KR100267023B1 - 히터판을 이용한 열진공 챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지상에서 우주환경을 모사하는 열진공 챔버에서, 독립식 히터판을 설치하여 저렴한 비용으로 태양광을 포함한 우주환경을 간단히 모사시키도록 하는 히터판을 이용한 열진공 챔버에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 슈라우드가 내장된 열진공 챔버에 있어서, 위성체의 바깥쪽에 알루미늄판을 수직으로 설치하되 상기 알루미늄판에는 와이어 히터를 위성체쪽으로 배열한 후 알루미늄 테이프로 부착하여 알루미늄판과 위성체의 태양광 조사면사이에 독립적으로 복사열전달이 이루어지도록 설치하므로써 이루어진다.

Description

히터판을 이용한 열진공 챔버

본 발명은 지상에서 우주환경을 모사하는 열진공 챔버에서, 독립식 히터판을 설치하여 저렴한 비용으로 태양광을 포함한 우주환경을 간단히 모사시키도록 하는 히터판을 이용한 열진공 챔버에 관한 것이다.

인공위성의 우주 열환경 모사시험에 사용되는 열진공 챔버는 진공환경을 만들어주고 챔버내의 열교환기에 해당하는 슈라우드(Shroud)의 온도를 균일하게 조절해 주는 방식을 택하고 있으나 실제로 직면하는 우주환경은 진공이어서 대류에 의한 열전달이 없기에 태양광을 받는 면과 받지 않는 면은 극심한 온도차이를 나타내게 되므로 열진공 챔버에서 태양광을 받는 부분과 받지 않는 부분의 온도환경을 부여해주기는 어려운 형편이다.

기존 열진공 챔버에서 사용하는 태양열(우주환경) 모사장치는

(1) 진공 및 극저온 환경에 태양광의 대체로 제논등(Xenon Lamp)를 이용하는 방식.

(2) 열진공 챔버의 슈라우드를 도 1 과 같이 여러개의 지역(Zone)으로 나누고 각 지역의 슈라우드 온도를 조절하는 방식.

(3) 여러개의 가열용 전등(IR Lamp)를 보조용 치구에 부착시켜 위성체 가까이에 위치시킨 후 가열하는 방식.

(4) 위성체에 시험용 히터를 직접 붙여 태양광에 해당하는 만큼의 열을 공급하는 방식등이 있다.

상기된 (1)번째 방식은 가장 근접된 태양광을 모사할 수 있으나 워낙 고가이며 비용이 많이 든다.

(2)번째 방식은 위성체가 태양광을 받는 면을 바라보는 슈라우드를 태양광을 고려하여 벽면조건을 부여하고 나머지 슈라우드는 심층우주를 모사하기 위하여 극저온으로 유지한다.

이 방식은 태양광의 효과를 고려하여 슈라우드의 벽면온도를 변화시키는 것으로 상기된 (1)번째 방식 보다는 가격부담을 낮출 수 있으나, 챔버내의 슈라우드 온도 조절을 여러개의 지역(Zone)으로 나누어 GN₂(Gaseous Nitrgen)를 이용하여 독립적으로 하게 되어 장비가 복잡하고 챔버가격이 상승된다.

(3)번째 방식은 개념적으로는 (2)번째 방식과 같으나 가열하는 방법이 슈라우드를 이용하는 것이 아니라 가열용 전등(IR Lamp)을 사용하는 것으로 가열용 전 등의 가격도 크게 비싸지 않아 많이 사용하고 있는 방식이다.

하지만 이 방식은 벽면 경계온도를 일정하게 유지할 수가 없어 우주환경과 등가인 경계온도를 정확히 부여해 주기 어려운 난점이 있다.

(4)번째 방식은 가장 저렴한 방식으로, 챔버전체는 극저온 온도로 유지시켜주고, 시험용 히터를 위성체에 직접 부착하여 태양광에 의한 열유입을 모사하여 주는 방식이다.

이 경우 실제 비행모델인 위성체에 설치된 모든 방열판에 시험용 히터를 직접 부착시켰다가 다시 비행 전체 제거하고 위성체와 접촉부위를 세척해야 하는 난점이 있으며 시험용 히터를 조절하기 위한 전원공급기만도 수십개 이상 필요하다.

