적층 가공 냉각판으로 첨단 항공 모빌리티의 열 성능을 개선하는 방법

첨단 항공 모빌리티(AAM)는 도심 환경에서 주로 사용되는 경량 여객 및 화물 항공 운송을 통칭하는 개념입니다. 이 신흥 산업은 빠르게 성장하고 있으며, 2021년에 1조 4,700억 달러[1]가 넘는 약 6,850대의 항공기를 주문하면서 1조 4,260억 달러[2]의 신규 투자를 유치했습니다.

전기 수직이착륙(eVTOL) 차량의 핵심은 전기 파워트레인입니다. 이는 필요한 양력과 추진력을 생성하는 고성능 모터 및 인버터와 함께 리튬 이온 배터리로 구성됩니다. 현재 다양한 파워트레인 컨셉이 개발되고 있지만, 모두 고전력 및 고전압 전자 장치와 함께 발생하는 열 관리 문제를 공통적으로 안고 있습니다.

eVTOL 항공기에서 열 관리의 중요성

항공기 추진 시스템에서 전자 부품에서 발생하는 폐열을 관리하는 것은 성능에 매우 중요한데, 이는 다음과 같은 특징이 있습니다. 자동차 업계의 전기 자동차 파워트레인. 배터리 시스템은 좁은 작동 온도 범위 내에서만 효율적으로 작동하므로 예열과 냉각이 모두 필요합니다. 또한 모터 내의 저항과 히스테리시스 손실로 인해 열이 발생하여 자석과 권선이 손상될 수 있으며, 인버터의 실리콘 카바이드도 너무 뜨거우면 성능이 저하될 수 있습니다.

항공기, 특히 소형 경량 eVTOL의 경우 질량 및 추진 시스템 효율성이 높은 항속거리와 탑재 용량을 달성하는 데 필수적입니다. 따라서 이러한 전기 파워트레인 부품은 매우 가볍고 컴팩트한 열 관리 시스템으로 효과적으로 냉각해야 합니다.

전자제품을 냉각하는 방법에는 직접 냉각과 간접 냉각의 두 가지 방식이 있습니다. 직접 냉각은 유체가 유전체 유체에 잠긴 전기 부품과 직접 접촉하는 방식입니다. 이렇게 하면 열원에서 열을 즉시 추출할 수 있으며 열 저항이 없습니다. 하지만 전자 부품에 물을 채우면 무게가 크게 증가하므로 항공기에서는 바람직하지 않습니다.

반면 간접 냉각은 유체가 흐르는 통로를 포함하고 전자 부품에 부착된 금속 방열판을 사용합니다. 일반적으로 방열판을 통해 공기를 순환시키는 팬을 사용하여 PC와 노트북 내부의 구성 요소를 냉각하는 방식입니다.

'그러나 공기 냉각으로 방출할 수 있는 열의 양은 매우 제한적이며 높은 질량 유량을 필요로 합니다.' 컨플럭스 테크놀로지의 열 엔지니어인 제이슨 벨라르도 박사의 설명입니다. '반면 액체는 공기보다 밀도가 높아 냉각 용량이 증가합니다.'

'특히 물의 열 전달 성능과 낮은 점도는 전자 기기에 가장 적합한 냉각수입니다. 일반적으로 유전체 유체보다 열 용량이 두 배나 높기 때문에 물을 이용한 냉각판 액체 냉각과 같은 간접 냉각 솔루션은 질량을 많이 추가하지 않고도 열을 방출하는 데 훨씬 더 효과적입니다.

냉판형 열교환기란 무엇인가요?

액체 냉각판은 냉각판 내의 소형 채널을 통해 물을 펌핑한 다음 열교환기로 보내는 폐쇄회로 액체 냉각 시스템으로 구성된 금속 방열판입니다. 배터리 셀이나 모터의 고정자에 직접 부착할 수 있으며 금속 구조를 통해 부품에서 물 또는 물-글리콜 혼합물인 냉각수로 열을 전달할 수 있습니다.

냉각판은 유체를 밀폐된 시스템에 유지하여 단락을 방지하면서 물의 열용량 이점을 활용할 수 있기 때문에 전자제품에 특히 적합합니다. 또한 내부 및 외부 형상은 열 저항을 최소화하고 소형 패키지에서 압력 강하를 줄이도록 설계할 수 있으며, 이는 적층 제조 기술이 혁신적으로 발전하고 있는 부분입니다.

냉각판은 어떻게 제조되나요?

전통적으로 냉각판은 무게가 가볍고 열적 특성이 좋은 알루미늄으로 제조됩니다. 플레이트 내의 냉각 채널은 일반적으로 필요한 흐름 디테일이 압착 또는 가공된 두 개의 플레이트를 마찰 교반 용접하여 형성됩니다. 그러나 이러한 용접 접합부는 누출 위험을 증가시키고 불균일한 접합부로 인해 전도체가 아닌 절연체 역할을 하는 에어 갭이 발생할 수 있어 열적으로 비효율적입니다.

"용접 구조는 기존 냉각판의 문제점 중 하나입니다. 컨플럭스 테크놀로지의 최고 커머셜 책임자인 댄 우드포드는 이렇게 설명합니다. '누출의 위험이 있고 복잡한 내부 구조를 만들 수 없습니다. 반면 적층 제조 기술을 사용하면 용접이나 납땜이 필요 없기 때문에 접합부가 없는 하나의 모놀리식 부품을 만들 수 있으므로 누출이 발생하지 않습니다.

