KR100868075B1 - 가압용 디퓨져 및 이를 이용한 액체 추진제 발사체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저장 탱크에 저장되어 있는 저장물이 일정 압력으로 토출될 수 있도록 하는 디퓨져로서, 특히 상기 디퓨져 내측에 장치되는 것으로서, 원추형상으로 형성된 플레이트에 유동공이 다수개 형성되는 원추형 타공판, 바람직하게는 상기 원추형 타공판의 하측에 배치되는 반구형 타공판을 더 포함하여 상기 저장물을 안정적이고 균일하게 가압할 수 있는 가압용 디퓨져 및 이를 이용한 액체 추진제 발사체에 관한 것이다.

가압가스, 배출압력, 타공판

Description

가압용 디퓨져 및 이를 이용한 액체 추진제 발사체{Pressurizing diffuser and liquid propellant rocket using thereof}

본 발명은 저장 탱크에 저장되어 있는 저장물이 일정 압력으로 토출될 수 있도록 하는 디퓨져로서, 특히 상기 디퓨져 내측에 장치되는 것으로서, 원추형상으로 형성된 플레이트에 유동공이 다수개 형성되는 원추형 타공판, 바람직하게는 상기 원추형 타공판의 하측에 배치되는 반구형 타공판을 더 포함하여 상기 저장물을 안정적이고 균일하게 가압할 수 있는 가압용 디퓨져에 관한 것이다.

일반적으로 액체 추진제 발사체(1) 예를 들어 로켓의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 연소에 의해 추진력을 발생시키는 액체 추진제가 저장되는 추진제 탱크(30)와, 상기 액체 추진제가 연소될 수 있도록 하는 산화제가 저장되는 산화제 탱크(20)로 구성되며, 상기 산화제와 추진제는 연소기(40)에서 연소되어 추진력을 발생시킨다.

이때 상기 추진제 탱크(30)나 산화제 탱크(20)에는 상기 추진제나 산화제가 일정한 압력으로 토출되도록 하기 위해 상기 탱크(20,30)에 디퓨져(50)를 이용하여 가압 가스를 분사하여 가압하게 되며, 상기 가압 가스는 가압 탱크(10)에 저장된다.

특히 액체 추진제를 사용하는 발사체(1)의 가압시스템은 추진제가 엔진시스템으로 적절히 공급될 수 있도록 추진제 탱크(30)의 압력을 유지하는 역할을 한다.

즉, 추진제의 배출에 의해 증가하는 탱크 얼리지(ullage) 즉 배출에 의해 생성되는 공간에는 가압가스가 일정한 압력으로 채우게 되는데, 이 때 가압가스의 요구량은 얼리지 내의 가스 상태에 의해 결정된다. 이에 영향을 미치는 주요 인자로는 가스와 탱크 벽면과의 열전달, 가스와 추진제 표면과의 열 및 물질전달, 얼리지 내 가스의 혼합 등이 있다.

특히 열교환기를 사용하는 가압시스템에서는 고온으로 가열된 가압가스가 극저온 환경의 추진제탱크(30)로 유입되므로 얼리지 내부에서 발생하는 가스의 혼합이나 주변부와의 열전달은 가압가스를 냉각시키게 된다.

이것은 결국 전체 가스 요구량의 증가 및 상기 가압 탱크(10)의 무게 증가로 인한 가압시스템의 무게 증가로 이어진다.

즉, 가압가스가 추진제 탱크(30) 또는 산화제 탱크(20)등의 탱크 얼리지 내에 장치되는 종래의 디퓨져(50-1)에 의해 분사되는 경우 도 2와 같이 추진제 표면의 교란이 발생하고 이것은 가스와 추진제 사이의 열 및 물질전달의 증가 및 추진제 상층부의 온도를 상승시키게 된다.

또한 가압가스가 반경방향으로 분사되는 종래의 디퓨져(50-2)를 사용하는 경 우 도 3 과 같이 추진제탱크 벽면과의 열전달이 증가하게 된다.

