캐비닛 내부의 온도측정 위치를 Fig. 3에 나타내었다. 상온에서 전자캐비닛의 열적 안전성을 확인하기 위해 시험조건을 설정하였고 이를 Table 3에 나타내었다.

Fig. 3 
Location of temperature measurement on a electronic cabinet

Table 4에는 측정된 온도를 나타내었다. 캐비닛 내부 온도 및 DSP 보드 CPU(E)의 계속적인 온도 상승으로 정상상태(Steady State)의 측정결과를 얻을 수는 없었으나 캐비닛 설계 개선을 위한 의미 있는 데이터를 확인할 수 있었다. 검토 결과, 캐비닛의 문제점은 두 가지이며 첫째는 DSP 보드의 열교환 성능 부족이며 둘째는 송풍량의 부족이다.

위치 B와 D의 온도는 각각 좌/우측 DSP 보드의 히트 파이프(Heat Pipe)에서 측정된 온도이며 위치 E의 온도는 우측 DSP 보드의 CPU 인접 온도이다. D(Heat Pipe) - E(CPU) 간 온도편차는 14.5℃인데 측정위치 E의 위치가 CPU 인접위치 온도라는 것을 감안하면 히트 파이프와 CPU의 온도편차는 더 클 것이라 추정할 수 있다. 이는 제작된 DSP 보드의 방열 성능이 비효율적임을 보여주는 것이다. 또한, 전자캐비닛 모사구조물을 이용한 수냉식 열교환기 성능시험 결과와 비교하면, 모듈로 유입되는 공기 온도(A)가 높고 A(Inlet) - H(Outlet)의 온도 편차가 큰데 이는 송풍량이 부족하다 추정할 수 있다.

구조소음 측정위치를 Fig. 4에 나타내었다. 주소음원인 팬의 소음규격 미충족에 대비하여 3종의 팬을 준비하여 소음시험을 수행하였다. Fig. 5에는 중앙 팬조립체의 형상을 나타내었다. 팬의 진동 저감을 위해 팬 고정판과 하부판 사이에 탄성마운트(Elastic Mount)를 적용하였다. 팬의 사양은 Table 5에 나타내었다. 소음시험을 위해서는 전자캐비닛 외부의 탄성마운트를 시험치구에 고정해야 하지만 본 시험의 경우, 소음 수준 및 팬의 종류에 따른 경향성을 파악하는 것이 주요 목적으로 이동용 치구에 캐비닛이 올려진 상태로 소음시험을 수행하였다. 시험규격은 다음과 같다.⁵

- Test standard : MiL-STD-740-2 Type III
- Limit : 40 dB + 3 dB(1/3 Octave, NarrowBand)
- Evaluation method : Energetic average

Fig. 4 
Location of structure borne noise measurement on electronic cabinet

Fig. 5 
Configuration of center fan assembly

Fig. 6에는 소음시험결과를 나타내었다. 기적용된 팬(A)과 비교시, 팬(B)는 전반적으로 약간 높은 수준을 보였으며 모두 일부 주파수 영역에서 소음규격을 초과함을 확인할 수 있었다. 팬(C)는 구조소음 고려 시 적용이 불가능하다고 판단할 수 있었다.

Fig. 6 
Structure borne noise level for Fan(A), Fan(B), Fan(C)

1차 성능시험에서 확인된 보완 사항에 대하여 개선 방안을 검토하였으며 방열 성능을 우선적으로 만족할 수 있는 설계 보완에 중점을 두었다.

첫째, DSP 보드의 방열 성능 개선이다. 기존 연구⁶에 따르면 히트 싱크(Heat Sink) – 히트 파이프(Heat Pipe) – 전도판(Base Metal)간 온도차는 약 5.0°C 이하로 온도차가 적음을 알 수 있는데 DSP 보드의 경우는 14.5°C 이상으로 온도차가 크다. 이는 상기의 열전달 경로에서 열교환이 잘 이루어지지 않음을 의미하며 이와 같은 문제점 개선을 위해 DSP 보드에 대한 단독 온도시험을 수행하였다.

둘째, 송풍량 증가이다. 이를 위해 팬 변경 및 유로의 확대를 통해 송풍량을 개선하기로 하였다. 송풍량 증대를 위해 중앙 팬조립체의 팬은 기존 Fan(A)에서 Fan(B)로 변경을 하였으며 측면에는 Fan(D)가 적용된 팬조립체를 적용하였다. Table 6에는 추가된 Fan(D)의 사양을 나타내었으며 Fig. 7에는 개선 전/후의 냉각 시스템의 개략적인 형상을 나타내었다. 또한, 유로 저항 감소를 위해 DSP 보드 사이 및 수냉식 열교환기 입구 및 출구의 유로 크기를 가능한 최대 크기로 확대하였다.

