[논문]상변화물질과 열관을 병렬 조합한 위성부품 열제어장치의 수치해석적 연구

신윤섭; 김태수; 김택영; 서영배; 서정기; 현범석; 전형열

doi:10.5139/jksas.2016.44.4.373

[국내논문] 상변화물질과 열관을 병렬 조합한 위성부품 열제어장치의 수치해석적 연구
Numerical Study on the Thermal Control Device for Satellite Components Using the Phase Change Material Combined with Heat Pipe in Parallel 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.4, 2016년, pp.373 - 379

신윤섭 (Department of Mechanical Engineering, Korea Polytechnic University) , 김태수 (Department of Mechanical Engineering, Korea Polytechnic University) , 김택영 (Department of Mechanical Engineering, Korea Polytechnic University) , 서영배 (Samjintech) , 서정기 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 현범석 (Korea Aerospace Research Institute) , 전형열 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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주기적 단속적으로 작동하는 위성부품의 열제어를 위하여 고상-액상 상변화물질(PCM, Phase Change Material)과 열관을 병렬로 결합한 열제어장치를 제안하였으며, 이의 성능을 수치해석을 통하여 검증하였다. 상변화 중 큰 잠열과 일정하게 유지되는 온도에 의하여 작은 방열판 면적에서도 부품의 최고온도를 제어할 수 있으며, 냉각기에는 PCM에 축적된 에너지가 방출됨으로써 보온히터 소모전력을 절약할 수 있다. 동일한 형태의 Al TBM(Thermal Buffer Mass)을 사용하면 비슷한 효과를 기대할 수 있으나, 질량과 보온히터의 소모전력이 증가하므로 PCM에 비하여 비효율적이다. 설계된 PCM 열제어장치는 발열량과 작동시간에 따라 그 양을 최적화할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The thermal control device for the periodic working component combined solid-liquid phase change material (PCM) with heat pipes is designed and numerically studied. Due to high latent heat and retaining constant temperature during melting process the component peak temperature, not withstanding small radiator size, is reduced. The warm-up heater power consumption to keep the minimum allowed temperature is also cut down since the accumulated thermal energy is released through the solidification. The thermal buffer mass (TBM) made of Al can give the similar effect but the mass and power consumption of warm-up heater should increase compared to PCM. The amount of PCM can be optimized depending on the component heat dissipation and on/off duty time.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

주기적으로 작동하는 위성부품에 대한 효율적인 열설계 안으로써 본 연구에서는 고상-액상 상변화물질(Phase Change Material, PCM)의 잠열을 이용한 열제어장치를 제안한다. PCM의 융해 과정 동안 잠열 축적에 의하여 온도는 일정하게 유지되므로 부품과 열적으로 연결하면 발열시간 동안 온도상승을 지연할 수 있으며, 이에 따라 방열판의 크기를 줄일 수 있다.
본 연구에서는 PCM의 단점인 낮은 열전도도를 개선하기 위하여 부품과 방열판을 열적으로 연결하는 열관에 PCM을 병렬 조합한 형상을 설계하였다. 이러한 설계는 PCM의 형상이 부품의 형상과 무관하므로 모듈화 설계가 가능하다는 장점도 있다.
이와 같은 열적완충질량(Thermal Buffer Mass, TBM)을 적용한 관측위성이 현재 다수 작동하고 있다[3]. 본 연구에서는 제안한 PCMTD의 용량과 동등한 성능을 낼 수 있는 TBM의 질량에 대한 매개변수적 연구를 수행하였다. TBMTD에 대한 상세 열해석 모델을 개발하고 이의 크기에 대한 다수의 수치해석을 수행함으로써 동등한 성능을 가지는 TBM의 질량을 산출하였다.

