KR102089548B1 - 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치 및 능동형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 제1 방향으로 나열되고, 제2 방향으로 연장되며, 능동형 안테나의 송수신 소자들과 열적으로 접촉하는 복수개의 플레이트부, 제1 방향으로 연장되고, 상기 플레이트부의 일단부와 연통하는 입구 헤더부, 제1 방향으로 연장되고, 상기 플레이트부의 타단부와 연통하는 출구 헤더부, 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부를 통해, 상기 플레이트부에 냉각유체를 공급하고, 상기 플레이트부에서 냉각유체를 회수하는 냉각유체 순환부를 포함하고, 냉각유체의 흐름을 기준으로, 상기 입구 헤더부는 상류 구간의 단면적이 하류 구간의 단면적보다 작고, 상기 출구 헤더부는 상류 구간의 단면적이 하류 구간의 단면적보다 크고, 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 기준 단면적의 크기를 D 라 할 때, 상기 상류 구간의 단면적의 크기는 D 보다 작고, 상기 하류 구간의 단면적의 크기는 D 보다 크고, 상기 냉각유체의 성분은 부동액을 포함하고, 상기 플레이트부의 재질은 금속을 포함하고, 상기 플레이트부는 제1 방향의 양측 면에 상기 송수신 소자들이 배치되고, 상기 송수신 소자들은 상기 양측 면에 각기 격자 형태로 배열되는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치와, 이를 구비하는 능동형 안테나로서, 열적 신뢰성을 높일 수 있는 냉각 판이 구비된 방열 장치 및 능동형 안테나가 제시된다.

Description

냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치 및 능동형 안테나{THERMAL RADIATING APPARATUS HAVING COOLING PLATE FOR ACTIVE PHASED-ARRAY ANTENNA, AND ACTIVE ANTENNA}

본 발명은 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치 및 능동형 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 능동형 안테나의 열적 신뢰성을 높일 수 있는 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치 및 이를 구비하는 능동형 안테나에 관한 것이다.

군사 체계에 있어 안테나는 전장 감시에서 표적 타격까지의 임무를 수행하는 육상, 해상 및 항공 전력의 핵심 무기 체계이다. 무기 체계용 안테나는 탐지거리의 향상, 정밀한 탐지 및 타격 등을 위하여 고성능 사양이 요구된다.

반도체 기술의 발전과 함께 안테나도 고성능화 및 소형화되고 있다. 무기 체계용 안테나는 기존의 수동 위상배열 안테나(passive electrically scanned array Antenna)에서 최근에 능동형 위상배열 안테나(active electrically scanned array Antenna)로 진화하고 있다.

능동형 위상배열 안테나('능동형 안테나'라고 한다)는 반도체 기술을 이용하여 송수신 모듈을 제작함으로써 기존의 수동 위상배열 안테나 보다 성능을 높이고, 크기를 줄일 수 있다. 이러한 능동형 안테나는 송수신 모듈에 고성능 및 고발열의 송수신 소자들이 존재한다. 따라서, 기존의 수동 위상배열 안테나에 비하여 최근의 능동형 안테나는 송수신 모듈의 단위 면적당 발열량이 크다.

능동형 안테나의 성능 유지를 위해서, 방열 설계를 통하여 송수신 소자들에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하고, 송수신 소자들이 적정한 온도 범위에서 동작할 수 있도록 하여야 한다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 특허문헌에 게재되어 있다.

KR 10-1909684 B1 KR 10-1586794 B1 KR 10-1174637 B1

본 발명은 능동형 안테나의 열적 신뢰성을 높일 수 있는 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치 및 이를 구비하는 능동형 안테나를 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치는, 제1 방향으로 나열되고, 제2 방향으로 연장되며, 능동형 안테나의 송수신 소자들과 열적으로 접촉하는 복수개의 플레이트부; 제1 방향으로 연장되고, 상기 플레이트부의 일단부와 연통하는 입구 헤더부; 제1 방향으로 연장되고, 상기 플레이트부의 타단부와 연통하는 출구 헤더부; 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부를 통해, 상기 플레이트부에 냉각유체를 공급하고, 상기 플레이트부에서 냉각유체를 회수하는 냉각유체 순환부;를 포함하고, 냉각유체의 흐름을 기준으로, 상기 입구 헤더부는 상류 구간의 단면적이 하류 구간의 단면적보다 작고, 상기 출구 헤더부는 상류 구간의 단면적이 하류 구간의 단면적보다 크고, 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 기준 단면적의 크기를 D 라 할 때, 상기 상류 구간의 단면적의 크기는 D 보다 작고, 상기 하류 구간의 단면적의 크기는 D 보다 크고, 상기 냉각유체의 성분은 부동액을 포함하고, 상기 플레이트부의 재질은 금속을 포함하고, 상기 플레이트부는 제1 방향의 양측 면에 상기 송수신 소자들이 배치되고, 상기 송수신 소자들은 상기 양측 면에 각기 격자 형태로 배열된다.

상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 단면적이 제1 방향으로 일정하다고 가정할 때, 내부를 흐르는 냉각유체의 유량값이 중간값에 가장 가까운 플레이트부를 기준 플레이트라고 하면, 상기 상류 구간 및 하류 구간은 상기 기준 플레이트를 기준으로 정의될 수 있다.

상기 기준 플레이트는 상기 상류 구간에 연통하고, 상기 기준 플레이트는 상기 상류 구간을 통하여 냉각유체를 유입 및 배출할 수 있다.

상기 격자 형태는 제2 방향 및 제3 방향에 대한 2차원 격자 형태이고, 상기 격자 형태를 따라, 상기 플레이트부의 내부에 단일 유로가 형성될 수 있다.

상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부는 제2 방향으로 이격되고, 상기 플레이트부는 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 사이에서, 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부를 제2 방향으로 연결시킬 수 있다.

제1 방향에 대한, 상기 입구 헤더부의 냉각유체의 흐름 및 상기 출구 헤더부의 냉각유체의 흐름은 같은 방향으로 형성될 수 있다.

상기 플레이트부는, 제2 방향의 길이가 제3 방향의 폭보다 크고, 제3 방향의 폭이 제1 방향의 두께보다 클 수 있다.

상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부 각각은, 제1 방향의 길이가 제2 및 제3 방향의 직경보다 클 수 있다.

상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 직경은 상기 플레이트부의 폭보다 작고, 상기 플레이트부의 두께보다 클 수 있다.

상기 부동액은 에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다.

상기 금속은 알루미늄을 포함할 수 있다.

상기 상류 구간 및 하류 구간의 단면적의 크기는 0.8D 및 1.6D 일 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 능동형 안테나는, 자유 공간을 통하여 전파를 송수신하는 복수개의 복사 소자; 복수개의 하우징에 수용되며, 상기 복사 소자로 급전되는 전파의 크기 및 위상을 제어하는 복수개의 송수신 소자; 상기 하우징 및 복사 소자에 열적으로 접촉된 상기 방열 장치;를 포함한다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 능동형 안테나의 송수신 소자들을 원하는 온도로 원활하게 냉각시킬 수 있다. 상세하게는, 송수신 소자들을 냉각시키는 복수개의 플레이트부에 냉각유체를 적절하게 분기시켜 공급하면서, 플레이트부 내에서 냉각유체를 적절하게 집중시킴으로써, 송수신 소자들의 온도를 원하는 온도로 원활하게 냉각시킬 수 있다. 즉, 복수개의 플레이트부 간의 냉각유체의 유량 편차를 최소화시킬 수 있고, 플레이트부 내에서 송수신 소자별로 할당되는 냉각유체의 유량을 최대화시킬 수 있다. 따라서, 송수신 소자들에 다량의 냉각유체를 최대한 균일하게 공급하여, 송수신 소자들의 온도를 원하는 온도로 원활하게 냉각시킬 수 있다.

