[논문]정지궤도위성 전장품의 열설계 검증을 위한 최적 열해석 모델링 연구

전형열; 양군호; 김정훈

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.4.526

문제 정의

본 연구에서는 정지궤도 우주환경에서 성능요구조 건 및 높은 신뢰도를 만족시킬 수 있도록 전장품의 성능검증모델(EQM: Engineering Qualification Model)의 열설계 검증을 위하여 최적의 열해석 모델링 방법을 개발하고 실제 설계 및 해석에 반영하였다.
정지궤도 우주환경은 극고진공상태로 열대 류를 고려할 필요가 없으나 지상에서의 대기압 열주기 시험 모사를 위하여 열전도 및 열복사 모델링에 열대류모델을 추가하였다. 열주기 시험은 전장품의 열피로 (thermal fatigue) 및 작업성 상태 (workmanship) 를 확인하기 위한 목적으로 수행된다. 열주기 시험 챔버내의 가스와의 대류열전달 모사를 위하 에 나타나 있었으나, 소자의 접합점과 소자의 케 여 TAS 에서 하우징 외부에 한 개의 대류벌크노드(convective bulk node)-8- 생성하였다.
원격측정명령처리기의 열해석은 설계확정 전 열 설계의 초기 검증, 궤도환경시험 모사, 소자의 최악 운용온도 예측 및 신뢰도 해석에 대한 자료 제공에 그 목적이 있다. 이러한 목적에 부합하기 위하여 설계확정 이전의 해석, 즉 예비열해석(pre- liminary thermal analysis)은 열전도만을 고려하여 설계 여유분을 가지도록 하였다.
즉 소자의 최대 열소산량을 이용하여 해석을 수행하기 때문에 소산량이 큰 소자일수록 실제 나타나는 현상보다 높은 온도를 예측하게 된다. 이러한 정량적인 오차를 보완하고 전반적인 실제 온도응답의 정확 성을 높이기 위해 본 연구에서는 열해석에 사용되는 이론적 소자 열소산량을 보드별 전기적 시험결과를 활용하여 환산하였다.

가설 설정

5 에서와 같이 집적회로가 인쇄회로기판에 장착되었을 때 인 쇄회로기판의 온도는 집적회로의 리드가 납땜되는 부분을 중심으로 온도가 급격하게 변함에도 불구하고 인쇄회로기판에 투영된 소자의 열플레이트 아래부분은 전영역에 걸쳐 인쇄회로기판의 온도가 그다지 크게 변하지 않는다. 따라서 열모델링을 위한 집적회로의 열플레이트 경계를 소자의 리드 가 인쇄회로기판에 납땜되는 부분으로 정하였다.

