JP6813751B2 - 衝突噴流を有する液体微粒化ノズルインサート - Google Patents

Description

本開示は、一般に、微粒化された液体（液体は揮発性または不揮発性であり得る）を生成するための装置及び方法に関する。一実施の形態では、本開示は、流体送出産業において使用される流体噴霧ノズル（または噴射器）に関する。

流体送出システムで使用するための諸液体（例えば、水または特定のコーティングなどの揮発性または不揮発性液体）の微粒化を改善することは、ノズル設計の重要な特徴である。重要な特徴は、液滴が、意図する目的（例えば、空気流中での微粒化または表面上への細かい液滴塗布など）のために液体を塗布するためのノズルから出るときの流体粒子の大きさまたは液滴サイズである。例えば、水及び／またはアルコールの微粒化は、内燃（火花点火または圧縮点火）エンジンにとって特に重要である。従来の単一孔、複数孔及び「スワール（渦）」タイプの普遍的なノズル（これらは外側、内側及び固定機構を備えた単一部品設計又は複数部品設計であってもよい）は、液体の次善の微粒化を提供する（これらの従来の設計は、概して、空気せん断及び／または渦型微粒化機構を使用する）。開示する発明は、噴流と噴流との衝突幾何学的特徴の適用を通じて、複数部品ノズル設計及び単一部品ノズル設計の両方を含む普遍的なノズルへの単純な一体化を維持しながら微粒化を提供する。

（冷却、ノック低減、ＮＯｘ減少及び／または燃焼効率の改善のいずれかのため）諸液体の効果的な微粒化を達成することは、エンジン設計及び動作の重要な特徴であり、内燃エンジンに大きな利点を提供する。

諸液体燃料と水の両方が、通常、エンジンに噴射される。諸燃料は、ディーゼルタイプの諸燃料、ガソリン（石油）、諸アルコール、及びそれらの混合物であり得る。諸アルコールには、ガソリンと通常混合されるエタノール及びメタノールが含まれる。水は、しばしばエンジンに噴射されて、内部冷却効果、ノック減少及び／またはＮＯｘ減少を提供する。液体水によって提供される膨張係数が大きいため、水は燃焼中に蒸気に変換されるという利点がある。

現代のエンジンは、通常、燃料をエンジンに導入するために燃料噴射を使用する。このような燃料噴射は、ポート噴射または直接噴射であってもよい。ポート噴射では、燃料噴射器は、シリンダ前に吸気道のある点に配置され、燃料は（通常は通常吸気動作では大気圧に近く、過給用途では最大２〜３気圧までの）空気流に導入される。燃料蒸気のみが燃焼に関与できるので、諸エンジンに噴射される諸燃料及び他の諸液体の微粒化は重要である。最適には、任意の噴射された液体は、噴射された液体の気流がエンジンの任意の内面に接触する前に微粒化される。液体が燃焼前にいつでも表面に接触すると、そのような液体は潤滑剤を洗い流したり、溜まったり小溜まりになったりすることがあり、結果的に次善の燃焼結果となる。燃焼中に溜まった燃料は、炭素堆積物、排出ガスの増加、及びエンジン出力の低下を引き起こす。

均等に分散した水の噴霧は、（ブースト高性能エンジン用途に利用されるような）熱交換器表面上の熱伝達のため（水が熱交換器上に噴霧され熱伝達効率を高め追加の冷却能力を提供するため）に重要である。自動車産業における一般的な用途は、燃焼室に導入する前に給気温度をさらに低下させるために、給気熱交換器の外部に水またはアルコールの噴霧を利用することである。

微細な液滴サイズと短い液体長は、ブースト内燃エンジンにおける熱気供給から噴射された水−アルコール噴霧への熱伝達を最大にするために、例えば、内燃エンジンの吸気道への水及び／またはアルコールの噴霧には非常に重要である。過大な噴霧液滴が燃焼室に運ばれることがあるが、燃焼室内の摩擦面からエンジン潤滑油を洗い落としながら（望ましくない早期摩耗または部品の故障の原因となり）燃焼にはほとんど関与しない。加えて、内燃エンジンの吸気道の内部表面に衝突する長い液体長の噴霧は、溜まりをつくる、または合体して大きな溜まりになることもある（エンジンによって取り込まれた場合、重大な損傷を引き起こし、極端な場合にはエンジンの流体固着現象を引き起こしうる）。

燃焼エンジン以外にも、流体の微粒化は、医療用エアロゾル、医薬または工業用コーティングならびに加湿器などの機器を製造するために極めて重要である。

均一に分布され、かつ小さな液滴サイズもまた（接着剤を含む）コーティング用途にとって重要である。微細な粒子サイズは、均一のコーティング厚さを可能にし、さらに周囲空気への均等な散布を可能にし、コーティングまたは接着剤の均一な硬化を可能にする。

従来の燃料噴射器または噴霧器における噴霧構成は、概して、噴射器から外側に向けられた１つまたは複数の噴流または気流のみからなる。しかしながら、この構成は限定されており、吸気マニホルド及び吸気ポート壁に複数の液体が衝突し、過渡燃料供給計算で計算に入れる必要がある膜が形成されることが多い。

効果的な微粒化へのアプローチは、高圧液体噴射及び小オリフィスの使用であるが、高圧システムは、ポンプをより高い圧力に駆動するのに必要な付加的な電力の形態で有害抗力を増大し、概して高価で故障する傾向があり、小さなオリフィスは概して詰まりやすい。

また、効果的な微粒化へのアプローチは、液体に空気剪断を使用することであり、高圧高速移動空気を使用して液体流を剪断して噴霧化を実現する。このアプローチは、液滴を破壊するという点で限界がある。加えて、加圧空気は二次システムで供給しなければならず、機械的または電気的に駆動されるポンプを介して供給することが最も多く、エンジンに高い有害抗力を与える。

衝突する液体噴流は、良好な微粒化を提供することが知られている。Handbook of Atomization and Sprays, N. Ashgriz（ed.）、2011、pp685-707、http://dx.doi.org/10.1007/978-l-44197264-4_30のN. Ashgriz、“Colliding Jet Atomization”を参照。

