히트파이프(heat pipe) 설계 체계-2 

윅 구조의 선정 열 이송인자를 크게 하려면 윅의 투과도가 클 것이 요구되는 한편, 모세 관력을 크게 유발하기 위해서는 모세관 반경이 작을수록 유리한데, 일반적으로 단순 윅을 사용하는 경우에는 해결책을 찾기가 어려울 때가 많다. 윅의 형태로 스크린 윅 또는 그루브 윅을 사용할 지를 결정하여야 한다. 윅 구조의 선택에는 공식화된 법칙이 없으므로 몇 가지 윅 구조가 요구특성을 만족한다면 그중에서 가장 간단한 윅을 선택하는 것이 좋다. 이때 특정 재료의 가격이나 공급 가능성 등도 고려하여야 한다. 스크린 윅의 경우라면 Wrapped Screen Wick 과 Composite Screen Wick이 보통 대상이 될 것이다. 설계를 위해서는 몇 가지 가능한 선택의 여지를 놓고 성능을 비교하여 선택해야 할 것이다. 큰 열전달 용량을 필요할 때는 Slab, Artery Wick 등과 같은 복잡한 구조의 윅을 고려한다. 윅의 성질로서 pore radius, porosity, permeability 등은 문헌에 제시된 공식을 사용할 수 있다. 윅 및 벽 재료의 선정재료를 선정할 때에는 공존성은 물론, 무게 및 인장강도, 열전도도를 고려한다. 이중 공존성의 자료는 다분히 경험적으로 축적된 자료에 의해 판단하여야 한다. 특히 단기 작동 중에는 발견되지 않는 현상이 장기 작동 중에 발생할 수 있으며, 작동온도 범위에 따라 문제가 발생할 수도 또는 억제될 수도 있음을 고려하여야 한다. 어떤 경우라도 공존성의 문제 가능성이 있는 작동유체와 고체재료와의 조합은 사용하지 않는 것이 좋다. 

히트파이프의 작동한계 

윜(wick)의종류 

  히트파이프의 내부에는 일반적으로 모세관 구조물이 내벽에 설치 되어 있어서 모세압력에 의해 응축부 액체상태의 작동유체를 증발부로 보내주는 구조이다.  여기서 모세관 구조물을 윜(Wick)이라 하는데 대량의 열을 이송하는 경우에는 윜이 없이 중력에 의하여 증발부로 귀환하도록 하는 윜 없는 히트파이프(thermosyphon)가 사용되고 있다.윜의 구조는 금속망(felt)   금속분말 소결체(sintered metal)   그루브(groove)   써모싸이폰(thermosyphon)

탄소 나노튜브 특징 

★ 나노(nano)란 10억분의 1m머리카락 굵기의 10만분의 1정도이며 연기(smoke)입자 1/1000 크기이다. 기본 특성  관경  20-40nm  비교면적  >230㎡/g  길이  10-20㎛  저항율  <10-4Ω-cm(이론상)  순도  >95wt%(미정제)  전도율  2800w/mk(구리400w/mk)  외관  흑색 분말  고정거리  약0.34nm 전도율: 구리의 최소3배에서 최대15배의 성능을 가지고 있다.

히트파이프(heat pipe) 설계 체계-1 

■문제의 설정(Problem specification)·설계 변수중 열부하와 작동온도 결정·열원과 열침의 크기와 위치 및 형태 결정 : 경계조건 설정·중력장 또는 무중력상태에서 작동할 것인가 결정   ■작동유체의 선정작동유체는 용기의 재질과 공존성의 문제가 없을 것이 우선이며, 융해점, 비등점 그리고 임계점 등을 고려하여 작동온도가 액체의 용해 점 이상 비등점 이하에 들도록 한다. 보다 효과적인 히트파이프의 성능을 위해서는 작동유체의 Figure of Merit를 고려해야 한다. 일반적으로 작동유체는 밀도, 표면장력, 증발잠열 등이 클수록, 그리고 액체의 점도가 작을수록 유리하다. 한편, 작동유체의 증기압은 용기의 설계 시 중요한 자료가 되며, 구조적 강도를 고려하여 벽의 두께를 결정하거나, 용접 또는 밀봉기술을 선정할 때 고려하여야 한다. 히트파이프의 정상 작동 시 작동유체는 작동 온도에 해당하는 포화압력에 가까운 상태에 있다고 할 수 있다. 그러나 국부적인 과열 또는 드라이 아웃 등이 발생하면 작동 압력은 이보다 더 높아질 것이므로 실제 설계에서는 적절한 범위의 안전계수를 고려해야 한다.

