KR102638214B1

KR102638214B1 - 냉각 장치 및 안테나 장비

Info

Publication number: KR102638214B1
Application number: KR1020230093770A
Authority: KR
Inventors: 허재훈; 이주현; 윤세진
Original assignee: 한화시스템 주식회사
Priority date: 2023-07-19
Filing date: 2023-07-19
Publication date: 2024-02-19

Abstract

본 발명은 냉각 장치 및 안테나 장비에 관한 것으로, 전자 모듈을 냉각시키기 위한 냉각 장치로서, 상기 전자 모듈을 지지하여 냉각시킬 수 있으며, 냉각 유체를 통과시킬 수 있는 냉각부: 상기 전자 모듈의 냉각으로 흡수된 열에 의해 기화될 수 있는 냉각 매체를 내부에 구비하고, 상기 냉각부와 접촉하는 열전달부; 및 상기 냉각 유체가 접촉될 수 있도록 상기 냉각부에 설치되는 방열부;를 포함하고, 소자에서 발생되는 열을 효율적으로 방열시키고, 냉각시킬 수 있다.

Description

냉각 장치 및 안테나 장비{Cooling device and antenna apparatus}

본 발명은 냉각 장치 및 안테나 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열 소자가 실장된 전자 모듈을 냉각시키기 위한 냉각 장치 및 안테나 장비에 관한 것이다.

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

반도체 기술의 발전과 함께 안테나도 고성능화 및 소형화되고 있다. 최근의 무기 체계용 안테나 장비는 반도체 기술을 이용하여 송수신 모듈을 제작함으로써 기존의 무기 체계용 안테나 장비에 비해 성능이 우수하고, 경량화되고 있다. 이러한 안테나 장비는 송수신 모듈에 고성능 및 고발열의 소자들이 존재하기 때문에 송수신 모듈의 단위 면적당 발열량이 크다. 따라서 안테나 장비의 성능 유지하기 위해서 발열 소자들이 적정한 온도 범위에서 동작할 수 있도록 하여야 한다.

KR

10-1175976

B

본 발명은 전자 모듈의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 장치 및 안테나 장비를 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 냉각 장치는, 전자 모듈을 냉각시키기 위한 냉각 장치로서, 상기 전자 모듈을 지지하여 냉각시킬 수 있으며, 냉각 유체를 통과시킬 수 있는 냉각부: 상기 전자 모듈의 냉각으로 흡수된 열에 의해 기화될 수 있는 냉각 매체를 내부에 구비하고, 상기 냉각부와 접촉하는 열전달부; 및 상기 냉각 유체가 접촉될 수 있도록 상기 냉각부에 설치되는 방열부;를 포함할 수 있다.

상기 냉각부는, 내부에 상기 냉각 유체를 통과시키기 위한 통로를 가지며, 외면에 상기 전자 모듈을 지지시킬 수 있다.

상기 통로는, 일방향으로 연장되고, 상기 열전달부는, 상기 통로가 연장되는 방향으로 연장될 수 있다.

상기 열전달부는, 냉각 매체를 수용하기 위한 밀폐 공간과, 상기 냉각부와 접촉되는 접촉면을 가질 수 있다.

상기 열전달부는, 액체 상태의 냉각 매체를 수용할 수 있는 제1영역; 및 상기 제1영역에서 가열되어 기화되는 냉각 매체를 수용할 수 있는 제2영역;을 포함할 수 있다.

상기 냉각 매체는, 상기 전자 모듈에 실장된 발열 소자의 작동 온도 범위보다 낮은 비등점을 가지는 액체 물질을 포함하고, 상기 냉각 유체는, 상기 냉각 매체의 비등점보다 높은 비등점을 가지는 기체 및 액체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 방열부는, 상기 통로가 연장되는 방향으로 연장되고, 상기 열전달부 및 상기 냉각부와 서로 연결될 수 있다.

상기 방열부는, 상기 냉각 유체를 통과시킬 수 있는 구멍 및 홈 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 홈은 상기 통로가 연장되는 방향으로 연장될 수 있다.

상기 냉각부, 상기 열전달부 및 상기 방열부는, 3D 프린팅에 의해 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 안테나 장비는, 안테나 장비로서, 신호를 송수신하기 위한 송수신면과, 내부 공간을 가지는 하우징부; 상기 하우징부의 내부에 설치되는 상기 냉각 장치; 상기 냉각 장치에 설치되는 전자 모듈; 및 상기 내부 공간을 폐쇄하도록 상기 하우징부에 연결되는 커버부;를 포함할 수 있다.

상기 하우징부는, 플레이트 형상으로 형성되는 베이스와, 상기 베이스의 면방향에 대해서 교차하는 방향으로 연장되도록 상기 베이스의 가장자리에 연결되는 벽체를 포함하고, 상기 커버부는 상기 베이스와 마주보도록 상기 벽체에 설치되며, 상기 벽체는, 상기 냉각 장치의 통로로 상기 냉각 유체를 유입시키기 위한 유입구와, 상기 통로에서 상기 냉각 유체를 배출시키기 위한 배출구를 포함할 수 있다.

상기 베이스, 상기 벽체 및 상기 커버 중 적어도 하나는 에어 포켓을 포함할 수 있다.

상기 냉각 장치는, 내부에 수용되는 냉각 매체를 기화시키고, 내부에서 기화된 냉각 매체를 액화시켜 회수할 수 있다.

상기 냉각 장치는, 3D 프린팅에 의해 상기 하우징부와 일체로 형성될 수 있다.