衝突噴流は、液体燃料ロケットエンジンにおいて、燃料と酸化剤を一緒に混合する手段としてよく知られている。内燃エンジン用の噴射器は、ロケットエンジンノズルが計量装置ではなく、内燃エンジン用の噴射器が特定の量の液体を供給するように設計されている点で、既知のロケットエンジンノズルとは異なる。これは時間の経過にあわせて流量を注意深く制御する必要があるが、伝統的にソレノイドを介して実現され、油圧パイロット作動、油圧増幅、圧電スタック、空気圧手段または他の方法によって制御することもできる。

一実施の形態では、微粒化された液体を生成する流体ノズル用のインサートが開示される。一実施の形態では、ノズル及びインサートは、円筒形状または円筒に類似する形状であってもよい。形状にかかわらず、一実施の形態では、液体の加圧源がノズルに供給される液体を提供し、ノズルの本体は、近位端に液体入口を有し、遠位端に液体出口を有する。ノズルの本体は、中心長手方向軸を有する略円形の断面を有してもよく、インサートが配置されるノズル内の中心空洞を含んでもよい。インサートは、ノズルの本体と同じ中心対称軸及び長手方向軸を有することができる。インサートは、近位端及び遠位端を有することができる。２つ以上の通路がインサートを通過してもよい（一例では、各通路は略同じ直径「ｄ」を有し、各通路は断面において略均一である）。各通路は、インサートの遠位端で終端することができる。インサートは、インサートの遠位端（及びノズルの本体の遠位端）のインサート通路がノズルの本体の遠位端から露出するように、ノズルの本体内に収容されてもよい。各インサート通路は、別の（または他の）ものと整列して、夾角を有する「衝突集合」を形成するように配置されてもよい。各通路を通ってインサートの遠位端を出る流体噴流は、特定の点（通路の出口から離れた特定の位置）で互いに衝突する。加圧された液体は、ノズルの近位端からノズルの中心空洞を通ってインサートに押し出されることができる。液体は、インサート通路に液体の流れを導くことができるインサートと接触することができる（その後、液体は複数の通路を通って流れ、加圧液体の複数の噴流を、ノズルの遠位端から、インサートの外部にある焦点に向けることができる）。１つまたは複数の焦点における複数の加圧された液体噴流の実質的な衝突が液体の微粒化形態を生成する。

インサートは、円筒形の外形を有さないノズル内に収容されてもよく、または複数のノズルを含むユニット内に収容されてもよい（各ノズル内にそれぞれのインサートが収容されてもよい）。

インサートは、正確な開始時間及び正確な停止時間で正確な量の液体流を提供するための弁手段を有するノズルに接続されてもよい。

インサートは、内燃エンジンに適用するために流体を１つまたは複数のポート、または１つまたは複数の吸気道または１つまたは複数の排気道の任意の位置に噴射することができる１つまたは複数のノズルに収容されてもよい。

一実施の形態では、インサートは、液体燃料、酸化剤、燃料−アルコール混合物（Ｅ０〜Ｅ１００の範囲のエタノール混合物を含む）、水、塩、尿素、接着剤、仕上げコーティング、塗料、潤滑剤または任意の溶液または混合物などの多数の流体に有用であり得る。

一実施の形態では、インサートは、任意の等級の鋼、アルミニウム、真ちゅう、銅、合金、複合材（黒鉛、セラミック、炭素または繊維混合物を含む）、または多数のプラスチック化学物質で構成することができる。

一実施の形態では、インサートは、ある範囲の円筒形寸法（Ｘの最小高さ及びＹの最小外径を有する）を含むある範囲の特徴及び幾何学形状、最小量の２つの孔を有していてもよい多量のオリフィス通路孔、１００μｍの最小大きさを有することができるオリフィス孔直径の範囲、１つまたは複数の通路の「衝突集合」、４０度の最小角度及び１６０度の最大角度を有することができる夾角の範囲、及び１つ以上の「衝突噴流」焦点（「衝突噴流焦点」とは、「衝突集合」の複数の通路からの排出された流体が合流する焦点を指す）を含むことができる。

前述のインサートは、外側ノズルに圧入または溶接されてもよく、または外側ノズルに螺合されて締結されてもよく、または外側ノズル内の内側プラグによって捕捉されてもよく、または内側ノズル内のばねによって捕捉されてもよい。外側ノズルに横方向に固定されてもよく、または環状クリップによって外側ノズル内に保持されてもよい。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面（図面のいくつかは縮尺通りに描かれておらず、図面のいくつかは示された縮尺で描かれており、さらに、スケール及び／または寸法が提供される場合、それらは例としてのみ提供される）。

図１は、本発明の一実施の形態によるノズルインサートを（３Ｄ等角投影図として）示す。 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明の一実施の形態によるノズルインサートを（複数の２Ｄ図解図で）示す。 図３は、本発明の一実施の形態による外側ノズルハウジング内にノズルインサートを（分割投影図として）示す。 図４は、本発明の一実施の形態による外側ノズル外側ハウジング内のノズルインサートを（断面図として）示す。 図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の一実施の形態によるねじ付きノズルインサート（キャップの特徴を含む）を（側面図及び断面図としてそれぞれ）示す。 図６は、本発明の一実施の形態によるネジ付き外側ノズルハウジング内のネジ付きノズルインサート（キャップの特徴を含む）の組立品を示す。 図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の一実施の形態による円筒状のノズル「ピル」インサートを（それぞれ等尺図及び断面図として）示す。 図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の実施の形態による自動車の４気筒エンジンにおけるノズルの配置の２つの例を示す。 図９は、本発明の一実施の形態によるノズルインサートの遠位端の側面図を示す。 図１０は、本発明の一実施の形態によるノズルインサートの遠位端の上面図を示す。 図１１は、本発明の一実施の形態によるインサートの遠位端を示す。 図１２は、本発明の一実施の形態による液体噴流衝突の図を示す。

