[논문]열관과 상변화물질을 일체형으로 병렬 배열한 위성용 열제어 부품 연구

김택영; 현범석; 이장준; 이주훈

doi:10.5139/jksas.2010.38.11.1087

[국내논문] 열관과 상변화물질을 일체형으로 병렬 배열한 위성용 열제어 부품 연구
Study on the Satellite Thermal Control Hardware Composed of Two Parallel Channels Working for Heat Pipe and Phase Change Material 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.11, 2010년, pp.1087 - 1093

김택영 (한국산업기술대학교 기계공학과) , 현범석 (한국항공우주연구원) , 이장준 (한국항공우주연구원) , 이주훈 (한국항공우주연구원)

초록
AI-Helper

열관(HP)과 상변화물질(PCM)을 병렬로 배열한 일체형 위성 열제어 H/W를 제안하였다. HP-PCM 모듈은 제한적인 의미에서 일종의 off-the-shelf 부품으로써, PCM을 위한 별도의 열설계와 형상설계 등을 수행하지 않더라도 기존에 사용하고 있는 HP처럼 크기나 개수 등만을 설계함으로써 온도제어를 달성할 수 있도록 하였다. 주기적인 발열이 있는 부품의 온도제어를 위하여, 제안한 HP-PCM 모듈이 적용된 위성 방열판을 설계하고 상세모델을 수립하여 수치해석을 수행하였다. 각각 PCM이 없는 경우와 PCM을 장입한 경우에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 등가평균값의 주기적인 변화에 대한 비교분석을 통하여 PCM의 축열과 방열에 의한 열분산이 매우 효과적임을 확인하였다. HP가 작동하지 않는 경우에 대한 수치해석을 통하여 열전도도가 작은 PCM의 사용한계를 제안한 HP-PCM 모듈을 이용하여 극복할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The satellite thermal control H/W composed of two parallel channels working for heat pipe (HP) and phase change material (PCM) is suggested for the high heat dissipating component which works intermittently with short duty. In a limited point of view, the HP-PCM device is a kind of off-the-shelf component that requires no dedicated configuration and thermal designs to PCM. Therefore, it can be used with less impact on the program cost and schedule different from most of the PCM applications. In present study the typical honeycomb structure radiator applying the HP-PCM device is designed and the detail thermal math model is developed for numerical analyses. The result comparison between without and with PCM shows that the HP-PCM device redistributes the peak heat around the whole mission period through the alternate melting and freezing of PCM, and, as a result, the maximum and minimum temperatures are effectively alleviated. The drawback of PCM application due to low thermal conductivity can be successfully resolved by means of parallel arrangement of HP channel.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

특히 본 연구에서는 PCM의 활용을 기본목적에 부합되어 적용할 수 있는 off-the-shelf의 모듈로써 제안한다. 즉, PCM을 위한 별도의 열설계와 형상설계 등을 수행하지 않더라도, 기존에 사용하고 있는 열관(Heat Pipe, HP)과 같이 크기나 개수 등만을 설계함으로써 온도제어를 달성할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 제안하는 HP-PCM 모듈 개념을 요약하면, PCM 만을 적용시의 제약점을 극복하고 HP의 열분산 성능까지 포함하며, off-the-shelf 로 적용 가능한 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 이에 대한 기초 연구로 HP-PCM모듈의 효과를 정량적으로 평가하기 위하여, 주기적으로 발열하는 부품을 위한 전형적인 위성방열판을 제시하고 수치해석을 통하여 분석하였다. 열분산을 위하여 사용되는 HP의 간극관에 PCM을 장입한 경우와 장입하지 않은 경우의 온도변화를 비교함으로써 HP-PCM 모듈의 온도제어 효과를 검증하였다.
HP가 작동하지 않는 비정상 상태에 대하여도 두 가지 모델에 대한 해석을 수행하였으며, 결과를 고찰하였다. 이러한 결과들을 토대로 HP-PCM 모듈의 적용에 대한 일반적인 특성을 검토하였다.
본 연구에서는 PCM에 열을 축적하여 궤도주기에 따라 최대한 균일하게 분산시킴으로써 최고 온도를 낮추고 최저온도를 상승시키는 HP-PCM 모듈의 성능을 평가하는 것이 주목적이다. 이에 따라 PCM의 상변화 온도는 온도제어 대상인 전자부품의 최고/최저 허용온도 범위에 있어야 하며, 상변화 잠열도 가능한 클수록 유리하다.

