KR101110680B1 - 초음속 슬릿 분사노즐 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수송기체 또는 에어로졸(수송기체와 고상파우더가 혼합된 상태)을 대면적으로 분사할 수 있는 초음속 슬릿(slit) 분사노즐 및 그 제작방법에 관한 것이다.

본 발명은 수송기체 또는 에어로졸을 공급받아 초음속으로 균일하게 분사하는 노즐로서, 좌우방향으로 개방되어 있으며 노즐입구와 노즐출구 사이에 노즐목이 형성된 노즐몸체; 상기 노즐몸체의 후방으로 연속되도록 형성되어 있으며, 상기 노즐입구와 연통하는 공급로가 형성된 연결부; 및 상기 노즐몸체의 양 측면을 각각 밀폐시키는 측판; 을 포함하여 구성되며, 상기 노즐몸체에는 노즐입구에서 노즐목에 이르기까지 일정비율로 축소되다가, 노즐목에서 노즐출구에 이르기까지 일정비율로 확장되어, 그 종단면은 횡방향 중심선을 기준으로 상하 대칭을 이루고, 그 횡단면은 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 장방향으로 형성된 내부공간이 구성된 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐과,

상기 초음속 슬릿 분사노즐을 제작하는 방법으로서, (a) 모재를 절삭하여 노즐몸체와 연결부의 외형을 가공하는 단계; (b) 노즐몸체의 내부를 측방향으로 절삭 가공하여 내부공간을 형성시키고, 상기 연결부를 전후방향으로 절삭 가공하여 상기 내부공간과 연통하는 공급로를 형성시키는 단계; 및 (c) 상기 노즐몸체의 양 측면을 측판으로 밀폐시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐 제작방법을 함께 제공한다.

초음속, 슬릿노즐, 분사노즐, 수송기체, 고상파우더, 에어로졸, 분사 코팅

Description

초음속 슬릿 분사노즐 및 그 제작방법{Supersonic slit spray nozzle and method for making the same}

본 발명은 노즐목의 상하부 변곡점이 동일수직선상에 위치하는 초음속 슬릿(slit) 분사노즐 및 그 제작방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 노즐출구의 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 분사노즐로서, 설계된 노즐출구 전폭에 걸쳐 분사되는 기체의 마하수(mach number)를 정상적으로 발현하기 위하여 노즐목의 상하부 변곡점이 동일 단면 수직선상에 있도록 하고, 노즐출구 단면적이 설계된 단면적과 동일하게 확보되는 노즐 몸체부 단면을 형성하고, 상기 노즐몸체 양 측면을 수송기체 또는 고상파우더가 새지 않도록 밀폐시킨 초음속 슬릿 분사노즐 및 그 제작방법을 제공하는 것이며, 이는 고상파우더를 대면적의 기재에 분사 코팅하거나, 수송기체를 대면적으로 분사하는 공정에 적용할 수 있다.

초음속 노즐은 [도 4]에 보이는 바와 같이 노즐입구에서 노즐목(nozzle-throat)으로 갈수록 단면적이 작아지고 다시 노즐목을 지나 노즐출구로 갈수록 단 면적이 커지는 형상으로 구성되며, 이를 일반적으로 라발(Laval) 노즐이라고 부른다. 이러한 라발 노즐은 1897년 스웨덴의 Gustaf de Laval에 의해 개발되어 증기 터빈(steam turbine)에 이용되었고, 그 후 Robert Goddard에 의해 로켓트 엔진에 그 원리가 적용되었다.

위와 같은 초음속 분사노즐은 수 십년 전부터 고상파우더를 분사 코팅하는데 이용되어 왔다(예; 용사증착(thermal spray), 플라즈마 스프레이(plasma spray), 저온분사(cold spray), 동적 스프레이(kinetic spray) 등).

종래의 초음속 분사노즐은 그 종단면이 노즐목을 기준으로 축소/확대되고, 횡단면은 원형 또는 사각형 단면으로 형성되는 내부공간을 갖도록 구성되어 있으며, 노즐몸체가 하나의 부재로 이루어진 일체형 노즐 또는, 2) 상하 두 조각(two halves)이 결합하여 노즐몸체를 이루는 분리형 노즐로 구분된다.

