KR102076016B1 - 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극저온 루프 히트파이프에 관한 것으로, 우주환경 모사장치에 사용되는 극저온 루프 히트파이프에 있어서, 제1증발기, 제1응축기, 제1증기라인, 제1액체라인을 포함하여 폐쇄회로 방식으로 연결된 메인루프와; 극저온냉동기와 상기 제1응축기를 연결해주는 블록으로 상기 제1증기라인을 통해 상기 제1응축기로 유입되는 증기를 응축시키는 냉각블록과; 상기 제1증기라인의 어느 한 부분에 연결되어 PRR의 기체질소를 메인루프에 공급하는 GN2연결포트와; 상기 제1증발기와 GN2연결포트 사이의 제1증기라인에 연결되는 제2증기라인, 제2증발기, 상기 냉각블록의 일 부분을 차지하는 제2응축기 및 제1증발기로 연결되는 제2액체라인을 포함하여 순차적으로 구비되어 폐쇄회로 방식으로 연결된 서브루프로 이루어지고, 상기 제1증발기가 연결되는 제1증기라인에는 증발한 기체의 질량유량을 측정하는 질량유량계가 구비되며, 상기 제1증발기의 입/출구에는 각각 제1입구차압계 및 제1출구차압계가 구비되어 상기 제1증발기의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성되고, 상기 제2증발기의 입/출구에는 각각 제2입구차압계 및 제2출구차압계가 구비되어 상기 제2증발기의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성되며, 상기 제1증발기 및 제2증발기에는 증발기에 원활하게 액체를 공급하는 보상실을 더 포함하는 구성으로 열 진공 챔버에 극저온 환경을 모사하기 위한 극저온냉동기에 상온에서 효과적을 질소를 열교환시켜 원활하게 공급할 수 있는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프에 관한 것이다.

Description

상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프{Cryogenic loop heat-pipe that can start-up at room temperature}
본 발명은 극저온 루프 히트파이프에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열 진공 챔버에 극저온 환경을 모사하기 위한 극저온냉동기에 상온에서 효과적으로 질소를 열교환시켜 원활하게 공급할 수 있는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프에 관한 것이다.
우주환경은 고진공 환경과 태양 복사열에 의한 고온 환경 및 극저온이 반복되는 가혹한 환경이다.
위성체는 지상에서 발사되어 우주궤도에 진입한 순간부터는 계속해서 우주환경에 노출되며 이러한 가혹한 우주환경에 의해서 위성체의 주요부품에 기능장애가 초래되기도 하며, 이는 결국 임무의 실패로 이어지기도 한다.
즉, 우주환경은 지구상의 환경과는 판이하게 다르기 때문에 지상에서는 제대로 작동하는 것으로 관찰되는 위성체가 우주환경에서는 예상하지 못한 기능장애를 보일 수 있어 이와 같은 환경에 대비하는 것은 우주에서 임무를 수행하는 위성체에 있어서 매우 중요하다.
따라서 위성체는 지상에서 우주환경시험을 거쳐 기능 및 작동상태를 점검해야 하며, 이를 위해서 우주환경을 모사할 수 있는 열챔버라고 불리는 우주환경 모사장비가 필요하다.
통상 열챔버는 크게 진공계와 열제어계로 구분되는데, 진공계는 열챔버 내부가 1Х10-7 Torr 이하의 고진공으로 이루어질 수 있도록 진공펌프들을 구비하고, 열제어계는 -196℃ 이하의 우주 냉암흑을 모사하기 위해 액화질소(이하 'LN2'라 함)로 냉각되어지는 슈라우드(shroud)와 부대장치들을 구비한다.
이와 같은 우주 냉암흑 모사는 열챔버 내부에 설치된 슈라우드 내부에 극저온의 LN2를 가득 채움으로써 이루어진다.
