KR101727170B1 - 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 유체 밸브 - Google Patents

주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 유체 밸브 Download PDF

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Abstract

주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 및 유체 밸브 시스템이 개시되며, 본원의 유체 밸브 시스템은, 추진제 혼합튜브, 상기 추진제 혼합튜브와 연통하도록 연결되고 추진제 혼합물의 점화를 위한 스파크 플러그가 구비된 연소기 튜브, 및 상기 추진제 혼합튜브와 상기 연소기 튜브 사이에 개재되는 유체 밸브를 포함하되, 상기 유체 밸브는 상기 추진제 혼합튜브에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되는 복수의 기공을 갖는 다공성 디스크를 포함할 수 있다.

Description

주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 유체 밸브{fluid valving system AND FLUID VALVE for high-speed generation of cyclic detonation wave}
본원은 주기적 데토네이션파(detonation wave)의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 이에 적용되는 유체 밸브에 관한 것이다.
차세대 추진기관으로 주목받는 데토네이션파 엔진은 초음속 연소파인 데토네이션파를 연속적으로 발생시켜 추진력을 발생시킨다. 이러한 데토네이션파 엔진의 효율 및 성능을 높이기 위해서는 데토네이션파의 발생 주파수를 높일 필요가 있다.
그러나 종래의 밸브 기구를 이용하면, 밸브의 동작 주파수에 한계가 있고 밸브를 구동하기 위한 별도의 구동장치가 포함되어, 무게가 증가되는 단점이 있었다.
이에 따라, 데토네이션파 엔진의 무게를 줄이고 구조를 단순하게 구성하면서도, 주기적 데토네이션파를 고속 또는 높은 주파수로 동작시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 특허출원번호 제2008-0136172호의 한국특허문헌(발명의 명칭 "종동축 정속 회전 장치") 및 특허출원번호 제2001-0076143호의 한국특허문헌(발명의 명칭 "레조네이터를 이용한 압력변동 저감형 차량의 흡기시스템")에 개시되어 있다.
본원은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 구동장치 없이 다공성 디스크를 활용하여 밸브 역할이 수행되도록 함으로써, 데토네이션파 엔진의 무게를 줄이고 단순한 구조를 구현할 수 있는 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 이에 적용되는 유체 밸브를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본원은 마이크로 단위의 기공을 갖는 다공성 디스크를 활용하여 점화시 화염의 역화를 방지하면서도 추진제에 대해서는 연소기 튜브로의 주기적인 공급을 가능하게 하는 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 이에 적용되는 유체 밸브를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본원은 밸브의 구동한계가 없어 충분한 추진제 공급과 고속의 스파크 점화만 가능하면 높은 주파수로 데토네이션파의 반복적 발생이 가능한 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템 및 이에 적용되는 유체 밸브를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본원의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본원의 제1 측면에 따른 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템은, 추진제 혼합튜브; 상기 추진제 혼합튜브와 연통하도록 연결되고, 추진제 혼합물의 점화를 위한 스파크 플러그가 구비된 연소기 튜브; 및 상기 추진제 혼합튜브와 상기 연소기 튜브 사이에 개재되는 유체 밸브를 포함하되, 상기 유체 밸브는 상기 추진제 혼합튜브에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되는 복수의 기공을 갖는 다공성 디스크를 포함하고, 상기 다공성 디스크의 기공은, 상기 추진제 혼합물의 정방향으로의 통과를 허용하되, 상기 스파크 플러그에 의한 점화시 발생되는 연소파의 역방향으로의 통과를 적어도 일부 차단하는 크기로 형성될 수 있다.
이때, 상기 연소파의 압력은 상기 추진제 혼합물이 상기 다공성 디스크를 통해 공급되는 압력보다 크고, 상기 다공성 디스크는, 상기 스파크 플러그에 의한 점화시, 상기 연소파의 역방향으로의 압력에 의해, 추진제 혼합물이 상기 연소기 튜브를 정방향으로 통과하는 것을 차단할 수 있다.
또한, 상기 다공성 디스크의 기공은, 상기 추진제 혼합튜브에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되면서 추가적으로 혼합될 수 있는 마이크로 단위의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 디스크는, 소결 금속(sintered metal)으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 소결 금속에 이용되는 입자는, 80 μm 내지 100 μm의 입자크기(particle size)를 가질 수 있다.