종래의 초음속 분사노즐을 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

(1) 미합중국 특허 제5,302,414호("Gas-dynamic spraying method for applying a coating")는 초음속 분사노즐(라발 노즐)을 사용하여 금속 파우더 등을 분사 코팅할 수 있는 기술을 제시하고 있다. 이 특허 명세서의 Fig. 3에는 노즐출구가 사각형 단면을 형성하고 있는 것만 제시되어 있고, 초음속 분사노즐이 구체적으로 사각형 단면으로 된 일체형 노즐인지 또는 상하부가 분리된 분리형 노즐인지는 알 수 없다. 다만, 일체형 사각형 축소/확대 단면 노즐이라면 노즐내부에서 기 체 및 고상파우더가 누출되는 현상은 일반적으로 발생하지 않으나, 대면적 코팅을 위하여 노즐출구 폭이 커지면, 일체형 관(pipe)으로 노즐을 가공하기가 어려워지는 단점이 있고, 상하부가 분리된 분리형 노즐인 경우라면, 상하부 두 조각이 접촉하는 부분이 새지 않고, 고압 및 고온에 견딜 수 있는 재질의 개스킷(gasket) 또는 접착재를 사용하여 밀폐가 일반적으로 가능하나, 상하부 두 조각(two halves)을 결합시킬 때 개스킷 두께, 개스킷 열팽창계수, 접착재 두께, 접착재의 열팽창계수, 노즐상하부 단면 조각 두께 및 조립오차로 인하여 노즐목의 상하 변곡점을 동일 단면의 수직선상에 일치시키고, 노즐출구 단면적을 최초 설정 단면적으로 유지시키기가 거의 불가능한 큰 문제점(노즐목의 최소단면적과 노즐출구 단면적이 설정한 단면과 일치하지 않아서 최초 설계된 수송기체의 노즐출구 마하수가 달라짐-매우 민감한 설계인자임)이 있다.

(2) 미합중국 특허 제6,502,767호("Advanced cold spray system")는 스프레이 코팅에 관한 기술로서, 상기 (1)의 기술과 마찬가지로 초음속 분사노즐(라발노즐)을 이용하고 있다. 이는 상하부 두 조각(two halves)의 노즐 홀더(nozzle holder), 원형립(circular lip), 볼트/너트 및 링(ring)을 이용하여 전면 하우징(front housing)에 실린더형(tapered cylindrical) 축소/확대 노즐을 결합하여 노즐 내부에서 수송기체 및 고상파우더가 새지 않도록 하는 기술을 제시하였다. 이 기술은 수송기체 및 고상파우더가 새지 않도록 할 수 있으나, 전술한 바와 같이 노즐 조립 시 노즐목(nozzle-throat)의 상하부 변곡점이 동일 단면 수직선상에 있도 록 조립하기가 현실적으로 어렵기 때문에(예를 들면, 관경이 0.1mm 일 경우에 상하부 변곡점을 동일 수직선상에 맞추기 어렵기 때문에, [도 5]에 도시된 바와 같이 노즐목의 단면적이 변하여 같은 압력 조건일 때 수송기체의 유량이 커지거나 작아질 수도 있어, 최초 설계된 대로 노즐목을 최소 단면적으로 볼 수 없고, 노즐출구에서 분사되는 수송기체의 분사속도(마하수)도 변화된다) 노즐목의 최소단면적을 최초 설정된 단면적으로 맞출 수 없는 한계가 있다.

(3) 대한민국 특허 제0776194호("콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치")는 노즐목에서 부드러운 재질의 분말 코팅 시에 노즐이 막히는 현상을 최소화하고, 고경도 재질의 분말 코팅 시에 노즐의 마모를 막을 수 있도록 초음속 분사노즐을 개량한 기술로 기재되어있다. 위와 같은 노즐은 특허 제0776194호 명세서의 도 1 내지 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일정한 관경을 가지는 분사튜브를 노즐목에 관통시켜 분사구보다 단면적이 큰 출구부에 분사하도록 한 노즐로서, 전술한 일체형 원형 초음속 분사노즐과 유사한 것이나, 축소/확대되는 초음속 분사노즐과 달리 일정한 관경의 분사튜브로 인하여 초음속 발현이 어렵고, 위 명세서의 내용과 달리 이러한 형태의 단면으로 초음속을 발휘하기 위해서는 더 많은 압력이 요구되고, 종래의 알려진 초음속 분사노즐 단면설계가 어렵다는 단점이 있다.

