KR102176489B1 - 모듈형 초음파 세척기 - Google Patents

Abstract

복수의 진동자로 이루어지고 세척 수조에 초음파를 발사하는 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹;
진동자를 구동하는 10KHz ~ 100KHz 대역의 주파수를 생성하는 제1 내지 제N 주파수 발진기;
상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹의 진동자를 구동하는 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈;
상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈로부터 상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹으로 제공되는 전류값을 측정하는 제1 내지 제N 모듈 전류측정부;
상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에 전원을 공급하는 전원부;
상기 전원부로부터 상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에
공급되는 전류값을 측정하는 초음파 구동전류 측정부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 초음파 세척기 및 작동방법

Description

모듈형 초음파 세척기 {Modular type ultrasonic washer}

본 발명은 초음파 세척기에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 초음파 세척기에 포함된 초음파 발진기의 공진 주파수는 세척 수조, 물, 세제, 피세척물 등에 따라 변동이 되며, 본 발명은 초음파 발진기에 최적의 공진 주파수를 설정하는 기술에 관한 것이다.

초음파 세척기는 주로 초음파에 의해 발생하는 캐비테이션 현상의 원리를 이용하여 세척이 이루어진다. 캐비테이션 현상이란 초음파가 물과 같은 액체를 통과하여 전파될 때 초음파의 큰 압력변화에 의해 미세기포군이 생성되고 소멸되는 현상으로서 매우 큰 압력과 고온이 수백분의 1초에서 수천분의 1초 단위의 짧은 시간동안 발생한다.

고압과 고온의 강력한 힘에 의해 오염물질을 분산 및 분해시켜 세척을 하게 된다.

초음파 세척기는 피세척물의 종류와 용량에 따라 300W, 600W, 700W, 900W, 1,200W, 2,000W 등 다양한 사이즈로 제작될 수 있다.

다양한 사이즈의 초음파 세척기에는 용량에 맞추어 초음파 진동자를 추가 해야 한다. 그리고 초음파 진동자에는 세척기 수조의 피세척물에 맞추어 적정한 공진 주파수가 초음파 발진기로부터 공급되어야 한다.

대한민국 등록특허공보 제10-1761344호(2017. 07. 19)

초음파 발진기는 초음파 세척기의 공진 주파수를 측정하여, 가장 최적화된 진동자 구동 주파수를 설정하여 가동한다.이 때 초음파 세척기의 공진 주파수는 오실로스코프나 임피던스 애널라이저 등으로 측정하여 구할 수 있다.

그러나 초음파 세척기는 세척 수조의 피세척물의 용량, 물의 양, 물의 온도 등에 따라서 적정 공진 주파수가 변한다. 이러한 적정 공진 주파수의 변동에 대하여 지금까지는 주파수 변조의 방식으로 일정 부분 보정 하였다.

그럼에도 불구하고 시간이 지나면 주파수가 변동함에 따라 출력이 변동될 수밖에 없으며, 피세척물이 없을 때의 절반 이하로 출력이 감소할 수 있다. 또한 수조의 피세척물의 양과 물의 수위가 올라가면 공진주파수도 상승하게 되며, 세척물의 양과 물의 수위가 내려가면 공진주파수도 내려가게 된다.

이와 같이 수심의 작은 변화에도 공진주파수가 상승하거나 내려가게 되면 출력이 대폭 감소하게 되고, 초음파 세척기의 소음이 대폭 증가하고, 세척 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.

또한 지금까지 초음파 발진기는 공진 주파수 자동추적 또는 자동튜닝을 RCL 회로로 일정 부분 해결하였으나, 시간이 지나면 이 또한 값의 변화 등으로 효율이 떨어지고 소음이 증가하는 경향이 있었다.

상기와 같은 문제는 초음파 진동자의 작은 주파수 변경에도 민감한 임피던스 변화에 기인하는 것으로 초음파 진동자 특유의 공진특성에서 비롯된다.

따라서 본 발명은 새로운 공진주파수가 제공될 수 있도록 초음파 발진기를 자동 제어하는 방법을 제공한다.

초음파 진동자에 적정한 주파수로 실시간으로 변경함으로써 초음파 세척기의 출력을 높이고, 소음을 줄임으로써 최적의 세척 효율을 이끌어 낼 수 있다.