이로부터 능동형 안테나의 작동 시에 송수신 소자들의 온도를 송수신 소자들이 안정적으로 작동할 수 있는 온도로 유지할 수 있다. 즉, 능동형 안테나의 열적 신뢰성을 높일 수 있고, 능동형 안테나의 안정적인 임무 수행이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나의 방열 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플레이트부의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 입구 헤더부의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 출구 헤더부의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 유로의 개략도이다.
도 7 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나의 방열 장치(이하 '방열 장치'라고 한다)는 능동형 안테나에 구비된 고성능 및 고발열의 송수신 소자들을 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 냉각유체를 적절하게 분기 및 분포시킬 수 있다. 따라서, 방열 장치는 송수신 소자들의 온도를 송수신 소자들이 안정적으로 작동할 수 있는 온도로 유지시킬 수 있다. 즉, 방열 장치는 능동형 안테나의 열적 신뢰성을 높일 수 있다. 이로부터 능동형 안테나의 안정적인 임무 수행이 가능하다. 한편, 능동형 안테나의 방열 장치를 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치라고 지칭할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 개략도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플레이트부의 개략도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 입구 헤더부의 개략도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 출구 헤더부의 개략도이며, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 유로의 개략도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나를 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나(1)는, 자유 공간을 통하여 RF 신호를 송수신하는 복수개의 복사 소자(10), 복사 소자(10)의 전자적 빔 조향을 수행하는 복수개의 송수신 모듈(20), 및 송수신 모듈(20)을 냉각시키는 방열 장치(300)를 포함한다.

복사 소자(10)는 수십 내지 수만 개일 수 있다. 복사 소자(10)는 소정의 패턴으로 배열될 수 있다. 복사 소자(10)는 자유 공간으로 RF 신호를 방사시킬 수 있다. 또한, 복사 소자(10)는 자유 공간으로 방사되는 RF 신호를 수신할 수 있다. RF 신호를 전자파 혹은 전파라고 지칭할 수 있다.

송수신 모듈(20)은 수십 내지 수만 개일 수 있다. 송수신 모듈(20)은 바둑판 혹은 격자 형태로 배열되어 그 기능을 수행한다. 송수신 모듈(20)은 복사 소자(10)와 연결될 수 있다. 송수신 모듈(20)은 복사 소자(10)와 일대일로 대응될 수 있다. 송수신 모듈(20)은 방열 장치(300)와 접촉할 수 있다. 송수신 모듈(20)은 방열 장치(300)에 의하여 냉각될 수 있다.

송수신 모듈(20)은, 복사 소자(10)로 급전되는 RF 신호의 크기와 위상을 제어하는 복수개의 송수신 소자(21), 송수신 소자(21)가 수용되는 하우징(22)을 포함할 수 있다.

송수신 소자(21)는 반도체 소자로 구현될 수 있다. 송수신 소자(21)는 RF 신호를 수신하고, RF 신호의 크기와 위상을 전자적으로 제어하고, RF 신호를 복사 소자(10)로 송신할 수 있다. 이에, 복사 소자(10)에서 자유 공간으로 방사되는 RF 신호의 전자적 빔 조향이 수행될 수 있다. 송수신 소자(21)는 회로 기판에 실장될 수 있다. 회로 기판은 하우징(22)의 내부 공간에 수용될 수 있다.

송수신 소자(21)는 열을 발생시킬 수 있다. 송수신 소자(21)를 열원 혹은 발열원이라고 지칭할 수 있다. 송수신 소자(21)에서 발생하는 열을 제거하지 않으면, 송수신 소자(21)의 열 밀도가 높아져서, 송수신 소자(21)의 오작동이 발생하거나, 송수신 소자(21)가 손상될 수 있다.

하우징(22)은 예컨대 육면체 형상일 수 있다. 물론, 하우징(22)의 형상은 다양할 수 있다. 하우징(22)은 방열 장치(300)와 접촉할 수 있다. 하우징(22)을 통하여, 송수신 소자(21)의 열이 방열 장치(300)로 전달될 수 있다.

방열 장치(300)는 하우징(22) 및 송수신 소자(21)와 열적으로 접촉할 수 있다. 구체적으로, 방열 장치(300)는 하우징(22)을 통하여 송수신 소자(21)와 열적으로 접촉할 수 있다. 방열 장치(300)는 냉각유체를 이용하여, 고발열부인 송수신 소자(21)의 열을 냉각유체로 효과적으로 방열시킬 수 있고, 능동형 안테나(1)의 열적 성능을 만족시킬 수 있다. 냉각유체는 액체 상태일 수 있다. 즉, 방열 장치(300)는 액체냉각 방식으로 송수신 소자(21)의 열을 원활하게 방열시킬 수 있다. 이러한 방열 장치(300)를 능동형 안테나의 액체냉각 시스템이라고 지칭할 수 있다.

능동형 안테나(1)가 열적 요구 조건을 만족하는 것을 능동형 안테나(1)의 열적 성능이 좋다라고 표현한다. 능동형 안테나(1)의 열적 요구 조건은 작동 중인 송수신 소자(21)들의 온도가 기준 온도보다 낮은 조건, 작동 중인 송수신 소자(21)들의 온도 편차가 기준 온도 편차보다 낮은 조건, 작동 중인 송수신 소자(21)들의 온도 분포가 음의 포물선(negative parabola) 형상에 부합하는 조건을 포함한다.

기준 온도는 능동형 안테나(1)의 정상 동작이 가능한 송수신 소자(21)의 온도들 중, 최고 온도를 의미한다. 또한, 기준 온도 편차는 능동형 안테나(1)의 정상 동작이 가능한 송수신 소자(21)의 온도들 중, 최고 온도와 최저 온도 간의 온도 편차를 의미한다.

또한, 송수신 소자(21)들의 온도 분포는 후술하는 복수개의 플레이트부(310)가 나열된 방향으로의 송수신 소자(21)들의 온도 분포를 의미한다.

구체적으로, 송수신 소자(21)들 중 주요 소자를 플레이트부(310)별로 선택하고, 복수개의 플레이트부(310)의 순서를 그래프의 가로 축으로 하고, 주요 소자의 온도를 그래프의 세로 축으로 하여, 2차원 그래프를 도시하였을 때, 그래프의 형상을 송수신 소자(21)들의 온도 분포라고 한다.

음의 포물선 형상은 그래프의 형상이 좌우로 대체로 대칭하면서, 그 중심부가 위로 볼록하고, 그 주변부가 아래로 볼록한 형상을 의미한다.