또한 시험용 히터가 방열판에 붙게 되면 방열하는 면적을 적게 하는 효과를 가져와 정확한 시험을 위해서는 보상이 필요할 수 있다.

본 발명은 저렴한 비용으로 기존의 열진공 챔버에 독립식 히터판을 간단히 설치하므로서 챔버내의 복사열 교환장치인 슈라우드를 여러개의 존(Zone)으로 나눈 열진공 챔버와 같은 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

이러한 본 발명은 슈라우드가 내장된 열진공 챔버에 있어서, 위성체의 바깥쪽에 알루미늄판을 수직으로 설치하되 상기 알루미늄판에는 와이어 히터를 위성체쪽으로 배열한 후 알루미늄 테이프로 부착하여 알루미늄판과 위성체의 태양광 조사면사이에 독립적으로 복사열전달이 이루어지도록 설치하므로써 이루어진다.

즉 본 발명은 위성체의 태양광이 조사될 부위에 알루미늄판에 배열된 와이어 히터에서 독립적으로 복사열전달이 이루어지도록 하고 태양광을 받지 않는 부위는 챔버 슈라우드와 복사열전달이 이루어지도록 하는 것이다.

도 1 은 6개의 존(Zone)으로 조절되는 기존 열진공 챔버의 모식도

도 2 는 본 발명의 히터판 사시도

도 3 은 본 발명의 히터판과 단열커튼 사용상태도

도 4 는 본 발명의 히터판 고정상태도

도 5 는 위성체 1개면의 우주환경 모사도

도 6 은 우주환경과 등가인 열진공 챔버내의 벽면온도

<도면의주요부분에대한부호의설명>

10, 10' : 히터판 20 : 알루미늄판

21 : 와이어 히터 30 : 테프론판

40 : 위성체 50 : 테프론바

60 : 다층절연커튼

본 발명은 알루미늄판(20)의 일측면에 와이어 히터(21)를 배열하고 알루미늄 테이프로 부착시키며 알루미늄판(20)의 배면에는 테프론판(30)을 부착시켜 히터판(10)을 구성한 후 상기 히터판(10)을 위성체(40)의 태양광 조사면과 마주되게 설치하되 와이어 히터(21)가 위성체(40)쪽에 위치하도록 설치한다.

알루미늄판(20)에는 검은색 페인트를 칠해 복사열이 크도록 하고 알루미늄 테이프 위에 복사율이 좋은 캡톤 테이프(Kepton tape)를 부착시켜 알루미늄판(20)과 슈라우드 벽면간의 복사율이 크게 한다.

히터판(10)의 와이어히터(21)는 전압조정기 및 콘트롤러를 이용하여 히터판(10)의 온도조절이 가능하게 한다.

2개이상의 히터판(10)을 결합 고정시킬 경우 테프론바(50)를 이용하여 서로 엇갈리게 볼트(51)로 체결한다.

테프론바(50)는 히터판(10)의 고정과 함께 열적으로 단열이 가능하며 구조적인 지탱이 가능하게 된다.

또한 본 발명은 위성체(40)에 태양광이 조사될 것이라고 예상되는 부위와 히터판(10)의 각변에는 다층절연(Multi - Layer Insulation)커튼(60)을 설치하여 다른 히터판과 독립적인 사용이 가능하게 하며, 다층절연커튼(60)은 미리 설치한 고리나 캡톤 테이프 등을 이용하여 부착시킨다.

본 발명은 열진공 챔버의 슈라우드는 가능한 극저온 상태로 만들어 놓고 히터판(10)을 도 2 와 같이 위성체(40)의 바깥쪽에 설치하므로써 히터판(10)이 위성체(40)에 대한 새로운 슈라우드 역할을 하도록 한다.

히터판(10)의 와이어 히터(21)에 전력을 공급하여 원하는 온도로 상승시켜 위성체(40)와 복사열교환이 이루어지도록 하고 히터판(10)과 마주보지 않는 위성체(40)의 각면은 챔버 슈라우드와 복사열교환이 이루어지도록 한다.

히터판(10)의 알루미늄판(20)에는 검은색 페인트를 칠해 복사율이 크도록 하고 와이어 히터(21)는 알루미늄 테이프로 붙여 열전도성이 크도록 하며 다시 복사율이 좋은 캡톤 테이프를 부착시킴으로써 알루미늄판(20)과 슈라우드 벽면간의 복사율이 크도록 하였다.