다시 말해서 상술한 바와 같이 가압 가스 요구량이 증대되고 이에 의해 가압 탱크의 크기 증가 내지 중량의 증가로 인하여 결국 가압 시스템 및 이를 이용한 발사체의 중량이 증가되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 상기 디퓨져 내측에 장치되는 것으로서, 원추형상으로 형성된 플레이트에 유동공이 다수개 형성되는 원추형 타공판, 바람직하게는, 상기 원추형 타공판의 하측에 배치되는 반구형 타공판을 더 포함하여, 고속으로 유입되는 가압가스의 유속을 적절하게 감속시킬 수 있고, 가압가스가 디퓨져의 출구 전체 면적에서 고르게 분사될 수 있으며, 상기 디퓨져를 통과하면서 가압가스의 압력강하가 없는 가압용 디퓨져를 제공함을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 저장 탱크의 일측에 배치되어 가압 가스가 유입되는 유입 배관과, 상기 유입 배관의 하측에 장치되어 가압 가스를 상기 저장 탱크 내측으로 분사하는 디퓨져 본체를 포함하는 디퓨져에 있어서, 상기 디퓨져 내측에 장치되는 것으로서, 원추형상으로 형성된 플레이트에 유동공이 다수개 형성되는 원추형 타공판, 바람직하게는 상기 원추형 타공판의 하측에 배치되는 반구형 타공판을 더 포함하는 가압용 디퓨져를 제공함을 특징으로 한다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명의 구성에 의해 고속으로 유입되는 가압가스의 유속을 적절하게 감속시킬 수 있고, 가압가스가 디퓨져의 출구 전체 면적에서 고르게 분사될 수 있으며, 상기 디퓨져를 통과하면서 가압가스의 압력강하를 방지하여 가압 시스템의 중량을 감소시켜 결국 발사체의 중량을 감소시키는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 상기 디퓨져 내측에 장치되는 원추형 타공판, 바람직하게는 상기 원추형 타공판의 하측에 배치되는 반구형 타공판을 더 포함하는 가압용 디퓨져로서 이하 도면과 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.

실시예1

본 실시예에서의 가압용 디퓨져(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 가압가스가 유입되는 유입 배관(P)과, 상기 유입 배관(P)의 하측에 배치되어 상기 가압 가스를 저장탱크측으로 분사하는 디퓨져 본체(N)로 일단 구성된다.

이때, 상기 디퓨져(100) 내측에는 원추형 타공판(110)과, 상기 원추형 타공판(110)의 하측에 배치되어 상기 원추형 타공판(110)을 지지하는 지지대(120)와, 상기 지지대(120)의 하측으로서 본 실시예에서는 상기 디퓨져 본체(N)에 장치되는 제1반구형 타공판(130) 및 상기 제1반구형 타공판(130)의 하측에 장치되는 제2반구형 타공판(140)이 설치된다.

상기 원추형 타공판(110)은 도 5 및 청구항 제1항에 나타난 바와 같이 원추형상의 플레이트(111)와 상기 플레이트(111)상에 관통되어 형성되는 유동공(112)을 포함한다.

즉, 판체형상으로서 구멍이 다수개 형성된 플레이트를 감아서 원추형상으로 형성한 것이다.

바람직하기로는 청구항 제2항에 나타난 바와 같이 상기 원추형 타공판(110)은 상기 디퓨져 몸체(N) 내부에 장치하되 상기 디퓨져 몸체(N)와 일정간격 이격되게 위치해야 한다. 또한, 상기 원추형 타공판(110)은 상기 유입 배관(P)측으로 근접하도록 장치해야 한다.

이는 가압가스가 상기 디퓨져(100)를 통과하면서 고르게 분사되어야 하는데, 이를 위해 상기 유입되는 가압가스의 방향을 상기 디퓨져의 외곽 즉 주변부측으로 방향을 바꾸어야 한다. 이를 위해 상기 원추형 타공판(110)을 상기 디퓨져 몸체(N)와 일정간격 이격되게 장치하는 한편 상기 유입 배관(P)측으로 근접하도록 장치해야 하는 것이다.

또한, 상기 원추형 타공판(110)에는 유동공(112)이 다수개 형성되는데, 상기 유동공(112)의 크기 및 상기 각 유동공(112)의 중심 사이의 거리는 청구항 제6항에 나타난 바와 같이 직경은 2mm로 하고 상기 각 유동공(112)의 중심 사이의 거리는 2.84mm로 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 유동공(112)에 의해 가압가스의 일부분이 상기 디퓨져(100)의 가운데 방향으로 흐를 수 있게 된다. 만일 상술한 유동공(112)이 없다면 상기 가압가스는 상기 디퓨져(100)의 외곽방향으로만 유동하게 되어 균일한 분사가 이루어지지 않게 된다.

