KR102196540B1

KR102196540B1 - 수중 초음파 피닝 장치

Info

Publication number: KR102196540B1
Application number: KR1020190087204A
Authority: KR
Inventors: 정성환
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2020-12-30
Also published as: WO2021010535A1

Abstract

본 발명의 일실시예는 피닝의 사용에너지 효율을 높일 수 있는 수중 초음파 피닝 장치를 제공한다. 여기서, 수중 초음파 피닝 장치는 물에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 수중 초음파 피닝 장치로서, 트랜스듀서, 초음파 팁 그리고 커버를 포함한다. 초음파 팁은 트랜스듀서와 연결되고, 일단면에 접촉된 물을 가진하여 초음파를 방사함으로써 물에 캐비티(cavity)를 발생시킨다. 커버는 초음파 팁의 일단부를 포함하는 적어도 일부분을 제외한 초음파 팁의 나머지 부분을 내측에 수용하며, 일단부가 초음파 팁에 접촉되어 물이 커버의 내측으로 유입되지 않도록 막는 결합부를 가진다. 결합부는 초음파 팁이 축방향 진동 시에 결합부의 형상변형이 최소가 되도록, 초음파 팁의 진동변위가 0이 되는 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비된다.

Description

수중 초음파 피닝 장치{UNDERWATER ULTRASONIC PEENING DEVICE}

본 발명은 수중 초음파 피닝 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피닝의 사용에너지 효율을 높일 수 있는 수중 초음파 피닝 장치에 관한 것이다.

피닝(Peening)은 금속 부품의 소형화나 경량화에 따라 기계 부품의 피로 강도를 개선하는 방법 중 하나이다. 피닝은 일반적으로 금속 표면에 압력을 가할 수 있는 수단을 분사시켜 타격하는 방식으로 표면 강도를 개선하는 기계적인 표면 처리기술로, 샷 피닝(Shot Peening) 또는 레이저 피닝(Laser Peening) 등이 대표적이다.

샷 피닝은 샷볼(Shot Ball)이라고 불리는 작은 금속 입자를 고속으로 피처리물의 표면에 발사하여 작은 샷볼 입자가 피처리물 표면을 강타하면서 그 표면에 압축잔류응력을 부여하는 방법이다.

압축잔류응력은 소성변형으로 인해 소재가 변형된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 소재에 남아 있는 응력을 말하는 것으로, 피닝을 통해 피처리물 표면에 부여된 압축잔류응력으로 인해 피처리물의 피로 수명을 연장할 수 있다.

샷 피닝은 특히 굽힘이나 뒤틀림을 받거나 반복하중을 받는 금속 기계부품의 내구 수명 연장에 효과적이나, 금속재료 표면의 충분한 강도와 세밀한 처리를 제공하지 못하여 정밀 부품에 적용하기에는 한계가 있다.

한편, 레이저 피닝은 피처리물의 표면에 도막층을 형성한 뒤 레이저 빔을 조사하여 생성된 플라즈마의 압력에 의해 형성된 충격파를 통해 피처리물 표면에 압축잔류응력을 부여하는 방법이다.

레이저 피닝은 샷 피닝보다 최대 10배 깊이까지 압축잔류응력을 생성시킬 수 있어 우수한 효과를 나타내고 있으나, 장치 및 공정 비용이 높아서 항공기 부품 등에 제한적으로 적용되고 있다.

초음파 피닝은 유체에 초음파를 가진시켰을 때 발생하는 캐비테이션(Cavitation)을 이용하는 방법이다. 초음파를 유체에 가진시키면 캐비티(Cavity)가 발생하고 이러한 캐비티가 붕괴될 때 충격파(Shock Wave)가 발생하여 근접된 금속표면에 충격을 주어 압축잔류응력을 부여한다.

한편, 수중에서 초음파 피닝을 진행하는 경우, 초음파 팁의 옆면과 물의 접촉면적이 증가하게 되면 물과의 마찰이 증가되어 이에 따라 피닝의 사용 에너지 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 수중에서 초음파 피닝을 진행하더라도 피닝의 사용 에너지 효율이 저하되지 않도록 하는 기술이 요구된다.

