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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.
열관과 상변화물질을 일체형으로 병렬 배열한 위성용 열제어 부품 연구
김택영(Taig Young Kim),현범석(Bum-Seok Hyun),이장준(Jang-Joon Lee),이주훈(Juhun Rhee) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.11
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. 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 de signed and the detail thermal math model is developed for numerical analyses. The resultcomparison 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.
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.
단속가열식 액체용 극소질량유량 계측기에 관한 수치해석적 연구
김택영(Taig Young Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.2
반도체 생산에 사용되는 액체용 극소 질량유량계측기의 새로운 설계 안에 대하여 수치해석적으로 연구하였다. 내경 0.3mm 정도인 원관 외부에 히터선을 일정 폭 권선하고, 히터로부터 일정거리 떨어진 후류에 온도계측용 써미스터선을 권선하는 형상이다. 히터에 단일펄스 가열을 하면 일정시간 경과 후 써미스터가 최고온도를 겪는다. 최고온도까지 걸리는 시간은 질량유량과 거의 반비례하며, 이를 이용하여 질량유량을 계측할 수 있다. 관벽을 통한 전도열전달과 액체유동에 의한 대류열전달이 복합적으로 작용하므로 관내유동의 평균속도와 관벽을 통한 최고온도의 이동속도는 큰 차이를 나타내며, 상호 비선형적인 특성을 보인다. 본 연구에서는 센서관의 내·외경, 히터의 권선폭 및 히터와 써미스터 사이의 거리를 설계변수로 고려하여 수치해석적으로 제안한 설계사항을 분석하였으며, 설계인자의 최적화에 대한 검토를 수행하였다. Numerical study on the new design of the liquid mass flow meter in infinitesimal flow rate for semiconductor production is performed. The heater and thermistor are wired on the circular tube about 0.3mm inner diameter with designed gap between them. After the time interval from the single pulse heating the thermistor reaches its peak temperature and this time interval is almost inversely proportional to the liquid mass flow rate. The axial conduction in tube wall and convection through the flow is combined. As a result, the peak temperature moving velocity is much smaller than flow mean velocity and there is no linear relationship between them. In this study, the effects of design parameters such as the tube inner/outer diameter, wired heater width, and the gap between heater and thermistor are investigated and the trends of optimization in these parameters are discussed.