(4) 미합중국 특허 제6,139,913호("Kinetic spray coating and apparatus") 및 미합중국 특허 제7,108,893호("Spray system with combined kinetic spray and thermal spray ability")는 공통적으로 축소/확대 단면의 초음속 분사노즐을 사용하는 기술로 기재되어 있다. 위 기술에 적용되는 노즐은 간단한 공정으로 제작할 수 있고 노즐내부에서 기체 및 고상파우더가 누출되지 않지만, 폭이 넓은 대면적 코팅을 위하여 노즐출구 폭이 커지면, 일체형으로 노즐을 가공하기가 어려워지는 단점이 있다.

상기 (1)~(4)의 종래 기술에서 사용되는 초음속 분사노즐(라발노즐)은 용사 증착(thermal spray), 저온분사(cold spray), 동적 스프레이(kinetic spray) 등에서 일반적으로 사용되는 노즐이다. 이 중 일체형 노즐은 에어로졸이 새지 않는 장점은 있으나, 노즐의 내부공간을 일정한 형태로 가공하는 것이 어렵다는 문제가 있고, 분리형 노즐은 상하부 두 조각의 조립공정상의 한계, 수송기체 또는 고상파우더가 새는 것을 막기 위해 구비되는 개스킷이나 접착재 등의 열팽창 및 수축 등을 이유로 노즐목(nozzle-throat)의 상하 변곡점이 동일 수직선상에 있도록 정렬하는 것이 거의 불가능하다는 문제가 있다. 또한, 상기 두 가지 타입 모두 대면적 기재에 분사 코팅하기 위한 노즐로 적용하기에는 무리가 있다.

종래의 초음속 분사노즐에서 개선해야 할 사항을 정리하면 다음과 같다.

1) 고압 및 고온에 견딜 수 있는 밀폐 수단을 사용하여 노즐내부에서 수송기체 및 고상파우더가 새지 않도록 해야 함.

2) 노즐목과 노즐출구의 단면적과 형상을 설계된 바에 따라 정확히 제작할 수 있어야 함.

3) 수송기체나 에어로졸을 대면적 기재에 균일하게 분사 코팅할 수 있어야 함.

본 발명은 노즐목의 상하부 변곡점이 동일 수직선상에 있도록 하고, 노즐출구의 단면적을 설계사항과 정확히 일치시키며, 수송기체 또는 고상파우더가 누출되지 않도록 밀폐되고, 수송기체 또는 에어로졸을 대면적 기재에 균일하게 분사할 수 있는 초음속 슬릿(slit) 분사노즐 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제 해결을 위해 본 발명이 제공하는 기술수단으로서,

상하부 노즐 두 조각을 결합 정렬하여 상하부 노즐목의 변곡점을 맞추는 부정확한 방법이 아닌, 모재를 측방향으로 절삭가공하여 최초 설정된 노즐목의 정확한 단면적과 노즐출구의 정확한 단면적을 확보하여, 수송기체의 분사속도(마하수)가 정상적으로 발휘되도록 하는 기술수단이 본 발명의 첫 번째 요지(要旨)이고,

노즐출구의 가로폭을 세로폭 보다 상대적으로 큰 장방형으로 구성하여 대면적 기재에 고상파우더를 균일하게 코팅시킬 수 있도록 하는 기술수단이 본 발명의 두 번째 요지(要旨)이고,

