KR102232400B1 - 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 초고압, 극저온 환경에서 극소량의 유체를 분사할 수 있음과 동시에 부피 및 질량도 저감할 수 있는, 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스를 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은, 모세관 일부가 압착(press)되어 직사각형에 가까운 단면을 가지는 유로영역이 형성되게 하는 간단한 제작방법을 통해 원하는 수력학적 성능을 효과적으로 실현하는 오리피스를 제작할 수 있는, 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스를 제공함에 있다.

Description

오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스 {Making method for orifice and the orifice made by the same method}

본 발명은 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초고압 및 저유량 조건과 같이 구현이 어려운 환경 조건에서도 원활하게 원하는 압력 및 유량 조건을 실현할 수 있도록 해 주는, 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스에 관한 것이다.

오리피스(orifice)란 유체가 유통되는 유로 상에 구비되어 흘러가는 유체의 압력 및 유량을 조절하는 장치이다. 원리적으로는, 오리피스는 유체가 흘러가는 유로의 유로저항을 변경시킴으로써 압력 및 유량을 조절하도록 이루어진다. 일반적으로 오리피스는, 이러한 원리를 실현시키는 가장 단순한 형태로서, 유로를 막는 형태로 설치되는 판재 상에 통공이 형성된 형태로 이루어진다. 또는 유로 중간에 직경이 작고 길이가 긴 모세관(capillary tube)이 들어가게 하는 형태로 이루어지기도 한다.

한편, 현재 한국형 발사체에서는 액체산소를 산화제로 사용하는 엔진을 사용한다. 이러한 엔진은 액체산소와 비슷한 수준으로 냉각된 상태일 때 안정적으로 점화가 이루어질 수 있으므로, 발사체 엔진을 점화시키기 전에 산화제 탱크에 있는 액체산소를 엔진 주배관으로 유통시켜 줌으로써 엔진 및 이에 연결된 배관 등의 부품들을 냉각시키는, 산화제 재순환 과정이 수행된다. 산화제 재순환 과정을 보다 구체적으로 설명하자면, 산화제 탱크로부터 엔진으로 액체산소를 공급하는 공급라인 및 엔진으로부터 산화제 탱크로 되돌려보내는 순환라인을 포함하는 폐루프를 통해, 엔진이 충분히 냉각될 때까지 엔진에 액체산소를 순환시키도록 이루어진다. 이 때 액체산소가 산화제 탱크로 보다 원활하게 되돌아갈 수 있도록, 순환라인에는 소량의 헬륨가스가 주입 분사된다. 순환라인 내에 헬륨가스가 분사됨으로써, 헬륨가스의 운동에너지 및 부력에 의해 액체산소가 산화제 탱크로 되돌아가는 흐름이 보다 활성화되어, 재순환 흐름이 보다 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

산화제 재순환 과정에서 사용되는 헬륨가스는 약 22MPa, 90K(-183℃) 정도의 초고압, 극저온 상태를 가지고 있으며, 순환라인에 공급되는 헬륨가스의 유량은 약 1g/s 정도가 되는 것이 적절하다. 이러한 초고압, 극저온의 유체를 극소량으로 미세 분사하기 위해서는, 직경이 0.1mm 정도의 매우 작은 구멍을 가지는 오리피스를 사용하여야 한다는 설계가 도출된다. 그런데, 이렇게 작은 오리피스는 제작하는 것 자체가 상당히 어려우며, 구경이 너무 작아서 이물질에 의해 막힐 우려가 매우 높다. 특히 극저온 환경에서는 헬륨가스 또는 배관에 포함된 미량의 이산화탄소, 수분 등의 잔류가스가 동결되어 얼음 입자가 발생될 가능성이 높은데, 이러한 얼음 입자에 의해 오리피스가 막히게 될 위험성이 더욱 커진다.

이처럼 고압력 유체를 저유량으로 분사시키고자 하는데 단일 개의 오리피스로는 원활하게 해결되지 않을 때, 복수 개의 오리피스를 직렬로 배열한 형태의 다단 오리피스가 사용되거나, 모세관 형태의 오리피스가 사용되기도 한다. 한국특허등록 제1778118호("오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기", 2017.09.14.)에는 유로 상에 화학적 에칭방식을 사용하여 형성된 요철구조로서 구현된 다단 오리피스를 이용하여 압력 및 유량이 조절되는 기술이, 한국특허등록 제1831303호("점도계 및 액체 점도 측정 방법", 2018.02.14.)에는 긴 모세관을 이용하여 압력 및 유량이 조절되는 기술이 각각 개시된다.