상기 냉각 유체는 외기를 포함하고, 상기 통로로 외기를 유입시킬 수 있도록 상기 하우징부에 설치되는 흡인부를 더 포함하고, 상기 흡인부는 상기 배출구 쪽에 설치될 수 있다.

상기 냉각 장치는, 복수개가 상기 하우징부의 내부에 서로 이격되도록 설치되고, 복수개의 냉각 장치가 이격되는 방향으로 상기 냉각 유체를 확산시켜 통로들로 유입시킬 수 있도록, 상기 하우징부에 설치되는 확산부를 더 포함하고, 상기 확산부는 상기 유입구 쪽에 설치될 수 있다.

상기 통로에 상기 냉각 유체를 순환시키도록 상기 하우징부에 설치되는 냉각 유체 순환부를 더 포함하고, 상기 냉각 유체 순환부는 상기 유입구와 상기 배출구를 연통시키도록 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 소자에서 발생되는 열을 효율적으로 방열시키고, 냉각시킬 수 있다. 즉, 소자에서 발생되는 열을 전달받아 열전달부의 냉각 매체를 기화시킴으로써 열 확산 현상을 크게 증대시키고, 냉각 유체를 이용하여 냉각 매체를 다시 액화시켜 열 확산에 따른 집적된 소자를 국부적으로 냉각시킬 수 있다. 또한, 열전달부를 이용하여 냉각 유체가 방열부의 입구 방향에서 출구 방향으로 이동하면서 온도가 증가하는 현상을 최소화함으로써 소자가 실장된 전자 모듈들을 일정한 온도로 냉각시킬 수 있다. 따라서 소자 또는 전자 모듈이 탑재된 전자 장비에 국부적으로 온도 편차가 발생하는 것을 억제하여 전자 장비의 균일한 성능과 소자의 수명을 연장시킬 수 있다.

또한, 냉각 장치를 3D 프링팅으로 제작하여, 냉각 장치의 구조가 복잡하게 설계된 경우에도 용이하게 제작할 수 있다. 특히, 냉각 장치를 전자 장비와 일체로 제작함으로써 전자 장비에 냉각 장치를 결합시키기 위한 별도의 작업을 생략할 수 있어, 부품의 수를 최소화하여 전자 장비의 조립 시간이 단축되고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 냉각 장치에 에어 포켓 구조를 구현함으로써 외부로부터 열이 유입되는 것을 억제할 수 있으며, 전자 장비의 구조 강성을 향상시키고 경량화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치가 설치된 안테나 장비의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 선A-A'에 따른 안테나 장비의 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 선B-B' 및 선C-C'에 따른 안테나 장비의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치를 구성하는 열전달부의 다양한 예를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치를 구성하는 방열부의 다양한 예를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 변형 예들에 따른 안테나 장비의 사시도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장비를 냉각시키는 상태를 보여주는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치는, 열이 발생하는 소자 또는 상기 소자가 실장된 전자 모듈을 냉각시킬 수 있다. 여기에서 소자는 반도체 송수신 증폭기, 고전력 트랜지스터, GaSb LD(Laser Disc), 양자 다단계 레이저(QCL;Quantum Cascade Lasers), 열전소자 중 적어도 하나일 수 있으며, 이러한 소자들은 하나의 케이스에 복수개가 실장되어 전자 모듈을 이룰 수 있다. 이와 같은 전자 모듈은 안테나 장비에서 신호를 송수신하기 위한 송수신 모듈을 포함할 수 있고, 냉각 장치는 송수신 모듈에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다. 그러나 전자 모듈은 안테나 장비 이외에 다양한 전자 장비일 수 있으며, 냉각 장치는 전자 장비에 탑재되어 전자 모듈에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치가 설치된 안테나 장비의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 선A-A'에 따른 안테나 장비의 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 선B-B' 및 선C-C'에 따른 안테나 장비의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치를 구성하는 열전달부의 다양한 예를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 장치를 구성하는 방열부의 다양한 예를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 변형 예들에 따른 안테나 장비의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장비(100)는, 신호를 송수신하기 위한 송수신면과, 내부 공간을 가지는 하우징부(111)와, 하우징부(111)의 내부에 설치되는 냉각 장치(120)와, 냉각 장치(120)에 설치되는 송수신 모듈(130) 및 내부 공간을 폐쇄하도록 하우징부(111)에 설치되는 커버부(113)를 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 냉각 장치(120)는 발열 소자가 실장된 전자 모듈을 냉각시키기 위한 냉각 장치로서, 전자 모듈(130)을 냉각시키기 위한 냉각 장치로서, 전자 모듈(130)을 지지하여 냉각시킬 수 있으며, 냉각 유체(CF)를 통과시킬 수 있는 냉각부(121)와, 전자 모듈(130)의 냉각으로 흡수된 열에 의해 기화될 수 있는 냉각 매체(CM)를 내부에 구비하고, 냉각부(121)와 접촉하는 열전달부(122) 및 냉각 유체(CF)가 접촉될 수 있도록 냉각부(121)에 설치되는 방열부(123)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 안테나 장비(100)를 기준으로, 좌우방향을 안테나 장비(100) 또는 냉각 장치(120)의 폭방향(x)이라 하고, 폭방향(x)에 수평으로 교차하는 방향을 안테나 장비(100) 또는 냉각 장치(120)의 두께 방향(y)이라 하며, 폭방향(x)에 상하방향으로 교차하는 방향을 안테나 장비(100) 또는 냉각 장치(120)의 높이 방향(z)이라 한다. 그러나 안테나 장비(100)가 설치되는 방향에 따라 폭방향(x), 두께방향(y) 및 높이방향(z)은 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 이하에서는 소자(131)를 송수신 소자(131)라 하고, 전자 모듈(130)을 송수신 모듈(130)이라 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장비(100), 예컨대 능동형 안테나 장비(100)는 자유 공간을 통하여 RF 신호를 송수신하는 복수개의 복사 소자(미도시)와, 송수신 소자(131)를 가지며 복사 소자의 전자적 빔 조향을 수행하는 복수개의 송수신 모듈(130)을 포함할 수 있다.

