KR20120074903A

KR20120074903A - 이원 열교환 쉬라우드 및 이를 이용한 열제어 시스템

Info

Publication number: KR20120074903A
Application number: KR1020100136888A
Authority: KR
Inventors: 조혁진; 이상훈; 서희준; 문귀원
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-06

Abstract

본 발명은 이원 열교환 쉬라우드와 이를 이용한 열제어 시스템에 관한 것으로, 제1 순환유체 공급관 및 제2 순환유체 공급관을 포함하는 순환유체 공급관, 제1 순환유체 공급관과 연결되되 수직방향으로 형성된 제1 유도관과 제2 순환유체 공급관과 연결되되 수직방향으로 형성된 제2 유도관을 포함하는 복수 개의 유도관 및 순환유체 공급관과 평행하게 형성되되 제1 유도관 및 제2 유도관과 각각 수직방향으로 연결되어 유도관을 통해 유동된 서로 다른 유체를 배출하는 제1 순환유체 배출관 및 제2 순환유체 배출관을 포함하는 순환유체 배출관, 을 포함하고, 유도관은 순환유체 공급관을 통해 공급된 서로 다른 유체의 유동을 유도하는 것을 특징으로 한다.

Description

이원 열교환 쉬라우드 및 이를 이용한 열제어 시스템{Heat Exchange Shroud and Heat Control System using the Dual Heat Exchange Shroud}

본 발명은 이원 열교환 쉬라우드 및 이를 이용한 열제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 서로 다른 유체를 하나의 열교환 쉬라우드에 적용하고, 열제어 시스템에서 상기 열교환 쉬라우드로의 유체 공급 및 배출을 제어하여 시험체의 온도를 조절하기 위한 이원 열교환 쉬라우드 및 이를 이용한 열제어 시스템에 관한 것이다.

우주 환경은 고진공 환경과, 고온 및 극저온 환경으로 대변되는 가혹 환경이다.

이와 같은, 가혹 환경 하에서 작동하는 위성체는 지상에서와는 다른 특성을 나타내게 된다. 특히, 고진공 환경, 예를 들어 torr 이하의 진공 환경 하에서는 위성체의 부품들로부터 탈기 현상(outgassing)이 발생한다.

이와 같은 탈기된 물질들은 이차 면경(second surface mirror), 광학 렌즈, 태양 전지 커버 글라스 등과 같은 위성체의 중요 요소에 부착되어 위성체를 오염시킬 수도 있으며, 위성체 등이 -170℃의 초저온 상태와 같은 극한의 상태에 노출되는 경우, 위성체 부품들의 수축으로 인한 파손이 발생할 수도 있다.

상기와 같은 극한 상황에 위성체 등이 노출되는 경우, 열 제어, 전력 생산 및 관측 기능과 같은 위성체의 작동이 저해되거나, 경우에 따라서는 위성체의 기능을 상실케 할 수도 있다.

따라서, 위성체 등이 우주 환경에 노출되기 전에 위성체 등을 모사 우주 환경에 노출시켜, 선처리하거나 발생 가능한 문제점을 관측함으로써, 위성체에 대한 작동 또는 설계 신뢰도를 증대시킬 수 있다.

위성체 등의 오염물질 선처리 및 관측을 위하여 사용되는 모사 우주 환경은 주로 열 진공 챔버 내에서 이루어진다. 열 진공 챔버는 외부에 배치되는 진공펌프를 통하여 챔버 내의 기체를 외부로 배출시킴으로써 고진공 상태를 유지하는 고진공 장치 및 열 진공 챔버 내에 배치되는 위성체 등과 열 교환을 이루는 쉬라우드(shroud)와 같은 열 교환기를 구비한다.

열 진공 챔버의 고진공 상태를 유지하기 위해서는 고진공 장치의 우수한 성능과 더불어, 열 진공 챔버의 우수한 기밀성이 요구된다. 또한, 열 교환 장치로서의 쉬라우드의 경우에도 쉬라우드 자체의 열 교환 성능이 요구된다. 즉, 초저온 상태의 열 교환을 위하여 쉬라우드 내부에는 유로가 형성되고, 유로를 따라 냉각 유체가 유동함으로써, 쉬라우드의 표면을 통하여 대상체와 열 전달을 이루게 되는데 현재에는 단일 유체만을 유동시켜 온도를 제어하는 일원 쉬라우드를 사용한다.

