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극저온 환경을 고려한 우주발사체용 솔레노이드 밸브 설계
Design of Space Launch Vehicle Solenoid Valve for Cryogenic Environment 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.11, 2015년, pp.1028 - 1034  

김병훈 (Supply System Team, Korea Aerospace Research Institute) ,  한상엽 (Supply System Team, Korea Aerospace Research Institute) ,  고영성 (Dept. of Aerospace Engineering, Chungnam National University)

초록
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발사체에 적용되는 솔레노이드 밸브의 경우 산업용 솔레노이드 밸브에 비해 엄격한 전류 및 무게, 크기 제한 조건을 요구한다. 이러한 제한 조건을 만족하며, 솔레노이드 밸브의 작동을 보장하기 위한 추진제탱크 가압제어용 솔레노이드 밸브 설계를 수행하였다. 극저온 상태에서 솔레노이드 전류 상승을 방지하기 위해 구리와 콘스탄탄 재료를 사용한 새로운 형태의 코일 설계를 적용하였으며, 시제품을 이용한 시험결과 측정된 전류는 설계 규격을 만족하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Solenoid valves for space launch vehicles require the strict limitations on the size, weight and current consumption comparing to industrial solenoid valves. The preliminary design of a cryogenic and high pressure solenoid valve for propellant tank pressurization which can ensure the operation of so...

주제어

#솔레노이드 밸브   #코일   #콘스탄탄   #극저온   #전류  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 이는 일반 산업용 솔레노이드 밸브에서는 큰 문제가 되지 않지만 발사체와 같이 배터리에서 전원을 공급받는 시스템의 경우 배터리 용량증가에 인해 시스템 무게 증가의 원인이 된다. 본 연구는 극저온에서 작동하는 솔레노이드 밸브의 전류 사용량을 최소로 하기 위한 새로운 솔레노이드 코일설계를 제시한다.
  • 본 연구는 한국형발사체 3단 추진제탱크 가압시스템에 사용되는 극저온 솔레노이드 밸브 설계를 수행하여 극저온 환경에서 코일을 통해 흐르는 전류를 최소하기 위해 코일 설계를 수행하였다. 일반적으로 솔레노이드 밸브 제작에 사용되는 구리 코일의 경우 온도계수가 크기 때문에 온도 변화에 따른 저항 및 전류 변화가 크게 나타난다.
  • 본 연구를 통해 극저온 상태에서 전류 감소를 위한 구리/콘스탄탄 코일의 솔레노이드 밸브 개발 가능성을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 구리 코일의 작은 비저항 특성 및 콘스탄탄 코일의 작은 온도계수 특성을 이용한 새로운 형태의 솔레노이드 코일을 설계하였다. 즉 1차적으로 비저항이 작은 구리 코일을 사용하여 솔레노이드 흡입력을 만족할 수 있는 코일의 권선 수를 가지도록 하였으며, 2차적으로 콘스탄탄 코일을 사용하여 솔레노이드의 온도가 변하여도 저항 변화가 최소화 되도록 하였다.
  • 일반적으로 솔레노이드 밸브 제작에 사용되는 구리 코일의 경우 온도계수가 크기 때문에 온도 변화에 따른 저항 및 전류 변화가 크게 나타난다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 설계에서는 구리와 콘스탄탄 코일을 사용하는 새로운 형태의 솔레노이드 코일을 제안하여 온도 변화에 따른 저항 및 전류 변화를 줄일 수 있도록 하였다. 또한 전자기 해석을 수행하여 솔레노이드 밸브 성능 조건을 만족하는 적절한 플런저 형상 및 코일 직경을 확인할 수 있었다.

