KR101042554B1

KR101042554B1 - 고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급 방법

Info

Publication number: KR101042554B1
Application number: KR1020090032151A
Authority: KR
Inventors: 김옥률; 김옥민; 이근식; 정승채
Original assignee: 주식회사 펨빅스
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2011-06-20
Also published as: KR20100113707A

Abstract

본 발명은 기체가 흐르는 압력관에 미소량의 고상파우더를 일정하게 연속적으로 공급할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 기체가 흐르는 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 기체가 흐르는 압력관에 공급하여 분사노즐을 통해 임의의 기재에 분사하여 코팅하는데 적용할 수 있다.

본 발명은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 압력관; 상기 압력관의 제3구간 말단에 구비된 분사노즐; 및 일측은 고상파우더수송관에 의해 상기 제2구간과 연통되어 있으며, 타측은 외기 유입통로가 구비된 하나 또는 다수개의 고상파우더공급기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치를 제공한다.

압력관, 고상파우더 공급, 부압, 양압, 초음속 분사, 아음속 분사, 코팅

Description

고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급 방법{Apparatus and method feeding powder into pressured gas fluid pipes}

본 발명은 기체가 흐르는 압력관에 미소량의 고상파우더를 일정하게 연속적으로 공급할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 기체가 흐르는 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 기체가 흐르는 압력관에 공급하여 분사노즐을 통해 임의의 기재에 분사하여 코팅 하는데 적용할 수 있다.

일반적으로 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법은 고상파우더를 압력관 내부의 압력보다 큰 압력으로 공급하는 것이다. 이러한 종래의 방법에서는 상기 압력관의 압력보다 고상파우더의 공급 압력이 높아야 고상파우더가 역류 하지 않고 공급될 수 있다. 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 번째는 이 특허발명의 Fig. 1에 도시된 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 방법이다. 두 번째는 이 특허발명의 Fig. 4에 도시된 바와 같이 압축 기체를 고상파우더가 있는 피더(feeder)에 직접 공급하여 고상파우더를 밀어내어 노즐로 공급 될 수 있도록 하는 방법이다. 세 번째는 이 특허발명의 Fig. 5에 도시된 바와 같이 압축 기체를 가열장치와 고상파우더공급기에 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 방법이다.

(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 제0575139호("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 종래 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 환경 내에 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 그것 에 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, 이들 기술의 공통점은 고상파우더가 위치해 있는 에어로졸 챔버에 공급되는 수송기체의 압력을, 증착 챔버 내의 압력보다 큰 압력으로 유지시킴으로써 고상파우더가 노즐에 공급되어 분사될 수 있도록 한 것이다. 그러나, 에어로졸 증착 방법에서 에어로졸 챔버 내에 있는 고상파우더가 수송기체와 혼합되어 이동할 때 에어로졸 챔버 출구에서 토출되는 고상파우더의 양을 일정하게 연속적으로 공급하는 것은 매우 어렵다. 그 이유는 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 어렵기 때문이다. 또한 에어로졸 챔버에서 에어로졸 생성시 에어로졸 챔버 내벽에 정전기 발생으로 인해 고상파우더가 챔버 내벽에 부착되므로, 일정량의 고상파우더가 연속적으로 에어로졸 챔버에 연결된 압력관을 통해 수송되기가 어렵다.

(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 담겨 져 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 대기압보다 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 종래 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 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법에서 개선해야 할 문제점은 ⅰ) 대기압 상태에 있는 고상파우더가 대기압 보다 높은 압력의 기체가 흐르는 압력관에 투입할 경우 고상파우더가 역류 또는 정체되고, ⅱ) 미소량과 일정량의 고상파우더를 연속적으로 공급하는 것이 어렵다는 것 등이다.

본 발명은 기체가 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 원리를 이용하여 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 적절한 압력하에서 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 압력하에 있는 기체가 흐르는 관은 물론, 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 하는 기술수단이 그 첫번째 요지(要旨)이다.

