KR20020050043A

KR20020050043A - 초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 방법

Info

Publication number: KR20020050043A
Application number: KR1020000079389A
Authority: KR
Inventors: 노치현
Original assignee: 노치현; 소닉스코리아(주)
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-06-26

Abstract

본 발명은 인간이 청취 가능한 가청 주파수 16∼20,000Hz를 인버터를 사용하여 20,000∼30,000Hz의 단파장 불가청 주파수로 변환된 출력을 진동자에 입력하여 초음파를 얻을 수 있다. 본 발명은 초음파를 얻기 위하여 상용 전원전압 50∼60Hz의 장파장 주파수를 인버터를 사용하여 20,000Hz 이상의 단파장 불가청 주파수로 변환된 출력의 강한 전기 에너지를 진동자에 입력하여 기계적 진동에너지로 변환하는 진동 공구에서 출력되는 강한 초음파를 물 속에 투입하면 일정한 파장을 가진 초음파 진동에너지는 물 속으로 전파하며 진행한다. 물 속으로 전파되는 초음파 진동에너지와 함께 공기(가스)를 주입하면 공기(가스)는 초음파의 진동 파장을 따라 물 속으로 전파되며 진행하므로 주입된 다량의 공기(가스)는 물 속에 장시간 동안 잔존하게 되어 공기(가스)의 용존량이 풍부한 물로서 식수 또는 수영장 물의 정화작용, 양식장에 많은 공기의 공급작용, 산업 폐수의 정수 또는 정화작용 및 다양한 산업적 응용 등에 사용할 수 있는 초음파 진동에너지를 응용한 장치를 개발 및 제작하는데 그 목적을 가진다.

Description

초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 방법{Dissolving method of Air(or Gas) in the Water using Ultrasonic}

본 발명은 초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 장치로서, 상용 전원전압 50∼60Hz의 장파장 주파수를 20,000Hz 이상의 단파장 불가청 주파수로 변환하는 인버터에서 출력되는 정재파의 강한 전기 에너지를 진동자에 입력하여 기계적 진동에너지로 변환하는 진동 공구에서 출력되는 초음파 진동에너지를 파이프 내의 흐르는 물 속에 투입하면 일정한 파장을 가진 초음파는 물 속으로 전파하며 진행한다. 초음파 진동에너지를 함유한 물 속에 공기(가스)를 함께 주입하면 다량의 공기(가스)는 물 속으로 전파하며 침투되므로 다량의 용존된 공기(가스)를 함유하는 살아 있는 물로서 식수 또는 수영장 물의 정화작용, 양식장에 공기를 다량 공급하는 작용, 산업 폐수의 정수와 정화작용을 하며 또한 산업적 응용 범위는 매우 광범위하다.

종래에는 모터 펌프를 이용한 낙차법, 기계적인 혼합 방법, 풍차를 이용하는 혼합법, 모터 펌프를 이용하여 강력한 마찰에 의하여 혼합하는 방법 등을 이용하여 왔으나 물 속에 다량의 용존된 공기를 주입할 때 소요되는 과잉 시설 비, 공간적인 문제점 및 큰 소비전력등의 큰비용 부담을 항상 수반하여 왔었다.

본 발명의 목적은 상용 전원전압 50∼60Hz의 장파장 주파수를 단파장의 불가청 주파수 20,000Hz 이상으로 변환하는 고효율의 인버터 개발, 단파장의 불가청 주파수의 강한 전기에너지를 진동자에 입력하여 기계적 진동에너지로 변환하는 고효율의 초음파를 출력하는 진동 공구의 개발 및 물 속에 풍부한 공기(가스)를 주입하는 주입구(노즐)를 고정하는 위치 선정 및 공기 주입구에 부착된 수동 조절 밸브를 사용하여 공기의 용존량을 증·감할 수 있으며 동시에 장시간 동안 다량의 공기를 함유하는 물을 양산하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 강한 초음파 진동에너지를 가진 물 속에 가스 및 어떤 용액을 함께 주입하면 초음파 진동에너지와 함께 잘 혼합되는 가스 및 용액은 물 속으로 빠르게 전파되며 진행하므로 강한 희석작용을 하기 때문에 폐수 속에 녹아 있는 불순물을 쉽게 분리 및 침전하는 작용 때문에 깨끗한 물로 정수 및 정화할 때 저 전력의 비용으로 고효율의 초음파 진동에너지를 출력하는 기구 및 장치를 개발하는 다른 목적을 가진다.

도면1 및 2는 초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 장치의 블록도 들이다.

상기의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 장치 개발에서

입력 전원전압을 전파 브리지 다이오드(BG)에 입력하여 직류 출력 전압(+)단자와 (-)접지 사이에 병렬로 제5콘덴서(C5)를 접속하는 전파 정류부(1);

전파 정류기(1)의 직류 출력 (+)단에 접속되는 제1콘덴서(C1)에 직렬로 제4저항(R4)을 접속한 일 점과 (+)단자 사이에 병렬로 제5저항(R5)을 접속하고 그 타측에 직렬로 연결된 제6저항(R6)을 통하여 제1트랜지스터(Q1)의 제1콜렉터(C1)에 접속하며, 제1에미터(E1)에 연결된 제1저항(R1)과 제1베이스(B1)에 연결된 제2저항(R2)이 공통 접속되는 연결점과 제1콜렉터(C1) 단자 사이에 연동스위치(SW1)가 오프(OFF) 상태로 연결되며, 제1펄스트랜스포머(T1)의 1차코일(L1)의 양단(11,12) 사이에 연동 스위치가 온(ON)상태로 접속하는 초기 발진부(2);

