KR101122289B1

KR101122289B1 - 내부 혼합식 분무 노즐

Info

Publication number: KR101122289B1
Application number: KR1020100050652A
Authority: KR
Inventors: 정연희; 임양연
Original assignee: 스프레이시스템캄파니코리아 유한회사
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2012-03-21
Also published as: KR20110131032A

Abstract

본 발명은 액체와 기체를 내부에서 혼합하여 외부로 분무하기 위한 노즐로서, 고압으로 공급되는 액체 주위로 와류 상태의 기체를 공급하면서 액체를 노즐 내부에서 충돌시켜 액체 입자로 분리한 후, 분무오리피스를 통과하는 과정에서 액체 입자를 공급되는 기체의 와류 방향과 동일한 방향을 갖는 와류 상태로 분무시킴으로써 공급 기체의 압력이 상대적으로 낮더라도 액체 입자를 더욱 미세하게 분무할 수 있으며, 분무량을 증대시킴은 물론 분무거리를 향상시킬 수 있다.

Description

내부 혼합식 분무 노즐{INTERNAL MIXING TYPED ATOMIZING NOZZLE}

본 발명은 액체를 압송시켜 안개 형태로 살포하기 위한 노즐로서, 특히 노즐 내부에서 액체와 혼합되는 압축공기 또는 압축증기에 의하여 액체가 안개화되는 형태의 노즐에 관한 것이다.

액체와 기체를 혼합하여 분무하는 노즐은 이들을 노즐 내부에서 혼합하는 내부 혼합식 분무 노즐과 노즐 외부에서 혼합하는 외부 혼합식 분무 노즐로 나눌 수 있다. 이 중 내부 혼합식 분무 노즐은 액체와 기체의 흐름이 독립적이지 않으며, 기체 흐름의 변화가 액체 흐름에 영향을 주게 된다.

이러한 내부 혼합식 분무 노즐은 다수의 분무 노즐이 필요한 플랜트 예컨대, 제철소의 전로 설비와 같이 분진 많이 포함된 고온의 가스를 냉각 및 세정하기 위하여 사용되는데, 이를 위해서는 액체를 미세하게 분무하여야 하며, 주어진 압축공기 내지 압축증기의 공급원으로부터 더 많은 수의 분무 노즐을 작동시킬 수 있도록 설계되어져야 한다.

이러한 노즐의 예로서 등록특허공보 제10-0562727호(발명의 명칭 : 내부혼합공기의 안개화 분무용 노즐)에 기재된 노즐은 본체(11), 충돌 핀(21), 공기 공급부(14), 공기 안내부(30), 팽창 챔버(23) 및 이격 오리피스(18)로 이루어져 있다.

구체적으로, 도 1을 참고하여 설명하면, 본체(11)는 단일의 방출 오리피스(20) 내에서 종결하는 액체 통로(19)를 갖는다. 충돌 핀(21)은 오리피스(20)와 대향하여 이격 배치된 대략 평탄한 단부(22)를 구비하고, 오리피스(20)를 통해 방출되는 압축 액체 제트가 단부(22)에 충돌하여 흩어진 액체 유동으로 분쇄된다. 공기 공급부(14)는 방출 오리피스(20) 주위로 공기를 방출시키고, 방출된 압축 공기가 상기 액체 제트의 주위에 공기의 환상 커튼을 형성한다. 공기 안내부(30)는 공기 공급부(14)와 충돌 핀(21) 사이에 배치되어, 상기 공기 커튼을 수축시킴과 동시에 그 속도를 증가시키고, 이에 의해 공기 커튼은 흩어진 액체 유동에 충돌하여 이를 안개화된 입자로 더욱 안개화하며, 액체 제트가 충돌 핀(21)과 충돌하기 전에 제트와 커튼이 통과하게 되는 방출구(33)를 구비한다. 팽창챔버(23)는 방출구(33) 하류에 배치되고 방출구(33)와 연통하고, 충돌 핀(21)의 단부(22) 주위로 연장하며 방출구(33) 및 충돌 핀(21)의 단면적보다 상당히 더 큰 단면적을 지니며, 이에 의해 방출 오리피스(20)를 통해 방출된 액체가 팽창 챔버(23) 내부에서 팽창하여, 안개화된 입자가 서로 혼합되어 더 큰 입자를 다시 이루는 것을 제한한다. 이격 오리피스(18)는 충돌 핀(21) 둘레에 각을 두고 이격 배치되고, 팽창 챔버(23)와 대기 사이를 직접 연통하여, 팽창 챔버(23)로부터 입자를 방출하고 입자의 추가 안개화를 행한다.