복사 소자는 수십 내지 수만 개일 수 있다. 복사 소자는 소정의 패턴으로 배열될 수 있다. 복사 소자는 자유 공간으로 전기 신호, 예컨대 RF 신호를 방사시킬 수 있다. 또한, 복사 소자는 자유 공간으로 방사되는 RF 신호를 수신할 수 있다. RF 신호를 전자파 혹은 전파라고 지칭할 수 있다.

송수신 모듈(130)은 수십 내지 수만 개일 수 있다. 도 1에는 송수신 모듈(130)이 안테나 장비(100)의 폭방향(x) 및 두께방향(y)으로 배열 또는 나열됨으로써 바둑판 혹은 격자 형태로 배치되어 그 기능을 수행할 수 있다. 송수신 모듈(130)은 복사 소자와 각각 연결될 수 있다. 송수신 모듈(130)은 복사 소자와 일대일로 대응될 수 있다.

이러한 송수신 모듈(130)은 냉각 장치(120)에 설치되고, 냉각 장치(120)에 의하여 냉각될 수 있다.

송수신 모듈(130)은 복사 소자로 급전되는 RF 신호의 크기와 위상을 제어하는 복수개의 송수신 소자(131), 송수신 소자(131)가 수용되는 케이스(132)를 포함할 수 있다. 송수신 소자(131)는 반도체 소자로 구현될 수 있다. 송수신 소자(131)는 RF 신호를 수신하고, RF 신호의 크기와 위상을 전자적으로 제어하고, RF 신호를 복사 소자로 송신할 수 있다. 이에, 복사 소자에서 자유 공간으로 방사되는 RF 신호의 전자적 빔 조향이 수행될 수 있다. 송수신 소자(131)는 케이스(132)에 형성되어 있는 회로 기판(미도시)에 실장될 수 있다. 송수신 소자(131)는 열을 발생시킬 수 있다. 송수신 소자(131)를 열원 혹은 발열원이라고 지칭할 수 있다. 송수신 소자(131)에서 발생하는 열을 제거하지 않으면, 송수신 소자(131)의 열 밀도가 높아져서, 송수신 소자(131)의 오작동이 발생하거나, 송수신 소자(131)가 손상될 수 있다.

한편, 능동형 안테나가 열적 요구 조건을 만족하는 것을 능동형 안테나의 열적 성능이 좋다라고 표현한다. 능동형 안테나의 열적 요구 조건은 작동 중인 송수신 소자(131)들의 온도가 기준 온도보다 낮은 조건, 작동 중인 송수신 소자(131)들의 온도 편차가 기준 온도 편차보다 낮은 조건 등을 포함할 수 있다. 기준 온도는 능동형 안테나의 정상 동작이 가능한 송수신 소자(131)의 온도들 중, 최고 온도를 의미한다. 또한, 기준 온도 편차는 능동형 안테나의 정상 동작이 가능한 송수신 소자(131)의 온도들 중, 최고 온도와 최저 온도 간의 온도 편차를 의미한다.

능동형 안테나는 상술한 열적 요구 조건을 모두 만족할 때 가장 원활하게 작동할 수 있다. 원활하게 작동한다는 것은 송수신 소자(131)가 정상 작동하여 능동형 안테나의 원하는 빔 방사 각도와 실제 빔 방사 각도 간의 오차를 최소화할 수 있는 것을 의미한다.

케이스(132)는 내부에 회로 기판을 수용할 수 있는 공간을 가지는 중공형의 육면체 형상일 수 있다. 케이스(132)는 일체로 형성될 수도 있고, 복수의 구조체가 서로 결합되어 하나의 케이스(132)를 형성할 수 있다. 물론, 케이스(132)의 형상은 다양할 수 있다. 케이스(132)는 냉각 장치(120)와 접촉할 수 있다.

하우징부(111)는 송수신 모듈(130)과 냉각 장치(120)를 수용할 수 있는 내부 공간을 가질 수 있다. 여기에서는 하우징부(111)가 송수신 모듈(130)과 냉각 장치(120)를 수용하는 것으로 설명하지만, 안테나를 작동시키는데 필요한 다른 전자 부품들이 더 수용될 수도 있다.

하우징부(111)는 플레이트 형상으로 형성되는 베이스(111a)와, 베이스(111a)의 면방향에 대해서 교차하는 방향으로 연장되도록 베이스(111a)의 가장자리에 연결되는 벽체(111b, 111c, 111d, 111e)를 포함할 수 있다.

하우징부(111)는 송수신 모듈(130)과 냉각 장치(120)를 수용할 수 있는 내부 공간을 형성하고, 커버부(113)는 하우징부(111)에 결합되어 내부 공간을 폐쇄시킬 수 있다. 이러한 하우징부(111)는 도 1에 도시된 바와 같이 폭방향(x) 길이가 두께 방향(y) 길이보다 긴 직육면체 형상으로 형성될 수 있다. 그러나 하우징부(111)의 형상은 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

베이스(111a)는 냉각 장치(120)가 탑재되는 탑재면이 될 수 있고, 벽체(111b, 111c, 111d, 111e)는 냉각 장치(120)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 베이스(111a)는 신호, 예컨대 복사 소자가 장착되어 전기 신호를 송수신하기 위한 송수신면이 될 수 있다.