가설 설정

4 mm인 AL2024이며, 특히, 외부 면재에는 태양열 흡수를 줄이고 배경 우주로의 복사열 방출이 용이하도록 OSR(Optical Solar Reflector)을 부착하였다. OSR의 IR 방사율은 0.8로 가정하였다. 내·외부 면재 사이 벌집형 코어는 2 pcf(pound per cubic feet) AL5056을 사용하였으며, 열관 날개부는 강도를 고려하여 밀도가 큰 8 pcf 코어를 사용하였다.
부품에서 발생하는 열은 방열판에 장착된 바닥면을 통하여 전달된다. 발열은 부품의 임무수행에 따라 주기적으로 발생한다고 가정하였다. 즉, 10 분간 100 W의 발열이 있고, 이후 50 분간은 10 W의 예열구간으로 총 발열주기는 60 분이다.
즉, 10 분간 100 W의 발열이 있고, 이후 50 분간은 10 W의 예열구간으로 총 발열주기는 60 분이다. 방열판의 외부표면을 통하여 우주로 복사열을 방출하고, 내부는 위성본체와 비슷한 온도를 유지하므로 내부표면을 통한 열교환은 고려하지 않았으며, 외부의 태양복사는 없다고 가정하였다. 정상상태에 대한 방열판의 온도는 다음과 같은 식으로 간단히 구할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 1에 도시한 바와 같이 간극관의 양쪽 끝을 밀봉하여 챔버를 구성하고 내부에 PCM을 충전하여 HP와 PCM의 장점을 복합적으로 이용한 HP-PCM 모듈을 새로운 열제어용 H/W로 제안하였다. 이로써 증가되는 모듈의 질량은 내부에 충전되는 PCM의 양, m_PCM과 PCM 챔버를 구성하기위한 양단 밀봉재에 한정되지만, 축열이나 방열량은 m_PCMΔh_sl로써 궤도 주기의 열분산에 상당히 큰 효과를 얻을 수 있다.
본 연구에서는 이에 대한 기초 연구로 HP-PCM모듈의 효과를 정량적으로 평가하기 위하여, 주기적으로 발열하는 부품을 위한 전형적인 위성방열판을 제시하고 수치해석을 통하여 분석하였다. 열분산을 위하여 사용되는 HP의 간극관에 PCM을 장입한 경우와 장입하지 않은 경우의 온도변화를 비교함으로써 HP-PCM 모듈의 온도제어 효과를 검증하였다. HP가 작동하지 않는 비정상 상태에 대하여도 두 가지 모델에 대한 해석을 수행하였으며, 결과를 고찰하였다.
열분산을 위하여 사용되는 HP의 간극관에 PCM을 장입한 경우와 장입하지 않은 경우의 온도변화를 비교함으로써 HP-PCM 모듈의 온도제어 효과를 검증하였다. HP가 작동하지 않는 비정상 상태에 대하여도 두 가지 모델에 대한 해석을 수행하였으며, 결과를 고찰하였다. 이러한 결과들을 토대로 HP-PCM 모듈의 적용에 대한 일반적인 특성을 검토하였다.
궤도운행 중 주기적으로 작동하는 위성부품의 온도제어를 위한 전형적인 방열판의 단면을 Fig. 1에 도시하였으며, 본 연구에서는 이에 대한 수치해석을 통하여 HP-PCM 모듈의 성능을 평가하였다. HP의 단면은 12.
43 mm(t)인 직사각형이다. HP와 PCM 챔버의 길이는 방열판과 같이 500 mm(l)이고, 부품 바닥면의 열응집을 최소화하기 위하여 HP 측면에 열전도 보조용 날개(saddle)를 열관과 일체형으로 장착하였다.
이와 같은 단순해석을 토대로 HP-PCM이 장착된 방열판의 성능을 평가하기위하여 상세모델을 구성하였으며, 위성 열해석을 위하여 일반적으로 사용하는 상용코드인 SINDA/G V1.8을 이용하여 수치해석을 수행하였다. SINDA/G는 network 열해석 수치해석기법을 적용하고 있으며, 상변화 해석을 위한 PCHANG subroutine을 지원한다[6].
설계된 방열판의 방열성능을 비교분석하기 위하여 다음과 같은 4가지 경우에 대한 수치해석을 수행하였다.
CASE 1, 2는 HP-PCM 모듈의 성능을 HP만 있는 경우와 비교하기 위한 것이고, CASE 3, 4는 HP가 fail되어 작동하지 않을 때 PCM의 보완적 기능을 평가하기 위한 것이다. 각각의 경우에 대한 정량적인 평가를 위하여 방열판을 구성하는 각 부분에 대하여 다음과 같은 식으로 정의된 열용량 등가평균온도를 구하였으며, 이에 대한 분석을 수행하였다.
HP와 PCM을 병렬로 배열한 일체형 위성 열제어 H/W를 제안하였으며, 제안한 HP-PCM 모듈을 적용한 방열판을 단순 수학모델을 통하여 설계하였다. 설계된 방열판의 상세모델을 구성하고 이를 수치해석을 통하여 분석하였다.
HP와 PCM을 병렬로 배열한 일체형 위성 열제어 H/W를 제안하였으며, 제안한 HP-PCM 모듈을 적용한 방열판을 단순 수학모델을 통하여 설계하였다. 설계된 방열판의 상세모델을 구성하고 이를 수치해석을 통하여 분석하였다. PCM의 열분산 기능과 PCM에 미치는 HP의 성능을 평가하기 위하여 본론에 언급한 바와 같은 CASE 1, 2, 3, 4 등 4가지 기능에 대한 수치해석을 수행하였으며, 등가평균값의 주기적인 변화를 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
특히 본 연구에서는 PCM의 활용을 기본목적에 부합되어 적용할 수 있는 off-the-shelf의 모듈로써 제안한다. 즉, PCM을 위한 별도의 열설계와 형상설계 등을 수행하지 않더라도, 기존에 사용하고 있는 열관(Heat Pipe, HP)과 같이 크기나 개수 등만을 설계함으로써 온도제어를 달성할 수 있도록 하였다.
설계된 방열판의 상세모델을 구성하고 이를 수치해석을 통하여 분석하였다. PCM의 열분산 기능과 PCM에 미치는 HP의 성능을 평가하기 위하여 본론에 언급한 바와 같은 CASE 1, 2, 3, 4 등 4가지 기능에 대한 수치해석을 수행하였으며, 등가평균값의 주기적인 변화를 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(3) PCM의 낮은 열전도도를 보완하기위하여 HP와 병렬 배열된 챔버를 제시하였으며, HP가 작동하지 않는 경우와 결과를 비교함으로써 그 효과를 검증하였다. PCM 챔버는 본 연구에서 고려한 바와 같이 HP의 열전달 보조용으로 이미 존재하는 간극관을 이용하거나, HP의 양측면에 별도로 HP와 병렬되게 채널형 챔버를 설치하여도 된다.
(4) 본 연구에서 제안한 HP-PCM 모듈은 제한적인 의미에서 off-the-shelf 부품으로써, PCM을 위한 별도의 열설계와 형상설계 등을 수행하지 않더라도, 기존에 사용하고 있는 HP처럼 크기나 개수 등만을 설계함으로써 온도제어를 달성할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

