KR830002177B1 - 초음파 연료 분무기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

초음파 연료 분무기

제1도는 본 발명에 의한 분무용 변환기의 부분 측면도.

제2도는 제1도에 예시한 플랜지 팁(flonged tip)이 있는 탐침부분의 측면 확대도.

제3도는 본 발명에 의한 증폭탐침의 거리와 세로 진폭의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명은 초음파 변환장치, 특히 초음파 연료분무기에 관한 것으로서 1979년 5월 8일자로 공고된 본 발명인들의 미국특허 제4,153,201호에 상술된 형식의 분무기를 개량한 것이다.

위의 특허출원에서도 지적된 바와같이 탐침형 전기기계식 초음파 변환기의 분무효율은 플랜지 형태의 탐침에 확대 직경을 가진 팁을 구성하여 주므로서 개량할 수 있으며, 플랜지가 달린 분무 표면의 기하학적인 윤곽을 형성해 주므로서 분무와 관련된 형식과 밀도에 영향을 주도록 할 수 있는 것이다. 예를 들자면 탐침축에 수직인 평면을 구성하므로서 특수한 형식과 밀도를 나타내게 되는 것이다.만일 표면이 블록면이면 평면에서보다 분무 형식은 폭이 보다 넓어지게되고, 단위 면적당 훨씬 적은 갯수의 분무입자를 만들게 된다. 오목면이 되면 분무 형식의 폭이 좁아지고 입자의 밀도가 평면의 경우보다 훨씬 많아진다.

이러한 형식의 초음파 변환기를 연료 버어너에서 분무기로 사용함에 있어서 대개 꼭지점의 각도가 60°정도인 광각(廣角)원추형의 분무가 되게 할 필요가 흔히 있게 된다. 구형(球形)의 블록 분무면이 있는 분무기는 이러한 분무 형식을 나타내는데 완전히 만족하지 못함이 확인되고 있다. 실험 결과를 보면 예측한 각도의 절반 정도가 되는 분무 각도밖에 나타나지 않는 것이다. 더욱이 구형의 블록 분무면을 가진 플렌지식 변환기팁은 연료를 분무하는데 필요한 동력의 소모가 많아서 작동하기가 극히 어렵다는 것이 입증되었다.

이러한 불안정한 조작은 주거용 또는 산업용 오일버어너에 사용되는 연료 분무기에 대해서는 용납될 수 없는 것이다.

한편으로는 평면식 분무면을 가진 플렌지팁이 구성된 변환기가 안정하고도 효율적으로 작동을 하지만 평면식 분무면으로 인하여 나타나는 분무형식은 그 폭이 넓지 않기 때문에 흡입되는 공기와의 혼합이 적절히 되지 못할 뿐더러 종래의 고압노즐식 연료 버어너에서 양호한 화염이 형성되지 않는 것이다.

따라서 본 발명의 주목적은 일정한 원추각을 가진 안정된 준 고정식 원추형 분무 형식을 형성하며 거의 전체 분무면으로 부터 분무되는 입자가 균일히 분산되게 할 수 있는 분무 표면을 가진 초음파 분무를 제조함에 있다. 구동장치와, 이 구동장치에 연결되며 탐침의 외부 끝에 분무면이 있는 증폭 탐침을 가진 초음파 유각부(有角部) 및, 분무면에 액체를 공급하는 장치를 구성함에 있어서, 분무기에 미리 설정된 분무각의 보각과 같은 꼭지각을 가진 원추식 모양의 분무면을 구성하여 개량한 초음파 분무기를 사용하여, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 것이다.

