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문제 정의
- 대한 연구가 이루어지고 있다. 또한 단일노즐로 고유량 정전분무가 가능한 홈노즐(grooved noz기e)에 대한 연구가 Duby 등에 의해 진행되었다卜 본 연구에서는 외부 전기장 제어를 통하여 홈노즐간의 반발력을 최소화시켜 홈노즐 간격을 줄이면서 홈노즐 분무특성을 유지할 수 있는 다중 홈노즐 정전분무장치를 제작하고 그 특성을 파악하는 실험을 하였다.
- 본 연구는 스테인리스 스틸 재질의 홈노즐에 일정한 유량으로 에탄올을 인가하고 고유량 정전분무 조건에서 멀티젯모드를 안정적으로 제어하며 그 분무 특성을 평가하였다. 일반 노즐의 불안정한 멀티젯모드 분무 형태와 비교하였을 때 홈노즐은 홈 수만큼의 안정된 단일 콘젯을 홈에 발생시킬 수 있었으며, 일정 전압범위에서 이러한 홈모드 정전분무를 유지할 수 있었다.
제안 방법
- 단일 노즐로도 고유량 정전분무를 발생시킬 수 있는 홈노즐을 익스트랙터를 이용하여 고집적화하고 작동 유량을 극대화할 수 있는 다중 홈노즐정전분무 장치를 구현하였다.
- 단일 홈노즐의 정전분무와 동일한 실험조건에서 5 개의 홈노즐을 이용하여 인가 전압에 따른 정전분무 특성 변화를 측정하였다. 홈모드는 고유량조건에서 보다 안정적이며, 또한 형성되는 전압구간도 넓어지는 특성을 가지고 있기 때문에 각 노즐에 저유량 조건인 6 ml/h 로 에탄올을 공급하고다중 홈노즐 정전분무 특성 실험을 수행하였다.
- 따라서 고유량 정전분무가 가능한 다중 홈노즐을 구현하기 위하여 노즐간의 간격이 10, 20 mm 조건에서 전기장 제어가 가능한 익스트랙터를 설치하고 익스트랙터에 고전압을 인가하여 모든 홈노즐에서 홈모드가 형성되는 다중 홈모드 조건을 알아보았다. 노즐간의 간격이 20 mm 에서는 익스트랙터에 7 kV 를 인가하였을 때부터, 그리고 10mm 에서는 10 kV 를 인가하였을 때부터 다중 홈모드를 형성할 수 있었다.
- 모세관팁 가시화를 위해서 CCD 카메라(TOSHIBA, IK-642K), 고배율 렌즈(OPTEM, ZOOM 70XL), 그리고 광원(Li아it Solution, LS-100W)을 사용하였으며, 이를 이용해 금속 모세관 팁에서 형성되는 액체곡면의 확대영상을 얻어정전분무 모드를 확인하였다. 또한 발생된 젯의 수를 측정하기 위해 He-Ne 레이저(MELLES GRIOT, 1135P)빔(beam)을 두 개의 렌즈에 통과시켜 평면 빔으로 만들어 모세관 팁 하단 5 min 를 통과하게 하였다. 접지판 하단에서 근접 카메라(NIKON, E990)를 이용하여 레이저에 의해 산란된 젯의 형상을 촬영하였다.
- 홈모드는 고유량조건에서 보다 안정적이며, 또한 형성되는 전압구간도 넓어지는 특성을 가지고 있기 때문에 각 노즐에 저유량 조건인 6 ml/h 로 에탄올을 공급하고다중 홈노즐 정전분무 특성 실험을 수행하였다. 먼저 익스트랙터를 설치하지 않고 노즐간의 간격을 25 mm 부터 10 mm 까지 5 mm 씩 줄이면서 분무 특성을 관측하였다. 간격이 줄어들수록 홈노즐간의 전기장 반발력과 정전분무에 의해 발생된고하전 액적들에 의한 공간 전하 효과 등으로 인하여 중심부에 위치한 홈노즐에서의 전기장 세기가 외각 노즐에 비해 크게 약화된다.
- 2 에 나타내었다. 모세관팁 가시화를 위해서 CCD 카메라(TOSHIBA, IK-642K), 고배율 렌즈(OPTEM, ZOOM 70XL), 그리고 광원(Li아it Solution, LS-100W)을 사용하였으며, 이를 이용해 금속 모세관 팁에서 형성되는 액체곡면의 확대영상을 얻어정전분무 모드를 확인하였다. 또한 발생된 젯의 수를 측정하기 위해 He-Ne 레이저(MELLES GRIOT, 1135P)빔(beam)을 두 개의 렌즈에 통과시켜 평면 빔으로 만들어 모세관 팁 하단 5 min 를 통과하게 하였다.
- 접지판 하단에서 근접 카메라(NIKON, E990)를 이용하여 레이저에 의해 산란된 젯의 형상을 촬영하였다. 분무전류 측정은 접지판에 미소전류 측정기(Keithly 6514 Electrometer)를 연결하여 연속적으로 분무되는 전류를 측정하였다. 액적 크기 측정을 위해 Phase Doppler Particle Analyzer(TSI) 와 Ar-ion 레 이 저 (MELLES GRIOT, Air-Cooled 543)를 이용하였다.
