[논문]터빈 로터 반사각에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능에 관한 수치 해석

이정호; 이상도; 김귀순

터빈 로터 반사각에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능에 관한 수치 해석
Numerical Analysis on Performance of Dental Air Turbine Handpiece for Various Reflection Angles of Turbine Rotor 원문보기

이정호 (부산대학교 항공우주공학과) , 이상도 (부산대학교 항공우주공학과) , 김귀순 (부산대학교 항공우주공학과)

Dental high-speed air turbine handpieces have been used as a dental cutting tool in clinical dentistry for over 50 years, yet little study has been reported on their flow and performance analysis. Therefore it is necessary to investigate turbine for the performance improvements of an air turbine handpiece. This paper presents pressure on turbine rotor and flow analysis in air turbine handpiece using CFD (computational fluid dynamics). Characteristics on each flow and pressure for four various reflection angles of turbine rotor are presented, and then performance change is analyzed about air turbine handpieces by CFD results.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

터빈 로터의 형상에 따라 핸드피스 성능이 좌우될 수 있다. 그래서 이 논문에서는 터빈 로터에 따라 핸드피스의 성능이 어떻게 변화하는지 살펴보았다

제안 방법

경계조건으로는 공기 유입부에 3bar의 전압력, 293K의 전온도, V_x/|V|⁼¹의 유동각을 설정해주고 계산영역 출구에 대기압(1bar)의 정압력을 부여하였다.
수치해석을 하는데 있어서 있어 우선 터빈이 고정된 형태로 있다는 전제하에 정상상태 조건으로 계산하였다. 노즐로 들어오는 유동이 큰 간섭을 받지 않고 로터에 부딪힐 수 있도록 터빈각도를 고정하였다.
본 연구에서는 유한체적법(FVM)을 기반으로 개발된 상용 코드인 FINE TM/Turbo를 이용하여 수치적 해석을 하였다. 수치해석을 하는데 있어서 있어 우선 터빈이 고정된 형태로 있다는 전제하에 정상상태 조건으로 계산하였다.
본 연구에서는 유한체적법(FVM)을 기반으로 개발된 상용 코드인 FINE TM/Turbo를 이용하여 수치적 해석을 하였다. 수치해석을 하는데 있어서 있어 우선 터빈이 고정된 형태로 있다는 전제하에 정상상태 조건으로 계산하였다. 노즐로 들어오는 유동이 큰 간섭을 받지 않고 로터에 부딪힐 수 있도록 터빈각도를 고정하였다.
외곽 케이스 주변과 공기 유입로, 배출로 부분을 제외한 터빈 주위에 회전조건을 주어 0rpm과 300000rpm 의 두 조건으로 계산을 실행하였다.
우선 로터를 회전시키지 않은 상태로 경계조건을 주고 수치적 계산을 하였다. FINE TM/Turbo를 이용한 전산해석 후 반사각이 90˚-120˚로 변화하는데 따른 압축 공기에 의한 로터에 걸리는 정압력의 분포는 Fig.
6mm 정도 이다[4]. 전체적인 터빈부의 치수는 현재 시중에 사용되는 있는 핸드피스 제품을 기본 모델로 하였다. Fig.

이론/모형

또한, 수렴을 가속시키기 위해 3단계의 다중격자법(multigrid method)을 적용하였다. 난류모델로는 전체 계산시간 절약을 위해 Baldwin-Lomax 을 사용하였는데 이는 간단한 대수 모델로 유동의 박리나 와류의 발산을 부정확하게 예측할 수 있으나 전체적인 유동특성의 모사에는 큰 무리가 없을 것으로 판단되었다[7].
수치적 기법에 있어서는 시간에 대해서 4차 explicit Runge-Kutta 적분법을 적용하였고, 공간에 대해서 중심차분법을 이용하였다. 또한, 수렴을 가속시키기 위해 3단계의 다중격자법(multigrid method)을 적용하였다. 난류모델로는 전체 계산시간 절약을 위해 Baldwin-Lomax 을 사용하였는데 이는 간단한 대수 모델로 유동의 박리나 와류의 발산을 부정확하게 예측할 수 있으나 전체적인 유동특성의 모사에는 큰 무리가 없을 것으로 판단되었다[7].
전체적인 계산에서는 Turbulent Navier-Stokes 방정식이 사용되었다. 수치적 기법에 있어서는 시간에 대해서 4차 explicit Runge-Kutta 적분법을 적용하였고, 공간에 대해서 중심차분법을 이용하였다. 또한, 수렴을 가속시키기 위해 3단계의 다중격자법(multigrid method)을 적용하였다.
전체적인 계산에서는 Turbulent Navier-Stokes 방정식이 사용되었다. 수치적 기법에 있어서는 시간에 대해서 4차 explicit Runge-Kutta 적분법을 적용하였고, 공간에 대해서 중심차분법을 이용하였다.