대한민국 한국공개특허 제2017-0087955호(2017.07.31. 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 피닝의 사용에너지 효율을 높일 수 있는 수중 초음파 피닝 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 물에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 수중 초음파 피닝 장치로서, 트랜스듀서; 상기 트랜스듀서와 연결되고, 일단면에 접촉된 물을 가진하여 초음파를 방사함으로써 상기 물에 캐비티(cavity)를 발생시키는 초음파 팁; 그리고 상기 초음파 팁의 일단부를 포함하는 적어도 일부분을 제외한 상기 초음파 팁의 나머지 부분을 내측에 수용하며, 일단부가 상기 초음파 팁에 접촉되어 상기 물이 상기 커버의 내측으로 유입되지 않도록 막는 결합부를 가지는 커버를 포함하고, 상기 결합부는 상기 초음파 팁이 축방향 진동 시에 상기 결합부의 형상변형이 최소가 되도록, 상기 초음파 팁의 진동변위가 0이 되는 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 결합부는 상기 초음파 팁의 일단부에서부터 가장 근접한 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되어 상기 초음파 팁의 옆면과 상기 물의 접촉면적이 최소가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 결합부는 주름진 막으로 이루어지고, 상기 결합부는 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 선접촉될 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 물에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 수중 초음파 피닝 장치로서, 트랜스듀서; 상기 트랜스듀서와 연결되고, 일단면에 접촉된 물을 가진하여 초음파를 방사함으로써 상기 물에 캐비티(cavity)를 발생시키는 초음파 팁; 상기 초음파 팁의 일단부를 포함하는 적어도 일부분을 제외한 상기 초음파 팁의 나머지 부분을 내측에 수용하는 커버; 그리고 상기 초음파 팁과 상기 커버의 사이에 구비되어 상기 물이 상기 커버의 내측으로 유입되지 않도록 막는 실링부를 포함하고, 상기 실링부는 상기 초음파 팁이 축방향 진동 시에 상기 결합부의 형상변형이 최소가 되도록, 상기 초음파 팁의 진동변위가 0이 되는 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실링부는 상기 초음파 팁의 일단부에서부터 가장 근접한 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되어 상기 초음파 팁의 옆면과 상기 물의 접촉면적이 최소가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에는 상기 초음파 팁의 외주면에 원주방향을 따라 제1홈이 형성되고, 상기 실링부의 일단부는 상기 제1홈에 삽입 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1홈의 중심은 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점과 일치할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 커버의 내주면에는 원주방향을 따라 상기 제1홈에 대응되는 제2홈이 형성되고, 상기 실링부의 타단부는 상기 제2홈에 삽입 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실링부는 상기 초음파 팁에서 상기 커버 방향으로 갈수록 두께가 감소되도록 형성되어 상기 커버와 선접촉될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실링부의 두께의 중심은 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점과 일치할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 결합부 또는 실링부를 초음파 팁의 일단부로부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점에 구비함으로써, 초음파 팁이 축방향 진동 시에 결합부 또는 실링부의 형상변형이 최소가 되도록 하여 실링부의 내구성을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 결합부 또는 실링부가 초음파 팁의 일단부에서부터 가장 근접한 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되어 초음파 팁의 옆면과 물의 접촉면적이 최소가 되도록 할 수 있고, 이를 통해, 초음파 팁의 옆면과 물과의 마찰을 최소화하여 피닝의 사용 에너지 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 초음파 팁의 축방향 공진 시에 형성되는 축방향 정재파(standing wave)의 초음파 팁의 위치별 진동변위를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 결합부를 중심으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 실링부를 중심으로 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 실링부를 중심으로 나타낸 예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치를 나타낸 예시도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 수중 초음파 피닝 장치는 물(20)에 접촉되는 대상 표면(11)을 초음파 피닝하는 장치로서, 트랜스듀서(transducer)(100), 초음파 팁(200) 그리고 커버(300)를 포함할 수 있다.

트랜스듀서(100)는 초음파 팁(200)을 가진하고 가진된 초음파 팁(200)은 초음파 팁(200)과 물과의 접촉단면을 가진하여 수중에 초음파를 발생시킬 수 있다. 트랜스듀서(100)는 수중에 위치되거나, 또는 물(20) 밖에 위치될 수 있다.