그러나 위와 같은 종래 분무 노즐에 의하면, 공급되는 압축 공기의 압력이 낮은 경우 안개화가 충분히 진행되지 않으며, 외부로 방출되는 안개화된 액체 입자 중 일부가 다른 입자와 결합되어 결국 입자의 크기가 커지게 된다는 문제점이 있었다.

또한 각각의 이격 오리피스(18)로부터 방출되는 입자의 분무 거리가 짧고, 분무 영역을 제어하기 힘들며, 분무 영역의 중앙부에 비하여 외곽부로 분무되는 액체 입자의 속도가 낮게됨에 따라 입자의 재결합이 진행되어 입자의 크기가 커지게 되는 문제점이 있었다.

상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 팽창챔버로 분사되는 기체에 대하여 와류를 형성하게 하고, 안개화된 액체 입자 역시 동일한 방향으로 와류를 형성시키면서 외부로 분무시키는 내부 혼합식 분무 노즐을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 외부로 분무되는 안개화된 액체 입자의 분무영역 외곽으로 공급된 기체의 일부를 분사시키는 내부 혼합식 분무 노즐을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 내부 혼합식 분무 노즐은, 축선을 따라 액체를 공급하는 액체공급통로가 형성된 액체공급튜브; 상기 액체공급튜브와 이격한 외주 방향으로 간격을 두고 형성되어 고압의 기체를 공급하는 복수개의 기체공급통로를 구비하는 기체공급매니폴드; 상기 기체공급매니폴드의 외주에 결합되고, 상기 액체공급통로 하부에 확장 형성된 팽창챔버와, 상기 팽창챔버 하부에 축선을 따라 상부로 돌출된 충돌핀과, 상기 충돌핀 둘레의 경사면에 외주 방향으로 간격을 두고 형성된 복수개의 분무오리피스를 구비하는 노즐본체; 및 상기 노즐본체와 상기 기체공급매니폴드 사이에 삽입되며, 상기 기체공급통로를 거친 고압의 기체를 상기 액체공급튜브 둘레의 환형기체통로로 안내하여 상기 팽창챔버 내부로 기체를 분사하는 기체가이드; 를 구비하고, 상기 기체공급통로 각각의 중심선이 상기 축선과 평행한 선에 대하여 비스듬히 경사지도록 가공면을 형성하여 상기 팽창챔버 내부로 공급되는 기체에 와류를 형성시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 의한 내부 혼합식 분무 노즐은, 상기 기체가이드의 상단 둘레에 간격을 두고 형성되어 상기 기체공급통로에 의하여 공급된 기체를 분기하는 복수개의 기체분기홈을 형성하고,

상기 노즐본체 상부에 상기 축선의 외주 방향으로 간격을 두고 형성되고 상기 기체분기홈과 접속되는 복수개의 기체연결통로; 상기 노즐본체 외주와 결합되어 상기 노즐본체의 외주면 사이에 상기 기체연결통로와 접속되는 기체가이드통로; 및 상기 기체가이드통로 하단에 상기 분무오리피스 전체의 외곽으로 기체를 분사하는 환형의 기체분사슬릿; 이 구비된 외부캡을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 기체공급통로의 중심선은 상기 축선과 평행한 선에 대하여 25° 내지 35°경사지게 형성한다.

바람직하게, 상기 분무오리피스 각각은 상기 기체공급통로와 동일한 방향으로 경사지도록 가공면을 형성하여 외부로 분무되는 안개화된 액체에 와류를 형성시킨다.

바람직하게, 상기 기체연결통로는 상기 기체공급통로와 동일한 방향으로 경사진 가공면을 형성하여 상기 기체분사슬릿을 통하여 외부로 분사되는 기체에 와류를 형성시킨다.

바람직하게, 상기 기체연결통로의 중심선은 상기 축선과 평행한 선에 대하여 15° 내지 25° 경사지게 형성한다.

상술한 본 발명에 의하면, 팽창챔버로 분사되는 기체에 와류가 형성되므로 액체 입자를 더욱 미세하게 안개화시키고, 분무오리피스를 통하여 분무되는 입자 또한 와류가 형성됨에 따라 분무량을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 공급되는 기체의 일부를 분무영역 외곽부로 분사시킴으로써 액체 입자의 분무 거리가 향상되는 한편 분무영역의 제어가 용이하며, 분사되는 기체를 분무오리피스를 통하여 분무되는 액체 입자와 동일한 방향의 와류를 형성시킴으로써 분무량을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 내부 혼합식 분무 노즐의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 노즐의 사시도.
도 3은 본 발명을 구성하는 부품의 조립상태를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명을 구성하는 기체공급매니폴드의 평면도.
도 5는 본 발명을 구성하는 노즐본체의 저면 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 노즐의 종단면도.
도 7 내지 9는 각각 도 6의 A-A, B-B, C-C의 횡단면도.
도 10은 본 발명에 따른 분무 노즐의 유체 유동을 나타내는 상태도.

