KR100471750B1 - 액적 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 보다 균일한 액적을 생성하고, 외부가진을 액체에 보다 효과적으로 전달하여, 전체적인 효율을 향상시키며, 오리피스로부터 토출되는 액주의 난류 강도를 감소시켜 고속의 액적을 생성하기 위한 것으로, 액체가 수용되는 챔버와, 상기 챔버로부터 액체를 토출시키는 오리피스와, 상기 챔버 내의 액체에 진동을 가해 상기 오리피스로부터 토출되는 액체를 액적으로 형성하는 것으로, 진동을 발생하는 압전소자와, 상기 압전소자를 향한 부분과 상기 액체를 향한 부분의 두께가 서로 다르게 형성되어 상기 압전소자의 진동을 전달하기 위한 진동 바아를 구비한 가진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 발생장치에 관한 것이다.

Description

액적 발생장치{Apparatus for generating droplet}

본 발명은 액적 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동을 이용하여 균일한 크기의 유체 액적을 형성할 수 있는 액적 발생장치에 관한 것이다.

액적을 발생시키는 장치는 의약, 화학 분야에서 액체 시료를 구형의 과립으로 만드는 데에 사용되거나, 기계공학 분야에서 내연기관등의 연료 분사 실험을 위한 광학 실험에 사용된다. 또한, 이 뿐만 아니라, 각종 가공용 소재, 세라믹 소재 및 합금의 설계의 모의 실험 등에 많이 사용된다.

이러한 액적 발생장치는 외부에서 초음파 진동을 가해 챔버 내에 저장되어 있는 잉크와 같은 액체를 오리피스로 밀어내는 원리를 갖는 데, 상기와 같은 외부의 초음파 진동은 대개 피에조 세라믹을 이용한 압전소자를 사용한다. 그런데, 대부분의 압전소자는 압전체 자체의 효율이 매우 낮아 비교적 높은 운전 비용이 소요된다.

또한, 압전 물질로부터 생성된 초음파 진동을 진동 바아(bar)를 이용하여 챔버 내의 액체에 전달하는 데, 이 진동 바아는 대개 일자형 막대로 구비되어 압전소자의 초음파 진동을 효과적으로 전달하는 데에는 다소 무리가 있다.

상기와 같은 액적 발생장치는 오리피스를 사용하여 액체를 소정 크기의 액적으로 배출하는 데, 종래의 액적 발생장치에 있어서는 오리피스의 부근에서 그 표면조도로 인해 액체에 난류 현상이 발생하고, 이러한 난류 특성이 오리피스로부터 토출된 액주(液柱)에 전달되어 액주에서의 대칭적 교란 증가를 방해해 액적의 균일도를 저하시키는 문제가 있었다.

액적 발생장치로서, 미국 특허 US 3,947,851호에는 압전소자를 이용해 생성한 액적을 대전용 전극에서 대전시키고, 이렇게 대전된 액적이 편향 플레이트를 통과하도록 함으로써 액적의 방향을 조정하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 액적 발생장치에 있어서도, 액적의 궤도를 조정할 수는 있으나, 생성된 액적의 균일도를 향상시키는 문제는 전혀 고려하고 있지 않다. 또한, 이 액적 발생장치에서는 피에조 세라믹과 같은 압전 물질을 이용한 압전 소자를 사용하여 외부가진에 의해 액적을 형성하는 데, 이는 전술한 바와 같이, 압전체의 효율이 매우 낮아 그 운전 비용이 지나치게 높게 소요되는 문제를 여전히 안고 있다.

