[논문]스핀들 모드하의 전기수력학적 미립화를 통한 균일 미세액적 생성

이상용; 김명찬; 김상수; 김유동

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.7.923

[국내논문] 스핀들 모드하의 전기수력학적 미립화를 통한 균일 미세액적 생성
Generation of uniform Fine Droplets Under Spindle Mode in Electrohydrodynamic Atomization 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.25 no.7 = no.190, 2001년, pp.923 - 932

이상용 (한국과학기술원 기계공학과) , 김명찬 (한국과학기술원 기계공학과) , 김상수 (한국과학기술원 기계공학과) , 김유동

Abstract ▼ AI-Helper

A series of experiments were conducted to generate fine liquid(water) drops through the electrohydrodynamic atomization process. The atomization mode depended on flow rate and DC voltage input. For water, having electric conductivity larger than 10(sup)-7S/m, the spindle mode turned out to be the only mode to generate uniform-size drops within the range of 30-450 microns that have wide applications. Within this mode, both the uniformity and the fineness of drops were improved at an optimum voltage input for a given flow rate. This optimum voltage increased with increasing of the liquid flow rate. Another important parameter considered was the nozzle material with different electric conductivity and liquid wettability. A stainless-steel nozzle (the material with high electric conductivity and high liquid wettability) and a silica nozzle (the electrically non-conducting material with low liquid wettability) were tested and compared; and more uniform drops could be obtained with the silica nozzle.

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문제 정의

그러나, 아직까지 기존 연구자들은 스핀들 모드에서 균일 액적을 얻을 수 없었고 균일 액적을 얻을 수 없는 이유를 명확하게 설명하지 못했다. 따라서, 현재 연구의 목적은 액적 형성 과정의 가시화, 입경 분포, 방전전류, 비전하량 등의 측정을 통해 균일 액적을 만들 수 있는 공급 유량, 입력전압, 노즐 재질 등의 실험 조건을 찾고 그 이유를 밝히는 것이다.

가설 설정

75kV에서의 평균 입경 (Fig. 4(b)의 입 경 분포)보다 증가한다.

제안 방법

공급 액체로는 전기전도도 LOxlCT4 S/m인 초 정수(ultra pure water)를 사용한다. 노즐 재질 의 영향을 보기 위해서 SUS 노즐과 silica 노즐을 시험한다. SUS 노즐의 내경 및 외경은 각각 0.
입경 분포를 측정하기 위해서는 영상처리 기법을 이용한 PAMA(particle motion analyzer system, V-Tek)가 사용되었다. 노즐과 접지전극(Cu 판) 사이의 방전 전류(discharge current)는 멀티 미터(HP 3458A)를 사용해 측정했다. 단위 시간당 액적 형성 회수의 측정을 위해서는 레이저 다이오드, 집광 렌즈 그리고 광 다이오드로 구성된 측정 장치가 사용되었다.
SUS 노즐을 사용한 경우에 최소 평균 입경을 가지는 입력전압 조건(Fig. 7의 점 A)과 silica 노즐을 사용한 경우에 최소 평균 입경을 가지는 최저 입력전압 3.4kV(Fig. 7의 점 B)의 입경 분포를 Fig. 8 에서 비교해 보았다. Fig.
스핀들 모드가 나타나는 공급 유량 및 입력전압 범위를 찾고 이 영역에서 공급 유량 및 입력전압 변화가 액적 형성에 미치는 영향을 살펴보았다. 두 가지 재질의 노즐을 사용하여 비교하였고 그 결과 silica 노즐을 사용한 경우에 대전 된 균일한 액적을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

대상 데이터

1과 같다. 실험 장치는 노즐에 분사 액체를 공급하는 액체 공급 부와 노즐과 접지전극 간에 전압을 걸어주는 고전 압 공급부 그리고 측정 장비로 구성된다. 원하는 공급 유량을 일정하게 공급하기 위해 주사기 펌프(syringe pump, Orion model 305)< 사용하였으며 , 고전압 공급을 위해서는 최대 전압 30 kV 와 최대 전류 5 mA 를 갖는 DC 고전압 전원 공급기(DC high voltage supply, KSC Co.
접지전극과 노즐 사이의 축 방향 거리는 8 mm 고정하였다. 공급 액체로는 전기전도도 LOxlCT4 S/m인 초 정수(ultra pure water)를 사용한다. 노즐 재질 의 영향을 보기 위해서 SUS 노즐과 silica 노즐을 시험한다.
노즐과 접지전극(Cu 판) 사이의 방전 전류(discharge current)는 멀티 미터(HP 3458A)를 사용해 측정했다. 단위 시간당 액적 형성 회수의 측정을 위해서는 레이저 다이오드, 집광 렌즈 그리고 광 다이오드로 구성된 측정 장치가 사용되었다.

