omniCOOL: 팬 설계에 대한 고유한 접근 방식 도입

IoT 및 클라우드 데이터 서비스의 증가로 인해 전자 업계의 최전선에 강력한 서버 및 저장 장치를 탑재한 데이터 센터가 생겨났습니다. 데이터 센터에서 엄청난 열이 발생한다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 이러한 열은 중요 장비에서 반드시 제거되어야 하며 이러한 열 제거 작업은 주로 팬 사용으로 시작합니다.

우리가 의존하는 다른 응용 제품도 마찬가지입니다. 가정용 컴퓨터, 가전, 산업용 기계 등과 같은 제품은 지정된 온도 범위 내에서만 안정적으로 작동합니다. 즉, 팬은 현대 생활에서 매우 중요한 역할을 합니다.

슬리브 베어링과 볼 베어링의 트레이드오프

모든 팬의 핵심은 베어링입니다. 이 중요한 부품은 팬 회전자가 회전하도록 하고 팬의 작동 수명을 결정하는 핵심 요소이기 때문에 설계자와 엔지니어가 응용 제품을 냉각하는 데 적절한 팬 베어링을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

일반적으로 슬리브 베어링이 장착된 팬과 볼 베어링이 장착된 팬 중에서 선택합니다. 두 팬은 모두 장점이 있지만 다른 한 가지를 선택할 경우 작업 중에 다른 팬의 장점을 포기해야 하는 트레이드오프가 발생합니다. Same Sky는 베어링 설계에 대한 새로운 접근 방식을 채택하여 볼 베어링과 슬리브 베어링의 간극을 메우고 있습니다.

그러나, 이 새로운 팬 설계를 살펴보기 전에 기존의 슬리브 베어링 유형과 볼 베어링 유형의 이점과 단점을 먼저 살펴보겠습니다.

슬리브 베어링 이해

슬리브 베어링 팬의 중심에 있는 샤프트는 샤프트를 회전하기 위해 슬리브에 도포된 오일 층을 통해 '슬리브 모양' 실린더 내에서 회전합니다. 슬리브는 회전자를 올바른 위치에 고정하여 모터 고정자와 항상 올바른 간격을 유지하도록 하는 역할을 합니다(그림 1). 슬리브 베어링은 기존의 두 설계 보다 비용 효율성이 더 뛰어나며 충격과 진동이 발생하는 응용 제품에서 고정 성능이 더 뛰어납니다. 그러나 이 설계에는 몇 가지 단점이 있습니다.

그림 1: 일반 슬리브 베어링 팬을 보여주는 구성도(이미지 출처: Same Sky)

회전자의 떨림을 최소화하기 위해서는 슬리브를 샤프트 주위에 바싹 장착해야 합니다. 그러나 이 접촉 면적이 넓어질수록 마찰이 커져서 팬을 시동하기까지 더 오래 걸립니다. 즉, 팬을 구동하고 회전을 유지하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

슬리브 설계의 다른 문제는 회전자의 무게를 슬리브의 샤프트에서만 지탱한다는 점입니다. 따라서 회전하면서 베어링의 내부가 점차적으로 마모되어 보어의 형태가 왜곡됩니다. 팬을 항상 동일한 방향으로 사용할 경우 슬리브 단면이 타원형으로 변하여 팬의 소음이 커지고 떨림이 발생할 수 있습니다.

휴대용 장비의 경우처럼 팬을 다양한 각도로 작동해야 할 경우 이 베어링 마모 문제가 더 악화될 수 있습니다. 다른 방향에서 회전자의 질량을 당기는 중력이 작용하므로 사용 각도에 따라 슬리브가 고르지 않게 마모되어 떨림 및 잡음 문제가 악화될 수 있습니다.

결과적으로 이 마모가 베어링의 수명을 단축하여 설계에 따라 전체 팬 장치 또는 냉각 중인 제품의 수명이 단축됩니다.

앞서 전체 회전을 유지하는 데 필요하다고 언급한 윤활제는 일반적으로 베어링 보어의 양쪽 끝에 있는 오일 링과 마일라 와셔를 포함하여 제공됩니다. 이러한 부품은 마찰을 방지하기 위한 것이지만 실제로는 마찰을 가중시킵니다. 또한 이러한 부품의 위치로 인해, 회전 마찰에 의해 발생되는 가스가 배출되는 데 어려움이 있습니다. 이러한 가스가 제거되지 않는다면 단단한 질화물 입자로 바뀌어 베어링을 막아 회전을 방해하고 베어링의 수명을 단축하게 됩니다.

