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히트파이프
히트파이프(Heat pipe)는 열을 효율적으로 전하기 위한 파이프, 즉 전열관(傳熱管)이라고도 한다. 구리보다 1,500배 이상 열전달 속도가 빠른 소재이다.[1] 히트파이프는 특수한 내부 모양을 가진 금속 파이프와 내부를 진공 상태로 만들고 소량의 냉매를 추가해서 만들어지는데, 사용될 온도에 따라 냉매(일반적으로 물)가 결정되며, 이 냉매에 따라 냉매와 반응하지 않는 금속(일반적으로 구리)을 선택하여 파이프를 만든다.
히트파이프를 만드는 회사는 아시아 바이탈 콤포넌트(AVC), 잘만테크, 리더에너지, 써모랩 등이 있으며 그중에서 컴퓨터 부분에 히트파이프를 최초로 응용한 곳은 바로 대만의 아시아 바이탈 콤포넌트(AVC)로, 30%를 차지하고 있다. 이러한 회사들의 히트파이프 제조 기술은 모두 일본에서 시작된 것으로, 그 본질은 차이가 없다. 구체적인 히트 파이프 제조 기술은 비교적 복잡하지만 히트파이프의 공업화 발전으로 인해 히트파이프 생산 그 자체는 그리 어렵지는 않으며 가격 역시 계속 낮아지고 있다.
개요[편집]
히트파이프는 열전도율과 상전이의 원리를 병합하여 효율적으로 두 고체의 계면 간에 열을 전달하는 열 교환기이다.
히트파이프 열교환기는 가장 많은 산업적 응용도를 가지고 있는 항목이라고 할 수 있으며, 대형 플랜트에서의 폐열 회수, 가열 및 냉각 공정에서의 고효율 에너지 변환 및 이송, 공기 조화 및 냉동 장치 등에서 열전달 요소로 사용되고 있다.
히트파이프는 열 전달 효율이 일반 동 제품에 비해 수 백배 이상 빠르다. 히트파이프는 가볍고 부피를 많이 차지하지 않으면서도 별도의 동력 없이 높은 열전달 능력을 가지고 있으며 반영구적으로 사용 가능하다. 히트파이프를 이용한 냉각 방법은 기존의 중량과 공간을 많이 차지하던 냉각 방법에 비해 월등히 우수하다. 최초에는 우주 , 항공용 부품으로 개발 되었으나 현재는 전기차, 컴퓨터 등 전자제품의 냉각에서 냉난방 등 에너지 효율성 부품으로 사용하고 있다. 히트파이프는 Wick의 구조(Powder, Wire, Groove Type)와 제조기술 (내부의 진공도, 작동유체의 용량 등)에 따라 제품의 성능과 가격 차이가 커 용도를 달리 하고 있다.
구조 및 원리[편집]
구조[편집]
히트파이프는 증발부, 단열부, 응축부로 구분된다. 히트파이프 외벽은 철, 알루미늄, 구리 등을 사용할 수 있지만 컴퓨터 쿨러는 대부분 구리를 사용한다. 컴퓨터 쿨러에 쓰이는 히트파이프는 대부분 직경 6mm짜리이며 8mm짜리도 간혹 사용하긴 한다. 8mm짜리 히트파이프를 사용하는 쿨러 히트파이프의 길이는 일반적으로 100~300mm 사이이며, 가격은 히트파이프 한개에 몇천원 정도 밖에 하지 않는다. 때문에 히트파이프를 사용하는 쿨러의 제조 단가가 전통적인 공냉 쿨러보다 그리 비싸지 않다.
히트파이프의 내부구조를 살펴보면 관의 중심은 일반 금속관처럼 뻥 뚫려있지만 관의 가장자리는 스펀지 모양이나 혹은 금속 핀이 촘촘히 새겨져있는 모양으로 가장자리 부분은 굉장히 부피 대비 접촉 면적이 많도록 설계되어 있다. 히트파이프의 내부 구조는 대표적으로 3가지가 존재하며, 금속 가루를 소결시킨 파우더(Powder)방식, 금속 섬유로 된 직물 조직이 있는 메쉬(Mesh) 방식, 총에 사용되는 강선과 비스무리한 형상을 내부에 구현한 그루브(Groove) 방식이 있다. 파이프 내부는 진공 상태로 거기에 냉매가 기체 상태가 될 만큼만 적절히 채워 넣는다. 이렇게 만들어진 히트파이프 속에서 냉매가 액체일 때는 가장자리의 스펀지 구조를 적시면서 모세관 현상의 도움을 받아 흐르게 되고 기체일 때는 뻥 뚫린 관의 구멍을 통해 흐르게 된다.