초음파 세척기의 출력에 맞는 모듈 형태로 다양한 사이즈의 초음파 진동자를 구동할 수 있다.

도 1은 초음파 진동자의 공진 특성을 보여주는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 모듈형 초음파 발진기의 구성과 구동하는 방법을 보여주는 도면이다.

도 1 은 초음파 진동자의 공진특성을 보여주는 도면이다.

초음파 진동자는 2개의 링형 압전소자를 금속 블록 사이에 넣어 볼트로 조임으로써 샌드위치 형상으로 조립한 란주반 진동자의 임피던스 특성을 그래프로 나타낸 것으로서 공진 주파수는 α와 β 사이의 A점에 대응하는 주파수라고 할 수 있다.

주파수 α와 β 사이에서는 위상은 +90도가 되고, 그 외의 영역에서는 위상이 -90도가 된다.

중요한 것은 α와 β 사이에서 주파수가 조금만 변동(B, C) 하여도 임피던스의 변동폭이 매우 크다는 점이다. 이와 같은 임피던스 변동에 따라 출력이 감소하고 소음이 증가하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 세척기의 구성을 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 초음파 세척기는,

복수의 진동자로 이루어지고 세척 수조에 초음파를 발사하는 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹;

진동자를 구동하는 10KHz ~ 100KHz 대역의 주파수를 생성하는 제1 내지 제N 주파수 발진기;

상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹의 진동자를 구동하는 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈;

상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈로부터 상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹으로 제공되는 전류값을 측정하는 제1 내지 제N 모듈 전류측정부;

상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에 전원을 공급하는 전원부;

상기 전원부로부터 상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에

공급되는 전류값을 측정하는 초음파 구동전류 측정부;

세척 수조에 공급되는 물의 온도를 측정하는 온도센서;

세척 수조에 공급되는 물의 높이를 측정하는 수위센서;

주파수 발진기 및 전원부를 제어하는 주제어부;

모듈형 초음파 발진기를 구동하는 스위치;

및 모듈형 초음파 발진기의 작동 상태를 보여주는 표시부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

복수의 진동자로 이루어진 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹은 초음파 세척기의 필요 용량에 맞추어 각 트랜듀서 그룹의 출력의 합이 전체 출력이 되도록 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹을 구성할 수 있다.

바람직하게는, 300W 필요 용량의 초음파 세척기에는 각각의 출력이 50W 인 제1 내지 제6 트랜듀서 그룹을 연결하여 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 내지 제6 트랜듀서 그룹의 각각의 출력이 모두 동일하게 50W가 아니더라도 6개 트랜듀서 그룹의 출력의 합을 300W 출력에 맞추어 초음파 세척기를 구성할 수 있다. 즉, 세척기 필요 용량에 맞추어서 트랜듀서 그룹을 자유롭게 구성할 수 있다.

제1 내지 제N 주파수 발진기에서 생성된 주파수는 주파수 신호 분배기(MUX)에 의하여 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈로 제공된다. 각 주파수 발진기는 동일한 주파수를 생성할 수도 있으며, 모듈별로 각기 다른 주파수를 생성하여 제공할 수도 있다.

제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈은 진동자를 구동하는 정현파를 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹에 제공한다. 초음파 진동자 구동모듈에는 인덕터 코일이 포함되어 있으며, 코일의 인덕턴스 성분이 진동자의 캐피시턴스 성분과 결합되도록 정현파가 트랜듀서 그룹에 제공된다.

제1 내지 제N 모듈 전류측정부는 초음파 진동자 구동모듈로부터 트랜듀서 그룹으로 제공되는 전류값을 측정한다. 초음파 세척기를 작동하면 주파수가 고정되지 않고 미세하게 변동을 하게 되는데, 주파수 변동에 따라서 진동자의 임피던스도 변화한다. 그런데 주파수 변동에 비하여 임피던스의 특성변화가 크기 때문에, 제1 내지 제N 모듈 전류측정부는 구동모듈로부터 진동자로 공급되는 전류값을 계속 측정하여 주파수 및 임피던스의 특성 변화를 모두 감지한다.

그리고 감지한 전류값의 변화량을 A/D 컨버터에 의하여 디지털로 변환하여 주제어부로 피드백한다.

전원부는 상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에 필요한 전력을 공급하며, 이 때 공급되는 전류값을 초음파 구동전류 측정부가 측정하여 A/D 컨버터에 의하여 디지털로 변환하여 주제어부로 피드백한다.

