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8PD1200-01-0534-P

Heat Pipe 적용 2kW급 통신시스템

옥외용함체 개발에 관한 연구

(공업기반기술개발사업 중간보고서)

1999. 10.

주관기관 : 한국전자통신연구원

참여기관 : (주)대홍기업

산 업 자 원 부

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인 사 말 씀

정보통신 분야의 급격한 발전은 사회 전반에 걸쳐 여러 가지 모양으로 영향을 끼쳐

왔습니다. 즉, 경제적 발전 및 이에 따른 지식 산업의 발달은 산업혁명에 따른 영향

을 넘어서고 있습니다. 여기에서 중추적인 역할을 담당할 광대역 초고속 통신망은

전반적으로 국가 경쟁력 제고 뿐만 아니라 국민의 생활 수준 향상에 크게 이바지할

것입니다.

본 연구원에서는 이와 관련하여 통신부품의 핵심 기술을 개발하고, 개발된 관련 기

술을 중소기업으로 기술을 이전하여 국내 통신부품 산업의 발전에 일익을 담당하고

있습니다. 본 연구는 현재 국민들의 생활에 널리 애용되고 있는 이동통신 시스템의

옥외용 함체의 냉각 모듈 및 관련 함체를 개발하여 우리나라 초고속 정보통신망 구

축에 일익을 담당하고자 합니다.

본 보고서는 1998년 11월부터 1999년 10월까지 수행된 연구과제로 1차년도에는 1

차 시작품 설계 및 제작에 관하여 기술하고 있습니다. 본 연구결과는 2차년도에 수

행될 상용 시제품 및 양산 기술 확보에 적용되어 향후 이동통신 시스템의 옥외용

함체개발에 적용될 예정입니다.

본 과제를 수행하는데 물심양변으로 협조해 주신 산업자원부 및 참여기업의 관련

제위께 깊은 감사를 드리며 아울러 본 연구 업무에 참여한 연구원들의 노고를 진심

으로 치하하는 바입니다.

1999년 10월

한국전자통신연구원 원 장 정 선 종

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “Heat Pipe 적용 2kW급 통신시스템 옥외용 함체 개발에 관한 기술개

발" (개발기간 : 1998. 11.~1999. 10.)과제의 중간보고서로 제출합니다.

1999. 9. 30.

개발사업주관기관명 : 한국전자통신연구원개발사업총괄책임자 : 황 건*선 임 연 구 원 : 노 홍 구*

〃 : 최 춘 기〃 : 김 광 수**〃 : 한 재 섭**

박사후 연수연구원 : 문 석 환***

참 여 기 업 : 대홍기업(주)선 임 연 구 원 : 이 명 선

〃 : 강 환 국〃 : 김 용 호

연 구 원 : 김 승 업〃 : 마 상 길

참여기간 (*) : ‘99. 7. 26. ~(**) : ‘98. 11. 1. ~ ’99. 7. 16.

(***) : ‘99. 2. 8. ~

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공업기반기술개발사업 중간보고(요약)서

사 업 명(국 문) Heat Pipe 적용 2kW급 통신시스템 옥외용 함체 개발(영 문) Development of a 2kW Out-Door Cabinet for Mobile Telecommunication Systems with Heat Pipe Technology

주 관 기 관 한국전자통신연구원 총 괄 책 임 자 황 건

총 사 업 기 관 1998. 11. 1. ~ 2000. 10. 31. ( 2 년 )

당 해 년 도 사 업 기 간

1998. 11. 1. ~ 1999. 10. 31. ( 1 년 )

총개발 사업비(천 원)

정부출연금: 72,809 참여기업 부담금: 72,809주관ㆍ위탁기관 부담금: 0 계: 145,618

참 여 기 관 (주)대홍기업

주 제 어 (6 ~ 10 개)

히트파이프, 통신시스템 옥외용 함체, 루프형,증발부/응축부 분리형, 광PCS 기지국, Repeater

1. 당해개발목표

о Heat Pipe 냉각모듈 적용 1.2kW급 통신시스템 옥외용 함체 개발

2. 기술개발의 목적 및 중요성

о 목적 : Heat Pipe 냉각모듈 개발과 동시에 그 적용분야를 개척하여 상품화하고

자 함.

о 중요성 : 현재 PCS 기지국 시스템 냉각용 냉방기 또는 열교환기를 부착하여 사

용하고 있으며, 냉방기 사용시 전력소모가 많아 운용비가 매우 높아지고 정전에 대

한 대책이 전무하지만, Heat Pipe 냉각 모듈을 옥외용 함체에 적용하면 함체 내외

부에 2～3개의 소형 팬만 사용하므로 전력 소모량이 거의 없어 정전시에도 시스템

밧데리 전원을 사용할 수 있으므로 시스템 서비스가 가능함. 이와 같이 경쟁력있는

옥외 함체용 Heat Pipe 냉각모듈을 개발하기 위해서는 기존에 보유중인 Heat

Pipe 설계기술을 기반으로 고효율 Loop-type Heat Pipe 개발이 요구됨. 지금까지

국내에서는 Heat Pipe 냉각모듈 자체에 대한 개발 및 연구는 많이 진행되어 왔으

나 대부분 상품화로 연결되지 못하고 있는 실정임.

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3. 기술개발의 내용 및 범위

o 1.2kW급 loop형 Heat Pipe 냉각모듈 설계

o 1.2kW급 loop형 Heal Pipe 냉각모듈 시제품 제작

o 1.2kW급 loop형 Heat Pipe 냉각모듈 성능시험 및 개선

o 광PCS 기지국 Repeater용 표준 소형 함체 개발

o WLL용 옥외용 함체 개발

4. 기술개발 결과

o 1.2kW급 loop형 Heat Pipe 냉각모듈 개발(설계도면 포함)

o 광PCS 기지국 Repeater용 표준 소형 함체 개발(설계도면 포함)

o WLL용 옥외용 함체 개발(설계도면 포함)

o Technical report 5건

5. 기대효과

o 현재 PCS 기지국 함체 냉각용으로 독일 Knurr사, Rittal사, 미국 Thermacore사

등에서 전량 수입하고 있는 냉방기, 열교환기 모듈을 국산 Heat Pipe 모듈로 대체

할 수 있다.

o 또한, 냉방과 관련하여 함체의 소모전력을 최소화할 수 있어 운용비 절감 측면에

서도 통신업체에서 이 제품을 도입하는 것이 불가피할 것으로 예상된다.

o 마지막으로 이동통신시스템의 도입이 활발한 일본, 중국, 대만, 홍콩, 싱가포르

및 베트남 등에 옥외용 함체 관련 설계기술을 수출할 수 있다.

