WO2012165773A2 - 기포 이용 초소형 액추에이터 - Google Patents

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WO2012165773A2
WO2012165773A2 PCT/KR2012/003689 KR2012003689W WO2012165773A2 WO 2012165773 A2 WO2012165773 A2 WO 2012165773A2 KR 2012003689 W KR2012003689 W KR 2012003689W WO 2012165773 A2 WO2012165773 A2 WO 2012165773A2
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bubbles
bubble
internal pressure
movable member
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김성일
박기호
전원표
이계중
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한국에너지기술연구원
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    • F15B2015/208—Special fluid pressurisation means, e.g. thermal or electrolytic
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    • Y10T137/218—Means to regulate or vary operation of device
    • Y10T137/2191—By non-fluid energy field affecting input [e.g., transducer]
    • Y10T137/2196—Acoustical or thermal energy

Definitions

  • the present invention relates to a bubble-using micro-actuator that can be widely applied to a micro-sized system or micro-actuator, and more particularly, to change the internal pressure due to bubble growth and disappearance at the interface of the cavity.
  • the responsiveness of the movable member is made very fast, and the high internal pressure can be obtained with a simple structure, which enables high power, and also the internal pressure of the chamber and the speed of the working fluid filled in the chamber according to the bubble size and growth rate. It relates to a micro-actuator using a bubble of the structure capable of adjusting the precise control of the movable member.
  • actuators are available in the field of micro devices and precision control, and are of interest in many fields such as biotechnology, military, military, environmental and chemical processes.
  • MEMS Micro electrical mechanical systems
  • actuator that is a power generator.
  • the actuator has a certain amount of displacement, force and frequency, and the driving force is electrostatic force, piezoelectric force, thermal energy and magnetic force.
  • electrostatic and magnetic force actuators have relatively weak force and piezoelectric
  • Thermal energy actuators are difficult to incorporate piezoelectric materials into current MEMS manufacturing technology.
  • Thermal energy actuators have forces and large displacements, but show relatively low frequencies of hundreds of hertz due to slow thermal diffusion.
  • the inkjet head is a representative device of the actuator by the thermal energy.
  • the inkjet head is a part that heats the liquid introduced into the small chamber on a heating plate to generate bubbles, and uses the driving force to fire droplets from the nozzle to print on the paper surface.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the first object of the present invention is to induce a change in internal pressure according to the growth and disappearance of bubbles in a very short time, so that the response of the movable member is very small bubble using actuator To provide.
  • the second object of the present invention is to enable a high output of the movable member by changing the internal pressure due to bubble growth and disappearance, and also to control the rate of change of bubbles through heating of the heating plate. It is to provide a bubble-using micro actuator.
  • the first invention relates to a micro-actuator using a bubble
  • the bottom surface is a heating plate (H) that can generate heat
  • the inner heating surface The first chamber 10 is formed by filling the liquid first working fluid 11 so that bubbles can be grown at the interface of the cavity by the heat; and the heating plate (H) that can generate heat at the bottom
  • a second chamber 20 which is external and is filled with a second working fluid 21 in a liquid state so that bubbles are grown on an interface of the cavity due to heat; and the first chamber 10.
  • the second chamber 20 are interconnected to each other, wherein the chambers 10 and 20 are separated from each other, and the connection path 30 in which the movable member 40 which is moved in accordance with the change in the internal pressure according to the growth and disappearance of the bubbles is disposed. And, internal pressure increase due to bubble growth of the first chamber 10.
  • a second sub-brain 32 connecting the connection path 30 and the first chamber 10 to be guided to; And cooling means (C) installed in the first sub-brain 31 and the second sub-brain 32 to dissipate bubbles generated in the chambers 10 and 20.
  • the second invention in the first invention, checks the opening of the second chamber 20 connected to the first submarine 31 and the opening of the first chamber 10 connected to the second submarine 32. It is preferable that the valve V is further formed.
  • the stopper 33 is further provided on both sides of the connection path 30 to prevent the departure of the movable member 40.
  • micro bubble actuator it is possible to increase the frequency of the movable member because the response of the movable member is very fast by inducing a change in the internal pressure according to the growth and disappearance of the bubble in a very short time.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a bubble-using micro actuator according to the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing bubble nucleation and changes in volume and superheat in the cavity.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a bubble-using micro actuator according to the present invention.
