KR20170132836A - 결합된 히트 파이프 및 상 변화 재료를 포함하는 패시브 열 시스템 및 이를 통합하는 인공위성 - Google Patents

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Abstract

인공위성 및 다른 항공 우주 애플리케이션에서 사용하기 위한 패시브 열 시스템은, 제1 챔버 내에 배치되는 히트 파이프 작동 유체 및 제1 챔버를 실질적으로 둘러싸는 제2 챔버 내에 배치되는 상 변화 재료(PCM)를 갖는 컨테이너를 포함한다. 제1 챔버는 히트 파이프 작동 유체를 운반하기 위한 심지를 포함한다. 제1 챔버의 외부는, 열 확산 및 증가된 계면 면적을 위해 PCM 안으로 연장하는 핀(fin), 등등을 구비한다.

Description

결합된 히트 파이프 및 상 변화 재료를 포함하는 패시브 열 시스템 및 이를 통합하는 인공위성{PASSIVE THERMAL SYSTEM COMPRISING COMBINED HEAT PIPE AND PHASE CHANGE MATERIAL AND SATELLITES INCORPORATING SAME}
본 발명은 지구 궤도 통신 위성에 관한 것이다.
통신 위성은 지구의 표면으로부터 그리고 지구의 표면으로 무선 신호를 수신하고 송신한다. 비록 지구 궤도 통신 위성이 수 년간 사용되어 왔지만, 이러한 인공위성에 탑재되는 열에 민감한 전자 컴포넌트에 충분한 냉각을 제공하는 것은 계속 문제가 되고 있다.
인공위성의 열 시스템이 다투어야 하는 두 가지 주요 열원이 있다. 하나의 열원은 태양 복사이다. 태양 복사는 단열 차폐물에 흡수될 수 있거나 또는 적절한 반사성 외부 표면(exterior surface)을 가진 인공위성을 제공하는 것에 의해 인공위성으로부터 쉽게 반사될 수 있다. 두 번째 열원은 인공위성에 탑재되는 전자장치(electronics)이다. 전자장치에 의해 생성되는 열은 인공위성 내의 다양한 위치로부터 수집되고, 인공위성으로부터 배출될(rejected) 수 있는 장소로 이송되고, 그 다음 우주로 발산되어야(radiated) 하기 때문에, 이러한 열의 제거는 더욱 문제가 된다.
인공위성이 작을수록, 열 배출(heat rejection)은 더욱 문제가 될 수 있다. 더 작은 인공위성의 제한된 사이즈 및 질량은, 방열기(radiator) 및 열 제어에 사용 가능한 표면적을 자연적으로 제한한다.
히트 파이프 및 상 변화 재료(phase change material; "PCM")는, 열 문제를 해결하기 위해 인공위성에서 일반적으로 사용되는 두 가지 기술이다. 히트 파이프는, 통상적으로 튜브의 형태의 밀폐된 챔버이며, 작동 유체로 채워진 내부 모세관 구조체를 갖는다. 인공위성의 동작 온도 범위는 작동 유체의 선택을 설정한다; 암모니아, 에탄 및 프로필렌이 통상적인 선택이다. 열 입력(즉, 열 발생 전자장치로부터의 열 입력)은 작동 유체가 증발하게 한다. 증발된 유체는 더 차가운 열 출력 섹션 쪽을 향해 열을 운반하는데, 더 차가운 열 출력 섹션에서는, 유체가 응축함에 따라 열이 배출된다. 배출된 열은 열 출력 섹션의 더 차가운 표면에 흡수되고 그 다음 우주로 발산된다. 응축수는 모세관력(capillary force)에 의해 (발열 컴포넌트 근처의) 열 입력 섹션으로 되돌아와 사이클을 완료한다.
PCM은 열 부하가 높을 때 열을 저장하고 열 부하가 낮을 때 열을 방출하는 것에 의해 과도한 온도 극단을 감쇠시키기 위해 사용된다. PCM은 융해 잠열을 통해 열을 흡수한다; 즉 PCM이 녹는다. 열은 상당한 온도 상승 없이 흡수된다. 반대로, 이 흡수된 열을 제거하기 위해, 방열기, 히트 파이프, 열 스트랩 또는 다른 수단이 사용되는데, 여기서 PCM은 다시 응고된다(refreeze).
PCM 모듈은 통상적으로 주목하는 열원 근처 또는 열원 상에 장착된다. 열원에 노출되는 PCM 모듈의 표면적의 양은 가능한 정도까지 극대화된다. 열 저장 성능은, 모듈 내에서의 PCM의 깊이 및 열 전달을 위한 계면 면적(interface area)에 직접적으로 관련된다. 필요에 따라, 열을 히트 싱크(heat sink)(예를 들면, 방열기, 등등)로 전달하기 위해 히트 파이프가 PCM 모듈 및/또는 열원에 장착된다.