구성 요소[편집]
히트파이프의 세 가지 주요 구성 요소는 다음과 같다:
- 밀폐된 진공 상태의 밀폐막 또는 용기
- 작동 유체
- 모세관 심지 구조
이 요소들이 함께 작용되어 더 효율적으로 균등하게 열을 전달한다. 윅(심지) 구조는 히트파이프 셸의 내부 면에 막을 형성하며 작동 유체로 포화 상태가 된다. 이 심지는 응축기(출열부/싱크)로부터 증발기(입열부/열원)로 돌아오는 액체에 대하여 모세관 작용을 일으키는 구조를 제공한다. 히트파이프는 진공 상태를 포함하고 있기 때문에 작동 유체가 대기압 상태에서 자신의 비등점보다 훨씬 낮은 온도에서 비등하여 잠열을 빼내게 된다. 예를 들어 물은 273° K(0°C)를 넘자마다 비등하여 잠열을 전달하기 시작한다.
원리[편집]
기기가 작동하고 히트파이프의 양 끝이 각각 가열되는 부분과 냉각되는 부분으로 온도 차이가 나게 되면, 히트파이프 내의 냉매가 열을 품은 채 히트파이프의 양 끝을 대류하면서 열을 전달하기 시작한다.
- 가열되는 부분은 관의 가장자리 스펀지에 붙어있던 액체 상태의 냉매가 기화하면서 히트 파이프 중심의 빈 부분을 따라서 기체가 더 적은 냉각되는 부분으로 이동한다.
- 반대로 냉각되는 부분은 관의 중심에 있던 냉매 기체가 액화되면서 관의 가장자리로 응결되게 되고 모세관 현상을 통해 액체가 더 적은 가열되는 부분으로 이동한다.
- 이 두가지 작용이 동시에 이루어지면서 냉매가 열을 신속하게 옮겨주면서 단순히 통짜 금속관을 사용할 때보다 훨씬 적극적으로 열의 교환이 이루어진다.
작동 온도 및 범위[편집]
사용 목적에 따라 작동 온도를 절대 온도 0에 가까운 극저온부터 1000℃이사의 초고온 영역까지의 온도범위를 5단계로 분류할 수 있다.[2]
작동온도(℃) 주요 작동유체 -270℃ ~ -70℃(극저온) 헬륨, 아르곤, 크립톤, 질소, 메탄 -70℃ ~ 200℃(저온) 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등 200℃ ~ 500℃(중온) 나프탈렌, 유황, 수은 500℃ ~ 1000℃(고온) 세슘, 칼륨, 나트륨 1000℃이상(초고온) 리튬, 납, 은
특징[편집]
- 가볍다 (기존의 Heat sink보다 중량이 1/4~1/10정도)
- 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[2]
한계[편집]
질량을 가진 냉매를 이용하다보니 중력 때문에 액체 상태 냉매의 모세관 현상에 지장을 받을 수도 있다. 그렇기 때문에 냉각부분 보다 열원이 위에 위치하면 액체 상태의 냉매가 중력을 거스르고 열원으로 올라가기가 어려워 히트 파이프 성능에 저하가 일어난다. 성능 저하의 정도는 히트파이프 내부의 심지 구조에 따라서 차이가 심한데, 단면의 심지가 가장 저렴한 축방향 홈구조인 경우엔 중력을 거스르게 배치하면 히트파이프의 성능저하가 막대해진다. 반면 중력 영향을 덜받는 소결구조(Sintered)의 경우엔 상당히 이러한 영향에 덜 영향을 미치는 편이다.
또 히트파이프 자체는 냉각과는 관계가 없다. 히트파이프는 열을 빠르게 이동시켜주는 부품으로, 기존의 히트싱크가 열의 '전도'에 의존해 열을 식힌 것과 달리 히트파이프는 열의 '전도'와 '대류'를 둘 다 활용한다. 히트파이프의 의의는 열원에서 멀리 떨어진 히트싱크에까지 빠르게 열을 전달할 수 있다는 데 있다. 그냥 커다란 히트싱크를 사용할 경우 열원에서 먼 곳의 히트싱크에는 열이 거의 전달되지 않아서 크기와 디자인에 제약이 생기고 성능 상한선이 존재하는데 히트 파이프를 사용할 경우 그 성능 상한선이 극적으로 높아져 더 큰 히트싱크를 사용할 수 있고 동시에 히트싱크의 디자인에도 높은 자유도가 생긴다. 간단히 열원이 점에서 선으로 바뀐다고 생각하면 된다.