이하에서는 본 발명의 내부 혼합식 분무 노즐에 대하여 도면을 참조하여 실시예를 중심으로 설명한다.

본 발명의 분무 노즐은 도 3과 같이, 크게 액체공급튜브(100), 기체공급매니폴드(200), 기체가이드(300), 노즐본체(400) 및 외부캡(500)이 조립되어 구성된다.

액체공급튜브(100)는 그 내부에 축선을 따라 액체가 공급되는 액체공급통로(110)가 형성되며, 하단 외주면은 축선을 향하여 경사지게 형성된다. 여기서 축선이라 함은 도 3에서 조립 방향의 중심선을 나타내는 1점쇄선으로서, 이하에서는 설명의 편의상 축선을 기준으로 설명한다.

기체공급매니폴드(200)는 축선이 통과하는 중앙의 중공부에 액체공급튜브(100)가 억지끼움 방식으로 결합되며, 도 4와 같이 액체공급튜브(100)와 이격하여 외주 방향으로 일정한 간격을 두고 복수개의 기체공급통로(210)가 형성된다. 이 기체공급통로(210)를 통하여 고압의 기체(공기 또는 증기)가 균일한 압력으로 공급된다. 이때 각각의 기체공급통로(210) 내주면은 도 4 및 도 9와 같이, 그 중심선이 축선과 평행한 선에 대하여 비스듬히 경사진 가공면(211)이 형성되어 그 출구에서는 공급된 기체가 와류를 형성하게 된다. 도면에 의하면 축선을 기준으로 반시계 방향으로 일정 각도씩 경사지게 형성된다. 이때, 기체공급통로(210)의 중심선은 축선과 평행한 선에 대하여 25° 내지 35°경사지게 형성하는 것이 바람직하며, 경사각이 작은 경우 와류의 형성이 작고 반대로 경사각이 너무 큰 경우 기체의 공급이 원활하게 이루어지지 않는다.

공기가이드(300)는 노즐본체(400) 상부에 안착된 상태로 기체공급매니폴드(200) 사이에 삽입된다. 이 공기가이드(300) 내측면은 축선을 향하여 경사지게 형성되어 액체공급튜브(100) 하단 외주면 사이에 환형기체통로(320)를 형성시킨다. 따라서 기체공급통로(210)로부터 공급된 고압의 기체가 환형기체통로(320)를 통과하게 된다.

노즐본체(400)는 상부 내주면에 형성된 나사산에 의하여 기체공급매니폴드(200) 하부 외주면의 나사산과 결합된다. 기체공급매니폴드(200) 중앙에 삽입된 액체공급튜브(100) 하부에 해당하는 내부공간에는 액체공급통로(110)로부터 공급된 액체와, 기체공급통로(210)로부터 공급된 기체가 혼합되어 충분히 팽창될 수 있는 공간을 구비한 팽창챔버(420)가 구비된다.

그리고 팽창챔버(420)의 하부에는 축선을 따라 상부로 돌출되고 상부가 평평한 충돌면(431)을 구비한 충돌핀(430)이 구비되어, 팽창챔버(420) 내부로 공급된 액체가 충돌면(431)과 충돌하면서 미세한 액체 입자로 분할되며, 액체 입자는 액체공급튜브(100) 하단부 주위의 환형기체통로(320)를 통하여 공급되는 고압의 기체에 의하여 더욱 미세한 입자로 안개화된다.

이와 같이 미세하게 안개화된 액체 입자는 충돌핀(430) 둘레에 축선 방향으로 경사진 면에 축선의 원주 방향으로 일정 간격을 두고 복수개의 분무오리피스(440)가 형성된다. 이때 각각의 분무오리피스(440) 내주면은, 기체공급통로(210)에 의하여 와류가 형성된 팽창챔버(420) 내부 액체 입자의 유동 방향과 동일한 방향으로 회전하면서 외부로 분무되도록 도 5 및 도 7과 같이, 그 중심선이 축선과 평행한 선에 대하여 비스듬히 경사진 가공면(441)을 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 이상에서의 설명은 기체공급통로(210)를 통과한 기체 전부를 환형기체통로(320)를 통하여 팽창챔버(420) 내부로 분사하였으나, 본 발명의 다른 실시예(청구항 2 관련)로서, 기체공급통로(210)를 통과한 기체 중 일부를 분기하여 분무오리피스(440) 외곽으로 분사시키는 기체분사슬릿(520)을 형성하기 위하여 외부캡(500)을 더 구비할 수 있다.