한편, 압력관에 고상파우더를 공급하는 궁극적인 이유는 수송기체와 고상파 우더가 혼합된 에어로졸을 특정 기재에 분사하기 위한 것이므로, 상기 압력관 내에 고상파우더가 공급된 후에는 적절한 조건 및 환경에 맞게 정상적으로 분사될 수 있어야 하고, 이를 실현하는 기술수단이 본 발명의 두번째 요지(要旨)이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 구체적인 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 기체가 흐르는 압력관의 일정 구간에 부압을 형성시켜 대기압 상태에 있는 고상파우더를 역류 및 정체 없이 원활하게 공급할 수 있다.

둘째, 고상파우더를 소량, 일정량 및 연속적으로 기체가 흐르는 압력관에 공급할 수 있다.

셋째, 단수개 뿐만 아니라 복수개의 고상파우더공급기를 압력관에 연결하여 단수개 및 복수개의 고상파우더를 혼합 공급할 수 있다.

넷째, 압력관 말단에는 아음속노즐 또는 초음속노즐을 설치하여 고상파우더를 기재에 분사 코팅할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 첨부된 [도 1]에 도시된 바와 같이 압력관(3)의 일부구간에 부압이 형성되도록 하여 대기압 상태의 고상파우더(1)를 대기압 보다 높은 압력(P1)의 수송기체(4)가 흐르는 압력관(3)에 공급할 수 있도록 구성한 것이다. 이를 위해 상기 압력관(3)을 제1구간 내지 제3구간이 형성되도록 구성한 것이며, 이에 대한 상세한 내용은 다음과 같다.

상기 제1구간은 압력관이 일정한 관경으로 연속되는 구간(이하 '①영역'이라 함)과 관경이 일정비율로 감소하는 구간(이하 '①'영역'이라 함)이 일방향으로 이어지도록 구성되어 있다. 본 제1구간에는 대기압보다 큰 압력의 수송기체(4)가 공급된다. 상기 ①영역에서는 기재(11)의 열충격 배제, 에어로졸(5)의 원활한 수송 등을 위해 수송기체(4)를 적절한 임의의 온도로 가열하는 등의 조치를 취할 수 있다.

상기 제2구간은 상기 ①'영역의 말단에서부터 일정한 관경으로 연속되는 구간(이하 '②영역'이라 함)과 관경이 다시 일정비율로 증가하는 구간(이하 '②'영 역'이라 함)이 일방향으로 이어지도록 구성되어 있다. 본 구간은 압력관 내에 부압(minus pressure)이 형성되는 구간으로서, 상기 ②영역 또는 ②'영역에 부압이 형성될 수 있다.

상기 제2구간 중 상기 ②영역 전체에 걸쳐 일정한 부압이 형성되도록 하기 위해서는, 준 1차원 연속방정식 및 등엔트로피 과정의 관계식((식 1) 내지 (식 4))을 이용하여 압력관의 단면적, 질량유량, 속도, 압력을 적절하게 설정하여야 하는데, 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

질량유량, 기체속도 및 단면적의 관계를 설정하는 식은 다음과 같다.

(식 1)

여기서,

: 압력관을 흐르는 수송기체의 질량유량

: 수송기체의 밀도 (예: 공기일 경우, 1.225kg/㎤)

: 압력관 임의의 위치에서의 단면적

: 수송기체 속도

또한, 마하수(M), 임의 위치에서의 수송기체 속도, 비열비, 기체상수, 온도의 관계식은 다음과 같다.

(식 2)

여기서,

: 마하수(mach number)

: 수송기체 속도

: 비열비(예; 공기일 경우,

=1.4)

또한, 등엔트로피 관계식은 다음과 같다.

(식 3)

여기서,

,

: 임의의 위치에서 수송기체의 압력, 밀도, 온도

,

: 초기상태에서 수송기체의 압력, 밀도, 온도

한편, 면적과 마하수 관계식은 다음과 같다.