본 발명은, 단일의 하우징 내에서 히트 파이프를 PCM과 결합하는 것에 의해 향상된 패시브 열 시스템을 제공한다. 패시브 열 시스템은 특히 인공위성에서의 사용에 적응된다.
예시적인 실시형태에 따르면, 히트 파이프 작동 유체는 컨테이너의 제1 챔버 내에 배치되고 PCM은, 실질적으로 제1 챔버를 둘러싸는 제2 챔버 내에 수용된다. 제1 챔버는, 통상적인 히트 파이프 설계대로, 열 전달을 위한 심지(wick)를 포함한다. 제1 챔버의 외부는, 열 확산 및 증가된 계면 면적을 위해 PCM 안으로 연장하는 핀(fin), 등등을 구비한다.
히트 파이프와 PCM의 이 통합은 다음의 이점을 제공한다: (i) 전체가 아니면 대부분의 상황에서의 소산 소스(dissipation source)에 대한 PCM의 근접성, (ii) 열을 확산하는(전달하는) 히트 파이프의 능력을 활용하는 계면 면적이 통상적으로 상당히 향상됨, 및 (iii) 열원(즉, 전자 컴포넌트)과 히트 싱크 사이의 직접적인 열 경로 밖에서 낮은 열 전도도 PCM을 유지하는 것에 의해 히트 싱크(예를 들면, 방열기 패널)에 대한 열 커플링을 향상시킴.
본 교시에 따른 몇몇 실시형태는: 패시브 열 시스템을 포함하는 장치를 제공하는데, 패시브 열 시스템은:
● 하우징 - 하우징은 내측 챔버 및 외측 챔버를 가지며, 외측 챔버는 내측 챔버를 실질적으로 둘러쌈 - ;
● 히트 파이프 작동 유체 - 히트 파이프 작동 유체는 내측 챔버 내에 수용됨 - ; 및
● 상 변화 재료(PCM) - PCM은 외측 챔버 내에 수용됨 - 를 포함한다.
본 교시에 따른 몇몇 실시형태는: 패시브 열 시스템을 포함하는 장치를 제공하는데, 패시브 열 시스템은:
● 내측 챔버 내에 수용되는 히트 파이프 작동 유체; 및
● 외측 챔버 내에 수용되는 상 변화 재료(PCM) - 내측 챔버 및 외측 챔버는 히트 파이프 작동 유체와 PCM 사이에서 열이 전달되도록 배치됨 - 를 포함한다.
본 교시에 따른 몇몇 실시형태는: 위성을 포함하고, 위성은:
● 외부 환경으로 열을 발산하는 복수의 방열기 패널;
● 제2 복수의 컨테이너 내에 수용되는 제1 복수의 전자장치 컴포넌트; 및
● 패시브 열 시스템을 포함하고, 패시브 열 시스템은:
(a) 하우징 - 하우징은 내측 챔버 및 외측 챔버를 구비함 - ,
(b) 히트 파이프 작동 유체 - 히트 파이프 작동 유체는 내측 챔버 내에 수용됨 - , 및
(c) 상 변화 재료(PCM) - PCM은 외측 챔버 내에 수용됨 - 를 포함하고;
(i) 제2 복수의 컨테이너 중 하나는 패시브 열 시스템의 제1 단부(end)에 커플링되고; 그리고
(ii) 방열기 패널 중 하나는 패시브 열 시스템의 제2 단부에 커플링된다.
도 1은 본 교시에 따른 인공위성을 묘사한다.
도 2는 도 1의 인공위성의 일부의 분해도를 묘사한다.
도 3은, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 도 1 및 도 2의 인공위성과 연계하여 사용하기 위한 향상된 패시브 열 시스템을 묘사한다.
도 4a는, 인공위성 전자장치로부터 인공위성 방열기 패널로 열을 전달하기 위한 배열체(arrangement)에서의 도 3의 향상된 패시브 열 시스템을 측면도를 통해 묘사한다.
도 4b는 도 4a의 라인 A-A를 통한 도 4a의 배열체의 단면도를 묘사한다.
도 4c는 도 4a의 라인 B-B를 통한 도 4a의 배열체의 단면도를 묘사한다.
도 4d는 도 3 및 도 4a 내지 도 4c의 패시브 열 시스템의 부분 절개된 사시도를 묘사한다.
도 4e는 도 4d의 패시브 열 시스템의 단부(391)의 단면도를 묘사한다.
본 발명의 실시형태는 모든 타입의 인공위성(예를 들면, LEO, GEO, 등등)에 대해 사용될 수 있다. 본 발명의 패시브 열 시스템의 명세(specifics)를 설명하기 이전에, 이러한 시스템이 사용될 수 있는 인공위성이 설명된다.
