KR20180067250A - 노즐 장치 및 이를 포함하는 피닝 장치 - Google Patents

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Abstract

본 실시예는 하나의 고압 펌프를 이용하여 대량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 형성할 수 있도록 개선된 노즐 장치를 제공하는 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 노즐 장치는 고압 펌프에 의해 유체가 공급되는 유입구를 갖는 노즐 본체; 상기 노즐 본체의 내측 중앙부를 구획하도록 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 분기되며 제1유체로 공급되고, 입구에 비해 출구의 단면적이 감소하도록 형성되어 분사되는 제1유체의 압력을 증가하여 분사하는 제1유로부; 및 상기 노즐 본체와 상기 제1유로부 사이에 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 분기되며 제2유체로 공급되고, 상기 제1유로부에서 분사되는 상대적으로 고압인 제1유체로 제2유체가 빨려들어가며 캐비테이션 버블을 형성하는 제2유로부;를 포함한다.

Description

노즐 장치 및 이를 포함하는 피닝 장치 {PEENING NOZZLE DEVICE AND PEENING APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 소재의 표면에 충격을 가하는 피닝 공정을 위해 다량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 생성하는 노즐 장치 및 이를 포함하는 피닝 장치에 관한 것이다.
일반적으로 피닝 장치(Peening Apparatus)는 투사체를 고속으로 충동하여 금속 표면에 가해지는 충격력을 이용하여 금속 표면에 압축 잔류 응력이 부여하는 장치로, 이와 같이 금속 표면에 가해진 압축잔류응력(Compressed Residual Stress)은 금속에 가해지는 스트레스나 마찰 또는 크랙(Crack) 발생을 억제하는 효과를 갖는다는 점에서 산업체에서 다양하게 이용되고 있다.
한편, 이러한 피닝 장치의 일례로, 투사체로 샷 봇(Shot Ball)을 이용하는 샷 볼(Shot Ball) 피닝 장치는 곡면이나 응력이 집중되는 꺾인 부위 등과 같이 샷 볼이 투사되지 못하는 사각지대가 존재할 수 있고, 투사체로 사용되는 샷 볼(Shot Ball)이 망가짐으로써 처리 금속 표면에 흠을 만드는 문제가 있으며, 이에 물리적인 투사체를 사용하지 않는 새로운 피닝 기술의 개발이 요구되고 있다.
이러한 요구로 인해 최근에는 레이저 샥 피닝(Laser Shock Peening) 기법이 개발되어 사용되고 있지만, 이 또한 레이저라는 빛 에너지를 사용하기 때문에 장비가 주위 환경에 민감한 단점이 있을 뿐만 아니라 처리 시간이 오래 걸리는 한계가 있다.
종래의 기술을 보면, 일본이나 미국에서는 이러한 한계의 극복을 위해 유체를 이용하여 금속 표면에 단조 처리를 하는 기술인 워터 제트 캐비테이션 피닝(Waterjet Cavitation Peening) 노즐이 개발이 되어 사용되고 있다. 이 기술은 처리 대상 물체를 물 속에 잠긴 상태로 워터 제트를 처리 대상 물체 표면에 분사하여 다량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)이 터지면서 발생되는 충격파로 인해 단조 작업을 수행하는 것이 특징이다. 이러한 기술은 물 속에서 이뤄지기 때문에 사용에 제약이 있어서, 공기 중에서 물을 분사해서 캐비테이션 버블을 만드는 기술이 개발이 되어 사용되고 있다.
미국 특허 US2012-0222744호는 노즐 중심부에 다수의 작은 구멍(Micro Hole)을 가진 다이어프램(Diaphragm)을 통해 유체가 이동하면서 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)이 발생하는 구조이며, 미국 특허 US7762715호는 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 만들기 위해 콘 형태의(Cone Type) 삽입체(Insert)와 꼬인 형태의 안내판(Spiral Guide) 그리고 다수의 유체 흐름 길(Jet Path)를 만들어서 사용하고 있다.
또한, 미국 특허 US8297540호나 유럽 특허 EP2529843호는 유체의 주류(Main Stream)와 주류와는 별도의 유로인 역 유체 흐름(Reverse Flow Stream)을 만들어서, 이들이 서로 만나면서 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 만드는 구조를 가진 노즐이며, 미국 특허 US6279611호는 유체의 주류(Main Stream)와 밴츄리(Venturi) 관을 연결해서 주류와 밴츄리 관을 통해서 들어오는 유체가 만난 후, 깔대기를 통해 유체가 섞이게 하고, 다수의 핀(Pin)을 통과하면서 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble) 생성하는 노즐을 개발하여 사용하고 있다.