그런데 이러한 다단 오리피스나 모세관으로도, 상술한 바와 같은 초고압, 극저온, 극소량 조건을 모두 실현하기 위해서는 단 개수 또는 모세관 길이가 과도하게 늘어나게 됨으로써 다른 문제를 발생시킬 수 있다. 실제로 상술한 발사체의 산화제 재순환 라인에는, 구멍의 직경이 0.5mm인 오리피스를 20개 직렬로 배치한 형태로 만들어진 다단 오리피스가 현재 사용되고 있다. 이러한 다단 오리피스의 전체 길이는 200mm, 전체 직경은 50mm, 무게가 1kg 정도 되는 것으로 알려진다. 즉 이러한 다단 구조를 사용할 경우 물론 수력학적 성능은 만족시킬 수 있으나, 오리피스 부품 자체의 부피 및 질량이 과도하게 증가하는 문제가 발생하는 것이다. 모세관 형태의 오리피스를 사용하는 경우에는 모세관의 길이가 훨씬 더 늘어나게 되어, 부피 증가 문제가 더욱 심각해진다. 특히 발사체의 경우 최대한 각 부품들의 부피와 질량을 저감할 필요성이 매우 높기 때문에, 이러한 과도한 부피 및 질량 증가 문제는 반드시 해소해야 할 문제가 된다.

1. 한국특허등록 제1778118호("오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기", 2017.09.14.) 2. 한국특허등록 제1831303호("점도계 및 액체 점도 측정 방법", 2018.02.14.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초고압, 극저온 환경에서 극소량의 유체를 분사할 수 있음과 동시에 부피 및 질량도 저감할 수 있는, 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스를 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은, 모세관 일부가 압착(press)되어 직사각형에 가까운 단면을 가지는 유로영역이 형성되게 하는 간단한 제작방법을 통해 원하는 수력학적 성능을 효과적으로 실현하는 오리피스를 제작할 수 있는, 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오리피스 제작방법은, 원형 단면의 중공(111)이 형성된 본체부(110)가 준비되는 본체부준비단계; 유량 및 응력에 대한 하기의 관계식에 따라 미리 결정된 원하는 유량 값에 필요한 응력 값이 산출되는 응력값산출단계;

= C₁ exp(C₂S)

(

: 유량, S : 응력, C₁ : 양의 상수 C₂ : 음의 상수)

상기 본체부(110)의 적어도 일부 영역이 상기 응력값산출단계에서 산출된 응력 값에 상응하는 압착력으로 압착되어 상기 중공(111)이 슬릿(121)이 되게 하는 압착부(120)가 제조되는 압착부제조단계; 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 응력값산출단계는, 상기 C₁ 및 C₂ 값이 상기 본체부(110)의 외경, 벽면 두께, 재질 중 선택되는 적어도 하나에 의해 결정되도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 압착부제조단계는, 상기 압착부(120)의 면적 값이 하기의 관계식에 따라 산출되며,

A = WL = (2t+πD_i/2)L

(A : 압착부 면적, W : 압착부 너비, L : 압착부 길이, t : 본체부 벽면 두께, D_i : 본체부 내경)

상기 압착력 값이 하기의 관계식에 따라 산출될 수 있다.

F = SA

(F : 압착력, S : 응력, A : 압착부 면적)

또한 본 발명의 오리피스는, 상술한 바와 같은 오리피스 제작방법에 의해 제작되는 오리피스(100)로서, 유체가 통과하는 원형 단면의 중공(111)이 형성된 본체부(110); 상기 중공(111)이 슬릿(121)이 되도록 상기 본체부(110)의 적어도 일부 영역이 압착되어 형성되는 압착부(120); 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 압착부(120)는, 상기 본체부(110)의 양단부 사이 영역에 형성될 수 있다. 또는 상기 압착부(120)는, 상기 본체부(110)의 일단부 끝에서 타단부 끝까지 형성될 수 있다.

또한 상기 본체부(110)는, 직선 형상일 수 있다. 또는 상기 본체부(110)는, 비직선 형상일 수 있다.

