3. 효율적인 냉각 시스템 구축


3.1. 냉각 팬의 배치에 따른 공기 흐름 분석 실험


3.1.1. 효과적인 공랭 시스템의 구축의 필요성

앞에서 살펴본 것처럼 컴퓨터의 각 부품에서는 다양한 원인에 의해 많은 양의 열이 발생한다. 또한 발열량을 줄이기 위한 노력은 이루어지고 있지만 아직까지는 발열 문제를 근본적으로 해결할 방법을 찾지 못하고 있다. 현재 사용되는 실리콘 베이스에서의 전류의 흐름을 이용한 연산 방식 자체가 발열이 불가피한 방식이기 때문이다. 그러므로 컴퓨터에서 발생한 열을 냉각할 수 있는 시스템의 구축이 필요하다.


현재 컴퓨터에 사용되는 주요 부품들인 CPU와 GPU, RAM 등은 30nm 내외의 매우 미세한 공정으로 제작된다. 또한 부품들은 녹는점이 그리 높지 않는 반도체 원소들로 제작되므로 온도가 70 이상이 되면 수명의 저하가 일어나고 80℃에 이르는 경우 아예 부품이 손상되거나 주위 부품들에까지 악영향을 줄 수 있다. 그러므로 이들 부품들의 냉각은 반드시 필요하다.


현재 컴퓨터의 냉각 방식으로는 주로 공기를 이용한 공랭 방식이 사용되고 있다. 컴퓨터 외부의 찬 공기를 흡입하고 이 공기로 부품의 열을 식힌 후 다시 컴퓨터 내부의 더운 공기를 배출하는 것이 공랭 냉각의 원리이다. 공랭 방식의 가장 큰 장점은 펌프와 호스 및 히트파이프 등 다양한 부품을 필요로 하지 않아 가격이 저렴하다는 점이다. 또한 설치가 쉽고 냉매가 유출될 시의 시스템 손상 등의 안정성 문제도 적다. 다만 공기는 수냉 방식에서 사용되는 여러 냉매에 비해 열용량이 작아 열 배출의 효율성이 떨어지고 흐름을 정확하게 조정할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 앞으로 진행할 실험의 주제는 효율적인 냉각 시스템 구축이다. 단순하게 성능적인 측면을 고려한다면 수냉 방식에 대해 다뤄야 하겠지만 본 연구에서는 효율적 측면에 비중을 두고 있기 때문에 공랭 방식에 대해 다룰 것이다.


잠시 컴퓨터 팬의 배치에 역사에 대해서도 살펴보자. 컴퓨터의 성능이 그리 높지 않았던 2000년대 이전에는 컴퓨터에는 별도의 팬이 필요가 없었다. 자연적인 대류 현상으로도 충분히 냉각이 가능했기 때문이다. 단 파워 서플라이에는 팬이 장착되기도 했다. CPU 냉각 팬은 1990년대 후반에 대부분의 컴퓨터에 장착되기 시작했다. 케이스에 냉각 팬이 장착된 것은 2000년대에 들어서다. 먼저 케이스 후면에 배출 팬이 장착되었고 다음에 케이스 전면에 흡입 팬이 장착되었다. 그리고 경우에 따라 CPU 위의 측면 흡입 팬도 장착되기 시작했으며 상단 배출 팬도 생겨났다. 최근에는 일반적인 케이스에는 3개 내외의 팬이 기본적으로 장착된다. 이처럼 케이스에 3개 내외의 냉각 팬이 장착되기 때문에 케이스 냉각 팬의 배치에 따라 냉각 효과가 달라질 수 있다. 그래서 본 실험에서는 케이스 팬의 수와 배치를 11개 경우로 나누어 각각의 경우에서의 공기 흐름을 분석해 가장 효율적인 케이스 냉각 팬의 배치를 예상하고 나아가 가장 효율적인 냉각 시스템 구축에 대해 알아보려고 한다.


3.1.2. 실험 조건


위 사진과 같이 실험은 일반 미들타워 케이스보다 조금 큰 220mm×460mm×460mm의 알루미늄 프로파일 내부에 실제 컴퓨터와 비슷한 환경을 구현했다. 케이스 내부는 공기 흐름을 효과적으로 관찰하기 위해 검은 색으로 도색했으며 상자를 이용해 CPU, 그래픽카드, RAM, HDD, 파워 서플라이 등 주요 부품의 모형을 만들어 배치했다. 그리고 알루미늄 프로파일의 6면 중 4면은 공기 통로와 팬을 장착할 구멍의 가공을 쉽게 하기 위해 하드 보드지로 막았으며 옆면인 케이스 내부의 공기 흐름을 관찰하기 위해 PC판으로 막았다. 팬은 80mm 제품을 사용했으며 공기의 흐름을 보다 효과적으로 관찰하기 위해 가변 저항을 이용해 회전 속도를 일반적인 경우보다 조금 느리게 유지했다.