제안 방법

원격측정명령처리기 열진공시험은 열주기시험 과 동일한 온도조건을 가지 며 10" torr 의 열진공챔 버에서 수행하였다. 총 25개의 열전대 중 2개의 열전대(CH06, CH₂₂)에 대한 온도획득은 실패하였다.
(2) 열설계 변경에 따른 각 소자별 열모델링을 용이하게 수행하기 위하여 소자 및 인쇄회로기판 격자가 정확하게 정렬되어 있지 않은 경우, 소자 와 인쇄회로기판의 열전달을 해당 노드의 접촉면 적으로 가중시켜 열전도 컨덕턴스로 모델링 하는 표면열모델을 제안하였다.
(3) 설계완료 전 설계검토를 위한 열해석, 시험 결과와의 비교를 위한 열해석 등의 목적을 위해 다양한 열해석 모델을 수립하였다. 그 결과 해석 에 대한 불확실성이 적고 모델링이 용이한 열전도 해석모델이 열진공시험 모사 결과보다 공학적으로 활용하는데 더 적합한 것으로 사료된다.
참고문헌 (11)에서 는 이러한 표면열모델을 SINDA<")를 사용하여 알고리즘을 구현한 후 열해석을 수행한 결과를 기술 하였다. Fig. 6 에서는 업링크/1553 보드의 실제모습 과 발열소자 표면열모델을 나타내었으며 본 연구에서의 표면열모델은 TAS의 Synchromesh기능으로 구현하였다.
계산된 컨덕턴스 는 TAS 의 열전도모델과 결합되어 최종 온도를 계 산하게 된다. TRASYS 에서는 원격측정명령처리기 내부 인쇄회로기판, 전력변환모듈 및 하우징 등의 쓸레이트들을 각각 하나의 능동복사표면 (active radiative surface)을 가지 도록 기 하학적 인 형상을 모 델링한 후 열복사 컨덕턴스를 계산하였으며 TAS에서는 흑체복사싱크노드(black radiative sink node)를 가지는 진공챔버의 슈라우드(shroud)와 외부 하 우징의 열복사를 고려하였다. Fig.
개발된 열모델링 방법의 타당성 검증을 위하여 국내 최초의 정지궤도위성 본체 전장품인 원격측정명 령처리기(CTU: Command and Telemetry Unit)의 성능검증모델에 대한 열해석 밎 전장품의 궤도환 경시험(열주기시험 밎 열진공시험)을 수행하였다.
원격측정명령처리기의 궤도환경을 위한 경계 조 건은 기저플레이트 히트싱크 온도를 기준으로 고 온조건일 때 71'C, 저온조건일 때 -34℃이다. 궤도 환경시험을 수행하기 이 전에 예비열해석을 수행하고 그 결과를 이용하여 온도측정위치를 선정하였다. 궤도환경실험시 가장 우선 측정되어야 할 부 분은 열환경온도 설정을 위한 하우징 및 기저플레 이트의 온도이다.
실제 보드레벨의 열소 산량은 보드의 소모전력량에 보드동작에 필요한 전력량을 뺀 값이지만 Table 2 에서와 같이 이론적 인 소자별 열소산량의 합은 실제 소모전력량 보다 도 크게 예측되어 있다. 따라서 이론적인 열소산량을 그대로 사용하기 보다 이론적 열소산량에 대한 가중치로 보드별 측정 소모전력량을 사용하여 소자의 열소산량으로 정하였으며 식 (10)과 같이 환산하였다. Table 2에는 계산된 가중치 /■가 나타나 있다.
반실험적 소자 열소산량 방법(semi-empirical part heat dissipation method)은 정지궤도의 가장 열악한 우주환경에서 전장품이 동작하게 될 경우에 예상되는 소자의 접합(junction)온도, 케이스(case)온도 및 인쇄회로기판(PCB: printed circuit board)온도의 정량적 정밀도를 높이기 위하여 고안되었으며, 소 자의 열소산량을 반실험적인 방법으로 도출한 것이다. 또한 열설계 변경에 따른 각 소자별 열모델 링을 빠르게 수행하기 위하여 소자 및 인쇄회로기 판 격자가 정확하게 정렬되어 있지 않은 경우에도 소자와 인쇄회로기판 사이의 열전달량을 노드의 접촉면적으로 가중시켜 열전도 컨덕턴스(conductance) 로 모델링 하는 표면열모델(surface heat model)을 제안하였다.
이것은 원격측정명령처리기에 사용된 집적 회로가 많은 수의 리드를 가지고 있고, 다이오드, 저항, 인덕터, 트랜스포머 등의 소자도 대부분 표 면장착소자를 선정함으로써 소자 케이스와 인쇄회로기판이 직접적으로 접촉되어 있어서 소자 케이 스와 인쇄회로기판 사이의 열저항이 그리 크지 않 기 때문이다. 또한 트랜지스터는 케이스와 인쇄회 로기판 사이에 열패드(thermal pad)를 삽입하고 접 착시켜 열저항을 최소화 하였다. 소자의 케이스 온도의 정량적인 비교를 위해서는 이러한 인쇄회 로기판의 열해석 결과와 각 소자의 열저항 및 열 소산량이 필요하며 식 (10)과 유사하게 해석적으로 구할 수 있을 것이다.
발열소자 표면열모델을 위하여 발열소자가장 착된 인쇄회로기 판 위에 소자의 풋프린트 (footprint) 에 해당되는 얇은 열플레이트(thermal plate)를 생성하였다. 열플레이트는 얇은 접착식 히터(electrical patch heater)로 생각할 수 있으며 열플레이트를 매개로 하는 열전달을 최소화하기 위하여 두께를 상당히 얇게 함으로써 발생열이 곧바로 인 쇄회로기판에 전달될 수 있도록 모델링하였다.
