고성능 냉각: 콤팩트 사류 팬으로 인한 시장 내 판도 변화

클라우드 서버부터 모바일 장치에 이르기까지 모든 분야에서 강력한 전자 부품은 비즈니스, 소비자, 정부에 상당한 이점을 제공하고 있습니다. 하지만 속도, 신뢰성, 데이터 처리 성능을 보장하기 위해 필수 부품을 가장 효과적으로 냉각하는 방법적 측면에서 여전히 어려움이 있습니다.

5G와 관련된 자율형 기술, 인공 지능 및 사물 인터넷(IoT) 솔루션을 성공적으로 구현하려면 더 강력한 서버와 에지 장치가 필수적입니다. 성능과 신뢰성을 보장하면서 이러한 시스템을 설계하려면 다양한 열 관리 방식이 필요하지만, 대부분의 응용 분야에서는 더운 공기와 찬 공기를 교환하는 팬이 필수적입니다. 따라서 잡음과 실장 면적을 최소화하면서 최고의 냉각 기능을 갖춘 콤팩트 팬을 설계하는 것이 시스템 설계자에게 중요한 과제입니다.

전자 시스템 설계에서 타협 극복

1965년 이후 전자 시스템 설계는 곧 Intel의 공동 설립자가 될 Gordon Moore가 예측한 것으로 유명한 집적 회로의 경이적인 밀도 증가로 인한 냉각 수요와 씨름하고 있습니다.¹ 그 이후로 전자 시스템 설계자는 IC 기반 시스템의 밀도 증가로 인한 냉각 수요를 해결하느라 고심하고 있습니다. 시스템이 과열되면 부품이 작동 중지되거나 손상될 수 있습니다.

전자 시스템을 구동하는 전기가 열로 변환되므로, 과열을 방지하기 위해 열을 방출해야 합니다. 미국에서는 데이터 센터 에너지 사용량의 최대 40%가 냉각하는 데 사용되며, 데이터 센터와 떨어져 있는 에지 컴퓨팅 및 다양한 IoT 장치에서는 일반적으로 고급 열 방출 기능과 극도의 소형화, 높은 신뢰성이 요구됩니다. 이러한 광범위한 전자 시스템을 위한 냉각 솔루션에서는 설치와 유지보수가 간편한 에너지 절약형 저잡음 콤팩트 팬에 의지하는 경우가 많습니다.

냉각 수요에 대응하려는 시스템 설계자는 전력 처리량의 꾸준한 증가, 더욱 엄격해진 에너지 효율 목표, 점차 소형화되는 부품의 도입으로 인해 계속해서 어려움을 겪고 있습니다. 단순히 더 강력한 팬을 사용하거나 추가 팬을 연결하려는 계획은 전력 소비, 공간 제한, 잡음 제약으로 인해 비현실적입니다.

설계자는 팬에 대한 세 가지 기본 옵션 중에서 원하는 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 전산 유체 역학(CFD) 원리를 활용하여 압력과 공기 흐름 간 최적의 균형을 제공하는 접근 방식을 결정할 수 있습니다(그림 1).

• 축류 팬은 프로펠러처럼 팬의 회전 모터 샤프트의 축에 평행하게 공기를 이동시키며, 일반적으로 더운 공기를 냉각 공기로 대체하는 저압 고유량 응용 분야에 적합합니다. 설치 깊이가 얕고 잡음 발생이 적으며 효율성이 우수하여 1cm의 공간도 귀중한 서버 및 스토리지 장치에 적합합니다. 블레이드에 대한 흐름 각도가 클수록 더 큰 압력을 발생시킬 수 있지만, 난기류와 잡음이 증가하고 에너지 효율이 떨어질 수 있습니다.
• 원심 팬은 샤프트에 90˚ 각도로 공기를 굴절시키고 축류 팬보다 더 적은 유량으로 더 큰 압력을 발생시킬 수 있습니다. 따라서 환기를 위해 배관을 통해 공기를 전달하거나(예: 데이터 센터 냉각) 공기 흡입 유량에 수직으로 열을 이동시키는 것을 순환 목표로 하는 소규모 응용 분야(예: 랩톱)에 적합합니다. 다만, 전력 요구 사항이 축류 팬에 필요한 전력을 초과한다는 트레이드 오프가 존재합니다.
• 사류 팬은 축류 팬처럼 공기를 흡입하지만 샤프트에 사선 방향으로 공기를 배출합니다. 그러면 원심 팬과 유사한 수준의 압축이 가능하여, 난기류는 적고 효율은 우수하면서 높은 정압이 가능합니다.

그림 1: 세 가지 팬 설계의 최적 작동 범위. (그래픽 출처: ebm-papst)

차세대 축류 팬

콤팩트 축류 팬은 통합이 쉽고 최적의 공기 유량을 제공하므로 전자 부품 냉각 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 통합 하우징은 잡음을 증가시키는 와류를 생성하지 않고 균일한 배출 흐름을 제공하면서 공기 흡입을 위한 깔때기 역할을 합니다.

