KR20130020747A - 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터에 관한 것으로, 특히 프로세서와 같은 전자 부품, LED 모듈 또는 소형 전자기기의 동작시 발생하는 열을 냉각시키는데 적용 가능한 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터에 관한 것이다.
본 발명의 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터는 인가되는 전원 공급에 따라 진동을 발생하는 진동발생기;와 측면의 탄성부재, 질량체 상판, 하판 및 질량체 상판 또는 탄성부재에 위치하는 최소한 한개의 오리피스를 포함하여 구성되며 상기 진동발생기에 부착되는 챔버;와 상기 진동발생기에 공급되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

진동 증폭 합성 제트 액츄에이터 {Vibration amplification Synthetic jet actuator}
본 발명은 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터에 관한 것으로, 특히 프로세서와 같은 전자 부품, LED 모듈 또는 소형 전자기기의 동작시 발생하는 열을 냉각시키는데 적용 가능한 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터에 관한 것이다.
합성 제트는 챔버내의 체적을 변화시키는 진동발생기의 작용으로 챔버의 오리피스를 출입하는 고속의 공기 제트가 발생하며, 이때 주변공기의 와류(Vortices)가 합성되어 보다 강력한 공기 제트가 발생하는 것을 말한다.
합성 제트에 대한 다른 예는 미국특허 US5988522, US6457654 및 US2008/0174620에서 참조할 수 있다.
피에조세라믹은 구동력이 크고 높은 주파수에서 작동이 가능하고 전력소모가 적은 등의 장점으로 모터, 펌프, 인젝터 등 다양한 응용에 엑츄에이터로 사용되고 있으나 구동시 변위가 수 마이크로 미터에서 수십 마이크로 미터로 작아, 보다 큰 변위로 구동이 필요한 경우에는 진동을 증폭시키는 방안이 필요하다.
본 발명에서는 진동발생기-스프링-질량체가 연결된 시스템의 고유진동 영역에서 진동이 증폭되는 Reverse Vibration Absorber concept이 진동 증폭에 적용되었다.
진동 증폭 시스템에 대한 다른 예는 미국특허 US2007/0263887, US7608984에서 참조할 수 있다.
Title : Reverse vibration absorber concept to amplify the displacement of piezoceramic stack based actuator Author : S. Hanagud, P.Roborts and M. Bayon de noyer School of Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology
소형화, 고집적화 또는 고출력화되는 전자부품의 동작시 발생하는 열을 감소시키기 위하여 히트 싱크와 더불어 냉각팬이 많이 사용되고 있다. 그러나 냉각팬은 소음이 있고 전력소모가 많은 문제가 있다. 그리고 대안으로 사용되고 있는 합성 제트 액츄에이터는 진동 변위가 작아 냉각 효과가 제한적인 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보다 큰 진동 변위로 보다 강력한 합성 제트를 발생시키는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터는 인가되는 전원 공급에 따라 진동을 발생하는 진동발생기;와 측면의 탄성부재, 질량체 상판, 하판 및 질량체 상판 또는 탄성부재에 위치하는 최소한 한개의 오리피스를 포함하여 구성되며 상기 진동발생기에 부착되는 챔버;와 상기 진동발생기에 공급되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 진동발생기는 압전 세라믹 스택으로 구성될 수 있다.
상기 진동발생기는 탄성체 시트;와 상기 탄성체 시트의 일면 또는 양면에 부착되는 압전 세라믹;과 상기 탄성체 시트와 상기 챔버를 연결하는 연결돌기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 탄성부재는 금속 재질의 벨로우즈일 수 있다.
상기 챔버의 내부에 장착되는 코일 스프링를 더 포함할 수 있다.
진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 고유진동수가 적용하고자 하는 구동주파수가 되도록 상기 압전 세라믹의 스프링계수;와 상기 탄성부재의 스프링계수;와 상기 질량체 상판 질량이 선정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 보다 큰 진동 변위로 보다 강력한 합성 제트를 발생시킬 수 있으며 구조가 간단하고 제작이 용이한 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 압전 세라믹 스택의 변위 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 압전 세라믹과 탄성체 시트의 변위 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 Reverse vibration absorber 등가도를 설명하기위한 도면이다
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 측면도와 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 분해 사시도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터에 대해서 상세하게 설명한다.