특허문헌 1의 열챔버용 극저온 모사장치는 일정공간을 이루고, LN2(액화질소)가 주입되어 우주환경을 모사한 극저온 공간을 형성하는 슈라우드, 우주환경 모사 후 상기 슈라우드에 가득 찬 LN2를 회수하여 상기 슈라우드로 재공급하는 LN2 저장탱크, 및 상기 LN2 저장탱크와 상기 슈라우드 사이에 위치하여 LN2가 수송될 수 있도록 압력을 가하는 LN2펌프를 포함하여 LN2 저장탱크에서 상기 슈라우드로 -160℃ 이하의 LN2가 공급되고, 열챔버 내부는 상기 슈라우드에 공급된 LN2의 온도에 의해 -190℃까지 냉각되어 우주환경을 모사한다.
그러나 특허문헌 1은 헬륨압축기를 이용하여 챔버 내부에 진공상태를 유지하기 위해 냉각탑에서 냉각수를 공급받아 사용해야 함으로 하절기에 냉각탑의 냉매 온도 상승으로 인해 효율성 감소와 냉각에 따른 비용이 증가되는 문제점이 있었다.
한편, 특허문헌 2는 우주환경 모사장치는 LN2가 주입되어 열챔버의 내부를 우주환경으로 모사하기위해 극저온 공간을 형성하는 슈라우드, 상기 슈라우드에 LN2를 공급하는 LN2 저장탱크, 상기 열챔버의 내부를 진공상태로 만들어 주는 저진공펌프, 상기 열챔버 내부의 온도를 극저온 상태로 만들어 주는 저온펌프, 상기 저온펌프와 연결되어 냉각되고 압축된 헬륨을 상기 저온펌프에 공급하는 헬륨압축기, 상기 저진공펌프와 상기 헬륨압축기를 냉각하기위해 냉각유체를 공급하기 위한 냉각수조, 및 상기 냉각수조의 냉각유체를 냉각하기위한 냉각장치를 포함한다.
그러나, 기존에 질소가스에 열교환이 적절히 이루어지지 못하여 그에 따른 냉각 비용이 증가되는 문제점이 해소되지 못하는 문제점이 있었다.
KR 10-2005-0065945 A KR 10-2013-0047129 A
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 메인루프와 서브루프로 나눠지며, 각 루프에는 응축기, 액체라인, 증기라인, 증발기 및 보상실로 구성되어 냉각블록에 질소 공급을 통해 극저온냉동기의 온도를 제어할 수 있는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 우주환경 모사장치에 사용되는 극저온 루프 히트파이프에 있어서, 제1증발기, 제1응축기, 제1증기라인, 제1액체라인을 포함하여 폐쇄회로 방식으로 연결된 메인루프와; 극저온냉동기와 상기 제1응축기를 연결해주는 블록으로 상기 제1증기라인을 통해 상기 제1응축기로 유입되는 증기를 응축시키는 냉각블록과; 상기 제1증기라인의 어느 한 부분에 연결되어 PRR의 기체질소를 메인루프에 공급하는 GN2연결포트와; 상기 제1증발기와 GN2연결포트 사이의 제1증기라인에 연결되는 제2증기라인, 제2증발기, 상기 냉각블록의 일 부분을 차지하는 제2응축기 및 제1증발기로 연결되는 제2액체라인을 포함하여 순차적으로 구비되어 폐쇄회로 방식으로 연결된 서브루프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프를 제공한다.
그리고, 상기 제1증발기가 연결되는 제1증기라인에는 증발한 기체의 질량유량을 측정하는 질량유량계가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1증발기의 입/출구에는 각각 제1입구차압계 및 제1출구차압계가 구비되어 상기 제1증발기의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2증발기의 입/출구에는 각각 제2입구차압계 및 제2출구차압계가 구비되어 상기 제2증발기의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제1증발기 및 제2증발기에는 증발기에 원활하게 액체를 공급하는 보상실을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 열 진공 챔버에 극저온 환경을 모사하기 위한 극저온냉동기에 상온에서 효과적을 질소를 열교환시켜 원활하게 공급하여 극저온냉동기의 온도를 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프를 나타내는 계략도.