따라서 식 (10)을 사용하면 반실험적인 소자 열소산량을 구할 수 있다. 본 연구에서는 반실험 적인 소자 열소산량을 사용하여 열전달 모드의 조합에 따라 열전도해석, 열주기시험모사, 열진공시 험모사의 세 종류로 나누었다. 열전도해석은 해석 의 여유분을 갖게 하기 위해 열복사 모드를 배제 하였으며 열주기시험모사 및 열진공시험모사는 각각 열주기시험 및 열진공시험 결과와 비교하기 위한 해석의 경우이다.
본 연구의 열모델링에서는 잘 알려지지 않은 변수 및 특정 범위 내에 존재하는 종속변수들에 대하여 열적으로 가장 최악의 수치를 택하고 실제 온도응답 범위의 폭 보다 넓은 온도를 예측하도록 함으로써 일종의 해석 여유분을 가지게 하였다. 성능검증모델의 열모델 수립 및 해석을 위한 소프트웨 어 는 TAS 7.
열전도해석 , 열진공시험모사 및 열주기시험모사 에서는 소자의 열소산을 열플레이트로 모델링을 수행하지만 이것은 소자 열플레이트가 인접한 인 쇄회로기 판 격 자에 얼마만큼의 입 력열로 들어 가는 지를 모사하는 것이다. 실제 계산은 인쇄회로기판 과 하우징 수준에서 수행되게 되며 결과적으로 소 자가 장착되는 인쇄회로기판의 온도를 최종 획득한다. Fig.
열플레이트는 얇은 접착식 히터(electrical patch heater)로 생각할 수 있으며 열플레이트를 매개로 하는 열전달을 최소화하기 위하여 두께를 상당히 얇게 함으로써 발생열이 곧바로 인 쇄회로기판에 전달될 수 있도록 모델링하였다. 열 플레이트는 최소 4 개 이상의 수치적 노드로 구성 되며 노드의 제어체적에 해당되는 표면의 전 영역 에 균일한 열을 가하도록 하였다. Fig.
발열소자 표면열모델을 위하여 발열소자가장 착된 인쇄회로기 판 위에 소자의 풋프린트 (footprint) 에 해당되는 얇은 열플레이트(thermal plate)를 생성하였다. 열플레이트는 얇은 접착식 히터(electrical patch heater)로 생각할 수 있으며 열플레이트를 매개로 하는 열전달을 최소화하기 위하여 두께를 상당히 얇게 함으로써 발생열이 곧바로 인 쇄회로기판에 전달될 수 있도록 모델링하였다. 열 플레이트는 최소 4 개 이상의 수치적 노드로 구성 되며 노드의 제어체적에 해당되는 표면의 전 영역 에 균일한 열을 가하도록 하였다.
원격측정명령처리기 열주기시험은 기저플레이 트 기준으로 최저 -34'C 최고 7「C의 온도 범위를 가지며 12 사이클을 대기조건에서 수행하였다. 열 주기 시험챔버는 시험 중 불활성 질소가스를 계속 공급하여 저온조건일 때 수증기의 응축을 최소화 한다.
정지궤도 우주환경은 극고진공상태로 열대 류를 고려할 필요가 없으나 지상에서의 대기압 열주기 시험 모사를 위하여 열전도 및 열복사 모델링에 열대류모델을 추가하였다. 열주기 시험은 전장품의 열피로 (thermal fatigue) 및 작업성 상태 (workmanship) 를 확인하기 위한 목적으로 수행된다.
정지궤도위성 전장품의 열설계 검증을 위한 열 해석 모델링 기법을 제시하고 원격측정명령처리기 의 열해석에 활용되었으며 그 타당성 입증을 위해 열주기시험 및 열진공시험을 수행하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
집적회로와 마찬가지로 축대칭형(axial lead type)의 다이오드, 저항, 커패시터도 동일한 방법으로 리드가 인쇄회로기판에 접촉하는 부분을 경계로 한 후 소자가 인쇄회로기판에 투영된 면적에 대하여 해당 열플레이트를 모델링하였다. 또한 인쇄회 로기판에 소자의 표면이 직접 장착되는 표면장착장치(surface mounted device)도 소자의 투영면적을 소산열이 발생하는 표면으로 정하였다.
3과 같이 두께를 가지는 평판으로 모 델링하고 두께방향의 열전달은 무시하였다. 플레 이트와 플레이트 사이 및 인쇄회로기판과 플레이 트 사이의 접촉열저항은 노드간 열저항을 생성하여 모사하였다.
특히 보드의 온도는 최대 열집 중이 예상되는 고온영역과 가장 낮은 온도가 예상 되는 저온영역을 측정하여 보드의 최대, 최소 또는 대수평균 특성온도(characteristic temperature)# 결정함으로써 해석모델의 민감도 및 타당성 검증 이 수행될 수 있다. 한편, 열소산량의 검증을 위해서는 해당 소자의 케이스온도 측정이 필요한데, 열주기/열진공 시험 시 측정할 수 있는 온도채널 의 개수 제한 및 온도측정의 불확실성을 감안하여 약 100mW 이상 발열하는 소자에 대하여 온도 획 득을 하기로 하였으며 총 25 개 채널의 온도측정 위치를 선정하였다.

