100년 전 발명된 테슬라(Tesla) 밸브의 놀라운 기능

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-06-03 09:40:56
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* 테슬라는 움직이는 부품 없이 관리할 수 있는 블레이드 없는 터빈과 체크 밸브 설계
* 레이놀즈수가 약 200으로 올라가자마자 테슬라 밸브는 갑자기 스위치가돼 액체의 역류 차단
* 한 종류의 회로에 4개의 Tesla 밸브를 결합하면 펄스 흐름을 부드럽고 균일한 유출로 변환
* 연료, 냉각제, 윤활유, 액체 또는 가스를 펌핑하는 엔진과 기계의 진동을 보상하는 데 응용

테슬라(Tesla) 발명에 대한 새로운 통찰력
100년 된 Nikola Tesla 밸브는 펄스 흐름을 일정한 흐름으로 변환한다.


아날로그 정류기 :
100년 전에 독창적인 발명가 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 설계한 밸브는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 정교하고 다양하게 응용할 수 있다. 최신 테스트에 따르면 테슬라 밸브는 움직이는 부품 없이 체크 밸브로 작동할 뿐만 아니라 스위치처럼 반응한다. 펄스 흐름을 감쇠하고 아날로그 정류기처럼 작동한다. 즉, 액체 교류를 직류로 변환한다. 

▲ 테슬라 밸브의 난류 흐름 : 루프 모양은 유체가 이러한 소용돌이를 통해 원하는 방향에 대해 역류하는 것을 방지한다. © Nguyen et al. / Nature Communications CC-by-sa 4.0

Nikola Tesla는 전기 시대의 선구자일 뿐만 아니라 뛰어난 디자이너이기도 했다.
변압기, 전기 모터, 원격 제어 보트 및 최초의 라디오 외에도 그는 움직이는 부품 없이 관리할 수 있는 블레이드 없는 터빈과 체크 밸브를 설계했다. 오늘날 그 이름의 이름을 딴 이 테 슬라 밸브는 한 방향으로 액체의 흐름을 촉진하지만 반대 방향으로 액체의 흐름을 억제하는 루프 튜브로 구성되어 있다.

시험대에 오른 100년 된 발명품

"Tesla가 이 밸브의 프로토타입을 제작하고 테스트했는지 확실하지 않지만, 연결되고 구부러진 라인의 고유한 기하학으로 인해 많은 과학자들이 작동 방식과 가능한 응용 프로그램을 탐색하게 되었다"고 New York University의 쿠위느 응엔(Quynh Nguyen)과 그의 동료는 설명했다. Tesla 밸브는 액체 흐름이 더 빠를 때만 역류를 차단하는 것이 분명해 보인다.

지금까지 정확히 한계가 있는 곳과 펄스 흐름의 경우 밸브가 어떻게 작동하는지에 대한 흐름 물리학이 거의 조사되지 않았다. Nguyen의 동료 레이프 리스트로프(Leif Ristroph)는 "100년 된 이 발명품이 아직 완전히 이해되지 않았다는 것이 놀랍다"고 말했다. 이를 보완하기 위해 그의 팀은 최근 Tesla 밸브를 다시 만들고 현대 유체 역학 방법을 사용해 작동 방법을 분석했다.
▲ Tesla밸브의 원리 : 순방향 흐름(아래)에서는 유체가 방해받지 않고 거의 직선으로 흐르고, 리턴 흐름에서는 부품이 루프로 흘러 흐름을 방해한다. © Cmglee / CC-by-sa 4.0

밸브가 스위치처럼 갑작스럽게 반응한다.

확인된 분석 :
Tesla 밸브는 흐름에 따라 반응한다. 액체가 천천히 흐르면 난류 나 막힘없이 똑같이 양방향으로 통과 할 수 있다. 이 진행성은 파이프 반경, 액체의 점도 및 유속에 의해 결정되는 값인 100의 레이놀즈수까지 지속 된다.

그러나 레이놀즈수가 약 200으로 올라가자마자 테슬라 밸브는 갑자기 스위치가 된다.
그런 다음 액체의 역류를 차단한다. Ristroph는 "지금까지 이처럼 갑작스러운 이중적 성능을 기록한 연구는 없다."라고 설명했다. “이 스위치를 켜는 것은 역방향으로 난류가 형성되는 것과 관련이 있다. 이는 '와류 및 파괴적인 역류로 라인을 막는다.”
가장 직선 경로를 따르는 대신 액체가 밸브의 루프로 공급되어 그곳에서 혼합된다.

아날로그 정류기

테슬라 밸브의 또 다른 새로운 기능은 실험에서 밝혀진 것처럼 정류기 역할도 할 수 있다는 것이다. 한 종류의 회로에 4개의 Tesla 밸브를 결합하면 펄스 흐름을 부드럽고 균일한 유출로 변환할 수 있다. 이는 교류를 직류로 변환하는 정류기와 비슷하다.
Nguyen과 그의 동료들이 보고한 것처럼 펄스 유입으로 Tesla 밸브는 일정한 흐름보다 훨씬 더 효과적으로 리턴 흐름을 차단하고 펄스를 매우 효과적으로 감쇠시킨다.

"우리는 Tesla가 실제로 이 밸브를 사용하여 액체용 정류기를 만들고 싶었다고 생각한다. 이는 전기 실험과 유사하다"고 Ristroph는 말했다. “Tesla의 가장 유명한 발명품에는 AC 모터와 AC에서 DC로의 컨버터가 포함된다.”
▲ 아날로그 정류기로서의 Tesla 밸브. © Nguyen et al. / Nature Communications CC-by-sa 4.0

가능한 새로운 응용 프로그램

연구팀에 따르면 Tesla의 밸브 작동 방식에 대한 이러한 통찰력은 몇 가지 새로운 응용 가능성을 열어준다. 지금까지 주로 화학 및 제약 분석을 위한 미세 유체 또는 SARS-CoV-2에 대한 항원 테스트와 같은 빠른 테스트에서 움직이는 부품이 없는 체크 밸브가 유리한 곳에서 주로 사용되었다. 이러한 순수 기하학적 밸브는 프로세서 및 기타 열원의 방열판에도 활용됐다.

더 많은 가능성이 있다.
"테슬라 밸브는 이전에 고려되지 않았던 방식으로 현대 기술에 유용할 수 있다"고 Ristroph는 말했다. "예를 들어 이 구성 요소는 연료, 냉각제, 윤활유 및 기타 액체 또는 가스를 펌핑하는 엔진과 기계의 진동을 보상하는 데 사용될 수 있다.“
(Nature Communications, 2021; doi : 10.1038 / s41467-021-23009-y) )
출처 : New York University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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