능동형 안테나(1)는 상술한 열적 요구 조건을 모두 만족할 때 가장 원활하게 작동할 수 있다. 원활하게 작동한다는 것은 능동형 안테나(1)의 원하는 빔 방사 각도와 실제 빔 방사 각도 간의 오차를 최소화할 수 있는 것을 의미한다.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치(300)를 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치(300)는, 제1 방향(X)으로 나열되고, 제2 방향(Y)으로 연장되며, 능동형 안테나(1)의 송수신 소자(21)들과 열적으로 접촉하는 복수개의 플레이트부(310), 제1 방향(X)으로 연장되고, 플레이트부(310)의 일단부와 연통하는 입구 헤더부(320), 제2 방향(Y)으로 연장되고, 플레이트부(310)의 타단부와 연통하는 출구 헤더부(330), 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)를 통해, 플레이트부(310)에 냉각유체를 공급하고, 플레이트부(310)에서 냉각유체를 회수하는 냉각유체 순환부(340)를 포함한다.

냉각유체는 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 내부를 흐르면서, 냉각유체의 흐름을 기준으로, 상류 구간(Du)에서 하류 구간(Dd)으로 갈수록 마찰 및 유량 분배, 중력 등에 의해 에너지가 손실되고, 압력이 저하된다. 이에, 후술하는 유량분배 최적화 구조로 입구 헤더부(320)와 출구 헤더부(330)를 마련하지 않고, 예컨대 입구 헤더부(320)와 출구 헤더부(330)의 단면적이 제1 방향(X)으로 일정하면, 냉각유체가 복수개의 플레이트부(310)에 선형적으로 차등되어 분배된다. 이러한 경우, 냉각유체가 송수신 소자(21)들을 원활하게 냉각하지 못하고, 능동형 안테나(1)의 열적 성능을 만족시킬 수 없다.

따라서, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 냉각유체의 흐름을 기준으로, 입구 헤더부(320)는 상류 구간(Du)의 단면적이 하류 구간(Dd)의 단면적보다 작고, 출구 헤더부(330)는 상류 구간(Du)의 단면적이 하류 구간(Dd)의 단면적보다 클 수 있다. 이러한 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 구조를 유량분배 최적화 구조라고 지칭한다. 한편, 상술한 유량분배 최적화 구조와 구분할 수 있도록, 입구 헤더부(320)와 출구 헤더부(330)의 단면적이 제1 방향(X)을 따라 일정한 구조를 유량분배 선형 증감 구조라고 명명한다.

유량분배 최적화 구조에 의해, 복수개의 플레이트부(310) 각각에 비교적 균일하게 냉각유체를 공급하여 송수신 소자(21)들을 전체적으로 원활하게 냉각할 수 있고, 능동형 안테나(1)의 열적 성능을 좋게 할 수 있다.

여기서, 비교적 균일한 것은 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330) 중 적어도 어느 하나의 단면적이 일정할 때, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)를 통해 복수개의 플레이트부(310)로 냉각유체가 차등 분배되는 것에 비하여 균일한 것을 의미한다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는, 입구 헤더부(320)와 출구 헤더부(330)의 상술한 구조에 의해, 냉각유체 순환부(340)가 상류 구간(Du)의 플레이트부(310)들과 하류 구간(Dd)의 플레이트부(310)들에 적절한 온도의 냉각유체를 비교적 고르게 분배할 수 있다. 이를 통하여 복수개의 플레이트부(310)가 능동형 안테나(1)의 열적 성능을 고려한 송수신 소자(21)들의 방열을 수행할 수 있다.

한편, 제1 방향(X)에 대한 입구 헤더부(320)의 냉각유체의 흐름과 출구 헤더부(330)의 냉각유체의 흐름은 같은 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 냉각유체가 입구 헤더부(320)에서 좌에서 우로 흐르면, 출구 헤더부(330)에서도 냉각유체가 좌에서 우로 흐를 수 있다.

본 발명의 실시 예를 설명하기 쉽도록 다음과 같이 방향을 정의한다. 제1 방향(X), 제2 방향(Y) 및 제3 방향은 서로 교차하는 방향일 수 있다. 제1 방향(X)은 좌우 방향일 수 있고, 제2 방향(Y)은 상하 방향일 수 있다. 제3 방향(Z)은 전후 방향일 수 있다. 물론, 이들 방향은 다양하게 정의될 수 있다.

본 발명의 실시 예를 설명하기 쉽도록 다음과 같이 용어를 정의한다. 상류는 냉각유체가 상대적으로 먼저 통과하는 지점 혹은 부분을 의미한다. 그리고 하류는 냉각유체가 상대적으로 나중에 통과하는 지점 혹은 부분을 의미한다.

이하, 방열 장치(300)의 구성부를 순서대로 상세하게 설명한다.

플레이트부(310)는 복수개 구비될 수 있다. 플레이트부(310)는 제1 방향(X)으로 나열될 수 있다. 플레이트부(310)는 제2 방향(Y)으로 연장될 수 있다. 플레이트부(310)는 능동형 안테나(1)의 송수신 소자(21)들과 열적으로 접촉할 수 있다.

플레이트부(310)는 제1 방향(X)의 양측 면에 송수신 소자(21)들이 배치될 수 있다. 구체적으로, 플레이트부(310)의 상술한 양측 면에 복수개의 하우징(22)이 배치되고, 각각의 하우징(22)에 복수개의 송수신 소자(21)가 수용될 수 있다. 이처럼 하나의 플레이트부(310)당 복수개의 송수신 모듈(20)이 열적으로 접촉할 수 있다.

여기서, 하우징(22)은 플레이트부(31)의 상술한 양측 면 각각에 복수개 배치되며, 제2 방향(Y)으로 나열될 수 있다. 송수신 소자(21)들은 플레이트부(31)의 상술한 양측 면 각각에 각기 격자 형태로 배열될 수 있다. 이때, 격자 형태는 제2 방향(Y) 및 제3 방향에 대한 2차원 격자 형태일 수 있다.

플레이트부(310)의 상술한 양측 면은 제1 방향(X)으로 서로 대향하는 면을 지칭한다. 플레이트부(310)의 상술한 양측 면을 플레이트부(310)의 좌우 측면이라고 지칭할 수도 있다.

플레이트부(310)는 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330) 사이에서, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)를 제2 방향(Y)으로 연결시킬 수 있다. 입구 헤더부(320)와 연결된 플레이트부(310)의 일단부를 유입구측 단부 혹은 상측 단부라 하고, 출구 헤더부(330)와 연결된 플레이트부(310)의 타단부를 배출구측 단부 혹은 하측 단부라 한다.

플레이트부(310)는, 제2 방향(Y)의 길이가 제3 방향(Z)의 폭보다 크고, 제3 방향의 폭(Z)이 제1 방향(X)의 두께보다 큰 냉각 판(311), 및 송수신 소자(21)들이 배열된 격자 형태를 따라, 냉각 판(331)의 내부에 형성되는 단일 유로(312)를 포함할 수 있다.

냉각 판(311)의 재질은 금속 재질을 포함할 수 있다. 이때, 금속은 알루미늄을 포함할 수 있다. 물론, 냉각 판(311)의 재질은 각종 금속 및 그 합금 재질을 포함할 수 있다. 냉각 판(311)은 송수신 소자(21)에서 발생한 열을 단일 유로(312)의 내부를 흐르는 냉각유체로 전달할 수 있다.