원추식 분무면은 탐침의 직경보다 큰 직경을 가진 플렌지면을 형성하고, 탐침을 축방향으로 통과하며 변환기의 진동 파절면에 위치한 방사상의 공급통로와 교차하는 통로를 통하여 분무될 액체를 공급하도록 되어 있다. 직경이 축소된 탐침과 플렌지팁 부분의 결합 길이는 작동 주파수에 대한 변환기의 재질에서의 이론적인 4분의 1파장보다 작아야 하며, 탐침과 팁간의 상대적인 길이는 이들의 각 직경에 기초하여 결정하므로서 분무면에서의 진폭을 최대가 되게 해야 한다. 기본 파동 방정식에 대하여 계산을 하여 얻은 탐침과 팁의 길이를 적당하게 하면, 원추식 플렌지팁의 진폭을 단순한 원통식 탐침에서 얻게되는 최대 진폭의 97%정도와 동일하게 하여 얻을 수 있고, 이렇게 되므로서 불필요하게 상실되는 진폭이 거의 없이 분무면이 크게되는 것이다.

본 발명을 첨부된 도면에 따라 상술하기로 한다.

제1도에서 초음파 전기기계식, 변환기(11)는 앞쪽 분무 부분(15)과 뒤쪽 균형 부분(16)사이에 있는 압전식(壓電式)디스크(13, 14)사이에 삽입된 전극 디스크(12)로 구성되어 있다. 앞족 및 뒷쪽 부분에는 각각 고정용 플렌지(17, 18)가 구성되어 있고, 환상의 밀폐링(20, 21) 및 전극 디스크(12)에 있는 고정용 플렌지(17, 18)의 구멍속으로 알렌헤드(allen head)나사 또는 마개나사(19)를 삽입하여 고정판(22)의 구멍속으로 돌려넣어 주므로서 이 변환기(11)를 고정시키게 된다.

장치가 단락되지 않게하기 위해서 플랜지가 달린 절연 슬리이브(23)로 나사(19)를 둘러싸주어 전극 디스크의 구멍속을 통과하게 한다. 전극 디스크의 꼭지에 있는 단자(24)는 종래의 설레로된초음파 주파수 전원장치(26)에서 오는 케이블(25)을 고정한다. 고정판(22)은 연료 버어너 같은 전기적으로 접지된장치에 부착되거나 그 일부이므로, 전극 디스크 이외의 다른 장치의 금속 부분도 접지시켜주어, 전원장치의 접지연결부분을 통하여 복귀 통로가 되게 한다. 따라서 일정한 초음파 주파수의 교류 전압이 전극디스크와 앞 뒤쪽 변환기 부분사이에 있는 두개의 압전요소를 통해 나타나게 된다.

변환기의 앞쪽 분무 부분(15)에는 플랜지(17)에서 방사상의 송출통로와 교차하는 방사상의 유입 통로(27)가 포함되어 있어서 이것이 앞쪽부분을 통하여 분무면(29)의 중심에 있는 구멍쪽으로 통하여 있다.

연료 저장탱크(31) 같은 액체 공급 장치에서 나오는 공급관(30)은 통로(27)입구에 붙어 있는 짧은 관(32)이나 기타 종래의 결합장치에 의해 방사상의 유입통로에 연결된다.

기능면에서 본다면 변환기(11)는 대칭형의 이중 균형 초음파 구동기(I)와 진동증폭기(Ⅱ)로 되어 있다. 구동기에는 전극디스크(12), 두개의압전요소(13, 14), 뒤쪽 균형부분(16) 및 이것과 동일한 치수를 가진 앞쪽 분무부분(15)에 있는 요소(33)로 구성되어 있다. 따라서 앞쪽 분무부분(15)에 있는 요소(33)는 뒤쪽 균형 부분과 조화되게끔 앞쪽 균형부분을 형성한다.

앞쪽 분무부분(15)의 나머지는 진동증폭기(Ⅱ)를 형성하며 여기에는 길이가 A이고 요소(33)와 동일한 직경을 가진 1차 원통형 요소(34)와 길이가 B이고 요소(34)의 직경보다 작은 직경을 가진 탐침형태의 2차 원통형 요소(35) 및 길이가 C이며 요소(34)의 직경보다 상당히 작지만 탐침의 직경보다 큰 직경을 가진 플렌지팁 형태의 3차 요소(36)가 있다. 송출 통로(28)의 내부는 증폭기 부분(Ⅱ)에 상응하는 유출구 속에서 초음파 주파수를 감쇠시키는 특성이 있는 재질로 된 감결합 슬리이브(37)로 내장되어 있다. 폴리테트라플로오로에틸렌은 탄화수소 연료는 물론이고 분무용 기타 액체의 영향을 받지 않기 때문에 적합한 재료이다.