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목 차

제 1 장 서 론

제 1 절 개 요

제 2 절 국내ㆍ외 관련기술의 현황

제 3 절 예상 파급효과 및 활용방안

제 2 장 Loop형 Heat Pipe 냉각모듈

제 1 절 개 요

제 2 절 성능시험

제 3 절 실험결과 및 고찰

제 3 장 광 PCS 기지국 Repeater용 표준 소형 옥외용 함체

제 1 절 개 요

제 2 절 실험장치 및 방법

제 3 절 실험결과 및 고찰

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제 4 장 WLL(Wireless Local Loop)용 옥외용 함체

제 1 절 개 요

제 2 절 히트파이프의 성능시험

제 3 절 히트파이프 열교환기의 성능시험

제 5 장 결 론

참고문헌

부 록 설계도면

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제 1 장 서 론

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제 1 장 서 론

제 1 절 개 요

이동통신시스템(PCS, WLL 등) 기지국, 광CATV 시스템 분배센터 등은 건물옥상,

도로변, 지하 주차장 등으로 설치장소가 다변화 되고 있으며, 이들 시스템의 소모전

력은 급속히 증가하고 있다. 현재 PCS의 경우 High Power Amp.를 제외하고도

1.3 kW의 소모전력이 소요된다. 이들 옥외용 통신시스템을 냉각하기 위해서는 외

부의 습기 및 먼지 유입을 방지하기 위해 함체의 내외부를 완전히 분리하여 밀폐시

키는 것이 필요하다. 함체 내외부를 완전분리형으로 밀폐할 경우 내부 시스템에서

발생한 열을 방출하기 위한 장치로 냉방기(air conditioner), 열교환기 등을 사용할

수 있으며, 현재 PCS 기지국 시스템 냉각용으로 냉방기 또는 열교환기를 부착하여

사용하고 있다.

냉방기 사용시 전력소모가 많아 운용비가 매우 높아지고 정전에 대한 대책이 전무

하지만, Heat Pipe 냉각모듈을 옥외용 함체에 적용하면 함체 내외부에 2-3개의 소

형 팬만 사용하므로 전력소모량이 거의 없어 정전시에도 시스템 밧데리 전원을 사

용할 수 있으므로 시스템 서비스가 가능하게 된다.

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이와 같이 경쟁력 있는 옥외 함체용 Heat Pipe 냉각모듈을 개발하기 위해서는 기

존에 보유 중인 Heat Pipe 설계기술을 기반으로 고효율 Loop-type Heat Pipe 개

발이 요구된다. 지금까지 국내에서는 Heat Pipe 냉각모듈 자체에 대한 개발 및 연

구는 많이 진행되어 왔으나, 대부분 상품화로 연결되지 못하고 있는 실정이다. 본

연구에서는 Heat Pipe 냉각모듈 개발뿐만 아니라, 그 활용도가 확실히 인정되는

Application 분야를 개척하여 상품화하고자 하는데 의의가 있다.

제 2 절 국내ㆍ외 관련기술의 현황

통신시스템 옥외용 함체 전문회사로는 독일의 Knurr 사와 Rittal 사가 대표적이며,

Knurr 사는 주로 냉방기(에어컨)를 Door에 부착 하는 방식을 주로 사용하고 있으

며, Rittal 사는 알루미늄 판을 적층한 열교환기(Heat Exchanger)를 주로 적용하고

있다. Heat Pipe 모듈을 옥외용 함체에 적용하는 업체로는 미국의 Thermacore사와

Heat Pipe Technology사 등이 있으며, 이들 업체는 Heat Pipe 전문 업체로서 저

발열 소형 함체에 Closed-type Heat Pipe를 다발 (bundle)로 묶어 함체의 상부 또

는 측면에 설치하도록 되어 있다. 국내에서는 광PCS 기지국의 Repeater용 소형 함

체에 Heat Pipe를 일부 적용하고 있으나 Engineering이 거의 안된 상태에서 조잡

하게 적용하고 있는 실정이다. 본 주관연구기관에서는 1kW급 Loop Type Heat

Pipe에 대한 설계/제작 기술을 보유하고 있고, 참여업체는 국내 기업 중 Heat Pipe

설계/제조 기술이 가장 높은 것으로 평가되고 있다.

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제 3 절 예상 파급효과 및 활용방안

상기 기술을 성공적으로 개발하게 되면, 현재 PCS 기지국 함체 냉각용으로 독일

Knurr 사, Rittal 사, 미국 Thermacore 사 등에서 전량 수입하고 있는 냉방기, 열교

환기 모듈을 전량 국산 Heat Pipe 모듈로 교체할 수 있으며, 향후 개발될

WLL(Wireless Local Loop)의 기지국 시스템의 함체와 현재 광PCS 기지국 소형 함

체에도 약간의 설계 변경으로 사용될 수 있어 그 시장은 매우 클 것으로 예상된다.

본 연구의 옥외용 함체는 정전시에도 운영 가능하며, 소모 전력을 최소화할 수 있

어 운용비 절감측aus에서도 통신업체에서 이 제품을 도입하는 것은 불가피할 것으

로 예상된다. 또 이동통신시스템의 도입이 활발한 일본, 대만, 홍콩, 싱가포르 등에

옥외용 함체를 수출할 수 있을 것이다.