그러나, 종래의 노즐 장치들은 고압과 저압 유체를 발생시키는 펌프를 동시에 사용하기 때문에 고압과 저압 펌프를 조건에 따라서 동시에 제어하는 복잡한 구조로 되어 있으며, 노즐 제작이 복잡하고 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 발생시키는 것에 초점을 맞추고 있기 때문에 효율이 낮으며, 노즐 제작이 어렵고, 비용이 비싸 활용이 제한되고 있다.
미국 특허 US2012-0222744호 미국 특허 US7762715호 미국 특허 US8297540호 유럽 특허 EP2529843호 미국 특허 US6279611호
본 발명의 일 실시예는 하나의 고압 펌프를 이용하여 대량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 형성할 수 있도록 개선된 노즐 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 노즐 장치는 고압 펌프에 의해 유체가 공급되는 유입구를 갖는 노즐 본체; 상기 노즐 본체의 내측 중앙부를 구획하도록 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 분기되며 제1유체로 공급되고, 입구에 비해 출구의 단면적이 감소하도록 형성되어 분사되는 제1유체의 압력을 증가하여 분사하는 제1유로부; 및 상기 노즐 본체와 상기 제1유로부 사이에 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 분기되며 제2유체로 공급되고, 상기 제1유로부에서 분사되는 상대적으로 고압인 제1유체로 제2유체가 빨려들어가며 캐비테이션 버블을 형성하는 제2유로부;를 포함한다.
또한, 상기 제1유로부와 상기 제2유로부의 입구의 면적비는 4~6:1이고, 상기 제1유로부의 출구와 입구의 면적비는 1~2:10이며, 상기 제2유로부의 입구와 출구의 단면적은 일정하게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 노즐 장치는 고압 펌프에 의해 유체가 공급되는 유입구를 갖는 노즐 본체; 상기 노즐 본체의 내측 중앙부를 구획하도록 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 공급되고, 입구에 비해 출구의 단면적이 감소하도록 형성되어 분사되는 제1유체의 압력을 증가하여 분사하는 제1유로부; 및 상기 노즐 본체와 상기 제1유로부 사이에 형성되어 일측에 상기 제1유로부에서 분사되는 제1유체와의 압력차를 이용하여 유체를 공급하는 유체유도부가 연결되고, 상기 제1유로부에서 분사되는 상대적으로 고압인 제1유체로 상기 유체유도부에서 유입된 제2유체가 빨려들어가며 캐비테이션 버블을 형성하는 제2유로부;를 포함한다.
여기서, 상기 제1유로부와 상기 제2유로부의 입구의 면적비는 4~6:1이고, 상기 제1유로부의 출구와 입구의 면적비는 2~5:10이며, 상기 제2유로부의 입구와 출구의 단면적은 일정하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa인 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐 장치의 출구는 원형, 타원형 또는 슬릿형일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 피닝 장치는 유체가 저장되는 저장탱크; 전술된 노즐 장치; 상기 저장탱크의 유체를 상기 노즐 장치에 공급하도록 고압 펌프가 연결되는 공급부; 및 상기 노즐 장치에서 분사되며 소재를 피닝한 유체가 처리되는 처리조;를 포함한다.
또한, 상기 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa일 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 처리조와 상기 저장탱크 사이에 연결되어, 상기 처리조에 공급되는 유체를 상기 저장탱크로 공급하도록 제공되는 유체회수부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 피닝 장치는 유체가 저장되는 저장탱크; 전술된 노즐 장치; 상기 저장탱크에 각각 연결되어 유체를 상기 노즐 장치의 제1유로부로 공급하도록 고압 펌프가 연결되는 제1공급부와, 유체를 상기 노즐 장치의 제2유로부와 연결되는 유체유도부로 공급하는 제2공급부를 포함하는 공급부; 및 상기 노즐 장치에서 분사되며 소재를 피닝한 유체가 처리되는 처리조;를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 제2공급부에 제공되는 저압 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa일 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 처리조와 상기 저장탱크 사이에 연결되어, 상기 처리조에 공급되는 유체를 상기 저장탱크로 공급하도록 제공되는 유체회수부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 고압 펌프를 사용하여 대량의 캐비테이션 버블을 형성할 수 있어, 구성이 간단하고 효율이 우수할 뿐만 아니라, 노즐 제작이 간단하고, 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치에서 유체가 분사되는 상태를 도시한 단면도.
