장력을 이용하여 고압을 생성하는 극저온 액체 펌프 개발

Abstract

본 연구는 77 K의 액체질소를 30 bar 이상의 고압으로 가압시키는 극저온 액체 펌프의 개발을 다룬다. 펌프의 구조는 압축과정에서 발생하는 버클링을 방지하기 위해 고압을 생성할 때 장력을 사용하는 구조이다. 펌프의 피스톤과 로드 부분에는 청동이 함침된 PTFE 재질의 다이나믹 씰이 설치되고, 펌프 내부와 외부로 유체가 흐르는 공간에는 PTFE 시트를 사용하는 포펫타입의 체크밸브가 설치됐다. 씰과 체크밸브는 액체질소 온도에서 헬륨 누설 테스트를 수행하여 60 bar의 압력차이 범위 안에서 최대 2.5 mg/s의 누설이 발생하는 것을 확인했다. 400 W 출력의 3상 선형작동기가 펌프의 스트로크를 제어하며 펌프를 작동시킨다. 제작된 펌프의 성능평가를 위해서 액체질소를 이용하여 펌프의 스트로크와 토출 압력을 조절하였다. 씰에서 발생하는 마찰력은 230 N으로 측정되었고, 이것을 바탕으로 펌프 내부에서 발생하는 열해석을 수행했다. 이 열해석을 통해 액체질소를 가압할 때의 펌프의 등엔트로피 효율을 81.7%로 계산했다. 이 열해석 모델을 액체수소 운전조건에 적용한 결과 81.6%의 등엔트로피 효율을 얻었다.