Ⅰ. 히트파이프와 기초 이론
(Fundamental Principles of Heat Pipes) |
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 히트파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기-액간의 상변화 과정을 통하여 용기 양단 사이에 열을 전달하는 장치로 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일상(phase)의 작동유체를 이용하는 통상적인 열 전달 기기에 비해 매우 큰 열 전달 성능을 발휘 합니다.
히트파이프의 기본적인 구조는 밀폐용기, 작동유체와 용기내부의 모세관(wick)으로 이루어지며, 외벽의 재료 및 작동유체의 종류, 모세관 구조물의 종류, 액체의 귀환(return) 방법, 내부의 기하학적 형태, 작동온도 등에 따라 다양하게 분류 된다.
액체의 귀환이 윅에 의하여 이루어지는 경우를 ‘히트파이프’라 부르나 중력, 원심력등 여러 가지 방법에 의하여 이루어지기도 하며 통칭하여 ‘히트파이프’라 부르기도 합니다. 표 1은 액체의 귀환방법에 의한 히트파이프의 구분입니다. |
| Methods of condensate return |
Type |
| 중력 |
열사이펀 |
| 모세관력 |
표준형 히트파이프 |
| 구심력 |
Rotating hear pipe |
| 정전기력 |
Electrohydrodynamic heat pipe |
| 자력 |
Magnetohydrodynamic heat pipe |
| 삼투압력 |
Osmotic heat pipe |
| 기포력 |
Inverse thermosyphon |
표 1 작동유체의 귀환방법에 의한 히트파이프의 구분 |
히트파이프는 작동하는데 별도의 동력원을 필요로 하지 않으며 그 자체가 어느 정도의 하중을 견딜 수 있는 구조물로서의 역할을 할 수 있으므로, 재래의 열 전달 기기에 필요했던 부가적 중량과 부피를 감소할 수 있습니다.
히트파이프의 작동온도는 봉입되어 있는 작동유체의 종류에 따라 정해지고, 그 액상과 기상이 공존하는 범위 이내여야 합니다.
작동유체의 온도범위는 고체와 액체 그리고, 기체가 공존하는 3중점(triple point)부터 임계점(critical point)사이이며 작동유체는 항상 그림의 기-액 상변화 선도의 포화 곡선을 따르기 때문에 작동온도에 따라 내부의 압력이 결정됩니다.
작동유체에 따라서는 임계점 근처에서 매우 높은 증기압이 되는 경우가 있습니다.
이와 같은 때에는 용기의 강도를 고려하여 경계온도보다 낮은 온도로 제한됩니다.
또, 3중점 부근에서 증기 밀도는 매우 작아 그만큼 큰 열 수송량이 얻어지지 않기 때문에 이보다 어느 정도 높은 온도로 제한되는 일도 있습니다. |
 표 2와 그림 Ⅰ-2는 작동유체에 따른 히트파이프의 분류와 대표적인 작동유채들이 함께 제시되어 있습니다. 히트파이프 외벽 또는 용기(container)의 내면에는 작동유체(working fluid)의 모세관 현상을 일으킬 수 있는 구조물이 있습니다. 모세관 구조는 윅(wick) 또는 그루브(groove)를 사용합니다. 윅은 심지의 역할을 할 수 있는 다공성 구조물로서, 용기와는 다른 물질로 만들어져 내벽에 부착되며, 그루브는 용기의 내벽을 적당한 형태로 가공하여 만듭니다. |
| 분류 |
온도범위 |
작동유체 |
| 극저온용 |
0 ~ 150 K |
Helium, Argon, Nitrogen |
| 저온용 |
150 ~ 750 K |
Water, Ethanol, Methanol, Acetone, Ammonia, Freon |
| 고온용 |
750 ~ 3000 K |
Caesium, Sodium, Lithium | |
| 2. 히트파이프의 종류와 응용분야 |
2.1 히트파이프의 종류
히트파이프의 종류는 관점을 두는 방식에 따라 분류할 수 있는데, 여기서는 일반적인 방법에 의하여 그 용도에 대해 서술합니다.
1. 작동온도와 작동유체에 의한 분류
작동원리에서도 서술했듯이 히트파이프의 작동온도는, 충전되어 있는 작동유체의 액상과 기상이 공존하는 범위여야 합니다. 이 부분은 앞절에서 서술하였습니다.
