KR102368542B1 - 데토네이션 장치 및 이를 이용한 충격파 시험 장치 - Google Patents

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KR102368542B1 KR1020200092453A KR20200092453A KR102368542B1 KR 102368542 B1 KR102368542 B1 KR 102368542B1 KR 1020200092453 A KR1020200092453 A KR 1020200092453A KR 20200092453 A KR20200092453 A KR 20200092453A KR 102368542 B1 KR102368542 B1 KR 102368542B1
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Abstract

일 실시 예에 따른 데토네이션 장치는, 내부에서 데토네이션이 발생하는 챔버; 상기 챔버의 일측에 연결되고 폭연을 데토네이션으로 변환시키는 데토네이션 유도기; 상기 데토네이션 유도기에 연결되고, 산화제 및 가연성 가스가 유입되어 혼합되는 혼합 장치; 및 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 상기 혼합 장치에 유입되는 유량을 실시간으로 제어할 수 있는 유량 제어 장치를 포함할 수 있다.

Description

데토네이션 장치 및 이를 이용한 충격파 시험 장치{DEVICE FOR DETONATION AND TEST DEVICE USING THEREOF}
아래의 설명은 데토네이션 장치 및 이를 이용한 충격파 시험 장치에 관한 것이다.
폭발성 연소 과정은 폭연(deflagration)과 데토네이션(detonation)으로 구분된다. 폭연과 데토네이션은 폭발성 연소라는 점에서 동일하나, 연소 전후의 압력 및 온도 변화가 상이하다. 예를 들어, 폭연은 연소 전파 속도가 아음속이나, 데토네이션은 초음속이다. 특히 데토네이션 연소에 의한 압력 향상 비는 12 내지 55, 온도비는 8 내지 21이고, 폭연의 압력비 약 1, 온도비 7.5로 그 차이가 매우 크다. 데토네이션이 산업현장에서 발생하는 경우 재해로 이어지지만, 연소 후의 압력 및 온도 변화가 다른 연소과정보다 훨씬 높기 때문에 적절히 제어할 경우 효과적인 에너지원으로 사용 가능하다. 이러한 점을 착안하여 엔진에 적용된 사례는 펄스 데토네이션 엔진(Pulse Detonation Engine, PDE), 로테이셔널 데토네이션 엔진(Rotational Detonation Engine, RDE)이 있고, 시험장치의 고압원으로 활용된 사례는 충격파 관 및 충격파 터널과 같은 충격파 시험 장치가 있다.
시험 장치에 활용하기 위한 데토네이션 발생에 관한 일반적인 기술은 아래 도 1과 같다. 비교 예에 따른 데토네이션 장치(1)는 가연성 가스 주입 장치(11)와 산화제 주입 장치(13)가 챔버(12)에 각각 연결된다. 가연성 가스 주입 장치(11) 및 산화제 주입 장치(13)는 각각 레귤레이터(111, 131), 임계 노즐(112, 132) 및 게이트(113, 133)로 구성된다. 이와 같은 구성은 초킹 오리피스와 가압장치의 조합으로 필요한 연료, 공기 혼합비의 조성을 자유롭게 변화시키기 어렵다. 예를 들어, 초킹 노즐 또는 임계 노즐은 노즐 목면적과 상류 압력에 의해 유량이 제어되기 때문에 레귤레이터로 압력을 조절해야 하고, 초킹 상태를 유지하기 위해 상류 압력은 하류 압력 대비 2:1 이상을 유지해야 한다. 따라서 고압으로 특정 탱크를 충진하기 위해서는 상류 압력을 2배이상으로 높여야 하고 이는 장치의 과도한 구조 설계를 필요로 하게 된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 산화제 및 가연성 가스의 혼합 효율을 높이고, 혼합 장치의 구조 및 소재에 대한 안정성 기준을 완화할 수 있는 데토네이션 장치 및 이를 이용하는 충격파 시험 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 데토네이션 장치는, 내부에서 데토네이션이 발생하는 챔버; 상기 챔버의 일측에 연결되고 폭연을 데토네이션으로 변환시키는 데토네이션 유도기; 상기 데토네이션 유도기에 연결되고, 산화제 및 가연성 가스가 유입되어 혼합되는 혼합 장치; 및 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 상기 혼합 장치에 유입되는 유량을 실시간으로 제어할 수 있는 유량 제어 장치를 포함할 수 있다.