초음파 팁(200)은 트랜스듀서(100)와 연결되며, 수중으로 연장될 수 있다. 초음파 팁(200)은 대상물(10)의 대상 표면(11)을 향해 초음파를 수중으로 방사할 수 있다. 초음파 팁(200)은 미세하게 가진되어 초음파를 방사할 수 있으며, 초음파 팁(200)에서 방사된 초음파는 초음파 팁(200) 주변에 채워진 물(20)을 진동시켜 캐비티(cavity)(C)를 발생시킬 수 있다.

여기서, 대상물(10)은 물(20)이 저장 또는 충전될 수 있는 형태일 수 있다. 또한, 여기서는 유체로써 물을 예로 설명하지만, 물 이외의 다른 액체도 필요에 따라 사용할 수 있다.

대상 표면(11)은 대상물(10)에서 피닝 처리가 필요한 표면으로서, 물(20)에 접촉될 수 있다. 초음파 팁(200)이 초음파를 방사하여 물(20)에 캐비티(C)를 발생시키면 대상 표면(11)은 캐비테이션 피닝될 수 있다.

캐비테이션 피닝은 액체 환경을 갖는 대상 표면(11)에 기포를 제공하는 과정을 수반하는데, 초음파에 의해 생성된 기포가 붕괴되면서 대상 표면(11)에 충격력을 작용시켜 대상 표면(11)에 캐비테이션 피닝을 수행할 수 있다.

커버(300)는 초음파 팁(200)의 일단부(201)를 포함하는 적어도 일부분을 제외한 초음파 팁(200)의 나머지 부분을 내측에 수용할 수 있다.

커버(300)는 적어도 일부분이 수중에 위치될 수 있다. 커버(300)는 트랜스듀서(100)에 직접 연결되도록 구비되거나, 또는 트랜스듀서(100)와 이격되어 구비될 수도 있다.

커버(300)는 결합부(310)를 가질 수 있다. 결합부(310)는 일단부가 초음파 팁(200)에 접촉되도록 구비될 수 있으며, 물(20)이 커버(300)의 내측으로 유입되지 않도록 막을 수 있다.

초음파 팁(200)이 물(20)에 접하는 경우와 초음파 팁(200)이 공기(30)에 접하는 경우를 비교하면, 초음파 팁(200)이 공기(30)에 접하는 경우 마찰이 더 작기 때문에, 에너지 손실이 적을 수 있다. 따라서, 초음파 팁(200)에서 발생되는 초음파를 이용하는 피닝 공정을 수행함에 있어서, 초음파 팁(200)이 물(20)에 접하는 표면적을 최소화하는 것이 좋다. 한편, 커버(300) 내부에서 초음파 팁(200)에 의한 마찰이 최소화될 수 있도록, 커버(300) 내부는 진공상태로 형성될 수도 있다.

결합부(310)에 의해 커버(300) 내부의 공기(30)가 수중 환경으로부터 분리되면, 초음파 팁(200)이 물(20)에 노출되는 표면적이 줄어들기 때문에, 초음파 팁(200)의 옆면과 물(20) 사이의 마찰이 줄어들도록 할 수 있다.

이는 트랜스듀서(100)가 초음파 팁(200)을 진동시키기 위해 요구되는 에너지가 줄어들도록 하는 효과를 제공할 수 있다. 따라서 동일한 에너지가 초음파 팁에 공급되는 것을 가정할 때, 커버(300)를 사용할 경우 초음파 팁(200)에서 발생하는 초음파에 의한 캐비티 생성 효과가 높아지도록 하는 효과를 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 초음파 팁의 축방향 공진 시에 형성되는 축방향 정재파(standing wave)의 초음파 팁의 위치별 진동변위를 설명하기 위한 예시도인데, 도 2의 (a)는 도 2의 (b)의 초음파 팁(200)이 진동 시에 초음파 팁(200)의 길이(L)에 따른 위상(S) 변화를 나타낸 것이다.

먼저, 도 2의 (b)에서 보는 바와 같이, 초음파 팁(200)은 초음파 팁(200)의 축방향으로의 공진을 하면서 초음파 팁(200)의 일단부(201)에 접촉된 물을 가진하여 수중에 초음파를 발생하게 된다.

