KR100315552B1 - 흡착식 오염방지판 및 슈라우드의 극저온 냉매 소비 절감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우주환경 시험장치인 열진공챔버에서, 우주환경 시험시 시험물질 표면에서 발생된 출기물(outgassing)을 흡착하는 흡착식 오염방지판에 관한 것으로, 오염방지판을 냉각시키는데 필요한 극저온 냉매의 소모량을 절감시키도록 하는 흡착식 오염방지판의 극저온 냉매 소비 절감장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 흡착식 오염방지판 또는 슈라우드(Shroud)의 LN2 공급 구리관에 전자개폐밸브를 설치하고 오염방지 구리판의 온도 이외에 구리관 출구 쪽 온도에 따라 밸브를 개폐하게 하고, 구리관의 출구 쪽 구리판 또는 슈라우드보다 높은 위치에 상 분리기 형태의 가스탱크를 설치하므로써 이루어지는 것이다.

Description

흡착식 오염방지판 및 슈라우드의 극저온 냉매 소비 절감장치{Low-temperature heat-transfer material's consumption reduce system using adsorption-type prevent of pollution panel and shroud}

본 발명은 우주환경 시험장치인 열진공챔버에서, 우주환경 시험시 시험물질 표면에서 발생된 출기물(outgassing)을 흡착하는 흡착식 오염방지판에 관한 것으로, 오염방지판을 냉각시키는데 필요한 극저온 냉매의 소모량을 절감시키도록 하는흡착식 오염방지판의 극저온 냉매 소비 절감장치에 관한 것이다.

이러한 극저온 냉매 소비 절감장치는 복사 열전달을 이용하는 열교환 장치인 슈라우드(Shroud)에도 동일하게 적용되어 진다.

열진공챔버는 지상에서 우주환경인 진공과 열환경을 모사하는 대표적인 장치로 인공위성이나 그 부품에 대한 열환경 시험을 수행하는 고가의 장비이다.

일반적으로 1×10^-2torr 이하의 진공환경하에서는 시험물질 표면으로부터 출기물(outgassing)이 발생하게 되고, 이 출기물들이 위성체표면, 태양전지 커버글래스 및 탑재체 렌즈 등에 달라붙게 되면 열제어, 전력생산 및 관측 등에 심각한 성능저하를 초래하게 된다.

10^-5torr 이하의 고진공에서 운용되는 열진공챔버 내에서 환경시험을 수행할 때, 이러한 출기물로부터 위성체 등을 보호하기 위해 열진공챔버 내에 -180℃ 이하로 유지되는 오염방지판을 설치하여 시험물질 표면에서 발생된 출기물들을 흡착(trap)시키도록 하고 있으며 극저온 냉매를 이용한 흡착식 오염방지판을 사용하게 되면, 열진공챔버 내에서 오염방지 뿐만 아니라 진공도의 향상을 도모할 수 있다.

오염방지판(10)은 도 1 에 도시된 바와 같이 구리판(1)에 구리관(2)을 설치하고 복사 열교환용 슈라우드(20)는 도 2 에 도시된 바와 같이 원통형판(3) 외부 또는 내부에 구리관(4)을 설치한 후 상기 구리관(2)(4)에 극저온냉매인 LN₂(액체질소, 액체상태온도 -196℃)를 통과시켜 구리판(1)(3)의 온도를 -180℃ 이하로 유지시키게 된다.

그런데 열진공챔버의 운용을 위해서는 LN2가 8∼9 기압의 높은 압력상태로 저장되어 공급되어지며 이와 같은 급송시 단열이 우수한 공급판이라도 외부로부터의 열유입 때문에 LN2는 액체와 기체가 혼합되어 있는 상태로 공급되어진다.

이로 인하여 기화된 LN2가 섞여서 오염방지판(10) 또는 슈라우드(20)에 유입되어 오염방지판(10) 또는 슈라우드(20)의 평균온도를 상승시키게 된다.

그리고 오염방지판(10) 또는 슈라우드(20)에 설치된 온도센서(5)(6)에서 온도측정을 행할 때 LN2가 기화된 영역에서 온도측정을 하게 되면 원하는 온도조건에 도달하지 못한 것으로 감지하게 되고, 이러한 경우 열진공챔버 콘트롤러는 오염방지판(10) 또는 슈라우드(20)의 온도를 -180℃ 이하로 유지하기 위해서 LN2들을 계속 흐르도록 하게되고 이로 인하여 필요 이상의 LN2가 그대로 대기 중에 방출되어 LN2 소모량이 극심하게 된다.

