[논문]심해 장비용 압력보상유의 압축성 계수 측정을 위한 실험적 연구

김진호; 윤석민; 홍섭; 민천홍; 성기영; 여태경; 최혁진; 이승국

doi:10.4217/opr.2015.37.1.073

심해 장비용 압력보상유의 압축성 계수 측정을 위한 실험적 연구
Experimental Study on Compressibility Modulus of Pressure Compensation Oil for Underwater Vehicle 원문보기

Ocean and polar research, v.37 no.1, 2015년, pp.73 - 80

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In order to determine the appropriate volume of the a pressure compensator of deep seabed mining robots, this paper reports on an experimental test for oil volume change in an oil-filled box. At the design stage of underwater robots, it is crucial to determine the capacity of the hydraulic compensator which is replenished as much as the contracted oil volume of the robots. A pilot mining robot, MienRo was designed to work under 6,000 m in the deep sea. The hydraulic actuating oil and pressure compensating oil of MineRo may be exposed at a hydrostatic pressure environment of 600 bar. Although the oil can be assumed to be incompressible, its volume is actually changed under high pressure conditions due to air contained in the oil and oil contraction. To determine the capacity of the pressure compensator, the oil contraction rate should be verified through an experimental test using a hyperbaric chamber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유적식 용기, 압력보상오일, 그리고 압력보상기로 구성되는 실험 장치를 고압챔버 내에 설치하고, 0~600 bar의 압력을 변화시켜 용기 내 오일의 체적 변화를 카메라 영상을 통해 실시간으로 확인한다. 보상유의 체적 변화를 통해 압축성계수를 예측하고, 이를 통해 미내로의 압력보상기 용량 설계에 활용하고자 한다.
본 논문에서는 고압챔버를 활용하여 높은 압력조건에서의 압력보상유의 체적변화를 직접 계측하는 연구를 수행하였다. 실험을 위해 압력보상용기 샘플과 압력보상기의 용량을 선정하기 위해 환경오염성과 인체의 유행성이 상대적으로 적은 유압작동유인 Shell사의 Tellus S2V 15 오일을 보상유로 선정하고 참고문헌(최 등 2012)에서 제공한 오일의 체적탄성계수 값을 예측하여 실험에 사용되는 압력보상기 용량을 선정하였다.
본 연구는 심해 유적식 용기 내에 외부와의 압력을 동일하게 유지시키는데 사용되는 압력보상유의 높은 압력조건에서의 체적 변화를 확인하기 위해 심해와 유사한 환경을 제공하는 고압챔버(Hyperbaric chamber)를 이용한 실험적 연구를 수행한다. 이를 위해, 유적식 용기 모델을 제작하여 압력보상오일을 채우고, 0.
본 연구의 목적은 압력보상용 오일의 체적 변화량을 실험을 통해 직접 측정함으로써 수중장비용 압력보상기의 적정 용량을 산정하는데 활용하기 위함이다. 고압챔버는 실제 심해 환경과 같은 높은 정수압 조건을 인위적으로 제공한다.

가설 설정

앞서 적용된 용량은 압력보상용기 내에 혼입된 공기(Entrained air)가 없다고 가정한 것이다. 만약 혼입된 공기가 압력보상용기 내에 존재한다면 압력 변화에 따른 용기의 체적 변화는 더욱 클 것이다.
유적식 용기에는 전원 및 신호 접속 단자가 일반적으로 적용되지만 최근에는 밸브 컨트롤러 등의 전자 보드를 직접 설치하여 사용하는 경우도 있다. 유적식 용기의 압력보상오일로는 육상의 전기절연유가 적합할 것이다. 그러나 환경오염과 인체의 유해성으로 인해 그 사용 및 처리가 유압작동유에 비해 제한적이다(해수부 2009).