그리고 냉각 장치(120)에는 냉각 매체(CM)를 냉각시키기 위한 냉각 유체(CF)가 유입될 수 있는데, 벽체(111d, 111e)에는 냉각 장치(120)에 냉각 유체(CF)를 유입시키기 위한 유입구(112a)와, 냉각 장치(120)에서 냉각 유체(CF)를 배출시키기 위한 배출구(112b)가 형성될 수 있다. 이때, 안테나 장비(100)가 설치되는 방향에 따라 변경될 수 있으나, 유입구(112a)와 배출구(112b)는 안테나 장비(100)의 폭방향(x)에 위치하는 벽체(111d, 111e)에 서로 마주보도록 형성될 수 있다. 여기에서 냉각 유체(CF)는 냉각 매체(CM)보다 비등점이 높은 물질로 마련될 수 있다. 또한, 냉각 유체(CF)는 냉각 매체(CM)와 동일한 물질로 마련될 수도 있는데, 후술하겠지만 열전달부(122)의 내부는 진공처리되기 때문에 대기압인 방열부(123)를 따라 흐르는 냉각 유체(CF)의 비등점이 열전달부(122) 내부에 주입된 냉각 매체(CM)의 비등점보다 높을 수 있다.

커버부(113)는 하우징부(111)에 분리 가능하도록 제작되어, 평상시에는 하우징부(111)에 결합되어 하우징부(111)의 내부 공간을 폐쇄시키고, 하우징부(111) 내부에 송수신 모듈(130)을 설치하거나 수리할 때는 하우징부(111) 내부를 개방시킬 수 있다. 이때, 커버부(113)는 베이스(111a)와 마주보도록 벽체(111b, 111c, 111d, 111e)에 설치될 수 있다.

이와 같은 하우징부(111) 및 커버부(113) 중 적어도 하나는, 하나 이상의 에어 포켓(P)을 포함할 수 있다. 에어 포켓(P)은 하우징부(111)와 커버부(113)를 경량화시킬 수 있고, 외부의 열이 하우징부(111)와 커버부(113)의 내부로 전달되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이때, 에어 포켓(P)은 3D 프린팅 시 적층 물질이 무너져 내리지 않도록 아치형 및 다양한 격자 구조의 형태로 구현될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 냉각 장치(120)는 하우징부(111)의 내부에 설치되어, 송수신 모듈(130)을 냉각시킬 수 있다. 냉각 장치(120)는 송수신 모듈(130)에서 발생되는 열을 이용하여 냉각 매체(CM)를 기화시키고, 냉각 유체(CF)를 이용하여 기화된 냉각 매체(CM)를 냉각시켜 액화시킬 수 있다. 냉각 장치(120)는 이러한 작용을 통해 송수신 모듈(130)에서 발생되는 열을 빠르게 확산시키고 냉각시킬 수 있다.

먼저, 냉각부(121)는 하우징부(111), 예컨대 하우징부(111)에 연결될 수 있다. 냉각부(121)는 내부에 열전달부(122)와 방열부(123)를 수용할 수 있고, 냉각 매체(CM)를 냉각시키기 위한 냉각 유체(CF)를 통과시킬 수 있는 통로(S)를 가질 수 있다. 이때, 냉각부(121)는 하우징부(111)의 폭방향(x)을 가로지르도록 형성될 수 있으며, 냉각부(121)의 양단부는 하우징부(111)의 벽체(111d, 111e)에 각각 연결되고 하부는 베이스(111a)에 연결될 수 있다.

냉각부(121)의 내부에 형성되는 통로(S)는 벽체(111d, 111e)에 각각 형성되는 유입구(112a)와 배출구(112b)와 연결될 수 있다. 이에 유입구(112a)를 통해 통로(S)로 냉각 유체(CF)가 유입되고, 유입된 냉각 유체(CF)는 통로(S)를 통과하면서 가열되고, 가열된 냉각 유체(CF)는 배출구(112b)로 배출될 수 있다. 여기에서 냉각 유체(CF)는 공기, 냉각 가스, 냉각액 등을 포함할 수 있다.

또한, 냉각부(121)는 송수신 모듈(130)를 지지할 수 있는 단턱(121a)을 포함할 수 있다. 단턱(121a)은 송수신 모듈(130)을 지지할 수 있도록 냉각부(121)의 외면에 돌출되도록 형성될 수 있다. 단턱(121a)은 복수의 송수신 모듈(130)을 지지할 수 있도록 냉각부(121)가 연장되는 방향, 예컨대 폭방향(x)으로 연장되도록 형성될 수 있다. 송수신 모듈(130)은 냉각부(121)의 외면에 형성된 단턱(121a)에 지지 또는 설치되고, 냉각부(121)의 내부에 형성된 통로(S)와 이격될 수 있다. 또한, 냉각부(121)에는 하우징부(111) 또는 냉각부(121)의 폭방향(x)으로 복수개의 송수신 모듈(130)이 지지 또는 설치될 수 있다.

