An Experimental Study on the Temperature-Control Performance of a Variable Conductance Heat Pipe

기호설명

A: 단면적(m²)

k:

Q:

R

T:

하첨자

adia:

avg:

cond: 응축부 eff:

evp:

†한국항공대학교 공과대학 항공우주 및 기계공학부

E-mail : [email protected]

TEL : (02)300-0107 FAX : (02)3158-2191

* 한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원

1. 서 론

가변열전도성능 히트파이프(variable conductance 이하 로 표기함 는 열원이나 열침 heat pipe: VCHP )

조건에 상관없이 작동온도를 일정한 온도로 유지 하거나, 열수송량을 변화시키기 위한 목적으로

사용한다^(1-2). VCHP의 구조는 일반 히트파이프의

응축부 끝에 불응축가스를 저장하는 가스저장조 를 설치한 형태이다. 히트파이프의 작동유체가 상변화하며 순환하는 부분의 작동원리는 고정열 전도성능 히트파이프(constant conductance heat

이하 로 표기함 와 동일하다 는

pipe: CCHP ) . VCHP 열원이나 열침의 조건이 변화하더라도 응축부와 가스저장조 안에 존재하는 불응축가스가 히트파 이프 내부의 작동온도와 압력에 따라 수축 또는 팽창하므로, 작동유체가 상변화하여 순환경로를 이루는 히트파이프의 유효 작동길이 즉 응축부, 의 유효 전열면적이 변화되어 히트파이프의 작동 온도를 일정하게 유지하거나 작동온도의 변화를 최소화할 수 있다는 원리를 이용한다.

가변열전도성능 히트파이프(VCHP)의 온도제어 성능에 관한 실험

부준홍^†, 박철민^*

An Experimental Study on the Temperature-Control Performance of a Variable Conductance Heat Pipe

Joon Hong Boo and Cheol Min Park

가변열전도성능 히트파이프

Key Words: Variable Conductance Heat Pipe( ), Noncondensable Gas

불응축성 기체 작동온도 열저항

( ), Operating Temperature( ), Thermal Resistance( )

Abstract

A VCHP was fabricated and tested for its thermal performance. The container was made of copper, and the working fluid was water. STS-316 screen of mesh number 100 was inserted as a capillary structure. As a baseline performance, a normal heat pipe of the same dimensions was tested in advance to compare with VCHP, where an inert gas container was attached. The outer diameter of the heat pipe was 12.8 mm and the total length was 600 mm. The evaporator and the condenser lengths were both 200 mm. The thermal load ranged from 20 to 300W. Typical result revealed that the operating temperature of the VCHP stayed almost constant, while that of the normal heat pipe varied as much as 40 . Therefore, it was demonstrated that the VCHP is very effective for temperature control of heat- dissipating devices.

와 관련한 국내 연구로서 등 VCHP , Kang .⁽³⁾은 작동유체인 물의 빙점 이하에서 시동에 대한 실 험을 하였다. Suh 등.⁽⁴⁾은 작동유체량과 불응축가 스량을 변화시켜 가열량의 변화 등에 따른 실험 을 하였다 그러나 이들의 연구에서. VCHP의 온 도제어 특성이나 유효열전도도 성능이 분석되지 않았다.

본 연구에서는 동일한 조건에서 CCHP와 에 대한 실험결과를 비교함으로써 의

VCHP VCHP

온도제어 특성 및 유효열전도도 성능변화 특성을 정량적으로 제시하고자 하였다.

실험장치 및 실험방법 2.

본 연구에서 제작한 히트파이프 개략구조와 열 전대 위치를 Fig. 1에 나타내었으며 상세한 히트 파이프의 제원을 Table. 1에 나타내었다 히트파. 이프의 증발부, 단열부, 응축부의 길이는 각각 로 하였고 작동유체는 물 충전율

200 mm 5.9 cc(

를 주입하였다 응축부 끝단에 가스저장조

118%) .

를 설치하여 불응축가스로서 아르곤기체 0.21 g 을 주입하였다. 히트파이프의 온도를 측정하기 위해 19개의 열전대(AWG 28, K-type)를 부착하였 다 특히 응축부 유효작동길이의 변화를 측정하. , 기 위하여 응축부와 단열부의 구간에는 조밀하게 간격으로 개의 열전대를 부착하였다

20 mm 16 .

증발부에 전기저항식 히터를 부착하여 전압조절 기를 통한 일정한 열부하를 공급 할 수 있도록 하였으며 응축부에는 액체순환식 냉각기를 부착 하였다 히트파이프를 통한 실제 열이송량을 측.

