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히트파이프

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목차

1. 개요

히트파이프는 작동 유체의 상변화를 이용하여 열을 전달하는 장치이다. 1942년 R. S. 가울러가 모세관 기반 히트파이프를 제안했으나, 1963년 조지 그로버가 독립적으로 개발하고 "히트파이프"라는 용어를 처음 사용했다. NASA는 우주 비행에서 히트파이프의 응용을 연구했으며, 1980년대부터 소니는 상업용 전자 제품에 히트파이프를 적용하기 시작했다.

히트파이프는 밀봉된 파이프나 튜브 내에서 작동 유체의 증발과 응축을 통해 열을 전달하며, 윅 구조를 통해 응축된 액체를 증발기로 되돌린다. 히트파이프는 다양한 온도 범위에 따라 작동 유체를 선택하며, 기계적인 움직임이 없어 유지 보수가 용이하고 열 전달 효율이 높다. 히트파이프는 표준 히트파이프 외에도 베이퍼 챔버, 가변 전도 히트파이프, 다이오드 히트파이프 등 다양한 종류가 있다.

히트파이프는 컴퓨터, 데이터 센터, LED 조명 등 다양한 분야에 적용되며, 특히 대한민국에서는 반도체 및 디스플레이 산업의 발달로 고성능 전자 제품의 냉각 기술에 널리 사용된다.

2. 역사

히트파이프의 기본 원리는 19세기 증기 시대에 앵기어 마취 퍼킨스와 그의 아들 로프터스 퍼킨스가 개발한 "퍼킨스 튜브"에서 유래되었다. 퍼킨스 튜브는 기관차 보일러와 작동 오븐에 널리 사용되었다.[3] 1942년 제너럴 모터스의 R. S. 가울러는 모세관 기반 히트파이프를 처음 제안하고 특허를 냈지만,[4] 더 이상 개발하지는 않았다.

1963년 로스 알라모스 국립 연구소의 조지 그로버는 모세관 기반 히트파이프를 독립적으로 개발하고, "히트파이프"라는 용어를 처음 사용했다.[5] 그는 "히트파이프의 발명자"로 불리기도 한다.[6] 그로버는 자신의 노트에 다음과 같이 적었다.[7]

> 외부 펌프가 필요 없는 이러한 폐쇄형 시스템은 원자로 코어에서 방사 시스템으로 열을 이동시키는 우주 원자로에 특히 유용할 수 있다. 중력이 없는 경우, 모세관력과 채널을 통해 돌아오는 증기의 저항을 극복할 수 있는 힘만 있으면 된다.

1960년대 미국 항공 우주국(NASA)은 우주 비행 응용 분야에서 히트파이프 개발에 중요한 역할을 수행했다. 히트파이프의 낮은 무게, 높은 열 전달 능력, 전력 소비가 없다는 점, 그리고 무중력 환경에서도 작동 가능하다는 점이 크게 작용하였다. NASA는 액체 나트륨 금속을 작동 유체로 사용하는 극한 조건을 위해 설계된 히트파이프를 테스트하기도 했다.

우주 프로그램에서 히트파이프가 처음 적용된 것은 위성 트랜스폰더의 열 평형이었다.[8] 위성이 궤도를 돌 때 한쪽 면은 태양 복사에 노출되고 반대쪽 면은 매우 추운 우주 공간에 노출되어 트랜스폰더의 온도와 신뢰성에 문제가 발생했다. 히트파이프 냉각 시스템은 이러한 문제를 해결하고, 중력 유무에 관계없이 완벽하게 작동했다.

1967년과 1968년에 펠드먼, 이스트먼,[10] 카츠오프는 에어컨, 엔진 냉각, 전자 제품 냉각 등 다양한 분야에 히트파이프를 적용하는 방법을 처음으로 논의했다. 1969년에는 터빈 블레이드 냉각에 사용되는 회전형 히트파이프 개념이 소개되었고, 극저온 공정에 히트파이프를 적용하는 논의도 시작되었다.

1980년대부터 소니는 상업용 전자 제품의 냉각 방식에 히트파이프를 적극적으로 도입했다. 처음에는 수신기와 앰프에 사용되었으며, 이후 다른 전자 제품으로 확대되었다.

