히트 파이프 기술

히트 파이프는 2상 시스템의 가장 일반적인 수동, 모세관 구동이다. 2상 열 전달은 작동 유체의 액체 증기 상 변화(끓는/증발 및 응축)를 포함합니다. Boyd Corporation은 1970년부터 패시브 2상 열전달 장치의 설계, 개발 및 제조를 전문으로 하고 있습니다.

히트 파이프는 매우 효과적이고 높은 열전도성을 갖고 있습니다. 알루미늄, 구리, 그래파이트, 다이아몬드 등의 고체 도체의 열전도 범위가 250 W/m•K ~ 1,500 W/m•K인 반면, 히트 파이프의 유효 열전도 범위는 5,000 W/m•K ~ 200,000 W/m•K입니다. 히트 파이프는 열원(증발기)으로부터 히트 싱크(응축기/냉각기)까지 작동 유체의 증발 잠열(기화열)을 통해 비교적 먼 거리에 걸쳐 열을 전달합니다. 일반적으로 히트 파이프는 증발기 부분(입열/열원), 단열(또는 전열) 부분, 그리고 응축/냉각기 부분(출열/씽크) 등 3개 부분으로 이루어집니다.

히트 파이프의 세 가지 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 밀폐된 진공 상태의 밀폐막 또는 용기
• 작동 유체
• 모세관 심지 구조

이 요소들이 함께 작용되어 더 효율적으로 균등하게 열을 전달합니다. 심지 구조는 히트 파이프 셸의 내부 면에 막을 형성하며 작동 유체로 포화 상태가 됩니다. 이 심지는 응축기(출열부/싱크)로부터 증발기(입열부/열원)로 돌아오는 액체에 대하여 모세관 작용을 일으키는 구조를 제공합니다. 히트 파이프는 진공 상태를 포함하고 있기 때문에 작동 유체가 대기압 상태에서 자신의 비등점보다 훨씬 낮은 온도에서 비등하여 잠열을 빼내게 됩니다. 예를 들어 물은 273° K(0°C)를 넘자마다 비등하여 잠열을 전달하기 시작합니다.

히트 파이프는 다양한 재료로 구성 할 수 있습니다. Boyd는 알루미늄, 구리, 티타늄, 모넬, 스테인리스 스틸, 인코넬 및 텅스텐에서 열 파이프를 건설했습니다. 전자 냉각 응용 분야에서 가장 일반적인 것은 구리입니다. 히트 파이프 봉쇄 재료의 선택은 주로 작동 유체와의 호환성에 따라 달라집니다.

Boyd는 27가지 이상의 작업 유체를 사용하여 히트 파이프를 설계, 개발 및 제조했습니다. 선택한 히트 파이프 작동 유체는 응용 프로그램의 작동 온도 범위에 따라 달라집니다. 작동 유체는 매우 낮은 온도 응용 프로그램 (-271 °C)에 대한 액체 헬륨에서 매우 높은 온도에 대한 은 (>2,000 °C)에 이르기까지 다양합니다. 가장 일반적인 열파이프 작동 유체는 1°C에서 325°C까지 작동 온도 범위에 대한 물입니다. 저온 열 파이프는 암모니아 및 질소와 같은 유체를 사용합니다. 고온 열 파이프는 세슘, 칼륨, NaK 및 나트륨 (873-1,473 ° K)을 사용합니다.

히트 파이프 심지 구조란 모세관을 이용하여 작동 유체를 응축/냉각기로부터 증발기 부분으로 돌려보내는 구조물을 말합니다. 히트 파이프 심지 구조는 다양한 소재와 방법으로 제작됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 히트 파이프 심지 구조에는 히트 파이프 안쪽 용기 벽의 동축 홈, 스크린/와이어, "분말 소결 금속"(sintered powder metal) 등이 있습니다. 이외의 첨단 히트 파이프 심지 구조에는 동맥관(arteries), 이중 분산 소결 분말(bi-dispersed sintered powder), 합성 심지 구조 등이 있습니다.

Boyd는 모든 일반적인 심지 구조와 고급 심지 구조를 제조합니다. 그러나 Boyd는 히트 파이프가 가장 높은 열 플럭스 기능, 가장 큰 정도의 중력 방향 무감각 및 동결/해동 허용 오차를 제공할 수 있는 "소결 분말 금속" 심지 구조를 전문으로 합니다.

내장형 히트 파이프 설계는 설계 변경을 최소화하면서 기존 히트 싱크의 성능을 50%까지 높여줍니다.

증기 챔버 방열판은 확산 저항을 완화하고 방열판의 베이스로 사용할 때 기존의 고체 방열판보다 더 높은 열 플럭스를 받아들입니다.

히트 파이프 타워 기술은 심지 구조와 수직형 냉각 핀을 활용하여 최소의 점유 면적으로 최대의 열 방산 효과를 제공합니다.

분리형 히트 파이프의 경우에는 액체와 기체 라인에 심 구조물이 없습니다. 이 히트 파이프는 열원으로부터 응축기까지의 거리로 인해 일반적인 히트 파이프를 사용할 수 없는 경우, 또는 중력의 힘이 크거나 충격 및 진동 절연 요구 수준이 높은 경우에 이상적입니다.

축 방향 홈 히트 파이프는 암모니아와 프로필렌 같은 유체를 사용하는 저온용 히트 파이프로서 위성 열 제어의 경우처럼 먼 거리에 걸쳐 열을 확산해야 하는 경우에 사용됩니다.

등온성 가열로 라이너(IFL)는 열전대 보정 및 반도체 결정 성장 등과 같이 균일한 온도 또는 등온 온도를 유지해야 하는 경우에 사용됩니다.