一実施の形態では、液体噴射ノズル用のインサートが提供される。液体は、往復動式または回転式の内燃エンジンへの噴射用であってもよい。そのような液体は、燃料、水、または水溶液であり得る。インサートはノズル内に収容することができる。インサートは、衝突点を目標とする（圧力下で）液体の少なくとも２つの噴流を放出する複数の通路を有することができる。液体の複数の噴流は、互いに略衝突してもよい。（単数又は複数の）衝突点における複数の噴流の衝突は、液体を効率的に微粒化する。

水または液体燃料等の圧縮液体は、固有ポテンシャルエネルギーすなわちＳＰＥ＝ΔＰ／ρ（単位ｋＪ／ｋｇ）を有する。ここで、ΔＰは燃料ノズルを横切る圧力降下（ｋＮ／ｍ^２）であり、ρは液体密度（ｋｇ／ｍ^３）である。したがって、１０バールの圧力差及び１０００密度の水では、ＳＰＥ＝１ｋＪ／ｋｇである。理想的に膨張させると、ｖ＝（２ΔＰ／ρ）１／２＝（２００）１／２＝１００ｍ／ｓの噴流速度が得られる。このような２つ以上の噴流が衝突すると、この運動エネルギーの一部が熱に変換され、液体の一部が蒸発し、（剪断及び乱流の崩壊メカニズムに加えて）非常に強力な崩壊メカニズムが生じる。最も大きな潜熱を有する水と比較して、ガソリンまたはアルコールのような他の液体燃料は、有意に低い圧力及び大きいオリフィス直径で著しく改善された微粒化を呈する。

一実施の形態では、ノズルから出る液体噴流の理論速度Ｖ（または速さ）は１０ｍ／ｓより大きい。他の例では、Ｖは２０ｍ／ｓ、３０ｍ／ｓ、５０ｍ／ｓ、７５ｍ／ｓ、１００ｍ／ｓ以上であってもよい。

様々な実施の形態において、（特定の従来の液体噴霧ノズルに対して）優れた微粒化、短い液体噴霧長及び微細な液滴サイズが提供される。１つの特定の例では、インサート内の複数の液体通路の構成によって提供される噴流の鋭い内角（通路の出口から短距離で複数の噴流が略互いに衝突することを可能にする）は、衝突しない従来の技術よりも微粒化及び液体長の両方において大幅な改善をもたらす（これにより、複数の通路の出口面に非常に近接して非常に効率的な微粒化を提供する）。これらの改良は、少なくとも部分的に衝撃力によるもので、衝撃力は複数の噴流が互いに印加する法線力に比例する。そのような法線力に関して、図１２を参照すると、速度Ｖ_１を有する第１の液体噴流Ｊｅｔ１は、速度Ｖ_２を有する第２の液体噴流Ｊｅｔ２と焦点Ｆ_４で衝突する。ここで、第１の液体噴流と第２の液体噴流とは１２０°の夾角を形成する。第１及び第２の液体噴流の衝突は、図示されているように、成分Ｃ１及びＣ２ならびに順方向成分Ｃ３を形成する。

さらに、一実施の形態によるノズルでは、計量または作動がないので、装置サイズ、流速及びパッケージングは、計量装置よりもはるかに制限されない。

一実施の形態では、装置は、微粒化された液体を生成するノズルインサートを備える。この装置は、インサートが収容されたノズルに液体を供給する液体の加圧源をさらに備えていてもよい。ノズルの本体は液体入口と液体出口とを有してもよく、ノズルハウジングは円筒形の形状である。ノズルハウジングは、内部に空洞を有することができ、インサートは、ノズル液体入口の下流、かつ、ノズル出口の上流に配置される。インサートは、中心軸を有する略円形の断面を有することができる。インサートは、ノズルと同じ長手方向の中心軸上に位置合わせされてもよい。インサートは、近位端及び遠位端を有することができ、２つ以上の通路がインサートを貫通する。各通路は、インサートの近位端と遠位端との間の位置から始まり、インサートの遠位端で終端することができる。複数の通路は、それぞれが１つ以上の他のものと整列して夾角を形成するように配置されてもよく、複数の通路は、遠位端を出る複数の流体噴流が、（例えば、インサートの中心長手方向軸に沿って）インサートの遠位端から所定距離離れた１つ以上の他の流体噴流に略衝突するように設けることができる。加圧液体は、ノズルを通り、ひいてはノズル内に収容されたインサートに押し込まれる。液体は、インサートの遠位端の複数の通路に向かって、インサートの周りをまたはインサートを通って流れる。ここで、各通路は、インサートを通過して、遠位端から加圧液体の噴流を、インサートの外部の焦点（例えば、図２Ｃの焦点Ｆ_１、図４の焦点Ｆ_２、図１１の焦点Ｆ_３、及び図１２の焦点Ｆ_４参照）に向ける。１つまたは複数の焦点における複数の加圧液体噴流の実質的な衝突は、液体の微粒化形態を生成する。

様々な実施の形態は、インサートの遠位端を通る複数の通路（または孔）によって特徴付けられる。そのような通路は２つ以上であってもよい（通路は同じ直径であっても異なっていてもよい）。複数の通路は、（例えば、同じ直径の）２つ以上の通路の「複数の衝突集合」を形成してもよく、複数の衝突集合は、「衝突集合」の複数の通路によって形成される夾角を特徴としてもよい。

図１は、本発明の一実施の形態によるインサート１０１の投影図である。インサート１０１は、略円筒形の断面及び複数の通路を有する。インサート１０１は、近位端１０２と遠位端１０９とを有する。一方の通路は通路入口面１０３Ａと通路出口面１０３Ｂとを有する。他の通路は通路入口面１０５Ａと通路出口面１０５Ｂとを有する。複数の通路は、インサート１０１の拡張された直径部分１０７を通ってインサートの遠位端１０９に至り、インサート１０１の遠位端の円錐（または円錐形）面を出口とする。複数の通路は、夾角を形成するように整列する。インサート１０１の中央縦軸「Ｘ」に位置合わせされた焦点もあり、そこで、複数の通路から出る複数の液体の噴流が互いに略衝突して微粒化された噴霧を形成する。インサート１０１の狭い部分１０４は、「小径」を有する。

