KR20120031027A - 초음파 세척기 - Google Patents

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KR20120031027A
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김호영
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웅진코웨이주식회사
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Abstract

본 발명은 초음파 진동자를 구비한 초음파 진동부와, 유입된 원수를 상기 초음파 진동부에 안내하는 유로 채널과, 상기 초음파 진동부의 하부에 구비되어 원수를 분사시키는 노즐을 포함하는 초음파 세척기로서, 상기 노즐은 상기 초음파 진동자에 의해 초음파 진동되고 외부로 배출되는 원수의 물줄기를 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사시키는 중앙홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 세척기, 특히 가정용 유수식 초음파 세척기를 제공한다.

Description

초음파 세척기{Ultrasonic Washing Apparatus}
본 발명은 초음파 세척기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입된 원수를 초음파 진동시켜 분사하여 과일, 야채, 식기류 등을 세척하는 가정용 유수식 초음파 세척기에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 세척은 주로 초음파에 의한 캐비테이션(cavitaion) 현상이나 분무 미립화나 물입자 가속도를 이용한다.
캐비테이션 현상은 초음파의 에너지가 용액 중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해 미세기포가 생성되고 소멸되는 현상으로서 매우 큰 압력과 고온을 동반한다. 이와 같은 충격에 의해 용액 중에 담겨 있는 피세척물의 내부 깊숙이 보이지 않는 곳까지 단시간 내에 세척이 가능해진다. 실제의 경우에는 캐비테이션에 의한 충격 에너지에 대하여 초음파 자체의 방사압에 의한 교반효과, 열작동 등이 세제와 상승작용을 일으켜 높은 세척 효과를 이루어낸다.
또한, 흐르는 물에 초음파 에너지를 조사하면 캐필러리파에 의해 물의 입자 가속도가 증가하게 되며, 이 힘을 이용하여 피세척물에 부착된 농약이나 불순물 등의 미세한 입자의 세척이 가능해진다. 또한, 이러한 세척 방식은 세척 후 재오염의 소지가 없고, 피세척물에 대한 손상이 적기 때문에 반도체 등의 정밀 세정에 응용되고 있다.
반도체 등의 정밀 세정에 사용되는 공업식 초음파 세척기 이외에도, 가정에서 물을 절약하면서 동시에 과일이나 야채류 및 식기류(이하, 피세척물이라 한다) 등에 묻어있는 이물질을 깨끗이 제거할 수 있도록 하는 가정용 초음파 세척기가 개발되고 있다.
이러한 가정용 초음파 세척기의 경우, 피세척물이 위치할 수 있는 저장조 내에 저장된 세척수에 초음파 진동을 가하는 저장식 구조와, 세척기에 유입된 원수를 초음파 진동하고 초음파 진동된 원수를 노즐 등을 통하여 외부로 흘려보내는 유수식 구조로 구분된다.
도 1은, 종래의 유수식 초음파 세척기의 일 실시예의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 유수식 초음파 세척기(10)는, 내부의 실장부품을 수용하는 하우징(11)과 전기 진동을 발생시키는 초음파 발진 회로부(16)와, 고주파 전기 진동을 기계적 진동으로 변환하는 초음파 진동자(12)와, 상기 초음파 진동자(12)를 구동시키기 위해 외부의 전원 및 작동 신호가 인가되는 입력 코드(13)와, 상기 입력 코드(13)의 동축 케이블(14)의 꺾임을 보호하기 위한 보호구(15)와, 상기 초음파 진동자(12)의 주변부에 저수부(21)의 세척수가 누수되는 것을 방지하기 위한 가스켓(19)과, 초음파 발진 회로부(16)로부터 초음파 진동자(12)에 전원을 인가시키기 위한 단자 역할을 하는 금속판(17)과, 상기 진동자(12)에서 발생한 열을 흡수하는 흡열부(18)와, 외부로부터 피세척물을 세척하는 원수가 급수되는 원수 유입부(20)와, 원수가 초음파를 집중 조사받을 수 있도록 원수를 일정량 저장하는 저수부(21)와, 초음파 진동하는 세척수가 분사되어 나가는 분사노즐(22)을 포함한다.