1990년대 후반, 고성능 마이크로컴퓨터 CPU의 등장으로 미국의 히트파이프 특허 출원 건수가 크게 증가했다. 히트파이프 기술은 전문 산업용 부품에서 소비자 상품으로 발전하면서, 대부분의 개발 및 생산이 미국에서 아시아로 이동했다.

현대 CPU 히트파이프는 일반적으로 구리로 만들어지고, 작동 유체로 물을 사용한다.[2] 데스크톱, 랩톱, 태블릿, 고급 스마트폰과 같은 많은 소비자 전자 제품에서 흔히 사용된다.

3. 작동 원리

히트파이프는 작동 유체의 상변화(증발 및 응축)를 이용하여 열을 전달한다. 작동 유체는 히트파이프가 동작해야 하는 온도에 따라 선택되며, 액체 헬륨, 수은, 나트륨, 인듐, 암모니아, 알코올, 물 등이 사용된다.[13] 고온부에서 작동 유체가 증발하면서 열을 흡수하고, 저온부에서 응축되면서 열을 방출한다. 응축된 작동 유체는 윅(wick) 구조를 통해 모세관 현상에 의해 증발기로 되돌아간다. 또는 중력(열사이폰)이나 원심력(회전형 히트파이프)을 이용하기도 한다.[11]

히트 파이프의 원리. 그림의 왼쪽이 고온부, 오른쪽이 냉각부


오른쪽 그림은 히트 파이프의 작동 원리를 나타낸다.

# 고온부 내벽에서 작동액이 열을 흡수하여 증발한다.

# 작동액 증기가 공동(cavity)을 통과하여 저온부로 이동한다.

# 저온부에서 냉각된 작동액 증기는 응축되어 액체로 되돌아가 내벽의 '''윅'''(모세관 구조의 심지)에 흡수된다.

# 작동액이 내벽 윅을 따라 고온부로 되돌아간다.

이처럼 양단에 온도차를 줌으로써 1-4의 과정이 일어나 히트 파이프 내에서 작동액이 순환하며, 고온부에서 저온부로의 열 이동이 일어난다.

히트 파이프가 열을 전달하려면 포화 액체와 해당 증기(기체 상)가 포함되어야 한다. 포화 액체는 증발하여 응축기로 이동하여 냉각되고 다시 포화 액체로 변환된다. 표준 히트 파이프에서 응축된 액체는 작동 유체의 액체 상에 모세관 작용을 가하는 윅 구조를 사용하여 증발기로 반환된다.[11]

히트 파이프의 흥미로운 특성은 히트 파이프가 효과적인 온도 범위이다. 처음에는 물로 채워진 히트 파이프가 뜨거운 쪽 끝이 끓는점(100 °C, 정상 대기압)에 도달하고 증기가 차가운 쪽 끝으로 전달될 때만 작동한다고 의심할 수 있다. 그러나 물의 끓는점은 파이프 내부의 절대 압력에 따라 달라진다. 진공 파이프에서 물은 삼중점(0.01 °C)에서 임계점(374 °C)까지 기화하며, 히트 파이프에 액체와 증기가 모두 포함되어 있는 한 작동한다.[48][49]

히트 파이프의 효과의 주요 원인은 작동 유체의 기화 및 응축이다. 기화열은 비 열용량을 훨씬 초과한다. 예를 들어 물을 사용하면, 1그램의 물을 증발시키는 데 필요한 에너지는 동일한 1그램의 물의 온도를 1 °C 높이는 데 필요한 에너지의 540배이다. 거의 모든 에너지는 유체가 응축될 때 "차가운" 쪽 끝으로 빠르게 전달되어 움직이는 부품이 없는 매우 효과적인 열 전달 시스템을 만든다.

4. 구조 및 설계

전형적인 히트 파이프는 작동 유체와 호환되는 재료로 만들어진 밀봉된 파이프 또는 튜브로 구성된다. 예를 들어, 물 히트 파이프의 경우 구리, 암모니아 히트 파이프의 경우 알루미늄을 사용한다. 일반적으로 진공 펌프를 사용하여 빈 히트 파이프에서 공기를 제거한다. 히트 파이프는 부분적으로 ''작동 유체''로 채워진 다음 밀봉된다. 작동 유체 질량은 히트 파이프가 작동 온도 범위에서 증기와 액체를 모두 포함하도록 선택된다.[11]