(식 4)

여기서,

: 압력관내 임의의 위치에서의 단면적

: 압력관내 임의의 위치에서의 목 단면적

: 압력관내 임의의 위치에서의 마하수

: 비열비

수송기체를 공기로 가정할 때, 상기 (식 1) 내지 (식 4)를 이용하여 압력관 제2구간 중 ②영역에 부압이 발생하는 경우와 부압이 발생하지 않는 경우의 실시예를 들면 아래의 [표 1]과 같다([도 1]참조).

[표 1]

Case	D1 [mm]	D* [mm]	m [kg/s]	T1 [K]	V1 [m/s]	P1 [torr]	M*	P* [torr]	비고
A	12	3.5	0.00104	328	7.5	800	0.300	752	부압
B	12	3.8	0.00104	328	7.5	800	0.297	765	양압
C	15	2.6	0.00104	328	4.8	800	0.297	753	부압
D	15	3.0	0.00104	328	4.8	800	0.218	774	양압

위 [표 1]에서, D1은 제1구간의 ①영역에서의 관경, m은 수송기체의 질량유량, T1은 제1구간 ①영역에서의 수송기체의 온도, V1은 제1구간 ①영역에서의 수송기체 속도, P1은 제1구간 ①영역에서의 수송기체 압력; D*는 제2구간 ②영역에서의 관경, M*는 제2구간의 ②영역에서의 수송기체의 마하수, P*은 제2구간의 ②영역에서의 수송기체 압력을 말한다.

상기 [표 1]에 보이는 바와 같이, 제1구간 중 ①영역의 관경을 12mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역의 관경을 3.5mm로 정한 Case A의 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 낮은 압력(부압)이 발생한다. 따라서, 후술할 고상파우더공급기 내의 고상파우더는 고상파우더 수송관을 따라 압력관의 ②영역으로 흡입된다.

반면, 제1구간 중 ①영역의 관경을 12mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역에서의 관경을 3.8mm로 정한 Case B인 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 높은 압력(양압)이 발생하기 때문에 고상파우더가 압력관의 ②영역에 흡입되지 않는다. 왜냐하면, 고상파우더가 대기압 상태(760 torr)에 있기 때문이다.

한편, 제1구간 중 ①영역에서의 압력관 관경을 15mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역에서의 압력관 직경을 2.6mm로 정한 Case C의 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 낮은 압력(부압)이 발생하기 때문에 압력관의 ②영역으로 고상파우더가 흡입된다.

반면, 제1구간 중 ①영역에서의 압력관 관경을 15mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역에서의 압력관 직경을 3.0mm로 정한 case D인 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 높은 압력(양압)이 발생하기 때문에 고상파우더가 압력관의 ②영역에 흡입되지 않는다.

따라서, [표 1]에 보인 바와 같이, 압력관의 환경(관경, 수송기체의 온도, 압력, 질량유량, 속도)을 설정하여 제2구간의 ②영역에 부압을 발생시켜 고상파우더를 원활하게 공급할 수 있다. 다만, 압력관의 조건은 사용목적에 따라 무수한 경 우가 있을 수 있다. 이때 사용목적에 따라 적절한 조건에 부합되도록 전술한 (식 1) 내지 (식 4)의 관계식을 이용하여, 압력관의 환경을 조성할 수 있다.

한편, [도 2]에 도시된 바와 같이, ②영역을 통과한 수송기체가 관경이 일정비율로 증가하는 ②'영역을 지나 제3구간으로 유입되면서, ②'영역 중 [도 2]에서 빗금친 영역에 부압(P2)이 발생토록 할 수 있다. 따라서, 상기 빗금친 국부적인 영역에 고상파우더 수송관을 연결하여 대기압 상태에 있는 고상파우더를 공급할 수 도 있다.

상기 제2구간은 대기압 상태인 고상파우더공급기(2) 내부보다 그 압력이 작으므로 고상파우더(1)가 정체되거나 역류됨 없이 상기 제2구간 내로 유입된다. 이에 따라 제2구간 내에서는 수송기체(4)와 고상파우더(1)가 섞인 에어로졸(5)이 형성된다.