본 발명에 의하면, 모세관 일부를 압착(press)하여 직사각형에 가까운 단면을 가지는 유로영역이 형성되게 하는 간단한 제작방법을 통해 원하는 수력학적 성능을 효과적으로 실현하는 오리피스를 매우 용이하고 원활하게 제작할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 주어진 수력학적 조건들 및 원하는 수력학적 성능을 이용하여 제작해야 할 오리피스의 기하학적 수치 및 제작 시 필요한 힘 등을 매우 용이하게 산출할 수 있어, 설계 및 제작 용이성을 극대화하는 큰 효과가 있다. 더불어 본 발명에 의하면, 오리피스 자체의 제작도 매우 용이할 뿐만 아니라 오리피스 자체가 단일 부품으로 이루어지므로 제작 시 조립, 정렬 등과 같은 공정이 필요하지 않아, 부품 수 및 공정 수를 극소화함으로써 결과적으로는 경제성 및 생산성을 극대화하는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라 오리피스의 부피 및 질량을 저감하여 소형화 및 경량화를 실현할 수 있는 효과 또한 있다.

특히 본 발명에 의하면, 일반적인 오리피스와 동일한 유로저항을 가지도록 본 발명에 의한 오리피스를 제작하였을 때 본 발명의 오리피스가 훨씬 큰 단면적을 가지도록 형성된다. 이에 따라 초고압, 극저온 환경에서 극소량의 유체를 분사하고자 하는 경우 발생하는 문제, 즉 유체가 동결하여 발생하는 얼음 입자에 의하여 오리피스가 막히는 위험성이 일반적인 오리피스를 사용할 때에 비하여 비약적으로 저감되는 큰 효과가 있다.

이처럼 본 발명에 의하면, 초고압, 극저온 환경에서 극소량 유체 분사가 가능함과 동시에 소형화 및 경량화가 실현되는 오리피스를 용이하게 제작할 수 있는 바, 발사체 등과 같은 가혹 극한 환경에도 매우 원활하게 적용할 수 있다. 더불어 본 발명의 오리피스 자체의 경제성 및 생산성이 높기 때문에, 이러한 오리피스가 적용된 발사체 등과 같은 전체 장치의 생산 단가 역시 저감할 수 있는 효과 또한 부가적으로 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 오리피스의 한 실시예.
도 2는 본 발명의 오리피스의 다른 실시예.
도 3은 본 발명의 오리피스의 또다른 실시예.
도 4는 본 발명의 오리피스 제작과정 중의 압착부 단면도.
도 5는 본 발명의 오리피스 제작과정 실시예.
도 6은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예.
도 7은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 압착력-유량 관계.
도 8은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 압착부 길이-유량 관계.
도 9는 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 유체공급압력-유량 결과.
도 10은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 응력-유량 관계.
도 11은 본 발명의 오리피스 시험 시스템.
도 12은 본 발명의 오리피스 시험에서의 시간-유량 결과.
도 13는 본 발명의 오리피스 시험에서의 초킹 조건에서의 유효단면적-유량 결과.
도 14는 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 유동마찰 특성.
도 15는 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 실제 단면적 및 유효단면적 환산 결과.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 오리피스 제작방법 및 상기 제작방법으로 제작된 오리피스를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 본 발명의 오리피스 및 그 제작방법의 기본구성

도 1은 본 발명의 오리피스의 한 실시예를 도시한 것이다. 도 1을 참조하여 먼저 본 발명의 오리피스(100)의 전체적인 형상에 대하여 설명하자면, 본 발명의 오리피스(100)는, 중공(111)이 형성된 본체부(110) 및 상기 본체부(110)의 적어도 일부 영역이 압착되어 납작한 모양으로 형성되는 압착부(120)를 포함한다. 도 1에는 상기 오리피스(100)를 배관 연결하는데 사용하는 연결구(200)가 도시되어 있는데, 편의상 일단부에만 있는 것으로 도시되었으나 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 실제로 상기 오리피스(100)가 배관 연결될 경우에는 당연히 상기 오리피스(100)의 양단부에 상기 연결구(200)가 사용될 수 있다.