한편, 「Journal of Materials Processing Technology」 vol.115, 2001호에는 M. E. Orme 등에 의한 "High precision solder droplet printing technology"가 게재되어 있는 데, 이에는 균일한 액적 발생기와 액적의 궤도 조종을 통한 고속의 자동 납땜기 원리가 게재되어 있고, 이는 미국 특허 US 5,340,090호, US 5,259,593호, US 5,226,948호, US 5,171,360호에 액적 제조방법 및 장치로서 개시되어 있다. 그런데, 이러한 기술에 있어서도, 압전체로부터 생성된 외부가진을 액체에 전달하는 방법이 비효율적이라는 문제는 여전히 구비하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 균일한 액적을 생성할 수 있는 액적 제조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 외부가진을 액체에 보다 효과적으로 전달하여, 전체적인 효율을 향상시킬 수 있는 액적 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 오리피스로부터 토출되는 액주의 난류 강도를 감소시켜 고속의 액적을 생성할 수 있는 액적 제조장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 액체가 수용되는 챔버와, 상기 챔버로부터 액체를 토출시키는 오리피스와, 상기 챔버 내의 액체에 진동을 가해 상기 오리피스로부터 토출되는 액체를 액적으로 형성하는 것으로, 진동을 발생하는 압전소자와, 상기 압전소자를 향한 부분과 상기 액체를 향한 부분의 두께가 서로 다르게 형성되어 상기 압전소자의 진동을 전달하기 위한 진동 바아를 구비한 가진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 발생장치를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 진동 바아의 상기 압전소자를 향한 부분의 두께를 S1이라 하고, 상기 액체를 향한 부분의 두께를 S2라 할 때, 상기 S1이 S2보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 진동 바아는 그 두께가 상기 S1으로부터 상기 S2까지 지수함수적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 진동 바아의 길이를 x라 하고, 상기 가진기로부터 발생되는 진동의 주파수에 따른 파장의 함수를 ε이라 할 때, 상기 S1과 상기 S2는 의 관계를 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 오리피스는 적어도 그 내표면이 루비로 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 오리피스로부터 토출된 액적을 대전시키는 대전기와, 상기 대전된 액적의 비행 궤도를 조정하는 편향기를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 대전기는 전력 제어기를 더 구비하고, 상기 전력 제어기는 상기 압전소자에 입력되는 전기신호의 파장에 대응하여 상기 대전기를 접지시켜 소정량의 대전되지 않은 액적을 생성하는 것일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액적 발생장치의 개략적인 구성을 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 액적 발생장치는 액적을 형성할 액체가 수용되는 챔버(10)와, 상기 챔버(10)로부터 액체를 토출시키는 오리피스(30)와, 상기 챔버(10) 내의 액체에 진동을 가해 상기 오리피스(30)로부터 토출되는 액체가 액적으로 형성되도록 하는 가진기(20)를 구비한다.

상기 챔버(10)에 수용되는 액체는 형성할 액적의 목적에 따라 다양하게 존재할 수 있는 데, 고분자 또는 저분자 잉크와 같은 유기물도 가능하며, 납 등과 같은 금속, 즉, 무기물도 가능하다. 물론 금속과 같은 무기물로 액적을 형성하기 위해서는 상기 금속을 용융된 상태로 보존할 수 있어야 하며, 이를 위해 챔버(10) 외측에 유도 코일 등으로 구비된 별도의 가열 히터(미도시)가 더 설치될 수 있다.

상기와 같은 챔버(10)는 사용 가능한 어떠한 재질로도 형성될 수 있는 데, 석영 등의 세라믹으로 형성될 수도 있고, 금속재로 형성될 수도 있다. 그리고, 챔버(10)의 내면은 내화학성을 띠도록 처리되어 있을 수 있다.

이러한 챔버(10)에는 챔버(10)의 외부로부터 액체(L)가 공급될 수 있는 데, 본 발명에 따르면, 상기 챔버(10)를 외부의 저장조(12)와 연결시켜 이 저장조(12)로부터 액체(L)가 지속적으로 공급되도록 할 수 있다. 이 저장조(12)는 별도의 연결 파이프를 통해 챔버(10)와 연결된다.

상기 저장조(12)에는 별도로 레귤레이터(regulator)와 같은 압력 조절기(13)를 연결하고, 이 압력 조절기(13)로부터의 공압에 의해 챔버(10)로 공급되는 액체의 양이 결정된다.

챔버(10) 내의 액체에 진동을 가하는 가진기(20)는 외부 가진을 발생시키는 압전소자(22)와, 압전소자(22)의 진동을 챔버(10)내의 액체(L)로 전달하는 진동 바아(bar: 21)를 구비한다.

상기 압전소자(22)는 피에조 세라믹 등에 의해 형성될 수 있는 데, 신호 발생기(27) 및 증폭기(28)에 연결될 수 있다. 신호 발생기(27)는 진동을 발생할 수 있도록 하는 소정 주파수의 싸인(sine)파 형태의 전기신호를 생성하고, 증폭기(28)는 이 싸인파 형태의 전기신호를 증폭하여 압전소자를 구동하는 것이다.

압전소자(22)는 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 증폭기에 연결된 전극(23)과, 이 전극(23) 사이에 배치된 압전 물질(24)로 구비될 수 있다. 상기 압전 물질(24)은 피에조 세라믹일 수 있다.

상기와 같은 압전소자(22)와 챔버(10)의 사이에는 압전소자(22)의 진동을 챔버(10) 내의 액체(L)에 전달하기 위한 진동 바아(21)가 설치된다.

