[논문]적외선 우주망원경 냉각시스템 시험모델 열설계

양형석; 김동락; 이병섭; 김건희; 이대희; 박수종; 남욱원

doi:10.5140/jass.2006.23.2.153

초록
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이 논문에서는 적외선 우주관측을 위한 냉각시스템 시험모델(PSICS, Protomodel Space Infrared Cryogenic System)의 설계를 위해 수행된 열해석 및 열설계 내용을 논의한다. 이 냉각시스템은 장래 진행될 위성 탑제용 적외선 우주 망원경의 냉각시스템 계발을 위한 예비연구를 위한 시스템이며, 테스트는 지상에서의 관측을 통해 수행된다. 냉각목표 온도는 80K이고, 80K에서 500mW의 냉각능력을 갖는 스터링 냉동기 1대가 냉각에 사용된다. 저열침입과 열부하의 바른 예측을 위해 냉각시스템의 전도, 복사 등의 각 열전달 모드에 대해 열부하를 산출하였고, 총 열부하는 복사열 차단 정도에 따라 $42{\sim}149mW$임을 알았다. 또한 냉각박스 표면의 온도분포는 0.12K 이하의 균일한 온도분포로 유지될 수 있음을 알았다. 이를 통해 80K에서 500mW의 냉동기를 이용하여 충분히 냉각시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Protomodel Space Infrared Cryogenic System (PSICS) cooled by a stirling cry-ocooler has been designed. The PSICS has an IR sensor inside the cold box which is cooled by a stirling cryocooler with refrigeration capacity of 500mW at 80K in a vacuum vessel. It is important to minimize the heat load s...

A Protomodel Space Infrared Cryogenic System (PSICS) cooled by a stirling cry-ocooler has been designed. The PSICS has an IR sensor inside the cold box which is cooled by a stirling cryocooler with refrigeration capacity of 500mW at 80K in a vacuum vessel. It is important to minimize the heat load so that the background thermal noise can be reduced. In order to design the cryogenic system with low heat load and to reduce the remained heat load, we have performed numerical analyses. In this paper, we present the design factors and the results obtained by the thermal analysis of the PSICS.

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문제 정의

한국기초과학지원연구원에서는 한국천문연구원과 공동으로 적외선 우주 망원경 냉각 시스템 개발을 목표로 하여 시험모델인 PSICS(Protomodel Space Infrared Cryogenic system)를 설계하였다. 적외선 우주 망원경 냉각시스템에는 액체헬륨 또는 액체질소와 같은 냉매를 사용하는 방법과 기계 식 냉동기를 이용하는 방법(Narasaki & Tsunematsu 2000)이 있으나, 최근의 냉동기 기술개발로 문제가 되어왔던 냉동기의 장기운전 신뢰성(Marquardt 2002)도 대폭 개선되었고, 액체냉매의 경우 냉매의 소비시간에 의해 관측이 종결되는 단점을 피하기 위해 본 연구에서는 스터링 냉동기(박성제 등 2003)를 이용한 80K 이하가 유지되는 냉각시스템 개발을 목표로 설계하였다. 이 논문에서는 적외선 센서 냉각을 위한 냉각시스템의 열설계를 위한 사양을 소개하고, 열부하 해석 결과를 논의한다.
적외선 우주 망원경 냉각시스템에는 액체헬륨 또는 액체질소와 같은 냉매를 사용하는 방법과 기계 식 냉동기를 이용하는 방법(Narasaki & Tsunematsu 2000)이 있으나, 최근의 냉동기 기술개발로 문제가 되어왔던 냉동기의 장기운전 신뢰성(Marquardt 2002)도 대폭 개선되었고, 액체냉매의 경우 냉매의 소비시간에 의해 관측이 종결되는 단점을 피하기 위해 본 연구에서는 스터링 냉동기(박성제 등 2003)를 이용한 80K 이하가 유지되는 냉각시스템 개발을 목표로 설계하였다. 이 논문에서는 적외선 센서 냉각을 위한 냉각시스템의 열설계를 위한 사양을 소개하고, 열부하 해석 결과를 논의한다.
적외선 우주망원경 냉각시스템의 시험모델을 설계하여 설계사양과 열부하에 대해 논의하였다. 냉각은 80K에서 500mW의 냉각능력을 갖는 스터링 냉동기를 이용하였고, 스터링 냉동기에 의해 필터와 적외선센서가 80K로 냉각된다.