또한, 상기 유체 밸브는, 상기 스파크 플러그에 의한 점화시 발생되는 폭발로 인한 상기 다공성 디스크의 손상 또는 변형이 방지되도록, 격자(grid) 형태의 지지구조에 의해 상기 다공성 디스크의 전면 및 후면 중 적어도 어느 하나를 지지하는 격자 디스크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 추진제 혼합튜브는, 기체 연료가 주입되는 연료 주입구와 기체 산화제가 주입되는 산화제 주입구를 포함하고, 상기 연료 주입구와 상기 산화제 주입구는, 상기 추진제 혼합튜브 내부로 주입된 기체 연료와 기체 산화제가 스월(swirl) 유동을 통해 혼합되는 것을 유도하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 연료 주입구는, 상기 추진제 혼합튜브 내부 공간의 수직 중심축을 기준으로 일측으로 편향된 영역의 상측에 형성되어, 하향으로 기체 연료를 주입하고, 상기 산화제 주입구는, 상기 수직 중심축을 기준으로 상기 연료 주입구와는 반대측인 타측으로 편향된 영역의 하측에 형성되어, 상향으로 기체 산화제를 주입할 수 있다.
한편, 본원의 제2 측면에 따른 유체 밸브는, 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템에 적용되는 유체 밸브로서, 혼합된 추진제 혼합물이 통과되는 복수의 기공을 갖는 다공성 디스크를 포함하고, 상기 다공성 디스크의 기공은, 추진제 혼합물의 정방향으로의 통과를 허용하되, 통과된 추진제 혼합물의 점화시 발생되는 연소파의 역방향으로의 통과를 적어도 일부 차단하는 크기로 형성될 수 있다.
이때, 상기 연소파의 압력은 추진제 혼합물이 상기 다공성 디스크를 통해 공급되는 압력보다 크고, 상기 다공성 디스크는, 통과된 추진제 혼합물의 점화시, 상기 연소파의 역방향으로의 압력에 의해, 추진제 혼합물이 상기 연소기 튜브를 정방향으로 통과하는 것을 차단할 수 있다.
또한, 상기 다공성 디스크의 기공은, 상기 추진제 혼합튜브에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되면서 추가적으로 혼합될 수 있는 마이크로 단위의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 디스크는, 소결 금속(sintered metal)으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 소결 금속에 이용되는 입자는, 80 μm 내지 100 μm의 입자크기(particle size)를 가질 수 있다.
또한, 본원의 제2 측면에 따른 유체 밸브는, 추진제 혼합물의 점화시 발생되는 폭발로 인한 상기 다공성 디스크의 손상 또는 변형이 방지되도록, 격자(grid) 형태의 지지구조에 의해 상기 다공성 디스크의 전면 및 후면 중 적어도 어느 하나를 지지하는 격자 디스크를 더 포함할 수 있다.
본원의 과제 해결수단에 의하면, 마이크로 단위의 기공을 갖는 다공성 디스크를 활용하여 화염의 역화를 방지하면서도 추진제에 대해서는 연소기 튜브로의 주기적인 공급을 가능하게 할 수 있어, 연소기 튜브에서 발생되는 데토네이션파를 이용한 추진력을 얻기 위해 주기적 데토네이션파를 고속 또는 높은 주파수로 동작시키기 용이한 새로운 유체 밸브 및 유체 밸브 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본원의 과제 해결수단에 의하면, 별도의 구동장치 없이 다공성 디스크를 활용하여 밸브 역할이 수행되도록 함으로써, 데토네이션파 엔진의 무게를 줄이고 구조를 단순하게 구현할 수 있다.
