대형 레이다 시스템은 안보에 매우 중요하며 군에도 적을 탐지하고 공격하는 데에 중요한 역할을 제공한다.
탐지 거리 증가에 대한 요구는 더 많은 전자를 요구하며 이는 열적 소모를 가져오고 설계자들에게는 주요 도전적인 과제가 된다.
여기서는 SWaP(Size, Weight, and Power)를 염두에 두고 열적 수용 능력을 확장시킬 수 있는 몇 가지의 현실적인 방법에 대해 얘기한다.
도입
대형의 레이다 시스템에서의 방열 설계는 매우 복잡하다.
수십에서 수백 kW에 이르는 열적 손실은 주로 안테나와 제어 시스템의 개별적인 전자장치에서 발생한다.
이러한 문제는 기계적인 요구사항(차량에 장착 또는 탐지 범위 확대를 위한 회전이나 움직임 요구)과 환경적인 요구사항(넓은 범위의 운용 온도, MIL-STD-810G 요구사항 등)이 추가될 때에 더 커진다.
그렇기 때문에 열 제어 시스템은 강건하고 고성능이어야 한다.
기술적인 옵션을 세분화하기 위해서 전체 TMS(Thermal Management Systme)는 local과 high-heat flux electronics(즉, 시스템 액체 루프), 그리고 궁극적인 heat-rejection 시스템의 세 가지 영역에서 시험되어야 한다.
지역적 열 유속(local heat-flux) 관리
개별 전자장치는 레이다 기능의 핵심이다.
전자장치와 전력 증폭기가 전력 밀도를 증가시킴에 따라 더욱 발전된 열 분산의 요구는 중요해진다.
대부분 문제는 차세대 열적 어셈블리(여기서는 액체 루프)로 고효율 열 전달을 통해 지역적 열 유속(heat flux)을 관리하는 것이다.
알루미늄 스프레더(spreader)는 무게와 생산성 측면에서 많이 사용된다.
그러나 약 180 W/m-K 열 전도성(k)까지로 열 전도에 제한이 있다.
낮은 k 값은 지역적인 핫 스팟을 가져오고 열이 주 냉각 시스템에 도달하기 이전에 고장을 일으킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 수동적인 2상(two-phase) 열전도를 고려할 수 있다.
기화의 숨은 열을 이용하여 금속 전도보다 수 배 이상 빠른 열전도를 달성할 수 있는 것이다.
Rugged 시스템에서 가장 흔한 수동형 2상 열 전도 장치는 heat pipe 내에 포함된다.
Heap pipe는 closed-loop 장치이며 중요 전자장치 근처에 만들어지고 유체 기화를 촉진한다.
이러한 영역은 증발기(evaporator)로 알려져 있다.
여기서부터 내부 압력 경사가 생성되며 빠르게 유체 증기를 heat pipe의 더 차가운 영역으로 이동시킨다.
유체는 시스템의 방열판에 연결된 응축기에서 숨어 있는 열을 방출한다.
내부 중심 구조는 모세관 힘을 이용하여 유체를 증발기 영역으로 보내게 된다.
Heat pipe가 열 spreader 구조 내부에 설치된 경우, 이를 고열 전도 플레이트라 부른다.
이러한 구조의 실제적인 예는 위의 그림과 같이 레이다 시스템에 적용된다.
위 그림의 경우는 몇 개의 heat pipe가 전략적으로 위치하고 있으며 T자형으로 수직으로 설계되었다.
장착 프레임의 바닥면은 더 높은 수준의 냉각장치와 연결되며 개별의 전자장치는 수직면에 장착된다.
성능 측면에서 이 냉각 플레이트는 길이에 따라 500에서 1,200 W/m-K 범위의 유효성을 입증하였다.
또한, 이러한 기술을 적용하여 무게나 구조적 강도, 그리고 전력 소모가 거의 없으며 긴 수명시간을 가질 수 있다. 는다는 것이다.
시스템 레벨의 열 유속 관리
지역적 열 분산 개선 방안이 결정되었으면 다음 순서는 시스템 레벨에서의 열 전도성을 시험하는 것이다.
대형 시스템의 경우에, 기본 설계는 단상(single-phase) 액체 루프이다.
공기 냉각이 저전력 시스템에서 많이 사용되지만 이 경우에는 열을 배출하고 환경적 요구도를 만족하기 위해서 액체 냉각 시스템이 요구된다.
