작동 구조

전형적인 히트파이프는 파이프, 유체, 끝 부분으로 구성되어 있습니다. 파이프 내부에는 일정한 압력이 주어진 다음 적당한 양의 작동 물질이 채워지며, 이렇게 하여 파이프 내벽의 모세공에 유체를 채운 다음 히트파이프를 밀봉하게 됩니다. 히트파이프 끝부분이 열을 받으면 모세관 중의 작동 물질에 기화되어 증기가 되며, 그 증기는 미소한 압력에 의해 다른쪽 방향으로 움직이며 열을 방출한 후에 액체가 됩니다. 액체는 다시 여러 구멍을 따라 모세압력과 중력에 의해 원래 자리로 돌아갑니다. 이 과정이 반복되어 열을 전도하는 것입니다.

히트파이프의 구조

일반적으로 히트파이프를 만들 때에는 작동 온도와 제조 원가에 따라 내부에 채워넣을 유체를 선택하게 됩니다. 일반족으로 순수한 물에 일부 첨가제를 넣는데, 그렇다면 히트파이프를 쪼개보면 안에 뭐가 있는지 알 수 있지 않을까요?

실제로 히트파이프에 내장된 작동 물질은 그 양이 매우 적습니다. 너무 많이 들어갔다면 액체가 관을 막아버려서 히트파이프가 정상 작동하지 않을테고, 지나치게 작아도 모세관을 채우지 못할 테니까요. 히트파이프의 직경, 모세관의 구조, 히트파이프의 길에는 히트파이프에 채워넣는 액체의 양을 결정합니다. 제일 많이 쓰이는 직경 6mm에 길이 15cm짜리 히트파이프는 0.5ml 정도의 액체가 들어가 있으며, 그것도 전부 모세관을 채우고 있기 때문에 히트파이프를 잘라도 안에 어떤 액체가 있는지는 알 수 없습니다.

저명한 화학자인 Cotter는 히트파이프에 이론적인 공식을 세웠는데, 여기서 히트파이프의 정상 작동에 필요한 조건을 제시하고 있습니다.

△Pc ≥ △Pl + △Pv + △Pg

히트파이프 내부 유체의 움직임은 기체-액체의 2개 상의 역류에 속합니다. 그 중 증기가 증발하여 흐르면서 응결하는 과정 중에 압력이 떨어지는 것을 △Pv라고 합니다. 응결된 유체가 흘러서 증발하는 과정 중에서 압력이 떨어지는 것은 △Pl라고 합니다. 중력이 유체의 흐름에 가하는 압력은 △Pg라고 합니다(+, -, 0일 수 있으며 히트파이프의 중력의 위치에 따라 정해집니다).  △Pl+△Pv+△Pg가 유체 흐름의 저항력을 만드는 것이며, 히트파이프 내부의 순환 동력이 모세관 흡수 구조와 유체 작동 중에 생기는 모세 압력을 △Pc라고 합니다. 

히트파이프의 열전도에 영향을 주는 여러 한계들. 냉각의 한계, 흐름의 한계, 유체 점성의 한계, 모세관의 한계, 음파의 한계, 냉동 기동의 한계, 연속 흐름의 한계 등등.

△Pv와 △Pl는 일반적으로 열에 따라 늘어나며 유체의 점성, 밀도, 질량, 유량, 히트파이프의 길이, 구멍의 수에 따른 삼투계수 등에 영향을 받습니다. △Pc는 유체를 빨아들이는 구조에 따라 결정되며 모세공의 직경이 작을수록 △Pc는 커지게 됩니다. 모세관 구조의 순환 때문에 모세압에 한계가 생기는데 만약 모세관의 힘이 유체에 작용될때 증발에 필요로 하는 만큼의 양을 제공해 주지 못하면, 증발 부분의 유체가 건조되어 증발 부분의 파이프 온도가 급격히 상승하게 되고, 심지어 히트파이프나 발열원(여기서는 각종 칩)을 손상하게 되는데 이것이 바로 모세관의 한계입니다.

지금 여기서는 △Pc/△Pv/△Pl 이런 데이터를 어떻게 계산하는지는 말하지 않고, △Pg에 대해서만 말하겠습니다. 이 항목은 중력에 따라 유체의 흐름에 영향을 주어 압력이 떨어지는 것을 가리킵니다. 히트파이프의 증발 부분이 냉각될 때에는 내부 작동 유체의 흐름이 반드시 중력의 영향을 극복해야만 합니다. 히트파이프의 응결 부분이 위쪽에 있다면 중력이 유체의 흐름을 가속하게 될 것입니다.

쉽게 말해서, 히트파이프 쿨러를 장착하는 방향에 따라 어떤 성능 차이가 있는지 봅시다 -_-)

현재 수많은 고급형 그래픽카드 쿨러는 그 구조에 많은 개량을 하였습니다. 예를 들면 히트파이프가 수많은 방열핀을 관통하게 하여 히트파이프의 길이를 늘린 것입니다. 서멀라이트의 T-Rad2, T-Rad2 GTX, 샤먼 등이 그러하며 나중에 프로리마테크 MK-13, 잘만 VF3000 시리즈, 아틱 쿨링 엑셀레로 익스트림 플러스 등도 등장하였습니다.