  • the present invention relates to a bubble-using micro actuator that can be widely applied to a micro-sized system or a micro actuator, and more specifically, to internal pressure due to bubble growth and disappearance at an interface of a cavity. It is possible to change the internal pressure, so that the response of the movable member is very fast, and because of the simple structure, high internal pressure can be obtained, which enables high power, and also the internal pressure and
  • the present invention relates to a micro bubble actuator using a bubble having a structure capable of adjusting the speed of a working fluid filled in a chamber and enabling precise control of a movable member.
  • the micro bubble actuator 100 of the present invention replaces the first chamber 10 and the second chamber 20 having two equal volumes, and is connected to each other between the chambers 10 and 20 ( 30, the movable member 40 is arranged, which can be used as an actuator by the mechanical micro displacement of the movable member 40 which is moved in accordance with the change in the internal pressure of the working fluid filled in each chamber (10,20) to be.
  • the bubble-actuated micro actuator 100 is composed of four parts, which are connected to the first chamber 10 and the second chamber 20 having two equal volumes and to connect the respective chambers 10 and 20.
  • the first chamber 10 is filled with a first working fluid 11 in a liquid state, and a heating plate H capable of generating heat is formed on the bottom thereof.
  • the second chamber 20 is also filled with a second working fluid 21 in a liquid state, and a heating plate H capable of generating heat is provided on the bottom thereof.
  • each heating plate (H) by heating the respective chambers (10, 20), so that bubbles can be grown at the interface of the cavity to induce a change in the internal pressure of the first and second working fluids (11, 21) Do it.
  • connection path 30 is formed between the first chamber 10 and the second chamber 20 so that the first chamber 10 and the second chamber 20 can be interconnected.
  • the first chamber 10 and the second chamber 20 having the same volume are replaced.
  • connection path 30 a movable member 40 is disposed so as to replace and isolate the first chamber 10 and the second chamber 20, and the movable member 40 is filled with the first of each chamber. Due to the change in the internal pressure of the working fluid 11 and the second working fluid 21, it is reciprocated on the connection path 30 to enable mechanical micro displacement.
  • the first submarine 31 is the second chamber 20 after the first working fluid 11 moves the movable member 40 to one side as the internal pressure increases due to the bubble growth of the first chamber 10. It is configured to connect the connecting passage 30 and the second chamber 20 to be guided to).
  • the second operating fluid 21 moves the movable member 40 to the other side according to the increase in the internal pressure due to the growth of the bubbles of the second chamber 20, and then the first chamber ( 10 is configured to connect the connection path 30 and the first chamber 10 to be guided to.
  • cooling means (C) may be made of a variety of structures, such as heat radiation fins that are external to each subline (31,32) or an internal / external heat exchanger.
  • the cooling means (C) is installed in the first sub-brain 31 and the second sub-brain 32 to the first working fluid 11 and the second working fluid 21 in each chamber (10, 20) Function to dissipate heat
  • This structure cools the first and second working fluids 11 and 21 through the cooling means C installed in the first and second submarines 31 and 32 to rapidly expand the bubbles grown in the respective chambers 10 and 20. It can be extinguished to provide a structure that can increase the frequency by increasing the movable member 40 is moved to the left and right in the connection path (30).
  • a check valve V is further formed in the opening of the second chamber 20 connected to the first submarine 31 and the opening of the first chamber 10 connected to the second submarine 32. to be.
  • the check valve (V) is to prevent the working fluid due to the change in the internal pressure flow back to the first sub-brain 31 and the second sub-brain 32 connected to each chamber (10,20).
  • the check valve (V) provides a structure that can only be guided to each of the sub-lines (31, 32) connected to the connection path 30 when the internal pressure of each working fluid (11, 21) is increased.
  • the stopper 33 is further provided on both sides of the connection path 30 to prevent the separation of the movable member 40. In addition, the stopper 33 allows precise control of the movable member 40.
  • the movable member 40 is normally disposed in the center of the connection path 30 to close the first and second submarines 31 and 32.
  • bubbles may be grown at the interface of the cavity to increase the internal pressure of the first working fluid 11. .
  • the first working fluid 11 moves the movable member 40 disposed in the connection path 30 to one side, and the first submarine 31 is opened as the movable member 40 is moved to one side. .
  • the first working fluid 11 moving along the first submarine 31 is cooled by the cooling means C external to the first submarine 31 and introduced into the second chamber 20.
  • the second working fluid 21 in the second chamber 20 is joined.