제1펄스트랜스포머(T1)의 1차코일(L1)은 단자들(11,12)로 구성하며, 단자(11)에 연결되는 연동 스위치(SW1)가 온(ON) 상태의 일 점에 직렬로 연결되는 제3저항(R3)의 타측은 단자(12)에 공통 접속되어 제2차코일(L2)의 단자(2)에 접속하고, 단자(2)에 제10저항(R10)과 제2다이오드(D2)를 병렬로 공통 접속하며, 그 타측에 직렬 접속되는 제11저항(R11)을 통하여 제3트랜지스터(Q3)의 제3베이스(B3)와 접속하며, 제2차코일(L2)의 타측 단자(1)는 제1트랜지스터(Q1)의 제1베이스(B1)와 제4콘덴서(C4) 및 제12저항(R12)이 병렬로 공통 접속되며 그 타측 단자는 접지에 접속한다. 제10저항(R10)과 제11저항(R11)이 직렬 연결되는 중성 점과 접지 사이에 병렬로 제14저항(R14)을 연결된다. 상기의 T1의 2차코일(L3)은 단자들(5,6)로 구성하며, 단자(6)에 제7저항(R7)과 제1다이오드(D1)가 병렬로 접속하며 그 타측에 직렬 연결되는 제8저항(R8)을 통하여 제2트랜지스터(Q2)의 제2베이스(B2)에 접속하고, 상기의 T1의 2차코일(L3)의 단자(5)는 제3콘덴서(C3)와 제9저항(R9)이 병렬로 공통 접속하며 그 타측은 제2트랜지스터(Q2)의 제2에미터(E2)에 접속되는 제15저항(R15)의 일 점에 접속하고 제7저항(R7)과 제8저항(R8)이 직렬로 연결되는 중성 점과 제15저항(R15) 사이에 병렬로 제13저항(R13)을 접속한다. 상기의 T1의 제2차코일(L4)은 단자들(7,8)로 구성되며, 단자(7)에 제2콘덴서(C2)와 공심 인덕터(CL1) 및 튜닝코일(Turning Coil)들이 직렬로 연결되는 타측과 접지 사이에 온도감지부(6)를 직렬로 접속하고, 2차코일(L4)의 타측 단자(8)는 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3)의 단자(5)와 접속하는 제1펄스트랜스포머 및 자려 발진부(3);

제1스위칭부(고주파 전력부)에서 직류 출력 (+)단자에 제2트랜지스터(Q2)의 제2콜렉터(C2)를 접속하고, 제2베이스(B2)에 제8저항(R8)을 접속하고 제2에미터(E2)에 제15저항(R15)을 접속하며 그 타측은 제3트랜지스터(Q3)의 제3콜렉터(C3)와 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 단자(1)와 공통 접속하며, 상단부는 직류 출력 (+)단자에 제19저항(R19)과 제4다이오드(D4)가 병렬로 공통 접속되며 그 타측에 연결되는 제7콘덴서(C7)는 제2트랜스포머(T2)의 단자(1)에 접속하고, 직류 출력 (+)단자와 제2트랜스포머(T2)의 단자(1) 사이에 병렬로 제6콘덴서(C6)와 제5다이오드(D5) 및 제18저항(R18)의 양 단자들이 접속된다. 하단 부는 제3트랜지스터(Q3)의 제3베이스(B3)에 제11저항(R11)을 접속하고,제3트랜지스터(Q3)의 제3에미터(E3)와 접지 사이에 제16저항(R16)을 접속하며, 제20저항(R20)과 제6다이오드(D6)가 병렬로 제3콜렉터(C3)에 공통 접속되며 그 타측에 연결되는 제10콘덴서(C10)는 접지와 접속하며, 제2트랜스포머(T2)의 단자(1)와 접지 사이에 병렬로 제9콘덴서(C9)와 제7다이오드(D7) 및 제17저항(R17)의 양 단자들을 접속한다. 직류 출력 (+)단자에 제8콘덴서(C8)를 접속하고 그 타측에 제11콘덴서(C11)와 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 단자(2)와 제3트랜스포머(T3) 2차코일(L2)의 단자(3)를 공통 접속하며, 제11콘덴서(C11)의 타측은 접지에 접속한다. 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L2)의 단자(3)는 제2인덕터(L2)와 접속하며 그 타측에 연결된 제12콘덴서(C12)는 병렬로 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L2)의 단자(4) 및 2차코일(L3)의 단자(6)는 접지에 공통 접속하며, 상기의 T2의 2차코일(L3)의 단자(5)는 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일(L4)의 단자(8)에 연결되는 제1스위칭부(고주파 전력부, 4);

제3트랜스포머(T3) 1차코일(L1)의 단자(1)에 제2인덕터(L2)의 일 측과 진동자(X) (+)단자에 공통 접속하며 상기의 T3의 단자(2)는 접지와 접속하며, 상기의 T3의 2차코일(L2)의 단자(3)는 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 단자(2)와 접속하고 상기의 T3의 2차코일의 단자(4)는 제1인덕터(L1)에 접속한다. 상기의 T3의 2차코일(L3)의 단자(5)는 제21저항(R21)과 접속하고 단자(6)는 메타 (-)단자에 접속되는 이상감지부(5);

