팬 구동식 강제 공랭: 공기 밀어 넣는 것과 빼내는 것 중 무엇이 적합할까요?

설계자는 일반적으로 강제되지 않은 자연적인 대류 냉각을 선호하지만, 많은 회로 기판, 섀시, 시스템 및 설비는 이 단순한 접근 방식이 제공하는 기류만으로는 적절하게 냉각될 수 없습니다. 대신, 뜨거운 부품 및 시스템에서 요구하는 열 완화를 얻기 위해서는 인클로저 또는 섀시를 통해 알려진 양과 속도로 공기를 강제하기 위해 한 개 이상의 팬이 필요한 것이 일반적입니다.

열과 온도를 허용된 최대값 이내로 유지하기 위해 필요한 기류를 계산하는 방법 및 해당 기류를 전달하기 위해 팬의 크기를 조정하는 방법에 대한 우수하고 명확하며 실용적인 응용 참고 사항은 충분히 찾을 수 있습니다(참고 자료 1~3). 결정을 내리기 위해서는 필요한 기류의 양과 속도 이상의 요인들을 고려해야만 합니다. 또한 CUI Devices의 CFM-4010V-070-273, 40 × 40mm, 분당 8CFM 장치(그림 1, 왼쪽) 더 큰 용량의 팬 1개를 사용할지 또는 CUI Devices CFM-4010C-050-195와 같이 물리적 아웃라인은 동일하고 외관은 비슷하지만 각 CFM 등급(4.22CFM)의 절반 정도인 저용량 팬 2개(그림 1, 오른쪽)를 사용할지 여부도 선택해야 합니다.

그림 1: 이 두 팬은 직사각형의 치수 및 전체적인 외관은 동일하지만, 왼쪽 팬은 8CFM을 제공하고 오른쪽의 더 얇은 팬은 약 4.22CFM을 제공합니다. (이미지 출처: CUI Devices)

더 작은 팬을 병렬로(나란히) 사용하여 공기 유량을 늘리거나, 직렬 체인(2개의 팬을 앞뒤로 연결)으로 사용하여 압력을 높일 수 있습니다. 공기압이 기류 경로의 임피던스를 통해 냉각 공기를 대량으로 푸시하므로 유량과 압력은 서로 관련이 있습니다.

양압 또는 부압 중 무엇이 적합할까요?

여기에서 질문이 떠오르게 됩니다. 최상의 흐름 경로를 위해서는 팬을 사용하여 신선한 공기를 장치로 밀어넣는 것(양압)이 더 나을까요? 아니면 배기되는 쪽에 팬을 배치하여 가열된 공기를 빼내는 것(음압)이 나을까요?(그림 2)

그림 2: 이론적으로 선호되는 기류 경로는 앞에서 뒤로, 아래에서 위로 이동하는 것이지만, 많은 실제 설계 및 설치에서는 이처럼 간단하지 않습니다. (이미지 출처: voltcave.com)

매우 간단한 질문으로 보이니, 그 답도 간단해야 합니다. 어떤 접근 방식을 선택하든 기류 패턴은 동일해야 합니다. 즉, 연기 궤적을 이용하여 찍은 기류 사진을 보는 것만으로 어떤 배치가 사용되었는지를 알 수 있을까요?

그러나 대부분의 엔지니어링 문제에서와 마찬가지로, 이 별 것 아닌 것으로 보이는 질문에 대한 간단한 답은 없습니다. 대신, 다소 상반된 두 가지 답변이 있습니다.

1. 상관 없다.
2. 상황 및 응용 제품 세부 사항에 따라 다르다.

게이머들의 조언

저는 팬을 사용한 강제 공랭에 대해 연구를 해 보았는데, 놀랍게도 공식 학술지 또는 비공식적인 학생 논문 및 프로젝트에서는 유용한 정보를 찾을 수 없었습니다. 제가 발견한 사실은 여러 게이머들과 PC 오버클로커들이 이 문제에 대해 조사했다는 것입니다(참고 자료 4~13).

열정적인 게이머들은 클록 속도 면에서 시스템을 꽤 강하게 밀어붙이는 경향이 있으므로, 열 요구 사항이 늘어나게 됩니다(게이머들의 액체 냉각 방법은 무시함). 그들이 작성한 보고서 및 블로그에는 전문적인 추측에서부터 실제 테스트에 이르기까지 다양한 내용이 포함되어 있었으며, 그들의 시스템에는 다음과 같은 흥미로운 특성들이 있습니다.