상기 데토네이션 장치는, 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 서로 마주보는 방향으로 유입되어 혼합되고, 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 혼합된 혼합 기체가 일 방향으로 이동하여 상기 데토네이션 유도기로 유입될 수 있다.
상기 데토네이션 유도기는, 상기 데토네이션 유도기 내부의 기체를 점화시키는 점화기; 상기 챔버 및 상기 혼합 장치에 연통하는 하우징; 및 상기 하우징 내에 배치되고, 연소 충격파를 중첩시키는 코일을 포함할 수 있다.
상기 혼합 장치는, 상기 데토네이션 유도기의 중심 축으로부터 멀어지는 쪽으로 연장되고, 상기 혼합 장치의 내부에서, 상기 혼합 기체의 흐름은 상기 데토네이션 유도기로부터 먼 일측 단부에서 상기 데토네이션 유도기에 가까운 타측 단부 쪽으로 형성될 수 있다.
상기 혼합 장치는, 상기 일 방향으로 길게 형성된 혼합관; 상기 데토네이션 유도기로부터 먼 일측에 형성된 제 1 노즐; 및 상기 제 1 노즐 및 상기 데토네이션 유도기 사이에 형성된 제 2 노즐을 포함할 수 있다.
상기 제 1 노즐의 직경은, 상기 제 2 노즐의 직경보다 클 수 있다.
상기 제 1 노즐 및 상기 제 2 노즐의 분사 방향은, 서로 마주볼 수 있다.
상기 혼합 기체는, 상기 제 1 노즐의 분사 방향으로 이동하여 상기 데토네이션 유도기로 유입될 수 있다.
상기 가연성 가스 및 상기 산화제는, 상기 제 1 노즐 및 상기 제 2 노즐 사이의 상기 혼합관 내의 공간에서 혼합될 수 있다.
상기 제 1 노즐로부터 상기 제 2 노즐까지의 거리는, 상기 제 2 노즐로부터 상기 데토네이션 유도기까지의 거리의 1.5배 이상일 수 있다.
상기 챔버는, 상기 챔버의 내부 공간을 분할하는 격막을 포함할 수 있다.
상기 혼합 장치는, 상기 혼합 기체가 상기 혼합 장치로부터 상기 데토네이션 유도기를 향하여 흐를 때 개방되는 역류 방지 장치를 포함할 수 있다.
상기 혼합 장치와 상기 데토네이션 유도기는 서로 공간이 분리되어 있어서, 각각 상이한 압력을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 데토네이션 장치는, 내부에서 데토네이션이 발생하는 챔버; 상기 챔버의 일측에 연결되고 폭연을 데토네이션으로 변환시키는 데토네이션 유도기; 및 가연성 가스가 분사되는 제 1 노즐 및 산화제가 분사되는 제 2 노즐을 포함하는 혼합 장치를 포함하고, 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 서로 마주보는 방향으로 유입되어 혼합되고, 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 혼합된 혼합 기체가 일 방향으로 이동하여 상기 데토네이션 유도기로 유입될 수 있다.
일 실시 예에 따른 상기 데토네이션 장치를 이용한 충격파 관은, 상기 챔버의 타측에 위치하며, 연료 또는 금속의 시료를 거치하기 위한 시료 거치대를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 상기 데토네이션 장치를 이용한 충격파 터널은, 상기 챔버의 타측에 위치하며, 충격파를 토출시키기 위한 토출 노즐을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 데토네이션 장치 및 이를 이용하는 충격파 시험 장치는, 가연성 가스 및 산화제의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 데토네이션 장치 및 이를 이용하는 충격파 시험 장치는, 혼합 장치와 데토네이션 유도기 사이에 역류 방지 장치가 있어서 구조적 안정성의 기준을 완화하여 혼합 장치를 형성할 수 있다.