2. 구조에 의한 분류
히트파이프에 작동원리로부터 형상에 대한 제약은 거의 없습니다. 히트파이프의 구조에 따라 분류하면 다음과 같습니다. |
(1)원통형
이것은 가장 대표적인 형상이고, 응용범위도 넓습니다.
예를 들면, 보통의 열교환기에 사용하는 히트파이프는 거의 원통형으로 관 외면에 가열 또는 냉각을 위한 fin을 붙이는 것이 일반적입니다.
이 히트파이프의 제작에는 표준 관재를 사용할 수 있고 제작이 용이하며, 비용이 염가라는 특징이 있습니다.
(2)평판형
히트파이프식 요리용 철판은 평판형의 대표되는 형태로 열원 또는 흡열원과의 전열 면이 평면으로 이용가치가 높습니다.
소형은 전자소자의 방열용으로 실용화되고 있습니다.
(3)분리형
이것은 증기 통로와 응축 액귀환류의 통로를 분리한 형식입니다.
증기류와 액류의 상호간섭을 완전히 배제하고 있으므로, 비산한계 혹은 플러딩 한계가 존재하지 않습니다.
따라서, 최대 열 수송량을 매우 크게 할 수 있습니다.
단, 중력에 의해 응축액이 귀한 할 수 있도록 응축부와 증발부의 상하높이 차가 있어야 합니다.
(4)롱(long)히트파이프
장래 히트파이프 응용의 하나인 큰 분야로 생각되고 있는 것으로 지열 개발이 있습니다.
일반적으로 지열을 이용하기 위해서는 온도가 높은 수증기 혹은 지하수를 직접 지표까지 pumping해야 합니다. 그런데, 이 같은 고온수가 비소 따위의 유독 광물질은 포함하는 경우가 많고, 이용 후 물의 처리에 곤란함이 생깁니다.
실제로 필요한 것은 열 에너지 뿐이므로, 여기에 롱 히트파이프를 이용할 수 있습니다.
이것은 수 백미터의 매우 긴 열사이펀식이며, 100m급의 히트파이프는 이미 개발되어 지하케이블 내각용에 실용 단계까지 와 있으며, 이것은 지하 케이블의 방수에도 크게 도움이 됩니다.
(5)마이크로 히트파이프
비약적으로 고집적화를 진행하고 있는 추세에서 전자소자를 직접적으로 온도제어를 하고자 할 때 사용하게 되는 것으로, 예를 들면 실리콘웨어(silicon ware)의 칩(chip)에 웨이퍼직경은 미크론단위(micron order)의 미소 히트파이프입니다.
현재 노트북 P.C의 CPU 냉각용으로는 약Ø3～4mm의 히트파이프가 실용화 되어 있으며, 내부구조는 그루부형 스크린메쉬형, 와이여 삽입형으로 되어 있어 모세관을 발생하도록 하고 있습니다. |
2. 이용목적에 의한 분류
히트파이프의 이용목적은 다양하지만, 이를 열 이용의 목적으로 크게 나누어 구분하였습니다 |
(1)가변컨덕턴스(conductance)히트파이프(VCHP)
이것은 열원 또는 흡열원의 온도제어, 혹은 열류의 제어를 목적으로 한 히트파이프입니다.
이것에는 수많은 아이디어가 있고, 각종의 형식시스템이 고안되고 있습니다.
그러나, 일반적으로 열수송량을 변화시키는 방법으로서는 어느 것이나 응축부의 유효 전열면적을 증감시키는 것에 의하고 있습니다.
이것을 응축부의 끝부분에 설치한 가스 reservoir 혹은 액체 reservoir에서 나오고 들어감에 따라 응축부의 유효길이를 증감시키는 것입니다.
여기에는 자기제어형과 귀환액제어형이 있습니다.
전자의 예로서는, 보통의 히트파이프에 최적의 비응축가스를 봉입하는 것만으로 자기제어가 가능한 것을 만들 수 있습니다.
또, 후자의 예로서는, 온도검출부에서의 신호를 전하고 외력에 의해 가스 혹은 액체를 조절하여 열전달 유효 면적을 변화시킵니다.
(2)열 다이오드, 열 스위치
열다이오드는 열사이편에서 열흐름이 한방향으로 전달되는 특성으로, 고온부와 저온부의 위치를 역전시키면 윅크식과 같은 열전달이 발생하지 않습니다.
즉, 중력의 반대 방향으로만 열을 전달하는 열흐름의 반도체적 특성을 갖는 히트파이프입니다.
