KR20030056562A

KR20030056562A - 초음파를 이용한 세탁기

Info

Publication number: KR20030056562A
Application number: KR1020010086804A
Authority: KR
Inventors: 류정인
Original assignee: 류정인
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-04
Also published as: KR100430747B1

Abstract

본 발명은 세탁기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 에너지의 특성인자를 적절하게 이용함으로서 초음파 공동현상(超音波空洞現像, ultrasonic cavitation)을 극대화시켜 세탁물의 섬유조직의 손상이나 세탁물끼리의 엉킴 또는 다량의 세탁제 사용에 의한 수질환경오염을 최소화하면서 각종 의류와 기타 섬유제품을 세탁, 표백 및 살균할 수 있는 초음파를 이용한 세탁기에 관한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 통상의 초음파 발생부(4)와 상기 초음파 발생부에서 출력된 고주파 출력전원을 전달하는 로터리 커넥터(Rotary Connector) 방식의 슬립링(Slip Ring)(16)을 갖는 중공축(15), 세탁조(50) 내부로 초음파 에너지를 발진하는 다수의 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f), 상기 초음파 발진부가 삽입·배치되는 배전판(30), 방수판(35), 써큘레이션(Circulation) 방지판(37) 및 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판(39)으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 세탁기{A washing machine in using ultrasonic wave}

본 발명은 본 출원인이 기 출원, 등록한 국내특허등록 제 110354호의 "액체 연료의 초음파 무화기" 에서 제공한 초음파 에너지의 특성인자들의 원리를 각종 의류나 기타 섬유제품 등의 세탁에 이용할 수 있도록 하기 위한 초음파를 이용한 세탁기에 관한 것으로, 본 발명에 이용되는 초음파 에너지의 특성인자들에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

음의 방사압(放射壓, acoustic radiation pressure)이란 음의 강도가 어느 임계값(큰 진폭)을 넘으면 초음파 진동과 동시에 매질 자체도 이동(진동)하는 현상으로, 이것을 각종 의류나 기타 섬유제품의 세탁에 이용하면 섬유조직 내에 개재하거나 흡착되어 있던 이물질이나 얼룩 및 미생물의 탈락이 촉진된다.

음의 직진류(直進流, straight jet)란 초음파 진동이 생길 때 앞으로 진행하는 액체의 흐름으로 이것에 의해 이것에 의해 초음파 세정(洗淨), 분산(分散) 등 여러가지 반응이 촉진된다.

정재파(定在波, 또는 定常波, standing wave)란 도 2와 같이 평면 음파가 넓은 평면 벽의 경계에 직각으로 입사하였을 때 입사파(入射波)와 반사파(反射波)가겹쳐져 진행하지 않는 음파로, 만일 주파수가 겹쳐 공진(共振, resonance)이 발생하게 되면 진폭이 최대가 되지만 반대로 진폭이 0이 될 때는 압력이 최대가 되는데, 이 작용으로 초음파가 강하게 작용하는 부위에 있는 이물질이나 얼룩 및 미생물의 세포조직이 파괴된다.

초음파의 지향성(指向性, directivity)이란 주파수의 고저에 따라 음이 일정 방향으로 강하게 방사되는 성질로서, 주파수가 크고 높은 음은 진동면의 정면 방향에만 집중방사(集中放射)되고, 주파수가 작고 낮은 음은 정면뿐만 아니라 횡방향으로도 방사된다. 주파수가 높을수록 지향성은 날카로워지며, 음원의 크기가 다를 때에는 도 3과 같이 음원의 직경 D나 파장λ와의 비가 클수록 지향성이 예리하게 나타나게 되는데, 이 때 그 범위 내에서 개재하는 이물질이나 얼룩 및 미생물의 세포조직이 파괴된다.