이론/모형

1K537K)와 10 msec 의 섬광 시간을 가지는 스트로보에 의해 얻어지고 컴퓨터에 저장되었다. 액주 형성 과정을 연속적으로 관찰하기 위해서는 고속카메라 (Kodak Ektapro hi-spec Motion analyzer, Model 1000-E)가 사용되었다. 비디오 카메라의 기록율(recording rate)은 12000frames/sec 고 영상의 해상도는 256x192이다.
비디오 카메라의 기록율(recording rate)은 12000frames/sec 고 영상의 해상도는 256x192이다. 입경 분포를 측정하기 위해서는 영상처리 기법을 이용한 PAMA(particle motion analyzer system, V-Tek)가 사용되었다. 노즐과 접지전극(Cu 판) 사이의 방전 전류(discharge current)는 멀티 미터(HP 3458A)를 사용해 측정했다.

성능/효과

8(b)에 비하여 상대적으로 입경 분포가 넓어진다. 따라서 노즐의 재질로 silica를 사용할 경우에 입력전압을 잘 조절한다면 동일한 유량 조건에서도 SUS를 재질로 사용할 경우에 비하여 좀 더 균일한 입경을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이 현상을 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
12는 SUS 노즐 및 silica 노즐을 사용한 경우에 입력전압 변화에 따른 비전하량의 변화를 보여준다. 전체적으로 보아서는 입력전압 증가에 따른 비전하량의 증가 기울기가 SUS 노즐을 사용한 경우에는 매우 크고 silica 노즐을 사용한 경우에는 완만하다. 그런데 silica 노즐을 사용한 경우에 스핀들 모드가 시작되는 입력전압(3.
스핀들 모드가 나타나는 공급 유량 및 입력전압 범위를 찾고 이 영역에서 공급 유량 및 입력전압 변화가 액적 형성에 미치는 영향을 살펴보았다. 두 가지 재질의 노즐을 사용하여 비교하였고 그 결과 silica 노즐을 사용한 경우에 대전 된 균일한 액적을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 얻어진 결론을 정리하면 다음과 같다.
(1) 물을 사용한 경우에 스핀들 모드는 미세한 미립 화 액적을 얻을 수 있는 최적의 모드로 판단된다.
(2) 스핀들 모드 영역에서 입력전압이 증가함에 따라 평균 입경은 감소했다가 증가하므로 최소 평 균 입경을 가지는 입력전압이 존재하고 이 입력전 압은 공급 유량이 작을수록 낮은 입력전압에서 나타난다.
(4) Silica 노즐을 사용한 경우에 SUS 노즐을 사용한 경우보다 균일한 액적을 얻을 수 있었다. 그 이유는 silica 노즐이 SUS 노즐에 비해 액체 콘을 형성하기 쉬우므로 액체 콘을 만들기 위해 더 낮은 입력전압이 요구되고 입력전압이 낮아지면 방전전류의 변화폭과 크기가 상대적으로 작아지므로 액주 형성과 액주로부터의 액적 형성이 좀 더 규칙적으로 되기 때문이다.
(5) Silica 노즐을 사용한 경우에 스핀들 모드가 시작되는 입력전압에서 측정된 평균 입경, 액적 형 성 회수 측정을 통해 얻어진 입경, Rayleigh 한계치의 1/2로 계산된 입경이 15% 이내에서 모두 일치하는 좋은 결과를 얻었다. Silica 노즐을 사용하고 스핀들 모드가 나타나는 공급 유량 및 입력전압 에서 액적을 만들면 작고 균일한 액적을 얻을 수 있고 비전하량으로부터 액적의 크기를 예측할 수 있다.

후속연구

따라서, 페인팅, <璀)농약 살포, °)연료 분사, 心) 공해 제어, (6~8) 액체 금속 분무, (9) 잉크젯 프린터, (I。) 콜로이드 생성, 파우더 제조, 心”)필름 생성, (呻5)등에 넓게 적용될 수 있다. 또한, 균일 액적의 생성은 액체의 운동, 증발, 건조, 연소 등의 연구에 필수적이고 매우 작고 균일한 액적의 경우에는 흡입 치료(inhalation therapy), 소독(disinfection), 방사능 차폐(protection against radioactive contamination) 등에 응용될 수 있다. Table 1은 DC 전기장을 적용할 때 나타나는 액체 분열 모드를 보여주고 있다.
따라서, 스핀들 모드는 미세한 미립 화 액적을 얻을 수 있는 최적의 모드로 판단된다. 앞으로 30-450마이크론 크기의 액적을 얻기 위한 실험은 스핀들 모드가 나타나는 공급 유량 및 입력전압으로 제한한다. 입력전압 및 공급 유량 변화에 따른 액적 형성 모드의 선도를 Fig.

참고문헌 (21)

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