온도센서는 초음파 세척 수조에 공급되는 물의 온도를 측정하여 측정값을 주제어부로 전달한다.

초음파 세척에 사용하는 물의 온도는 캐비테이션 효과에 의한 세척 강도에 영향을 준다. 온도가 높아지면 진동자의 공진값 주파수는 내려가며, 세척 강도는 약해지고, 기포수는 증가한다. 그러나 70℃ 이상이 되면 세척 강도와 기포수가 급격히 감소하게 되어 세척 효율이 저하된다. 반대로 온도가 내려가면 진동자의 공진값 주파수가 상승하여 세척강도는 높아지고 기포수는 증가하지만 소음이 크게 늘어난다.

따라서 주제어부는 세척 강도, 기포 및 소음의 크기가 적정하게 조화를 이루도록 물의 온도를 40~60℃로 유지하면서, 바람직하게는 온도의 미세한 변화에 따라서 주파수 공진값을 자동으로 보정할 수 있다.

즉, 주제어부는 물의 온도 측정값이 상승하면 주파수가 내려간 만큼 자동 제어하여 주파수를 올리는 보정을 하고, 반대로 물의 온도 측정값이 내려가면 주파수가 상승한 만큼 자동 제어하여 주파수를 내리는 보정을 한다.

세척 수조에 공급되는 물의 높이는 수위센서가 측정하여 측정값을 주제어부에 전달한다.

세척 수조 내에 물이 부족하면 초음파 진동자는 발열로 인해서 파손된다. 또한 수위는 초음자 공진자의 공진값에 영향을 준다. 따라서 세척 수조 내에 물의 높이는 최저 수위 이상으로 항상 유지하고, 세척물이 작을 경우에는 수위를 최상으로 할 필요가 없이 중간정도 수위를 유지 할 수도 있다.

주제어부는 수위 값의 변동에 따른 초음파 공진자의 공진값 변동을 보정하며, 변동된 공진값 만큼 자동으로 주파수를 제어한다.

주제어부는 초음파 세척기에 공급되는 전력을 제어하고, 공진자를 진동시킬 수 있도록 발진기를 작동 제어한다. 또한 작동중인 각 트랜듀서 그룹으로부터 피드백 받는 전류값과 세척 수조의 물의 온도, 높이 등의 변동값에 따라서 발진기의 주파수를 보정하여 초음파 세척기가 효율적으로 작동하도록 자동 제어한다.

제1 내지 제N 모듈 전류 측정부에서 측정한 전류값이 설정된 범위를 벗어날 경우에, 주제어부는 가동 주파수를 10Hz씩 증가 혹은 감소 변화를 주면서 전류값이 설정된 범위 이내의 설정된 전류값으로 복귀할 때가지 주파수를 변화 시킨다.

앞서 도면 1에서 초기 가동 주파수 A 의 설정된 전류값이 4.0 A 일 경우, B (상한값 4.3 A) 혹은 C (하한값 3.7 A) 이상으로 전류가 변동할 경우 가동 주파수를 10Hz씩 변화를 주면서 4.0A의 전류값으로 회복 될 때가지 모니터링 한다.

그리고 4.0A의 전류값으로 회복 되는 시점의 주파수를 새로운 공진 주파수로 설정한다.

초음파 발진기의 중심 주파수의 이동은 사용자의 작동에 의하여 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 사용자의 개입 없이 주제어부에 의하여 자동적으로 제어될 수 있다. 초음파 발진기의 중심 주파수의 이동은 일회적으로 끝나는 것이 아니고 바람직하게는 초음파 세척기의 작동이 종료될 때까지 계속하여 반복적으로 이루어진다.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 세척기를 작동하는 프로세스이다.

(1 단계) 초음파 주파수 자동 스캔

주제어부는 초음파 세척기의 주파수 작동 범위(10kHz~100kHz) 내에서 10Hz 단위로 초음파 진동자를 구동한다.

(2 단계) 스캔 주파수별 전류값 측정 저장

모듈 전류 측정부는 주파수별 전류값을 측정하여 주제어부로 전달하여 주파수별 전류값을 저장한다.

(3 단계) 전류값 변동에 따른 안정적인 주파수 범위 저장

주제어부는 저장된 주파수와 전류값 중에서, 주파수 변화에 따른 전류값의 변화가 적고 가장 안정적인 주파수 범위와 전류값을 저장한다.

