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포토 커플러

포토 커플러란?

포토커플러(영문: Photo Coupler)는 신호를 입력측에서 출력측으로 전달할 때 입력측 회로와 출력측 회로를 전기적으로 절연된 상태로 전달할 수 있는 소자입니다.

옵토 아이솔레이터(영문: Opto Isolator), 광 아이솔레이터 등으로도 불립니다. 포토 커플러는 입력된 전기 신호를 발광 소자를 통해 일단 광 신호로 변환하고, 그 광 신호를 수광 소자로 전기 신호로 다시 변환하여 출력 신호로 만듭니다.

이는 출력측 회로와 입력측 회로가 전기적으로 연결되지 않은 상태에서도 신호를 전달할 수 있다는 것을 의미하며, 이 높은 절연성이 포토커플러를 이용하는 가장 큰 이유입니다. 또한, 신호 전달 수단으로서는 비교적 수명이 긴 것도 특징 중 하나입니다.

포토커플러의 사용 용도

포토커플러는 절연성과 긴 수명이라는 특성으로 인해 높은 신뢰성이 요구되는 기기에 사용되고 있습니다. 구체적으로 의료용 전자기기 등이 있습니다.

저소음이 요구되는 음향기기나 통신기기에서는 디지털 회로에서 아날로그 회로로 신호를 전송할 때 포토커플러를 통해 아날로그 회로로 노이즈가 유입되는 것을 방지할 수 있습니다.

또한, 모터를 구동하는 기기에도 사용되고 있습니다. 최근에는 인버터 제어의 모터가 널리 사용되고 있지만, 회전 속도 제어에서 노이즈 발생을 피할 수 없습니다. 이 노이즈가 기기에 유입되어 오작동을 일으킬 수 있기 때문에 포토 커플러를 통해 신호를 전달함으로써 모터의 노이즈를 차단합니다.

또한, 서로 독립된 전원으로 동작하는 기기 간의 신호 전달에도 활용됩니다. 특히 플로팅 상태의 기기와 연결할 경우 감전 위험이 있지만, 포토커플러를 통해 연결하면 플로팅 상태의 기기로부터 절연되어 안전성을 확보할 수 있습니다.

포토커플러의 원리

포토 커플러는 앞서 설명한 바와 같이 발광 다이오드 등의 발광 소자와 포토 트랜지스터 등의 수광 소자를 조합한 유닛으로, 외부로부터의 빛을 차단하는 패키지에 이들 소자를 봉쇄한 구조로 되어 있습니다. 발광 소자와 수광 소자는 근접하게 설치되어 발광 소자를 점등하면 수광 소자는 OFF 상태에서 ON 상태로 변화하는데, 이것이 포토커플러에 의한 신호 전달의 원리입니다.

신호를 출력하는 기기는 포토커플러의 입력 단자에 연결하여 발광소자를 점등/소등합니다. 신호를 수신하는 기기는 포토커플러의 출력 단자에 수 Ω의 풀업 저항을 통해 전원과 연결합니다. 이 구성으로 포토커플러의 출력단자는 발광소자가 소등 시에는 전원전압과 같고, 발광소자가 점등되어 있는 동안에는 0.1V~0.3 정도가 됩니다.

즉, 신호를 출력하는 기기에 의한 발광소자의 점등/소등에 따른 펄스가 나타나기 때문에 수신측 기기는 이 펄스를 받아 신호처리를 진행하게 됩니다. 이처럼 포토커플러는 입력측과 출력측의 회로 사이를 빛을 통해 결합하지만, 양측 사이에는 전기적 연결이 없어 절연된 상태입니다.

포토커플러의 종류

포토커플러도 용도에 따라 다양한 소자가 있습니다. 대표적인 소자는 다음과 같습니다.

1. 트랜지스터 출력 포토커플러

포토커플러의 기본적인 구성입니다. 현재도 저렴한 가격, 높은 범용성 등으로 시장에서 가장 많이 사용되고 있습니다. 고변환 효율, 고내압, 저입력 구동 등 다양한 특징을 가진 제품이 있습니다. 기능적으로도 다양하며, 주요 용도로는 신호 절연, 피드백 감지, 절연 스위치 등이 있습니다.

2. IC 출력 포토 커플러

고속성이나 특정 기능을 구현하기 위해 수광 소자를 집적회로로 만든 것입니다. 트랜지스터 출력 타입이 기껏해야 수kHz~수십kHz의 신호 전송이 가능한 반면, 1~50MHz 정도의 고속 신호 전송이 가능하며, IC 출력 포토커플러는 크게 세 가지로 분류할 수 있습니다.