이와 같이 기존의 흡착식 오염방지판은 구리판에 구리관을 설치하고 이 구리관에 수동 및 자동밸브를 이용 LN2(액체질소)를 통과시켜 구리판의 온도를 -180℃ 이하로 유지시키게 된다.

열진공챔버의 운용을 위해서는 LN2가 8∼9 기압의 높은 압력상태로 저장되어 공급되며, 공급시 공급관등에서의 열유입 때문에 액체와 기체가 혼합되어 있는 상태로 공급되기 때문에 기화된 LN2가 섞여서 오염방지판에 유입되어 전체의 온도를 균일하게 냉각시키지 못하게 된다.

온도측정을 기화된 영역부근에서 하거나, 측정온도센서와 오염방지판의 접촉이 좋지 않은 경우는 오염방지판의 온도를 설정온도(-180℃) 이하로 유지하기 위해서는 LN2들을 계속 공급하여야 함으로 LN2 소모량이 극심하게 된다.

LN2 공급구리관에 전자적으로 작동하는 밸브를 설치하고, 구리판의 온도에 따라 밸브를 개폐하는 방법을 적용하여도 밸브의 순간적 개폐시 고압의 기체가 관내의 액체부분을 밀어내는 역할을 하기 때문에 일시적 온도상승이 일어나고, 밸브개폐시 맥동현상도 일어나는 등으로 인해, 오염방지판의 온도를 -180℃ 이하로 유지하기 위해선 역시 LN2의 소모가 극심하게 된다.

설정온도를 적절히 유지하면서 LN2의 소모량을 줄이기 위해선, 최소한 최종 배기구에서 공급된 LN2가 액체상태로 그대로 나가지 않도록 수시로 눈으로 확인하여 밸브를 조절하거나 설정온도를 변화시켜주어야 한다.

본 발명은 흡착식 오염방지판 또는 슈라우드의 LN2 공급구리관에 전자개폐밸브를 설치하고 오염방지 구리판의 온도 이외에 구리관 출구 쪽 온도에 따라 밸브를 개폐하게 하고, 구리관의 출구 쪽 구리판 또는 슈라우드보다 높은 위치에 상 분리기 형태의 가스탱크를 설치하여 LN2의 소비를 줄이도록 한 것이다.

도 1 은 통상의 흡착식 오염방지판 구성도

도 2 는 통상의 복사 열전달용 슈라우드 구성도

도 3 은 본 발명의 흡착식 오염방지판 구성도

도 4 는 본 발명의 복사 열전달용 슈라우드 구성도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1,3 : 구리판 2,4 : 구리관 5,6 : 온도센서

10 : 오염흡착판 20 : 슈라우드 30,40 : 전자개폐밸브

31,41 : 가스탱크 32,42 : 온도센서

본 발명은 도 3 에 도시된 바와 같이 구리판(1)에 구리관(2)이 설치되고 상기 구리관(2)에 LN2를 통과시켜 구리판(1)의 온도를 낮추는 오염방지판(10)에 있어서,

LN2 공급구리관(2)입구 쪽에 전자개폐밸브(30)를 설치하고, LN2공급구리관(2)출구 쪽에 상 분리기 형태의 가스탱크(31)를 설치하며, 구리판(1)과 가스탱크(31)상부에 설치한 온도센서(5)(32)의 온도 검출값에 따라 전자개폐밸브(30)를 조작하게 구성된다.

여기서 가스탱크(31)는 구리관(2)의 최고 높이 보다 높게 설치하되 아래쪽은 오염방지판(10)을 향하고 위쪽이 최종 배기구를 향하게 설치한다.

가스탱크(31)는 구리관(2) 보다 직경이 10배 이상이고 LN2 저장량은 오염방지판(10)에 설치된 구리관(2)의 전체용적 보다 2배 이상의 큰 값을 갖도록 하며, 가스탱크(31)의 입력단과 출력단 배관은 90°의 각도를 갖도록 설치한다.

구리관(2) 입구 쪽 전자개폐밸브(30) 옆에는 GN2 정화밸브(33)를 설치한다.