실험은 위 사진과 같이 케이스 내부에 향 연기를 모은 후 실험할 팬을 가동시키는 방식으로 진행했다. 향 연기를 좀 더 잘 관찰하기 위해 주변 불을 끄고 측면에서 차례로 빛을 비춰주기도 했다. 처음에는 모기향을 사용하여 보았지만 연기가 쉽게 흩어져 관찰이 쉽지 않았기 때문에 향 한 묶음 전체에 불을 붙여 연기를 피웠다.


효과적인 공랭을 위해서는 먼저 냉각 팬이 케이스 외부와 내부의 공기를 효과적으로 순환시켜야 하며 컴퓨터 케이스 내부로 들어간 공기가 효율적으로 순환을 해야 한다. 즉 공기의 흐름이 원활해 흡입되고 배출되는 공기의 양이 많으면서도 CPU와 그래픽카드 등 발열이 큰 주요 부품들을 효과적으로 식혀 줄 수 있어야 한다. 때문에 공기의 흐름에 따른 효율성은 다음과 같은 기준으로 판단했다.


먼저 케이스 내부로 들어오는 찬 공기의 양과 케이스의 외부로 빠져나가는 더운 공기의 양이 많아야 한다. 즉 케이스 내부와 외부 사이에 공기 순환이 커야 한다는 것이다. 또한 CPU와 그래픽카드, RAM 및 메인보드 칩셋이 위치한 케이스 후면 상단부로 공기가 많이 흘러야 한다. 그리고 후면 상단부에서 층류가 흐르는 것보다는 난류가 흐르는 것이 열전달 효과가 크기 때문에 난류가 흘러야 한다. 단 주요 부품들이 없는 곳에서 난류가 흐를 경우 공기의 흐름이 약해지므로 다른 곳에서 난류가 흘러서는 안 된다.


이 실험은 총 11개 경우 나누어 진행했다. 1번~4번 실험은 팬을 1개 가동했을 때의 공기 통로의 배치에 따른 공기 흐름을 분석했고 5번~9번 실험은 팬을 2개 가동했을 때의 공기 흐름을 비교해 보았다. 마지막으로 10번~11번 실험은 팬을 3개 가동했을 때의 공기 흐름을 살펴보았다.



위 그림은 케이스 내부의 모식도이다. 앞으로 각 실험에서 관찰한 공기의 흐름을 위 모식도에 표시할 것이다. 위에서부터 왼쪽으로 CPU, RAM 2개, 그래픽 카드, 하드디스크, 파워 서플라이이다. 배출 팬은 보라색 타원, 흡입 팬은 주황색 타원, 공기 통로는 초록색 타원, 공기의 흐름은 빨간색 화살표로 표시할 것이다. 공기 흐름의 세기는 화살표의 뚜께로 구분한다.


실제 실험에서는 공기 흐름이 명확하게 보이지 않았고 팬을 장착하지 않은 구멍을 완벽하게 막지 못해 약간의 공기 흐름이 생겨 앞으로 볼 모식도처럼 공기 흐름이 매끄럽지는 않았지만 그런 오차는 무시하기로 했다. 또한 CPU, 그래픽카드 및 파워 서플라이의 팬은 현실적으로 구동할 수가 없었기 떄문에 무시하기로 했다.


3.1.3. 실험

1번~4번 실험에서는 후면 상단 배출 팬 1개를 구동했을 때의 공기 통로 배치에 따른 공기 흐름을 비교했다.


1번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

먼저 후면 상단에 배출 팬을 장착하고 공기 통로가 없는 상태에서 실험했다. 후면 배출 팬을 구동했지만 공기 통로가 없는 경우에는 적은 양의 공기가 케이스 후면 상단부에서 순환했다. 외부에서 공기가 들어올 수 없기 때문에 실제로 배출되는 공기의 양도 적은 것으로 보였고 따라서 냉각 효과도 떨어질 것으로 보인다.


2번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

두 번째 경우는 후면 상단에 배출 팬을 장착하고 케이스 전면 하단에 공기 통로를 뚫은 경우이다. 이 경우에는 정면 하단의 공기 통로에서 후면 상단의 배출 팬으로 1번 실험보다는 비교적 많은 양의 공기가 흘렀다. 전면의 공기 통로로 흘러 들어간 공기가 케이스 내부를 대각선으로 가로질러 후면의 배출 팬으로 나갔다. 단 전면으로 흘러 들어간 공기가 하드디스크와 부딪혀 불필요한 난류가 있었다.


3번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 후면 하단에 공기 통로를 뚫어 보았다. 팬과 공기 통로가 같은 면에 있다 보니 공기가 후면 하단의 공기 통로로 들어와 거의 곧바로 후면 배출 팬으로 나갔다.


4번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

마지막으로 2번 실험과 3번 실험에서 뚫었던 정면과 후면 공기 통로를 모두 뚫었을 경우이다. 당연히 공기 통로가 많으니 냉각 효과는 비교적 뛰어날 것이다. 전체적인 공기 흐름은 역시 2번과 3번 실험과 비슷했다. 특이한 점이라면 2번 실험에서의 공기 흐름과 3번 실험에서의 공기 흐름이 만나는 지점에서 새로운 공기 흐름이 생겨난다는 점이었다.


