[논문]PIV를 이용한 중방식 도장용 에어리스 팁의 분사패턴 분석

윤순현; 최효성; 김동건; 김봉환; 조승완

doi:10.5574/ksoe.2014.28.2.177

PIV를 이용한 중방식 도장용 에어리스 팁의 분사패턴 분석
Analysis on Spray Pattern of Airless Tip for Heavy Duty Coating Using Particle Image Velocimetry 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.28 no.2 = no.117, 2014년, pp.177 - 184

윤순현 (부산대학교 기계공학부) , 최효성 (부산대학교 기계공학부) , 김동건 (경남과학기술대학교 자동차공학과) , 김봉환 (경남과학기술대학교 자동차공학과) , 조승완 (더 시스템 기업부설 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Heavy duty coating is playing an important role in the field of heavy industry in the development of the shipbuilding and plant industries. Heavy duty coating has the very important function of protecting steel under serious corrosive conditions. The airless tip used for heavy duty coating is an essential part that determines the spray pattern of the paint. This research investigated the injection properties of three airless tips(numbers 521, 523, and 525) by using particle image velocimetry(PIV). The velocity and turbulent intensity according to pressure change with each tip type were investigated by using PIV. If the pressure is greater, the turbulent intensity becomes stronger and the break up of particles becomes bigger as the tip number gets smaller. The velocity is the fastest in the center and decreases in the radial direction.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 중방식 도장에서 사용되는 에어리스 팁에 대한 분사특성을 입자영상유속계를 이용하여 구명하고, 팁 내부와 오리피스 설계에 대한 자료를 제공하고자 한다.
이것은 입자 화상의 강도가 최대화되도록 맞추어야 할 뿐만 아니라 이중 펄스 방식에 있어서는 각 펄스에서의 입자화상의 강도가 서로 같아지도록 조절하여야 한다. 또한 입자 화상으로부터의 속도벡터 분석 방법인 자기 상관 기법 및 상호 상관 기법을 적용할 때 입자 화상에 의한 오차를 최소화하기 위한 것이다. 그리고 펄스 시간 간격은 레이저 펄스 간의 실질적인 시간간격을 나타낸 것으로 입자화상에서 입자들의 화상 내 변위를 결정짓는다.

가설 설정

Settles 등은 가시화를 통해 에어리스 팁에서 분사되는 수성 라텍스 도료(Waterborne latex coating) 스프레이의 거동에 대해 설명하였다. 물리적 모델을 설명하기 위해 에어리스 팁에서 분사된 라텍스 도료의 액막은 공기역학적 파동에 의해 분열이 되며, 스프레이 액적들은 x-z평면에 대해 준 2차원의 유동형태를 갖는다는 가정을 하였다. 큰 입경을 갖는 액적들은 충분한 운동량으로 벽면과 충돌 후 생성된 평행한 공기의 유동을 뚫고 벽면과 충돌한다고 하였다.

제안 방법

Mulhem 등은 선형분무노즐에서 분사되는 현탁액(Suspension)에 분산되어 있는 고형성분의 입경과 혼합비율, 분사압력에 따른 액막의 분열길이, 분사폭, 분사각과 같은 미립화 특성을 측정하였다. 또한 액막의 분열지점에서 액막의 두께와 고형성분의 크기를 비교하였다(Mulhem et al., 2003).
본 연구는 중방식 도장용 에어리스 팁 521, 팁 523, 팁 525의 분사압력 변화에 따른 속도와 난류강도를 PIV를 이용하여 분사 패턴을 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
15는 팁의 종류에 따라 분사폭을 팁의 출구 거리에 따라 나타낸 것이다. 분사폭의 결정은 분류 반폭을 토대로 파악하였다. 분류반폭은 중심부 속도의 값에 0.
중방식 도장에 사용되는 에어리스 팁은 물을 이용하여 성능 평가를 수행하기 때문에 본 실험에서도 실제 성능평가와 동일한 조건에서 비교하기 위해 물을 사용하여 실험을 수행하였다. 실험 조건은 분사시 사용되는 압력과 분사팁의 종류로, 분사 압력은 6MPa, 8MPa, 10MPa로 설정하였고, No. 521, No. 523, No. 525 팁을 선정하여 분사시 발생하는 속도 및 난류강도를 측정하여 분사패턴을 파악하였다. 실험은 에어리스 팁을 통해 물이 측정구간으로 분사되고 레이저는 원통형 렌즈와 구형렌즈를 통해 실험에 적당한 광량을 가지고 측정구간에서 조사된다.
525 팁을 선정하여 분사시 발생하는 속도 및 난류강도를 측정하여 분사패턴을 파악하였다. 실험은 에어리스 팁을 통해 물이 측정구간으로 분사되고 레이저는 원통형 렌즈와 구형렌즈를 통해 실험에 적당한 광량을 가지고 측정구간에서 조사된다. 고성능 CCD 카메라를 이용하여 분사 이미지를 획득한다.
중방식 도장에 사용되는 에어리스 팁은 물을 이용하여 성능 평가를 수행하기 때문에 본 실험에서도 실제 성능평가와 동일한 조건에서 비교하기 위해 물을 사용하여 실험을 수행하였다. 실험 조건은 분사시 사용되는 압력과 분사팁의 종류로, 분사 압력은 6MPa, 8MPa, 10MPa로 설정하였고, No.
최대 상호상관계수를 구하기 위한 탐색영역(Interrogation window)의 크기는 32×32 pixels이고, 50%의 겹침을 허용하였다.