도 4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치의 분사단면에 따른 압력을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치의 구성도.
도 6의 (a)와 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치에 의한 압축 잔류 응력과 표면 경도를 도시한 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치의 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치의 단면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치의 구성도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치의 구성도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치에서 유체가 분사되는 상태를 도시한 단면도이다. 또한, 도 4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 장치의 분사단면에 따른 압력을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예의 노즐 장치(10)는 외관을 형성하는 노즐 본체(12)를 포함할 수 있다. 노즐 본체(12)에는 유체의 유입을 위한 유입구(14)가 구비될 수 있다. 유입구(14)에는 고압 펌프에 의해 유체가 공급될 수 있으며, 이를 위해 유입구(14)에 고압 펌프가 직접 연결되거나 배관 등의 연결수단을 매개로 고압 펌프(도 5의 124 참조)가 연결될 수 있다.
또한, 노즐 본체(12)는 내부는 중공될 수 있으며, 노즐 본체(12) 내측 중앙부를 구획하도록 형성되어 유입구(14)로 유입된 유체가 분기되어 공급되는 제1유로부(20)가 형성될 수 있다.
제1유로부(20)를 구획하도록 제공되는 격벽부재(16)는 노즐 본체(12)의 내측에서 상부로부터 소정 거리 이격될 수 있고, 노즐 본체(12)의 내주면으로부터 (도시되지 않은) 브래킷 등을 매개로 고정되도록 설치될 수 있다.
제1유로부(20)는 유입구(14)로부터 유입된 유체가 분기되며 공급될 수 있다. 본 실시예에서 제1유로부(20)로 공급되는 유체는 제1유체로 설명한다.
제1유로부(20)는 입구(20a)에 비해 출구(20b)의 단면적이 감소하도록 형성될 수 있다. 이러한 구조에 따라 제1유로부(20)는 입구(20a)로 들어온 제1유체가 출구(20b)를 통해 분사되는 과정에서 단면적이 감소함에 따라 압력이 증가되며 분사될 수 있다.
이러한 구조에서 제1유로부(20)는 입구(20a)에 비해 출구(20b)의 단면적이 감소하기 위해 격벽부재(16)가 출구(20b)측으로 갈수록 좁아지며 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 노즐 본체(12)와 격벽부재(16)에 의해 구획되는 제1유로부(20) 사이에는 제2유로부(25)가 형성될 수 있다.
제2유로부(25)는 유입구(14)로 유입된 유체가 분기되며 공급될 수 있으며, 이러한 유체는 제2유체로 설명한다.
또한, 제2유로부(25)는 입구(25a)와 출구(25b)의 단면적이 일정하게 형성될 수 있다.
이를 위해, 제2유로부(25)는 제1유로부(20)를 구획하는 격벽부재(16)의 경사에 따라 노즐 본체(12)가 경사지게 형성될 수 있으며, 이때 노즐 본체(12)는 격벽부재(16)의 경사진 각도에 비해 완만하게 경사지게 형성됨에 따라 제2유로부(25)의 입구(25a)와 출구(25b)의 단면적이 일정하게 유지할 수 있다.
제2유로부(25)는 입구(25a)와 출구(25b)의 단면적이 일정하게 유지됨에 따라 분사되는 제2유체의 압력 변화가 발생하지 않는다.
또한, 도 3을 참고하면, 제2유로부(25)에서 분사되는 제2유체는 제1유로부(20)에서 제1유체가 상대적으로 고압으로 분사됨에 따라 코안다 효과(Coanda Effect)에 의해 빨려들어가는 힘(F)을 받게 되며, 이에 따라 제2유체에 전단력이 발생하며 제1유체와 혼합될 수 있고, 이 과정에서 다량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)이 형성될 수 있다.
