히트 파이프 리뷰: 유형 및 응용 분야

본 논문 소개는 ['International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT)']에서 발행한 ['A Review of Heat Pipes: its Types and Applications'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

제목: 히트 파이프 리뷰: 유형 및 응용 분야
저자: Mr. Chetan Sharma, Mr. Sumeet Sharma, Dr. Dasaroju Gangacharyulu
발행 연도: 2019년 3월
발행 저널/학술 학회: International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT)
키워드: 열 파이프; 써모사이펀; 나노 입자; 열 저항; 열 성능.

2. 초록 또는 서론

히트 파이프는 뛰어난 열 전달 및 열 추출 능력으로 인해 "열의 초전도체"라고도 불리며, 탁월한 열 전달 장치로 인정받고 있습니다. 히트 파이프의 성능은 중력 및 모세관력에 의해 크게 영향을 받으며, 기울기 각도에 따라 이 두 힘의 합력이 달라지므로 성능 또한 변하게 됩니다. 본 연구는 써모사이펀의 작동 원리 및 중력의 영향에 대한 설명을 제공합니다. 또한, 마이크로 열 파이프(M.H.P.), 루프 열 파이프(L.H.P.), 가변 컨덕턴스 열 파이프(V.C.H.P.) 등 다양한 유형의 열 파이프에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 작동 유체에 나노 입자를 첨가하여 열 저항을 줄이고 열 성능을 향상시키는 방법 또한 논의합니다.

열 관리의 발전은 현대 전자 제품에서 매우 중요합니다. 열 파이프는 전자 장비의 방열 문제를 해결하는 효과적인 솔루션을 제공합니다. 1936년 Jacob Perkins에 의해 발명되었고, 1945년 Richard Gaugler가 최초의 모세관 구동 열 파이프를 특허를 냈으며, 1963년 George Grover에 의해 재발견된 열 파이프는 최소한의 열 손실로 열을 처리하는 데 매우 효율적입니다. 열 파이프는 내부 벽에 윅(wick)이 라이닝된 밀폐 용기로 구성되며, 일반적으로 증발기, 단열부, 응축기의 세 부분으로 나뉩니다.

작동 시 증발기에 열이 가해지면 작동 유체가 증발하여 압력 차이로 인해 응축기로 이동하고, 여기서 잠열을 방출합니다. 응축액은 윅을 통해 모세관 작용에 의해 증발기로 되돌아갑니다. 써모사이펀과 유사하지만, 열 파이프는 응축액의 복귀를 용이하게 하는 윅을 사용한다는 점에서 독특합니다. 주요 구성 요소로는 용기 재료, 작동 유체, 윅 재료가 있습니다. 열 파이프는 다이캐스팅 및 사출 성형, 우주 시스템(인공위성 등온화), 태양열 온수기, 제설 및 제빙, 전자 부품 냉각, 내연 기관 등 다양한 분야에 응용됩니다. 그림 1.1은 열 파이프의 개략도를 보여줍니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

전자 장치의 열 발생량 증가로 인해 작동 효율성을 유지하고 시스템 고장을 방지하기 위한 효과적인 방열 솔루션이 필요합니다. 기존의 열 관리 방법은 현대의 고밀도 전자 제품에는 종종 불충분하며, 첨단 열 관리 기술의 필요성을 야기합니다. 열 파이프는 높은 열전도율과 수동 작동으로 인해 이러한 문제를 해결할 수 있는 유망한 기술로 부상하고 있습니다.

기존 연구 현황:

열 파이프의 개념은 20세기 중반으로 거슬러 올라가며, 초기 발명과 재발견을 포함한 중요한 이정표는 효율적인 열 전달을 위한 잠재력을 강조했습니다. 기존 연구에서는 다양한 설계, 작동 유체 및 응용 분야를 포함하여 열 파이프 기술의 다양한 측면을 탐구했습니다. 이전 연구에서는 기울기 각도 및 충진율과 같은 다양한 조건에서 써모사이펀 및 열 파이프의 성능을 조사했습니다 [2]. 또한, 나노 기술, 특히 나노 유체를 열 파이프에 통합하여 열 성능을 향상시키는 연구가 최근 연구의 초점이었습니다 [3, 5, 8, 15, 16]. 우주 기술에서 전자 냉각 및 신재생 에너지 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서의 응용이 활발히 탐구되었습니다 [7, 9, 10].