단턱(121a)은 송수신 모듈(130)의 일부가 냉각부(121)의 외면에 접촉할 수 있도록 송수신 모듈(130)을 지지할 수 있다. 이는 송수신 모듈(130), 예컨대 송수신 소자(131)에서 발생되는 열이 냉각부(121)로 원활하게 전달될 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 냉각부(121)는 송수신 모듈(130)과 직접 접촉하여 송수신 모듈(130)에서 발생되는 열을 전달받고, 송수신 모듈(130)에서 전달된 열을 열전달부(122)로 전달할 수 있다. 또한, 송수신 모듈(130)에 의해 가열된 냉각부(121)는 통로(S)를 따라 이동되는 냉각 유체(CF)에 의해 냉각될 수 있다. 도 2를 참조하면, 단턱(121a)은 단순하게 돌출되어 형성된 것으로 도시되어있으나, 단턱(121a)은 송수신 모듈(130)이 이탈하는 것을 방지할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.

열전달부(122)는 냉각부(121)의 내부, 즉 통로(S)에 형성될 수 있다. 열전달부(122)는 냉각부(121)에서 전달된 송수신 모듈(130)의 열을 확산시킬 수 있다. 열전달부(122)는 냉각 매체(CM)를 수용하기 위한 밀폐 공간과, 냉각부(121)와 접촉되는 접촉면을 가질 수 있다. 즉, 열전달부(122)는 냉각 매체(CM)를 수용할 수 있도록 중공형으로 형성될 수 있다. 이때, 열전달부(122) 내부에 수용되는 냉각 매체(CM)는 발열 소자인 송수신 소자(131)의 작동 온도 범위보다 낮은 비등점을 가지는 액체 물질로 마련될 수 있다. 이는 냉각 매체(CM)가 송수신 소자(131)에서 발생되는 열에 의해 기화되고, 이를 통해 송수신 소자(131) 또는 송수신 모듈(130)을 냉각시키기 위함이다. 냉각 매체(CM)는 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 이때, 냉각 매체(CM)는 열전달부(122)를 구성하는 물질에 따라 변경될 수 있다. 참고로, 물은 대기압 상태에서 송수신 소자(131)의 작동 온도 범위보다 높은 비등점을 가질 수 있으나, 열전달부(122) 내부가 진공 처리되어 있으므로 물을 냉각 매체(CM)로 사용하는 것이 가능할 수 있다.

냉각 매체(CM)는 열전달부(122)의 내부에 주입되고, 열전달부(122)의 내부는 진공 처리된 후 밀폐될 수 있다. 이처럼, 열전달부(122)의 내부가 진공 처리되면, 열전달부(122)의 내부 압력이 열전달부(122)의 외부 압력보다 낮아지게 되므로, 냉각 매체(CM)의 비등점이 다소 낮아지게 된다. 이에 냉각 매체(CM)는 비교적 낮은 온도에서도 기화될 수 있으므로, 송수신 소자(131) 또는 송수신 모듈(130)을 더욱 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

열전달부(122)는 액체 상태의 냉각 매체(CM)를 수용할 수 있는 제1영역 및 제1영역에서 가열되어 기화되는 냉각 매체를 수용할 수 있는 제2영역을 포함할 수 있다. 이때, 제1영역과 제2영역은 안테나 장비(100), 예컨대 하우징부(111)의 설치 방향에 따라 상대적으로 변경될 수 있으나, 제1영역은 제2영역보다 하부에 배치될 수 있다. 이는 냉각 매체(CM)가 액체 상태이기 때문이다.

도 2 및 도 3의 (a)를 참조하면, 열전달부(122)는 두께 방향(y)보다 폭방향(x)이 긴 대략 중공의 직육면체 형상을 가질 수 있다. 그러나 열전달부(122)의 형상은 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

도 4에는 다양한 형상의 열전달부(122)가 도시되어 있다. 도 4의 (a)를 참조하면, 열전달부(122)는 일면, 예컨대 냉각부(121)의 내면에 접촉하는 접촉면에 요철 구조(122a)를 포함할 수 있다. 또한, 요철 구조(122a)는 폭방향(x)으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 요철 구조(122a)에 의해 냉각부(121)와 열전달부(122) 사이에 냉각 유체(CF)가 이동할 수 있는 공간이 형성되고, 열전달부(122)의 표면적이 증가하게 된다. 이에 열전달부(122)와 냉각 유체(CF) 간의 접촉 면적이 증가되어 냉각 유체(CF)를 통해 냉각 매체(CM)를 신속하게 냉각시킬 수 있다.

요철구조(122a)에 거친 표면 구조가 포함될 경우 냉각 매체(CM)의 위킹(wicking) 성능이 극대화 되어 더욱 열전달 저항이 감소, 즉, 열확산 성능이 증대될 수 있다. 3D 프린터를 이용한 제조법을 적용하면 다양한 요철 구조 성형 뿐만 아니라 표면의 거칠기를 조절할 수 있으므로, 열확산 성능을 증대시킬 수 있다. 열전달부(122)는 냉각 매체(CM) 충진 시 진공상태를 유지해야 하는데, 3D 프린터를 일체형으로 성형시 발생하는 파우더를 제거하기 위하여 열전달부(122)를 밀폐형 구조로 제작하지 못하므로, 최초 벽체(111d, 111e) 부분에 개방된 형태의 구조로 성형하고, 파우더를 제거한 후 개방된 부분에 덮개를 용접 또는 본딩으로 부착할 수 있다. 이때 냉각 매체(CM)를 주입시키기 위하여 덮개에 파이프형태의 냉각 매체(CM) 주입구를 반영할 수 있으며, 냉각 매체(CM) 주입후 코킹 과정을 통하여 열전달부(122)를 밀폐시킬 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 열전달부(122)는 양면, 예컨대 냉각부(121)의 내면에 접촉하는 접촉면과, 접촉면과 마주보는 면에 요철 구조(122a)를 포함할 수 있다. 또한, 요철 구조(122a)는 폭방향(x)으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 요철 구조(122a)에 의해 냉각부(121)와 열전달부(122) 사이에 냉각 유체(CF)가 이동할 수 있는 공간이 형성되고, 열전달부(122)의 한 쪽 면에만 요철 구조(122a)를 형성할 때보다 열전달부(122)의 표면적이 더 증가하게 된다. 이에 열전달부(122)와 냉각 유체(CF) 간의 접촉 면적이 증가되어 냉각 유체(CF)를 통해 냉각 매체(CM)를 더욱 신속하게 냉각시킬 수 있다.

