KR20140014586A - 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치 - Google Patents

액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 우주에서 사용되는 구조물의 시험에 필요한 -100℃ 미만의 극저온 환경을 제공하고, 압력조절밸브, 유량조절밸브 및 제어부를 통해 액체질소의 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치에 관한 것이다.

Description

액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치{CRYOGENIC THERMAL ENVIRONMENT TEST DEVICE USING DIRECT INJECTION OF LIQUID NITROGEN}
본 발명은 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 우주에서 사용되는 구조물의 시험에 필요한 -100℃ 미만의 극저온 환경을 제공하고, 압력조절밸브, 유량조절밸브 및 제어부를 통해 액체질소의 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치에 관한 것이다.
인공위성의 발사 시와 비행 중에 마주치는 음향, 열, 진동, 가속도, 기압, 방사선, 진공, 태양 광선 등 혹독한 환경에 대비하기 위해 많은 시험이 이루어진다. 주요 환경 시험 장치로는 환경 시험실(ETC), 진동 시험 장치, 충격 시험 장치, 질량 특성 시험 장치, 전파 시험 장치, 자기 시험 장치 등이 있다.
그 외에도 극저온열환경시험장치를 통해서 우주 공간에 설치되는 구조물의 극저온에서의 성능을 시험한다.
현재까지 극저온열환경시험장치는 냉동기를 이용한 열환경시험장치를 이용하였다. 도 3은 종래 냉동기를 이용한 저온열환경시험장치를 도시하는 개념도이고, 도 3에 도시된 바와 같이, 저온열환경시험장치는 챔버(1)와, 챔버(1) 내에 설치되는 냉동기(2)와, 냉동기(2)에 연결되는 열교환판(3)와, 상기 열교환판(3) 후방에 설치되는 송풍팬(4)과 모터(5) 및 시편이 장착되는 이너챔버(6)로 구성된다.
이러한 종래 냉동기를 이용한 열환경시험장치는 냉동기(2)의 한계로 인하여 -70℃ 수준의 저온 시험만 할 수 있었다. 따라서 인공 위성에 사용되는 구조물의 시험에 필요한 -100℃ 미만의 극저온 환경을 제공하지 못한다는 문제가 있었다.
또한, 송풍팬과 모터가 직접 연결된 구조이기 때문에 모터가 저온의 열전달에 의해 손상되기 쉽다는 문제가 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 인공 위성에 사용되는 구조물의 시험에 필요한 -100℃ 미만의 극저온 환경을 제공할 수 있는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 압력조절밸브, 유량조절밸브 및 제어부를 통해 액체질소의 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 송풍팬과 연결된 구동모터를 챔버 외부에 설치함으로써, 극저온의 열전달로 인한 구동모터의 손상을 방지할 수 있는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치를 제공하는 것이다.
상기와 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 우주 공간에 설치되는 구조물을 극저온의 열환경에 노출시키는 시험장치에 있어서, 챔버, 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 구조물의 시편에 대한 시험이 이루어지고, 일측에 송풍구 및 배출구가 형성되는 이너챔버, 공급관을 통해 외부에서 공급되는 액체질소를 기화시켜 상기 이너챔버 내부로 질소 가스를 공급하는 노즐, 상기 송풍구에 설치되어 상기 질소 가스를 유동시키는 송풍장치 및 상기 배출구에 설치되어 챔버로 배출되는 질소 가스를 가열하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치의 이너챔버에는 상기 노즐에서 분사되는 액체질소가 부딪쳐 기화를 촉진시키는 반사판이 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치의 이너챔버의 일면에는 내부 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치의 송풍장치는 상기 송풍구에 인접하게 설치되는 송풍팬과, 상기 챔버의 외부에 설치되는 구동모터와, 상기 구동모터의 회전력을 송풍구로 전달하는 체인 또는 벨트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치의 이너챔버에는 온도센서 또는 압력센서가 설치되고, 상기 공급관에는 유량조절밸브가 설치되며, 상기 온도센서 또는 압력센서에서 얻은 정보를 통해 상기 액체질소의 공급유량을 제어하도록 상기 유량조절밸브로 제어신호를 송출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 인공 위성에 사용되는 구조물의 시험에 필요한 -100℃ 미만의 극저온 환경을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 압력조절밸브, 유량조절밸브 및 제어부를 통해 액체질소의 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 송풍팬과 연결된 구동모터를 챔버 외부에 설치함으로써, 극저온의 열전달로 인한 구동모터의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치를 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치의 제어부를 도시하는 블럭도이다.
도 3은 종래 냉동기를 이용한 저온열환경시험장치를 도시하는 개념도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 설명에서 동일 또는 유사한 구성요소는 동일 또는 유사한 도면번호를 부여하고, 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 기존의 냉동기를 사용하지 않고 액체질소를 이용하기 때문에 기존의 시험장치보다 더 낮은 극저온의 시험환경을 제공하게 된다.
따라서, 실제 우주 공간에 설치되는 구조물 내지 장치의 성능 및 물성 변화를 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.