상기 고상파우더(1)를 대기압 상태로 유지하기 위해서는 고상파우더공급기(2)의 일부에 외기 유입통로를 형성시켜야 하며, 이에 따라 고상파우더공급기(2) 내외부의 공기압은 대기압(760torr) 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 제2구간에 공급할 수 있고, 직경이 미소한 미세스크류(screw, 미도시)를 상기 고상파우더수송관(10)에 설치하여 모터의 회전수(RPM)를 조절하거나 상기 고상파우더수송관(10)에 설치된 조절밸 브(12)를 이용하여 고상파우더(1)를 맥동 없이 공급할 수 있다. 또한, 상기 고상파우더수송관(10)은 상기 제2구간으로 토출된 고상파우더(1)가 수송기체(4)와 잘 혼합될 수 있는 각도로 조절되도록 구성할 수 있다.

[도 3] 내지 [도 6]은 상기 제2구간에 복수개의 고상파우더공급기(2)를 연결한 실시예이다. 이러한 실시예에 의해 2종류 이상의 고상파우더(1)를 상기 제2구간에 함께 혼입시킬 수 있다.

상기 제3구간은 압력관의 관경이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 제3구간의 말단에는 [도 3] 및 [도 5]에 도시된 바와 같은 아음속노즐(8) 또는 [도 4] 및 [도 6]에 도시된 바와 같은 초음속노즐(9)을 필요에 따라 선택적으로 연결하여 외부의 기재(11)에 에어로졸(5)이 분사되도록 할 수 있다.(상기 아음속노즐(8)은 제3구간 말단에서부터 노즐출구에 이르기까지 그 단면적이 일정비율로 감소하도록 구성된 노즐이고, 상기 초음속노즐(9)은 상기 제3구간 말단에서부터 그 단면적이 일정비율로 감소하다가 노즐목을 기점으로 그 단면적이 일정비율로 증가하도록 구성된 노즐이다.)

이에 따라 상기 에어로졸(5)은 대기 중에 있는 기재(11) 또는 진공상태(진공챔버 내)에 있는 기재(11)에 분사될 수 있다. 따라서, 분사노즐(아음속노즐 또는 초음속노즐)은 진공챔버에 수용되도록 구성할 수 있다.

한편, 상기 제3구간 내 에어로졸의 유동이 초음속 유동이 될 경우, 제3구간 의 압력(P3)이 제1구간의 압력(P1)보다 상당히 낮게 되어 큰 압력손실을 가져오게 되어 장치 구성상 상대적으로 비경제적이고, 제3구간 말단에 아음속 또는 초음속노즐이 연결될 경우 노즐출구(아음속노즐일 경우) 또는 노즐목(초음속노즐일 경우)의 단면적에 따라 연결된 노즐의 분사 상태가 정상적으로 동작하지 않을 수 있다. 그러므로, 제3구간 내 에어로졸의 유동이 아음속 유동일 경우가 더 바람직하다.

더 구체적으로, 제3구간 내 에어로졸의 유동상태와 상기 제3구간의 말단에 구비된 노즐의 종류에 따른 유동상태를 설명하면 다음과 같다.

(1) 제3구간에서 에어로졸이 아음속(M<1) 유동상태이면서 말단에 아음속노즐이 연결된 경우

이 경우에는 아음속노즐 출구 단면적(A4)과 제2구간 ②영역의 단면적(A*)에 상관없이 아음속으로 분사된다.

(2) 제3구간에서 에어로졸이 아음속(M<1) 유동상태이면서 말단에 초음속노즐이 연결된 경우

이 경우에는 초음속노즐 목 단면적(A5)이 제2구간 ②영역의 단면적(A*) 보다 크면, 이 단면적에 흐르는 질량유량이 초음속노즐목 단면적(A5)에서는 초킹(choking)되지 않기 때문에 아음속으로 분사되며, A5≤A*이면 초음속으로 분사된다.