성능/효과

Table. 2를 보면 로터의 평균 정압력이 90˚에서 증가하여 110˚정도에서 일정한 값을 보이는 데 이를 보아 110˚ 이상의 로터의 반사각에서는 유동이 로터 옆으로 빠져나가 유입되는 유동에 간섭이 줄어드는 것으로볼 수 있다.
결론적으로 핸드피스의 성능을 증가시키기 위해서는 반사된 유동의 간섭 영향을 감소시키고 유체 운동량의 전달시간을 증가시키는 측면에서 터빈 로터가 110˚ 정도의 입사각만 가지면 될 것으로 판단된다.
또한, 90˚각에서는 유동이 부딪혀 노즐 쪽으로 반사됨으로 인해 들어오는 유동에 간섭을 미쳐 유동이 로터에 운동량을 전달하는 것을 방해 할 것으로 예측되었다. Table.
실제 실험을 통한 분석에는 터빈부의 형상이 일반적으로 쓰이는 터빈보다 아주 작기 때문에 발생하는 제작의 어려움, 공차의 영향으로 인해 결과 데이터가 고르지 못한 점, balancing 과정에서의 터빈 로터의 변형에 따른 문제점 등이 발생하기 때문이다. 전산해석을 이용하여 제작의 문제점 없이 쉽게 로터의 형상을 변화시켜 다양한 결과 데이터를 얻을 수가 있었다.

후속연구

핸드피스 생산의 국산화라는 측면에서 앞으로도 터빈 및 유로 형상에 대한 연구가 더 진행되어야 할 것이며, 수치 해석을 사용한 효율적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

핸드피스의 터빈부분의 역할은 무엇인가?

핸드피스의 터빈부분은 핸드피스가 작동하는 주요 구동부분으로 치아를 깎는 날을 고속으로 회전시켜주는 역할을 한다. 핸드피스의 터빈은 핸드피스와 연결된 공기유입장치에서 나온 압축된 공기에 의해 작동된다.

의료용 고속 에어터빈 핸드피스는 어떤 용도로 사용되는 도구인가?

의료용 고속 에어터빈 핸드피스는 치아를 절삭하는 도구로써 지난 1957년 소개된 이후로 현재까지 치의학 분야에 넓게 사용되어 왔다[1,2]. 이러한 핸드피스의 성능에 대한 연구는 간혹 있어왔지만, 그 수가 많지 않다.

의료용 고속 에어터빈 핸드피스가 치아를 절삭할 수 있는 원리는 무엇인가?

핸드피스의 터빈부분은 핸드피스가 작동하는 주요 구동부분으로 치아를 깎는 날을 고속으로 회전시켜주는 역할을 한다. 핸드피스의 터빈은 핸드피스와 연결된 공기유입장치에서 나온 압축된 공기에 의해 작동된다. 2bar 이상의 고압 공기가 터빈의 로터 부분에 힘을 작용하여 그 힘에 의해 회전된 터빈이 핸드피스의 구동축을 돌리며 치아를 깎게 되는 것이다. 일반적으로 모터를 사용하는 핸드피스가 3,000 ~ 40,000rpm범위에서 사용되는데 반해, 에어터빈 핸드피스는 압축된 공기를 이용함으로써 250,000rpm ~ 500,000rpm범위에서 작동할 수 있어 고속 핸드피스라고 불린다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

터빈 로터 반사각에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능에 관한 수치 해석
Numerical Analysis on Performance of Dental Air Turbine Handpiece for Various Reflection Angles of Turbine Rotor 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

터빈 로터 반사각에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능에 관한 수치 해석 Numerical Analysis on Performance of Dental Air Turbine Handpiece for Various Reflection Angles of Turbine Rotor 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

터빈 로터 반사각에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능에 관한 수치 해석
Numerical Analysis on Performance of Dental Air Turbine Handpiece for Various Reflection Angles of Turbine Rotor 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper