KR101045112B1

KR101045112B1 - 반사판의 위치에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치

Info

Publication number: KR101045112B1
Application number: KR1020090044789A
Authority: KR
Inventors: 김지형; 손영규; 임명희
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: KR20100125858A

Abstract

본 발명은 반사판의 위치에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치는 처리 대상물을 수용하는 초음파 반응조와; 상기 초음파 반응조의 일측 벽면에 설치되어 초음파를 출력하는 초음파 진동자 모듈과; 상기 초음파 진동자 모듈을 통해 출력되는 초음파의 주파수와 초음파 진동자 모듈에 인가되는 유입 파워를 제어하는 초음파 제어기와; 상기 초음파 반응조 내부에 상기 초음파 진동자 모듈로부터 소정 거리 이격된 상태로 배치되어 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파를 반사시키는 반사판과; 상기 초음파 반응조 내부의 상기 초음파 진동자 모듈과 상기 반사판 사이에 일정 거리 단위로 설정된 복수의 측정 위치에서 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파를 측정하는 초음파 측정기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 대형의 초음파 반응조에서 초음파 에너지의 분포를 측정하는데 있어 반사판의 위치에 따른 초음파 에너지의 분포 특성을 파악하여 이를 초음파를 이용한 수처리용 반응기의 제작에 필요한 설계 자료로 활용할 수 있게 된다.

Description

반사판의 위치에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치{APPARATUS FOR MEASURING DISTRIBUTION OF ULTRASOUND ENERGY ACCORDING TO POSITION OF REFLECTOR}

본 발명은 반사판의 위치에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대형의 초음파 반응조에서 초음파 에너지의 분포를 측정하는데 있어 반사판의 위치에 따른 초음파 에너지의 분포 특성을 파악하여 이를 초음파를 이용한 수처리용 반응기의 제작에 필요한 설계 자료로 활용할 수 있는 초음파 에너지 분포 계측 장치에 관한 것이다.

초음파를 액상에 조사하면 캐비테이션 버블이 형성되고 오염물질의 특성에 따라 휘발성이 있는 화합물의 경우에는 버블 내부에서 열분해 (1,000 atm, 5,000 K의 고온, 고압에 의해) 되고 비휘발성 화합물의 경우에는 버블 밖으로 빠져나오는 라디칼에 의해 분해가 일어난다.

초음파의 고유 특성인 주파수에 대한 연구는 기존의 연구에서 많이 진행되었 지만 연구자들마다 주파수의 종류, 파워, 반응기의 형태 등이 다양하기 때문에 일반적인 결과를 얻기 힘들다. 주파수에 영향에 대한 연구를 위해 주파수 이외의 실험 조건 (초음파 진동자의 크기 및 형태)을 동일하게 유지하여야 주파수에 대한 영향을 평가할 수 있기 때문에 최근의 연구에서는 동일한 조건하에서의 주파수에 따른 오염물질 분해 특성 연구 및 주파수에 따른 초음파 에너지 분포 연구가 진행되고 있다.

하지만 초음파의 특성 상 에너지 전달 시 반응기의 재질 및 형태 등에 따라서 에너지의 분포, 산란이 일어날 수 있어 주파수에 대한 영향 연구 시에는 반응기의 형태 및 분포 등을 고려한 에너지 변화 등을 고려해야 한다.

이에 본 발명은 대형의 초음파 반응조에서 초음파 에너지의 분포를 측정하는데 있어 반사판의 위치에 따른 초음파 에너지의 분포 특성을 파악하여 이를 초음파를 이용한 수처리용 반응기의 제작에 필요한 설계 자료로 활용하도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 초음파를 이용한 수처리용 반응기에 적용 가능한 초음파 에너지 분포 계측 장치에 있어서, 처리 대상물을 수용하는 초음파 반응조와; 상기 초음파 반응조의 일측 벽면에 설치되어 초음파를 출력하는 초음파 진동자 모듈과; 상기 초음파 진동자 모듈을 통해 출력되는 초음파의 주파수와 초음파 진동자 모듈에 인가되는 유입 파워를 제어하는 초음파 제어기와; 상기 초음파 반응조 내부에 상기 초음파 진동자 모듈로부터 소정 거리 이격된 상태로 배치되어 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파를 반사시키는 반사판과; 상기 초음파 반응조 내부의 상기 초음파 진동자 모듈과 상기 반사판 사이에 일정 거리 단위로 설정된 복수의 측정 위치에서 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파를 측정하는 초음파 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 반사판은 유리 재질로 마련될 수 있다.

또한, 상기 반사판은 내부에 공기층이 형성되도록 2중 막 형태로 마련될 수 있다.

그리고, 상기 초음파 반응조는 가로 1. 20m, 세로 0.60m, 높이 0.40m의 사이즈로 마련되고; 상기 초음파 진동자 모듈은 상기 초음파 반응조의 가로 방향으로의 일측 벽면에 설치되며; 상기 반사판은 상기 초음파 반응조 내부에서 상기 초음파 진동자 모듈로부터 가로 방향으로 20cm와 50cm 중 어느 하나만큼 이격 배치될 수 있다.

