KR101332745B1 - 연료 주입기 - Google Patents

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앤드류 매킨토시
노비드 베헤슈티
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유니버시티 오브 리드스
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Abstract

물질을 배출시키기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 배출되는 물질은 큰 투사율을 가질 뿐만 아니라 매우 고속인 배출을 제공할 수 있는 격발 과정을 통하여 액체 및 액체 증기로서 배출된다. 그 장치는 연료 주입기를 위한 연료를 배출시키는 데에 이용될 수 있다.

Description

연료 주입기{Fuel injector}
본 발명은 목표 질량(target mass)을 배출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 액체 및/또는 증기를 고속으로, 그리고 일정량의 액체가 저장되는 배출 챔버(ejection chamber)로부터 상대적으로 먼 거리를 두고 배출할 수 있는 고속 질량 배출 장치(fast mass ejection device)를 위한 장치 및 방법을 제공하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 보다 더 특정적으로, 본 발명은 연료 주입기 및 연료를 주입하는 방법에 관한 것이지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
다수의 산업분야들에서 질량 배출 장치들에 대한 필요가 있다. 그 질량 배출 장치들은, 액체 및 액체 증기를 고정되거나 또는 가변적인 속도로 요망되는 거리에 걸쳐서 스프레이(spray)하는 것이다. 바람직하게는, 액체 및 액체 증기의 스프레이가 먼 거리에 걸쳐서 신속한 속도로 이루어질 필요가 있다. 그러한 시스템에서, "투사율(throw)"이라는 용어는, 스프레이의 일 특성을 지칭한다. 물질의 투사율은, 이동한 거리를 스프레이가 배출되는 챔버의 길이로 나눈 값으로 정의된다.
소화기(fire extinguisher), 잉크젯 프린터(ink jet printer), 에어백 점화기(air bag igniter), 자동차 엔진 및 가스 터빈용 연료 주입기(fuel injector), 파일럿 불꽃(pilot flame) 등과 같은 다양한 질량 배출 장치들의 예가 알려져 있다. 이들 각각에 있어서는 해당되는 장치와 관련된 특정의 문제들이 있지만, 그 각각의 적용 기술에는 액체 및 액체 증기를 신속하고 먼 거리에 걸쳐 배출시키고자 하는 지속적인 요구가 있다.
질량 배출 시스템의 적용에 있어서 특정적인 일 문제로서, 가스 터빈 재점화기(gas turbine reigniter)를 예로 든다. 가스 터빈의 점화기에 있어서, 연소 챔버 내에서 가스를 재발화시키기 위한 종래의 접근법은, 재점화기의 두 전극들 사이에 전류를 통하도록 하여 짧은 시간 동안에 전기적으로 대전된 라디칼들의 혼합물(mixture of electrically charged radicals)을 생성하는 것이다. 이것은 도 1 에 보다 명백하게 도시되어 있는데, 여기에는 종래의 재점화기(10)가, 전체적으로 원통형의 형상을 가지고 또한 펠릿(pellet; 12)이 내부에 배치된 외측 전극(outer electrode; 11)을 구비한 것으로 도시되어 있다. 중앙 전극(13)은 펠릿 내에 배치되고, 두 전극들(11, 13) 간에 전류를 통하도록 함으로써, 전기적으로 대전된 라디칼들의 혼합물이 형성된다(이 때, 가스 분자들이 플라즈마라고 불리는 대전된 성분들로 일시적으로 나뉜다). 그 플라즈마는, 1초 내의 짧은 시간 동안만 지속할 수 있을 뿐이며, 그 후에는 재결합하여 그 전하를 상실한다. 그러면 그 전하는 메인 엔진(main engine)의 메인 연소 챔버 내에서 연소를 발화시키기 위하여 이용된다. 그러한 공지의 재점화기들과 관련된 문제점은, 그 혼합물이 배출 물질로서 배출 오리피스(14)를 거쳐서 충분히 멀리 배출되도록 하는 것과, 목적으로 하는 기능을 수행하기에 충분히 오랫동안 그 혼합물의 대전 상태를 유지시키는 것이다. 그 배출 된 물질(15)은 등유(kerosene) 또는 다른 통상적인 가스 터빈 엔진 연료를 발화시키는데에 이용된다.
질량 배출 시스템의 적용에 있어서 특정한 문제의 다른 예로서, 연료 주입기를 검토해 보기로 한다. 종래 기술의 연료 주입기는 미세하게 분무화된(atomised) 스프레이를 생성시키기 위하여 미리 가압된 연료와 전자기계적인 노즐을 이용한다. 연료는 챔버 내에서 가압되고, 전자기적 코일이 그 밀봉을 바늘만큼 들어올려서 연료가 흡기 밸브(intake valve)를 관통하는 노즐의 구멍을 통해서 비집고 나간다. 이 가압된 액체의 해제 타이밍의 제어는 전자장치에 의하여 이루어진다. 이것은, 오류에 취약하며 복잡하고 비싼 소재들을 요구하고 또한 많은 작동 부품들을 필요로 한다는 단점을 갖는다.
