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 PCLHP 의 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, PCLHP 의 고온 운전을 위해 사용할 수 있는 알칼리 금속과 같은 작동유체는 유출 시 GPC 의 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 MDGPC 의 고안정·고속·강건 압력제어특성을 확인하였다.
본 연구에서는 스테인리스 스틸 재질의 원통형 윜을 사용하는 PCLHP 를 제작하였다. 제작된 PCLHP 의 보상실은 전체 PCLHP 부피의 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 연구에서는 MDGPC 를 적용한 밀폐형 압력제어식 온도제어기술의 구현 및 온도제어특성 평가를 통해 약 0.01 ℃의 온도 안정도 달성을 확인하였으며, 이는 기존의 상용 GPC 기반 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 P 제어를 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.