KR100442159B1 - 분사밸브용천공원판 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 천공 원판은, 유체 특히 연료를 위해 완전한 축방향의 관통부가 형성되어 있으며, 상기 관통부는 유입 개구(36)와 유출 개구(38) 및 상기 양개구 사이에 위치하는 하나 이상의 통로(42)로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 유입 개구(36)와 유출 개구(38)는, 일 평면으로의 투영도에서 볼 때, 서로 어떠한 장소에서도 중첩되지 않도록, 천공 원판(23)에 배치되어 있다. 유입 개구(36)에 대한 유출 개구(38)의 이러한 오프셋에 의해, 매체의 S형의 유동 경과가 발생되며, 이에 의해 매체에는 분무화를 촉진하는 난류가 인가된다.
천공 원판은 특히, 연료 분사 장치, 래커 도포 노즐 또는 동결 건조 공정에서의 분사 밸브에 사용하기에 적합하다.

Description

분사 밸브용 천공 원판
유럽 특허출원 공개 제 0354660호 명세서에는, 소위 「S자형 원판」인 천공 원판의 형태로 노즐을 제조하는 것이 공지되어 있다. 「S자형 원판」이란, 천공 원판에 설치된 유입 개구와 유출 개구가 서로 오프셋되어 형성되어 있고, 이것에 의해 천공 원판을 통과하는 유체 흐름에 강제적으로 「S자 꼬임」이 생기는 것을 의미한다. 공지의 천공 원판은 본딩(bonding)에 의해서 접합된 2개의 평평한 실리콘 플레이트로 형성된다. 그리고, 상기 실리콘 플레이트에는 얇아진 두께의 영역이 성형되어 있기 때문에, 전단 갭이 플레이트의 단부면에 대하여 평행하게 제 1 플레이트의 개구와 제 2 플레이트의 개구 사이에 형성된다. 공지의 마스크 기술을 사용하여, 다수의 천공 원판 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼에 에칭에 의해 유입 개구와 유출 개구가 형성된다. 천공 원판내의 개구의 원추대() 형상의 윤곽은 논리적으로 이방성 에칭 기술로부터 얻어진다.
탄성 실리콘 밸브 플레이트와, 역시 실리콘제의 노즐 플레이트로 이루어지는 밸브장치가 이미 유럽 특허출원 공개 제 0314285 호 명세서에 공지되어 있다. 2개의 실리콘 플레이트는 서로 결합되어 있고, 서로 상대적으로 휘어질 수 있다. 실리콘 밸브 플레이트에는 유입 개구가 설치되어 있고, 상기 유입 개구는 노즐 플레이트에 설치된 유출 개구와 오프셋되어 배치되어 있다. 밸브 장치의 폐쇄상태에서는, 실리콘 밸브 플레이트의 평탄면(plateau surface)이, 노즐 플레이트내의 유출 개구를 밀봉하고 있다. 조작 부재에 의해서 노즐 플레이트가 구부러지면 유체의 S자형 통로가 형성되며 밸브 장치가 열린다.
미국 특허 제 4907748 호 명세서에는 하류측 단부에 2개의 실리콘 플레이트로 이루어지는 노즐을 갖는 연료분사밸브가 이미 공지되어 있다. 위에서 설명한 공지의 천공 원판 경우와 같이, 2개의 실리콘 플레이트에 설치된 유입 개구와 유출 개구는 서로 오프셋되어 있기 때문에 통과하는 유체 즉 연료의 흐름에는 「S자 꼬임」이 생긴다.
실리콘으로 구성되는 상기 천공 원판은 모두 실리콘의 취성(脆性)에 의해 주어지는 파괴 강도가 경우에 따라서는 불충분하다는 결점을 가지고 있다. 특히 예를 들면 분사 밸브에 연속 부하(기관 진동)가 가해지는 경우에는, 실리콘 플레이트가 파괴될 위험이 생긴다. 금속 부품, 예를 들면 분사 밸브에 실리콘 플레이트를 설치하는 것은 어렵다. 왜냐하면, 특히 응력이 없는 클램핑 수단이 사용되어야 하며, 게다가 밸브에서의 밀봉에 문제가 있기 때문이다. 예를 들면 분사밸브에 실리콘 천공 원판을 용접하는 것은 불가능하다. 또한, 유체가 빈번히 통과하는 경우에는 실리콘 웨이퍼의 개구에서 가장자리부 마모가 생긴다는 결점도 생긴다.
또한, 독일 특허 제 483615 호 명세서에는 마찬가지로, 2개의 노즐 플레이트로 형성된 분사형 내연기관을 위한 노즐이 공지되어 있다. 여기서, 양 노즐 플레이트는 서로 오프셋되어 배치된 유입 개구와 유출 개구를 가지고 있고, 이것에 의해 통과하는 연료의 분산됨이 촉진된다. 그러나 상기 공지의 노즐을 사용하더라도, 원하는 형상에 따라서 분사되는 연료를 형성하는 것은 불가능하다.
본 발명은 청구항 1의 전제부에 기재된 형식의 천공 원판(perforated disc), 특히 분사 밸브용 천공 원판에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 의한 천공 원판을 구비한 분사밸브의 부분도.
도 2 는 천공 원판의 저면도.
도 3 은 도 2 의 III- III 선을 따른 천공 원판의 단면도.
도 4 는 세 층의 천공 원판의 관류 영역을 도시하는 도면.
도 5 는 제 1 통로 연장부를 구비한 세 층의 천공 원판의 관류 영역을 도시하는 도면.
도 6 은 제 2 통로 연장부를 구비한 세 층의 천공 원판의 관류 영역을 도시하는 도면.
도 7은 다수의 통로 연장부를 구비한 다섯 층의 천공 원판의 관류 영역을 도시하는 도면.
도 8 은 다수의 통로 연장부를 구비한 네 층의 천공 원판의 관류 영역을 도시하는 도면.
도 9 는 측방향의 다수의 통로 연장부를 구비한 천공 원판의 평면도.
도 10 은 인터럽터를 구비한 천공 원판의 관류 영역을 도시하는 도면.
도 11 은 천공 원판의 저면도.
도 12 는 도 11 의 XII - XII 선을 따른 천공 원판의 단면도.
도 13 은 천공 원판의 저면도.
도 14 는 모나지 않은 횡단면을 갖는 개구를 구비한 다른 천공 원판의 평면도.
도 15 는 도 14 의 XV- XV 선을 따른, 공구를 구비한 천공 원판의 (반대흐름방향) 단면도.
도 16 내지 도 20 은 다층 전기도금에 의해 천공 원판을 제조하기 위한 공정단계를 도시하는 도면.
도 21 은 측방 과성장 후의 천공 원판을 도시하는 도면.
도 22 는 개개의 층에 서로 다른 직경을 갖는 천공 원판의 단면도.
도 23 은 도 22 에 나타낸 천공 원판 중앙 영역의 평면도.
도 24 는 또 다른 천공 원판의 평면도.
도 25 내지 도 27 은 각각 직사각형 유입 개구를 갖는 천공 원판 3개의 중앙 영역을 도시하는 도면.
도 28 은 개구 영역의 비대칭적인 분할을 갖는 천공 원판의 평면도.
도 29 및 도 30 은 개구 영역의 비대칭적인 분할을 갖는 천공 원판의 2개의 중앙 영역을 도시하는 도면.
도 31 은 원형의 개구만을 갖는 천공 원판의 중앙 영역을 도시하는 도면.
도 32 는 16개의 낫모양 유입 개구를 갖는 천공 원판의 중앙 영역을 도시하는 도면.
도 33 은 거의 반원형의 유입 개구와, 낫모양의 유출 개구를 갖는 천공 원판의 중앙 영역을 도시하는 도면.
청구항 1의 특징부에 기재된 본 발명에 따른 천공 원판은 다음과 같은 장점을 갖고 있다. 즉, 본 발명에 따른 천공 원판에서는, 유체의 균일하며 미세한 분무화가 부가적인 에너지 없이, 즉 이용 가능한 매체압 만으로 얻어지며, 게다가 이 경우 특히 높은 분무화 품질과 각각의 요구에 맞는 분류(噴流:stream) 형상이 얻어진다. 이 결과, 이러한 천공 원판을 분사 밸브에 사용하면 특히 내연기관의 배기 가스 배출량을 감소시킬 수 있고 또한 연료 소비량도 절감할 수 있다.