도 2는 종래의 가정용 유수식 초음파 세척기의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
상기 유수식 초음파 세척기(30)는 원수 유입부(39)로부터 원수가 유입되는 메인 유로(31)와, 상기 메인 유로(31)로부터 갈라져 나와 다수의 노즐에 원수를 공급하는 분기 유로(32)와, 원수를 일시 저장하고 외부로 분출시키기 위한 분사노즐(33)과, 원수에 초음파 진동을 가하기 위한 초음파 진동자(34)와, 초음파 진동자(34) 사이에 구비되어 누수를 방지하기 위한 가스켓(35)과, 외부로부터 전원을 입력받은 후 초음파 진동자(34)를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하는 각종 부품이 실장된 발진 회로부(36)와, 상기 분사노즐(33)과 하우징(38) 사이의 마찰면에 구비되는 완충재(37)와, 상기 발진 회로부(36)의 구동신호를 초음파 진동자(34)에 전달하기 위한 전원 라인부(40) 등으로 이루어져 있다. 상기 전원 라인부(40)는 초음파 진동자(34)의 진동을 감쇠시키도록 동축 케이블(41)과, 절연캡(42)과, 동축 케이블(41)을 지지하고 간격을 조절하기 위한 스페이서(43) 등으로 이루어진다.
그러나 이와 같은 구조에서는, 초음파 진동된 원수가 외부로 분출되는 경우 물줄기가 연속적으로 이어지지 않고 끊어지게 된다. (도 8a 참조) 이 경우 실질적으로 피세척물의 세척이 이루어지는 위치에 도달한 원수까지 초음파가 전달되지 않고 무화의 형태로 대기중에 손실되며, 이에 따라 세척 효과가 감소하는 문제점이 있다.
또한, 초음파 세척기 내부에 유입된 원수에 에어층이 형성될 가능성이 크다. 에어층에 의해 초음파가 원수에 충분히 전달되지 못하여 세척 효과가 감소하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 초음파 진동되고 외부로 배출되는 원수의 물줄기를 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사시키는 중앙홀을 포함하는 초음파 세척기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 여기에서 소정의 길이는 노즐로부터 그 하방에 위치하여 피세척물의 세척이 이루어지는 세척 위치까지의 길이를 의미한다.
또한, 피세척물의 세척이 이루어지는 위치까지 초음파가 양호하게 전달되도록, 외부로 배출되는 원수의 물줄기의 끊김을 방지함과 동시에 초음파 진동부 내부에도 유입된 원수가 에어층을 형성하지 않도록 이루어진 초음파 세척기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인체에 손상을 주지 않도록 안전성을 구비한 초음파 세척기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 초음파 진동자를 구비한 초음파 진동부, 유입된 원수를 상기 초음파 진동부에 안내하는 유로 채널, 및 상기 초음파 진동부의 하부에 구비되어 유입된 원수를 분사시키는 노즐을 포함하는 초음파 세척기에 있어서, 상기 원수는 상기 초음파 진동부에 의해 초음파 진동되어 소정의 길이까지 연속적으로 유출되며, 상기 유출된 원수의 상기 소정의 길이에서의 음압 강도를 조절하도록 상기 초음파 진동부에 인가되는 전류가 제어되며, 상기 소정의 길이는 상기 노즐로부터 피세척물의 세척이 이루어지는 세척 위치까지의 길이이며, 상기 초음파 진동부에 인가되는 전류는 300 내지 700mA인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 음압 강도는 0.3MPa 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 초음파 진동부에 인가되는 전류는 600mA 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소정의 길이에서의 PRE(입자 제거 효율)은 50% 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 노즐은, 외부로 배출되는 원수의 물줄기를 연속적으로 분사시키는 중앙홀을 포함하며, 상기 중앙홀의 반지름은 20mm 이하인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 세척기 외부에서는, 초음파 진동되고 외부로 배출되는 원수의 물줄기를 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사시키는 중앙홀을 포함하는 유수식 초음파 세척기를 제공함으로써 세척 효과가 월등히 증가한다.
또한, 세척기 내부에서는, 초음파 진동부에 유입되는 원수가 에어층을 형성하지 않도록 함으로써 세척 효과가 더욱 증가한다.
이러한 세척 효과 증가와 더불어, 인체에 손상을 주지 않도록 안전성을 구비한다.
동시에, 노즐의 내측벽과 원수 사이의 마찰력을 이용함으로서 초음파 진동자의 파손을 방지하여 초음파 세척기의 내구성 및 수명이 증가한다.
도 1은, 종래의 유수식 초음파 세척기의 일 실시예의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 2는, 종래의 유수식 초음파 세척기의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세척기의 사시도이다.
도 4는, 도 3의 A-A'에서 바라본, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세척기의 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 저면도이다.