정하기 위하여 냉각기의 입구(Tcool_in)와 출구

(Tcool_out)에서 냉각수 온도를 측정했고 용적식 유,

량계 측정오차( : full scale의 4%)를 사용하여 냉각

2 0

2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 1 0 9 0

2 0 8 0 8 0 2 0

g a s r e s e r v o i r

E.3 E . 2 E . 1 A . 6 A . 1

C . 1 0 C . 1 V a l v e

E v a p o r a t o r A d i a b a t i c s e c t i o n C o n d e n s e r

2 0 0 2 0 0

2 0 0

Fig. 1 Schematic of the VCHP in this study and

수의 유량을 10 GPH로 조절하였다. 항온조를 이용하여 냉각수의 공급 온도를 20℃로 일정하게 유지하도록 하였으며 히트파이프 전체를 세라믹 울로 견고하게 단열하였다 응축부에서 냉각기로. 측정한 열회수율은 100 W이상의 입력 열부하에 대해 최소 90% 이상이었다.

의 실험을 먼저 실시하였으며 수평자세와 CCHP

응축부 상향 5° 자세인 두 가지의 기울기에 대해 서 열부하를 20 W부터 300 W까지 20 W 간격으 로 증가시켜 30분 간격으로 데이터 값을 측정하 였다. VCHP의 실험 시에는 응축부의 끝단에 설 치된 가스저장조와 히트파이프 사이에 설치한 밸 브(Fig. 1 참조 를 개방하여 불응축가스가 히트파) 이프의 안쪽으로 출입할 수 있도록하고 CCHP와 동일한 조건과 절차로 실험을 진행하였다 단 안. , 전을 위해 증발부 외벽 최고온도가 170℃를 초과 하지 않는 범위에서만 실험을 진행하였다.

실험결과 및 분석 3.

의 실험결과 3.1 CCHP

수평자세와 응축부 상향 5° 자세인 두 가지의 작동기울기에 대해서 실험을 하였다 수평자세에. 서 시간에 대한 온도변화를 Fig. 2, 축 방향에 대 한 정상상태 온도분포는 Fig. 3에 나타내었다. 수평자세 실험의 경우 20 W부터 120 W까지 공 급 열부하에 대해 증발부의 온도가 35℃부터

까지 순차적인 상승을 보였으나 의

50℃ , 140 W

공급 열부하 이후로 드라이아웃(dry-out)의 경향을 보이며 증발부의 온도가 급격히 상승하였다.

Pipe O. D.(mm) 12.8 Pipe I.D.(mm) 10.8 Pipe length(mm) 600 Pipe material Copper Mesh material Stainless Steel 316,

Mesh No.100, 2 Layers Working fluid Water Gas reservoir (cm³) 118.8

Table 1 Dimensions/materials of heat pipe

응축부 상향 5° 자세에서 시간에 대한 온도변 화를 Fig. 4, 축 방향에 대한 정상상태 온도분포 는 Fig. 5에 나타냈다 응축부 상향. 5° 자세에서 의 실험에서는 20 W 부터 220 W까지 공급 열부 하에 대해 증발부의 온도가 35℃부터 60℃까지 순차적인 상승을 보였으나, 240 W의 공급 열부

0 50 100 150 200 250 300

20 40 60 80 100 120 140 160 180

200 W

180 W

160 W

140 W

120 W 100 W 60 W 80 W

20 W 40 W

C . 1 C . 2 C . 3 C . 4 C . 5 C . 6 C . 7 C . 8 C . 9 C . 10

A . 1 A . 2 A . 3 A . 4 A . 5 A . 6 E . 1 E . 2 E . 3 C o o l _ i n C o o l _ o u t

T em per at ur e, C

T i m e , m i n

Fig. 2 Temperature variation of CCHP against

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

20 40 60 80 100 120 140 160

180 2 0 W 4 0 W 6 0 W 8 0 W

1 0 0 W 1 2 0 W 1 4 0 W 1 6 0 W 1 8 0 W 2 0 0 W

T e mp erature , C

A x i a l P o s i t i o n , x / L

Fig. 3 Axial temperature distribution of CCHP as a

하 이후로 드라이아웃 경향을 보이며 증발부의 온도가 급격하게 상승하였다. 수평자세 실험은 응축부 상향 자세 실험은 의 열

140 W, 5° 260 W

부하에서 드라이아웃의 경향을 보이고 수평자세 실험은 200 W, 응축부 상향 5° 자세 실험은 280 에서 온도가 를 초과하여 실험을 중단하

W 170℃

0 100 200 300 400

20 40 60 80 100 120 140 160 180

280 W

260 W

240 W

220 W 200 W 180 W 160 W 140 W 120 W 100 W 60 W80 W 20 W40 W

C . 1 C . 2 C . 3 C . 4 C . 5 C . 6 C . 7 C . 8 C . 9 C . 10

A . 1 A . 2 A . 3 A . 4 A . 5 A . 6 E . 1 E . 2 E . 3 C o o l _ i n C o o l _ o u t