질량 배출기 시스템의 용도의 다른 예로서는, 에너지 산업 또는 지면 기반의 가스 터빈에 이용되는 화로 및 보일러를 위한 파일럿 불꽃(pilot flame)에 관한 용도이다.
본 발명의 목적은, 위에서 언급된 문제들을 적어도 경감시키는 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은, 연료 주입기를 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은, 액체 및 액체 증기가 챔버로부터 배출되도록 하는 물질 배출용 방법 및 장치를 제공하는 것인데, 그 배출 물질은 배출된 물질이 이동하는 거리 및 배출속도와 같은 것의 측면에서 바람직한 특성들을 갖도록 된다.
본 발명의 실시예들의 목적은, 고속 질량 배출기(fast mass ejector)를 제공하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은, 파일럿 불꽃 점화기(pilot flame igniter)를 제공하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은, 운송수단(vehicle)을 추진하는데에 이용될 수 있는 추진 유니트(propulsion unit)를 제공하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은, 소화기를 제공하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 형태에 따르면, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치가 제공되는바, 그 장치는:
선택된 액체 연료의 일부분을 보유하는 배출 챔버;
배출 챔버 내로 액체를 이송하기 위하여 선택적으로 개방되도록 구성된 유입 밸브; 및
미리 결정된 조건이 상기 배출 챔버와 관련된 파라미터(parameter)에 의하여 충족되는 때에 상기 배출 챔버로부터 연료를 배출시키기 위하여 선택적으로 개방되도록 구성된 배출 밸브;를 포함하고,
액체 및/또는 증기가 배출 챔버로부터 배출 밸브를 통하여 연소 구역 내로 배출됨으로써 연료가 연소 구역 내로 주입된다.
본 발명의 제2 형태에 따르면, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치가 제공되는바, 그 장치는:
선택된 액체 연료의 일부분을 보유하는 배출 챔버;
배출 챔버 내로 액체를 이송하기 위하여 선택적으로 개방되도록 구성된 유입 밸브; 및
미리 결정된 조건이 상기 배출 챔버와 관련된 파라미터에 의하여 충족되는 때에 상기 배출 챔버로부터 연료를 배출시키도록 선택적으로 개방되게 구성되고, 배출 챔버 내에 있는 액체의 온도가 상기 배출 밸브의 하류에 위치된 가스의 압력과 같은 압력에서 그 액체와 관련된 포화 온도와 동일하거나 그보다 높은 때에 개방되도록 구성된, 배출 밸브;를 포함하고,
액체 및/또는 증기가 배출 챔버로부터 배출 밸브를 통하여 연소 구역 내로 배출됨으로써 연료가 연소 구역 내로 주입된다.
본 발명의 제3 형태에 따르면, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법이 제공되는데, 그 방법은:
선택된 액체 연료의 일부분을 보유하도록 구성된 배출 챔버를 제공하는 단계;
배출 챔버 내로 액체의 일부분을 이송하도록 유입 밸브를 선택적으로 개방하는 단계;
미리 결정된 조건이 상기 배출 챔버와 관련된 파라미터에 의하여 충족되는 때에 상기 배출 챔버의 배출 밸브를 선택적으로 개방하는 단계; 및
액체 증기 및/또는 액체를 배출 챔버로부터 배출 밸브를 통하여 연소 구역 내로 배출시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 제4 형태에 따르면, 물질 배출용 장치가 제공되는데, 그 장치는:
선택된 액체의 본체(body)를 보유하는 챔버(chamber);
선택된 액체가 챔버 내로 도입될 수 있도록 통로를 제공하는 유입 밸브(inlet valve);
미리 결정된 조건이 파라미터(parameter)에 의하여 충족되는 때에 챔버로부터의 내용물이 배출되는 것을 허용하도록 개방되게 배치된 배출 밸브(exit valve); 및
챔버 내 액체의 압력을 증가시키는 수단;을 포함하고,
액체 및/또는 증기가 챔버로부터 배출 밸브를 거쳐서 배출된다.
바람직하게는, 상기 압력을 증가시키는 수단은 챔버 내에 위치된 액체의 본체를 가열하도록 구성된 가열 요소(heating element)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 배출 밸브는, 챔버 내의 압력이 미리 결정된 값에 도달할 때에 개방되도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 유입 밸브는, 챔버의 내용물이 배출 밸브의 개구(opening)를 거쳐서 사전에 배출된 후에 개방되어 액체가 챔버 내로 도입되는 것을 허용하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 챔버가 좁은 목 영역(narrow neck region)을 더 포함하는데, 액체와 증기는 그 좁은 목 영역을 따라서 배출된다.
바람직하게는, 배출 밸브가 개방되는 때에, 액체와 증기가 증기 격발 과정(vapour explosion process)을 통하여 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체가 물이다.
바람직하게는, 상기 액체가 가연성 액체, 예를 들어 등유 또는 휘발유(petrol)이다.