  • the heating plate H provided in the first chamber 10 is stopped to stop the growth of bubbles.
  • the cooled first working fluid rapidly extinguishes the bubbles grown in the second chamber 20 to lower the internal pressure to thereby move the movable member 40 of the connection path 30.
  • the heating plate H provided in the first chamber 10 is stopped and at the same time, as shown in FIG. 3, the heating plate H provided in the bottom surface of the second chamber 20 is operated to perform a second operation. Bubbles in the chamber 20 are grown, thereby increasing the internal pressure of the second working fluid 21 to move the movable member 40 to the other side.
  • the second working fluid 21 moves along the second subbrain 32 that is opened, and the first chamber 10 is cooled by the cooling means C installed in the second subbrain 32. Is joined with the first working fluid (11).
  • the interface in the cavity moves upward as the temperature rises on the heating surface to reach the entrance of the cavity, and the interface becomes convex as the vapor pressure in the cavity rises. If the temperature of the surrounding liquid is continuously higher than the saturation temperature by the degree of superheat corresponding to the radius of curvature of the interface, bubbles continue to grow.
  • Bubble growth is spontaneous if bubble nuclei are formed larger than equilibrium. Bubble growth is initially governed by the inertia of the surrounding liquid and later by the conduction heat transfer rate of the liquid, which determines the evaporation rate of the liquid at the vapor-liquid interface. The initial growth process of bubbles is determined by the following mechanical energy equation.
  • the separation diameter and the escape frequency of the bubble is largely changed by the bubble formation process and the radius and shape of the vapor bubble from the heating surface.
  • the forces affecting the bubble behavior in the late stage of bubble growth include buoyancy and hydrodynamic drag to escape the bubble from the heating surface, and surface tension and inertia of the fluid.
  • Equations 1,2 and 3 it is possible to predict bubble generation, growth, and extinction time, volume of bubbles, and cooling performance of the cooling means, thereby controlling the rate of change of bubbles through the heat source of the heating plate. Because of this, precise control is possible.

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Abstract

본 발명은 케비티의 계면에서 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압(Internal Pressure)을 변화시킬 수 있도록 하여 가동부재의 응답성이 매우 빠르게 구성되며, 더불어 간단한 구조로 높은 내압을 얻을 수 있기 때문에 고출력이 가능케 하고, 또한 기포의 크기 및 성장속도에 따라 챔버의 내압 및 챔버에 충진된 작동유체의 속도를 조절할 수 있어 가동부재의 정밀제어가 가능한 구조의 기포 이용 초소형 액추에이터에 관한 것이다.

Description

기포 이용 초소형 액추에이터
본 발명은 마이크로 크기의 시스템이나 초소형 액추에이터로 광범위하게 적용할 수 있는 기포 이용 초소형 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케비티의 계면에서 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압(Internal Pressure)을 변화시킬 수 있도록 하여 가동부재의 응답성이 매우 빠르게 구성되며, 더불어 간단한 구조로 높은 내압을 얻을 수 있기 때문에 고출력이 가능케 하고, 또한 기포의 크기 및 성장속도에 따라 챔버의 내압 및 챔버에 충진된 작동유체의 속도를 조절할 수 있어 가동부재의 정밀제어가 가능한 구조의 기포 이용 초소형 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 초소형화된 액추에이터는 초소형기기, 정밀제어 분야에서 이용가능하고 바이오, 의한, 군사, 환경, 화학공정 등 많은 분야에서 관심을 보이고 있다.
장치가 작아지면 정교해지고 공간적 제약을 해소할 수 있을 뿐만 아니라 의학 및 군사용의 마이크로 로봇에도 적용할 수 있기 때문에 지난 수 십년간 초소형화된 시스템을 만들려는 시도가 있었다.
이러한 초소형화 장치는 크기가 수 밀리미터이거나 이보다 작은 크기를 갖는다. 미소전자기계시스템(Micro electrical mechanical systems; MEMS)의 발달은 이러한 마이크로시스템의 구현을 가능하게 하였다. 현재에는 이러한 MEMS 제조 기술을 이용하여 소형 센서모듈, 소형시험장치, 의료기기, 정밀기기, 군사용 첨단기기, 잉크젯프린터헤드 등을 제작하거나 연구하고 있다.
다수의 마이크로장치는 동력 발생장치인 액추에이터를 필요로 한다. 액추에이터는 일정한 크기의 변위, 힘, 진동수를 가지고 있으며 구동력은 정전기력, 압전기력, 열에너지, 자기력 등이 있다.