도 7은, 도 4의 B-B'에서 바라본, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세척기의 단면도이다.
도 8a, 8b는 종래 기술에 따른 초음파 세척기를 통해 외부로 배출되는 원수와 본 발명에 따른 초음파 세척기을 통해 외부로 배출되는 원수의 끊김 여부를 비교하는 사진이다.
도 9는 종래 기술에 따른 초음파 세척기와 본 발명에 따른 초음파 세척기의 세척 효과를 비교하는 실험 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 초음파 세척기를 통해 외부로 배출되는 원수의 음압을 측정한 그래프이다.
도 11은 종래 기술에 따른 초음파 세척기와 본 발명에 따른 초음파 세척기의 세척 효과를 비교하는 실험 결과 그래프이다.
도 3은, 본 발명에 따른 초음파 세척기(100)의 일 실시예의 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 외부에서 살펴본 초음파 세척기(100)는 원수가 유입되는 원수 유입구(110)와, 상부 하우징(180)과, 하부 하우징(190)과, 노즐(200)을 포함한다.
도 4는, 도 3의 A-A'선에 따라 바라본 본 발명에 따른 초음파 세척기(100)의 일 실시예의 횡단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 세척기(100)는 원수가 유입되는 원수 유입구(110)와, 유입된 원수를 초음파 진동시키는 초음파 진동부(150)와, 초음파 진동된 원수를 외부로 방사하는 노즐(200)과, 내부의 실장 부품을 수용하는 상부 하우징(180) 및 하부 하우징(190)을 포함한다.
초음파 진동부(150)는 트랜지스터(122)가 실장된 기판(121)을 포함하는 발진 회로부(120)와, 발진 회로부(120) 하부에 배치되어 유입된 원수에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동자(130)와, 초음파 진동자(130)의 장착을 위한 진동자 안착개구(141)가 형성된 방열판(140)을 포함하여 이루어진다.
발진 회로부(120)는 외부로부터 전원을 공급받아 내부에 실장된 부품에 의하여 고주파의 전기 진동을 발생시킨다. 이러한 발진 회로부(120)는 별도로 설치된 제어부(미도시)와 연결되어 그 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
발진 회로부(120)는 기판(121)의 상부 및/또는 하부에 다수의 부품이 실장되는데, 이러한 부품에는 트랜지스터(122)와 같은 발열 부품이 포함된다.
초음파 진동자(130)는 발진 회로부(120) 하부에 배치되며, 발진 회로부(120)와 전기적으로 연결되어 초음파 진동(기계적 진동)을 발생시킨다.
이러한 초음파 진동자(130)의 전극은 원형 등 일반적인 형상으로 형성될 수 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며 분사 노즐의 형상에 대응되는 어떠한 다른 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
또한, 초음파 진동자(130)는 발진 회로부(120)의 직접 하부에 전기적으로 연결되도록 구성함으로써 발진 회로부(120)와 초음파 진동자(130) 사이의 간격을 최소화하는 것이 가능하다. 이에 의하여, 본 발명에 의한 구동 전압 및 신호 전압 전달 과정에서 감쇠를 최소화하여 효율을 향상시키고, 동축 케이블이 아닌 일반 전선을 사용함으로써 제조 비용이 적게 든다는 이점을 얻을 수 있다.
한편, 방열판(140)은 그 측면에 발진 회로부(120)와 초음파 진동자(130)를 수용하도록 소정의 공간을 형성하고, 내부에 초음파 진동자(130)가 안착되는 진동자 안착개구(141)가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 방열판(140)은 원수와 접촉하도록 이루어져서 발진 회로부(120)에서 발생한 열을 원수를 통하여 수냉하도록 한다. 특히, 방열효과의 극대화를 위하여 발진 회로부(120)의 트랜지스터(122) 등의 발열 부품 중 적어도 하나를 방열판(140)과 접촉하도록 하여 전도에 의한 열전달을 구현할 수 있으며, 이러한 구성을 통하여 전도 및 수냉에 의한 우수한 방열효과를 구현할 수 있다.
도면에서 방열판(140)은 원통형의 일체형 구조로 이루어졌으나, 이는 본 발명의 일 실시예일 뿐이며 노즐의 크기에 상응하는 어떠한 형태도 가능하며, 방열효과를 위하여 일체형 구조가 아닌 다른 구조도 가능함은 물론이다.
