[아롱 테크] 자동차, 타이태닉 심해 잠수정 '타이탄' 못지 않은 압력 버텨야

타이탄

타이태닉호 탐사에 나선 심해잠수정 타이탄(Titan)이 실종 나흘만에 수심 4000m 아래에서 발견됐습니다. 강력한 폭발에 의한 것으로 보이는 파편만 발견되는 안타까운 사고로 탑승객 전원은 사망한 것으로 보입니다. 정확한 사고원인은 아직 밝혀지지 않았지만 잠수정이 엄청난 수압을 견디지 못하고 내파로 인한 폭발 사고로 추정되고 있습니다.

내파(Implosion)란 외부압력으로 인해 구조물이 안쪽으로 급속히 붕괴되며 파괴되는 현상을 말하는데요. 내용물이 없는 페트병이나 캔과 같은 용기를 입에 대고 숨을 깊게 빨아들이면 용기 안의 공기가 빠져나가면서 용기 안과 밖의 기압차로 인해 찌그러지는 것과 같다고 할 수 있지요.

일반적으로 수압, 즉 물속에서 작용하는 압력은 수심이 깊어질수록 더욱 커지는데 대기압을 고려하지 않을 경우 수심이 10m 증가할 때마다 1기압씩 압력이 증가하는 것으로 알려지고 있습니다. 수심이 4000m는 무려 400기압에 이르는 겁니다. 이것은 1㎠당 약 413kg의 무게를 지탱하는 것과 맞먹는 수준인데요. 

이처럼 높은 압력 때문에 심해 잠수정은 안전기준이 매우 까다롭다고 합니다. 하지만 사고 잠수정은 어떤 안전관련 인증도 받지 않은 것으로 밝혀졌습니다. 심해 잠수정이 받는 압력과는 단순 비교할 수 없지만 사실 자동차에도 높은 압력을 사용하는 압력용기가 다양하게 적용되고 있습니다.

자동차용 압력용기는 정확한 압력제어를 통해 연료시스템과 같은 각종 시스템의 안정성을 유지하고 성능을 최적화함으로써 차량성능 향상은 물론 자동차의 안전한 주행을 위해 매우 중요한 역할을 하고 있습니다.

수소전기차의 수소저장탱크와 LPG 차량의 가스저장탱크인 LPG 봄베(Bomb), 각종 유압이나 공기압, 연료압력 등을 일정압력으로 유지시켜주거나 높여주는 어큐뮬레이터(Accumulator, 축압기)가 대표적이라 할 수 있지요.

엄밀히 따지자면 일정한 공기압을 갖춰야 제 기능을 발휘하는 타이어 역시 자동차용 압력용기에 해당한다고 할 수 있습니다. 차량 충돌사고 때 운전자과 탑승자의 충격을 완화시켜 주는 에어백 또한 압력용기의 일종이라고 볼 수 있습니다.

가솔린과 디젤 등 일반적인 자동차용 연료탱크는 강철이나 경량 플라스틱 재질로 제작되는데 연료탱크 내부의 압력을 조절하기 위한 환기장치를 두고 있습니다.

LPG 차는 봄베가 연료를 저장하고 압력을 조절해 일정한 압력을 유지함은 물론 연료공급장치로 액체상태 또는 기체상태로 공급하는 역할을 합니다. LPG 봄베는 일반적으로 약 1~10bar 내외의 연료압력을 유지하고 있으며, 안전을 위해 전체 용량의 80~85% 정도만 충전하도록 규정하고 있습니다.

특히 LPG 봄베는 안전성과 신뢰성이 매우 중요해 자동차관리법은 물론 고압가스안전관리법 등 각종 안전규제와 기준에 따라 제작 및 관리하고 있습니다.

수소전기차는 더욱 까다로운데요, 수소연료를 충전하기 위해서는 약 900bar 정도의 고압이 필요하며 수소저장탱크 내부의 저장압력 또한 최대 700bar에 이릅니다. 이 때문에 수조전기차의 수소저장탱크는 일반적인 LPG 차량용 용기와 달리 합금실린더에 탄소섬유를 감아 제조한 뒤 탄소섬유 외부를 다시 고강도 유리섬유로 감싼 구조로 용기두께가 약 10cm에 달합니다.

수소전기차의 수소 저장 용기

또한 파열시험을 비롯해 극한반복 가압테스트, 화염테스트, 총격테스트, 낙하테스트 등 17개 항목의 안전인증을 통과해야 사용할 수 있을 만큼 높은 안전성이 요구되고 있습니다.

이밖에 전자제어 디젤엔진인 커먼레일 디젤의 경우 연료탱크에 저장된 디젤연료가 커먼레일이라고 부르는 축압기에서 최소 1400bar에서 최신 디젤엔진의 경우 1800~2500bar의 고압으로 연료인젝터에 디젤연료를 공급하고 있습니다.

자동변속기의 경우 어큐뮬레이터에서 변속기 오일압력을 조절해 변속을 제어하는 밸브보디로 변속기오일을 공급하는 역할을 하고 있지요. 이처럼 자동차에는 다양한 압력용기가 자동차연료를 비롯해 다양한 작동유압을 공급하고 제어하는 역할을 하고 있습니다.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]