부력엔진 설계

본 논문에 사용된 부력엔진은 (주)한국도키멕에서 제작되었으며 앞서 설명한 체적대비 부력제어량을 제어할 수 있도록 설계되었다. 부력엔진은 유압식으로 작동하게 되며 구성은 부력엔진 하우징, 피스톤과 피스톤실린더, 전동모터와 유 압펌프, 체크밸브, 솔레노이드 밸브, 유압오일탱크로 구성되며 외형은 Fig. 3.2 와 같다. 또한 원하는 위치로의 피스톤을 제어하기위하여 피스톤의 위치를 확 인할수 있는 리니어스케일이 장착되어 있다. 부력엔진 하우징과 동체간에는 O-ring을 이용한 수밀 방식을 선택하여 방수가 되도록 설계하였으며, 피스톤 로드 주변의 여유공간에 일탱크 및 유압모터 등을 구성하여 공간을 활용할 수 있도록 하였다.

Fig. 3.2 Configuration of buoyancy engine

또한 부력엔진의 유압 회로도는 Fig. 3.3과 같으며 리니어 스케일의 위치신호 에 따라 제어보드에서 나온 신호를 통하여 부력엔진의 모터를 작동하거나 솔레 노이드 밸브를 개폐시켜 피스톤을 원하는 위치까지 이동시킬 수 있게된다.

본 논문에서 설계된 부력제어기는 피스톤이 체적을 증가 시킬때만 전동 모터

Fig. 3.3 Hydraulic circuit of buoyancy engine

를 사용하며 피톤이 체적을 감소 시킬때는 솔레노이드 밸브를 개폐시켜 외부 의 압력과 부력엔진하우징의 진공압에의해 피스톤이 후진하게 된다. 피스톤의 후진시 전동 모터를 사용하지않아 에너지의 소모를 최소화 할 수 있도록 설계 하였다.

3.1.1.1 유압 펌프

수중글라이더의 특성상 작은공간에 적용할 수 있는 저유량 고압펌프는 Radial piston 방식의 펌프가 적당하다. 기초설계 단계에서 계산된 토출유량과 사용압력을 고려한 모터의 선정으로 펌프의 사양은 토출유량을 모터의 정격회 전수로 나우어주면 약 0.118cc/rev가 되며 펌프의 효율을 고려하여 0.12cc/rev 의 유량의 펌프로 제작하였다. 피스톤펌의 내부 구조는 Fig. 3.4와 같다.

Fig. 3.4 constitution of piston pump

펌프의 작동원리는 Fig. 3.5와 같이 적색원형선이 베어링내륜, 청색원형선이 로테이터, 녹색 원형이 스테이터라고 하면 스테이터에는 양쪽으로 슬롯이 형성 되어 흡입과 토출의 역할을 하는 통로가 형성된다. 베어링 내륜과 로테이터의 중심점은 1.4mm off-set이 되어 있다. 12시 방향을 기준으로 로테이터 시계방향 으로 회전한다며 피스톤은 원심력에 의해 좌측 흡입구로부터 기름을 흡입하여 12시를 정점으로 피스톤은 베어링 내륜에 의해 다시 수축이 되며 우측 토출라 인에 기름을 공급한다. 이런 방식으로 피스톤 동작으로 유량을 토출하도록 설 계되었다. 설계된 유압펌프의 내부의 실제 외형은 Fig. 3.6과 같다.

Fig. 3.5 Performance properties of radial piston

3.1.1.2 부력엔진 피스톤

부력엔진 피스톤은 부력엔진 하우징과 실린더로 구성되어지며 실린더는 해수 와 접촉하는 부력 피스톤과 오일과 접촉하는 유압피스톤으로 구성되어지고 이 들은 하나로 가공되어 하우징에 장착된다. 부력피스톤과 하우징 내부의 벽면은 진공으로 부력피스톤이 후진시에는 복원력이 작용하여 스프링을 대신하는 역할 을 수행한다. 부력엔진 피스톤의 단면은 Fig. 3.7과 같다. 위와 같은 설계를 통 한 부력엔진의 실제 형상은 Fig. 3.8과 같다.

Fig. 3.7 Cross-section of buoyancy engine piston

Fig. 3.8 Buoyancy engine