진동증폭기(Ⅱ)가 앞쪽 분무부분의 일부를 구성하고 있더라도 가장 양호한 성능을 발휘하기 위해서는 변환장치를 2단계로 설계할 필요가 있다. 1단계에서는 최종 변환장치의 구동부분(I), 즉 세로 방향의 대칭적인 2중 균형변환기와 동일한 시운전 변환기로 구성한다.

이 시운전 변환기의 길이는 실험적으로 선택된 작동주파수 f에서 다음식으로부터 구해진 파장λ의 반과 동일하게 한다.

λ=c/f,

위의 식에서 C는 앞뒤쪽 부분에 대해 선택한 재료에서의 소리 전파속도이다. 이 재료는 소리전도 특성이 좋아야 한다. 이러한 재료로서 적합한 것으로는 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 및 이들의 합금(예 : Ti-6Al-4V티타늄-알루미늄 합금, 6061-T6알루미늄 합금, 7025고강도 알루미늄합금, Az 61마그네슘 합금)이 있지만 다른 것도 사용할 수 있다.

시운전 변환기를 시험하여 실질적인 공진주파수를 결정한다. 계산된 길이는 앞뒤쪽 변환기의 재질로 된 직경이 균일한 원통중에서의 순수한 세로 방향의 진도에 대해 계산한 것이므로 플렌지, 지지판, 고정나사, 전극디스크와 압전요소의 각각 상이한 재료, 밀폐링, 파질이 아닌곳에 고정되어 있는 요소사이에 불완전한 결합면, 연료 공급선 결합부와 통로 및 이론적인 모델과는 틀리는 기타 문제점등이 미치는 영향은 무시되어 있다. 이러한 영향은 분석평가 하기에는 어렵고 또한 거의 불가능한 것이지만, 서로 누적되어 이론적인 공진주파수로 부터 상당한 양만큼 이중균형 변환기의 실제 공진주파수를 이동시키게 된다. 실험적으로 측정된 공진주파수를 분무기의 작동주파수로 사용하므로서 최적 효율로 작동을 할 수 있는 균형잡힌 구동 부분을 구비하게 된다.

계획되어 있는 적용예에 근거해서 더욱 자세히 계산하면 이중균형 구동기의 실제 공진 주파수에 보다 근접한 예측을 할 수 있는데, 그러자면 각각 4분의 1파장인 앞뒤쪽 부분이 압전요소, 플렌지 및 작은 직경 부분에 각각 대응해서 직경, 밀도 및 소리전파 속동 등의 서로 다른 세개의 원통형 부분으로 구성되어 있는 점들을 고려해야 한다.

주어진 압전 요소와 플렌지 치수를 사용하여, 전극 끝을 파절면에 있게하고(0변위)균형부분의 다른쪽 끝을 파복(波腹)에 있게 하는(0스트레스)조건에 대해 공지의 미분 파동 방정식을 풀면 축소 직경 부분의 길이를 알 수 있다.

2단계에 있어서 새로운 앞쪽 분무부분을 만드는데, 길이 A와 길이 B+C각각이 1단계에서 결정한 실험적인 작동주파수의 4분의 1파장이 되게끔 계산하여 계단식 증복부분을 포함시킨다. 증폭 부분은 단일의 균질재료로 되어 있고 단순한 기하학적인 형태를 하므로, 파동 방정식을 풀므로서 결정된 길이 A, B, C가 계산에서 사용된 작동 주파수와 매우 근사한 고유 주파수를 이 부분에 부여하게 된다. 다시 말하자면 변환기를 실험에 의해서만 정확히 측정이 되는 공전주파수를 가진 균형된 구동기부분(I)과, 곤란한 점이 없이 이론적으로 정확히 예측이되는 공전주파수를 가진 증폭기 부분으로분 리하므로서, 최적 효율을 가지고서 작동이 가능하며 조합된 구동기와 증폭부분이 갖추어진 완전한 분무용 변환기를 설계할 수 있는 것이다.