또한 본 발명은 도 4 에 도시된 바와 같이 원통형판(3)내부에 구리관(4)이 설치되고 상기 구리관(4)에 LN2를 통과시켜 원통형판(3)의 온도를 낮추어 주는 슈라우드(20)에 있어서,

LN2 공급구리관(4) 입구 쪽에 전자개폐밸브(40)를 설치하고, LN2 공급구리관(4)출구 쪽에 상 분리기 형태의 가스탱크(41)를 설치하며, 구리판(3)과 가스탱크(41)상부에 설치한 온도센서(6)(42)의 온도 검출값에 따라 전자개폐밸브(40)를 조작하게 구성된다.

여기서 가스탱크(41)는 구리관(4)의 최고 높이 보다 높게 설치하되 아래쪽은 슈라우드(20)를 향하고 위쪽이 최종 배기구를 향하게 설치한다.

가스탱크(41)는 구리관(4) 보다 직경이 10배 이상이고 LN2 저장량은 슈라우드(20)에 설치된 구리관(4)의 전체용적 보다 2배 이상의 큰 값을 갖도록 하며, 가스탱크(41)의 입력단과 출력단 배관은 90°의 각도를 갖도록 설치한다.

구리관(4) 입구 쪽 전자개폐밸브(30) 옆에는 GN2 정화밸브(43)를 설치한다.

이러한 본 발명은 온도센서(5)에 의해 검출되는 구리판(1)의 온도값 및 온도센서(32)에 의해 검출되는 가스탱크(31)의 온도값을 이용하여 전자개폐밸브(30)를 조작하도록 한다.

여기서 가스탱크(31) 상부에 설치된 온도센서(32)는 백금저항 온도계 또는 써모커플을 사용한다.

온도측정용 온도센서(5)를 구리판(1)에만 설치하면, 접촉점에 따라 온도값을 제대로 표시하지 못하는 경우 발생하여, 구리관(2)내에 LN2가 충만함에도 불구하고 계속 LN2 밸브가 열려 LN2가 그대로 방출되는 사례가 있어, LN2 공급 전자개폐밸브(30)의 개폐를 위해 구리판(1)온도와 구리관(2) 출구 쪽 상 분리기용 가스탱크(31)위에 설치한 온도센서(32)의 측정온도를 모두 이용하였다.

이는 LN2 소비 절감뿐만 아니라 전자개폐밸브(30)의 수명을 연장하기 위해서이다.

구리관(2) 출구 쪽에 위치한 가스탱크(31)에 LN2가 존재하면 온도센서(32)가 이를 감지하여 LN2 공급을 중단하게 된다.

이때 가스탱크(31)에 남은 LN2가 중력에 의해 오염방지판(10)에 부착된 구리관(2)을 채우게 된다.

따라서 LN2는 더 이상 외부로 배출되지 않아 LN2 소비를 줄일 수 있으며 구리판(1)의 온도도 함께 측정하여 이용하는 것은 오염방지판(10)의 실제온도가 오염물질들을 흡착시키는 역할을 하기 때문이다.

온도센서(32)에서의 측정온도에 따라 LN2 공급제어용 전자개폐밸브(30)의 개폐로직은 다음과 같다.

'온도센서(32)의 온도가 -190℃ 이상이고 온도센서(5)의 온도가 -175℃ 이상일 경우에만 열린다.'

상기 로직으로 전자개폐밸브(30)를 개폐하게 되면 LN2의 소비 절감 및 밸브 개폐 횟수도 최소화시킬 수 있다.

만약 온도센서를 한 개만 사용할 경우는 온도센서(5) 대신 가스탱크(31)에 설치된 온도센서(31)를 사용함이 유리하며 이 경우는 -190°이하에서 닫히고 -180℃ 이상에서 열리게 전자개폐밸브(30)를 조작하므로써 수명연장 및 LN2 소비를 절감시킬 수 있다.

본 발명의 가스탱크(31)는 효율을 극대화시키기 위하여 가스탱크(31)의 입력단과 출력단 배관은 90°각도를 갖도록 하였으며 이는 전자개폐밸브(30)개폐시 고압으로 분출되는 LN2가 가스탱크(31) 내부 윗벽에 부딪히게 하여 LN2가 직접 배출되는 것을 방지하게 된다.