제안 방법

복사열침입을 줄 이 기 위한 방법으로 주로 사용되는 방법은, 적층단열재(MLI, Multi-Layer Insulation)를 사용하는 방법이 있다. 복사열 침입은 적층단열재를 적층하였을 경우와 미적층하였을 경우를 비교검토하기 위해 2가지 경우에 대해 고려하여 산출하였다. 신호선의 열침 입량은 구리 83%, 망간 13%, 니켈 4%로 구성되어 있는 망간인선의 사양을 이용하여 계산하였다.
복사열 침입은 적층단열재를 적층하였을 경우와 미적층하였을 경우를 비교검토하기 위해 2가지 경우에 대해 고려하여 산출하였다. 신호선의 열침 입량은 구리 83%, 망간 13%, 니켈 4%로 구성되어 있는 망간인선의 사양을 이용하여 계산하였다.
단면적과 방사율은 형상, 온도, 재질에 따라 정해지므로 복사열침입량을 구하기 위해서는 형태계수(Siegel & Howell 2002)를 구하여야 한다. 복사열 침입량 산출에 있어서 방사율은 흡수율과 같고 전파장에 대해 일정하다는 회체개념으로 계산하였다. 계산에 사용한 방사율은 진공용기 0.
해석에 사용된 냉각박스의 열부하는 표 3에 나타낸 것과 같이 최대 복사열침 입량에 비해 전도 열침 입량은 매우 미미하므로 전도 열침 입량은 무시하고 복사열침입량 U6mW만을 이용하였다. 냉각박스의 온도분포를 도출하기 위해 냉동기와의 접촉 부분은 80K로 고정하고 냉각능력 500mW로 냉각시켜 냉각박스가 상온인 300K에서 정상냉 각상태의 온도분포에 도달하였을 때의 온도분포를 구하였다. 80K에서 500mW의 냉동능력을 갖는 스터링 냉동기에 의해 냉각박스는 냉동기에 근접한 부분부터 냉각되어 전체적으로 냉각온도인 80K까지 전체적으로 냉각된다.

대상 데이터

그림 3에서 같은 재질의 신호선을 사용해도 지름이 작고 길이가 긴 경우에 전도열침입은 감소하는 것을 알 수 있다. 본 설계에서는 3개의 신호선 중에 A를 사용하고 길이 0.2m의 신호선을 사용하여 신호선 1개당 전도열침입을 0.245mW 이하로 정하였다. 전기신호선의 주울열은 식 (5)로 계산된다.
냉각박스는 수직방향으로 대칭형이므로 결과는 대칭면의 한면만 나타내었다. 해석에 사용된 냉각박스의 열부하는 표 3에 나타낸 것과 같이 최대 복사열침 입량에 비해 전도 열침 입량은 매우 미미하므로 전도 열침 입량은 무시하고 복사열침입량 U6mW만을 이용하였다. 냉각박스의 온도분포를 도출하기 위해 냉동기와의 접촉 부분은 80K로 고정하고 냉각능력 500mW로 냉각시켜 냉각박스가 상온인 300K에서 정상냉 각상태의 온도분포에 도달하였을 때의 온도분포를 구하였다.
적외선 우주망원경 냉각시스템의 시험모델을 설계하여 설계사양과 열부하에 대해 논의하였다. 냉각은 80K에서 500mW의 냉각능력을 갖는 스터링 냉동기를 이용하였고, 스터링 냉동기에 의해 필터와 적외선센서가 80K로 냉각된다. 냉각시스템의 냉각박스의 열부하는 적충단열재를 적층하지 않았을 경우에는 149mW, 적층단열재를 적층하였을 경우에는 42mW로 산출되어 500mW 스터링 냉동기로 80K 냉각이 가능한 열부하임을 확인하였다.

데이터처리

냉각박스(두께 0.4mm)의 정상 냉각상태의 온도분포를 구하기 위해 그림 4에 나타낸 냉각시스템 (5)을 모델을 이용한 2차원 해석을 하였으며, 그 결과를 그림 5에 나타내었다. 냉각박스는 수직방향으로 대칭형이므로 결과는 대칭면의 한면만 나타내었다.