또한 상기 압착부(120)는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 본체부(110)의 양단부 사이 영역, 즉 일부 영역에만 형성되게 할 수도 있고, 도 2의 다른 실시예에 도시된 바와 같이 상기 본체부(110)의 일단부 끝에서 타단부 끝까지 형성되게 할 수도 있다. 더불어 상기 본체부(110)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 직선 형상으로 형성될 수도 있으며, 또는 도 3의 또다른 실시예에 도시된 바와 같이 비직선 형상으로 형성될 수도 있다. 즉 필요에 따라 상기 본체부(110)의 형상이나 상기 압착부(120)의 영역 길이는 다양하게 변형될 수 있다.

상기 오리피스(100)의 제작방법의 기본적인 구성을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 오리피스 제작과정 중의 압착부 단면도를 순차적으로 도시한 것이다. 먼저 본체부준비단계에서는, 원형 단면의 중공(111)이 형성된 본체부(110)가 준비된다. 도 4의 최상측 도면이 상기 본체부준비단계를 도시한다. 다음으로 응력값산출단계에서는, 유량 및 응력에 대한 관계식에 따라 미리 결정된 원하는 유량 값에 필요한 응력 값이 산출된다(이 때 유량 및 응력에 대한 관계식이 어떻게 도출되는지에 대해서는 이후 '[2] 본 발명의 오리피스 제작방법의 상세구성 및 도출원리' 단락에서 보다 상세히 설명한다). 마지막으로 압착부제조단계에서는, 상기 본체부(110)의 적어도 일부 영역이 상기 응력값산출단계에서 산출된 응력 값에 상응하는 압착력으로 압착되어 상기 중공(111)이 슬릿(121)이 되게 하는 압착부(120)가 제조된다. 도 4의 중간측 및 최하측 도면이 상기 압착부제조단계의 중간과정 및 완료상태를 각각 도시하고 있다.

즉 간략히 요약하면, 일반적인 모세관 즉 유체가 통과하는 원형 단면의 중공(111)을 가지고 있는 원형 튜브 형태로 된 원자재의 일부를 압착(press)함에 따라, 압착된 영역이 상기 압착부(120)가 되고, 압착되지 않고 원래 형태를 유지하고 있는 나머지 영역이 상기 본체부(110)가 되는 것이다. 상기 압착부(120)가 납작하게 눌린 모양이 됨에 따라, 상기 압착부(120)에 해당하는 영역에서의 상기 중공(111)은 원래 원형 단면을 가지고 있었더라도 압착 과정에서 역시 납작하게 눌려서 가늘고 길쭉한 직사각형에 가까운 단면 형태의 슬릿(121)이 된다.

바로 이렇게 가늘고 길쭉한 직사각형 단면 형태로 만들어진 상기 슬릿(121)이 상기 오리피스(100)의 유체 압력 및 유량 제어 역할을 수행하는 요소가 된다. 잘 알려진 바와 같이 오리피스란 원리적으로 유로 형상이 급격히 변경된 구조를 이용하여 유로 저항을 늘림으로써 속도 및 유량을 변경시키는 것이다. 본 발명의 오리피스(100)에서도, 유체가 상기 본체부(110) 상에 형성된 원형 단면의 상기 중공(111)을 통해 흐르다가 상기 압착부(120) 상에 형성된 상기 슬릿(121)으로 흐르게 되면, 급격하게 유로 형상, 단면적 등이 변경됨에 따라 자연스럽게 유속 및 유량이 줄어들게 된다. 이 때 본 발명의 오리피스(100)는, 상기 슬릿(121)이 형성된 상기 압착부(120)를 형성하는 것만으로도 종래의 다단 오리피스, 즉 원형 구멍을 가진 오리피스 여러 개를 직렬로 연결해서 만들어진 다단 오리피스와 동등한 수준의 수력학적 성능을 얻을 수 있다(이에 대해서는 이후 '[3] 본 발명의 오리피스의 성능 확인' 단락에서 보다 상세히 설명한다).