인공위성. 도 1은 본 교시에 따른 인공위성(100)을 묘사한다. 도 2는 인공위성(100)의 현저한 피쳐 중 일부의 "분해된" 도면을 묘사한다. 이제 도 1 및 도 2 둘 다를 참조하면, 인공위성(100)은, 도시된 바와 같이 배치되는, 통합 페이로드 모듈(102), 추진 모듈(114), 페이로드 안테나 모듈(122), 버스 컴포넌트 모듈(132), 및 태양 전지 어레이 시스템(solar-array system; 140)을 포함한다. 도 1 및 도 2의 인공위성(100)의 방위는, 사용시, 도면에서 "위로" 향하는 안테나(124)가 지구를 향해 "아래로" 향하게 된다는 점에서 "윗면이 아래를 향하는(upside down)" 것을 유의해야 한다.
통합 페이로드 모듈(102)은 패널(104, 106 및 108)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 패널은 공지된 방식으로 다양한 커넥터 등을 사용하여 함께 결합된다. 받침대(brace; 109)는 연결된 패널에 구조적 보강을 제공한다.
패널(104, 106 및 108)은, 임의의 다른 기능 중에서도, 인공위성(102)으로부터 열을 발산하는 방열기로서 기능한다. 몇몇 실시형태에서, 패널은 열 제거를 용이하게 하기 위한 적응부(adaptation)를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 패널은 페이스 시트(face sheet)에 의해 샌드위칭된 코어와 같은 복수의 재료를 포함한다. 패널에 대해 사용하기에 적합한 재료는, 항공 우주 산업에서 통상적으로 사용되는 재료를 포함한다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 코어는 경량의 알루미늄 허니콤(aluminum honeycomb)을 포함하고, 페이스 시트는 6061-T6 알루미늄을 포함한다.
추진 모듈(114)은 패널(112) 상에 배치되는데, 몇몇 실시형태에서는, 패널(104, 106, 108)(예를 들면, 알루미늄 허니콤 코어 및 알루미늄 페이스시트, 등등)과 같은 방식으로 구성된다. 도 1에서 가려진 패널(112)은 통합 페이로드 모듈(102)의 패널(104, 106)과 접한다.
추진 모듈(114)은 연료 탱크(116) 및 추진 제어 시스템(118)을 포함한다. 추진 제어 시스템은, 하나 이상의 밸브(묘사되지 않음)를 사용하여, 패널(114)의 외향 표면 상에 배치되는 추진 노즐(묘사되지 않음)을 통한 추진 가스의 방출을 제어한다. 추진 제어 시스템은, 제어 프로세서로부터 온보드로 생성되는 지상 기반의 커맨드 또는 커맨드들에 응답하도록 적절하게 계기가 갖추어진다(즉, 소프트웨어 및 하드웨어).
페이로드 안테나 모듈(122)은 복수의 안테나(124)를 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 16 개의 안테나(124)가 4×4 어레이로 배열된다. 몇몇 다른 실시형태에서, 안테나(124)는 상이한 배열로 편제될 수 있고 및/또는 상이한 수의 안테나가 사용될 수 있다. 안테나(124)는 지지 웹(120)에 의해 지지된다. 몇몇 실시형태에서, 지지 웹은, 안테나(124)를 수용 및 지지하기 위한 적절한 개수의 개구(즉, 예시적인 실시형태에서는 16 개)를 갖는, 탄소 섬유를 포함하는 곡면의 패널이다.
몇몇 실시형태에서, 안테나(124)는 Ku 대역에서 송신하는데, Ku 대역은 전자기 스펙트럼의 12 내지 18 GHz 부분이다. 예시적인 실시형태에서, 안테나(124)는 통신 위성에 대해 종종 사용되는 지수 혼(exponential horn)으로서 구성된다. 기술 분야에서 널리 공지된 바와 같이, 혼 안테나는, 한 단부가 폐쇄되고 다른 단부에서 개방형 혼 모양으로 벌어지는(예시적인 실시형태에서는 원뿔 형상인), 통상적으로 짧은 직사각형 또는 원통형 금속 튜브로서 구현되는 도파관으로부터 전파(radio wave)를 송신(또는 도파관 안으로 전파를 수집)한다. 각각의 안테나(124)의 도파관 부분은 도 1에서는 가려진다. 각각의 안테나(124)의 폐쇄 단부는 증폭기(들)(도 1 및 도 2에는 묘사되지 않음; 이들은 패널(104 또는 108)의 내부 표면(interior surface) 상에 위치 됨)에 커플링된다.
버스 컴포넌트 모듈(132)은, 통합 페이로드 모듈(102)의 (도 1 및 도 2의 관점에서) 하부에 부착되는 패널(130) 상에 배치된다. 패널(130)은 패널(104, 106 및 108)(예를 들면, 알루미늄 허니콤 코어 및 알루미늄 페이스시트, 등등)과 같은 방식으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 패널(130)은 열 제거를 위한 임의의 특정 적응부를 포함하지 않는다.