(3) 제3구간에서 에어로졸이 초음속(M>1) 유동상태이면서 말단에 아음속노즐이 연결된 경우

(4) 제3구간에서 에어로졸이 초음속(M>1) 유동상태이면서 말단에 초음속노즐이 연결된 경우

이 경우에는 초음속노즐 목 단면적(A5)이 제2구간 ②영역의 단면적(A*)보다 크면, 이 단면적에 흐르는 질량유량이 초음속노즐 목 단면적(A5)에서는 초킹(choking)되지 않기 때문에 아음속으로 분사되며, A5≤A*이면, 제3구간의 유동상태가 아음속으로 변하면서 노즐에서 초음속으로 분사된다.

아래의 [표 2]를 참조하여 상기 내용을 정리하면, 제3구간에서 에어로졸의 유동이 아음속일 경우와 초음속일 경우 모두 말단에 연결된 아음속노즐 또는 초음속노즐의 형태에 관계없이 각각에 맞는 환경에 따라 정상적으로 분사되려면, 상기 본 발명의 장치에서 제2구간 ②영역의 단면적(A*)을 말단에 연결되는 아음속노즐 출구 단면적(A4) 또는 초음속노즐 목 단면적(A5) 보다 크거나 같게 해야 각 노즐에서의 환경에 부합되게 정상적(아음속노즐에서는 노즐 내부에 충격파 없이 아음속 분사, 초음속 분사 노즐에서는 초음속 분사)으로 분사할 수 있다.

[표 2]

제3구간 유동상태	아음속노즐		초음속노즐
제3구간 유동상태	A4>A*	A4≤A*	A5>A*	A5≤A*
아음속(M<1)	아음속 분사	아음속 분사	아음속 분사	초음속 분사
초음속(M>1)	낮은 아음속 분사(노즐 내부에서 충격파 발생)	제3구간 유동상태가 아음속으로 변화면서 노즐에서 아음속분사 (노즐목에서 음속(M=1) 발생)	아음속 분사 (확산기(diffuser) 역할)	제3구간 유동상태가 아음속으로 변화면서 노즐에서 초음속분사

위 [표 2]에서, A*는 제2구간 ②영역의 단면적, A4는 아음속노즐 출구의 단면적, A5는 초음속노즐목의 단면적을 말한다.

한편, 본 발명은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법으로서, (a) 대기압보다 큰 압력의 수송기체를 상기 제1구간에 공급하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 단계; 및 (b) 상기 제2구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 단계; 를 포함하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법을 제공한다.

상기 (a)단계에서는 대기압 이상 압력의 수송기체(4)를 상기 제1구간에 공급하되, 제2구간에 부압이 형성되도록 제1구간 ①영역의 관경, 수송기체의 질량유량, 압력, 온도, 속도 등을 설정해야 한다.

상기 압력관의 형상이 일정하고, 수송기체로 적용하는 기체를 특정한 경우에는 상기 압력관의 제1구간과 제2구간 중 관경이 일정하게 연속되는 구간간의 단면적 비와 수송기체의 질량유량이 일정해지므로 다음의 4가지 식에 의해 상기 제1구 간에 공급되는 수송기체의 속도 및 압력관 내의 압력을 설정하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 할 수 있다.

식 1 :

식 2 :

식 3 :

식 4 :

위 4가지 식에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.

상기 (b)단계는 상기 제2구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 단계로서, 고상파우더공급기(2) 내에 압축 저장된 고상파우더(1)를 상기 제2구간에 일정시간 및 일정소량으로 연속 공급함으로써 고상파우더(1)가 기재(11)에 연속적으로 코팅되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 고상파우더 공급장치 및 압력관 내 고상파우더 공급방법을 적용할 수 있는 장치로는 기존의 용사증착(thermal spray)장치, 저온분사(cold spray)장치, 플라즈마(plasma) 증착장치, 동적증착(kinetic spray)장치, 정전입자충격증착(electrostatic powder impact deposition)장치, 가스증착(gas deposition)장치, 에어로졸증착(aerosol deposition) 장치 등을 예로 들 수 있다.

