고성능 엘리베이터 전자회로의 일사병 과학의 힘으로 해결하기

고성능 엘리베이터 전자회로의 일사병

과학의 힘으로 해결하기

 

무더위 속에서는 자칫 온열질환에 걸릴 수 있기 때문에 건강에 각별한 주위가 필요한 것처럼 엘리베이터도 더운 여름날에 일사병에 걸릴 수 있다. 엘리베이터 일사병을 예방할 수 있는 방법은 무엇이 있는지 함께 알아보도록 한다.

■ 글 / 김영수 (한국승강기대학교 교수)

 

 

엘리베이터 온도에 관한 규정
현행 승강기 검사기준에 따르면 기계실 온도는 40℃ 이하로 관리하게 되어있다. 그래서 엘리베이터 기계실에는 온도조절을 위하여 에어컨, 창문 등을 설치하게 되어있다. 엘리베이터는 2만여 개의 전기전자부품으로 이루어지는데 특히 엘리베이터의 두뇌라고 하는 제어반은 많은 전기전자 부품의 조합으로 이루어져 있다.

전기전자 부품은 인쇄회로기판(PCB)에 조립되어 엘리베이터의 인버터, 드라이브, 신호 등 각각의 기능을 담당하게 된다.

 

 

열에 의한 오작동

반도체의 수많은 회로들은 전기의 흐름으로 작동한다. 이때 열이 발생하는데 이 온도가 과다하게 상승하면 반도체는 오작동을 일으키고 심할 경우 반도체 소자가 손상되므로, CPU와 메모리, 메인 칩셋에는 모두 방열판과 쿨러가 장착되어 있어 열을 밖으로 배출하여 냉각시키게 된다. 실제로 컴퓨터 CPU의 경우 25~70℃까지가 정상동작 범위이지만 75℃ 이상 온도 상승 시 바로 시스템이 다운되거나 재부팅, 또는 연산오류를 일으키게 되므로 결과적으로 전자장비의 쾌적하고 안정적인 사용을 위한 요건은 방열을 방해하는 인자를 제거해 줌으로써 해결될 수 있는 것이다.

반도체 소자를 사용하여 전자기기를 설계하는 경우 발열소자를 적절히 냉각시키는 것은 전자기기의 성능에 큰 차이가 있다고 해도 과언이 아니다. 반도체 소자의 접합부 온도가 지나치게 높게 되면 성능에 영구적인 변화를 일으켜 오동작하거나 파괴된다. 대부분의 반도체 소자는 전력용이어서 발열량이 크기 때문에 적절한 히트 싱크(Heat Sink)를 사용하여 방열시킬 필요가 있다.

 

 

히트 싱크 재료에 따른 성능

히트 싱크 재료로는 열전도성이 우수한 재질을 사용하는데 은, 구리, 금, 알루미늄 순으로 할수록 좋다. 은과 구리는 경제성 측면, 부식성 및 낮은 기계적 강도를 이유로 대부분의 히트 싱크 소재는 특별한 경우를 제외하고는 알루미늄을 소재로 해서 많이 사용한다. 또한 알루미늄은 가볍고 가공성이 뛰어나 판이나 압출 형태로 여러 가지 형상을 만들 수 있고 표면처리가 가능한 장점이 있다.

 

 

판형과 압출형의 히트 싱크 제작 유형

제작 유형으로 보면 [그림 1-a]에서 보듯이 알루미늄 판재를 프레스로 기계 가공하여 여러 가지 형상으로 만드는 판형과 알루미늄을 반용해 상태로 금형을 통해 압출시켜 만드는 압출형이 있다. 압출형은 성형될 때 유동성을 좋게 하기 위해 첨가물질을 알루미늄 용액 속에 넣기 때문에 열전도도가 판형에 비해 낮다. 판형은 알루미늄의 사용용도에 따라 다양한 등급을 갖기 때문에 열전도가 다양한지만 보통 압출형에 비해 열전도도가 1.5~2배 정도 높다. 압출형은 금형구조상 핀간격을 조밀하게 배열할 수 없는 단점이 있다.