볼 베어링의 기본 사항

볼 베어링이 있는 팬(그림 2)에는 일반적으로 샤프트 주위에 작은 강철 볼로 구성된 두 개의 링이 있으며 그중 하나가 다른 링보다 회전자에서 더 가깝게 위치합니다. 스프링 링이 이 둘을 밀어서 떼어 놓습니다. 이러한 구조는 슬리브 베어링과 관련하여 발생하는 회전자 기울임 및 고르지 않은 마모 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 그 이유는, 회전자에 가장 가까운 볼 베어링에 회전자의 무게가 가해지지만 스프링이 회전자를 아래로 당기는 중력으로 인해 발생하는 기울임을 상쇄시킬 수 있기 때문입니다. 즉, 볼 베어링이 있는 팬은 모든 각도에서 사용할 수 있으므로 휴대용 장치에 적합한 설계 방식입니다. 또한 볼 베어링의 경우 베어링 마모가 적은데, 이로써 슬리브 기반 설계보다 볼 베어링 기반 설계의 평균 무고장 시간(MTBF)이 훨씬 더 길다는 것을 알 수 있습니다.

그림 2: 일반 볼 베어링 팬을 보여주는 구성도(이미지 출처: Same Sky)

볼 베어링은 팬 모터를 구동하고 작동하기 위해 극복해야 하는 마찰을 감소시키지만 슬리브 베어링에 비해 더 비싸고, 더 소음이 크고, 복잡하며, 내충격성이 작습니다.

omniCOOL™ 시스템: 격차 해소

설계자가 팬을 지정할 때 절충의 필요성을 최소화할 수 있도록, Same Sky의 omniCOOL™ 시스템(그림 3)은 두 핵심 요소인 자기 회전자 밸런싱 구조와 고급 버전 슬리브 베어링을 팬 설계에 통합하여 비용 대비 성능 격차를 해소하려고 합니다.

그림 3: Same Sky의 omniCOOL 시스템을 보여주는 구성도(이미지 출처: Same Sky)

자기 구조 덕분에 회전자는 팽이처럼 효과적으로 어떤 각도에서도 낙하하지 않고 작동하게 되었습니다. 이는 시스템의 자기 구조가 회전자의 전면에 위치하여 팬이 작동하는 각도에 상관없이 모든 방향으로 균일하게 끌어당기기 때문입니다.

샤프트의 끝에 있는 지지 캡이 제자리를 유지하면서 팽이의 뾰족한 부분처럼 회전자가 회전하는 기준점 역할을 합니다.

자기 구조를 사용하는 이 방식에서는 회전자의 무게가 베어링 슬리브에 의해 발생하지 않고 자력에 의해 발생하여 회전자를 공중에 띄웁니다. 따라서 베어링 내부와 샤프트 사이에서 마찰이 감소합니다. 또한 기존 슬리브 베어링에서 발견되는 기울기 및 떨림 문제가 감소됩니다.

자기 구조는 베어링의 내부와 회전 샤프트 사이의 접촉 면을 획기적으로 줄여주지만 omniCOOL 시스템은 발생할 수 있는 모든 마찰에 대해 높은 저항력을 제공하기 위해 특수하게 경화된 슬리브를 포함합니다. 또한 고급 버전 슬리브 설계는 대부분의 슬리브 베어링이 견딜 수 있는 것보다 더 높은 최대 90°C의 내열성을 제공합니다. 테스트에서 이 고급 버전의 단단한 베어링은 기대 작동 수명이 기존 슬리브 베어링보다 훨씬 더 길게 나타났습니다(70°C에서 3.2배, 20°C에서 5.5배 더 김)(그림 4).

그림 4: 기존 슬리브 베어링과 omniCOOL 시스템의 기대 수명 비교(이미지 출처: Same Sky)

omniCOOL 시스템의 고급 버전 베어링과 표준 슬리브 베어링의 중요한 차이점은 오일 링과 마일라 와셔가 없다는 것입니다. 자력을 통해 마모를 줄이므로 윤활제가 더 이상 필요하지 않습니다. 따라서 이러한 부품을 제거할 수 있습니다. 부품을 제거하면 마찰이 감소하므로 모터를 구동하고 회전하는 데 발생하는 잡음과 필요한 에너지가 감소됩니다. 또한 회전 마찰에 의해 발생하는 가스가 단단하게 굳어져 베어링을 차단하지 않고 자유롭게 배출됩니다.

기존 팬 설계에 대한 새로운 대안

omniCOOL 시스템에서 개발한 기술의 조합은 볼 베어링과 슬리브 베어링의 격차를 해소함으로써 모든 각도에서 사용 가능하고 볼 베어링 설계보다 더 비용 효율적인 조용하고, 강력하면서, 수명이 긴 팬을 제공합니다. 엔지니어를 위해 기존의 트레이드오프 없이 전자 장비를 냉각할 수 있는 새로운 대안을 제시합니다.

omniCOOL 시스템을 통한 Same Sky의 DC 축류 팬 및 송풍기 라인을 살펴보세요.