예컨대, S형 원판의 형태를 한 본 발명에 따른 천공 원판에 의해서 색다르고 기발한 분류 형상을 형성할 수 있다. 이러한 천공 원판은 단일 분류 분무체, 2분류 분무체 및 다분류 분무를 위해 무수한 분류 횡단면, 예를 들면 사각형, 삼각형, 십자형, 타원형의 횡단면을 가능하게 한다. 이러한 특별한 분류 형상에 의해 미리 주어진 구조, 예를 들면 천공 원판이 내연기관의 분사 밸브에 사용될 때 여러가지 흡입관 횡단면에 대한 정확한 최적의 매칭이 가능하게 된다. 이 결과, 이용 가능한 횡단면이 형상에 맞춰서 충분히 이용되고, 나아가서는 균일하게 분배되며, 또한 배기 가스를 저감하는 혼합기 도입이 달성되고, 또한 흡기관벽에서의 배기 가스의 유해한 벽막 침적을 방지할 수 있는 장점이 얻어진다.
청구항 2 내지 청구항 21에 기재된 구성에 의해서 청구항 1에 기재된 천공 원판의 또한 다른 유리한 구성이 얻어진다.
특히, 유리한 구성에서는, 유입 개구와 유출 개구의 유동 접속부로서 구성된 통로가 통로 연장부(캐비티)를 구비하고 있으며, 상기 통로 연장부에는 주변을 지나 유동하는 유체에 의해서 와류가 발생된다. 와류와 상기 와류를 발생시키는 유동 사이의 상호 작용에 의해서 상호 작용 영역에서는 시간적인 불안정이 발생된다. 그리고, 유동에는 강제적으로 진동이 여기되고, 이에 의해서 한쪽에서는 개성적인 분류 패턴이 형성되며, 또한 다른쪽에서는 난류 방향에 의해서 분무체에서의 평균적인 액적(液摘:droplet) 직경이 감소한다.
천공 원판에 인터럽터를 사용함으로써 다른 장점이 얻어진다. 이러한 인터럽터의 후방측에서는 현저한 가로방향 맥동을 갖는 와열(eddy train)이 발생한다. 와열에서의 난류는 매우 미세한 액적을 구비한 균일한 분무체를 분사하기 위해서 유용하다. 분무체에서의 평균적인 액적 직경의 유리한 감소에 의해서, 균일한 분무체 분포가 얻어진다. 이는 균일한 분무체에 의해서 비교적 작은 액적 분포 밀도가 발생하기 때문이다. 이 결과, 액적의 응집 가능성이 감소한다. 기타의 장점에 대해서는 실시예를 통해 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1에는 제 1 실시예로서 혼합기 압축형 불꽃 점화식의 내연기관의 연료 분사 장치용 분사 밸브가 부분적으로 도시되어 있다. 상기 분사 밸브는 관형상의 밸브시트 지지체(1)를 갖고 있으며, 상기 밸브 시트 지지체(1)에는 밸브의 종축선(2)에 대해서 동심적으로 종방향 개구(3)가 형성되어 있다. 상기 종방향 개구(3)에는예를 들어 관형상의 밸브 니들(5)이 배치되어 있으며, 상기 밸브 니들(5)의 하류측 단부(6)는 예를 들어 구(球)형상의 밸브 폐쇄체(7)에 결합되어 있고, 상기 밸브 폐쇄체(7)의 둘레에는 예를 들면 5개의 평면부(8)가 형성되어 있다.
분사밸브의 작동은 공지의 방식으로, 예를 들면 전자기적으로 행하여진다. 밸브 니들(5)을 축방향으로 운동시켜, 복귀 스프링(도시하지 않음)의 스프링력에 대항하여 분사밸브를 개폐하기 위해서는, 자기 코일(10)과, 전기자(armature)(11)와, 코어(12)를 갖는 전자기 회로가 사용된다. 전기자(11)는 밸브 폐쇄체(7) 반대편에 놓인 밸브 니들(5)의 단부에, 예를 들면 레이저를 사용한 용접 시임(seam)에 의해 결합되어 있고 코어(12)에 대해 정렬되어 있다.
밸브시트체(16)의 가이드 개구(15)가 축방향 운동 동안 밸브 폐쇄체(7)를 안내한다. 밸브시트 지지체(1)의 하류측에 위치하는, 즉 코어(12) 반대편의 단부에서는 밸브 종축선(2)에 대하여 동심으로 연장되는 종방향 개구(3)에 원통형의 밸브시트체(16)가 용접에 의해 밀봉 방식으로 설치되어 있다. 밸브 폐쇄체(7) 반대편에 놓인 상기 밸브시트체(16)의 하측 단부면(17)은 예를 들면 포트(pot)형으로 형성된 지지 원판(21)에 동심으로 단단하게 결합되어 있다. 즉, 상기 지지 원판(21)은 직접 밸브시트체(16)에 접촉하고 있다. 상기 지지 원판(21)은 이미 공지된 포트형의 분사 천공 원판과 유사한 형상을 가지고 있고, 지지 원판(21)의 중앙 영역은 계단형 관통 개구(22)를 구비하고 있으며, 이에 따라 상기 관통 개구(22)에는 본 발명에 의한 천공 원판(23)이 수용된다.
밸브시트체(16)와 지지 원판(21)의 결합은 예를 들면 레이저에 의해 빙둘러형성된 기밀한 제 1 용접 시임(25)에 의해 이루어진다. 이러한 설치 방식에 의해 지지 원판(21)의, 관통 개구(22)를 구비한 중앙 영역과, 상기 영역에 설치된 천공 원판(23)의 바람직하지 않은 변형의 위험이 피해진다. 지지 원판(21)은 또한 밸브시트 지지체(1)내의 종방향 개구(3)의 벽에, 예를 들면 빙둘러서 형성된 기밀한 제 2 용접 시임(30)에 의해 결합되어 있다.
밸브시트체(16)와 포트형 지지 원판(21)으로 구성되는 밸브시트 부분을 종방향 개구(3)에 밀어넣을 때의 밀어넣는 깊이에 의해, 밸브 니들(5)의 행정 크기가 결정된다. 왜냐하면, 밸브 니들(5) 한쪽의 종단 위치는 자기 코일(10)이 여자되지 않은 상태에서, 밸브시트체(16)의 밸브시트면(29)에 밸브 폐쇄체(7)가 접촉함으로써 정해지기 때문이다. 밸브 니들(5)의 다른쪽 종단 위치는 자기 코일(10)이 여자된 상태에서, 전기자(11)가 코어(12)에 접촉함으로써 정해진다. 따라서, 밸브 니들(5)의 양 종단 위치 사이의 거리가 행정을 나타낸다.
구형의 밸브 폐쇄체(7)는 밸브시트체(16)에 설치된, 흐름 방향으로 원추대 형상으로 가늘어지는 밸브시트면(29)과 협동한다. 상기 밸브시트면(29)은 축방향에 있어서 가이드 개구(15)와, 밸브시트체(16)의 하측 단부면(17) 사이에 형성되어 있다.
지지 원판(21)의 관통 개구(22)에 배치되어 있고 지지 원판(21)에 의해서 밸브 시트체(16)의 하측 단부면(17)에 직접 견고하게 유지되어 있는 천공 원판(23)은 간단화되어서 일예가 도시되어 있으며, 이 천공 원판(23)에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술한다. 지지 원판(21) 및 고정부로서의 클램프(31)로의 천공 원판(23)의 삽입은 밸브 시트면(29)의 하류측에서의 천공 원판(23)의 장착을 위한 하나의 가능한 변형예이다. 밸브 시트체(16)에 천공 원판(23)을 간접적으로 고정하는 형식인 이러한 고정 형식에서는, 다음과 같은 장점이 있다. 즉, 이와 같은 고정 형식에서는 경우에 따라서는 용접 또는 납땜시에 발생할 수 있는 온도에 따른 변형이 방지된다. 그러나 지지 원판(21)은 천공 원판(23)을 고정하기 위한 유일한 조건은 아니다. 고정 가능성은 본 발명에 있어서 중요한 것은 아니므로 여기에서는 다만 용접, 납땜 또는 접착같은 범용된 공지의 접합 방법을 시사하고 있을 뿐이다.
도 2 에는 본 발명에 따라 제조된, 도 1 에 도시한 천공 원판의 저면도가 도시되고 있다. 천공 원판(23)은 편평한 원형의 다층판으로서 형성되어 있으며, 따라서, 예를 들면 다층형 분사 천공 원판이라고 지칭될 수도 있다. 지지 원판(21)에는, 천공 원판(23)이 예를 들면 센터링되어 배치되어 있다. 본 발명에 따른 천공 원판 제조 방법에 의해 다층으로 구성된 구조가 얻어진다. 천공 원판(23)의 다층 구조와 다수의 기능 평면이 있는 구조는 도 2의 III-III 선을 따른 단면도로 도 3 에 도시되어 있다. 도 3 에는 본 발명의 방법에 관련된 중요한 특징이 간단히 설명된다.
