ 기계적 ^[2]열전달입니다.

이를 통해 인프라스트럭처 내에서 어느 정도의 냉각이 필요한지 판단할 수 있습니다.

주택 부문에서 일반적으로 사용되는 세 가지 활성 냉각 시스템이 있습니다.

팬

팬은 전기 모터에 의해 일정한 속도로 회전하는 3~4개의 날개입니다.회전하는 동안 에어플로우가 생성되고 강제 대류 열전달 과정을 통해 주변이 냉각됩니다.비교적 저렴한 가격 때문에, 주택 부문에서 세 가지 활성 냉각 시스템 중 가장 자주 사용됩니다.

히트 펌프

히트펌프는 냉온영역에서 온온영역으로 열을 추출하기 위해 전기를 이용함으로써 냉온영역의 온도를 낮추고 온온영역의 ^[4]온도를 상승시킨다.

열펌프에는 ^[5]두 가지 유형이 있습니다.

압축 열펌프

압축 열 펌프는 두 가지 모델 중 가장 인기 있는 모델로서 냉매 사이클을 통해 작동합니다.공기 중의 증기 냉매는 온도가 상승하면서 압축되어 과열된 증기를 생성한다.그런 다음 증기는 응축기를 통과하여 액체 형태로 전환되며 그 과정에서 더 많은 열을 방출합니다.액체 냉매는 팽창 밸브를 통과하면서 액체와 증기의 혼합물을 형성합니다.증발기를 통과하면서 증기 냉매가 형성되고 공기 중으로 배출되며 냉매 사이클이 반복됩니다.

흡수식 열펌프

흡수식 히트 펌프의 프로세스는 압축 모델과 유사하게 작동하며, 주요 대비는 컴프레서 대신 흡수기를 사용하는 것입니다.흡수기는 증기 냉매를 흡수하여 액체 형태를 만들고 액체 펌프로 이동하여 과열된 증기로 변합니다.흡수식 히트 펌프는 ^[2]전기만을 사용하는 압축식 히트 펌프에 비해 기능적으로 전기와 열을 모두 활용합니다.

증발 냉각기

증발식 쿨러는 외부 공기를 흡수해 물 포화 패드를 통과시켜 ^[6]물 증발을 통해 공기의 온도를 낮춘다.

다음과 같이 나눌 수 있습니다.

직접적인

이 방법은 물을 증발시킨 다음 공기 흐름으로 직접 이동하여 작은 형태의 습도를 생성합니다.주변 온도를 적절히 낮추기 위해서는 보통 적당한 양의 물을 소비해야 한다.

간접적인

이 방법은 물을 2차 공기 흐름으로 증발시킨 후 열 교환기를 통해 흐르게 함으로써 습도를 더하지 않고 주 공기 흐름의 온도를 낮춥니다.직접 증발식 냉각기에 비해 작동에 필요한 수분 소비량이 훨씬 적고 온도를 ^[2]낮춥니다.

기타 응용 프로그램

연구진은 액티브 쿨링의 통상적인 상용 사용 외에 액티브 쿨링의 다양한 테크놀로지에의 실장을 개선할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다.

열전 발전기(TEG)

열전 발전기(TEG)는 능동 냉각을 유지하는 데 있어 그 실행 가능성을 테스트하기 위해 최근에 실험된 동력원입니다.제벡 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치입니다.전원의 용도는, 고출력을 필요로 하는 테크놀로지에서 보다 많이 볼 수 있습니다.예로는 우주 탐사선, 항공기, 자동차가 있다.

2019년 연구에서 TEG 능동 냉각의 실행 가능성이 ^{[citation needed]}테스트되었습니다.이 테스트는 TEG로 구동되는 팬이 장착된 소형 싱글보드 컴퓨터인 라즈베리 PI3에 적용되었으며 시판되는 패시브 쿨러로 구동되는 다른 컴퓨터와 비교되었습니다.연구를 통해 두 라즈베리 PI의 전압, 전력 및 온도가 관찰되고 기록되었습니다.데이터에 따르면 벤치마크 테스트를 통해 TEG를 탑재한 Rasberry PI3는 패시브 쿨링 Rasberry PI3보다 몇℃ 낮은 온도에서 안정화되었습니다.또한 TEG에 의해 생산된 전력을 분석하여 팬이 자급자족 가능한 능력을 가질 수 있는 가능성을 측정하였습니다.현재 TEG만으로는 팬의 초기 가동에 필요한 에너지가 부족하기 때문에 팬의 전원을 공급하는 것만으로는 충분히 자급자족할 수 없습니다.그러나 에너지 축전지의 구현으로 ^{[citation needed]}가능할 것이다.

TEG의 발전량은 다음과 같습니다.

${\displaystyle P_{TEG}\rightarrow {fanairflow \over fanpower}\rightarrow \sum R_{thermal}\rightarrow \big triangleup T_{TEG}\오른쪽 화살표 P_{TEG}}:$

$P_{TEG}$ 서 P $P_{TEG}$ $P_{TEG}$ G $P_{TEG}$ { $style$ P _ $P_{TEG}$ { $TEG}$ 는 $P_{TEG}$ TEG에 의해 발생하는 전력입니다. $R_{thermal}$ $R_{thermal}$ $R_{thermal}$ $R_{thermal}$ m a $R_{thermal}$ l { { $display style$ R _ { $thermal$ }은 $R_{thermal}$ 열저항입니다. $T_{TEG}$ $T_{TEG}$ $T_{TEG}$ G { $display style$ T _ { $T_{TEG}$ 。 $TEG}}$ 은 $T_{TEG}$ TEG로부터의 온도입니다.