노즐몸체의 양 측면을 측판으로 밀폐시켜 수송기체 또는 고상파우더가 새지 않도록 하는 기술수단이 본 발명의 세 번째 요지(要旨)이고,

수송관(또는 혼합챔버)과 연통되는 연결부를 노즐몸체와 일체(一體)로 제작하는 기술수단이 본 발명의 네 번째 요지(要旨)이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 구체적인 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 모재를 측방향으로 절삭가공하여 노즐몸체의 내부공간을 형성하고 노즐몸체 양측면을 밀폐하기 때문에, 상하로 분리된 조각을 조립할 때에 같은 문제점(노즐목의 상하 변곡점이 동일 수직선상에 위치되지 않는 등의 조립공정상 착오)이 발생하지 않아 수송기체의 분사속도(마하수)가 정상적으로 발휘되는 초음속 분사노즐을 제공할 수 있다.

둘째, 노즐출구 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 슬릿한 형태의 초음속 슬릿 분사노즐로 제작할 수 있어 대면적의 분사 및 코팅에 적용할 수 있다.

셋째, 종래 고상파우더 분사 시스템에서 사용되는 초음속 분사노즐을 상기 초음속 슬릿 분사노즐로 대체할 수 있다.

Ⅰ. 초음속 슬릿 분사노즐

본 발명은 수송기체 또는 에어로졸을 공급받아 초음속으로 균일하게 분사하는 노즐로서, 좌우방향으로 개방되어 있으며 노즐입구와 노즐출구 사이에 노즐목이 형성된 노즐몸체; 상기 노즐몸체의 후방으로 연속되도록 형성되어 있으며, 상기 노즐입구와 연통하는 공급로가 형성된 연결부; 및 상기 노즐몸체의 양 측면을 각각 밀폐시키는 측판; 을 포함하여 구성되며, 상기 노즐몸체에는 노즐입구에서 노즐목 에 이르기까지 일정비율로 축소되다가, 노즐목에서 노즐출구에 이르기까지 일정비율로 확장되어, 그 종단면은 횡방향 중심선을 기준으로 상하 대칭을 이루고, 그 횡단면은 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 장방향으로 형성된 내부공간이 구성된 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐을 제공한다([도 7] 및 [도 8] 참조).

이하에서는 본 발명의 각 구성요소를 첨부된 도면과 함께 설명하기로 한다.

1. 노즐몸체

본 발명에서 상기 노즐몸체(100)는 그 외형을 필요에 따라 변형시킬 수 있으나, 노즐출구(103)에서 수송기체를 원하는 분사속도로 분사시키기 위해서는 노즐몸체(100)의 내부공간(300)을 정밀하게 설계해야 한다. 특히, 노즐목(102)과 노즐출구(103)의 단면적의 비율이 중요한데, 노즐몸체(100) 내부의 공간을 정밀하게 설계한 만큼, 설계된 사항이 그대로 반영되도록 제작하는 방법이 필요하며, 이 점에 대해서는 후술하기로 한다.

일반적인 초음속 분사노즐에서도 노즐출구를 통해 분사되는 수송기체(또는 에어로졸)의 분사속도(마하수)는 노즐출구와 노즐목의 단면적비(A/A*)와 비열비(specific heat ratio; 수송기체에 따라 값을 적용; 공기인 경우 =1.4로 적용)로 결정된다. 본 발명은 상기 노즐몸체(100)의 횡단면은 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 장방형으로 구성되어 노즐출구(103)가 슬릿형으로 구비되는 초음속 슬릿 분사노즐인데, 상기 노즐몸체(100) 내의 형성된 내부공간(300)은 전술한 바와 같이 노즐입구(101)에서 노즐목(102)에 이르기까지 일정비율로 축소되다가, 노즐목(102) 에서 노즐출구(103)에 이르기까지 일정비율로 확장되어, 상기 노즐몸체(100)의 종단면은 횡방향 중심선을 기준으로 상하 대칭을 이루도록 구성되어야 한다. 또한, 노즐출구(103)에서의 수송기체 분사속도를 결정하는 인자는 일반적인 초음속 분사노즐과 마찬가지인데, 노즐목(102)의 단면적을 최소 단면적(일반적으로, 초음속 분사노즐에서는 최소단면적이 되는 단면을 노즐목으로 정의한다)이 되도록 가공하여, [도 4]에 도시된 바와 같이 노즐목(102) 단면의 상하부 변곡점(단면 형상이 축소되다가 다시 확대되는 변곡 위치)이 단면의 동일 수직선상에 위치하도록 하고, 노즐출구(103) 중심선을 기준으로 노즐출구 상하부 단면이 비대칭이 되지 않고 노즐출구 단면적을 설계된 바에 따라 정확히 유지토록 함으로써 최초 설계된 노즐출구(103)에서의 수송기체 분사속도(마하수, M)가 정상적으로 발휘될 수 있도록 한 것이 본 발명의 특징이다. 상기 노즐출구(103)와 노즐목(102)의 단면적은 수송기체의 종류와 노즐출구(103)에서 발현되어야 하는 수송기체의 분사속도를 고려하여 하기 (식 1)에 따른 비율로 형성시키는 것이 바람직하다.