뿐만 아니라, 본원의 과제 해결수단에 의하면, 밸브의 구동한계가 없어 충분한 추진제 공급과 고속의 스파크 점화만 가능하면 높은 주파수로 데토네이션파의 반복적 발생이 가능해진다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브, 그리고 유체 밸브를 포함하는 유체 밸브 시스템을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 연소기 튜브의 개구부 측에서 바라본 정면도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 도 2의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도로서, 각 구성들이 분해된 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 도 2의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도로서, 각 구성들이 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 도 2의 A-A' 선을 따라 절개한 상태를 입체적으로 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템의 동작 매커니즘을 설명하기 위한 개념도 및 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원은 주기적 데토네이션파(detonation wave)의 고속 발생을 위한 유체 밸브 및 유체 밸브 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 주기적 데토네이션파를 고속으로, 또는 높은 주파수로 동작시켜, 데토네이션파 엔진의 효율을 향상시키는 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 및 유체 밸브 시스템에 관한 것이다.
본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 및 유체 밸브 시스템에 의하면, 유체 밸브가 별도의 구동장치 없이도 독자적으로 추진제 혼합튜브(110)와 연소기 튜브(130) 사이의 밸브 역할을 수행할 수 있어, 항공우주 추진분야의 고효율 고성능 동력장치로 활용될 수 있다. 또한 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 및 유체 밸브 시스템은 데토네이션파를 이용한 보일러 배관 크리닝, 용사 코팅(thermal spraying) 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브, 그리고 유체 밸브를 포함하는 유체 밸브 시스템을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 연소기 튜브의 개구부 측에서 바라본 정면도이다. 또한, 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 도 2의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도로서, 각 구성들이 분해된 상태를 도시한 단면도이고, 도 4는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 도 2의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도로서, 각 구성들이 결합된 상태를 도시한 단면도이며, 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템을 도 2의 A-A' 선을 따라 절개한 상태를 입체적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 6 및 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템의 동작 매커니즘을 설명하기 위한 개념도 및 그래프이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템(100)은 추진제 혼합튜브(110), 추진제 혼합튜브(110)와 연통하도록 연결되고, 추진제 혼합물의 점화를 위한 스파크 플러그(131)가 구비된 연소기 튜브(130), 및 추진제 혼합튜브(110)와 연소기 튜브(130) 사이에 개재되는 유체 밸브(120)를 포함할 수 있다.
이때, 유체 밸브(120)는 추진제 혼합튜브(110)에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되는 복수의 기공을 갖는 다공성 디스크(121)를 포함할 수 있다. 또한, 다공성 디스크(121)의 기공은, 추진제 혼합물의 정방향(도 6의 (b) 기준 3시 방향)으로의 통과를 허용하되, 스파크 플러그(131)에 의한 점화시 발생되는 연소파의 역방향으로의 통과를 적어도 일부 차단하는 크기로 형성될 수 있다.
연소파의 압력은 추진제 혼합물이 다공성 디스크(121)를 통해 공급되는 압력보다 클 수 있다. 다공성 디스크(121)는, 스파크 플러그(131)에 의한 점화시, 연소파의 역방향(도 6의 (b) 기준 9시 방향)으로의 압력에 의해, 추진제 혼합물이 연소기 튜브(130)를 정방향(도 6의 (b) 기준 3시 방향)으로 통과하는 것을 차단할 수 있다.
또한, 다공성 디스크(121)의 기공은, 추진제 혼합튜브(110)에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되면서 추가적으로 혼합될 수 있는 마이크로 단위의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 다공성 디스크(121)는, 추진제 혼합물을 통과시키기 위해 소결 금속(sintered metal)으로 이루어질 수 있다.
또한, 소결 금속에 이용되는 입자는 낮은 압력강하와 적정한 역화방지 기능을 위해 80 μm 내지 100 μm의 입자크기(particle size)를 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 소결 금속에 이용되는 입자는 약 90μm 의 입자크기를 가질 수 있다. 또한, 소결 금속에 이용되는 입자는 스테인리스강(stainless steel) 재질의 입자가 적절할 수 있다.
이와 같이, 소결 금속으로 제작된 다공성 디스크(121)에 의하면, 추진제 혼합튜브(110)에서 혼합된 추진제 혼합물이 다공성 디스크(121)의 작은 기공을 통과하면서, 마이크로 단위로 형성된 작은 기공 내에서 추가적인 혼합이 이루어질 수 있고, 이렇게 2차례 혼합된 기체 추진체가 다공성 디스크(121)의 표면으로부터 연소기 튜브(130) 측으로 균일하게 분사될 수 있는 장점을 가진다.
