12 / DIRECT LIQUID COOLING

유체가 운반하는 열과
부품의 온도차를 구분합니다.

단상 물의 최소 열수지 모델로 냉각수 상승과 합성 부품–유체 열저항을 살펴봅니다.

공개 교재 기반 · 최소 단상 모델

왜 필요한가

직접 액체 냉각(DLC)은 발열을 냉각수로 운반하는 경로를 만듭니다. 물이 얼마나 따뜻해지는지와 부품이 물보다 얼마나 뜨거운지는 다른 질문입니다. 이 장에서는 단상 물의 최소 열수지 모델로 두 항을 분리합니다. 선수 지식은 01 열전달 기초, 02 SSD 구조, 08 공기 냉각입니다.

물리 개념

정상 유동에서는 물이 운반하는 열이 질량유량·비열·입출구 온도차의 곱입니다. 체적 유량에 밀도를 곱하면 질량유량을 얻습니다. 냉각수가 SSD 발열 전부를 흡수하고 공기로 새는 열은 0으로 가정합니다.

부품에서 평균 유체까지의 저항 $R_{pf}$ 는 합성 입력입니다. 평균 유체 온도는 입출구 온도의 산술평균입니다. 유량을 늘려도 고정된 $R_{pf}$ 가 자동으로 줄어들지는 않습니다. 콜드플레이트 내부 대류와 채널 형상은 후속 13의 범위입니다.

방정식과 변수

\dot m=\rho\dot V,\qquad \dot Q=\dot m c_p(T_{out}-T_{in})

T_{out}=T_{in}+\frac{\dot Q}{\dot m c_p},\qquad T_{part}=\frac{T_{in}+T_{out}}{2}+\dot Q R_{pf}

변수	의미	내부 단위
$\dot Q$	물이 흡수하는 SSD 발열	W
$\dot V$	물 체적 유량	m³/s
$\dot m$	물 질량유량	kg/s
$\rho$	물 밀도	kg/m³
$c_p$	물 비열	J/(kg·K)
$T_{in}, T_{out}$	입구·출구 물 온도	K
$T_{part}$	합성 저항에 연결된 부품 노드	K
$R_{pf}$	부품–평균 유체 합성 열저항	K/W

1 L/min = $10^{-3}/60$ m³/s입니다. 물성은 Lienhard 6판 Table A.3 포화 액체 물의 273.16~~373.15 K(0.01~~100 °C) 13행을 입구 온도에서 한 번 선형 보간합니다. 평균·출구 온도로 반복하지 않습니다. 정상 유동 에너지 보존은 01과 MIT 16.1 열전달 방식 설명의 연장입니다.

적용 범위는 단상 물·정상상태·전량 흡열입니다. 발열과 $R_{pf}$ 는 0 이상, 유량은 0 초과이며 모든 입력·결과가 유한해야 합니다. 입구 범위 밖은 외삽하지 않고 출구가 100 °C 이상이면 “단상 가정 범위 밖(끓음 가능)” 오류로 중단합니다. 표가 포화 액체 물성이므로 실제 루프 압력에 따른 상변화를 해결하는 모델은 아닙니다.

공학적 해석

유체 상승은 유량에 반비례합니다. 부품 온도에는 유체 상승의 절반과 $\dot Q R_{pf}$ 가 더해집니다. 유량을 크게 늘려도 고정한 합성 저항 항이 남습니다. $R_{pf}=0$ 이면 부품 온도는 평균 유체 온도이며, 발열 0이면 입구·출구·평균·부품 온도가 같습니다.

같은 발열·같은 목표 상승에 필요한 체적 유량은 $\dot V_{req}=\dot Q/(\rho c_p\Delta T_{target})$ 입니다. 300 K에서 물의 체적 열용량 $\rho c_p$ 는 공기(1 atm)의 약 3,519배입니다. 이것은 열 운반 능력의 비교이며 실제 장치 성능이나 콜드플레이트 저항의 비교가 아닙니다. 공기 물성은 08의 Table A.6 데이터를 재사용합니다.

시뮬레이터

발열·물 유량·입구 온도·합성 $R_{pf}$ 를 입력합니다. 출력은 질량유량, 유체 상승, 출구·평균 물 온도, 부품–유체 온도차와 부품 온도입니다. 부품 노드는 접합부·센서·NVMe CTEMP를 뜻하지 않습니다.

유량 0.1~5 L/min 스윕은 유체 상승 실선(K, 왼쪽 축)과 부품 온도 점선(°C, 오른쪽 축)을 사용합니다. 두 축의 단위·범위를 구분하고 대체 표의 숫자로 확인하세요. 단상 범위 밖 행은 오류를 표시하며 선을 잇지 않습니다. 현재 유량이 범위 안이면 표에 “현재”를 표시합니다. 물/공기 비교 표는 두 유체 모두 300 K, 현재 발열, 목표 상승 1 K입니다.