가설 설정

부품의 작동허용온도는 14℃~29℃로 가정하였으며, 이에 따라 이 범위에서 상변화하는 PCM을 선정하였다. 파라핀계 물질로 상변화온도가 18℃인 n-hexadecane은 화학적으로 안정하며 제안된 부품의 온도제어에 적합하다.
열관은 관벽, Cu 파우더를 소결 성형한 윅 및 내부 유체의 구조로 상세하게 모델링하였으며, 각각의 열적물성치를 Table 2에 정리하였다. PCM 충전용기와 방열판은 TBM과 동일한 재질인 Al6061로 가정하였다. 방열판의 복사방사율은 0.
PCM 충전용기와 방열판은 TBM과 동일한 재질인 Al6061로 가정하였다. 방열판의 복사방사율은 0.85로써 온도 3K인 배경우주로 복사열을 방출한다고 가정하였으며, 방열판 전면을 제외한 모듈의 모든 부분은 MLI(Multi-Layer Insulation)로 단열처리 된다.
PCM을 설치하면 (b) PCM의 상변화에 의한 온도변화를 뚜렷이 확인할 수 있다. 발열초기에 PCM의 상변화 온도에 도달하기 전에도 부품의 온도상승이 (a)에 비하여 완화된다.
보온히터의 작동시간은 (b)보다 약 80s 정도 길어서 PCM인 경우 히터 소모전력을 최소화 할 수 있다. 기술한 바와 같이 PCM의 질량을 최적화한다면 (b)에서 소모전력은 더욱 감소할 것이다.
5℃를 유지할 것이다. 시간이 경과함에 따라 열관 근처부터 PCM이 응고할 것이다. 26,400s의 온도분포로부터 이를 확인할 수 있다.

제안 방법

상변화가 진행되는 과정 중 PCM은 열역학적으로 포화상태로써 온도가 일정하게 유지되며, 이는 가열과정에서도 온도의 상승을 억제할 수 있는 중요한 열제어 특성에 해당한다[1, 3, 4]. 본 연구에서는 PCM을 이용한 축열보다는 온도상승의 억제를 주요한 연구대상으로, 위성용 발열부품의 열제어 설계에 적용하였다. 일반적으로 위성에서 사용되는 발열부품의 작동허용온도 범위는 –10~45℃ 정도이며, 적용하고자 하는 PCM의 상변화온도는 이러한 온도범위에 있어야 한다.
제안한 PCM 열제어장치(PCM Thermal control Device, PCMTD)의 성능을 분석하고 그 효과를 검증하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 설계형상에 대한 상세 열해석 모델을 개발하고, 상용 CFD code인 FlowEFD를 이용하여 해석을 수행하였다.
제안한 PCM 열제어장치(PCM Thermal control Device, PCMTD)의 성능을 분석하고 그 효과를 검증하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 설계형상에 대한 상세 열해석 모델을 개발하고, 상용 CFD code인 FlowEFD를 이용하여 해석을 수행하였다. PCM의 추가는 열저장 능력의 보완을 의미한다.
본 연구에서는 제안한 PCMTD의 용량과 동등한 성능을 낼 수 있는 TBM의 질량에 대한 매개변수적 연구를 수행하였다. TBMTD에 대한 상세 열해석 모델을 개발하고 이의 크기에 대한 다수의 수치해석을 수행함으로써 동등한 성능을 가지는 TBM의 질량을 산출하였다. 향후, 실험결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 설계내용에 대한 재검증을 수행할 예정이다.
각 상에 대한 물성치를 Table 2에 제시하였다. PCM의 열전도도는 고상/액상일 때 모두 낮으므로 이를 보완하기 위하여 PCM을 충전하는 용기 내부에 동심형으로 3개의 전열휜을 설계하였으며, 이를 수치해석에 반영하였다. PCM과 더불어 Al6061로 제작된 TBM에 대하여도 해석을 수행하였으며, 열적물성치를 Table 2에 정리하였다.
부품과 방열판을 연결하는 열관은 총 3개로 구성된다. 열관은 관벽, Cu 파우더를 소결 성형한 윅 및 내부 유체의 구조로 상세하게 모델링하였으며, 각각의 열적물성치를 Table 2에 정리하였다. PCM 충전용기와 방열판은 TBM과 동일한 재질인 Al6061로 가정하였다.
예비해석에서 ΔT에 대한 매개변수 해석을 수행하였으며, 결과로 1.0℃를 적용하였다.
3에 도시하였다. 우주의 미소중력하에서는 자연대류가 없으므로 유동은 고려하지 않았으며, 전도열전달과 방열판을 통한 복사열전달을 해석하였다. 상변화잠열은 PCM의 비열을 Fig.
우주의 미소중력하에서는 자연대류가 없으므로 유동은 고려하지 않았으며, 전도열전달과 방열판을 통한 복사열전달을 해석하였다. 상변화잠열은 PCM의 비열을 Fig. 4에 도시한 바와 같이 온도에 따른 함수로 처리함으로써 해석하였다. 이 때 c_p,m은 다음과 같은 식에 의하여 정의 된다.
다음으로 설계한 PCM을 장착한 경우에 대한 해석을 수행하였다. 3번째로 PCM 대신 TBM을 설치한 경우로 설계된 PCM과 동일한 형상과 부피의 TBM에 대한 해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 최종적으로 설계한 PCM과 동일한 열적성능을 갖기 위한 TBM의 크기를 찾기 위한 매개 변수 해석을 수행하였다.
3번째로 PCM 대신 TBM을 설치한 경우로 설계된 PCM과 동일한 형상과 부피의 TBM에 대한 해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 최종적으로 설계한 PCM과 동일한 열적성능을 갖기 위한 TBM의 크기를 찾기 위한 매개 변수 해석을 수행하였다.
85이다. PCM과 동일한 정도의 열적 성능을 나타내는 TBM의 질량을 추적하기 위하여 TBM의 부피 또는 질량에 대한 매개변수적 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 도시하였다. TBM의 형상은 PCM과 동일한 직경의 원통형이며, 질량 증감에 따라 높이가 변한다.
열관과 PCM을 결합한 위성부품용 열제어장치를 제안하고 구체적인 형상을 설계하였으며, 수치 해석을 통하여 열적 성능을 분석하였다. PCM을 적용하면 상변화에 따라 부품 최고온도를 15℃ 이상 낮출 수 있다.