도 1은 비교 예에 따른 데토네이션 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 데토네이션 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 제 1 노즐 및 제 2 노즐의 직경을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 역류 방지 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 혼합 장치 및 데토네이션 유도기 내부의 공간을 특징에 따라 분리하여 나타낸 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 데토네이션 장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 제 1 노즐 및 제 2 노즐의 직경을 나타낸 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 역류 방지 장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 혼합 장치 및 데토네이션 유도기 내부의 공간을 특징에 따라 분리하여 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 데토네이션 장치(2)의 챔버(21)의 활용 형태에 따라서, 데토네이션 장치(2)는, 충격파 시험 장치로 활용될 수 있다. 음속 이상의 충격파를 발생시키기 위하여는, 높은 에너지를 갖는 초고압 상태의 기체를 생성할 필요가 있고, 헬륨(He)을 이용할 경우 높은 내압 성능을 갖는 시스템이 요구되는데, 본 발명처럼 데토네이션 장치(2)를 이용하면, 일정 수준의 내압 성능을 갖는 시스템만으로도 음속 이상의 충격파를 발생시킬 수 있다. 또한, 헬륨(He)처럼 값비싼 원료 대신, 산소 및 수소 등과 같이 비교적 저렴한 산화제 및 가연성 가스를 이용하여 시험을 수행하는 것이 가능해진다. 데토네이션 장치(2)를 이용한 충격파 시험 장치로는, 예를 들어, "충격파 관" 또는 "충격파 터널" 등이 있다.
먼저, 충격파 관은, 챔버(21)의 일측에 시료 거치대를 설치한 것으로써, 음속 이상의 충격파가 지나가면, 충격파가 지나간 자리에 온도 및 압력이 급상승하는 원리를 이용하여, 시료 거치대에 놓인 시료(연료 또는 금속 등)에 대한 점화 지연 시험을 수행할 수 있다.
다음으로, 충격파 터널은, 챔버(21) 중 데토네이션이 발생되는 부분의 반대편 쪽에 위치하는 단부에 충격파 토출 노즐을 설치한 것으로써, 후술하는 바와 같이 데토네이션 작용을 이용하여 음속 이상의 충격파를 발생시키는 원리를 이용하여, 충격파 토출 노즐의 토출 방향에 놓인 비행체의 구조에 대한 초음속 풍동 실험을 수행할 수 있다. 예를 들어, 챔버(21) 중 충격파 토출 노즐이 연결된 부분은 개방되어 있을 수 있으며, 이와 달리, 챔버(21)의 외벽을 형성하는 물질보다 강성이 낮은 물질로 이루어진 격막이 설치될 수도 있다.
데토네이션 장치(2)에서는, 산화제 및 가연성 가스가 서로 마주보는 방향으로 유입되어 혼합되고, 혼합 기체가 일 방향으로 이동하여, 코일을 통과하면서 점화되어 데토네이션으로 증폭되고, 증폭된 데토네이션은 챔버로 전파될 수 있다. 예를 들어 데토네이션 장치(2)는 챔버(21), 데토네이션 유도기(22), 혼합 장치(23) 및 유랑 제어 장치(24)를 포함할 수 있다.
챔버(21)의 내부에서는 데토네이션이 발생 및 전파될 수 있다. 데토네이션이 발생하고 전파됨에 따라 챔버(21)의 내부의 압력과 온도가 상승할 수 있다. 예를 들어, 챔버(21)는 격막(211)을 포함할 수 있다.
격막(211)은 챔버(21)의 내부 공간을 구획하며, 예를 들어, 챔버(21)의 중심을 기준으로, 데토네이션 장치(2)에 가까이 위치할 수 있다. 격막(211)은, 챔버(21)의 외벽에 비하여 강성이 낮은 재질로 형성될 수 있다. 격막(211)에 의하면, 데토네이션을 발생시키기 전까지, 가연성 가스 및 산화제가 혼합된 혼합 가스를 특정한 공간 내에 구속하는 한편, 혼합 가스가 점화되어, 데토네이션이 발생 및 전파되는 과정에서 데토네이션에 의해 격막(211)이 파괴되면, 챔버(21) 내부의 반대편 공간(챔버(21)의 단부)으로 진행하는 충격파를 발생시킬 수 있다.
