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AESA 냉각시스템 - 펠티어 열전소자?

Sheldon Sheldon 5987

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최근 국과연 연구과제로 나온 것 중에,

 

능동배열 안테나의 냉각효율 향상 및 검증방안 연구를 보면 다음과 같은 내용이 적혀 있습니다.

 

 

차세대 능동배열 안테나 냉각방식 비교 및 사례 연구 수냉, 공냉, 열전소자(Thermoelectric cooler),

 

히트파이프 등 냉각방식 및 냉각방식에 따른 효율 비교

 

 

2.jpg

(사진 출처 : http://www.huimao.com/about/show.php?lang=en&id=4)

 

최소의 냉각유체 유량으로 최고의 냉각효율을 낼 수 있는 시스템을 원한다고 하는데,

 

펠티어 소자가 군용품에서 냉각시스템에 적용된 게 AIM-9E에서 적외선 시커의 냉각장치로 활용된 것 뿐인 걸로 알거든요.

 

그래서 항공기용 AESA 레이더의 냉각장치로 펠티어 소자는 어떨지 궁금하네요.

 

효율성이 있을까요?

 

 

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볼츠만 2016.09.18. 16:50
펠티어소자가 왜 실상에서 잘 안쓰이는지 생각해보시면 됩니다. 열은 소멸되는게 아니라 어딘가로 이동합니다. 펠티어소자는 흡열과 동시에 자체 발열이 있습니다. 그리고 발열량은 펠티어가 흡열한 열량보다 언제나 더 많습니다.

펠티어소자를 써도 펠티어소자 발열부를 식히는 히트싱크가 있어야 하죠. 이렇게 되면 AESA소자의 열뿐 아니라 더해러 펠티어소자의 열까지 외부로 배출해야 하죠. 안하느니만 못하죠.

그냥 간단하게 열은 소멸하지 않는다는 사실만 이해하시면 됩니다.
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whitecloud 2016.09.18. 16:53
볼츠만
거기에 펠티어소자가 쿨링이 제대로 안됬을때 소자가 깨진다는 이야기도 있어서... 좀 거시기하죠
eceshim 2016.09.19. 16:17
whitecloud
제 연구실에서 열전소자의 특성을 이용한 flexible 온도차 발전기를 만드는 동남아 친구가 펠티어 가지고 이것저것 하는데. 그냥 겉으로 보면 하얀색 도자기 입니다 -0-a
물론 케이싱이 그렇다는거구요 그 안에는 저기 그림같이 열전소자가 있죠.

저게 잘만하면 냉각 대상 온도를 영하로 떨굴 수 있긴 해서요.
효율은 안 좋지만 그 냉각대상을 냉각시키는건 탁월하긴 합니다.

예전에 골든 떼에구공에 에어컨으로 펠티어를 이용한 소형 에어컨을 만든다는 카더라를 본게 기억아네요(나무 위키였나....)
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Sheldon 글쓴이 2016.09.19. 16:24
eceshim
그거 리그베다 시절부터 적혀있던것 같은데 지금도 아마 적혀있을거에요. 진짠지 아닌지는 모르겠지만.
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Sheldon 글쓴이 2016.09.18. 16:56
볼츠만
그런 문제가 있으면 사실상 별 의미가 없는 쿨링 방식이네요.
헷지호그 2016.09.18. 19:56
뜨거워진 반대편을 잘 식히기만 해도 영하의 온도까지 내릴수 있습니다....만, 전기소모가 어마어마하다는것도 단점이죠. 또 영하로 내려가면 수증기가 응결되서 쇼트나 녹을 발생시킨수 있다는 문제도 있구요
Coral66 2016.09.18. 20:55

볼츠만님의 말씀이 옳읍니다.

다만 첨부한다면, 중요 소자에서 가열되는 것 보다, 다른곳.. 예를 들면 장비의 외각등, 가열되도 상관없는 부분이나, 쉽게 냉각되는 쪽으로 열을 옮기는 것만으로도 가치는 있다고 보입니다.

레이더 정도면, 전력이 고민이 되기는 합니다만, 소자가 GaN쯤 되면, 소자가 버틸수 있는 온도도 높고, 열전냉각기가 내려야 할 온도도 높아서 그럭저럭 고민해 볼만 할것 같읍니다.

 
항상 공간과 비용[전력사용]을 어떻게 균형있게 다루는가가 중요한것 같읍니다.

단순히 매우 작은 영역의 센서 냉각을 생각하고, 전력을 좀 먹어도 좋다고 생각한다면, 열전냉각기는 ~100K까지 빠르게 냉각이 가능합니다. [이경우 진공으로 센서를 pack합니다.]

 

아직은 실제 사용 공간등 여러 사유로 센서 냉각은 스터링 냉각장치가 선호 됩니다. 

