20 K 용 극저온 소형 체크밸브 개발

Abstract

본 연구에서 액체수소를 비롯한 극저온 환경에서 작동할 수 있도록 20 K에서 활용할 수 있는 극저온 소형 체크밸브를 개발하였다. 극저온에서는 탄성체 재질의 씰에서 누설율이 매우 크게 발생하므로, 금속 대 금속 접촉을 통한 씰을 사용하였다. 이를 위해 스테인리스 스틸(STS304) 재질의 보스와 밸브 시트를 제작하여 각각 금과 니켈을 도금한 후, 연마 작업을 통해 경면 가공하였다. 누설율은 294 K, 77 K, 20 K의 온도에서, 역압은 150 kPa부터 1,450 kPa까지 100 kPa 간격으로 변화시키며 측정하였다. 측정한 누설율을 분석하기 위하여 누설 유동을 푸아죄유 유동(Poiseuille flow)으로 가정하여 누설 경로의 기하학적 상수를 294 K, 77 K, 20 K에서 계산하였다. 그리고 294 K과 77 K에서의 기하학적 상수를 이용하여 20 K에서의 누설율을 예측하였다. 20 K일 때, 역압 150 kPa부터 1,450 kPa까지 77 K에서의 기하학적 상수를 통해 누설율을 각 역압에 따라 예측하였고, 측정한 누설율 대비 최대 12%의 오차율이 발생하였다. 액체질소의 포화온도보다 낮은 극저온에서 체크 밸브의 누설율을 측정하기 위해서는 많은 시간과 노력이 필요하지만, 본 연구결과를 활용한다면 극저온에서의 누설율을 액체질소를 이용한 77 K 누설율 측정 결과를 통해 예측할 수 있으므로, 체크 밸브의 극저온 성능 평가를 크게 간소화할 수 있는데 의의가 있다.