도 2 및 도 3에 도시된 천공 원판(23)은 전기 도금 증착에 의해서 3개의 금속제의 층으로 구성되어 있다. 3차원 리소그래피와 전기 도금 기술에 의한 제조에 의해, 윤곽 형성에 있어서 다음과 같은 특별한 특징이 얻어진다:
- 원판면 전체에 걸쳐서 층의 두께가 변화하지 않고 일정하며,
- 3차원 리소그래피에 의한 구조화에 의해 상기 층에 수직 절개부가 형성되고, 상기 절개부는 각각 유동이 관통하는 중공실을 형성하며,
- 개별 구조화된 금속층의 다층 형성에 의해 상기 절개부에 소정의 언더컷 및 오버랩이 형성될 수 있고,
- 상기 절개부는 축방향으로 평행한 벽을 갖는 임의의 단면 형상, 예를 들면 사각형, 다각형, 라운딩된 사각형, 라운딩된 다각형, 타원형, 원형 등의 단면 형상을 가질 수 있다.
각각의 층은 차례로 전기도금에 의해 증착되기 때문에, 일련의 층들은 전기도금 접착으로 인해 그 아래 놓인 층과 단단하게 결합된다.
제 1 실시예에서는, 예를 들면 같은 외경을 갖는 3개의 원형 층이 천공 원판(23)을 형성한다. 상층(35)은, 각각 밸브 종축선(2) 또는 천공 원판(23)의 중심축선에 대하여 같은 간격을 두고 형성되며 서로 90°오프셋된, 예를 들면 네개의 직사각형 유입 개구(36)를 가지고 있다. 상기 유입 개구(36)는 천공 원판(23)의 직경 선상에서 밸브 종축선(2)에 가깝게 배치되어 있다. 하층(37)에는, 밸브 종축선(2)에 대하여 현저하게 큰 간격을 두고, 나아가서는 유입 개구(36)에 대하여 반경 방향으로 오프셋되어, 4개의 직사각형 유출 개구(38)가 설치되어 있다. 상기 유출 개구(38)는, 예를 들면 유입 개구(36)보다도 약간 작은 폭을 가지고 있다. 서로 직각으로 연장되어 밸브 종축선(2)에 교차되는 상기 천공 원판(23)의 2개의 축선(39)은, 유입 개구(36)와 유출 개구(38)를 각각 중앙에서 분할하고 있기 때문에, 양 축선(39)은 대칭으로 형성된 천공 원판(23)의 대칭 축선을 형성한다. 상기 축선(39)을 따라서, 마찬가지로 상층(35)과 하층(37) 사이에 위치하는 중간층(40)에는 반경방향의 통로(42)가 연장되어 있다. 상기 통로(42)는 유입 개구(36)와 유출 개구(38)의 직접적인 연결부를 형성한다. 약간 사다리꼴의 상기 통로(42)는, 예를 들면 투영도에서 보아 유입 개구(36)와 유출 개구(38)에 꼭 맞는 크기를 가지고 있다. 상기 실시예에서는 4개의 통로(42)가 모두 서로 분리되어 설치되어 있다. 도 2 및 도 3 에는 부가의 가능한 변형예가 파선으로 도시되어 있다. 변형예에서는 통로(42)가, 상이하고 훨씬 큰 반경방향 치수를 가지고 있기 때문에, 통로(42)는 하층(37)의 유출 개구(38)를 지나 반경방향 외측으로 상당히 연장되고 있다(도 5 및 도 6 참조).
4 내지 5 mm의 직경에서 상기 천공 원판(23)은, 예를 들면 0.5 mm의 두께를 갖는다. 상기의 경우 상층(35)과 하층(37)은 각각 예를 들면 0.1 mm의 두께를 가지고 있고, 중간층(40)은 0.3 mm의 두께를 가지고 있다. 천공 원판(23)의 치수에 관한 상기 치수 데이터 및 명세서 중에 제시된 모든 추가의 치수 데이터는, 본 발명을 이해하기 쉽게 하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 모든 도면에 나타낸 천공 원판(23)의 개개의 구조의 상대 치수도 반드시 실제의 상대 치수로 도시한 것은 아니다.
이미 설명한 바와 같이 유출 개구(38)가 유입 개구(36)에 대하여 반경방향으로 오프셋되어 있기 때문에, 매체, 예를 들면 연료의 S자형 흐름 경로가 얻어진다. 도 4 에는, 천공 원판(23)의 관통 영역이, 유입 개구(36)와 통로(42)와 유출 개구(38)를 포함하는 축방향 단면도로 도시되어 있다. 이하에서, 도 4 를 참고로 흐름 특성을 설명한다. 흐름 경로를 나타내는 화살표에서 알 수 있듯이, 흐름 경로는 S자형을 그리므로, 유입 개구(36)와 유출 개구(38)가 오프셋되어 배치된 이러한 천공 원판(23)을 S자형 원판이라고 한다. 천공 원판(23)은 유입 개구(36)로부터 각각 대응하는 유출 개구(38)까지 관통된다. 유입 개구(36)를 기점으로 흐름은 각 유입 개구(36)마다에 각각 수평으로 연장되는 통로(42)를 통해서 반경방향 외측을 향하여 안내된다. 도 4 에 나타낸 실시예에서는 통로 단부에 유출 개구(38)가 설치되어 있다.
반경방향으로 연장되는 통로(42)에 의해, 매체는 반경방향 속도 성분을 얻는다. 상기 흐름은 짧은 축방향 유출 관통부에 있어서, 그 반경방향 속도 성분을 완전히 잃어버리는 것은 아니다. 오히려 상기 흐름은 일 측면에서 분리되어, 유입 개구(36)를 향한 유출 개구(38)의 벽에서 천공 원판(23)으로부터 밸브 종축선(2) 또는 중심축선(2)에 대해 일정 각도로 유출한다. 유입 개구(36)와 유출 개구(38)와 통로(42)로 구성되는 다수의 유닛을 적당히 배치 및 정렬함으로써, 상호 비대칭적으로 정렬될 수 있는 여러 분류들의 조합이 달성될 수 있으며, 이러한 조합에 의하면 다양한 체적 분포를 갖는 완전히 새로우며 복잡한 통합 분류 형상(overall stream shapes)이 가능해진다.
다수회의 현저한 흐름방향 전환이 이루어지는, 천공 원판(23) 내부에서의 이른바 S자 꼬임에 의해, 흐름에는 분무를 촉진하는 강력한 와류가 부여된다. 흐름에 대하여 가로방향의 속도 구배는 이것에 의해 매우 강한 영향을 받는다. 이러한 속도 구배는 흐름에 대하여 가로방향의 속도변화를 나타낸다. 상기의 경우, 속도는 흐름의 중심에 있어서 벽 부근에서보다 훨씬 크다. 속도차로부터 기인하는, 유체의증대된 전단 응력에 의해 유출 개구(38) 부근에서 작은 액적(液滴:droplet)으로의 붕괴(disaggregation)가 촉진된다. 유출부에서의 흐름은 한쪽에서 분리되기 때문에, 윤곽 안내가 없음으로 인해, 상기 흐름이 안정되지는 않는다. 분리된 측에서 유체는 특히 높은 속도를 갖는 한편, 유출 개구(38)측에서의 유체의 속도는 흐름의 부가에 따라 감소한다. 따라서, 분무를 촉진하는 와류 및 전단 응력은 출구에서 소멸되지 않는다.