  • 로직 신호의 고속 전송을 목적으로 하는 제품군
  • 외부 파워 소자의 드라이버 기능을 가진 제품군
  • 전류/전압의 피드백 기능을 가진 제품군

3. 트라이액 출력 포토 커플러

가정, 사무실, 공장 등에서 사용되는 100V 또는 200V 상용전원에 직접 연결되는 모터, 솔레노이드 등의 AC 부하를 직접 제어하는 절연 스위치로 사용됩니다. 소자 내압이 큰 트라이액(Triac)을 이용하여 전기적으로 절연하면서 수십mA 정도의 미세한 전류로 AC 부하를 ON/OFF 제어할 수 있습니다.

소자 단독으로는 100mA 정도의 AC 전류만 제어할 수 있지만, 외부 트라이액 드라이버로 사용하면 수A 정도까지 AC 전류를 제어할 수 있습니다.

4. MOSFET 출력 포토 커플러

출력단에 소스 커먼으로 연결된 2개의 MOSFET을 탑재하여 기계식 릴레이와 동등한 기능을 가진 소자로, MOSFET이 전압-전류 특성에서 선형적인 출력 특성을 가지고 있기 때문에 단순한 스위치로서의 기능뿐만 아니라 아날로그 신호의 스위칭 스위치로 동작할 수 있는 것이 특징입니다.

포토커플러의 기타 정보

포토커플러의 출력 변동과 수명

포토커플러의 특성 파라미터로 전류 전달률(CRT)이 있습니다. 전류 전달률은 트랜지스터의 직류 전류 증폭율(hFE)에 해당하는 것으로, 입력 순방향 전류(IF)에 대한 출력 전류(IC)의 비율인데, 다음과 같은 특징이 있습니다.

  • IF에 따라 값이 변한다.
  • 주변 온도의 영향을 받는다.
  • 시간이 지남에 따라 점차 작아진다.

회로 설계 시 이러한 점을 고려해야 합니다. 즉, 환경 변화나 시간 경과에 따라 전류 전달률이 변동하면 출력 전류가 변화하여 회로가 오작동할 수 있습니다. 따라서 신호 레벨의 변동이 영향을 미치지 않도록 IF의 값이나 풀업 저항의 저항값 등을 잘 살펴보는 것이 중요합니다.

또한, 장기간 사용하면 전류 전달률이 점차 낮아져 충분한 신호 출력을 얻을 수 없게 됩니다. 이때가 포토커플러의 수명이 되는데, 전류 전달률이 저하되는 주된 원인은 LED의 열화가 진행되어 발광 효율이 저하되는 것이 주요 원인입니다.

포토커플러의 수명은 소자 제조사의 자료에 명시되어 있으므로 이를 참고하여 기종과 사용조건을 결정해야 합니다.

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핀 헤더

핀 헤더란?

핀헤더는 인쇄 회로 기판 위에 장착하여 사용하는 단자를 말합니다. 사용 예로는 브레드보드에 핀헤더를 장착하여 PICkit을 연결하고 PIC마이컴에 프로그램을 작성할 때 사용합니다.

단자는 금이나 주석으로 도금되어 있습니다. 길쭉한 형태가 많으며, 40개의 핀이 한 줄로 되어 있고, 한 개씩 분리할 수 있도록 되어 있는 경우가 많으며, 커터나 니퍼로 분리합니다. 핀헤더의 직경이 맞지 않으면 기판의 구멍에 끼워지지 않으므로 크기를 잘못 맞추지 않도록 주의해야 합니다.

핀헤더의 사용 용도

브레드보드나 범용 기판과 같은 기판에 부착하여 신호 입력이나 외부와의 연결을 용이하게 하기 위해 핀헤더가 이용되고 있습니다. 전선 대 전선 연결용이 많지만, 회로 전환용 커넥터로도 활용됩니다.

일반적인 2.54mm 피치의 것이 많이 사용되지만 크기와 길이, 한쪽이 L자형으로 구부러진 것 등 다양한 종류가 있습니다.

차량용 제어, 산업기기, 컴퓨터, 통신기기, 의료기기, 스토리지, 가전제품 등 다양한 전자기기의 내부 연결에 사용됩니다.