(식 1) :

= 노즐출구 단면적

= 노즐목 단면적

= 수송기체의 분사속도(마하수, mach number)

= 수송기체의 비열비(specific heat ratio)

한편, [도 5]에 도시된 바와 같이 초음속 분사노즐 단면상의 노즐목 상부 변곡점(113)과 하부 변곡점(114)이 동일 수직선상에 위치하지 않을 때는 최초 설계된 노즐출구에서의 수송기체 분사속도가 정상적으로 발휘되지 않는다. 이러한 현상은, 전술한 바와 같이 초음속 분사노즐을 상하부 두 조각(two halves)으로 따로 제작하고 난 후, [도 4]와 같이 상하부 변곡점을 동일 수직선상에 정렬하기 위해 조립하는 과정에서 발생할 수 있는 것으로서, 특히 노즐목의 제원이 수 마이크로미터 이하일 경우와 초음속 분사노즐을 슬릿하게 제작하는 경우에는 노즐 단면의 상하부 변곡점을 동일 수직선상에 정확히 정렬한다는 것이 더욱 어렵다. 또한, 노즐출구 폭이 커짐에 따라(더 슬릿하게 되는 경우) 초음속 분사노즐 상하부 단면 두 조각(two halves)을 결합할 경우 출구중심선에 노즐출구 상하부 단면이 대칭(symmetry)이 되게 조립하기 어렵기 때문에, 설계된 노즐출구 단면적에 정확히 일치하도록 제작하는데 어려움이 있었다.

본 발명에서는 후술하는 바와 같이 하나의 모재(10)를 절삭하여 노즐몸체(100)의 외형과 내부공간(300)을 형성시킬 수 있기 때문에, 분절된 상하부를 조합하여 노즐몸체를 구성할 필요가 없다. 따라서, 노즐목(102) 단면의 상하부 변곡점(113, 114)이 동일 단면 수직선상에 위치하도록 일치시키고, 노즐목(102)과 노즐출구(103)의 단면적이 사전에 설계한 단면적에 정확히 일치하도록 구성할 수 있다.

2. 측판

하나의 모재(10)를 측방향으로 절삭하여 노즐몸체(100)의 내부공간(300)을 형성시킨 상태에서는 [도 2]에 도시된 바와 같이 노즐몸체(100)의 양 측면(104)이 좌우방향으로 오픈되어 있으므로, 노즐몸체(100)의 양 측면을 밀폐시키기 위한 부재인 측판(150)이 필요하게 된다. 상기 노즐몸체(100)와 측판(150) 각각의 상부와 하부에 횡방향으로 연속되는 삽입홀(2)을 다수개 형성시키고, 상기 다수개의 삽입홀(2)에 볼트(1)를 체결하여 상기 노즐몸체(100)와 측판(150)을 결합시킬 수 있다. 한편, 상기 노즐몸체(100)와 측판(150) 사이에는 개스킷(미도시)을 끼우거나, 상기 노즐몸체(100)와 측판(150)이 접한 부위에 접착재(111)를 도포함으로써 노즐출구(103)를 제외한 전 부분을 밀실하게 하여 수송기체가 새어 나가는 것을 차단할 수 있다.

