KR101023672B1 - 고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급 방법 - Google Patents

고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기압 이상의 압력관에 미소량의 고상파우더를 일정하게 연속적으로 공급할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 대기압 보다 높은 압력관의 일정구간에 일정한 부압(minus pressure)을 형성시킬 수 있는 관 단면 및 환경을 구비토록하여, 대기압 상태에 있는 고상파우더를 기체가 흐르는 압력관 내부로 공급할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 이는 고상파우더를 대기압 이상의 압력관에 공급하여 분사노즐을 통해 임의의 기재에 분사하여 코팅 하는데 적용할 수 있다.
본 발명은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법으로서, (a) 대기압 보다 큰 압력의 수송기체를 아음속이 발현되는 상태로 상기 제1구간에 공급하는 단계; (b) 상기 제1구간에 공급된 수송기체의 압력을 낮추며 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 단계; 및 (c) 상기 제3구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 단계; 를 포함하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법을 제공한다.
압력관, 고상파우더, 초음속, 아음속, 코팅, 부압, 충격파

Description

고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급 방법{Solid powder feeding apparatus and Solid powder feeding method into pressured gas fluid pipes}
본 발명은 대기압 이상의 압력관에 미소량의 고상파우더를 일정하게 연속적으로 공급할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 대기압 보다 높은 압력관의 일정구간에 일정한 부압(minus pressure)을 형성시킬 수 있는 관 단면 및 환경을 구비하여, 대기압 상태에 있는 고상파우더를 기체가 흐르는 압력관 내부로 공급할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 이는 고상파우더를 대기압 이상의 압력관에 공급하여 분사노즐을 통해 임의의 기재에 분사하여 코팅 하는데 적용할 수 있다.
일반적으로 대기압(1bar) 이상의 압력(P1)으로 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법은 [도 1]에 도시된 바와 같이 고상파우더를 상기 압력관 내부의 압력(P1)보다 큰 압력(P2)으로 공급하는 것이다. 이러한 종래의 방법에서는 상기 압력관의 압력(P1)보다 고상파우더의 공급 압력(P2)이 높아야 고상파우더가 역류하지 않고 공급될 수 있다.
상기 압력관은 사용목적에 따라 대기압의 수십배에 달하는 압력(예: 10~40bar)으로 기체를 수송하여야 하는 경우가 있으며, 이러한 압력관에 고상파우더를 공급하기 위해서는 상기 압력관 내부의 압력(P1) 보다 큰 압력으로 고상파우더를 공급하여야할 수 밖에 없다. 그러나 일반적인 압축공기를 고상파우더의 수송기체로 사용하는데는 한계(일반적으로 14bar)가 있으며, 이로 인해 고가(高價)의 질소 또는 헬륨을 수송기체로 사용할 수 밖에 없는 문제가 있고, 이러한 수송기체를 장시간 연속적으로 공급하는 것의 경제성 및 생산성이 문제될 수 있다. 따라서, 위와 같은 고압력을 사용하지 않고도 대기압보다 큰 압력(P1)의 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급할 수 있도록 하는 장치 및 방법이 필요하다.
한편, 대기압 보다 큰 압력의 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다.
(1) 미합중국 특허 제5,302,414호("Gas-dynamic spraying method for applying a coating")는 스프레이 코팅에 관한 기술로서, 고상파우더를 공급하는 방법으로 3가지 방법을 적용하고 있다. 첫 번째 방법은 이 특허발명의 Fig. 1에 도 시된 바와 같이 압축 기체를 압력관 및 고상파우더가 담긴 호퍼에 공급하고, 실린더 드럼을 회전시켜 고상파우더가 호퍼 쪽으로 역류하지 않도록 압력을 조절하여 기체와 혼합되어 노즐로 이동될 수 있도록 하는 방법을 사용하였고, 두 번째 방법은 이 특허발명의 Fig. 4에 도시된 바와 같이 압축 기체를 고상파우더가 있는 피더(feeder)에 직접 공급하여 고상파우더를 밀어내어 노즐로 공급 될 수 있도록 하는 방법을 사용하였고, 세 번째 방법은 이 특허발명의 Fig. 5에 도시된 바와 같이 압축 기체를 가열장치와 고상파우더 공급기에 각 각 공급하고, 이 각 각 공급된 압축기체와 고상파우더가 혼합 챔버(premix chamber)에서 혼합되게 하고, 수송기체관을 혼합챔버에 직접 표면까지 연결하고, 고상파우더 공급관은 혼합챔버 관내부로 관통하게 하여 고상파우더가 역류되지 않고 노즐에 원활하게 공급될 수 있는 방법을 제시하였다.