여기서, 상기 측정 위치는 상기 초음파 진동자 모듈로부터 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력되는 초음파의 주파수의 λ/4, λ/2, 3λ/4, λ만큼 이격되는 위치로 설정될 수 있다.

또한, 상기 초음파 반응조의 내부 벽면 중 상기 초음파 진동자 모듈이 설치된 벽면 이외의 벽면에는 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파의 반사를 저지하는 흡음부재가 부착될 수 있다.

본 발명에 따르면, 대형의 초음파 반응조에서 초음파 에너지의 분포 측정과 이를 통해 최적의 주파수와 유입 파워 조건을 도출하여 초음파를 이용한 수처리용 반응기에 적용 가능하게 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치이 제공된다.

그리고, 본 발명을 통해 도출된 초음파 주파수와 유입 파워에 따른 초음파 반응기 내부에서의 초음파 에너지 분포를 활용하여, 다양한 환경 분야, 예컨대, 수 처리, 슬러지 감량화, 토양 세척 등에 적용되는 초음파 반응기의 설계에 적극적으로 활용 가능하게 된다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 반응조(10), 초음파 진동자 모듈(30), 초음파 제어기(40), 반사판(50) 및 초음파 측정기(20,21)를 포함한다.

초음파 반응조(10)는 처리 대상물이 수용되는 상향 개방된 욕조 형태를 가지며, 본 발명에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상향 개방된 직육면체 형태를 갖는 것을 예로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 초음파 반응조(10)는 실제 초음파 반응기의 적용이 가능하도록 기존의 소형이 아닌 대형의 초음파 반응조(10)가 적용되며, 가로 1. 20m, 세로 0.60m, 높이 0.40m로 된 250 L의 초음파 반응조(10)가 적용되는 것을 예로 한다. 그리고, 초음파 반응조(10)에 수용되는 처리 대상물은 상수도 또는 하수도와 같은 액상인 것을 예로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 반응조(10)의 내부 벽면 중 초음파 진동자 모듈(30)이 설치된 벽면 이외의 벽면, 즉 초음파 반응조(10)의 바닥면, 그리고 내부 측면 중 초 음파 진동자 모듈(30)이 설치되지 않은 3개의 측면에 설치되는 흡음부재(11)를 포함할 수 있다. 여기서, 흡음부재(11)는 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력되는 초음파가 초음파 반응조(10)의 벽면으로부터 반사되는 것을 차단하며, 폴리우레탄 재질과 같이 흡음 작용이 가능한 재질로 마련되고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 흡음을 위한 표면 형상을 갖는 것이 바람직하다.

초음파 진동자 모듈(30)은 초음파 반응조(10)의 일측 벽면에 설치되어 초음파를 출력한다. 여기서, 초음파 진동자 모듈(30)은 초음파 반응조(10)의 가로 방향으로의 일측 벽면에 설치되는 것을 일 예로 한다. 그리고, 초음파 진동자 모듈(30)은 초음파 제어기(40)의 제어 따라 진동하여 초음파를 출력하며, 초음파 진동자 모듈(30)의 구성은 기 공지된 다양한 형태로 마련될 수 있는 바, 그 상세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

초음파 제어기(40)는 초음파 진동자 모듈(30)을 통해 출력되는 초음파의 주파수와 초음파 진동자 모듈(30)로 인가되는 유입 파워를 제어한다.

한편, 반사판(50)은 초음파 반응조(10) 내부에 초음파 진동자 모듈(30)로부터 소정 거리 이격된 상태로 배치된다. 여기서, 반사판(50)은 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력되는 초음파를 반사시킨다.

본 발명에 따른 반사판(50)은 유리 재질로 마련되는 것을 일 예로 하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 공기층(51)이 형성되도록 2중 막 형태로 마련되는 것을 일 예로 한다. 여기서, 반사판(50)을 형성하는 각 유리막의 두께는 10mm로 하고, 공기층(51)의 두께는 10mm로 설정되는 것을 예로 한다. 이에 따라, 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력된 초음파는 유리 재질의 반사판(50)으로부터 반사되고, 내부의 공기층(51)에 의해 초음파가 반사판(51) 반대측으로 전달되는 것이 차단된다.

그리고, 상술한 바와 같이, 초음파 반응조(10)가 가로 1. 20m, 세로 0.60m, 높이 0.40m의 사이즈로 마련되는 경우, 반사판(50)은 초음파 반응조(10) 내부에서 초음파 진동자 모듈(30)로부터 20cm 또는 50cm 중 어느 하나만큼 이격 배치된 상태로 초음파 에너지가 계측되는 것을 일 예로 한다.

한편, 초음파 측정기(20,21)는 초음파 반응조(10) 내부에서 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력되는 초음파를 측정한다. 여기서, 본 발명에 따른 초음파 측정기(20,21)는 초음파 반응조(10) 내부에서 초음파 진동자 모듈(30)과 반사판(50) 사에에 일정 거리 단위로 설정된 복수의 측정 위치에서 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력되는 초음파를 측정함으로써, 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력된 초음파의 초음파 반응조(10) 내부에서의 분포를 계측함과 동시에 반사판(50)에 의한 초음파 에너지의 변화를 계측하게 된다.