도 4의 (c)를 참조하면, 열전달부(122)는 관 형상을 가지며, 열전달부(122)는 폐루프를 형성할 수 있다. 이때, 열전달부(122)는 안테나 장비(100) 또는 하우징부(111)의 폭방향(x)으로 연장되도록 형성될 수 있다. 또한, 열전달부(122)는 복수개가 하우징부(111)의 높이 방향(z)으로 이격되도록 형성될 수 있다. 예컨대 열전달부(122)는 송수신 소자(131)의 개수와 동일한 개수로 마련될 수 있고, 송수신 소자(131)가 배치되는 위치마다 형성될 수 있다.

도 2 및 도 3의 (b)를 참조하면, 방열부(123)는 냉각부(121)의 내부에 열전달부(122)와 일체형의 구조로 설치될 수 있다. 방열부(123)는 냉각부(121)의 통로(S)를 따라 이동하는 냉각 유체(CF)와 대류 열교환을 통하여 전자 모듈(130)에서 발생된 열을 열전달부(122)를 통해 전달받아 냉각시킬 수 있다. 이때, 방열부(123)는 냉각부(121)와 연결되고 하우징부(111)의 폭방향(x)으로 연장되도록 형성될 수 있다. 즉, 방열부(123)는 냉각 유체(CF)가 이동하는 방향을 따라 형성되고, 냉각 유체(CF)는 방열부(123)에 접촉하여 방열부(123)를 냉각시킬 수 있다. 방열부(123)의 양쪽 끝은 하우징부(111)의 벽체(111d, 111e)에 연결될 수 있고, 유입구(112a) 및 배출구(112b)과 연통되도록 형성될 수 있다. 이는 유입구(112a)로 유입되는 외기, 예컨대 공기를 통로(S)에 형성된 방열부(123)와 접촉시켜 냉각시키기 위함이다. 또한, 방열부(123)의 하부는 냉각부(121)와 연결될 수 있다.

도 5를 참조하면, 방열부(123)는 냉각 유체(CF)와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있고, 통로(S)를 따라 이동하는 냉각 유체(CF)를 통과시킬 수 있도록 구멍(122a) 및 홈(122b) 중 적어도 하나를 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 방열부(123)가 구멍(122a)을 가지는 경우, 방열부(123)는 3D 프린터로 적층 가능한 그물 형상 또는 격자 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 방열부(123)가 홈(122b)을 가지는 경우, 구멍(122a)은 냉각 유체(CF)가 이동하는 방향, 즉 하우징부(111) 또는 냉각부(121)의 폭방향(x)으로 연장되도록 형성될 수 있다.

이와 같은 냉각 장치(120)는 금속 함유 분말을 3D 프린팅하여 하우징부(111), 예컨대 하우징부(111)와 하나의 구조체로 형성될 수 있다. 이때, 사용되는 금속 함유 분말은 알루미늄, 티타늄 등을 함유할 수 있으며, 예컨대 AlSi₁₂등과 같은 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 이외에도 금속 함유 분말은 3D 프린팅이 가능한 다양한 금속 또는 합금을 포함할 수 있다.

3D프린팅 과정을 살펴보면, 하우징부(111)를 기재로 사용하고, 하우징부(111)의 바닥, 즉 베이스(111a) 상부에 금속 함유 분말을 이용하여 얇은 층을 형성하고, 레이저 또는 전자빔이 설계된 냉각 장치(120)의 구조에 맞추어 이동하면서 금속 함유 분말을 융합(fuse)할 수 있다. 그리고 그 상부에 금속 함유 분말을 이용하여 얇은 층을 형성하고, 레이저 또는 전자빔이 설계된 냉각 장치(120)의 구조에 맞추어 이동하면서 금속 함유 분말을 융합시키는 과정을 반복해서 수행하면, 하우징부(111)와 냉각 장치(120)가 하나의 구조체로 제작될 수 있다. 이처럼, 냉각 장치(120)를 3D 프린팅으로 제작하면, 복잡한 구조의 냉각 장치(120)를 용이하게 제작할 수 있고, 냉각 장치(120)를 하우징부(111)에 별도로 고정 또는 체결하는 작업을 생략할 수 있다. 또한, 각 구성 요소를 서로 연결하기 위한 연결부재를 사용하지 않아도 되므로, 안테나 장비(100) 전체 구조를 간단하게 할 수 있고, 경량화시킬 수 있다. 또한, 냉각 장치(120)와 안테나 장비(100) 간의 구조적인 강성을 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 변형 예들에 따른 안테나 장비를 보여주는 도면이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 안테나 장비(100)는 냉각 유체(CF)를 확산시켜 냉각부(121)로 유입시킬 수 있는 확산부(140)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 안테나 장비(100)는 복수의 냉각 장치(120)를 포함할 수 있고, 복수의 냉각 장치(120)는 하우징부(111)의 두께 방향(y)으로 이격 설치될 수 있다. 하우징부(111)에는 냉각 장치(120)마다 냉각 유체(CF)를 유입시키기 위하여 하우징부(111)의 두께 방향(y)으로 복수개의 유입구(112a)가 형성될 수 있다. 이때, 확산부(140)는 유입구(112a) 쪽에 설치되어, 적어도 하나의 통공(141)에서 냉각 유체(CF)를 유입시켜 하우징부(111)의 두께 방향(y)으로 확산시킨 후 유입구(112a)로 유입시킬 수 있다. 이와 같은 확산부(140)는 냉각 유체(CF)를 확산시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 예컨대 확산부(140)는 내부에 냉각 유체(CF)를 확산시킬 수 있는 확산부재(미도시)를 포함할 수도 있고, 내부가 복수의 영역으로 분할되어 냉각 유체(CF)가 복수의 영역을 통과하면서 확산된 후 복수의 유입구(112a)로 유입될 수 있도록 할 수 있다.