(2) 미합중국 특허 제6,139,913호("Kinetic spray coating method and apparatus")는 스프레이 코팅에 관한 기술로서, 이 특허발명의 Fig. 2에 도시된 바와 같이 고상파우더를 공급하기 위하여 압력탱크의 공기를 혼합 챔버로 이송하고, 또한 이 혼합 챔버 내부로 수송된 고압의 공기보다 높은 압력상태의 고상파우더를 공급(injection)하는 방법을 제공한다. 이 방법은 상기 미합중국 특허 제5,302,414호의 세 번째 방법과 유사하게 적용된 기술이다.
(3) 대한민국 특허 제0770173호("저온스프레이 장치"), 대한민국 특허 제 0575139호("가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치") 및 대한민국 특허 제0515608호("분말 예열장치가 구비된 저온 스프레이 장치")는 혼합 챔버에 고상파우더를 공급(injection)하는 방법을 제공한다. 이 방법 또한 상기 미합중국 특허 제 5,302,414호의 세 번째 방법과 유사하게 적용된 기술이다.
상기 (1)~(3)의 특허 기술에서 사용되는 고상파우더 공급방법은 용사 증착(thermal spray), 저온분사(cold spray), kinetic spray 방법에서 일반적으로 사용하는 방법이며, 초음속을 발현하기 위해 수송기체의 압력을 10~40기압(bar)의 고압조건으로 형성하고, 이 고압 환경내에 더 높은 압력 상태의 고상파우더를 수송하도록 되어 있는 것이 일반적인 장치로 알려져 있다. 일반적으로 공기압을 사용할 경우 14기압(bar)까지 사용할 수 있고, 그 이상의 압력을 유지하기 위해서 고가의 질소(N2) 또는 헬륨(He) 가스를 사용하기 때문에 경제성 및 양산성 문제가 있다.
(4) 대한민국 특허 제0695046호("초미립자 취성재료의 저온성형방법 및 그것에 사용하는 초미립자 취성재료"), 대한민국 특허 제0724070호("복합 구조물 및 그의 제조방법과 제조장치"), 대한민국 특허 제0767395호("복합 구조물"), 대한민국 특허 제0531165호("기재 위에 고정된 카본파이버를 위한 방법 및 장치")는 에어로졸 증착(AD, aerosol deposition) 방법을 이용한 것으로서, 이 시스템에서 있어서, 공통적인 고상파우더 공급 방법은 고상파우더가 위치해 있는 에어로졸 챔버에 공급 되는 수송기체의 압력을 증착 챔버 내의 압력보다 큰 압력을 유지시킴으로써 고상파우더가 노즐에 공급되어 분사될 수 있도록 한 것이다.
다만, 에어로졸 증착 방법에서 에어로졸 챔버내에 있는 고상파우더가 수송기체와 혼합되어 이동할 때 에어로졸 챔버 출구에서 토출되는 고상파우더의 양을 일정하게 연속적으로 공급하는 것이 매우 어려운 문제점이 있다. 그 이유는 고상파우더 입자의 거동이 곧 수송가스의 거동과 일치하므로 실제 에어로졸 챔버에 연결된 압력관을 통한 에어로졸의 이동방향과 에어로졸 챔버로 유입되는 수송기체의 이동방향이 일치할 확률이 매우 낮아 균일한 농도의 에어로졸(고상파우더와 수송기체의 혼합상태)이 압력관에 연속적으로 공급되기 어렵다. 또한 에어로졸 챔버에서 에어로졸 생성시 에어로졸 챔버 내벽에 정전기 발생으로 인한 고상파우더의 부착으로 일정량의 고상파우더가 연속적으로 에어로졸 챔버에 연결된 압력관을 통해 수송되기 어렵기 때문이다.
(5) 미합중국 특허 제 4,815,414호("Powder spray apparatus")는 대기압 상태에 있는 고상파우더를 고압력(high pressure)의 수송기체를 이용하여 스프레이 노즐로 공급할 수 있는 장치를 제시한 것으로서, 이 특허발명의 명세서와 함께 첨부된 Fig. 1에 도시된 바와 같이 고상파우더가 대기압 상태에 있고 파우더가 담겨져 있는 용기 속으로 고압력의 기체를 압력관을 통하여 수송하여 용기 하부 출구에서 파우더를 흡입하여 하부 용기를 통하여 노즐로 파우더를 이동시킬 수 있는 기술로 기재되어 있다. 이 기술의 문제점은 고상파우더가 담겨져 있는 용기에 대기압보 다 높은 압력의 수송기체가 유입되므로 대기압 상태에 있는 고상파우더가 하부 용기로 완전히 흡입되지 않고 고상파우더가 담겨져 있는 상부로 역류하여 하부 용기로 고상파우더가 공급되지 않을 확률이 높다는 것이고(압력이 낮은 방향으로 이동), 다만 고압력의 수송기체 분사로 소량의 분말이 하부로 순간 이동될 수 도 있으나 계속적으로 분말의 대부분이 상부로 역류되거나 정체되는 문제점이 존재하고 있다.