초음파 공동현상(超音波空洞現像, ultrasonic cavitation)이란 매질 입자(媒質粒子)에 매우 큰 가속도를 줄 수 있는 초음파를 가하면, 액체 중에 용존(溶存)하고 있는 공기 분자(cavitation nuclei, 기포 핵)가 집합(集合), 성장(成長), 발달(發達)에서부터 압괴(押塊)에까지 이르는 현상을 말한다.

액체는 그 종류, 온도 및 압력에 따라 다소 차이는 있으나 기체를 용존하고 있으므로 초음파를 가하면 원자나 분자 크기에 비례하는 크기의 공동(cavity) 또는 기포(air bubble)가 성장하고, 그 때 시작하는 최소의 종자(種子)를 공동현상 핵(cavitation nuclei, 기포 핵)이라고 부른다. 이와 같은 공동현상 분열(cavitation burst)은 도 4의 (A)와 같이 점 또는 구형 음원(球形音源)의 경우에는 초음파에 의한 매질이 팽창과 압축이 반복되면서 소밀파(疏密波)가 생기게 되고, 이것을 도 4의 (B)에서와 같이 음압 P와 시간 t의 관계로 나타내면 정압P ₀ (보통 1기압이다)를 중심으로 음압의 증감(增減)이 일어난다.

도 4의 (A)는 초음파의 출력(음압 진폭, 音壓振幅)이 작은 경우로서, 과압(過壓)과 부압(負壓)의 크기 차이가 작게 나타나나, 도 4의 (B)는 출력이 큰 경우로서, 과압과 부압의 크기 차이가 매우 크게 나타난다. 이 부압의 크기에 따라 액체가 끌어 당겨지게 되고, 액체 중의 기포 핵이나 액존(液存) 공기 분자가 집합하거나 생장(生長)함에 따라 공동(空洞, 기포)은 2의 상태가 된다. 이후 기포는 더욱이 발달하여 3에서 최대가 된 후 차츰 압축되어 4에서 공동소멸(空洞消滅) 또는 소공동(小空洞, 기포)인 상태에서 단열압축(순간적인 현상이기 때문에, 근사적으로 단열(斷熱)만 한다)되어 5에서 보는 바와 같이 고온고압의 미소 기포(微少氣泡)가 되고, 6에서 파괴되어 분자 형태로 미세하게 분열된다.

파괴가 일어나는 순간에는 기포에 수백 ℃의 고온과 수십 ㎏/㎠ 압력의 충격파(衝擊波)가 발생하게 되는데, 이러한 작용에 의해 액체 내에 격렬한 잡음이 발생하면서, 액체가 충돌하여 합쳐지거나 파괴되기도 하고, 방사압(放射壓, acoustic radiation pressure)이나 직진류(直進流)가 가해져 액면(液面)이 발달하여 위로 치솟아 올라 유괴(流塊)가 생기면서 고유 주파수의 예리한 분무(噴霧)가 발생하게 되는데, 이 분열 과정은 도 4의 (C)에 나타나 있다. 또한 도 4의 (D)에서와 같이 액면에서 약간 큰 중간 입자로서 파괴된 액적(液滴) a는 그 중의 공동현상 기포(cavitation bubble)의 파괴 b에 의해서 c → d → e 와 같이 미소분무로 재분열(再分裂)되기도 한다.

한편 초음파의 공동현상 효과는 특히 강력 초음파(high-intensity ultrasonics) 응용 분야에서 응집(凝集), 분무(噴霧), 세정(洗淨), 확산속도(擴散速度) 및 반응속도 촉진이나 고분자(高分子)의 핵중합(核重合), 술의 숙성(熟成), 의학 치료나 수술 등에도 유익하게 이용되어 왔다.

본 발명은 이러한 초음파 에너지의 특성인자를 이용한 세탁기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 발진부에서 송출되는 초음파 에너지의 특성인자를 이용해 세탁조 내에 투입된 각종 의류와 기타 섬유제품의 조직 내에 개재 또는 흡착되어 있는 이물질이나 얼룩 및 미생물을 탈락, 파괴시킴으로서 소량의 세탁제만을 투입하여도 충분한 세탁, 표백 및 살균 효과를 얻을 수 있는 초음파를 이용한 세탁기에 관한 것이다.

