히트 파이프
[image]
[clearfix]
Heat pipe, 전열관(傳熱管)
특수한 내부구조와 냉매를 사용하는 밀폐된 금속관 모양 열전도체.[1]
히트 파이프는 특수한 내부모양을 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.
[image]
히트 파이프의 내부구조를 살펴보면 관의 중심은 일반 금속관처럼 뻥 뚫려있지만 관의 가장자리는 스펀지 모양이나 혹은 금속 핀[2]이 촘촘히 새겨져있는 모양으로 가장자리 부분은 굉장히 부피 대비 접촉면적이 많도록 설계되어 있다. 히트파이프의 내부 구조는 대표적으로 3가지가 존재하며, 위 예시 이미지에서 나온대로 먼저 금속 가루를 소결시킨 파우더(Powder)방식, 금속 섬유로된 직물 조직이 있는 메쉬(Mesh) 방식[3], 총에 사용되는 강선과 비스무리한 형상을 내부에 구현한 그루브(Groove) 방식이 있다.[4] 파이프 내부는 진공 상태로 거기에 냉매가 기체 상태가 될 만큼만 적절히 채워 넣는다.[5] 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.
기기가 작동하고 히트파이프의 양 끝이 각각 가열되는 부분과 냉각되는 부분으로 온도차이가 나게 되면, 히트 파이프 내의 냉매가 열을 품은 채 히트 파이프의 양 끝을 대류하면서 열을 전달하기 시작한다.
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 편.
또 히트 파이프 자체는 냉각과는 관계가 없다. 히트 파이프는 열을 빠르게 이동시켜주는 부품으로, 기존의 히트싱크가 열의 '전도'에 의존해 열을 식힌 것과 달리 히트파이프는 열의 '전도'와 '대류'를 둘 다 활용한다. 히트 파이프의 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.
방열판과 히트파이프는 보통 알루미늄, 구리로 만드는데 구리 쪽의 열 전도성이 87% 더 높다. (알루미늄: 205W/m·k, 구리: 385W/m·k) 돈지랄을 거하게 할 작정이라면 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 히트 파이프는 열의 전도 효과보다는 대류 효과를 적극적으로 이용하는 열 전달기이기 때문에 구리와 은의 열 전도율 차이에 따른 성능 차이는 더욱 줄어든다.
일반적으로 완성된 제품은 직선형으로 길게 판매되며, 이를 보통 꺾어서 사용한다. 한편, 히트파이프에 각도를 주기 위해 꺾어서 변형시키는 순간 히트파이프의 효율이 급감하는 문제가 있으며, 이 과정에서 그루브형 > 메쉬형 > 파우더형 순으로 성능 감소가 큰 편이다.
과거에는 보기 힘들었으나 제조공정 발전으로 단가가 낮아지면서 전자기기의 쿨링에 자주 보이기 시작했다. 컴퓨터용 쿨러에 적극적으로 채용되면서 제한된 공간 내에서 높은 발열해소 성능을 갖춰야 하는 노트북, 혹은 고성능의 공랭 CPU 쿨러, VGA 쿨러등으로 흔히 볼 수 있게 되었다.
그래픽카드는 따로 오버클럭을 거치지 않은 순정임에도 방열판과 팬만으로는 열을 감당할 수 없어 히트 파이프를 넣는 물건이 거의 대부분이고, 사제 쿨러는 3만원대만 넘어도 거의가 방열판 + 히트 파이프 + 팬의 구조다.
[clearfix]
1. 개요
Heat pipe, 전열관(傳熱管)
특수한 내부구조와 냉매를 사용하는 밀폐된 금속관 모양 열전도체.[1]
2. 상세
히트 파이프는 특수한 내부모양을 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.