초음파 진동부(150) 하방에는 연결부(160)가 위치하여, 원수 유입구(110) 및 유입 개구부(115)로부터 유입된 원수를 초음파 진동부(150)로 안내하는 유로 채널(161, 162)을 형성한다. (도 7 참조)
연결부(160) 하방에는, 하부 하우징(190) 내부에 위치하며 노즐(200)을 고정하는 노즐 안착부(170)가 위치한다. 노즐 안착부(170)에는 요홈이 존재하여 노즐(200)의 돌출부(201)가 장착될 수 있다. 이러한 요철결합 이외의 다른 어떠한 결합 방식도 가능함은 물론이다.
노즐(200)은 원수를 외부로 배출하는 중앙홀(210)을 포함한다.
도 5, 6을 참조하여, 노즐(200)을 보다 상세히 설명한다.
노즐(200)은 원수를 외부로 배출하는 중앙홀(210)을 포함한다. 중앙홀(210)의 크기는 중앙홀(210)을 통하여 외부로 배출되는 원수가 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사될 수 있도록 정하여진다. (도 8b 참조)
여기에서 "소정의 길이"는 노즐로부터 하방으로 피세척물의 세척이 이루어지는 세척 위치까지의 길이를 뜻한다. 가정에서 피세척물을 세척하는 경우 피세척물의 세척이 이루어지는 위치는 사용자, 피세척물 크기, 세척 행동, 세척기와 싱크대의 위치 등 다양한 변수에 따라 상이하다.
예를 들어, 일반적인 가정에서 본 발명에 따른 초음파 세척기를 사용중인 경우 싱크대의 깊이에 따라 세척이 이루어지는 위치가 상이할 수 있으며, 만약 현재 사용되는 싱크대의 공칭 규격이 몇 센티미터 변경되는 경우, 세척이 이루어지는 위치는 이에 따라 변경될 수밖에 없다.
따라서 "소정의 길이"를 별도의 수치로 특정할 수 없음은 물론이다. 다만, 이렇게 특정할 수 없는 "소정의 길이"를 아래와 같이 통계적으로 분석하고 실험을 통해 획득한 일 실시예를 통하여 설명하면 다음과 같다.
가정에서 노즐을 통해 외부로 배출되는 원수를 사용하여 피세척물을 세척하는 경우 평균적으로 노즐로부터 하방 약 11cm의 길이에서 세척이 이루어지곤 한다. 본 발명자는, 외부로 배출되는 원수가 노즐로부터 하방 약 11cm의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사되기 위해서 중앙홀(210)의 지름이 약 10mm이어야 하는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
또한, 평균적으로 노즐로부터 하방 약 11cm의 길이에서 세척이 이루어지나 사용자의 움직임 등에 의하여 세척 위치에 상하 몇 센티미터의 유격이 발생할 수 있다. 본 발명자는, 이러한 유격을 감안한 길이까지 외부로 배출되는 원수가 끊김 없이 연속적으로 분사되기 위해서 중앙홀(210)의 지름이 약 6 내지 15mm일 수 있는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
다른 실시예에서, 노즐로부터 하방 약 11cm보다 더 긴 길이에서 세척이 이루어지는 경우, 더 멀리 끊김 없이 연속적으로 원수를 분사하기 위해서 중앙홀의 지름은 10mm보다 커야 한다.
요컨대, 소정의 길이가 더 길수록, 즉 피세척물의 세척 위치가 노즐로부터 보다 멀리서 이루어지는 경우, 더 멀리 끊김 없이 연속적으로 원수를 분사하기 위해 중앙홀의 지름은 더 커져야 한다. 다시 말해, 소정의 길이와 중앙홀의 지름은 비례 관계이어야 한다.
도 8a, 8b, 9를 참조하여 외부로 배출되는 원수의 물줄기가 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사되도록 이루어진 본 발명의 실시예의 특징 및 효과를 설명한다.
도 8a, 8b, 9는 종래 기술에 따른 초음파 세척기와 본 발명에 따른 초음파 세척기의 초음파 전달 정도 및 세척 효과를 실험한 결과에 따른 도면이다. 실험에 사용된 종래 기술에 따른 초음파 세척기는 다수의 홀을 가지며, 그 중 중앙의 홀의 지름은 약 3mm이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세척기는 지름이 약 10mm인 중앙홀(210)을 갖는다. 초음파 진동자에 인가되는 전압은 600mA로 동일한 조건이다.