히트 파이프의 작동 온도는 매우 중요하다. 작동 온도 미만에서는 액체가 너무 차가워서 기체로 증발할 수 없다. 작동 온도 이상에서는 모든 액체가 기체로 변했고 주변 온도가 기체가 응축되기에는 너무 높다. 열 전도는 여전히 히트 파이프 벽을 통해 가능하지만 열 전달 속도가 크게 감소한다. 주어진 열 입력에 대해 작동 유체의 최소 온도를 달성해야 한다. 반면에 다른 쪽 끝에서는 초기 설계에서 열 전달 계수의 추가적인 증가(편차)가 히트 파이프 작용을 억제하는 경향이 있다. 히트 파이프 시스템이 팬의 도움을 받는 경우 히트 파이프 작동이 고장나고 열 관리 시스템의 효율성이 감소하여 잠재적으로 심각하게 감소할 수 있다는 점은 직관적이지 않을 수 있다. 따라서 히트 파이프의 작동 온도와 최대 열 수송 용량은 모세관 또는 유체를 뜨거운 영역으로 되돌리는 데 사용되는 기타 구조(원심력, 중력 등)에 의해 제한되며 불가피하고 밀접하게 관련되어 있다.[12]

작동 유체는 히트 파이프가 작동해야 하는 온도에 따라 선택된다. 극저온 응용 분야의 경우 액체 헬륨(2~4 K)부터 수은(523~923 K), 나트륨(873~1473 K) 및 극고온의 경우 인듐(2000~3000 K)까지 다양하다. 실온 응용 분야에 사용되는 대부분의 히트 파이프는 암모니아(213~373 K), 알코올(메탄올(283~403 K) 또는 에탄올(273~403 K)) 또는 물(298~573 K)을 작동 유체로 사용한다. 구리/물 히트 파이프는 구리 외피를 가지고, 물을 작동 유체로 사용하며 일반적으로 20~150°C의 온도 범위에서 작동한다.[13][14]

히트 파이프가 열을 전달하려면 포화 액체와 해당 증기(기체 상)가 포함되어야 한다. 표준 히트 파이프에서 응축된 액체는 작동 유체의 액체 상에 모세관 작용을 가하는 윅 구조를 사용하여 증발기로 반환된다. 히트 파이프에 사용되는 윅 구조에는 파이프 축에 평행한 일련의 홈이 있는 소결된 금속 분말, 스크린 및 홈이 있는 윅이 포함된다. 응축기가 중력장에 있는 증발기 위에 위치하면 중력이 액체를 되돌릴 수 있다. 이 경우 히트 파이프는 열사이폰이다. 회전 히트 파이프는 원심력을 사용하여 응축기에서 증발기로 액체를 되돌린다.[11]

히트 파이프는 외피, 윅 및 작동 유체를 가지고 있다. 히트 파이프는 유지 보수가 필요 없는 매우 장기간 작동하도록 설계되었으므로 히트 파이프 벽과 윅은 작동 유체와 호환되어야 한다. 호환되는 것처럼 보이는 일부 재료/작동 유체 쌍은 그렇지 않다. 예를 들어 알루미늄 외피의 물은 몇 시간 또는 며칠 이내에 상당한 양의 비응축성 가스를 발생시켜 정상적인 히트 파이프 작동을 방해한다. 이 문제는 주로 물의 존재하에 알루미늄의 산화 및 부식으로 인해 발생하며, 이는 비응축성 가스로 축적되는 수소 가스를 방출한다.[16]

1963년 조지 그로버가 히트 파이프를 재발견한 이후, 호환 가능한 외피/유체 쌍을 결정하기 위해 수십 년 동안 지속되는 광범위한 수명 테스트가 수행되었다. 히트 파이프 수명 테스트에서 히트 파이프는 장기간 작동하며 비응축성 가스 발생, 재료 이동 및 부식과 같은 문제를 모니터링한다.[17][18]

가장 일반적으로 사용되는 외피(및 윅)/유체 쌍은 다음과 같다.[19]


  • 전자 장치 냉각을 위한 물 작동 유체가 있는 구리 외피.
  • HVAC 시스템의 에너지 회수를 위한 냉매 R134a 작동 유체가 있는 구리 또는 강철 외피.
  • 우주선 열 제어를 위한 암모니아 작동 유체가 있는 알루미늄 외피.
  • 고온 히트 파이프를 위한 초합금 외피와 알칼리 금속(세슘, 칼륨, 나트륨) 작동 유체.