모듈(132)은 메인 태양 전지 어레이 모터(134), 네 개의 반응 휠(136), 및 메인 제어 프로세서(164)를 포함한다. 반응 휠은, 각운동량의 보존을 통해, 추진체를 사용하지 않고, 인공위성(100)이 우주에서 회전하는 것을 가능하게 한다. 원심 질량(묘사되지 않음)을 포함하는 각각의 반응 휠(136)은, 관련된 구동 모터(및 제어 전자장치)(138)에 의해 구동된다. 기술 분야의 숙련된 자가 알 수 있는 바와 같이, 인공위성(100)을 x, y 및 z 방향에서 회전시키기 위해서는 단지 세 개의 반응 휠(136)만이 필요로 된다. 제4 반응 휠은 예비품으로서 기능한다. 이러한 반응 휠은 인공위성에서 이 목적을 위해 통상적으로 사용된다.
메인 제어 프로세서(164)는 지상으로부터 수신되는 커맨드를 프로세싱하고, 자세 지시 제어, 추진 제어, 및 전력 시스템 제어를 제한 없이 포함하는 인공위성(100)의 많은 기능을 자율적으로 수행한다.
태양 전지 어레이 시스템(140)은 태양 전지 패널(solar panel)(142A, 142B) 및 각각의 y 바(148A, 148B)를 포함한다. 각각의 태양 전지 패널은, 공지된 양식으로 태양 광을 전기 에너지로 변환하는 복수의 태양 전지 셀(solar cell)(묘사되지 않음; 이들은 태양 전지 패널(142A 및 142B)의 가려진 면에 배치됨)을 포함한다. 태양 전지 패널의 각각은 모터(144) 및 패시브 회전 베어링(146)을 포함하고; y 바 중 하나는 모터(144) 및 베어링(146)에서 각각의 태양 전지 패널에 부착된다. 모터(144)는 태양 전지 패널의 각각이 축 A-A를 중심으로 적어도 부분적으로 회전하는 것을 가능하게 한다. 이것은 태양 전지 패널(142A)을 그 적재 위치로부터 패널(104)에 평행하게 그리고 마주 대하게 배치하는 것 및 태양 전지 패널(142B)을 그 적재 위치로부터 패널(106)에 평행하게 그리고 마주 대하게 배치하는 것을 용이하게 한다. 모터(144)는 또한 축 A-A에 대한 상기 언급된 회전을 통한 최적의 태양 노출을 위해 패널(142A 및 142B)을 적절하게 기울이도록 기능한다.
각각의 y 바(148A 및 148B)의 부재(150)는 각각의 패널(104 및 106)의 개구(152)를 통해 연장한다. 통합 페이로드 모듈(102) 내에서, 부재(150)는, 버스 컴포넌트 모듈(132)과 연계하여 이전에 참조된 메인 태양 전지 어레이 모터(134)에 연결된다. 메인 태양 전지 어레이 모터는, 도시되는 바와 같이, 자신의 축을 중심으로 각각의 부재(150)를 적어도 부분적으로 회전시킬 수 있다. 이것은 최적의 태양 노출을 위해 태양 전지 패널(142A 및 142B)을 기울이는 목적을 위한 것이다. 몇몇 실시형태에서, 부재(150)는 서로 독립적으로 회전될 수 있고; 몇몇 다른 실시형태에서, 부재(150)는 함께 회전한다. 잠금 및 잠금 해제 부재(lock-and-release member; 154)는, 태양 전지 패널(142A)을 측면 패널(104)에 그리고 태양 전지 패널(142B)을 측면 패널(106)에 커플링 및 커플링 해제시키기 위해 사용된다. 잠금 및 잠금 해제 부재는 측면 패널(104 및 106)의 개구(156)에 커플링된다.
인공위성(100)은 또한, (도 1 및 도 2의 관점에서) 통합 페이로드 모듈(102)의 패널(108) "아래"에 맞는 패널(126)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 패널(108)은 항공 우주 등급 재료의 시트(예를 들면, 6061-T6 알루미늄, 등등)이다. 배터리 모듈(128)은 패널(126)의 내부 대향 표면 상에 배치된다. 배터리 모듈은 인공위성(100)에 탑재된 다양한 에너지 소비원(consumer)으로 전력을 공급한다. 배터리 모듈(128)은 태양 전지 패널(142A 및 142B)을 통해 생성되는 전기로부터 재충전되고; 패널 및 모듈(128)은 이 목적을 위해 전기적으로 커플링된다(태양 전지 패널(142A/B)과 배터리 모듈(128) 사이의 전기 경로는 도 1 및 2에서 도시되지 않는다).
인공위성(100)은, 원격 측정 및 지상 기반 커맨드와 제어를 위한 무지향성 안테나(158)를 더 포함한다.
패널(108) 상에는 두 개의 "게이트웨이" 안테나(160)가 배치된다. 게이트웨이 안테나는 유저 데이터를 지구 상의 게이트웨이 스테이션과 송수신한다. 게이트웨이 스테이션은 인터넷과 통신한다. 안테나(160)는 가동 마운트(movable mount; 162)에 의해 패널(108)에 커플링되는데, 가동 마운트(162)는 지상 기반 안테나를 가지고 최적의 위치 결정을 위해 안테나가 두 개의 축을 따라 이동되는 것을 가능하게 한다. 안테나(160)는 통상적으로 26.5 내지 40 GHz 범위의 주파수를 커버하는 Ka 대역에서 송신 및 수신한다.