3. 연결부

상기 노즐몸체(100)의 후방에는 상기 노즐몸체(100)에 일체성을 부여하기 위한 연결부(200)가 형성되어 있다. 하나의 모재를 절삭하여 노즐몸체(100)와 연결부(200)를 가공하는 것이므로 상기 노즐몸체(100)와 일체(一體)를 이루게 되는 것이며, 이에 따라 상기 노즐몸체(100)에 좌우방향으로 트인 내부공간을 형성시키더라도 상기 연결부(200)에 의해 상기 노즐몸체(100)가 상하로 분리되지 않게 된다. 상기 연결부(200)의 후단은 수송관 또는 챔버와 결합시킬 수 있으며, 상기 연결 부(200)에는 [도 2], [도 6] 및 [도 9]에 도시된 바와 같이 상기 노즐몸체(100)의 내부공간(300)과 연통하는 공급로(210)가 형성되어 있어야 한다. 상기 공급로(210)는 수송관을 통과한 수송기체(또는 에어로졸)를 노즐입구로 보내는 통로가 된다.

4. 공급부

한편, 본 발명은 상기 측판(150)의 내측면에 각각 구비되어, 노즐입구(101)에서 노즐목(102) 방향으로 발산하는 형태로 조합되는 공급부(152)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐을 제공한다. 상기 공급부(152)는 상기 연결부(200)의 공급로(210)를 거쳐 유입되는 수송기체(또는 에어로졸)가 노즐목(102)에 퍼져 공급되도록 유도하는 역할을 담당한다([도 8] 참조).

아울러, 최적의 분사속도를 발현하기 위해서는, 상기 노즐몸체(100) 또는 연결부(200)에 센서(sensor)를 장착시켜, 상기 노즐입구(101) 및 노즐몸체(100) 주위의 압력, 온도 등을 측정하여 수송기체(또는 에어로졸)의 공급속도가 제어되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 초음속 슬릿 분사노즐은 1) 수송기체와 고상파우더를 함께 분사하는 용사증착(thermal spray) 장치, 저온분사(cold spray) 장치, 플라즈마(plasma) 증착장치, 동적증착(kinetic spray) 장치, 정전입자충격증착(electrostatic powder impact deposition) 장치, 가스증착(gas deposition) 장 치, 에어로졸 증착(aerosol deposition) 장치의 분사노즐을 대체 적용할 수 있고, 2) 세척(clean)이나 코팅두께 조절 등을 위해 수송기체만을 분사하는 분사노즐로도 사용할 수 있다.

Ⅱ. 초음속 슬릿 분사노즐 제작방법

본 발명은 전술한 초음속 슬릿 분사노즐을 제작하는 방법으로서, (a) 모재를 절삭하여 노즐몸체와 연결부의 외형을 가공하는 단계; (b) 노즐몸체의 내부를 측방향으로 절삭 가공하여 내부공간을 형성시키고, 상기 연결부를 전후방향으로 절삭 가공하여 상기 내부공간과 연통하는 공급로를 형성시키는 단계; 및 (c) 상기 노즐몸체의 양 측면을 측판으로 밀폐시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐 제작방법을 함께 제공한다.

이하에서는 본 발명의 각 단계를 첨부된 도면과 함께 설명하기로 한다.

1. (a)단계 - 외형가공공정

본 단계는 모재(10)를 절삭하여 노즐몸체(100)와 연결부(200)의 외형을 가공하는 단계이다([도 1] 참조). 상기 모재(10)로는 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄 합금 등을 사용할 수 있다. 상기 노즐몸체(100)와 연결부(200)의 외형은 자유로이 구성할 수 있다. 본 단계에서는 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄 합금 등의 모재를 고정시킨 후 절삭 가공기를 3축(x,y,z) 방향으 로 이동시키거나, 절삭 가공기를 고정하고 모재를 3축 방향으로 이동시켜 초음속 슬릿 분사노즐의 전체적인 외형을 형성하게 된다. 상기 모재(10)는 가공 후 열변형이 발생하지 않도록, 가공 전에 미리 열처리하는 것이 바람직하다.

