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문제 정의
- 본 연구에서는 DC모터구동과 cross-head 구조를 갖는 초저온 피스톤펌프를 구성하고 기 연구에서 제시된 inclined cup형상의 피스톤 팁을 장착하여 구동시의 피스톤 펌프의 특성을 파악하고 성능향상을 도모하였다.
제안 방법
- 토출유량율이 펌프구동속도가 증가함에 따라 현저히 감소하는 것은 피스톤마찰과 주위로부터 펌프본체로의 열유입에 의해 발생되는 vapor와 초저온이송유체 내부에 포함된 vapor의 유입으로 인한 vapor lock 발생에 기인한다. vapor 감소를 위해 피스톤 팁의 접촉면적과 주위로부터의 열유입을 최소화하였기 때문에 vapor lock 발생시 vapor를 외부로 vent 시키는 개념을 검토하였다. 먼저 delivery valve 입구확장 및 기존의 스프링보다저장력 스프링을 사용하여 낮은 압력에서도 압축실내부의 물질을 배출하는데 용이하도록 하였다.
- 피스톤 팁은 자가윤활(self-lubrication)이 가능한 polyimide 계열의 소재를 사용하였다. 그리고 피스톤 팁과 실린더의 열팽창 계수 차이로 인해 초저온에서 발생되는 틈새를 최소화하기 위해 invar 재질의 라이너를 피스톤 팁과 피스톤 body 사이에 삽입하여 열팽창을 보정하였다. 이송유체의 유출입 valve는 suction valve 와 delivery valve로 이루어진다.
- 열교환기의 입구와 출구에는 압송압력을 측정하기 위해서 압력계를 설치하였다. 그리고 피스톤펌프 내부와 crosshead 부의 온도를 측정하기 위하여 행정길이의 1/2 위치인 실린더 몸체중간과 crosshead 부의 피스톤로드 상단부에 k type 의 열전대를 각각 설치하였다. 이송유체는 액화질소를 사용하였다.
- Type A 피스톤 팁의 기밀성이 정적상태 하에서 우수하지만 동적상태 하에서 현저히 저하되는 것은피스톤 팁 두께가 얇아 가이드역할이 저하하는데 의한 편심증가 때문이다. 따라서 기밀성향상을 위한 편심감소를 위해 다음과 같은 type B와 type C의 피스톤 팁 형상을 제시하였다. Type B는 피스톤 팁 선단의 두께를 두껍게 하여 가이드역할을 증진시켜 기밀성과 내구성을 도모한 형상이다.
- vapor 감소를 위해 피스톤 팁의 접촉면적과 주위로부터의 열유입을 최소화하였기 때문에 vapor lock 발생시 vapor를 외부로 vent 시키는 개념을 검토하였다. 먼저 delivery valve 입구확장 및 기존의 스프링보다저장력 스프링을 사용하여 낮은 압력에서도 압축실내부의 물질을 배출하는데 용이하도록 하였다. 또한 vacuum pump와 연결된 외부 vent 라인을 이용하여, 압축실 내부의 vapor를 vent시켜, vapor lock을 제어하였다.
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2.3 실험방법
실험변수는 펌프구동속도와 피스톤 형상이다. 펌프구동속도는 100rpm부터 900rpm까지 100rpm 씩 증가시켰으며, 이때 압송압력이 목표압력인 30bar 이상이 나오는 구간을 정상운전영역으로 정의하였다.
- 예상한바와 같이 피스톤펌프의 구동정지는 피스톤부로 부터의 열전달에 의해 무윤활 부싱내의 윤활카본이 동결하여 로드부에 부착되고 또한 저온화에 따른 부싱의 수축 등이 복합 작용한데 기인하는 것으로 확인되었다. 전술한바와 같이 crosshead부의 피스톤로드길이를 길게 하였으므로 먼저 피스톤로드부의 단열에 의한 열전달 차단효과를 검토하였다. Fig.
- 이를 위해 저자들은 일부 액체수소펌프 기술선진국에서만 개발하고 있는 피스톤형의 소형 고압 액체수소피스톤펌프의 연구에 착수하였다2-4). 초저온 액체수소 피스톤 펌프 개발의 첫 단계로 정적인 피스톤부의 기밀성특성을 파악하여 초저온화에 따른 피스톤부의 누출량과 틈새 등을 해석하였다. 또한, 피스톤 팁형상은 피스톤과 실린더 사이의 접촉면적을 최소화하고 실린더내의 압력에 의해 틈새가 좁아지는 inclined cup 형상이 제시된 형상 중 가장 적절한 것을 확인하였다5) .
- 초저온 피스톤 펌프에 inclined cup 형상 피스톤을 장착하여 구동시킨 결과와 도출된 문제점 및 개선방안을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 피스톤가이드 손상은 피스톤의 편심 증가로 이어지며, 결과적으로 기밀성저하의 원인이 된다. 피스톤가이드와 실린더 벽면사이의 마찰에 의한 손상을 막기 위해 피스톤 가이드 재질을자가윤활이 가능한 polyimide로 변경하였다. Polyimide 피스톤 가이드는 열팽창계수를 보정하기 위해 피스톤 팁과 동일하게 피스톤 본체와 가이드 사이에 invar 링을 삽입하였다.
대상 데이터
- 3은 실험에 사용된 피스톤 팁 형상을 나타낸 것이다. Type A는 기 연구에서 제시된 inclined cup 형상이다. 이 형상은 선단으로 갈수록 두께가 점차 얇아져 압축과정 중 압축압력에 의한 측압의 영향으로 피스톤 팁이 늘어나 틈새가 자동으로 최소화되는 장점이 있다.