(6) 미합중국 특허 제 6,569,245호("Method and apparatus for applying a powder coating")는 대기압 상태에 있는 고상파우더를 노즐에 공급하여 코팅하는 기술서, 이 특허발명의 Fig. 1에 도시된 바와 같이 압축공기 공급장치에서 공기를 노즐 유닛(unit)에 공급하고, 이 유닛에 고상파우더를 공급하여 분사되는 기술로 설명되어 있으나, 대기압 상태에 있는 고상파우더가 노즐 유닛에 공급되기 위해서는 노즐 유닛의 압력이 대기압 상태보다 낮은 부압이 형성되어야만 공급될 수 있으므로, 상기 이러한 장치에서 고상파우더는 노즐 유닛에 공급되지 못하고 역류될 수 있는 문제점이 있고, 분사속도를 더 높게 발현하기 위해 압축공기의 압력을 더 상승시킬 경우 더욱 더 고상파우더는 노즐 유닛에 공급될 수 없는 환경에 놓이게 되는 문제점이 있다.
상기 (5)~(6)의 특허 기술에서 대기압 상태에 있는 고상파우더는 호퍼(hopper)와 같은 용기에 고상파우더를 토출하는 임의의 장치 없이 자중(self weight)으로 토출되기 때문에 고상파우더 양을 일정하게 조절하여 토출할 수 없는 문제점이 있다. 이로 인하여 고상파우더 코팅층의 두께 및 품질을 일정하게 유지할 수 없는 한계가 있다.
전술한 바와 같이 대기압 보다 높은 압력이 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법에서 개선해야 할 문제점은 ⅰ) 대기압 보다 높은 고압력(예:10~40기압(bar))이 요구되며, ⅱ) 이 고압력을 공급하기 위해 공기 이외 고가의 질소 또는 헬륨 기체를 사용해야 되며, ⅲ) 대기압 상태의 고상파우더에 대기압 보다 높은 압력의 기체가 흐르는 경우 고상파우더가 역류 또는 정체될 가능성이 있고, ⅳ) 미소량과 일정량의 고상파우더를 연속적으로 공급하는 것이 어렵다는 것 등이다.
본 발명은 기체가 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 원리를 이용하여 대기압(atmospheric pressure) 보다 높은 압력의 기체가 흐르는 압력관의 일정 구간에 대기압 이하의 부압(負壓, minus pressure)을 형성시킴으로써, 대기압 상태에 있는 고상파우더가 상기 압력관 중 부압이 형성된 구간에 공급되게 하고, 이후 수송기체와 고상파우더가 혼합된 에어로졸은 다시 최초 수송기체의 압력에 비해 큰 압력 손실 없이 분사될 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제 해결을 위해 본 발명은 다음과 같은 수단을 적용한다. 단, 본 명세서에서 '압력관'이라 함은 관(管) 내부에 대기압 이상의 압력이 형성된 관은 물론, 전체적으로는 대기압 이상의 압력이 형성되되 일부 구간에 부압이 형성된 관도 함께 칭하는 것으로 정의한다.
본 발명은 압력관 내에 대기압 상태에 있는 고상파우더를 공급할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있으며, 본 발명은 압력관 보다 큰 압력으로 고상파우더를 밀어 넣는 종래의 기술들을 지양하고, 압력관 중 일부구간에 부압을 형성시킴으로써, 대기압 상태의 고상파우더가 자연스럽게 압력관 내로 유입되도록 하 는 기술수단이 그 첫번째 요지(要旨)이다. 압력관 중 일부구간에 부압을 형성시키기 위한 방법으로서는 관로의 단면 형상 변화, 관로 내의 압력 및 기체속도를 조절하는 종래의 초음속 노즐과 아음속 노즐의 원리를 응용하였다.
한편, 압력관에 고상파우더를 공급하는 궁극적인 이유는 수송기체와 고상파우더가 혼합된 에어로졸을 특정 기재에 고압으로 분사증착시키기 위한 것이므로, 상기 압력관 내에 고상파우더가 공급된 후에는 다시 대기압 이상의 최초 수송기체의 압력에 비해 큰 압력 손실 없이 분사될 수 있어야 하고, 이를 실현하는 기술수단이 본 발명의 두번째 요지(要旨)이다.