대상 데이터

11은 열주기시험 결과 각 채널별로 획득된 온도 프로파일을 나타낸다. 총 25개의 열전대를 부착하여 시험을 수행하였으나 4개의 열전대(CH02, CH03, CH₁₄, CH₁₉)에 대한 온도획득은 실패하였다. 전장품의 특성상 열 전대를 피사체에 직접 납땜할 수 없으므로 캡톤 테이프를 사용하여 열전대를 피사체에 접촉시켰다 이러한 4 개 채널의 비정상 온도응답 결과를 보면 온도의 심한 요동(fluctuation)을 보였으며 열전대 부착 후 열주기시험을 위한 이동, 시험을 위한 설 치 등으로 인하여 열전대의 접점의 단락 또는 피 사체와의 비접촉 등이 야기된 것으로 분석된다.

이론/모형

실제 전장품이 운용되는 정지궤도 우주환경 모 사 및 지상 열진공시험 모사를 위하여 열전도 모 델링에 더하여 열복사 모델링이 필요하다. 열복사 모델링 중 열복사 컨덕턴스를 계산하는 프로그램 으로 TRASYS, ")를 사용하였다. 계산된 컨덕턴스 는 TAS 의 열전도모델과 결합되어 최종 온도를 계 산하게 된다.
판 사이의 가스는 내/외부와의 유동이 거의 없이 밀폐된 환경을 구성한다. 따라서 인쇄회로기판 사 이 및 하우징과 인쇄회로기판 사이에 내부 대류열 전달 모사를 위하여 총 10 개의 대류벌크노드를 서 제공하는 “Free Convection in Enclosed Spaces” 모드를 적용하였다. Table 3은 계산에 사용된 대류열 전달 계수를 나타내었으며 Fig.
뿐만 아니라 소자 노드 의 위치변경에 따라 일일이 인쇄회로기판의 격자계 정렬이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 열설계 변 경에 따른 각 소자별 열모델링이 용이하도록 소자 와 인쇄회로기판의 격자가 정확하게 정렬되어 있지 않은 경우에 대해서도 두 노드 사이의 열전달을 모사할 수 있는 표면열모델(surface heat model)을 적용하였다.
본 연구의 열모델링에서는 잘 알려지지 않은 변수 및 특정 범위 내에 존재하는 종속변수들에 대하여 열적으로 가장 최악의 수치를 택하고 실제 온도응답 범위의 폭 보다 넓은 온도를 예측하도록 함으로써 일종의 해석 여유분을 가지게 하였다. 성능검증모델의 열모델 수립 및 해석을 위한 소프트웨 어 는 TAS 7.0(Thermal Analysis System)©을 이용하였다. 전장품의 열모델을 수립하는데 필요한 입 력값은 크게 기계적 치수/물성치, 접촉열저항, 소 자 열소산량 세 가지로 나눌 수 있다.