재질[편집]
방열판과 히트파이프는 보통 알루미늄, 구리로 만드는데 구리 쪽의 열 전도성이 87% 더 높다. (알루미늄: 205W/m·k, 구리: 385W/m·k) 물론 가격과 무게도 더 나간다. 가격을 고려하지 않는다면 고체 물질 중 열전도가 가장 좋은 물질인 은을 사용하면 되겠지만 구리와 열전도율이 5% 밖에 차이 안 나서 가성비가 극악이라 (은: 406W/m·k) 사용하는 제품은 없다고 보면 된다. 애초에 히트파이프는 열의 전도 효과보다는 대류 효과를 적극적으로 이용하는 열 전달기이기 때문에 구리와 은의 열 전도율 차이에 따른 성능 차이는 더욱 줄어든다.
응용분야[편집]
히트파이프의 응용분야를 몇가지 살펴보면, 먼저 컴퓨터 부품과 관련하여 가장 많이 알려져 있다. CPU 쿨러(냉각장치), 그래픽카드(VGA, GPU) 쿨러 뿐만 아니라 메인보드 칩셋의 냉각, 파워서플라이, 그리고 마더보드의 전원부 냉각 등에도 적용된다. 또한 팬리스(Fanless, 무팬) 본체 구성에 있어서 반드시 사용된다.
스마트폰 쿨링(냉각)에도 적용되는데, 아이디어 자체는 진작에 나왔었다. 삼성의 갤럭시 S8 시리즈에도 히트파이프가 적용되었다. 삼성 뿐만 아니라 LG의 G6, 소니의 엑스페리아 등에도 사용된 적이 있다. 스마트폰 프로세서의 성능이 지속적으로 발전함에 따라 전력소모와 발열 또한 증가하고 있기 때문이다.
컴퓨터 냉각 뿐만 아니라, LED 전구 또한 활발히 적용되고 있다. 형광등 혹은 일반전구보다 광효율이 좋다는 LED 소자 또한 방열에 따라 수명과 작동상태가 결정되므로, 발열해소는 중요한 문제 중 하나이다. 고출력 LED 조명들은 이미 히트파이프를 많이 적용하고 있다.
일반인이 접근하기 어려운 산업분야에도 적용이 되고 있는데, 그 중에서도 열교환기가 대표적이다. 아무래도 열과 관련된 제품이므로, 열기관에 사용되는 건 너무 당연한 얘기가 아닐까 한다. 열교환기는 산업현장 뿐만 아니라 일반 가정에서도 알게 모르게 사용되는 기기이다. 에어컨, 냉장고, 보일러 등도 열교환을 통해 열을 이용하는 기기이다.
태양열을 모으는 기술에도 적용된다. 태양열을 이용하여 온수를 생산하는 장치에는 길다란 유리관 내부에 히트파이프가 배치되어 있다. 유리관에 태양빛이 닿으면 히트파이프를 따라 태양열이 위로 이송된다. 상단의 큰 원통에는 물이 흐르는데, 이송된 열을 받아서 온수가 필요한 곳으로 이동한다. 태양광발전이 아닌, 태양열을 모아서 그대로 이용하는 기술이다.[3]
전기차 배터리 냉각시스템에도 응용되고 있다. 차량용 2차전지는 겨울철과 여름철에 효율성 측면에서 큰 차이를 보이고 있다. 히트파이프를 이용해서 4계절 내내 배터리의 상태를 균일하게 유지할 수 있다.
각주[편집]
- ↑ 최은경 기자, 〈독보적 기술력 갖춘 히트파이프 신화〉, 《피플투데이》, 2021-02-04
- ↑ 2.0 2.1 에스엠웰텍, 〈히트 파이프(Heat Pipe)에 대한 이해 - 냉동 공조기의 이해〉, 《다음카페》, 2011-03-01
- ↑ 재밌는 정보 밤노래꾼, 〈히트파이프(Heat Pipe) 원리와 응용분야〉, 《티스토리》, 2017-12-18
참고자료[편집]
- 〈히트 파이프〉, 《나무위키》
- 〈히트파이프〉, 《위키백과》
- 최은경 기자, 〈독보적 기술력 갖춘 히트파이프 신화〉, 《피플투데이》, 2021-02-04
- 재밌는 정보 밤노래꾼, 〈히트파이프(Heat Pipe) 원리와 응용분야〉, 《티스토리》, 2017-12-18
같이 보기[편집]