바람직하게는, 상기 배출 밸브가 1.1 바아(bar)의 압력에서 개방되도록 설정된다.
바람직하게는, 상기 압력을 증가시키는 수단이, 액체를 대기압에서 비등점(boiling point) 위의 온도로 가열시키는 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 챔버 직경이 1 mm 내지 1 m 사이의 범위 내에 있다.
바람직하게는, 상기 챔버가 구형의 형상을 갖는다.
바람직하게는, 상기 챔버가 하트 형상(heart-shape)을 갖는다.
바람직하게는, 상기 배출 밸브가 상기 하트 형상을 갖는 챔버의 정점 영역(apex region)에 위치한다.
바람직하게는, 상기 챔버가 실질적으로 원통형의 형상을 갖는다.
본 발명의 제5 형태에 따르면, 챔버로부터의 물질을 배출시키는 방법이 제공되는데, 그 방법은:
선택된 액체를 유입 밸브를 거쳐서 챔버 내로 도입시키는 단계;
챔버 내의 액체의 압력을 증가시키는 단계;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 배출 밸브를 개방하는 단계; 및
챔버로부터 배출 밸브를 거쳐서 액체 및/또는 증기를 배출시키는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 배출 밸브를 개방하는 단계 전에, 챔버 내에 위치한 액체를 가열 요소를 통하여 가열시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 미리 결정된 파라미터가 충족되는 때를 판정하는 단계, 및 그에 응답하여 배출 밸브를 개방하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 챔버 내의 액체를 배출 밸브로부터 하류의 위치에 위치된 가스의 압력에서 비등온도(boiling temperature)를 초과하는 온도로 가열하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제6 형태에 따르면, 하류의 연소 구역(combustion zone) 내로 연료를 주입하는 장치가 제공되는데, 그 장치는:
주입되어야 하는 선택된 액체의 본체를 보유하는 배출 챔버;
선택된 액체가 챔버 내로 도입됨에 있어서 경유하는 유입 밸브;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 개방되어 챔버의 내용물이 배출될 수 있도록 허용하는 배출 밸브; 및
챔버 내의 압력을 증가시키는 수단;을 포함하고,
상기 액체 및/또는 증기는 배출 밸브를 통하여 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 증기 격발(explosion; 격한 발사, 터짐, ≒폭발) 과정을 거쳐서 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 20보다 큰 투사율을 갖는 스프레이(spray)로서 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 100보다 큰 투사율을 갖는 스프레이로서 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체가 등유를 포함한다.
바람직하게는, 상기 액체가 휘발유를 포함한다.
바람직하게는, 상기 챔버가 금속 재료로 제작된다.
바람직하게는, 상기 압력을 증가시키는 수단이 챔버 내에 위치된 가열 요소를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치가 가열 요소를 위한 전력 공급원을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 챔버가 실질적으로 원통형의 형상을 가지고 또한 그 배출 단부(exit end)에서 목 영역(neck region)을 구비하며, 배출 밸브는 목 영역에 위치된다.
바람직하게는, 상기 목 영역이 좁은 배출 오리피스(narrow ejection orifice)를 포함하는데, 액체 연료 및 액체 연료 증기는 상기 좁은 배출 오리피스를 통하여 연소 구역 내로 배출된다.
바람직하게는, 그 오리피스의 단면이 목 영역의 단면보다 작은 직경을 갖는다.
바람직하게는, 상기 장치가, 주입 장치를 통하여 연소 구역 내로 배출되는 액체 연료 및 액체 연료 증기를 점화시키기 위하여 연소 구역 내에 위치된 점화원(ignition source)을 더 포함한다.
본 발명의 제7 형태에 따르면, 하류의 연소 구역 내로 연료를 주입시키는 방법이 제공되는데, 그 방법은:
선택된 액체를 유입 밸브를 통하여 챔버 내로 도입시키는 단계;
챔버 내의 액체의 압력을 증가시키는 단계;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에, 배출 밸브를 개방하는 단계; 및
액체 및 액체 증기를 배출 밸브를 통하여 챔버로부터 배출시키는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 배출 밸브를 개방하는 단계 전에 챔버 내에 위치된 액체를 가열 요소를 통하여 가열하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제8 형태에 따르면, 운송수단에 추진력을 제공하기 위한 장치가 제공되는데, 그 장치는:
선택된 액체 연료의 본체를 보유하는 연료 배출 챔버;
선택된 액체가 배출 챔버 내로 도입됨에 있어서 경유하는 유입 밸브;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 개방되어 배출 챔버로부터의 내용물이 배출되게 허용하도록 구성된 배출 밸브;
배출 챔버 내의 액체의 압력을 증가시키는 수단; 및
상기 배출 챔버로부터 배출된 액체 및/또는 증기를 수용하도록 위치되고, 배출 챔버로부터 배출된 액체 및 액체 증기를 점화시키는 점화기 요소(igniter element)를 포함하는, 연소 챔버;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 연소 챔버가 화염(flame) 및 고온 가스(hot gas)가 연소 챔버로부터 이탈함에 있어서 경유하는 배출구(outlet)를 더 포함하는데, 상기 화염 및 고온 가스의 이탈은 운송수단을 위한 반대 방향으로의 강제력(urging force)을 제공한다.