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제 2 장 Loop형 Heat Pipe 냉각모듈

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제 2 장 Loop형 Heat Pipe 냉각모듈

제 1 절 개 요

히트파이프는 증발부, 단열부, 응축부로 이루어져 있으며, 증발부에서 흡수된 열은

히트파이프에 봉인된 작동유체를 증발시키고 이때 발생된 내부의 압력차로 인하여

증기는 단열부를 지나서 응축부로 이동하게 된다(그림 2-1). 응축부에서는 외부와

의 열전달을 통해서 증기 상태의 작동유체는 응축하게 되고 응축된 작동유체는 증

발부로 되돌아 사이클을 이룬다. 히트파이프는 증발-응축 과정의 열저항이 무시할

만하므로 열손실없이 히트파이프를 통하여 발열체와 멀리 떨어진 곳으로 발생열을

이동시킬 수 있다. 이러한 특성은 히트파이프 자체가 우수한 방열판의 역할을 하게

되므로 방열판에서의 열효율 감소가 없다.

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그림 2-1. 히트파이프의 기본도

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분리형 써모사이폰은 가열부인 증발부와 냉각부인 응축부가 분리되어 있으며, 내부

에는 일정한 양의 작동유체를 주입하고 증발부를 가열하면 작동유체는 증발하면서

압력이 높아져 증기가 증기상부관을 통하여 응축부에 도달한다. 응축부 관외에서의

저온유체에 열을 방출하면 냉각관내의 증기유동관 내벽에 응축되며, 응축액은 중력

의 작용에 의해서 응축부 아래의 액체하강관을 통하여 증발부에 보내지면서 작동유

체의 순환이 계속되어 열을 수송하게 된다. 여기서 응축액의 귀환력은 응축부를 높

은 위치에 배치하여 발생되는 액위차에 의한 구동력으로 형성된다.

분리형 써모싸이폰은 증발부와 응축부가 서로 멀리 떨어져 있으므로 유동관으로 연

결되어 밀폐순환시스템을 형성하고 있으며, 단관형 써모싸이폰과는 달리 관내에서

는 유동과 열전달특성이 독특한 특징을 갖고 있다. 즉, 증발과 응축과정을 반복하면

서 잠열을 전달시키므로 높은 열유속을 가지며, 장치의 낮은 작동온도, 증발부 및

응축부 사이의 작은 온도차, 짧은 정상상태 도달시간 및 무게 감소 등의 장점이 존

재하지만 실험조건 변화에 따라 증발부에서의 dry-out발생, 전열성능 및 안정작동

영역의 증감 등의 현상에 민감하게 변화한다.

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제 2 절 성능시험

1. Loop형 Heat Pipe 설계 및 제작

Loop형 heat pipe는 크게 증발부와 응축부의 두 부분으로 이루어져 있으며, 증발

부와 응축부는 증기유동관과 액체유동관으로 서로 연결되어 있다.

Fig. 2-2과 Fig. 2-3는 본 연구를 위해 설계 제작되어진 loop형 heat pipe의 구조

를 보여주고 있으며, 두 모델은 응축부의 관 직경이 9.52mm와 12.7mm로 서로 다

른 직경 크기를 가진다. Loop형 heat pipe의 제작과정은 근본적으로 일반 heat

pipe의 제작의 경우와 큰 차이가 없다. 따라서 본 보고서에서는 제작과정에 대한

자세한 언급은 생략하고자 한다.

Loop형 heat pipe에서는 증발부가 하단부에 위치한 상태에서 증발부와 응축부의

설치 높이차가 반드시 존재하여야 한다. 그러므로 응축액의 하강 연결관과 증발부

에서의 액면 사이에 액위차가 형성되게 되고, 이 액위차에 의해 loop형 heat pipe

내의 증기유동과 액체유동 압력손실의 균형이 이루어져 작동유체의 순환이 달성될

수 있다.

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Fig. 2-2에서 증발부와 응축부는 외경이 9.52mm, 내경 8mm인 동관을 사용하였

고, 길이는 600mm로써 12열로 구성되어 있으며, 지그재그 배열을 취하고 있다. 증

기와 액체 유동관 역시 동일 직경인 9.52mm 동관으로 연결하였다. 그 외 loop형

heat pipe의 각 부 크기는 첨부된 도면에서 찾아볼 수 있다.

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Fig. 2-2 Loop형 히트파이프(응축부 직경 : 12.7mm)

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Fig. 2-3 Loop형 히트파이프(응축부 직경 : 9.52mm)

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2. 실험장치 및 방법

Loop형 heat pipe에 공급하는 열부하의 크기는 약 50W~1.5kW의 범위를 가지며,

공기가열방식으로 공급된다. 열량공급을 위해 증발부에는 밀폐형 덕트를 제작하였

으며 외부로의 열손실을 줄이기 위해 단열재(POP board, 두께 5mm)를 사용하였

다.

Fig. 2-4 및 2-5는 이러한 성능시험 장치의 개략도와 사진을 나타내고 있다. 증발

부는 덕트 내부에 냉각핀과 결합된 4개의 발열체를 두고 원심팬을 이용하여 순환공

기 가열이 되도록 설계하였다. 응축부는 원심팬을 이용하여 대기상태로부터 냉각공

기를 흡입하여 증발부로부터 이송되어온 증기를 응축시킬 수 있도록 하였다. 증기

상승관과 액체하강관은 단열재(kaowool)를 이용하여 외부로의 열손실을 방지하고자

하였다. Loop형 heat pipe의 벽면온도 및 덕트내의 각 부위 그리고 응축부의 유입

공기온도를 측정하기 위하여 다점의 T형 열전대(직경 0.25mm) 접점을 설치하였고,

hybrid recorder(Model 3088, Tokogawa)를 이용하여 기록하였다. Fig. 2-4에 열전

대의 설치위치를 표시하였다. 증발부측의 입구에 2점, 출구에 2점, 응축부의 입구에

1점, 출구에 2점, 그리고 증발부 벽면에 3점, 응축부 벽면에 3점을 각각 설치하였

다.

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본 성능실험에서는 작동유체로써 물과 PFC(Perfluoro Carbon) 그리고 R-22를 사

용하였다. loop형 heat pipe에서 열전달성능에 많은 영향을 끼치는 것이 작동유체

의 충전률이며, 이는 전체 증발부 체적에 대한 충전량의 비를 의미한다.