연구의 필요성:

본 리뷰는 열 파이프 기술에 대한 현재의 이해, 특히 최근의 발전과 설계 및 응용 분야의 변화에 대한 이해를 공고히 하기 위해 필수적입니다. 열 관리 요구 사항의 지속적인 발전과 열 파이프 성능 향상에 대한 지속적인 연구를 고려할 때, 포괄적인 리뷰는 전문가와 연구자에게 해당 분야에 대한 최신 개요를 제공하는 데 필요합니다. 본 리뷰에서는 작동 원리, 다양한 유형, 나노 유체가 열 파이프 성능에 미치는 영향 등을 다루어 열 공학의 학문적 및 실제적 응용 모두에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 리뷰 논문의 주요 목적은 열 파이프 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공하는 것입니다. 여기에는 기본적인 작동 원리 상세 설명, 사용 가능한 다양한 유형의 열 파이프 분류 및 설명, 다양한 산업 분야에 걸친 다양한 응용 분야 탐구가 포함됩니다. 특히 나노 입자를 작동 유체에 통합하여 열 파이프의 열 성능을 향상시키는 효과를 검토하는 데 중점을 둡니다.

핵심 연구:

본 리뷰 논문은 열 파이프 기술 내에서 다음과 같은 주요 연구 영역을 다룹니다.

써모사이펀 작동 및 중력 효과: 써모사이펀의 작동 원리와 중력이 성능에 미치는 영향 분석.
열 파이프 유형 분류: 마이크로 열 파이프(M.H.P.), 루프 열 파이프(L.H.P.), 가변 컨덕턴스 열 파이프(V.C.H.P.), 맥동 열 파이프(P.H.P.) 등 다양한 열 파이프 유형에 대한 상세 논의.
나노 유체 성능 향상: 나노 입자를 작동 유체에 첨가하는 것이 열 저항 및 전체 열 성능에 미치는 영향 조사.
열 파이프 응용 분야: 다이캐스팅, 사출 성형, 우주 응용 분야, 전자 냉각, 신재생 에너지 시스템 등 다양한 응용 분야 검토.

연구 가설:

본 연구는 리뷰 논문이므로 전통적인 의미에서 명시적인 연구 가설을 설정하지 않습니다. 그러나 다음과 같은 전제하에 암묵적으로 작동합니다.

열 파이프는 고유한 설계 및 작동 원리로 인해 매우 효과적인 열 전달 장치입니다.
나노 입자를 작동 유체에 통합하면 열 저항을 줄이고 열 전달 계수를 향상시켜 열 파이프의 열 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
다양한 유형의 열 파이프는 특정 응용 분야 요구 사항 및 작동 조건을 해결하도록 설계되어 열 관리 솔루션에서 다용도성을 제공합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 문헌 검토 설계를 채택합니다. 기존 학술 논문 및 연구 논문의 결과를 체계적으로 검토하고 종합하여 열 파이프 기술에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다.

자료 수집 방법:

본 리뷰의 자료는 열 전달 및 열 파이프 기술 분야의 출판된 연구 논문에 대한 광범위한 검색 및 검토를 통해 수집되었습니다. 저자들은 관련 자료 및 연구 결과를 수집하기 위해 다양한 저널 및 학술 대회 발표 자료에서 정보를 수집했습니다.

분석 방법:

사용된 분석 방법은 질적 종합입니다. 저자들은 선정된 논문의 결과를 비판적으로 검토하고 요약하여 유형, 작동 원리, 성능 향상 기술(예: 나노 유체), 응용 분야 등 열 파이프 기술의 다양한 측면에 따라 정보를 분류했습니다. 분석은 추세, 공통 연구 결과 및 보고된 연구의 변화를 식별하여 현재 지식 상태에 대한 응집력 있는 개요를 제시하는 데 중점을 둡니다.

연구 대상 및 범위:

연구 대상은 열 파이프 및 관련 기술(써모사이펀 및 열 파이프의 나노 유체 포함)입니다. 리뷰 범위는 다음을 포함합니다.

열 파이프 유형: 마이크로 열 파이프(M.H.P.), 루프 열 파이프(L.H.P.), 가변 컨덕턴스 열 파이프(V.C.H.P.), 써모사이펀, 맥동 열 파이프(P.H.P.).
작동 유체: 기존 유체 및 나노 유체 포함.
성능 매개변수: 열 저항, 열 전달 계수, 열 효율, 작동 한계.
응용 분야: 다이캐스팅, 사출 성형, 우주 응용 분야, 전자 냉각, 태양열 온수기 및 기타 관련 산업 및 기술적 용도.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

검토된 문헌은 열 파이프 기술에 대한 몇 가지 주요 연구 결과를 강조합니다.

