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상변화물질과 열관을 병렬 조합한 위성부품 열제어장치의 수치해석적 연구
신윤섭(Yoon Sub Shin),김태수(Tae Su Kim),김택영(Taig Young Kim),서영배(Young Bae Seo),서정기(Jung-gi Seo),현범석(Bum-Seok Hyun),전형열(Hyeong Yul Cheon) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.4
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. 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.
응고/융해 잠열을 이용한 위성용 열제어장치의 실험적 연구
김태수(Tae Su Kim),신윤섭(Yoon Sub Shin),김택영(Taig Young Kim),서정기(Jung-gi Seo),현범석(Bum-Seok Hyun),전형열(Hyeong Yul Cheon) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.10
고상-액상 상변화물질(PCM, Phase Change Material)을 이용한 위성부품 열제어장치를 설계 및 제작하였으며 열환경시험을 수행함으로써 온도제어 성능을 분석하였다. 설계온도에 부합하는 n-Hexadecane을 PCM으로 채용하였고, 낮은 열전도도를 보완하기 위하여 내부에 전열휜이 장착된 용기를 Al6061로 제작하였다. 위성에 장착하였을 때와 동일한 작동조건을 확보하기 위하여, 부품과 방열판 사이를 열관으로 연결하였으며 열관의 단열부가 관통하도록 PCM 열제어장치를 설치하였다. 동일한 모양과 부피의 열적완충질량(TBM, Thermal Buffer Mass)도 제작하여, 주기적인 가열-냉각 실험을 수행하였다. 실험결과 상변화 잠열에 의한 PCM의 열제어 성능을 확인할 수 있었으며, TBM에 비하여 질량과 보온히터의 소모전력을 절감할 수 있음을 확인하였다. The thermal control device using solid-liquid phase change material (PCM) is designed, manufactured, and experimented in thermal environment chamber. The n-Hexadecane is selected as a PCM and its melting point is placed within the component working temperature range. The PCM container is made of Al6061 and has the thermal spreading fins inside. To simulate the working condition for on-orbit satellite the heat pipes are used to connect the heater and radiator and the PCM thermal control device (PCMTD) is installed at the middle portion of heat pipes. The thermal buffer mass (TBM), which is same configuration and volume with PCMTD, is also manufactured to compare the thermal control performance. As a result, the PCMTD is not only more efficient than TBM in their temperature control features but both mass and power of compensation heater are reduced.
주기적으로 작동하는 위성부품 열제어용 열적완충질량과 이를 대체할 상변화물질을 이용한 열제어부품의 비교연구
김택영(Taig Young Kim),서정기(Jung Gi Seo),현범석(Bum-Seok Hyun),전형열(Hyeong Yul Cheon),이장준(Jang-Joon Lee) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.12
저궤도 관측위성에 탑재된 영상처리장치의 온도제어를 위하여 사용하는 열적완충질량을 대체할 수 있는 상변화물질의 성능에 대하여 수치해석적으로 분석하였다. 관측위성에 사용되는 고정밀 영상처리장치는 임무에 따라 주기적으로 작동하며 발열량이 매우 큰 반면, 온도에 민감하여 작동허용 온도범위가 매우 좁다. 이러한 장치의 온도를 제어하기 위하여 국산 저궤도 관측위성에서는 열적완충질량을 이용하여 부품의 온도변화 시상수를 증가시키는 효율적인 설계를 적용하였지만, 질량이 증가하는 단점이 있다. 본 연구에서는 질량을 최소화하며 부품 온도를 안정적으로 유지할 수 있도록 고상-액상 상변화물질을 이용한 열제어 장치를 제안하였으며, 수치해석을 통하여 열적 완충질량에 대한 유효성을 비교/검증하였다. 상변화물질을 이용한 열제어 장치는 열적완충질량을 대체하여 효과적인 온도제어가 가능할 뿐 아니라 질량도 열적완충질량의 약 12% 정도로 감소시킬 수 있었다. Solid-liquid Phase Change Material(PCM) as a thermal control hardware for the electro-optical payload of low earth orbit satellite is numerically studied which can be substituted with Thermal Buffer Mass(TBM). The electro-optical module in LEO satellite is periodically work and high heat is dissipated during the imaging period, however, the design temperature range is very tight and sensitive. In order to handle this problem TBM is added and as a result the time constant of the module temperature increases. TBM is made of Al6010 and its mass directly affects the system design. To save the mass PCM is suggested in this study. The latent heat of melting or solidification is very high and small amount of PCM can play a role instead of TBM. The result shows that only 12% of TBM mass is enough to control the module temperature using PCM.
김택영(Taig Young Kim),이장준(Jang-Joon Lee),장수영(Su-Young Chang),김정훈(Jung-Hoon Kim),현범석(Bum-Seok Hyun),전형열(Hyeong Yul Cheon),허행팔(Hang-Pal Hua) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.4
달 주위를 공전하는 탐사위성이나 달착륙선 및 월면차의 열설계에 필요한 환경 인자로써 달 표면온도가 중요하며, 본 연구에서는 에너지방정식을 단순화한 집중계 해석모델을 통하여 온도를 예측하였다. 에너지방정식의 해석에 필요한 물리적 값들은 기하학적 형상을 고려하여 유도하고, 기존의 연구결과에 제시된 값들을 사용하였다. 달 표토층의 가장 중요한 열적 물성치인 면적비열은 LRO에 탑재된 Diviner의 측정온도 분석을 통하여 추출하였으며, 해석모델에 적용함으로써 값을 추정하였다. 수치적분을 통하여 예측한 달 표면온도 분포는 달탐사위성 등의 열설계에 적용할 수 있을 정도의 충분한 정확도를 갖으며, 본 연구에서 제시한 방법을 심화시킨다면 더욱 정확한 온도예측이 가능할 것이다. The lunar surface temperature is important as a environmental parameter for the thermal design of the lunar exploration vehicles such as orbital spacecraft, lander, and rovers. In this study, the temperature is numerically predicted through a simplified lumped system model for the energy conservation. The physical values required for the analysis of the energy equation are derived by considering the geometric shape, and the values presented in the previous research results. The areal specific heat, which is the most important thermo-physical property of the lumped system model, was extracted from the temperature measurements by the Diviner loaded on the LRO, and the value was predicted by calibration of the analytical model to the measurements. The predicted temperature distribution obtained through numerical integration has sufficient accuracy to be applied to the thermal design of the lunar exploration vehicles.