일반적으로 직관형상의 분리형 히트파이프에서는 작동유체의 충전률이 적으면 낮은

열유속에서도 쉽게 dry-out이 발생하게 되고, 반대로 충전률이 과다하게 되면 증발

부에서 작동유체의 액체가 차지하는 전열면적이 증가하여 열전달계수가 감소하게

되는 결과를 초래하는 것으로 보고되고 있다. 따라서 실험적으로 최적의 충전량을

얻어내는 것은 매우 중요하다. 충전량은 증발부체적의 10%, 45%, 80%, 100%,

110%로 변화시켜가며 성능시험을 수행하였다.

각각의 충전량에 대하여 증발부에 가해지는 열량을 50W에서부터 약 1.5kW까지

200W씩 단계적으로 증가시켰으며, 이때 응축부의 냉각은 자연대류냉각과 강제대류

냉각(0.1~3m/s)방식에 의해 이루어진다.

온도는 측정점 온도가 정상상태에 도달한 후에 측정하였다.

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Fig. 2-4 Loop형 히트파이프의 성능시험장치 개략도

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Fig. 2-5 Loop형 히트파이프의 성능시험장치

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제 3 절 실험결과 및 고찰

Loop형 heat pipe의 열전달특성 및 작동특성을 파악하기 위하여 열량공급을 위한

증발부 덕트내의 가열공기 유속은 3m/s로 고정시킨 상태에서 성능실험을 수행하였

다. 이때 증발부 덕트내에서 가열 공기가 순환하는 동안 대기로의 열손실(가열히터

부근과 이와 떨어진 반대편의 온도차가 약 4~6°C가량 발생됨)이 발생할 수 있다.

Fig. 2-6 ~ Fig. 2-8은 작동유체가 PFC이고, 충전률이 증발부 체적의 80%일 때

의 시간변화에 따른 각부의 온도변화를 도시한 것이다. 열부하는 각각 Qin=200W,

600W, 1.2kW를 적용하였다.

그림에서보면 각각의 열부하크기에서 증발부와 응축부의 온도차는 약 2°C미만으로

써 heat pipe가 가지는 등온성의 특성을 잘 나타내고 있다.

열부하가 증가함에 따라 heat pipe의 전체 온도가 상승하게 되며, 그러나 온도차는

균일하게 유지하고 있어 열저항은 감소한다고 볼 수 있다.

Fig. 2-9은 작동유체가 물이고, 충전률이 증발부체적의 100%, 그리고 응축부의 냉

각방식이 자연공냉일 때의 loop형 heat pipe의 증발부와 응축부의 길이에 따른 벽

면온도 분포를 가열량의 변화에 따라 나타낸 것이다.

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그림에서 x축의 position, L/Lt는 축방향에 따른 길이를 무차원화 한 것으로 Lt는

loop형 heat pipe의 전체길이를 의미한다. Position 값 0.4와 0.6사이에 벽면온도분

포에서 단이 발생하는 것은 이 부위에 증발부와 응축부를 연결하는 증기상승관이

존재하기 때문이다.

그림에서 보면 전 열부하 범위에 대하여 증발부와 응축부의 벽면 온도차는 약

1.5~6°C의 분포를 나타내고 있어 히트파이프의 등온성을 잘 보여주고 있다. 한편

열부하가 200W로부터 1.2kW로 증가함에 따라 증발부와 응축부의 벽면온도차는 감

소하는 경향을 나타내고 있는 데 이는 증발부에서의 발생 증기의 밀도가 증가한 데

따른 것으로 생각된다.

Fig. 2-10은 증발부에 가해진 열부하를 600W로 고정한 상태에서 축방향 길이에

따른 벽면온도분포를 충전량의 함수로 나타낸 것이다.

충전률 45%의 물인 경우를 제외한 나머지 충전률에서는 증발부와 응축부의 온도차

가 약 1.1~3°C로써 heat pipe가 가지는 등온성을 잘 나타내고 있다. 그러나 충전

률 45%, 물인 경우에서는 증발부와 응축부의 온도차가 약 22°C로써 히트파이프가

가지는 등온성을 보여주고 있지 못하며, 따라서 증발부에서의 증발 비등이 정상적

으로 이루어지지 않는다고 볼 수 있다.

PFC 80%와 100%인 경우에서 증발부와 응축부의 온도차는 크게 다르지 않으나 벽

면온도의 절대값에서 차이가 발생하는 것은 실험 조건의 대기온도차에 따른 loop형

히트파이프내의 포화압력차에 기인하는 것이다.

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한편 충전률이 100%로 동일한 상태에서 작동유체가 물인 경우와 PFC인 경우에서

증발부와 응축부의 온도차가 각각 3°C와 1.1°C로 다르게 나타나는 것은 물인 경우

에 있어서 가열량 600W일 때 증발부에서의 비등열전달이 충분히 발생하지 않기 때

문으로 생각된다. 참고로 PFC는 비등점이 아세톤과 유사하며 저열속 범위에 적합

하다.

전체적으로 보아 본 연구대상의 loop형 heat pipe에 대한 최적의 충전률은 최소한

증발부 체적의 45%이상이 되어야 할 것으로 파악되며, 차후 최적의 충전률을 얻기

위한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 생각한다.

Fig. 2-11은 작동유체가 R-22이고, 충전률이 증발부 체적의 100% 충전된 경우에

대한 성능시험 결과이다.

앞선 결과와는 달리 응축부의 유속이 3m/s로 강제공냉에 의해 열을 소산시켰으며,

또한 응축부의 형상은 Fig. 2-2와 동일한 구조를 가진다.

본 loop형 heat pipe의 목표치인 1.2kW의 열부하 하에서 증발부 입구측과 응축부

입구측과의 공기온도차가 15°C이내를 유지하여야 하므로 저온의 작동온도 범위를

갖는 R-22를 이용하였다.

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그림에서 보면 증발부와 응축부의 온도차가 약 1°C미만을 유지하고 있어 앞서 살펴

보았던 heat pipe의 등온성을 잘 나타내고 있으며, 또한 증발부입, 출구 온도차도

3°C가량의 온도차를 유지하면서 원활한 열수송을 하고 있음을 알 수 있다.