이와 같은 본 발명은 도 4 에 도시된 슈라우드(20)에도 동일하게 적용되어지며 전자개폐밸브(40)의 개폐제어와 가스탱크(41)의 설치로 LN2의 소비를 절감시키게 된다.

또한 본 발명은 오염방지판(10)앞쪽의 LN2 공급전자개폐밸브(30)옆에 GN2(또는 고온기체) 정화밸브(33)를 설치하여 열진공챔버의 우주환경시험이 종료되었을때 상온의 GN2를 유입시켜 오염방지판(10)의 온도를 상온으로 빠르게 회복시키도록 한다.

본 발명의 가스탱크는 중력에 의한 상 분리기 역할을 하게 되어 온도 요구조건을 만족시키지 못하는 가벼운 GN2는 위쪽으로 배출되게 되며, 상대적으로 무겁고도 차가운 LN2는 가스탱크에 저장되어 있다가 중력에 의해 오염방지판 쪽으로 재활용되게 한다.

그리고 8∼9 Bar로 공급되는 LN2가 좁은 판에서 큰 가스탱크로 팽창되고 다시 좁은 관을 통해 배출되기 때문에 밸브의 개폐에 따른 맥동현상 등이 제거되며 따라서 순간 분출로 인한 LN2의 배출을 최소화할 수 있으며, 개폐밸브의 수명도 연장된다.

또한 배출되는 GN2의 최종 배출속도는 밸브의 개폐와는 큰 관련 없이 일정한 값을 가지게 되며 전자밸브 개폐용 온도센서를 가스탱크 위쪽에 추가 설치함으로써 더욱 정확하게 LN2 공급량을 조절할 수 있도록 하였다.

따라서 본 발명은 위에서 열거한 효과로 인해, 오염방지판의 온도를 원하는 온도(-180℃) 이하로 낮게 유지시키면서도 LN2의 사용량을 대폭 절약할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 구리판(1)에 구리관(2)이 설치되고 상기 구리관(2)에 LN2를 통과시켜 구리판(1)의 온도를 낮추는 오염방지판(10)에 있어서,

   LN2 공급구리관(2)입구 쪽에 전자개폐밸브(30)를 설치하고,

   LN2 공급구리관(2)출구 쪽에 상 분리기 형태의 가스탱크(31)를 설치하며,

   구리판(1)과 가스탱크(31)상부에 설치한 온도센서(5)(32)의 온도검출값에 따라 전자개폐밸브(30)를 조작하게 구성된 것을 특징으로 하는 흡착식 오염방지판의 극저온 냉매 소비절감 장치.
2. 원통형판(3) 외부 또는 내부에 구리관(4)이 설치되고 상기 구리관(4)에 LN2를 통과시켜 원통형판(3)의 온도를 낮추어주는 슈라우드(20)에 있어서,

   LN2 공급구리관(4)입구 쪽에 전자개폐밸브(40)를 설치하고, LN2 공급구리관(4)출구 쪽에 상 분리기 형태의 가스탱크(41)를 설치하며,

   구리판(3)과 가스탱크(41)상부에 설치한 온도센서(6)(42)의 온도 검출값에 따라 전자개폐밸브(40)를 조작하게 구성 조작하게 구성된 것을 특징으로 하는 복사 열전달용 슈라우드의 극저온 냉매 소비절감 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에서, 가스탱크(31)는 구리관(2)의 최고 높이 보다 높게 설치하되 아래쪽은 오염방지판(10)을 향하고 위쪽이 최종 배기구를 향하게 설치된 것을 특징으로 하는 흡착식 오염방지판 및 복사 열전달용 슈라우드의 극저온 냉매 소비절감 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에서, 가스탱크(31)는 구리관(2) 보다 직경이 10배 이상이고 LN2 저장량은 오염방지판(10)에 설치된 구리관(2)의 전체용적 보다 2배 이상의 큰 값을 갖도록 하며,

   가스탱크(31)의 입력단과 출력단 배관은 90°의 각도를 갖도록 설치 한 것을 특징으로 하는 흡착식 오염장지판 및 복사 열전달용 슈라우드의 극저온 냉매 소비절감 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에서, 구리관(2)입구 쪽 전자개폐밸브 옆에 GN2 정화밸브(33)를 설치한 것을 특징으로 하는 흡착식 오염방지판 및 복사 열전달용 슈라우드의 극저온 냉매 소비절감 장치.