핀헤더의 원리

도체인 핀과 절연체인 하우징으로 구성되어 회로를 연결하는 역할을 합니다. 양측 모두 수형, 수-암형 등이 있는 커넥터입니다. 수-수형은 양 끝에 핀이 나와 있어 기판에 장착할 수 있습니다. 브레드보드는 꽂기만 하면 되지만, 범용 기판에서는 납땜을 해야 합니다.

재질은 황동이며, 주석 도금 또는 금도금이 되어 있습니다. 금도금은 방청효과가 더 높고 내구성이 더 좋습니다. 사용 온도 범위는 -40℃~105℃ 정도이며, 1열 타입과 2열 타입이 있어 용도에 따라 구분하여 사용합니다. 정격 전류, 정격 전압이 있으므로 초과하지 않도록 주의해야 합니다.

기판과 기판을 연결하는 핀헤더는 양단을 모두 납땜하여 사용합니다. 또한 보강판을 사용하여 플렉시블 기판에도 사용할 수 있습니다. 핀헤더를 이용하여 플렉시블 기판과 리지드 기판을 실장 연결하는 역할을 하기도 합니다. 또한, 암 커넥터를 이용하여 탈부착이 가능하도록 하기도 합니다.

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압전 소자

압전 소자란?

압전 소자는 수정이나 석영 등의 유전체에서 발생하는 압전 효과와 역압전 효과를 이용하여 미세 동작 제어나 감지 등을 하는 수동 소자를 말합니다.

동작에 기어나 모터 등을 필요로 하지 않는 간단한 구조이기 때문에 다른 미세 동작 기구 소자에 비해 소형의 소자가 됩니다.

압전 소자의 사용 용도

압전 소자는 주로 산업용 미세 동작을 감지하고 제어하는 장치에 사용됩니다.

예를 들어 진동계에도 사용되며, 진동에 의한 미세한 힘의 변화를 압력으로 압전 소자에 입력하고, 압력이 가해진 압전 소자에 발생하는 전압을 출력으로 전압값을 얻어 진동의 크기로 수치화 하는 구조입니다.

또한, 정밀한 움직임이 요구되는 현미경이나 간섭계와 같은 장치의 스테이지 동작에 수반되는 구동계로도 사용되고 있습니다.

이러한 구동계의 압전 소자 부재는 압전 드라이버 또는 압전 액추에이터라고 불리며, 압전 소자를 여러 개 적층한 적층 액추에이터 등도 범용적인 부재로 사용되고 있습니다. 이들에서는 압전 소자에 미세한 펄스 전류를 가함으로써 미세한 동작을 실현하고 있습니다. 이처럼 높은 응답성과 정밀한 동작 제어가 필요한 장면에서는 압전 소자가 적합합니다.

1. 전자기기 냉각

PC 등 전자기기의 냉각은 DC 팬을 이용한 냉각 방식이 많이 사용되고 있지만, 압전 소자를 이용한 냉각 방식도 고안되고 있습니다.

구체적으로는 압전 소자의 역압전 효과를 이용하여 피에조 소자와 바람을 일으키는 블레이드가 일체화된 구조물을 진동시켜 바람을 발생시킵니다.

이 압전 소자를 이용한 냉각 방식은 DC 팬에 비해 소음이 적고, 에너지 절약형 구동이 가능합니다.

하지만 장시간 구동할 경우 압전 소자와 블레이드가 이탈하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 장시간 구동할 수 있는 방안으로 지지판을 설치하여 구조물에 가해지는 응력을 분산시키는 방법을 취하고 있습니다.

2. 발전

압전 소자를 이용한 발전 시스템 개발도 이루어지고 있습니다.

예를 들어, 도쿄전력 동일본 연구개발센터 프론티어 서비스 연구소에서는 ‘바닥 발전 시스템’을 연구하고 있으며, 2006년부터 도쿄역에서 실증실험을 진행하고 있습니다.

구체적으로는 압전 소자를 가로 세로로 깔아 바닥처럼 만들어 그 위를 걸으면 압전 효과로 전기가 발생해 발전하는 구조’를 연구하고 있습니다.

일본 동경연구개발센터 프론티어 서비스 연구소에서는 2008~2009년 실증 실험 계획에서 발전량을 약 10W 초로 예상하고 있습니다.

이처럼 발전 능력이 그다지 높지 않아 비용에 맞는 발전량을 얻을 수 없다는 점과 압전 소자가 취성 소재이기 때문에 내구성이 낮다는 문제 등이 있지만, 현재 다양한 기업 및 연구기관 등에서 연구 개발이 진행되고 있으며, 실용적인 수준까지 발전이 가능한지 여부가 주제입니다.