공기 온도차인 증발부 입구측과 응축부 입구측과의 온도차는 약 23°C로써 목표치

인 15°C보다. 약 8°C가량 높게 나타났다.

이의 원인은 응축부의 파이프 라인 수가 증발부보다. 6개 적은 데 따른 응축전열면

적의 감소에 기인하는 결과로 생각하며, 따라서 차후 응축부의 전열면적 증가를 위

한 구조변경 등의 설계가 뒤따라야 할 것으로 파악된다. 한편 그림에서의 대기온도

는 30°C로 고정시켰으나 대기온도의 증가로 heat pipe 내부 작동온도가 증가될 수

있을 것으로 예측되므로 앞으로 응축부 입구측의 대기온도 변화에 따른 실험도 수

행되어야 할 것으로 보인다.

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Fig. 2-6 Temperature distribution vs. time for Qin=200W

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Fig. 2-7 Temperature distribution vs. time for Qin=600W

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Fig. 2-8 Temperature distribution vs. time for Qin=1200W

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Fig. 2-9 Wall temperature vs. position as a function Input power

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Fig. 2-10 Wall temperature vs. position as a function fill charge ratio

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Fig. 2-11 Wall temperature vs. time for R-22

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제 3 장 광 PCS 기지국 Repeater용

표준 소형 옥외용 함체

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제 3 장 광 PCS 기지국 Repeater용 표준 소형 옥외용 함체

제 1 절 개 요

Heat Pipe를 이용한 400W급 광PCS 중계기용 함체를 개발하여 온도 환경시험 및

모형강우 시험을 수행하였다. 또 냉각성능을 예측하기 위해 Flotherm Code를 이용

하여 컴퓨터 시뮬레이션(수치해석, Numerical Analysis)도 동시에 수행하였다. 본

문서에서는 옥외용 함체의 냉각성능시험, 모형강우시험, 컴퓨터 수치해석 등의 결과

를 기술하였다.

제 2 절 실험장치 및 방법

Fig. 3-1과 같이 옥외용 함체는 직경 12.7mm의 heat pipe 4개를 함체 뒷면에 압

입시킨 후 pressing하여 평탄하게 하고, RF 모듈(LPA)을 모사한 발열블록 2개를

부착하였다. 발열블록은 외부에서 전기적인(DC 전원) 조절이 가능하도록 하였고,

각 부위의 온도를 측정하기 위하여 T형 열전대를 Fig. 3-2와 같이 부착하였다. 발

열 블록 내부에는 각각 6개씩의 발열체가 부착되어 있으며, 각각의 발열체는

35x25x4 mm의 크기를 가지며, 고발열 ASIC을 상사(simulation)한 것이다. 발열블

록에 가하는 발열량은 각각 200W로 전체 400W를 입력하였다. 함체외부 상단에 위

치한 응축부의 냉각은 냉각핀을 통한 자연공냉에 의해 이루어진다.

- 36 -

Fig. 3-3은 열부하의 공급과 온도측정을 위한 전원 및 열전대를 연결한 성능시험용

옥외용 함체를 항온항습 챔버내에 설치하고, 챔버 내부온도를 -25 ~ 45°C의 범위

로 변화 유지시키면서 성능시험을 수행하였다.

실험은 열부하를 고정시킨 상태에서 항온항습 챔버내의 환경온도를 변화시켰으며,

온도는 측정점온도가 정상상태에 도달한 후에 측정하였다.

Fig. 3-4는 본 연구에서 개발된 옥외용 함체의 내침수성을 시험하기 위한 장치를

나타내는 것으로 분당 3.8리터의 물을 함체 상부, 전후면, 그리고 측면에 각각 10

분간씩 분사함으로써 함체 내부에 물이 스며들지 않는 조건을 확인하고자 하였다.

- 37 -

Fig. 3-1 Photograph of Outdoor Cabinet

- 38 -

1~6 : Surface temperature of heat source

7, 8 : Surface temperature of block cover

9~12, 14, 15 : Wall temperature of heat pipe

13 : Inner air temperature

16 : Ambient temperature

Fig. 3-2 Thermocouple position and shape of heat source block

- 39 -

Fig. 3-3 Test of temperature environment

in constant temperature chamber

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Fig. 3-4 Test for rain environment

- 41 -

제 3 절 실험결과 및 고찰

표 3-1과 Fig. 3-5는 항온, 항습 챔버내 온도, 즉, 외기온도에 따른 발열체 표면온

도, 발열블록 덮게 표면온도, 내부공기온도 상승을 나타낸 것이며, 표 3-1의 “HP

온도차”는 heat pipe의 증발부와 응축부의 온도차를 의미한다. 실험결과를 보면 외

부공기온도가 상승함에 따라 전반적으로 각 부위의 온도상승이 감소함을 알 수 있

으며, 이는 외기온도의 상승으로 heat pipe의 내부압력이 증가되어 열저항이 감소

하기 때문으로 보인다. 또 내부공기 온도상승은 외기온도가 상온(25°C)일 때,

11.1°C로서 일반적인 PCS 광중계기 냉각성능 요구조건을 만족하고 있다. 그러나

일부 업체에서 요구하고 있는 LPA 덮게 표면의 온도상승이 20 °C인 점을 고려할

때 이 조건을 만족시키지 못하게 되는데 이는 모사 발열블록의 발열 형상이 실제

LPA의 발열 상황과 많은 차이가 있기 때문으로 파악되며, 따라서 실제 LPA를 부착

한 실험이 필요하다고 볼 수 있다. 그러나 결론적으로 일반적인 통신업체에서 요구

하고 있는 함체내 공기온도 상승의 요구조건은 만족한다고 볼 수 있다.

한편, 함체의 내침수성을 시험하기 위한 Fig. 3-4와 같은 모형강우 시험을 수행한

결과, 함체내부로 물이 전혀 스며들지 않았으며, 따라서 요구조건을 만족하였다.