이 진동 바아(21)는 챔버(10)의 개구부(11) 외측으로 소정의 고정블록(26)에 의해 고정된 압전소자(22)와 상기 개구부(11)의 사이에 배치되는 것으로, 상기 압전소자(22)를 향한 제 1 부분(21a)과, 액체(L)를 향한 제 2 부분(21b)으로 구비된다.

상기 제 1 부분(21a)은 압전소자(22)에 접합되어 있으며, 바람직하게는 접착제 등에 의해 고정적으로 접합될 수 있다. 그리고, 상기 제 2 부분(21b)은 상기 개구부(11)를 막아 챔버(10)내 액체(L)의 역류를 방지하는 실링 패드(25)에 닿도록 할 수 있다. 상기 실링 패드(25)는 고무 등과 같이, 진동을 전달할 수 있는 재질로 형성될 수 있다.

본 발명의 중요한 특징에 따르면, 상기 압전소자(22)로부터 발생된 진동을 챔버(10) 내의 액체(L)에 보다 효과적으로 전달하기 위하여 상기 진동 바아(21)의 제 1 부분(21a)과 제 2 부분(21b)의 두께를 다르게 하였다. 이는 압전소자(22)로부터 진동을 전달받는 제 1 부분(21a)으로부터 액체(L)로 진동을 전달하는 제 2 부분(21b)까지 진동이 보다 빠르게 전달되도록 하기 위한 것으로, 본 발명에 바람직한 일 실시예에 따르면, 제 2 부분(21b)의 두께(S2)가 제 1 부분(21a)의 두께(S1)보다 작도록 하였고, 더욱 바람직하게는 제 1 부분(21a)의 두께(S1)로부터 제 2 부분(21b)의 두께(S2)까지 두께가 지수함수적으로 감소되도록 하였다.

이에 따라, 제 1 부분(21a)으로부터 전달받은 진동은 제 2 부분(21b)에 지수함수적으로 전달되기 때문에 진동 전달 효율이 보다 효율적이 된다.

이러한 S1과 S2의 관계는 더욱 바람직하게는 다음 식에 의해 정의될 수 있다.

위 식에서 "x"는 진동 바아(21)의 길이를 나타내고, "ε"은 압전소자(22)로부터 발생된 진동의 주파수에 따른 파장의 함수이다.

위 식에서 볼 수 있듯이, S1과 S2를 설계하면, 진동 속도는 지수함수적으로 증가되어 액체(L)에 전달되기 때문에 효율을 보다 증대시킬 수 있다.

한편, 도 1에서 볼 때, 가진기(20)에 대향되는 챔버(10)의 부분에는 액체(L)가 토출될 수 있는 오리피스(30)가 구비된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 오리피스(30)의 적어도 내측면은 루비로 구비되는 것이 바람직한 데, 이는 오리피스(30) 내측면의 표면조도를 낮춰 오리피스(30) 부근에서의 난류 발생을 최소화하는 것이다. 이러한 오리피스(30)는 루비를 가공한 오리피스 조립체를 만들어 상기 챔버(10)에 결합할 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 있어서, 발생된 액적(D)을 대전시켜 그 비행 궤도를 조정하도록 할 수도 있다.

이를 위하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 오리피스(30)의 외측 하부에 대전기(40)를 설치하여 오리피스(30)로부터 토출된 액적(D)을 음극으로 대전시키고, 이렇게 대전된 액적(D)이 편향기(50)를 통과하도록 함으로써 액적(D)의 비행궤도를 조정하는 것이다.

상기 대전기(40)는 액적(D)이 관통하도록 형성된 대전관(charging ring: 41)을 구비한다. 이 대전관(41)은 전원 공급기(52)로부터 전원을 공급받는다. 이 때, 본 발명에 의하면, 상기 대전관(41)과 전원 공급기(52)의 사이에는 대전관(41)에 공급되는 전기 신호를 제어하는 전력 제어기(42)를 더 설치할 수 있다. 이 전력 제어기(42)는 상기 신호 발생기(27)와 연결될 수 있는 데, 신호 발생기(27)로부터 액적을 형성하기 위하여 압전소자(22)에 입력되는 신호의 한 파장에 해당하는 시간동안 접지시켜 대전되지 않은 액적을 생성할 수 있다. 따라서, 이렇게 전력 제어기(42)를 통해 대전되지 않은 액적(D1)과 대전된 액적(D2)을 형성할 수 있으며, 대전되지 않은 액적(D1)은 편향기(50)의 영향을 받지 않고 비행할 수 있게 된다.

대전기(40)를 통과한 액적은 편향기(50)를 통과한다. 상기 편향기(50)는 전원 공급기(52)에 연결된 편향플레이트(51)를 구비하며, 이 편향 플레이트(51)는 어느 하나는 양극으로, 다른 하나는 음극으로 대전되어 이를 통과하는 대전된 액적(D2)을 편향시켜 그 비행 경로를 조정할 수 있다.