이로 인해, 순환 유체로 액체 질소와 같은 극저온 유체를 선택할 경우, 넓은 온도범위에서 열제어가 가능하지만 상온 상태에서 지속적으로 증발이 발생하여 유체의 지속적인 공급과 특수 제작된 극저온 보관 용기를 구비해야 하는 번거로움이 발생하고, 상온에서 액체 상태인 순환 유체를 선택할 경우, 사용 유체의 어는점과 끓는점에 따라 온도의 조절 범위가 제한되는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 이원 열교환 쉬라우드를 적용하여 서로 다른 유체를 하나의 열교환 쉬라우드로 공급하고, 하나의 열교환 쉬라우드에서 배출하도록 하여 시험체의 온도조절을 용이하게 하기 위한 이원 열교환 쉬라우드 및 이를 이용한 열제어 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이원 열교환 쉬라우드는 제1 순환유체 공급관 및 제2 순환유체 공급관을 포함하는 순환유체 공급관, 상기 제1 순환유체 공급관과 연결되되 수직방향으로 형성된 제1 유도관과 상기 제2 순환유체 공급관과 연결되되 수직방향으로 형성된 제2 유도관을 포함하는 복수 개의 유도관 및 상기 순환유체 공급관과 평행하게 형성되되 상기 제1 유도관 및 제2 유도관과 각각 수직방향으로 연결되어 상기 유도관을 통해 유동된 상기 서로 다른 유체를 배출하는 제1 순환유체 배출관 및 제2 순환유체 배출관을 포함하는 순환유체 배출관을 포함하고, 상기 유도관은 상기 순환유체 공급관을 통해 공급된 서로 다른 유체의 유동을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 유도관 및 제2 유도관은, 하나의 유도관형성부에 형성되되 상기 제2 유도관의 양 끝단은 각각 상기 제2 순환유체 공급관 및 제2 순환유체 배출관과 연결되도록 휘어져 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 유도관 및 제2 유도관은, 하나의 유도관형성부에 형성되되, 서로 단차를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 유도관 및 상기 제2 유도관은, 각각 서로 다른 유도관형성부에 형성되어 서로 대면되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서로 다른 유체는, 극저온 유체인 제1 유체 및 상온에서 액체로 유지되는 제2 유체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 유체는 상기 제1 순환유체 공급관으로 공급되고 상기 제2 유체는 상기 제2 순환유체 공급관으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 이용한 열제어 시스템은 제1 유체의 유동을 제어하는 제1 유체장치, 제2 유체의 유동을 제어하는 제2 유체장치 및 이원 열교환 쉬라우드로 상기 제1 유체를 공급하도록 상기 제1 유체장치를 제어하고, 상기 이원 열교환 쉬라우드로 상기 제2 유체를 공급하도록 상기 제2 유체장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 유체장치는, 제1 순환펌프, 제1 히터 및 분사기를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제1 유체의 순환 압력 및 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 유체장치는, 상기 제1 유체를 공급하는 제1 유체보충탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 유체장치는, 제2 순환펌프, 제2 히터 및 열교환기를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제2 유체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 유체장치는, 상기 제2 유체를 공급하는 제2 유체보충탱크 및 상기 제2 유체의 온도를 제어하기 위해 열교환기와 연결된 냉동기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 구조를 따르면 본 발명은 이원 열교환 쉬라우드를 적용하여 서로 다른 유체를 하나의 열교환 쉬라우드로 공급하고, 하나의 열교환 쉬라우드에서 배출하도록 함으로써 시험체의 온도조절을 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 사시도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 분해사시도
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 결합사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이원 열제어 시스템의 개략적인 개념도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 분해사시도이다. 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이원 열교환 쉬라우드를 나타낸 결합사시도이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이원 열교환 쉬라우드(10)는 순환유체 공급관(11), 유도관 형성부(13), 유도관(14), 순환유체 배출관(12)을 포함한다.

순환유체 공급관(11)은 제1 순환유체 공급관(11a)과 제2 순환유체 공급관(11b)으로 형성되어, 제1 순환유체 공급관(11a)으로는 극저온 유체인 제1 유체가 공급되고, 제2 순환유체 공급관(11b)으로는 상온에서 액체인 제2 유체가 공급된다. 물론, 제1 유체 및 제2 유체가 공급되는 순환유체 공급관(11)은 변경될 수 있다.

유도관 형성부(13)에는 복수의 유도관(14)이 형성된다.