Fig. 7 
Improvement cooling system

Fig. 8에는 DSP 보드의 형상을 나타내었다. CPU용 히트 싱크와 Non CPU Chip용 히트 싱크가 구분되어 있다. 상온에서 CPU의 부하는 50%이며 자연대류(Natural Convection)와 강제대류(Forced Convection) 상태의 온도를 측정하였다.

Fig. 8 
Inner and outer configuration of heat sink

Table 7에는 구성품 단위 시험결과를 나타내었다. 강제대류상태의 Δt가 증가한 것을 고려하면 히트 파이프로 열전도가 잘 이루어지지 않음을 알 수 있다.

히트 파이프 – 전도판 – CPU의 열전달 경로 중, 문제가 되는 경로를 확인하기 위해 추가적인 온도시험을 수행하였다. 상온, 자연대류상태에서 CPU와 전도판 사이에 현재 적용되어 있는 방열패드(Thermal Pad) 이외에 방열그리스(Thermal Grease)를 적용하여 온도시험을 수행하였으며 시험결과를 Table 8에 나타내었다. 전도판 – CPU 경로에서 열전달이 잘 이루어지지 않으며 이는 방열패드에서 기인한 문제임을 확인할 수 있었다. 시험 결과를 바탕으로 진동 및 충격시험 등을 고려하여 방열 패드 적용을 결정하였으며 기 적용된 방열패드보다 더 좋은 열전달 성능을 보이는 제품으로 방열패드로 교체하였다.

Table 9에는 온도시험 조건을 나타내었다. 측면팬조립체 추가에 따른 구조소음수준 증가를 고려하여 측면 팬조립체의 운용 수량 및 측면팬의 회전수(rpm)를 감소시킬 수 있는 온도 마진을 확인하기 위하여 팬 가동 수량에 따라 운용모드를 구분하여 온도시험을 수행하였다. Table 10에는 운용모드별 측면 팬조립체 가동 수량을 나타내었다. 상온에서 시스템의 허용온도는 개선된 DSP 보드의 최고 허용 온도(80℃)를 시스템의 한계 온도로 설정하였다.

Table 11에는 온도시험결과를 나타내었다. 시험결과, 방열 성능이 개선되었음을 확인할 수 있었으며 측면 팬조립체의 운용 수량을 감소시킨 T5 조건에서도 온도 마진은 10℃ 정도로 측면 팬조립체의 운용 수량 감소나 회전수 감소를 통한 구조소음의 개선 가능성도 확인할 수 있었다.

온도시험과 연관성을 위해 팬의 가동 모드는 온도시험의 팬 운용모드(Table 10) I, II, IV조건에 대한 소음시험을 수행하였다.

Fig. 9에는 소음시험결과를 나타내었다. 소음규격을 만족하기 위해서는 측면 팬조립체의 운용을 중단해야 하지만 이는 전자캐비닛의 방열 성능 때문에 불가하다. 측면 팬조립체가 운용되었을 경우에는 전반적으로 200-1600 Hz 대역에서 소음규격을 초과하였으며 운용모드 I과 II 비교시 운용되는 팬의 수량 변화에 따른 구조소음 개선효과는 미미함을 알 수 있다. 따라서 캐비닛의 구조소음 저감을 위해서는 팬의 수를 줄이기 보다는 팬에서 발생되는 소음의 크기를 줄이는 것이 구조소음 저감에 더 효과적일 것이라 판단하였다.

Fig. 9 
Structure borne noise test results

2차 성능시험 결과를 바탕으로 개선 방안을 검토하였다. 측면 팬조립체의 운용을 중단하였을 경우, 315 Hz를 제외하면 소음규격을 만족하는데 이는 200-1600 Hz 대역에서 발생되는 구조전달 소음이 측면 팬조립체에서 기인함을 추정할 수 있다. 따라서 측면 팬조립체에서 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있도록 팬조립체의 구조 개선이 필요함을 알 수 있다.