(4 단계) 설정된 가동 주파수에 주파수 변조폭 설정

주제어부는 설정된 가동 주파수에 주파수 변조폭(±200Hz Swap)을 설정한다.

주파수 변조폭을 설정하는 이유는 초음파 세척 시에 발생하는 소음을 줄이고, 세척을 고르게 하기 위한 것이다. 예를 들면, 가동 주파수 28Khz에 주파수 변조가 없을 때는 동일 포인트에만 케비테이션이 가해지므로, 변조를 통해서 피세척물을 고르게 세척하기 위한 것이다.

(5 단계) 모듈형 초음파 발진기 가동

초음파 발진기로 가동 주파수를 생성하고, 트랜듀서 그룹의 진동자를 구동하여 초음파를 발생시킨다.

(6 단계) 전류값, 수위의 양, 물의 온도 변화 모니터링

초음파 발진기를 가동하면서, 전류값, 수위의 양이나 물의 온도에 변화가 있는지 모니터링한다.

수조의 수위는 최저 수위 이상을 유지하며, 세척물이 작을 경우에는 수위를 최상으로 할 필요가 없이 중간 정도 수위를 유지 할 수도 있다.

물의 온도는 40도 내지 60도 사이에서 유지하며, 온도가 40도 미만으로 낮아지면 히터를 가동하여 물의 온도를 40도 이상 유지한다.

(7 단계) 저장된 전류값과 비교하여 중심 주파수를 증가 혹은 감소

이전 단계에서 모니터링한 결과, 전류값이 설정된 범위를 벗어날 경우에 주제어부는 가동 주파수를 10Hz씩 변화를 주면서 전류값이 설정된 범위 이내로 회복하여 저장된 전류값과 같아질 때까지 중심 주파수를 증가 혹은 감소 변화 시킨다.

앞서 도면 1에서 초기 가동 주파수 A 의 설정된 전류값이 4.0 A 일 경우, B (상한값 4.3 A) 혹은 C (하한값 3.7 A) 이상으로 전류가 변동할 경우 가동 주파수를 10Hz씩 변화를 주면서 4.0A의 전류값으로 회복 될 때가지 모니터링 한다.

그리고 4.0A의 전류값으로 회복 되는 시점의 주파수를 새로운 공진 주파수로 설정한다.

이 때 주제어부는 저장된 여러 전류값 중에서 측정된 전류값에 대응하는 전류값과 매칭되는 주파수를 새로운 중심 주파수로 설정한다.

초음파 발진기의 중심 주파수의 이동은 사용자의 작동에 의하여 이루어질 수 있고, 바람직하게는 사용자의 개입 없이 초음파 발진기의 주제어부에 의하여 자동적으로 이루어진다.

초음파 발진기의 중심 주파수의 이동은 일회적으로 끝나는 것이 아니고 바람직하게는 초음파 세척기의 작동이 종료될 때까지 계속하여 이루어진다.

바람직하게는 초음파 세척에 따른 효과를 측정하기 위하여 초음파 진동자 구동모듈에 공급되는 전력을 측정하는 전력 측정 회로를 더 포함할 수 있다(도면 미도시).

초음파 발진기로부터 트랜듀서 그룹에 공급되는 전력을 고주파 전력계로 측정하여 주제어부로 전송하며, 주제어부는 진동자에 가해지는 전압과 전류를 디지털화하여 연산한 결과를 표시부에 디스플레이할 수 있다.

초음파 발진기는 발진의 안정도가 높고, 호환성이 좋은 타려식 발진기를 포함하며, PLL과 PWM을 이용하여 출력을 제어할 수 있는 것이 바람직하다.

