[논문]극저온 선형 팽창기용 나선형 밸브의 구조 해석에 관한 연구

윤소남; 김지우; 염한길; 김효봉

doi:10.7839/ksfc.2015.12.4.001

극저온 선형 팽창기용 나선형 밸브의 구조 해석에 관한 연구
A Study on the Structural Analysis of Spiral Valve for Cryogenic Linear Expander 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.12 no.4, 2015년, pp.1 - 7

윤소남 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery & Materials) , 김지우 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery & Materials) , 염한길 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery & Materials) , 김효봉 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery & Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a spiral valve which is used with a cryogenic linear expander and composed of plural plate coil shapes was examined. Generally, a spiral valve is well known for having excellent efficiency and low noise characteristics. In order to determine the movement characteristics and to investigate the limit of valve displacement, the stress variations according to the changes of operating pressure, displacement and workable temperature are discussed. From this examination, it is considered that the results of this study will significantly facilitate the design and development of a spiral valve for the cryogenic linear expander.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 밸브의 구조적인 집중 응력 발생을줄이는 구조를 가지면서 방사상으로 균일한 밸브 강성이 작용되는 밸브 설계를 위하여, 밸브에 작용하는 압력 및 변위의 변화를 입력으로 하여 응력 집중 현상을 고찰하였다. 또한, 제안된 밸브의 두께 및 밸브가 사용되는 환경인 상온과 극저온에서의 특성을 해석적으로 고찰하였으며, 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
. 본 연구의 대상은 100[K](-193[℃]) 온도 환경에서 선형 팽창기에 사용되는 밸브에 관한 것으로, 제안된 밸브의 구조 해석을 통하여 구조적으로 안전한지 확인하고, 구조적으로 얻을 수 있는 정적인 특성을 통하여 새로운 밸브를 개발하는데 자료로 사용할 목적으로 연구가 이루어졌다. 본 연구의 대상인 밸브는 리드밸브, 평판밸브 등으로 다양하게 호칭되고 있으나, 나선형 밸브가 가장 적합하다 사료된다.

가설 설정

밸브의 구조상 Ø4.2[mm], Ø6[mm]에만 압력이 인가되고 나머지 부분은 상하 동일한 압력이 언제나 작용한다고 가정하여 해석하였다.

제안 방법

Fig. 5는 밸브의 변위가 일어난 경우를 모의하기 위하여 강제 변위를 주는 면적을 보이는 것으로 해석에서는 각각 0.1[mm], 0.2[mm], 0.3[mm]의 변위를 강제로 밸브에 가하여 특성을 분석하였다.
따라서, 본 연구에서는 밸브의 구조적인 집중 응력 발생을 줄이는 구조를 가지면서, 방사상으로 균일한 스프링 력이 작용되는 구조의 밸브를 설계하기 위하여 밸브에 작용하는 압력의 변화, 밸브 변위의 변화를 입력으로 하여 응력 집중 현상을 고찰하였으며, 제안된 밸브가 사용되는 환경인 상온과 극저온에서 두께에 따른 특성을 해석적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 밸브의 구조적인 집중 응력 발생을줄이는 구조를 가지면서 방사상으로 균일한 밸브 강성이 작용되는 밸브 설계를 위하여, 밸브에 작용하는 압력 및 변위의 변화를 입력으로 하여 응력 집중 현상을 고찰하였다. 또한, 제안된 밸브의 두께 및 밸브가 사용되는 환경인 상온과 극저온에서의 특성을 해석적으로 고찰하였으며, 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
Table 1은 연구 대상 밸브의 설계사양 및 해석 조 건을 보이는 것이고, Table 2는 사용된 밸브 재료 (SUS 304)의 물리적인 정보를 나타내는 것이다. 밸브 의 사용 온도인 100[K]의 특성과 상온에서의 특성을 비교하기 위하여 극저온, 상온에서의 재료 정보를 모 두 이용하였다.
본 연구에서는 극저온 환경에서 구동되는 나선형 밸브를 설계하는 것이 최종 목표이기 때문에 극저온 조건에서의 설계 및 해석 물리 인자들을 적용하고, 3.1절과 3.2절의 계산 과정을 반복하여 극저온에서의 나선형 밸브에 대한 응력 및 스프링 강성을 해석적으로 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서의 주제가 나선형 밸브이기 때문에 냉동 사이클에 대해서는 언급하지 않기로 한다. Fig. 2는 연구 대상인 나선형 밸브 모델을 보이는 것으로, 재료는 SUS 304이며 밸브의 두께는 0.2[mm], 밸브의 직경은 15.92[mm] 이다.
본 연구에서 대상으로 하는 밸브는 다수의 평판 나선 형상의 줄기를 가지고 있으며, 줄기의 중심부에 체크밸브 역할을 하는 판이 있는 구조이다. 이러한 구조를 가지는 밸브는 초소형 펌프의 흡입 및 토출 부에 설치되거나 혹은 압축기 및 극저온 냉동기의 핵심 부품으로 많이 사용되고 있다^1-3).
본 연구의 대상으로 하는 극저온 선형 팽창기의 모델을 Fig. 1에 보였다. Fig.
본 연구의 대상은 100[K](-193[℃]) 온도 환경에서 선형 팽창기에 사용되는 밸브에 관한 것으로, 제안된 밸브의 구조 해석을 통하여 구조적으로 안전한지 확인하고, 구조적으로 얻을 수 있는 정적인 특성을 통하여 새로운 밸브를 개발하는데 자료로 사용할 목적으로 연구가 이루어졌다. 본 연구의 대상인 밸브는 리드밸브, 평판밸브 등으로 다양하게 호칭되고 있으나, 나선형 밸브가 가장 적합하다 사료된다.