2.1. 원리
[image]
히트 파이프의 내부구조를 살펴보면 관의 중심은 일반 금속관처럼 뻥 뚫려있지만 관의 가장자리는 스펀지 모양이나 혹은 금속 핀[2]이 촘촘히 새겨져있는 모양으로 가장자리 부분은 굉장히 부피 대비 접촉면적이 많도록 설계되어 있다. 히트파이프의 내부 구조는 대표적으로 3가지가 존재하며, 위 예시 이미지에서 나온대로 먼저 금속 가루를 소결시킨 파우더(Powder)방식, 금속 섬유로된 직물 조직이 있는 메쉬(Mesh) 방식[3], 총에 사용되는 강선과 비스무리한 형상을 내부에 구현한 그루브(Groove) 방식이 있다.[4] 파이프 내부는 진공 상태로 거기에 냉매가 기체 상태가 될 만큼만 적절히 채워 넣는다.[5] 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.
기기가 작동하고 히트파이프의 양 끝이 각각 가열되는 부분과 냉각되는 부분으로 온도차이가 나게 되면, 히트 파이프 내의 냉매가 열을 품은 채 히트 파이프의 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.
2.2. 한계
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 편.
또 히트 파이프 자체는 냉각과는 관계가 없다. 히트 파이프는 열을 빠르게 이동시켜주는 부품으로, 기존의 히트싱크가 열의 '전도'에 의존해 열을 식힌 것과 달리 히트파이프는 열의 '전도'와 '대류'를 둘 다 활용한다. 히트 파이프의 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.
2.3. 재질
방열판과 히트파이프는 보통 알루미늄, 구리로 만드는데 구리 쪽의 열 전도성이 87% 더 높다. (알루미늄: 205W/m·k, 구리: 385W/m·k) 돈지랄을 거하게 할 작정이라면 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 히트 파이프는 열의 전도 효과보다는 대류 효과를 적극적으로 이용하는 열 전달기이기 때문에 구리와 은의 열 전도율 차이에 따른 성능 차이는 더욱 줄어든다.
3. 기타
일반적으로 완성된 제품은 직선형으로 길게 판매되며, 이를 보통 꺾어서 사용한다. 한편, 히트파이프에 각도를 주기 위해 꺾어서 변형시키는 순간 히트파이프의 효율이 급감하는 문제가 있으며, 이 과정에서 그루브형 > 메쉬형 > 파우더형 순으로 성능 감소가 큰 편이다.
과거에는 보기 힘들었으나 제조공정 발전으로 단가가 낮아지면서 전자기기의 쿨링에 자주 보이기 시작했다. 컴퓨터용 쿨러에 적극적으로 채용되면서 제한된 공간 내에서 높은 발열해소 성능을 갖춰야 하는 노트북, 혹은 고성능의 공랭 CPU 쿨러, VGA 쿨러등으로 흔히 볼 수 있게 되었다.
그래픽카드는 따로 오버클럭을 거치지 않은 순정임에도 방열판과 팬만으로는 열을 감당할 수 없어 히트 파이프를 넣는 물건이 거의 대부분이고, 사제 쿨러는 3만원대만 넘어도 거의가 방열판 + 히트 파이프 + 팬의 구조다.
[1] 위 사진에서 우측에 여러 장의 판으로 이루어진 부분은 방열판이고, 방열판들의 중심을 꿰뚫고 열원까지 이어진 원통형 금속관이 히트 파이프다.[2] 마요네즈통 뚜껑마냥 가장자리에만 요철이 있는 모양을 생각하면 된다.[3] 보다 세부적으로 펠트 방식과 스크린 방식으로 나뉜다.[4] 일반적으로 성능은 파우더 > 메쉬 > 그루브 방식 순이며 제조 단가 역시 파우더 > 메쉬 > 그루브 식이다. 히트파이프를 꺽었을 때 성능감소가 가장 심한 순서도 파우더 > 메쉬 > 그루브 식으로 대체로 파우더 식이 가장 좋은 효율을 나타낸다. 물론 이는 일반론적인 것으로 회사의 제조 능력에 따라 그루브 보다 못한 파우더 제품이 있기도 한다. [5] 냉매의 양은 '''극미량'''이다. 800리터급 양문형 냉장고에 냉매가 많아봐야 30g 들어가며, 스마트폰이나 그래픽카드같은 소형 제품에 들어간 히트파이프의 경우엔 액체가 얼추 반 방울에서 두 방울 정도 들어간다고 보면 될 정도로 적다.