예를 들면 태양열 집열기에서 햇빛이 차단될 때는 그때까지 수집한 열 에너지가 역류하지 않도록 이 형식의 히트파이프가 채용되고 있습니다.
열 스위치는 열수송을 행하고 있는 히트파이프에, 필요에 따라 지금까지의 열흐름을 차단하는 히트파이프입니다.
예를 들면, 경사형 열사이펀식 히트파이프에서 증발부가 드라이 아웃을 일으키고 열수송이 중단되는 형식입니다, 이상의 제어를 목적으로 하는 히트파이프는 현재에 있어서는 아직 널리 실용화 단계에 이르지 못하고 있으며, 향후 응용개발이 기대되는 한 분야입니다. |
| 목적 |
구체적인 예 |
| 열수송 |
열교환기, 페열회수, 공조, 태양열 집열기 지열이용 잠열장치 |
| 가 열 |
보일러, 노면, 지붕의 눈 제거, 급.배수관의 동격방지, 기화기의 가열, 자동쵸오크, 히트로울(roll), 히트목욕솔, 주방기기 |
| 냉 각 |
트랜지스터, 다이오드, 사이리스터, IC, LSI, VLSI등 전자소자의 방열, 전자기기상자의 냉각, 인공위성탑재의 냉각, 송.변전기기의 냉각, 회전기의 냉각, 케이블의 냉각, 관로(管路)냉각, 금형.주물의 냉각, 바이트.드릴의 냉각, 엔진냉각, 브레이크냉각, 냉장.냉동고.영구동결대보호, 저온 외과수 술, 얼음 주머니 |
| 온도.열류의 제어 |
가변콘덕턴스(conductance) 히트파이프(VCHP), 열다이오드, 열스위치 | |
| 표 3. 이용목적과 구체적인 예 |
| 2.2 히트파이프의 응용사례 |
1. 산업용 및 공조용 열 교환기
히트파이프 열 교환기는 가장 많은 산업적 응용도를 가지고 있는 항목이라고 할 수 있으며, 대형 플랜트에서의 폐열회수, 가열 및 냉각공정에서의 고효율 에너지 변환 및 이송, 공기조화 및 냉동장치 등에서의 열 전달 장치로 사용되고 있습니다.
중국에서의 사례를 보면 제철공장, 정유공장 등 중화학 플랜트의 가열로, 고온공기로, 보일거, 공기 예열기, 건조탑 등에서 히트파이프 열 교환기를 사용한 결과 재래식인 관형(tube type) 열 교환기보다 최소 3배에서 5배의 열 전달 성능을 얻을 수 있었습니다.
이를 사용하여 장기 운전시의 결과를 분석해 보면 산업용 폐열의 30 ～ 50%를 회수할 수 있었으며, 연료 절감율은 5 ～ 10%에 이르고, 초기투자에 대한 회수기간은 1 ～ 3년 정도로 알려져 있습니다. 적용 온도범위는 고온기체온도가 150 ～ 450 ℃, 배기가스의 온도는 50 ～ 150℃로서 비교적 낮은 온도 온도범위에 속합니다.
한편, 열 교환 장치의 부피는 1/2 내지 1/3 정도로 축소되었으며, 정비와 수리가 용이하고 내부식성도 훨씬 높일 수 있었다는 것이 보고되어 있습니다.
러시아에서 대형 환기장치에 응용된 사례에 의하면, 온도-5℃에서 18℃의 외부 공기를 시간당 8,000에서 18,000m3 흡입하여 12 ～ 15℃의 실내 공기로 만들 때 열 교환 효율은 52 ～ 61%에 달했으며 장기운전 분석 결과 투자회수기간은 2.5년 정도로 나타나 있습니다.
폐열회수 보일러는 애형 플랜트에서 고온 배기가스의 폐열을 이용하여 증기를 발생시키는 열 교환기입니다. 이는 정유공장의 fired heater, 가스터빈 플랜트, 유리공장, 제철소 및 제련소 등의 로(furnace)등에 응용되어 큰 성과를 거둔 사례가 알려져 있습니다.
하루 1만 배럴을 생산하는 정유공장에서의 예를 보면, 유량 18,000 kg/h, 온도 482℃의 배기가스에서 열을 회수하여 259℃로 배출시키면서 150 psig의 수증기를 1,914 kg/h의 율로 발생기킬 수 있었습니다.
이 경우 장기운전 분석 결과 전체 투자의 회수기간은 1년 밖에 되니 않았다. 한편, 배기가스 온도가 400에서 500℃ 범위인 가스터빈 플랜트도 매우 좋은 응용 예로 알려져 있습니다.