5번~9번 실험은 앞에서 사용한 후면 상단 배출 팬을 기본으로 해 팬 1개를 더 추가했다.


5번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

모식도 상에서는 전면 팬과 공기 통로가 겹친 것처럼 보이나 실제로는 따로 구멍을 뚫었다. 이번 실험은 4번 실험과 거의 비슷한 공기 흐름이 나타낼 것으로 예상했지만 실제로는 케이스 후면 상단부에서 순환이 일어났다. 또한 순환이 일어나며 주위 주요 부품들과 간섭이 일어나 난류도 많이 형성됐다. 단 이 난류 때문에 케이스 내부와 외부 사이의 공기 흐름이 조금 약해진 것 같다. 하지만 냉각 효과가 매우 클 것으로 생각된다.


6번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 전면 상단에 흡입 팬을 배치했다. 2번 실험에서의 공기 흐름은 거의 그대로 나타났다. 주목할 점은 후면과 정면 상단에서 각각 배출과 흡입 팬이 구동되면서 꽤 강한 공기 흐름이 나타났다. 이 공기 흐름이 주요 부품들을 지나가므로 냉각 효과는 양호할 것으로 생각된다.


7번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

7번째 배치는 상단 앞쪽에도 흡입 팬을 배치해 보는 것이다. 충분히 예상이 되는 결과였다. 하드디스크와 부딪혀 큰 난류가 생기며 전체적인 공기 흐름을 모두 방해했다. 냉각 효과가 거의 없을 것으로 예상된다.


8번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 상단 뒤쪽에 팬을 배치했다. 지금까지는 2번째 팬을 모두 흡입으로 설정했으나 이번 경우는 특별히 배출로 설정했다. 일반적인 컴퓨터 케이스에 배치되는 뒤쪽 후면 팬은 모두 배출 팬이기 때문이다. 공기의 흐름에 대해 생각해보아도 흡입으로 할 경우 상단 뒤쪽으로 들어간 공기가 곧바로 후면 상단으로 나오기 때문의 냉각 효과가 거의 없을 것으로 생각되기 때문에 배출 팬을 배치했다.


예상 외로 공기의 흐름은 좋아 보였다. 주요 부품을 사이에 두고 2개의 배출 팬을 구동하니 주요 부품을 대각선으로 지나는 매우 강한 공기 흐름이 생겼다. 냉각 효과도 기대해 볼 만하다.


9번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 측면 CPU 위 부분에 흡입 팬을 배치했다. 측면에 팬을 배치하니 전체적인 공기 흐름이 크게 달라졌다. 특히 주요 부품이 위치하는 부분에 여러 방향의 바람이 많이 흘러 난류가 많이 생겨 냉각 효과가 꽤 좋을 것 같다.


마지막으로 10번과 11번 실험에서는 3개의 팬을 구동 지금까지의 예상 결과를 종합해 가장 효율적이라고 예상되는 2가지 경우로 배치해 공기 흐름을 분석했다.


10번~11번 실험은 3개의 팬을 사용하였다.


10번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

후면 상단 배출 팬과 전면 하단 흡입 팬, 윗면 뒤쪽 배출 팬을 사용한 경우이다. 케이스를 대각선으로 가로지르는 강한 공기 흐름이 나타났다. 특히 주요 부품이 위치한 케이스 좌측 상단에서는 매우 강한 공기의 흐름이 나타나 냉각 효과가 강할 것으로 예상됐다.


11번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 후면 상단 배출 팬과 전면 하단 흡입 팬, 측면 흡입 팬을 구동한 경우이다. 9번 실험에서처럼 주요 부품 주위에 난류가 많이 흘렀다. 단 정면 하단에서 들어온 공기와 측면에서 들어온 공기가 서로 상쇄되는 부분이 있어 아쉬웠다.


3.1.4. 실험 결론


여러 가지 경우로 나누어 팬을 배치하고 구동했을 때의 공기 흐름을 분석하며 내린 결론은 다음과 같다.


후면 상단 배출 팬을 1개 구동했을 경우 공기 통로가 후면 상단과 후면 하단에 공기 통로를 배치한 4번 실험에서 냉각 효과가 가장 좋을 것으로 예상했다.


후면 상단 배출 팬을 기본으로 해 팬을 1개 추가했을 경우에는 전면 하단 흡입 팬을 배치한 5번 실험의 배치가 가장 효율적일 것으로 생각됐다. 또한 각각 윗면 뒤쪽 배출 팬과 측면 흡입 팬을 배치한 8번과 9번 실험에서의 배치도 효율적일 것으로 예상했다.


팬이 3개일 경우에는 후면 상단 배출 팬과 전면 하단 흡입 팬 그리고 윗면 뒤쪽 배출 팬을 구동한 10번 실험의 배치가 가장 효율적일 것으로 생각됐다.

  1. 정재민 2012.03.03 12:31 신고

    도움이 많이 되었습니다. 잘 보고 갑니다. 고맙습니다. ^^

  2. 2012.07.03 07:40

    비밀댓글입니다

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