즉, 제1유로부(20)와 제2유로부(25)의 경계면에서, 제1유체는 고압(고속)으로 분사될 수 있으며, 이 과정에서 제2유체가 제1유체에 빨려들어가며 혼합될 수 있다. 또한, 제2유체가 빨려들어가면서 미세한 기포(g)가 형성되고, 분사되는 과정에서 미세 기포(g)가 충분한 크기로 성장하며 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)(B)을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 제1유로부(20)와 제2유로부(25)의 입구(20a, 25a)의 면적비는 4~6:1일 수 있다. 이러한 입구(20a, 25a)의 면적비에 따라 노즐 본체(12)로 공급된 유체는 제1유로부(20)의 제1유체로 4~6만큼 분기되어 공급될 때, 제2유로의 제2유체로 1만큼 분기되어 공급될 수 있다.
한편, 제1유로부(20)는 출구(20b)와 입구(20a)의 면적비가 1~2:10일 수 있다. 여기서, 제1유로부(20)로 공급되는 제1유체의 유량이 일정할 경우, 면적이 감소하면 속도가 증가되며 고압으로 분사될 수 있다(즉, Q=Av, Q는 유량, A는 면적, v는 속도이다.)
바람직하게는 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa일 수 있다.
또한, 본 실시예에서 노즐 장치(10)의 분사단면은 원형인 것으로 설명하고 있으나, 타원형 또는 슬릿형 등으로 변형될 수 있으며, 이때 노즐 장치(10)의 분사단면에 따른 압력은 도 4의 (a) 내지 (d)와 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치의 구성도이다. 또한, 도 6의 (a)와 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치에 의한 압축 잔류 응력과 표면 경도를 도시한 그래프이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예의 피닝 장치(100)는 저장탱크(110)와, 노즐 장치(10), 공급부(120), 처리조(130)를 포함할 수 있다.
저장탱크(110)는 유체가 저장될 수 있으며, 이 유체를 공급부(120)를 매개로 노즐 장치(10)로 공급할 수 있다.
공급부(120)는 저장탱크와 노즐 장치(10) 사이를 연결하는 배관(122)을 포함할 수 있고, 이 배관(122)의 일측에는 유체를 고압으로 공급하기 위한 고압 펌프(124)가 연결될 수 있다.
노즐 장치(10)는 제1유로부(20)와 제2유로부(25)를 통해 고압인 제1유체와, 상대적으로 저압인 제2유체를 혼합하여 분사할 수 있고, 이때 분사되는 다량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 포함한 상태로 피닝 처리가 필요한 소재(P), 예컨대 금속 표면으로 분사될 수 있다.
이 과정에서 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 포함하는 유체가 금속 표면에 가해지는 충격에 의해 압축 잔류 응력이 발생할 수 있다.
이때, 금속에 발생하는 압축 잔류 응력 및 표면 경도는 도 6의 (a), (b)와 같이 깊이에 따라 다르게 발생할 수 있다.
이와 같이 금속 표면에 가해진 압축잔류응력(Compressed Residual Stress)은 금속에 가해지는 스트레스나 마찰 또는 크랙(Crack) 발생을 방지할 수 있으며, 유체가 접촉시 (-)값의 압축잔류응력을 갖게 되며, 소정의 깊이 이후에는 (+)값의 압축잔류응력이 발생하는 사이클을 반복하게 된다. 한편, 금속 표면은 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)과 접촉하는 표면에서는 높을 수 있으나, 깊이에 따라 영향을 덜 받을 수 있다.
또한, 본 실시예에서 소재에 분사되어 피닝 처리한 유체는 처리조(130)에서 처리될 수 있다. 처리조(130)는 유체를 저장하여 별도의 처리시설로 공급하여 폐수처리할 수 있다.
바람직하게는 처리조(130)와 저장탱크(110) 사이에는 유체회수부(140)가 연결될 수 있다. 유체회수부(140)는 처리조(130)에 공급되는 유체를 저장탱크(110)로 공급할 수 있다. 예컨대, 유체회수부(140)는 배관(142) 등을 포함할 수 있다.
한편, 처리조(130)는 저장탱크(110)보다 높은 위치에 위치될 수 있으며, 이에 유체의 압력에 의해 처리조(130)에 저장된 유체가 저장탱크(110)로 공급될 수 있다.