냉각 판(311)의 두께는 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330) 직경보다 작을 수 있다. 냉각 판(311)의 폭은 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330) 직경보다 클 수 있다. 직경은 최대, 최소 또는 평균 직경일 수 있다. 냉각 판(311)은 두께가 수십㎜ 이고, 폭이 수백㎜ 이고, 길이가 수ｍ 일 수 있다.

단일 유로(312)는 냉각 판(311)의 내부를 관통하도록 형성되거나, 별도의 냉각 관이 냉각 판(311)의 내부에 삽입된 구조일 수 있다. 이처럼 단일 유로(312)는 냉각 판(311)과 일체형일 수 있고, 또는, 냉각 판(311)과 단일 유로(312)는 별개의 부재들이 서로 결합된 형태일 수 있다. 단일 유로(312)가 별도의 냉각 관일 경우, 단일 유로(312)의 재질은 냉각 판(311)의 재질과 같을 수 있다.

단일 유로(312)는 일 단부 예컨대 유입구가 냉각 판(311)의 유입구측 단부를 관통하여 입구 헤더부(320)와 연통하고, 타 단부 예컨대 배출구가 냉각 판(311)의 배출구측 단부를 관통하여 출구 헤더부(330)와 연통할 수 있다. 단일 유로(312)는 입구 헤더부(320)로부터 냉각유체를 공급받고, 출구 헤더부(330)로 냉각 유체를 배출할 수 있다.

한편, 단일 유로(312)의 내부면에는 휜이 마련될 수도 있다. 예컨대 단일 유로(312)의 내부면에 휜이 돌출될 수 있고, 단일 유로(312)가 연장된 방향을 따라서 휜이 연장될 수 있다. 물론, 휜의 형상은 예컨대 나선형 등 다양할 수 있다.

단일 유로(312)는 냉각 판(311)의 내부에서 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)으로 복수회 연장 및 굴절될 수 있다. 예컨대 단일 유로(312)는 S자 형상으로 형성될 수 있다. 단일 유로(312)는, 제2 방향(Y)으로 연장되는 복수의 연장 구간(312a) 및 연장 구간(312a)의 단부에서 제3 방향(Z)으로 굴절되는 복수의 굴절 구간(312b)를 포함할 수 있다.

단일 유로(312)는 적어도 세 개 이상의 연장 구간(312a)과 적어도 두 개 이상의 굴절 구간(312b)을 포함할 수 있다. 연장 구간(312a)의 개수는 홀수로 증가하고, 굴절 구간(312b)의 개수는 짝수로 증가할 수 있다. 단일 유로(312)는 그 유동 단면이 사각형 형상을 포함할 수 있다.

상술한 단일 유로(312)의 구조에 의하여, 냉각 판(311) 내에서, 송수신 소자(21)들이 배열된 격자 형태를 따라서 냉각유체를 적절하게 집중시킴으로써, 냉각 판(311) 내에서 송수신 소자(21)별로 할당되는 냉각유체의 유량을 최대화시킬 수 있다. 이에, 송수신 소자(21)들의 온도를 원하는 온도로 냉각시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 플레이트부(310)의 개수를 N 개라 하고, 그중 상류 구간(Du)에 위치하는 플레이트부(310)의 개수를 K 개라 한다. 즉, 상류 구간(Du)에 K 개의 플레이트부(310)가 나열되고, 하류 구간(Dd)에 N-K 개의 플레이트부(310)가 나열된다.

플레이트부(310)의 순서는 상류 구간(Du)에서 하류 구간(Dd)으로 향하는 방향을 기준으로 하며, 상류 구간(Du)에서 냉각유체가 가장 먼저 통과하는 첫번째 플레이트부를 제1플레이트부(#1)라고 하고, 상류 구간(Du)에서 냉각유체가 가장 나중에 통과하는 K번째 플레이트부를 제K플레이트부(#K)라고 한다. 하류 구간(Dd)에서 냉각유체가 가장 먼저 통과하는 K+1번째 플레이트부를 제K+1플레이트부(#K+1)라 하고, 하류 구간(Dd)에서 냉각유체가 N-1-K번째로 통과하는 플레이트부를 제N-1플레이트부(#N-1)라 하고, 하류 구간(Dd)에서 냉각유체가 가장 나중에 통과하는 N번째 플레이트부를 제N플레이트부(#N)라 한다. 제K플레이트부(#K)는 후술하는 기준 플레이트로서, 상류 구간(Du)에 연통하고, 상류 구간(Du)을 통해 냉각유체를 유입 및 배출할 수 있다.

입구 헤더부(320)는 제1 방향(X)으로 연장될 수 있다. 입구 헤더부(320)는 제1 방향(X)의 길이가 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)의 직경보다 클 수 있다. 그리고 입구 헤더부(320)는 직경이 플레이트부(310)의 폭보다 작고, 플레이트부(310)의 두께보다 클 수 있다. 이때, 입구 헤더부(320)의 길이는 수ｍ 일 수 있고, 직경은 수십㎜ 일 수 있다.

입구 헤더부(320)는 복수개의 플레이트부(310)의 상측에 위치할 수 있다. 입구 헤더부(320)는 플레이트부(310)들의 일단부와 접촉 및 연통할 수 있다. 입구 헤더부(320)는 상류측 단부가 냉각유체 순환부(340)와 연결될 수 있다. 상류측 단부를 좌측 단부라고 할 수도 있다.

입구 헤더부(320)는 냉각유체 순환부(340)로부터 냉각유체를 공급받고, 이를 복수개의 플레이트부(310)에 공급할 수 있다. 여기서, 냉각유체의 흐름을 기준으로 하여, 입구 헤더부(320)는 상류 구간(Du)의 단면적이 하류 구간(Dd)의 단면적보다 작다. 이러한 구조에 의하여, 입구 헤더부(320)의 내부를 흐르는 냉각유체는 상류 구간(Du)에서 유동 압력을 다소 낮출 수 있고, 하류 구간(Dd)에서 유동 압력을 다소 회복할 수 있다. 한편, 단면적은 입구 헤더부(320)의 내부에서 냉각유체가 흐르는 방향인 제1 방향(X)과 교차하는 단면 예컨대 횡단면의 유동 단면적을 의미한다.

출구 헤더부(330)는 제1 방향(X)으로 연장될 수 있다. 출구 헤더부(330)는 제1 방향(X)의 길이가 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)의 직경보다 클 수 있다. 그리고 출구 헤더부(330)는 직경이 플레이트부(310)의 폭보다 작고, 플레이트부(310)의 두께보다 클 수 있다. 이때, 출구 헤더부(320)의 길이는 수ｍ 일 수 있고, 직경은 수십㎜ 일 수 있다.

출구 헤더부(330)는 입구 헤더부(320)와 제2 방향(Y)으로 서로 이격될 수 있다. 출구 헤더부(330)는 복수개의 플레이트부(310)의 하측에 위치할 수 있다. 출구 헤더부(330)는 플레이트부(310)들의 타단부와 접촉 및 연통할 수 있다. 출구 헤더부(330)는 하류측 단부가 냉각유체 순환부(340)와 연결될 수 있다. 하류측 단부를 우측 단부라고 할 수도 있다.