한편, 초음파 팁(200)이 축방향으로 공진할 경우 축방향으로 정재파가 형성되며, 이는 초음파 팁(200)에 축방향으로 압력이 0이 되는 압력노드(Pressure node)들과 진동변위가 0이 되는 압력안티노드(Pressure anti-node)들이 형성됨을 의미한다.

초음파 팁(200)을 초음파 팁(200)의 축방향의 공진주파수로 가진할 경우, 초음파 팁(200)의 일단부(201)를 기준으로, 일단부(201)로부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점 근처에서는 진동변위가 발생하지 않게 된다. 즉, 초음파 팁(200)의 일단부(201)에서부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점 근처에는 압력안티노드(Pressure anti-node)가 형성될 수 있다. 여기서, n은 자연수, λ는 초음파 팁(200)이 축방향으로 공진(resonance)하도록 하는 공진주파수에 의해 발생하는 초음파 팁(200) 내의 초음파의 축방향 파장일 수 있다. 이에 따르면, 제1지점(P1)은 n=1이 되어 초음파 팁(200)의 일단부(201)로부터 λ/4가 되는 지점이고, 제2지점(P2)은 n=2가 되어 초음파 팁(200)의 일단부(201)로부터 3λ/4가 되는 지점이며, 제3지점(P3)은 n=3이 되어 초음파 팁(200)의 일단부(201)로부터 5λ/4가 되는 지점이 될 수 있다.

이론적으로, 초음파 팁(200)의 압력안티노드(Pressure anti-node)는 초음파 팁(200)의 일단부(201)에서부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점에 형성되지만, 초음파 팁(200)이 장치로 구현될 때 초음파 팁(200)과 결합되는 다른 부품에 의해 기인하는 진동의 변화 등 다양한 요소로 의해 초음파 팁(200)의 압력안티노드(Pressure anti-node)가 초음파 팁(200)의 일단부(201)에서부터 정확하게 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점에 형성되지 못하고, (2n-1)(λ/4)가 되는 지점의 근처에 형성될 수도 있다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 초음파 팁(200)의 압력안티노드(Pressure anti-node)가 초음파 팁(200)의 일단부(201)에서부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점에 형성되는 것으로 하여 설명한다.

이에 따르면, 압력안티노드(Pressure anti-node)는 초음파 팁(200)에서 제1지점(P1)과, 제2지점(P2)과, 제3지점(P3) 등에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 제1지점(P1), 제2지점(P2), 제3지점(P3) 등에서는 초음파 팁(200)의 진동변위, 즉, 형상 변형이 발생하지 않게 된다.

따라서, 도 2의 (a)에서 보는 바와 같이, 초음파 팁(200)이 진동 시에, 초음파 팁(200)의 일단부(201)에서는 가장 큰 진폭이 발생하는 압력 노드(Pressure Node)(A)가 형성된다. 그리고, 제1지점(P1), 제2지점(P2), 제3지점(P3)은 진폭이 0이 되는, 즉 진동변위가 최소가 되고 압력은 최대가 되는 압력 안티노드(Pressure Anti-node)(B)가 될 수 있다.

초음파 팁(200)이 효과적으로 수중에 초음파를 발생하도록 하게 하기 위해서는, 다시 말하면, 가진 시에 초음파 팁(200)이 공진이 되도록 하기 위해서는, 초음파 팁(200)의 일단부(201)가 압력 노드(A)가 되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 초음파 팁(200)의 길이가 가진 주파수에 의해 공진이 발생하도록 설정되는 것이 바람직하다. 공진되고 있는 초음파 팁(200)이 물(20)과 접촉을 하여 물(20)이 가진이 되면 초음파가 수중으로 전파되는데, 여기서, 최대변위를 갖는 초음파 팁(200)의 압력 노드가 물(20)의 가진면이 될 때 물은 최대로 가진되고 따라서 전파되는 에너지도 최대가 된다. 이때, 결합부(310)는 초음파 팁(200)이 진동 시에 결합부(310)의 진동변위가 최소가 되도록 초음파 팁(200)의 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비될 수 있다. 다시 말하면, 결합부(310)는 초음파 팁(200)이 진동 시에 결합부(310)의 진동변위가 최소가 되도록 초음파 팁(200)의 일단부(201)로부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점에 구비될 수 있다. 즉, 결합부(310)는 제1지점(P1), 제2지점(P2), 또는 제3지점(P3) 등에 접촉되도록 구비될 수 있다.