여기서 와이어 히터(21)는 전원공급기 및 콘트롤러를 이용하여 히터판(10)의 온도를 조절하게 되며 히터판(10)은 히터효율을 높이고 극저온 온도를 효율적으로 유지하기 위하여 알루미늄판(20)의 뒷면을 테프론판(30)으로 단열시킨다.

2개 이상의 히터판(10)(10')을 연결하여야 할 경우는 매개체로 도 4 와 같은 테프론 바(50)를 사용하여 서로 엇갈리게 볼트로 체결하므로써 히터판(10)(10')들이 구조적으로 지탱이 가능하고 열적으로도 단열시켜 각 히터판(10)(10')을 독립적으로 운용할 수 있도록 한다.

또한 본 발명은 도 3 과 같이 위성체(40)가 태양광에 조사될 것이라고 예상되는 부위와 알루미늄판들의 각변에는 다층절연커튼(60)을 각각 설치하여 위성체(40)의 원하는 부위가 특정한 히터판(10)만을 바라보도록 하여 다른 히터판과는 독립적으로 복사열전달을 하도록 한다.

여기서 다층절연커튼(60)을 미리 설치된 고리나 캡톤 테이프 등을 이용하여 위성체(40) 및 히터판(10)의 경계부분에 쉽게 부착시킬 수 있다.

본 발명의 작동원리는 도 5 와 같이 위성체(40)의 1개면이 우주환경에 존재하여 태양열을 받고 있을 때, 1개면의 태양열 흡수율을 α, 방사율을 ε, 판의 온도를 Ts, 심연우주의 온도를 Te 라고 하면, 태양열의 영향이 없을 때 복사에 의해 이와 동일한 열교환이 일어나기 위한 환경은 도 6 과 같고 히터판(10)이 받게 되는 열의 출입은 다음과 같다.

α·A·S·Sinθ-ε·A·κ·( T_s ⁴-T_ε ⁴ )= -ε·A·κ·F( T_s ⁴-T_w ⁴ )

여기서 α는 태양열 흡수율, A는 판의 면적, S는 태양상수(1400W/㎡), θ는 판과 태양광이 이루는 각도, ε는 방사율, κ는 Stefan-Boltzmann 상수, T_s 는 판의 온도, T_e 는 심연의 온도, T_w 은 등가인 벽면의 온도, F는 히터판(10) 또는 슈라우드와 위성체(50)면과의 View Factor이다.

이 식으로부터 열진공시험시 태양광이 있을 때와 동일한 경계조건을 갖는 벽면온도 T_w 을 계산할 수 있으며 이러한 T_w 를 히터판(10)에서 만들어줄 수 있는 것이다.

본 발명은 위성체에 직접 시험용히터 등을 설치하지 않고도 저렴한 비용으로 태양광을 포함한 우주환경을 간단하게 모사할 수 있고 간단히 탈착시킬 수 있기 때문에 불필요시 쉽게 제거시킬 수 있으며, 기존에 제작된 온도조절은 가능하나 슈라우드 온도를 균일하게 유지하는 열진공챔버나, 극저온만 가능한 열진공챔버를 사용하여 열평형시험을 수행할 때 본 발명을 이용할 경우 여러개의 존(Zone)을 갖춘 열진공 챔버를 이용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 열진공 챔버에 있어서,

   일측에 와이어 히터가 배열되고 알루미늄 테이프로 부착시킨 알뤼늄판으로 이루어진 히터판을 위성체의 바깥쪽에 설치하는 것을 특징으로 하는 히터판을 이용한 열진공 챔버.
2. 제 1 항에서, 배면에는 단열을 위한 테프론판을 부착시키고 와이어 히터를 붙이는 알루미늄 테이프위에 캡톤테이프를 부착시켜 복사율을 높이게 구성한 것을 특징으로 하는 히터판을 이용한 열진공 챔버.
3. 제 1 항에서, 위성체의 태양광 조사면 부위와 히터판의 각 변에는 다층절연커튼을 설치하여 독립적인 복사열전달이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 히터판을 이용한 열진공 챔버.