우주 공간에 설치되는 구조물로는 위성에 태양전지판 전개장치 등을 예시할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치를 도시하는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 크게 챔버(10)와, 이너챔버(30)와, 이너챔버(30) 내부에 설치되는 노즐(51)과, 송풍장치(40) 및 히터(47)를 포함하여 이루어진다.
구체적으로 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치는 챔버(10)와, 상기 챔버(10) 내부에 설치되어 구조물 시편에 대한 시험이 이루어지고, 일측에 송풍구(31) 및 배출구(33)가 형성되는 이너챔버(30)와, 공급관(50)을 통해 외부에서 공급되는 액체질소를 기화시켜 상기 이너챔버(30) 내부로 질소 가스를 공급하는 노즐(51)과, 상기 송풍구(31)에 설치되어 상기 질소 가스를 유동시키는 송풍장치(40) 및 상기 배출구(33)에 설치되어 챔버(10)로 배출되는 질소 가스를 가열하는 히터(47)를 포함한다.
상기 챔버(10)는 내부에 이너챔버(30)를 수용하고, 이너챔버(30)에서 배출되는 질소 가스를 일시적으로 수용하고, 송풍장치(40)와 히터(47)가 설치되는 공간을 제공하게 된다.
상기 챔버(10)와 이너챔버(30)를 이루는 벽체는 외부와의 열전달이 차단되는 단열 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 이너챔버(30)는 시험대상 시료가 안착되어 극저온열환경시험이 이루어지는 공간(working space)을 제공한다.
따라서 이너챔버(30)는 벽체를 통해서 상기 챔버(10)와 구분된 공간을 형성하게 된다.
상기 이너챔버(30)에는 기체(기화된 질소 가스)의 유동이 일어날 수 있도록 송풍구(31)와 배출구(33)가 형성된다.
그리고 송풍구(31)는 이너챔버(30)의 상측에 관통형성되고, 배출구(33)는 송풍구(31)의 하부에 관통형성되도록 구성할 수 있다.
그리고 원활한 기체의 순환이 이루어지도록 송풍구와 배출구가 동일한 면에 형성되는 것을 예시할 수 있다.
그리고 송풍구(31)에는 기체를 강제 순환시키도록 송풍장치(40)가 설치된다.
상기 송풍장치(40)는 상기 송풍구(31)에 인접하게 설치되는 송풍팬(41)과, 상기 챔버(10)의 외부에 설치되는 구동모터(43)와, 상기 구동모터(43)의 회전력을 송풍구(31)로 전달하는 동력전달부재(45), 예를 들어, 고무. 체인 또는 벨트를 포함하여 이루어진다.
상기 구동모터(43)가 챔버(10)의 외부에 설치되기 때문에 저온 내지 극저온의 질소 가스와의 열접촉을 최대한 피할 수 있고, 구동모터의 고장을 방지할 수 있다.
상기 배출구(33)에는 배출되는 질소 가스를 가열하는 히터(47)가 장착된다. 상기 히터(47)에 의해 질소 가스가 가열되므로, 상기 챔버(10)는 이너챔버(30) 보다 높은 온도로 유지된다.
상기 공급관(50)은 일단은 액체질소 용기(52)와 연결되고 타단은 상기 이너챔버(30)의 내부에 설치되는 노즐(51)과 연결되어 이너챔버(30) 내로 액체질소를 공급한다.
상기 노즐(51)은 이너챔버(30)의 상부에 설치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상부()에 형성된 노즐(51), 송풍구(31) 및 송풍장치(40)에 의하여 대류가 보다 원활하게 일어나기 때문이다.
상기 노즐(51)은 액체인 액체질소를 기체인 질소 가스로 분사시키는 역할을 한다. 액체를 기체로 기화시키는 노즐은 널리 알려진 구성에 해당하므로, 그 자세한 설명은 생략한다.
상기 이너챔버(30)에는 상기 노즐(51)에서 분사되는 액체질소가 부딪쳐 기화를 촉진시키는 반사판(53)이 설치되는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 노즐에서 분사되는 것은 반드시 액상의 액체질소 뿐만 아니라, 질소 가스도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서 액체질소가 반사판(53)에 부딪쳐 비로소 질소 가스로 상 변환될 수도 있으며, 질소 가스가 반사판에 부딪쳐 분산될 수도 있다.
상기 반사판(53)은 상기 노즐(51) 근처, 구체적으로 상기 노즐(51)에서 분사되는 액체질소 내지 질소 가스가 부딪칠 수 있도록 이너챔버(30)의 상부에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 반사판(53)은 측방향으로 분사되는 액체질소 내지 질소 가스가 부딪쳐 하부로 분산되도록 경사지게 설치하는 것이 바람직하다.
상기 이너챔버(30)의 일면에는 내부 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브(55)가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 압력조절밸브(55)는 액체질소가 기화되면서 내부 압력이 상승하는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명에 따른 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치의 제어부를 도시하는 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이너챔버(30)에는 온도센서(57) 또는 압력센서(58)가 설치되고, 상기 공급관에는 유량조절밸브(59)가 설치되도록 구성할 수 있다.
그리고 상기 온도센서(57) 또는 압력센서(58)에서 얻은 정보를 통해 상기 액체질소의 공급유량을 조절하도록 상기 유량조절밸브(59)로 제어신호를 송출하는 제어부(60)를 포함하여 구성할 수 있다.
상기 제어부(60)에서는 미리 저장된 온도와 압력을 센서에서 측정한 온도 및 압력과 비교하여 산출된 값에 따라 유량조절밸브(59)를 제어한다.
만일 이너챔버(30) 내부의 압력이 설정된 값보다 높고, 온도도 설정된 값보다 낮게 유지되는 경우에는 유량조절밸브(59)를 조절하여 액체질소의 공급유량을 줄이는 것이다.
반대로 이너챔버(30) 내부의 온도가 설정된 값보다 높게 유지되는 경우에는 유량조절밸브(59)를 더 개방하여 액체질소의 공급유량을 높이게 된다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 챔버 30 : 이너챔버
31 : 송풍구 33 : 배출구
40 : 송풍장치 41 : 송풍팬
43 : 구동모터 45 : 동력전달부재
47 : 히터 50 : 공급관
51 : 노즐 53 : 반사판
55 : 압력조절밸브 57 : 온도센서
58 : 압력센서 59 : 유량조절밸브
60 : 제어부

