히트파이프의 온도 전달 시간 과 원리 [동영상]

히트파이프에 대해서 알아 봅시다

출처 : http://www.heatpipe21.com/

◈ Heat-Pipe 의 일반적 개요
- 히트파이프는 열 전달 효율이 일반 동 제품에 비해 수 백배 이상 빠름

- 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
<히트파이프는 Wick의 구조(Powder, Wire, Groove Type)와 제조기술 (내부의 진공도, 작동유체의 용량 등)에 따라 제품의 성능 편차가 매우 큼 >

- 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
사용목적에 따라 작동온도를 절대온도 0에 가까운 극저온부터 1000℃ 이상의 초고온 영역까지의 온도범위를 5단계로 분류할 수 있다

작동온도(℃)	주요작동유체
-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

◈ HEAT-PIPE의 특징
- 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

◈ 히트파이프의 성능 비교 실례

직경이 1/4inch이고 길이가 6 inch인 알루미늄, 구리, Heatpipe를 온도차 20℃인 상태에서 성능을 비교하면 아래와 같다.

즉) Heatpipe 의 성능의 구리보다는 40배 , 알루미늄 보다는 80배 정도 열전달이 빠르다.

 

 

▲ 히트파이프의 원리

작동 원리는 간단히 설명하자면 히트파이프는 진공 상태의 관속에 끊는점이 낮은 액체 상태의 작동 유체를 되돌려 보내는 형식 즉 증발부에서 액체가 가열되어 기체 상태로 응축부로 열기를 전달하고 방열핀에서 강재대류방식으로 열을 식혀다시 액체가 되어 증발부로 돌아가는 형식이다.

이 원리는 생각해보면 간단하다. 손등 위에 알콜을 문지르면 손등이 시원해지면서 금방 알콜이 날라가 버린다는 것을 경험한적이 한번 이라도 있을 것이다. 이러한 끊는점이 낮은 냉매가 손등의 열을 가지고 증발발하므로써 손등이 시원해지는 원리를 꽉 막힌 진공상태에서 증발부에서 응축부로..... 계속 반복 순환하는 것이라고 생각 한다면 될 것이다.

▲ 문제는 응축부에서 "얼마나 열을 잘 처리하느냐" 이다.

이처럼 히트파이프는 엄청난 열전도 계수를 가지는데, CPU의 고열을 히트스프레더의 증발부(Evaporator)에서 전달된 열은 응축부(Condenser)에서 방열핀에게 열을 전도하게 된다. 이 방열핀을 강제대류방식(강제로 공기냉각)로 얼마나 효율적으로 냉각하느냐에 따라 쿨러의 전체적인 성능을 좌우되는 경우가 많다. 즉 히트파이프의 갯수 보다는 방열핀에서 "얼마나 효율적으로 열을 냉각 하느냐" 가 중요한 것이다. 다만 히트파이프가 많다는것은 그만큼 응축부에 전달된 열을 넓은 면적의 방열핀에 접촉할수 있기 때문에 유리한 것이지 히트파이프 갯수 만큼 성능 큰 성능 향상이 있는 것은 아니다.

-가로 세로? 기울기에 따른 성능은?

 

작동유체의 귀환방법	T y p e
중 력	Thermosyphon
모세관 힘.	Standard heat pipe
구 심 력	Rotating heat pipe
정 전 력	Electrohydrodynamic heat pipe
자 력	Magnetohydrodynamic heat pipe
삼 투 압	Osmotic heat pipe
Bubble pump	Inverse thermosyphon

사진출처: < http://www.nuvotecha.com/


가끔 히트파이프 쿨러에 설치법에 대해서 의문을 제기하는 부분 중 하나인데 대부분 데스크탑이 세로로 세워서 사용하는데 "히트파이프의 냉매를 끊여서 열을 전도하는 형식이라 뜨거운 것이 위쪽으로 가는 중력에 영향을 받아서 세워진 상태에선 성능이 좋지 않다" 로 생각할 수도 있을 것이다. 하지만 작동유체 귀한방법은 위 표를 보듯이 여러방법이 있으며, 그 중 PC용 쿨러에 사용되는 방법은 중력.모세관 귀환방법을 사용하고 있다. 모세관힘으로 귀환한다는 것은  역방향으로 동작시에도 최대성능10~40% 내외로 작동한다. 이처럼 세워서 사용 하더라도 기본상태의 성능 100%는 발휘하지는 못하지만 세워서 사용해도 성능저하는 크지 않다.

우리에게 잘 알여진 잘만 9500 LED의 히트파이프는 모세관으로 되어 진 Sintered powder capillar type의 히트파이프로써 역방향 동작시 가장 좋은 성능을 가지는 히트파이프로써 제조공정이 복잡하고 제조 비용이 가장 비싼 히트파이프이다.

