KR100690282B1 - 고주파 대역의 초음파 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용액을 일정한 크기의 입자로 무화시키는 초음파 노즐에 관한 것이다. 본 발명은 노즐본체, 초음파 진동을 발생시키는 압전소자, 후면으로부터의 반사파의 교란을 줄이는 후면층, 및 공급된 액체를 무화시키기 위하여 모세관파를 균일하게 형성하는 노즐끝단을 포함하는 초음파 노즐에 있어서, 무화되는 면으로의 종방향 파동 전파시 발생될 수 있는 원하지 않는 공진에 의한 교란을 제어할 수 있도록 상기 노즐본체에 원주방향으로 일정한 간격으로 다수개의 슬릿홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 노즐을 제공한다.

초음파, 노즐, 고주파 대역, 파동 교란제어

Description

고주파 대역의 초음파 노즐{ Ultrasonic Nozzle for High Frequency Application }

도 1a와 도 1b는 본 발명에 의한 초음파 노즐의 외관도

도 2는 본 발명에 의한 초음파 노즐의 단면 구조도

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 초음파 노즐의 공진특성을 나타낸 도면

도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 초음파 노즐의 수치해석 특성을 나타낸 도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 노즐몸체 200 : 압전소자

300 : 후면층 400 : 슬릿 홈

500 : 노즐 끝단 600 : 노즐구멍

본 발명은 용액을 일정한 크기의 입자로 무화시키는 초음파 노즐에 관한 것으로 더욱 상세하게는 공급된 액체나 고체입자를 함유한 액상의 물질을 보다 작은 균일한 크기의 입자로 무화시키기 위한 고주파 대역의 중공형 초음파 노즐에 관한 것이다.
중공형 초음파 노즐을 이용하여 보다 작은 입자로 무화시키기 위하여서는 노즐 끝단의 무화 면에서의 모세관파의 파장이 짧아야 하며, 이를 위하여서는 노즐의 종방향으로 공진이 일어나야 한다. 또한 1/4파장 또는 1/2파장에서 공진을 일으키려면 그만큼 노즐의 공진주파수가 높아져야 한다.
그러나 공진주파수가 높아지더라도 초음파 공진의 출력을 유지하기 위해서는 일정한 크기 이상의 직경을 갖는 압전자에 의한 진동이 필요하다. 따라서 종방향 공진을 위하여 종방향의 길이를 줄이더라도 낮은 출력에서 종방향 공진을 일으키기 위한 반경방향의 크기는 더 작아지기 어렵다. 결국 실제 초음파노즐의 구조에서는 공진주파수가 높아질수록 종방향의 길이에 대한 반경방향의 길이의 비가 커지게 되어 노즐 내에서는 종방향 공진이외에 원주방향의 공진이나 원주방향의 정상파의 흐름 등의 원하지 않는 진동이 발생하게 된다.
이러한 원하지 않는 공진현상은 종방향의 공진파동에 교란을 가져오게 되고 이는 노즐 끝단에서 액상 물질을 일정한 크기로 무화시키고자 하는 중공형 초음파 노즐의 작용을 방해하는 요소가 되어 노즐 끝단에서 불균일한 입자의 크기로 무화되거나 무화현상 자체가 고르게 일어나지 않는 현상이 발생한다.
따라서 보다 높은 공진주파수 대역에서의 초음파 노즐을 제작하기 위해서는 이러한 원하지 않는 공진파동들이 발생하지 않도록 하는 구조가 필요하며, 고주파 대역에서도 원하지 않는 종방향 이외의 공진현상이 발생하지 않도록 하는 고주파 초음파 노즐의 구조를 갖는 것이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고 보다 높은 공진주파수 대역에서사용될 수 있는 초음파 노즐을 설계 제작하기 위하여 종방향의 필요한 공진 현상을 제외하고는 원하지 않는 노즐의 원주 방향의 공진이나 교란파동들이 발생하지 않도록 하는 구조를 제안한다.
이를 위하여 본 발명은 고주파 대역에서도 원하지 않는 종방향 이외의 공진현상이 발생하지 않도록 하는 고주파 초음파 노즐의 구조를 갖기 위하여 초음파 진동을 일으키는 압전소자, 반사파의 교란을 줄이는 후면층을 포함하고, 특히 무화 면으로의 종방향 파동 전파시 발생될 수 있는 원하지 않는 공진에 의한 교란을 제어할 수 있는 슬릿 홈을 갖는 것으로 구성한다. 슬릿 홈은 도1에서 보듯이 노즐의 원주방향에서 슬릿 상호 간에 일정한 거리 이내로 배치하여 이러한 교란 공진을 제어할 수 있는 구조를 가져야 한다.