이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명은 열 진공 챔버 및 극저온냉동기를 통해 극저온 환경을 모사할 수 있도록 상온에서 용이하게 시동할 수 있는 극저온 루프 히트파이프를 제공하고자 한다.
여기서, 상기 루프 히트파이프에 필요한 루프는 크게 메인루프(100)와 서브루프(200)로 나눠지는데, 각 루프는 응축기, 액체라인, 증기라인, 증발기, 보상실을 포함하여 구성된다.
그리고 작동유체인 질소를 주입시켜주는 GN2연결포트(500)가 연결되어 있고, 질소는 루프 밖의 압력저감장치에서 공급되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 압력저감장치(PRR; Pressure Reduction Reservoir)는 2상 어큐뮬레이터로서, 액체와 증기 혼합물로 채워진 탱크로 구성되며, 온도는 전기 히터에 의해 자동 조절되고 루프 작동 조건이 변경되면 압력 불균형이 발생하고 평형에 도달할 때까지 탱크 내부 또는 외부로 액체가 흐르게 한다.
상기 탱크에 경우 루프에 필요 없는 작동 유체를 보관하다가 증발기에 열원을 인가하고 히트 싱크로 냉각 중인 루프의 작동 온도를 제어하는 압력 프라이밍을 구성한다.
따라서, 압력저감장치의 온도를 높이면 액체가 응축부로 흘러들어가 완전히 압축되는 압력(압력 경도력)이 형성되고, 그 순간 증발기는 부하가 없는 상황이며 따라서 모세관력이 제거되어 액체가 증발기로 흘러들어갈 수 있게 한다.
더불어, 상기 압력저감장치에 경우, 최소 응축기 싱크 온도에서 최소 열 부하로 인해 응축기 섹션으로 액체가 방출될 수 잇고, 최대 히트 싱크 온도에서의 최대 열 부하로 인해 응축부가 완전하게 사용되며, 정상 작동 모드에서는 증기 배출을 제거되어야 한다.
상기 압력저감장치에서 압력 강하는 최소화되어야 하고, 유체 이송 시간은 짧아야 하며, 포화 온도는 엄격히 제어되어야 하고, 차가운 액체의 유입으로 인한 cold-shock를 제거해야 조건을 만족한다.
한편, 상기 냉각블록(400)은 구리로 이루어지며 이를 통해 극저온냉동기와 연결되고 극저온냉동기의 온도를 제어할 수 있다.
그리고, 각 증발기에 차압계를 설치하여 증발기 입/출구의 차압을 확인할 수 있으며, 메인증발기의 후단에 질량유량계를 설치하여 작동유체가 제대로 순환하는지 확인할 수 있다.
더불어, 액체라인은 응축기에서 응축된 액체를 증발기까지 이송시켜주는 라인이고, 증기라인은 증발기에서 이송된 액체를 열로 증발시켜 이송시키는 라인으로 증발기 내 모세관력으로 심지에 있는 액체를 외곽으로 끌어올려 차압을 발생시키고 끌어올린 액체를 증발기 외부에 히터로 열원을 인가시킬 수 있다.
상기 메인루프(100)에 경우 제1증발기(130), 제1응축기(160), 제1증기라인(110), 제1액체라인(120)을 포함하여 폐쇄회로 방식으로 연결된다.
그리고, 상기 냉각블록(400)은 극저온냉동기와 상기 제1응축기(160)를 연결해주는 블록으로 상기 제1증기라인(110)을 통해 상기 제1응축기(160)로 유입되는 증기를 응축시킬 수 있다.
상기 제1증기라인(110)의 어느 한 부분에는 압력정감장치의 기체질소를 메인루프(100)에 공급하는 GN2연결포트(500)가 연결된다.
상기 GN2연결포트(500)는 외부에서 기체질소를 공급받아 시스템 내 압력을 유지할 수 있도록 사용된다.