본 발명은 부압구간에서 현저히 낮아진 압력을 초음속 상태에서 발생하는 충격파로 급상승시키고자 한 것이며, 궁극적으로 필요한 에어로졸의 분사속도와 압력을 고려하여 부압구간 이후의 압력관 단면형상 변화 및 충격파 발생 위치 조절을 꾀하여야 한다. 충격파는 압력관 내로 유입되는 당시의 수송기체의 압력 조절에 의해 그 발생거리를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 구체적인 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 대기압 보다 큰 압력관(P1)의 일정 구간에 부압(P3)을 형성시켜 고압력 (예:11~41기압(bar)) 사용 없이 대기압 상태(P2)에서 고상파우더를 역류 및 정체 없이 원활하게 공급할 수 있다.
둘째, 고상파우더 공급을 위한 수송기체를 공기 이외에 고가의 질소 또는 헬륨기체를 사용하지 않아도 되기 때문에 간단한 공급 장치 및 경제성을 제공한다.
셋째, 고상파우더를 소량, 일정량 및 연속적으로 기체가 흐르는 관에 공급할 수 있다.
넷째, 단수개 뿐만 아니라 복수개의 고상파우더공급기를 대기압 보다 큰 압력관에 연결하여 단수개 및 복수개의 고상파우더를 혼합 공급할 수 있다.
다섯째, 압력관 말단에는 아음속노즐 또는 초음속노즐을 설치하여 고상파우더를 기재에 분사 코팅시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급 방법을 적용할 수 있는 장치는 용사증착(thermal spray), 저온분사(cold spray), 플라즈마(plasma) 증착, 동적증착(kinetic spray), 정전입자충격(electrostatic powder impact deposition) 증착, 가스 증착(gas deposition), 에어로졸 증착(aerosol deposition) 등을 예로 들 수 있다.
본 발명은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 압력관; 및 일측은 고상파우더수송관에 의해 상기 제3구간과 연통되어 있으며, 타측은 외기 유입통로가 구비된 하나 또는 다수개의 고상파우더공급기; 를 포함하여 구성되는 고상파우더 공급장치를 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 첨부된 [도 2]에 도시된 바와 같이 압력관(3)의 일부구간(7)에 부압(P3)이 형성되도록 하여 대기압(P4) 상태의 고상파우더(1)를 대기압 보다 높은 압력(P1, P1′)의 수송기체(4)가 흐르는 압력관(3)에 공급할 수 있도록 구성한 것이다. 이를 위해서는 압력관(3)의 단면 형상을 아래와 같은 제1구간 내지 제5구간이 형성되도록 변화시켜야 하는데 이에 대한 상세한 내용은 [도 3] 및 [도 4]와 함께 설명하기로 한다.
1. 제1구간
제1구간(①)은 압력관이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 제1구간 (①)에는 대기압 보다 큰 압력의 수송기체(4)가 아음속이 발현되는 상태로 공급된다. 본 제1구간(①) 이후 압력관의 단면적 변화로 인해 수송기체(4)의 온도는 하강하거나 상승하게 되는데 기재(11)의 열충격 배제, 에어로졸(5)의 원활한 수송 등을 위해 수송기체(4)를 적절한 임의의 온도로 가열하는 등의 조치를 취할 수 있다.
본 제1구간(①)에서는 후술할 제3구간(③)에 고상파우더가 공급된 이후 수송기체의 온도가 273K(0℃)이하로 하강되지 않도록(미량의 수분이 포함되어 있는 고상파우더가 응고하여 입자간 서로 응집하는 현상이 발생할 수 있다.) 수송기체를 임의의 적정 온도로 가열하는 조치를 취하여야 한다. 이에 대한 상세한 내용은 [도 8] 및 등엔트로피 정상 준1차원 유동(isoentropic quasi-one-dimensional flow) 관계식과 함께 설명하기로 한다.
먼저, 제1구간(①)을 지나는 수송기체의 온도에 따라 제3구간을 지나는 수송기체의 온도가 어떻게 변화는지 이론적으로 설명하기 위해 등엔트로피 정상 준1차원 유동에 관한 관계식(식 1)과 유동에서 수직충격파가 발생할 때의 관계식(식 2)을 열거하면 아래와 같다.