제안 방법

넷째, 고정된 유적식 용기 및 압력보상기의 변화를 관찰하기 위해 수중용 카메라와 LED 조명을 부착하여 관측이 가능하도록 한다.
다섯째, 고압챔버의 압력을 0~600 bar로 순차적으로 가압하여 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600 bar의 기준 압력에 도달했을 때 압력보상기의 체적 변화를 수중 카메라를 통해 계측한다.
셋째, 내압챔버 내에 전용 지그(Jig)를 설치하여 압력보상용기를 단단히 고정하고 체적 변화를 확인하도록 한다.
준비된 실험 장치를 선박해양플랜트연구소의 고압챔버에 설치하여 0~600 bar까지 압력을 순차적으로 가압하여 압력에 따른 오일의 체적 변화를 확인하였다. 실측된 오일의 체적변화 즉 압력보상기의 압축량을 통해 오일의 압축성계수 값을 유도하였다.
0~300 bar의 저압의 구간은 유지 시간 없이 연속적으로 가압하고 300 bar 이후부터는 100 bar 단위로 약 3분간 유지시간을 가진다. 실험 목표인 600 bar의 압력 조건에 도달했을 때는 충분한 시간(150분간)을 유지함으로써 장시간 고압 조건에서의 체적변화의 유무를 확인하였다. 600 bar 가압 이 후에는 실험 종료를 위해 10 bar까지 감압하고 다시 10~0 bar의 구간은 자연 감압시켜 시험을 종료한다(Table 2).
실험에 사용된 압력보상유인 Tellus S2V 15 오일의 압축성 계수를 구하기 위해 압력 구간에서의 압축률을 구하였다. 각 압력조건에 대한 오일의 압축률은 압력보상기의 압축된 오일량을 실험용 유적식 용기에 사용된 전체 오일량인 11.
고압챔버는 실제 심해 환경과 같은 높은 정수압 조건을 인위적으로 제공한다. 압력변화에 따른 보상유의 체적 변화를 확인하기 위해 고압챔버에 0~300 bar, 300~400 bar, 400~500 bar, 500~600 bar, 600~10 bar, 10~0 bar의 압력을 순차적으로 가한 후 체적변화를 카메라를 통해 확인한다. 0~300 bar의 저압의 구간은 유지 시간 없이 연속적으로 가압하고 300 bar 이후부터는 100 bar 단위로 약 3분간 유지시간을 가진다.
압력보상유의 압력변화에 따른 체적변화를 확인하기 위해 유적식 용기를 내압챔버에 설치하여 내압시험을 수행하였다(Fig. 6). 구축된 실험 환경을 바탕으로 압력보상오일의 체적 변화 실험을 다음과 같은 절차로 수행하였다.
여섯째, 압력보상유의 체적 변화 실험 종료 후 유적 용기를 꺼내어 누유를 확인하고 압력보상기에 나타난 보상 유 체적 변화 상태가 실험 전·후가 동일한지 확인한다.
27 L 용량의 압력보상기를 설치한다. 유적식 용기, 압력보상오일, 그리고 압력보상기로 구성되는 실험 장치를 고압챔버 내에 설치하고, 0~600 bar의 압력을 변화시켜 용기 내 오일의 체적 변화를 카메라 영상을 통해 실시간으로 확인한다. 보상유의 체적 변화를 통해 압축성계수를 예측하고, 이를 통해 미내로의 압력보상기 용량 설계에 활용하고자 한다.
본 연구는 심해 유적식 용기 내에 외부와의 압력을 동일하게 유지시키는데 사용되는 압력보상유의 높은 압력조건에서의 체적 변화를 확인하기 위해 심해와 유사한 환경을 제공하는 고압챔버(Hyperbaric chamber)를 이용한 실험적 연구를 수행한다. 이를 위해, 유적식 용기 모델을 제작하여 압력보상오일을 채우고, 0.27 L 용량의 압력보상기를 설치한다. 유적식 용기, 압력보상오일, 그리고 압력보상기로 구성되는 실험 장치를 고압챔버 내에 설치하고, 0~600 bar의 압력을 변화시켜 용기 내 오일의 체적 변화를 카메라 영상을 통해 실시간으로 확인한다.
실험을 위해 압력보상용기 샘플과 압력보상기의 용량을 선정하기 위해 환경오염성과 인체의 유행성이 상대적으로 적은 유압작동유인 Shell사의 Tellus S2V 15 오일을 보상유로 선정하고 참고문헌(최 등 2012)에서 제공한 오일의 체적탄성계수 값을 예측하여 실험에 사용되는 압력보상기 용량을 선정하였다. 준비된 실험 장치를 선박해양플랜트연구소의 고압챔버에 설치하여 0~600 bar까지 압력을 순차적으로 가압하여 압력에 따른 오일의 체적 변화를 확인하였다. 실측된 오일의 체적변화 즉 압력보상기의 압축량을 통해 오일의 압축성계수 값을 유도하였다.
한편 압력보상용 오일로 사용된 Shell 사의 Tellus S2V 15의 경우 제조사로부터 물성 정보가 제공되지 않아 본 논문에서는 Shell사의 Tellus 37 오일의 체적탄성계수(1.8 × 109 N/m2)를 적용한다(최 등 2012).