그 결과 열전 발전기 능동 냉각은 상업적인 수동 냉각기 ^[7]^[8]^[9]사용량에 버금가는 온도를 효과적으로 낮추고 유지하는 것으로 나타났다.

근접침지액티브냉각(NIAC)

NIAC는 와이어 + 아크 가법 제조(WAAM)에 의해 발생하는 열 축적량을 줄이기 위해 최근 연구되고 있는 열 관리 기술입니다.NIAC는 작업 탱크 내에서 WAAM을 둘러싸고 있는 냉각액을 사용하여 금속이 퇴적될 때 수위를 높입니다.액체와 직접 접촉하면 WAAM에서 열을 빠르게 배출하여 온도를 ^[10]크게 낮출 수 있습니다.

2020년 실험에서 연구원들은 NIAC의 사용 가능성을 발견하고 냉각 능력을 테스트하고자 했습니다.실험은 자연 냉각, 수동 냉각 및 근침형 능동 냉각 사이에서 WAAM에 의해 생성된 온도 완화 효과를 비교했습니다.자연 냉각은 공기를, 수동 냉각은 일정한 수위에 유지되는 냉각액을, NIAC는 WAAM의 ^[10]작용에 따라 상승하는 냉각액을 사용했습니다.

NIAC의 ^[10]사용 가능성을 측정하기 위해 다음과 같은 테스트를 사용했습니다.

열분석:열 분석에서 NIAC와 다른 냉각 유형 간에 상당한 열 차이가 있었으며, NIAC는 기술을 훨씬 더 빠른 속도로 냉각했습니다.
기하학적 품질:벽의 기하학적 품질은 NIAC가 가장 얇고 높은 벽을 가지고 있어 액티브 쿨링 사용 시 WAAM의 내구성이 우수합니다.
다공성 평가:다공성 평가 결과 활성 냉각이 가장 낮은 다공성 수준을 포함하고 있는 것으로 나타났습니다.다공성 수준이 높으면 ^[11]연성이 제한되는 등 기계적 특성에 악영향을 미칩니다.
기계적 특성: NIAC는 자연 냉각 및 수동 냉각과 대조적으로 기계적 특성, 특히 연성을 균등하게 하는 경향이 있습니다.

그들은 NIAC가 실행 가능하고 수동 ^[10]및 자연 냉각과 같은 기존 냉각 방법과 견줄 만하다고 결론지었다.

수동 냉각과의 비교

액티브 냉각은 보통 다양한 상황에서 패시브 냉각과 비교하여 더 좋고 효율적인 냉각 방법을 결정합니다.이 두 가지 모두 많은 상황에서 실행 가능하지만 여러 요소에 따라 다른 요인보다 한 가지 요소가 더 유리할 수 있습니다.

이점

일반적으로 액티브 냉각 시스템은 패시브 냉각 시스템보다 온도 감소 측면에서 더 우수합니다.수동 냉각은 작동 시 에너지를 많이 사용하지 않고 자연 냉각을 이용하기 때문에 장시간 냉각에 시간이 걸립니다.대부분의 사람들은 짧은 시간 간격으로 온도를 낮추는 데 효과적이기 때문에 수동 냉각보다 고온 또는 열대 기후에서 능동 냉각 시스템을 사용하는 것을 선호합니다.테크놀로지에서는, 적절한 온도 조건을 유지하는데 도움이 되어, 코어 운용 시스템의 손상이나 과열의 위험을 방지합니다.테크놀로지의 발열을 보다 균형 있게 할 수 있어 일관되게 유지할 수 있습니다.또한 일부 능동 냉각 시스템은 작동에 ^[8]^[10]있어 자연적 수단에 크게 의존하는 수동 냉각에 비해 열전 발전기의 적용에 나타난 바와 같이 자생 가능성의 가능성을 포함하고 있다.

단점들

수동 냉각에 비해 능동 냉각에 관한 문제는 주로 재무 비용과 에너지 소비입니다.액티브 냉각은 에너지 요건이 높기 때문에 에너지 효율은 물론 비용 효율도 떨어집니다.주거 환경에서 능동 냉각은 일반적으로 건물 전체에 충분한 냉각을 제공하기 위해 많은 양의 에너지를 소비하여 재정 비용을 증가시킵니다.이 건물의 엔지니어들은 에너지 소비의 증가가 ^[2]지구 기후에 부정적인 영향을 미치는 요인도 될 것이라는 점을 고려할 필요가 있다.액티브 냉각에 비해 패시브 냉각은 평균 또는 저온에서 더 많이 사용됩니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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[9] Zhou, Y.; Paul, S.; Bhunia, S. (March 2008). "Harvesting Wasted Heat in a Microprocessor Using Thermoelectric Generators: Modeling, Analysis and Measurement". 2008 Design, Automation and Test in Europe: 98–103. doi:10.1109/DATE.2008.4484669. ISBN 978-3-9810801-3-1.

[:2-10] ^ ^a ^b ^c ^d ^e da Silva, Leandro João; Souza, Danielle Monteiro; de Araújo, Douglas Bezerra; Reis, Ruham Pablo; Scotti, Américo (2020-03-01). "Concept and validation of an active cooling technique to mitigate heat accumulation in WAAM". The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 107 (5): 2513–2523. doi:10.1007/s00170-020-05201-4. ISSN 1433-3015. S2CID 216315774.

[11] DebRoy, T.; Wei, H. L.; Zuback, J. S.; Mukherjee, T.; Elmer, J. W.; Milewski, J. O.; Beese, A. M.; Wilson-Heid, A.; De, A.; Zhang, W. (2018-03-01). "Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties". Progress in Materials Science. 92: 112–224. doi:10.1016/j.pmatsci.2017.10.001. ISSN 0079-6425.

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