次に図９（インサート９０１の遠位端の特定の詳細を示す）を参照すると、拡張された直径部分９０７は通路９０３Ａ及び９０３Ｂを含むことが分かる。拡径部９０７はまた、凹状円錐面９０５を含む。本明細書で定義される「夾角」は、複数の傾斜した通路（図９に関しては、通路９０３Ａ及び９０３Ｂ）を整列することで形成した仮想円錐の内角であり、円錐はノズルの長手方向軸を中心としている。インサートの長手方向中心軸（図９に関して、中心軸Ｘ）と、通路から突出するときのインサートの中心長手方向軸と交差する通路の中心軸との間に形成される角度は、夾角の１／２に等しい。それぞれの夾角は、インサートの遠位端から所定距離離れた１つまたはそれ以上の焦点に関連付けられてもよい（インサートの遠位端がノズルハウジングから露出し、液体がノズルハウジングの遠位端でノズルハウジングから出ることを可能にする）。また、この図９には、凹面円錐面角度も併せて示す。

インサート１１０１の遠位端の三次元図を示す図１１も参照のこと。この図１１では、点Ｆ３で衝突する４つの衝突噴流（Ｊ_１、Ｊ_２、Ｊ_３、Ｊ_４）によって形成された仮想ピラミッドによって、夾角が示される。この仮想ピラミッドでは、対応する各対の噴流が、インサートの長手方向軸によって二等分される夾角を形成することが分かる。２つの噴流が夾角１１０２を形成し、別の２つの噴流が夾角１１０３を形成し、これらの角度の各々はこの実施の形態では１２０度に等しい。

ここで図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照すると、４つの通路２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄを有するインサート２０１の平面図（図２Ａ）、側面図（図２Ｂ）及び断面図（図２Ｃ）を有する２次元図が示されている。この実施の形態では、インサート１０１の遠位端に複数の直径及び円錐形の特徴を有する円筒状のインサートがあり、その円錐形部分を通って流体通路２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄは、遠位端の円錐面に対して垂直に配置されている。これらの通路は、互いに（例えば、１１０度の）夾角を形成する。ノズルの近位端から流れる流体は、インサート２０１のより小さい円筒形部分２０５の周りを流れ、インサートの拡張された直径部分２０７に運ばれ、インサート２０１が外部ノズル（図示せず）内に収容されるとき、通路２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ及び２０３Ｄを通ってインサート２０１の遠位端に流れる。この例では、円錐形部分は７０度の角度を有する。

一実施の形態では、インサートは、外側ノズルハウジング内に保持され、外側ノズルハウジングの遠位端の外側ノズルハウジング内の環状表面に着座し（図４の矢印「Ａ」参照）、外側ノズルハウジングは外側ノズルハウジングの近位端から加圧流体の流れを許容する外側ノズルハウジングの中心長手方向軸を通過し、インサートを通り、インサートの通路を通って外側ノズルハウジングの遠位端を出る延長通路を有する。

ここで図３を参照すると、外側ノズルハウジング３０３内に保持されたインサート３０１の等角断面投影図が示されている。インサート３０１は、外側ノズルハウジング３０３内の軸方向表面に対して、インサート３０１の遠位端の外側ノズルハウジング３０３内に着座する（シールは、使用バイアスばね３０５を介して補助されてもよい）。インサート３０１の遠位端の大部分は、外側ノズルハウジング３０３の遠位端を通して露出され、衝突噴霧がインサート３０１及び外側ノズルハウジング３０３から出ることを可能にする。インサート３０１と外側ノズルハウジング３０３とは互いに材料接触してシールを形成し、このシールは外側ノズルハウジング３０３に入る流体の大部分が、インサート３０１内の通路を通って外側ノズルハウジング３０３から出ることを可能にするのに十分である。

ここで図４を参照すると、（断面図として）本発明の一実施の形態によるノズルハウジング４０３内に収容されたインサート４０１が示されている。この実施の形態では、ノズルハウジング４０３は、ねじ山を付けられた外側の円筒面を有する（ねじ山４０３Ａ参照）。また、この図４には、液体が（例えば、加圧された形態で）ノズルハウジング４０３の近位端から供給された後に液体が噴出される通路４０５Ａ、４０５Ｂが示されている（この断面図の液体経路を示す矢印「１」及び「２」を参照）。この例では、インサート４０１の近位端４０１Ａは平坦である。他の例では、インサートの近位端は、例えば、Ｒ加工されたまたはくさび形であってもよい。

ここで図５Ａ及び図５Ｂを参照する。本発明の実施の形態によるねじ付きノズルインサート（キャップの特徴を含む）が（それぞれ側面図及び断面図として）示されている。図示するように、この実施の形態では、インサート５０１は円筒形ケーシング５０２を備え、インサートケーシング５０２の外側円筒形表面の一部はねじ山を付けられており（ねじ山５０１Ａを参照）、インサート５０１はインサートコア５０４の遠位端に肩部キャップ５０３を有する。さらに、インサート５０１は、インサートコア５０４の遠位端に凹状の円錐面５０５（インサート５０１の長手方向軸に整列した凹状円錐面５０５）を含む。さらに、インサート５０１は、インサートコア５０４の遠位端の部分を通過する通路５０９Ａ、５０９Ｂを含む。これらの通路は、インサート５０１の遠位端において凹状円錐面５０５を出るように径方向に向けられている。インサートがハウジング内にねじ込まれると（例えば、図６参照）、流体はインサート５０１の近位端から流れ、インサートコア５０４の外側とインサートケーシング５０２の内側との間の空間５０７を通り、そこを通って、またはそれに沿って複数の傾斜通路に流れる（この通路は、遠位端でインサート５０１の凹状円錐面５０５から出る複数の液体噴流を放出する）。複数の流体噴流は、夾角で配向され、互いに略衝突し、インサートの遠位端で流体の微粒化形態を生成する。

ここで図６を参照すると、本発明の一実施の形態によるネジ付き外側ノズルハウジング内のネジ付きノズルインサート（キャップの特徴を含む）の組立品が示されている。インサート６０１は、ノズルハウジング６０３の遠位端にねじ込まれ、このノズルハウジング６０３は、両端にテーパ管ねじを有する従来の六角管継手に対応する（ねじは、ナショナルパイプねじ（ＮＰＴ）標準形、英国標準パイプ（ＢＰＴ）ねじまたは他の標準化されたテーパ付きパイプねじを含む任意の標準のテーパ付きパイプねじとすることができる）。ノズルハウジング６０３の近位端にはフィルタ６０５が設けられている。