대상 데이터

본 연구에서 제작된 유적식 용기 모델은 박스형태로 그 크기는 350 mm × 250 mm × 150 mm이다.
본 논문에서는 고압챔버를 활용하여 높은 압력조건에서의 압력보상유의 체적변화를 직접 계측하는 연구를 수행하였다. 실험을 위해 압력보상용기 샘플과 압력보상기의 용량을 선정하기 위해 환경오염성과 인체의 유행성이 상대적으로 적은 유압작동유인 Shell사의 Tellus S2V 15 오일을 보상유로 선정하고 참고문헌(최 등 2012)에서 제공한 오일의 체적탄성계수 값을 예측하여 실험에 사용되는 압력보상기 용량을 선정하였다. 준비된 실험 장치를 선박해양플랜트연구소의 고압챔버에 설치하여 0~600 bar까지 압력을 순차적으로 가압하여 압력에 따른 오일의 체적 변화를 확인하였다.
내부 보상오일의 유출을 막기 위해 오링(O-ring)이 적용된다. 유적 작업 시 용기 내부에 남아 있는 공기량을 육안으로 확인하고 제거하기 위해 덮개는 투명의 폴리카보네이트(Polycarbonate)를 사용하였다.
본 연구에서 제작된 유적식 용기 모델은 박스형태로 그 크기는 350 mm × 250 mm × 150 mm이다. 유적식 용기는 내부식성 및 내마모성이 뛰어나고 내압에 따른 체적변화가 최소화 되도록 SUS 316L 소재로 제작되었다(Fig. 3). 내부 보상오일의 유출을 막기 위해 오링(O-ring)이 적용된다.

성능/효과

본 실험을 통해 얻어진 압력보상유의 압축성 계수 값(약 2.7 × 109 N/m²)은 참고문헌을 통해 확인된 Tellus 37의 값(1.8 × 109 N/m²)보다 크다. 이것은 두 오일의 사용목적에 따른 사양을 비교했을 때 Tellus 37 오일은 동점도와 밀도에서 Tellus S2V 15 오일 보다 큰 값을 갖기 때문으로 사료된다.
일곱째, 유적 용기의 체적을 측정하기 위해 유적 용기에 채워진 압력보상유의 량을 계량 비커를 통해 정확히 측정한다.

후속연구

미내로의 유압작동유로 사용되는 Tellus 46 오일의 경우 높은 압력조건에서의 압축량은 더욱 클 것을 짐작할 수 있다. 따라서 정확한 유압작동유용 압력보상기의 용량 선정을 위해 추후에는 Tellus 46 오일에 대한 실험을 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심해저 광물자원 통합채광시스템 개발의 주요 성과는?	1). 심해저 광물자원 통합채광시스템 개발에 있어서의 주요 연구 성과로는 200 m 근해역 시험 집광로봇 개발(상업 생산용량의 1/20 규모), 5,000 m 파일럿 집광로봇(상업 생산용량의 1/5 규모) 개발 및 실해역 성능시험 등 이다. 특히, 2012년과 2013년에는 동해안 후포항 부근 수심 120 m와 1,370 m에서 파일럿 집광로봇에 대한 채집 및 주행제어 성능시험을 수행한 바 있다.
	금속 가격이 점차 높아지고 있는 추세인 이유는 무엇인가?	오늘날 자원 국수주의 현상의 확대, 중국과 인도의 경제 성장에 따른 자원 수요의 폭발적인 증가, 육상자원의 공급 제한 등으로 인해 금속 가격은 점차적으로 높아지고 있는 추세이다. 이에 육상자원을 대체할 심해 자원 개발에 대한 세계 각국의 관심도 증가하고 있다.
	본 연구에서 광물자원 통합채광시스템 개발 중 2015년에는 어떤 실험을 할 예정이었나?	특히, 2012년과 2013년에는 동해안 후포항 부근 수심 120 m와 1,370 m에서 파일럿 집광로봇에 대한 채집 및 주행제어 성능시험을 수행한 바 있다. 2015년에는 라이저(Riser)-버퍼시스템(Buffer system)-양광펌프(Lifting pump)로 구성된 파일럿 양광시스템의 실해역 성능시험을 수행할 예정이다(홍 등 2013).

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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