- 42 -

Table 3-1 Result of temperature measurement. (단위 : °C)

- 43 -

Fig. 3-5 Increasement of temperature difference

as a ambient temperature

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Fig. 3-6 Result of numerical analysis for distribution

of temperature (continued)

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Fig. 3-6 Result of numerical analysis

for distribution of temperature

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Fig. 3-6은 옥외용 함체를 설계하기전 함체의 냉각성능을 예측하기 위하여

Flotherm Code를 이용하여 수치해석한 결과를 나타낸 것으로서, heat pipe 부착위

치와 응축부의 핀 크기, 간격, 및 개수 등을 최적화한 것이다. 이와 같은 수치해석

결과를 토대로 함체 설계를 하여 냉각성능을 만족하도록 하였다.

Table 3-2 Comparison of experimental with numerical analysis result

표 3-2는 옥외용 함체를 설계하기 전 수행한 수치해석 결과와 함체 제작 후 냉각

성능시험을 수행한 결과를 비교한 것이다. 두 결과는 비교적 잘 일치하고 있으며,

수치해석의 결과가 실험결과에 비해 약간 높게 나타나는 것은 함체 외부의 경계조

건의 차이에서 기인하는 오차로 판단된다.

- 47 -

제 4 장 WLL (Wireless Local Loop)용 옥외용 함체

제 1 절 개 요

WLL(Wireless Local Loop)용 옥외용 함체의 냉각에 응용할 목적으로 히트파이프식

열교환기를 설계 및 제작하여 성능시험을 수행하였다.

옥외용 함체는 설치되는 환경에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 수직으로 세워져

있는 경우가 많다. 그러한 경우에는 열파이프보다. 열사이폰식의 냉각모듈이 유리할

수 있다. 본 연구에서는 열사이폰식의 냉각모듈을 적용하는 것을 근간으로 하여 파

이프의 내부에 그루브형상의 구조를 갖도록 설계하였다.

다만 수직방향의 설치모드에서는 펄스비 등의 불안정한 작동특성이 수반될 수 있으

며, 특히 열사이폰형태의 냉각모듈에서는 더욱더 문제시될 수 있다. 따라서 이러한

불안정한 작동특성을 파악함으로써 전자장비등의 시스템작동의 안정성유지에 장애

가 될 수 있는 요소들을 제거하는 것은 매우 중요하다.

- 48 -

본 연구에서는 우선 개별 heat pipe의 열전달 및 작동특성등을 파악하고자 성능시

험을 수행하였으며, 이를 바탕으로 함체 적용이 가능한 heat pipe식 열교환기를 설

계 및 제작하여 냉각특성 및 열전달한계 등을 파악하고자 하였다.

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제 2 절 히트파이프의 성능시험

1. 실험장치 및 방법

WLL함체에 적용하기 위한 heat pipe를 설계, 제작한 후 heat pipe의 개별 성능시

험을 수행하고 이후 열교환기를 설계 및 제작하여 성능시험을 수행하였다(Fig.

4-1).

WLL 옥외용 함체에서의 적용환경은 밀폐 함체 내부의 발생열을 제거하여 함체 내

부의 공기가 일정온도 범위를 유지하도록 요구되고 있다. 즉 외기온도 60°C에 대하

여 최대 발열량 400W일 때 내부 최대 허용 온도상승은 15°C를 유지하여야 한다.

우선 개별 히트파이프에 대한 열전달특성 및 열저항 변화등을 파악하기 위하여 열

부하 및 내부 작동온도를 함수로 성능시험을 수행하였다.

개별 히트파이프는 작동유체로 물을 사용하였으며, 증발부와 응축부의 길이는 각각

180mm로 동일한 크기를 갖도록 설계하였다. 사용된 히트파이프 container는 외경

9.52mm로 내부에 그루부가 형성되어 있다. 충전량은 증발부 liquid pool에서의 펄

스비등을 수반하는 액체과열을 최소화하기 위하여 증발부 체적의 10%를 충전하였

다.

- 50 -

성능실험은 일반 성능실험 방법을 따랐으며, 증발부의 열량공급은 전기적으로 이루

어지고, 응축부의 냉각은 물을 이용한 수냉각이 되도록 하였다. 이때 냉각수의 온도

및 유동량은 heat pipe의 내부 증기온도가 60°C로 일정하게 유지될 수 있도록 조

절하면서 실험을 수행하였다(Fig. 4-2)

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Fig. 4-1 개별 히트파이프의 성능시험장치 개략도

- 52 -

Fig. 4-2 열전대의 위치

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2. 결과 및 고찰

Fig. 4-3은 증발부에 가해진 열부하가 26W일 때 heat pipe 각 부의 온도변화를 시

간에 따라 도시한 것이다. 그림에서 보면 증발부 하단에 liquid pool의 형성으로 인

한 액체의 과열로 펄스비등이 발생하고 있음을 알 수 있고, 펄스비등의 발생으로

인하여 단열부와 응축부의 온도가 주기적으로 변화하는 것을 볼 수 있다.

일반적으로 수직방향의 설치모드에서 열사이폰의 경우 열부하의 증가에 따라 비등

은 크게 자연대류영역, 펄스비등영역, 그리고 연속 비등영역으로 구분되어진다. 자

연대류영역을 지난 펄스비등영역은 낮은 열부하 및 작동온도에서 발생하는 것으로

보고되고 있다. 따라서 내부 증기온도에 따라 다르나 본 연구대상의 heat pipe에서

는 약 40W범위까지 증발부 liquid pool이 과열되어 펄스비등이 발생하는 것으로 나

타났다. Heat pipe 열교환기에서는 증기온도를 60°C로 유지시킨 상태에서 약 20W

까지 펄스비등이 발생할 것으로 예측된다.

Fig. 4-4는 heat pipe의 축방향 길이에 따른 벽면온도분포를 열부하의 변화에 따라

나타낸 것이다. 그림에서 보면 증발부하단의 온도가 증발부의 다른 부위에 비하여

liquid pool의 형성으로 인하여 상당히 과열되어 있으며, 하단부의 온도가 약

5~7°C가량 높게 나타남을 알 수 있다.

- 54 -

증발부 하단의 과열도를 줄이기 위하여 충전량을 제어함으로써 liquid pool의 영역

을 감소시킬 필요가 있다.