패널(106)의 내부 대향 표면 상에 배치되는 변환기 모듈(110)은 Ka 무선 주파수와 Ku 무선 주파수 사이에서 변환한다. 예를 들면, 변환기 모듈(110)은, 게이트웨이 안테나(160)로부터의 Ka 대역 업링크 신호를 안테나(124)를 통한 다운링크를 위한 Ku 대역 신호로 변환한다. 변환기 모듈(110)은 또한 역방향으로; 즉, Ku 에서 Ka로 변환한다.
인공위성(100)의 동작에서, 데이터는 데이터 요청에 대해 다음과 같이 흐른다:
● (데이터 획득): 요청된 데이터는 게이트웨이 스테이션에서 인터넷으로부터 획득된다;
● (업링크): 데이터 신호는, 큰 지상 기반 안테나를 통해 인공위성의 게이트웨이 안테나(160)로 송신된다(Ka 대역);
● (페이로드): 데이터 신호는 증폭되고, 다운링크(Ku) 대역으로의 변환을 위해 변환기 모듈(110)로 라우팅되고, 그 다음 다시 증폭된다;
● 페이로드 신호는 페이로드 안테나(124)로 라우팅된다;
● (다운링크): 안테나(124)는 증폭되고 주파수 변환된 신호를 유저의 단말기로 송신한다.
유저가 (요청 대신) 전자 메일과 같은 데이터를 송신하는 경우, 신호는 동일한 경로를 따르지만 그러나 반대 방향에서 따른다.
패시브 열 시스템. 도 3은 패시브 열 시스템(370)의 단면도를 묘사한다.
패시브 열 시스템(370)은, 예시적인 실시형태에서, 벽(374) 및 벽(376)을 포함하는 하우징(372)을 포함한다. 벽(374)은 히트 싱크/소스(396)에 커플링되도록 치수가 정해지고 형상이 정해진다. 예시적인 실시형태에서, 히트 싱크/소스(396)는 방열기 패널(104, 106, 108, 112, 등등)과 같은 방열기 패널이다. 결과적으로, 히트 싱크/소스(396)는 히트 싱크로서 기능한다. 또한, 방열기 패널은 상대적으로 편평하기 때문에, 벽(374)도 또한 편평하다.
내벽(internal wall; 380)은 벽(374)으로부터 벽(376)을 향해 연장한다. 벽(380)은, 일반적으로 벽(376)의 형상을 반영하는 굴곡진 형상을 갖는다. 외측 챔버(390)는 벽(376), 벽(390), 및 벽(374)의 부분 사이에서 정의된다. 내측 챔버(386)는 벽(380) 내에 정의된다.
히트 파이프 유체(388)는 내측 챔버(386) 내에 수용된다. 통상적인 히트 파이프 유체는 암모니아, 에탄, 프로필렌, 등등을 포함한다. 어구 "히트 파이프 유체"는, 그 사용 조건 하에서, 액체와 증기 사이에서 상을 변경하도록 의도되는 유체를 의미하도록 본 개시 및 첨부된 청구범위에서의 사용을 위해 정의된다. 기술 분야의 숙련된 자에게 널리 알려진 바와 같이, 히트 파이프는 심지 구조체를 포함하는데, 그 목적은, 모세관 작용을 통해 히트 파이프 유체(액체 형태인 경우)를 히트 파이프의 길이를 통해 이동시키는 것이다. 내측 챔버(386) 내에 배치되는 심지 구조체(384)는 동일한 목적을 위해 사용된다. 예시적인 실시형태에서, 심지 구조체(384)는 벽(380)으로부터 내측으로 연장하는 복수의 돌출부(385)를 포함한다. 돌출부는 내측 챔버(386)의 길이를 연장한다. 다양한 심지 설계가 기술 분야에서 공지되어 있으며, 그러한 디자인 중 임의의 것이 본 발명과 연계하여 적절하게 사용될 수도 있다.
PCM 또는 상 변화 재료(392)는 외측 챔버(390) 내에 수용된다. 용어 "PCM"은, 그 사용 조건 하에서, 고체와 액체 사이에서 상을 변경하도록 의도되는 유체를 의미하도록 본 개시 및 첨부된 청구범위에서의 사용을 위해 정의된다. 열 부하 및 구성의 재료에 적합한 다양한 재료 중 임의의 것이 PCM(392)으로 사용될 수 있다. PCM(392)으로서 사용하기에 적절한 통상적인 재료는 파라핀 또는 염수화물을 포함한다. 벽(380)으로부터 외측으로 연장하는 핀(382)은, 외측 챔버(390) 안으로 그리고 PCM(392) 안으로 돌출한다. 핀(382)의 목적은, 벽(380)/핀(382)과 PCM(392) 사이의 계면의 표면적을, 가능한 정도까지, 최대화하도록 벽(380)의 열 전달 표면을 증가시키는 것이다.