別の実施の形態では（例えば、７Ａ及び図７Ｂ参照）、インサートは、近位端と遠位端とを備えた円筒体を有する。凹状の円錐形特徴がインサートの遠位端に配置される。円筒の外面は、遠位端部の下方から近位端部まで下方に貫通して長手方向に延びる溝、スリットまたはスロット（正方形、長方形、三角形、円形または放物線状であり得る）によって遮られ、複数の溝、スリットまたはスロットは、遠位端まで上方に延びておらず、遠位端を遮断、破壊、または交差しない。この複数の溝、スリットまたはスロットの位置は、１つまたは複数の通路の位置に対応し、複数の通路は、外端の円錐面に垂直であり、近位端に向かって延び、長手方向の複数の溝、スリットまたはスロットと整列する。複数の通路は、インサートの中心長手方向軸に整列された頂点に、１つ以上の追加の通路との夾角を形成するように配向されている。
この実施の形態は、遠位端がノズルハウジングの遠位端を通って露出された状態でノズルハウジングに取り付けられ、ノズルハウジングを通って流体は、近位端部からインサートの長手方向の複数の溝、スリットまたはスロットを通って複数の傾斜通路に流れる（複数の通路は、流体の微粒化形態を生成するために別の流体の噴流に略衝突する複数の流体噴流を放出する）。

より詳細には、図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、（それぞれ本発明の等尺図及び断面図として）本発明の一実施の形態による円筒形ノズル「ピル」インサートを示す。この実施の形態のインサート７０１は、均一な直径及び長手方向の複数の溝、スリットまたはスロット（７０３Ａ及び７０３Ｂ参照）を有する。断面図（図７Ｂ）に示すように、溝、スリットまたはスロット７０３Ａ、７０３Ｂは、インサート７０１の遠位端において凹状の円錐形特徴に通じる通路７０５Ａ、７０５Ｂと位置合わせされる。１つの特定の例では、複数の溝、スリットまたはスロットは、切断鋸で作られてもよい。このインサート７０１は、一実施の形態では、ノズルハウジングの第１の端部（インサート７０１を受け入れるのに十分大きい直径の孔を有する第１の端部）のノズルハウジングに挿入され、ノズルハウジングの第２の端部でノズルハウジングに捕捉されてもよい（ノズルハウジングの第２の端部は、第１の端部の直径よりも小さい直径を有し、第２の端部の孔を通過するインサート７０１の移動を停止するのに十分に小さい直径を有する孔を有する）。すなわち、インサート７０１は、図４のインサート４０１及びノズルハウジング４０３に関して示すのと同様に、ノズルハウジング内に捕捉されてもよい。

別の実施の形態では、ノズルハウジングは、液体が流れる単一の中央入口を有し、ノズルハウジングは、インサートが露出する単一の中央出口を有し、流体流がノズルインサートを出る。

別の実施の形態では、インサートは、ノズルハウジングに物質的に接続されておらず、ノズルハウジングの遠位端に近接している。

様々な実施の形態において、流体通路の数は、２以上、３以上、４以上、５以上、６以上、７以上、８以上、９以上、１０以上、１１以上、１２以上、１３以上、または１４以上であってもよい。

様々な実施の形態において、２つ以上の流体通路によって形成される夾角は、約４０度〜約１６０度の範囲である。他の実施の形態では、夾角は約９０度〜約１３０度の間である。他の実施の形態では、夾角は、約４０度、約４５度、約５０度、約６０度、約７０度、約８０度、約９０度、約１００度、約１１０度、約１２０度、約１３０度、約１４０度、約１５０度、または約１６０度以上である。

様々な実施の形態において、ノズルハウジングを介してインサートに供給される液体に加えられる圧力は、約０ｐｓｉから約５００ｐｓｉまたはそれ以上の範囲であり得る。例えば、圧力は約５ｐｓｉ、約１０ｐｓｉ、約１５ｐｓｉ、約２０ｐｓｉ、約２５ｐｓｉ、約３０ｐｓｉ、約４０ｐｓｉ、約５０ｐｓｉ、約６０ｐｓｉ、約７０ｐｓｉ、約８０ｐｓｉ、約９０ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ、約１５０ｐｓｉ約２００ｐｓｉ、約２５０ｐｓｉ、約３００ｐｓｉ、約３５０ｐｓｉ、約４００ｐｓｉ、約４５０ｐｓｉ、または約５００ｐｓｉ以上、またはそれらの間の任意の値であり得る。

一実施の形態では、流体は、Ｅ０、Ｅ５、Ｅ１０、Ｅ１５、Ｅ２０、Ｅ２５、Ｅ３０、Ｅ３５、Ｅ４０、Ｅ５０、Ｅ６０、Ｅ７０、Ｅ７５、及びＥ７０、Ｅ８５、Ｅ９０、Ｅ９５、Ｅ９６、Ｅ９７、Ｅ９８、Ｅ９９及びＥ１００を含む（が、これらに限定されない）任意のガソリン-アルコール混合物の揮発性燃料である。

別の実施の形態において、液体は水である。

別の実施の形態において、液体は、水及びアルコール、またはそれらの任意の混合物である。

別の実施の形態において、液体は、水及び塩、またはそれらの任意の混合物である。

別の実施の形態において、液体は、水及び尿素、またはそれらの任意の混合物である。

一実施の形態では、インサートは、等級のステンレス鋼、等級の鋼、等級のアルミニウム合金、等級の真鍮、等級の銅及びその合金、等級のプラスチック、等級のグラファイト、及び／またはそれらの任意の組み合わせの１つ以上から構成されている。