출구 헤더부(330)는 복수개의 플레이트부(310)에서 배출되는 냉각유체를 회수하여 냉각유체 순환부(340)로 공급할 수 있다. 이때, 냉각유체의 흐름을 기준으로, 출구 헤더부(330)는 상류 구간(Du)의 단면적이 하류 구간(Dd)의 단면적보다 크다. 이때, 단면적은 출구 헤더부(330)의 내부에서 냉각유체가 흐르는 방향인 제1 방향(X)과 교차하는 단면 예컨대 횡단면의 유동 단면적을 의미한다.

이러한 구조에 의하여, 출구 헤더부(330)의 내부를 흐르는 냉각유체는 상류 구간(Du)에서 유동 압력을 상대적으로 높일 수 있고, 하류 구간(Dd)에서 유동 압력을 상대적으로 낮출 수 있다.

입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 구조가 상술한 바와 같이 형성됨에 따라, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)를 통하여, 냉각유체를 복수개의 플레이트부(310)에 비교적 균일하게 분기시켜 공급할 수 있다. 따라서, 복수개의 플레이트부(310) 간의 유량 편차를 최소화할 수 있다.

복수개의 플레이트부(310) 간의 유량 편차가 최소화 되면, 복수개의 플레이트부(310)에 의해 냉각되는 송수신 소자(21)들의 온도 분포가 음의 포물선 형상에 부합할 수 있고, 송수신 소자(21)들의 온도가 기준 온도보다 낮을 수 있고, 송수신 소자(21)들의 온도 편차가 기준 온도 편차보다 낮을 수 있다. 이에, 복수개의 송수신 소자(21)가 안정적으로 작동하여, 복사 소자(10)들의 실제 빔 방사 각도를 원하는 빔 방사 각도로 안정적으로 제어할 수 있다.

상술한 상류 구간(Du) 및 하류 구간(Dd)은 기준 플레이트를 기준으로 정의될 수 있다. 우선, 기준 플레이트를 정하는 과정은 다음과 같다.

입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 단면적이 제1 방향(X)으로 일정하다고 가정한다. 입구 헤더부(320)와 출구 헤더부(330)를 통하여 복수개의 플레이트부(310)로 냉각유체를 공급하는 동안, 복수개의 플레이트부(310) 각각의 내부를 흐르는 냉각유체의 유량값을 구한다. 구체적으로, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 단면적이 제1 방향(X)으로 일정한 비교 예에 따른 방열 장치를 모델링하고, 소정의 해석 조건을 입력한 후, 전산유체역학을 이용하여, 복수개의 플레이트부(310) 각각의 내부를 흐르는 냉각유체의 유량값을 구한다. 그리고 구해진 유량값이 중간값에 가장 가까운 플레이트부를 기준 플레이트로 정한다.

이처럼 본 발명의 실시 예에서는 단순히 구조적 혹은 기하적으로 가운데 플레이트부를 기준 플레이트로 정하는 것이 아니고, 냉각유체의 흐름을 고려하여 기준 플레이트를 정한다. 이에, 냉각유체를 최대한 균일하게 분배하기 위한 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 구조 설계를 원활하게 수행할 수 있다.

기준 플레이트를 정하면, 상류 구간(Du)과 하류 구간(Dd)을 정의할 수 있다. 구체적으로, 기준 플레이트와 그 다음 플레이트 사이의 소정 구간을 중류 구간(Dm)으로 정한다. 이때, 다음 플레이트는 기준 플레이트에서 냉각유체가 흐르는 방향으로 이격된 플레이트부들 중 기준 플레이트와 가장 가까운 플레이트부를 의미한다.

그 다음에, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 상류측 단부에서 중류 구간(Dm) 이전까지를 상류 구간(Du)으로 정한다. 또한, 중류 구간(Dm) 이후부터 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 하류측 단부까지를 하류 구간(Dd)으로 정한다. 중류 구간(Dm)은 디퓨저 형상일 수 있다. 물론, 그 형상은 다양할 수 있다.

입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330) 각각의 상류 구간(Du)의 단면적과 하류 구간(Dd)의 단면적의 크기 관계에 따라, 복수개의 플레이트부(310)로의 후술하는 유량 분배의 정도가 달라질 수 있다.

예컨대 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 기준 단면적의 크기를 D 라고 하면, 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)의 상류 구간(Du)의 단면적의 크기는 D 와 같고, 하류 구간(Dd)의 단면적의 크기는 D 보다 클 수 있다. 더욱 상세하게는, 하류 구간(Dd)의 단면적의 크기는 1.6D 일 수 있다.

또는, 상술한 기준 단면적의 크기를 D 라고 하면, 상류 구간(Du)의 단면적의 크기는 D 보다 작고, 하류 구간(Dd)의 단면적의 크기는 D 보다 클 수 있다. 구체적으로, 각각의 단면적의 크기는 0.8D 및 1.6D 일 수 있다.

여기서, 기준 단면적의 크기 D는 복수개의 플레이트부(310) 각각의 단일 유로(320)의 유동 단면적을 합하여 산출된 값과 같을 수 있다. 이를테면 기준 단면적의 크기 D는 복수개의 플레이트부(310)에 각기 마련된 단일 유로(320)들의 유동 단면적의 총합과 같다.

상술한 크기 관계에 의해, 복수개의 플레이트부(310) 간의 유량 분배의 정도가 0에 가까워질 수 있다. 이때, 복수개의 플레이트부(310)에 냉각유체가 균일하게 분배될수록 유량 분배의 정도가 0에 가까워지고, 복수개의 플레이트부(310)에 냉각유체가 선형적으로 차등 분배될수록 유량 분배의 정도가 0에서 멀어진다. 즉, 복수개의 플레이트부(310)에 냉각유체가 최대한 균일하게 분배될 수 있다.

냉각유체 순환부(340)는 입구 헤더부(320) 및 출구 헤더부(330)를 통해, 플레이트부(310)에 냉각유체를 공급하고, 플레이트부(310)에서 냉각유체를 회수할 수 있다. 냉각유체 순환부(340)는, 냉각유체를 유입받아서 원하는 온도로 냉각시키고, 이를 다시 방출할 수 있는 냉각기(341), 냉각기(341)에서 방출되는 냉각유체를 입구 헤더부(320)로 공급하는 공급기(342), 출구 헤더부(330)로부터 냉각유체를 회수하여 냉각기(341)에 유입시키는 회수기(343), 냉각기(341)와 공급기(342) 및 회수기(343)를 연결시키고, 냉각유체의 전체 흐름을 제어하는 로터리 조인트(344)를 포함할 수 있다. 냉각유체 순환부(340)의 구성과 방식은 이 외에도 다양할 수 있다.

냉각유체는 송수신 소자(21)를 원활하게 냉각시킬 수 있는 각종 냉매를 포함할 수 있다. 냉각유체의 성분은 부동액을 포함할 수 있다. 이때, 부동액은 에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다. 즉, 냉각유체는 에틸렌 글리콜 수용액일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 냉각유체는 냉각유체 순환부(340)를 통하여 입구 헤더부(320)로 유입된 후, 입구 헤더부(320)에서 각 플레이트부(310)로 적절히 분기되고, 단일 유로(312)를 지나며 송수신 소자(21)로부터 열을 회수한다. 그리고 냉각유체는 출구 헤더부(330)를 통하여 냉각유체 순환부(340)로 회수된 후, 냉각되어 다시 입구 헤더부(320)로 유입된다. 방열 장치(300)는 이를 반복하여 방열 기능을 수행할 수 있다.

