(Heat Pipe) 히트 파이프에 대한 이해
주요 응용 분야
●산업용 및 공조용 열교환기
히트파이프 열교환기는 가장 많은 산업적 응용도를 가지고 있는 항목이라고 할 수 있으며, 대형 플랜트에서의 폐열회수, 가열 및 냉각공정에서의 고효율 에너지 변환 및 이송, 공기조화 및 냉동장치 등에서 열전달 요소로 사용되고 있다. 이 경우 장기운전 분석 결과 전체 투자의 회수기간은 1년 밖에 되지 않았다. 한편, 배기가스 온도가 400에서 500℃ 범위인 가스터빈 플랜트도 매우 좋은 응용예로 알려져 있다. 통상적인 관군식 열교환기는 return bend들이나 header들은 여러 개 배치하므로 설계와 제작이 난이하고 보수가 까다로운데 비해 히트파이프를 이용하면 정비는 물론 장치의 제작에도 큰 장점이 있음이 알려져 있다.
●전기/전자장치의 열제어 수단
전기장비에 히트파이프가 응용되는 예는 열을 발생하는 전동기 등의 회전기계, Power supply, 변압기, 충전시스템, 그리고 레이져나 초음파 발생장비의 냉각 및 온도조절 등에서 볼 수 있다. 전자장치에서는 트랜지스터, thyrister 등은 물론 IC, VLSI, 회로기관 또는 모듈의 냉각에 이용되고 있다. 전자부품은 고열에 취약하여 온도가 높아지면 성능이 급격히 저하하거나 부품자체에 손상을 가져올 수 있다. ‘히트키커’라고 불리는 냉각기구는 일반적인 히트싱크의 성능을 증진시킨 것으로, 몇개의 전자부품이나 모듈로부터의 발생열을 히트파이프의 증발부로 집결시킨 후 일정거리를 이송한 후 확장표면이 여러개 부착된 응축부에서 자연대류에 의해 열을 방출시키는 구조로 되어있다. 이러한 냉각법으로 재래식 냉각장치의 부피를 1/10까지도 축소시킨 경우가 있다. 최근 전자제품이 보다 소형화되면서 단위면적당의 소비전력은 증가되어 IC 및 VLSI를 위시한 micro electronics 전반에 걸쳐 냉각의 문제가 심각하게 대두되고 있다. 상 변화를 이용한 여러 형태의 냉각방법들이 개발되어 왔으나 국소적인 온도구배를 가능한 작게하여 열응력을 소산시킬 수 있는 효과적 방법은 아직도 개발의 여지가 남아 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 개발된 것이 마이크로 히트파이프인데, 외형상의 크기가 작은 바늘정도로 직경이 0.5mm이내이고 길이가 수cm 정도까지도 포함한다. 이것은 외부에서 접근하기 어려운 소형 고집적회로의 내부 또는 비디오 헤드의 냉각에 사용될 수 있다. 현재 컴퓨터 냉각용으로 많이 사용되는 마이크로 히트파이프의 개념은 원래의 정의보다는 조금 큰 것으로 실용화되어 있으며 외경이 3mm 이내의 크기로서 miniature 히트파이프라고 분류해야 할 정도의 것이다. 이는 약 30cm 내외의 길이로 15W 정도의 열부하를 이송할 수 있으며, 미국과 일본 등에서 노트북 컴퓨터의 CPU 냉각 등에 사용되는 것이 상용화되어 있다. 한편 고출력 통신 기기 및 대형 전자식 교환기의 냉각에 써모사이펀 또는 히트파이프를 적용하는 시스템도 개발되고 있다.