성능/효과

(1) 이론적인 개별 소자의 열소산량에 대하여 보드레벨의 전력소모량을 가중치로 곱하여 열소산 량을 환산하는 반실험적 소자 열소산량 방법을 개 발하였으며 해석 에 가장 큰 영향을 주는 입 력변수 인 열소산량의 정밀도를 높임으로써 실제 궤도환 경시험 결과와도 잘 일치하였다.
(4) 최종 검증된 열해석 모델을 사용하여 보드 레벨 및 소자 접합온도 해석을 수행한 결과, 원격 측정명령처리기 성능검증모델에 사용된 모든 소자 가 온도 감쇄요구조건을 만족하였으며 정지궤도위 성용 전장품 설계의 열적 타당성을 확인하였다.
CH02-CH04 는 하우징의 두께가 9mm 영역에 부착되어 있는 열전 대로서, 하우징 두께를 9mni 로 다시 모델링하여 해 석해 본 결과 실험치와 동일한 온도를 나타내었다. 결과적 으로 열주기시 험모사와 열주기시험 결과와의 차이는 최대 2℃로 나타났다.
(3) 설계완료 전 설계검토를 위한 열해석, 시험 결과와의 비교를 위한 열해석 등의 목적을 위해 다양한 열해석 모델을 수립하였다. 그 결과 해석 에 대한 불확실성이 적고 모델링이 용이한 열전도 해석모델이 열진공시험 모사 결과보다 공학적으로 활용하는데 더 적합한 것으로 사료된다.
전장품의 열모델링 수행 중 하우징 및 인쇄회 로기판의 크기가 결정되고 구조적인 결합방식이 확정되어 있는 경우에는 이미 해당 노드와 노드 사이의 열저항 계산이 완료된 상태일 것이며 기 생성된 노드의 개수 변화 또는 위치 이동은 모든 열저항을 다시 계산해야 하는 어려움이 있다. 더 구나 소자의 개수가 1000 여개가 되는 본 연구의 원격측정명령처리기는 소자의 재배치 등으로 인쇄 회로기판과의 격자 정렬이 필요할 경우 노드를 추 가하거나 위치를 변경하여야 할 것이며 상당한 양 의 모델링 작업이 새로 수행되어야 하므로 비효율적이라고 할 수 있다.
Analysis), 열주기시험 모사(T/C Analysis) 및 열진공시험모사(T/V Analysis) 결과를 실제 측정된 열진공시험의 고온조건 결과(T/V Test)와 함께 나타낸 것이다. 열진공시험모사 결과와 비교할 때 설계완료 전 이론적인 열소산량만을 이용한 예비 열해석 결과는 최대 8℃ 정도의 높은 온도를 보이고 있다. 디지털소자가 많은 시그널보드에 비해 전 력 변환모듈에 장착된 아날로그소자 열소산량의 정확성이 실제보다 상당히 떨어짐을 알 수 있다.
총 25개의 열전대를 부착하여 시험을 수행하였으나 4개의 열전대(CH02, CH03, CH₁₄, CH₁₉)에 대한 온도획득은 실패하였다. 전장품의 특성상 열 전대를 피사체에 직접 납땜할 수 없으므로 캡톤 테이프를 사용하여 열전대를 피사체에 접촉시켰다 이러한 4 개 채널의 비정상 온도응답 결과를 보면 온도의 심한 요동(fluctuation)을 보였으며 열전대 부착 후 열주기시험을 위한 이동, 시험을 위한 설 치 등으로 인하여 열전대의 접점의 단락 또는 피 사체와의 비접촉 등이 야기된 것으로 분석된다. 정상상태의 고온/저온 조건에서 온도응답의 변화가 심한 것은 원격측정명령처리기의 다양한 전기 적 성능시험 수행 중 전장품을 on/off 하기 때문이다.

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