성능/효과

1) 본 연구에서 제안한 수압부 직경이 Ø4.2[mm] 일 때는 밸브 변위가 0.34[mm]까지, 수압부 직경이Ø6[mm] 일 때는 밸브 변위 0.46[mm]까지 매우 안정적인 구동이 가능하다.
3) 피로 내구를 줄이고, 장수명 사용을 위해서는 유동해석을 통하여 밸브의 호칭 유량과 밸브 유량계수를 계산하고, 계산 결과를 이용하여 최소 변위 구동이 이루어지도록 하는 과정이 필요하다.
14는 밸브 변위에 대한 응력 변화를 상온과 저온에서 동시에 비교한 것이다. 매우 적은 차이이기는 하나, 상온보다는 극저온 영역에서 큰 응력이 작용하고 있다는 것을 알 수 있으며, 이 응력 또한, SUS 304 재료가 가지고 있는 항복 응력에 비해 거의 1/2 수준이기 때문에 밸브 변위 0.3[mm] 범위에서는 매우 안정적으로 사용할 수 있음을 예측할 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 완벽한 가공이 이루어졌다는 가정하에서 해석된 결과들을 보이는 것이기 때문에, 신뢰성 향상을 위하여 부드러운 자유 곡면이 이루어지도록 하는 가공이 필요하고, 피로 내구를 줄이고, 장수명 사용을 위해서는 유동해석을 통하여 밸브의 호칭 유량과 밸브 유량 계수를 계산하고, 계산 결과를 이용하여 최소 변위 구동이 이루어지도록 하는 과정이 필요하다.
3[mm]까지 안전하게 구동시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이 결과는 설계 되는 밸브의 호칭 유량과 최종 변위를 결정하는데 매우 유용하게 쓰여질 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나선형 밸브는 어떤 구조를 가지고 있는가?	본 연구에서 대상으로 하는 밸브는 다수의 평판 나선 형상의 줄기를 가지고 있으며, 줄기의 중심부에 체크밸브 역할을 하는 판이 있는 구조이다. 이러한 구조를 가지는 밸브는 초소형 펌프의 흡입 및 토출 부에 설치되거나 혹은 압축기 및 극저온 냉동기의 핵심 부품으로 많이 사용되고 있다1-3).
	극저온 냉동/냉각 기술은 무엇을 지칭하는 것인가?	극저온은 통상 천연 가스의 액화온도인 120[K](-153[℃]) 이하의 온도 영역을 의미하며, 극저온 냉동/냉각 기술은 120[K] 이하의 저온 환경을 생성하고 유지하는 기술을 지칭하는 것이다4). 본 연구의 대상은 100[K](-193[℃]) 온도 환경에서 선형 팽창기에 사용되는 밸브에 관한 것으로, 제안된 밸브의 구조 해석을 통하여 구조적으로 안전한지 확인하고, 구조적으로 얻을 수 있는 정적인 특성을 통하여 새로운 밸브를 개발하는데 자료로 사용할 목적으로 연구가 이루어졌다.
	나선형 밸브는 어떤 부품으로 사용되고 있는가?	본 연구에서 대상으로 하는 밸브는 다수의 평판 나선 형상의 줄기를 가지고 있으며, 줄기의 중심부에 체크밸브 역할을 하는 판이 있는 구조이다. 이러한 구조를 가지는 밸브는 초소형 펌프의 흡입 및 토출 부에 설치되거나 혹은 압축기 및 극저온 냉동기의 핵심 부품으로 많이 사용되고 있다1-3).

참고문헌 (7)

J. H. Park, K. Yoshida, C. Ishikawa, S. Yokota, T. Seto and K. Takagi, "A study on high-output resonance-driven piezoelectric micropumps using active check valves", J. of Robotics and Mechatronics, Vol. 16, No. 2, pp. 171-177, 2004.

상세보기
Jung-Ho Park, Shinichi Yokota and Kazuhiro Yoshida, "A piezoelectric micropump using resonance drive with high power density", JSME International Journal, Series C, Vol. 45, No. 2, pp. 502-509.

상세보기
B. D. Moore, J. R. Maddocks, F. K. Miller, "Development and testing of a passive check valve for cryogenic applications", Cryogenics 64, pp. 244-247, 2014.

상세보기
Y. J. Hong, S. J. Park, H, G, Yeom, " Cryogenic cooling technology", J. of the KSME, Vol. 53, No. 4, pp. 24-28, 2013.
Kyeong-Weon Lee, "Suction Valve Reliability Design and Experimental Verification of Linear Compressor", Pusan National University, master's thesis, 2010.
Metals Handbook, 10th ed., vol. 1, ASM International Handbook Committee., ASM International, Materials Park, OH, 1990.
T. Watanabe, M. Otsuka, "Basic study shock loading of cryogenic pressure vessel and piping", PVP-ICPVT-11-93433, pp. 1-6, 2006.

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