Fig. 4-5은 heat pipe의 각부위별 과열도를 도시한 것이다.

펄스비등 발생동안에는 증발부 하단이 높은 과열도를 나타내고 온도진동이 발생하

게 되나 시간 구간 평균온도로 표시하여 보면 증발부와 응축부의 평균 온도차는 약

4~6°C의 값을 보인다. 따라서 본 연구대상의 열교환기 목표인 온도차 15°C를 유지

하기 위해서는 핀의 대류저항에 의한 온도차를 8~10°C미만으로 유지하도록 핀을

설계하여야 할 것으로 분석된다.

- 55 -

Fig. 4-3 Operating characteristics of heat pipe

- 56 -

Fig. 4-4 Temperature distributions of heat pipe

as a function input power

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Fig. 4-5 Superheat of heat pipe

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제 3 절 히트파이프 열교환기의 성능시험

1 실험장치 및 방법

앞서 성능시험을 수행한 동일한 히트파이프를 이용하여 열교환기를 설계 및 제작하

였다(Fig. 4-6). 총 24개의 개별 히트파이프를 3열의 stagger형으로 배치하여 설치

하고, 증발부 및 응축부에는 louver fin을 설치하였다. 그리고 증발부 및 응축부에

유동하는 공기의 흐름은 대향류 유동이 되도록 배치하였다.

열교환기에 설치된 핀의 피치는 14 FPI이며, 핀의 크기는 첨부된 도면에서 찾아볼

수 있다.

총 24개의 히트파이프를 8개씩 1조를 이루어 3열의 Stagger형으로 배치하여 하나

의 열교환기 모듈을 이루도록 설계 및 제작하였으며, 3개의 모듈을 병렬로 설치하

였다. 차후 수송 열부하 또는 요구되는 온도차에 따라 각 모듈수를 결정하는 설계

방법을 채택할 수 있다.

증발부에의 열부하의 공급은 밀폐형 풍동 덕트를 설치하고 풍동 장치내에 전기적

발열체를 설치하여 덕트내의 순환 공기에 가열되도록 하였다. 열부하는 전기 저항

발열체의 열부하를 제어함으로써 변화공급이 가능하며, 열부하 제어는 SCR을 이용

한 DC power supply로 제어하도록 하였다.

- 59 -

응축부의 냉각은 외기공기를 송풍기(blowing)로 응축부에 도입하여 증발부로부터

이송되어온 열을 공기중으로 소산시키도록 하였다.

증발부, 응축부 모두 다익팬으로 강제대류유동 하도록 하였으며, 공기의 풍속은 모

두 인버터로 제어하였다.

측정점의 온도계측을 위해 외경 0.12mm의 T형 열전대를 사용하였으며, 증발부, 응

축부 끝단, 핀의 표면에 각각 부착하였다(Fig. 4-7). 그리고 공기의 입구, 출구 온

도를 계측하기 위하여 증발부 및 응축부 입구에 2개, 출구에 각각 4개의 열전대를

설치하였다. 풍동 표면에서의 열손실을 파악하기 위하여 공기흐름을 따라 풍동 표

면의 온도 및 내부 순환공기의 온도를 계측하도록 열전대를 또한 설치하였다.

온도계측은 일정 열부하를 증발부에 공급하고, 증발부, 응축부 및 덕트내의 공기등

각부의 온도가 정상상태에 도달하였을 때 측정점의 온도를 온도기록계(DR230, Y

okogawa)로 계측하여 기록하였다.

실험은 일정 공기온도하에서 열부하를 증기시켜가며 열부하에 대한 열전달 성능을

파악하고자 하였으며, 또는 외기 온도조건을 변화시켜가며, 외기온도에 대한 열교환

기의 성능을 파악하고자 하였다.

증발부 및 응축부의 풍속은 풍속계(Anemometer)로 여러 위치에서 계측한 후 평균

처리하였으며, 공기의 온도는 여러위치의 값으로부터 공간 평균온도처리를 하였다.

- 60 -

열부하가 제거된 상태에서 인버터로 풍속을 변화시켜, 각 풍속에서 열교환기 입, 출

구의 압력을 피토관과 마노메타(Precision micro manometer)로 계측하여 압력강하

를 얻어낼 수 있도록 하였다.

- 61 -

Fig. 4-6 히트파이프식 열교환기

- 62 -

Fig. 4-7 히트파이프식 열교환기의 성능시험장치 개략도

- 63 -

2. 결과 및 고찰

Fig. 4-8는 응축부에 유입되는 공기온도가 20℃이고 풍속이 3m/s일 때 열전달율의

변화에 대한 고온(증발부 입구)과 저온(응축부 입구)측의 공기 온도차를 나타낸 것

이다.

그림에서 보면 열전달률의 증가에 따라 공기의 온도차는 지수적으로 증가하는 양상

을 나타내고 있다. 설계목표인 열부하, Q=400W에서 양측의 공기의 온도차는 18

℃로 설계치인 15℃보다 약 2-3℃ 높은 결과를 나타내었으며, 800W에서는 28℃로

상승하였다.

Fig. 4-8의 경우에서는 냉각 공기온도가 낮기 때문에 heat pipe내의 작동유체의 증

기온도 역시 낮은 범위에 머무르게 된다. 따라서 저온의 증기온도에서 작동유체가

물인 경우에 히트파이프의 증발부, 응축부 열전달계수가 감소하게 되고, 증발부와

응축부의 온도차가 커져 전체 열저항이 크게 나타나는 것으로 생각된다.

그러나 Fig. 4-9와 같이 냉각 공기온도가 60℃로 증가시킨 경우는 열부하

Q=400W에서 공기 온도차는 약 12℃를, 열부하 Q=500W에서는 약 14℃의 온도차

를 보이고 있어 설계 목표치를 만족하였다.

공기온도가 60℃로 증가한 경우에는 heat pipe의 증기온도 증가로 heat pipe내의

열전달 계수가 증대되어 전체 열저항이 감소하는 결과를 가져오는 것으로 보아진

다.