또한, 유체회수부(140)는 배관(142)의 일측에 (도시되지 않은) 펌프가 연결될 수 있으며, 이에 따라 처리조(130)가 저장탱크(110) 보다 낮은 위치에 위치되더라도 효과적으로 유체를 저장탱크(110)로 공급할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 노즐 장치(10)는 하나의 고압 펌프(124)에 의해 공급되는 유체가 노즐 장치(10)로 공급되어 제1유로부(20)와 제2유로부(25)로 분기되는 것으로 설명하고 있으나, 노즐 장치(10)는 다양한 형태로 변형될 수 있다.
예컨대, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치의 단면도이다.
도 7을 참고하면, 본 실시예의 노즐 장치(50)는 외관을 형성하는 노즐 본체(52)를 포함할 수 있다. 노즐 본체(52)에는 유체의 유입을 위한 유입구(54)가 구비될 수 있다. 유입구(54)에는 고압 펌프(도 9의 224 참조)에 의해 유체가 공급될 수 있으며, 이를 위해 유입구(54)에 고압 펌프가 직접 연결되거나 배관 등의 연결수단을 매개로 고압 펌프가 연결될 수 있다.
또한, 노즐 본체(52)는 내부는 중공될 수 있으며, 노즐 본체(52) 내측 중앙부에는 유입구(54)로 유입된 유체가 공급되는 제1유로부(60)가 격벽부재(56)에 의해 구획되도록 형성될 수 있다.
제1유로부(60)는 입구(60a)에 비해 출구(60b)의 단면적이 감소하도록 형성될 수 있다. 이러한 구조에 따라 제1유로부(60)는 입구(60a)로 들어온 제1유체가 출구(60b)를 통해 분사되는 과정에서 단면적이 감소함에 따라 압력이 증가되며 분사될 수 있다.
이러한 구조에서 제1유로부(60)는 입구(60a)에 비해 출구(60b)의 단면적이 감소하기 위해 격벽부재(56)가 출구(60b)측으로 갈수록 좁아지도록 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 노즐 본체(52)에는 격벽부재(56)에 의해 구획되는 외측에 제2유로부(65)가 형성될 수 있다. 또한, 노즐 본체(52)의 일측에는 제1유로부(60)에서 분사되는 제1유체와의 압력차에 의해 제2유로부(65)로 유체를 공급하는 유체유도부(70)가 연결될 수 있다. 제1유로부(60)에서 상대적으로 고압인 유체가 분사되면, 제2유로부(65)에는 압력이 낮아지게 되고, 이에 베르누이 효과에 의해 유체유도부(70)를 통해 유체, 즉 제2유체가 유입될 수 있다.
한편, 제2유로부(65)는 유체유도부(70)와 연결되는 입구(65a)와 출구(65b)의 단면적이 일정하게 형성될 수 있다.
이를 위해, 제2유로부(65)는 제1유로부(60)와 구획하는 격벽부재(56)의 경사에 따라 노즐 본체(52)가 경사지게 형성될 수 있으며, 이때 노즐 본체(52)는 격벽부재(56)의 경사진 각도에 비해 완만하게 경사지게 형성됨에 따라 제2유로부(65)의 입구(65a)와 출구(65b)의 단면적이 일정하게 유지할 수 있다.
제2유로부(65)는 입구(65a)와 출구(65b)의 단면적이 일정하게 유지됨에 따라 분사되는 제2유체의 압력 변화가 발생하지 않는다.
또한, 제2유로부(65)에서 분사되는 제2유체는 제1유로부(60)에서 제1유체가 상대적으로 고압으로 분사됨에 따라 코안다 효과(Coanda Effect)에 의해 빨려들어가는 힘을 받게 되며, 이에 따라 제2유체에 전단력이 발생하며 제1유체와 혼합될 수 있고, 이 과정에서 다량의 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)이 형성될 수 있다.
즉, 제1유로부(60)와 제2유로부(65)의 경계면에서, 제1유체는 고압(고속)으로 분사될 수 있으며, 이 과정에서 제2유체가 제1유체에 빨려들어가며 혼합될 수 있다. 또한, 제2유체가 빨려들어가면서 미세한 기포가 형성되고, 분사되는 과정에서 미세 기포가 충분한 크기로 성장하며 캐비테이션 버블(Cavitation Bubble)을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 제1유로부(60)와 제2유로부(65)의 입구(60a, 65a)의 면적비는 4~6:1일 수 있다. 이러한 입구(60a, 65a)의 면적비에 따라 노즐 본체(52)로 공급된 유체는 제1유로부(60)의 제1유체로 4~6만큼 분기되어 공급될 때, 제2유로의 제2유체로 1만큼 분기되어 공급될 수 있다.