Claims (5)

  1. 우주 공간에 설치되는 구조물을 극저온의 열환경에 노출시키는 시험장치에 있어서,
    챔버;
    상기 챔버 내부에 설치되어 상기 구조물의 시편에 대한 시험이 이루어지고, 일측에 송풍구 및 배출구가 형성되는 이너챔버;
    공급관을 통해 외부에서 공급되는 액체질소를 기화시켜 상기 이너챔버 내부로 질소 가스를 공급하는 노즐;
    상기 송풍구에 설치되어 상기 질소 가스를 유동시키는 송풍장치; 및
    상기 배출구에 설치되어 챔버로 배출되는 질소 가스를 가열하는 히터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이너챔버에는 상기 노즐에서 분사되는 액체질소가 부딪쳐 기화를 촉진시키는 반사판이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이너챔버의 일면에는 내부 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송풍장치는 상기 송풍구에 인접하게 설치되는 송풍팬과, 상기 챔버의 외부에 설치되는 구동모터와, 상기 구동모터의 회전력을 송풍구로 전달하는 체인 또는 벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이너챔버에는 온도센서 또는 압력센서가 설치되고,
    상기 공급관에는 유량조절밸브가 설치되며,
    상기 온도센서 또는 압력센서에서 얻은 정보를 통해 상기 액체질소의 공급유량을 제어하도록 상기 유량조절밸브로 제어신호를 송출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치.
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