가장 바람직하게는, 결합부(310)는 초음파 팁(200)의 일단부(201)에서부터 가장 근접한 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비될 수 있다. 다시 말하면, 결합부(310)는 초음파 팁(200)의 일단부(201)로부터 (λ/4)가 되는 제1지점(P1)에 구비될 수 있으며, 이를 통해, 초음파 팁(200)의 옆면과 물(20)의 접촉면적이 최소가 되도록 하여 초음파 팁(200)의 옆면과 물의 마찰효과를 줄여 에너지 효율이 높아지도록 하는 것이 좋다.

한편, 초음파 팁(200)의 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점, 즉, 초음파 팁(200)의 일단부(201)로부터 (2n-1)(λ/4)가 되는 지점은 초음파 팁(200)의 외주면에 원주방향으로 형성되는 가상의 선으로 나타내질 수 있다. 따라서, 결합부(310)는 제1지점(P1)에 선접촉으로 고정됨이 바람직하다. 제1지점(P1)을 벗어난 부분에서는 초음파 팁(200)이 진동에 의해 가변되기 때문에, 만일, 결합부(310)가 제1지점(P1)을 포함하는 부분에 면접촉 고정되게 되면, 결합부(310)의 형상도 반복되어 가변하게 되고, 결과적으로는 에너지 손실과 결합부(310)의 내구성이 저하될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 실링부를 중심으로 나타낸 예시도이다. 편의상 도 3에서는 중심선(CL)을 기준으로 일측의 형상만을 도시하였으나, 여기에 도시되는 형상은 중심선(CL)을 기준으로 대칭되도록 마련되는 것은 물론이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 결합부(310)는 주름진 막으로 형성될 수 있다. 그리고, 결합부(310)의 일단부(311)는 초음파 팁(200)의 제1지점(P1)에 선접촉될 수 있다.

결합부(310)가 얇은 막 형태로 이루어짐으로써, 결합부(310)의 일단부(311)는 제1지점(P1)에 선접촉될 수 있다.

또한, 결합부(310)는 주름진 형태로 이루어질 수 있으며, 결합부(310)의 일단부(311)는 제1지점(P1)을 가압하여 고정될 수 있다. 결합부(310)는 주름이 펴지는 방향으로 탄성 복원력이 발생하도록 형성될 수 있으며, 이를 통해, 결합부(310)의 일단부가 제1지점(P1)에 지속적으로 밀착되도록 할 수 있다. 더하여, 결합부(310)의 일단부가 삽입 고정되도록 제1지점(P1)에는 초음파 팁(200)의 원주방향을 따라 홈(미도시)이 더 형성될 수도 있다.

결합부(310)는 타단부(312)가 커버(300)에 연결될 수 있다.

커버(300)는 금속 또는 합성수지 소재로 이루어질 수 있으며, 초음파 팁(200)은 티타늄 또는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다.

그리고, 결합부(310)는 초음파 팁(200) 대비 탄성계수가 작은 재질로 형성됨이 바람직하다. 이렇게 되면, 만일 결합부(310)의 일단부(311)가 제1지점(P1)을 벗어나 초음파 팁(200)의 진동에 연동하여 진동하게 되더라도, 결합부(310)의 흔들림이 줄어들 수 있으며, 결합부(310)에 근접한 물(20)의 출렁거림이 최소화될 수 있고, 이를 통해 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치를 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 실링부를 중심으로 나타낸 예시도이다. 편의상 도 5에서는 중심선(CL)을 기준으로 일측의 형상만을 도시하였다.

도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 수충 초음파 피닝 장치는 물(20)에 접촉되는 대상 표면(11)을 초음파 피닝하는 장치로서, 트랜스듀서(100), 초음파 팁(200), 커버(300) 그리고 실링부(400)를 포함할 수 있다.