바람직하게는, 상기 점화 요소는 스파크 점화기(spark igniter)를 포함한다.
바람직하게는, 배출 챔버로부터 배출된 액체 및 액체 증기를 요망되는 방향으로 지향시키기 위하여, 배출 물질 지향 노즐(ejected material directing nozzle)이 상기 배출 밸브에 대해 하류의 위치에서 지향된다.
바람직하게는, 상기 장치가 상기 연소 챔버 내에 공기를 제공하기 위하여 적어도 하나의 공기 흡입구(air intake)를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 공기 흡입구가 운송수단의 외부로부터 추진 시스템 내부로 공기를 끌어들이는 하나 이상의 공기 호흡 통로(air breathing passage)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 운송수단이 무인 항공기(unmanned aerial vehicle; UAV)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 압력을 증가시키는 수단은 배출 챔버 내에 위치된 액체의 본체를 가열하도록 구성된 가열 요소를 포함한다.
바람직하게는, 상기 배출 밸브는 배출 챔버 내의 압력이 미리 결정된 값에 도달하는 때에 개방되도록 구성된다.
본 발명의 제9 형태에 따르면, 운송수단에 추진력을 제공하는 방법을 제공하는데, 그 방법은:
선택된 액체 연료를 유입 밸브를 통하여 상기 운송수단의 배출 챔버 내로 도입시키는 단계;
배출 챔버 내의 액체의 압력을 증가시키는 단계;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 배출 밸브를 개방하는 단계;
액체 및 액체 증기를 배출 밸브를 통하여 배출 챔버로부터 배출시키는 단계;
배출 챔버로부터 배출된 액체 및 액체 증기를 수용하도록 위치된 연소 챔버 내에서 그 배출된 액체 연료 및/또는 증기 연료를 공기와 함께 점화시키는 단계; 및
연소 과정으로부터 귀결되는 화염 및 고온 가스를 연소 챔버로부터 나오도록 제1 방향으로 지향시켜서, 운송수단에 제1 방향에 실질적으로 반대인 방향으로의 추진력을 제공하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 배출된 액체 및 액체 증기와 공기의 혼합물을 연소 챔버 내에 위치된 점화 요소(ignition element)를 통하여 점화시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 배출 챔버로부터 배출된 액체 및 액체 증기를 상기 배출 밸브로부터 하류의 위치에 위치된 노즐 요소(nozzle element)를 통하여 연소 챔버 내에서 요망되는 방향으로 지향시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 적어도 하나의 공기 흡입구를 통하여 상기 연소 챔버 내로 공기를 제공하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 배출 밸브를 개방하는 단계 전에 배출 챔버 내에 위치된 액체를 가열요소를 통하여 가열하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 본 발명은 상기 장치를 포함하는 운송수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 운송수단은 무인 항공기(UAV)이다.
본 발명의 제10 형태에 따르면, 화재 진화용 장치(apparatus for extinguishing a fire)가 제공되는데, 이 장치는:
선택된 진화용 액체(extinguishing fluid)의 본체를 보유하는 배출 챔버;
선택된 액체가 배출 챔버 내로 도입됨에 있어서 경유하는 유입 밸브;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 개방되어 챔버 내의 물질이 배출되는 것을 허용하도록 구성된 배출 밸브; 및
챔버 내의 압력을 증가시키는 수단;을 포함하고,
진화용 액체 및/또는 진화용 액체 증기는 배출 밸브를 통하여 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 증기 격발 과정을 통하여 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 20보다 큰 투사율을 갖는 스프레이로서 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 100보다 큰 투사율을 갖는 스프레이로서 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체는 물을 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 진화용 액체를 상기 유입 밸브를 거쳐서 상기 배출 챔버로 제공하기 위한 액체 저장소를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 저장소는 휴대가능하며, 상기 장치는 상기 액체 저장소를 보유하기 위한 손잡이를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 액체 저장소는 파이프 구조물(pipework arrangement)을 거쳐서 상기 챔버에 연결되고, 상기 파이프 구조물은 다른 챔버들에도 연결되는데, 그 다른 챔버들 각각은 개별의 배출 밸브를 통하여 진화용 액체 및 액체 증기를 배출시키도록 구성된 것이다.
바람직하게는, 상기 챔버는 100ml 의 용량을 갖는다.