또한, PCM의 선택 시에는 설계온도에 상응하는 적절한 상변화 온도와 큰 잠열 및 고상과 액상에서 높은 열전도도 등을 고려하여야 한다. 위성의 탑재체나 전력계 부품 등의 설계허용 온도범위는 상온을 크게 벗어나지 않으므로, 본 연구에서는 이러한 온도 범위에 적합한 C₁₈ 계열의 파라핀을 대상으로 채택하였다. 일반적으로 상온에서 상변화하는 PCM은 잠열이 클수록 열전도도가 작고 파라핀도 이러한 열적특성을 나타낸다.
방열판 크기는 160 mm(w) × 500 mm(l) × 25.4 mm(t)로, 면재 두께가 0.4 mm인 AL2024이며, 특히, 외부 면재에는 태양열 흡수를 줄이고 배경 우주로의 복사열 방출이 용이하도록 OSR(Optical Solar Reflector)을 부착하였다.
전열부인 부품 바닥면 재질은 AL6063으로 크기는 50 mm(w) × 290 mm(l) × 4 mm(t)이다.
내·외부 면재 사이 벌집형 코어는 2 pcf(pound per cubic feet) AL5056을 사용하였으며, 열관 날개부는 강도를 고려하여 밀도가 큰 8 pcf 코어를 사용하였다.
7 mm(t)인 정사각형이다. HP 작동유체를 위한 채널은 원형으로 groove형 wick구조에 따라 내경과 외경이 각각 10.8 mm, 8.4 mm이다. 내·외부 면재 사이의 열전달특성을 향상시키기 위한 간극관은 HP에 두께 1.
이러한 특성에 부합되는 재질로 본 연구에서는 C18 계열의 파라핀을 적용하였다. 파라핀의 상변화 온도는 28 ℃로써 열적 물성치는 각각 잠열 244 kJ/kg, 비열 2.
부품의 주기적인 발열과 이에 따른 PCM의 용융 및 응고과정은 explicit forward differencing 비정상상태 해석법을 이용하여 계산하였다. 방열판은 HP의 중심축을 기준으로 대칭이므로 대칭조건을 적용하여 반만 계산영역으로 고려하였으며, 격자수는 1,682 개이고 선형/비선형 conductor는 18,016 개가 적용되었다.

