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가설 설정
- 2배인 50°, 63° 및 76°로 설계 하였다. 스월러 베인각이 50°이하면 스월실 형상비가 1.2인 경우에 스월실 내부에 스월러가 취부될 수 없다는 것과 76° 이상이면 스월러의 베인 부분이 서로 접촉된다는 것을 고려하여 설정하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 노즐의 기하학적인 형상인 노즐 내 스월러 베인각과 스월실 형상비를 변화시켜 단일 및 이중분무를 대상으로 분무각, 액적크기, 속도와 같은 분무특성을 PDA 시스템을 통해 측정하여 비교하였다. 이러한 결과는 미세가공시스템의 산업용 분무 공정에 적합한 분무를 형성시킬수 있는 최적 노즐 실계의 기초자료로 제공될 것으로 기대된다.
- 본 실험에서 사용한 작동유체는 상온의 수돗물을 사용하였고, 예비실험을 통해 분무의 대칭성을 확인하이 횡단면에 대해서 PDA시스템으로 액적의 크기와 속도를 측정하였다. 분사압력은 0.
- 본 연구에서 스월러 베인각과 스월실 형상비 변화에 따른 노즐을 사용하여 분무형상을 가시화하고 분무특성을 분석한 결과는 다음과 같다.
- 스월러 베인 각 Q)은 노즐의 수직중심축과 스월러면이 이루는 각도이다. 본 연구에서 스월러 베인각의 선정은 스월실의 출구부의 수축각(63°)에 대하여 0.8, 1.0, 1.2배인 50°, 63° 및 76°로 설계 하였다. 스월러 베인각이 50°이하면 스월실 형상비가 1.
- 측정된 분무특성은 액적의 축방향 평균속도와 자우터 평균입경 (Sauter Mean Diameter, SMD)로 나타내었다. 분무각은 분무 시의 가시화 사진분석과 패터네이터를 통해 유량이 수집되어지는 영역을 비교분석하여 구하였다.
- 분사압력은 0.4Mfe, 선단거리는 분무 축방향에서 150, 200, 250顺의 단면에 대해 반경방향으로 분무가 존재하는 외곽영역까지 측정하였다. 분무특성의 측정값은 측정체적을 통과하는 액적 5000 개의 평균값으로 하였다.
대상 데이터
- 측정시스템은 레이저를 포함한 송광부, 수광부, 3차원 이송장치, 이송장치 제어기 등으로 이루어져 있다. PDA시스템에서 레이저는 Argon-ion 레이저가 사용되었고 실험시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리는 송광부와 수광부 모두 400mm로 하였다.
- 2는 본 연구에 사용된 Full Cone type 의 압력식 스월노즐과 스월러의 형상 및 3차원 모델링을 나타낸 그림이다. 노즐 제작시 재료로는 가공의 용이함을 위해 금속을 대신해 내피로성, 강인성, 내마모성 등의 우수한 특 징을지니고 있는 폴리아세탈을 사용하였고 노즐은 밀링머신(NCHVN-85FO)을 이용하여 제작하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 노즐의 스월실의 형상비와 스월러 베인각을 나타내고 있다.
- 1은 본 연구에 사용된 실험장치의 개략도를 나타내고 있다. 본 연구에 사용된 실험장치의 구성은 크게 세 부분, 즉 분사시스템, 측정시스템 및 신호처리시스템으로 구성되어 있다. 분사시스템은 저장수조와 정수필터, 펌프및 분사노즐 등으로 구성되어 있다.
- 분사시스템은 저장수조와 정수필터, 펌프및 분사노즐 등으로 구성되어 있다. 측정시스템은 레이저를 포함한 송광부, 수광부, 3차원 이송장치, 이송장치 제어기 등으로 이루어져 있다. PDA시스템에서 레이저는 Argon-ion 레이저가 사용되었고 실험시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리는 송광부와 수광부 모두 400mm로 하였다.
데이터처리
- 분무특성의 측정값은 측정체적을 통과하는 액적 5000 개의 평균값으로 하였다. 측정된 분무특성은 액적의 축방향 평균속도와 자우터 평균입경 (Sauter Mean Diameter, SMD)로 나타내었다. 분무각은 분무 시의 가시화 사진분석과 패터네이터를 통해 유량이 수집되어지는 영역을 비교분석하여 구하였다.
성능/효과
- (1) 스월러 베인각이 증가할수록 분무각이 증가하는 경향이었으며 스월실 형상비가 커질수록 분무각은 감소하였다.
- (2) 스월러 베인각이 증가할수록 축방향 평균속도와 SMD는 감소하였다.
- (3) 스월실 형상비가 증가할수록 축방향 평균속도와 액적크기는 감소하였다. 하지만 스월실 형상비 변화는 분무특성에 근 영향을 미치지 않았다.
- 이것은 노즐 내부의 스월러 베인각이 클수록 분무액적의 반경방향 모멘텀이 증가하기 때문에 분무중심과 분무외곽의 축방향 평균속도의 차이가 상대적으로 적게 발생하기 때문으로 사료된다. 또한 선단거리가 증가할수록 축방향 평균속도는 감소하는 경향이었다. 전체적인 SMD 경향은 분무중심부에서 SMD가 작고 분무외각으로 갈수록 SMD가 증가하는 경향이었다.
- 축방향 평균속도의 전체적인 경향은 분무중심부에서 최대값을 가지고 분무외각으로 갈수록 감소하는 경향이었다. 또한 스월러 베인각이 작을수록 최외각 지점을 제외하고는 축방향 평균속도가 큰 경향이었다. 이것은 노즐 내부의스월러 베인각이 작을수록 분무액적의 축방향모멘텀이 증가하기 때문으로 사료된다.
- 7(b)는 액적크기의 경우로서 산술평균직경인 Dk>으로 나타내었으며, 축방향 속도 분포에 비해 상대적으로 스월실 형상비에 따른 차이는 뚜렷하게 나타나지 않았다. 전체적으로 액적크기가 큰 영역에 분포하는 액적들의 확률분포가 낮고 작은 영역에 분포하는 액적들의 확률분포가 높은 경향으로 나타났다. 큰 차이를 보이지는 않으나 스월실 형상비가 큰 경우에 액적크기가 작은 영역에 분포하는 액적들의 확률분포가 조금 더 높은 것으로 나타나 존재하는 액적의 크기가 작다는 것을 알 수 있다.
- 또한 선단거리가 증가할수록 축방향 평균속도는 감소하는 경향이었다. 전체적인 SMD 경향은 분무중심부에서 SMD가 작고 분무외각으로 갈수록 SMD가 증가하는 경향이었다. 또한 스월러 베인각이 증가할수록 SMD는 감소하였다.
- 4盼일 때 각각 선단거리가 150, 200, 250顺일 때, 스월러베인각에 따른 단일분무의 축방향 평균속도와 SMD를 반경방향 거리에 따라 나타낸 것이다. 축방향 평균속도의 전체적인 경향은 분무중심부에서 최대값을 가지고 분무외각으로 갈수록 감소하는 경향이었다. 또한 스월러 베인각이 작을수록 최외각 지점을 제외하고는 축방향 평균속도가 큰 경향이었다.
후속연구
- 이러한 결과는 미세가공시스템의 산업용 분무 공정에 적합한 분무를 형성시킬수 있는 최적 노즐 실계의 기초자료로 제공될 것으로 기대된다.
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