저온용 히트파이프 작동유체의 적용 온도범위  

히트파이프의 열 수송 한계와 작동유체 주입량 

1. 히트파이프의 열 수송 한계 한계 열 유속에 영향을 끼치는 인자는 작동유체의 물성치와 파이프의 직경이다. 히트파이프를 직립에서 사용할 경우 윜이 없는 써모싸이폰식이 사용 된다. 히트파이프 가열부를 하부에 위치 시키면 열 유속이 윜식 파이프보다 10-100배 증가한다. 모세관식은 비등 기포에 의한 윜내의 작동유 진입이 어려워 비등 한계를 일으키지만 써모싸이폰식은 비등을 유용하게 이용 할 수 있고 응축부 에서도 윜이 없어 열 저항이 매우 적은 장점이 있다.   2.작동유체 주입량과 열 수송량의 관계 최소의 작동유 주입량은 증발부와 응축부의 내 표면적을 적실 수 있는 정도다. 열 수송량이 증가하면 주입량이 많아져야 하는데  지나치게 많은 양의 작동유체를 주입하면 열 저항이 커진다. 너무 적게 주입하면 드라이 현상이 발생되고  온도가 급격히 상승하면서 히트파이프의 파손 원인이 된다. 최대 열 수송량 에서 보면 주입량이 적으면 열수송 한계가 작아지고 너무 많이 주입하면 유효 응축 면적을 잠식 할 뿐만 아니라 소음을 수반하는 진동 현상이 나타나게 되고 파손의 원인이 된다. 따라서 증발부와 응축부의 길이비에 맞는 적정량의 주입이 필요 하다. 작동유체의 주입량에 영향을 끼치는 인자는 작동유체의 물성치와 증발부의 길이, 단열부 길이, 응축부 길이 그리고 파이프의 직경이다.

히트파이프(heat pipe) 진공 

진공 진공시스템은 보통작동압력에 의해 분류된다. 가장 널리 사용되는 분류방법중의 하나는 다음과 같다. 구분(CLASSIFICATION) 압 력 (PRESS RANGE) 범위 저진공(LOW VACUUM) 760 Torr ∼1 Torr 100kPa ∼ 100Pa 중진공(MID VACUUM) 1 Torr ∼ 10-3 Torr 100Pa ∼ 0.1Pa 고진공(HIGH VACUUM) 10-3 Torr ∼ 10-7 Torr 0.1Pa ∼ 10μPa 초고진공 (EXTRA HIGH VACUUM) 10-7 Torr ∼ 10-10 Torr 10μPa ~ 104μPa 극고진공 (EXTREMLY  HIGH VACUUM) 10-10 Torr ∼ (Less) 104μPa ∼ (Less)   진공도는 압력을 나타내며 대기압은 760mmHg로서 수은주 760mm 높이에서 누르고 있는 힘이라 할 수 있다. 수은주 760mm의 높이를 1mm로 하였을때의 압력은 1mmHg 또는 1Torr라고 하며 자주 사용되는 압력을 비교하면 다음과 같으며, Torr와 milltorr가 더욱 일반적으로 사용되고 있다     진공도의 안전계수 진공도(Torr) 안전계수 760 ~ 100 1.0 100 ~ 10 1.25 10 ~ 0.5 1.5 0.5 ~ 0.05 2.0 0.05 ~ 0.01 4.0