이와 같이 본 발명의 오리피스 제작방법은, 모세관 일부를 압착(press)하여 직사각형에 가까운 단면을 가지는 유로영역이 형성되게 하는 간단한 제작방법을 통해 원하는 수력학적 성능을 효과적으로 실현하는 오리피스를 매우 용이하고 원활하게 제작할 수 있다. 앞서 발사체의 산화제 재순환 과정에서 초고압 환경에서 미세유량을 분사하기 위하여 사용되는 종래의 오리피스가, 원하는 수력학적 성능을 얻기 위해서는 다단 구조를 사용하여야 한다는 점을 설명하였다. 종래에는, 이러한 다단 오리피스를 제작하는 과정에서 조립, 정렬 등의 공정이 필요하였고, 또한 부피 및 질량이 과도하게 증가하는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는 오리피스 자체가 단일 부품으로 이루어지므로, 종래의 다단 오리피스와 비교할 때 오리피스의 부피 및 질량을 훨씬 저감할 수 있으며, 이에 따라 오리피스의 소형화 및 경량화가 용이하게 실현된다. 뿐만 아니라 오리피스가 단품으로 이루어짐에 따라 제작 시 조립, 정렬 등과 같은 공정이 필요하지 않아, 부품 수 및 공정 수를 극소화하고, 나아가 경제성 및 생산성이 극대화된다. 즉 종래에 원하는 수력학적 성능을 얻기 위하여 난해한 공정, 과도한 부피 및 질량을 감수해야 했던 시스템, 예를 들어 앞서 설명한 발사체 산화제 재순환 시스템 등과 같은 장치에 본 발명의 오리피스를 적용할 경우, 종래의 다단 오리피스를 적용함으로써 발생된 모든 문제가 원천적으로 해소될 수 있다.

[2] 본 발명의 오리피스 제작방법의 상세구성 및 도출원리

이하에서는, 앞서 설명한 상기 응력값산출단계에서의 유량 및 응력에 대한 관계식을 도출하는 원리를 보다 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 오리피스 제작과정 실시예를 도시하고 있다. 구체적으로 설명하자면, 1/16인치 스테인레스 스틸 튜브를 프레스로 압착하여 도 5(b), (c)와 같은 형태로 만듦으로써 본 발명의 오리피스 제작이 이루어진다. 도 5(a)에는 프레스로 누르는 힘, 즉 압착력을 다양하게 변경시켜 가면서 제작된 실시예들이 도시되어 있다. 이 때 도 5(b), (c)에 도시된 바와 같이 프레스에 의해 눌리는 길이(즉 압착부 길이)와 프레스로 누르는 힘(즉 압착력)에 따라 납작한 정도가 달라지는 것이 육안으로도 쉽게 확인된다.

도 6은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예를 도시한 것으로, 다양한 압착력으로 눌러 제작된 여러 오리피스들의 납작한 부분(즉 압착부 부분)을 와이어 커팅 방법으로 절단하여 현미경으로 관찰한 것이다. 도 6(f)는 압착하기 전의 원래 상태, 즉 원형 단면의 중공을 가진 본체부와 동일한 형태일 때의 단면이며, (e)에서 (a)까지 점점 더 강한 압착력으로 눌러 제작된 압착부의 단면으로, 압착력이 강해질수록 슬릿이 점점 더 납작하고 가늘어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 압착부 내부 유로가 어떤 일그러진 형태가 아닌 균일한 3차원적인 형태로서의 슬릿을 형성하고 있음도 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 압착력-유량 관계를 도시한 것이다. 도 7에서, 상온의 헬륨가스를 22MPa로 공급하였으며, 압착부 길이는 158mm로 고정하되 압착력만 변화시켜 가면서 측정하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 프레스로 압착시키는 힘(압착력)이 커질수록 슬릿을 통해 빠져나가는 유체의 유량은 점점 줄어드는 것을 알 수 있다. 이는 압착력이 커질수록 압착부가 더 납작해지며, 따라서 슬릿 역시 더 납작해짐에 따라 유체가 통과하는 공간이 그만큼 줄어들기 때문으로 유추할 수 있다.

도 8은 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 압착부 길이-유량 관계를 도시한 것이다. 도 8에서, 역시 상온의 헬륨가스를 22MPa로 공급하였으며, 압착력은 60kN으로 고정하되 압착부 길이만 변화시켜 가면서 측정하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 압착부 길이가 길어질수록 유량이 점점 늘어나는 것을 알 수 있다. 이는 압착력이 일정한 상태에서 그 힘이 가해지는 면적이 넓어지면 단위면적당 받는 힘은 오히려 줄어들기 때문에 결과적으로 슬릿이 덜 납작해지기 때문으로 유추할 수 있다.