別の実施の形態では、２つ以上の通路の「衝突集合」の各通路は、異なる孔直径である。

別の実施の形態では、２つ以上の通路の複数の「衝突集合」が存在し、「衝突集合」の各々は同じ焦点を共有し、「衝突集合」のそれぞれは異なる夾角を含み、異なる「仮想円」に配置される。これに関連して、例えば、図１０を参照すると、インサート１００１の遠位端の上面図が示されている。流体通路１００３Ａ、１００３Ｂ、１００３Ｃ、１００３Ｄは、インサートの遠位端の円錐面に対して垂直に配置される。第１の仮想円１００５Ａは、遠位端の出口円錐面への通路１００３Ａ及び１００３Ｃの交点に接して形成される。この第１の仮想円は、遠位端の円錐面に沿った所与の位置（近位または遠位）を指し、インサートの長手方向軸と同軸である。さらに、第２の仮想円１００５Ｂは、遠位端の出口円錐面への通路１００３Ｂ及び１００３Ｄの交点に接して形成される。この第２の仮想円は、遠位端の円錐面に沿った所与の位置（近位または遠位）を指し、インサートの長手方向軸と同軸である。第１の仮想円は、第２の仮想円よりもインサートの遠位端に近くてもよく、または第１の仮想円は、第２の仮想円よりもインサートの遠位端から離れていてもよい。

別の実施の形態では、２つ以上の通路の複数の「衝突集合」が存在し、「衝突集合」のそれぞれは、他のものとは異なる特定の焦点を有し、「衝突集合」のそれぞれは、同じ夾角を有し、異なる仮想円に配置される。

別の実施の形態では、２つ以上の通路の複数の「衝突集合」が存在し、「衝突集合」のそれぞれは、他のものとは異なる特定の焦点を有し、「衝突集合」のそれぞれは、異なる夾角を有し、同じ仮想円に配置される。

別の実施の形態では、２つ以上の通路の複数の「衝突集合」が存在し、「衝突集合」のそれぞれは、他のものとは異なる特定の焦点を有し、「衝突集合」のそれぞれは、異なる夾角を有し、異なる仮想円に配置される。

別の実施の形態では、インサートは、円筒形であり、約２ｍｍ〜約４５ｍｍの範囲の最大外径を有する。例えば、最大外径は、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍ、約９ｍｍ、約１０ｍｍ、約１１ｍｍ、約１２ｍｍ、約１３ｍｍ、約１４ｍｍ、約１５ｍｍ、約２０ｍｍ、約２５ｍｍ、約３０ｍｍ、約３５ｍｍ、約４０ｍｍまたは約４５ｍｍまたはそれ以上であり得る。

別の実施の形態では、各通路は、直径「Ｄ」を有する略均一な断面を有する。直径は、約８０μｍ〜約１０００μｍまたはそれ以上の範囲であり得る。例えば、直径は約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ、約１１０μｍ、約１２０μｍ、約１３０μｍ、約１４０μｍ、約１５０μｍ、約１６０μｍ、約１７０μｍ、約１８０μｍ、約１９０μｍ、約２００μｍ、約２１０μｍ、約２２０μｍ、約２３０μｍ、約２４０μｍ、約２５０μｍ、約２６０μｍ、約２７０μｍ、約２８０μｍ、約２９０μｍ、約３００μｍ、約３１０μｍ、約３２０μｍ、約３３０μｍ、約３４０μｍ、約３５０μｍ、約３６０μｍ、約３７０μｍ、約３８０μｍ、約３９０μｍ、約４００μｍ、約５００μｍ、約６００μｍ、約７００μｍ、約８００μｍ、約９００μｍ、または約１０００μｍまたはそれ以上であり得る。１つの特定の例では、直径は約１００μｍ〜約６００μｍである。別の特定の例では、直径は約２００μｍ〜約４５０μｍである。

別の実施の形態では、各流体通路は、１つ以上の他のものと整列して、夾角を形成するように配置され、遠位端を出る各流体噴流は、ノズル本体の中央Ｚ軸に沿ってインサートの遠位端から離れた所定距離で１つ以上の他のものに略衝突する（噴流は「噴流の衝突集合」を形成する）。

別の実施の形態では、インサート及び／またはノズルは、放電加工（ＥＤＭ）及び／または火花点火加工によって作製することができる。

ここで図８Ａ及び８Ｂを参照する。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の実施の形態による自動車の４気筒内燃エンジンにおけるノズルの配置の２つの例を示す。

図８Ａに示すように、この実施の形態は、インサートを含むノズル組立品８０１が内燃エンジン８００の吸気道８０３内に配置される内燃エンジン８００に流体を噴射するために利用されてもよい。（加圧流体１Ａを受ける）ノズル組立体８０１は、空気スロットル機構８０５に先立って吸気道８０３内に配置される。吸入空気２Ａは吸気道８０３を通って流れ、流体は４つの吸気ランナ８０７を通って４気筒内燃エンジン８００のシリンダに流れる空気流に噴射される。同様の実施の形態では、吸気道８０３に複数のノズル組立品を利用することができる。

図８Ｂは、内燃エンジン８７０の個々のシリンダごとに各吸気ランナ８５２Ａ、８５２Ｂ、８５２Ｃ、８５２Ｄに配置されたそれぞれのインサートを含む複数のノズル組立品８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃ、８５０Ｄを利用する実施の形態を示す。吸入空気２Ｂは、吸気道に流入し、空気スロットル機構８７５を通過してインテークマニホルド８７７に入る。次に、空気は、個々の吸気ランナ８５２Ａ、８５２Ｂ、８５２Ｃ、８５２Ｄに流入し、そこで、加圧流体１Ｂがノズル組立品８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃ、８５０Ｄを介して内燃エンジン８７０の吸気ランナ８５２Ａ、８５２Ｂ、８５２Ｃ、８５２Ｄに噴射される。同様の実施の形態では、個々の吸気ランナ８５２Ａ、８５２Ｂ、８５２Ｃ、８５２Ｄに複数のノズル組立品を使用することができる。

他の実施の形態では、開示するノズル組立品を使用して、以下のものを送出することができる。（Ａ）コーヒーまたはその他の飲料、（Ｂ）例えばエンジンに水を供給する際の水、及び／または（Ｃ）接着剤。