앞에 나온바 있는 변환기 설계방법은 미국특허 제 4,153, 201호에 상술되어 있는데, 이 특허에 의하면 증폭탄침의 끝이 분무용 플렌지팁을 사용하는 것이 바람직하며 가장 양호한 결과를 얻자면 탐침과 플렌지팁의 결합길이(B+C)가 증폭부분의 큰 직경부분의 길이 A보다 작아야 한다고 상술되어 있다. 여기에 대한 이유로서는 플렌지팁을 구성하므로서 최대 진폭을 가진 평면의 위치를 확대팁이 없는 평탐침과 비교하여 상당한 만큼 이동 시키는 질량하중을 탐침의 끝에 가하게 되기 때문이다.

본 발명인들에 의한 위의 특허에 있어서 탐침축에 수직인 평면상 분무면을 구성하는 것이 좋다고 했는데, 그 이유는 만일팁이 변환기의 작동주파수에서 고정이 된다면 동일 진폭을 가지고서 표면의 모든 부분이 진동을 하기 때문이다. 이와 동시에 원형의 블록 분무면을, 분무입자가 고르고 폭넓게 분산될 필요가 있는 경우에 사용해야 한다고 제시하고 있다. 그러나 위에서도 나온 바와 같이 이렇나 볼록 분무면에 대한 실험을 계속해 본 결과 만족한 점이 결여되어 있음을 발견한 것이다.

작동 조건하에서 볼록분무면을 면밀히 관찰한 결과 분무면이 탐침축에 대해 거의 수직인 액체 송출통로의 출구에 바로 인접한 환상 부분에 유체분무가 국한 되었다는 것을 알 수 있었다. 볼록 분무면이 수직평면과 큰 각을 점차 이루게 되는 방사상 외측부분에서는 액체가 극히 소량만이 분무되고 있었다. 이들 결과로부터 알 수 있는 것은 액체로 넓은 각도로 분무하기에는 각을 가진 평면이 효과가 없다는 점이다.

그러나 본 발명에 의한 원추형 분무면을 형성하여 실험해 본 결과 우수한 성능을 나타냄을 발견한 것이다. 실험에서 나타난 점으로서는 전체원추형 표면에서 액체가 분무되고 분무 방향이 원추면에 거의 수직이라는 것이다. 따라서 꼭지각의 보각을 가진 원추형 분무면을 선정하므로서 필요로 하는 분무 꼭지각을 얻을 수 있다. 예를들자면 꼭지각이 120°인 원추형 분무면을 사용하면 꼭지각이 60°인 거의 원추형 무분형식을 나타내게 된다.

제2도는 제1도에 예시된 변환기의 증폭부분의 바깥끝의 측면도인데 이것은 본 발명에 의한 프러스토-원추형(frusto conical)분무용 플렌지팁을 확대한 도면이다. 평면형 분무면의 경우에서와 같이 플렌지팁을 하여주면 분무면적이 크게 되므로 결과가 개선된다. 이것은 플렌지가 강체이어야 한다는 사실과 아울러 중요하다.

따라서 프러스토-원추형 면(29)의 바깥끝을 짧은 원통형 기초부분(28)으로 지지시켜 주어야 한다. 이 기초 부분의 길이는, 주어진 직경과 원추의 각도에 대한 플렌지팁의 질량을 최소로할 필요가 있기 때문에, 분무면이 변환기의 작동 주파수에서 굴곡이 되지 않고 균일하게 진동이 될 수 있도록 소요의 강성만 충분히 제공하는 정도여야 한다.

탐침과 팁의 전반적인 길이가 분무면요 진폭에 큰 영향을 미치기때문에, 극히 중의한 점으로서는 탐침(35)의 길이 B와 팁(36)의 길이 C를 될 수 있는한 정확하게 결정해야 한다는 것이다. 평면형인 플렌지팁탐침의 경우에서 미분 파동 방정식의 경계 조건이 단순하며 답을 얻기가 비교적 용이하다. 평면형의 분무면을 가진 원통형 플렌지팁이 있는 플렌지팁 탐침에 있어서 길이 B와 C사이의 관계는 다음과 같이 해석적으로 결정된다.