이상 설명한 바와 같은 원추형 타공판(110)을 상기 디퓨져(100) 내부에 장치 하기 위해 도 6과 청구항 제3항에 나타난 바와 같이 상기 원추형 타공판(110) 하측에 배치되는 한편 상기 디퓨져 본체(N)에 장치되는 지지대(120)를 사용한다.

상기 지지대(120)는 청구항 제4항에 나타난 바와 같이 막대 형상인 지지바(121,122)를 십자(+ 字)형상으로 배치하되, 상기 지지바(121,122)의 폭을 얇게하여 상기 가압가스의 유동을 방해하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

한편 상기 지지대(120)는 상기 디퓨져 본체(N)에 용접에 의해 고정될 수 있으며, 유사하게 상기 원추형 타공판(110)을 상기 지지대(120)에 용접에 의해 고정될 수 있다.

이상 설명한 원추형 타공판(110)과 지지대(120)에 의해 가압가스를 균일하게 분사할 수 있는데, 이를 더욱 향상시키기 위해 도 7에 도시된 바와 같은 반구형 타공판을 더 포함하는 것도 바람직하다.

즉, 청구항 제5항에 나타난 바와 같이 상기 원추형 타공판(110)의 하측에 배치하되, 반구(half-sphere)형의 형상을 가지는 플레이트(131)에 유동공(132)을 다수개 구비하는 제1반구형 타공판(130)을 더 포함하여 상술한 바와 같이 가압가스의 균일 분사 특성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

이때 상기 유동공(132)의 직경과 상기 각 유동공(132)의 중심 사이의 거리는 청구항 제7항에 나타나 있는 바와 같이 직경이 2mm, 상기 각 유동공(132)의 중심 사이의 거리는 3mm로 하는 것이 바람직하다.

또한, 청구항 제8항에 나타난 바와 같이 상기 제1반구형 타공판(130)의 하측에 제2반구형 타공판(140)을 장치하는 것도 바람직한데, 상기 제2반구형 타공판(140)은 상기 제1반구형 타공판(130)과 동일한 형상, 즉 반구형상의 플레이트(141)상에 다수개의 유동공(142)을 형성하되, 반경은 상기 제1반구형 타공판(130)의 반경보다 더 크게 형성한다. 다만, 청구항 제9항에 기재된 바와 같이 상기 제2반구형 타공판의 유동공(142)의 직경은 3mm로 하고, 상기 각 유동공(142)의 중심 사이의 거리는 4mm로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 제2반구형 타공판(140)은 상술한 바와 같이 상기 제1반구형 타공판(130)과 형상이 유사하여 따로이 도면에 도시하지는 않았다.

이상 설명한 바와 같은 원추형 타공판(110), 제1반구형 타공판(130) 및 제2반구형 타공판(140)이 장치된 가압용 디퓨져(100)에 의해 가압가스를 균일하게 분사할 수 있게 된다.

다시 말해서, 유입되는 가압가스의 속도와 방향을 조절하기 위하여 저장탱크의 상부에 디퓨져를 장착하게 되는데, 기존에 존재하는 얼리지 내부 가스와 유입되는 가압가스와의 혼합을 줄이면서 유입되는 가압가스의 운동에너지를 소산시킬 수 있어야 한다.

일반적으로 저장탱크내부의 저장물과 열전달을 감소시키고 가압가스의 온도를 효과적으로 유지하기 위하여 저장탱크 얼리지 내부가 성층화된 온도 분포를 가지도록 하는 것이 바람직하며, 이는 상기 설명된 본 실시예의 디퓨져(100)에 의해 달성될 수 있는 것이다.

즉, 상기 각 타공판(110,130,140) 및 유동공(111,131,141)에 의해 가압가스가 특정방향으로 집중되는 것을 방지하여 균일 분사가 가능하게 되는 것이다.

또한, 상기 타공판(110,130,140)에 의해 디퓨져를 통과하는 가압가스의 압력 강하가 발생하지 않고, 상기 저장탱크에서 배출되는 배출압력을 일정하게 유지할 수 있다.

다시 말해서, 도 8에 도시된 바와 같이 종래와 달리 균일한 방향으로 분사될 수 있다.