시중에 출시되어 있는 기존의 세탁기들은 일반적으로 세탁수의 회전이나 낙하와 같은 유동으로부터 생기는 섬유조직과의 마찰을 이용해 섬유조직 내에 침투한 이물질을 탈락시키거나 얼룩을 제거하는 방식을 사용해왔으나 이러한 세탁수와의 마찰에 의한 세탁 방식은 세탁물의 섬유조직의 손상이나 세탁물끼리의 엉킴 또는 다량의 세탁제 사용에 의한 수질환경오염 등을 유발하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명자에 의해기 출원, 등록된 특허 제110354호 '액체 연료의 초음파 무화기'의 원리를 이용하여 초음파 에너지의 특성인자(特性因子)인 방사압(放射壓), 직진류(直進流), 정재파(定在波), 지향성(指向性) 등을 적절하게 이용함으로서 초음파 공동현상(超音波空洞現像, ultrasonic cavitation)을 극대화시켜 세탁물의 섬유조직의 손상이나 세탁물끼리의 엉킴 또는 다량의 세탁제 사용에 의한 수질환경오염을 최소화하면서 각종 의류와 기타 섬유제품을 세탁, 표백 및 살균할 수 있는 초음파를 이용한 세탁기를 제공하는 데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 통상의 초음파 발생부와 다수의 초음파 발진부, 상기 초음파 발생부에서 출력된 고주파 출력전원을 각 초음파 발진부에 전달하기 위한 로터리 커넥터 방식의 슬립링(Slip Ring)을 갖는 중공축, 상기 초음파 발진부가 삽입·배치되는 배전판, 분리판, 써큘레이션(Circulation) 방지판, 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판으로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 세탁기의 구성요소들을 개략적으로 도시한 개략도

도 2는 반사파에 의한 정재파의 진폭과 압력 분포를 나타내는 모델

도 3은 음원의 직경(D)과 음파(λ)의 파장에 따른 지향성의 변화를 나타내는 모델

도 4는 초음파 공동현상 분열을 나타내는 모델

도 5는 초음파 발생부와 로터리 커넥터 방식의 슬립링을 도시한 절단면도

도 6은 로터리 커넥터 방식의 슬립링의 사시도

도 7은 초음파 발진부의 형상을 도시한 정면도

도 8은 배전판을 도시한 평면도

도 9는 초음파 발진부와 케이블을 제거한 배전판을 도시한 평면도

도 10은 방수판을 도시한 평면도

도 11은 써큘레이션 방지판의 평면도와 A-B 절단면을 도시한 절단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 정전압기2 : 전력 입력 조절기

3 : 초음파 발생장치4 : 초음파 발생부

5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f : 초음파 발진부

6 : 초음파 트랜스듀서(Transducer)7 : 초음파 혼(Horn)

10a, 10b : 케이블11 : 모터

12 : 모터측 풀리13 : 중공축측 풀리

14 : 벨트15 : 중공축

16 : 슬립링17 : 고정부

18 : 회전부19 : 플러그

20a, 20b : 케이블(大)21a. 21b, 21c, 21d : 베어링(小)

30 : 배전판31a, 31b : 커넥터

32a, 32b, 32c, 32d : 케이블(中)33a, 33b : 케이블(小)

34 : 배전판 초음파 발진부 삽입공

35 : 방수판

36 : 방수판 초음파 발진부 삽입공

37 : 써큘레이션(Circulation) 방지판

38 : 써큘레이션 방지판 초음파 발진부 삽입공

39 : 반사판

50 : 세탁조51 : 세탁수 유입구

52 : 세탁수 배출구53 : 탈수구

54 : 세탁기 케이스 55 : 세탁물 투입구

56 : 검사유리57 : 콘트롤 박스

58 : 세탁물

60a, 60b, 60c, 60d : 베어링

이하 본 발명에 따른 초음파를 이용한 세탁기를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

초음파 발생부(4)는 도 5와 같이 시중에서 쉽게 구입가능한 통상의 것으로 정전압기(1), 전력 입력 조절기(2), 초음파 발생장치(3)로 구성되어 고주파 출력전원이 각각 +, - 단자를 통해 출력된다.