또한, 유체 밸브(120)는, 스파크 플러그(131)에 의한 점화시 발생되는 폭발로 인한 다공성 디스크(120)의 손상 또는 변형이 방지되도록, 격자(grid) 형태의 지지구조에 의해 다공성 디스크(120)의 전면(도 6의 (b) 기준 9시를 향한 면) 및 후면(도 6의 (b) 기준 3시를 향한 면) 중 적어도 어느 하나를 지지하는 격자 디스크(122)를 포함할 수 있다.
구체적인 예로 도 1 및 도 3을 참조하면, 유체 밸브(120)는 다공성 디스크(121)와 두 장의 격자 디스크(122)를 포함하는 3중 구조(격자 디스크, 다공성 디스크, 격자 디스크의 순차적 배열 구조)가 추진제 혼합튜브(110)와 연소기 튜브(130) 사이에 삽입되는 형태로 구비될 수 있다. 이러한 격자 디스크(122)는 반복적인 점화에 의한 폭발로 인해 다공성 디스크(120)의 소결금속이 손상되는 것을 보다 효과적으로 방지하기 위해, 스테인리스강으로 제조될 수 있다.
또한, 추진제 혼합튜브(110)는 기체 연료가 주입되는 연료 주입구(111)와 기체 산화제가 주입되는 산화제 주입구(112)를 포함할 수 있다.
연료주입구(111)에서 분사된 기체 연료와 산화제주입구(112)에서 분사된 기체 산화제는 추진제 혼합튜브(110)에서 혼합되고, 혼합된 추진제 혼합물은 다공성디스크(121)를 통과하여 균일하게 연소기 튜브(130)로 공급될 수 있다. 연소기 튜브(130)로 공급된 추진제 혼합물은 주기적으로 스파크 플러그(131)를 통해 점화되어 데토네이션파로 배출된다.
연료 주입구(111)와 산화제 주입구(112)는, 추진제 혼합튜브(110) 내부로 주입된 기체 연료와 기체 산화제가 스월(swirl) 유동을 통해 혼합되는 것을 유도하도록 형성될 수 있다.
구체적으로 도 6을 참조하면, 연료 주입구(111)와 산화제 주입구(112) 각각은 추진제 혼합튜브(110) 내부의 중심으로부터 외측 반경 반향으로 소정만큼 이격된 위치에서 원주 방향(접선 방향)으로 기체 연료 또는 기체 산화제를 분사하여, 스월유동으로 추진제혼합튜브(10) 내에서 추진제 혼합물의 혼합을 유도한다.
보다 구체적으로 도 6을 참조하면, 연료 주입구(111)는 추진제 혼합튜브(110) 내부 공간의 수직 중심축을 기준으로 일측으로 편향된 영역의 상측에 형성되어, 하향으로 기체 연료를 주입할 수 있다. 또한, 산화제 주입구(112)는 추진제 혼합튜브(110) 내부 공간의 수직 중심축을 기준으로 연료 주입구(111)와는 반대측인 타측으로 편향된 영역의 하측에 형성되어, 상향으로 기체 산화제를 주입할 수 있다. 이때, 연료 주입구(111)에 의해 하향으로 주입되는 기체 연료(2)와, 산화제 주입구(112)에 의해 상향으로 주입되는 기체 산화제(1)는, 스월유동이 이루어질 수 있도록 서로 마주치지 않고 엇갈리게 분사됨이 바람직하다. 예를 들어 도 6의 (a)를 참조하면, 추진제 혼합튜브(110) 내부 공간의 원형 단면 상에서, 그 중심을 기준으로 원점 대칭되는 위치에 연료 주입구(111) 및 산화제 주입구(112) 각각이 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구조를 통하여, 연료 주입구(111)와 산화제 주입구(112)에서 분사된 기체 연료(2)와 기체 산화제(1)에 해당하는 추진제는 추진제 혼합튜브(110)에서 혼합되어 추진제 혼합물(4)을 이루어 다공성 디스크(121)를 통과하여 균일하게 연소기 튜브(130)로 공급된다.
