열 폭주란 무엇인가?

열 폭주란 무엇인가?

 

열 폭주는 프로세스에서 발생하는 열이 방열 속도를 초과하여 제어할 수 없는 가속과 온도 상승으로 이어지는 위험한 현상이다. 이 문제는 특히 배터리와 프로세서 및 그래픽 카드와 같은 전자 제품에서 매우 중요하며, 과열로 인해 부품이 녹거나 발화하여 치명적인 고장을 일으킬 수 있다.

 

열 폭주의 원인

열 폭주는 화학 반응, 배터리 과충전, 환경 조건, 운영 관행 등 다양한 요인으로 인해 발생할 수 있다. 예를 들어, 발열 반응은 온도가 상승함에 따라 가속화되어 열 발생을 증가시킬 수 있다.

 

불충분한 냉각과 오염 물질은 열이 축적되고 원치 않는 반응을 촉매하여 잠재적으로 폭발로 이어질 수 있는 상황을 악화시킬 수 있다.

 

배터리의 경우 전해질 파괴, 물리적 손상으로 인한 단락, 열 관리 불량, 제조 결함 등으로 인해 열 폭주가 발생하여 핫스팟과 고장으로 이어질 수 있다.

 

높은 주변 온도, 환기 불량과 같은 환경적 요인과 과충전 또는 과부하와 같은 작동 조건도 열 폭주를 유발할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기의 경우 냉각이 불충분하거나 환기가 차단되면 부품이 과열되어 회로가 녹을 수 있다.

 

단락 없는 열 폭주

 

2018년 연구에 따르면 리튬 이온 배터리의 열 폭주는 내부 단락 없이 화학적 상호 작용에 의해 발생할 수 있다고 한다. 열 폭주가 발생하는 동안 음극은 상전이 현상을 겪으며 석화된 양극과 반응하는 산소를 방출하여 상당한 열(최대 274.2°C)을 발생시킨다.

 

연구원들은 상세한 분석을 위해 액체 질소를 사용하여 배터리를 폭주 도중에 동결시켜 열 폭주에서 화학적 상호 작용의 역할을 확인했다. 이러한 인사이트는 자동차 및 솔리드 스테이트 리튬 이온 배터리에서 시스템 수준의 안전 설계의 중요성을 강조한다.

 

열 폭주의 결과

 

열 폭주의 결과는 전자 부품, 배터리 및 전체 시스템의 용융, 뒤틀림 또는 영구적 손상 등 심각한 결과를 초래하여 상당한 재정적 손실과 데이터 손실을 초래할 수 있다.

 

또한 통제되지 않은 화학 반응은 유독 가스를 방출하거나 폭발을 일으켜 인명과 재산에 건강과 안전 위험을 초래할 수 있다.

 

완화 및 예방 전략

 

열 폭주를 완화하고 예방하려면 효과적인 설계 및 엔지니어링 제어가 중요하다. 여기에는 고온에 견디는 소재 사용, 적절한 냉각 및 환기, 열 차단막 및 방열판과 같은 열 관리 기능의 통합이 포함된다. 예를 들어, 전자기기 설계에 적절한 열 차단막과 방열판을 통합하면 열을 효율적으로 방출하고 과열을 방지하는 데 도움이 된다.

 

온도, 압력 및 기타 중요 매개변수 센서를 포함하여 잠재적인 열 폭주를 조기에 감지할 수 있는 강력한 모니터링 시스템이 필수적이다. 자동 셧다운 시스템 및 화재 진압 메커니즘과 같은 비상 대응 프로토콜은 그 영향을 더욱 완화할 수 있다.

 

배치 반응기에서 열 폭주 완화하기

 

2016년 연구에서 연구원들은 발열 반응에 사용되는 배치 반응기에서 열 폭주를 방지하고 완화하기 위한 포괄적인 프레임워크를 개발했다. 연구진은 냉각 시스템 고장, 임계 온도 임계값, 시간 경과에 따른 온도 변화율 등 열 폭주에 영향을 미치는 주요 매개변수를 파악했습니다.

 

연구진은 과초산 합성을 사례 연구로 삼아 임계값을 결정하고 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 특정 조건에서 열 폭주의 위험을 추정했다. 이러한 접근 방식은 잠재적인 원자로 고장을 예측하고 열 폭주 및 후속 사고를 방지하기 위한 더 나은 설계 및 위험 관리 전략을 가능하게 하여 안전성을 향상시키는 데 도움이 된다.

 

업계 사례

 

다양한 산업 분야에서 열 폭주를 해결하기 위한 프로토콜을 구현하고 있다. 예를 들어, 전기차 배터리에는 열 퓨즈(온도가 과도해지면 배터리 연결을 차단하는 기능), 과도한 가스 축적을 배출하는 압력 완화 밸브, 운전자에게 열 폭주 가능성을 경고하는 온도 모니터링 시스템과 같은 안전 기능이 통합되어 있다.

 

데이터 센터는 최적의 온도를 유지하기 위해 공조 장치, 수냉 시스템, 전략적 공기 흐름 관리를 사용한다. 노트북이나 스마트폰과 같은 많은 전자 기기에는 온도가 위험 수준에 도달하면 자동으로 성능을 조절하거나 기기를 종료하거나 경고 메시지를 표시하는 과열 방지 기능이 내장되어 있다.

 

향후 전망

 

연구원들은 열 관리를 강화하기 위해 열 인터페이스가 개선된 고온 내성 소재를 개발하고 있다. 냉각 시스템과 리튬 이온 배터리와 같은 배터리 기술의 혁신은 열 폭주의 위험을 크게 줄일 수 있다.

 

예를 들어, 2017년 연구에서는 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)에 사용되는 리튬 이온 배터리 모듈의 열 관리를 개선하기 위해 혁신적인 미니 채널 냉각 시스템을 개발했다.

 

이 시스템은 냉각수를 통과시켜 배터리에서 발생하는 열을 효율적으로 흡수하는 알루미늄 다중 포트 돌출부가 특징이다. 내부 단락을 시뮬레이션하는 못 침투 테스트 결과, 미니채널 냉각 시스템이 개별 셀의 열 폭주를 막지는 못했지만 인접 셀로의 열 폭주 전파를 효과적으로 차단하는 것으로 나타났다.

 

이 시스템은 각 셀의 냉각수 유량을 독립적으로 제어하여 전기 및 하이브리드 자동차 배터리 모듈의 안전성을 향상시킴으로써 열 프라트리사이드의 위험을 성공적으로 완화했다.

 

전반적으로 보다 정교한 열 관리 시스템과 제어 알고리즘의 개발은 향후 폭주 상황을 방지하는 데 있어 더 많은 개선을 약속한다.

 

 

참고 문헌 및 추가 자료

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