• 주로 랙 또는 닫힌 캐비닛에 장착되지 않은, 집에서 설계한 독립형 장치입니다.
• 생산량이 더 많은 기존 시스템이므로, 비용에 대해 크게 고려하지 않습니다.
• 아기 다루듯 조심스럽게 관리됩니다.
• 팬이 흡입 및 배출 모두를 위해 배치될 수 있는 다양한 위치가 섀시 주위에 있으므로, 가장 필요하다고 생각되는 내부의 위치로 또는 내부 위치로부터 냉각 공기를 내보냅니다(그림 3).

그림 3: 게임용 PC는 많은 양의 전력을 소비하므로 광범위한 냉각이 요구됩니다. 일반적으로 주변에 여러 개의 팬이 있어 기류를 최대화하고 생성하며, 일부 팬은 공기를 밀어 넣고 또 다른 일부 팬은 공기를 빼냅니다. (이미지 출처: Appuals.com)

이와 대조적으로, 다수의 표준 생산 상업용 장치는 팬이 한쪽 또는 반대쪽 양 쪽에만 배치되도록 제한되는 경우가 많으며, 랙에 장착되거나 닫힌 캐비닛에 배치됩니다.

밀어넣기와 빼내기의 차이점

밀어넣기와 빼내기의 대조가 중요한 이유 이는 단지 기류 경로 또는 효율성 때문이 아니라, 주로 팬의 먼지 필터와 블레이드에 먼지가 쌓이게 되는 실용적인 이유 때문입니다. 팬의 물리적 배치와 기류 경로에 따라, 앞쪽에 있는 팬이 공기를 밀어 넣을 때 필터의 스크린에는 먼지가 많이 쌓이고 블레이드에는 더 적은 먼지가 쌓이게 됩니다. 그 결과 기류량이 블레이드 가장자리에 먼지가 있는 경우 몇 퍼센트에서부터, 스크린이 막혀 버리는 경우에는 두 자릿수 감소에 이르기까지 감소합니다. 다행히 대부분의 설계에서는 스크린을 비교적 간편하게 빼내어 청소할 수 있습니다.

반대로 팬이 배기구 쪽에 있으며 공기를 끌어들이는 경우, 공기가 유입되는 쪽에는 필터가 없기 때문에 내부 부품에 먼지가 쌓일 가능성이 더 큽니다. 이렇게 먼지가 쌓이면 부품에 절연 블랭킷이 생기고, 부품과 통과하는 공기 사이의 열 임피던스가 증가되므로 기류의 냉각 효과가 저하됩니다. 일반적인 컴퓨터 케이스 또는 제품의 섀시에는 팬이 먼지를 빨아들일 수 있는 작은 구멍, 균열 및 틈새가 많기 때문에 상황은 더욱 복잡해집니다.

공기를 끌어들이는 배기 팬을 선호하는 일부 게이머들은 공기가 들어가는 PC 케이스 주변에 필터를 추가하여 먼지 문제를 해결하려고 시도했지만, 케이스에 작은 구멍이 많기 때문에 그 방법은 비효율적이었습니다. 또 다른 문제는 공기를 밀어넣는 것이 아니라 끌어당기는 것은 일부 더 큰 부품 뒷쪽에 국부적인 '진공 영역'을 만들어 그 부분의 냉각 효과를 감소시킬 수 있다는 점입니다.

대조적으로, 공기가 필터링된 후 팬이 공기를 밀어 넣으면 부품은 깨끗한 상태를 유지할 수 있습니다. 반면에 팬이 공기를 밀어 넣으면 부품에 추가 열 부하가 가해지지만 공기를 빼내면 부품에 열 부하가 가해지지 않습니다. 혼돈과 금기 사항이 뒤섞인 세계인 것이지요.

제가 그 다음으로 생각한 부분은 다음과 같았습니다. 사용 가능한 많은 CFD(연산 유체 역학) 모델링 패키지(그림 4) 중 하나의 정교함을 사용하여 밀어넣기와 빼내기의 기류 상황을 모델링하지 않는 이유는 무엇일까요?