 

장기적 관점에서 본다면, 열전냉각기가 미래의 주 냉각장치로 이상적이라고 보입니다. 이상적으로 볼때  빠른 반응을 보이며, 기계 part가 한개도 없으니까요. 

볼츠만 2016.09.18. 21:11
Coral66
사실 GAN의 내열성이 높아도 정작 소자의 서브부품들이 그 정도 열에 버티지 못하는 경우가 많다죠. 특히 전투기 AESA같은 경우는 이런 발열체들이 좁은 공간에 수천개가 몰려있어 참 냉각이 난점이긴 합니다. 냉각장치크기도 제한되고요.

보통 이런 전력용 반도체들이 이렇게까지 집중되서 설치되는 경우는 없는데 어떻게 해결할지 궁금하긴 합니다.

열전도를 높힌 나노유체등이 연구되고 있긴 한데 크리티컬하게 큰 향상은 아니라 채택된경우는 많지 않죠.
Coral66 2016.09.21. 02:45
볼츠만
일단, 냉각/가열이라는 현상은 열을 어디론가 옮기는 것입니다.

내가 원하는 소자를 냉각하고자 하면, 소자에서 나오는 열을 효과적으로/빠르게 빼내에서 무었이던지 매체를 이용하여 어디론가 멀리 옮겨야 합니다. ,

여러 문제로 칲 자체에 냉각 장치를 달 방법이 애매 합니다. - 일단 돈이 더 들것 같읍니다.

반도체 실험 하듯이 액체 헬륨속에 그냥 담구는 것도 좋지만, 이것은 아니고..

열전소자는 효율적인 열교환 장치 (예 팬+핀, 냉각수+열교환기 .. 뭐든지.. 액체 나트륨? - 농담입니다.) 와 소자간에 중간에 장착되서 냉각 효율을 올리는데 사용하는 방법이 좋습니다.

소자를 곧바로 핀+팬에 연결하는 것 보다. 소자/열전소자/핀+팬이 효율이 더 좋읍니다.

위에서 전력이 부가적으로 더 든다고 한 말이 이것 때문입니다.

열전소자를 냉각기로 보시기 보다, 열펌프로 보면 더 정확하게 이해가 가능합니다.

나노 유체(열교환 물질)까지 열이 빨리 전달 되려면, 일단 열펌프가 있으면 아무래도 좋읍니다.

물론 소자가 고열을 버텨서 열펌프가 없이 자연적인 diffusion으로 열교환 장치에 전달 되서 냉각을 하더라도 충분히 문제 없이 돌면 더 좋죠.
Ya펭귄 2016.09.19. 16:07
열전이요.... 그거 냉각효율 측면에서는 극악의 방식으로 알고 있는데요....

예를 들어 100W의 열량을 퍼내기 위해서 때려박아야 하는 전력이 200W라는 식으로......

그래서 기존방식으로 도무지 답 안나오는 경우 말고는 잘 안쓰는 방식이라고....
eceshim 2016.09.19. 16:19
Ya펭귄
지속적으로 고출력을 내뿜고 열을 무지막지하게 방출하는데 공간은 좁은 전투기에는 나름 쓸만해 보입니다. 다만 말씀대로 전기를 얼마나 퍼마시는지가 관건이네요 -0-a
볼츠만 2016.09.19. 16:39
eceshim
아뇨. 그반대입니다. 아주 잠깐동안-그러니까 미사일시커냉각에나 쓰죠-쓸 수 있을 뿐 몇시간동안 켜놓는 레이더의 열을 다 옮기겠어요?


그장비로 소자의 열을 빼놓아도 펠티어 반대측 발열부에는 계속 열이 누적되어 사용할 수 없는 지경에 이르릅니다.

결국 그 펠티어를 냉각시키기 위한 장비를 꾸려야하죠. 그럴바에는 그 냉각장치로 레이더소자를 직접 냉각시키는게 낫죠.
eceshim 2016.09.19. 16:48
볼츠만
아 그런가요 -0-a
예전 컴퓨터 덕후질 할때 해외 컴덕후가 CPU 위에 서멀 구리스 좋은거 펴바르고 펠티어 붙인 뒤에 발열부에 수냉 쿨러를 붙여서 미친듯이 오버 클럭질 한적이 있어서 비슷한 사례로 생각했거든요
자칭 액화 질소 냉각에 버금가는 냉각을 할 수있다고 우겻거든요.
Coral66 2016.09.21. 02:50
볼츠만
그냥 냉각 장치로 열을 빼는 것보다, 열전+냉각 장치가 더 빠르게 열을 뺍니다.
eceshim 2016.09.19. 16:46

https://youtu.be/JWQZNXEKkaU

 

예전에 산디아랩에서 만든 좀 흉악한 공랭쿨러가 생각나네요. 