(tan kB)/(tan kC)=S₁/S₂,

단, k=2πf/c

s₁=탐침의 단면적

s₂=플랜지의 단면적

원추형팁의 해석적인 풀이는 원통형팁의 경우보다 상당히 더 복잡한데, 그 이유는 팁의 직경이 길이에 대해 일정하기 않기 때문이다. 원추형팁을 개념적으로 "등가의" 원통형으로 대체하는 가정으로 원통형팁 방정식을 사용하여 작동이 원추형팁 분무기를 설계하고자해도 성공적으로 되지 않는다. 이러한 접근법에 대한 근본 이유는 탐침과 팁의 상대적인 질량이 각각의 세로 방향의 치수에 미치는 가장 중요한 인자로 작용하기 때문이다. 따라서 "등가의"원통형팁과 동일한 질량을 가진 원추형팁은 동등한 진폭을 가져야 한다. 그럼에도 불구하고 이러한 증폭 가정에 입각한 치수를 가진 원추형팁 분무기는 만족할만한 분무가 되지 않았다. 구형(球形)의 볼록팁이 있는 변환기에 대해 앞서나온 실험을 해본데서 얻은 마찬가지의 불만족스러운 결과를 생각해 볼때, 위에서 얻은 결과는 각을 가진면이 만족스런 분무작용을 할 수 없는지도 모른다는 의심을 준다.

그러나 정확한 해석을 하여 얻은 정확한 치수의 원추형팁을 가진 분무기를 사용한 결과 분무가 양호하게 되었다. 이것은 치수가 약간만 변해도 원추형 분무면의 경우에서 분무기의 성농에 미치는 영향이 크다는 것을 의미하는 것이다.

프러스토-원추형 분무면이 구성될 플렌지팁을 가진 4분의 1파장 증폭 탐침부분의 세가지 구성요소의 치수를 적절히 하여 주기위해 사용한 해석방법에 대해 상술하기로 한다.

제3도에서는 제2도에 예시된 증폭부분의 프러스토-원추형팁과 직격이 감소된 탐침을 표준화시킨 진포과 축 거리간의 상관도표와 함께 그려 거의 제규모로 재현시킨 것이다. 좌표 x는 축방향의 위치이고 r은 방사방향의 위치이다. 탐침의 세가지 주요요소 사이에 경계면은 각각 x₁, x₂, 및 x₃이다. 변환기의 나머지 부분과작은 직경의 탐침사이의 계단부분이 0에 있고 프러스토-원추형팁의 돌출된 꼭지는 x₄에 있다.

단일주파수 f에서의 고체 매질중에서 세로파(縱波(의전파에 대한 시간에 무관한 방정식은 다음식(1)과 같다.

위의 식에서 ni은 i째 영역(i=0,1,2,)에서 평형점으로 부터의 변위(진동 진폭과 같음)이며, 위치 x의 함수이고, Ai(x)는 x의 함수로서 각 영역에서의 단면적이며 k는 파수(波收)로서 매체중에서 소리의 전파속도 c와 파동의 주파수 f와의 관계로 나타내며, 즉 k=2πf/c이다.

식(1)은 다음과 같은 조건하에서는 타당성을 가진다. 즉,

(가) 정현파 특성을 가진 단일주파수의 파형이 있을 것.

(나) 선정된 주파수에 대한 4분의 1파장보다 작은 가로 방향의 치수를 가질 것.

(다) 탄성 선형성이 있을 것.

이들 조건은 본 발명의 경우에서 합당한 것들이다.

세가지 영역의 각각에 대하여 단면적 Ai(x)는

세가지 영역과 관련된 파동 방정식은 다음과 같다.

영역 0과 1에 있어서 단면적은 x의 함수가 아니며 면적항을 파동 방정식에서 생략할 수 있다. 영역 2에 있어서 면적은 변수이므로 파동 방정식은 훨씬 다른 형태를 취하게된다. 원추의 각이 방정식에서 분명히 나타나지 않는다 하더라도 x₄에 대한 값을 선택하면 이 매개 변수는 유일하게 결정된다.