데토네이션 유도기(22)는 챔버(21)의 일측에 연결되고 폭연을 데토네이션으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어 데토네이션 유도기(22)는 폭연 상태의 연소를 데토네이션으로 바꾸기 위한 거리를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 데토네이션 유도기(22)는 점화기(221), 코일(222) 및 하우징(223)을 포함할 수 있다.
점화기(221)는 데토네이션 유도기(22) 내부의 기체를 점화시킬 수 있다. 예를 들어, 점화기(221)는 고전압 스파크가 이용되어 연소 효율을 높일 수 있다. 점화기(221)는 혼합 기체에 고전압을 순간적으로 인가하여 폭연을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 점화기(221)는, 데토네이션 유도기(22) 중 혼합 장치(23)가 연결되는 부분을 기준으로 챔버(21)의 반대편에 위치할 수 있다.
코일(222)은 하우징(223) 내에 배치되고, 연소 충격파를 중첩시킬 수 있다. 예를 들어, 코일(222)은 점화기(221)에 의하여 발생된 폭연을 데토네이션으로 변환시킬 수 있다. 점화 후 발생된 폭연에 의한 약한 연소 충격파는, 코일(222)에 의하여 중첩되고 중첩된 충격파는 데토네이션을 발생시킬 수 있다. 또한, 코일(222)은 폭연에서 데토네이션으로 바뀌는데 필요한 연소 거리를 감소시킬 수 있다.
하우징(223)은 챔버(21) 및 혼합 장치(23)에 연통할 수 있다. 하우징(223)는 내부에 하우징(223) 길이를 따라서 길게 형성된 코일(222)을 내재할 수 있다. 예를 들어, 하우징(223)은 혼합 장치(23)에 연결된 부분을 중심으로 양측으로 연장된 형상을 가질 수 있다. 하우징(223)의 일단에는 챔버(21)가 연결되고, 타단에는 점화기(221)가 연결될 수 있다.
혼합 장치(23)는 데토네이션 유도기(22)에 연결되고, 산화제 및 가연성 가스가 유입되어 혼합될 수 있다. 예를 들어, 혼합 장치(23)는, 데토네이션 유도기(22)의 중심 축으로부터 멀어지는 쪽으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 혼합 장치(23)는, 데토네이션 유도기(22)의 길이 방향에 대하여 수직한 방향으로 연결될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 챔버(21) 또는 데토네이션 유도기(22)로부터 폭연 또는 데토네이션이 혼합 장치(23)로 역류하는 현상을 줄여줄 수 있다.
한편, 산화제 및 가연성 가스는 각각 다른 방향으로 유입되어 혼합 장치(23)내부에서 혼합될 수 있다. 예를 들어, 산화제 및 가연성 가스가 마주보는 방향으로 유입될 경우, 두 기체의 혼합 효율을 향상시키고, 혼합에 소요되는 시간을 줄일 수 있다. 산화제 및 가연성 가스가 혼합된 혼합 기체는 일 방향으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 혼합 장치(23)의 내부에서, 혼합 기체의 흐름은 데토네이션 유도기(22)로부터 먼 일측 단부에서 데토네이션 유도기(22)에 가까운 타측 단부 쪽으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 혼합 장치(23)는, 혼합관(231), 제 1 노즐(232), 제 2 노즐(233) 및 역류 방지 장치(234)를 포함할 수 있다.
혼합관(231)은 일 방향으로 길게 형성될 수 있다. 혼합관(231) 내의 공간 중, 제 1 노즐(232) 및 제 2 노즐(233) 사이에서 가연성 가스 및 산화제가 혼합될 수 있다.
제 1 노즐(232)을 통하여 가연성 가스 또는 산화제가 분사될 수 있다. 제 1 노즐(232)은, 혼합관(231) 중 데토네이션 유도기(22)로부터 먼 일측에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 노즐(232)을 통하여 분사되는 기체의 유량을 제어하는 제 1 유량 제어 장치(24)로부터 제 1 노즐(232)까지의 배관의 길이 방향은 혼합관(231)의 길이 방향과 평행할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 혼합 기체가 데토네이션 유도기(22)로 보다 원활하게 유입되면서, 역류되는 문제를 방지할 수 있다.