하지만 기존 축류 팬은 지속적으로 증가하는 냉각 용량과 더 콤팩트한 설계가 필요한 상황에서 종종 한계에 부딪힙니다. 기존 축류 팬으로 냉각 용량을 높이려는 설계자는 인클로저 전체를 균일하게 냉각하는 데 필요한 높은 압력을 제공하기 위해 역 회전 회전자가 실장된 이중 스테이지 콤팩트 축류 팬을 사용하는 경우가 있습니다. 그러나 에너지 소비와 작동 잡음이 높아지게 됩니다.

선도적인 팬 및 모터 혁신 기업인 ebm-papst는 이러한 문제에 대응하면서 미래의 까다로운 전자 부품 냉각 요구 사항을 충족하기 위해 콤팩트 사류 팬인 DiaForce를 개발했습니다. DiaForce 팬에서는 축 방향과 원심 방향 모두에서 공기 흐름이 나타나므로 잡음이 적고 전력 수요가 훨씬 적은 역 회전 팬의 성능을 갖춘 콤팩트 축류 팬 장치를 구현할 수 있습니다.

DiaForce 팬은 최첨단 외부 회전자 모터를 축류 임펠러와 직접 통합하고 축류 팬의 강력한 공기 유량과 원심 팬의 높은 배압 기능을 제공할 수 있습니다(그림 2). 임펠러와 하우징의 독특한 기하학적 구조가 모서리 영역에서 난기류를 최소화하여 잡음을 줄이고, 흡입구보다 큰 임펠러 배출구를 활용하여 축 방향과 원심 방향 모두에서 공기 흐름을 생성합니다.

그림 2: 단일 스테이지 콤팩트 축류 팬(a), 이중 스테이지 콤팩트 축류 팬(b), 신형 DiaForce 콤팩트 사류 팬(c) 간 직접 비교. (사진 출처: ebm-papst)

ebm-papst는 데이터 센터 서버, 5G 표준 통신, 자율 주행 차량, 클라우드 서비스와 같은 응용 분야의 전형적인 고가용성 요구 사항을 충족하기 위해 DiaForce 콤팩트 사류 팬을 개발했습니다.

DiaForce 팬은 기하학적 구조로 인해 난기류를 최소화하고 표준 축류 팬보다 더 큰 압력 증가를 가능하게 합니다. ebm-papst에 따르면 DiaForce는 기존 콤팩트 축류 팬보다 6dB(A) 더 조용하고, 기존 축류 팬과 동일한 크기에서 최대 50% 더 우수한 공기 성능²을 제공합니다. 또한 두 평면에서 동적 밸런싱을 위한 DIN ISO 1940 사양을 준수합니다.

기존 단일 스테이지 팬과 달리 외부 환경의 온도 상승과 같은 열악한 조건에 맞춰서 DiaForce 팬이 작동하는 속도를 높일 수 있습니다. DiaForce 팬을 구동하는 고효율 전자 정류식(EC) 모터는 최대 90% 효율로 작동하며, 이는 20% ~ 70% 효율로 작동하는 AC 모터에 비해 우수합니다. EC 모터는 속도를 무제한으로 가변할 수 있으며 더 작은 폼 팩터에서 AC 또는 DC 모터의 출력 레벨을 제공할 수 있습니다.

DiaForce120 Standard(부품 번호 8315100198)는 에너지 소비와 잡음을 최소화하면서 강력한 냉각 성능을 제공합니다. 119mm(너비) x 119mm(높이) x 86mm(깊이) 폼 팩터로 제공되며, 무게는 980g입니다. 지정된 표준 테스트 조건에서 680m³/h 최대 자유 공기 흐름과 3.120Pa 최대 정압을 제공합니다. ebm-papst에 따르면 작동 지점에 따라 6dB(A) ~ 12dB(A)의 잡음 감소를 실현할 수 있습니다.

500W 정격의 3선식 고효율 DC 모터와 모든 부하 범위에서 최대 토크를 지원하는 지능적인 모터 조정을 위한 강력한 마이크로 컨트롤러가 DiaForce를 구동합니다.

선택적 통합 FanCheck 진단 도구가 실제 마모, 온도, 속도, 사전 설정된 환경 파라미터를 기반으로 실질적인 사용 수명을 지속적으로 계산합니다. 제조업체와 고객은 FanCheck를 통해 명시된 사용 수명보다 더 일찍 팬을 교체하는 보편적인 관행을 벗어나 관련 비용을 절감하며 최적의 교체 시점을 쉽게 설정할 수 있습니다.

기타 사용 가능한 DiaForce 팬 옵션:

• Go/No Go 경보
• 속도 제한 경보
• 외부 온도 센서
• 내부 온도 센서
• 아날로그 제어 입력
• 습기 방지

결론

정부, 기업, 소비자가 보다 에너지 효율적인 컴퓨터와 네트워킹 기술을 요구함에 따라 전자 시스템 설계자는 더 우수한 성능과 에너지 효율을 제공하기 위해 끊임없이 연구하고 있습니다. 상태 모니터링 기능과 미래의 요구 사항을 고려하여 제작되는 최신 팬은 이러한 과제를 해결하는 데 필수적입니다. ebm-papst DiaForce 콤팩트 사류 팬은 더 콤팩트한 설계에서 더 우수한 냉각 성능을 실현하기 위해 설계자의 고민을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

관련 자료:

1. https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102770836
2. https://mag.ebmpapst.com/en/industries/electronics/diaforce-diagonal-fan-combines-axial-and-centrifugal-in-one-fan_14990/