이러한 실험에서, 도 8a는 종래 기술에 따른 초음파 세척기의 노즐에서 분사되는 원수를 초당 9000프레임으로 촬영한 사진이며, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세척기의 노즐에서 분사되는 원수를 초당 9000프레임으로 촬영한 사진이다. 본 발명에 따른 노즐을 통해 분사되는 원수는 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 외부로 배출되나, 종래 기술에 따른 초음파 세척기는 그렇지 않음을 확인할 수 있다.
아래의 표 1은 이와 같은 실험에서 초음파가 전달되는지 여부를 확인하기 위해 노즐로부터 하방으로의 길이에 따른 원수의 음압을 측정한 것이다.
Figure pat00001
"불안정"은, 측정된 음압의 변동이 커서 측정이 어려우나 실질적으로 0에 가까움을 의미한다. 즉, 지름이 약 3mm인 중앙의 홀을 구비한 종래 기술의 경우 노즐로부터 약 20mm 아래의 위치의 원수에 초음파가 거의 전달되지 않음을 확인하였다.
도 9는 동일 조건 하에서 세척 효과를 확인하기 위한 실험 결과 그래프이다. 노즐로부터 80mm 아래에 70mm × 70mm의 유리 기판 상에 형광 입자를 위치시키고 초음파 진동자에 600mA의 전류를 인가한 경우 입자가 어느 정도 제거되는지를 측정하였다. Y축은 입자 제거 효율(PRE)을 백분율로 표시한 것이며, X축은 피세척물인 입자가 제거되는 원형 범위의 반지름을 mm로 표시한 것이다. 입자 제거 효율(PRE)이 세척 효과를 뜻한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 지름이 약 3mm의 중앙의 홀을 구비한 종래 기술의 초음파 세척기의 경우 PRE가 50% 이상인 범위는 약 1.2mm 반지름의 원에 불과하지만, 본 발명에 따른 초음파 세척기의 경우 PRE가 50% 이상인 범위는 약 25mm 반지름의 원보다 크다.
이와 같은 실험 결과를 통하여, 외부로 배출되는 원수의 물줄기가 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 이루어지도록 이루어진 본 발명의 초음파 세척기는 종래 기술에 의한 초음파 세척기와 비교하여 세척 효율이 약 400배 이상 증가함을 알 수 있다.
다시, 도 5, 6을 참조하여 본 발명에 따른 노즐을 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 세척기의 노즐의 중앙홀(210)은 중앙홀을 통해 외부로 배출되는 원수의 물줄기가 끊김 없이 연속적으로 이루어지기 위한 크기를 갖는다. 전술한 바와 같이 소정의 길이와 중앙홀(210)의 지름은 비례 관계이며, 바람직한 일 실시예에서 중앙홀(210)의 지름은 약 6 내지 15mm이며, 다른 바람직한 일 실시예에서 그 지름은 약 10mm 이상이며, 다른 바람직한 일 실시예에서 그 지름은 약 10mm이다. 그러나, 이는 본 발명의 실시예일 뿐이며 청구하고자 하는 범위는 이에 한정되지 않음은 물론이다.
또한, 중앙홀(210)의 지름이 종래 기술에 비하여 증가함으로써 초음파 진동자(130)의 표면에 기포가 과도하게 발생할 수 있으며, 이에 따라 초음파 진동자(130)가 파손될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 중앙홀(210)의 길이(d)를 조절할 수 있다.
원수가 외부로 배출되는 경우 원수의 일부는 노즐(200)의 내측벽을 타고 흐른다. 이때 원수와 내측벽 사이에 마찰력이 발생하여 노즐(200) 상부의 초음파 진동자(130)에 전달되는 에너지를 일정 부분 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로 초음파 진동자(130)에서 기포가 과도하게 발생하는 것을 방지할 수 있어서, 초음파 진동자(130)의 파손을 방지할 수 있다.
따라서, 중앙홀(210)의 길이(d)가 충분한 마찰력을 전달하도록 일정한 길이에 이르러야 초음파 진동자(130)의 파손을 방지할 수 있다. 다만, 중앙홀(210)의 지름이 클수록 노즐(200)의 내측벽에서 발생하는 마찰력이 초음파 진동자(130)에 미치는 영향이 상대적으로 적어지므로, 중앙홀(210)의 지름과 중앙홀(210)의 길이(d)는 비례 관계가 되어야 한다.