-히트파이프속의 냉매

Medium	Melting point(℃) 녹는점	Boiling point at 1 atm(℃) 끓는점
Ammonia	-78	-33
Freon 11	-111	24
Freon 113	-35	48
Acetone	-95	57
Methanol	-98	64
Flutec pp²	-50	76
Ethanol	-112	78
Water	0	100
Flutec pp9	-70	160
Thermex	12	257

▲ 냉매의 녹는점과 끓는점

히트파이프 속에 들어가는 여러 가지 냉매들의 일부분이다. 보면 각 냉매마다 끓는점의 온도가 각각 틀리다는걸 알수 있다. 우리가 일반적으로 생각한 아세톤의 끊는점은 57도 알콜이라 알려져있는 에탄올은 78도이다. 또한 외부 압력에 의한 끓는온도를 조금씩 조절할 수 있다고 한다.

*히트파이프 쿨러에 들어가는 냉매는 각 제조사마다 밝히고 있지는 않다.

이처럼 끓는점이 있기 때문에 히트파이프를 장착한 쿨러들은 주변온도나 CPU 온도에 따라 히트파이프가 제대로 작동할 때도 있고 하지 않을 때도 있다.

만약 히트파이프 속의 냉매가 끊는점이 57도인 아세톤을 넣었다고 본다면 저발열 CPU인 베니스정도의 30~40도 온도에선 히트파이프의 효율성이 떨어진다는 것이다. 반면 고열로 잘 알려진 프레스캇 40~60은 히트파이프가 상당히 효율적으로 작동 할 것이다.

관련테스트: http://www.coolenjoy.net/bbs/zboard.php?id=cPreview&no=223&category=&page=5

간단히 요약하면 열을 효율적으로 전도하기 위한 파이프

-coolenjoy.net 주유환

출처 : [기타] 인터넷 : http://www.coolenjoy.net/bbs/zboard.php?id=tip&no=5

히트파이프를 이용한 CPU 쿨러나 메인보드 히트싱크등은 많이 요즘 사용되고 있습니다
잘만테크의 CNPS 시리즈 경우도 히트파이프를 사용을 하였고 히트파이프의 빠른 열전달 효과를 이용해서
CPU 쿨러에 적절히 이용을 하였지요

이 쿨러 말고도 여러 회사의 제품들이 요즘 보급이 되어 있습니다 몇년전만해도 히트파이프가 생각보다 귀했고
가격도 좀 있는편이였지만 요즘은 생각보다는 쉽게 구할 수 있고 때문에 여러가지 실험 자료도 꾀 있는것으로
알고 있습니다

히트파이프도 사실 저도 모르는 부분은 있겠지만 구경이 굵을 수록 그리고 길이는 짧을 수록 성능이
좋은것으로 알고있습니다 당연한 이야기일지도 모릅니다 알루미늄으로는 만들기가 생각보다는 힘들고
구리처럼 구부러지는 성질이 있는것을 이용해서 구리로 히트파이프를 만들지요

잘만테크 견학을 갔을때 히트파이프를 구부리는 것도 기술중 하나라고 들었는데 맞긴 합니다 구부렸을때
히트파이프 내부의 구경을 줄이지 않고 잘 구부려야 굽어있는 히트파이프임에도 열전달이 잘 되게 됩니다
임의로 구부리게 되면 히트파이프 내부의 구경이 작아지게 되고 열전달이 재대로 안되는걸 볼 수 있었습니다

이는 직접 실험을 해서 얻은 결론치입니다




히트파이프에 열전달이 얼마나 빨리 이루어지는지에 대한 동영상입니다
제작자 : cdmanii 박춘호

T1 은 컵안에 뜨거운 물에 대한 온도이며
T2 는 히트파이프 끝쪽의 온도입니다

컵안에 뜨거운 물을 넣은뒤 히트파이프의 한쪽끝을 뜨거운물에 담그고 반대쪽 히트파이프 까지
열이 얼마나 빨리 전달이 되는지 보여주는 동영상입니다
보시면 생각보다 빠르게 열이 전달이 되는걸 볼 수 있습니다 그리고 히트파이프의 끝의 위치가 아래이던
상단이던 상관없이 열이 전달 되는것도 볼 수 있습니다

앞으로도 당분간은 히트파이프를 이용한 쿨러나 장치들이 많이 나올것입니다  소비자들이 무소음에 익숙해지고
또 무소음이 이제 선택이 아닌 필수가 되어가기때문에 히트파이프를 개량해서 소음을 많이 억제시킨
제품들이 많이 선은 보일것이며 앞으로는 좀더 진보한 방법으로 열을 식히는 장치들이 또 히트파이프를
대체하리라고 생각합니다