수정이나 로셀염 등의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하여 전압이 발생하는 현상을 직접 압전 효과라고 하며, 이와 반대로 전압을 인가하면 결정판이 물리적 변형을 일으키는 현상을 역압전 효과라 한다. 직접 압전 효과와 역압전 효과 모두를 압전 효과(Piezoelectric Effect)라 한다. 이러한 압전 효과를 발생하는 소자를 압전소자라 하며, 대표적인 압전소자에는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)의 화합물인 PZT가 있다.
도 1은 압전 세라믹 스택의 변위 원리를 설명하기 위한 도면이다.
압전 세라믹 스택(100)은 도 1(a)에 도시된 바와 같이 다수의 판형, 원판형, 링형 압전 세라믹(10)이 전극(20)을 사이에 두고 접착되어 있으며 양단에는 엔드 플레이트(30)가 부착되어 있다. 압전 세라믹 스택(100) 제품의 예로는 Noliac 사의 SCMAP01이 있다. 압전 세라믹(10)의 분극 방향이 화살표 P의 방향과 같은 경우, 도 1(b)에 도시된 바와 같이 압전 세라믹(10)의 분극 방향과 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 같을 때에는 두께 방향으로 팽창이 일어나게 된다. 그리고, 도 1(c)에 도시된 바와 같이 압전 세라믹(10)의 분극 방향과 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 반대가 될 때에는 두께 방향으로 수축이 일어나게 된다.
도 2는 압전 세라믹과 탄성체 시트의 변위 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이 판형, 원판형, 링형 압전 세라믹(10)이 탄성체 시트(40)의 일면 또는 양면에 도전성 에폭시 수지 등과 같은 접착제를 도포하고 열경화 등의 방법으로 접착되어 있다. 탄성체 시트(40)은 압전 세라믹(10)으로부터 전달되는 진동이 손실없이 직접적으로 전달되고 동작할 수 있는 일정한 두께를 가지는 탄성특성이 우수한 금속물질이라면 사용이 가능하며, 인청동 재질이 이에 속한다. 압전 세라믹(10) 제품의 예로는 Noliac 사의 CMBR01이 있다. 압전 세라믹(10)이 탄성체 시트(40)의 양면에 부착된 경우 압전 세라믹(10)이 일면에 부착된 경우보다 더 큰 변위를 얻을 수 있다. 압전 세라믹(10)의 분극 방향이 화살표 P의 방향과 같은 경우, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 압전 세라믹(10)의 분극 방향과 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 같을 때에는 길이 방향으로 수축이 일어나게 되며, 압전 세라믹(10)의 분극 방향과 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 반대가 될때에는 길이 방향으로 팽창이 일어나게 되어 탄성체 시트(40)의 양끝단은 위쪽 방향으로 변위를 나타내게 된다. 그리고, 도 2(c)에 도시된 바와 같이 인가 전압의 극성을 도 2(b)와 반대로 하면 탄성체 시트(40)의 양끝단은 위쪽 방향으로 변위를 나타내게 된다. 따라서 정현파, 톱니파, 구형파 등과 같이 주기적으로 극성이 바뀌는 전압을 인가시에는 압전 세라믹(10)이 부착된 탄성체 시트(40)는 진동을 하게 된다.
도 3(a)의 진동발생기-탄성부재-질량체가 결합된 진동 증폭 시스템은 도 3(b)와 같이 진동발생기의 스프링계수 Kp, 진동발생기의 Reaction mass Mp, 탄성부재의 스프링계수 Ks, 질량체의 질량 Ms가 연결된 등가도로 나타낼 수 있다.
여기서 진동발생기가 압전 세라믹인 경우, 압전 세라믹의 스프링계수 Kp는
Figure pat00001
으로 나타낼 수 있다.
A : 압전 세라믹의 단면적
Ye : 압전 세라믹의 영 계수
L : 압전 세라믹의 길이
또 진동증폭 시스템의 고유진동수 ω는
Figure pat00002
으로 나타낼 수 있다.
압전 세라믹의 스프링계수 Kp, 탄성부재의 스프링계수 Ks, 질량체의 질량 Ms으로 결정되는 진동증폭 시스템의 고유진동수 ω에서 진동증폭 효과는 최대가 된다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각, 본 발명의 일 실시 예에 따른 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 측면도와 분해 사시도이다.