실시예2

본 실시예는 상술한 가압용 디퓨져(100)를 발사체 본 실시예의 경우 액체 추진제를 사용하는 로켓을 대상으로 한다.

앞서 설명한 도 1을 다시 참조하면 로켓과 같은 액체 추진제 발사체(1)의 경우 추진제가 저장되는 추진제 탱크(30)와 산화제가 저장되는 산화제 탱크(20)가 포함된다.

이때 상기 추진제 탱크(30) 또는 산화제 탱크(20) 내부에 가압가스를 분사하여 상기 각 탱크(20,30)에서 배출되어 연소기(40)측으로 유동한 후 연소된다.

상술한 추진제 탱크(30) 또는 산화제 탱크(20)에 본 발명의 가압용 디퓨져(100)를 장치하는 것이 본 실시예이다.

즉, 청구항 제10항에 나타난 바와 같이 본 실시예는 산화제가 저장되어 있는 산화제 탱크(20) 또는 액체 추진제가 저장되어 있는 추진제 탱크(30) 중 어느 하나의 탱크에 장치되는 한편, 상기 탱크에 저장된 산화제 또는 추진제가 일정 압력으로 토출될 수 있도록 본 발명의 가압용 디퓨져(100)를 장치한다.

이와 같은 구성에 의해 상술한 바와 같은 가압 시스템의 중량 증가를 방지할 수 있어 결국 발사체 전체의 중량 증가를 억제할 수 있게 된다.

도 1은 액체 추진제 로켓의 개념도,

도 2 및 도 3은 종래의 디퓨져를 사용한 경우의 개념도,

도 4는 본 발명의 디퓨져에 대한 단면도,

도 5는 본 발명의 원추형 타공판에 대한 사시도,

도 6은 본 발명의 지지대에 대한 사시도,

도 7은 본 발명의 제1반구형 타공판에 대한 사시도,

도 8 및 도 9는 본 발명의 디퓨져에 의한 가압가스 분사 형태에 대한 개념도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 가압용 디퓨져 110 : 원추형 타공판

120 : 지지대 130 : 제1반구형 타공판

140 : 제2반구형 타공판

Claims (10)

1. 저장 탱크의 일측에 배치되어 가압 가스가 유입되는 유입 배관과, 상기 유입 배관의 하측에 장치되어 가압 가스를 상기 저장 탱크 내측으로 분사하는 디퓨져 본체를 포함하는 디퓨져에 있어서,

   상기 디퓨져 내측에 장치되는 것으로서, 원추형상으로 형성된 플레이트에 유동공이 다수개 형성되는 원추형 타공판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
2. 제1항에 있어서,

   상기 원추형 타공판은 상기 디퓨져 본체와 일정간격 이격되는 한편, 상기 유입 배관측으로 근접하도록 장치되는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
3. 제1항에 있어서,

   상기 원추형 타공판 하측에 배치되는 한편 상기 디퓨져 본체에 장치되어 상기 원추형 타공판을 지지하는 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져
4. 제3항에 있어서,

   상기 지지대는 막대 형상의 지지바가 십자형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 원추형 타공판의 하측에 장치되는 반구형의 플레이트상에 유동공이 다수개 형성되는 제1반구형 타공판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 원추형 타공판의 유동공은 직경이 2mm이고, 상기 유동공간의 간격은 2.84mm 인 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제1반구형 타공판의 유동공은 직경이 2mm이고, 상기 유동공의 간격은 3mm인 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
8. 제5항에 있어서,

   상기 제1반구형 타공판 하측에 배치되는 것으로서, 반구형의 플레이트상에 유동공이 다수개 형성되나, 상기 제1반구형 타공판의 반경보다 더 큰 반경을 가지는 제2반구형 타공판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제2반구형 타공판의 유동공은 직경이 3mm이고, 상기 유동공의 간격은 4mm인 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 가압용 디퓨져를 이용한 액체 추진 로켓으로서,

    산화제가 저장되어 있는 산화제 탱크 또는 액체 추진제가 저장되어 있는 추진제 탱크 중 어느 하나의 탱크에 장치되는 한편, 상기 탱크에 저장된 산화제 또는 추진제가 일정 압력으로 토출될 수 있도록 상기 가압용 디퓨져를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압용 디퓨져를 구비한 액체 추진제 발사체.

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