도 5 및 도 6에 나타낸 천공 원판(23)의 실시예에서는, 중간층(40)에 설치된 통로(42)가 유입 개구(36)로부터 유출 개구(38)까지 연장되어 있을 뿐만 아니라, 유출 개구(38)를 넘어서 천공 원판(23)의 외측 경계의 방향으로 연장되고 있다. 통로(42)의 이러한 연장부를 이하에서 통로 연장부(43)라고 칭한다. 흐름 안내, 분류 형성 및 분무화에 대한 효과에 관해서는, 기본적으로는 이미 설명한 바와 같다. 유출 개구(38)로 유입하는 액체는 통로 연장부(43)를 통과하며, 상기 통로 연장부(43)내에서 와류를 일으킨다. 와류와 상기 와류를 일으키는 흐름 사이의 상호 작용에 의해, 상호작용 영역에서 일시적인 불안정성이 생긴다. 와류는 그 크기가 주기적으로 변화되고, 증대시에는 통과 흐름을 밀어낸다(와류의 축소시에는 역으로 된다). 따라서, 유출하는 흐름은 주기적으로 방향 전환되어 진동(oscillation)이 유발된다. 유출류에 있어서 진동의 주파수 및 진폭은 통로 연장부(43)의 형상에 의존하는 바, 즉 반경방향의 깊이 c 와, 중간층(40)의 두께에 의해 얻어지는 높이 h 에 의존한다. 도 5에 나타낸 실시예에서는, 통로 연장부(43)의 치수에 관하여 예를 들면 c = h 가 성립하는 한편, 도 6에 나타낸 실시예에서는c = 2 x h 가 성립한다. 도 6에 나타낸 통로 연장부(43)의 구조는 이중 와류를 일으키고, 양 와류는 운동량 교환에 의해 상호 작용하며, 역방향의 와류 방향을 가지고 있다. 개개의 유출 분류에서의 진동에 의해, 개별 분류 및 전체 분무에 진동 패턴이 생긴다. 상기 진동 패턴에 의해, 다양하고 기묘한 분류 횡단면이 얻어진다(예를 들면 사각형, 삼각형, 십자형, 원형). 이러한 분류 진동이 없으면 상기 횡단면 형상이 얻어질 수 없다; 그렇지 않으면, 개별 분류가 원형의 횡단면을 갖는 경향이 생긴다. 즉, 개별 분류, 또는 운동량 교환(momentum exchange)에 의해 연속적으로 상호 작용하는 모든 개별 분류의 총합인 전체 분무의 임의의 패턴 또는 횡단면은, 특히 유체에서의 진동이 고진동수를 갖는 경우에 얻어지기 때문이다. 또한, 방향 변화에 의해, 분무는 분류 횡단면 전체에 걸쳐서 보다 균일하게 분배된다. 이것에 의해 분무는 더욱 균일하게 되며, 게다가 보다 양호하게 흡입관내 공기류와 혼합하여 배기 가스 저감 혼합물을 형성한다.
와류에 의해 생기는, 흐름에 대하여 가로방향의 펄스에 의해, 특히 분사되는 분무 중의 액적 분포 밀도는 큰 균일성을 가지게 된다. 그 결과, 액적의 응집 가능성, 즉 작은 액적이 큰 액적으로 뭉쳐질 가능성이 줄어든다. 분무 중의 평균 액적 직경의 바람직한 감소 결과, 비교적 균일한 분무 분포가 얻어진다. 「S자 꼬임」에 의해, 유체에는 미소 스케일의 (고진동수의) 와류가 형성되며, 상기 와류는 천공 원판(23)으로부터의 유출 직후에 분류를 상응하게 미세한 액적으로 붕괴시킨다. 와류로부터 생기는 전단 응력이 크면 클수록 흐름 벡터의 변동도 점점 커진다. 전단 응력에 의해, 유체의 모든 평면에서 「혼돈된 상태(chaotic state)」가 주어져서,분류 또는 분무의 소정 스프레딩이 생기며, 이러한 스프레딩은 전술한 여러가지 상이한 횡단면 또는 패턴을 야기할 수 있다.
도 7, 도 8 및 도 9 에는 상기 실시예와는 조금 다른 실시예가 도시되어 있다. 이들 실시예는 특히 이하의 점에서 상기 실시예와 다르다. 즉 이들 실시예에서는, 3개보다도 많은 층이 설치되어 있고, 통로(42)의 연장부로서 반경방향의 통로 연장부 뿐만 아니라, 부가의 통로 연장부(43')도 배치되어 있다. 도 7에는, 5층으로 구성되는 천공 원판(23)이 도시되어 있다. 상기 천공 원판(23)에는 이미 알고 있는 3개의 층(35, 37, 40) 외에 또 다른 2개의 중간층(40')이 형성되어 있다. 상기 2개의 부가 층(40')은 각각 중간층(40)과 상층(35) 또는 하층(37) 사이에 설치되어 있다. 유입 개구(36)에서 유출 개구(38)까지 천공 원판(23)을 통한 유체의 관류를 보장하기 위해서, 두 중간층(40')은 대응하는 개구 영역(45)을 가지고 있다. 상기 개구 영역(45)은 층(40)에 설치된 통로(42)에 대한 접속부를 형성한다. 상기 개구 영역(45) 외에 층(40')에는 또한 각각 적어도 하나의 통로 연장부(43')가 설치되어 있다. 상기 통로 연장부(43')는 예를 들면 층(40')의 축방향의 높이를 가지고 있다. 반경방향에서 볼 때 상기 통로 연장부(43')는 예를 들면 유입 개구(36)와 유출 개구(38) 사이에 위치하고 있다. 유체의 흐름은 통로 연장부(43')에서 와류를 일으킨다. 통로(42)에 대하여 축방향으로 오프셋되어 위치하는 통로 연장부(43')에 부가해서, 통로(42)에 반경방향으로 연장된 통로 연장부(43)를 설치할 수도 있다.
도 8 에 도시한 실시예에서는 4개의 층을 구비한 천공 원판(23)이 설치되어 있다. 즉, 부가적인 중간층(40')이 하나밖에 설치되어 있지 않다. 층(40)의 상방또는 하방에서의 층(40')의 배치에 따라, 층(40')은 역시 개구 영역(45)을 가지고 있어야 한다. 도 8 의 실시예에서는 유출 개구(38)에 직접 개구 영역(45)이 설치되어 있다. 층(40')에는 부가적으로 통로 연장부(43')가 설치되어 있다. 상기 통로 연장부(43')는 통로(42)에 대하여 축방향으로 오프셋된 챔버를 구성하고 있고 상기 챔버에서 와류가 형성된다. 층(40')에 설치된 예를 들면 3개의 통로 연장부(43')는 서로 등간격으로, 또는 임의로 분할되어 있어도 좋다. 도 9에는 천공 원판(23)의 일부의 평면도가 도시되어 있다. 도 9에서 알 수 있듯이 통로 연장부(43')는 천공 원판(23)의 축방향, 즉 깊이방향으로 설치되어 있을 뿐만 아니라 통로(42)의 폭을 넘어서 돌출하도록 형성되어 있어도 좋다. 따라서, 통로 연장부(43, 43')는 3개의 방향 모두, 즉 길이방향, 폭방향 및 깊이방향에서 통로(42)에 성형될 수 있다.
상기 모든 실시예에는 도 10 에 도시된 바와 같은 경계층 인터럽터를 포함할 수 있다. 도 10 에 나타낸 실시예의 경우, 천공 원판(23)은 4층으로 형성되어 있다. 상하의 양 층(35, 37) 사이에는 예를 들면 2개의 중간층(40, 40')이 설치되어 있다. 하층(37)에 직접 이어지는 부가의 중간층(40')은 통로(42)의 영역에서 흐름 방향에 대해 가로방향으로 예를 들면 직방체형의 날카로운 에지를 갖는 융기부, 즉 인터럽터(50)가 연장되도록 형성되어 있다. 물론, 중간층(40)에 인터럽터(50)를 배치하는 것도 가능하며, 이 경우 인터럽터(50)는 상방으로부터 통로(42)로 돌출한다. 구조면에서, 인터럽터(50)는 유입 개구(36)에 대하여 반경방향으로 오프셋되게 형성되어야 한다. 통로(42)는 중간층(40)에서 뿐만 아니라 중간층(40')에서 상층(35)과 하층(37) 사이로 연장되고 있다.
유체의 주 흐름은 경계층 인터럽터(50)를 통과한다. 후방의, 하류측의 인터럽터 에지(51)에서는 흐름이 인터럽터(50)로부터 분리되고, 인터럽터(50)의 하류측에서 돌연 횡단면 확대로 인해, 압력 상승된다(운동 에너지가 압력 에너지로 변환 - 확산 작용). 상기 압력 상승에 의해 인터럽터(50)의 하류측에서 심한 경계층 와류가 발생된다.
인터럽터(50)의 하류측에는 상당한 가로방향 펄스를 갖는, 점점 커지는 와열(eddy train)이 발생한다. 상기 와열은 유출 개구(38)에까지 이른다. 상기 와열은 「와류 라인」으로서 주 흐름을 관통한다. 와열중의 와류는 매우 미소한 스케일(고진동수)로서, 큰 진폭을 가질 수 있다. 진동수 및 진폭의 조정은 인터럽터(50)의 높이와, 인터럽터(50)를 통과하는 주 흐름의 속도에 의해서, 즉 인터럽터(50)상방의 통로 횡단면에 의해 행하여진다.
와열은 유동 통과 손실을 감소시킬 수 있다. 왜냐하면, 와열에서는 주 흐름에 대하여 가로방향인 벽 방향으로 높은 와류 운동량 교환이 일어나기 때문이다. 이것에 의해, 주 흐름은 인터럽터(50)의 하류측에서 통로(42)의 벽으로부터 분리되는 경향을 적게 갖기 때문에, 제공된 유동 횡단면을 더욱 양호하게 이용한다. 벽으로부터의 흐름의 박리는 압력 손실을 초래할 우려가 있다. 인터럽터(50)는 매우 미세한 액적으로 분해되는 균일한 분무를 분사하기 위해서도 사용된다. 이 경우 다양한 분사 패턴이 얻어진다.