Fig. 10에는 개선된 측면 팬조립체의 형상을 나타내었다. 팬의 진동 감쇠를 위해 팬과 고정판 사이에 완충재(Cushioning Material)를 적용하였다.⁷

Fig. 10 
Design improvement for side fan assembly

개선된 전자캐비닛에 대한 캐비닛 단위 구조소음시험 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 기존 시험 대비 63-1600 Hz 영역에서 구조전달소음이 감소하였으며 상대적으로 고무(Rubber)계열은 500 Hz 초과, 발포 폴리에틸렌(Expanded Polyethylene)계열은 500 Hz 이하 주파수에서 좋은 특성을 보였다. 하지만 완충재 적용에도 200, 500, 1600 Hz에서 소음시험규격을 초과하였으며 이에 해당 주파수를 개선을 위한 목표 주파수로 설정하고 측면 팬조립체의 최적화를 위해 구성품 단위 소음시험을 수행하였다.

Fig. 11 
Noise test result

Fig. 12에는 구성품 단위 구조소음시험을 위한 설치 형상을 나타내었다. 구성품 단위 구조소음시험은 고정판 재질, 구동전압 및 완충재 조합에 따른 특성을 확인하기 위한 시험이며 이를 고려한 시험조건 및 완충재 조합을 각각 Tables 12와 13에 나타내었다.

Fig. 12 
Equipment composition for structure borne noise test of side fan assembly

Fig. 13에는 시험결과를 나타내었다. 고정판 재질에 따른 특성은 거의 유사함을 알 수 있다. 구동전압의 경우, 8.5 V까지 감소시에 200과 1600 Hz 소음이 큰 폭으로 감소하는 반면 500 Hz의 경우 차이가 없음을 알 수 있다. 8.5 V는 측면 팬조립체 운용모드 II (Table 10 참고)에 상당하는 공기 유량을 제공할 것으로 추정되기 때문에 그 미만으로 전압을 낮추는 것은 전자캐비닛의 냉각성능을 고려할 때 불가하다. 완충재의 경우, 고정판 전면에 고무 계열, 고정판의 후면에 고무, 발포 폴리에틸렌 계열을 이중 적용하였을 때 상대적으로 좋은 특성을 보였다. 구성품 단위 시 험결과를 토대로 측면 팬조립체의 고정판(AL), 구동전압(8.5 V), 완충재(Table 13의 D3 조건)를 최적화하였다.

Fig. 13 
Noise test result

온도시험 조건은 Table14에 나타내었다. 1차 및 2차 성능시험과 구성품 단위 보완시험을 통하여 도출된 보완 사항이 반영 되었으며 주 발열원인 DSP 보드의 부하는 100%, 시스템의 허용온도는 DSP 보드의 최고 허용 온도 80°C이다.

Fig. 14에는 시험결과를 나타내었다. 약 73°C 부근에서 수렴할 것으로 예측되며 환경시험 외기온도가 50°C임을 감안하면 약 5-6°C 상승할 것으로 예상(Table 2 참고)된다. 하지만 환경시험 시, 냉각수 온도가 23°C로, DSP 보드의 부하가 실제 사용되는 부하(일반적으로 50-60% 부하가 적용됨)로 낮아짐을 감안하면 DSP 보드의 온도는 80°C 이하로 유지되어 환경시험 조건에서도 열적 안전성은 확보될 수 있을 것이라 판단된다.

Fig. 14 
Temperature test result

소음시험치구를 적용하여 시스템조립실에서 구조소음시험을 수행하였다. 무반향 챔버(Anechoic Chamber) 대비 배경소음의 수준이 높기 때문에 시스템조립실과 무반향 챔버에서 측정된 배경소음과 시스템조립실의 시험값을 이용하여 무반향 챔버의 시험값으로 변환하여 소음수준을 평가하였다.⁸

Figs. 15와 16에는 배경소음 및 최종 보완 시험결과를 나타내었다. 변환된 결과는 소음규격을 만족함을 알 수 있다.

Fig. 15 
Ambient noise

Fig. 16 
Structure borne noise test result

최종 설계 개선된 전자캐비닛과 시험치구를 이용하여 무반향 챔버에서 3차 성능시험을 수행하였다. 시험조건은 4.4.2와 동일하다.

Fig. 17에는 시험결과를 나타내었다. 시험결과로부터 개선 목표 주파수인 200-1600 Hz 영역의 측정값이 구조소음시험 규격을 만족함을 알 수 있었으며 개선된 전자캐비닛이 소음규격을 만족함을 확인할 수 있었다.

Fig. 17 
Final structure borne noise test result for an electronic cabinet