제1스위칭(4)의 제2트랜스포머(T2) 및 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)의 방열판에 부착된 더미스터(THs)들을 직렬로 연결하여 제1펄스트랜스포머(T1)2차코일(L4)의 튜닝코일(Turning Coil)의 일 측과 접지 사이에 직렬 연결하는 온도감지부(6);

제3트랜스포머(T3) 2차코일(L3)의 단자(5)에 직렬로 접속되는 제21저항(R21)과 제3다이오드(D3)를 통하여 아날로그 및 디지털 전압 메타의 (+)단자에 연결되고 2차코일(L3)의 단자(6)는 접지에 접속되는 전압 판독부(7);

제3트랜스포머(T3) 2차코일(L2)의 단자(3)는 제2트랜스포머(T2)의 단자(2)에 접속하며 그 타측의 단자(4)는 제1인덕터(L1)의 일 점과 연결하고 그 타측에 병렬로 접속되는 제9다이오드(D9)의 일점(+)을 접지에 접속하고 제8다이오드(D8)의 타측(-)은 직류 출력 (+)단자에 접속되는 리미터부(8);

진동자에 부착되어 기계적 진동에너지를 전달하는 진동공구(Tool Horn)의 기계 공학적 설계 및 제작에 대한 진동 공구부 및 주입 공기(가스)의 양을 조절하는 밸브가 부착된 주입구(노즐)를 원형 및 정·사각형 파이프 내에 적당한 깊이로 앞측(전)과 뒤측(후), 좌측과 우측 및 위측(상)과 하측(하)에 고정 및 배치하는 위치 선정의 기구학적 배치부(9);

이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 인버터 회로 및 진동 공구부의 동작 원리를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1 및 도2는 본 발명의 초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 장치의 블록 도들이다.

도1은 본 발명의 인버터는 입력 교류전원(110V 및 220V, 50∼60Hz)의 일 측(1)에 접속된 휴스(F)를 통하여 전파 브리지 다이오드의 일 측에 접속하고, 입력교류전원의 타측(2)은 다른 쪽 전파 브리지 다이오드에 접속하여 전파 정류되는 직류전압의 (±)출력단 사이에 접속되는 제5전해콘덴서(C5)의 작용으로 최소의 맥류전압(Ripple Voltage)을 가지는 전파 정류기부(1),

전파 정류기부(1)의 직류 출력 (+)단에 접속되는 제1콘덴서(C1)에 직렬로 제4저항(R4)을 접속되는 타측과 직류 출력 (+)단 사이에 병렬로 제5저항(R5)을 접속한 일 점에 직렬로 제6저항(R6)이 접속되는 상기 회로에서 제1콘덴서(C1)와 제4저항(R4)의 충·방전 작용으로 발생되는 단발 펄스(Single Pulse)전압이 제1트랜지스터(Q1)의 제1콜렉터(C1)를 통하여 제1베이스(B1)에 나타나는 베이스 전압으로 초기에 제3트랜지스터(Q3)를 온(ON)시키며, 한 쪽 연동 스위치(SW1)는 오프(OFF) 상태이고 타측 연동 스위치(SW1)는 온(ON) 상태이다. 상기와 반대로 한 쪽 연동 스위치(SW1)는 온(ON) 상태로 타측 연동 스위치(SW1)가 오프(OFF) 상태이면 초기 발진 작용은 정지되고 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3)의 단자(5)에서 궤환되는 전압에 의하여 연속적으로 자려 발진작용을 하는 초기 발진부(2),

초기 발진부(2)는 제1펄스트랜스포머(T1) 1차코일(L1)은 단자들(11,12)사이에 접속되는 연동 스위치(SW1)가 온(ON) 상태에서 오프(OFF) 상태로 전환되면 초기 발진 작용은 정지되면서 제3트랜지스터(Q3)가 온(ON) 상태로 되어 제8콘덴서(C8)에 충전된 전압과 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 양단(1,2) 사이의 자기 인덕턴스(L1)로 인한 방전 작용 때문에 1차코일(L1)의 양단(1,2)에 전압이 유기 되면 동시에 2차코일(L3)의 양단((5,6)에 유도되는 전압은 제1펄스트랜스포머(T1)의 2차코일(L4)의 양단(8,7)에 궤환되는 전압으로 단자(7)에 직렬로 접속된제2콘덴서(C2)와 공심 인덕턴스(CL1) 및 튜닝코일(Tuning coil) 사이의 충·방전 작용 때문에 지속적인 자려 발진 작용을 하므로 상기의 2차코일의 양 단자들(L2=1,2 및 L3=5,6)에 유도되는 전압은 서로 상반되는 (±)펄스 신호 전압들을 발생하며, 상기의 2차코일(L2)의 양단(1,2)에는 (+)펄스 신호 전압을 출력하는 반면에 2차코일(L3)의 양단(5,6)에는 (-)펄스 신호 전압을 출력한다. 상기의 2차코일(L4)의 양단(7,8)에 궤환되는 전압으로 단자(7)에 제2콘덴서(C2)와 공심 인덕터(CL1) 및 튜닝코일(Tuning Coil)들이 직렬로 연결되어 자려 발진 작용을 하는 튜닝코일(Tuning Coil)의 일 점과 접지 사이에 온도감지부(6)를 직렬로 접속하여 제1스위칭부(4)에서 이상 현상이 발생하면 제2 및 3트랜지스터들(Q2, Q3)의 각 베이스들(B2, B3)에 공급되는 (±)펄스 신호 전압을 정지하는 제1펄스트랜스포머 및 자려 발진부(3),