T-Rad는 전통적인 케이스 구조에서 강력한 쿨링 능력을 보여줍니다. 하지만 전통적이지 않은 구조의 케이스, 그러니까 실버스톤 레이븐 RV01/RV02/RV03과 FT02/FT03 처럼 그래픽카드 장착 방향이 완전히 달라지는 경우에는 어떨까요?

특정 케이스의 장착 문제.

이런 종류의 그래픽카드 쿨러는 히트파이프의 길이가 꽤 길기 때문에 수직 방향으로 히트파이프를 장착하면 응결 부분이 증발 부분보다 높이가 대폭 낮아지면서, 수평 방향으로 장착했을 때보다 유체 흐름에 중력의 영향을 더 받게 됩니다.

실버스톤은 RV01 케이스의 질문 중에서 "To achieve best performance in either heat pipe technology, they need to be placed horizontally or have the heat source side located below the other end of the heat pipe."라고 하고 있습니다. 그렇다면 한번 이렇게 테스트해 봅시다.

RV02 케이스, 동일한 쿨링팬 조합에서 방향만 바꾼 것입니다. 왼쪽이 레이븐 케이스의 정상 위치이지만 그래픽카드의 쿨러 방향은 수직으로 된 경우이고, 오른쪽은 케이스를 뒤집어놔 그래픽카드를 수평 방향으로 한 것입니다.

테스트에는 아틱 쿨링 엑셀레로 익스트림 플러스, MK-13, T-Rad2 GTX, 샤먼이 포함되었고, 지포스 GTX 275의 레퍼런스 쿨러와 MSI N460GTX HAWK의 트윈 프로저 쿨러를 사용하여 비교하였습니다.

또한 Furmark를 사용하여 풀로드를 만들었습니다.

먼저 지포스 GTX 275의 레퍼런스 쿨러와 MSI N460GTX HAWK 쿨러 사이의 성능 비교입니다.

두 쿨러는 생긴 것이 많이 다릅니다. 그럼 성능은?

RV02가 정상 위치(그래픽카드가 수직)이건 90도로 뒤집어놓건(그래픽카드가 수평), 이런 종류의 그래픽카드 쿨러에서 GPU 온도에 미치는 영향은 매우 작다는 것을 알 수 있습니다. 1~2도 정도인데 이것은 쿨러 자체의 성능 차이라기보다는 바람의 방향이 바뀌어서 생긴 차이로 봐야 할 것입니다.

이론적으로 보면 MSI N460GTX HAWK는 지면과 수직으로 장착했을때 히트파이프의 응결 부분이 증발 부분보다 위치가 확실히 낮아지면서, 이때 중력의 영향이 더 커지게 됩니다. 하지만 실제로 GPU 온도는 1도 정도 상승했을 뿐입니다.

그렇다면 긴 히트파이프가 수많은 방열핀을 관통하고 있는 대형 그래픽카드 쿨러는 어떨까요. 아틱 쿨링 엑셀레로 익스트림 플러스, MK-13, T-Rad2 GTX, 샤먼을 봅시다. 아틱 쿨링만 지포스 GTX 480에 장착하고 나머지 3종은 지포스 GTX 275에 장착하여 테스트했습니다. 아래 테스트 결과는 각 쿨러의 장착 방햑에 따라 성능이 얼마나 변하는지 보려는 것이지 각 쿨러 사이의 성능을 비교하려는 것은 아닙니다.

상당한 차이가 나고 있습니다.

위 4종류의 그래픽카드 쿨러는 지면과 수직/수평 방향으로 장착했을때 성능에 상당한 차이가 나고 있습니다. RV02 케이스에 '정상적인 방법'으로 장착했을때 그래픽카드 쿨러의 히트파이프는 지면과 수직 방향이 되는데 이 경우 성능이 매우 떨어집니다. T-Rad2 GTX와 MK-13은 정상 작동을 완전히 못한다고 봐도 과언이 아니며 GPU 온도가 105도에 진입하여 그래픽카드가 자동으로 보호 모드가 작동하게 되었습니다.

샤먼은 비록 수평 위치(RV02 케이스를 90도 돌렸을 경우)보다 17도가 높긴 했지만 그럭저럭 괜찮은 성능이 나왔으며, 엑셀레로 익스트림 플러스도 20도가 높게 나왔습니다.

프로리마테크 MK-13의 수평 방향시 GPU 온도. 

프로리마테크 MK-13의 수직 방향시 GPU 온도.

왼쪽과 가운데는 정확한 장착 방향, 오른쪽은 틀린 장착 방향입니다.

실버스톤의 말대로 RV02 같은 케이스에는 T-Rad 같은 종류의 그래픽카드 쿨러가 맞지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 쿨링 성능을 최고로 유지하기 위해서 히트파이프의 응결 부분(히트파이프의 끝부분)은 증발 부분(열원이 있는 곳)보다 더 높은 곳에 있어야 하며, 이것은 모든 히트파이프 쿨러에 적용되는 규칙입니다.

MK-13 같은 종류의 쿨러를 수직으로 설치하면, 히트파이프에서 유체의 흐름이 중력에 큰 영향을 받으면서, 모세관 압력이 유체의 흐름을 일으킬 정도로 충분해지지 못하게 됩니다. 이건 유체 표면 장력 계수와 모세관 구멍의 직경을 조절한 히트파이프를 사용하거나, 모세관 펌프 회로(CPL)을 사용한다던가 하는 방법이 있겠지만, 지금 PC하고는 상관이 없겠지요 -_-) 

출처: http://www.expreview.com/12638.html