도 9는 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 유체공급압력-유량 결과를 도시한 것이다. 보다 구체적으로는, 60kN의 압착력으로 50mm 길이의 압착부를 만든 후 상온의 헬륨가스 공급압력을 변화시켜 가면서 슬릿을 통과하는 유량의 변화를 측정한 것이다. 예상대로 유체의 공급압력과 통과하는 유량은 비례 관계를 보이며, 일반적으로 사용되고 있는 오리피스와 같이 정상 작동함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 결과로 보건대, 압착력이나 압착부 길이 등을 조절하면 제조되는 오리피스에서 원하는 유체의 통과 유량을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 경향을 바탕으로, 본 발명에서는 오리피스를 통과하는 유량 및 오리피스 제작 시 작용하는 응력 간의 관계식을 도출하였다. 도 10은 바로 이러한 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 응력-유량 관계를 그래프로 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 오리피스를 통과하는 유량 및 오리피스 제작 시 작용하는 응력 간에는 지수함수 형태의 관계가 성립함을 알 수 있다. 보다 명확하게는, 유량 및 응력 간에는 하기의 관계식이 성립한다.

= C₁ exp(C₂S)

(

: 유량, S : 응력, C₁ : 양의 상수 C₂ : 음의 상수)

도 10의 실제 실험값을 기반으로 한 식에서는, C₁은 4.0437, C₂는 ??3*10^-9으로 나타나지만, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 즉 구체적으로는, 상기 C₁ 및 C₂ 값은 오리피스 제작에 사용되는 튜브의 외경, 벽면 두께, 재질 등에 따라 달라질 수 있다. 단, 튜브의 재질이 스테인레스 스틸이고, 외경이 1.588 mm (1/16 인치), 튜브의 벽 두께가 0.4 mm 인 경우 그대로 적용할 수 있다.

이러한 과정을 거쳐 도 10과 같은 결과 그래프를 통해 상술한 바와 같은 유량-응력 관계식이 도출되면, 이제 원하는 유량을 얻기 위해 얼마의 응력으로 튜브를 프레스해야 할지 쉽게 결정할 수 있다. 다만 이와 같이 원하는 유량 값에 필요한 응력 값이 상술한 바와 같은 관계식으로 산출되더라도, 프레스에서 실제 가해야 하는 압착력 값은 이 응력 값으로부터 또다시 계산되어야 한다. 즉 압착부 길이에 따라 압착부 면적(즉 납작하게 눌린 부분의 면적)이 달라지기 때문에 이를 고려하여 응력이 계산되어야 한다. 본 발명에서는 압착부의 면적 값은 하기의 관계식으로 산출하였는데, 특히 여기에서 압착부 너비(W)는 튜브의 내면 원주길이의 반(πD_i/2)에 벽면 두께(t) 2개가 더해진 것으로 가정하였다.

A = WL = (2t+πD_i/2)L

(A : 압착부 면적, W : 압착부 너비, L : 압착부 길이, t : 본체부 벽면 두께, D_i : 본체부 내경)

이와 같이 산출된 압착부 면적을 이용하면, 압착력 값은 하기의 관계식으로 용이하게 산출될 수 있다.

F = SA

(F : 압착력, S : 응력, A : 압착부 면적)

이처럼 본 발명에서는, 원하는 유량 값을 얻기 위해 필요한 응력 값이 도 10에 나타난 바와 같은 지수함수 형태의 유량-응력 관계식으로부터 구해져 결정되며, 이렇게 구해진 응력 값과 오리피스 제작에 사용되는 튜브의 내경, 벽면 두께 등과 같은 원래 고정되어 있는 수치 및 원하는 압착부 길이를 사용하여 실제 제작 시 필요한 압착력 값이 구해져 결정될 수 있다. 즉 본 발명에 의하면, 주어진 수력학적 조건들 및 원하는 수력학적 성능을 이용하여 제작해야 할 오리피스의 기하학적 수치 및 제작 시 필요한 힘 등을 매우 용이하게 산출할 수 있는 것이다.