공유 URL은 model=liquid-v1과 power(W), flow(L/min), inlet(°C), resistance(K/W)를 사용합니다. 마운트 후 읽고 형식·입력 범위 오류는 필드별 기본값으로 복구합니다. 다른 모델 판본은 기본 조건으로 복구합니다. 입력 변경은 히스토리 항목을 추가하지 않습니다. 물리적으로 유효한 입력이라도 출구 끓음 조건이면 계산은 중단합니다.

INPUTS / 최소 단상 모델

단상 물 냉각 탐색기

발열 Q W

물 체적 유량 L/min

입구 물 온도 °C

합성 부품–평균 유체 R_pf K/W

입구 0.01~100 °C 물성표를 한 번 보간합니다. 유량은 m³/s, 온도는 K로 변환합니다. R_pf는 유량과 독립인 합성 입력입니다.

OUTPUTS / 유체 상승과 부품 온도

ṁ = ρ V̇ · ΔT_fluid = Q/(ṁ c_p) · T_part = (T_in + T_out)/2 + Q R_pf

유체 상승 0.720844 K · 출구 물 30.720844 °C

평균 유체 30.360422 °C · 부품–유체 온도차 12.5 K

부품 온도 42.860422 °C · 합성 R_pf에 연결된 부품 노드이며 접합부·CTEMP 예측이 아닙니다.

유량을 늘리면 유체 상승은 반비례로 감소하지만 Q R_pf 항은 그대로입니다. 실제 콜드플레이트의 유량별 저항 변화는 계산하지 않습니다.

입구 물성 ρ 995.555 kg/m³ · c_p 4,180.37 J/(kg·K) · 질량유량 0.008296 kg/s

유량 0.1~5 L/min · 유체 상승 실선 / 부품 온도 점선

왼쪽 축은 유체 상승(K), 오른쪽 축은 부품 온도(°C)입니다. 축의 단위와 범위가 다릅니다. 단상 범위 밖 구간은 선을 잇지 않으며 표에 오류를 표시합니다.

유량 스윕 데이터 표

0.1~5 L/min · 범위 안 현재 유량 포함
유량 (L/min)	유체 상승 (K)	부품 온도 (°C)
0.1	3.60422	44.30211
0.2	1.80211	43.401055
0.3	1.201407	43.100703
0.4	0.901055	42.950527
0.5 · 현재	0.720844	42.860422
0.6	0.600703	42.800352
0.7	0.514889	42.757444
0.8	0.450527	42.725264
0.9	0.400469	42.700234
1	0.360422	42.680211
1.1	0.327656	42.663828
1.2	0.300352	42.650176
1.3	0.277248	42.638624
1.4	0.257444	42.628722
1.5	0.240281	42.620141
1.6	0.225264	42.612632
1.7	0.212013	42.606006
1.8	0.200234	42.600117
1.9	0.189696	42.594848
2	0.180211	42.590105
2.1	0.17163	42.585815
2.2	0.163828	42.581914
2.3	0.156705	42.578353
2.4	0.150176	42.575088
2.5	0.144169	42.572084
2.6	0.138624	42.569312
2.7	0.13349	42.566745
2.8	0.128722	42.564361
2.9	0.124283	42.562142
3	0.120141	42.56007
3.1	0.116265	42.558133
3.2	0.112632	42.556316
3.3	0.109219	42.554609
3.4	0.106006	42.553003
3.5	0.102978	42.551489
3.6	0.100117	42.550059
3.7	0.097411	42.548706
3.8	0.094848	42.547424
3.9	0.092416	42.546208
4	0.090105	42.545053
4.1	0.087908	42.543954
4.2	0.085815	42.542907
4.3	0.083819	42.54191
4.4	0.081914	42.540957
4.5	0.080094	42.540047
4.6	0.078353	42.539176
4.7	0.076686	42.538343
4.8	0.075088	42.537544
4.9	0.073556	42.536778
5	0.072084	42.536042

같은 열·같은 1 K 상승에 필요한 체적 유량

물/공기 모두 300 K · 발열 25 W · 목표 상승 1 K
유체	필요 체적 유량
물	0.360026 L/min
공기 (1 atm)	1.266826 m³/min

같은 단위로 비교하면 공기는 물의 약 3,519배 체적 유량이 필요합니다. 이 비교는 열 운반 능력이며 실제 장치 냉각 성능 비교가 아닙니다.

ASSUMPTIONS / 가정과 한계

단상 물·정상상태·SSD 발열 전부를 물이 흡수하고 공기 손실은 0입니다. Table A.3 입구 온도 물성을 선형 보간하며 반복하지 않습니다. 평균 유체는 입출구 산술평균입니다. 출구 100 °C 이상에서는 끓음 가능으로 계산을 중단합니다. R_pf는 합성 입력이며 채널 내부 대류·압력손실·펌프·유량 분배·퍼짐은 제외합니다.