식(3)의 모든 2차 미분방정식에 대한 해석적인 해(解)는 가농하다.

식(3a)와 (3b)는 모두 단순한조화해(調和解)를 가진다. 식(3c)는 0차 구형비셀 방정식(Bessel equation)의 표준형으로서 두개의 해 J와 Y가 있는데 구형베셀 할 수로 알려진 것이다. 두개의 해 J와 Y는 0차에 대해서는 다음식으로 주어진다.

세개의 해에 대한 형식은 다음과 같다.

위의 식에서 6개의 상수 A₀, A₁, A₂, B₀, B₁, 및 B₂는 미지의 것이고 이들의 값은 영역사이의 경계면과 각 부분의 끝에서의 경제조건의 특성에 따라 좌우되는 것이다.

경계 조건은 간단히 다음과 같이 설정된다.

(가) 각 영역간의 각 경계면에서(x=x₁, x₂)

파동의 진폭은 계면에 걸쳐서 연속적이어야 하며 파동에 의해 나타나는 스트레스와 관련된 힘도 연속적이어야 한다.

(나) x=0에서 진동의 폭은 파절면이기 때문에 0이어야 한다.

(다) 팁 끝에 있어서(x=x₃) x₃의 평면이 파복이므로 스트레스는 없어져야 한다. 이들 경계 조건을 6개의 단순 방정식으로 나타낼 수 있다.

이들 6개의 식과 미분방정식(식3)에 대한 해로부터 6개의 미지의 상수(A의 것들 3개 B의 것들 3개)를 구할 수 있다. 이들 상수중의 한가지와 경계조건에서 구한 해와의 비율을 결정할 수 있으므로 계산상에 있어서 임의성이 어느 정도 있게 된다. 따라서 한가지 상수에 대한 값을 임의로 고정하고 나머지를 구할 필요가 없다. 이렇게 하자면 사실상 아무런 어려움이 없는데, 그 이유는 어떤 경우에 있어서도 관심이 있는 상대적인 진폭만 대상이 되기 때문이다.

이들 상수를 계산하기 전에 X₁, X₂, X₃및 X₄(S₀와 S₁도 마찬가지)의 값을 명시해둘 필요가 있다. 그러나, 이러한 계산에 관하여 주안점을 어디 두어야 할 것이며 길이좌표가 상호간에 무관계하다는 것을 알아두어야 한다. 또한 전체길이가 4분의 1파장과 같아야 된다는 조건에 따라 상호 관련이 지어진다.

각각에 대해 대입하므로서 6개의 경계조건식(5식)을 풀어보면 파동 방정식(3식)의 해에 대한 적절한 형식의 값이 0인 6x6행열식을 얻게 된다. 행열식을 풀면 4개의 좌표사이의 길이가 긴 대수식(代數式)이 된다. 이러한 식을 특성방정식이라고 하는데 다음과 같다.

위의 식에서

4개의 좌표중 3개를 임의로 취하면 4번째의 좌표에 대한 유일한 값을 특성방정식을 풀면 구할 수 있다. 다음에 나오다 싶이 x₂-x₁, x₃-x₂, x₄-x₃의 값과 원통의 단면적을 가정하고 나면 x₁은 논리좌표로 계산하게 된다. 실제 구성길이 x₂-x₁등의 좌표 그 자체에 대한 것보다 편리하다는 점을 알아두어야 한다. 이들량은 특성방정식 계산에 있어서 기농적으로 동등하며 상당히 간소화될 수 있는 것이다.

위의 치수에 대한 적절한 값을 선정함에 있어서 다음의 조건을 고려해야 한다.

(가) 플렌지팁의 질량은 전체 분무기에 대한 과도한 하중을 피할수 있을 정도로 작아야 한다.

(나) 원추면은 의도하는 바의 유속이 되게 충분한 분무면적을 줄수 있을 정도로 충분히 커야 한다.