참고로, 연료 주입구(111)는 도면을 기준으로 상측에 형성되어 하향 분사가 이루어지고, 산화제 주입구(112)는 도면을 기준으로 하측에 형성되어 상향 분사가 이루어지는 것으로 설명하였지만, 이는 도면을 기준으로 한 상대적인 방향 설정으로서, 연료 주입구(111)의 형성 위치와 분사 방향, 산화제 주입구(112)의 형성 위치와 분사 방향 등은 유체 밸브 시스템(100)의 배치 방향에 따라 상기 설명된 바와 달라질 수 있다.
도 5를 참조하면, 추진제 혼합튜브(110) 및 연소기 튜브(130)는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 또한, 추진제 혼합튜브(110)는 정방향(도 6의 (b) 기준 3시 방향)이 개방되고 역방향(도 6의 (b) 기준 9시 방향)이 폐쇄된 형상일 수 있다. 또한, 연소기 튜브(130)는 정방향 및 역방향이 전부 개방된 형상일 수 있다.
또한, 연소기 튜브(130)는 유체 밸브(120)를 통과한 추진제 혼합물이 스파크 플러그(131)에 의해 점화되어 연소파를 발생시키고 데토네이션파로 천이되어 배출되는 튜브의 구성이다. 즉, 연소기 튜브(130)로 공급된 추진제 혼합물(4)은 주기적으로 스파크 플러그(131)를 통해 점화되어 데토네이션파로 전이되어 외부로 배출된다.
연소기 튜브(130)에서는 유체 밸브(120)를 통과하여 혼합된 추진제 혼합물(4)이 스파크 플러그(131)에 의해 점화되어 연소파를 발생시키고 데토네이션파로 천이되어 외부로 배출하도록 한다. 도면을 참조하면, 스파크 플러그(131)는 다공성 디스크(121) 후방(도 6의 (b) 기준 9시 방향)에 장착되는 것이 바람직하다. 구체적인 예로, 스파크 플러그(131)는 연소기 튜브(130)의 둘레 형성된 체결홀(132)에 삽입 배치될 수 있다.
또한, 유체 밸브(120)를 추진제 혼합튜브(110)과 연소기 튜브(130) 사이에 배치하기 위해, 추진제 혼합튜브(110)는 제 1 접합단(113)을 구비하고, 연소기 튜브(130)는 제 2 접합단(133)을 구비할 수 있다. 예시적으로 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 접합단(113) 및 제 2 접합단(133)은 유체 밸브(120)를 사이에 두고 추진제 혼합튜브(110)와 연소기 튜브(130)의 둘레 간의 접합을 이루는 형태로 구비될 수 있다. 구체적으로, 제 1 접합단(113)과 제 2 접합단(133) 각각은, 유체 밸브(120)를 고정적으로 수용할 수 있도록 전후 방향(도 1 기준 10시-4시 방향)을 따라 함몰된 홈이 형성될 수 있다. 이러한 홈은 유체 밸브(120)의 다공성 디스크(121), 격자 디스크(122) 등의 두께, 직경 등을 고려한 형상으로 형성됨이 바람직하다.
한편, 도 6을 참조하여 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템의 작동방법 및 순서를 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수소, 메탄, LNG, LPG를 포함하는 기체연료(2)와 공기, 기체산소, 아산화질소(N2O: Nitrous oxide)를 포함하는 기체산화제(1)가 추진체 혼합튜브(110) 내의 종단면에 대하여 원주방향으로 분사된다. 분사된 추진제는 스월유동(3)을 통해 혼합되며 다공성디스크(21)를 통해 마이크로 단위로 재혼합(2차 혼합)되어 균일한 추진제 혼합물(4)을 형성하고 연소기 튜브(130)로 공급된다. 연소기 튜브(130)를 채운 추진제 혼합물(4)은 스파크 점화(5)를 통해 연소가 시작되고 배출되면서 데토네이션파(6)로 천이되어 추진력을 발생시킨다.
또한, 도 7을 참조하여 유체 밸브 시스템의 유체 밸브(120)의 동작 메커니즘을 설명하면 다음과 같다.