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Fig. 4-10은 열부하를 Q=400W로 고정시킨 상태에서 냉각 공기의 속도변화에 따른

공기 온도차를 도시한 것이다.

가열을 위한 증발부의 순환 공기속도를 3m/s로 고정한 상태에서 응축부의 공기속

도가 1m/s일 때 양측의 공기온도차는 약 23°C를 나타내었으나, 풍속을 4m/s로 증

가하면 공기 온도차는 약 18°C로 감소하였다. 이는 응축부의 유속 증가로 냉각핀에

서의 열전달 계수가 증가하여 공기와 핀의 온도차가 감소하였기 때문이다.

응축부 냉각 공기속도를 3m/s로 고정시킨 상태에서 증발부 공기 속도의 증가에 따

른 결과도 유사한 결과를 보였다.

Fig. 4-11은 열부하 Q=400W일 때 냉각 공기온도의 변화에 따른 공기온도차를 나

타낸 것이다. 그림에서 보면 냉각 공기온도의 증가에 따라 공기온도차는 지수적으

로 감소하고 있으며, 냉각 공기온도 20°C에서 약 18°C를 기록하였으나, 60°C로 냉

각 공기온도가 상승한 경우에는 공기온도차가 약 12℃로 낮아졌다.

이는 heat pipe의 열전달 계수가 작동유체의 물성에 따라 변화하기 때문에 증기온

도가 높아지면 열전달 계수가 상승하게 되는 데 냉각 공기온도의 증가가 증기온도

의 상승으로 이어졌기 때문으로 생각된다.

Fig. 4-12은 덕트내의 풍속 변화에 따른 증발부 핀 입구와 출구에서의 압력강하를

나타낸 것이다.

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그림에서 보면 풍속 1m/s에서 약 2mm H2O, 3m/s에서 9mm H2O의 압력강하가

있는 것으로 나타났다. 관련연구에 의하면 10mm H2O 가량의 압력강하의 크기면

함체 내부에서는 약 20mm H2O의 압력강하가 예상되며, 따라서 공기의 풍량을 고

려할 때 내부 순환용 팬은 원심팬 형태가 되어야 할 것으로 보아진다.

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Fig. 4-8 Temperature difference vs. heat transfer rate

at 20°C of cooling air

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Fig. 4-9 Temperature difference vs. heat transfer rate

at 60°C of cooling air

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Fig. 4-10 Temperature difference vs. facial velocity

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Fig. 4-11 Temperature difference vs. inlet air temperature

at 400W

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Fig. 4-12 Pressure drop vs. air flow velocity

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제 5 장 결 론

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제 5 장 결 론

Loop형 heat pipe 냉각모듈 개발 및 광 PCS 기지국 Repeater용 표준 소형 옥외용

함체 개발 그리고 WLL용 옥외용 함체 개발을 위한 본 연구를 수행한 결과 다음과

같은 결론을 얻을 수 있었다.

가. Loop형 heat pipe 냉각모듈

1. 사형 형태를 갖는 loop형 heat pipe는 1.2kW까지 양단의 온도차가 약 1.5~6°C

로 히트파이프의 특성인 등온성을 잘 나타내었다.

2. 적정의 충전률은 직관형상의 loop형 heat pipe와 다소 다른 것으로 나타났으며,

실험결과 최소 증발부체적의 45%이상은 충전되어야 할 것으로 파악된다.

3. 작동유체가 R-22인 경우 열부하 목표치인 1.2kW에서 공기온도차는 약 23°C를

기록하였으며, 공기온도차 목표치인 15°C보다 약 8°C가량 높게 나타났다. 이는 응

축부 전열면적의 감소에 따른 것으로 파악되며, 차후 구조변경등의 개선을 통한 열

전달 성능 향상이 가능할 것으로 보인다.

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나. 광 PCS 가지국 Repeater용 표준 소형 옥외용 함체

1. 옥외용 함체내부 공기온도 상승을 15 ℃ 기준으로 냉각성능을 평가할 때, 본 개

발제품의 냉각성능은 외기온도 25 ℃일 때 11.1 ℃로써 충분히 만족하고 있다.

2. 항온항습 챔버내에서 냉각성능을 시험한 결과, 외부 공기온도 (챔버내 온도)가

상승할수록 냉각성능은 향상되어 외기온도 45 ℃일 때 내부공기 온도상승은 7.1 ℃

로서, 옥외용 함체의 냉각이 가장 문제될 수 있는 하절기 고온시 매우 만족스러운

냉각성능을 발휘할 수 있어 heat pipe 적용이 매우 성공적임을 알 수 있다. 또 개

발함체에 대해 내침수성을 위한 모형강우 시험을 수행한 결과 요구조건을 만족하였

다.

3 함체 설계전에 수행한 수치해석을 통해 heat pipe 설치위치, 냉각핀 설계 등에서

최적설계가 가능하였으며, 수치해석에 의한 예측과 실제 제작후 수행한 성능시험

결과는 비교적 잘 일치하였다.

다. WLL용 옥외용 함체

1. 개별 heat pipe의 성능시험에서 증발부 하단에 liquid pool의 형성으로 인접부위

보다. 약 5~7℃가량의 과열현상이 나타났으며, 따라서 이를 줄이기 위한 충전량의

제어가 필요하다.

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2. 개별 heat pipe의 양 끝단의 온도차는 약 4~6°C를 나타내고 있어 열교환기 목

표치인 공기온도차 15°C를 유지키 위해서는 냉각핀에서 8~10℃미만의 대류저항

설계가 이루어져야 한다.

3. Heat pipe식 열교환기에서 응축부의 유입공기가 20°C인 경우에는 열부하 400W

에서 공기온도차가 15°C로 설계치보다. 2~3°C 높게 나타났으나, 60°C로 증가한

경우에는 공기 온도차가 약 12℃로 설계 목표치를 만족하였다.

4. 냉각공기 속도의 증가에 따라 공기 온도차는 감소하는 경향을 나타내었으며, 냉

각공기온도의 증가에 따라서도 공기 온도차는 지수적으로 감소하는 경향을 보였다.

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참고 문헌

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참고 문헌

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부 록 설계 도면

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