표 1
종류 힘 변위 진동수 한계
정전기력 약함 큼 또는 작음 큼 힘이 약함
압전기력 강함 또는 약함 큼 또는 작음 큼 소자
열에너지 강함 큼 작음 낮은 진동수
자기력 약함 작음 큼 또는 작음 힘이 약함
표 1과 같이, 정전기력과 자기력 액추에이터는 상대적으로 힘이 약하고 압전
기력 액추에이터는 압전기력 물질이 현재의 MEMS제조기술 속으로 포함되기에 어려움이 있다. 열에너지 액추에이터는 힘과 큰 변위를 갖지만, 느린 열확산 때문에 수 백 헤르츠의 상대적으로 낮은 진동수를 보인다.
특히 열에너지에 의한 액추에이터의 대표적 장치로 잉크젯헤드가 있다. 잉크젯헤드는 소형챔버에 유입된 액체를 발열판에서 가열시켜 기포를 생성시키고 이를 구동력으로 하여 노즐에서 액적을 발사시켜 종이표면 위에 인쇄하는 부분이다.
하지만 이러한 열에너지를 의한 액추에이터 역시 힘과 변위가 크고 장치의 제작이 간편한 장점을 가지고 있지만, 열발산으로 인한 낮은 진동수가 단점으로 인식되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 매우 짧은 시간에 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압 변화를 유도하여 가동부재의 응답성이 매우 빠른 기포 이용 초소형 액추에이터를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 기포성장 및 소멸로 인한 내압의 변화에 의해 가동부재의 고출력을 가능케 하고, 또한 히팅플레이트의 가열을 통한 기포의 변화속도를 제어할 수 있기 때문에 정밀제어가 가능한 구조의 기포 이용 초소형 액추에이터를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1발명은 기포 이용 초소형 액추에이터에 관한 것으로, 저면에는 열을 발생할 수 있는 히팅플레이트(H)가 외장되고, 내부 가열면에는 열에 의한 케비티의 계면에 기포가 성장될 수 있도록 액상의 제 1작동유체(11)가 충진되어 구성되는 제 1챔버(10);와, 저면에는 열을 발생할 수 있는 히팅플레이트(H)가 외장되고, 내부 가열면에는 열에 의한 케비티의 계면에 기포가 성장될 수 있도록 액상의 제 2작동유체(21)가 충진되어 구성되는 제 2챔버(20);와, 상기 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)를 상호 연결시키되, 내부에는 각 챔버(10,20)를 격리시켜 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압의 변화에 따라 이동되는 가동부재(40)가 배치되는 연결로(30);와, 상기 제 1챔버(10)의 기포 성장에 의한 내압 상승에 따라 제 1작동유체(11)가 가동부재(40)를 일측으로 이동시킨 후 제 2챔버(20)로 유도될 수 있도록 상기 연결로(30)와 제 2챔버(20)를 연결시키는 제 1서브라인(31);과, 상기 제 2챔버(20)의 기포의 성장에 의한 내압 상승에 따라 제 2작동유체(21)가 가동부재(40)를 타측으로 이동시킨 후 제 1챔버(10)로 유도될 수 있도록 상기 연결로(30)와 제 1챔버(10)를 연결시키는 제 2서브라인(32); 및 상기 제 1서브라인(31) 및 제 2서브라인(32)에 설치되어 각 챔버(10,20)에 생성된 기포를 소멸하는 냉각수단(C);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 2발명은, 제 1발명에서, 상기 제 1서브라인(31)과 연결되는 제 2챔버(20)의 개구부 및 제 2서브라인(32)과 연결되는 제 1챔버(10)의 개구부에는 체크밸브(V)가 더 형성되는 것이 바람직하다.