성능/효과

06(초전도저온공학핸 드북, 일본저온공학협회 1993)이다. 그 결과 냉각박스에 적층단열재를 적충하지 않았을 경우의 냉각 박스로 전달되는 복사열침입량은 116.5mW으로 산출되었고, 이것은 최대 복사열침입량에 해당한다.
적외선센서 작동후의 자체발열(30mW)에 의한 냉각박스의 온도영향성을 알아보기 보기 위해 그림 6a에 적외선 센서 작동 후의 온도분포와 6b에 A, B, C, D 지점에서의 정상냉각온도 도달시간을 나타내었다. 정상냉각온도(그림 6b에서 시간0의 온도)에서 적외선센서 자체발열인 30mW 발열에 의해 냉각박스 온도는 최대 0.01K 상승하여 약 40초 후에는 냉동기 부착부에서 가장 먼 지점 인 D 지점 에서도 0.12K 이하의 균일한 온도분포로 냉각되는 것을 보이고 있다. 이를 통해 적외선 센서를 작동하여도 센서자체의 발열에 의해 냉각박스의 온도는 최대 0.
12K 이하의 균일한 온도분포로 냉각되는 것을 보이고 있다. 이를 통해 적외선 센서를 작동하여도 센서자체의 발열에 의해 냉각박스의 온도는 최대 0.01K 상승함을 알 수 있으며, 센서자체의 발열이 냉각박스의 온도상승에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.
냉각은 80K에서 500mW의 냉각능력을 갖는 스터링 냉동기를 이용하였고, 스터링 냉동기에 의해 필터와 적외선센서가 80K로 냉각된다. 냉각시스템의 냉각박스의 열부하는 적충단열재를 적층하지 않았을 경우에는 149mW, 적층단열재를 적층하였을 경우에는 42mW로 산출되어 500mW 스터링 냉동기로 80K 냉각이 가능한 열부하임을 확인하였다. 냉각박스에서의 온도분포는 적외선 센서 작동 전에는 0.
냉각시스템의 냉각박스의 열부하는 적충단열재를 적층하지 않았을 경우에는 149mW, 적층단열재를 적층하였을 경우에는 42mW로 산출되어 500mW 스터링 냉동기로 80K 냉각이 가능한 열부하임을 확인하였다. 냉각박스에서의 온도분포는 적외선 센서 작동 전에는 0.11K 이하로, 적외선 센서 작동 후에는 0.12K 이하로 균일하게 냉각되어 적외선 센서의 자체 발열에 의해 냉각박스의 온도분포는 크게 영향 받지 않음을 알았다.

참고문헌 (11)

김도형, 정원묵, 김동락, 양형석, 정기호, 조승연 2003, 대한설비공학회 2003 하계 학술대회논문집, p.85
김동락, 양형석, 정원묵, 이병섭, 신필권, 황시돌 2005, 한국초전도 저온공학회 논문집, 7(3), 39
박성제, 홍용주, 김효봉, 유병건, 이기백 2003, 한국초전도 저온공학회 2003년도 학술대회 논문집, p.156
양형석, 김동락, 이병섭, 최연석 2005, 국초전도 저온공학회 논문집, 7(3), 43
Collaudin, B. & Rando, N. 2000, Cryogenics, 40, 797

상세보기
Dipirro, M. J. & Kittel, P. 1988, in Advances in Cryogenic Engineering, ed. R. W. Fast (New York: Plenum Press), p.893
Fujii, G., Tomoya, S., Kyoya, M., Hirabayashi, M., Murakami, M., Matsumoto, T., Hirao, T., Murakami, H., Okuda, H., & Kanari, T. 1996, Cryogenics, 36, 731

상세보기
Marquardt, E. D. 2002, Cryogenics, 41, 845

상세보기
Narasaki, K. & Tsunematsu, S. 2000, in The Institute of Space and Astronautical Science Report SP No.14, eds. T. Matsumoto & H. Shibai (Sagamihara: ISAS), p.331
Shibanuma, K., Kuriyama, M., & Shibata, T. 1991, Journal of the Atomic Energy Society of Japan, 33, 1083
Siegel, R. & Howell, J. 2002, Thermal radiation heat transfer (New York: Taylor & Francis), pp.155-193

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