탄성부재(50)는 sus316L, 인청동 등의 금속 재료를 용접 또는 성형하여 만든 벨로우즈이거나, 우레탄, 고무 등을 성형하여 만든 벨로우즈또는 파이프 형태의 것이 사용될 수 있다. 질량체 상판(60) 및 하판(70)은 바람직스럽게는 sus304, 주철과 같은 금속 재료가 사용될 수 있다. 탄성부재(50), 질량체 상판(60) 과 하판(70)은 레이져 용접과 같은 용접 또는 에폭시와 같은 접착제를 사용하여 고정되어 챔버(200)를 형성한다.
오리피스(110)는 적용 사양에 따라 질량체 상판(50) 또는 탄성부재(60)의 적절한 위치에 한 개 또는 다수 개가 형성될 수 있다. 압전 세라믹 스택(100)의 상부 엔드 플레이트(30)와 하판(70)은 레이져 용접 또는 에폭시와 같은 접착제 등으로 고정된다. 압전 세라믹 스택(100)의 하부 엔드 플레이트(30)는 적용 사양에 따라, 직접 레이져 용접 또는 에폭시와 같은 접착제 등으로 또는 고정판(80)의 고정 홀(90)에 나사 등을 통해 히트싱크 등에 고정될 수 있다. 제어부(300)는 적용 사양에 따라 결정된 적정 전압, 구동주파수의 전원을 진동발생기에 공급한다. 제어부(300)의 전원 공급에 따라 압전 세라믹 스택(100)은 진동을 하고, 탄성부재(60)와 질량체 상판(50)의 역진동 흡수 작용(Reverse vibration absorber)으로 질량체 상판(50)의 진동은 증폭된다. 따라서 챔버(200)의 진동이 증폭되어 오리피스(110)를 출입하는 보다 강력한 합성 제트가 발생된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 분해 사시도이다. 탄성체 시트(40)의 연결돌기(45)는 스템핑 등의 방법으로 탄성체 시트(40)에 형성되거나, sus304 등의 재질로 별개로 레이져 용접 또는 에폭시 접착 등으로 탄성체 시트(40)에 부착될 수 있다. 압전 세라믹(10)은 탄성체 시트(40)의 일면 또는 양면에 도전성 에폭시 수지와 같은 접착제를 도포하고 열경화하여 고정된다. 챔버(200)는 연결돌기(45)와 나사체결, 레이져 용접 또는 에폭시 접착 등의 방법으로 고정된다. 조립된 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터는 고정 홀(90)에 나사체결 등을 통해 히트싱크 등에 고정될 수 있다.
압전 세라믹(10)에 적용 사양에 따라 결정된 적정 전압, 구동주파수의 전원이 공급되면 압전 세라믹(10)과 탄성체 시트(40)는 진동을 하고, 탄성부재(60)와 질량체 상판(50)의 역진동 흡수 작용(Reverse vibration absorber)으로 질량체 상판(50)의 진동은 증폭된다. 따라서 챔버(200)의 진동이 증폭되어 오리피스(110)를 출입하는 보다 강력한 합성 제트가 발생된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 분해 사시도이다. 사용되는 탄성부재(60)의 스프링 계수를 보완할 필요가 있는 경우, 챔버(200) 내부에 코일스프링(210)을 장착하여 탄성부재(60)의 선정을 보다 용이하게 할 수 있다.
10 : 압전 세라믹
40 : 탄성체 시트
45 : 연결돌기
50 : 탄성부재
60 : 질량체 상판
70 : 하판
100 : 압전 세라믹 스택
110 : 오리피스
210 : 코일스프링
300 : 제어부

Claims (6)

  1. 인가되는 전원 공급에 따라 진동을 발생하는 진동발생기와;
    측면의 탄성부재, 질량체 상판, 하판 및 질량체 상판 또는 탄성부재에 위치하는 최소한 한개의 오리피스를 포함하여 구성되며 상기 진동발생기에 부착되는 챔버와;
    상기 진동발생기에 공급되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 진동발생기는 압전 세라믹 스택으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 진동발생기는 탄성체 시트와; 상기 탄성체 시트의 일면 또는 양면에 부착되는 압전 세라믹과; 상기 탄성체 시트와 상기 챔버를 연결하는 연결돌기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 탄성부재는 금속 재질의 벨로우즈인 것을 특징으로 하는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 챔버의 내부에 장착되는 코일 스프링를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터.
  6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터의 고유진동수가 적용하고자 하는 구동주파수가 되도록 상기 압전 세라믹의 스프링계수와; 상기 탄성부재의 스프링계수와; 상기 질량체 상판 질량이 선정되는 것을 특징으로 하는 진동 증폭 합성 제트 액츄에이터.
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