이론/모형

SINDA/G는 network 열해석 수치해석기법을 적용하고 있으며, 상변화 해석을 위한 PCHANG subroutine을 지원한다[6]. 부품의 주기적인 발열과 이에 따른 PCM의 용융 및 응고과정은 explicit forward differencing 비정상상태 해석법을 이용하여 계산하였다. 방열판은 HP의 중심축을 기준으로 대칭이므로 대칭조건을 적용하여 반만 계산영역으로 고려하였으며, 격자수는 1,682 개이고 선형/비선형 conductor는 18,016 개가 적용되었다.

성능/효과

본 연구에서 제안하는 HP-PCM 모듈 개념을 요약하면, PCM 만을 적용시의 제약점을 극복하고 HP의 열분산 성능까지 포함하며, off-the-shelf 로 적용 가능한 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 이에 대한 기초 연구로 HP-PCM모듈의 효과를 정량적으로 평가하기 위하여, 주기적으로 발열하는 부품을 위한 전형적인 위성방열판을 제시하고 수치해석을 통하여 분석하였다.
2에 도시한 단순 해석으로 구한 결과와 잘 일치하고 있다. 즉, 단순모델을 통한 해석 결과가 방열판의 온도예측에 매우 적절하게 사용될 수 있음을 보여준다. 부품 바닥면의 온도는 최고 일 때 72.
9 %에 머물고, 이 값만큼의 PCM을 적절히 활용하지 못한다. 즉, PCM을 효과적으로 활용하기 위하여 제안한 HP-PCM 모듈의 성능이 우수함을 확인 할 수 있다.
(1) 방열판 총질량의 9.8 %에 해당하는 PCM의 질량으로 방열판 크기의 변화 없이 바닥면의 등가평균온도 변화폭을 30 ℃ 감소시킬 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방열판 설계 시최고발열량을 기준으로 방열판의 크기를 설계하는 것이 일반적인데, 위성에서 사용되는 방열판은 어떻게 설계하는 것이 유리한가?	궤도상에서 주기적 발열이 있는 경우에도 열적인 안정성을 고려하여 최고발열량을 기준으로 방열판의 크기를 설계하는 것이 일반적이다. 위성에 사용되는 방열판은 크기와 무게가 작을수록 유리하며, 특히, 발사비용이 1 kg당 $20,000 정도[1]이므로 비용절감에 기여가 크다. 최근 개발되고 있는 위성은 소형 및 경량화와 저전력화가 첨단화두로 제시되고 있으므로 열설계도 이에 따른 대응이 필요하다.
	주기적인 발열에 대한 방열판 크기의 최적화는 무엇을 사용하여 달성 가능한가?	주기적인 발열에 대한 방열판 크기의 최적화는고상-액상 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 사용함으로써 달성할 수 있다. PCM의 반복적인 용해와 응고를 통하여 위성의 궤도주기에 열을 분산시킴으로써 방열판의 크기를 최적화 할 수 있고, 발열이 없는 경우에도 부품온도의 급격한 저하를 방지함으로써 부품의 작동 열환경을 개선할 수 있다.
	적절한 크기와 효율을 갖는 방열판이 필요한 이유?	특정지역 관측이 임무인 저궤도 관측위성의 전자장비나, 통신수요량과 서비스지역에 따라 운용 모드가 변하는 통신위성의 탑재체 및 전력계 등은 위성궤도의 비교적 짧은 기간에서만 작동하므로 부품 발열량이 단속적이고 주기적이다. 이와 같이 주기적으로 변하는 발열량에 대응하여 해당부품을 설계허용온도 내로 조절하려면 적절한 크기와 효율을 갖는 방열판이 필요하다. 궤도상에서 주기적 발열이 있는 경우에도 열적인 안정성을 고려하여 최고발열량을 기준으로 방열판의 크기를 설계하는 것이 일반적이다.

참고문헌 (6)

Gilmore, D. G., Spacecraft Thermal Control Handbook, Volume I: Fundamental Technologies, 2nd Ed., The Aerospace Press, 2002, pp. 373-402.
Pal, D. and Joshi, Y. K., "Thermal Management of an Avionics Module Using Solid-Liquid Phase-Change Materials", J. Thermophysics and Heat Transfer, Vol.12, No. 2, 1998, pp. 256-262.

상세보기
TAA Supporting Documentation for Course No. 2006, Technical Documentation, Space System/Lorel, 1996.
Zalba, B., Marin, J. M., Cabeza, L. F., and Mehling, H., "Review on Thermal Energy Storage with Phase Change: Materials, Heat Transfer Analysis and Applications", Applied Thermal Engineering, Vol. 23, 2003, pp. 251-283.

상세보기
Farid, M. M., Khudhair, A. M., Razack, S. A. K., and Al-Hallaj, S., "A Review on Phase Change Energy Storage: Materials and Applications", Energy Conversion and Management, Vol. 45, 2004. pp. 1597-1615.

상세보기
SINDA/G User's Guide, 3rd Ed., Network Analysis Inc., 1996.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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