본 발명의 제11 형태에 따르면, 화재 진압 방법이 제공되는데, 그 방법은:
유입 밸브를 거쳐서 화재 진화용 액체를 챔버 내로 도입시키는 단계;
그 챔버 내의 액체의 압력을 증가시키는 단계;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 배출 밸브를 개방하는 단계; 및
배출 밸브를 통하여 상기 챔버로부터 진화용 액체 및 액체 증기를 배출시키는 단계로서, 상기 배출된 액체 및 액체 증기가 상기 화재를 향하여 지향됨으로써 화재가 진화되는, 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 배출 밸브를 개방하는 단계 전에 챔버 내에 위치된 액체를 가열 요소를 통하여 가열하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은: 화재의 존재를 나타내는 미리 결정된 조건이 충족되는지의 여부를 판정하는 단계; 및 상기 판정 단계의 결과에 응답하여 상기 챔버로부터 액체 및 액체 증기를 배출시키는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 챔버가 고정된 액체 저장소가, 화재의 존재가 식별되었던 위치로 사용자에 의하여 운반되는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 화재의 존재가 식별되는 때에 상기 배출 밸브로부터 액체 및 액체 증기를 자동적으로 배출시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제12 형태에 따르면, 파일럿 불꽃 점화기를 제공하는 장치가 제공되는데, 그 장치는:
선택된 가연성 액체의 본체를 보유하는 배출 챔버;
선택된 액체가 챔버 내로 도입됨에 있어서 경유하는 유입 밸브;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 개방되어 챔버의 내용물이 배출되는 것을 허용하도록 구성된 배출 밸브; 및
챔버 내의 압력을 증가시키는 수단;을 포함하고,
액체 연료 및/또는 증기 연료는 배출 밸브를 통하여 배출된다.
바람직하게는, 상기 액체 및 액체 증기가 증기 격발 과정을 통하여 배출된다.
바람직하게는, 상기 선택된 액체가 등유 및/또는 휘발유와 같은 액체 연료를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치가 연이는 배출들 사이에 부동 시간(dead time)을 갖는데, 그 부동 시간은 단일의 배출 밸브 개방 작동 중에 배출 밸브를 통하여 배출되는 액체 및 액체 증기를 태우는데에 걸리는 시간보다 적다.
바람직하게는, 상기 배출 챔버는, 상기 파일럿 불꽃 점화기에 짧은 정지 시간(down time)을 제공하도록 미리 결정된 내부 용량(internal capacity)을 갖는다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 유입 밸브를 거쳐서 액체 연료를 챔버 내로 펌프질(pumping)하도록 구성된 펌프(pump)를 더 포함한다.
본 발명의 제13 형태에 따르면, 가스 터빈의 연소 챔버 내에서 연료를 재점화시키기 위한 장치가 제공되는데, 그 장치는:
연소 챔버 내로 주입되어야 할 선택된 액체의 본체를 보유하는 배출 챔버;
선택된 액체가 배출 챔버 내로 도입됨에 있어서 경유하는 유입 밸브;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 개방되어 배출 챔버의 내용물이 배출되게 허용하도록 구성된 배출 밸브; 및
챔버 내의 압력을 증가시키는 수단;을 포함하고,
상기 액체 연료 및/또는 증기 연료는 배출 밸브를 통하여 연소 챔버 내로 배출된다.
바람직하게는, 상기 가스 터빈 재점화기 장치는, 증기 격발 과정을 통하여 액체 및 액체 증기를 배출시키도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 장치는, 가스 터빈의 연소 챔버 내에 배치된 복수의 상기 장치를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 연료를 연소 챔버 내로 주입하도록 배치된 복수의 연료 주입기들을 더 포함한다.
본 발명의 제14 형태에 따르면, 가스 터빈의 연소 챔버 내에서 연료를 재점화시키는 방법이 제공되는데, 그 방법은:
선택된 액체를 배출 챔버 내에 저장하는 단계;
배출 챔버 내의 압력을 증가시키는 단계; 및
액체 연료 및/또는 증기 연료를 배출 밸브를 통하여 연소 챔버 내로 배출시키는 단계로서, 상기 배출된 물질이 연소 챔버 내의 연료를 재점화시키는, 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 액체 및 액체 증기를 배출 챔버로부터 배출시키는 타이밍을 연소 챔버 내로 연료를 주입하도록 구성된 연료 주입기의 일 사이클(cycle) 중의 미리 결정된 시점과 일치시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 선택된 액체는 휘발유 또는 등유와 같은 액체 연료를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 액체 및 액체 증기를 증기 격발 과정을 통하여 연소 챔버 내로 배출시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제15 형태에 따르면, 환자에게 의약품(medicament)을 전달하는 장치가 제공되는데, 그 장치는:
적어도 하나의 의약품 성분을 포함하는 선택된 액체의 본체를 보유하도록 구성된 배출 챔버;
미리 결정된 파라미터가 충족되는 때에 개방되어 챔버의 내용물이 배출되게 허용하도록 구성된 배출 밸브;
챔버 내의 압력을 증가시키는 수단; 및
상기 장치의 배출 오리피스를 요망되는 위치에 배치시키는 수단;을 포함하고,
액체 연료 및/또는 증기 연료는 요망되는 위치에서 챔버로부터 배출되어 의약품을 그 위치에 전달한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 장치가 상기 환자 내의 어디에 배치되는지를 판정하는 수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 선택된 액체는 액체 의약품을 포함한다.