제 2 노즐(233)은, 제 2 노즐(233)을 통하여, 가연성 가스 또는 산화제 중에서 제 1 노즐(232)에서 분사되지 않은 기체를 분사할 수 있다. 제 2 노즐(233)은 제 1 노즐(232) 및 데토네이션 유도기(22) 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 노즐(233)은, 혼합관(231)에 수직한 방향으로 삽입되도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 노즐(233)의 토출구는 혼합관(231)의 중심축 상에 위치하며, 제 1 노즐(231)을 마주하도록 배치될 수 있다.
역류 방지 장치(234)는, 혼합 기체가 혼합 장치(23)로부터 데토네이션 유도기(22)를 향하여 흐를 때 개방될 수 있다. 예를 들어, 역류 방지 장치(234)는 혼합 장치(23) 및 데토네이션 유도기(22) 사이의 유로를 차단 또는 개방할 수 있는, 개폐 밸브(부호 없음)와, 데토네이션 유도기(22)로부터 혼합 장치(23)로 기체가 역류하는 것을 방지하기 위한 체크 밸브(334) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 역류 방지 장치(234)는, 도 5의 제 1 영역(section 1) 및 제 2 영역(section 2)에 해당하는 공간으로부터, 제 3 영역(section 3)에 해당하는 공간을 구획할 수 있다. 즉, 혼합 장치(23)와 데토네이션 유도기(22)는 서로 공간이 분리되어 있어서, 각각 상이한 압력을 가질 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 데토네이션 유도기(22)에서 발생할 수 있는 고압의 폭연 및 데토네이션이 혼합 장치(23)로 전파되지 않으므로, 혼합 장치(23)의 설계시 구조상 안전률을 과도하게 높게 설정하지 않을 수 있다. 또한, 혼합 장치(23)를 구성하는 재료의 선정에 있어서, 폭연이나 데토네이션의 압력을 고려하지 않을 수 있다.
유량 제어 장치(24)는 가연성 가스 탱크 및 산화제 탱크(25, 26)으로부터 토출되는 기체의 유량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 유량 제어 장치(24)는, 질량 유량 제어 장치(MFC, Mass Flow Controller)일 수 있다. 유량 제어 장치(24)에 의하면, 각각의 유량을 실시간으로 제어할 수 있고, 특히, 질량 유량 제어 장치(MFC)를 이용하면, 동일한 시간 동안 혼합 장치(23)로 공급되는 산화제 및 가연성 가스의 질량 비율을 실시간으로 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 가연성 가스 탱크 및 산화제 탱크(25, 26) 각각으로부터 가연성 가스 및 산화제가 산화 반응 비율에 맞추어 혼합 장치(23)로 공급되도록 하고, 결과적으로, 데토네이션 발생 과정에서 최적 비율로 혼합된 혼합 기체가, 데토네이션 유도기(22) 및 챔버(21)의 내부 공간으로 충진되게 함으로써, 장치의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 실제로 본 구성과 같이, 질량 유량 제어 장치(MFC)를 이용하여, 2종의 기체를 역분사 방식으로 혼합 기체를 형성하고 데토네이션을 발생시킨 경우, 도 1에 도시한 비교 예에 따른 구성을 이용하는 경우보다, 데토네이션 유도기(22) 내에서의 길이 방향에 따른 화염 전파 속도가 일정하게 유지되는 것으로 관측되었다. 이는 2종의 기체가 상대적으로 보다 균일하게 혼합되었음을 의미하며, 따라서, 본 발명에 따른 방식을 이용하면, 데토네이션을 고효율로 발생시킬 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 비교 예와 달리 임계 노즐과 레귤레이터의 조합으로 유량을 조절하지 않기 때문에, 상류 압력을 임계 노즐에서 초킹(choking, 질식) 상태를 만들기 위해 하류 압력 대비 2배 높은 압력을 유지하지 않아도 된다. 따라서, 압력 관련 장치의 운용 범위를 줄일 수 있어 낮은 압력 범위에서 장치를 운용할 수 있게 하고 안정성 확보에 도움을 줄 수 있다.
