2-5. 히트파이프(Heat Pipe)의 구조와 원리에 대하여 설명하시오.

히트파이프(Heat Pipe)는 매우 높은 열전도율을 이용하여 열을 효과적으로 전달하는 장치입니다. 고체 금속보다 수백 배에서 수천 배 뛰어난 열 전달 성능을 가집니다. 밀봉된 관 내부에서 작동 유체의 증발 및 응축 상변화를 반복하며 열을 이동시키는 원리를 이용합니다.

1. 히트파이프의 구조

일반적인 히트파이프는 다음 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

1. 밀봉된 관 (Sealed Container or Envelope): 열을 전달하고 작동 유체를 내부에 가두는 외부 튜브입니다. 주로 구리, 알루미늄, 스테인리스강 등 열전도성이 좋고 내부 압력을 견딜 수 있는 금속 재질로 만들어집니다. 관 내부는 작동 유체를 주입하기 전에 불응축성 가스를 제거하기 위해 진공 상태로 만들어집니다.
2. 작동 유체 (Working Fluid): 히트파이프 내부에서 증발과 응축을 통해 열을 전달하는 핵심 물질입니다. 전달하고자 하는 온도 범위에 따라 적절한 작동 유체가 선택됩니다.
   • 저온 (~ -50°C 이하): 암모니아, 질소 등
   • 상온 및 중온 (-50°C ~ 250°C): 물, 메탄올, 에탄올, 냉매(R134a, R404A 등)
   • 고온 (250°C 이상): 나트륨, 칼륨 등 액체 금속
3. 심지 구조 (Wick Structure): 관의 내벽을 따라 설치된 다공성 구조체입니다. 금속 메시(mesh), 소결 금속 분말(sintered powder), 홈(grooves) 등 다양한 형태로 만들어집니다. 심지 구조의 역할은 응축된 작동 유체를 모세관 현상(Capillary Action)을 이용하여 열이 가해지는 증발부로 되돌리는 것입니다. 이 심지 구조 덕분에 히트파이프는 중력 방향에 관계없이 열을 전달할 수 있습니다 (단, 중력을 이용하는 싸이펀 방식의 히트파이프는 심지 구조가 없거나 최소화됩니다).

히트파이프의 길이는 일반적으로 증발부(Evaporator Section), 단열부(Adiabatic Section), **응축부(Condenser Section)**의 세 부분으로 나뉩니다.

• 증발부: 열을 흡수하는 부분입니다.
• 응축부: 흡수한 열을 방출하는 부분입니다.
• 단열부: 증발부와 응축부 사이의 중간 부분으로, 이론적으로는 열 출입이 없는 부분입니다.

2. 히트파이프의 원리

히트파이프의 열 전달 원리는 다음과 같은 순환 과정으로 이루어집니다.

1. 증발 (Evaporation): 히트파이프의 한쪽 끝인 증발부에 외부로부터 열이 가해지면, 심지 구조에 스며들어 있던 작동 유체가 이 열을 흡수하여 증기(Vapor)로 변합니다. 이 과정에서 작동 유체는 많은 양의 **잠열(Latent Heat)**을 흡수합니다.
2. 증기 이동 (Vapor Transport): 증발부에서 발생한 고온/고압의 증기는 밀봉된 관의 내부 공간(증기 통로)을 통해 압력이 낮은 응축부로 빠르게 이동합니다. 이 증기의 흐름은 증발부와 응축부 사이의 온도 차이(압력 차이)에 의해 발생합니다.
3. 응축 (Condensation): 응축부에 도달한 증기는 응축부 외벽을 통해 외부로 열을 방출하고 다시 액체 상태로 응축됩니다. 이때 증발 과정에서 흡수했던 잠열을 그대로 방출합니다.
4. 액체 환류 (Liquid Return): 응축되어 액체가 된 작동 유체는 심지 구조의 미세한 통로를 따라 모세관 현상에 의해 중력을 거슬러 증발부로 되돌아갑니다. 심지 구조의 모세관 압력이 액체에 작용하여 증발부까지 이동시키는 힘을 제공합니다. (중력을 이용하는 싸이펀 방식은 응축부가 증발부보다 아래에 위치하여 중력으로 환류됩니다.)

이러한 증발, 증기 이동, 응축, 액체 환류 과정이 히트파이프 내에서 지속적으로 반복되면서, 증발부에서 흡수한 열이 응축부로 매우 효율적으로 전달됩니다. 작동 유체의 상변화(증발/응축) 과정은 등온에 가깝게 일어나므로, 히트파이프는 양 끝단에 온도 차이가 있더라도 관 전체의 온도를 비교적 균일하게 유지하는 특성(등온성)을 가집니다.

 

요약하자면, 히트파이프는 밀봉된 관 내부의 작동 유체가 증발부에서 열을 흡수하여 증발하고, 증기 상태로 이동하여 응축부에서 열을 방출하며 응축된 후, 심지 구조의 모세관 현상에 의해 다시 증발부로 돌아오는 사이클을 통해 막대한 양의 열을 효과적으로 이동시키는 수동적인 열 전달 장치입니다.