제1스위칭부(고주파 전력부, 4)는 제2트랜지스터(Q2)와 제11콘덴서(C11)로 구성되는 한 조(Set)의 반파 브리지 스위치로서 제2베이스(B2)에 (+)펄스 신호 전압이 입력되면 제2트랜지스터(Q2)가 온(ON) 상태로 되면 직류 출력 (+)단에 접속되는 제2콜렉터(C2)에 입력되는 전압은 제2에미터(E2)에 연결된 제15저항(R15)을 통하여 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 단자(1)에서 단자(2)쪽으로 유기 되는 전압에 의하여 제11콘덴서(C11)를 충전하며, 반대로 제3트랜지스터(Q3)와 제8콘덴서(C8)로 구성되는 다른 한 조(Set)의 반파 브리지 스위치로서 제3베이스(B3)에 (-)펄스 신호 전압이 입력되면 제3트랜지스터(Q3)는 오프(OFF) 상태로 되어 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 단자(2)에서 단자(1)쪽으로 역 전압이발생되어 제8콘덴서(C8)를 충전할 수 없다. 상기와 반대로 제2베이스(B2)에 (-)펄스 신호 전압이 입력되면 제2트랜지스터(Q2)는 오프(OFF) 상태로 되고 제3베이스(B3)에 (+)펄스 신호 전압이 입력되면 제3트랜지스터(Q3)가 온(ON) 상태로 되어 제2트랜스포머(T2)의 1차코일(L1)의 단자(2)에서 단자(1)쪽으로 순 방향 전압이 발생되어 제3에미터(E3)에 연결된 제16항(R16)을 통하여 접지로 전류가 흐르게 되는 연속적인 두 반파 브리지 스위치들의 교번적인 반복 작용을 하기 때문에 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 양단(1,2)에 구형파를 발생하여 2차코일(L2)의 양단(3,4)에 유도되는 구형파를 제2인덕터(L2)와 접지 사이에 병렬로 접속되는 제12콘덴서(C12)로 구성되는 파형 정형회로에 의하여 출력되는 정재파를 진동자에 입력한다. 또한 스너브(Snubber) 회로로서 상단 부에서 직류 출력 (+)단에 제19저항(R19)과 제4다이오드(D4)를 병렬로 공통 접속하며 그 타측에 접속되는 제7콘덴서(C7)는 제2트랜스포머(T2)의 단자(1)와 접속되며, 직류 출력 (+)단자와 제2트랜스포머(T2)의 단자(1) 사이에 병렬로 제6콘덴서(C6)와 제5다이오드(D5) 및 제18저항(R18)의 양 단자들을 접속하여 제2트랜지스터(Q2)의 제2콜렉터(C2)와 제2에미터(E2) 사이 및 제11콘덴서(C11)의 양단에 발생되는 순시 과전압(dv/dt)을 억제하는 작용을 하며, 하단 부에서 제3트랜지스터(Q3)의 제3에미터(E3)에 연결되는 제16저항(R16)은 접지에 접속되며, 제3콜렉터(C3)에 제20저항(R20)과 제6다이오드(D6)가 병렬로 공통 접속하며 그 타측에 접속되는 제10콘덴서(C10)는 접지에 접속하며 제2트랜스포머(T2)의 단자(1)와 접지 사이에 병렬로 제9콘덴서(C9)와 제7다이오드(D7) 및 제17저항(R17)의 양 단자들을 접속하고, 제3트랜지스터(Q3)의 제3콜렉터(C3)와 제3에미터(E3) 사이 및 제8콘덴서(C8)의 양단에 발생되는 순시 과전압(dv/dt)을 억제하는 작용을 하는 제1스위칭부(고주파 전력부, 4),

이상감지부(5)는 진동자(X) 양단(±)에 접속되는 제3트랜스포머(T3) 1차코일(L1)의 양단(1,2)에 유기 되는 전압은 진동자(X) 양단의 과전압 및 진동자의 진동에너지 상태를 감지하면 2차코일(L2)의 양단(3,4)에 유도되는 전압으로 리미터(Limit) 회로가 동작하며 또한 2차코일(L3)의 단자(5,6)에 유도되는 전압을 직독하여 진동자 상태의 이상 유·무를 감지하는 이상감지부(5),

온도감지부(6)는 제2트랜스포머(T2)와 제1스위칭부(4)의 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)에 설치된 각 방열판의 온도를 감지하는 제1, 제2, 및 제3더미스터들(TH1, TH2, TH3)을 부착하며, 임의의 방열판 온도가 미리 설정된 온도(55℃)보다 높게되면 제1펄스트랜스포머(T1)의 2차코일(L4)의 단자(7)에 연결되는 튜닝코일(Tuning Coil)과 접지 사이에 직렬로 접속되는 더미스터들(THs)의 어느 하나가 불 동작되면 자려 발진 작용을 일단 정지하고, 방열판의 온도가 35℃로 환원되면 자려 발진 작용을 재 동작하는 온도감지부(6),

제3트랜스포머(T3) 2차코일(L3)의 양단(5,6)에 유도되는 전압을 아날로그 또는 디지털 전압 메타를 통하여 진동자 양단의 전압을 판독하여 정상 동작의 유·무를 판단할 수 있는 진동자(X) 양단의 전압 판독부(7),