Tempera ture , C

T i m e , m i n

Fig. 4 Temperature variation of CCHP against

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

20 40 60 80 100 120 140 160

180 2 0 W 4 0 W 6 0 W 8 0 W

1 0 0 W 1 2 0 W 1 4 0 W 1 6 0 W 1 8 0 W 2 0 0 W 2 2 0 W 2 4 0 W 2 6 0 W 2 8 0 W

T e m p er a ture, C

A x i a l P o s i t i o n , x / L

Fig. 5 Axial temperature distribution of CCHP as a

였다 응축부 상향. 5° 자세에서는 드라이아웃의 경향이 수평자세에 비해 100 W만큼 증가한 열부 하 후에 나타났으나 드라이아웃의 경향을 보이고 증발부 외벽의 170℃를 초과하는 시간이 짧아진 것을 보였다.

의 실험결과 분석 3.2 VCHP

의 실험과 동일한 조건과 절차로 실험을 CCHP

진행하였다 수평자세에서 시간에 대한 온도변화. 를 Fig. 6, 축 방향에 대한 정상상태 온도분포를 에 나타내었고 응축부 상향 자세에서 시

Fig. 7 5°

간에 대한 온도변화를 Fig. 8, 축 방향에 대한 정 상상태 온도분포를 Fig. 9에 나타냈다. VCHP의 실험에서는 40 W 열부하 이후로는 공급 열부하 의 크기와 무관하게 증발부의 온도가 100℃정도, 단열부의 온도가 96℃ 정도로 거의 일정하게 유 지되는 알려진 VCHP의 작동특성과 동일한 경향 을 보였다.

과 를 비교해 보면 증발부와 단열 Fig. 7 Fig. 9 ,

부에서는 기울기에 무관하게 비슷한 경향을 보였 지만 증발부의 온도와 응축부 온도가 80℃ 가까 이 차이가 나타났으며 응축부의 축방향 온도분, 포는 작동자세와 공급 열부하에 대해 온도하강 구간이 점차 넓어지고 있다 공급 열부하의 증가.

0 100 200 300 400

20 40 60 80 100 120 140

300 W 280 W 260 W 240 W 220 W 200 W 180 W 160 W 140 W 120 W 100 W 60 W80 W 20 W40 W

C . 1 C . 2 C . 3 C . 4 C . 5 C . 6 C . 7 C . 8 C . 9 C . 1 0

A . 1 A . 2 A . 3 A . 4 A . 5 A . 6 E . 1 E . 2 E . 3 Cool_in Cool_out

T e mper at ur e, C

T i m e , m i n

Fig. 6 Temperature variation of VCHP against

가 작동유체의 전체압력을 상승시키고 상승된 압 력이 불응축가스를 응축부에서 가스저장조 쪽으 로 밀어내어 응축부의 유효길이 응축부 전열면적( ) 가 증가한 것으로 판단된다.

특이 사항으로 Fig. 2과 Fig. 4에서 나타난 드라 이아웃의 경향이 VCHP에서는 나타나지 않았으며

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

20 40 60 80 100 120

140 2 0 W 4 0 W 6 0 W 8 0 W 1 0 0 W

1 2 0 W 1 4 0 W 1 6 0 W 1 8 0 W 2 0 0 W 2 2 0 W 2 4 0 W 2 6 0 W 2 8 0 W 3 0 0 W

T e m pera tur e, C

A x i a l P o s i t i o n , x / L

Fig. 7 Axial temperature distribution of VCHP as a

0 100 200 300 400

20 40 60 80 100 120 140

300 W 280 W 260 W 240 W 220 W 200 W 180 W 160 W 140 W 120 W 100 W 60 W80 W 20 W40 W

C . 1 C . 2 C . 3 C . 4 C . 5 C . 6 C . 7 C . 8 C . 9 C . 1 0

A . 1 A . 2 A . 3 A . 4 A . 5 A . 6 E . 1 E . 2 E . 3 Cool_in Cool_out

T e m pera tur e, C

T i m e , m i n

Fig. 8 Temperature variation of VCHP against

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 20

40 60 80 100 120

140 2 0 W 4 0 W 6 0 W 8 0 W 1 0 0 W

1 2 0 W 1 4 0 W 1 6 0 W 1 8 0 W 2 0 0 W 2 2 0 W 2 4 0 W 2 6 0 W 2 8 0 W 3 0 0 W

T e m pera tur e, C

A x i a l P o s i t i o n , x / L

Fig. 9 Axial temperature distribution of VCHP as a

에서 와 의 열부하에 대한

Fig. 10 CCHP VCHP

열저항을 비교하였다 열저항의 계산은 다음 식. 을 사용하였다

(1) .