본 발명자는 실험을 통하여 중앙홀(210)의 지름이 6 내지 15mm인 경우 중앙홀(210)의 길이(d)는 10 내지 30mm에 상응하여야 함을 확인하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는, 본 발명에 따른 중앙홀(210)을 구비한 노즐을 채택함과 동시에 다수의 물줄기가 외부로 배출되는 샤워식으로 구성될 수 있다. 즉, 초음파 진동된 원수가 외부로 배출되는 중앙홀(210)과 별도로, 초음파 진동되지 않은 원수가 중앙홀(210) 주변에서 외부로 배출되도록 별도의 외측홀(미도시)을 더 가질 수 있다.
가정에서 사용되는 초음파 세척기(100)의 경우 전체적인 크기가 어느 정도 제한될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 중앙홀(210)의 지름이 10mm 내외로서 종래 기술의 노즐의 홀과 비교하여 큰 편이므로, 제한된 노즐 크기 내에서 외측홀의 지름은 감소되며, 이에 따라 외측홀을 통해 분사된 원수의 물줄기는 소정의 길이까지 끊김 없이 연속적으로 분사되지 않을 수 있다.
즉, 외측홀을 통해 분사된 원수에 초음파가 전달될 수 없을 수 있으므로, 외측홀은 초음파 진동부(150)를 통과하지 않고 원수 유입구(110)에 직접 연결되어 외부로 배출될 수 있다.
이 경우 중앙홀(210)로부터 외부로 배출되는 원수에는 초음파가 전달되어 높은 세척 효과를 나타내며, 외측홀로부터 외부로 배출되는 원수에는 초음파가 전달되지 않아 헹굼 등의 목적을 위한 원수일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 초음파 세척기(100)의 전체적인 크기를 증가시켜서 중앙홀(210) 및 외측홀을 통과하는 원수 모두에 초음파가 전달되도록 하고 이를 통해 배출되는 원수 모두 끊임없이 연속적으로 소정의 길이에 이르도록 할 수도 있다.
도 7을, 도 4의 B-B'선에 따라 바라본 본 발명에 따른 초음파 세척기(100)의 일 실시예의 종단면도이다.
원수 유입구(110)를 통해 유입된 원수는 원수 개구부(115)를 지나 연결부(160)의 형상에 의해 이루어진 다수의 유로 채널(161, 162)을 통해 초음파 진동부(150)로 유동한다. 유로 채널(161, 162)은 초음파 진동부(150)에 진입하는 원수가 보다 빠른 속도로 진입하도록 하여 와류를 형성하도록 한다.
원수가 초음파 세척기(100)로 유입되면 초음파 진동부(150) 부근에서 유동 방향이 변경되어 초음파 세척기 내부에서 에어층이 형성될 수 있다. 에어층이 형성된 원수가 초음파 진동되어 외부로 배출되는 경우, 에어층으로 인하여 초음파가 모든 원수에 충분히 전달되지 않을 수 있어서 세척 효율이 감소한다.
이를 방지하도록 특유의 유로 채널(161, 162)을 형성함으로써 원수가 빠른 속도로 진입하여 와류를 형성하게 하여 초음파 세척기 내부에서 에어층이 발생할 확률을 감소시킬 수 있다.
도 7에 도시된 일 실시예에서 유로 채널(161, 162)은 2개이며, 유입 방향을 화살표로 도시한다. 1개의 유로 채널(162)은 직선이며, 다른 유로 채널(161)은 원수가 유입되는 방향으로 각도(α)를 이룬다.
최적의 에어층 형성 감소를 확인하기 위한 실험에서, 본 발명자는 각도(α)가 30도 이상인 경우 그 효과가 뛰어나며, 특히 각도(α)가 60도인 경우 그 효과가 더욱 뛰어남을 확인하였다.
유로 채널(161)이 소정의 각도를 이루어, 원수가 초음파 세척기(100) 내로 유입됨에 따라 유로가 점점 작아져서 유입되는 원수의 속도가 점차적으로 증가한다. 이에 따라 유로 채널(161, 162)의 양 방향에서 유입된 원수는 중앙에서 와류를 형성하여 에어층이 발생할 확률을 감소시킨다.
또한, 이러한 유로 채널(161, 162)들의 면적이 각각 7 내지 11mm2인 경우 와류 발생 효과가 가장 뛰어나다.
도 7은 본 발명의 일 실시예일 뿐이며, 유로 채널의 개수가 상이할 수 있으며, 유입되는 원수의 속도를 빠르게 하는 유로 채널의 상이한 형상이 가능함은 물론이다.