- 분무전류 측정은 접지판에 미소전류 측정기(Keithly 6514 Electrometer)를 연결하여 연속적으로 분무되는 전류를 측정하였다. 액적 크기 측정을 위해 Phase Doppler Particle Analyzer(TSI) 와 Ar-ion 레 이 저 (MELLES GRIOT, Air-Cooled 543)를 이용하였다. 정전분무에 발생하는 세틀라이츠(satellites)('心)를 측정에서 배제하고 액적의 증발효과를 최소화하기 위하여 금속모세관 팁으로부터 5 mm 떨어진 곳에서 액적 크기를 측정하였다.
- 유체 공급 장치로는 주사기 펌프(KD Scientific KDS-220)에 5개의 주사기(Hamilton gastight glass, 10 ml)를 설치하고, 테플론(teflon) 관을 주사기 바늘과 홈노즐에 서로 연결하여 각 홈노즐에 동일한 유량을 공급하였다. 두 대의 고전압 발생기(Korea Switching, +30 kV)로 홈노즐과 익스트랙터에 고전압을 독립적으로 인가하였다.
- 전기장을 제어할 익스트랙터는 두께가 2 mm 인스테인리스 스틸 평판에 9 mm 내경을 가지는 홀(hole)을 십자형태로 10 mm 간격으로 가공하였고 홈노즐 팁(tip)과 같은 높이에 설치하였다. 접지판은 발생된 액적이 축적(accumulation)되는 것을 방지하기 위해 링(ring)과 메쉬(mesh)형태의 스테인리스 스틸을 이용하여 직경 20 cm 원판으로 제작하였으며, 홈노즐 지지대와 접지판을 3차원 이송대에 설치하여 홈노즐 팁과 접지판 사이의 간격을 30 mm로 고정하였다.
- 또한 발생된 젯의 수를 측정하기 위해 He-Ne 레이저(MELLES GRIOT, 1135P)빔(beam)을 두 개의 렌즈에 통과시켜 평면 빔으로 만들어 모세관 팁 하단 5 min 를 통과하게 하였다. 접지판 하단에서 근접 카메라(NIKON, E990)를 이용하여 레이저에 의해 산란된 젯의 형상을 촬영하였다. 분무전류 측정은 접지판에 미소전류 측정기(Keithly 6514 Electrometer)를 연결하여 연속적으로 분무되는 전류를 측정하였다.
- 전기장을 제어할 익스트랙터는 두께가 2 mm 인스테인리스 스틸 평판에 9 mm 내경을 가지는 홀(hole)을 십자형태로 10 mm 간격으로 가공하였고 홈노즐 팁(tip)과 같은 높이에 설치하였다. 접지판은 발생된 액적이 축적(accumulation)되는 것을 방지하기 위해 링(ring)과 메쉬(mesh)형태의 스테인리스 스틸을 이용하여 직경 20 cm 원판으로 제작하였으며, 홈노즐 지지대와 접지판을 3차원 이송대에 설치하여 홈노즐 팁과 접지판 사이의 간격을 30 mm로 고정하였다.
- 액적 크기 측정을 위해 Phase Doppler Particle Analyzer(TSI) 와 Ar-ion 레 이 저 (MELLES GRIOT, Air-Cooled 543)를 이용하였다. 정전분무에 발생하는 세틀라이츠(satellites)('心)를 측정에서 배제하고 액적의 증발효과를 최소화하기 위하여 금속모세관 팁으로부터 5 mm 떨어진 곳에서 액적 크기를 측정하였다. 각각의 실험조건에 대해 10000 번씩 측정을 하여 소프트웨어 (TSI FSA3500 Flow Sizer)를 이용하여 평균 액 적 크기를 계산하였다.
- 정전분무 특성을 평;7?하기 위하여 모세관 팁 가시화, 인가전압 및 공급유량에 따른 정전분무 모드, 분무 전류, 그리고 액적 크기를 측정하였다.
- 특성 변화를 측정하였다. 홈모드는 고유량조건에서 보다 안정적이며, 또한 형성되는 전압구간도 넓어지는 특성을 가지고 있기 때문에 각 노즐에 저유량 조건인 6 ml/h 로 에탄올을 공급하고다중 홈노즐 정전분무 특성 실험을 수행하였다. 먼저 익스트랙터를 설치하지 않고 노즐간의 간격을 25 mm 부터 10 mm 까지 5 mm 씩 줄이면서 분무 특성을 관측하였다.
대상 데이터
- 작동 유체는 에탄올(ethanol)을 사용하였으며, 전기전도도(electric conductivity)는 정전분무에 적합한 lxlO-5 S/m 이다.
- 홈노즐 정전분무 실험을 위해 내경 L6 mm, 외경 3.2 mm 인 스테인리스 스틸(stainless steel) 모세관을 사용하였다. 모세관의 팁에 wire electro-dischaige machining(EDM) 가공법을 이용하여 Fig.