계산 예제

명세의 합성 조건은 25 W, 물 0.5 L/min, 입구 30 °C, $R_{pf}=0.5$ K/W입니다. 실제 제품 측정값이 아닙니다.

항목	독립 손계산 기준값
입구 물성 평가 온도	303.15 K
밀도	995.555 kg/m³
비열	4180.37 J/(kg·K)
질량유량	0.00829629167 kg/s
유체 상승	0.720843978 K
출구 온도	30.720843978 °C
평균 유체 온도	30.360421989 °C
부품–유체 온도차	12.5 K
부품 온도	42.860421989 °C

유량 (L/min)	유체 상승 (K)	부품–유체 항 (K)
0.25	1.441687955	12.5
0.5	0.720843978	12.5
1.0	0.360421989	12.5

같은 25 W·1 K 상승, 두 유체 300 K의 필요 체적 유량은 물 0.360026 L/min, 공기 1.266826 m³/min입니다. 같은 체적 단위로 환산한 비율은 약 3,519입니다.

설계 고려사항

입구 냉각수 조건과 부품–유체 열저항을 별도로 관리합니다.
실제 루프에서 유량에 따라 저항이 달라질 수 있지만 여기서는 고정한 합성 입력입니다.
전체 SSD 발열이 물로 간다는 가정과 실제 공기·구조물로의 손실을 구분합니다.
채널 내부 대류·압력손실·펌프 동력·유량 분배는 이 최소 모델 밖입니다.
실제 압력·유체 조성·상변화 조건을 검토해야 합니다. 순수 물 표를 다른 냉각수에 전용하지 않습니다.

흔한 실수

L/min을 m³/s로 변환하지 않거나 질량유량과 체적 유량을 혼동하면 열수지가 틀립니다. 유체 상승을 부품–유체 온도차와 같은 값으로 읽지 않습니다. 부품 온도에 입구 온도를 바로 기준으로 쓰면 평균 유체의 상승을 빠뜨립니다. 물/공기의 L/min과 m³/min을 같은 단위인 것처럼 비교하지 않습니다. 표 범위 밖 외삽이나 끓음 이후 계산을 계속하지 않습니다. 합성 부품 노드를 접합부·CTEMP로 일반화하지 않습니다.

체크리스트

단상·정상·전량 흡열 가정을 확인했나요?
유량을 m³/s, 내부 온도를 K로 변환했나요?
입구 물성 보간 범위와 반복 없음에 동의하나요?
유체 상승과 $\dot Q R_{pf}$ 를 구분했나요?
평균 유체를 입출구 산술평균으로 계산했나요?
출구 100 °C 오류와 실제 압력의 한계를 확인했나요?
물/공기 비교의 온도·단위·목표 상승을 확인했나요?
채널·펌프·압력손실과 실제 제품 예측이 모델 밖임을 확인했나요?

퀴즈

1. 같은 발열에서 물 유량을 0.5에서 1.0 L/min으로 늘리면 유체 상승은?두 배가 됩니다절반이 됩니다그대로입니다

2. 25 W·합성 R_pf = 0.5 K/W의 부품–평균 유체 온도차는?0.720843978 K25 K12.5 K

3. 이 최소 모델의 물성 평가 방식은?입구 온도에서 한 번 선형 보간부품 온도로 반복출구 온도에서 외삽

4. 출구 물 온도가 100 °C 이상이면?단상 가정 범위 밖 오류로 중단합니다그 온도를 실제 제품 결과로 씁니다유량을 0으로 바꿉니다

참고문헌

MIT Unified Engineering — 16.1 Heat Transfer Modes: 12: MIT 16.1 열전달 방식의 연장으로 정상 유동 에너지 보존을 적용합니다. 2026-10-03 확인.
J. H. Lienhard IV & V — A Heat Transfer Textbook, 6th ed.: 12: 단상 정상 유동 열수지. Table A.3(포화 액체 물, PDF 764쪽)의 273.16~373.15 K 13행을 입구 온도에서 선형 보간합니다. Table A.6(1 atm 공기)의 300 K 행으로 체적 유량을 비교합니다. 그림·본문은 복제하지 않습니다. 2026-10-03 확인.

Lienhard 6판 Table A.3 물 13행은 명세 작성자가 2026-10-04 PDF 764쪽에서 직접 확인한 수치입니다. Table A.6 공기 데이터는 08에서 재사용합니다. 명세에 지정된 기존 공개 출처만 연결하며 식·수치 인용과 독립 설명을 사용합니다. 교재의 그림·본문은 복제하지 않았습니다.

유체가 운반하는 열과부품의 온도차를 구분합니다.