도 10, 11을 참조하여, 초음파 진동부(150)에 인가되는 전류 및 이로 인하여 초음파 진동된 원수의 음압 크기를 설명한다.
도 10는 초음파 진동부(150)에 인가되는 전류를 변경하여 원수의 음압을 측정하는 실험 결과를 그래프로 도시한 도면이다.
가정에서 초음파 진동부(150)에 의해 초음파 진동된 원수를 이용하여 피세척물을 세척하는 경우, 사용자의 손과 같은 신체 일부에 초음파 진동된 원수가 접할 수 있다.
원수에 전달된 초음파의 크기는 원수의 음압을 측정함으로써 알 수 있으며, 초음파 진동부(15)에 인가되는 전류의 크기 제어 등의 방법으로 이를 조절할 수 있다.
일반적으로 큰 초음파가 전달될수록 세척 효과는 증가한다. 그러나 인체 일부가 과다한 초음파가 전달된 원수에 접하면 열, 기계적 힘 및 기포에 의해서 인체 세포 조직이 손상될 위험성이 있다.
열과 관련하여, 초음파를 흡수함으로 인한 화상의 위험성이 있으며, 이는 초음파의 시간 평균 강도(ISPTA)에 의한 열관성과 관련된다.
기계적 힘과 관련하여, 초음파 전달시 세포 조직의 팽창 및 수축의 위험성이 있으며, 이는 초음파의 순간 강도와 관련된다.
초음파가 전달된 신체 조직 내부의 액체에서 기포가 발생함으로 인하여 세포 조직이 손상될 위험성이 있으며, 이는 초음파의 순간 강도 및 시간 평균 강도와 관련된다.
종래 기술에 따른 초음파 세척기에서는 노즐로부터 소정의 길이만큼 이격된 세척 위치에서의 음압이 거의 없었기에 초음파 진동자에 가해지는 전류를 제한할 필요가 거의 없었으나, 본 발명에 따른 초음파 세척기에서는 보다 많은 초음파가 전달되므로 사용자의 안전을 더욱 고려하여야 한다.
따라서, 전술한 사항들을 고려하여 인체에 영향을 주지 않는 범위에서 초음파를 최대로 하여 세척 효과를 상승시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명은 피세척물의 세척이 이루어지는 소정의 길이에서 원수의 음압 강도를 조절하도록 초음파 진동부(150)에 인가되는 전류를 제어한다.
인체에 미치는 영향을 고려한 초음파 세척기용 초음파 크기에 대한 규제는 별도로 규정되지 않았으나, 본 발명에 따른 초음파 세척기를 사용하는 사용자의 안정성을 위해 한국 식품의약안정청의 전자의료기기 기준, 캐나다 보건부 규정 및 초음파를 이용하는 의용 장비에 대한 국제 규제 항목 등을 참조하였다.
한국 식품의약안정청의 기준의 경우, 신경외과 안과용 영상장치 모드 사용시 초음파 크기의 한계를 0.1W/cm2으로, 산부인과용 영상장치 모드 사용시 한계를 0.04W/cm2으로, 치료용 초음파 자극기의 경우 3W/cm2(0.3MPa)으로 제한한다.
이러한 기준들을 통하여, 본 발명자는 세척 위치에서의 음압이 0.3MPa 이하인 것이 인체에 안전함을 확인하였다.
아래의 표 2는, 중앙홀(210)의 지름이 약 10mm인 본 발명의 일 실시예에서 초음파 진동부(150)에 인가되는 전류를 조절한 실험으로서, 노즐 하방으로 소정의 거리만큼 이격된 세척 위치에서 음압을 측정한 결과 중 일부이며, 이는 도 10에서 그래프로 도시된다.
Figure pat00002
이와 같은 결과에서, 소정의 거리만큼 이격된 세척 위치에서 0.3MPa 이하의 음압을 전달하기 위해서 300mA 이하의 전류가 초음파 진동부(150)에 전달되는 것이 바람직함을 확인하였다.
도 11는 인가되는 전류에 따른 세척 효과를 도출한 실험 결과를 도시한 그래프이다.