PCM(392)이 (아주) 높은 점성의 유체이기 때문에, PCM(392)이 (벽(380)/핀(382)으로부터) 수용하는 열은 그 내부에서 잘 전달되지 않을 것이다. 결과적으로, 핀의 길이에 걸쳐 그리고 핀과 바로 인접한 PCM(392) 사이에 더 작은 온도 구배가 존재할 것이다. 따라서, 핀(382)이 그들의 끝보다 기부(base)(벽(380)에 가장 가까움)에서 더 두껍도록, 핀(382)을 끝이 점점 가늘어지게 만드는(taper) 것이 중요할 것이다. 이것은, 핀(382)에 걸쳐 온도 구배를 유지하는 데 도움이 될 것이다(기부보다 끝에서의 상대적으로 적은 질량으로, 상대적으로 두꺼운 것보다 끝이 더 빨리 냉각할 것이기 때문임). 본 개시의 관점에서, 기술 분야의 숙련된 자는, 상기에서 논의되는 바와 같이, 그들의 의도된 목적에 적절한 핀(382)을 설계하고 구축할 수 있을 것이다.
벽(380)의 외부 표면과 벽(376)의 내부 표면 사이에서 PCM(392)의 온도 구배를 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 앞서 언급된 이유 때문에, 핀(382)은 외측 챔버(392) 안으로 적절히 연장되어야 한다. 다양한 고려 사항에 기초하여, 몇몇 실시형태에서, 핀(382)은 벽(380)의 외부 표면과 벽(376)의 내부 표면 사이의 거리의 40% 또는 그 이상 연장한다. 몇몇 다른 실시형태에서, 핀(382)은 벽(380)의 외부 표면과 벽(376)의 내부 표면 사이의 거리의 45% 또는 그 이상 연장한다. 몇몇 또 다른 실시형태에서, 핀(382)은 벽(380)의 외부 표면과 벽(376)의 내부 표면 사이의 거리의 50% 또는 그 이상 연장한다.
하우징(372)은 계면 재료(interface material; 394)를 통해 열원/히트 싱크(396)에 커플링된다. 계면 재료(394)의 주요 기능은, 하우징(372)과 열원/히트 싱크(396) 사이의 열 저항을, 가능한 정도까지 최소화하는 것이다. 결과적으로, 계면 재료는, 높은 열 전도도, 얇은 접합 라인을 형성하는 능력, 및 동작 수명에 걸쳐 보이드를 형성하는 경향이 거의 없거나 전혀 없는 것에 의해 특성 묘사되어야 한다. "높은" 열 전도도와 관련하여, 약 500W/(m2K)보다 더 큰 열전달 계수가 바람직하다. 비록 하우징(372)과 열원/히트 싱크(396) 사이의 커플링이 기계적 패스너에 의해 보충될 수 있지만, 열 저항을 실용적인 한 낮게 유지하기 위해, 커플링된 표면 양자에 계면 재료(394)가 양호하게 접착(예를 들면, 심지어 접촉, 보이드 없음, 등등)하는 것이 중요하다.
몇몇 실시형태에서, 계면 재료(394)는 실온 가황 실리콘(room temperature vulcanized silicone; RTV)이다. 계면 재료(394)로서 사용하기 위한 다른 적합한 재료는, 감압 접착제, 필름 접착제, 개스킷, 및 에폭시를 제한 없이 포함한다. 물론, 계면 재료(394)는 열원/히트 싱크(396) 및 하우징(372)의 구성의 재료와 양립할 수 있어야 한다. 예시적인 실시형태에서, 열원/히트 싱크(396)는, 통상적으로 알루미늄으로 형성되는 방열기 패널이며, 하우징(372)은, 통상적으로 상기에서 언급되는 후보 계면 재료와 양립하는 알루미늄을 포함한다.
도 4a는, 패시브 열 시스템(370)이 인공위성 전자장치(401)로부터의 열을 인공위성 방열기 패널(402)로 전달하도록 구성되는 배열체(400)를 측면도를 통해 묘사한다. 도 4b는, 라인 A-A를 통한 도 4a의 배열체의 단면도를 묘사하고, 도 4c는 도 4a의 라인 B-B를 통한 배열체의 단면도를 묘사한다. 도 4d는 패시브 열 시스템(370)의 부분 절개된 사시도를 묘사한다. 도 4e는 단부(391)에서의 도 4d의 단면을 묘사한다.
인공위성 전자장치(401)는 다양한 목적을 위해 인공위성(100)에 탑재되는 다수의 상이한 전자 시스템 중 임의의 것을 나타낸다. 모든 이러한 전자장치는 통상적으로 인공위성으로부터 축출될 필요가 있는 열을 발생시킨다. 인공위성 방열기 패널(402)은, 도 1 및 도 2에서 도시되는 바와 같이, 인공위성 전자장치(401)에 의해 발생되는 열을 축출하기 위해 사용될 수 있는 인공위성(100)의 방열기 패널(104, 106, 108, 112, 등등)을 나타낸다.