다른 쌍에는 100 K 미만의 온도에서 질소, 산소, 네온, 수소 또는 헬륨 작동 유체가 있는 스테인리스 스틸 외피, 물 범위 미만에서 히트 파이프가 작동해야 할 때 전자 장치 냉각을 위한 구리/메탄올 히트 파이프, 암모니아가 얼 수 있는 환경에서 우주선 열 제어를 위한 알루미늄/에탄 히트 파이프, 고온( 1050°C 이상) 응용 분야를 위한 내화 금속 외피/리튬 작동 유체가 포함된다.[20]

히트 파이프는 특정 냉각 조건에 맞게 조정되어야 한다. 파이프 재료, 크기 및 냉각수의 선택은 모두 히트 파이프가 작동하는 최적 온도에 영향을 미친다. 설계된 열 범위 밖에서 사용하면 히트 파이프의 열 전도율이 실제로 고체 금속 케이스의 열 전도 특성으로만 감소한다. 구리 케이스의 경우 원래 플럭스의 약 1/80이다.

5. 종류

표준 히트파이프(CCHPs, Constant Conductance Heat Pipes)는 가장 일반적인 형태의 히트파이프이다.[67][23] 이 외에도 다양한 종류의 히트파이프가 존재한다. 주요 종류는 다음과 같다:


  • 베이퍼 챔버 (Vapor Chamber): 평면형 히트파이프로, 열류 전달 및 표면 등온화에 사용된다.[24] 튜브형 히트파이프와 동일한 주요 구성 요소(밀봉된 중공 용기, 작동 유체, 폐쇄 루프 모세관 재순환 시스템)를 갖추고 있다.[24] 증기 챔버 내부에는 클램핑 압력을 견디기 위한 지지 구조 또는 기둥이 있다.[24] 높은 전력과 열 유속을 비교적 작은 증발기에 적용할 때,[25] 또는 게이밍 노트북과 같이 얇은 전자기기의 냉각에 사용된다.[27]

  • 가변 전도 히트파이프 (VCHPs, Variable Conductance Heat Pipes): 비응축성 가스(NCG)를 사용하여 전력 또는 방열 조건 변화에 따라 히트파이프의 유효 열전도율을 변경한다.[29] 작동 유체 외에 비응축성 가스(NCG)가 추가되며, 히트파이프가 작동하지 않을 때는 NCG와 작동 유체 증기가 혼합되어 있다.[29] 작동 시 NCG는 응축기 쪽으로 쓸려가 일부를 차단하며, 전력 또는 방열판 온도 변화에 따라 응축기 활성 길이가 변하여 열전도율이 조절된다.

  • 압력 제어 히트파이프 (PCHPs, Pressure Controlled Heat Pipes): VCHP의 일종으로, 저장소의 부피 또는 NCG 질량을 변경하여 온도를 정밀하게 제어한다.[30] 밀리켈빈(milli-Kelvin) 온도 제어가 가능하다.[31]

  • 다이오드 히트파이프 (Diode Heat Pipes): 한 방향으로만 열을 전달하는 히트파이프.[32] 정방향에서는 높은 열전도율을, 역방향에서는 낮은 열전도율을 가진다. 종류는 다음과 같다.
  • 써모사이폰: 중력에 의해 작동 유체가 증발기로 되돌아간다.[35] 응축기가 가열되면 증발할 액체가 없다.
  • 회전형 히트파이프 (Rotating Heat Pipe): 원심력을 이용하여 작동 유체를 증발기로 되돌아간다. 응축기가 가열되면 액체를 사용할 수 없다.
  • 증기 트랩 다이오드 히트파이프: VCHP와 유사하게 제조되며 응축기 끝에 가스 저장소가 있다.[33]
  • 액체 트랩 다이오드 히트파이프: 증발기 끝에 윅 저장소가 있으며, 별도의 윅이 히트파이프 나머지 부분과 통신하지 않는다.[34]

  • 루프 히트 파이프 (Loop Heat Pipe): 액체와 증기가 같은 방향으로 흐르는 히트파이프로, 장거리 열 수송에 유리하다.[39][40] 윅은 증발기 및 보상 챔버에만 필요하다.