상기 실시예들에서는 각 유입 및 유출 개구(36, 38) 쌍은 그 접속부로서 별개의 통로(42)를 가지고 있다. 이러한 실시예와는 달리, 도 11 및 도 12 에 나타낸실시예에서는 천공 원판(23)에 단 하나의 연속 통로(42')만 설치되어 있다. 4개의 유입 개구(36)는 모두 상기 예를 들면 정사각형의 통로(42')에 천공되어 있고, 4개의 유출 개구(38)는 모두 상기 통로(42')에서 도출되고 있다. 직사각형 또는 정사각형의 유출 개구(38)가 사용되면, 도 11 에 도시한 바와 같이 중간층에 설치된 통로(42')의 외부 윤곽을 팔각형으로, 그러나 각각 2코너가 근접하기 때문에 거의 정사각형으로 형성할 수 있게 된다. 통로(42')는 내부에서 예를 들면 중간층(40)의 정사각형 재료 아일랜드(53)에 의해서 제한되고 있다. 상기 내부 재료 아일랜드(53)의 횡단면은 상층(35)에서 유입 개구(36)들의 사이에 주어지는 영역과 거의 같은 크기를 가지고 있다. 즉, 중간층(40)은 2개의 섹션, 즉 통로(42')에 의해 완전히 둘러싸인 재료 아일랜드(53)와, 통로(42')를 완전히 둘러싸는 외측 영역(54)으로 구성되어 있다. 도 12 는 도 11 의 XII- XII 선을 따른, 천공 원판(23)의 단면도이다. 이와 같이 부가적으로 형성된 접속 용적에 의해, 주 흐름이 통과하는 소위 「데드 영역」이 보다 커진다. 상기 데드 영역에서는 통로 연장부(43, 43')에 의해 캐비티 원리에 따른 주 흐름의 진동이 야기된다. 따라서, 분류 형상 또는 분무에 대한 효과는 통로 연장부(43, 43')(캐비티)를 사용하는 상기 실시예에서와 동일하다.
유입 개구(36)에 대한 유출 개구(38)의 오프셋은 상기 실시예와는 달리 반드시 반경방향으로 있을 필요는 없고, 임의로 소정 방향으로 제공될 수 있다. 유입 개구(36)와 유출 개구(38)의 이러한 오프셋의 두가지 실시예가 도 13 및 도 14 에 나타나 있다. 도 13 및 도 14 는 각각 천공 원판(23)의 저면도 또는 평면도이다.상기의 경우, 유출 개구(38)는 둘레방향으로 유입 개구(36)에 대하여 오프셋되어 있다. 즉, 유출 개구(38)는 반경방향의 오프셋을 갖는 이전 실시예와 비교하여, 예를 들면 90°만 회전된다. 도 13 에 나타낸 천공 원판(23)의 중간층(40)에 설치된 통로(42')는, 예를 들면 팔각형의, 그러나 실제로는 거의 정사각형의 외부 윤곽을 가지고 있고, 상기의 경우 통로(42') 벽의 코너는 항상 유입 개구(36) 및 유출 개구(38)에 가까이 위치하고 있다. 중간층(40)의 재료 아일랜드(53) 역시 거의 정사각형이지만 8개의 코너를 갖는 윤곽으로 통로(42')의 안쪽을 제한하고 있다. 통로(42') 외측의 경계 벽 및 내측의 경계 벽은, 예를 들면 서로 45°회전되어 형성되어 있다. 따라서, 외측 영역(54)과 재료 아일랜드(53)는 서로 평행하게 연장되는 벽을 가지고 있지 않다.
도 14 및 도 15(도 14 의 XV- XV 선을 따른 단면도)에 나타낸 천공 원판(23)의 특징은, 특히 모나지 않은 횡단면을 갖는 유입 개구(36) 및 유출 개구(38)가 설치되어 있는 데에 있다. 상층(35)에 설치된 유입 개구(36)는 예를 들면 타원형의 횡단면을 가지고 있는 한편, 하층(37)에 설치된 유출 개구(38)는 원형으로 형성되어 있다. 내측의 재료 아일랜드(53)는, 예를 들면 정사각형의 횡단면을 가지고 있는 한편, 중간층(40)에 설치된 통로(42')는 외측 영역(54)에 의해서 외부가 원형으로 제한된다. 여러가지 제조 방법의 적용시 천공 원판(23)의 취급성을 개선하기 위해서, 외측 경계 가까이에 예를 들면 2개의 위치설정 수단(56)이 관통구멍의 형태로 설치되어 있다.
유입 개구(36)와 유출 개구(38)는 서로 임의의 크기로 오프셋되어 배치될 수있다. 도 13 및 도 14 에 나타낸 실시예에서는, 예를 들면 이미 설명한 모든 실시예에서 보다 현저하게 작은 오프셋이 주어진다. 오프셋의 크기에 의해 분류 방향 및 와류 정도를 조정할 수 있다.
도 13 까지 도시된 유입 개구(36), 유출 개구(38) 및 통로(42, 42')는 모두 정사각형 또는 직사각형의 횡단면을 가지고 있다. 그러나 본 발명에 따른 방법에서는 천공 원판(23)의 관류 구조가 완전히 다른 횡단면을 형성하는 것도 가능하다(도 14 참조). 예를 들면, 라운딩된 직사각형 또는 정사각형, 원형, 원 세그먼트형, 타원형, 타원 세그먼트형, 다각형, 라운딩된 다각형 등으로 구성되는 횡단면의 변경이 가능하다. 상기의 경우 개개의 구조의 벽은 밸브 종축선(2)에 대하여 거의 평행하게 연장되어 있다. 또한, 통로(42, 42')를 통해 서로 직접 접속되어 있는 유입 개구(36)와 유출 개구(38)의 구성을 서로 다르게 하는 것도 가능하다. 적당한 횡단면 변화는 예를 들면 정사각형으로부터 직사각형으로의 이행 또는 그 역으로의 이행, 직사각형으로부터 원형으로의 이행 또는 그 역으로의 이행, 타원형으로부터 원형으로의 이행 또는 그 역으로의 이행이다.
다음에 도 16 내지 도 21을 참조하면서 천공 원판(23)를 제조하기에 특히 적합한 본 발명에 따른 제조 방법을 상세하게 설명한다. 도 16 내지 도 21에는, 상응하는 소정의 윤곽을 가진 천공 원판(23)의 실시예가 정확하게 도시되고 있는 것은 아니며, 단지 제조 원리를 명확하게 하는 배치만이 도시되어 있다. 특히, 도 16 내지 도 20에 나타낸 실시예에서, 개구 또는 통로의 치수에 층 두께의 상대적인 치수는 전술한 실시예와 다르다. 그렇지만, 본 발명에 따른 제조 공정 단계는, 지금까지 설명한 실시예 및 이하에 설명하는 실시예의 전부에 있어서 천공 원판의 제조를 가능하게 한다.
구조 치수나 분사 노즐의 정밀도에 대한 높은 요구 조건으로 인해, 마이크로 구조화 방법은 그 대량 생산을 위해 점점 더 중요해지고 있다. 일반적으로 노즐 또는 천공 원판의 내부에서 유체, 예를 들면 연료의 흐름을 위해서는, 흐름의 내부에서 이미 설명한 와류 형성을 촉진하는 유로가 필요하게 된다. 부가적으로 유출 개구의 폭은, 유체, 예를 들면 연료의 가급적 효과적인 분무화를 위해서 수십 ㎛ 정도여야 한다. 본 발명에 의해, 포토리소그래피 단계(UV 3차원 리소그래피)의 연속적인 적용 및 이것에 후속되는 마이크로 전기도금을 기초로 하는, 금속 천공 원판의 제조 방법이 제공된다. 상기 제조 방법의 특징은, 대면적의 스케일에서도 구조체의 높은 정밀도가 보장되므로, 매우 많은 개수의 대량 생산에 이상적으로 사용 가능하다는 것이다. 본 발명에 따른 공정 단계에 의해서, 하나의 웨이퍼상에 다수의 천공 원판(23)을 동시에 제조할 수 있다.
