KR100521625B1 - 초음파 세척기용 진동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환시키는 진동자와 출수단에 구비되어 상기 진동자로부터 방출되는 초음파 에너지를 세척수와 함께 분사하는 다구 노즐을 포함하는 초음파 세척기에 있어서, 상기 진동자는 압전세라믹 몸체와, 상기 압전세라믹 몸체의 적어도 일면에 구비되는 전극과, 상기 압전세라믹 몸체의 타면에 구비된 하나 이상의 방사전극으로 이루어지되, 상기 방사전극은 초음파 에너지를 고르게 분산시킬 수 있도록 상기 노즐의 분사구멍의 갯수나 배열위치에 대응되는 중심점을 가진 것을 특징으로 하는 초음파 세척기용 진동자를 제공한다.

Description

초음파 세척기용 진동자{Transducer of megasonic cleaner}

본 발명은 과일이나 야채 및 식기류 등을 세척하기 위한 분사식 초음파 세척기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1MHz이상의 초음파 에너지를 발산하는 진동자의 형태를 변형하여 다구 노즐에 적용시 초음파 에너지를 고르게 분산시킬 수 있는 초음파 세척기용 진동자에 관한 것이다.

일반적으로, 초음파 세척은 주로 초음파의 분무 미립화나 물입자 가속도 및 캐비테이션(cavitation) 현상에 의해 이루어지며 이 캐비테이션 현상은 초음파의 에너지가 용액중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해 미세기포가 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰 압력과 고온을 동반한다. 이 충격파에 의해 용액중에 담겨 있는 피세척물의 내부 깊숙히 보이지 않는 곳까지 단 시간내에 세척이 가능해진다. 실제의 경우에는 캐비테이션에 의한 충격에너지에 대하여 초음파 자체의 방사압에 의한 교반효과 열작동 등의 세제와 상승작용을 일으켜 높은 세척효과를 이루어낸다. 이런 원리를 이용하여 다양한 형태의 초음파 세척기가 사용되고 있다.

최근에 물을 절약하면서도 과일이나 야채류 및 식기류(이하, 피세척물이라 한다) 등에 묻어있는 이물질을 깨끗이 제거할 수 있는 초음파 방식을 이용한 과일이나 야채류용 및 식기류용 초음파 세척기가 다양하게 개발되고 있다.

도 1은 종래 초음파 세척기의 일예로서, 분사식 초음파 세척기의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 종래 초음파 세척기에 장착되는 초음파 진동자를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 초음파 진동자가 다구 노즐에 적용된 경우 초음파의 진행방향을 개략적으로 도시한 도면이다.

종래의 분사식 초음파 세척기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다음과 같은 구성을 가진다. 구성부분을 지지하는 케이스(10), 외부에서 입력되는 상용전원 입력 코드(20), 상용전원 입력 코드(20) 케이블의 꺾임을 보호하기 위한 장치(25), 외부에서 입력되는 상용전원에 따라 전기 진동을 발생시키는 초음파 발진 회로부(32), 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환하는 초음파 진동자(34), 초음파 발진 회로부(32)로부터 초음파 진동자(34)에 입력 전원 및 신호 전압을 인가시키기 위한 단자 역할을 하는 금속판(38), 세정 대상물을 세정하는 세정수가 급수되는 급수구에 연결되어 세정수를 급수하는 급수관(55), 세정수가 초음파를 집중 조사 받을 수 있도록 세정수를 일정량 저장하는 저수부(60), 초음파 진동하는 세정수가 분사되어 나가는 노즐(70)을 포함하는 구성을 하고 있다. 한편, 미설명 도면부호 36은 개스킷을 나타낸다.

그리고, 도 2는 종래 방사전극 패턴이 원형인 초음파 세척기용 진동자를 도시한 도면으로, (a)는 진동자의 방사전극 형태를 보여주는 평면도이고, (b)진동자의 측단면도이다.