연소기 튜브(130)의 스파크 플러그(131)에 의한 스파크 점화에 의해 높은 압력의 연소파가 형성됨으로써, 연소기 튜브(130)의 압력이 급격하게 상승하고, 이에 따라 연소기 튜브(130) 내부의 압력이 추진제 혼합튜브(110)로부터 제공되는 추진제 혼합물의 공급 압력보다 높아져, 다공성 디스크(121)를 통한 추진제 공급은 자동적으로 중단되게 된다(도 7에서 연소기 압력이 급격히 높아지는 부분 참조). 이후, 연소파가 데토네이션파(6)로 천이되어 외부로 배출되고, 추진제 혼합튜브(110)로부터 유체 밸브(120)를 거쳐 혼합된 추진제 혼합물(4)이 다시 연소기 튜브(130)로 공급된다. 이때 도 7을 참조하면, 연소기 튜브(130) 내부에는 순간적인 압력 피크 이후에 음압이 형성되면서 연소기 튜브(130)로의 추진제 혼합물(4)의 공급이 가속될 수 있다. 이렇게 연소기 튜브(130)로 재공급된 추진제 혼합물(4)에 대하여 스파크 점화(5)를 하여 다시 연소파를 발생시킴으로써, 데토네이션파를 주기적으로 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 유체 밸브(120)의 다공성 디스크(121)는 소결 금속으로 제조될 수 있으며, 소결 금속은 마이크로 단위의 기공을 가지고 있어 추진제 혼합물(4)(혼합된 기체 추진제)을 통과시키지만, 반면에 화염은 역으로 전파하지 못하게 하는 역화 방지의 기능을 가질 수 있다.
이와 같이 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템은 일반적인 기계적, 전기적 밸브구동과 달리 높은 압력피크의 데토네이션파의 생성자체가 밸브역할을 할 수 있는 새로운 방식의 유체 밸브 시스템을 제공한다. 즉, 데토네이션파의 발생 자체가 밸브 구동의 역할을 하기 때문에 스파크 점화만 고속으로 동작하면 주기적 데토네이션파를 고속으로 생성할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 추진제 혼합튜브(110) 및 연소기 튜브(130) 사이에 유체 밸브(120)를 고정적으로 배치하기 위하여, 추진제 혼합튜브(110)는 제 1 접합단(113)을 구비하고, 연소기 튜브(130)는 제 2 접합단(133)를 구비할 수 있다.
구체적으로 도 1 및 도 5를 참조하면, 제1 접합단(113)은 전방(도 1 기준 10시 방향)으로 함몰된 홈을 가질 수 있고, 제2 접합단(133)은 후방(도 1 기준 4시 방향)으로 함몰된 홈을 가질 수 있다. 이러한 홈들은, 유체 밸브(120)를 수용하기 위한 것으로서, 다공성 디스크(121)의 직경 및 두께, 격자 디스크(122)의 직경 및 두께 등을 고려한 형상으로 형성됨이 바람직하다.
한편, 이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브(120)에 대해 설명한다. 다만, 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브(120)는 앞서 설명한 본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브 시스템(100)에 적용되는 유체 밸브로서, 앞서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본원의 일 실시예에 따른 유체 밸브(120)는, 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템(100)에 적용되는 유체 밸브로서, 혼합된 추진제 혼합물이 통과되는 복수의 기공을 갖는 다공성 디스크(121)를 포함할 수 있다. 이때, 다공성 디스크(121)의 기공은, 추진제 혼합물의 정방향으로의 통과를 허용하되, 통과된 추진제 혼합물의 점화시 발생되는 연소파의 역방향으로의 통과를 적어도 일부 차단하는 크기로 형성될 수 있다.
또한, 연소파의 압력은 추진제 혼합물이 다공성 디스크(121)를 통해 공급되는 압력보다 클 수 있다. 다공성 디스크(121)는, 통과된 추진제 혼합물의 점화시, 연소파의 역방향으로의 압력에 의해, 추진제 혼합물이 연소기 튜브(130)를 정방향으로 통과하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 다공성 디스크(121)의 기공은, 추진제 혼합튜브(110)에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되면서 추가적으로 혼합될 수 있는 마이크로 단위의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 다공성 디스크(121)는, 소결 금속(sintered metal)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 소결 금속에 이용되는 입자는, 80 μm 내지 100 μm의 입자크기(particle size)를 가질 수 있다.