[3] 본 발명의 오리피스의 성능 확인

이와 같이 제작된 여러 규격의 오리피스들의 수력학적 성능을 시험하기 위해, 도 11과 같은 형태의 시험 시스템을 구성하였다. 도 11 상측도면에 도시된 시스템은 상온에서의 오리피스 성능 시험을 위한 것이며, 도 11 하측도면에 도시된 시스템은 극저온에서의 오리피스 성능 시험을 위한 것으로 상온용 시스템과 비슷하지만 중간에 냉각용 열교환기가 더 배치된다. 실험 시에는, 앞서 설명한 발사체의 산화제 재순환 시스템과 유사한 환경조건을 만들어주기 위하여, 22MPa의 고압 헬륨가스를 공급하였고, 헬륨가스의 질량유량은 오리피스 전단의 코리올리 질량유량계로 측정하였다. 또한 압력센서 및 온도센서를 이용하여 오리피스 전단의 압력 및 온도를 측정하였다. 극저온용 시스템에서의 냉각용 열교환기에서는, 헬륨가스를 산화제의 온도인 90K(-183℃)까지 냉각한다. 이 때 열교환 후 헬륨가스의 압력 및 온도 측정을 위해 압력센서 및 온도센서가 추가로 더 설치된다.

도 12는 상술한 바와 같은 시험 시스템을 사용하여 시험한 오리피스의 수력학적 성능을 시간에 따른 유량으로 나타낸 결과 그래프이다. 도 12의 최좌측도면은 상온에서의 결과를, 중간측도면은 LOx로 냉각한 저온에서의 결과를, 최우측도면은 LN2로 냉각한 저온에서의 결과를 각각 도시하고 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상온에서는 약 1.1g/s의 유량이 흐르고, 극저온에서는 1.8~1.9g/s의 유량이 흐름이 확인된다. 극저온에서 유량이 증가한 이유는, 헬륨가스의 온도가 낮아짐에 따라 밀도가 증가하기 때문으로, 즉 동일한 오리피스를 지나더라도 더 많은 질량유량이 흐르기 때문이다.

하기의 식은 가스의 유속이 음속에 이르러 더 이상 속도와 질량유량이 증가하지 않는 조건, 즉 초킹 조건에서의 유효단면적을 계산하기 위한 것이다. 여기에서의 유효단면적을 계산한다는 것의 의미는, 길이방향으로 긴 모세관 오리피스를 단순한 구멍 형태로 된 오리피스로 대체하였을 때 어느 정도의 면적인지 알아보는 것과 같다.

(

: 유효단면적(mm²),

: 유량(kg/s), R : 가스상수, T : 오리피스 전단 온도(K), k : 비열비(C_p/C_v), P : 오리피스 전단 절대압력(MPa))

도 13은 상술한 바와 같은 식을 사용하여 초킹 조건에서 시험한 오리피스의 수력학적 성능을 시간에 따른 유효단면적으로 나타낸 결과 그래프이다. 도 13의 최좌측도면은 상온에서의 결과를, 중간측도면은 LOx로 냉각한 저온에서의 결과를, 최우측도면은 LN2로 냉각한 저온에서의 결과를 각각 도시하고 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상온 및 극저온과 무관하게 일정한 유효단면적이 나타나고 있음이 확인된다. 즉 상술한 바와 같이 제작된 본 발명의 오리피스가 일반적인 오리피스와 마찬가지로 일정한 저항으로 잘 작동되고 있음을 보여준다.

도 14는 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 유동마찰 특성을 도시한 것으로, 그래프 상의 검은 점들이 도 6(a)~(f) 각각에서의 결과값들을 나타낸다. 특히 도 14에서 "Transition zone"이라고 표시된 점선의 위쪽에 찍힌 점("Fully rough zone"에 가장 가까운 점)이 도 6(f)(즉 압착되지 않은 원래 상태)의 결과값을 나타내며, 압착부가 납작해질수록 결과값들이 "Smooth pipes"라고 표시된 그래프 쪽에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 즉 프레스로 강하게 눌러줄수록 슬릿 내 표면조도가 낮아져서 유로저항이 낮아지는 경향이 확인된다.