도시된 바와 같이, 이러한 초음파 진동자(34)는 압전세라믹 몸체(34a)와, 상기 압전세라믹 몸체(34a)의 외측 및 저면을 에워싼 전극(34b)과, 상기 압전세라믹 몸체(34a)의 상면 중앙에 구비된 원형타입의 방사전극(34c)으로 이루어져, 초음파 발진 회로부(32; 도1참조)에서 발생된 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환시키게 된다. 즉, 압전성을 가지는 압전세라믹 몸체(34a)에 고주파 전압을 걸면 압전세라믹 몸체(34a)가 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 압전세라믹 몸체(34a)의 고유진동수에 맞추면 공진하여 상기 압전세라믹 몸체(34a)가 강하게 진동하며, 이러한 역압전효과(逆壓電效果)를 이용하여 강력하고 안정된 기계적인 진동을 얻게 된다. 미설명한 " + "는 원형타입의 방사전극(114)에 형성되는 가상의 중심점을 나타낸다.

결과적으로, 초음파 진동자(34)는 주파수 1㎒ 이상의 초음파를 물에 조사하여 피세척물을 세척하게 되는데, 이때 초음파를 세척액에 조사하게 되면 매초 수천만회 이상의 캐비테이션 현상이 발생, 소멸하면서 강력한 에너지를 방출하여 피세척물의 표면과 내부에는 전혀 손상없이 단시간 내에 세척이 이루어진다.

하지만, 이러한 진동자는 다음과 같은 문제점이 있었다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 원형타입의 방사전극을 가진 초음파 진동자가 분사구멍이 1개인 1구 스폿(spot) 노즐(도1참조)에 적용된 경우에는 큰 무리가 없으나, 분사구멍이 다수개 형성된 다구 노즐(70??;도3참조)에 적용시에는 도 3에 도시된 화살표와 같이 음압이 가운데로 집중되면서 음압의 간섭으로 인해 노즐의 특정부분에 심각한 열이 발생하여, 초음파 진동자 수명의 단축은 물론 노즐의 변형이 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 초음파 에너지는 원형타입의 방사전극을 기준으로 중앙에 집중되는 경향이 강하므로 피세척물의 손상 등의 문제점이 발생함과 동시에 초음파 에너지의 중심 집중으로 인해 인체에 접촉됐을 경우 심각한 통증은 물론 피부조직의 파괴를 유발하게 되며, 반면 중앙을 제외한 주변의 노즐 출구에는 초음파 에너지가 거의 부가되지 않는 또 다른 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 초음파 에너지인 음압이 중심으로 집중되는 현상을 방지하도록 초음파 에너지를 고르게 분산시켜 다구 노즐의 적용시에 노즐 단면의 간섭에 의한 열발생과 에너지 손실을 최소화시킬 수 있는 초음파 세척기용 진동자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환시키는 진동자와 출수단에 구비되어 상기 진동자로부터 방출되는 초음파 에너지를 세척수와 함께 분사하는 다구 노즐을 포함하는 초음파 세척기에 있어서, 상기 진동자는 압전세라믹 몸체와, 상기 압전세라믹 몸체의 적어도 일면에 구비되는 전극과, 상기 압전세라믹 몸체의 타면에 구비된 하나 이상의 방사전극으로 이루어지되, 상기 방사전극은 초음파 에너지를 고르게 분산시킬 수 있도록 상기 노즐의 분사구멍의 갯수나 배열위치에 대응되는 중심점을 가진 것을 특징으로 한다.

상기 방사전극은 상기 압전세라믹 몸체의 중심을 축으로 상호 대칭을 이루는 배열 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방사전극은 크로바 형태인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초음파 세척기용 진동자를 상세하게 설명한다.

도 4a,4b는 본 발명의 초음파 세척기용 진동자와 5구노즐의 일실시예를 도시한 도면으로, 도 4a의 (a)는 진동자의 방사전극 형태를 보여주는 평면도이고, (b)진동자의 측단면도이며, 도 5는 도 4a,4b의 진동자와 노즐이 적용된 된 경우 초음파의 진행방향을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 초음파 세척기의 출수단에 구비되어 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환시키는 진동자(110)로서, 상기 진동자(110)는 압전세라믹 몸체(112)와, 상기 압전세라믹 몸체(112)의 외측 및 저면을 에워싼 전극(113)과, 상기 압전세라믹 몸체(112)의 상면 중앙에 구비된 방사전극(114)으로 이루어진다.