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 1 및 도 2는 본 발명에 적용되는 압력관의 형상과 부압형성구간을 나타낸 개념도이다.

도 3은 복수개의 고상파우더공급기가 제2구간의 ②영역에 연결되어 있고, 압력관 말단에 아음속노즐이 연결되어 있는 고상파우더 공급장치의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 4는 복수개의 고상파우더공급기가 제2구간의 ②영역에 연결되어 있고, 압력관 말단에 초음속노즐이 연결되어 있는 고상파우더 공급장치의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 5는 복수개의 고상파우더공급기가 제2구간의 ②'영역 중 빗금친 국부적인 영역에 연결되어 있고, 압력관 말단에 아음속노즐이 연결되어 있는 고상파우더 공급장치의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 6은 복수개의 고상파우더공급기가 제2구간의 ②'영역 중 빗금친 국부적인 영역에 연결되어 있고, 압력관 말단에 초음속노즐이 연결되어 있는 고상파우더 공급장치의 일 실시예를 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 : 고상파우더 수송관

11 : 기재 12 : 조절밸브

Claims

삭제
관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 압력관;

상기 압력관의 제3구간 말단에 구비된 분사노즐; 및

일측은 고상파우더수송관에 의해 상기 제2구간과 연통되어 있으며, 타측은 외기 유입통로가 구비된 하나 또는 다수개의 고상파우더공급기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치로서,

상기 분사노즐은 상기 제3구간 말단에서부터 노즐출구에 이르기까지 그 단면적이 일정비율로 감소하도록 구성된 아음속노즐인 것으로서, 상기 제2구간 중 관경이 일정한 구간의 단면적은 상기 아음속노즐의 노즐 출구 단면적 보다 크거나 같게 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치.
관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 압력관;

상기 압력관의 제3구간 말단에 구비된 분사노즐; 및

일측은 고상파우더수송관에 의해 상기 제2구간과 연통되어 있으며, 타측은 외기 유입통로가 구비된 하나 또는 다수개의 고상파우더공급기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치로서,

상기 분사노즐은 상기 제3구간 말단에서부터 그 단면적이 일정비율로 감소하다가 노즐목을 기점으로 그 단면적이 일정비율로 증가하도록 구성된 초음속노즐인 것으로서, 상기 제2구간 중 관경이 일정한 구간의 단면적은 상기 초음속노즐의 노즐목 단면적 보다 크거나 같게 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치.
제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에서,

상기 분사노즐을 수용하는 진공챔버; 를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치.
관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법으로서,

(a) 대기압보다 큰 압력의 수송기체를 상기 제1구간에 공급하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 단계; 및

(b) 상기 제2구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 단계; 를 포함하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.
제5항에서,

상기 (a)단계는 상기 압력관의 제1구간과 제2구간 중 관경이 일정하게 연속되는 구간간의 단면적 비와 수송기체의 질량유량에 따라 다음의 4가지 식에 의해 상기 제1구간에 공급되는 수송기체의 속도 및 압력관 내의 압력을 설정하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 압력관 내 고상파우더 공급 방법.

식 1 :

: 압력관을 흐르는 수송기체의 질량유량

: 수송기체의 밀도

: 압력관 임의의 위치에서의 단면적

: 수송기체 속도

식 2 :

: 마하수(mach number)

: 수송기체 속도

: 비열비

식 3 :

,
,
: 임의의 위치에서 수송기체의 압력, 밀도, 온도

,
,
: 초기상태에서 수송기체의 압력, 밀도, 온도

식 4 :

: 압력관내 임의의 위치에서의 단면적

: 압력관내 임의의 위치에서의 목 단면적

: 압력관내 임의의 위치에서의 마하수

: 비열비