맥동 열 파이프를 사용한 핀 효율 향상: Nuntaphan 외 연구진 [1]은 강제 대류 하에서 열교환기에서 솔리드 와이어 핀을 맥동 열 파이프로 교체하면 열 전달 효율이 10% 증가하고 핀 효율이 5% 이상 증가하는 것을 입증했습니다.
써모사이펀의 기울기 각도 및 충진율의 영향: Noie 외 연구진 [2]은 2상 밀폐형 써모사이펀에서 응축 열 전달 계수와 열 전달률이 충진율이 높을수록 증가한다는 것을 발견했습니다. 최적 성능은 기울기 각도에 따라 달라졌으며, 최대 열 전달은 22% 및 30% 충진율의 경우 30° 기울기, 15% 충진율의 경우 45°에서 나타났습니다.
알루미나 나노 유체를 사용한 열 효율 향상: Teng 외 연구진 [3]은 기본 유체에 비해 1% 농도의 알루미나 나노 유체를 사용한 열 파이프의 열 효율이 16.8% 향상되었다고 보고했습니다.
구리-물 열 파이프의 성능: Idrus 외 연구진 [4]은 70-80W의 열 입력 및 30°~60°의 기울기 각도에서 직경 10mm 구리-물 열 파이프에서 우수한 열 성능을 관찰했습니다.
은 나노 유체를 사용한 열 저항 감소: Kang 외 연구진 [5]은 열 파이프에서 은 나노 입자의 농도와 입자 크기를 증가시키면 열 저항이 감소한다는 것을 보여주었습니다. 은 나노 유체를 사용한 열 파이프 벽 온도 증가는 다양한 열 부하에서 순수한 물을 채운 열 파이프에 비해 덜 두드러졌습니다.
루프 열 파이프의 장점: Jose 외 연구진 [7]은 루프 열 파이프의 높은 효율, 소형 크기, 높은 열 유속 용량, 장거리 에너지 전달, 넓은 작동 환경 범위 및 낮은 엔트레인먼트 가능성을 강조하며, 열전 발전기 및 전자 냉각과 같은 응용 분야에 적합하다고 언급했습니다.
써모사이펀에서 산화철 나노 유체를 사용한 열 전달 향상: Huminic 외 연구진 [8]은 써모사이펀에서 산화철 나노 유체를 사용하면 DI-물에 비해 열 전달률이 크게 증가한다는 것을 발견했습니다. 2% 및 5.3% 농도의 산화철 나노 입자는 열 전달률을 각각 19% 및 22.2% 증가시키면서 열 저항도 감소시켰습니다.
맥동 열 파이프 특성: Han 외 연구진 [9]과 Hudakorn 외 연구진 [11]은 맥동 열 파이프(PHP)가 단순한 구조, 저렴한 비용, 우수한 열 전달 및 유연성을 갖는다고 강조했습니다. Hudakorn 외 연구진 [11]은 PHP의 수평 방향이 증발기 건조를 유발할 수 있는 반면, 수직 방향은 침수를 유발할 수 있다고 밝혔습니다.
써모사이펀 작동에 대한 기울기 각도의 영향: Grooten 외 연구진 [12]은 R-134a 작동 유체를 사용하는 써모사이펀이 83° 기울기 각도에서 최적으로 작동한다고 결정했습니다. 작동 제한 열 유속은 포화 온도가 증가하고 기울기 각도가 감소함에 따라 감소합니다.
개방 루프 맥동 열 파이프에서 물-구리 나노 유체: Riehl 외 연구진 [13]은 순수한 물에 비해 물-구리 나노 유체를 사용하는 개방 루프 맥동 열 파이프에서 작동 개선 및 더 높은 열 컨덕턴스를 관찰했습니다.
열 파이프에서 n-펜탄올 수용액의 성능: Senthilkumar 외 연구진 [14]은 물에 비해 n-펜탄올 수용액을 사용하는 열 파이프의 성능이 우수함을 입증했으며, 이는 온도에 대한 표면 장력의 양의 기울기에 기인하며, 높은 열 부하 응용 분야에 적합합니다.
소결 윅 열 파이프에서 산화알루미늄 나노 유체: Moraveji 외 연구진 [15]은 소결 윅 구리 열 파이프에서 산화알루미늄 나노 유체를 조사하여 순수한 물에 비해 나노 유체를 사용했을 때 벽 온도와 열 저항이 감소하는 것을 보여주었습니다.
알루미나 나노 유체를 사용한 스크린 메쉬 열 파이프의 성능: Ghanbarpour 외 연구진 [16]은 5% 농도의 알루미나 나노 유체가 가변 열 입력에서 스크린 메쉬 열 파이프 성능을 향상시켰지만, 10% 농도는 성능 저하를 초래한다는 것을 발견했습니다.