등엔트로피 정상 준 1차원 유동에서 마하수(mach number)와 온도의 관계식은;
Figure 112009015557343-pat00001
(식 1)
여기서,
Figure 112009015557343-pat00002
= 비열비(specific heat ratio),
(예; 수송기체가 공기일 경우,
Figure 112009015557343-pat00003
=1.4)
Figure 112009015557343-pat00004
= 마하수(mach number),
Figure 112009015557343-pat00005
= 제2구간 입구의 수송기체 온도,
Figure 112009015557343-pat00006
= 제2구간 출구의 수송기체 온도이고,
유동에서 수직충격파가 발생할 때의 관계식은;
Figure 112009015557343-pat00007
(식 2)
여기서,
Figure 112009015557343-pat00008
= 수직충격파 발생 전(前)의 수송기체 온도
Figure 112009015557343-pat00009
= 수직충격파 발생 후(後)의 수송기체 온도
Figure 112009015557343-pat00010
= 수직충격파 발생 전(前)의 수송기체 마하수
Figure 112009015557343-pat00011
= 수직충격파 발생 후(後)의 수송기체 마하수이다.
따라서, 상기 (식 1)에서 알 수 있듯이 제2구간(②)의 관목(관경의 축소구간과 확장구간의 경계면, 이하 동일)을 통과한 수송기체(4)의 마하수가 증가할수록 제2구간(②) 입구 수송기체의 온도 대비 제2구간 출구 수송기체 온도가 급격히 하강한다. 한편, 상기 (식 2)에서는 수직 충격파(13) 발생 후 수송기체의 마하수는 아음속(M<1)으로 감소되고, 이때 수송기체의 온도는 급격히 상승한다는 사실을 알 수 있다. 즉, 상기 이론에 근거하여 본 발명을 [도 8]에 도시된 바와 같이 적용하여 설명하면 다음과 같다.
[도 8]은 제1구간(①)의 수송기체 온도 및 제3구간(③)의 수송기체 마하수에 따른 제1구간 내지 제5구간에 걸친 수송기체의 온도변화를 도시한 것으로서, 제1구간에 공급되는 수송기체의 온도가 500K인 경우와 300K인 경우를 나누어 도시하였다.
첫째, 제1구간의 수송기체 온도(To)를 500K로 한 경우;
(1) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 2일 경우(Case A), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)가 약 278K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 수송기체의 온도가 급격히 상승하여, 상기 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)는 약 469K로 된다.
(2) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 3일 경우(Case B), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)는 약 178K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 급격히 온도가 급격히 상승하여, 상기 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)는 약 478K로 된다.
따라서, 상기 To=500K, Me=2인 경우는 제3구간을 지나는 수송기체의 온도(Te)는 약 278K가 되어 고상파우더가 응고되지 않지만, To=500K, Me=3인 경우는 Te=약 178K이기 때문에 고상파우더가 응고되어 응집되는 현상이 발생할 수 있다.
둘째, 제1구간의 수송기체 온도(To)를 300K로 한 경우;
(1) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 2일 경우(Case C), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)가 약 166K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 급격히 온도가 급격히 상승하여, 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)가 약281K로 된다.
(2) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 3일 경우(Case D), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)가 약 107K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 급격히 온도가 급격히 상승하여, 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)가 약287K로 된다.
따라서, 상기 To=300K, Me=2 및 To=300K, Me=3의 두 경우 모두 제3구간에서 발생하는 온도(Te)가 274K 미만이기 때문에 고상파우더가 응고되어 응집되는 현상이 발생할 수 있다.
상기 4가지 경우를 표로 정리하면 아래와 같다.
[표 1]
Case To[K] Me Te[K] T2[K]
A 500 2 278 469
B 500 3 178 478
C 300 2 166 281
D 300 3 107 287
상기 예에서 알 수 있듯이, 제3구간을 지나는 수송기체의 온도를 영상으로 유지하기 위해서는, 제1구간 수송기체의 온도나 제3구간 수송기체의 마하수를 조절하여야 한다. 제3구간의 초음속(M>1) 발현에 대해서는 후술하기로 한다.
2. 제2구간
제2구간(②)은 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 구간이다. 즉, 본 제2구간(②)은 초음속 노즐 형상으로 구성된 것이며, 본 제2구간(②)을 거친 수송기체(4)는 초음속이 발현된다.
상기 제2구간(②) 중 관경이 감소되는 구간(②')에서는 마하수가 1보다 작은(M<1) 아음속 구간으로서 관경은 일정함에 따라, 상기 제1구간(①)에서부터 아음속으로 진행하던 수송기체(4)의 압력 또한 일정하게 감소하게 되고, 상기 제2구간의 관목에서는 수송기체(4)의 마하수가 1이 되며(M=1), 단면이 일정하게 확대되는 구간(②")에서는 마하수가 1보다 크게 되어(M>1) 초음속이 발현되며, 관경이 일정하게 증가함에 따라 수송기체(4)의 압력은 계속 감소하게 된다(초음속 상태에서는 관경이 증가하면 압력이 감소한다).