또한, 유체 밸브(120)는, 추진제 혼합물의 점화시 발생되는 폭발로 인한 다공성 디스크(121)의 손상 또는 변형이 방지되도록, 격자(grid) 형태의 지지구조에 의해 다공성 디스크(121)의 전면 및 후면 중 적어도 어느 하나를 지지하는 격자 디스크(122)를 포함할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 기체 산화제
2: 기체 연료
3: 스월 유동
4: 추진제 혼합물(혼합된 기체 추진제)
5: 스파크 점화
6: 데토네이션파
100: 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템
110: 추진제 혼합튜브
111: 연료 주입구
112: 산화제 주입구
113: 제 1 접합단
120: 유체 밸브
121: 다공성 디스크
122: 격자 디스크
130: 연소기 튜브
131: 스파크 플러그
132: 체결홀
133: 제 2 접합단

Claims (12)

  1. 주기적 데토네이션파의 고속 발생을 위한 유체 밸브 시스템으로서,
    기체 연료가 주입되는 연료 주입구와 기체 산화제가 주입되는 산화제 주입구를 갖는 추진제 혼합튜브;
    상기 추진제 혼합튜브와 연통하도록 연결되고, 추진제 혼합물의 점화를 위한 스파크 플러그가 구비된 연소기 튜브; 및
    상기 추진제 혼합튜브와 상기 연소기 튜브 사이에 개재되는 유체 밸브를 포함하되,
    상기 유체 밸브는 상기 추진제 혼합튜브에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되는 복수의 기공을 갖는 다공성 디스크를 포함하고,
    상기 연료 주입구와 상기 산화제 주입구는, 상기 추진제 혼합튜브 내부로 주입된 기체 연료와 기체 산화제가 스월(swirl) 유동을 통해 혼합되는 것을 유도하도록 형성되되, 상기 연료 주입구는 상기 추진제 혼합튜브 내부 공간의 수직 중심축을 기준으로 일측으로 편향된 영역의 상측에 형성되어 하향으로 기체 연료를 주입하고, 상기 산화제 주입구는 상기 수직 중심축을 기준으로 상기 연료 주입구와는 반대측인 타측으로 편향된 영역의 하측에 형성되어 상향으로 기체 산화제를 주입하며,
    상기 다공성 디스크의 기공은, 상기 추진제 혼합튜브에서 혼합된 추진제 혼합물이 통과되면서 추가적으로 혼합될 수 있는 마이크로 단위의 크기 및 상기 추진제 혼합물의 정방향으로의 통과를 허용하되 상기 스파크 플러그에 의한 점화시 발생되는 연소파의 역방향으로의 통과를 차단하는 크기로 형성되고,
    상기 스파크 플러그에 의한 점화시 상기 연소파의 역방향으로의 압력에 의해 상기 다공성 디스크에 대한 추진제 혼합물의 정방향으로의 통과가 차단되고, 상기 연소파의 압력 피크 이후 상기 연소기 튜브 내부에 형성되는 음압에 의해 추진제 혼합물의 재공급이 가속되어, 별도의 구동장치 없이도 상기 연소기 튜브로의 추진제 혼합물의 주기적인 공급이 이루어지며,
    상기 유체 밸브는, 상기 스파크 플러그에 의한 점화시 발생되는 폭발로 인한 상기 다공성 디스크의 손상 또는 변형이 방지되도록, 격자(grid) 형태의 지지구조에 의해 상기 다공성 디스크의 전면 및 후면 중 적어도 어느 하나를 지지하는 격자 디스크를 더 포함하는 것인, 유체 밸브 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소파의 압력은 상기 추진제 혼합물이 상기 다공성 디스크를 통해 공급되는 압력보다 크고,
    상기 다공성 디스크는, 상기 스파크 플러그에 의한 점화시, 상기 연소파의 역방향으로의 압력에 의해, 추진제 혼합물이 상기 연소기 튜브를 정방향으로 통과하는 것을 차단하는 것인, 유체 밸브 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 디스크는, 소결 금속으로 이루어지는 것인, 유체 밸브 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소결 금속에 이용되는 입자는, 80 μm 내지 100 μm의 입자크기(particle size)를 갖는 것인, 유체 밸브 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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