도 4a에서 묘사되는 바와 같이, 인공위성 전자장치(401)는 패시브 열 시스템(370)의 제1 단부 근처에 배치되고, 방열기 패널(402)은 그 제2 단부 근처에 배치된다. 패시브 열 시스템(370)은, 앞서 논의된 계면 재료(394)를 통해 인공위성 전자장치(401) 및 방열기 패널(402)에 커플링된다(도 3 및 또한 도 4b 및 도 4c 참조). 인공위성 전자장치(401)는 열(Q)을 발생시키는데, 열(Q)은 패시브 열 시스템(370)에 의해 수집되어 방열기(402)로 전달되고, 여기서 열(Q)은 우주로 배출된다.
패시브 열 시스템(370)은 다음과 같이 동작한다. 히트 파이프 유체(388)는 인공위성 전자장치(401)로부터 생성되는 열을 수집한다. 유체(388)는 매우 낮은 온도에서 증발하도록 선택된다. 예를 들면, 통상적인 히트 파이프 재료인 포화 암모니아는 -33℃에서 증발한다. 통상적으로, PCM(392)은 상당히 더 높은 온도에서, 일반적으로는 재료의 함수로서 약 20 내지 60℃의 범위에서 상 변화(액체/고체)를 겪는다. 결과적으로, 패시브 열 시스템(370)에 의해 수집되는 대부분의 열(Q)은, 내측 챔버(386) 내의 히트 파이프 유체(388)로 전달된다. 히트 파이프 유체는 즉시 증발하기 시작하여, 거의 음속에서 내측 챔버(386)를 통해 열을 전달한다. 실제로, 내측 챔버(386)는, 열 전달이 이 온도 범위에서 매우 효과적이고 빠르기 때문에, 등온 환경으로 간주될 수 있다.
이 급속한 열 전달의 효과는, 내측 챔버(386) 내의 히트 파이프 유체(388)와 외측 챔버(390) 내의 PCM(392) 사이의 열 컨덕턴스 표현 [1]에서 표면적 항 A를 증가시킬 것이다.
G = h×A (1)
여기서: G는 열 컨덕턴스이고;
h는 열전달 계수이고; 그리고
A는 접촉 면적이다.
열 컨덕턴스인 G가 큰 경우, 열은 PCM(392) 안으로 더 쉽게 전달되고, 그 결과 PCM은 더욱 효과적으로 되고 더 많은 양의 PCM이 사용에 이용 가능하게 되는 것을 허용한다.
일부 열이 열원으로부터 PCM으로 직접적으로 전달된다는 것은 주목할 만하다. 그러나, 통상적인 PCM(예를 들면, 염수화물, 등등)은 열악한 열 도체이고, 그 결과, PCM(392)의 길이를 따라, 특히 히트 파이프 유체(388)가 존재하지 않는 종래 기술의 배열체에서 많은 열 전달이 존재하지 않을 것이다.
PCM(392)이 히트 파이프 유체(388)로부터 열을 흡수함에 따라, 그것은 액화된다. PCM(392)이 녹기 시작함에 따라, 히트 파이프 유체(388)의 온도는 안정 상태에 도달할 것이다. 모든 PCM(392)이 녹으면 그리고 녹는 경우, 히트 파이프 유체(388)의 온도는 다시 상승하기 시작할 것이다. 바람직한 실시형태에서, 충분한 양의 PCM(392)이 외측 챔버(390)에 존재하고, 그 결과 PCM은 결코 완전히 녹지 않는다.
히트 파이프 유체(388)의 온도가 결코 PCM(392)의 상 변화 온도에 도달하지 않으면, PCM에서는 어떠한 열 저장도 일어나지 않을 것이다. 이러한 경우, 패시브 열 시스템(370)은 종래의 히트 파이프와 같이 거동한다.
일단 인공위성 전자장치(401)가 상당한 양의 열의 발생을 멈추고, PCM(392)이 (융해 잠열을 통해) 저장하는 경우, PCM은 저장된 열을 천천히 챔버(386) 내의 히트 파이프 유체(388)로 되방출한다(release back). 그 다음, 히트 파이프 유체는 방열기(402)와 열을 교환하는데, 여기서 열은 우주로 발산된다.
따라서, PCM(392)은, 에너지가 접지로 방출될 수 있을 때까지 에너지를 저장하는 대형 커패시터와 유사하다. 그리고, 그것은, 히트 파이프 유체(388)의 어떠한 온도 상승도 감쇠시키도록 준비가 된 안전망을 제공하여, 유체가 온도 한계를 초과하는 것을 방지한다.