제시된 데이터 분석:

검토된 데이터는 열 파이프가 매우 효과적인 열 전달 장치이며, 나노 유체를 통합하여 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 일관되게 나타냅니다. 알루미나, 은, 산화철, 산화구리와 같은 나노 입자는 작동 유체에 첨가될 때 일반적으로 열 저항을 감소시키고 열 전달 특성을 향상시킵니다. 그러나 나노 유체의 최적 농도 및 기울기 각도와 충진율과 같은 작동 조건은 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 루프 열 파이프 및 맥동 열 파이프와 같은 다양한 유형의 열 파이프는 다양한 응용 분야에 특정 장점을 제공하며, 열 관리에서 열 파이프 기술의 다용도성을 강조합니다.

그림 목록:

그림 1.1 열 파이프의 개략도

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 리뷰는 열 파이프가 뛰어난 열전도율로 인해 방열 문제를 해결하는 데 매우 효과적인 장치라는 결론을 내립니다. 열 파이프의 열 성능은 작동 유체에 나노 입자를 첨가함으로써 입증 가능하게 향상되며, 이는 열 저항을 감소시키고 열 전달을 향상시킵니다. 열 파이프의 소형화 기능은 제한된 부피 제약이 있는 응용 분야에 특히 적합하게 만들어 널리 사용되는 방열 기술로서의 입지를 굳건히 합니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 최근 연구 결과를 종합하여 열 파이프 기술에 대한 통합적이고 최신 리뷰를 제공합니다. 열 전달 및 열 관리에 관심 있는 연구원 및 엔지니어에게 포괄적인 자료를 제공함으로써 학문 분야에 기여합니다. 본 리뷰는 나노 유체 강화 열 파이프의 발전과 다양한 유형의 열 파이프를 강조하여 이 분야의 미래 연구 개발에 귀중한 참고 자료 역할을 합니다.

실용적 의미:

본 리뷰의 실용적 의미는 다양한 산업 분야의 엔지니어 및 설계자에게 중요합니다. 연구 결과는 다이캐스팅, 사출 성형, 전자 제품 냉각, 우주 기술과 같은 응용 분야에서 향상된 열 관리를 위해 열 파이프, 특히 나노 유체를 사용하는 것의 이점을 강조합니다. 본 리뷰는 다양한 유형의 성능 특성과 나노 유체 강화의 장점을 강조하여 열 파이프 기술의 선택 및 구현에 정보를 제공하여 보다 효율적이고 신뢰할 수 있는 열 관리 솔루션으로 이어집니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

문헌 검토로서 본 연구는 출판된 연구의 범위와 가용성에 의해 제한됩니다. 본 리뷰는 일반적인 개요를 제공하지만 인용된 모든 연구의 특정 세부 사항을 자세히 다루지는 않을 수 있습니다. 향후 연구는 다음 사항에 초점을 맞출 수 있습니다.

나노 유체 최적화: 열 파이프 성능과 장기 안정성을 극대화하기 위한 나노 입자의 최적 유형, 농도 및 분산 방법에 대한 추가 조사.
첨단 열 파이프 설계: 성능을 향상시키고 응용 분야를 확장하기 위한 새로운 열 파이프 설계 및 구성 탐구.
응용 분야별 연구: 특정 열 관리 문제를 해결하기 위해 설계를 최적화하기 위해 다이캐스팅 및 첨단 전자 제품과 같은 특정 산업 분야에서 열 파이프 응용에 대한 보다 표적화된 연구 수행.
장기 성능 및 신뢰성: 산업 응용 분야에서 실용적인 타당성을 보장하기 위해 다양한 작동 조건에서 나노 유체 강화 열 파이프의 장기 성능 및 신뢰성 조사.

8. 참고 문헌:

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9. 저작권:

본 자료는 "Mr. Chetan Sharma, Mr. Sumeet Sharma, Dr. Dasaroju Gangacharyulu"의 논문: "A Review of Heat Pipes: its Types and Applications"을 기반으로 합니다.
논문 출처: https://www.ijert.org/research/a-review-of-heat-pipes-its-types-and-applications-IJERTV8IS030025.pdf

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