●대체에너지 이용 분야에서의 응용
대체에너지원은 지열, 풍력, 조력 등이 될 수 있으나, 아직까지 가장 용이하게 접근할 수 있는 것은 태양열이라 할 수 있다. 태양열 집열기의 경우 종래의 액체 순환식과 비교하면, 펌프동력이 필요없이 축열조까지의 열이동이 가능하며 열다이오드의 효과로 야간의 열손실을 줄일 수 있는 것이 큰 장점으로 알려져 있다. 일본과 소련 등지에서 1980년대 중반에 개발된 수동형 급수가열기들은 흡열 표면에 선택적 도장을 함으로써 45% 정도의 흡열성능을 가지며 약 11.44m2의 집열면적으로 100리터의 온수를 공급할 수 있었다. 작동온도는 60℃이하의 저온범위이므로 히트파이프 외벽의 재질은 구리나 알루미늄을 사용하고, 작동유체로는 물, 아세톤, 에탄올, 헵탄, 암모니아 등을 사용할 수 있다.
●위성체 열제어용 히트파이프
위성체에 각종 전자부품 및 장비, 광학 센서 및 측정장치, 전력발생·저장 및 공급장치 등의 최적성능을 위한 작동 온도조건을 구성하는 것은 물론 열응력으로 인한 변형, 파괴로부터 이들을 보호하기 위해 적절한 열제어 방법이 사용되어야 한다. 히트파이프는 이러한 열제어 수단으로 가장 많이 사용되어 오고 있다. 실용성있는 위성체의 경우 히트파이프는 열제어 계통의 핵심요소로서 무중력 상태에서 작동하고, 소형·경량이어야 하며, 무엇보다도 그 작동의 내구성과 신뢰성이 요구된다. 또한, 내부의 각 모듈과 부품들이 보다 밀집되어 제작될 수 있는가 하는 것은 히트파이프가 이러한 조건에서 각 부품의 온도환경을 보장하여 통상 10년 동안의 장기 작동시의 안정성과 신뢰성을 유지해 줄 수 있는가에 의해 최종적으로 좌우된다고 볼 수 있다. 따라서 지상의 용도에서보다 훨씬 엄격한 제작기술의 기준은 물론 장기운전시의 성능을 예측할 수 있는 시험평가 방법 등이 필요하다. 위성체에 히트파이프를 사용하는 것은 미국과 유럽 등 선진국에서 1960년대 말부터 이루어져 왔다. 미국에서는 NASA, 유럽에서는 EPA를 중심으로 이미 1970년대 초부터, 그리고 일본에서도 1980년대 초부터 NASDA 등의 우주개발 및 위성체관련 연구개발 기관을 중심으로 그간 각종 히트파이프의 설계, 제작, 시험 등 개발에 관한 기술이 상당히 많이 축적되어 왔다. 진공 및 무중력장(또는 미소 중력장)이라는 우주의 특수 환경에 적합하도록 고려하는 측면에서 히트파이프를 개발하는 것은 국내의 여건과 비교해서 상대적으로 수월한 셈이다. 위성체에서 열제어의 주요 대상은 문헌들에서도 언급되고 있는 바 적재된 전자장치의 발열 부이다. 히트파이프는 통상 TWT 등 고발열장치를 부착하는 sandwich panel의 사이에 삽입되어 열을 소산시키거나 방열부 쪽으로 이송시키는 역할을 해오고 있다. VCHP를 OBP의 온도제어에 사용하는 경우 10에서 30W의 출력에서 17±3℃의 최적온도 범위로 유지할 수 있었음이 알려져 있다. 위성체 내부의 전력변환장치, 정류기 등이 1에서 4kW의 많은 폐열을 내는 경우에도 열의 이송과 방출에 물을 작동유체로 하는 히트파이프가 사용되었다. 70년대초 개발된 저온용 히트파이프의 열이송 성능은 대개 1인치의 직선 길이당 3W 정도였으나, 80년대 space shuttle 이 개발된 후는 그 성능이 1인치당 30W 정도로 향상되었다. 히트파이프가 열원과 열침을 격리시킬 수 있는 특성도 위성체나 우주선에의 적용에 유리한 장점이다. 선체내부의 열은 body mounted radiator 혹은 별도의 deployed radiator를 통해 우주 공간으로 방출되며, 이러한 방열기의 방열 성능을 증가시키기 위해서 히트파이프가 적용된다. 방열기는 보통 강도를 고려하여 제작되므로 honeycomb 형태의 panel로 되어 sandwich형으로 히트파이프를 내장하는 것이 보통이다. 히트파이프의 열이송 성능을 증진시키기 위해 많은 모세관 구조물의 형태가 우주용으로 제안되어 왔는데, artery형의 wick 외에도 slab wick, monogroove channel, eye-drop형 그루브 등이 기존의 단순 윅이나 그루브 등 보다 증진된 성능을 보이고 있다.
