표면개질에 따른 2상 액침냉각의 비등 열전달 특성 연구
Boiling Heat Transfer Characteristics of Two-phase Immersion Cooling with Surface Modification
- 주제(키워드) Immersion cooling , Surface modification , Single heat source , Multiple heat sources
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이정호
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035043
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
최근 인공지능(AI)의 발전으로 데이터센터 서버에서 사용되는 CPU 및 GPU의 발열이 증가함에 따라, 기존 공랭 방식의 냉각 성능은 한계에 직면하고 있다. 이에 높은 냉각 성능과 낮은 전력소모를 갖춘 2상 액침냉각 방식이 대안으로 주목받고 있다. 그러나 2상 액침냉각에 사용되는 비전도성 유체는 낮은 열물성치를 갖기에 표면 개질을 통해 열성능을 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 연구들은 대부분 풀비등 챔버에서 이루어져 왔으며, 이는 히터의 크기, 방향, 서버 간 간격, 다중열원 등 실제 2상 액침냉각 환경을 반영하지 못하는 한계가 있다. 본 연구에서는 실제 서버환경을 모사한 챔버를 제작하고, 단일열원 조건에서 구리폼 및 소결 구리 마이크로 다공성 코팅을 적용하여 표면개질 방법과 두께 변화에 따른 열전달 성능을 분석하였다. 이어서 다중열원 조건에서는 열원 간 배치, 간격, 인접한 열원의 열유속 변화, 표면개질 유무에 따른 상호작용 효과를 실험적으로 평가하였다. 또한 초고속 카메라를 이용한 비등 가시화를 통해 열전달 메커니즘을 규명하였다. 실험 결과, 단일열원 실험에서는 구리폼은 CHF 향상에 효과적이었으며, 소결 구리 마이크로 다공성 코팅은 열전달계수 향상에 유리한 것으로 나타났다. 다중열원 실험에서는 수직 배치 시 단일열원 대비 열성능이 향상되었고 하단부 열원의 열유속 및 표면개질 유무에 따라 그 향상 정도에 차이가 나타났다. 본 연구는 실제 서버 환경을 고려한 2상 액침냉각 실험을 통해, 단일열원에서 표면개질에 따른 열성능 변화를, 다중열원에서 열원 간 상호작용 영향에 따른 열성능 변화를 정량적으로 규명하였다.
more초록/요약
The recent advancement of artificial intelligence has led to increased heat generation from CPUs and GPUs in data center servers, thereby exposing the limitations of conventional air-cooling systems. As an alternative, two-phase immersion cooling has gained significant attention due to its high thermal performance and low power consumption. However, the dielectric liquids used in immersion cooling possess inherently low thermal properties, prompting ongoing research into enhancing boiling heat transfer through surface modification. However, most previous studies were conducted in pool boiling chambers, which do not reflect immersion conditions such as heater size, orientation, spacing, and multi-source interactions. In this study, a test chamber replicating a realistic server environment was developed to experimentally evaluate thermal performance under both single and multiple heat source conditions. For a single heat source, copper foam and sintered copper microporous coatings were applied to investigate the effects of surface modification methods and coating thickness on heat transfer performance. The effects of the heater array, spacing, surface modification, and variations in adjacent heat flux were analyzed in multi-source configurations. High-speed visualization was used to observe boiling phenomena and clarify underlying mechanisms. Results showed that copper foam effectively improved critical heat flux (CHF), while microporous coatings enhanced the heat transfer coefficient. In multiple heat sources, vertically arranged heaters demonstrated superior performance compared to single heat source, especially when the lower heater had higher heat flux or surface modification. This study provides valuable insights into the thermal behavior of two-phase immersion cooling systems and offers design guidance for future server applications.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 1-1 절 연구 배경 1
제 1-2 절 연구 동향 및 분석 2
제 1-3 절 연구 목적 5
제 2 장 2상 액침냉각 실험의 방법론 6
제 2-1 절 실험 장치 및 시편 제작 6
제 2-2 절 표면개질 방법 및 모세관 흡수력 실험 12
제 2-3 절 데이터정리와 불확도 분석 19
제 2-4 절 2상 액침냉각 실험 방법 22
제 3 장 표면개질에 따른 단일열원 열성능 실험 결과 26
제 3-1 절 표면개질에 따른 풀비등 곡선 26
제 3-2 절 비등 가시화 결과 비교 29
제 3-3 절 시편 위치에 따른 열성능 비교 결과 35
제 4 장 다중열원에서 열원 간 상호작용 실험 결과 38
제 4-1 절 수평 배치에서의 열성능 비교 38
제 4-2 절 수직 배치에서의 열성능 비교 40
제 4-3 절 표면개질 유무에 따른 열성능 비교 50
제 5 장 결론 52
참고 문헌 55
Abstract 59