본 실험에서는 노즐로부터 80mm 아래에 70mm × 70mm의 유리 기판 상에 형광 입자를 위치시킨다. 종래 기술에 따라 지름 약 3mm의 홀이 구비되며 초음파 진동자에 600mA의 전류가 인가된 경우, 본 발명에 따라 지름 약 10mm의 중앙홀이 구비되고 초음파 진동자에 600mA의 전류가 인가된 경우, 본 발명에 따라 지름 약 10mm의 중앙홀이 구비되고 초음파 진동자에 300mA의 전류가 인가된 경우, 각각의 입자 제거 효율(PRE)을 측정하여 비교하였다. Y축은 입자 제거 효율(PRE)을 백분율로 표시한 것이며, X축은 피세척물의 세척되는 원형 범위의 반지름을 mm로 표시한 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 지름이 약 3mm인 홀을 채택한 종래 기술의 초음파 세척기의 경우 PRE가 50% 이상인 범위는 약 1.2mm 반지름의 원에 불과하며, 본 발명에 따른 초음파 세척기에 약 600mA의 전류를 인가한 경우 PRE가 50% 이상인 범위는 약 25mm 반지름의 원보다 크며, 본 발명에 따른 초음파 세척기에 약 300mA의 전류를 인가한 경우 PRE가 50% 이상인 범위는 약 20mm 반지름의 원이다.
본 발명에 따른 초음파 세척기의 초음파 진동부에 약 300mA의 전류를 인가한 경우보다 약 600mA의 전류를 인가한 경우의 세척 효과가 1.5배 이상 뛰어나지만 전술한 바와 같이 인체 손상의 위험성이 있다. 따라서 이를 고려하면 세척 효과를 보다 더 고려한 일 실시예에서 초음파 진동부에 인가되는 전류는 600mA 이하인 것이 바람직하며, 인체 위험성을 보다 더 고려한 일 실시예에서 초음파 진동부에 인가되는 전류는 300mA 이하인 것이 바람직하다.
인가되는 전류가 작아질수록 인체 손상의 위험성이 적어지나 세척 효과가 낮아진다. 반대로, 인가되는 전류가 커질수록 세척 효과는 증가하나 인체 손상의 위험성이 높아진다.
따라서, 본 발명에 따른 초음파 세척기는 바람직하게는 노즐로부터 소정의 거리만큼 이격된 세척 위치에서의 음압이 0.3MPa보다 낮도록 이루어진다.
다른 실시예에서 초음파 진동부에 약 600mA 이하의 전류가 인가되는 것이 세척 효과 면에서 바람직하며, 약 700mA를 초과하는 전류가 인가되는 경우 인체에 가해지는 위험성이 과도하게 높을 수 있다.
또 다른 실시예에서 초음파 진동부에 약 300mA 이하의 전류가 인가되는 것이 인체 손상 위험성 감소 면에서 바람직하며, 약 200mA보다 낮은 전류가 인가되는 경우 세척 효과가 과도하게 감소할 수 있다.
이를 고려한 본 발명의 일 실시예에서는 200 내지 700mA의 전류가 인가되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 초음파 세척기
110 : 원수 유입구
120 : 발진 회로부
130 : 초음파 진동자
140 : 방열판
150 : 초음파 진동부
160 : 연결부
170 : 노즐 안착부
180 : 상부 하우징
190 : 하부 하우징
200 : 노즐
210 : 중앙홀

Claims (5)

  1. 초음파 진동자를 구비한 초음파 진동부,
    유입된 원수를 상기 초음파 진동부에 안내하는 유로 채널, 및
    상기 초음파 진동부의 하부에 구비되어 유입된 원수를 분사시키는 노즐을 포함하는 초음파 세척기에 있어서,
    상기 원수는 상기 초음파 진동부에 의해 초음파 진동되어 소정의 길이까지 연속적으로 유출되며, 상기 유출된 원수의 상기 소정의 길이에서의 음압 강도를 조절하도록 상기 초음파 진동부에 인가되는 전류가 제어되며,
    상기 소정의 길이는 상기 노즐로부터 피세척물의 세척이 이루어지는 세척 위치까지의 길이이며,
    상기 초음파 진동부에 인가되는 전류는 300 내지 700mA인 것을 특징으로 하는,
    초음파 세척기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음압 강도는 0.3MPa 이하인 것을 특징으로 하는,
    초음파 세척기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파 진동부에 인가되는 전류는 600mA 이하인 것을 특징으로 하는,
    초음파 세척기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소정의 길이에서의 PRE(입자 제거 효율)은 50% 이상인 것을 특징으로 하는,
    초음파 세척기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 노즐은, 외부로 배출되는 원수의 물줄기를 연속적으로 분사시키는 중앙홀을 포함하며,
    상기 중앙홀의 반지름은 20mm 이하인 것을 특징으로 하는,
    초음파 세척기.
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