구동부는 도 5와 같이 모터(11)와 모터측 풀리(12), 중공축측 풀리(13), 벨트(14) 및 로터리 커넥터(Rotary Connector) 방식의 슬립링(Slip Ring)(16)이 장착된 중공축(中空軸)(15)으로 구성되는데, 상기한 로터리 커넥터 방식의 슬립링(16)(도 6)은 도 5와 같이 플러그(19)를 꽂는 고정부(17)와 중공축(15)과 함께 회전하는 회전부(18) 사이에 볼베어링(小)(61a)(61b)(61c)(61d)이 내장되어 있어 중공축(15)의 일단에 삽입하면 중공축(15)의 회전에 관계없이 고정부(17)를 통해 중공축(15)에 내장된 케이블(大)(20a)(20b)로 전력이 전달되는 방식으로, 이러한 형태 외에도 회전부(18)에 전력을 공급할 수 있도록 하는 여러가지 형태의 슬립링이 유통되고 있다. 한편 상기 슬립링(16)이 설치된 중공축(15) 내부의 중공부에는 슬립링(16)으로부터 연결된 두 개의 케이블(大)(20a)(20b)이 내장되어 있고 케이블(大)(20a)(20b)의 일단은 중공부를 통과해 커넥터(31a)(31b)를 통해 각 극마다 두 개씩 총 네 개의 케이블(中)(32a)(32b)(32c)(32d)으로 나뉜다.

배전판(30)에는 도 8과 같이 다수개의 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)를 배치할 수 있도록 배전판 초음파 발진부 삽입공(34)이 중심으로부터 다수열 배치되어 있고 배전판(30) 상에 부설된 상기 네 개의 케이블(中)(32a)(32b)(32c)(32d)은 다시 다수의 케이블(小)(33a)(33b)로 나뉘어 각각의 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)의 상부에 위치한 초음파 트랜스듀서(Transducer)(6)로 고주파 출력전원을 공급한다. 방수판(35)은 배전판(30)에서 세탁조(50) 방향으로 소폭의 간격을 두고 위치하고 있으며 방수판 초음파 발진부삽입공(36)이 중심으로부터 다수열 배치되어 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)의 중간부를 고정하는 한편 방수처리하여 누수로 인한 전기적인 문제 발생을 차단한다. 또한 써큘레이션(Circulation) 방지판(37)은 써큘레이션 방지판 초음파 발진부 삽입공(38)이 중심으로부터 다수열 배치되어 있으며, 세탁조(50) 내로 돌출된 초음파 혼(Horn)(7) 부근에서 세탁수의 회전으로 인해 발생하는 써큘레이션을 방지하기 위해 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)의 혼(7) 부분에 위치한다. 한편 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)의 수는 세탁기의 용량에 따라 가감(加減)할 수도 있다.

세탁조(50)는 세탁수 유입구(51), 세탁수 배출구(52), 세탁물 투입구(55) 및 세탁조(50) 벽면에 다수 천공된 탈수구(53) 등 통상적인 구조를 가지며 세탁물 투입구(55)측 세탁조(50) 벽면에 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판(39)이 부착된 것만이 상이하다.

이하 본 세탁기에 의해 의류나 각종 섬유제품이 세탁, 표백, 살균되는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

초음파 발생부(4)에서 출력된 고주파 출력전원은 각각 +, - 단자를 통해 중공축(15) 일단에 설치된 로터리 커넥터 방식의 슬립링(16)을 통해 중공축(15) 내부의 두 개의 케이블(大)(20a)(20b), 커넥터, 배전판 위에 부설된 네 개의 케이블(中) 및 다수의 케이블(小)(33a)(33b)를 차례로 거치면서 최종적으로 각각의 초음파트랜스듀서(Transducer)(6)에 공급된다.