본 발명의 출발점은 평탄하고 안정한 기초판(60)이다. 상기 기초판(60)은, 예를 들면 금속(구리), 실리콘, 유리 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 상기 기초판(60)의 일반적인 두께는 500 ㎛ 내지 2 mm 이다. 그러나, 기초판(60)의 두께는 이하의 공정 단계에 영향을 주지 않는다. 기초판(60)의 세정 후에, 예를 들면 유리 또는 실리콘과 같은 비전도성 재료가 사용될 때는, 먼저 적어도 하나의 보조층(61)이 상기 기초판(60)에 전기도금된다. 상기 보조층(61)은, 예를 들면 전기도금 개시층(61')(예를 들면 Cu)이다. 상기 전기도금 개시층(61')은 추후의 마이크로 전기도금을 위한 전도(conductivity)에 필요하게 된다. 전기도금 개시층(61')은 나중에 천공 원판 구조체를 에칭에 의해 간단하게 분리하기 위한 희생층(61)으로서도 사용될 수 있다. 기초판(60)이 이미 전도성의 재료, 예를 들면 구리로 구성되어 있는 경우에는, 전기도금 개시층(61)은 필요하지 않다. 희생층/전기도금 개시층(61, 61')으로서 구리가 사용되는 경우에는 얇은 (예를 들면 80 nm) 크롬층이 부착층(61")으로서 기초판(60)과 전기도금 개시층(61') 사이에 제공되어야 한다. 상기 보조층(61, 61', 61")의 제공(포토레지스트로서 폴리이미드가 사용되는 경우에 통상 CrCu 또는 CrCuCr)은, 예를 들면 스퍼터링 또는 무전해 금속 증착에 의해 행하여진다.
기초판(60)을 이렇게 전처리한 후에, 선택적인 보조층(61, 61', 61")에 포토레지스트(63)가 전체 표면에 제공된다. 이것을 위해, 특히 세가지의 다른 방법이 제공되고 있다:
1. 예를 들면 약 100℃ 에서 고체 레지스트의 적층,
2. 액체 레지스트의 스핀 코팅,
3. 액체상태의 폴리이미드의 스핀 코팅.
건조 후에 포토레지스트(63)는 세가지 방법 모두에서 고체 형태로 주어진다. 포토레지스트(63)의 두께는, 후속의 전기도금 프로세스에서 형성되어야 하는 금속층의 두께에, 즉 천공 원판(23)의 하층(37) 두께에 상응해야 한다. 통상적으로는 천공 원판(23)의 각 층의 원하는 두께에 따라서 10 내지 300 ㎛의 층두께가 바람직하다. 형성하려고 하는 금속 구조는 포토리소그래픽 마스크(64)에 의해서 역으로포토레지스트(63)에 전사된다. 첫째로, 포토레지스트(63)를 직접 마스크(64)를 통해 UV 노광(65)에 의해서 노광할 수 있다(UV 3차원 리소그래피). 포토레지스트(63)를 구조화하기 위한 다른 방법은, 포토레지스트(63)에 산화물(예를 들면 SiO2) 또는 질화물을 증착하는 것이다. 상기 산화물 또는 질화물은, 포토리소그래피에 의해 구조화되어 포토레지스트(63)의 드라이 에칭 공정을 위한 마스크로서 사용된다. 또한, 레이저 제거를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우 마스크의 제공후에 포토레지스트(63)의 재료가 레이저에 의해서 폭발적으로 제거된다. 전술한 공정 단계는 도 16 에 간략적으로 도시되어 있다.
UV 노광된 포토레지스트(63)의 현상 후 또는 다른 상기 방법(드라이 에칭, 레이저 제거)의 적용 후에 마스크(64)에 의해서 규정된 구조가 포토레지스트(63)에 생긴다(도 17 참조). 포토레지스트(63)내의 상기 구조는 천공 원판(23)의 하층(37)에 대한 네거티브 구조(66)를 형성한다. 도 18 에는 포토레지스트(63)에 형성된 레지스트 홈(68)을 적어도 포토레지스트(63)의 상부 가장자리부까지 전기도금에 의해 충전한 후의 구조가 도시되어 있다. 즉, 전기도금의 단계에 있어서, 레지스트 홈(68)에서 금속(70)이 기초판(60)에 증착된다. 상기 금속(70)은 전기도금에 의해 네거티브 구조(66)의 윤곽에 합치하기 때문에, 상기 금속에는 규정된 윤곽이 충실하게 재현된다. 다수의 기능 평면을 포함하는 천공 원판 구조를 제조하기 위해서는, 금속(70)의 전기도금층 높이가 포토레지스트(63)의 높이에 상응해야 한다. 그러나, 포토레지스트(63)가 금속(70)의 소정 전기도금층보다 높게 구현되는 것도 가능하다. 이로 인해, 전기 도금층 두께 분포가 개선될 수 있다. 증착하려는 재료의 선택은 층 또는 기능 평면에 대한 그 요구에 의존하고, 특히 하기의 팩터, 즉 기계적 강도, 화학적 내성, 용접 가능성 등이 중요하다. 통상적으로는, Ni, NiCo, NiFe 또는 Cu 가 사용되지만, 다른 금속 및 다른 합금도 고려된다.
천공 원판(23)의 구조를 실현하기 위해서는, 보조층(61, 61', 61")을 선택적으로 제공한 후에, 단계가 원하는 층의 수에 따라서 반복되어야 한다. 이것은 도 19 에 나타나 있고 포토레지스트(63')의 층은, 예를 들면 나중에 천공 원판(23)의 중간층(40)을 형성하기 위해 사용된다. 부호에 붙인 「'」는 반복된 프로세스를 나타낸다. 개개의 금속층은 적충 형태로 증착되고, 금속 접착에 의해 서로 유지된다. 천공 원판(23)의 각 층에 상이한 금속(70)을 사용할 수도 있다.
최후로, 천공 원판(23)이 분리된다. 이것을 위해, 희생층(61)이 에칭에 의해 제거된다. 이에 따라, 천공 원판(23)이 기초판(60)으로부터 분리된다. 그 후에, 전기도금 개시층(61')이 에칭에 의해 제거되며, 남은 포토레지스트(63, 63')가 금속 구조로부터 분해된다. 이것은, 예를 들면 KOH 처리 또는 산소플라즈마에 의해서 또는 폴리이미드인 경우에 용제(예를 들면 아세톤)에 의해서 실시할 수 있다. 포토레지스트(63, 63')의 이러한 분해 프로세스는 일반적으로 「스트리핑」이라고 공지되어 있다. 대안으로서, 전기도금 개시층(61')의 적당한 선택시에, 예를 들면 자석을 사용한 기초판(60)의 기계적인 분리도 고려된다. 도 20 에는, 기초판(60)으로부터 분리된 3층의 천공 원판(23)이 예시되어 있다. 상기의 경우, 유입 개구(36) 및 유출 개구(38)의 높이는 대체로 더 작아질 것이다.
도 21 에는, 「S자 타입」의 천공 원판(23)의 다른 실시예가 나타나 있다. 상기 천공 원판(23)은 이미 설명한 제조방법과는 다른 기술에 의해 제조되어 있다. 상기 새로운 기술은「측방 과성장」이라고 불린다. 상기「측방 과성장」의 방법에 의해, 3개의 기능 평면을 갖는 천공 원판에 있어서 제 3 전기도금이 필요하지 않고, 천공 원판(23)의 적어도 2개의 기능 평면을 전기도금 증착에 의해 1회의 단계로 형성할 수 있게 된다. 1회의 전기도금 단계로 형성된 적어도 2개의 기능 평면은, 양 기능 평면 사이에 위치하는 경계부를 갖지 않는 단 하나의 층만을 형성한다.
하층(37) 형성은 먼저 도 16 내지 도 18 에 도시된 공지의 방식으로 행하여진다. 이어서, 전기도금에 의해 증착될 금속(70)이 공지의 형태로, 제 2 층의 포토레지스트(63')의 구조 둘레에서, 상기 포토레지스트(63')의 상측 가장자리까지 성장한다(도 19 참조). 그러나 그 후에, 전기도금층은 포토레지스트(63')를 넘어 성장한다. 포토레지스트(63')의 과성장은 수평 및 수직 방향에서 대략 동일한 크기로 행하여진다. 상기 과성장은 다른 전기도금 개시층(61')의 제공과 제 3 의 전기도금층 자체를 대체한다. 왜냐하면, 후에 형성되는 천공 원판(23)의 2개의 기능 평면(35, 40)이 1 회의 전기도금 단계로 형성되기 때문이다. 과성장의 높이는, 상측의 성장층(35')내에 형성되는 유입 개구(36)가 S자 타입의 천공 원판에 대한 요구에 부합하도록, 즉 유출 개구(38)에 대하여 오프셋을 가지도록 조절된다. 과성장은 상기의 경우, 유출 개구(38)가 투영도에서 보아 과성장층(35')의 재료에 의해서 완전히 커버될 때야 중단된다. 즉 상기 과정에서, 유출 개구(38) 및 통로(42)의 크기를 규정하는 포토레지스트(63, 63')의 2개의 층이 성장된다. 또한, 유입 개구(36)의 크기를 추가의 구조화된 래커층으로서 포토레지스트(63')에 의해서 규정할 수 있다. 이것을 위해, 포토레지스트(63, 63') 구조가 3개의 평면으로 주어진다. 포토레지스트(63')의 상기 제 3 층은 유입 개구(36)의 규정된 형성을 위해 층(35')의 측방 과성장을 위한 「스토퍼」로서 작용한다.