 

따라서 [그림 1-c]처럼 알루미늄 판을 모재 위에 촘촘하게 심어서 접착하는 접착형이 있다. 물론 가공비가 많이 들어 비싸지는 단점이 있지만 강제대류 냉각방식일 경우 방열 효율이 향상된다. 이 외에도 히트 싱크 핀을 원형 핀(Pin) 타입으로 하거나 압출형 히트 싱크를 직각방향으로 일정간격으로 잘라내어 사각 핀 타입으로 가공한 경우도 있다.

 

 

 

[그림 1-a] 압출형 및 판형 히트싱크

 

[그림 1-b] 압출형 히트싱크 (표면처리)

 

[그림 1-c] 핀 접착식 히트싱크

 

[그림 1-d] Fan 조합형 히트싱크

 

[그림 1-e]

 

[그림 1-f]

 

 

[그림 2]

히트 싱크의 열전달 경로

히트 싱크 열전달 경로는 반도체 소자와 히트 싱크 내부로의 전도 열전달과 히트 싱크 외부로의 대류 및 복사 열전달이 있다. 복사열전달은 방사율에 따라 열전달량이 달라지는데 일반적으로 알루미늄 판재는 방사율이 0.1 정도의 값을 갖는다. 또한 표면을 산화 처리하는 정도에 따라 방사율이 증가하는데 0.55 수준까지 향상된다. [그림 1-b]는 복사열전달을 촉진하기 위해 표면을 다양하게 산화 처리한 샘플을 보여주고 있다.

 

 

액체냉각과 공랭식으로 구분되는 냉각방식

히트 싱크 냉각방식은 크게 액체냉각과 공랭식으로 구분된다. 액체냉각 방식으로는 물을 냉매로 하는 수냉식이 보편적이다. 수냉식 냉각장치는 조금 특이하고 전문화된 냉각장치이지만 그 냉각효과는 공랭식의 1.5~2배에 달한다.

 

그러나 그 구성은 냉각키트와 물순환펌프, 온도방열기, 냉각팬이 들어가며 조금 사양이 복잡한 것이 단점이나 탁월한 냉각 성능을 갖는다. 반면에 공랭식은 자연대류 방식과 팬을 사용하는 강제대류 방식이 있다. 히트 싱크에 부착되는 반도체 소자의 발열량이 매우 큰 경우에는 자연대류 냉각방식만으로는 히트 싱크 크기의 한계도 있고 하여 팬을 사용한 강제대류 냉각 방식을 사용한다.

 

컴퓨터 CPU를 냉각시키기 위하여 [그림 1-d]와 같이 히트 싱크 위에 팬(Fan)을 취부하여 사용한 경우도 있다. 대체로 강제대류 방식은 자연대류 방식에 비해 2~3배의 냉각성능을 갖는다. 이 외에 소프트웨어에 의한 냉각 방식이 있는데 말 그대로 소프트웨어를 통한 CPU를 냉각하는 방법이다.

 

그 종류는 대체적으로 세가지가 있으며 대표적인 프로그램은 CPUIDLE, 워터폴(WATERFALL) 및 레인(RAIN)이 있다. 이는 CPU를 사용하지 않을 때 일시적으로 서스펜드 모드 상태로 만들어 주기 때문에 가능한 것인데 냉각팬 없이 사용할 수 있는 장점이 있지만 반대로 CPU의 성능이 조금 떨어지는 단점이 있다.

 

 

히트 싱크의 열전달 경로

방열기 자체의 열저항을 낮추기 위해 [그림 1-e]와 같이 방열기 바닥면을 히트 파이프(Heat Pipe)로 만든 것도 있다. 그러나 대부분은 제작상의 어려움으로 히트 싱크 바닥면에 히트 파이프를 삽입한 경우가 더 많다. 히트 파이프의 열전도성은 매우 우수하기 때문에 열전달효과는 상당히 크다.

예를 들면 알루미늄 판재의 열전도도가 220W/m.℃ 수준인데 비해 히트 파이프는 10,000 W/m.℃ 정도로 50배의 방열특성이 향상되는 효과가 있다. [그림 1-f]는 히트 파이프와 히트 싱크를 혼합한 경우로서 열교환기에 주로 사용된다.