3. 스피커

압전 소자를 이용한 스피커도 개발되고 있습니다.

압전 소자의 원리

압전 소자에 사용되는 재료는 주로 압전 세라믹이 사용되며, 압전체는 결정 내부에 전기적 왜곡인 극성을 가지고 있습니다.

그림 1과 같이 압전 소자는 압전체를 양극 전극과 음극 전극으로 끼워 넣은 구조입니다.

그림 1. 압전 소자 모식도

전극 사이에 전압을 가하면 압전체에 압력이 가해져 전압의 크기에 따라 파란색 화살표처럼 신축하여 변위하고, 이 변위를 구동력 등으로 활용합니다. 또한, 반대로 압전 소자를 변형시키는 압력을 가하면 전압을 감지할 수 있습니다.

압전체 내부의 결정 격자는 그림 2와 같이 평상시에는 대기 중의 이온을 흡수하여 전기적으로 안정된 상태를 유지합니다. 그러나 전압이 가해지면 그림 2와 같이 쉽게 균형이 깨져 결정 내 극성이 변하고, 결정 격자 자체가 화살표로 표시된 방향으로 신축하며, 이로 인한 변위가 압전체의 변위입니다.

그림 2. 압전체의 이상 상태 (왼쪽) / 압전체에 전압을 가한 상태 (오른쪽)

즉, 압전체의 변위는 결정 격자의 전자적 극성을 이용한 왜곡 변형으로 인해 수 마이크론 단위의 변형량이며, 일반적으로 압전소자 자체의 구동량은 수 마이크론 정도로 미미합니다.

따라서 더 큰 구동량을 확보하고자 하는 경우에는 여러 개의 압전 소자를 합체 적층한 적층형 액추에이터 등이 사용됩니다.

압전 소자의 기타 정보

1. 압전 소자를 이용한 스피커의 원리

이 역시 압전 소자의 압전 효과를 이용한 것으로, 그림 3과 같이 압전 소자의 신축 방향에 진동 부재를 접하도록 배치합니다.

그림 3. 압전 소자를 사용한 스피커

그리고 재생 장치에서 신호에 의한 전압이 가해지면 피에조 소자가 압전 효과로 파란색 화살표 방향으로 신축하며 진동하기 때문에 그 진동이 진동 부재로 전달되어 소리를 재생하는 구조입니다.

2. 구체적인 제품

이러한 압전 소자를 이용한 스피커로 TDK주식회사에서 PiezoListen™이라는 스피커를 판매하고 있습니다.

기본적인 구조는 압전 소자를 수지 필름으로 코팅하고 프레임과 배선용 단자를 부착한 구조입니다.

이 스피커는 고변위가 가능한 압전 소자를 사용함으로써 저음역의 출력을 높여 넓은 음역대의 출력을 실현하고 있습니다.

또한 압전 소자에 파인세라믹스를 사용함으로써 스피커의 소형화 및 박형화를 실현했습니다.

3Dプリンター金属材料

監修:ニイミ産業株式会社

3Dプリンター金属材料とは

3Dプリンター金属材料とは、3Dプリンティング技術を使用して金属部品を製造するための材料です。

3Dプリンティング技術は複雑な形状や内部構造を持つ部品を効率的に製造できるため、従来の製造方法では難しかったデザインや構造を実現可能です。これにより、新しい製品や設計の可能性が広がります。加工や削り出しに比べて材料の無駄を最小限に抑えることができるため、材料コストを削減することも可能です。

また、設計の自由度が高いため、カスタム部品やプロトタイプの製造に適しています。設計変更を素早く実施できるため、迅速なプロトタイプ開発や設計の最適化が可能です。

ただし、一般的に他の材料に比べて高価であるため、材料自体のコストだけでなく3Dプリンティング機器の運用コストや後処理のコストなども考慮する必要があります。

3Dプリンター金属材料の使用用途

3Dプリンター金属材料の使用用途は下記の通りです。

1. 航空宇宙産業

3Dプリンターによる金属部品製造は航空宇宙産業において重要な役割を果たしています。航空機のエンジン部品や燃料噴射器など、高温・高圧下で動作する部品の製造も可能です。3Dプリンターを用いることで、従来の製造方法では難しかった内部の複雑な冷却チャネルや高効率のデザインを実現できます。

2. 自動車産業

自動車産業において、金属3Dプリント部品を使用して車両の性能を向上させることが可能な場合も多いです。サスペンション部品などを3Dプリンターで製作することで、複雑な形状・構造の部品を製造でき、軽量かつ高強度の設計が可能です。車両の燃費向上などに貢献します。