도 6의 (b)를 참조하면, 안테나 장비(100)는 냉각부(121)의 내부를 흡인할 수 있는 흡인부(150)를 더 포함할 수 있다. 흡인부(150)는 한 개 이상의 방열팬(152)과, 방열팬(152)을 회전 가능하도록 지지하기 위한 브라켓(151)을 포함할 수 있다. 이러한 흡인부(150)는 안테나 장비(100)의 일측, 예컨대 배출구(112b) 쪽에 설치되어 냉각부(121)의 내부를 흡인함으로써 냉각부(121)의 내부, 즉 통로(S)에 냉각 유체(CF)의 흐름을 형성할 수 있다. 이에 냉각부(121)의 내부에 빠른 냉각 유체(CF)의 흐름을 형성함으로써 송수신 소자(131)에 의해 가열된 냉각 매체(CM)를 신속하게 냉각시키고, 냉각 매체(CM)에 의해 가열된 냉각 유체(CF)를 열을 냉각부(121)의 외부로 신속하게 배출시킬 수 있다.

도 6의 (c)를 참조하면, 안테나 장비(100)는 냉각부(121)에 냉각 유체(CF)를 순환시킬 수 있는 냉각 유체 순환부(160)를 더 포함할 수도 있다. 냉각 유체 순환부(160)는 냉각 유체(CF)를 저장하기 위한 저장기(미도시)와, 저장기와 하우징부(111)의 유입구(112a) 연결하는 공급관(161), 저장기와 하우징부(111)의 배출구(112b)을 연결하는 회수관(162) 및 공급관(161)과 회수관(162) 중 적어도 하나에 설치되는 펌프(미도시) 및 회수관(162)과 저장기 사이 또는 저장기에 설치되는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 냉각 유체(CF)는 냉각 가스, 냉각수 등을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의해 냉각 유체 순환부(160)는 냉각 장치(120)에 냉각 유체(CF)를 공급하고, 냉각 장치(120)에서 가열된 냉각 유체(CF)를 회수한 후, 열교환기에서 열교환을 통해 냉각시킨 후 다시 냉각 장치(120)로 공급할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장비에서 송수신 모듈을 냉각시키는 방법에 대해서 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장비를 냉각시키는 상태를 보여주는 도면이다. 이때, 안테나 장비는 베이스(111a)가 송수신면이 되고, 커버부(113)가 구조물에 연결되는 설치면이 되도록 설치될 수 있다. 또한, 안테나 장비(100)는 유입구(112a)가 상부에 배치되고, 배출구(112b)가 하부에 배치된다.

안테나 장비가 구조물에 설치되고, 작동하면 송수신 소자(131)에서 열이 발생될 수 있다. 송수신 소자(131)에서 발생되는 열은 케이스(132)를 통해 냉각 장치(120)로 전달될 수 있다.

도 7을 참조하면, 송수신 소자(131)에서 발생되는 열은 케이스(132)를 통해 냉각부(121)를 거쳐 열전달부(122)로 전달될 수 있다. 이때, 열전달부(122)에 수용되어 있는 냉각 매체(CM(l))는 송수신 소자(131)에서 발생되는 열에 의해 기화되어 상승하게 된다. 이 경우, 액체 상태의 냉각 매체(CM(l))는 열전달부(122)의 하부쪽, 예컨대 제1영역에 위치하고, 기화된 냉각 매체(CM(g))는 열전달부(122)의 상부쪽, 예컨대 제2영역에 위치할 수 있다. 이처럼, 제2영역에 위치하는 냉각 매체(CM(g)), 즉 기화된 냉각 매체(CM(g))는 유입구(112a)를 통해 유입되어 냉각부(121)의 통로(S)를 통과하는 냉각 유체(CF)에 의해 냉각되어 액화될 수 있다. 이때, 냉각 유체(CF)는 열전달부(122)에 접촉하여 열교환에 의해 열전달부(122)의 온도를 저하시키고 이에 따라 열전달부(122) 내부에 수용되어 있는 냉각 매체(CM(l))가 냉각되며, 기화된 냉각 매체(CM(g))는 온도가 낮아지면서 액화될 수 있다. 이렇게 액화된 냉각 매체(CM(l))는 제2영역에서 제1영역으로 이동 또는 낙하하여 회수될 수 있다. 또한, 유입구(112a)로 유입되는 냉각 유체(CF)는 방열부(123)와 접촉하여 냉각 또는 온도가 낮아지면서 냉각 매체(CM)를 더욱 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 냉각 장치(120)에서 냉각 유체(CF)가 이동하는 방향과 냉각 매체(CM)가 기화되어 이동하는 방향이 서로 반대이기 때문에, 안테나 장비(100) 전체에 걸쳐 탑재되는 송수신 소자(131) 또는 송수신 모듈(130)를 균일하게 냉각시킬 수 있다. 즉, 기체 상태의 냉각 매체(CM(g))보다 비교적 온도가 낮은 액체 상태의 냉각 매체(CM(l))는 가열된 냉각 유체(CF)가 배출되는 배출구(112b) 쪽에 위치하고, 액체 상태의 냉각 매체(CM(l))보다 비교적 온도 높은 기체 상태의 냉각 매체(CM(g)), 즉 기화된 냉각 매체(CM(g))는 배출구(112b) 쪽보다 낮은 온도를 가지는 냉각 유체(CF)가 유입되는 유입구(112a) 쪽에 위치하게 된다. 이에 냉각 유체(CF)가 이동하는 방향으로 송수신 소자(131) 또는 송수신 모듈(130)이 균일하게 냉각되어, 송수신 소자(131) 또는 송수신 모듈(130)이 국부적으로 과열되는 것을 방지할 수 있다.