- 2는 초저온 피스톤펌프의 제반성능 평가를 위한 실험장치의 개략도이다. 실험장치는 전술한 초저온 피스톤펌프, 초저온이송유체 공급계통, 펌프 구동용 모터 제어용 컨트롤러, 초저온이송유체를 상온의 가스상태로 환원시키는 상온열교환기 및 각부의측정 장치로 구성된다. 열교환기의 입구와 출구에는 압송압력을 측정하기 위해서 압력계를 설치하였다.
- 그리고 피스톤펌프 내부와 crosshead 부의 온도를 측정하기 위하여 행정길이의 1/2 위치인 실린더 몸체중간과 crosshead 부의 피스톤로드 상단부에 k type 의 열전대를 각각 설치하였다. 이송유체는 액화질소를 사용하였다.
- 펌프부는 실린더와 피스톤으로 나뉜다. 펌프의 본체가 되는 실린더 및 피스톤 body는 SUS 304재질로 구성되어 있다. 피스톤의 지름 및 행정은 각각 14mm와 15mm로서 행정체적은 2.
- 피스톤에는 편심과 slap 발생을 줄이기 위해 피스톤 body 끝단에 가이드가 설치되어있다. 피스톤 가이드의 재질은 초저온화에 따른 수축으로 피스톤과실린더 벽면사이에 틈새가 생기는 것을 최소화하기위해 열팽창계수가 낮은 invar를 사용하였다. 그러나실린더 벽면의 수축에 따른 피스톤 가이드와의 마찰증가로 인해 Fig.
- 피스톤 head부 및 끝단에는 기밀을 위한 피스톤 팁과 편심 및 slap을 억제하기 위한 가이드가 설치되어 있다. 피스톤 팁은 자가윤활(self-lubrication)이 가능한 polyimide 계열의 소재를 사용하였다. 그리고 피스톤 팁과 실린더의 열팽창 계수 차이로 인해 초저온에서 발생되는 틈새를 최소화하기 위해 invar 재질의 라이너를 피스톤 팁과 피스톤 body 사이에 삽입하여 열팽창을 보정하였다.
성능/효과
- 1) 크로스헤드구조의 초저온 피스톤펌프에서 초저온 이송유체로부터의 열유입은 crosshead의 가이드부를 동결시키므로 정상운전을 위해서는 피스톤로드부의 열유입을 억제할 수 있는 열차단 구조가 고려되어야 한다.
- 2) 압송 압력을 증가시키고 운전영역을 확장 시킬수 있는 피스톤 팁 형상은 자기틈새보정효과를 향상 시키고, 피스톤 편심을 감소시킬 수 있는 구조가 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 또한 vacuum pump와 연결된 외부 vent 라인을 이용하여, 압축실 내부의 vapor를 vent시켜, vapor lock을 제어하였다. 그 결과 그림에 나타난 바와 같이 토출유량률이 펌프의 구동속도 증가에 따라 지속적으로 증가하며, 700rpm에서 83%의 최대값을 보인 후 감소하는 특성이 보여졌다. vapor lock controller를 설치한 경우, 기존대비 압송유량율의 향상율은 약 50%에 이른다.
- 상기 결과들은 피스톤 팁형상의 측면에서 압송압력증가와 정상운전영역확장을 도모하기위해서는 자기틈새보정효과를 증가시키고 피스톤편심을 감소시키는 방향을 추구하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다.
- 상기의 결과들로부터 피스톤로드부로부터의 열유입이 crosshead 구조를 갖는 피스톤펌프 구동에 큰 영향을 미치며, 초저온 피스톤 펌프의 정상운전을 위해서는 열유입 차단이 반드시 고려되어야 함을 알수 있다.
- 이는 피스톤 팁 선단 두께를 얇게 하는데 따른자기틈새 보정효과와 피스톤 팁 끝단에 가이드를 설치하는데 따른 편심억제효과가 복합적으로 작용하는결과로 볼 수 있다. 압송압력의 최대치가 피스톤 팁선단 두께에 대응하는 자기틈새보정효과의 차이로 type A보다 낮지만 목표압력달성 운전영역의 측면에서 type C의 피스톤 팁형상이 제시된 형상중 가장 우수한 것을 보인다. 피스톤 팁의 손상정도는 피스톤가이드와 피스톤 팁 가이드가 이중으로 억제하므로손상이 거의 발생하지 않은 것을 Fig.
- 그림에 나타난 바와 같이 황동재질의 무윤활 부싱내의 윤활카본이 피스톤로드의 습동부에 묻어있는 것이 보인다. 예상한바와 같이 피스톤펌프의 구동정지는 피스톤부로 부터의 열전달에 의해 무윤활 부싱내의 윤활카본이 동결하여 로드부에 부착되고 또한 저온화에 따른 부싱의 수축 등이 복합 작용한데 기인하는 것으로 확인되었다. 전술한바와 같이 crosshead부의 피스톤로드길이를 길게 하였으므로 먼저 피스톤로드부의 단열에 의한 열전달 차단효과를 검토하였다.
후속연구
- 3) vapor lock발생은 delivery valve의 개선과 외부 vent 라인을 이용한 vapor의 배출을 통해 제어가능하지만, 근본적으로 vapor 발생을 최소화 하기위한 지속적인 연구가 요구된다.
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