3. 医療機器

医療分野では、3Dプリンターがカスタム医療機器の製造に広く活用されています。例としては人工関節やカスタムインプラントなどがあります。患者の特性に合わせた部品を製造でき、適合性を向上させることが可能です。

4. エネルギー産業

エネルギー関連の産業でも、3Dプリンターを高温・高圧環境で使用できる部品を製造するために使用されます。原子力発電所では冷却部品や燃料棒が3Dプリントで製造され、安全性と信頼性を向上させています。ガスタービンエンジンのタービンブレードなども3Dプリンターで製造されることが多いです。

3Dプリンター金属材料の特徴

3Dプリンター金属材料は高い強度を有する物質が多いです。これにより、高負荷環境や要求の厳しい用途に使用することができます。金属材料であるため耐久性に優れており、長寿命であることがほとんどです。

また、3Dプリンター金属材料を使用することで複雑な内部構造を製造できるため、部品の軽量化を実現できます。従来の製造方法では難しい冷却チャネルや格子状の構造、内部空洞などを製造可能です。これにより、航空宇宙産業や自動車産業で燃費向上に寄与します。

それ以外にも3Dプリントで個別の部品を効率的に製造することができます。医療機器においては患者固有の部品などを設計し、さまざまな材質で製造することが可能です。

ただし、適切なプロセス制御と品質管理が不可欠となります。また、金属3Dプリント部品の製造には高いコストがかかるため、高単価の製品を製造することが重要です。

3Dプリンター金属材料の種類

3Dプリンター金属材料は主に金属や金属合金から製造され、その種類は以下の通りです。

1. ステンレス鋼

ステンレス鋼は一般的な3Dプリンター金属材料で、耐腐食性や強度が優れています。SUS304やSUS316Lなど、様々な種類のステンレス鋼が3Dプリンター用として使用されます。高温環境でも安定した物性を提供できるため、産業機器や自動車部品などの用途に有利です。

2. アルミニウム合金

アルミニウム合金は軽量でありながら強度が高いため、航空産業や自動車などの分野で使用されます。特に冷却部品として使用されることが多く、複雑な形状の部品を製造することが可能です。

3. チタン合金

チタン合金は非常に軽量であり、耐久性と耐食性に優れています。医療機器やバイオメカニクスなどの分野で広く使用され、人工関節や歯科インプラントの製造に有利です。

4. ニッケル合金

ニッケル合金は高温環境に耐える性質があり、ガスタービンエンジンや航空エンジンなどの産業で使用されます。高い耐久性と耐食性が特徴です。

5. 銅合金

銅合金は高い熱伝導性を持ち、電子機器や冷却部品に適しています。電子ケースや導電性部品などが3Dプリンターによって製造されます。

本記事は3Dプリンター金属材料を製造・販売するニイミ産業株式会社様に監修を頂きました。

ニイミ産業株式会社の会社概要はこちら

交通系サーマルカメラ

交通系サーマルカメラとは

交通系サーマルカメラとは、赤外線放射を利用して物体や環境の温度を検出して交通監視をするカメラです。

可視光線を必要とせず、赤外線放射を検出するため、夜間や暗闇の条件下でも優れた性能を発揮します。これにより、交通状態を連続して監視し、サーマル画像のキャプチャが可能です。

また、サーマルカメラは物体や人体の温度差を検出し、それを映像化することができます。このため、動態物体の検出が得意で、夜間に歩行者や動物を検出して警告を行うのに有利です。

ただし、一部の条件下では誤検出や見落としが発生する可能性があります。したがって、適切な設定とアルゴリズムの調整が必要です。一般的には、可視光カメラやレーダーなどの他センサーと組み合わせて使用することでこの欠点を補うことが多いです。

交通系サーマルカメラの使用用途

交通系サーマルカメラは、交通インフラストラクチャや交通の安全性向上にさまざまな用途で使用されています。

1. 交通監視

交通監視では、可視光線ではほとんど見えない暗闇や夜間の環境での監視を行います。赤外線を検出して物体の温度差を視覚的に表現することが可能です。車両や歩行者などの熱源を検出して映像化することで、夜間の交通事故を減少させるのに役立ちます。

2. 道路の異常検出

道路や橋梁などでは、交通インフラを監視し異常な温度の変化を検出することが可能です。一例として火災が発生した場合、サーマルカメラはその発熱を検出して消防隊に通報することができます。また、設備の故障や落石・倒木の検出も行えます。