제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 연결로(30)의 양측에는 가동부재(40)의 이탈방지를 위해 스토퍼(33)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터에 따르면, 매우 짧은 시간에 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압 변화를 유도하여 가동부재의 응답성이 매우 빨라 가동부재의 진동수를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 기포성장 및 소멸로 인한 내압의 변화에 의해 가동부재의 고출력이 가능하고, 또한 히팅플레이트의 열원을 통한 기포의 변화속도를 제어할 수 있기 때문에 정밀제어가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터의 개념도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터의 작동도,
도 4는 케비티에서의 기포 핵생성 및 체적과 과열도의 변화를 나타내는 개념도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 마이크로 크기의 시스템이나 초소형 액추에이터로 광범위하게 적용할 수 있는 기포 이용 초소형 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케비티의 계면에서 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압(Internal Pressure)을 변화시킬 수 있도록 하여 가동부재의 응답성이 매우 빠르게 구성되며, 더불어 간단한 구조로 높은 내압을 얻을 수 있기 때문에 고출력을 가능케 하고, 또한 기포의 크기 및 성장속도에 따라 챔버의 내압 및 챔버에 충진된 작동유체의 속도를 조절할 수 있어 가동부재의 정밀제어가 가능한 구조의 기포 이용 초소형 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명의 기포 이용 초소형 액추에이터(100)는 2개의 동일 체적을 갖는 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)를 대치시키고, 상기 각 챔버(10,20)의 사이에 연결되는 연결로(30)에 가동부재(40)를 배치시켜 구성하되, 각 챔버(10,20)에 충진된 작동유체의 내압 변화에 따라 이동되는 가동부재(40)의 기계적 미소변위에 의해 액추에이터로 사용될 수 있는 장치이다.
이러한 기포 이용 초소형 액추에이터(100)는 4개 부분으로 구성되는데, 이는 2개의 동일 체적을 갖는 제 1챔버(10) 및 제 2챔버(20)와, 상기 각 챔버(10,20)를 연결하는 연결로(30)와, 상기 연결로(30) 상에 배치되는 가동부재(40)와, 상기 연결로(30)와 제 2챔버(20)를 연결하는 제 1서브라인(31)과, 상기 연결로(30)와 제 1챔버(10)를 연결하는 제 2서브라인(32)과, 상기 각 서브라인(31,32)에 외장되는 냉각수단(C)으로 구성된다.
여기서 상기 제 1챔버(10)는 내부에 액상의 제 1작동유체(11)가 충진되며, 저면에는 열을 발생할 수 있는 히팅플레이트(H)가 외장되어 구성된다. 그리고 제 2챔버(20) 역시 내부에 액상의 제 2작동유체(21)가 충진되며, 저면에는 열을 발생할 수 있는 히팅플레이트(H)가 외장되어 구성된다.
아울러 각 히팅플레이트(H)는 상기 각 챔버(10,20)를 가열함으로써, 케비티의 계면에 기포가 성장될 수 있도록 하여 제 1,2작동유체(11,21)의 내압 변화를 유도하는 기능을 한다.
그리고 연결로(30)는 상기 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)를 상호 연결시킬 수 있도록 상기 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)의 사이에 형성되어, 결과적으로 2개의 동일 체적을 갖는 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)를 대치시킨다.
이러한 연결로(30)에는 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)를 대치시켜 격리시킬 수 있도록 가동부재(40)가 배치되며, 이러한 가동부재(40)는 각 챔버의 충진된 제 1작동유체(11) 및 제 2작동유체(21)의 내압 변화에 의해 연결로(30) 상에서 왕복 이동되어 기계적 미소변위가 가능케 된다.
한편 상기 제 1서브라인(31)은 상기 제 1챔버(10)의 기포 성장에 의한 내압 상승에 따라 제 1작동유체(11)가 가동부재(40)를 일측으로 이동시킨 후 제 2챔버(20)로 유도될 수 있도록 상기 연결로(30)와 제 2챔버(20)를 연결시키는 구성이다. 그리고 상기 제 2서브라인(32) 역시 상기 제 2챔버(20)의 기포의 성장에 의한 내압 상승에 따라 제 2작동유체(21)가 가동부재(40)를 타측으로 이동시킨 후 제 1챔버(10)로 유도될 수 있도록 상기 연결로(30)와 제 1챔버(10)를 연결시키는 구성이다.
그리고 냉각수단(C)은 각 서브라인(31,32)에 외장되는 방열핀 또는 내/외장 되는 열교환기 등 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 냉각수단(C)은 상기 제 1서브라인(31) 및 제 2서브라인(32)에 설치되어 각 챔버(10,20) 내의 제 1작동유체(11)와 제 2작동유체(21)를 방열하는 기능을 한다. 이러한 구조는 제 1,2서브라인(31,32)에 설치된 냉각수단(C)을 통해 제 1,2작동유체(11,21)를 냉각시켜 각 챔버(10,20) 내에 성장된 기포를 빠르게 소멸시킬 수 있어 연결로(30)에서 좌우측으로 이동되는 가동부재(40)를 빠르게 하여 진동수를 크게 할 수 있는 구조를 마련할 수 있는 것이다.