이상감지부(5)의 전압의 첨두치(Peak Voltage)를 제한하는 순·역 방향으로 접속되는 제9다이오드(D9)와 제8다이오드(D8)에 의하여 과전압 파형을 제한하는 리미터(Limit, 8) 회로로서 제2트랜스포머(T2)의 양단(1,2)에 발생하는 이상 과전압 및 진동자 양단에 발생하는 과전압 파형의 상·하단 부분을 컷(Cut)하는 작용으로 과전압 및 진동자의 이상 현상을 미리 방지하는 리미터 회로부(8),

도면 2는 공기(가스) 주입구(노즐)를 원형 및 정·직사각형 파이프 내에 적당한 깊이로 고정하고 진동자(X) 중심 반경으로부터 15cm 범위내의 앞측(전)과 뒤측(후), 좌측과 우측 및 위측(상)과 하측(하)에 고정 및 배치하는 위치와 공기(가스)의 주입량을 초음파 진동에너지에 따라 수동 조절할 수 있도록 공기주입구의 적당한 위치에 밸브를 부착하는 기구학적 배치 및 진동자(X)에 부착되어 기계적 진동에너지를 발생하여 고효율의 초음파를 발생하는 진동 공구(Tool Horn)의 기계 공학적 설계 및 제작부(9),

상기의 구성에 의한 본 발명의 초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 장치의 동작과 기능은 다음과 같다.

인버터의 기능은 입력 교류전원(100V 및 220V)의 장파장 주파수 50∼60Hz를 단파장의 불가청 주파수 20,000Hz 이상으로 변환하여 출력되는 정재파의 전기 에너지를 진동자(X)에 공급하는 고주파 전력 제어 장치이다.

전파 정류부(1)는 입력되는 교류 전원전압(110V 및 220V, 50∼60Hz)을 전파 브리지 다이오드에 의하여 정류하여 최소 맥류전압분을 포함하며 직류 전압을 출력하는 기능을 한다.

초기 발진부(2)의 기능은 직류 출력 (+)단자에 접속되는 제1콘덴서(C1)와 제4저항(R4)의 충·방전 작용으로 발생되는 단발 펄스(Single Pulse) 신호전압을제1트랜지스터(Q1)의 제1콜렉터(C1)에 입력하면 제1베이스(B1)에 발생되는 단발 펄스 신호전압이 제3트랜지스터(Q3)의 제3베이스(B3)에 입력되어 제3트랜지스터(Q3)가 온(ON)되면 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3) 양단(5,6)에 유도되는 궤환전압이 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일(L4)의 양단(7,8)에 입력되는 궤환전압에 의하여 자려 발진으로 출력되는 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일들(L1=5,6 및 L2=1,2)에 유도되는 (±)펄스 신호 전압으로 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)의 각 베이스들에 입력하여 두 반파 브리지 스위치들을 연속적인 교번작용을 하는데 필요한 초기 펄스 신호전압을 발생하는 기능을 한다.

제1펄스트랜스포머 및 자려 발진부(3)의 기능은 초기 발진부(2)에서 출력되는 단발 펄스(Single Pulse) 신호전압에 의하여 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3)의 양단(5,6)에서 유도되는 궤환전압이 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일(L4)에 입력되면 자려 발진 작용을 한다. 동시에 제1펄스트랜스포머(T1)의 2차코일들(L3=5,6 및 L2=1,2)에 출력되는 전압은 동일 주기 내에 서로 상이한 (±)펄스 신호 전압을 분리 출력하여 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)의 각 베이스(B2,B3)에 입력되면 제2트랜지스터(Q2)는 온(ON)/오프(OFF)하는 반면에 제3트랜지스터(Q3)는 오프(OFF)/온(ON)하는 작용과 초기 및 자려 발진 작용들을 겸하는 기능들을 한다.

제1스위칭부(4)는 직류 정류부(1)에서 출력되는 직류 (+)전압을 제2트랜지스터(Q2)의 제2콜렉터(C2)에 공급하고, 제2트랜지스터(Q2)의 제2에미터(E2)와 제3트랜지스터(Q3)의 제3콜렉터(C3)가 제2트랜스포머(T2)의 1차코일(L1)의 일측(1)을 공통 접속하며 타측(2)은 직류 (+)전압 단자에 접속되는 제8콘덴서(C8)에 직렬 연결되는 제11콘덴서(C11)의 일 점은 접지와 접속된다. 제1펄스트랜스포머(T1)의 2차코일들(L2=1,2 및 L3=5,6)에서 출력되는 전압은 동일 주기 내에 서로 상이한 (±)펄스 신호전압들 중에서 양(+)의 펄스 신호전압이 제2트랜지스터(Q2)의 제2베이스(B2)와 제2에미터(E2)사이에 입력되면 제2트랜지스터는 온(ON)/오프(OFF) 작용을 하는 반면에 부(-)의 펄스 신호전압이 제3트랜지스터(Q3)의 제3베이스(B3)와 제3에미터(E3)사이에 입력되면 제3트랜지스터는 오프(OFF)/온(ON)하는 작용을 한다. 상기의 두 조(Sets)중에서 한 조의 제2트랜지스터(Q1)와 제11콘덴서(C11)가 반파 브리지 스위치로 동작하며, 다른 조의 제3트랜지스터(Q3)와 제8콘덴서(C8)가 다른 반파 브리지 스위치로 동작하는 두 조 Sets)의 반파 브리지 스위치들이 교번적으로 온(ON)/오프(OFF)할 때 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 양단(1,2)에 교번적인 구형파 전압이 유기 되며 동시에 2차코일(L2)의 양단(3,4)에 유도되는 구형파 전압이 입력되는 제2인덕터(L2)의 타측과 접지 사이에 병렬로 접속되는 제12콘덴서(C12)의 파형 정형회로에 의하여 구형파가 정형되어 출력되는 정재파의 전기 에너지를 진동자 양단에 입력되면 진동 공구부(9)에서 기계적 진동에너지로 변환되어 초음파를 발생하는 기능을 한다.