바람직하게는, 상기 선택된 액체는, 용액 내에서 약물을 구비하는 운반 액체(carrier liquid)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 목표 위치에 배치될 수 있는 말단 단부(distal end)를 구비한 유연성 샤프트(flexible shaft)를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는 카메라를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는 광원을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 튜브-유사 본체 부분(tube-like body portion)내에 배치되도록 구성되고 또한 신체적 과정(bodily process)에 응답하여 튜브-유사 부분 아래로 움직이도록 구성된 본체 부분(body portion)을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 장치가 요망되는 위치에 있는 때에 무선 신호를 수신하는 무선 통신 연결 수신기를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 무선 신호의 수신에 응답하여 상기 배출 밸브를 개방시키는 수단을 더 포함한다.
본 발명의 제16 형태에 따르면, 환자에게 의약품을 전달하는 방법이 제공되는데, 이 방법은:
적어도 하나의 의약품 성분을 포함하는 선택된 액체를 배출 챔버 내에 저장하는 단계;
상기 챔버의 배출 오리피스를 요망되는 위치에 배치시키는 단계;
챔버 내의 압력을 증가시키는 단계;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에, 챔버 내의 내용물이 배출 오리피스를 통하여 배출되는 것을 허용하기 위하여 배출 밸브를 개방하는 단계;
요망되는 위치에 액체 및/또는 증기를 배출시켜서 그 위치에 의약품을 전달하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 제17 형태에 따르면, 환자 내의 튜브형 요소(tubular element)의 막임을 뚫는 장치가 제공되는데, 그 장치는:
선택된 액체의 본체를 보유하도록 구성된 배출 챔버;
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 챔버의 내용물이 배출되는 것을 허용하도록 구성된 배출 밸브;
챔버 내의 압력을 증가시키는 수단; 및
상기 장치의 배출 오리피스를 요망되는 위치에 배치시키는 단계;를 포함하고,
액체 및/또는 증기는 요망되는 위치에서 챔버로부터 배출되어 그 막힘을 뚫는다.
바람직하게는, 액체 및 액체 증기는 상기 튜브형 요소에 대해 실질적으로 축방향으로 배출된다.
바람직하게는, 상기 장치의 배출 오리피스는 그 장치의 잔여부분에 대해 움직여질 수 있다.
바람직하게는, 상기 튜브형 요소는, 상기 환자의 동맥 또는 정맥을 포함한다.
본 발명의 제18 형태에 따르면, 환자 내이 튜브형 요소의 막힘을 뚫는 방법이 제공되는데, 그 방법은:
선택된 액체의 본체를 배출 챔버 내에 보유하는 단계;
상기 챔버의 배출 오리피스를 상기 환자 내의 요망되는 위치에 배치시키는 단계;
상기 챔버 내의 압력을 증가시키는 단계; 및
미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때에 챔버의 내용물이 배출 밸브를 통하여 배출되는 것을 허용하는 단계;를 포함하고,
액체 및/또는 증기는 챔버로부터 배출되어 환자 내의 튜브형 요소의 막힘을 뚫는다.
본 발명의 실시예들은, 액체 및 액체 증기가 배출 오리피스로부터 격발하는 배출 챔버를 제공한다. 증기의 격발(explosion)은, 목표 물질이 배출 챔버로부터 매우 고속으로 그리고 종래의 기술에 의하여는 얻을 수 없었던 거리에 걸쳐서 터져 나오게 하는 효과를 갖는다.
증기 격발을 이용하면, 전통적인 연료 주입기보다 더 긴 투사거리(throw)가 얻어진다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 액체 및 액체 증기의 격발의 투사거리는 대응되는 챔버 길이의 대략 200 내지 300 배 이상에 달한다. 전통적인 연료 주입기에 의하여는, 주입 챔버 크기의 대략 10 내지 20 배의 값을 가질 것이다. 이것은 증기 격발의 동적 거동(dynamics) 때문인데, 그것은 배출 챔버 내의 액체의 큰 압력으로서 발생되는 것이고, 주기적으로 상승 및 해제된다.
본 발명의 실시예들은 연료 점화 시스템(fuel ignition system)을 제공할 수 있는데, 그 연료 점화 시스템에서는 물질을 배출하는데에 이용되는 증기 격발 챔버가 연료(그 액체로서 이용됨)를 연소 챔버 내로 주입하는데에 이용될 수 있다. 주입된 연료는 대부분(배출된 질량의 대략 70% 이상은 연료 증기임)은 주입기 노즐을 나가기 전에 증기화된다. 이것은 현저한 장점인데, 왜냐하면 임의의 액체 연료는 공기(산소)와 반응할 수 있기 위하여 먼저 증기화(vaporize)되어야 하기 때문이다. 공지된 연료 주입기들에 있어서는, 증기화를 촉진시키기 위하여 액체 연료가 먼저 분무화되어야 했다. 본 발명의 실시예에 따른 주입기는 이미 증기화되었거나 또는 거의 증기화된 연료를 주입시키기 때문에, 위와 같은 단계를 필요로 하지 않는다. 이것은 점화 및 연소 과정들이 현저히 용이하게 이루어지도록 한다.