통상적인 관군식 열 교환기는 return bend들이나 header들을 여러 개 비치하므로, 설계와 제작이 난이하고 보수가 까다로운데 비해 히트파이프를 이용하면 정비는 물론 장치의 제작에도 큰 장점이 있음이 알려져 있습니다.
2. 전기/전자장치의 열 제어 수단
전기장비에 히트파이프가 응용되는 예는 열을 발생하는 전동기 등의 회전기계, Power supply, 변압기, 충전시스템, 그리고 레이져(laser)나 초음파 발생장비의 냉각 및 온도조절 등에서 볼 수 있습니다.
전자장치에서는 트랜지스터, thyristor 등은 물론 IC, VLSI, 회로기판(PCB) 또는 모듈의 냉각에 이용되고 있습니다.
전자부품은 고열에 취약하여 온도가 높아지면 성능이 급격히 저하하거나 부품 자체에 손상을 가져올 수 있습니다.
히트키카(heat kicker)라고 불리는 냉각기구는 일반적인 히트싱크(heat sink)의 성능을 증진시킨 것으로, 몇 개의 전자부품이나 모듈로부터의 발생열을 히트파이프의 증발부로 집결시킨후 일정거리를 이송한 후 확장표면(fin)이 여러개 부착된 응축부에서 자연대류에 의해 열을 방출시키는 구조로 되어있습니다.
이러한 냉각방법으로 재래식 냉각장치의 부피를 1/10까지는 축소시킨 경우가 있습니다.
최근 전자부품이 보다 소형화되면서 단위면적당의 소비전력은 증가되어 IC 및 VLSI를 위시한 micro electrics전반에 걸쳐 냉각의 문제가 심각하게 대두되고 있습니다.
상변화를 이용한 여러형태의 냉각방법들이 개발되어 왔으나, 국소적인 온도구배를 가능한 작게하여 열응력을 소산시킬 수 있는 효과적 방법은 아직도 개발의 여지가 남아있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 개발된 것이 마이크로 히트파이프(micro heat pipe)인데, 외형상의 크기가 작은 바늘정도로 직경이 0.5mm이내이고 길이가 수 cm정도까지도 포함됩니다.
이것은 외부에서 접근하기 어려운 소형 고집적회로의 내부 또는 비디오헤드의 냉각에 사용 될 수 있습니다. 현재 컴퓨터 냉각용으로 많이 사용되는 마이크로 히트파이프의 개념은 원래의 정의보다는 조금 큰 것으로 실용화되어 있으며 외경이 3mm이내의 크기로서 ‘miniature 히트파이프’라고 분류해야 할 정도의 것입니다.
이는 약 30cm내외의 길이로 15W 정도의 열 부하를 이송할 수 있으며, 미국과 일본 등에서 노트북 컴퓨터의 CPU냉각 등에 사용되는 것이 상용화되어 있습니다.
한편, 고출력 통신기기 및 대형전자식 교환기의 냉각에 열 사이펀 또는 히트파이프를 적용하는 시스템도 개발되고 있습니다.
3. 대체에너지 이용분야
대체에너지원은 지열, 풍력, 조력 등이 될 수 있으나, 아직까지 가장 용이하게 접근할 수 있는 것은 태양열이라 할 수 있습니다.
태양열 집열기의 경우 종래의 액체순환식과 비교하면, 펌프동력이 필요없이 축열조까지의 열이동이 가능하며 열 다이오드의 효과로 야간의 열 손실을 줄일 수 있는 것이 큰 장점으로 알려져 있습니다.
일본과 러시아 등지에서 1980년대 중반에 개발된 수동형 급수가열기 등은 흡열표면에 선택적 도장을 함으로서 45%정도의 흡열성능을 가지며, 약 1.44m2의 집열면적으로 100리터의 온수를 공급할 수 있었습니다.
작동온도는 60℃이하의 저온범위이므로 히트파이프 외벽의 재질은 구리나 알루미늄을 사용하고, 작동유체로는 물, 아세톤, 에탄올, 헵탄(heptane), 암모니아 등을 사용할 수 있습니다.