도 7 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 예비설계 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 16 내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 최적화설계 과정을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 19 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 열해석 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도 1 내지 도 23을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 설계 방법('능동형 안테나를 위한 방열 설계 방법'이라고도 한다)을 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 방열 장치의 설계 방법은, 설계 목표를 결정하는 과정, 발열원 방열을 위한 플레이트부를 형상 설계하고, 형상 설계된 플레이트부의 성능을 수치 해석하고, 그 결과에 따라 플레이트부의 형상을 결정하는 예비설계 과정, 냉각유체 순환을 위한 헤더부를 형상 설계하고, 형상 설계된 헤더부의 성능을 수치 해석하고, 그 결과에 따라 헤더부의 형상을 결정하는 최적화설계 과정, 및 형상 결정된 플레이트부 및 헤더부의 성능을 수치 해석하고, 그 결과를 설계 목표와 대비하는 열해석 과정을 포함한다.

설계 목표를 결정한다. 구체적으로, 능동형 안테나(1)의 원활한 임무 수행을 위한 열적 요구 조건을 설계 목표로 결정한다.

액체냉각 방식의 경우, 냉각유체의 온도 및 유량과 같은 물리적 특성에 따라 발열원의 방열온도가 민감하게 반응하므로, 열적 요구 조건이 정확해야 한다.

열적 요구 조건의 예시를 아래의 표 1에 기재하였다.

	Requirements	Remarks
Max. Temp.	＜Ｔ℃	Max. Temp. of Chips
ΔＴ	＜ΔＴ℃	Max. Temp. － Min. Temp.
Temperature distribution Shape	Negative Parabola

표 1을 참조하면, 송수신 소자(21)들의 온도가 기준 온도보다 낮은 조건, 송수신 소자(21)들의 온도 편차가 기준 온도 편차보다 낮은 조건, 송수신 소자(21)들의 온도 분포가 음의 포물선 형상에 부합하는 조건을 설계 목표로 결정한다.

방열 장치(300)는 이러한 열적 요구 조건을 만족할 수 있도록 설계된다.

기준 온도는 정상 동작이 가능한 송수신 소자(21)의 온도들 중, 최고 온도를 의미한다. 기준 온도를 요구 온도라고도 한다. 기준 온도 편차는 정상 동작이 가능한 송수신 소자(21)의 온도들 중, 최고 온도와 최저 온도의 편차를 의미한다. 기준 온도 편차를 요구 온도 편차라고도 한다.

온도 분포는 복수개의 플레이트부(310)의 순서를 가로 축으로 하고, 각각의 플레이트부(310)에서 복수개의 송수신 소자(21)들 중 선택된 주요 소자들의 온도를 세로 축으로 하여, 2차원 그래프를 도시하였을 때, 그래프의 형상을 의미한다.

즉, 복수개의 송수신 소자(21)들 중 선택된 주요 소자들의 온도를 플레이트부(310)가 나열된 방향을 따라서 2차원 그래프로 도시하였을 때의 그래프의 형상이 온도 분포이다.

음의 포물선 형상은 그래프의 형상이 좌우로 대체로 대칭하며, 그 중심부가 위로 볼록하고, 그 주변부가 아래로 볼록한 형상을 의미한다.

이후, 발열원 방열을 위한 플레이트부를 형상 설계하고, 형상 설계된 플레이트부의 성능을 수치 해석하고, 그 결과에 따라 플레이트부의 형상을 결정한다.

능동형 안테나(1)는 정해진 임무에 맞도록 송수신 모듈(20)의 배열이 정해질 수 있다. 미리 정해진 송수신 모듈(20)의 배열을 바탕으로 플레이트부(310)의 외형을 형상 설계한다. 예컨대 두께가 수십㎜ 이고, 폭이 수백㎜ 이고, 길이가 수ｍ 인 사각 플레이트 형상으로 플레이트부(310)를 형상 설계한다.

그리고 송수신 모듈(20)의 배열이 미리 정해지고, 플레이트부(310)의 외형이 형상 설계되면, 플레이트부(310)와 열접촉하는 송수신 모듈(20)의 발열 온도 및 플레이트부(310)가 방열시켜야 하는 열량을 알 수 있고, 또한, 방열에 필요한 냉각유체의 유량을 알 수 있다. 송수신 모듈(20)의 배열 및 방열에 필요한 냉각유체의 유량을 바탕으로 플레이트부(310)의 유로를 형상 설계한다. 예컨대 소정의 유동 단면적을 가지며, 송수신 소자(21)들의 배열 패턴을 따라 복수의 열을 지나가는 유로를 다양하게 형상 설계한다.

형상 설계된 플레이트부(310)의 성능을 수치 해석한다. 이때, 수치 해석은 3 차원 상용 전산 유체 해석 코드인 FLOW-3D v11 을 사용할 수 있다. 수치 해석에서 플레이트부(310)의 열 특성과, 압력 특성을 해석할 수 있다. 이때, 아래와 같은 해석 조건을 사용한다.

도 7은 방열 경로를 보여주는 도면이다. 송수신 소자(21)와 플레이트부(310) 사이의 방열 경로는 회로 기판(23), 열전도성 그리스(미도시), 고출력 증폭기(high power amplifier board carrier, 24), 열전도성 그리스(미도시) 및 하우징(22)으로 형성될 수 있다.

방열 경로의 전체 열 저항은 회로 기판(23), 열전도성 그리스, 고출력 증폭기(high power amplifier board carrier, 24), 열전도성 그리스 및 하우징(22) 각각의 열 저항의 합으로 구할 수 있다.

이때, 열전도성 그리스의 열 저항은 열전도성 그리스의 열전도율 및 열전도성 그리스가 도포된 면적에 반비례하고, 열전도성 그리스의 두께에 비례한다.

한편, 하우징(22)과 플레이트부(310) 사이의 접촉 열저항은 열전달계수 및 접촉 면적에 반비례하고, 접촉면 간극(두께)에 비례한다. 이때, 열전도성 그리스의 열 저항이 하우징(22)과 플레이트부(310) 사이의 접촉 열저항보다 작은 값을 가질 것으로 추측할 수 있다.

정확한 수치 해석을 위하여, 하우징(22)과 플레이트부(310)의 접촉면의 거칠기, 접촉 압력을 반영하여, 실험적으로 접촉 열저항을 도출하였다.

상술한 방식으로 방열 경로의 전체 열 저항을 구하여 수치 해석에 사용한다.

도 8의 (a)는 수치 해석을 위한 전산유체역학 모델(이하 '모델'이라고 한다)의 송수신 모듈 부분을 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 8의 (b)는 모델의 유로 일부를 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 8의 (c)는 모델의 플레이트부 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도면에서 모델의 격자는 도시를 생략하였다.

수치 해석을 위한 전산유체역학 모델을 도 8의 (a), (b) 및 (c)와 같이 모델링한다. 이때, 수치 해석에 적합한 격자수를 확인하기 위해, 모델의 격자수를 바꿔가면서 모델의 열 해석을 수행하여 그 결과로 도출되는 모델의 최고 온도를 도 9와 같이 그래프로 도시하였다.