연료 주입기로서 이용되는 본 발명의 실시예에 따른 새로운 주입기는, 일정량의 연료를 주입시키기 위하여, 동일한 양의 연료를 주입시키는 공지된 주입기들에 비하여 훨씬 낮은 압력을 필요로 한다는 장점도 제공한다. 예를 들어, 디젤 엔진보다 훨씬 더 낮은 압력에서 작동하는 종래 기술의 휘발유 엔진에 있어서는, 주입 압력이 대략 100 바아이다. 본 발명에 따른 실시예는, 10 내지 15 바아의 압력만을 필요로 하는 연료 주입기를 제공한다. 이것은 시스템의 제조 및 유지보수에 소요되는 비용을 저감시킨다.
본 발명에 따른 실시예들은, 공지된 종래 기술의 연료 주입기들보다 더 긴 투사거리를 갖는 연료 주입기를 제공한다. 이것은 연료가 보다 신속하고 우수하게 혼합 및 증기화된다는 장점을 갖는다.
본 발명의 실시예들은, 가스 터빈의 연소 챔버 내에서 이전에 공지된 기술에서 가능하였던 것보다 제어된 방식으로 그리고 신속하게 연료를 재점화시키는 것이 가능한 가스 터빈 재점화기를 제공한다.
본 발명의 실시예들은, 이용되는 연료의 양과 점화기 장치의 크기에 비하여 먼 거리에 걸쳐서 그리고 매우 신속하게 목표 연료를 점화시킬 수 있는 파일럿 불꽃 점화기를 제공한다. 배출 챔버로부터 반복적으로 연료를 배출시킴에 의하여, 파일럿 점화기에 불이 붙어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 운송수단에 이용될 수 있는 추진 유니트를 제공한다. 후진 유니트는 소형 크기(small scale), 심지어는 초소형 크기(nano scale)를 가질 수 있고, 공지된 추진 유니트들보다 훨씬 더 가벼울 수 있는데, 이것은 운송수단을 추진하는데에 이용되는 배출(ejection)이 매우 강력하고 고속이며, 또한 먼 거리에 걸쳐서 활발하게 일어나기 때문이다.
본 발명의 실시예들은 소화 시스템(extinguisher system)을 제공하는데, 그 소화 시스템은 건물 내부에서 또는 운송수단에서 이용될 수 있도록 휴대가능하거나 또는 고정된 것일 수 있고, 일단 작동되면 매우 신속하게 작동하여 화재의 중심부를 향하여 화재 진압 물질(fire suppressant material)을 배출시킬 수 있다. 화재를 진압할 때에는 스프레이를 이용하는 것이 유익한 것으로 알려져 있다.
이하에서는 하기의 첨부도면들을 참조로 하여 본 발명의 실시예들이 예시의 목적을 위하여 상세히 설명될 것이다.
도 1 에는 종래 기술의 가스 터빈 재점화기가 도시되어 있고;
도 2 에는 물질을 배출하는 장치가 도시되어 있고;
도 3 에는 물질을 배출하는 장치의 대안적인 실시예가 도시되어 있고;
도 4 에는 물질을 배출하는 장치의 다른 대안적인 실시예가 도시되어 있고;
도 5 에는 본 발명의 일 실시예를 포함하는 연소 엔진이 도시되어 있고;
도 6 에는 연료 주입기가 도시되어 있고;
도 7 에는 가스 터빈이 도시되어 있고;
도 8 에는 가스 터빈 재점화기가 도시되어 있고;
도 9 에는 파일럿 점화기가 도시되어 있고;
도 10 에는 운송수단용 추진 시스템이 도시되어 있고;
도 11 에는 연소 챔버 내에서의 연소가 도시되어 있고;
도 12 에는 공기 유입구가 도시되어 있고;
도 13 에는 손에 잡히는 소화기가 도시되어 있고;
도 14 에는 스프링클러(sprinkler) 형태의 소화기가 도시되어 있고;
도 15 에는 호스 형태의 소화기가 도시되어 있고;
도 16 에는 본 발명의 일 실시예가 어떻게 의약품을 전달하는데에 이용되는지가 도시되어 있고;
도 17 에는 내시경(endoscope)의 단부가 도시되어 있고;
도 18 에는 의약품이 어떻게 전달되는지가 도시되어 있고;
도 19 에는 본 발명의 일 실시예가 어떻게 휴대용 네뷸라이저로서 이용될 수 있는지가 도시되어 있고;
도 20 에는 다양한 설명된 실시예들의 챔버들이 어떻게 형상화될 수 있는지가 도시되어 있다.
도면들에 있어서, 유사한 참조번호들은 유사한 부분들을 의미한다.