2. (b)단계 - 내부가공공정

본 단계는 노즐몸체(100)의 내부를 측방향으로 절삭 가공하여, 노즐입구(101)에서 노즐목(102)에 이르기까지 일정비율로 축소되다가, 노즐목(102)에서 노즐출구(103)에 이르기까지 일정비율로 확장되어, 종단면은 횡방향 중심선을 기준으로 상하 대칭을 이루고, 횡단면은 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 장방형으로 이루어진 내부공간(300)을 형성시키는 단계이다([도 2] 참조). 또한, 상기 내부공간(300)을 형성시킨 다음에는 연결부(200)를 전후방향으로 절삭 가공하여 상기 내부공간(300)과 연통하는 공급로(210)를 형성시키는 작업을 함께 수행한다. 상기 공급로(210)는 수송관(또는 챔버)과 연통하게 된다.

본 단계에서는 일반적인 여러 가지 절삭 툴(tool)을 사용하여 전술한 절삭가공을 시행할 수 있다. 다만, 절삭 툴에 따라 초음속 슬릿 분사노즐 내부의 표면 조도가 달라지므로, 목적에 따라 절삭 툴이 선택되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 특히 노즐목(102)의 폭(노즐목의 상하 갭)이 수 마이크로 미터 이하일 경우에는 절삭 후 연마 공정으로 인하여 노즐목의 제원이 변할 수 있기 때문에, 처음부터 절삭 후 표면 조도가 좋은(수 마이크로미터 이하 조도) 절삭 툴을 적용하여야 한다. 만약, 절삭 후 초음속 슬릿 분사노즐 내부의 표면 조도가 양호하지 않을 경우 코팅 기재에 줄무늬(조도 불량으로 노즐 내부에 요철이 형성되어 고상파우더 분사시 줄무늬가 나타나게 되는 현상)가 형성되어 코팅 품질을 저하시킬 우려가 있기 때문이다. 노즐목의 상하 갭(gap)이 수 마이크로미터 이하일 경우 노즐목 보다 작은 크기의 연마 툴을 삽입하여 연마하는 것은 현실적으로 어렵다. 따라서 본 단계에서는 조도가 좋은 절삭 가공 툴을 사용하는 것과 더불어, 노즐목 및 노즐출구 내부의 표면 조도를 향상시키기 위하여(예; 조도 1㎛ 이하) 절삭 가공 후 다이아몬드 등과 같은 연마용 분말을 노즐목과 노즐출구를 통과하게 하여 조도를 향상시킬 수 있는 방법을 사용할 수도 있다. (종래에는 이러한 문제 때문에 노즐을 상하부 두 조각으로 절삭 가공한 후 절삭 가공된 노즐 내부 면에 연마를 하였으나, 이 경우에는 전술한 바와 같이 노즐목의 상하부 변곡점이 동일 단면 수직선상에 위치하도록 정렬하기가 어렵다는 문제가 발생했던 것이다.)

3. (c)단계 - 밀폐공정

본 단계는 초음속 슬릿 분사노즐 내부에서 외부로 수송기체 또는 고상파우더 입자가 누출(leak) 되지 않도록 하기 위해 상기 노즐몸체(100)의 양 측면(104)을 밀폐(leak tightness) 하는 단계이다. 본 단계는 노즐몸체(100)와 측판(150)의 상부와 하부에 횡방향으로 연속되도록 형성된 다수개의 삽입홀(2)에 볼트(1)를 결합시키되, 상기 노즐몸체(100)와 측판(150) 사이에 개스킷을 끼우거나, 상기 노즐몸체(100)와 측판(150)이 접한 부위에 접착재(111)를 도포하는 과정을 더 부가하여 수송기체나 고상파우도의 누출을 완벽히 차단되도록 할 수 있다.

도 1은 모재를 절삭하여 초음속 슬릿 분사노즐의 외형을 가공하는 과정의 모식도이다.

도 2는 노즐몸체의 내부를 절삭 가공한 상태의 모식도이다.

도 3은 노즐몸체의 양 측면을 밀폐시키는 측판을 도시한 것이다.