제 1 노즐(232)의 직경은, 도 3에서 나타난 바와 같이, 제 2 노즐(233)의 직경보다 클 수 있다. 이와 같은 차이에 따르면, 제 1 노즐(232) 및 제 2 노즐(233)로부터 토출되는 기체의 유속을 동일하게 설정할 경우에도 제 1 노즐(232)로부터 토출되는 유량이 더 클 수 있다. 제 1 노즐(232)의 분사 방향(a 방향) 및 제 2 노즐(233)의 분사 방향(b 방향)은 서로 마주보고, 제 1 노즐(232)로부터 분사되는 가스의 유량이 더 클 경우, 혼합 기체는 유량이 더 큰 가스가 분사되는 방향(c 방향)으로 이동할 수 있다. 그 결과, 혼합 기체는 데토네이션 유도기(22)쪽으로 원활하게 유입될 수 있다. 즉, 도 5의 제 1 영역(section 1)에 해당하는 영역에서는 산화제 및 가연성 가스의 혼합이 발생하고, 제 2 영역(section 2)에서는 역류 방지 장치(234)가 개방되어 있는 경우에 혼합 기체가 데토네이션 유도기(22)쪽으로 흐르는 흐름이 발생할 수 있다.
예를 들어, 제 1 노즐(232)에는 가연성 가스를 공급하는 가연성 가스 탱크(25)가 연결되고, 제 2 노즐(233)에는 산화제를 공급하는 산화제 탱크(26)가 연결될 수 있다. 통상적으로 연소 반응에서, 가연성 가스의 비율이 산화제 가스의 비율보다 크다는 점에서, 이와 같이 설계하면, 반응 효율을 높이면서도, 데토네이션 유도기(22)쪽으로 혼합 기체가 원활하게 유입되도록 할 수 있다. 예를 들어, 가연성 가스가 수소이고, 산화제가 산소일때, 제 1 노즐(232)의 직경(D1)은, 제 2 노즐(233)의 직경(D2)의 1.5배 내지 2.5배, 바람직하게는 2배로 설정할 수 있다. 한편, 제 1 노즐(232)의 직경(D1) 및 제 2 노즐(233)의 직경(D2)이 반드시 이와 같이 설정되어야 하는 것은 아니며, 가연성 가스 및 산화제의 산화 반응비에 비례하여, 제 1 노즐(232)의 직경(D1) 및 제 2 노즐(233)의 직경(D2)이 설정될 수 있음을 밝혀 둔다.
한편, 제 1 노즐 및 제 2 노즐로부터 토출되는 기체의 유량 차이에 의존하지 않더라도, 혼합 장치(23) 내에서 혼합된 기체의 부피가 커질 경우 혼합 기체는 데토네이션 유도기(22)쪽으로 유입될 수도 있음을 밝혀 둔다.
예를 들어, 제 1 노즐(232)로부터 제 2 노즐(233)까지의 거리는, 제 2 노즐(233)로부터 데토네이션 유도기(22)까지의 거리의 1.5배 이상일 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 도 5의 제 1 영역(section 1)에 해당하는 혼합 영역을 충분히 확보할 수 있으므로, 각 기체가 충분히 혼합될 수 있다.
이하, 데토네이션 장치(2) 및 이를 이용한 충격파 시험 장치의 동작 과정에 대하여 설명하기로 한다.
가연성 가스 탱크 및 산화제 탱크(25, 26)에는, 고압의 기체가 각각 수용되고, 각각의 탱크(25, 26)의 토출부에는 혼합 장치(23)로 기체의 토출 여부를 조절할 수 있는 개폐 밸브가 각각 마련될 수 있다.
먼저, 탱크(25, 26)의 개폐 밸브와, 역류 방지 장치(234)의 개폐 밸브가 개방된 상태에서, 각각의 유로에 구비되는 유량 제어 장치(24)를 제어함으로써, 가연성 가스 및 산화제가 미리 설정된 비율로 혼합 장치(23)로 토출되게 할 수 있다. 혼합 장치(23)에서 혼합된 혼합 기체는, 데토네이션 유도기(22) 및 챔버(21)로 충진될 수 있다.