이를 위하여 기체가이드(300)의 상단 둘레에 일정 간격을 두고 기체분기홈(310)을 형성하여 기체공급통로(210)로부터 공급된 기체의 일부를 외측으로 분기하도록 한다. 또한 노즐본체(400)의 상부에 축선의 외주 방향으로 일정 간격을 두고 기체분기홈(310)과 각각 접속되는 기체연결통로(410)를 도 5 및 도 8과 같이 구비한다.

그리고 외부캡(500) 상부 내주면에 형성된 나사산이 노즐본체(400) 상부 외주면에 형성된 나사산과 결합되고, 노즐본체(400) 외주면과 외부캡(500) 사이에는 환형의 기체가이드통로(510)가 형성되고, 기체가이드통로(510) 하단은 유로가 좁아지는 환형의 기체분사슬릿(520)이 전체 분무오리피스(440) 외곽에 형성된다. 따라서 분무오리피스(440)를 통하여 분무된 안개화된 액체 입자는 그 외곽의 기체분사슬릿(520)으로부터 분사되는 기체에 의하여 분무영역이 한정되며, 분무 거리가 향상된다.

이때 노즐본체(400)에 형성된 각각의 기체연결통로(410)를 통과하는 기체에 와류를 형성시키기 위하여 기체연결통로(410)의 중심선이 축선과 평행한 선에 대하여 비스듬히 경사진 가공면(411)을 형성하는 것이 바람직하며, 그 경사각은 15° 내지 25°인 것이 더욱 바람직하다. 이때 경사각이 너무 작은 경우 와류의 효과가 발생하지 않으며, 너무 크면 기체의 압력이 낮아지기 때문이다.

이하에서는, 상술한 바와 같이 구성된 분무노즐 중 기체공급통로(210), 기체연결통로(410) 및 분무오리피스(440) 각각을 통과하는 유체에 와류를 형성시키기 위하여 각각의 중심선이 축선과 평행한 선에 대하여 비스듬히 경사지게 가공면(211, 411, 441)이 형성된 분무 노즐의 유체 유동을 도 10을 참조하여 설명한다.

먼저, 외부로부터 액체와 기체를 공급하는 어댑터(500)에 액체공급튜브(100)와 기체공급매니폴드(200)를 결합시키면 액체는 액체공급통로(110)을 통하여 공급되고, 기체는 복수의 기체공급통로(210)를 통하여 공급된다.

액체공급통로(110)를 통하여 공급된 액체는 확장된 공간인 팽창챔버(420)를 통과하는 과정에서 팽창하면서 충돌핀(430)의 충돌면(431)과 충돌함으로써 액체는 작은 입자로 분리된다. 이때, 복수개의 기체공급통로(210)를 거치면서 와류 형태로 배출되는 압축 기체는 환형기체통로(320)를 경유하여 팽창챔버(420) 내부로 와류의 상태로 공급된다. 따라서 충돌핀(430)에 의하여 쪼개진 액체의 작은 입자는 고압의 와류 기체에 의하여 챔버 내부에서 더욱 미세하게 됨과 동시에 챔버 내부의 미세 액체 입자를 균일하게 혼합하는 역할을 하게 된다. 이와 같이 팽창챔버(420) 내부에 형성된 미세한 액체 입자는 분무오리피스(440)를 통과하면서 2차 와류를 형성하면서 외부로 분무되는데, 이때 압력이 높은 팽창챔버(420)에 비하여 상대적으로 압력이 낮은 외부로 방출됨에 따라 미세 액체 입자는 더욱 미세하여 진다.

한편, 기체공급통로(210)를 통하여 공급된 기체 중 기체가이드(300)의 기체분기홈(310)에 의하여 분기된 일부의 기체는 각각 기체연결통로(410)를 거치면서 와류의 형태로 환형의 기체가이드통로(510)와 유로가 좁아진 기체분사슬릿(520)을 통해 분사된다. 이때 기체는 전체 분무오리피스(440) 외곽으로 분사되면서 액체 입자의 분무영역 외곽을 한정함과 동시에, 분무영역 내부보다 분무 속도가 낮은 외곽에 존재하는 미세 액체 입자와 충돌하면서 입자의 미세화를 더욱 가속시킴은 물론 미세 액체 입자 간의 재결합을 방해하여 최종 분무된 액체 입자를 더욱 미세하게 유지할 수 있다.