그리고, 상기 서브루프(200)는 상기 제1증발기(130)와 GN2연결포트(500) 사이의 제1증기라인(110)에 연결되는 제2증기라인(210), 제2증발기(230), 상기 냉각블록(400)의 일 부분을 차지하는 제2응축기(260) 및 제1증발기(130)로 연결되는 제2액체라인(220)을 포함하여 순차적으로 구비되어 폐쇄회로 방식으로 연결된다.
한편, 상기 제1증발기(130)가 연결되는 제1증기라인(110)에는 증발한 기체의 질량유량을 측정하는 질량유량계(300)가 더 구비될 수 있다.
이때, 상기 제1증발기(130)의 입/출구에는 각각 제1입구차압계(140) 및 제1출구차압계(150)가 구비되어 상기 제1증발기(130)의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 제2증발기(230)의 입/출구에는 각각 제2입구차압계(240) 및 제2출구차압계(250)가 구비되어 상기 제2증발기(230)의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성된다.
한편, 상기 제1증발기(130) 및 제2증발기(230)에는 증발기에 원활하게 액체를 공급하는 보상실(600)을 더 포함할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2증기라인(210)이 연결되는 부분과 제1증발기(130) 사이의 제1증기라인(110)에는 제2증발기(230)에서 발생하는 기체가 제1증기라인(110)을 따라 제1증발기(130) 측으로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브(111)가 더 구비될 수 있다.
상기 제1증기라인(110)에 체크밸브(111)를 설치함으로써, 제2증발기(230)의 기체가 응축기 방향이 아닌 제1증기라인(110)을 따라 역류하는 것을 방지하여 루프 히트파이프의 작동에 안정성을 확보할 수 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100: 메인루프
110: 제1증기라인
111: 체크밸브
120: 제1액체라인
130: 제1증발기
140: 제1입구차압계
150: 제1출구차압계
160: 제1응축기
200: 서브루프
210: 제2증기라인
220: 제2액체라인
230: 제2증발기
240: 제2입구차압계
250: 제2출구차압계
260: 제2응축기
300: 질량유량계
400: 냉각블록
500: GN2연결포트
600: 보상실

Claims (6)

  1. 우주환경 모사장치에 사용되는 극저온 루프 히트파이프에 있어서,
    제1증발기(130), 제1응축기(160), 제1증기라인(110), 제1액체라인(120)을 포함하여 폐쇄회로 방식으로 연결된 메인루프(100)와;
    극저온냉동기와 상기 제1응축기(160)를 연결해주는 블록으로 상기 제1증기라인(110)을 통해 상기 제1응축기(160)로 유입되는 증기를 응축시키는 냉각블록(400)과;
    상기 제1증기라인(110)의 어느 한 부분에 연결되어 압력저감장치의 기체질소를 메인루프(100)에 공급하는 GN2연결포트(500)와;
    상기 제1증발기(130)와 GN2연결포트(500) 사이의 제1증기라인(110)에 연결되는 제2증기라인(210), 제2증발기(230), 상기 냉각블록(400)의 일 부분을 차지하는 제2응축기(260) 및 제1증발기(130)로 연결되는 제2액체라인(220)을 포함하여 순차적으로 구비되어 폐쇄회로 방식으로 연결된 서브루프(200)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1증발기(130)가 연결되는 제1증기라인(110)에는
    증발한 기체의 질량유량을 측정하는 질량유량계(300)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1증발기(130)의 입/출구에는 각각 제1입구차압계(140) 및 제1출구차압계(150)가 구비되어 상기 제1증발기(130)의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2증발기(230)의 입/출구에는 각각 제2입구차압계(240) 및 제2출구차압계(250)가 구비되어 상기 제2증발기(230)의 모세관력으로 인해 발생하는 차압을 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1증발기(130) 및 제2증발기(230)에는
    증발기에 원활하게 액체를 공급하는 보상실(600)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2증기라인(210)이 연결되는 부분과 제1증발기(130) 사이의 제1증기라인(110)에는 제2증발기(230)에서 발생하는 기체가 제1증기라인(110)을 따라 제1증발기(130) 측으로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브(111)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 상온에서 시동 가능한 극저온 루프 히트파이프.
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