대상 데이터

ND:Yag 레이저 소스로부터 나온 레이저광은 광학전용 거울, -15mm의 원통렌즈(Cylindrical lens) 그리고 1000mm의 구형렌즈(Spherical lens)를 통과하여 시험단면에 조사된다. CCD 카메라에는 Nicon 50mm 표준렌즈(F1.4G)를 부착시켜 영상의 왜곡오차를 최소한으로 줄였고, CCD 카메라의 유속측정구간(Field of view)은 가로 0.2m, 세로 0.2m에서 입자 영상을 획득하였다.
Fig. 3은 본 실험에서 사용된 실험 장치로, 크게 도료 공급부, 도료 분사부, 측정 장치부로 구성되어 있다. 도료 공급부는 도료에 높은 압력을 가해주는 펌프로, 유압식 도장펌프(Hydraulic paint spray pump)를 사용하였다.
실험은 에어리스 팁을 통해 물이 측정구간으로 분사되고 레이저는 원통형 렌즈와 구형렌즈를 통해 실험에 적당한 광량을 가지고 측정구간에서 조사된다. 고성능 CCD 카메라를 이용하여 분사 이미지를 획득한다. 이때 획득한 이미지는 총 5000장이며, 이 이미지를 통해 추출 알고리즘인 2화상 상호상관기법을 이용하여 2500장의 순간 속도장을 얻을 수 있다.
3은 본 실험에서 사용된 실험 장치로, 크게 도료 공급부, 도료 분사부, 측정 장치부로 구성되어 있다. 도료 공급부는 도료에 높은 압력을 가해주는 펌프로, 유압식 도장펌프(Hydraulic paint spray pump)를 사용하였다. 유압식 도장펌프는 공압식 도장펌프에 비해 펌핑시 맥동이 적어 공압식에 비해 일정하게 분사되므로 본 연구의 실험에 적합하며 펌프의 최대허용 압력은 30MPa 이다.
유압식 도장펌프는 공압식 도장펌프에 비해 펌핑시 맥동이 적어 공압식에 비해 일정하게 분사되므로 본 연구의 실험에 적합하며 펌프의 최대허용 압력은 30MPa 이다. 도료 분사부는 분사되는 패턴과 유량을 결정짓는 부분으로 Graco사에서 제작된 에어리스 팁을 사용하였다. 측정 장치부는 분사 속도와 난류강도, 분사패턴을 보기 위한 입자영상유속계(PIV)를 사용하였다.
본 실험에서 사용된 에어리스 팁은 Graco사에서 제작된 것으로, 중방식 도장에서 가장 많이 사용되고 있는 팁인 521, 523, 525를 선정하여 설계 변수를 파악하기 위하여 팁의 중앙 단면 도와 에어리스 팁의 출구형상을 광학현미경을 통해 촬영한 결과를 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다. 에어리스 팁의 오리피스 형상치수는 분사되는 유량과 분사 패턴을 결정짓는 주요 설계 인자이다.
본 연구에서 사용된 입자영사유속계(Particle image velocimetry, PIV) 시스템은 강도가 120mJ/pulse, 파장이 532nm인 이중펄스식의 ND:Yag 레이저 시스템과 1K×1K의 고해상도 Chargecoupled device(CCD) 카메라, 동기화장치(TSI610032) 및 구동용 컴퓨터로 구성되어 있다.
고성능 CCD 카메라를 이용하여 분사 이미지를 획득한다. 이때 획득한 이미지는 총 5000장이며, 이 이미지를 통해 추출 알고리즘인 2화상 상호상관기법을 이용하여 2500장의 순간 속도장을 얻을 수 있다. 두 레이저의 펄스 간격(dt)은 7㎲이다.

데이터처리

최대 상호상관계수를 구하기 위한 탐색영역(Interrogation window)의 크기는 32×32 pixels이고, 50%의 겹침을 허용하였다. 후처리 프로그램을 이용하여 불량요소들을 제거, 속도구배의 계산 및 앙상블 평균 등 통계적 처리를 수행하였다. Fig.

이론/모형

도료 분사부는 분사되는 패턴과 유량을 결정짓는 부분으로 Graco사에서 제작된 에어리스 팁을 사용하였다. 측정 장치부는 분사 속도와 난류강도, 분사패턴을 보기 위한 입자영상유속계(PIV)를 사용하였다.