또한 종래의 분무 노즐과는 달리 와류를 형성시키는 기체공급통로(210)를 채용함에 따라 종래의 분무 노즐과 동일한 압력의 압축 기체가 공급된다고 가정할 때, 기체분기홈(310)에 의하여 분기된 기체의 일부만으로도 팽창챔버(420) 내부에서 액체를 충분히 미세하게 안개화할 수 있으며, 나머지 분기된 기체의 일부를 분무오리피스(440) 외곽으로 분사시킴으로써 분무 거리를 향상시킴은 물론 분무영역을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 최종 분무되는 액체 입자를 더욱 미세하게 하며, 분무량을 더욱 증대시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 그 실시예에 기재된 개개의 구성에 의하여 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상을 중심으로 그 변형 내지 균등의 구성에 미칠 것이다.

100 : 액체공급튜브 110 : 액체공급통로
200 : 기체공급매니폴드 210 : 기체공급통로
211 : 가공면 300 : 기체가이드
310 : 기체분기홈 320 : 환형기체통로
400 : 노즐본체 410 : 기체연결통로
420 : 확장챔버 430 : 충돌핀
431 : 충돌면 440 : 분무오리피스
441 : 가공면 500 : 외부캡
510 : 기체가이드통로 520 : 기체분사슬릿

Claims

축선을 따라 액체를 공급하는 액체공급통로가 형성된 액체공급튜브;
상기 액체공급튜브와 이격한 외주 방향으로 간격을 두고 형성되어 고압의 기체를 공급하는 복수개의 기체공급통로를 구비하는 기체공급매니폴드;
상기 액체공급통로 하부에 확장 형성된 팽창챔버와, 상기 팽창챔버 하부에 축선을 따라 상부로 돌출된 충돌핀과, 상기 충돌핀 둘레의 경사면에 외주 방향으로 간격을 두고 형성된 복수개의 분무오리피스를 구비하는 노즐본체; 및
상기 기체공급통로를 거친 고압의 기체를 상기 액체공급튜브 둘레의 환형기체통로로 안내하여 상기 팽창챔버 내부로 기체를 분사하는 기체가이드; 를 구비하고,
상기 기체공급통로 각각의 중심선이 상기 축선과 평행한 선에 대하여 비스듬히 경사지도록 가공면을 형성하여 상기 팽창챔버 내부로 공급되는 기체에 와류를 형성시키는 것을 특징으로 하는 내부 혼합식 분무 노즐.
제1항에 있어서,
상기 기체가이드의 상단 둘레에 간격을 두고 형성되어 상기 기체공급통로에 의하여 공급된 기체를 분기하는 복수개의 기체분기홈을 형성하고,
상기 노즐본체 상부에 상기 축선의 외주 방향으로 간격을 두고 상기 기체분기홈과 접속되는 복수개의 기체연결통로를 형성하고,
상기 노즐본체 상부에 상기 축선의 외주 방향으로 간격을 두고 형성되고 상기 기체분기홈과 접속되는 복수개의 기체연결통로; 상기 노즐본체 외주와 결합되어 상기 노즐본체의 외주면 사이에 상기 기체연결통로와 접속되는 기체가이드통로; 및 상기 기체가이드통로 하단에 상기 분무오리피스 전체의 외곽으로 기체를 분사하는 환형의 기체분사슬릿; 을 구비하는 외부캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 혼합식 분무 노즐.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기체공급통로의 중심선은 상기 축선과 평행한 선에 대하여 25° 내지 35°경사지게 형성하는 것을 특징으로 하는 내부 혼합식 분무 노즐.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 분무오리피스 각각은 상기 기체공급통로와 동일한 방향으로 경사지도록 가공면을 형성하여 외부로 분무되는 안개화된 액체에 와류를 형성시키는 것을 특징으로 하는 내부 혼합식 분무 노즐.
제2항에 있어서,
상기 기체연결통로는 상기 기체공급통로와 동일한 방향으로 경사진 가공면을 형성하여 상기 기체분사슬릿을 통하여 외부로 분사되는 기체에 와류를 형성시키는 것을 특징으로 하는 내부 혼합식 분무 노즐.
제5항에 있어서,
상기 기체연결통로의 중심선은 상기 축선과 평행한 선에 대하여 15° 내지 25° 경사지게 형성하는 것을 특징으로 하는 내부 혼합식 분무 노즐.