상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

100: 안테나 장비 110: 하우징부
120: 냉각 장치 121: 냉각부
122: 열전달부 123: 방열부
130: 전자 모듈(송수신 모듈) 140: 확산부
150: 흡인부 160: 냉각 유체 순환부
CM: 냉각 매체 CF: 냉각 유체

Claims

안테나 장비로서,
신호를 송수신하기 위한 송수신면과, 내부 공간을 가지는 하우징부;
상기 하우징부의 내부에 설치되는 냉각 장치;
상기 냉각 장치에 설치되는 전자 모듈; 및
상기 내부 공간을 폐쇄하도록 상기 하우징부에 연결되는 커버부;를 포함하고,
상기 하우징부는, 플레이트 형상으로 형성되는 베이스와, 상기 베이스의 면방향에 대해서 교차하는 방향으로 연장되도록 상기 베이스의 가장자리에 연결되는 벽체를 포함하고,
상기 커버부는 상기 베이스와 마주보도록 상기 벽체에 설치되며,
상기 벽체는, 상기 냉각 장치의 통로로 냉각 유체를 유입시키기 위한 유입구와, 상기 통로에서 상기 냉각 유체를 배출시키기 위한 배출구를 포함하는 안테나 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각 장치는,
상기 전자 모듈을 지지하여 냉각시킬 수 있으며, 상기 냉각 유체를 통과시킬 수 있는 냉각부:
상기 전자 모듈의 냉각으로 흡수된 열에 의해 기화될 수 있는 냉각 매체를 내부에 구비하고, 상기 냉각부와 접촉하는 열전달부; 및
상기 냉각 유체가 접촉될 수 있도록 상기 냉각부에 설치되는 방열부;를 포함하고,
상기 냉각부는, 내부에 상기 통로를 가지며, 외면에 상기 전자 모듈을 지지시킬 수 있는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 통로는, 일방향으로 연장되고,
상기 열전달부는, 상기 통로가 연장되는 방향으로 연장되는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 열전달부는, 상기 냉각 매체를 수용하기 위한 밀폐 공간과, 상기 냉각부와 접촉되는 접촉면을 가지는 안테나 장비.
청구항 4에 있어서,
상기 열전달부는,
액체 상태의 냉각 매체를 수용할 수 있는 제1영역; 및
상기 제1영역에서 가열되어 기화되는 냉각 매체를 수용할 수 있는 제2영역;을 포함하는 안테나 장비.
청구항 5에 있어서,
상기 냉각 매체는, 상기 전자 모듈에 실장된 발열 소자의 작동 온도 범위보다 낮은 비등점을 가지는 액체 물질을 포함하고,
상기 냉각 유체는, 상기 냉각 매체의 비등점보다 높은 비등점을 가지는 기체 및 액체 중 적어도 하나를 포함하는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 방열부는, 상기 통로가 연장되는 방향으로 연장되고, 상기 열전달부 및 상기 냉각부와 서로 연결되는 안테나 장비.
청구항 7에 있어서,
상기 방열부는, 상기 냉각 유체를 통과시킬 수 있는 구멍 및 홈 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 홈은 상기 통로가 연장되는 방향으로 연장되는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각부, 상기 열전달부 및 상기 방열부는, 3D 프린팅에 의해 일체로 형성되는 안테나 장비.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 베이스, 상기 벽체 및 상기 커버 중 적어도 하나는 에어 포켓을 포함하는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각 장치는, 내부에서 상기 냉각 매체를 기화시키고, 내부에서 기화된 냉각 매체를 액화시켜 회수할 수 있는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각 장치는, 3D 프린팅에 의해 상기 하우징부와 일체로 형성되는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각 유체는 외기를 포함하고,
상기 통로로 외기를 유입시킬 수 있도록 상기 하우징부에 설치되는 흡인부를 더 포함하고,
상기 흡인부는 상기 배출구 쪽에 설치되는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각 장치는, 복수개가 상기 하우징부의 내부에 서로 이격되도록 설치되고,
복수개의 냉각 장치가 이격되는 방향으로 상기 냉각 유체를 확산시켜 통로들로 유입시킬 수 있도록, 상기 하우징부에 설치되는 확산부를 더 포함하고,
상기 확산부는 상기 유입구 쪽에 설치되는 안테나 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 통로에 상기 냉각 유체를 순환시키도록 상기 하우징부에 설치되는 냉각 유체 순환부를 더 포함하고,
상기 냉각 유체 순환부는 상기 유입구와 상기 배출구를 연통시키도록 설치되는 안테나 장비.