트랜스듀서(100), 초음파 팁(200) 및 커버(300)는 전술한 제1실시예에서의 트랜스듀서(100), 초음파 팁(200) 및 커버(300)와 실질적으로 동일하므로 설명을 생략한다.

전술한 제1실시예에서는 커버와 일체로 결합부가 형성되는데 반해, 본 실시예에서는 실링부(400)가 포함될 수 있다.

실링부(400)는 초음파 팁(200)과 커버(300)의 사이에 구비되어 물(20)이 커버(300)의 내측으로 유입되지 않도록 막을 수 있다.

초음파 팁(200)의 제1지점(P1)에는 초음파 팁(200)의 외주면에 원주방향을 따라 제1홈(210)이 형성될 수 있다. 제1홈(210)은 원주방향의 중심(CL1)이 제1지점(P1)과 일치하도록 형성될 수 있다.

그리고, 실링부(400)의 일단부(401)는 제1홈(210)에 삽입 결합될 수 있다.

또한, 커버(300)의 내주면에는 원주방향을 따라 제2홈(301)이 형성될 수 있다. 제2홈(301)은 제1홈(210)에 대응되도록 형성될 수 있으며, 실링부(400)의 타단부(402)는 제2홈(301)에 삽입 결합될 수 있다.

실링부(400)는 제1홈(210) 및 제2홈(301)에 삽입 결합되기 때문에, 제1지점(P1)에 지속적으로 위치될 수 있다.

제1홈(210)의 중심(CL1)은 제1지점(P1)과 일치하기 때문에, 초음파 팁(200)이 진동하게 되면 제1홈(210)은 제1홈(210)의 중심(CL1)을 기준으로 양측으로 대칭되는 변위를 가질 수 있다.

따라서, 실링부(400)가 제1홈(210)에 삽입 결합된 상태에서, 실링부(400)의 일단부(401)는 제1지점(P1)을 기준으로 양측에서 동시에 동일한 크기로 압축되고, 다시 초기 형태로 복원되는 형상 변형을 반복하게 된다. 이러한 형상 변형은 실링부(400)의 중심이 제1홈(210)의 중심(CL1)과 일치되거나, 또는 일치되지 않는 상태에서 진행될 수 있으며, 이떠한 경우라도 실링부(400)는 실링 기능을 지속적으로 유지할 수 있다.

그리고 이러한 실링부(400)의 일단부(401)의 형상 변형 시에도, 실링부(400)의 타단부(402)는 제2홈(301)에 삽입된 상태를 유지할 수 있다. 제2홈(301)에서 실링부(400)의 중심과 제2홈(301)의 중심은 제1지점(P1)과 일치됨이 바람직하나, 반드시 이렇게 되도록 한정되는 것은 아니다.

제1홈(210)에 의해 실링부(400)가 압축되는 경우, 실링부(400)는 제1홈(210)에 더욱 강하게 밀착될 수 있기 때문에, 물(20, 도 1 참조)은 커버(300)의 내측으로 유입될 수 없다. 즉, 초음파 팁(200)이 진동하여 실링부(400)의 형상이 변형되더라도 커버(300)의 내측으로 물의 유입을 막는 실링부(400)의 기능은 안정적으로 유지될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 수중 초음파 피닝 장치의 실링부를 중심으로 나타낸 예시도이다. 편의상 도 6에서는 중심선(CL)을 기준으로 일측의 형상만을 도시하였다. 본 실시예에서는 실링부 및 실링부와 관련된 부분이 다를 수 있으며, 다른 부분은 전술한 제1실시예 및 제2실시예와 동일하므로, 반복되는 내용은 가급적 설명을 생략한다.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 실시예에서도 초음파 팁(200)의 제1지점(P1)에는 초음파 팁(200)의 외주면에 원주방향을 따라 제1홈(210)이 형성될 수 있다. 제1홈(210)은 원주방향의 중심(CL2)이 제1지점(P1)과 일치하도록 형성될 수 있다.

그리고, 실링부(400a)의 일단부(401a)는 제1홈(210)에 삽입 결합될 수 있다. 이때, 실링부(400a)의 두께의 중심은 제1지점(P1)과 일치할 수 있다.