방열판이랑 냉각팬이랑 합쳐서 냉각시키는거라서 냉각 장치 크기가 확 줄었다네요. 

냉각 대상물과 무슨 미세 공기 유동 박막이라던가(관련 전공자가 아닌지라 ^^a)가 냉각중에 하여튼 형성이 되서 방열판 자체가 휘리릭 돌아도 냉각이 된다고 하네요. 

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Sheldon 글쓴이 2016.09.19. 16:48
eceshim
아 저거 봤어요. 저거 상용화 준비한다고 들었는데.
eceshim 2016.09.19. 16:50
Sheldon

세상 흉악한거 잘만드는 산디아 랩이죠 -0-
미 국방부 산하 연구소였나 그렇습니다.
MEMS 관성 센서 관련으로 초기에 여기서 논문이랑 소자가 자주 나와서 본게 기억나네요

캬 역시 유동해석 시뮬레이터로 ANSYS~~ 여기는 그거까지 마련해줄(?)돈은 없는지 COMSOL 쓰는데 ㅇㅅㅇa

(네임드 교수님도 논문 본다고 시간낭비하지말고 실험실에 틀어박혀 있으라고 들들들 볶는 곳인지라)

Coral66 2016.09.21. 02:29
eceshim
COMSOL이면 훌륭하죠...

물론 1자전승로 내려오는 code를 받아서 수정 한것이지만, fortran으로 2D diffusion 방정식을 FEM으로 코딩도 해봤는데요..

FEMLAB + Matlab이 나왔을때 너무 좋았어요.
hama 2016.10.03. 16:42
eceshim
"네임드 교수님도 논문 본다고 시간낭비하지말고 실험실에 틀어박혀 있으라고 들들들 볶는 곳인지라"...
논문을 보는것은 원생의 기본 생활인데...
매일 논문을 읽지 않는다면 눈에 가시가 돋는다는 분위기로 예전 선생님들은 논문들을 보라 말씀 하셨는데, 요즘은 분위기가 다른가보죠?
eceshim 2016.10.03. 16:46
hama
아 그게 MEMS라서요....(저는 지금 한국이 아니라 일본입니다)
니가 보는 논문에 나온 대로 여기서 해봐야 안되기 때문에 그런거 볼시간에 공정장비 붙잡고 너만의 레시피로 소자를 만들어서 논문을 써라.
라고 하시네요
hama 2016.10.03. 16:58
eceshim
MEMS라면 어느정도 이해도 되는군요.
잡학다식이 대답없는 공부할때 도움이 될지도 모르겠어요.
전공분야와 관련이 없어도 비슷한 문제를 다른 전공분야에선 다르게 접근하는게 도움이 많이 되거든요.
전공이시니 저 보다는 더 잘 아시겠지만 ...
예를 들어 MEMS에서 micro fluid에 관심 있다면 화학계통에서 관련된 논문들을 찾아 본다든지... 아님 생물학 계통에서 유사한걸 찾아 본다든지 ...
선생님께서 자부심이 많으시고 학생들의 능력을 많이 믿으시는듯 합니다.
eceshim 2016.10.03. 17:07
hama
저도 전자과였다가 어쩌다가 기계과에서 초음파 소자 만드는데
재료공학,동역학을 공부해야되서 환장하겟네요
특히 수학이 대부분 편미분 방정식을 사용해서 만만치 않네요
입학시험때 참 고생해서 그나마 좀 이해가 되네요

바이오 MEMS 하는 애들은 반쯤 생물과 도사도라구요. 저도 저정도 되야 하는데 갈길이 머네요 ㅠ^ㅠ
eceshim 2016.09.19. 16:52
Sheldon
근데 단점이 있다면 저거 2000rpm 이상 돌아가다보니 고주파 음이 좀 거슬리네요.
N/MD 2016.09.20. 15:43
펠티어 냉각방식은 접촉부에 수증기가 응결하는 단점이 있어 어렵지 않을까 싶습니다...
fatman1000 2016.09.23. 17:59
- AESA 레이더 안테너의 발열특성에 따라서 펠티어 소자가 효과가 있을 수도 있고, 아닐 수도 있겠지요. 예를 들면, 냉각팬으로도 충분히 냉각이 가능하다면 펠티어 소자는 그냥 있으니 본다는 이상의 의미를 가지기 힘들지만, 따지고 보니 냉각팬 달기도 어렵고, 그렇다고 수랭식으로 냉각하기도 쉽지 않게 된다 이렇게 펠티어 소자를 상당히 심각하게 고민을 할 가능성이 높지요. 그래도, 어지간하면 기존 냉각방식을 사용할 가능성이 높겠지만 말입니다.

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