여기서, 제1유로부(60)는 출구(60b)와 입구(60a)의 면적비가 2~5:10일 수 있다. 제1유로부(60)로 공급되는 제1유체의 유량이 일정할 경우, 면적이 감소하면 속도가 증가되며 고압으로 분사될 수 있다(즉, Q=Av, Q는 유량, A는 면적, v는 속도이다.)
바람직하게는 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa일 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치를 포함하는 피닝 장치의 구성도이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예의 피닝 장치는 저장탱크(210)와, 노즐 장치(50), 공급부(220), 처리조(230)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 저장탱크(210)는 노즐 장치(50)로 공급할 유체가 저장될 수 있다.
또한, 공급부(220)는 저장탱크(210)에 연결되어 유체를 노즐 장치(50)의 제1유로부(60)로 공급하는 제1공급부(222)를 포함할 수 있다. 제1공급부(222)는 배관(223)을 매개로 저장탱크(210)와 제1유로부(60) 사이를 연결할 수 있으며, 배관(223)의 일측에는 유체를 고압으로 공급하기 위한 고압 펌프(224)가 연결될 수 있다.
또한, 공급부(220)는 노즐 장치(50)의 제2유로부(65)와 연결되는 유체유도부(70)로 유체를 공급하는 제2공급부(226)를 포함할 수 있다. 제2공급부(226)는 배관(227)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 공급부(220)는 제1공급부(222)에 의해 고압의 유체, 즉 제1유체를 노즐 장치(50)의 제1유로부(60)로 공급할 수 있고, 제2공급부(226)에 의해 유체유도부(70)를 매개로 제2유로부(65)로 유체, 즉 제1유체에 비해 상대적으로 저압인 제2유체를 공급할 수 있다.
노즐 장치(50)는 제1유로부(60)와 제2유로부(65)를 통해 고압인 제1유체와, 상대적으로 저압인 제2유체를 혼합하여 분사할 수 있고, 이때 분사되는 다량의 캐비테이션 버블을 포함한 상태로 피닝 처리가 필요한 소재(P), 예컨대 금속 표면으로 분사될 수 있다.
이 과정에서 캐비테이션 버블을 포함하는 유체가 금속 표면에 가해지는 충격에 의해 압축 잔류 응력이 발생할 수 있다.
이와 같이 금속 표면에 가해진 압축잔류응력(Compressed Residual Stress)은 금속에 가해지는 스트레스나 마찰 또는 크랙(Crack) 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 소재에 분사되어 피닝 처리한 유체는 처리조(230)에서 처리될 수 있다. 처리조(230)는 유체를 저장하여 별도의 처리시설로 공급하여 폐수처리할 수 있다.
바람직하게는 처리조(230)와 저장탱크(210) 사이에는 유체회수부(240)가 연결될 수 있다. 유체회수부(240)는 처리조(230)에 공급되는 유체를 저장탱크(210)로 공급할 수 있다. 예컨대, 유체회수부(240)는 배관(242) 등을 포함할 수 있다.
한편, 처리조(230)는 저장탱크(210) 보다 높은 위치에 위치될 수 있으며, 이에 유체의 압력에 의해 처리조(230)에 저장된 유체가 저장탱크(210)로 공급될 수 있다.
또한, 유체회수부(240)는 배관의 일측에 펌프가 연결될 수 있으며, 이에 따라 처리조(230)가 저장탱크(210) 보다 낮은 위치에 위치되더라도 효과적으로 유체를 저장탱크(210)로 공급할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 노즐 장치(50) 및 이를 포함하는 피닝 장치는, 하나의 고압 펌프(224)만을 사용하여 고압의 유체를 공급하고, 제1유로부(60)를 통해 분사되는 고압의 유체, 즉 제1유체와의 압력 차이를 이용하여 저압의 유체, 즉 제2유체를 제2유로부(65)로 공급하는 것으로 설명하고 있으나, 이외에도 다양한 형태로 변형될 수 있다.