실링부(400a)는 초음파 팁(200)에서 커버(300) 방향으로 갈수록 두께가 감소되도록 형성될 수 있다. 그리고, 실링부(400a)의 타단부(402a)는 커버(300)와 선접촉될 수 있다.

실링부(400a)가 제1홈(210)에 삽입 결합된 상태에서 초음파 팁(200)이 진동하게 되어 실링부(400a)의 일단부(401a)의 양측이 제1홈(210)에 의해 가압되면 실링부(400a)의 높이는 증가하게 되기 때문에, 실링부(400a)의 타단부(402a)는 커버(300)에 더욱 밀착될 수 있다. 따라서, 초음파 팁(200)이 진동하여 실링부(400a)의 형상이 변형되더라도 물(20, 도 1 참조)이 커버(300)의 내측으로 유입되지 않도록 하는 실링부(400)의 기능은 안정적으로 유지될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 대상물
11: 대상 표면
20: 물
30: 공기
100: 트랜스듀서
200: 초음파 팁
210: 제1홈
300: 커버
301: 제2홈
310: 결합부
400,400a: 실링부

Claims

물에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 수중 초음파 피닝 장치로서,
트랜스듀서;
상기 트랜스듀서와 연결되고, 일단면에 접촉된 물을 가진하여 초음파를 방사함으로써 상기 물에 캐비티(cavity)를 발생시키는 초음파 팁; 그리고
상기 초음파 팁의 일단부를 포함하는 적어도 일부분을 제외한 상기 초음파 팁의 나머지 부분을 내측에 수용하며, 일단부가 상기 초음파 팁에 접촉되어 상기 물이 커버의 내측으로 유입되지 않도록 막는 결합부를 가지는 커버를 포함하고,
상기 초음파 팁이 축방향 진동 시에 상기 결합부의 형상변형이 최소가 되도록, 상기 결합부는 일단부가 상기 초음파 팁의 진동변위가 0이 되는 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제1항에 있어서,
상기 결합부는 상기 초음파 팁의 일단부에서부터 가장 근접한 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되어 상기 초음파 팁의 옆면과 상기 물의 접촉면적이 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제1항에 있어서,
상기 결합부는 주름진 막으로 이루어지고, 상기 결합부는 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 선접촉되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
물에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 수중 초음파 피닝 장치로서,
트랜스듀서;
상기 트랜스듀서와 연결되고, 일단면에 접촉된 물을 가진하여 초음파를 방사함으로써 상기 물에 캐비티(cavity)를 발생시키는 초음파 팁;
상기 초음파 팁의 일단부를 포함하는 적어도 일부분을 제외한 상기 초음파 팁의 나머지 부분을 내측에 수용하는 커버; 그리고
상기 초음파 팁과 상기 커버의 사이에 구비되어 상기 물이 상기 커버의 내측으로 유입되지 않도록 막는 실링부를 포함하고,
상기 초음파 팁이 축방향 진동 시에 상기 실링부의 형상변형이 최소가 되도록, 상기 실링부는 일단부가 상기 초음파 팁의 진동변위가 0이 되는 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제4항에 있어서,
상기 실링부는 상기 초음파 팁의 일단부에서부터 가장 근접한 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에 구비되어 상기 초음파 팁의 옆면과 상기 물의 접촉면적이 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제4항에 있어서,
상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점에는 상기 초음파 팁의 외주면에 원주방향을 따라 제1홈이 형성되고,
상기 실링부의 일단부는 상기 제1홈에 삽입 결합되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1홈의 중심은 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점과 일치하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제6항에 있어서,
상기 커버의 내주면에는 원주방향을 따라 상기 제1홈에 대응되는 제2홈이 형성되고, 상기 실링부의 타단부는 상기 제2홈에 삽입 결합되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제6항에 있어서,
상기 실링부는 상기 초음파 팁에서 상기 커버 방향으로 갈수록 두께가 감소되도록 형성되어 상기 커버와 선접촉되는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.
제9항에 있어서,
상기 실링부의 두께의 중심은 상기 압력안티노드(Pressure anti-node) 지점과 일치하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 피닝 장치.