대상 데이터

열관에 대하여도 Table 3에 제시한 물성치를 사용하여 관벽, 윅, 작동유체에 대한 상세모델을 구성하였다. 본 연구에 적용한 수치해석 모델의 총 격자수는 320,218개로 예비해석에서 격자수 변화에 따른 해의 변화를 검증하였다. 그림에서 나타낸 point #1~4는 주기적인 온도변화를 추적하기 위한 위치이다.

성능/효과

41배의 경우 너무 과다하여 최고온도가 낮아진다. TBM을 조금씩 감량하며 수치해석을 수행하여 질량비가 3.01일 때 부품의 최고온도가 거의 비슷해지며, 이 때 동등한 열적 성능을 갖게 됨을 알 수 있다. 이 보다더 감량하여 질량비가 2.
92이면 최고온도가 PCM에 비하여 높아져서 성능에 못 미친다. 결과적으로 PCM의 열적인 성능에 도달하려면 TBM의 질량이 대략 PCMTD의 3배 정도 되어야 한다.
PCM을 적용하면 상변화에 따라 부품 최고온도를 15℃ 이상 낮출 수 있다. PCM대신 Al6061로 제작된 동일 형태의 TBM을 적용하여도 비슷한 성능을 기대할 수 있으나 총 질량은 3배 이상 증가함을 감안한다면 제안한 PCMTD의 유효성이 확증된다. 임무가 정지된 부품 냉각기에서 보온히터의 소모 전력도 PCM을 사용할 경우 가장 적어서 열제어가 효율적임을 확인할 수 있다.
PCM대신 Al6061로 제작된 동일 형태의 TBM을 적용하여도 비슷한 성능을 기대할 수 있으나 총 질량은 3배 이상 증가함을 감안한다면 제안한 PCMTD의 유효성이 확증된다. 임무가 정지된 부품 냉각기에서 보온히터의 소모 전력도 PCM을 사용할 경우 가장 적어서 열제어가 효율적임을 확인할 수 있다. PCM의 단점인 낮은 열전도도 문제는 열관과의 배치를 통하여 효과적으로 해결하였다.
PCM의 단점인 낮은 열전도도 문제는 열관과의 배치를 통하여 효과적으로 해결하였다. 제안한 PCMTD의 형상은 부품의 크기나 모양에 무관하게 조절할 수 있어서 새로운 위성에 적용할 경우에도 설계에 큰 영향을 받지 않아서 경제적이고 효율적이다.