3. 駐車場

駐車場の管理では、駐車スペースを監視して車両位置を追跡することが可能です。駐車場管理者は車両の有無をリアルタイムで把握でき、駐車場の効率的な利用が可能です。

4. 自動運転

次世代技術として、自動運転システムが車両の制御を行う際の情報を提供するために使用されます。自動運転車両が周囲の状況をリアルタイムでモニタリングし、必要に応じて制動や操舵を調整します。事故を回避するための適切な措置を取ることが可能です。

交通系サーマルカメラの原理

交通系サーマルカメラは赤外線放射を検出して温度情報を可視化する装置です。万物はその温度に応じて特定の波長の赤外線を放射します。これはプランクの法則に従います。

カメラ内部には赤外線を検出するためのサーマルセンサーを有する場合が多いです。センサーは赤外線放射を受け取り、赤外線信号を電気信号に変換します。この電気信号は各ピクセルごとに対応する温度を表すデータとして処理され、カメラのディスプレイに表示される仕組みです。

サーマルセンサーからのデータを基に、カメラは熱画像を生成して使用者に提供します。この熱画像は温度差を視覚的に強調し、周囲環境の温度分布を示します。この画像を使用して熱源や物体を識別し、温度情報を取得することが可能です。

特に夜間や低照度条件下での物体検出や環境監視に優れた性能を発揮します。また、熱画像は可視光画像とは異なる情報を得られるため、さまざまな用途に活用されます。この原理を利用して、交通安全やセキュリティ監視に寄与します。

交通系サーマルカメラの選び方

以下は交通系サーマルカメラの選定要素一例です。

1. 画像圧縮形式

画像圧縮形式は、サーマルカメラが生成するデータのサイズと品質に影響を与えます。一般的な圧縮形式にはJPEGやH.264などがあります。高圧縮の形式はデータサイズを小さくできますが、画質が損なわれることも多いです。

2. 入力電源

サーマルカメラの運用には適切な電源が必要です。一部の製品はバッテリー駆動できる場合もありますが、多くは外部電源が必要となります。電源の安定性と供給能力を確保する必要があります。

3. フレームレート

フレームレートはカメラが1秒間に生成する画像の数を示す指標です。高いフレームレートならば高速移動する物体の検出に適しています。交通状況に合わせて適切なフレームレートを選びますが、フレームレート高いとデータ処理とストレージに対する要件が高くなるため注意が必要です。

4. 解像度

解像度はサーマルカメラが生成する画像の詳細度を示す指標です。高い解像度であれば小さな物体や細かい詳細をより正確に捉えることが可能ですが、データサイズが大きくなることがあります。必要な情報を提供できる範囲で目的に合わせて選定します。

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Boiler Economizer

What Is a Boiler Economizer?

A boiler economizer is a heat exchanger that recovers heat from combustion gases in boilers, which use combustion heat to generate steam. Typically used in steam boilers that combust fuels like oil, coal, or gas, these economizers heat water to generate steam.

Also known as “coal economizers,” these devices are named for their ability to conserve coal in coal-fired steam boilers.

Uses of Boiler Economizers

Boiler economizers are primarily used to preheat the feed water to steam generators. Their advantages include reducing heat loss in combustion gas, thereby improving boiler efficiency. For instance, a 20°C recovery in combustion gas temperature can enhance boiler efficiency by approximately 1%. They also help in decomposing gases in feed water, reducing thermal stress in drum-type boilers.

Apart from boilers, economizers also find use in recovering heat from diesel engine exhaust gases to generate steam, beneficial for diesel generators and marine engines.

Boiler Economizer Principle

A steam boiler comprises several heat exchangers, including the economizer, which recovers heat from combustion gases. The key components include:

1. Superheater:

Generates high-temperature, high-pressure steam from recovered heat, used in power plants to drive turbines for electricity generation. –

2. Reheater:

Reheats steam post-turbine rotation for use in medium or low-pressure turbines.

3. Economizer:

Recovers additional heat energy from combustion gas to preheat water supplied to the superheater, thereby boosting boiler efficiency.

Types of Boiler Economizers

1. Classification by Combustion Gas and Feed Water Flow Direction:

Includes parallel flow, counter-current flow, and mixed-flow types, with counter-current offering the highest efficiency.

2. Classification by Degree of Heating:

Divided into non-evaporative (common in economizers) and evaporative types. Non-evaporative economizers keep the feed water temperature below saturation at the outlet, while evaporative types partially heat water to evaporation.