성능/효과

(1) 모든 종류의 팁에서 분사압력이 클수록 난류강도가 크게 나타나는 것을 관찰하였고, 이는 분사압력이 커짐에 따라 물분자의 입자가 미세하게 쪼개지는 현상이 강하게 일어난 것으로 판단된다.
(2) 팁 521, 523, 525의 z/D_h 거리에 따라 평균속도 분포는 중심부에서 가장 빠르고 반경방향으로 갈수록 속도가 감소한다. 즉, 고압으로 분사 되었을 때 중심에서 공기와의 섞임이 적고 중심에서 벗어날수록 공기와 섞임으로 비산하는 양이 많다.
(3) 팁의 종류에 따른 혼합효과를 파악하기 위해 난류강도의 분포를 통해 구명하였고, 각각의 팁에 대한 난류강도의 특성은 팁의 번호가 작은 경우는 유량이 작고, 입자가 미세하게 쪼개지는 현상이 강하게 일어나기 때문에 난류강도도 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이는 실제 도장 작업시 팁 번호가 작을수록 미세한 도막을 형성한다는 것을 알 수 있다.
(4) 중방식 도장은 큰 면적을 효과적으로 도장해야 하기 때문에 실제 사용해야 하기에는 팁번호가 작은 것보다는 팁번호가 큰 것을 사용하는 것이 도료의 비산량을 줄일 수 있고, 도막의 두께를 두껍게 작업하는데 용이할 것으로 판단된다.
이와 같이 고도의 방식성을 요구하는 중방식 도장시스템에 사용되는 도료를 망라하여 중방식 도료라고 정의 할 수 있다. 즉, 중방식 도료는 두꺼운 도막이 가능하고 내수성, 내염수성, 내산성, 내알카리성 등이 우수하며 자원절약, 저공해의 기능성을 가졌다. 이러한 중방식 도료를 분사하기 위해 사용되는 팁이 에어리스 팁이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어리스 팁이란 무엇인가?	에어리스 팁(Airless tip)은 압축공기 없이 펌프에서 만들어진 고압의 재료가 작은 구멍의 팁을 통과함으로써 고압으로 통과되는 도료가 잘게 쪼개져 분사되게 하는 것으로 팁은 재료가 토출하여 코팅되는 양과 형성되는 패턴의 형태를 결정한다. 높은 내마모성과 내부식성으로 선박이나 철 구조물에 사용되는 중방식 도료의 도장작업에서 사용되고 있다.
	도장의 목적 및 역할은?	중방식 도장(Heavy duty coating)은 도장의 기술 발전과 더불어 조선, 플랜트 산업 즉, 중공업 발전으로 그 중요성이 더욱 커졌다. 도장은 모든 작업의 최종 마무리 단계로 제품의 미관과 기능성 부여, 제품을 보호하는 목적으로 부가 가치를 높이는 중요한 역할을 담당한다. 특히, 국내 조선과 플랜트 산업의 집약적인 발전과 세계 선두자리의 위치에서 중방식 도장의 중요성은 큰 자리를 차지한다.
	중방식 도장시스템이란 무엇인가?	중방식 도료 및 도장의 개념은 다음과 같다. 해상, 해중 수중, 해안공업지역 등과 같이 심한 부식환경에 견딜 수 있는 도장시스템을 말하며, 환경적으로나 경제적으로 보수 도장이 어려운 구조물에 대해 최소 5년에서 최대 10년까지의 견딤성을 가지고 기존의 도장계보다 두꺼운 도막을 얻을 수 있는 도장시스템이다. 이와 같이 고도의 방식성을 요구하는 중방식 도장시스템에 사용되는 도료를 망라하여 중방식 도료라고 정의 할 수 있다.

참고문헌 (8)

Dombrowski, N., Fraser, R.P., 1960. A Photographic Investigation into the Disintegration of Liquid Sheet. Philosophical Trans of the Royal Society of London Series A Math and Physic Science, 12. 35-50.
Kim, J.C., 2006. Trend and Control Technologies of Volatile Organic Compound. Journal of Korea Society for Atmospheric Environment, 22(6). 743-757.
Mulhem, D., Schulte, G., Ali, A.A., 2003. Effect of Solid Particles on Breakup of Suspension Sheets. ICLASS 2003.
Settles, G.S., 1997. A Flow Visualization Study of Airless Spray Painting. ILASS-Americas 97. 145-149.
Snyder H.E, Senser D.W., Lefebvre A.H., 1989. Mean Drop Size from Fan Spray Atomization. Transaction of the American Society of Mechanical Engineers, 111. 342-347.
Son, S.Y., Kim, K.D., 1998. Effect of Coal Particle Size on Coal-water Slurry Atomization. Atomization and Sprays, 8. 503-519.

상세보기
Song, J.H., 2002. Effects of Moisture Contents on Removal Efficiencies of Biofiltration Processes Treating VOCs Found in Paint Spray Booth Emissions. Proceedings of the Korean Society of Civil Engineers, 3333-3336.
Wang, X.F., Lefebvre, A.H., 1987. Mean Drop Sizes from Pressure-swirl Nozzle. Journal of Propulsion, 3(1). 11-18.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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