본 제2구간(②)에서 발현되는 수송기체(4)의 초음속은 수송관의 형상(제2구간 입구, 관목, 제2구간 출구의 단면적)과 환경(제2구간 입구의 압력 및 온도, 제2구간 출구의 압력 및 온도)에 의해 각각 다르게 결정된다.
3. 제3구간
제3구간(③)은 압력관이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 구간은 압력관 내에 부압(minus pressure)이 형성되는 구간으로서, 본 제3구간(③) 전체에 걸쳐 일정한 부압이 형성되도록 하기 위하여 단면적이 일정하게 유지되어야 한다. 따라서, 이 구간에 고상파우더수송관(10)을 연결하여 대기압 상태에 있는 고상파우더(1)를 공급할 수 있다. 본 제3구간은 대기압 상태인 고상파우더공급기(2) 내부보다 그 압력이 작으므로 고상파우더(1)가 정체되거나 역류됨 없이 상기 제3구간 내로 유입된다. 이에 따라 제3구간 내에서는 수송기체(4)와 고상파우더(1)가 섞인 에어로졸(5)이 형성된다.
한편, 상기 고상파우더(1)를 대기압 상태로 유지하기 위해서는 고상파우더공급기(2)의 일부에 외기 유입통로를 형성시켜야 하며, 이에 따라 고상파우더공급기(2) 내외부의 공기압은 대기압(1bar) 상태로 일정하게 유지된다. 상기 외기 유입통로에 에어필터를 설치하면 외기와 함께 유입될 수 있는 미세먼지 등이 고상파우더(1)에 혼입되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 고상파우더공급기(2) 내에는 고상파우더(1)를 압축 저장하여 일정시간에 일정소량의 고상파우더(1)를 연속적으로 상기 제3구간에 공급할 수 있고, 직경이 미소한 미세스크류(screw, 미도시)를 상기 고상파우더수송관(10)에 설치하여 모터의 회전수(RPM)를 조절하거나 상기 고상파우더수송관(10)에 설치된 조절밸브(12)를 이용하여 고상파우더(1)를 맥동 없이 공급할 수 있다.
또한, 상기 고상파우더수송관(10)은 상기 제3구간으로 토출된 고상파우더(1)가 수송기체(4)와 잘 혼합될 수 있는 각도로 조절되도록 구성할 수 있다.
[도 6]과 [도 7]은 상기 제3구간에 복수개의 고상파우더공급기(2)를 연결한 실시예이다. 이러한 실시예에 의해 2종류 이상의 고상파우더(1)를 상기 제3구간에 함께 혼입시킬 수 있다.
한편, 제2구간(②) 중 관경이 일정하게 확대되는 구간(②")에서는 수송기체(4)의 마하수가 1보다 크게되어(M>1) 초음속으로 발현되므로, 수송기체는 제3구간에서의 마하수(mach number ; M)가 증가할수록 급격한 온도 강하가 발생한다. 따라서, 대기압 조건에 있는 고상파우더(1)가 대기압 상태의 공기(6)와 함께 수송관의 부압영역(제3구간)에 흡입될 경우, 흡입된 공기 중의 수분이 응고되어 고상파우더(1)와 공기의 혼합밀도가 불균일하게 되어 균일한 밀도의 에어로졸(5) 유동이 형성되기 어렵다. 이를 해결하기 위해서는 상기 제1구간(①)에서 수송기체(4)를 미리 가열하여 상기 제2구간(②)으로 수송하고, 미리 가열되는 수송기체(4)의 온도는 후술할 제5구간(⑤) 말단에 있는 초음속 노즐(또는 아음속 노즐)의 분사환경(노즐의 입구온도와 출구온도)과 분사 후 기재(11)에 이르는 수송기체(4)의 온도(기재에 열충격을 주지 않는 온도)를 모두 고려하여 정할 수 있다.
4. 제4구간
제4구간(④)은 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 구간이다. 이 구간에서는 충격파(13) 발생으로 인해 압력이 상승되어 수송기체가 다시 아음속으로 변경되는 구간이다. 상기 제4구간 중 단면이 일정하게 축소되는 구간(④')에서는 제3구간에서 발현된 초음속(M>1)이 연속적으로 발현된다. 한편, 제4구간 중 단면이 일정하게 확대되는 구간(④")에서는 상기 제3구간에서 형성된 에어로졸(5)이 초음속 상태로 유지되므로 관경이 감소함에 따라 구간 내 압력이 서서히 증가하게 되는데, 상기 제4구간의 관목에는 상기 제3구간에서 발현된 초음속에 따른 충격파(shock wave, 13)가 발생하여, 에어로졸(5)의 압력이 급속하게 상승하게 된다.