다음으로, 혼합 기체가 데토네이션 유도기(22) 및 챔버(21)로 충진된 상태에서, 탱크(25, 26)의 개폐 밸브 및 역류 방지 장치(234)의 개폐 밸브를 폐쇄시킴으로써, 혼합 장치(23)의 내부 공간(section 1 및 section 2)으로부터, 데토네이션 유도기(22)의 내부 공간(section 3)을 분리시킬 수 있다.
마지막으로, 점화기(221)를 작동시킴으로써, 데토네이션 유도기(22)의 내부 공간(section 3)의 기체를 점화시킴으로써, 챔버(21) 내에서 데토네이션이 발생하도록 할 수 있다. 발생된 데토네이션은 챔버(21) 내의 격막(211)을 파괴하고, 초음속의 충격파를 발생시켜, 챔버(21) 중 데토네이션 유도기(22)가 연결된 부분의 반대편 단부를 향하여, 초음파의 충격파가 전파되도록 할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (16)

  1. 내부에서 데토네이션이 발생하는 챔버;
    상기 챔버의 일측에 연결되고 폭연을 데토네이션으로 변환시키는 데토네이션 유도기;
    상기 데토네이션 유도기에 연결되고, 산화제 및 가연성 가스가 유입되어 혼합되는 혼합 장치; 및
    상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 상기 혼합 장치에 유입되는 유량을 실시간으로 제어할 수 있는 유량 제어 장치를 포함하고,
    상기 혼합 장치는,
    상기 데토네이션 유도기의 중심 축으로부터 멀어지는 쪽으로 연장되고, 상기 혼합 장치의 내부에서, 혼합 기체의 흐름은 상기 데토네이션 유도기로부터 먼 일측 단부에서 상기 데토네이션 유도기에 가까운 타측 단부 쪽으로 형성되고,
    상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 서로 마주보는 방향으로 유입되어 혼합되고, 상기 산화제 및 상기 가연성 가스가 혼합된 혼합 기체가 일 방향으로 이동하여 상기 데토네이션 유도기로 유입되는 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 데토네이션 유도기는,
    상기 데토네이션 유도기 내부의 기체를 점화시키는 점화기;
    상기 챔버 및 상기 혼합 장치에 연통하는 하우징; 및
    상기 하우징 내에 배치되고, 연소 충격파를 중첩시키는 코일을 포함하는 데토네이션 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 장치는,
    상기 일 방향으로 길게 형성된 혼합관;
    상기 데토네이션 유도기로부터 먼 일측에 형성된 제 1 노즐; 및
    상기 제 1 노즐 및 상기 데토네이션 유도기 사이에 형성된 제 2 노즐을 포함하는 데토네이션 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐의 직경은,
    상기 제 2 노즐의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐 및 상기 제 2 노즐의 분사 방향은 서로 마주보는 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합 기체는,
    상기 제 1 노즐의 분사 방향으로 이동하여 상기 데토네이션 유도기로 유입되는 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 가연성 가스 및 상기 산화제는,
    상기 제 1 노즐 및 상기 제 2 노즐 사이의 상기 혼합관 내의 공간에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐로부터 상기 제 2 노즐까지의 거리는, 상기 제 2 노즐로부터 상기 데토네이션 유도기까지의 거리의 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상기 챔버의 내부 공간을 분할하는 격막을 포함하는 데토네이션 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 장치는,
    상기 혼합 기체가 상기 혼합 장치로부터 상기 데토네이션 유도기를 향하여 흐를 때 개방되는 역류 방지 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 장치와 상기 데토네이션 유도기는 서로 공간이 분리되어 있어서, 각각 상이한 압력을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 데토네이션 장치.
  14. 삭제
  15. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 데토네이션 장치를 이용한 충격파 관에 있어서,
    상기 챔버의 타측에 위치하며, 연료 또는 금속의 시료를 거치하기 위한 시료 거치대를 더 포함하는 데토네이션 장치를 이용한 충격파 관.
  16. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 데토네이션 장치를 이용한 충격파 터널에 있어서,
    상기 챔버의 타측에 위치하며, 충격파를 토출시키기 위한 토출 노즐을 더 포함하는 데토네이션 장치를 이용한 충격파 터널.
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