깊은 지하로부터 지열을 이용하는 경우에도 길이가 수백 미터에 이르는 긴 히트파이프를 사용하여 지상의 장치에까지 열 전달을 시도하는 예가 있습니다. 다른 예로서, 적설량이 많거나 빙결이 자주 있는 지역에서 비상활주로 또는 간선도로를 항상 사용 가능한 상태로 확보하는 수단으로서, 노면 밑에 긴 코일형태의 히트파이프를 매설하고 비상시에 많은 열을 한꺼번에 보내 짧은 시간 동안 에 제설 혹은 제빙할 수 있도록 하는 방법도 실제 사용하고 있습니다.
4. 위성체 열 제어용
위성체에 각종 전자부품 및 장비, 광학 센서 및 측정장치, 전력발생, 저장 및 공급장치 등의 최적성능을 위한 작동 온도조건을 구성하는 것은 물론, 열 응력으로 인한 변형, 파괴로부터 이들을 보호하기 위해 적절한 열제어방법이 사용되어야 합니다.
히트파이프는 이러한 열 제어 수단으로 가장 많이 사용되어 오고 있습니다.
실용성 있는 위성체의 경우 히트파이프는 열 제어 계통의 핵심요소로서 무중력상태에서 작동하고, 소형, 경량이어야 하며, 무엇보다도 그 작동의 내구성과 신뢰성이 요구됩니다.
또한, 내부의 각 모듈(module)과 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 있습니다.
따라서 지상의 용도에서 보다 훨씬 엄격한 제작기술의 기준은 물론 장기운전시의 성능을 예측할 수 있는 시험평가방법 등이 필요합니다.
위성체에 히트파이프를 사용하는 것은 미국과 유럽등 선진국에서 1960년대 말부터 이루어져 왔습니다. 미국에서는 NASA, 유럽에서는 EPA를 중심으로 1970년대 초부터, 그리고 일본에서도 1980년대 초부터 NASDA등의 우주개발 및 위성체 관련 연구 개발 기관을 중심으로 그간 각종 히트파이프의 설계, 제작, 시험, 등 개발에 관한 기술이 상당히 많이 축적되어 왔습니다.
진공 및 무중력장(또는 미소 중력장)이라는 우주의 특수환경에 적합하도록 고려하는 측면에서 히트파이프를 개발하는 것은 국내의 여건과 비교해서 상대적으로 수월한 셈입니다.
적용실례를 보면 위성체 외부 구조물이나 태양전지판에서 태양을 보는 부분과 그 반대편에서의 온도차는 115℃ 정도에 이를 수 있는데, 히트파이프를 사용하여 등온화를 이루는 경우는 온도차를 10℃정도로 낮추어 열응력을 최소화 할 수 있음이 보고되어 있습니다.
위성체에서 열제어의 주요대상은 문헌들에서도 언급되고 있는바 적재된 전자장치의 발열부입니다. 히트파이프는 통상 TWT 등 고발열장치를 부착하는 sandwich panel의 사이에 삽입되어 열을 소산시키거나 방열부(radiator)쪽으로 이송시키는 역할을 해오고 있습니다.
VCHP(Variable Conductance Heat Pipe)를 OBP(On-Board Precessor)의 온도제어에 사용하는 경우 10에서 30W의 출력에서 17±3℃의 최적온도범위로 유지할 수 있었음이 알려져 있습니다.
위성체 내부의 전력변환장치, 정류기 등에서 4KW의 많은 폐열을 내는 경우에도 열의 이송과 방출에 물을 작동유체로 하는 히트파이프가 사용되었다. 70년대초 개발된 저온용 히트파이프의 열 이송성능은 대개 1인치의 직선길이당 3W정도였으나, 80년대 space shuttle이 개발된 후는 그 성능이 1인치당 30W정도로 향상되었습니다.
히트파이프가 열원과 열 침을 격리시킬 수 있는 특성도 위성체나 우주선에의 적용에 유리한 장점입니다.
선체내부의 열은 body mounted radiator 혹은 별도의 deployed radiator를 통해 우주공간으로 방출되며, 이러한 방열기의 방열성능을 증가시키기 위해서 히트파이프가 적용됩니다.
방열기는 보통 강도를 고려하여 제작되므로 honeycomb형태의 panel로 되어 sandwich형으로 히트파이프를 내장하는 것이 보통입니다. 히트파이프의 열 이송 성능을 증진시키기 위해 많은 모세관 구조물의 형태가 우주용으로 제안되어 왔는데, artery 형의 wick외에도 slab wick, monogroove channel, eye-drop형 그루브 등이 기존의 단순 윅이나 그루브 등 보다 증진된 성능을 보이고 있습니다. | | |