Structure of Boiler Economizer

Boiler economizers generally comprise steel tubes, either bare or finned, arranged for continuous water flow from inlet to outlet. These tubes are often U-shaped for efficient heat transfer.

Other Information on Boiler Economizers

Standards: Relevant standards include JIS B0126 (Glossary of terms for thermal power plants-Boilers and auxiliary equipment) and JIS B8201 (Steel boilers for land use-Stationary steel boilers-Construction).

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Fuel Cooler

What Is a Fuel Cooler?

A fuel cooler is a device designed to cool fuel in engines. By cooling the fuel, which can become hot during engine operation, it helps prevent damage to engine components and maintains fuel temperature within an optimal range. Additionally, cooling fuel increases its density, improving combustion efficiency and, consequently, the engine’s propulsion and fuel economy.

Applications of Fuel Coolers

1. Aircraft:

In aircraft engines, high-temperature combustion gases can degrade fuel. As a result, fuel coolers are employed to manage internal temperatures and extend engine life.

2. Rockets:

Rocket engines operate at extremely high temperatures during the combustion of fuel and oxidizers. Fuel coolers help regulate this process, stabilizing propulsion and maximizing thrust.

3. Gas Turbines:

Used in power plants, gas turbines benefit from fuel coolers for efficient fuel combustion and power generation.

4. Submarines:

Operating under high-pressure, high-temperature conditions, submarines utilize fuel coolers to maintain diesel fuel at optimal temperatures for prolonged underwater navigation.

Principle of Fuel Coolers

Fuel coolers work by allowing hot fuel to flow through pipes or tubes, while a cooling medium like water circulates around the fuel, absorbing heat. This heat exchange cools the fuel while heating the medium, which is then discharged and often recirculated. The cooled fuel is then ready for the combustion process.

How to Select a Fuel Cooler

1. Capacity:

Selection should be based on the fuel’s flow rate and temperature differential, ensuring the cooler is adequately sized.

2. Fuel Type:

Cooler materials and designs should be compatible with the specific fuel used, such as jet or diesel fuel.

3. Refrigerant Type:

The choice of refrigerant, including water, cooling oil, fluorocarbons, or liquid nitrogen, depends on its properties and the required cooling capacity. Fluorocarbons are often compressed for enhanced cooling, while liquid nitrogen is released into the atmosphere post-use.

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Industrial Water Pump

What Is An Industrial Water Pump?

Industrial water pumps are used in factories and production facilities for various purposes. These pumps are distinct from those used in building equipment or water and sewage systems due to their ability to handle various fluids, often mixed with different substances.

Applications of Industrial Water Pumps

1. Production Use:

Employed for cooling water supply and drainage in various industries like machine shops, chemical plants, and agricultural irrigation. Also used in semiconductor factories for cooling and clean room applications.

2. Power Generation:

Essential for supplying high-pressure water to boilers in power plants and for cooling equipment, including in cooling towers.

3. Air Conditioning and Fire Extinguishing:

Utilized in air conditioning systems in factory buildings and for water supply and drainage in fire extinguishing equipment.

Principles of Industrial Water Pumps

1. Positive Displacement Pumps:

Change volume to intake and discharge water under pressure, including reciprocating and rotary types. Examples are piston pumps, plunger pumps, and gear pumps.

2. Non-Displacement Pumps:

Also known as turbo-type pumps, they use impellers to convert velocity energy into pressure for water discharge. Types include centrifugal, semi-axial, and axial pumps.

3. Special Type Pumps:

Designed for specific applications such as submersible pumps, which operate underwater and use various pump types like cascade and volute.

Other Information on Industrial Water Pumps

For Cleaning: High-pressure washing pumps with warm water, usually operating at 20~30 MPa. For Residual Water: Submersible pumps capable of draining water down to 1mm, suitable for draining out hollows. For Sewage Drainage: Submersible pumps designed for sewage and wastewater, made of materials like stainless steel and resin. For Chemical Use: Submersible pumps for chemical sewage, constructed from stainless steel and titanium.

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Electrostatic Generator

What Is An Electrostatic Generator?

An electrostatic generator is a type of generator that generates static electricity or high-voltage, low-current electricity.

It is sometimes referred to as an electrostatic generator or electromotive generator. In most cases, products that generate static electricity are sold under product names such as electrostatic high-voltage generators and electrostatic guns.