방산 응용 분야에서 glycol-water 유체는 흔하게 사용되며 열적 성능이 우수하고 다양한 통합분야에서 사용된다.
단상 유체는 많은 장점을 가지고 있고 현장에서도 많이 사용되고 있지만, 더 고성능을 위한 방법은 펌프 2상(pumped two-phase) 방법이다.
앞에서의 heat pipe와 같이 이 기술은 유체의 숨은 열 위상의 장점을 이용하는 2상 열전도를 사용한다.
이것은 아래의 그림과 같이 단상 설계와 구조나 구성이 유사하지만 전력 소모와 전체 질량은 더 낮다.
많은 경우에서 특히, 위상 배열 레이다의 경우에 시스템의 전자장치 전체는 일정한 온도를 유지하는 것이 필요하다.
이를 통해 레이다 시스템의 신뢰성과 성능을 보장할 수 있다.
P2P(Pumped two-Phase) 시스템은 2상 열 전도를 하기 때문에 단상 냉각 방식보다 더욱 정밀한 등온 성능을 확보할 수 있다.
단상 시스템에서 열은 유체 내부로 들어가 유체의 온도가 상승한다.
이는 다음의 mass flow 방정식 1으로 입증된다.
Q =ṁCp∆T Equation 1
여기서 전력(Q)이 증가하면 안쪽과 바깥쪽간의 온도 차이(∆T)가 증가하며 유체 특성과 유속은 일정하다고 가정한다.
그러므로 온도의 일정함을 유지하기 위해서 유체의 유속은 반드시 증가해야 하며 이는 더 큰 펌프와 더 높은 압력을 요구하고 결국 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다.
이와는 반대로 P2P 시스템에서는 온도가 기화의 숨은열에서 흡수되고 열이 유체 속으로 들어감에 따라 유체의 품질이 조정된다.
또한 이 시스템에서의 유체의 유속은 성능을 결정짓는 요소가 아니기 때문에 시스템의 크기는 낮은 유속에 맞혀질 수 있고 궁극적으로 작고 가볍게 시스템을 만들 수 있다.
게다가 P2P 시스템은 유전체 동작 유체를 사용할 수 있고 모듈식 설계와 기존의 유체 루프보다 더 높은 열 유속을 감당할 수 있는 등의 부가적인 장점이 있다.
그래서 이러한 시스템은 레이다와 지향성 에너지, 그리고 고전력의 전자장치 응용분야에 사용된다.
열 제거 (Heat Rejection)시스템
효과적인 열 제어 시스템의 마지막 요소는 온도를 제어하고 열을 제거하는 것이다.
많은 상온 이상에서의 독립적인 P2P 시스템은 유체를 제어하고 공기 열 제거와 통합되는 기능을 제공하지만 대부분의 군사 응용에서는 상온보다 낮은 냉각 온도를 요구한다.
유체를 미리 식히기 위해서 증기 압축 기술을 이용한 액체 냉각기가 종종 사용된다.
이렇게 차가워진 액체는 시스템의 액체 루프에 직접 제공되거나 액체를 이용한 열 교환기에 제공된다.
이러한 냉각 시스템의 과제는 가혹한 환경조건이 주어지며 따라서 독특하고 견고한 설계가 고려되어야 한다는 것이다.
압축기, 레디에이터, 펜, 그리고 제어 전자장치는 모두 충격과 진동, 그리고 군사 환경의 기후 조건을 만족해야 한다.
실전 배치된 냉각 시스템의 한 예로 Tekgard 냉각 시스템이 있으며 이 시스템은 8에서 24kW까지 범위의 용량을 갖는다.
아래는 가혹한 환경에서 사용할 수 있게 만들어 실제 배치된 Ku 대역의 KuRFS(Ku-band Radio Frequency System)이며 여기에 Tekgard 냉각 시스템이 적용되었다.
KuRFS는 접근하는 적의 드론이나 로켓, 대공포등을 360° 범위로 탐지하는 레이다 시스템이다.
열 관리는 레이다 시스템의 성능을 유지하고 시스템 수명을 확장할 수 있는 아주 중요한 요소이다.
기존의 냉각 시스템에 도전적인 요구도들이 많아짐에 따라 용량을 증가시키면서 시스템의 SWaP을 유지하거나 줄이는 것이 반드시 필요하다.
출처 : Military Embedded Systems
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