도 4는 노즐목의 상하부 변곡점이 수직선상에 위치한 상태를 도시한 것이다.

도 5는 노즐목의 상하부 변곡점이 수직선상에 위치하지 않은 상태를 도시한 것이다.

도 6은 초음속 슬릿 분사노즐의 분해사시도이다.

도 7은 초음속 슬릿 분사노즐의 외관사시도이다.

도 8은 초음속 슬릿 분사노즐의 A-A' 단면도이다.

도 9는 초음속 슬릿 분사노즐의 내부공간과 연결로를 중심으로 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 볼트 2 : 삽입홀

10 : 모재 100 : 노즐몸체

101 : 노즐입구 102 : 노즐목

103 : 노즐출구 104 : 노즐몸체 측면

108 : 일반 초음속 노즐 상부단면 조각

109 : 일반 초음속 노즐 하부단면 조각

111 : 접착재 112 : 수직선

113 : 노즐목 상부 변곡점 114 : 노즐목 하부 변곡점

150 : 측판 152 : 공급부

200 : 연결부 210 : 공급로

300 : 노즐몸체의 내부공간

Claims (7)

1. 수송기체 또는 에어로졸을 공급받아 초음속으로 균일하게 분사하는 노즐로서,

   좌우방향으로 개방되어 있으며 노즐입구(101)와 노즐출구(103) 사이에 노즐목(102)이 형성된 노즐몸체(100);

   상기 노즐몸체(100)의 후방으로 연속되도록 형성되어 있으며, 상기 노즐입구(101)와 연통하는 공급로(210)가 형성된 연결부(200); 및

   상기 노즐몸체(100)의 양 측면(104)을 각각 밀폐시키는 측판(150); 을 포함하여 구성되며,

   상기 노즐몸체(100)에는 노즐입구(101)에서 노즐목(102)에 이르기까지 일정비율로 축소되다가, 노즐목(102)에서 노즐출구(103)에 이르기까지 일정비율로 확장되어, 그 종단면은 횡방향 중심선을 기준으로 상하 대칭을 이루고, 그 횡단면은 가로폭이 세로폭 보다 상대적으로 큰 장방향으로 형성된 내부공간(300)이 구성되어 있으며,

   상기 노즐출구(103)와 노즐목(102)의 단면적은 하기 (식 1)에 따른 비율로 형성된 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐.

   (식 1) :

   

   = 노즐출구 단면적

   

   = 노즐목 단면적

   

   = 수송기체의 분사속도(마하수, mach number)

   

   = 수송기체의 비열비(specific heat ratio)
2. 삭제
3. 제1항에서,

   상기 노즐몸체(100)와 측판(150)에는 그 각각의 상부와 하부에 횡방향으로 연속되는 삽입홀(2)이 다수개 형성되어 있어, 상기 다수개의 삽입홀(2)에 체결되는 볼트(1)를 매개로 상기 노즐몸체(100)와 측판(150)이 결합된 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐.
4. 제3항에서,

   상기 노즐몸체(100)와 측판(150) 사이에 끼워지는 개스킷(미도시); 을 더 포 함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐.
5. 제3항에서,

   상기 노즐몸체(100)와 측판(150)이 접한 부위에는 접착재(111); 가 도포되어 충진된 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐.
6. 제1항에서,

   상기 측판(150)의 내측면에 각각 구비되어, 노즐입구(101)에서 노즐목(102) 방향으로 발산하는 형태로 조합되는 공급부(152); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐.
7. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 초음속 슬릿 분사노즐을 제작하는 방법으로서,

   (a) 모재(10)를 절삭하여 노즐몸체(100)와 연결부(200)의 외형을 가공하는 단계;

   (b) 노즐몸체(100)의 내부를 측방향으로 절삭 가공하여 내부공간(300)을 형성시키고, 상기 연결부(200)를 전후방향으로 절삭 가공하여 상기 내부공간(300)과 연통하는 공급로(210)를 형성시키는 단계; 및

   (c) 상기 노즐몸체(100)의 양 측면(104)을 측판(150)으로 밀폐시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 슬릿 분사노즐 제작방법.

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