제4구간(④) 중 단면이 일정하게 확대되는 구간(④")에서는 상기 관목에서 발생한 충격파(13)로 인하여, 상기 제3구간에서 발현된 초음속(M>1)이 다시 아음속(M<1)으로 변하고, 그 결과 압력은 급격히 상승하게 된다. 이에 따라, 상기 제4구간을 거쳐 제5구간에 진입한 수송기체의 압력은 상기 제1구간에 최초로 공급되는 수송기체의 압력과 큰 차이가 없게 된다.
수송기체(4)가 상기 제2구간을 통과하면 그 속도가 초음속이 되고, 이에 따라 충격파(13)가 발생하는데, 본 발명에서는 [도 5]에 도시된 바와 같이 제3구간에 충격파(13)가 발생하지 않도록 하여 상기 제3구간 전체를 부압형성 구간으로 활용토록 한다. 이를 위해서는 제1구간에서의 수송기체 압력을 감소시키며 충격파(13) 가 제3구간을 벗어나, 제4구간의 관목에 생성되도록 조절해야 한다. 만약, 제3구간에 충격파(13)가 생기게 되면 제3구간에 일정한 부압이 발생하지 아니하므로 대기압 상태에 있는 고상파우더(1)를 공급하기 어려워짐은 물론, [도 5]의 그래프에서 파악되듯이 후술할 제5구간에서 에어로졸(5)의 압력손실이 커지게 된다.
한편, 이상기체 1차원 정상류거동관계식(PA = P'A')에 따르면 제2구간 관목에서의 압력(P)과 단면적(A)을 곱한 값이 제4구간 관목에서의 압력(P')과 단면적(A')을 곱한 값과 같아야 하고, 제4구간을 지나면서 엔트로피가 증가하기 때문에 제2구간 관목의 압력이 제4구간 관목의 압력보다 크게 된다. 그래서 제4구간 관목의 단면적(A')은 제2구간 관목의 단면적(A) 보다 커야 한다.
5. 제5구간
제5구간(⑤)은 압력관의 관경이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 제5구간(⑤)의 구간 내 압력은 제1구간(①)에서의 압력을 거의 회복한 상태로 일정하게 유지된다.
한편, 본 제5구간(⑤)의 말단에는 [도 6]에 도시된 바와 같은 아음속노즐(8) 또는 [도 7]에 도시된 바와 같은 초음속노즐(9)을 필요에 따라 선택적으로 연결하여 외부의 기재(11)에 에어로졸(5)이 분사되도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 에어로졸(5)은 대기 중에 있는 기재(11) 또는 진공상태(진공챔버 내)에 있는 기재(11)에 분사 코팅된다.
본 발명이 제공하는 압력관 내 고상파우더(1) 공급 방법도 전술한 압력관(3)을 이용하는 것이다. 즉, 본 발명은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법으로서, (a) 대기압 보다 큰 압력의 수송기체를 아음속이 발현되는 상태로 상기 제1구간에 공급하는 단계; (b) 상기 제1구간에 공급된 수송기체의 압력을 낮추며 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 단계; 및 (c) 상기 제3구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 단계; 를 포함하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법을 제공한다.
상기 압력관(3)의 단면 형상 변화와 압력관(3) 내부 수송기체(4) 또는 에어로졸(5)의 압력 및 속도 변화에 대해서는 전술한 바와 같다.
즉, 상기 (a)단계에서는 대기압 이상 압력의 수송기체(4)를 아음속이 발현되는 상태로 상기 제1구간(①)에 공급하여, 상기 수송기체(4)가 상기 제2구간(②) 중 관경이 감소되는 구간(②')을 지나며 압력이 감소하고 속도는 음속에 근접하다가 제2구간 중 관경이 확장되는 구간(②")을 지나며 압력은 계속 감소하고 속도는 초음속이 발현되어, 상기 제3구간에 이르러 대기압보다 낮은 부압이 형성되도록 하 고,
상기 (b)단계에서는 상기 제1구간(①)에 공급된 수송기체(4)의 압력을 낮추며 충격파(13) 발생 위치를 제4구간(④)의 관목에 맞추며,
상기 (c)단계에서는 상기 제3구간(③)에 대기압 상태의 고상파우더(1)를 공급함으로써 상기 수송기체(4)와 고상파우더(1)가 혼합된 에어로졸(5)을 형성되도록 하여, 상기 에어로졸(5)이 초음속을 유지하며 제4구간 중 관경이 감소하는 구간(④')에서 압력이 증가하다가 제4구간의 관목에서 발생한 충격파(13)에 의해 제4구간 중 관경이 증가하는 구간(④")에서의 압력은 대기압 이상으로 급증하고, 속도는 아음속으로 떨어진 상태로 제5구간(⑤)을 통해 외부로 배출되도록 하는 것이다.