히트파이프 구조 및 작동원리
◈ Heat-Bridge 의 일반적 개요
- 최초 우주 , 항공용 부품으로 개발 되었으나 현재는 컴퓨터 등 전자제품의 냉각에서 냉난방 등 에너지 효율성 부품으로 사용 - 무 전원의 히트파이프는 반 영구적 사용이 가능 한 매우 신뢰성이 높은 제품 임
- 제조 기술과 Wick 구조에 따라 제품의 성능과 가격차이가 커 용도를 달리 하고 있음
◈ Heatpipe 구조 및 작동 원리
Heatpipe 는 증발부, 단열부, 응축부로 구분되고 구성요소로는 Container, Wick, Working Fluid 가 있으며 증발부로 열이 가해지면 Working Fluid가 동작하며 기화하여 단열부를 지나 응축부로 열을 전달하고 Working? Fluid는 액화되어 Wick 을 통하여 다시 증발부로 되돌아 오게 된다.이러한 일련의 과정을 반복하면서 열원의 열을 이동시켜 냉각효과를 가지게 한다.
◈ 작동 온도 및 범위
◈ HEAT-PIPE의 특징 - 부피를 줄일 수 있다. (기존의 Heat sink보다 1/2~1/8정도) - 전원이 필요 없다. - 소음이 없다. - 영구적 사용 - 가공성이 탁월하여 적용이 용이하다 - 고객의 요구에 맞추는 고객 전용 디자인 ◈ 히트파이프의 성능 비교 실례
즉) Heatpipe 의 성능의 구리보다는 40배 , 알루미늄 보다는 80배 정도 열전달이 빠르다.
히트 파이프 클러 펌
히트 파이프는 이미 몇십년 전에 나온 물건이지만 컴퓨터 쿨러에 쓰이기 시작한건 최근 몇년 사이의 일이며, CPU 쿨러부터 그래픽카드 쿨러에 심지어 케이스까지 급속하게 사용이 늘어나고 있습니다. 오늘은 이 히트 파이프에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 히트파이프의 원리는 매우 간단합니다. 동작 유체의 증발과 응결을 통해 열을 전달하는 것입니다. 구리로 만든 파이프를 진공으로 만든 후 동작 유체를 집어 넣습니다. 이 유체가 파이프의 한쪽 끝에서 열을 받아 증발하고 이 증발된 기체가 다른쪽 끝에서 냉각되는 과정을 반복 순환하면서 열을 식히는 것입니다. 히트파이프에 들어가는 유체는 히트파이프의 냉각 온도 범위에 따라서 달라집니다. 알콜, 물, 수은 등등 다양합니다. 히트파이프의 구조도 전세계적으로 히트파이프를 만드는 회사는 5곳이 있으며 그중에서 컴퓨터 부분에 히트 파이프를 최초로 응용한 곳은 바로 AVC로, 30%를 차지하고 있습니다. 이러한 회사들의 히트파이프 제조 기술은 모두 일본에서 시작된 것으로, 그 본질은 차이가 없습니다. 구체적인 히트 파이프 제조 기술은 비교적 복잡하지만 히트파이프의 공업화 발전으로 인해 히트파이프 생산 그 자체는 그리 어렵지는 않으며 가격 역시 계속 낮아지고 있습니다. 히트 파이프 외벽은 철, 알루미늄, 구리 등을 사용할 수 있지만 컴퓨터 쿨러는 대부분 구리를 사용합니다. 컴퓨터 쿨러에 쓰이는 히트파이프는 대부분 직경 6mm짜리이며 8mm짜리도 간혹 사용하긴 합니다. 8mm짜리 히트파이프를 사용하는 쿨러 히트파이프의 길이는 일반적으로 100~300mm 사이이며, 가격은 히트파이프 한개에 몇천원 정도 밖에 하지 않습니다. 