別の実施の形態では、バルブ手段（または計量手段）は、開示するノズル組立品の一部ではない。

別の実施の形態では、バルブ手段（または計量手段）は、開示するインサートの一部ではない。

別の実施の形態では、弁手段（または計量手段）は、開示するノズル組立品の一部である。

別の実施の形態では、バルブ手段（または計量手段）が、開示するインサートの一部である。

本明細書で説明するように、一実施の形態では、（２つ以上の別個のノズルを使用する代わりに）単一のノズルを介して液体噴流の衝突が達成される。

本明細書で説明するように、一実施の形態では、液体噴流の衝突は（２つの異なる液体の混合の代わりに）液体の分裂を意図している。

本明細書で説明するように、一実施の形態では、液体噴流の衝突は、（固体物体に対してではなく）互いに衝突する液体気流を含む。

本明細書で説明するように、一実施の形態では、液体噴流の衝突は、収束する通路に依存し、ノズルの法線に対してある角度で出現する噴霧の生成を可能にする。

本発明の記載した実施の形態は、限定的ではなく例示的であるように意図されており、本発明のすべての実施の形態を表すことを意図するものではない。以下の特許請求の範囲に記載したように文字通り及び法律で認識された同等物の両方において本発明の精神または範囲から逸脱することなく様々な変更及び変形が可能である。

Claims (48)