컨플럭스 테크놀로지는 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 적층 제조 공정을 사용하여 기존 방식으로는 제조할 수 없는 복잡한 형상의 알루미늄 냉각판을 제작합니다. 이 공정은 파이버 레이저를 사용하여 미세한 금속 분말 층을 선택적으로 녹입니다. 그런 다음 빌드 플레이트를 낮추고 또 다른 파우더 층을 도포합니다. 레이저가 파우더를 다시 녹여 한 층씩 쌓아 올리면 부품이 점차 완전한 3D 형상으로 만들어집니다.

효과적인 냉각판 설계

높은 열 전달 효율 달성

냉각판 설계 성능의 핵심은 열 저항입니다. 이는 시스템 전체에서 열이 얼마나 잘 전달되는지를 결정합니다[2]. 냉각판의 경우 금속 구조의 열 저항을 줄여 열원에서 냉각수로 최대한의 열이 전달되도록 하는 것이 목표입니다.

'이론적으로 열 저항을 최소화하려면 냉각판 구조의 두께가 0이어야 합니다.' 벨라르도는 말합니다. "하지만 실제로 냉각판은 냉각뿐만 아니라 구조도 제공하므로 강도, 강성 및 제조 가능성의 한계 내에서 가능한 한 얇은 벽이 필요합니다. 기존 제조 방법의 장점 중 하나는 기계 가공이나 스키빙 기술을 통해 매우 얇은 벽을 만들 수 있다는 것이지만, Conflux의 적층 제조 기술은 이제 동일한 벽 두께를 달성하는 데 매우 가까워지고 있습니다.

아래 다이어그램의 알루미늄과 같이 사용되는 다양한 소재에 따라 벽과 핀의 두께를 최소화하여 성능을 발휘하는 초경량 냉각판을 만들 수 있습니다.

"적층 제조는 다른 방법으로는 만들 수 없는 복잡한 내부 형상을 가진 새로운 형상을 만들 수 있다는 장점도 있습니다. Velardo는 계속합니다. '이를 통해 냉각판의 내부 구조를 표면적을 늘리도록 설계할 수 있습니다.'

핀, 핀 및 자이로 구조[3]를 모두 냉각판 설계에 통합하여 표면적을 증가시켜 열을 제거할 뿐만 아니라 흐름의 거동을 최적화할 수 있습니다. '

흐름을 유도하고 기하학적 구조를 사용하여 난류를 발생시킴으로써 냉각수를 버스바 접합부와 같이 더 뜨거운 영역으로 보내는 동시에 흐름을 혼합하여 열을 더 효과적으로 방출할 수 있습니다. 우드포드는 말합니다.

압력 강하 최소화

냉각판의 내부 설계는 냉각 시스템의 다른 요소에 직접적인 영향을 미칩니다. 액체 냉각수 회로의 압력 강하는 펌프의 크기와 에너지 요구 사항을 정의합니다. 효율적인 설계는 더 작은 펌프, 더 낮은 질량, 더 낮은 배터리 시스템 에너지 소모를 의미합니다.

Conflux는 열 설계 전문성과 내부 흐름의 매우 정확한 CFD 시뮬레이션을 생성할 수 있는 시뮬레이션 역량을 보유하고 있습니다. 우드포드는 설명합니다. "이러한 시뮬레이션과 적층 가공을 함께 사용하면 기존의 프레스 툴이나 기계 가공을 사용할 때보다 훨씬 더 빠르게 새로운 디자인을 프로토타입으로 제작하고 테스트할 수 있습니다.

컴팩트한 포장

전자 부품은 제한된 환경에 위치하는 경우가 많기 때문에 작고 창의적인 열 관리 솔루션이 필요합니다. 이는 소형 eVTOL 항공기의 제한된 공간에서 특히 중요합니다.

"적층 가공은 기존 방식으로는 구현하기 매우 어려운 독특한 형상을 만들 수 있습니다. 우드포드를 강조합니다. '고출력 전자장치 냉각을 위해 인버터와 같은 부품을 감싸는 맞춤형 냉각판을 설계하고 제조할 수 있습니다. 또한 냉각수 회로를 위한 포트와 연결부를 어떤 형상이나 위치에서든 형성하여 차량 내 전체 어셈블리를 가장 잘 패키징할 수 있습니다.

"전반적으로 적층 제조의 역량은 첨단 항공 모빌리티 부문의 새로운 수요를 충족하기 위해 냉각판 냉각 기술을 발전시키고 있습니다. 라고 우드포드는 결론을 내립니다. "열 관리 및 적층 제조에 대한 당사의 전문성을 통해 이전보다 훨씬 빠르게 맞춤형 냉각판 설계를 설계, 시뮬레이션, 프로토타입 제작 및 상호 연관시킬 수 있습니다.

참조

[1] 알알이, 2022. 미래 항공 모빌리티를 위한 획기적인 한 해 [온라인]. 맥킨지 앤 컴퍼니.

[2] 마이크로 채널 냉각판의 열 저항 [온라인]. 고급 열 솔루션 Inc.

[3] A.S., 1970. 자체 교차점이 없는 무한 주기적 최소 표면 [온라인]. NASA.