도 9를 보면, 7백만개 이상의 격자수에서 열 해석 결과가 일정한 값으로 수렴된다. 이에, 본 발명의 실시 예에서는 8백만개의 헥사고날(Hexagonal) 격자를 사용하여 모델링 및 수치 해석을 수행한다.

도 10은 수치 해석에 사용할 경계 조건을 보여주는 도면이다. 수치 해석은 정상 해석을 사용하고, 난류 모델은 κ―ε 모델을 사용한다. κ―ε 모델은 상업적인 열전달 해석분야에서 비교적 정확한 해석결과와 빠른 계산 속도로 광범위하게 사용되는 모델이다.

본 발명의 실시 예에서는, 넓은 3차원 해석 도메인에서 비교적 정확한 해석 결과 및 다양한 케이스 해석, 우수한 수렴성에 적합한 난류모델을 선정하여 해석을 수행한다.

도 11은 수치 해석에 사용된 유로 형상을 나타낸 도면이다. 2Row 는 2열 분기, 3Row 는 3열 분기이고, S 는 S형 단일 유로이다. 케이스 4 및 5에서 15mm 의 수치는 위치 변화를 의미한다. 유로 형상 외의 나머지 경계 조건은 동일하게 하여 수치 해석을 수행한다. 이때, 냉각유체의 종류 및 유로의 위치 변화에 대한 영향을 검토한다. 여기서, 수치 해석에 사용된 냉각유체의 종류는 EGW 60% 용액 및 PAO의 두 종류이다.

도 12 내지 도 15는 상술한 수치 해석의 결과를 보여주는 도면이다.

도 12는 플레이트부(310)상의 송수신 소자(21)들의 온도 분포를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 13 및 도 14는 플레이트부(310)상의 송수신 소자(21)들의 온도들 중 최고 온도, 최고 온도와 최저 온도의 온도 차를 각각 냉각유체의 종류 및 유로 형태, 위치에 따라 구분하여 그래프로 도시한 도면이다.

도 14는 유로의 압력 손실을 냉각유체의 종류 및 유로 형태, 위치에 따라 구분하여 그래프로 도시한 도면이다.

수치 해석에서 도출된 플레이트부(310)의 열 특성과, 압력 특성을 보면, 먼저, 단일 유로가 압력 손실이 가장 크다. 하지만 압력 손실에도 불구하고, 방열 성능은 S형 단일 유로의 경우가 가장 우수하다. 그리고 냉각유체의 종류는 비열이 높은 EGW 60% 용액이 PAO보다 우수함을 알 수 있다. 또한, 냉각 유로의 위치 변화는 방열 성능에 크게 영향을 끼치지 않는 것을 알 수 있다.

따라서, 두께가 수십㎜ 이고, 폭이 수백㎜ 이고, 길이가 수ｍ 인 사각 플레이트 형상이며, 소정 유동 단면적의 S형 단일 유로가 내부에 형성되는 것을 플레이트부(310)의 형상으로 결정한다.

이후, 냉각유체 순환을 위한 헤더부를 형상 설계하고, 형상 설계된 헤더부의 성능을 수치 해석하고, 그 결과에 따라 헤더부의 형상을 결정한다.

송수신 소자(21)의 온도 및 플레이트부(310)가 나열된 방향으로의 송수신 소자(21)의 온도 분포는 능동형 안테나(1)의 성능에 직접적인 영향을 주기 때문에, 플레이트부(310)로의 냉각유체의 유량 분배가 중요하다.

유량 분배해석을 위한 플레이트부(310)의 유동 저항은 3차원 전산유체역학으로 해석하고, 유로 시스템 해석에 1차원 해석을 적용한다. 1차원 해석은 상용 전산유체 해석코드인 FLOW MASTER v8을 사용한다.

도 16은 1차원 해석을 위한 해석 모델이다. 도면부호 41은 입구 헤더부의 형상 및 유량 분배에 의한 압력 손실을 나타내는 해석 요소들이고, 도면부호 42는 플레이트부의 단일 유로를 지나면서 마찰, 유동저항 등에 의한 냉각유체의 압력 손실을 나타내는 해석 요소들이고, 도면부호 43은 출구 헤더부에서 유량이 합류되는 것에 의한 압력 손실을 나타내는 해석 요소들이다. 플레이트부에서의 유동저항은 3차원 해석 결과를 적용하여 해석을 수행한다.

플레이트부에 유입되는 냉각유체의 유량은 플레이트부의 단일 유로의 입구와 출구 압력에 의해 결정된다. 플레이트부의 단일 유로의 입구와 출구 압력을 고려하여 유량을 균일하게 분배할 수 있는 헤더부의 형상을 결정하기 위해, 도 17에 도시된 네 가지의 방식으로 헤더부를 형상 설계한다. 도면의 D는 기준 단면적을 의미하고, 베이직 디자인 및 케이스 1은 본 발명의 비교 예들에 해당하며, 케이스 2 및 케이스 3은 본 발명의 실시 예들에 해당한다. 형상 설계에서 설계 인자는 헤더부의 단면적이다. 헤더부의 단면적은 앞서 설명한 기준 단면적의 값 D를 기준으로, 최소 0.8D에서 최대 1.6D 까지 헤더부의 단면적을 다르게 한다.

헤더부의 형상을 결정하기 위한 목적함수는 아래의 [식 1]과 같다.

[식 1]

여기서, Φ는 유량 분배의 정도를 나타내는 값이고, N 은 플레이트부(310)의 개수, i 는 플레이트부(310)의 순서, Q 는 냉각유체의 유량,

는 입구 헤더부(320)를 통하여 복수개의 플레이트부(310)로 공급되는 냉각유체의 총 유량을 플레이트부(310)의 개수로 나눈 평균 유량이다.

여기서, 목적 함수의 값이 0에 가까울수록 유량 분배가 균일한 것이다.

도 18은 본 발명의 비교 예들과 실시 예들의 모델의 수치 해석의 결과로서, 가로 변은 플레이트부의 순서를 나타내고, 세로 변은 유량을 나타낸다.

도 18을 보면, 비교 예들의 경우에서는 플레이트부의 순서에 따라 유량이 선형적으로 변하는 것을 볼 수 있다. 이러한 경우, 송수신 소자의 온도도 플레이트부의 순서에 따라 선형적으로 달라지기 때문에, 능동형 안테나(1)의 빔 방사각의 큰 오차를 유발할 수 있다.

반면, 실시 예들의 경우, 첫번째 플레이트부의 유량과 마지막 플레이트부의 유량의 차이가 크게 좁혀진 것을 알 수 있다. 즉, 유량 분배가 비교적 균일하게 된 것을 볼 수 있다. 이러한 해석 결과를 바탕으로 본 발명의 실시 예에서는 헤더부의 형상을 도 17에 도시된 케이스 2 및 케이스 3으로 결정한다.

이후, 형상 결정된 플레이트부 및 헤더부의 성능을 수치 해석하고, 그 결과를 설계 목표와 대비한다.

도 19 및 도 20은 형상 결정된 플레이트부 및 헤더부가 적용된 능동형 안테나의 열 해석을 수행하기 위한 수치 해석 모델을 보여주는 도면이다.