이상을 통해 히트 싱크는 사용환경이나 방법에 따라 방열효과가 크게 좌우됨을 알 수 있다. 따라서 히트 싱크를 효율적으로 사용하기 위해서는 다음의 사항에 주의할 필요가 있다.

 

 

1. 전도열전달 촉진
- 열전도성이 우수한 히트 싱크 재질을 사용한다(히트 파이프>구리>알루미늄)
- 히트 싱크의 두께, 핀 두께를 최적화하여 열저항을 줄인다.
- 반도체소자와 히트 싱크 사이의 접촉 열저항을 줄이기 위해 실리콘그리스나 실리콘고무와 같은 재질을 사용한다.

 

2. 대류열전달 촉진
- 방열핀 방향은 자연대류효과를 극대화하기 위해 수직으로 배열한다.
- 방열량은 방열핀 표면적에 비례하므로 가급적 크게 한다.
- 핀 간격을 최적화하여 대류열전달량을 증가시킨다.
- 냉각 방식을 바꾼다(비등냉각>액체냉각>강제대류>자연대류).
- 방열기를 취부한 부위 주위에는 밴트(Vent) 구조를 가져가 충분한 공기가 유입되게 한다.
- 팬으로 강제공냉하면 방열성능은 2~3배 증가한다.

3. 복사열전달 촉진
- 히트 싱크 표면처리를 통해 방사율을 높여 복사열전달량을 증대시킨다.
(알루미늄판 방사율=0.1, 크롬 산화처리 방사율=0.55)

 

 

참고
[1] 네이버 검색 ‘일사병’, ‘엘리베이터 기계실’
[2] 승강기 검사기준
[3] 먼지가 엘리베이터(제어반) 및 전자통신장비에 미치는 영향분석 및 개선, (주)비엔에프
[4] 인터넷검색사이트, dlshin.oranc.co.kr/Thermal%20Design4.html

 

 

 

여름철 일사병 대처요령

 

여름철 장시간 외부 작업 시 열실신 주의

영화 「클래식」에서 태수 역의 배우 이기우가 고등학교 조회 시간에 갑자기 쓰러지는 장면이 나온다. 뜨거운 태양 아래 운동장 조회를 하던 시절, 심심치 않게 볼 수 있던 모습이다. 고열에 노출될 때 우리 몸은 혈액순환이 순조롭지 않아 현기증이 나고 급성 신체적 피로감을 느끼며 실신하게 되는 현상을 ‘열실신’이라고 한다.

고온 환경에서 일할 때 머리가 아프다거나, 어지럽다고 느끼는 것은 열실신이 일어날 것을 경고하는 증상이기도 하다. 열실신은 자세를 갑자기 바꾸거나, 오래 서 있을 때, 무리한 작업을 할 때 주로 일어나는데 이럴 때는 서늘한 곳에 작업자를 눕혀야 하며, 수분 내에 회복되지 않으면 반드시 의료진을 불러야 한다.

열사병과 일사병은 일상생활에서도 자주 듣는 말인데, 그 차이가 무엇일까? 일사병(Heat Exaustion)은 강한 햇볕에 장기간 노출됨으로써 혈액의 저류와 체액과 전해질이 땀으로 과다 배출되어 발생한다. 열사병(Heat Stroke)은 직접 태양에 노출되거나 뜨거운 차 안 등에서 강한 열에 장기간 노출될 때 주로 발생하며 노인, 소아, 만성질환자에게 특히 위험하다.

일사병은 피부가 차갑고 끈끈하며 창백한 데 반해, 열사병은 피부가 뜨겁고 건조하며 붉어진다는 차이가 있다. 또, 일사병은 땀이 과다하게 배출되는 데 반해 열사병은 땀의 분비가 없거나 적다.

이런 증상은 사망으로 이어질 수 있으므로 즉시 구급차를 불러야 한다. 기다리는 동안 환자를 서늘한 장소로 옮겨 열을 식혀야 하는데 옷을 시원한 물로 적시거나 선풍기 등으로 시원하게 해주는 등 응급처치를 한다.