가설 설정

  • 4% 정도 증가한다. 밸브 설계에 사용된 씰 재료는 PCTFE이며, 씰의 눌림 량은 0.1 mm로 가정하였다. 이는 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
솔레노이드 밸브의 장점은? 솔레노이드 밸브는 전기적 신호를 1차적으로 전자기적 에너지로 변환한 다음, 기계적인 직선운동으로 변환시켜 압력, 유체, 방향 등을 제어하는 장치로, 모터를 이용하는 것보다 구조가 간단하고 가격이 저렴하면서도 일정한 범위에서 비교적 정밀제어가 가능하기 때문에 자동차, 항공기등의 핵심부품으로 산업 기계에 광범위하게 사용되고 있다.
솔레노이드 코일의 온도가 떨어지면 어떤 일이 발생하는가? 따라서 솔레노이드 제작에 사용되는 코일은 솔레노이드 온도 상승에 따른 코일의 발열 등급이 정해져 있으며, 이에 맞는 적절한 코일 등급을 사용하도록 되어 있다. 그러나 이와 반대로 외부환경 또는 극저온 작동유체에 의해 솔레노이드 코일의 온도가 떨어지면 솔레노이드 코일의 저항이 감소하고 이에 코일을 통해 흐르는 전류가 급격하게 증가한다. 이는 일반 산업용 솔레노이드 밸브에서는 큰 문제가 되지 않지만 발사체와 같이 배터리에서 전원을 공급받는 시스템의 경우 배터리 용량증가에 인해 시스템 무게 증가의 원인이 된다.
솔레노이드 제작에 사용되는 코일은 솔레노이드 온도 상승에 따른 코일의 발열 등급이 정해져 있으며, 이에 맞는 적절한 코일 등급을 사용하도록 되어 있는 이유는? 일반적으로 솔레노이드 밸브는 솔레노이드 코일에 과도한 전류가 흐르면 코일의 발열에 의해 코일의 저항이 증가하고 이로 인해 전류 감소 및 솔레노이드의 흡입력이 감소하거나, 심한 경우 코일이 파손되어 솔레노이드 밸브가 정상적으로 작동하지 않을 수도 있다. 따라서 솔레노이드 제작에 사용되는 코일은 솔레노이드 온도 상승에 따른 코일의 발열 등급이 정해져 있으며, 이에 맞는 적절한 코일 등급을 사용하도록 되어 있다.
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참고문헌 (10)

  1. S. H. Levine, "A Description of the S-IC Stage Propellant and Propellant Pressurization Systems", NASA-CR-153830, 1967. 

  2. Gabriel Dussollier and Alain Teissier, "Ariane 5 Main Stage Oxygen Tank Pressurization", AIAA/SAE/ASME/ASEE 29th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Monterey, CA, AIAA 93-1969, 1993. 

  3. Tibor Lak, Mai Nguyen and Susan Hauver, "Fixed Orifice Pressurization System for the Space Shuttle LO2 Tank", AIAA/SAE/ASME/ASEE 26th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Orlando, FL, AIAA 90-2350, 1990. 

  4. Hee Sung Yoon, In Sung Hwang, Dong Soo Kim, So Nam Yun and Chang Seop Koh, "Shape Optimization of DC Solenoid Valve to Minimize the Time of Action Using Response Surface Method", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineering, B, Vol. 55, No. 9, 2006, pp. 449-458. 

  5. Back-Ju Sung and Eun-Woong Lee, "Non-Magnetic Ring Effect for Speed Increase of Solenoid Actuator", KIEE International Transactions on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems, Vol.5-B, No. 4, 2005, pp. 317-323. 

  6. Myoung-Sub Kim and Domg-Soo Kim, "A Study of ON/OFF Solenoid Actuator with Power Saving Circuit", Proceeding of the JFPS International Symposium on Fluid Power, 2008, pp. 477-482. 

  7. Byunghun Kim, "KARI Internal Report", L2-TR-00198, 2014. 

  8. Boyko, V., Troiak, A., and Piatak, I., "Electro-Pneumatic Valve (SV-03) Analysis P444-31/09", KARI-08-0037, 2009, pp. 1-24. 

  9. http://en.wikipedia.org/wiki/Magnet_wire 

  10. Kyungsik Kim, Kibong Baek, Eunjoo Park, Seunghwan Cho and Sugyeom Kim, "A Development of Solenoid Valve for Satellite Propulsion System", Proceedings of the 2011 KSPE Fall Conference, 2011, pp. 456-459. 

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