여기서, 초음파 측정기(20,21)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 측정 위치에 순차적으로 배치되는 프로브(21)와, 프로브(21)의 표면에서 발생하는 초음파 캐비테이션(Cavitation)에 의한 초음파 에너지를 측정하는 초음파 캐비테이션 미터(20)를 포함하는 것을 예로 한다. 이에 따라, 실제 초음파 반응기에 적용될 때, 캐비테이션 작용에 사용되는 에너지의 측정이 가능하게 되어 반응기 내부로 유입되는 유입 파워 중 수처리에 사용되는 유입 파워의 측정이 가능하게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 초음파 측정기(20,21)에 의해 측정되는 측정 위치는 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력되는 초음파의 주파수의 λ/4, λ/2, 3λ/4, λ만큼 이격되는 위치로 설정되는 것을 일 예로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치를 통해 측정된 초음파 에너지의 분포를 도시한 그래프이다. 도 3 및 도 4는 초음파 진동자 모듈(30)로부터 출력되는 초음파의 주파수 및 유입 파워가 각각 35 kHz와 240 W인 조건 하에서 계측된 그래프이고, 도 3은 반사판(50)이 초음파 진동자 모듈(30)로부터 20cm 이격 배치된 상태에서 계측된 그래프이고, 도 4는 반사판(50)이 초음파 진동자 모듈(30)로부터 50cm 이격 배치된 상태에서 계측된 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반사판(50)이 초음파 진동자 모듈(30)로부터 20cm 이격 배치된 상태에서 초음파의 파장(λ)의 1/4 위치마다 측정한 값이 많게는 15% 이상 에너지 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 반사판(50)이 초음파 진동자 모듈(30)로부터 50cm 이격 배치된 상태에서 초음파의 파장(λ)의 1/4 위치마다 측정한 값이 많게는 20% 이상 에너지 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같이, 초음파 반응조(10) 내부의 반사판(50)의 유ㅇ무, 그리고 반사판(50)의 위치에 따라서 유입된 초음파 에너지가 크게 영향을 받는 것을 확인하였다. 따라서, 기존의 연구 결과가 동일한 오염물질을 대상으로 비슷한 실험 조건에서 수행하였어도 실험결과 및 추이가 동일하지 않는 것이 초음파 에너지가 초음파 반응조(10), 즉 실제 수처리에 적용될 경우 초음파 반응기의 형태나 재질 등에 따 라 크게 영향 받기 때문이라는 것이 확인된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치의 구성을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치의 초음파 반응조의 구성을 도시한 도면이고,

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치를 통해 측정된 초음파 에너지의 분포를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 번호에 대한 설명>

10 : 초음파 반응조 11 : 흡음부재

20 : 초음파 캐비테이션 미터 21 : 프로브

30 : 초음파 진동자 모듈 40 : 초음파 제어기

50 : 반사판 51 : 공기층

Claims

삭제
반사판의 위치에 따른 초음파 에너지 분포 계측 장치에 있어서,

처리 대상물을 수용하는 초음파 반응조와;

상기 초음파 반응조의 일측 벽면에 설치되어 초음파를 출력하는 초음파 진동자 모듈과;

상기 초음파 진동자 모듈을 통해 출력되는 초음파의 주파수와 초음파 진동자 모듈에 인가되는 유입 파워를 제어하는 초음파 제어기와;

상기 초음파 반응조 내부에 상기 초음파 진동자 모듈로부터 소정 거리 이격된 상태로 배치되어 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파를 반사시키며, 유리 재질로 마련되는 반사판과;

상기 초음파 반응조 내부의 상기 초음파 진동자 모듈과 상기 반사판 사이에 일정 거리 단위로 설정된 복수의 측정 위치에서 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파를 측정하는 초음파 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치.
제2항에 있어서,

상기 반사판은 내부에 공기층이 형성되도록 2중 막 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 초음파 반응조는 가로 1. 20m, 세로 0.60m, 높이 0.40m의 사이즈로 마련되고;

상기 초음파 진동자 모듈은 상기 초음파 반응조의 가로 방향으로의 일측 벽면에 설치되며;

상기 반사판은 상기 초음파 반응조 내부에서 상기 초음파 진동자 모듈로부터 가로 방향으로 20cm와 50cm 중 어느 하나만큼 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치.
제4항에 있어서,

상기 측정 위치는 상기 초음파 진동자 모듈로부터 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력되는 초음파의 주파수의 λ/4, λ/2, 3λ/4, λ만큼 이격되는 위치로 설정되는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치.
제5항에 있어서,

상기 초음파 반응조의 내부 벽면 중 상기 초음파 진동자 모듈이 설치된 벽면 이외의 벽면에는 상기 초음파 진동자 모듈로부터 출력된 초음파의 반사를 저지하는 흡음부재가 부착되는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 분포 계측 장치.