선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 액체수소 펌프 개발의 초기단계로서 초저온 고압 피스톤 펌프성능을 좌우하는 펌프의 기밀성 향상에 관점을 두었다. 이를 위해 초저온 및 고압화에 따른 피스톤부의 누출량에 관여하는 인자들의 상관관계 및 기밀성 향상 방안을 파악하여 적정 피스톤 형상을 검토하였다.
제안 방법
- 실린더와 피스톤의 재질은 SUS304이며, 피스톤측면의 습동부 재질은 자기윤활(self-lubrication)이 가능한 polyimide를 사용하였다. Polyimide와 SUS304와의 열팽창계수 차이로 인해 초저온에서 발생되는 틈새를 최소화하기 위하여 열팽창이 거의 없는 invar 재질의 라이너를 polyimide 안쪽에 삽입하였다6).
- 2차 열교환기는 모사 피스톤-실린더부 본체의 냉각과 1차 열교환기에 의해 냉각된 공급가스의 온도변화를 최소화하는 역할을 한다. 두 열교환기의 형상은 helical-coil 형태로 제작하였다. 냉각된 공급가스 온도는 피스톤-실린더부 입구에서 측정된다.
- 실험변수는 공급가스의 온도 및 압력과 피스톤 형상이다. 또한 초저온 시에 가스점성에 의한 누출량의 차이를 파악하기 위해 질소가스에 대해서도 실험을 수행하였다. 공급가스의 냉각은 액체질소를 사용하였다.
-
2.2 실험방법
실험변수는 공급가스의 온도 및 압력과 피스톤 형상이다. 또한 초저온 시에 가스점성에 의한 누출량의 차이를 파악하기 위해 질소가스에 대해서도 실험을 수행하였다.
- 액체수소용 초저온 고압 피스톤형 펌프의 피스톤실린더 틈새에서의 누출에 관여하는 인자를 파악하고 제시된 피스톤 형상을 검토하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 액체수소 펌프 개발의 초기단계로서 초저온 고압 피스톤 펌프성능을 좌우하는 펌프의 기밀성 향상에 관점을 두었다. 이를 위해 초저온 및 고압화에 따른 피스톤부의 누출량에 관여하는 인자들의 상관관계 및 기밀성 향상 방안을 파악하여 적정 피스톤 형상을 검토하였다.
- D type은 본 실험에서 제시한 cup형상으로서 전술한 C type과 동일하게 벤츄리효과가 있지만 보다 기밀성의 향상을 도모한 형상이다. 즉, cup형상의 끝단이 실린더와 접촉하여 C type와 달리 벤츄리의 최소틈새까지 유입되는 수소가스가 없도록 하였다. 또한, cup의 두께가 끝단으로 갈수록 점차 얇아지는 구조로서 벤츄리효과와 더불어 압력 증가에 의한 실린더 벽쪽으로의 확장을 더욱 용이하게 하였다.
대상 데이터
- 또한 초저온 시에 가스점성에 의한 누출량의 차이를 파악하기 위해 질소가스에 대해서도 실험을 수행하였다. 공급가스의 냉각은 액체질소를 사용하였다. 가스온도는 240K부터 액체질소로 냉각 가능한 최대온도인 80K까지, 공급압력은 5bar에서 30bar까지 5bar씩 단계적으로 변화시켰다.
- 피스톤은 피스톤 고정부에 연결하여 실린더부와의 편심을 최소화하였다. 실린더와 피스톤의 재질은 SUS304이며, 피스톤측면의 습동부 재질은 자기윤활(self-lubrication)이 가능한 polyimide를 사용하였다. Polyimide와 SUS304와의 열팽창계수 차이로 인해 초저온에서 발생되는 틈새를 최소화하기 위하여 열팽창이 거의 없는 invar 재질의 라이너를 polyimide 안쪽에 삽입하였다6).
- 2는 고압형 초저온 펌프의 실린더와 피스톤 틈새사이로부터의 수소가스 누출량을 측정하기 위한 실험장치의 실물을 나타낸 것이다8). 실험장치는 전술한 모사 피스톤-실린더부, 1차 및 2차 냉각용 열교환기, 가열용 열교환기, 가스공급장치, 각부의 측정장치로 구성된다. 냉각용 열교환기는 초저온 하에서 작동하는 액체수소 펌프의 구동조건과 실험조건을 최대한 유사하게 하기 위한 장치이다.
- 4는 모사 피스톤-실린더부에 공급되는 수소가스를 냉각시킨 경우, 피스톤과 실린더사이의 틈새와 누출량을 나타낸 것이다. 여기서 피스톤 형상은 온도에 따른 틈새변화가 공간적으로 동일하게 대응하기 가장 적절한 구조인 피스톤 형상 A type을 사용 하였다.