  • 진동형 히트파이프 (Oscillating or Pulsating Heat Pipe): 작동 유체의 진동을 이용하는 히트파이프.[41] 작동 유체는 뱀 모양 패턴으로 배열된 파이프 내에서 자유롭게 움직이는 액체 및 증기 구역으로 구성된다.

6. 응용 분야

히트파이프는 다양한 분야에서 활용되고 있다.


  • 우주선: 일식과 같이 외부 조건이 급격하게 변하고 무중력에 가까운 우주 환경에서, 열 복사를 통한 열 제거가 필요한 우주선의 전자기기 냉각 및 온도 제어에 사용된다.[33] 우주선에는 주로 암모니아를 작동 유체로 사용하며, 온도가 더 낮은 경우에는 에탄을 사용하기도 한다.

우주선의 히트 파이프는 일반적으로 홈이 있는 알루미늄 압출재를 외피로 사용한다.


우주선 열 제어를 위한 전형적인 홈이 있는 알루미늄-암모니아 VCHP로, 하단에 증발기 섹션이 있고 밸브 바로 아래에 비응축 가스 저장소가 있다.

  • 컴퓨터 시스템: 1990년대 후반부터 컴퓨터 시스템의 전력 요구 사항 증가와 발열량 증가에 따라, CPU 및 GPU와 같은 고성능 전자 부품의 냉각에 널리 사용된다.[50]
  • 태양열 온수 시스템: 진공관형 태양열 집열기와 함께 태양열 온수 시스템의 효율을 높이는 데 사용된다.[51] 진공관형 집열기는 진공 상태를 이용하여 열 손실을 줄여주기 때문에, 추운 환경에서도 효율적으로 작동하며, 부동액 사용을 줄일 수 있다.
  • 영구 동토층 냉각: 알래스카 송유관과 같이 영구 동토층 위에 건설되는 구조물의 안정성을 유지하기 위해 사용된다.[52] 히트파이프는 겨울철에는 땅속의 열을 외부로 방출하여 영구 동토층을 냉각시키고, 여름철에는 작동을 멈춰 지반이 녹는 것을 방지한다. 칭하이-티베트 철도 일부 구간에도 사용되고 있다.[54]

알래스카 송유관의 지지 다리가 열관 써모사이폰으로 냉각되어 영구 동토층을 얼어 있는 상태로 유지하고 있다.

  • 조리: 음식물의 조리 시간을 단축시키는 조리 도구에 사용된다.[55]
  • 환기열 회수: 난방, 환기 및 공조(HVAC) 시스템에서 열 에너지를 회수하는 데 사용된다.[38]
  • 원자력 발전: 원자로에서 발생한 열을 전력 변환 시스템으로 전달하는 데 사용될 수 있다.[57]
  • 방켈 엔진: 엔진 냉각 및 효율 향상에 활용될 수 있다.[59]
  • 열교환기: 효율적인 열 교환 장치로 활용된다.
  • 기타 개발 중인 응용 분야: 도로 결빙 방지, 태양광 패널 냉각, 원자로 안전 시스템 등 다양한 분야에서 활용이 연구되고 있다.

6. 1. 한국 내 응용 사례

히트파이프는 전자제품 냉각에 널리 사용된다. 특히 "CPU 쿨러"라고 불리는 공랭식 마이크로프로세서 냉각 장치에서는 칩에 직접, 또는 "히트 스프레더"라고 불리는 열전도성이 좋은 판을 거쳐 접촉하는 면에서 다수의 얇은 알루미늄(소형의 경우 구리) 판으로 구성된 방열 핀부로 고속으로 열을 이동시키기 위해 많이 사용된다.[50] 노트북 PC 등에서는 공간 활용을 위해 발열부와 팬이 있는 부분이 떨어져 있는 경우, 그 사이를 히트파이프로 연결하고 있다.

일반적인 소비자용 노트북 내의 히트 파이프 구성. 히트 파이프는 CPU, GPU 및 전압 조정기에서 발생하는 폐열을 전달하여 냉각 팬과 결합된 방열판으로 열을 이동시키며, 냉각 팬은 유체-유체 열 교환기로 작용한다.


히트 파이프(구리)가 달린 방열판(알루미늄)

참조

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[67] 웹인용 Heat Pipes - Different Kinds of Heat Pipes http://www.1-act.com[...]


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