한편 상기 제 1서브라인(31)과 연결되는 제 2챔버(20)의 개구부 및 제 2서브라인(32)과 연결되는 제 1챔버(10)의 개구부에는 체크밸브(V)가 더 형성되는 구조이다.
이러한 체크밸브(V)는 내압 변화에 의한 작동유체가 각 챔버(10,20)에 연결된 제 1서브라인(31)과, 제 2서브라인(32)으로 역류되는 것을 방지하기 위한 것이다.
따라서 체크밸브(V)는 각 작동유체(11,21)의 내압이 상승되면 연결로(30)와 연결된 각 서브라인(31,32)으로만 유도할 수 있는 구조를 마련한다.
아울러 상기 연결로(30)의 양측에는 가동부재(40)의 이탈방지를 위해 스토퍼(33)가 더 구비되는 구조이다. 또한 상기 스토퍼(33)를 통해 가동부재(40)의 정밀제어가 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터의 작동에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 기포 이용 초소형 액추에이터의 작동도이다.
먼저 전술된 도 1에 도시된 바와 같이, 평상시 가동부재(40)는 연결로(30)의 중앙에 배치되어 제 1서브라인(31)과, 제 2서브라인(32)을 폐쇄한 상태이다.
그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 히팅플레이트(H)를 통해 제 1챔버(10)를 가열하면, 케비티의 계면에 기포가 성장될 수 있도록 하여 제 1작동유체(11)의 내압을 상승시킨다.
그러면 제 1작동유체(11)는 연결로(30)에 배치된 가동부재(40)를 일측으로 이동시키게 되고, 가동부재(40)가 일측으로 이동됨에 따라 제 1서브라인(31)은 개방된다.
이 후 제 1서브라인(31)을 따라 이동하는 제 1작동유체(11)는 제 1서브라인(31)에 외장된 냉각수단(C)에 의해 냉각되어 제 2챔버(20) 내로 유입되어 제 2챔버(20) 내의 제 2작동유체(21)와 합류된다. 이와 동시에 제 1챔버(10)에 구비된 히팅플레이트(H)는 가동이 중단되어 기포의 성장을 멈춘다.
냉각된 제 1작동유체는 제 2챔버(20) 내에 성장된 기포를 빠르게 소멸시켜 내압을 하강시켜 연결로(30)의 가동부재(40) 이동을 도모한다.
그리고 제 1챔버(10)에 구비된 히팅플레이트(H)의 가동이 중단됨과 동시에 이 상태에서 도 3과 같이, 제 2챔버(20)의 저면에 구비된 히팅플레이트(H)는 가동되어 제 2챔버(20) 내의 기포를 성장시키고 이에 따라 제 2작동유체(21)의 내압을 상승시켜 가동부재(40)를 타측으로 이동시킨다.
그리고 개방된 제 2서브라인(32)을 따라 제 2작동유체(21)가 이동하게 되고, 제 2서브라인(32)에 설치된 냉각수단(C)에 의해 냉각된 상태로 제 1챔버(10)의 제 1작동유체(11)와 합류된다.
따라서 도 2 및 도 3과 같은 과정이 반복되어 결과적으로 가동부재(40)는 연결로 상에서 좌우측으로 빠르게 이동되면서 높은 진동수에 따른 고출력이 가능케 지는 것이다.
본 발명을 가능하기 위해서는 기포의 발생, 성장, 소멸시간, 기포의 체적, 냉각수단의 냉각성능을 예측할 수 있어야 한다.
먼저 기포의 발생은 챔버 내의 가열표면에 존재하는 케비티(공동: Cavity)의 계면으로 설명한다.
공동(Cavity)내의 계면은 도 4의 (A) 및 (B)와 같이, 가열면에 온도가 상승함에 따라 상부로 움직여 공동의 입구에 도달하고 공동 내의 증기압이 상승하면서 계면은 볼록하게 된다. 주위 액체의 온도가 계면의 곡률반경에 해당하는 과열도 만큼 포화온도보다 지속적으로 커지면, 기포는 계속 성장하게 된다.