그리고, 상기 방사전극(114)은 초음파 에너지를 고르게 분산시킬 수 있도록 노즐(120)의 분사구멍(122)의 갯수나 배열위치에 대응되게 형성된 다수의 중심점을 가진 다양한 형태로 형성된다.

즉, 종래 원형타입의 방사전극(34c; 도2참조)의 경우 1개의 중심점을 가지기 때문에 초음파 에너지가 중심으로 집중되는 경향이 있는데, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 진동자(110)는 분사노즐(120)의 분사구멍(122)의 갯수나 배열위치에 따라 상기 분사구멍(122)에 대응하는 다수의 중심점을 가지도록 설계된다.

한편, 도면에서는 방사전극(114)에 형성되는 가상의 중심점을 " + "로 표시하였다.

다시말해, 종래 중심점이 1개인 원형타입의 방사전극(34c; 도2참조)의 경우 초음파 에너지가 중앙에 집중되어 다구 노즐의 분사구멍(122)의 특정부분, 중앙부분에만 변형을 가져오는 문제점을 해결하기 위해 초음파 에너지가 발산되는 진동자(110)의 방사전극(114)을 크로바 형태로 변형하여 상기 방사전극(114)이 다수의 중심점을 가지도록 설계함으로써, 초음파 에너지가 고르게 분산되도록 하는데 본 발명의 기술적 특징이 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 방사전극(114)의 구체적인 실시예를 중심으로 설명하고자 한다.

우선, 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 진동자(110)는 압전세라믹 몸체(112)와 전극(113) 및 4잎 크로바형 방사전극(114)으로 이루어진다. 한편, 노즐(120)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 분사구멍(122)의 갯수가 5개인 5구 노즐이 적용될 수 있다. 즉, 상기 노즐(120)의 분사구멍(122)의 갯수 및 배열위치에 대응되게 진동자(110)의 방사전극(114)의 형태가 대략 5개의 중심점을 가진 4잎 크로바 형태로 형성되어 초음파 에너지를 고르게 분산시키는 기능을 수행하게 된다.

좀더 상세히 설명하면, 전극(113)과 방사전극(114)에 고주파 전압을 걸면 압전성을 가지는 압전세라믹 몸체(112)가 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 압전세라믹 몸체(112)의 고유진동수에 맞추면 공진하여 상기 압전세라믹 몸체(112)가 강하게 진동하며, 이러한 역압전효과를 이용하여 강력하고 안정된 기계적인 진동을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 기계적인 진동이 4잎 크로바 형태의 방사전극(114)으로 전달되는데, 이때 중심점이 대략 5개 정도인 크로바 형태의 방사전극(114)으로 인해 초음파 에너지는 대략 5개 정도의 분산된 파형을 형성하게 된다. 즉, 크로바 형태의 방사전극(114)의 중심점이 5개인 경우 압전세라믹 몸체(112)를 통해 전달된 초음파 에너지가 크로바 형태의 방사전극(114)의 각각의 중심점을 중심으로 방출되면서 5개의 초음파 에너지의 파형을 형성하게 된다.

따라서, 이러한 5구 노즐(120)과 4잎 크로바형 방사전극(114)을 가진 진동자(110)가 초음파 세척기에 적용된 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 초음파 에너지가 진동자(110)의 5개의 중심점을 가진 4잎 크로바형 방사전극(114)으로부터 고르게 발산되어 분사구멍(122)의 갯수와 배열위치에 맞게 노즐(120)의 단면과의 간섭을 최소화시킴으로써, 진동자(110) 및 노즐(120)의 열발생을 최소화시켜 수명을 연장시키게 된다.

또한, 초음파 에너지가 중앙에 집중되는 것을 방지하여 다구 노즐(120)을 통해 분사되는 세척수에 고르게 초음파 에너지가 부가되어 분사되기 때문에 세척면적이 확대되게 된다.