각각의 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)는 세탁조(50) 내에 설치된 배전판(30), 방수판(35) 및 써큘레이션 방지판(37)에 각각 원형으로 다수열 천공된 배전판 초음파 발진부 삽입공(34), 방수판 초음파 발진부 삽입공(36), 써큘레이션 방지판 초음파 발진부 삽입공(38)을 통해 고정·배치되어 초음파 발생부(4)에서 공급된 고주파 출력전원으로 인해 진동하게 되는데, 이 때 콘트롤 박스(57)를 조작하여 세탁물(58)의 섬유조직 내에 개재되어 있는 이물질이나 얼룩, 미생물 등의 진동특성으로 고려함으로써 초음파의 강도와 조사시간을 결정한다. 세탁조(50) 내부로 초음파가 조사되면 세탁조(50)의 세탁물 투입구(55)측에 부착한 반사판(39)에 의해 반사되면서 초음파의 특성인자인 방사압, 직진류, 공진, 지향성, 공동현상이 나타나게 되고 이러한 특성은 세탁조(50) 내에서 회전하고 있는 세탁수와 마찰과 더불어 세탁물(58)의 섬유조직 내에 개재된 이물질이나 얼룩 및 미생물 등이 탈락, 파괴시키게 된다.

상기한 본 발명에 의해 구성된 초음파를 이용한 세탁기는 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)에서 송출되는 초음파 에너지의 특성인자를 이용해 세탁조(50) 내에 투입된 각종 의류와 기타 섬유제품의 조직 내에 개재 또는 흡착되어 있는 이물질이나 얼룩 및 미생물을 탈락, 파괴시키므로 소량의 세탁제만을 투입하여도 충분한 세탁, 표백 및 살균 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 섬유조직의 손상이나 세탁물끼리의 엉킴 현상 및 수질환경오염도 현저하게 줄일 수 있는 것을 특징으로 한다.

Claims

세탁기에 있어서,

정전압기(1), 전력 입력 조절기(2),, 초음파 발생장치(3)으로 구성된 통상의 초음파 발생부(4)와;

슬립링(Slip Ring)(16)이 일단에 삽입되고 중공부에 케이블(大)(20a)(20b)이 안치되어 있는 중공축(15)과;

각각의 초음파 트랜스듀서(Transducer)(6)에 상기 초음파 발생부(4)에서 출력된 고주파 전원을 공급하도록 케이블(中)(32a)(32b)(32c)(32d) 및 케이블(小)(33a)(33b)가 부설되어 있고 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)(5d)(5e)(5f)를 삽입할 수 있도록 배전판 초음파 발진부 삽입공(34)이 원형으로 다수열 배치된 배전판(30)과;

상기 배전판(30)에서 세탁조(50) 방향으로 소폭의 간격을 갖고 위치하며 방수판 초음파 발진부 삽입공(36)이 중심으로부터 원형으로 다수열 배치되어 있어 초음파 트랜스듀서(Trancducer)(6)를 고정하며 배전판(30)측으로의 누수를 차단하는 방수판(35)과;

상기 방수판(35)에서 세탁조(50) 방향으로 소폭의 간격을 갖고 위치하며 써큘레이션 방지판 초음파 발진부 삽입공(38)이 중심으로부터 원형으로 다수열 배치되어 있으며, 세탁수의 회전으로 인해 세탁수 내로 삽입된 초음파 혼(Horn)(7) 부근에서 발생하는 써큘레이션(Circulation)을 방지하기 위한 써큘레이션 방지판(37)과;

세탁물 투입구(55)측 세탁조(50) 벽면에 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판(39)이 부착된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 세탁기.