일례로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 장치(50)를 포함하는 피닝 장치(200')의 구성도인 도 10에 도시된 바와 같이, 제2유로부(65)의 유체유도부(70)로 유체를 공급하는 제2공급부(226)는 저장탱크(210)와 노즐 장치(50)의 유체유도부(70)를 연결하는 배관(227)을 포함할 수 있고, 이 배관(227)에는 유체, 즉 제2유체의 공급을 위한 저압 펌프(228)가 더 제공되는 것도 가능하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10: 노즐 장치 12: 노즐 본체
14: 유입구 16: 격벽부재
20: 제1유로부 25: 제2유로부
100: 피닝 장치 110: 저장탱크
120: 공급부 122: 배관
124: 고압 펌프 130: 처리조
140: 유체회수부 142: 배관

Claims (13)

  1. 고압 펌프에 의해 유체가 공급되는 유입구를 갖는 노즐 본체;
    상기 노즐 본체의 내측 중앙부를 구획하도록 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 분기되며 제1유체로 공급되고, 입구에 비해 출구의 단면적이 감소하도록 형성되어 분사되는 제1유체의 압력을 증가하여 분사하는 제1유로부; 및
    상기 노즐 본체와 상기 제1유로부 사이에 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 분기되며 제2유체로 공급되고, 상기 제1유로부에서 분사되는 상대적으로 고압인 제1유체로 제2유체가 빨려들어가며 캐비테이션 버블을 형성하는 제2유로부;
    를 포함하는 노즐 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유로부와 상기 제2유로부의 입구의 면적비는 4~6:1이고,
    상기 제1유로부의 출구와 입구의 면적비는 1~2:10이며,
    상기 제2유로부의 입구와 출구의 단면적은 일정하게 형성되는 노즐 장치.
  3. 고압 펌프에 의해 유체가 공급되는 유입구를 갖는 노즐 본체;
    상기 노즐 본체의 내측 중앙부를 구획하도록 형성되어 상기 유입구로 유입된 유체가 공급되고, 입구에 비해 출구의 단면적이 감소하도록 형성되어 분사되는 제1유체의 압력을 증가하여 분사하는 제1유로부; 및
    상기 노즐 본체와 상기 제1유로부 사이에 형성되어 일측에 상기 제1유로부에서 분사되는 제1유체와의 압력차를 이용하여 유체를 공급하는 유체유도부가 연결되고, 상기 제1유로부에서 분사되는 상대적으로 고압인 제1유체로 상기 유체유도부에서 유입된 제2유체가 빨려들어가며 캐비테이션 버블을 형성하는 제2유로부;
    를 포함하는 노즐 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1유로부와 상기 제2유로부의 입구의 면적비는 4~6:1이고,
    상기 제1유로부의 출구와 입구의 면적비는 2~5:10이며,
    상기 제2유로부의 입구와 출구의 단면적은 일정하게 형성되는 노즐 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa인 노즐 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 장치의 출구는 원형, 타원형 또는 슬릿형인 노즐 장치.
  7. 유체가 저장되는 저장탱크;
    청구항 1 또는 청구항 2에 따른 노즐 장치;
    상기 저장탱크의 유체를 상기 노즐 장치에 공급하도록 고압 펌프가 연결되는 공급부; 및
    상기 노즐 장치에서 분사되며 소재를 피닝한 유체가 처리되는 처리조;
    를 포함하는 피닝 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa인 피닝 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 처리조와 상기 저장탱크 사이에 연결되어, 상기 처리조에 공급되는 유체를 상기 저장탱크로 공급하도록 제공되는 유체회수부를 더 포함하는 피닝 장치.
  10. 유체가 저장되는 저장탱크;
    청구항 3 또는 청구항 4에 따른 노즐 장치;
    상기 저장탱크에 각각 연결되어 유체를 상기 노즐 장치의 제1유로부로 공급하도록 고압 펌프가 연결되는 제1공급부와, 유체를 상기 노즐 장치의 제2유로부와 연결되는 유체유도부로 공급하는 제2공급부를 포함하는 공급부; 및
    상기 노즐 장치에서 분사되며 소재를 피닝한 유체가 처리되는 처리조;
    를 포함하는 피닝 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2공급부에 제공되는 저압 펌프를 더 포함하는 피닝 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 고압 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력은 20 내지 150MPa인 피닝 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 처리조와 상기 저장탱크 사이에 연결되어, 상기 처리조에 공급되는 유체를 상기 저장탱크로 공급하도록 제공되는 유체회수부를 더 포함하는 피닝 장치.
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