기계 구동식 가스압력제어기 적용 압력제어식 루프 히트 파이프의 밀폐형 압력제어식 정밀온도제어

Abstract

In this study, a pressure-controlled loop heat pipe (PCLHP) utilizing water as a working fluid was constructed, and a mechanically driven gas pressure controller (MDGPC) was devised to control pressure of compensation chamber of the PCLHP in a closed manner. The MDGPC consisted of a variable-volume bellows chamber and linear actuator; the former comprised multiple welded bellows for internal volume change by axial dimension change, and the latter was employed to change the axial dimension of the bellows chamber. As to the control method of the linear actuator, a stepped proportional, proportional (P), and proportional-integral (PI) controls were used. Initially, the stepped proportional control was used as the control method of the MDGPC to investigate the applicability of the MDGPC to the pressure control of the PCLHP. Based on the test results obtained from the MDGPC with the stepped proportional control, the P and PI controls were used to improve pressure control characteristics of MDGPC and correspondingly the temperature control characteristics of the PCLHP with the MDGPC. Characterization of the pressure control of the MDGPC was carried out in terms of stability, precision, and ability to recover from external pressure disturbances. The pressure control stability and resolution of the MDGPC were found to be approximately 1.5 Pa and 10 Pa for the P control and 1 Pa and 5 Pa for the PI control, respectively. Despite the more stable and precise control characteristics of the PI control method, considerable overshoots and undershoots were observed under the PI control during the set-point pressure changes and recoveries from pressure disturbances. In contrast, the MDGPC operated under the P control did not show any significant overshoots or undershoots when the set-point pressure changed in a stepwise manner or when the MDGPC was exposed to pressure disturbances. Thus, it was found that concluded that the P control was a suitable control method for the MDGPC in the context of the fast, precise, and stable gas pressure control in a closed manner. With the optimized control method of the MDGPC, the compensation chamber pressure of the PCLHP was controlled in a closed manner, and the operating temperature of the PCLHP was pneumatically controlled in a closed manner. The temperature control characteristics of the PCLHP with the MDGPC were tested in terms of stability, precision, and speed of the control. In addition, temperature uniformity of the working space within the isothermal region was evaluated. Stability of the pneumatically-controlled temperature of the PCLHP with the MDGPC was approximately 0.01 ℃. Temperature steps of approximately 8 ℃ were generated from pressure steps of ±20 kPa, and the changed temperatures were accurately predicted by the thermodynamic relation (i.e., Clapeyron-Clausius approximation). Horizontal and vertical temperature uniformities of the working space in the isothermal region were evaluated to be 0.01 °C and 0.1 °C, respectively; the worse vertical temperature uniformity was attributed to the axial heat loss toward the opening of the isothermal region to the atmosphere, necessitating used of an enhanced insulation or heat spreading device. Overall, a closed-type pneumatic temperature control of the PCLHP was successfully attained with the use of the MDGPC.| 온도는 다양한 현대 산업 및 연구분야에서 필수 물리량으로 사용되며, 정밀 온도제어는 이들 분야에서 요구되는 핵심제어기술이다. 정밀온도제어는 빠른 제어속도, 향상된 안정도 및 정밀도 등의 요건을 만족해야 한다. 기존 온도제어기술은 제어기기의 유한한 물성으로 인해 균일한 온도장 형성에 제약을 받거나 고속 온도변화 시 오버 슈트 및 언더 슈트를 수반하는 불안정한 거동을 보이는 한계가 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 제안된 압력제어식 온도제어기술은 피동형 2상 열전달장치인 압력제어식 루프 히트 파이프(pressure-controlled loop heat pipe, PCLHP)의 고유한 열수력학적 연결관계를 이용하여 2상 유체 저장소인 보상실 내 압력제어를 통해 증발기에서 발생하는 포화증기의 온도를 제어하는 기술이다. 기존의 압력제어식 온도제어기술은 PCLHP의 보상실 압력제어를 위해 압력 소스와 싱크가 존재하는 개방구조의 상용 가스압력제어기(gas pressure controller, GPC)를 사용하였으며, 이에 따라 보상실 압력제어 중 대기로의 작동유체 유출 가능성이 존재하였다. 특히, PCLHP의 고온 운전을 위해 사용할 수 있는 알칼리 금속과 같은 작동유체는 유출 시 GPC의 오염, 손상 및 안전상의 문제를 유발할 수 있다는 점에서 압력제어식 온도제어의 실용성을 크게 제한한다. 이에 따라 본 연구에서는 작동유체 유출을 방지할 수 있는 밀폐형 가스압력제어기를 개발하고, 이를 이용한 밀폐형 압력제어식 온도제어 기술을 확립하고자 하였다. 본 연구에서는 밀폐형 압력제어식 온도제어기술 구현을 위해 밀폐형 공압회로 기반 가변 체적형 기계 구동식 가스압력제어기(mechanically-driven gas pressure controller, MDGPC)를 제작하였다. 기계 구동식 가스압력제어기는 벨로우즈 형태의 가변체적형 챔버와 챔버의 축방향 선형 변위를 제어하기 위한 선형 구동기로 구성하였으며, 가변체적형 챔버의 축방향 변위변화에 따른 내부 체적 변화를 통해 내부 압력변화가 유도되도록 제작하였다. 가변체적형 챔버는 기준 변위 80 mm에서 가동 변위 ±50 mm를 갖는 챔버를 제작하였다. 선형 구동기의 경우 250 mm의 총 구동범위와 0.01 mm의 변위제어 분해능을 갖는 선형 구동기를 사용하였다. 이후 기계 구동식 가스압력제어기의 압력제어특성 시험을 진행하였으며 제작된 MDGPC의 고안정∙고속∙강건 압력제어특성을 확인하였다. 본 연구에서는 스테인리스 스틸 재질의 원통형 윜을 사용하는 PCLHP를 제작하였다. 제작된 PCLHP의 보상실은 전체 PCLHP부피의 약 50 %의 체적을 갖도록 설계하였으며, 내부 압력제어를 위해 보상실 상단에 압력제어공 및 압력 측정공을 갖도록 제작하였다. 또한, 작동유체는 상온 온도제어를 위해 증류수를 사용하였으며, 보상실 내 압력제어를 위한 제어 가스는 고순도 헬륨(99.999 % He)을 사용하였다. 본 연구에서는MDGPC를 적용한 밀폐형 압력제어식 온도제어기술의 구현 및 온도제어특성 평가를 통해 약 0.01 ℃의 온도 안정도 달성을 확인하였으며, 이는 기존의 상용 GPC기반 압력제어식 온도제어특성과 동등한 수준임을 확인하였다. 또한, 계단형 압력제어 구현에 따른 고속 온도제어능력 및 오버 슈트 및 언더 슈트 없는 안정적 온도제어 역시 달성됨을 확인하였다. 본 연구에서는 온도제어 범위 확장 및 제어 안정도 향상을 위해 대용량 가변체적형 챔버를 제작하고 개선된 P제어를 기반으로 약 1 Pa의 제어압력 안정도를 달성하였다. 이를 이용한 밀폐형 압력제어식 온도제어 수행 시 약 85 ℃에서 110 ℃의 온도제어범위에서 0.01 ℃의 온도 안정도를 갖는 안정적인 고속∙정밀 압력제어식 온도제어를 달성하였다.