보다 구체적으로, 유도관 형성부(13)에는 복수의 유도관(14)이 순환유체 공급관(11)과 수직방향으로 형성되되, 순환유체 공급관(11)과 연결되어 순환유체 공급관(11)을 통해 공급된 서로 다른 유체의 유동을 유도한다.

특히, 도 1에서와 같이 유도관(14)은 제1 순환유체 공급관(11a)과 제2 순환유체 공급관(11b)에 연결되도록 제1 유도관(14a)과 제2 유도관(14b)으로 형성될 수 있고, 이때, 제2 유도관(14b)의 양 끝단은 각각 도 1에서와 같이 제1 순환유체 공급관(11a)과 제2 순환유체 공급관(11b)에 연결되도록 휘어지게 형성된다.

또한, 도 2에서와 같이 유도관(14)은 제1 순환유체 공급관(11a)과 제2 순환유체 공급관(11b)에 연결되도록 제1 유도관(14a)과 제2 유도관(14b)으로 형성될 수 있고, 이때, 제1 유도관(14a)과 제2 유도관(14b)은 도 2에서와 같이 단차를 갖도록 형성된다.

한편, 도 3 및 도 4에서와 같이 제1 유도관(14a)은 제1 유도관 형성부(13a)에 형성되고, 제2 유도관(14b)은 제2 유도관 형성부(13b)에 형성될 수 있다. 이 경우에는 이원 열교환 쉬라우드(10)의 부피를 줄이기 위해 제1 유도관(14a)이 제2 유도관(14b) 사이에 끼워질 수 있는 간격으로 제1 유도관(14a)과 제2 유도관(14b)이 형성되는 것이 바람직하다.

순환유체 배출관(12)은 순환유체 공급관(11)과 평행하게 형성되되, 제1 유도관(14a)과 제2 유도관(14b)과 수직으로 연결되도록 제1 순환유체 배출관(12a)과 제2 순환유체 배출관(12b)으로 형성된다. 순환유체 배출관(12)은 유도관(14)을 통해 순환유체 공급관(11)으로부터 공급된 제1 유체 및 제2 유체를 배출한다.

이와 같이, 본 발명은 이원 열교환 쉬라우드를 적용하여 서로 다른 유체를 하나의 열교환 쉬라우드로 공급하고, 하나의 열교환 쉬라우드에서 배출하도록 함으로써 시험체의 온도를 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열제어 시스템의 개략적인 개념도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 열제어 시스템은 제1 유체장치(20), 제2 유체장치(30), 제어부(미도시)를 포함한다.

제1 유체장치(20)는 밸브(21), 제1 순환펌프(22), 제1 히터(23), 분사기(24), 제1 유체보충탱크(25)를 포함하고, 제어부(미도시)의 제어에 의해 제1 유체의 순환 압력 및 온도를 제어하며 제1 유체를 이원 열교환 쉬라우드(10)의 제1 순환유체 공급관(11a)으로 제공한다.

밸브(21)는 제1 유체를 이원 열교환 쉬라우드(10)로 공급하고자 할 때 닫혀있던 밸브(21)를 열어 이원 열교환 쉬라우드(10)로 제1 유체를 공급할 수 있게 한다.

제1 순환펌프(22)는 극저온 송풍기(cryogenic blower)인 것이 바람직하며 제1 유체장치(20)에서 펌프의 역할을 수행한다.

히터(23)는 제어부의 제어에 의해 제1 유체의 온도를 조절하기 위한 열을 발산한다.

분사기(24)는 극저온 유체 인젝터(cryogenic fluid injector)이며 분사기(24)에 연결된 제1 유체보충탱크(25)로부터 유입되는 제1 유체(극저온 유체)를 일정한 압력으로 분사시킨다.

이때, 제1 유체는 분사기(24)에서 분사됨과 동시에 즉, 특정 온도 이상의 온도에 노출됨과 동시에 기화가 되고 이원 열교환 쉬라우드(10)를 통해 제1 순환펌프(22) 방향으로 순환된다.

제2 유체장치(30)는 밸브(31), 제2 순환펌프(32), 열교환기(33), 제2 히터(34)를 포함하고, 제어부의 제어에 의해 제2 유체의 온도를 제어하며 제2 유체를 이원 열교환 쉬라우드(10)의 제2 순환유체 공급관(11b)으로 제공한다.

밸브(31)는 제2 유체를 이원 열교환 쉬라우드(10)로 공급하고자 할 때 닫혀있던 밸브(31)를 열어 이원 열교환 쉬라우드(10)로 제2 유체를 공급할 수 있게 한다.