이상감지부(5)의 기능은 제2트랜스포머(T2)의 1 및 2차코일들(L1, L2)의 과전압을 감지할 경우, 진동자가 동작치 않거나 파괴되었을 경우 및 인버터 회로가 접지 불량일 경우의 이상 현상들이 발생하면 진동자 양단에 접속되는 제3트랜스포머(T3) 1차코일(L1)의 양단(1,2)의 전압 및 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3)에서 발생되는 궤환전압을 감지하는 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일(L4)의 양단(7,8)의 비활성화된 펄스 신호전압에 의하여 자려 발진 작용이 정지되어 제1스위칭부(4)의 제2 및 3트랜지스터들(Q2, Q3)의 동작은 정지되고, 이상 현상이 없으면 활성화된 펄스 신호전압에 의하여 자려 발진 작용이 지속되므로 인버터를 재 동작하는 기능을 한다.

온도감지부(6)의 기능은 제2트랜스포머(T2)와 제1스위칭부(4)의 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)에 부착된 방열판의 온도를 감지하는 더미스터들(TH1, TH2 및 TH3)의 미리 설정된 온도(55℃)가 되면 저항 값이 변하여 튜닝코일(Tuning Coil)의 일 점과 접지 사이에 직렬로 연결된 온도감지부(6)가 차단되므로 자려 발진 작용이 중단되어 비활성화된 펄스 신호전압에 의하여 인버터는 정지되며, 모든 더미스터들의 온도가 35℃로 환원되면 활성화된 펄스 신호전압이 출력되어 지속적인 자려 발진을 하므로 재 동작하는 기능을 한다.

진동자가 동작할 때 진동자 양단의 전압을 판독하는 전압 메타(7)이며, 리미터 회로(8)는 진동자 양단에 발생되는 과전압 파형을 컷(Cut)하여 진동자를 보호하는 작용을 하며, 또한 진동자(X)는 고주파 전력부(4)에서 출력되는 단파장의 불가청 주파수 20,000Hz 이상의 강한 전기 에너지를 진동자(X)의 전기축 방향으로 입력하면 기계축 방향으로 기계적 진동에너지로 변환 및 출력하는 기능을 한다.

진동 공구부(9)의 기능은 진동자(X)에서 출력되는 기계적 진동에너지를 전달하는 기구로서 진동 공구부에서 출력되는 고효율의 초음파를 물 속에 투입하면 초음파와 함께 주입된 공기(가스)를 물 속으로 전파 및 침투하는 작용으로 공기(가스)를 물 속에 잘 혼합하여 장시간 동안 공기를 잔존하게 하는 기능을 한다.

본 발명은 입력 교류전원(110V, 220V 겸용 및 50∼60Hz)을 정류하여 직류 전압을 출력하는 직류 전압부, 초기 발진부의 단발 펄스에 의하여 동작하는 제3트랜지스터(Q3)가 온(ON)되면 서로 다른 반파 브리지 스위치들(Q2와 C11 및 Q3과 C8)의 교번적인 작용에 의하여 단파장 불가청 주파수 20,000Hz의 구형파 전압을 출력하는 고효율의 구형파 전력 제어부, 구형파 전압이 입력되는 제2인덕턴스(L2)와 제12콘덴서(C12)의 파형 정형회로에 의하여 출력되는 최소 왜율을 가지는 정재파의 전기 에너지를 진동자(X)에 입력되면 진동자와 결합된 진동 공구에서 기계적 에너지로 변환되어 초음파를 출력하는 진동 공구부등을 가지며, 제2트랜스포머(T2) 및 제2, 3트랜지스터들(Q2,Q3)에서 발생하는 과전압을 감지하는 경우, 진동자(X)가 동작하지 않거나 파괴되었을 경우 및 인버터회로의 접지가 불량일 경우 등의 이상 현상들이 감지되면 자려 발진 작용을 정지하고 반면에 이상 현상들이 없으면 자려 발진 작용을 재 시작하는 기능을 가지며, 인버터 내에서 과열되는 부품들의 온도가 미리 설정한 더미스터들의 온도(55℃)보다 높을 때 인버터는 동작을 정지하고 반면에 과열되는 부품들의 온도가 35℃로 환원되면 인버터가 재 동작하는 여러 기능들을 가지는 장치를 개발 및 제작하는 것이며, 이상 현상들을 최소화하여 매우 안정되며 무보수의 초음파장치를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 고효율 인버터의 개발과 제작, 고효율 진동 공구(Tool Horn)의 설계와 제작, 공기(가스)를 조절하는 밸브가 부착된 주입구(노즐)를 진동 공구 주위에 설치하는 최적 위치 선정 등으로 저 비용 고효율의 초음파를 출력하는 인버터 및 진동 공구를 개발 및 제작하는 것이 이 발명의 주된 목적들이다.