Claims (5)

1. 복수의 진동자로 이루어지고 세척 수조에 초음파를 발사하는 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹;
   진동자를 구동하는 10KHz ~ 100KHz 대역의 주파수를 생성하는 제1 내지 제N 주파수 발진기;
   상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹의 진동자를 구동하는 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈;
   상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈로부터 상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹으로 제공되는 전류값을 측정하는 제1 내지 제N 모듈 전류측정부;
   상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에 전원을 공급하는 전원부;
   상기 전원부로부터 상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈에
   공급되는 전류값을 측정하는 초음파 구동전류 측정부; 를 포함하고,
   
   (1 단계) 주제어부가 초음파 세척기의 주파수 작동 범위(10kHz~100kHz) 내에서 10Hz 단위로 초음파 진동자를 구동 초음파 주파수 자동 스캔 단계;
   (2 단계) 모듈 전류 측정부가 측정한 주파수별 전류값을 주제어부가 전달받아 주파수별 전류값을 저장하는 스캔 주파수별 전류값 측정 저장 단계;
   (3 단계) 주제어부가 저장된 주파수와 전류값 중에서, 주파수 변화에 따른 전류값의 변화가 적고 가장 안정적인 주파수 범위와 전류값을 저장하는 전류값 변동에 따른 안정적인 주파수 범위 저장 단계;
   (4 단계) 초음파 세척 시에 발생하는 소음을 줄이고, 세척을 고르게 하기 위하여, 주제어부가 설정된 가동 주파수에 주파수 변조폭(±200Hz Swap)을 설정하는 가동 주파수에 주파수 변조폭 설정 단계;
   (5 단계) 초음파 발진기로 가동 주파수를 생성하고, 트랜듀서 그룹의 진동자를 구동하여 초음파를 발생시키는 모듈형 초음파 발진기 가동 단계;
   (6 단계) 초음파 발진기를 가동하면서, 전류값, 수위의 양이나 물의 온도에 변화가 있는지 모니터링 하는 전류값, 수위의 양, 물의 온도 변화 모니터링 단계;
   (7 단계) 측정된 전류값이 설정된 범위를 벗어날 경우에, 주제어부가 가동 주파수를 10Hz씩 변화를 주면서 전류값이 설정된 범위 이내로 회복하여 저장된 전류값과 같아질 때까지 중심 주파수를 증가 혹은 감소 변화 시키는 단계;를 포함하여 (1단계)에서 (7단계)를 작동 제어하는 주제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 초음파 세척기
2. 제1항에 있어서,
   세척 수조에 공급되는 물의 온도를 측정하는 온도센서;
   세척 수조에 공급되는 물의 높이를 측정하는 수위센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 초음파 세척기
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 내지 제N 초음파 진동자 구동모듈은 인덕터 코일을 포함하고 있으며, 상기 인덕터 코일의 인덕턴스 성분이 상기 복수의 진동자의 캐피시턴스 성분과 결합되도록 정현파가 상기 제1 내지 제N 트랜듀서 그룹에 제공되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초음파 세척기
4. 삭제
5. 모듈형 초음파 세척기 작동 방법에 있어서,
   (1 단계) 주제어부가 초음파 세척기의 주파수 작동 범위(10kHz~100kHz) 내에서 10Hz 단위로 초음파 진동자를 구동 초음파 주파수 자동 스캔 단계;
   (2 단계) 모듈 전류 측정부가 주파수별 전류값을 측정하여 주제어부로 전달하여 주파수별 전류값을 저장하는 스캔 주파수별 전류값 측정 저장 단계;
   (3 단계) 주제어부가 저장된 주파수와 전류값 중에서, 주파수 변화에 따른 전류값의 변화가 적고 가장 안정적인 주파수 범위와 전류값을 저장하는 전류값 변동에 따른 안정적인 주파수 범위 저장 단계;
   (4 단계) 초음파 세척 시에 발생하는 소음을 줄이고, 세척을 고르게 하기 위하여, 주제어부가 설정된 가동 주파수에 주파수 변조폭(±200Hz Swap)을 설정하는 가동 주파수에 주파수 변조폭 설정 단계;
   (5 단계) 초음파 발진기로 가동 주파수를 생성하고, 트랜듀서 그룹의 진동자를 구동하여 초음파를 발생시키는 모듈형 초음파 발진기 가동 단계;
   (6 단계) 초음파 발진기를 가동하면서, 전류값, 수위의 양이나 물의 온도에 변화가 있는지 모니터링 하는 전류값, 수위의 양, 물의 온도 변화 모니터링 단계;
   (7 단계) 측정된 전류값이 설정된 범위를 벗어날 경우에, 주제어부가 가동 주파수를 10Hz씩 변화를 주면서 전류값이 설정된 범위 이내로 회복하여 저장된 전류값과 같아질 때까지 중심 주파수를 증가 혹은 감소 변화 시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 초음파 세척기 작동 방법
   

Images