상기 방식으로, 원형, 타원형 또는 다각형의 유입 개구(36)를 얻을 수 있다. 「측방 과성장」을 사용하면, 특히 천공 원판(23)의 제조에 걸리는 시간이 현저하게 단축된다. 또한, 전기도금 표면의 거칠기도 줄어든다. 왜냐하면, 제공할 층의 수에 따라, 전기도금 표면의 거칠기도 커지기 때문이다. 따라서, 예를 들면 전기 분해 연마(electropolishing)에 의한 부가적인 평활화 조치가 반드시 필요하지는 않다. 측방 과성장의 다른 이점은, 유입 개구(36)를 성형하기 위해서 비전도성의 포토레지스트(63')에 새로운 전기도금 개시층(61')을 제공하지 않아도 된다는 것이다.
도 22 내지 도 33 에는 천공 원판(23)의 또다른 실시예가 나타나 있다. 이들 천공 원판(23)에 대한 설명은 간략하게 한다. 왜냐하면, 이들 천공 원판(23)은 모두, 이미 위에서 자세히 설명한 「S형 원판」의 기본적인 모든 특징을 갖고 있으며, 상기 실시예는 몇개의 중요한 디자인 또는 형상을 제시하는데 불과하기 때문이다. 오히려, 이하에 설명하는 실시예는 전기도금 금속 증착의 제조법을 사용하여 다양한 형상이 실현가능하다는 것을 나타낸다.
도 22 및 도 23 에 나타낸 천공 원판(23)은, 역시 적어도 부분적으로 측방과성장에 의해서 제조되어 있다. 상기의 경우, 상층(35')은 적어도 2개의 기능 평면을 가지고 있다. 즉 통로(42')를 갖는 평면과, 그 위에 놓인 유입 개구(36)를 갖는 평면을 가지고 있다. 하층(37)은 예를 들면 상층(35')보다 현저하게 큰 직경을 가지고 있다. 유입 개구(36)가 원형의 횡단면을 가지고 있는 한편, 4개의 유출 개구(38)는 둥근괄호형으로 낫모양으로 배치되어 있다. 상층(35')의 하측 평면에 위치하는 통로(42')는 유입 개구(36)와 같이 원형으로 형성되어 있고, 특히 낫모양의 유출 개구(38)의 외경보다 조금 더 큰 직경을 갖고 있다. 상기 배치에서는 유체의 「S자 꼬임」이 반경방향 외측을 향하여 행하여진다. 이에 따라, 양호한 분무화를 갖는 반경방향 대칭적인 분류 패턴이 얻어진다.
도 24 에는 천공 원판(23)의 평면도가 나타나 있다. 상기 천공 원판(23)에 의해 편평 분류 분사가 가능하게 된다. 상층(35)내의 4개의 유입 개구(36)가 직사각형으로 형성되어 있다. 각 유입 개구(36)에는, 하나의 통로(42)와 하나의 유출 개구(38)가 있다. 유출 개구(38)는 예를 들면 정사각형 또는 직사각형으로 형성되어 있다. 투영도에서 보아 유입 개구(36)와 유출 개구(38)를 완전히 커버하는 통로(42)는 육각형의 윤곽을 가지고 있지만, 상기 윤곽은 유입 개구(36) 및 유출 개구(38)의 크기에 따라서 변경될 수 있다. 유입 개구(36)와 유출 개구(38)의 오프셋은, 2개의 방향에서 편평한 분류 패턴을 갖는 양호한 조정이 행하여지도록 설정되어 있다.
도 24와 마찬가지로, 도 25 내지 도 27 에는 편평 분류를 형성할 수 있는 천공 원판(23)의 평면도가 나타나 있다. 도 25 내지 도 27 은 간략화된 도면으로서천공 원판(23)의 중앙 영역만을 도시한다. 통로(42')는 각각 상기 통로가 하나의 유입 개구(36)를 모든 유출 개구(38)에 접속하도록 형성되어 있다. 유체는 중앙의 직사각형 유입 개구(36)를 통하여 유입한다. 유출 개구(38)는 예를 들면 역시 직사각형 또는 정사각형의 윤곽으로 형성되어 있고, 직사각형 유출 개구(38)의 종방향 연장 방향은 유입 개구(36)의 종방향 연장 방향에 대해 평행하거나 수직일 수 있다. 어떤 경우에도, 상기 오프셋에 의해 편평한 분류 패턴이 얻어진다. 유입 개구(36)의 크기, 유출 개구(38)의 배치, 수 및 형상을 변화시킴으로써, 분류의 형상을 각각의 요건에 매칭시킬 수 있다.
도 28 에 도시된 천공 원판(23)은 각각의 개구 영역의 형상 및 크기 면에서 도 24 에 도시한 천공 원판(23)과 아주 유사하다. 특별한 적용 목적의 경우, 예를 들면 분사 밸브가 내연기관에서 통상적이지 않은 위치에 설치되는 경우에는, 천공 원판(23)으로부터 유출되는 편평 분류(flat stream)만이 바람직한 것이 아니라, 밸브 종축선(2) 또는 중심 축선(도 1 및 도 3)에 대하여 일정한 각도로 분사되는 것도 바람직하다. 도 28 에 나타낸 천공 원판(23)을 사용하면, 이러한 분사가 가능해진다. 유입 개구(36)와, 통로(42)와, 유출 개구(38)의 각 기능 유닛은 S자 꼬임 방향에서의 분무 원추체를 가능하게 한다. 상기 실시예에서는 이러한 기능 유닛이 네개 설치되어 있다. 이러한 분무 원추체 또는 분류 원추체가 적당히 형성되면, 분류 패턴 전체를 각각의 조건에 매우 알맞게 조정할 수 있다. 도 28 에 나타낸 천공 원판(23)을 사용하면, 의도적으로 2 방향에서의 분사를 행할 수 있다. 다만, 양 개별 분류는 서로 정확하게 반대 방향으로 향하고 있는 것은 아니다.
도 29 및 도 30 에는 역시 매우 특별한 분류 패턴을 형성할 수 있는 천공 원판(23)의 중앙 분사 영역이 도시되어 있다. 상기 천공 원판(23)은 각각 하나의 유입 개구(36)와 통로(42)와 유출 개구(38)를 구비한 3개의 기능 유닛을 가지고 있다. 원하는 분류 패턴에 따라서, 상기 기능 유닛들은 양 축선(39)의 교점을 통해서 연장되는 천공 원판(23)의 중심 축선(2)을 중심으로 하여 비대칭적 또는 편심적으로 배치되어 있다. 이러한 일견 무질서한 분배에 의해, 개개의 분류 방향을 매우 양호하게 얻을 수 있다. 도 29 에 따른 천공 원판에서는 원호형 윤곽을 갖는 각각의 통로(42)가 원형의 유입 개구(36)를 낫모양의 유출 개구(38)에 접속하고 있다. 이와는 달리, 도 30 에 도시한 천공 원판(23)의 경우에는, 개구 영역이 모난 횡단면을 가지고 있다. 유체는 예를 들면 정사각형의 유입 개구(36)를 통하여 유입되고, 이어서 육각형의 통로(42)를 통해서 직사각형으로 형성된 유출 개구(38)까지 흐른다. 2개의 유입 개구(36)와 관련된 통로(42)는 예를 들면, 상기 통로(42)가 유출 개구(38)의 영역에서 합류하도록 연장되어 있다. 상기의 경우, 유체는 V자형의 유출 개구(38)를 통해서만 천공 원판(23)으로부터 유출된다. 즉, 유입 개구(36) 및 유출 개구(38)의 수가 반드시 일치할 필요는 없다.
유입 개구(36)와 유출 개구(38)가 같은 수로 설치되어 있지 않은 천공 원판(23)은 도 31 내지 도 33 에 도시되어 있다. 도 31 에 도시한 실시예에서는, 일관하여 원형의 개구 영역을 갖는 장치가 도시되어 있다. 유체는 상층(35)의 중앙 원형 유입 개구(36)를 통해 유입하여, 역시 원형의 4개의 유출 개구(38)를 통해 천공 원판(23)으로부터 유출한다. 상기 유출 개구(38)는 하층(37)에 유입 개구(36)를중심으로 하여 대칭적으로 형성되어 있다. 원형의 통로(42')는 모든 유출 개구(38)가 통로(42')에 의해서 완전히 커버될 크기로 설정되어 있다.