그리고 기포의 성장은 기포핵이 평형상태보다 크게 형성되면 기포는 자발적으로 성장한다. 기포의 성장은 초기에는 주위 액체의 관성에 의해, 그리고 후기에는 증기-액체 계면에서 액체의 증발률을 결정하는 액체의 전도열전달률에 의해 지배된다. 기포의 초기성장 과정은 이하의 기계적 에너지방정식에 의해 결정된다.
수학식 1
Figure PCTKR2012003689-appb-M000001
여기서
Figure PCTKR2012003689-appb-I000001
: 액체의 열확산계수,
Figure PCTKR2012003689-appb-I000002
: 포화온도,
Figure PCTKR2012003689-appb-I000003
: 기체의 밀도,
Figure PCTKR2012003689-appb-I000004
: 상변화엔탈피,
Figure PCTKR2012003689-appb-I000005
: 액체의 열전도
아울러 기포의 이탈직경 및 이탈빈도는 가열면에서 이탈되는 증기기포의 반경과 형태는 기포의 형성과정에 의해 크게 달라진다.
기포의 성장후기에 기포의 거동에 영향을 주는 힘으로는 가열면에서 기포를 이탈시키려는 부력과 유체역학적 항력, 기포의 이탈을 저해하는 힘으로 표면장력과 유체의 관성력 등을 들 수 있다.
기포의 성장률과 이에 의한 액체의 관성력은 액체과열도에 크게 의존하며 이는 활성공동의 크기에 반비례이며, 이는 이하의 기계적 에너지방정식(수학식 2 또는 수학식 3)에 의해 결정된다.
수학식 2
Figure PCTKR2012003689-appb-M000002
수학식 3
Figure PCTKR2012003689-appb-M000003
Figure PCTKR2012003689-appb-I000006
Figure PCTKR2012003689-appb-I000007
여기서
Figure PCTKR2012003689-appb-I000008
: 기포의 직경,
Figure PCTKR2012003689-appb-I000009
:는 액체의 비열,
Figure PCTKR2012003689-appb-I000010
: 작동유체가 물의 경우 1.5×10-4, 다른 유체의 경우 4.56×10-4
즉, 수학식 1,2,3을 이용하면 기포의 발생, 성장, 소멸시간, 기포의 체적, 냉각수단의 냉각성능을 예측할 수 있게 되며, 이에 따라 히팅플레이트의 열원을 통한 기포의 변화속도를 제어할 수 있기 때문에 정밀 제어가 가능하다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (3)

  1. 저면에는 열을 발생할 수 있는 히팅플레이트(H)가 외장되고, 내부 가열면에는 열에 의한 케비티의 계면에 기포가 성장될 수 있도록 액상의 제 1작동유체(11)가 충진되어 구성되는 제 1챔버(10);
    저면에는 열을 발생할 수 있는 히팅플레이트(H)가 외장되고, 내부 가열면에는 열에 의한 케비티의 계면에 기포가 성장될 수 있도록 액상의 제 2작동유체(21)가 충진되어 구성되는 제 2챔버(20);
    상기 제 1챔버(10)와 제 2챔버(20)를 상호 연결시키되, 내부에는 각 챔버(10,20)를 격리시켜 기포의 성장 및 소멸에 따른 내압의 변화에 따라 이동되는 가동부재(40)가 배치되는 연결로(30);
    상기 제 1챔버(10)의 기포 성장에 의한 내압 상승에 따라 제 1작동유체(11)가 가동부재(40)를 일측으로 이동시킨 후 제 2챔버(20)로 유도될 수 있도록 상기 연결로(30)와 제 2챔버(20)를 연결시키는 제 1서브라인(31);
    상기 제 2챔버(20)의 기포의 성장에 의한 내압 상승에 따라 제 2작동유체(21)가 가동부재(40)를 타측으로 이동시킨 후 제 1챔버(10)로 유도될 수 있도록 상기 연결로(30)와 제 1챔버(10)를 연결시키는 제 2서브라인(32); 및
    상기 제 1서브라인(31) 및 제 2서브라인(32)에 설치되어 각 챔버(10,20)에 생성된 기포를 소멸하는 냉각수단(C);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기포 이용 초소형 액추에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1서브라인(31)과 연결되는 제 2챔버(20)의 개구부 및 제 2서브라인(32)과 연결되는 제 1챔버(10)의 개구부에는 체크밸브(V)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 기포 이용 초소형 액추에이터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연결로(30)의 양측에는 가동부재(40)의 이탈방지를 위해 스토퍼(33)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기포 이용 초소형 액추에이터 장치.
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