데이터처리
- 정전분무에 발생하는 세틀라이츠(satellites)('心)를 측정에서 배제하고 액적의 증발효과를 최소화하기 위하여 금속모세관 팁으로부터 5 mm 떨어진 곳에서 액적 크기를 측정하였다. 각각의 실험조건에 대해 10000 번씩 측정을 하여 소프트웨어 (TSI FSA3500 Flow Sizer)를 이용하여 평균 액 적 크기를 계산하였다.
이론/모형
- 2 mm 인 스테인리스 스틸(stainless steel) 모세관을 사용하였다. 모세관의 팁에 wire electro-dischaige machining(EDM) 가공법을 이용하여 Fig. 1 과 같이 폭이 0.5 mm, 깊이 가 0.5 mm 인 12개의 홈(groove)를 만들었다.
성능/효과
- Fig. 10(b)는 노즐 간격이 10 mm 일 때 분무형상을 나타낸 것으로 안정적인 다중 홈모드를 형성하고 있음을 확인할 수 있으며, cm2 당 발생시킬 수 있는 젯의 수가 12 개로 정전분무의 집적도가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
- 이러한 현상은 노즐 간격이 줄어들수록 더 심화되어 Fig. 8(b)와 같이 간격이 10 mm 인 경우 중심 홈노즐에서는 서브홈모드가 형성되었음에도 불구하고 외각 노즐에서는 슈퍼 홈모드가 발생하였으며 중심 홈노즐에서 홈모드를 형성시키기 위해 전압을 더 인가하게 되면 코로나방전 현상이 발생하는 히싱모드가 나타난다. 노즐간의 최대 간격인 25 mm 조건에서도 5개의 홈노즐에서홈모드 정전분무를 동시에 형성시킬 수 없었다.
- 11 에 나타내었다. 개시(onset) 전압과 붕괴(collapse) 전압 사이에서 다중 홈모드가 발생하며, 노즐간의 거리가 가까워질수록 다중 홈모드를 형성하기 위한 익스트랙터 인가전압이 증가하고 다중 홈모드 형성 전압구간은 좁아진다는 것을 확인하였다. 다중 홈모드가 발생할수 있는 익스트랙터의 최소 인가전압보다 낮은 전압을 인가한 경우에는 Fig.
- 9 는 노즐 간격이 10 mm 일 때 다중 홈모드 분무 형태를 나타낸 것이며, 익스트랙터에 의한 분무 액적의 손실이 없는 것을 알 수 있다. 그리고 익스트랙터에 의해 발생하는 축방향 전기장으로 인해, 분무 액적이 이루는 분무각이 줄어든 것을 확인하였다.
- 반면에 익스트랙터를 홈노즐 팁과 같은 높이에 설치하여 고전압을 인가한 경우 다중 홈모드를 구현할 수 있었다. 노즐 간격이 줄어들수록 익스트랙터에 인가해야 하는 전압이 높아졌으며, 다중 홈모드를 형성할 수 있는 홈노즐 인가전압 범위도 좁아졌다. 익스트랙터를 설치한 다중 홈노즐 장치를 통해 홈노즐 팁과 접지판 사이의 거리가 30mm 인 조건일 때 10 mm 노즐 간격에서 다중 홈모드를 구현하였으며, cm? 당 12 개의 젯을 발생시킬 수 있다.
- 반대로 더 높은 전압을 익스트랙터에 인가하는 경우에는 다중 홈모드를 형성하기 위해 필요한 홈노즐 인가전압이 증가하며, 다중 홈모드 형성 전압구간도 넓어진다. 또한 분무되는 액적의 초기 속도가 증가하며 액적들이 형성하는 분무각이 더욱 줄어드는 것을 알 수 있었다.
- 이를 홈모드(grooved mode)라 한다. 또한 인가되는 전압이 증가하여도 분무전류가 일정하게 유지되는 콘젯모드 특성을 홈모드도 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 홈모드에서 전압을 더 높여주면 분무 전류가 급격히 떨어지고 젯의 수가 홈 수보다 많아지는 슈퍼 홈모드(super-grooved mode)가 발생한다.
- 7 은 홈모드에서 유량에 따른 액적 크기를 측정한 것이다. 실험에 사용된 홈노즐은 최대 80 ml庄 의 유량조건에서 안정된 홈모드를 형성시킬 수 있으며, 홈모드에서 발생하는 액적 크기도 유량 증가에 따른 액적 크기 증가가 콘젯모드와 유사함을 가진다.
- 4 C/m3 로 측정되었다. 홈노즐을 이용하여 유량이 최대 80 mVh 까지 안정적인 홈모드를 형성할 수 있었으며, 유량 증가에 따른 액적크기 증가는 일반적인 콘젯모드 정전분무에서의 액적 크기 특성과 동일하였다.
- 5 는 유량에 따른 홈모드에서의 분무 전류측정값을 비전하량으로 변환하여 나타낸 것이다. 홈모드 정전분무 전류 특성도 일반적인 콘젯모드정전분무와 같이 유량이 증가함에 따라 비전하량이 감소하는 것을 알 수 있으며, 전체적으로 높은 비전하량 값을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
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