도 32 에는 개구 영역을 구비한 4개의 기능 유닛을 갖는 천공 원판(23)이 나타나 있다. 유체는 각 기능 유닛에 속하는 4개의 낫모양의 유입 개구(36) 즉 합계하여 16개의 유입 개구(36)를 통해 천공 원판(23)에 유입한다. 각각 4개의 유입 개구(36)에는 하나의 원형의 통로(42')가 관련되어 있다. 상기 통로(42')는 예를 들면, 상기 통로가 낫모양의 유입 개구(36)를 완전히 커버할 정도의 직경을 가지고 있다. 각 기능 유닛에는 하나의 유출 개구(38)밖에 형성되어 있지 않다. 상기 유출 개구(38)는 원형으로 형성되어 있고, 투영도에서 보아 낫모양의 유입 개구(36)에 의해서 둘러싸인다. 4개의 기능 유닛은 예를 들면 중심축선(2)에 대하여 대칭적으로 양 축선(39)에 위치하도록 배치되어 있다.
도 33에는 개구 영역이 완전히 비대칭적으로 배치된 천공 원판(23)이 나타나 있다. 중앙에 배치된 유입 개구(36)는 거의 반원형의 윤곽으로 형성되어 있다. 한편, 현저히 작게 형성된 유출 개구(38)는 하층(37)에서 유입 개구(36)의 라운딩된 측면에 낫모양으로 연장되어 있다. 유출 개구(38)의 수는 임의로 변경될 수 있고, 본 실시예에서는 3개의 유출 개구(38)가 설치되어 있다. 원형의 통로(42')는 그 밖의 모든 개구가 통로(42')에 의해서 커버될 정도의 크기로 형성되어 있다.
상기 모든 천공 원판(23)은 분사밸브에만 사용되는 것은 아니다. 오히려 상기 천공 원판(23)은 예를 들면 래커 도포 노즐, 흡입기(inhaler) 또는 잉크젯 프린터에서, 및 동결 건조 공정에서도 사용할 수 있다. 예를 들면 큰 각도를 갖는 미세한 분무를 형성하기 위해서는, 본 발명에 따라 제조된 천공 원판(23)이 매우 일반적으로 적합하다. 미세 전기 도금을 사용하여 천공 원판(23)을 제조하기 위한 상세하게 기재한 방법 외에 상술한 윤곽을 갖는 S형 원판을 제조하기 위해서는 예를 들어 방전가공에 의한 캐비티 형성, 와이어 방전 가공, 레이저 커팅, 펀칭, 금속 증착, 소결 또는 플라스틱 사출 성형 같은 다른 방법도 가능하다.
따라서 도 15에는 상술한 기타의 제조 방법을 분명하게 하는 몇가지 공구가 도시되어 있다. 위치설정 수단(56)을 사용하여 각각의 금속 원판의 접합시에 금속 원판 상호의 정확한 위치설정이 가능하다. 그러나 천공 원판(23)의 각각의 층은, 접합전에 상호 별개로, 예를 들어 펀칭시에는 펀치(73)를 사용하여, 또는 방전가공에 의한 부식시에는 공구 전극(74)을 사용하여 가공된다. 본 발명에 의한 천공 원판을 위해서는 금속제의 재료를 사용하는 외에, S형 원판을 위해서 세라믹 재료를 사용하는 것도 가능하다.

Claims (21)

  1. 유체를 위한 완전한 관통부와, 하나 이상의 유입 개구(36), 및 하나 이상의 유출 개구(38)를 포함하고, 상기 유입 개구와 상기 유출 개구는 일평면으로의 투영도에서 볼 때 어떤 장소에서도 중첩되어 있지 않으며, 각각의 상기 유입 개구(36)는 천공 원판(23)의 상층(35)에 형성되고 각각의 상기 유출 개구(38)는 상기 천공 원판의 하층(37)에 형성되어 있는 분사 밸브용 천공 원판(23)에 있어서,
    상기 상층(35)과 상기 하층(37) 사이에는 하나 이상의 다른 중간층(40, 40')이 제공되며, 상기 중간층은 하나 이상의 통로(42, 42')를 가지며, 상기 통로는 상기 하나 이상의 유입 개구(36)와 상기 하나 이상의 유출 개구(38)의 완전한 접속을 형성하고, 상기 천공 원판(23)의 적층되는 층들(35, 37, 40, 40')은 상호 전착(electro-deposit)되는 것을 특징으로 하는 천공 원판.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 중간층(40)에는 상기 유입 개구(36) 및 상기 유출 개구(38)의 개수에 대응하는 개수의 상기 통로(42)가 형성되어 있으며, 이에 의해 정확하게 하나의 상기 유입 개구(36)가 하나의 상기 통로(42)를 거쳐서 하나의 상기 유출 개구(38)와 접속되는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 중간층(40)에는 하나의 통로(42' )가형성되어 있으며, 상기 통로(42' )에는 모든 상기 유입 개구(36) 및 모든 상기 유출 개구(38)가 접속되는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 상층(35)은 복수의 상기 유입 개구(36)를 갖고, 상기 하층(37)은 복수의 상기 유출 개구(38)를 가지고 있으며, 상기 유입 개구(36) 각각은 하나의 상기 통로(42)를 거쳐서 하나의 상기 유출 개구(38)에 접속되는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 개구(36)는 상기 천공 원판(23)의 중심축선(2)에 대해서 상기 유출 개구(38)보다 가깝게 형성되어 있으며, 이에 의해서 반경방향 오프셋이 존재하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 유입 개구(36)는 상기 유출 개구(38)들중 하나의 유출 개구와는 다른 개구폭을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 개구(36)와 상기 유출 개구(38)는 상기 천공 원판(23)의 중심축선(2)의 주위에 완전히 대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로(42, 42' )들은 각각 투영도에서 볼 때, 상기 유입 개구(36) 및 상기 유출 개구(38)와 완전히 겹치는 크기를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 통로(42, 42' )는 하나 이상의 통로 연장부(43, 43' )를 갖고 있으며, 상기 통로 연장부(43, 43' )는 상기 유입 개구(36)로부터 상기 유출 개구(38)로의 최단 유동 경로상에 위치하지 않는 영역에 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 하나 이상의 통로 연장부(43)는 상기 통로(42)와 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 하나 이상의 통로 연장부(43)는 그 높이와 폭의 치수가 동일한 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 천공 원판(23)은 4층으로 구성되어 있으며, 하나의 상기 중간층(40)에 상기 하나 이상의 통로(42, 42' )가 연장 형성되고, 다른 상기 중간층(40' )에는 통로 연장부(43' )가 형성되어 있으며, 상기 통로 연장부(43' )는 상기 유입 개구(36)로부터 상기 유출 개구(38)로의 최단 유동 경로상에 위치하지 않는 영역에 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 천공 원판(23)은 5층으로 구성되어 있으며, 상기 중간층(40)들중 하나의 중간층에 하나 이상의 통로(42, 42' )가 연장 형성되고, 다른 두 개의 상기 중간층(40')에 상기 통로 연장부(43' )가 연장되어 있으며, 상기 통로 연장부(43' )는 상기 유입 개구(36)로부터 상기 유출 개구(38)로의 최단의 유동 경로에 위치하지 않는 영역에 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  14. 제 9 항, 제 12 항 또는 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로 연장부(43, 43' )는 길이와 폭과 깊이의 모든 3개의 방향에 있어서 상기 통로(42, 42' )를 기점으로서 성형 가능한 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  15. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 중간층(40, 40' )에 돌출 삽입되도록 하나 이상의 인터럽터(50)가 배치되어 있으며, 상기 인터럽터(50)에 의해서 상기 통로(42, 42' )내를 지나가는 유동이 와열(eddy train)을 형성하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  16. 제 3 항에 있어서, 상기 상층(35)은 복수의 상기 유입 개구(36)를 갖고, 상기 하층(37)은 복수의 상기 유출 개구(38)를 가지며, 상기 유입 개구(36) 및 상기 유출 개구(38)는 모두 통로(42' )와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 개구(36)와 상기 유출 개구(38)는 어떠한 방향으로도 상호 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  18. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 개구(36)의 횡단면 윤곽은 상기 유출 개구(38)의 횡단면 윤곽에 대응하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  19. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 개구(36)의 횡단면 윤곽과 상기 유출 개구(38)의 횡단면 윤곽은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 개구(36) 및 상기 유출 개구(38)의 횡단면은 정사각형, 직사각형, 라운딩된 정사각형, 라운딩된 직사각형, 원형, 원형 세그먼트, 타원형, 타원형 세그먼트, 다각형 또는 라운딩된 다각형인 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 개구(36)와 상기 유출 개구(38)의 개수는 상이한 것을 특징으로 하는 분사 밸브용 천공 원판.
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