다음으로는, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 액적 발생장치의 작용을 설명한다.

먼저, 도 1에서 볼 수 있듯이, 압력 조절기(13)의 가압에 의해 저장조(12)로부터 소정의 액체가 챔버(10)로 공급된다. 이 때, 챔버(10)에는 액체(L)가 가득 채워지는 것이 바람직하다.

챔버(10)로 공급된 액체(L)는 압력 조절기(13)의 가압력에 의해 오리피스(30)를 통과하여 액주(液柱: P)의 형태로 토출되는 데, 이 때, 토출되는 액주(P)의 속도는 압력 조절기(13)의 가압력에 의존한다.

이 상태에서, 신호 발생기(27)로부터 소정의 싸인파형의 전기신호가 증폭기(28)를 거쳐 압전소자(22)에 공급되면 이에 따라 압전 소자(22)의 압전물질(24)은 진동을 하게 되고, 이 진동은 도 2에서 볼 수 있듯이, 지수함수적으로 감소한 진동 바아(21)를 통해 챔버(10) 내의 액체에 전달된다. 이 때, 진동 바아(21)를 통해 전달되는 진동은 진동 바아(21)의 상술한 바와 같은 특성으로 인해 더욱 효율적으로 액체에 전달될 수 있다.

상기와 같이 진동이 가해지면, 이 진동은 오리피스(30)를 빠져 나가는 액체에 전달되는 데, 이 때, Rayleigh의 불안정성 이론에 따라 액주(P)로부터 균일 크기의 액적이 생성된다.

생성된 액적(D)은 양전하로 대전된 대전관(41)을 통과하면서 음전하로 대전되고, 수 kV의 강한 전기장을 띠는 두 개의 평행한 편향 플레이트(51)의 사이를 통과하면서 전자기력을 받아 경로가 휘어지게 된다.

이 때, 전술한 바와 같이, 전력 제어기(42)를 통해 대전관(41)을 통과하는 액적을 대전되지 않은 액적(D1)과 대전된 액적(D2)으로 형성시킬 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 외부 가진기의 진동을 챔버의 액체에 보다 효과적으로 전달할 수 있어, 전체 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 진동 전달의 효율성으로 인해 보다 균일한 크기의 액적을 생성할 수 있다.

셋째, 오리피스 부근에서의 액체의 난류 발생을 최소화하여 균일한 액적을 형성할 수 있다.

넷째, 액적의 대전 상태를 보다 쉽게 조절하여, 대전되지 않은 액적과 대전된 액적의 생성을 조절할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 액적 발생장치의 개략적인 구성도.

도 2는 도 1의 Ⅰ부분에 대한 부분 확대 단면도,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10; 챔버 11: 개구부

12: 저장조 13: 압력 조절기

20: 가진기 21: 진동 바아

22: 압전소자 23: 전극

24: 압전물질 25: 실링 패드

30: 오리피스 40: 대전기

41: 대전관 42: 전력 제어기

50: 편향기 51: 편향 플레이트

Claims (7)

1. 액체가 수용되는 챔버;

   상기 챔버로부터 액체를 토출시키는 오리피스; 및

   상기 챔버 내의 액체에 진동을 가해 상기 오리피스로부터 토출되는 액체를 액적으로 형성하는 것으로, 진동을 발생하는 압전소자와, 상기 압전소자를 향한 부분과 상기 액체를 향한 부분의 두께가 서로 다르게 형성되어 상기 압전소자의 진동을 전달하기 위한 진동 바아를 구비한 가진기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 진동 바아의 상기 압전소자를 향한 부분의 두께를 S1이라 하고, 상기 액체를 향한 부분의 두께를 S2라 할 때, 상기 S1이 S2보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 진동 바아는 그 두께가 상기 S1으로부터 상기 S2까지 지수함수적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 진동 바아의 길이를 x라 하고, 상기 가진기로부터 발생되는 진동의 주파수에 따른 파장의 함수를 ε이라 할 때, 상기 S1과 상기 S2는 수학식 1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 오리피스는 적어도 그 내표면이 루비로 구비된 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 오리피스로부터 토출된 액적을 대전시키는 대전기와, 상기 대전된 액적의 비행 궤도를 조정하는 편향기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 대전기는 전력 제어기를 더 구비하고, 상기 전력 제어기는 상기 압전소자에 입력되는 전기신호의 파장에 대응하여 상기 대전기를 접지시켜 소정량의 대전되지 않은 액적을 생성하는 것을 특징으로 하는 액적 발생장치.