(다) 원추각은 필요로 하는 분무각이 되게 선정해야 한다.

(라) 전체팁이 강체로서 진동할 수 있게끔 충분한 두께를 가진 원통형 부분이 원추의 기초부분에 있어야 한다.

(마) 팁은 중앙의 액체공급구멍을 둘러싼 작은 평면을 형성할 수 있게 프러스토-원추형이어야 한다.

강성과 작은 질량이라는 서로 모순된 조건은 원추의 원통형 기초부분의 적정길이(x₂-x₁)를 결정하게 된다. 소요의 분무 각도는 원추의 꼭지각을 결정하며 액체 송출구멍의 크기는 x₃에서 직경을 결정하게 된다. 이어서 x₂의 직경을 경정하여 소요의 분문 표면적을 결정한다. 꼭지각과 x₂와 x₃의 직경은 x₃-x₂및 x₄-x₃간의 거리를 결정한다. 이렇게 되면 아직 미정된 치수로서 직경이 축소된 부분 0의 길이 x₁가 남게된다. x₁의 값을 앞서나온 바 있는 특성방정식에서 구하는데 다음과 같은 형식을 취한다.

x₁=tan^-1g(x₂-x₁; x₃-x₂; x₄-x₃; Ao/A₁; k) (6)

위의 식에서 g는 매개변수의 삼각함수를 포함하는 대수식(代數式)이다.

[실시예]

알루미늄으로된 앞뒤쪽부분과 닙-지르코늄-티탄산염(PZT)으로된 압전식디스크 및 경질구리로된 전극 디스크로 구성된 초음파 분무기를 작동 주파수 85KHz가 되게 설계하였다. 알루미늄에서의 소리의 세로파의 속도가 약 5.13×10⁵cm/sec이므로 작동 주파수에서의 4분지 1파장은 약 1.51cm이다.

변환기가 세로방향으로만 진동하도록 하기 위해 각 요소의 축방향 치수를 4분지 1파장이하로 해야 한다. 탐침의 증폭배율은 변환기 몸체 및 탐침의 단면적간의 비율과 같으므로 탐침의 직경을 될 수 있는한 작게하여 충분한 진동진폭을 나타내도록 하므로서 분무될 액체의 분무최저 한계를 초과하도록 한다.

한편으로는 액체 송출통로를 구성하고 소요의 분무표면적을 가진 강성이 있는 플렌지팁을 지지할 수 있을 정도로 충분한 강도와 강성을 가지며 외팔보 도는 가로 진동을 피하도로 해야 하므로 탐침의 최소 직경은 제한 받게된다.

이러한 착안점을 고려하여 다음과 같은 변환기 치수를 선정하여 약 8의 증폭배율이 되게했다.

소요의 분무 원주 꼭지각도가 60°가 되게하기 위해 원추형 분무면의 꼭지각도는 120°가 되어야 한다. 원추형 플렌지의 원통형 베이스의 길이(x₂-x₁)를 대개0.05cm되게 하여 플렌지가 강체로서 진동하게 해야한다. 따라서 단순한 기하학적 형태로서 탐침팁에 대한 원추면의 전체축길이(x₄-x₃)를 약 0.20cm되게 한다.

실제 원추면은 프러스토-원추형이고 면의 직경은 0.21cm정도이다. 따라서 x₄-x₃은 0.06cm이다. 이렇게 하므로서 프러스토-원추형면의 축길이(x₃-x₂)가 약 0.14cm정도로 감축된다.

요약하자면 특성방정식중의 매개변수의 사전결정값은 다음과 같다.

위의 예에 따른 치수를 한 분무기를 만들어 실험을 한 결과 액체가 변환기축에 대하여 약30°의 각도를 가지고 거의 대부분의 분무면에서 분무되어(분무원추각 60°, 이것은 제2도의 화살표 x와 Y로 나타낸 것임)분무안정성이 합리적으로 나타났다.

소요의 분무각이 형성된 것 외에도 프러스토-원추형 분무면은 평면형 분무면에서 나온 분무와 비교해서 분무된 액점이 응집되는 정도가 크게 감축된 것으로 극히 균일한 액적분포가 되었다.