이와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명은 도 1a와 도 1b에서 보듯이 노즐본체(100), 노즐에 전기적 에너지를 기계적 진동에너지로 변환하여 공급하는 압전소자(200), 후면으로부터의 반사파의 불필요한 간섭을 막기 위한 후면층(300), 원주방향 공진이나 교란진동을 제어하기 위한 슬릿홈(400), 노즐구멍(600)을 통하여 공급된 액체를 무화시키기 위하여 모세관 파를 균일하게 형성하는 노즐 끝단(500)으로 구성되어 있다.
여기서 노즐 끝단은 도 1이나 도 3에서 보듯이 화살촉 형이나 플랫형등 여러 가지의 형태가 있을 수 있으나 그 면에서의 모세관 파는 가진 진동수에 역비례 하는 파장을 갖게 되며 노즐끝단부에 도달한 공급액체는 이러한 가진 진동수에 상응하는 파장의 크기로 분리되어 무화입자가 된다.
여기서, 도 2와 도 3에서 보듯이 노즐은 노즐구멍의 중심을 통과하는 중심축 방향으로 1/2파장이나 1/4 파장 또는 이 배수의 파장에서 공진을 일으키는 구조를 기본으로 한다. 그렇지만 이러한 파장의 길이가 노즐의 반경방향 원주의 크기와 유사한 값이 되면 원주방향으로 또 다른 공진특성이 발생하거나 교란파동이 발생하게 되어 결과적으로 고주파에서의 노즐을 만드는 것이 어려워진다.
본 발명에서는 이러한 고주파에서의 교란파동을 방지하기 위하여 도1에서 보듯이 원주방향으로 일정한 간격으로 슬릿 홈을 만들어서 원주방향으로의 진행파와 반사파의 간섭을 근본적으로 차단하고자 한다. 이러한 원주방향의 슬릿 홈의 간격과 개수는 원주방향의 슬릿 홈과 슬릿 홈 사이의 원주길이가 초음파 노즐의 가진 주파수에 해당하는 파장 길이의 1/4이 넘지 않도록 하여 규칙적으로 위치시킨다. 노즐의 홈은 노즐몸체에 만들고 그 단면의 형상은 도 2와 같이 한다. 이러한 초음파 노즐의 공진특성은 도 4c의 구조해석결과에서 보듯이 교란파동의 영향을 받지 않는다.

중공형 초음파 노즐을 이용하여 보다 적은 입자로 무화시키기 위하여서는 보다 높은 공진주파수를 갖는 노즐을 설계하여야 하는데, 공진주파수가 높아지더라도 초음파 공진의 출력을 유지하기 위해서는 일정한 크기 이상의 직경을 갖는 구조의 초음파 노즐이 필요하다. 본 발명은 고주파 대역에서도 원하지 않는 종방향 이외의 공진현상이 발생하지 않도록 하는 슬릿 홈의 구조를 갖는 초음파 노즐의 구조를 제안함으로서 기존의 중공형 노즐보다 높은 주파수에서 가진되어 액체를 보다 적은 크기의 분무 입자로 만들 수 있는 중공형 초음파 노즐이 되도록 하였다. 이에 따라 초음파 노즐을 이용하여 보다 적은 입자의 생성을 필요로 하는 적용분야에서의 요구를 충족시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 노즐본체, 초음파 진동을 발생시키는 압전소자, 후면으로부터의 반사파의 교란을 줄이는 후면층, 및 공급된 액체를 무화시키기 위하여 모세관파를 균일하게 형성하는 노즐끝단을 포함하는 초음파 노즐에 있어서,

   무화되는 면으로의 종방향 파동 전파시 발생될 수 있는 원하지 않는 공진에 의한 교란을 제어할 수 있도록 상기 노즐본체에 원주방향으로 일정한 간격으로 다수개의 슬릿홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 대역의 초음파 노즐.
2. 제 1항에 있어서, 원주방향의 슬릿 홈과 슬릿 홈 사이의 원주길이가 초음파 노즐의 가진 주파수 파장 길이의 1/4이 넘지 않도록 슬릿 홈들의 위치를 원주 방향으로 배치하는 것을 특징으로 하는 고주파 대역의 초음파 노즐.
3. 제 1항에 있어서, 상기 슬릿홈의 단면은 상기 노즐끝단을 향해 모아지도록 삼각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 대역의 초음파 노즐.

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