때문에 히트파이프를 사용하는 쿨러의 제조 단가가 전통적인 공냉 쿨러보다 그리 비싸지 않은 것입니다. 히트파이프의 모세관 구조 히트파이프의 모세관은 3가지 작용을 하는데 첫번째는 냉각된 유체가 다시 열원이 있는 곳으로 이동하는 통로이고, 두번째는 내벽과 유체 혹은 증발된 기체 사이의 열을 전환하는 통로이며, 세번째는 유체와 증발된 기체가 모세관 압력을 만들어내는데 반드시 필요한 틈을 제공합니다. 모세관 구조는 스크린, 펠트, 파우더, 그루브의 4가지 종류가 있습니다. 컴퓨터 쿨러에서 대부분을 차지하는 것은 파우더와 그루브인데 파우더가 80%, 그루브가 20% 정도를 차지하고 있습니다. 스크린 펠트 그루브 파우더 그루브 방식의 히트 파이프는 만들기가 간단하며 제조 단가도 일반 파우더 방식의 히트파이프의 2/3 수준입니다. 하지만 그루브-히트파이프에 파인 홈-의 깊이와 너비가 어느 정도 맞아야 하며, 장착 방향에 큰 영향을 받습니다. 뿐만 아니라 히트 파이프를 구부려서 사용할때 이러한 그루브 방식의 방향성은 치명적인 결점이 되어 냉각 능력에 큰 손실을 줍니다. 파우더 방식은 제조가 비교적 복잡하고 제조 단가가 비쌉니다. 금속 가루-대게 구리-를 소결하여 파이프 안쪽에 붙이는 것으로, 금속 가루의 질량, 순도, 직경, 소결 온도, 소결 균일화 등등 비교적 높은 기술을 필요로 하며, 각 회사마다 제조 방식에 차이가 있기 때문에 냉각 능력 역시 각양 각색입니다. 싸구려 히트파이프 쿨러들을 보면 히트파이프를 썼다고 대대적으로 광고하면서도 외벽은 알루미늄이고 파우더 방식도 아닌 히트파이프를 쓰는 경우가 많은데 이런 히트파이프 쿨러의 성능이 당연히 좋을 리 없겠습니다. 히트파이프의 꼬리 히트파이프의 길이는 일반적으로 100~300mm인데 컴퓨터 쿨러에서 이렇게 긴 히트파이프를 사용할 수 있을 리가 없기 때문에 당연히 잘라서, 다시 사용할 수 있도록 자른 부분을 봉합해야 합니다. 이렇게 잘려나간 히트파이프의 끝부분은 히트파이프로서의 기능을 수행하지 못합니다. 꼬리 1 꼬리 2 이렇게 냉각 능력이 없는 히트파이프 끝부분은 쿨러 밖으로 나와 있어야 합니다. 그러나 쿨러의 제조 단가를 낮추기 위해 이런 냉각 능력이 전무한 끝부분을 쿨러 안쪽으로 집어넣어, 열읍 흡수하는 부분에 이런 꼬리가 안으로 들어가 있다면 그만큼 열을 받아들이는 면적이 줄어들어 효율이 떨어지게 되며, 열을 방출하는 부분에 이런 꼬리가 들어가 있으면 열의 발산 능력이 그만큼 떨어지게 되는 것입니다.
히트파이프와 방열판
용접
히트파이프의 굴곡 처리
앞으로 히트파이프는 용접
관통
1. 금속매쉬타입(Metal Mesh Type, Felt Type)의 히트파이프 내부모습
2. 소결타입(Sinter Powder Type)의 히트파이프 내부모습
3. 그루브타입(Grooved Type)의 히트파이프 내부모습
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