상기 (b)단계에서 충격파(13) 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 방법으로서는, 상기 압력관(3)에 압력계를 연결하여 상기 제4구간 관목의 경계면에서 압력이 급상승되는지 여부를 체크하여, 압력이 급상승하는 순간에 상기 제1구간(①)에 공급된 수송기체(4)의 압력을 낮추는 과정을 중단시키는 방법을 취할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계는 고상파우더공급기(2) 내에 압축 저장된 고상파우더(1)를 상기 제3구간(③)에 일정시간 및 일정소량으로 연속 공급함으로써 고상파우더(1)가 대면적 기재(11)에 연속적으로 증착되도록 할 수 있다.
아울러, 제3구간을 지나는 수송기체의 온도가 영상으로 유지되도록 하기 위 해서는 상기 (a)단계에서 제1구간을 지나는 수송기체의 온도조절을 수행하거나, 상기 (c)단계에서 제3구간을 지나는 수송기체의 마하수를 조절할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 첨부된 도면과 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
도 1은 대기압 이상 압력의 수송기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급할 수 있는 종래 장치의 개념도이다.
도 2는 대기압 이상 압력의 소송기체가 흐르는 압력관 일정구간에 부압이 형성되어 대기압 상태의 고상파우더를 공급할 수 있는 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 압력관의 단면 형상을 나타낸 개념도이다.
도 4는 압력관의 단면 변화에 따른 압력관 내부 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 충격파 발생 위치의 변환이 압력관 내부 압력 변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 6은 복수개의 고상파우더공급기가 부압형성구간에 연결되어 있고, 압력관 말단에 아음속 노즐이 끝단에 연결되어 있는 고상파우더 공급장치 일 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 복수개의 고상파우더 공급기가 부압형성구간 연결되어 있고, 압력관 말단에 초음속 노즐이 연결되어 있는 고상파우더 공급장치 일 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 제1구간의 수송기체 온도 및 제3구간의 수송기체 마하수에 따른 제1구간 내지 제5구간에 걸친 수송기체의 온도변화를 도시한 것이다.
<발명의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 고상파우더 2 : 고상파우더공급기
3 : 압력관 4 : 수송기체
5 : 에어로졸 6 : 대기압
7 : 부압형성구간 8 : 아음속노즐
9 : 초음속노즐 10 : 고상파우더수송관
11 : 기재 12 : 조절밸브
13 : 충격파
① : 제1구간 ② : 제2구간
③ : 제3구간 ④ : 제4구간
⑤ : 제5구간

Claims (9)

  1. 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 압력관; 및
    일측은 고상파우더수송관에 의해 상기 제3구간과 연통되어 있으며, 타측은 외기 유입통로가 구비된 하나 또는 다수개의 고상파우더공급기; 를 포함하여 구성되는 고상파우더 공급장치.
  2. 제1항에서,
    상기 고상파우더수송관은 그 연결각도가 조절되도록 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치.
  3. 제1항에서,
    상기 압력관의 제5구간 말단에는 구비된 초음속노즐 또는 아음속노즐이 구비 된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치.
  4. 제3항에서,
    상기 초음속노즐 또는 아음속노즐을 수용하는 진공챔버; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치.
  5. 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법으로서,
    (a) 대기압 보다 큰 압력의 수송기체를 아음속이 발현되는 상태로 상기 제1구간에 공급하는 단계;
    (b) 상기 제1구간에 공급된 수송기체의 압력을 낮추며 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 단계; 및
    (c) 상기 제3구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 단계; 를 포함하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 (a)단계는 제3구간을 지나는 수송기체의 온도가 영상으로 유지되도록 제1구간을 지나는 수송기체의 온도조절을 수행하는 것을 특징으로 하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.
  7. 제5항에서,
    상기 (b)단계는 상기 압력관에 연결된 압력계로 제4구간의 관목에서 압력이 급상승되는지 여부를 체크하며 수행하는 것을 특징으로 하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.
  8. 제5항에서,
    상기 (c)단계는 고상파우더공급기 내에 압축 저장된 고상파우더를 상기 제4구간에 일정시간 및 일정소량으로 연속 공급하는 것을 특징으로 하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.
  9. 제5항에서,
    상기 (c)단계는 제3구간을 지나는 수송기체의 온도가 영상으로 유지되도록 제3구간을 지나는 수송기체의 마하수를 조절하는 것을 특징으로 하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.
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