후속연구

TBMTD에 대한 상세 열해석 모델을 개발하고 이의 크기에 대한 다수의 수치해석을 수행함으로써 동등한 성능을 가지는 TBM의 질량을 산출하였다. 향후, 실험결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 설계내용에 대한 재검증을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관측용으로 발사되는 대부분의 위성은 관측임무를 어떻게 수행하는가	관측용으로 발사되는 대부분의 위성은 관측임무를 주기적 또는 단속적으로 수행한다. 즉, 궤도의 특정위치에 있거나 하루 중 특정한 시간대에서 관측을 수행하게 된다. 이에 따라 관련된 부품들도 해당된 시간대에 작동하므로 열설계 시에 이러한 특성을 반영하여야 한다.
	PCM의 단점은?	본 연구에서는 PCM의 단점인 낮은 열전도도를 개선하기 위하여 부품과 방열판을 열적으로 연결하는 열관에 PCM을 병렬 조합한 형상을 설계하였다. 이러한 설계는 PCM의 형상이 부품의 형상과 무관하므로 모듈화 설계가 가능하다는 장점도 있다.
	관측용으로 발사되는 대부분의 위성의 관측임무 수행 특징때문에 고려해야 하는 것은?	즉, 궤도의 특정위치에 있거나 하루 중 특정한 시간대에서 관측을 수행하게 된다. 이에 따라 관련된 부품들도 해당된 시간대에 작동하므로 열설계 시에 이러한 특성을 반영하여야 한다. 이와 같이 주기 적으로 작동하는 부품의 경우 단일궤도에서 작동 시간은 5~20% 정도이고, 대부분의 운영모드에서는 대기상태를 유지한다.

참고문헌 (7)

Kim, T. Y., Hyun, B., Lee, J., and Rhee, J., "Numerical study of the spacecraft thermal control hardware combining solid-liquid phase change material and a heat pipe," Aerospace Science and Technology, Vol.27, 2013, pp.10-16.

상세보기
Kim, T. Y., "Heat capacity estimation of the thermal buffer mass for temperature control of satellite electronic components in periodic operation," Aerospace Science and Technology, Vol.30, 2013, pp.286-292.

상세보기
T. Y. Kim, J. G. Seo, B. S. Hyun, H. Y. Cheon and J. J. Lee "Study on the Thermal Buffer Mass and Phase Change Material for Thermal Control of the Periodically Working Satellite Component", Journal of the Korean society for aeronautical & space sciences, Vo.42, No.12, 2014, pp.1013-1019.

원문보기 상세보기
Kim, T.Y., "Analytic design of the phase change material for thermal control of the satellite component in periodic duty", IAC2014, 2014.
Zalba, B., Marin, JM., Cabeza, L.F., and Mehling, H., "Review on thermal energy storage with phase change materials, heat transfer analysis and applications," Appl. Therm. Eng., Vol.23, 2003, pp.251-253.

상세보기
Liu, S., Li, Y., and Zhang, Y., "Mathematical solutions and numerical models employed for the investigations of PCMs phase transformations," Renew Sustain Energy Rev., Vol.33, pp.659-674.

상세보기
Kumar, A., Sekar, A., Siddhartha, D.N., and Govinda, K. V., "Phase change materials (PCM) for thermal control during spacecraft transportation," International Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol.3, 2013, pp.28-32.

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