Claims

초음파를 이용하여 물 속에 공기(가스)를 용해시키는 장치에 있어서,

입력 교류전원(110V 및 220V, 50∼60Hz)을 전파 정류하여 얻어진 직류전압을 인버터에 입력하여 단파장 불가청 주파수 20,000Hz 이상으로 변환하는 정재파의 전기 에너지를 진동자에 입력하면 진동자와 결합된 진동 공구에서 기계적 진동에너지로 변환하는 초음파 진동에너지를 물 속에 투입하면 초음파 진동에너지가 전파되는 파장과 함께 주입되는 공기(가스)량을 조절하는 밸브가 부착된 공기(가스) 주입구의 적절한 위치 선정, 진동 공구의 정밀한 설계 및 제작 등으로 다량의 용존되는 공기(가스)를 물 속에 장시간 동안 잔존할 수 있게 하는 수단;

상기의 입력 교류전원을 전파 정류하여 직류전압을 출력하는 전파 정류부(1)의 수단;

상기의 직류전압으로 저항과 콘덴서의 충·방전 작용으로 단발 펄스 신호전압을 발생하는 초기 발진부(2)의 수단;

상기의 초기 발진부(2)에 의하여 동작되는 제1펄스트랜스포머부(3)의 2차코일들(L2, L3)에서 출력되는 (±)펄스 신호전압은 동일 주기 내에 서로 상반되는 양(+)의 펄스 신호전압(L2) 및 부(-)의 펄스 신호전압(L3)을 동시에 출력하며, 상기의 양(+) 및 부(-)의 펄스 신호전압이 활성화되면 제1스위칭부(4)의 제2트랜지스터(Q2)는 양(+)의 펄스 신호전압에 의하여 온(ON)/오프(OFF)하는 반면에 제3트랜지스터(Q3)는 부(-)의 펄스 신호전압에 의하여 오프(OFF)/온(ON)하는 연속적인 펄스신호전압을 출력하며, 상기의 양(+) 및 부(-)의 펄스 신호전압이 비활성화되면 제1스위칭부(4)의 두 트랜지스터들(Q2, Q3)의 동작을 정지하는 제1펄스트랜스포머 및 자려 발진부(3)의 수단;

상기의 제1펄스트랜스포머 및 자려 발진부(3)에서 출력되는 양·부(±)의 펄스 신호전압들에서 활성화된 (+)펄스 신호전압으로 제2트랜지스터(Q2)를 온(ON)하면 한 쪽의 반파 브리지 스위치가 동작하여 전파 정류기(1)에서 공급되는 직류전압은 제2트랜스포머(T2)를 통하여 제11콘덴서(C11)를 충전하고, 상기의 활성화된 (-)펄스 신호전압으로 제3트랜지스터(Q3)를 온(ON)하면 다른 쪽의 반파 브리지 스위치가 동작하여 전파 정류기(1)에서 공급되는 직류전압은 제8콘덴서(C8)를 충전하면서 제2트랜스포머(T2)와 제3트랜지스터(Q3)를 통하여 접지로 흐르는 교번적인 반복작용에 의하여 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L2)의 양단(3,4)에 구형파를 출력하며 이 출력을 입력하는 제2인덕터(L2)와 제12콘덴서(C12)의 파형 정형회로에 의하여 정재파를 출력하는 제1스위칭부(4)의 수단;

진동자(X)에 이상 전압이 발생하여 제3트랜스포머(T3) 1차코일(L1)의 양단(1,2)의 과전압을 감지할 경우, 진동자가 작동치 않거나 파괴되었을 경우 및 인버터 회로가 접지 불량일 경우 등의 이상 현상들이 감지되면 제3트랜스포머(T3) 2차코일(L2)의 양단(3,4)에 접속되는 리미터 회로(8)가 동작하며 동시에 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3)의 양단(5,6)에서 출력되는 궤환전압이 입력되는 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일(L4)의 양단(7,8)에 접속되는 콘덴서(C2)와 공심인덕터(CL1) 및 튜닝코일(Tuning Coil)로 구성되는 자려 발진 회로를 정지하는 이상감지부(5)의 수단;

제2트랜스포머(T2)와 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)의 방열판 온도를 감지하는 더미스터들의 미리 설정된 온도(55℃)가 되면 동작이 정지되므로 자려 발진부의 동작이 정지되고 정상 온도(35℃)로 환원되면 재 동작하는 온도 감지부(6)의 수단;