한편, 본 출원인이 종래 원형타입의 방사전극(34c; 도2참조)을 가진 진동자(34; 도2참조)와 본 발명의 4잎 크로바형 방사전극(114)을 가진 진동자(110)를 다양한 실험조건에서 실험한 결과를 보여주고 있다. 즉, 상기된 <표1>과 <표1에 대한 결과 그래프>는 압력 64psi, 유량 1200㎖/min에서 원형타입의 방사전극(34c)을 가진 진동자(34)를 5구 노즐에 적용한 경우로서 거리에 따른 음압 변동을 보여주고 있으며, <표2>과 <표2에 대한 결과 그래프>는 압력 62psi, 유량 1200㎖/min에서 4잎 크로바형 방사전극(114)을 가진 진동자(110)를 5구노즐에 적용한 경우로서 거리에 따른 음압 변동을 보여주고 있다.

<표1>

거리(cm)＼발진출력(W)	3	5	10	15	20	25	27
0	2	3	60	69	102	121	129
2	2	2	43	65	82	86	115
4	0	0	27	38	35	42	35
6	0	0	12	8	7	7	6
8	0	0	3	0	0	0	0

<표1에 대한 결과 그래프>

<표2>

거리(cm)＼발진출력(W)	3	5	10	15	20	25	27
0	6	5	4	74	100	138	157
2	5	4	4	63	99	124	133
4	3	3	3	51	58	70	73
6	0	0	3	24	30	28	27
8	0	0	0	14	10	6	7

<표2에 대한 결과 그래프>

일예로서 노즐로부터 2㎝의 거리에서 발진출력이 25W, 27W인 경우 음압을 비교해 보면, <표1>과 <표1에 대한 결과 그래프>의 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 중심으로 집중된 상태로 방출되어 2㎝의 거리에서 대략 100mV의 음압을 나타내는 반면, <표2>과 <표2에 대한 결과 그래프>의 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 분산된 상태로 방출되어 2㎝의 거리에서 대략 130mV의 음압을 나타내기 때문에 본 발명에 따른 진동자가 훨씬 더 효과적인 것을 알 수 있다. 다시 말해, 노즐로부터 2㎝의 거리에서 발진출력이 25W, 27W인 경우 음압을 비교해 보면, 원형타입의 방사전극(34c)을 가진 진동자(34)의 경우에는 가운데로 집중된 상태로 방출되기 때문에 음압의 간섭으로 인해 노즐의 변형이 쉽게 발생하게 되고, 이러한 간섭으로 인해 대략 100mV의 음압으로 감소되는 경향을 보이는 반면, 4잎 크로바형 방사전극(114)을 가진 진동자(110)는 5개의 중심점을 가진 방사전극으로, 각각의 중심점에서 대략 60∼70mV로 방출되어 2㎝의 거리에서 합쳐져서 대략 130mV의 음압으로 나타나기 때문에 노즐과 음압의 간섭을 최소화시켜 노즐의 변형이 현저히 방지하게 된다.

또한, <표1>과 <표1에 대한 결과 그래프>의 경우에는 음압이 2㎝의 거리까지만 발진출력에 관계없이 모두 전달되고 4㎝ 이상의 거리에서 발진출력에 따라 점진적으로 음압이 전달되지 않게 된다. 한편, <표2>과 <표2에 대한 결과 그래프>의 경우에는 음압이 4㎝의 거리까지 발진출력에 관계없이 모두 전달되고 6㎝ 이상의 거리에서 발진출력에 따라 점진적으로 음압이 전달되지 않게 된다. 따라서, 종전 원형타입의 방사전극(34c)을 가진 진동자(34)에 비해서 본 발명의 4잎 크로바형 방사전극(114)을 가진 진동자(110)가 훨씬 멀리까지 음압이 전달되는 것을 알 수 있다. 이는 다구 노즐에 적용된 경우 간섭을 최소화시켜 음압을 먼 거리까지 보낼 수 있게 된다.