종래의 고압 분무노즐 대신에 본 발명에 의한 분무기를 표준오일 버어너에 설치하여 실험해본 결과 원래 노즐에서 나오는 화염과 극히 외관이 유사하며 자체지지성이 있는 극히 양호한 화염이 형성되었다.

앞서나온 바와같은 정밀한 수치해석을 하여 설계한 분무기에서 나타난 결과는 원통형 플렌지팁에 대한 방정식을 사용하기에 필요한 단순화된 가정에서 설계한 증폭용팁을 가진 분무기에서 결과 와는 분명히 대조가 된 것이었다. 근사적인 해석과 이론적인 완전한 해석에서 유도되는 탐침과 팁의 전체길이의 차이가 약 10%에 불과하므로 이러한 결과상의 차이는 경이적인 것이다. 이러한 점은 본 발명에 의한 원추형팁이 있는 초음파 분무기의 증폭부분에서의 세로방향치수가 극히 중요성을 가진다는 것을 뜻한다.

이 분석을 완결짓자면 식(3)의 해에 대해 계수 Ai과 Bi를 계산할 필요가 있는 것이다. 이상의 치수에 관한 자료를 얻을 필요는 없으나 전반적인 증폭부분 설계를 효율적으로 판단하는데는 유용한 것이다. 앞서 나온바와 같이 이 계수중에 한개를 임의 값으로 할 경우에만 이들 계수에 대한 절대값을 얻을수 있다. 이 경우에는 강제되지 않는 진동에 상응하는 해석이 있는 경우의 방전식 계통에 대해서 적용된다. 즉 팁부분에 외부에서 기진력이 전혀 없을 경우인 것이다.

증폭부분의 영역은 노즐의 이중균형 부분과 결합되므로 영역 0(식 4a)에 대한 해의 계수중의 하나를 임의 값으로 보는 것이 타당하다.

식 5a의 경계조건의 결과로서 A₀=0이므로 B₀=1을 임의 값으로 선정했다. 식 4를 식 5의 경계조건식에 대입하여 연립방정식으로 만들어 풀므로서 나머지 4개의 계수를 구했다.

주어진 계에 대해서 그 결과는 다음과 같다.

A¹=0.150938961, A₁=0.956888663, A₂=0.000039163, B₂=0.364829648

제3도에서 증폭부분을 따른 위치와 상대적인 변위와의 관계를 도표로 나타내었다. 상대적인 진폭이란 실제의 진폭과 각 지점에 존재하는 진폭과의 비율인데 이것은 4분의 1파장의 길이를 가진 단면적이 πr² ₀인 균일한 원통의 증폭기 부분에 대한 것이다. 팁이 있으므로 해서 진폭감소율이 불과 3%정도가 된다는 점을 유의해야 한다.

Claims (1)

1. 미리 설정된 초음파 작동주파수에서 세로방향의 진동변위를 하도록 하는 출력평면을 가진 구동장치와, 작동주파수에서의 4분의 1 파장길이와 동일한 원통형부분의 길이를 가지며 구동장치의 출력평면과 일치하는 입력단면을 가진 1차 원통형 부분과 1차 부분의 직경보다 작은 직경을 가지며 1차 원통형부분의 다른쪽 단면에서 연장되는 2차 원통형 탐침부분으로 된 계단식 초음파 진동증폭장치와, 2차 원통형 탐침부분의 바깥끝에 있으며 탐침의 직경보다 크고 1차 원통형 부분의 직경보다는 작은 직경을 가지며 그 외면에 분무면이 형성된 플렌지 팁과, 액체를 분무면으로 보내어 구동장치에서 생긴 진동으로 분무시키기 위한 송출장치로 구성되는 초음파 분무기에 있어서, 세로방향의 진동방향과 평행한 축을 가지며 분무된 액체의 예정된 분무원추각과 보각이 되도록 꼭지각이 형성된 볼록한 원추형상을 가진 분무면을 형성시켜 준 것을 특징으로하는 초음파 분무기.

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