진동 공구부(9)에서 공기량을 수동 조절하는 밸브가 부착된 공기(가스)주입구를 삽입하는 원형 및 정·직사각형 파이프 내의 적절한 위치 선정 등으로 초음파 출력에 비례하는 공기 주입구의 기구학적인 설계와 제작(9)의 수단;
제1항에 있어서, 제4저항(R4)과 제1콘덴서(C1)의 충·방전 작용으로 얻어지는 전압으로 제1트랜지스터(Q1)를 온(ON)할 때 출력되는 단발 펄스(Single Pulse) 신호전압으로 제3트랜지스터(Q3)를 온(ON)하는 초기 발진부(2)의 수단;
제1항에 있어서, 제1펄스트랜스포머(T1)의 2차코일들(L2=1,2 및 L3=5,6)에서 출력되는 펄스 신호전압은 동일 주기 내에 서로 상반되는 양·부 (±)의 펄스 신호전압을 가지며, 상기의 2차코일(L3)의 양단(5,6)에서 출력되는 양(+)의 펄스 신호전압으로 제2트랜지스터(Q2)를 온(ON)하고 2차코일(L2)의 양단(1,2)에서 출력되는 부(-)의 펄스 신호전압으로 제3트랜지스터(Q3)를 오프(OFF)한다. 반대로 상기의 2차코일(L3)의 양단(5,6)에서 출력되는 부(-)의 펄스 신호전압으로 제2트랜지스터(Q2)를 오프(OFF)하고 2차코일(L2)의 양단(1,2)에서 출력되는 양(+)의 펄스 신호전압으로 제3트랜지스터(Q3)를 온(ON)하는 연속적인 교번 스위치의 작용을 하는 기능과 상기의 2차코일(L3)의 양단(7,8)에 입력되는 궤환전압에 의하여 자려 발진 작용을 하는 두 역할의 기능을 가지는 제1펄스트랜스포머 및 자려 발진부(3)의 수단;
제1항에 있어서, 상기의 제1펄스트랜스포머(T1) 1차코일(L1)의 양단(11,12) 에 발생되는 전압으로 직렬로 연결된 자기 인덕턴스(L1)와 제3저항(R3)사이의 충·방전 작용에 의하여 발생되는 단발 펄스 신호전압으로 제1스위칭부(4)의 제3트랜지스터(Q3)를 초기에 온(ON)하면 전파 정류기(1)의 직류 (+)출력단에 제8콘덴서(C8)가 접속되며 그 타측에 접속된 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 단자(2)에서 단자(1)를 통하여 제3트랜지스터(Q3)의 제3콜렉터(C3)와 제3에미터(E3)를 지나 접지로 통전되면서 제8콘덴서(C8)를 충전한다. 또한 제3트랜지스터(Q3)가 온(ON)되면 제2트랜스포머(T2) 2차코일(L3)의 양단(7,8)에 유도되는 궤환전압으로 제1펄스트랜스포머(T1)의 2차코일(L4)의 양단(7,8)에 유기되는 전압에 의하여 연속적인 자려 발진이 일어나므로 제2 및 3트랜지스터들(Q2,Q3)을 서로 상반되게 온(ON)/오프(OFF)하는 반복작용 때문에 제2트랜스포머(T2) 1차코일(L1)의 양단(1,2)에 전압이 유기 되며 2차코일(L2)의 양단(3,4)에 유도되는 구형파 전압이 입력되는 제2인덕턴스(L2)와 제12콘덴서(C12)로 구성되는 파형 정형회로에서 정재파를 출력하는 제1스위칭부(4)의 수단;
제1항에 있어서, 상기의 제1펄스트랜스포머(T1) 2차코일들(L2 및 L3)에서 출력되는 활성화된 (±)펄스 신호전압에 의하여 두 조(Sets)의 반파 브리지들(Q2와 C11 및 Q3과 C8) 스위치 작용에 의하여 출력되는 정재파 전압을 진동자에 입력하면 진동자는 정재파 전압에 의하여 진동하며, 상기의 교번적인 반파 브리지들(Q2와 C11 및 Q3과 C8)에 비활성화된 (±)펄스 신호전압이 출력되면 진동자가 동작치 않는 것을 감지하는 이상감지부(5)의 수단;
제1항에 있어서, 제2트랜스포머(T2) 및 제2트랜지스터(Q2)와 제3트랜지스터(Q3)에 부착되는 각 방열판의 온도를 감지하는 제1(TH1), 제2(TH2) 및 제3(TH3) 더미스터들을 가지며, 상기의 각 방열판의 온도를 감지하는 더미스터들중에 미리 설정된 온도(55℃)보다 높을 때 더미스터의 저항 값이 변화하여 비활성화된 펄스 신호전압을 출력하면 인버터는 정지되며, 상기의 각 더미스터들의 온도가 35℃로 환원되면 활성화된 펄스 신호전압을 출력하여 인버터를 재동작하는 온도감지기(6)의 수단;
제1항에 있어서, 진동자 양단의 출력 전압을 메타로 직독하여 진동자가 정상 동작하는 유·무를 판단할 수 있는 전압 판독부(7) 및 진동자 양단에 입력되는 전압의 이상 파형들을 감지하여 파형의 최대치를 컷(Cut)하여 진동자에 발생되는 최대 전압으로부터 진동자를 보호하는 리미터 회로부(8)의 수단;
제1항에 있어서, 진동자가 고장이거나 또는 없으면 비활성화된 펄스 신호전압을 출력하여 인버터를 정지하며, 인버터가 정상이면 활성화된 펄스 신호전압을 출력하여 연속적인 동작을 하며, 또한 부하가 있을 때에만 인버터를 동작하기 때문에 불필요한 전력낭비를 절약하는 특징의 수단;
제1항에 있어서, 정재파의 초음파 진동에너지와 함께 물 속에 공기(가스)를 주입하는 방법으로 진동자의 중심 축으로부터 15cm 반경내의 전·후, 좌·우 및 상·하에 공기 주입구(노즐)를 고정하는 방법 및 공기 주입구(노즐)에 부착된 수동 조절 밸브로 공기량(가스)을 가변할 수 있으므로 물 속에 전파하는 초음파 진동에너지의 크기에 따라 조절할 수 있는 진동 공구부(9)의 수단;