1. 液体を送出するための装置であって、前記装置は前記液体を微粒化し、
   インサートと、
   ノズルハウジングと、
   供給源と、を備え、
   前記インサートは近位端と遠位端とを有し、前記インサートは前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって延びるインサート本体を含み、前記インサート本体は複数の通路を有し、
   前記ノズルハウジングは液体入口が配置される近位端と液体出口が配置される遠位端とを有し、前記ノズルハウジングは、前記インサートが位置する空洞を有し、
   前記供給源は加圧された液体を前記ノズルハウジングの前記液体入口に供給し、
   前記インサートは、前記遠位端の下から前記近位端まで下方に貫通して長手方向に延びる複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記遠位端と交差せず、
   前記ノズルハウジングにおいて、液体は、前記液体入口から前記インサートの前記複数の溝を通って流れ、次いで前記インサートの前記複数の通路を通って出ることを特徴とする装置。
2. 前記インサート本体は、その外側が円筒形であり、前記空洞は、その内側が円筒形である請求項１に記載の装置。
3. 前記インサート本体は、その外側の形状が円筒形であり、前記インサート本体の外側が液体流を前記ノズルハウジングの中心軸から離れるように発散させる請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の通路は、前記インサートの前記遠位端の仮想円に沿って径方向に対称に分布している請求項３に記載の装置。
5. 前記複数の通路は、前記インサートの前記遠位端の凹状円錐面に対して垂直である請求項４に記載の装置。
6. 前記凹状円錐面は、前記インサートの長手方向中心軸に整列した凹状円錐を形成する請求項５に記載の装置。
7. 前記ノズルハウジングを通る前記液体の流れを精密に制御するための弁手段をさらに備える請求項１に記載の装置。
8. 前記弁手段は、正確な開始時間及び正確な停止時間で正確な量の液体流を提供する請求項７に記載の装置。
9. 前記弁手段は、前記ノズルハウジングの内部に配置されている請求項７に記載の装置。
10. 前記弁手段は、前記ノズルハウジングの外部に配置されている請求項７に記載の装置。
11. 前記インサートの外面は、前記ノズルハウジング内への圧入に適した表面である請求項１に記載の装置。
12. 前記インサートの前記遠位端は、前記インサートの前記遠位端の軸方向表面に、Ｏリング溝を含み、前記Ｏリング溝は、前記ノズルハウジングに対する軸方向シールのための弁座を提供する請求項１に記載の装置。
13. 前記インサートの外面は、前記インサートの前記遠位端に近接し、径方向表面上にＯリング溝を含み、前記Ｏリング溝は、前記ノズルハウジングに対する径方向シールのための弁座を提供する請求項１に記載の装置。
14. 前記ノズルハウジングは、前記ノズルハウジングの前記遠位端に孔を有し、
    前記ノズルハウジングの前記遠位端の前記孔は、前記インサートが前記孔を通過するのを防止する大きさであり、
    前記インサートは、バネによって前記ノズルハウジング内の前記遠位端に向かって付勢されており、
    前記バネは、前記ノズルハウジングの前記遠位端において前記ノズルハウジングの内面に対して軸方向に前記インサートをトラップする請求項１に記載の装置。
15. 前記インサートは、前記ノズルハウジングに溶接されている請求項１に記載の装置。
16. 前記インサートを前記ノズルハウジング内に保持するために、外側板が前記ノズルハウジングに溶接されている請求項１に記載の装置。
17. 液体を送出するための装置であって、前記装置は前記液体を微粒化し、
    インサートと、
    ノズルハウジングと、
    供給源と、を備え、
    前記インサートは近位端と遠位端とを有し、前記インサートは前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって延びるインサートケーシングを含み、前記インサートは前記インサートケーシング内に配置されたインサートコアを含み、前記インサートコアは、前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって延び、前記インサートコアは小径部と前記インサートの前記遠位端に隣接して配置された拡張部とを有し、前記拡張部は複数の通路を有し、
    前記ノズルハウジングは液体入口が配置される近位端と液体出口が配置される遠位端とを有し、前記ノズルハウジングは、前記インサートが位置する空洞を有し、
    前記供給源は加圧された液体を前記ノズルハウジングの前記液体入口に供給し、
    前記ノズルハウジングにおいて、液体は、前記液体入口から前記空洞を通って前記インサートの前記拡張部に流れ、次いで前記インサートの前記複数の通路を通って出ることを特徴とする装置。
18. 前記インサートケーシングの外面はねじ山が付けられている請求項１７に記載の装置。
19. 前記ノズルハウジングの内面はねじ山が付けられており、前記ノズルハウジングの前記内面の前記ねじ山が前記インサートケーシングの前記ねじ山と嵌合するように構成されている請求項１８に記載の装置。
20. 前記インサートコアの前記遠位端は、前記インサートから径方向外側に突出する肩部キャップを含み、前記肩部キャップは、前記インサートケーシングが前記ノズルハウジング内にねじ込まれるときに前記ノズルハウジングの表面に対する止め具として利用される請求項１９に記載の装置。
21. 前記インサートコアは、その外側が円筒形であり、前記インサートケーシングは、その内側が円筒形である請求項１７に記載の装置。
22. 前記インサートコアの外側が、液体流を前記ノズルハウジングの中心軸から離れるように発散させる請求項２１に記載の装置。
23. 前記インサートコアの前記小径部と前記インサートケーシングの内面との間に、流体流空洞が形成され、前記流体流空洞が、前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって延びており、前記複数の通路が配置される前記拡張部で終わる請求項１７に記載の装置。
24. 前記複数の通路は、前記インサートコアの前記拡張部の前記近位端から始まり、前記インサートの前記遠位端の仮想円に沿って径方向に対称に分布している請求項２３に記載の装置。
25. 前記複数の通路は、前記インサートの前記遠位端の凹状円錐面に対して垂直である請求項２４に記載の装置。
26. 前記凹状円錐面は、前記インサートの長手方向中心軸に整列した凹状円錐を形成する請求項２５に記載の装置。
27. 前記ノズルハウジングを通る前記液体の流れを精密に制御するための弁手段をさらに備える請求項１７に記載の装置。
28. 前記弁手段が、正確な開始時間及び正確な停止時間で正確な量の液体流を提供する請求項２７に記載の装置。
29. 前記弁手段は、前記ノズルハウジングの内部に配置されている請求項２７に記載の装置。
30. 前記弁手段は、前記ノズルハウジングの外部に配置されている請求項２７に記載の装置。
31. 液体を送出するための装置であって、前記装置は前記液体を微粒化し、
    インサートと、
    ノズルハウジングと、
    供給源と、を備え、
    前記インサートは、近位端と遠位端とを有し、前記インサートは前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって延びるインサート本体を含み、前記インサート本体は少なくとも第１の通路と第２の通路とを含む複数の通路を含み、前記インサート本体は、少なくとも第１の流体流路と第２の流体流路とを有し、前記第１の流体流路は、前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって長手方向に前記インサートの外面に沿っており、前記第２の流体流路は、前記インサートの前記近位端から前記インサートの前記遠位端に向かって前記長手方向に前記インサートの前記外面に沿っており、前記第１の流体流路は、前記インサートの前記外面から前記第１の通路に流体連通しており、前記第２の流体流路は、前記インサートの前記外面から前記第２の通路まで流体連通し、
    前記ノズルハウジングは液体入口が配置される近位端と液体出口が配置される遠位端とを有し、前記ノズルハウジングは、前記インサートが位置する空洞を有し、前記ノズルハウジングは、前記ノズルハウジングの前記遠位端に孔を有し、前記ノズルハウジングの前記遠位端の前記孔は、前記インサートが前記孔を通過するのを防止する大きさであり、
    前記供給源は加圧された液体を前記ノズルハウジングの前記液体入口に供給し、
    前記ノズルハウジングにおいて、液体は、（ａ）前記液体入口から前記インサート本体の前記第１の流体流路を通って流れ、次いで前記インサートの前記第１の通路を通って出て、（ｂ）前記液体入口から前記インサート本体の前記第２の流体流路を通って流れ、次に前記インサートの前記第２の通路を通って出ることを特徴とする装置。
32. 前記インサートは、その外側の形状が円筒形であり、
    前記空洞はその内部が円筒状であり、
    前記ノズルハウジングの前記遠位端における前記孔の直径は、前記インサートの前記外面の直径よりも小さい請求項３１に記載の装置。
33. 前記第１の流体流路は、幅及び深さを有する矩形断面を有する流路の形態であり、
    前記第２の流体流路は、幅及び深さを有する矩形断面を有する流路の形態である請求項３１に記載の装置。
34. 前記第１の流体流路は、円弧長さ及び高さを有する半円形断面を有する流路の形態であり、
    前記第２の流体流路は、円弧の長さ及び高さを有する半円形断面を有する流路の形態である請求項３１に記載の装置。
35. 前記第１の流体流路は、底辺と高さを有する三角形断面を有する流路の形態であり、前記第２の流体流路は、底辺と高さを有する三角形断面を有する流路の形態である請求項３１に記載の装置。
36. 前記複数の通路は、前記インサートの前記遠位端において仮想円に沿って径方向に対称的に分布していることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
37. 前記複数の通路は、前記インサートの前記遠位端の凹状円錐面に対して垂直である請求項３６に記載の装置。
38. 前記凹状円錐面は、前記インサートの長手方向中心軸に整列した凹状円錐を形成する請求項３７に記載の装置。
39. 前記ノズルハウジングを通る前記液体の流れを正確に制御するための弁手段をさらに備える請求項３１に記載の装置。
40. 前記弁手段が、正確な開始時間及び正確な停止時間で正確な量の液体流を提供する請求項３９に記載の装置。
41. 前記弁手段は、前記ノズルハウジングの内部に配置される請求項３９に記載の装置。
42. 前記弁手段は、前記ノズルハウジングの外部に配置される請求項３９に記載の装置。
43. 前記インサートの前記外面は、前記ノズルハウジング内への圧入に適した表面である請求項３１に記載の装置。
44. 前記インサートの前記遠位端は、前記インサートの前記遠位端の軸方向表面にＯリング溝を含み、前記Ｏリング溝は、前記ノズルハウジングに対して軸方向シールのための弁座を提供する請求項３１に記載の装置。
45. 前記ノズルハウジングの前記遠位端に近接している前記インサートの前記外面は、径方向表面上のＯリング溝を含み、前記Ｏリング溝は、前記ノズルハウジングに対して径方向シールのための弁座を提供する請求項３１に記載の装置。
46. 前記インサートは、バネによって前記ノズルハウジング内に付勢されており、前記バネは、前記ノズルハウジングの前記遠位端において前記ノズルハウジングの内面に対して軸方向に前記インサートをトラップする請求項３１に記載の装置。
47. 前記インサートは、前記ノズルハウジングに溶接される請求項３１に記載の装置。
48. 前記インサートを前記ノズルハウジング内に保持するために、外側板が前記ノズルハウジングに溶接されている請求項３１に記載の装置。