이론/모형
- Polyimide 링은 초저온 하에서 결합할 수 있는 최대 크기로서 열팽창을 고려하여 상온 하에서 제작한 후, 초저온상태에서 결합하였으므로 이 경우의 틈새는 제작 가능한 최소치로 간주 할 수 있다. 이보다 틈새를 줄이는 방법으로는 polyimide 링의 상부에 압축력을 가하는 압축법을 사용하였다. 따라서 압축력인 토크의 증가는 틈새의 감소를 의미하며 각각의 온도에서 토크의 최대치는 틈새가 0mm라는 것으로 간주하였다.
성능/효과
- 1) 초저온화하는 경우의 피스톤부의 누출량은 초저온화에 따른 틈새면적, 밀도와 점성 등의 복합적인 인자에 의존하지만 틈새의 단위면적당 누출량은 초저온화함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있 었다.
- 2) 액체수소용 고압 피스톤형 펌프의 기밀성을 향상 시키기 위해서는 피스톤과 실린더사이의 접촉면 적을 최소화하여 마찰열과 구동력을 최소화하고 피스톤압축에 의해 실린더내의 압력이 증가함에 따라 실린더와 피스톤부의 틈새가 좁아지는 구조가 적절한 방안의 하나로 판단된다.
- 3) 제시된 피스톤 형상중에서 실린더와의 접촉면적이 적고 압력증가에 의한 틈새감소가 용이한 피스톤 형상이 높은 기밀성을 갖으며, 누출량은 기존 형상과 비교하면 약 7%에 지나지 않는다.
- 상기의 결과를 종합하면 피스톤부에서의 누출량을 줄이기 위해서는 i)온도가 낮아질수록 틈새가 감소되어야 하며, ii)접촉면적을 최소화하여 습동가능한 틈새를 줄여야 하며, iii)압력이 낮은 영역에서는 틈새에 따른 누출량의 변화가 적으므로 틈새가 어느 정도 커도 큰 문제가 없으나 고압이 될수록 틈새를 줄이는 것이 바람직한 것으로 생각된다.
- 이것은 cup의 두께가 점차 얇아지는 D type과 달리 2종류의 cup두께가 길이방향으로 유사하여 저압 시에 팽창효과 차이가 나타나지 않는데 기인한다. 그리고 C type 및 D type의 누출량 증가가 고압화 됨에 따라 완만해지는 것을 보면 고압하의 기밀성향상에 벤츄리효과에 의한 틈새보정이 유익한 방안의 하나라는 것을 알 수 있다. 또한 D type의 누출량이 모든 압력에서 다른 피스톤들에 비하여 매우 적으므로 cup의 두께가 점차 얇아지고 선단이 접촉하는 구조는 실린더와의 접촉면적이 적고 압축압력에 의한 틈새감소가 용이하여 누출억제에 바람직한 피스톤형상이라 생각된다.
- 이 경우, 피스톤부에서 발생되는 마찰열이 실린더라이너로 유출되기 어려워 vapor lock이 발생되고 실린더라이너 내구성 등의 문제가 있으므로 기존 피스톤 펌프 구조에는 적절하지 않은 것으로 생각된다. 따라서 액체수소용 고압 피스톤형 펌프의 기밀성을 향상시키기 위해서는 피스톤과 실린더사이의 접촉면적을 최소화하여 마찰 열과 구동력을 최소화하고 피스톤압축에 의해 실린더내의 압력이 증가함에 따라 실린더와 피스톤부의 틈새가 좁아지는 방안이 적절한 것으로 판단된다. 이러한 개념에 의해 제시 및 검토된 피스톤 형상이 2.
- 상기의 결과들로부터 초저온화하는 경우의 피스톤부의 누출량은 저온화에 따른 틈새면적, 밀도와 점성 등의 복합적인 인자에 의존하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 액체수소 펌프의 피스톤부 누출량은 초저온화에 따른 실린더와 피스톤사이의 틈새면적의 증가로 지속적으로 증가하지만 단위 틈새면적당의 누출량은 초저온화함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있었다.
- 상기의 결과들로부터 초저온화하는 경우의 피스톤부의 누출량은 저온화에 따른 틈새면적, 밀도와 점성 등의 복합적인 인자에 의존하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 액체수소 펌프의 피스톤부 누출량은 초저온화에 따른 실린더와 피스톤사이의 틈새면적의 증가로 지속적으로 증가하지만 단위 틈새면적당의 누출량은 초저온화함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.