이러한 여러 실험 결과들을 종합할 때, 다음과 같은 흥미로운 경향이 발견된다. 즉 일정한 길이의 튜브에 누르는 힘을 달리하여 제작한 본 발명의 오리피스에서, 단면적과 유효단면적 사이에 일정한 비율이 존재하는 것이다. 도 15는 본 발명의 오리피스의 다양한 규격 실시예에서의 실제 단면적 및 유효단면적 환산 결과를 도시한 것이다. 도 15의 결과를 쉽게 설명하자면, 본 발명의 오리피스와 유로저항이 동일한 일반 오리피스(단순히 원형 구멍이 뚫려 있는 판 형태로 된 오리피스)를 사용하였을 때, 본 발명의 오리피스 슬릿의 실제 단면적이 일반 오리피스 구멍의 단면적보다 6배 가량 크게 나타나고 있다. 즉 어떤 원하는 미세유량을 분사하기 위해 일반 오리피스를 사용할 경우 구멍을 매우 작게 뚫어야 한다면, 본 발명의 오리피스를 사용할 경우 그보다 6배 큰 슬릿을 형성하여도 된다는 것이다. 앞서, 구멍을 지나치게 작게 형성해야 할 경우 제작 자체가 어려울 뿐만 아니라, 특히 극저온 환경에서는 유체 내 얼음 입자 등에 의하여 구멍이 막히는 경우가 종종 발생하는 문제가 있다는 점을 설명한 바 있다. 그러나 본 발명의 오리피스를 사용하면, 동일한 유량을 얻을 수 있으면서도 슬릿 단면적을 훨씬 넓게 형성할 수 있기 때문에, 이러한 제작 상의 난해함이나 얼음 입자로 인한 폐색 위험성을 크게 저감할 수 있는 것이다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 오리피스
110 : 본체부 111 : 중공
120 : 압착부 121 : 슬릿
200 : 연결구

Claims (8)

1. 극소유량으로 동작하는 장치 내 유체순환라인에 구비되는 오리피스를 제작하는 오리피스 제작방법에 있어서,
   원형 단면의 중공이 형성된 본체부가 준비되는 본체부준비단계;
   유량 및 응력에 대한 하기의 관계식에 따라 미리 결정된 원하는 유량 값에 필요한 응력 값이 산출되는 응력값산출단계;
   

   

   = C₁ exp(C₂S)
   (

   

   : 유량(kg/s), S = F/WL : 응력(N/m²), F : 압착력(N), W : 압착부 너비(m), L : 압착부 길이(m), C₁ : 양의 상수(kg/s), C₂ : 음의 상수(m²/N))
   상기 본체부의 적어도 일부 영역이 압착되어 상기 중공이 슬릿이 되게 함으로써 상기 중공에 비해 상대적으로 유로저항이 상승되는 압착부가 제조되는 압착부가 제조되는 압착부제조단계;
   를 포함하되,
   상기 압착부제조단계에서, 기 선정된 오리피스 본체부의 제원을 바탕으로 한 상기 응력 및 유량의 관계식을 이용하여 미리 결정된 원하는 상기 압착부의 너비(W)와 압착력(F)과의 관계로부터 산출된 상기 압착부의 길이(L)만큼 상기 압착력으로 압착되는 것을 특징으로 하는 오리피스 제작방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 응력값산출단계는,
   상기 C₁ 및 C₂ 값이 상기 본체부의 외경, 벽면 두께, 재질 중 선택되는 적어도 하나에 의해 결정되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 오리피스 제작방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 압착부제조단계는,
   상기 압착부의 면적 값이 하기의 관계식에 따라 산출되며,
   A = WL = (2t+πD_i/2)L
   (A : 압착부 면적(m²), W : 압착부 너비(m), L : 압착부 길이(m), t : 본체부 벽면 두께(m), D_i : 본체부 내경(m))
   상기 압착력 값이 하기의 관계식에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 오리피스 제작방법.
   F = SA
   (F : 압착력(N), S : 응력(N/m²), A : 압착부 면적(m²))
   
4. 극소유량으로 동작하는 장치 내 유체순환라인에 구비되는 오리피스에 있어서,
   제 1항에 의한 오리피스 제작방법에 의해 제작되는 오리피스로서,
   유체가 통과하는 원형 단면의 중공이 형성된 본체부;
   상기 중공이 슬릿이 되게 함으로써 상기 중공에 비해 상대적으로 유로저항이 상승되도록 상기 본체부의 적어도 일부 영역이 압착되어 형성되는 압착부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 오리피스.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 압착부는,
   상기 본체부의 양단부 사이 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 오리피스.
   
6. 제 4항에 있어서, 상기 압착부는,
   상기 본체부의 일단부 끝에서 타단부 끝까지 형성되는 것을 특징으로 하는 오리피스.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 본체부는,
   직선 형상인 것을 특징으로 하는 오리피스.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 본체부는,
   비직선 형상인 것을 특징으로 하는 오리피스.

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