본 개시가 몇몇 실시형태를 설명한다는 것 및 본 개시의 판독 이후 기술 분야의 숙련된 자에 의해 본 발명의 많은 변형예가 쉽게 고안될 수 있다는 것 및 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (22)

  1. 패시브 열 시스템을 포함하는 장치로서,
    상기 패시브 열 시스템은:
    하우징 - 상기 하우징은 내측 챔버 및 외측 챔버를 가지며, 상기 외측 챔버는 상기 내측 챔버를 실질적으로 둘러쌈 - ;
    히트 파이프 작동 유체 - 상기 히트 파이프 작동 유체는 상기 내측 챔버 내에 수용됨 - ; 및
    상 변화 재료(phase change material; PCM) - 상기 PCM은 상기 외측 챔버 내에 수용됨 - 를 포함하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내측 챔버는 심지(wick)를 더 포함하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    내벽을 더 포함하고, 상기 내벽은 상기 내측 챔버를 정의하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    돌출부가 상기 내벽의 표면으로부터 상기 내측 챔버 안으로 연장하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    복수의 핀(fin)을 더 포함하고, 상기 핀은 상기 내벽의 표면으로부터 상기 외측 챔버 안으로 돌출하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핀의 각각은, 상기 내벽에 근위의(proximal) 상대적으로 더 큰 폭으로부터 상기 내벽으로부터 원위의(distal) 상대적으로 더 작은 폭으로 끝이 점점 가늘어지는(taper), 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 핀의 각각은 상기 내벽의 길이를 따라 연장하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    외벽(outer wall)을 더 포함하고, 상기 외벽은 상기 내벽과 이격되고, 상기 외측 챔버는 상기 내벽과 상기 외벽 사이에서 정의되는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    복수의 핀을 더 포함하고, 상기 핀은 상기 내벽의 표면으로부터, 상기 외벽까지의 거리의 적어도 약 40% 돌출하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 패시브 열 시스템은 계면 재료(interface material)를 통해 열원 또는 히트 싱크 중 적어도 하나에 커플링되는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 계면 재료는 실온 가황 실리콘(room temperature vulcanized silicone), 감압 접착제, 필름 접착제, 개스킷, 및 에폭시로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 패시브 열 시스템은, 자신의 제1 단부에 인접한 열 발생 컴포넌트에 커플링되고 자신의 제2 단부에 인접한 방열 표면(heat-radiating surface)에 커플링되는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 장치는 인공위성이며, 상기 열 발생 컴포넌트는 인공위성 전자장치를 포함하고, 상기 방열 표면은 방열기 패널을 포함하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  14. 인공위성으로서,
    외부 환경으로 열을 발산하는 복수의 방열기 패널;
    제2 복수의 컨테이너 내에 수용되는 제1 복수의 전자장치 컴포넌트; 및
    패시브 열 시스템을 포함하고, 상기 패시브 열 시스템은:
    (d) 하우징 - 상기 하우징은 내측 챔버 및 외측 챔버를 구비함 - ,
    (e) 히트 파이프 작동 유체 - 상기 히트 파이프 작동 유체는 상기 내측 챔버 내에 수용됨 - , 및
    (f) 상 변화 재료(phase change material; PCM) - 상기 PCM은 상기 외측 챔버 내에 수용됨 - 를 포함하고;
    (j) 상기 제2 복수의 컨테이너 중 하나는 상기 패시브 열 시스템의 제1 단부(end)에 커플링되고; 그리고
    (iii) 상기 방열기 패널 중 하나는 상기 패시브 열 시스템의 제2 단부에 커플링되는, 인공위성.
  15. 제14항에 있어서,
    히트 파이프 작동 유체는 포화 암모니아이고 상기 PCM은 염수화물인, 인공위성.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 패시브 열 시스템은 상기 외측 챔버 내에 배치되는 복수의 테이퍼 형상의 핀(tapered fin)을 더 포함하는, 인공위성.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 패시브 열 시스템은:
    내벽 - 상기 내벽은 상기 내측 챔버를 정의함 - ;
    외벽 - 상기 외벽은 상기 내벽과 이격되고 상기 외벽과 상기 내벽 사이에서 상기 외측 챔버를 정의함 - ; 및
    복수의 테이퍼 형상의 핀 - 상기 핀은 상기 내벽의 외면(external surface)으로부터 상기 외벽을 향해 돌출함 - 을 더 포함하는, 인공위성.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 핀은 상기 내벽과 상기 외벽 사이의 거리의 적어도 40% 연장하는, 인공위성.
  19. 패시브 열 시스템을 포함하는 장치로서,
    상기 패시브 열 시스템은:
    내측 챔버 내에 수용되는 히트 파이프 작동 유체; 및
    상기 외측 챔버 내에 수용되는 상 변화 재료(PCM) - 상기 내측 챔버 및 상기 외측 챔버는 상기 히트 파이프 작동 유체와 상기 PCM 사이에서 열이 전달되도록 배치됨 - 를 포함하는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 외측 챔버는 상기 내측 챔버를 실질적으로 둘러싸는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 내측 챔버는 원통형인, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 내측 챔버와 상기 외측 챔버는 동일한 길이를 갖는, 패시브 열 시스템을 포함하는 장치.
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