그림 4: CFD 모델링을 통해 기류와 그에 따른 온도 상황을 자세히 분석할 수는 있지만, 밀어넣기/빼내기의 문제는 해결하지 못하는 것 같습니다. (이미지 출처: SEACAD Technologies)

충분히 논리적인 것 같지만, 수십 개의 관련된 분석을 살펴보아도 이 작업을 수행하여 결과를 발표한 사람을 찾을 수 없었습니다. 열 모델링 및 냉각 응용 프로그램 벤더들도 이 주제에 대해 제공하는 자료가 없었습니다. 이는 상당히 놀라운 일이었습니다.

밀어넣기/빼내기에 대한 질문 및 그에 대한 답을 찾기 위한 후속 검색을 통해 다음과 같은 세 가지 결론에 도달할 수 있었습니다.

• 첫째, 밀어넣기/빼내기 문제는 결정적인 일반적인 답이 없는 문제이기 때문에, 하나의 접근 방식에 대한 강력한 증거가 있는 경우를 제외하고는 물리적 배치 면에서 가장 좋은 결정에 따라 작업을 합니다.

• 둘째, 이 문제를 연구하기 위한 연구비를 찾아볼 수 있습니다. 어딘가에는 이 연구를 지원할 사람이 분명히 있을 것입니다. 열 모델링 CFD 벤더, 팬 제조업체 또는 국방부(군대에서 냉각은 매우 큰 문제임)가 될 수도 있습니다.

• 셋째, 많은 게이머가 하는 작업을 생각해 보고, 가능하면 기류 경로의 양쪽 끝에 팬을 두세요. 하나는 공기를 밀어넣고 다른 하나는 빼낼 수 있도록 말입니다. 그러면 올바른 선택을 했는지 염려할 필요가 없으며, 동시에 기류 및 냉각 효과를 증대시킬 수 있습니다. 또한 추가되는 소음에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 팬 2개의 총 소음은 팬 하나의 소음보다 2배 더 크게 감지되지 않습니다. 그 증가치가 3dB에 불과하기 때문입니다. 여러 가지 면에서 가장 합리적인 솔루션입니다.

결론

많은 설계에서, 자연 대류만으로 제공할 수 있는 것보다 더 많은 냉각 기류를 강제하기 위해 팬이 필요합니다. 충분한 기류를 위해 팬의 크기를 정하는 것 외에, 팬의 배치 역시 고려해야 합니다. 마지막으로 팬을 사용하여 공기를 섀시로 밀어넣거나 회로 기판을 가로질러 공기를 빼낼지 여부는 트레이드오프 및 일부 명확성 부족 문제와 함께 여전히 복잡한 문제로 남아 있습니다.

관련 내용

DC 팬 작업 최적화를 위한 중요 파라미터

https://www.digikey.com/en/articles/important-parameters-for-optimizing-dc-fan-operation

팬 선택

https://www.digikey.com/en/articles/selecting-a-fan

축류 팬 및 원심 팬 비교

https://www.digikey.com/en/articles/comparing-axial-fans-and-centrifugal-fans

열 관리 소개

https://www.digikey.com/en/articles/an-introduction-to-thermal-management

온도를 낮게 유지하는 방법: 방열판 선택 및 응용 기본 사항

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-stay-cool-the-basics-of-heat-sink-selection

참고 자료

1. CUI Devices, “Important Considerations When Selecting a Fan for Forced Air Cooling”
2. CUI Devices, “Thermal Management with Fans – There's More to Consider Than You Might Think”
3. CUI Devices, “Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection”
4. Kitguru, “Fan config: Does it matter? Testing push vs pull vs push/pull”
5. Overclock.net, “Push or pull air across radiator fins?”
6. Tom’s Hardware, “Liquid cooling - should it pull the air INTO the case or push out?”
7. Tech Radar, “PC cooling mythbusting with Corsair's fan and PC case experts”
8. Ars Technica, “Push vs pull cooling”
9. How-to Geek, “How to Manage Your PC’s Fans for Optimal Airflow and Cooling”
10. Smart Buyer, “PC Cooling: How to Set up Computer Case Fans”
11. Quora, “Does the fan direction for the CPU cooling make a difference?”
12. Otosection, “Computer Case Airflow What Is Positive And Negative Pressure”
13. Appuals, “How to Optimize and Maintain Positive Airflow in Your Gaming PC”