도 6a,6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 세척기용 진동자와 4구노즐의 일실시예를 도시한 도면이다.

우선, 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동자(210)는 압전세라믹 몸체(212)와 전극(213) 및 3잎 크로바형 방사전극(214)으로 이루어진다. 한편, 노즐(220)은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 분사구멍(222)의 갯수가 4개인 4구 노즐이 적용될 수 있다. 즉, 상기 노즐(220)의 분사구멍(222)의 갯수 및 배열위치에 대응되게 방사전극(214)의 형태가 대략 4개의 중심점을 가진 3잎 크로바 형태로 형성되어 초음파 에너지를 고르게 분산시키는 기능을 수행하게 된다.

한편, 본 발명의 기술분야에 속한 당업자라면 상기 진동자(110,210)의 방사전극(114,214)의 형태는 상술한 크로바 형태 뿐만 아니라, 노즐(120,220)의 분사구멍(122,222)의 형태나 갯수 및 배열위치에 따라 상기 압전세라믹 몸체(112, 212)의 중심을 축으로 상호 대응되게, 도 7의 (a), (b), (c), (d)에 도시된 바와 같이, 다수의 중심점을 가진 다양한 형태의 방사전극으로 변형 실시하여 초음파 에너지를 고르게 분산시킬 수 있을 것이다.

상기된 바와 같은 본 발명에 따른 초음파 세척기용 진동자는 분사구멍이 다수 형성된 다구 노즐에 적용시 초음파 에너지인 음압을 고르게 분산시켜 음압의 간섭으로 인해 노즐에 심각한 열이 발생하는 것을 현저히 방지하며, 초음파 진동자와 노즐의 수명 향상은 물론 노즐의 변형을 최소화시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 초음파 에너지가 다수의 중심점을 가진 방사전극을 기준으로 고르게 분산되므로, 노즐의 분사구멍 전체에 고르게 초음파 에너지가 부가되기 때문에 세척면적이 현저히 확대되는 장점이 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

도 1은 종래 초음파 세척기의 일예로서, 개략적인 구성을 도시한 도면.

도 2는 종래 방사전극 패턴이 원형인 초음파 세척기용 진동자를 도시한 도면으로, (a)는 진동자의 방사전극 형태를 보여주는 평면도이고, (b)진동자의 측단면도.

도 3은 도 2의 초음파 진동자가 다구 노즐에 적용된 경우 초음파의 진행방향을 도시한 도면.

도 4a,4b는 본 발명의 초음파 세척기용 진동자와 5구노즐의 일실시예를 도시한 도면으로, 도 4a의 (a)는 진동자의 방사전극 형태를 보여주는 평면도이고, (b)진동자의 측단면도.

도 5는 도 4a,4b의 진동자와 노즐이 적용된 된 경우 초음파의 진행방향을 도시한 도면.

도 6a,6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 세척기용 진동자와 4구노즐의 일실시예를 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 세척기용 진동자를 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110, 210: 진동자 112, 212: 몸체

113, 213: 전극 114, 214: 방사전극

120, 220: 노즐 122,222: 분사구멍

Claims (3)

1. 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환시키는 진동자와 출수단에 구비되어 상기 진동자로부터 방출되는 초음파 에너지를 세척수와 함께 분사하는 다구 노즐을 포함하는 초음파 세척기에 있어서,

   상기 진동자는 압전세라믹 몸체와, 상기 압전세라믹 몸체의 적어도 일면에 구비되는 전극과, 상기 압전세라믹 몸체의 타면에 구비된 하나 이상의 방사전극으로 이루어지되, 상기 방사전극은 초음파 에너지를 고르게 분산시킬 수 있도록 상기 노즐의 분사구멍의 갯수나 배열위치에 대응되는 중심점을 가진 것을 특징으로 하는 초음파 세척기용 진동자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 방사전극은 상기 압전세라믹 몸체의 중심을 축으로 상호 대칭을 이루는 배열 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 세척기용 진동자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 방사전극은 크로바 형태인 것을 특징으로 하는 초음파 세척기용 진동자.