_ 

_ _

(1) 여기에서  은 열부하, ^_은 증발부 외벽의 평 균온도, ^_은 응축부 외벽의 평균온도를 나타 낸다.

에서 열저항은 수평자세의 경우에서는

CCHP 20

부터 까지 응축부 상향 자세의 실험

W 120 W , 5°

에서는 20 W부터 220 W까지의 열부하에 대해서 는 열저항이 감소하는 경향을 보였으나 이후의 열부하에 대해서는 열저항이 증가하는 경향을 보 였다. VCHP의 열저항은 저 열부하 예( 20 W)에서 는 CCHP에 비해 약 5배정도로 크게 나타났으나 열부하가 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. CCHP는 증발부의 온도가 급격하게 상승

0 50 100 150 200 250 300 350

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

C C H P , 0 d e g C C H P , 5 d e g V C H P , 0 d e g V C H P , 5 d e g

T her mal resistance,

C/ W

T h e r m a l L o a d , W

Fig. 10 Comparison of thermal resistances of

하면서 열저항도 따라서 증가한 반면 VCHP는 증 발부의 온도를 일정하게 유지되므로 열부하의 증 가에 따라 응축부의 온도가 상승하게 되어 열저 항이 감소한 것이다.

는 와 의 열부하에 대한 작

Fig. 11 CCHP VCHP

동온도의 변화를 보이고 있다. VCHP는 열부하

0 50 100 150 200 250 300 350

30 40 50 60 70 80 90 100

C C H P , 0 d e g C C H P , 5 d e g V C H P , 0 d e g V C H P , 5 d e g

O p er at ing T e mp er at u re,

C

T h e r m a l L o a d , W

Fig. 11 Comparison of operating temperatures of

의 증가에 크게 영향을 받지 않고 작동온도가 정도를 일정하게 유지하고 있는 경향이 나타 96℃

났다.

는 열부하의 증가에 따라 온도가 선형적 CCHP

으로 증가하는 모습을 보였으며 수평에서 실험한 작동온도의 상승기울기가 응축부 상향 5° 자세의 실험 작동온도의 상승기울기보다 크게 나타나는 것을 보아 히트파이프 기울기가 증가할수록 작동 온도의 상승기울기가 낮아질 것이라고 판단되며 히트파이프 기울기 조절을 통해 CCHP의 성능을 향상시킬 수 있을 것이다.

유효열전도도 3.3

는 의 열부하에 대한 유효열전도도 Fig. 12 VCHP

의 변화를 나타내었다 히트파이프의 유효열전도. 도는 다음 식(2)로 계산하였다.

_  _ _

 × _

(2) 여기에서 _은 히트파이프의 유효열이송길이, 그리고  는 히트파이프의 단면적이다.

의 작동자세와 무관하게 열부하의 증가에 VCHP

따라 유효열전도가 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.

0 50 100 150 200 250 300 350 0

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

V C H P , 0 d e g V C H P , 5 d e g

Ef fe ct iv e T her mal Co nduct iv it y , W /m* K

T h e r m a l L o a d , W

Fig. 12 Variation of effective thermal conductivity

4. 결 론

이상 의 모든 열부하에서 증 (1) 40 W 300 W

발부로부터 단열부에 걸친 모든 외벽의 온 도가 등온적으로 일정하게 나타나는 VCHP 의 전형적인 온도제어특성을 실험적으로 획 득하였다 단 히트파이프 전길이에 걸친 작. , 동이 이루어지지 않는 낮은 열부하에서는 그 특성이 나타나지 않는다.

동일 자세 동일 열부하의 에서는

(2) , CCHP

드라이아웃이 발생할 가능성이 있던 조건에 서 VCHP는 정상작동이 가능하였다. 이는 작동액체의 귀환경로가 단축되었기 때문에 모세관작동한계가 연장된 효과로 사료된다.

의 유효열전도도는 작동영역 전체에 (3) VCHP

걸쳐 입력열부하 또는 열유속 에 직선적으로( ) 비례하여 증가하는 것을 확인하였다.

참고문헌

(1) Dunn, P. D. and Reay, D. A., 1994, Heat

Pipes, 4th ed., Pergamon Press, pp. 246-278.

(2) Chi, S. W., 1976, Heat Pipe Theory and

Practice, A Sourcebook, Hemisphere Publishing

(3) Kang, H. K., Kim, M. S., Yoo, J. H., Park, S.

Y. and Park, H. K., 2004, “Operational Characteristics of the VCHP Heat Sink for a Cold Start-up,” Proceedings of the SAREK 2004

Summer Annual Conference, pp. 912-917

(4) Suh, J. S., Park, Y. S. and Chung, K. T., 2005, "Analysis of Thermal Control Characteristics of VCHP by the Charging Mass of Non-Condensible Gas,” Journal of SAREK,

Vol. 17, No. 12, pp. 1139-1144.