제2 순환펌프(32)는 제2 유체보충탱크(36)로부터 유입되는 제2 유체(상온에서 액체로 유지되는 유체)를 펌핑하여 열교환기(33), 제2 히터(34)를 통해 제2 순환유체 공급관(11b)으로 제공한다.

열교환기(33)는 냉동기(35)와 연결되어 제어부의 제어에 의해 제2 순환펌프(32)로부터 제공된 제2 유체의 온도를 조절한다.

제2 히터(34)는 이머젼 히터(immersion heater)인 것이 바람직하다.

제어부는 이원 열교환 쉬라우드(10)로 제1 유체를 공급하도록 제1 유체장치(20)를 제어하고, 이원 열교환 쉬라우드(10)로 상기 제2 유체를 공급하도록 제2 유체장치(30)를 제어한다.

또한, 제어부는 제1 유체장치(20) 및 제2 유체장치(30)를 제어하여 순환유체 공급관(11)으로 제공할 제1 유체 및 제2 유체의 온도를 제어하도록 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 이원 열교환 쉬라우드
11: 순환유체 공급관 12: 순환유체 배출관
13: 유도관 형성부 14: 유도관
20: 제1 유체장치 21: 제1 밸브
22: 제1 순환펌프 23: 제1 히터
24: 분사기 25: 제1 유체보충탱크
30: 제2 유체장치 31: 제2 밸브
32: 제2 순환펌프 33: 열교환기
34: 제2 히터 35: 냉동기
36: 제2 유체보충탱크

Claims

제1 순환유체 공급관 및 제2 순환유체 공급관을 포함하는 순환유체 공급관;
상기 제1 순환유체 공급관과 연결되되 수직방향으로 형성된 제1 유도관과 상기 제2 순환유체 공급관과 연결되되 수직방향으로 형성된 제2 유도관을 포함하는 복수 개의 유도관; 및
상기 순환유체 공급관과 평행하게 형성되되 상기 제1 유도관 및 제2 유도관과 각각 수직방향으로 연결되어 상기 유도관을 통해 유동된 상기 서로 다른 유체를 배출하는 제1 순환유체 배출관 및 제2 순환유체 배출관을 포함하는 순환유체 배출관;
을 포함하고,
상기 유도관은 상기 순환유체 공급관을 통해 공급된 서로 다른 유체의 유동을 유도하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드.
제1항에 있어서,
상기 제1 유도관 및 제2 유도관은,
하나의 유도관형성부에 형성되되 상기 제2 유도관의 양 끝단은 각각 상기 제2 순환유체 공급관 및 제2 순환유체 배출관과 연결되도록 휘어져 형성되는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드.
제1항에 있어서,
상기 제1 유도관 및 제2 유도관은,
하나의 유도관형성부에 형성되되, 서로 단차를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드.
제1항에 있어서,
상기 제1 유도관 및 상기 제2 유도관은,
각각 서로 다른 유도관형성부에 형성되어 서로 대면되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드.
제1항에 있어서,
상기 서로 다른 유체는,
극저온 유체인 제1 유체 및 상온에서 액체로 유지되는 제2 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드.
제5항에 있어서,
상기 제1 유체는 상기 제1 순환유체 공급관으로 공급되고 상기 제2 유체는 상기 제2 순환유체 공급관으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드.
제1 유체의 유동을 제어하는 제1 유체장치;
제2 유체의 유동을 제어하는 제2 유체장치; 및
이원 열교환 쉬라우드로 상기 제1 유체를 공급하도록 상기 제1 유체장치를 제어하고, 상기 이원 열교환 쉬라우드로 상기 제2 유체를 공급하도록 상기 제2 유체장치를 제어하는 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드를 이용한 열제어 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 유체장치는,
제1 순환펌프, 제1 히터 및 분사기를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제1 유체의 순환 압력 및 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드를 이용한 열제어 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제1 유체장치는,
상기 제1 유체를 공급하는 제1 유체보충탱크;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드를 이용한 열제어 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제2 유체장치는,
제2 순환펌프, 제2 히터 및 열교환기를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제2 유체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드를 이용한 열제어 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 유체장치는,
상기 제2 유체를 공급하는 제2 유체보충탱크; 및
상기 제2 유체의 온도를 제어하기 위해 열교환기와 연결된 냉동기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 열교환 쉬라우드를 이용한 열제어 시스템.