상술한 일련의 과정을 통하여 도출된 플레이트부 및 헤더부의 모델 형상과, 상술한 일련의 과정에서 최적화된 유량 조건 등의 해석 조건을 이용하여 수치 해석을 수행하고, 그 결과를 설계 목표와 대비하여 능동형 안테나의 열 성능을 확인한다. 수치 해석에 사용된 계산 격자는 헥사고날 정렬 격자이고 그 수는 약 5350만개이다.

도 21은 비교 예들에 따른 모델 형상과 해석 조건을 사용한 수치 해석의 결과이다. 도 21의 1 row 내지 7 row는 송수신 소자들 중 선택된 주요 소자를 각기 나타낸다. 도 21을 보면, 가로 변에 표현된 플레이트부의 순서에 따라 주요 소자의 온도가 선형적으로 변화함을 확인할 수 있다. 이는, 비교 예의 헤더부 구조는 냉각유체를 각 플레이트부에 균일하게 분배하지 못하기 때문이다.

즉, 비교 예에서는 주요 소자의 온도 분포가 음의 포물선 형상을 이루지 못하고, 선형 성장(linear growth) 형상을 이룬다. 이에, 능동형 안테나(1)의 원하는 빔 방사 각도와 실제 빔 방사 각도 간의 오차가 크게 증가할 수 있다.

반면, 도 22는 실시 예들에 따른 모델 형상과 해석 조건을 사용한 수치 해석의 결과이다. 도 22의 1 row 내지 7 row는 송수신 소자들 중 선택된 주요 소자를 각기 나타낸다. 도 22를 보면, 온도 분포가 음의 포물선 형상을 이루는 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 본 발명의 실시 예의 헤더부 구조에서는 냉각유체가 각 플레이트부에 최대한 균일하게 분배되는 것을 알 수 있다. 이러한 경우, 능동형 안테나(1)의 원하는 빔 방사 각도와 실제 빔 방사 각도 간의 오차를 최소화할 수 있다.

도 23은 상술한 수치 해석 결과를 설계 목표와 대비하여 표로 나타낸 도면이다. 도 23에서 이니셜 디자인은 비교 예를 나타내고, 파이널 디자인은 실시 예를 나타낸다. 도 23을 보면, 비교 예는 송수신 소자(21)들의 온도가 기준 온도보다 낮은 조건, 송수신 소자(21)들의 온도 편차가 기준 온도 편차보다 낮은 조건은 만족하지만, 송수신 소자(21)들의 온도 분포가 음의 포물선 형상에 부합하지 못하는 것을 알 수 있다. 반면, 실시 예는 송수신 소자(21)들의 온도가 기준 온도보다 낮은 조건, 송수신 소자(21)들의 온도 편차가 기준 온도 편차보다 낮은 조건, 송수신 소자(21)들의 온도 분포가 음의 포물선 형상에 부합하는 조건을 모두 만족함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 능동형 안테나(1)의 정상 동작을 위한 요구사항을 고려하여, 각 헤더부와 플레이트부를 설계하고, 수치 해석을 통하여 설계 결과의 적합성을 확인할 수 있다. 그리고 적합성이 확인된 설계 결과를 반영하여 형상이 개선된 헤더부에서 냉각 판의 단일 유로로 냉각유체를 순환시켜 송수신 소자의 열을 방열시키는 액체냉각 방식의 방열 장치(300)를 마련할 수 있다. 그리고 방열 장치(300)를 이용하여 능동형 안테나(1)의 열적 신뢰성을 높이고, 안정적인 임무 수행을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한을 위한 것이 아니다. 본 발명의 상기 실시 예에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 변형될 것이고, 이 같은 변형 예들도 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10: 복사 소자
20: 송수신 모듈
21: 송수신 소자
22: 하우징
300: 방열 장치
310: 플레이트부
320: 입구 헤더부
330: 출구 헤더부
340: 냉각유체 순환부
Du: 상류 구간
Dd: 하류 구간

Claims (13)

1. 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치로서,
   제1 방향으로 나열되고, 제2 방향으로 연장되며, 능동형 안테나의 송수신 소자들과 열적으로 접촉하는 복수개의 플레이트부;
   제1 방향으로 연장되고, 상기 플레이트부의 일단부와 연통하는 입구 헤더부;
   제1 방향으로 연장되고, 상기 플레이트부의 타단부와 연통하는 출구 헤더부;
   상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부를 통해, 상기 플레이트부에 냉각유체를 공급하고, 상기 플레이트부에서 냉각유체를 회수하는 냉각유체 순환부;를 포함하고,
   냉각유체의 흐름을 기준으로,
   상기 입구 헤더부는 상류 구간의 단면적이 하류 구간의 단면적보다 작고, 상기 출구 헤더부는 상류 구간의 단면적이 하류 구간의 단면적보다 크고,
   상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 기준 단면적의 크기를 D 라 할 때, 상기 상류 구간의 단면적의 크기는 D 보다 작고, 상기 하류 구간의 단면적의 크기는 D 보다 크고,
   상기 냉각유체의 성분은 부동액을 포함하고, 상기 플레이트부의 재질은 금속을 포함하고,
   상기 플레이트부는 제1 방향의 양측 면에 상기 송수신 소자들이 배치되고,
   상기 송수신 소자들은 상기 양측 면에 각기 격자 형태로 배열되는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 단면적이 제1 방향으로 일정하다고 가정할 때, 내부를 흐르는 냉각유체의 유량값이 중간값에 가장 가까운 플레이트부를 기준 플레이트라고 하면,
   상기 상류 구간 및 하류 구간은 상기 기준 플레이트를 기준으로 정의되는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기준 플레이트는 상기 상류 구간에 연통하고, 상기 기준 플레이트는 상기 상류 구간을 통하여 냉각유체를 유입 및 배출하는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 격자 형태는 제2 방향 및 제3 방향에 대한 2차원 격자 형태이고,
   상기 격자 형태를 따라, 상기 플레이트부의 내부에 단일 유로가 형성되는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부는 제2 방향으로 이격되고,
   상기 플레이트부는 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 사이에서, 상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부를 제2 방향으로 연결시키는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   제1 방향에 대한, 상기 입구 헤더부의 냉각유체의 흐름 및 상기 출구 헤더부의 냉각유체의 흐름은 같은 방향으로 형성되는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 플레이트부는, 제2 방향의 길이가 제3 방향의 폭보다 크고, 제3 방향의 폭이 제1 방향의 두께보다 큰, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부 각각은, 제1 방향의 길이가 제2 및 제3 방향의 직경보다 큰, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 직경은 상기 플레이트부의 폭보다 작고, 상기 플레이트부의 두께보다 큰, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 부동액은 에틸렌 글리콜을 포함하는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄을 포함하는, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
12. 청구항 1 에 있어서,
    상기 상류 구간 및 하류 구간의 단면적의 크기는 0.8D 및 1.6D 인, 냉각 판이 구비된 능동형 위상배열 안테나의 방열 장치.
13. 자유 공간을 통하여 전파를 송수신하는 복수개의 복사 소자;
    복수개의 하우징에 수용되며, 상기 복사 소자로 급전되는 전파의 크기 및 위상을 제어하는 복수개의 송수신 소자;
    상기 하우징 및 복사 소자에 열적으로 접촉된 청구항 1에 기재된 방열 장치;를 포함하는 능동형 안테나.

Images