Uses of Electrostatic Generators

Electrostatic generators and electrostatic generators can be used to observe discharge phenomena and to check the conductivity of materials by generating static electricity. For this reason, these devices are used in experiments in science education and nuclear physics.

They can also generate high voltages, and their industrial applications include power supplies for X-ray tubes, medical care, and food sterilization. Today, however, semiconductor circuits are used more often than electrostatic generators as practical high-voltage power sources.

Electrostatic spray guns and various types of electrified guns used in electrostatic painting utilize the principle of electrostatic generation. Electrostatic painting is an industrial technique in which paint particles are charged with static electricity and evenly adhere to the coated object. Electrostatic testers can also be considered a variant of electrostatic generators as a device that artificially generates static electricity. Specific examples of the use of static guns are as follows

  • Attracting non-metals such as paper, foil, and plastic sheets to metals (plates)
  • Charging performance testing (paper, plastic sheets, fibers, etc.)
  • Adsorption of plastic and ceramic powders
  • Electrostatic application of fine powders
  • Power source for electret production
  • Power source for electrospinning equipment for nanofiber production

Principle of Electrostatic Generator

Electrostatic generators use friction between objects to generate static electricity. A typical example of an electrostatic generator that uses frictional charging is the Van de Graaff generator. The Van de Graaff generator is a device that generates an electrical charge by rotating a belt over two rollers, which carries the charge and charges a hollow metal sphere with an electrical charge. Vandegraaff generators generate a high-voltage DC voltage, but the current generated is low.

Other electrostatic generators include electro-force machines, which spin glass disks and electrify them by friction, and Wimshurst induction electromotive generators, which use two disks and several metal fan strips on the disks to electrify them. The Wimshurst-type induction electromotive generator is an electromotive generator that uses electrostatic induction rather than frictional electromotive force.

EHD generators are generators that use a charged fluid to carry an electrical charge.

Types of Static Generators

As mentioned above, electrostatic generators that use frictional charging include Van de Graaff generators and electro-force machines. In addition, the Wimshurst induction electromotive generator is an electromotive generator that uses electrostatic induction. In addition, a type of device called a charging gun or discharge gun is a device that generates static electricity by simply pulling a trigger on an object, as the electrode at the tip of the gun is electrically charged by simply pulling the trigger.

By application, there are those for demonstration experiments used for educational purposes, and those used for industrial purposes such as electrostatic painting. The size of the device and output voltage vary greatly depending on the device. If used, it is necessary to select the right one for the application.

Other Information on Electrostatic Generators

Principle of Electrostatic Generation

Electric charges exist in the atoms that make up matter. Among the components of an atom, those with a positive charge are the nucleus and those with a negative charge are the electrons.

When two objects rub against each other due to friction, electrons are transferred from one to the other, resulting in the accumulation of a negative charge on one object and a positive charge on the other. This state of electrical bias is called electrification and is referred to as the “generation of static electricity.

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What Is a Constant-Current Power Supply?

A constant-current power supply is a circuit that controls and delivers a steady output current. It is sometimes referred to as a constant-current source or a constant-current stabilized power supply. While DC constant-current power supplies are more common, AC versions are also available.

Uses of Constant Current Supplies

1. LEDs:

Used for powering LEDs, as their brightness is determined by the current. A stable current supply prevents brightness fluctuations and flickering.

2. Rechargeable Battery Charging:

Essential for charging rechargeable batteries, like lithium-ion batteries in smartphones, where a constant current is needed regardless of voltage variations.

3. Power Supplies for Sensor Signals:

Employed in powering sensor signals, converting resistivity changes into voltage changes for CPU interpretation. Examples include piezoelectric elements and resistance thermometers.

Principle of Constant Current Supply Devices

According to Kirchhoff’s law, in a circuit with a power supply of electromotive force E and internal resistance r connected to a variable resistor R, the current value I is given by I = E / (R+r). A constant-current supply achieves a stable current (I ≈ E / r) by having an internal resistance r significantly larger than R.

Additionally, voltage and current sources are equivalently convertible. An ideal voltage source with electromotive force E and internal resistance r in series can be equivalent to a current source with the same internal resistance r in parallel.

Types of Constant Current Supplies

Stabilized DC Power Supply:

Includes regulated DC power supplies with the ability to switch between constant voltage and constant current modes. Control methods vary between series regulators and switching power supplies, the latter being more efficient but generating more noise.

Others:

There are also output-isolated constant-current supplies, AC constant-current units, and AC-regulated power supplies, each suited for specific applications.