도 2 에는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 증기 격발 과정을 통하여 액체 및 액체 증기를 배출시키는 배출 시스템(20)이 도시되어 있다. 배출 챔버(21)는, 상당한 압력 및 온도 변화를 견딜 수 있는 강철과 같은 재료 또는 다른 견고한 재료로 만들어지고, 전체적으로 원통형의 형상을 갖는다. 본 발명의 실시예들이 이와 같은 특정 형상을 갖는 연소 챔버들에만 국한되거나 또는 강철로 형성된 연소 챔버에만 국한되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 참조번호 22 에 의하여 표시된 챔버(21)의 제1 단부 영역에서, 유입 밸브(23)는 물과 같은 선택된 액체가 유입 파이프(inlet pipe; 25)를 통하여 챔버의 중앙 영역(24)으로 들어오는 것을 허용하도록 배치된다. 챔버(21)의 다른 단부 영역(26)에는 배출 밸브(27)가 배치되는데, 이것은 물질이 노즐 영역(28)을 통하여 챔버 영역(24)으로부터 배출되는 것을 허용하기 위하여 개방된다.
가열 요소(29)는 배출 챔버 내에 배치된 전기 가열기(electric heater)에 의하여 제공된다. 전기 가열기는 전력 공급원(미도시)에 연결되어, 켜질 때에는 챔버의 영역(24) 내에 배치된 액체의 본체를 가열하도록 작동한다. 본 발명의 다른 실시예들(그 중의 일부는 아래에서 설명된다)에 따르면 배출 챔버 내의 액체의 온도 및 압력을 상승시키는 다른 방안들이 있다는 것이 이해될 것이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 챔버의 중앙 영역(24) 내의 액체의 압력은 그 안에 있는 액체를 가열함에 의하여 증가될 수 있다. 이 단계 전에, 액체의 누출(outgress)을 방지하기 위하여 배출 밸브(27)가 닫힌다. 유입 밸브(23)는, 챔버가 가득하게 되거나 또는 미리 결정된 양의 액체를 담게 되기 까지, 액체인 물이 챔버 내로 들어오는 것을 허용하도록 개방된다. 그 후, 유입 밸브가 닫혀서 액체의 본체를 밀봉함으로써, 액체의 본체가 챔버 내에 배치된 것으로 된다. 그 후 가열기 요소(heater element)가 작동하여 액체에 열을 가한다. 이 결과, 액체는 열팽창에 의하여 팽창하고, 챔버 내측에 있는 액체의 압력을 상승시킨다. 그 가열이 가열 요소에 의하여 수행될 수 있지만, 미리 가열된 액체가 챔버로의 유입구에서 고압 하에서 공급되도록 하는 것도 가능할 것이다. 이 기술이 채택된다면, 챔버 내의 압력 상승은, 유입 밸브를 통하여 챔버 내로 액체 공급을 수행하는 펌프(미도시)에 의하여 수행될 것이다. 물을 가열함에 의하여, 그 챔버 내의 압력이 상승한다. 또한 온도도 상승한다. 배출 밸브는, 미리 정의된/미리 결정된 압력에서 개 방되게 "터지도록(blow)" 제어된다. 압력은, 챔버에 가깝거나 또는 챔버 내에 배치된 압력 변환기(pressure transducer)와 같은 하나 이상의 압력 센서들에 의하여 감시될 수 있다. 따라서, 챔버 내의 물 또는 다른 액체는 (전기 주전자와 상당히 유사한) 전기 요소에 의하여 가열되고, 대기압에서 그것의 비등온도를 초과하도록 온도가 상승된다. 비등점은 포화점(saturation point)을 나타내고, 이것은 사용되는 특정 액체의 압력과 온도 간의 관계에 의하여 결정된다는 것이 이해될 것이다. 배출 챔버 내의 액체는, 챔버의 배출 밸브의 하류에서의 압력과 같은 압력에서 포화점에 가깝거나, 포화점과 동등하거나, 또는 포화점을 초과하는 것이 유리하다. 대기압에서는 그 온도가 비등온도를 초과하여 상승하는데, 이것은 물이 가열되기 전에 닫히는 유입 밸브, 및 일단 시스템이 특정의 압력에 도달하여야만 해제를 허용하는 배출 밸브 둘 다에 의하여 물이 챔버 내에 갇혀있기 때문이다. 각각 트리거 압력(trigger pressure) 및 트리거 온도(trigger temperature)로 불릴 수 있는 이 압력 및 온도에서, 그 밸브는 압력 밥솥(pressure cooker)과 유사한 방식으로 터지듯 개방된다. 그러면, 증기 격발이 일어나고, 증기 격발은 액체 및 액체 증기(그 액체가 물이라면, 그 액체 증기는 수증기일 것이다)의 조합물이 챔버로부터 나가도록 야기한다. 배출 밸브가 개방되는 때에, 그 수증기 및 물의 혼합물은 개구(28)를 통하여 배출된다.
배출 밸브가 초기에 개방되는 때에, 배출되는 제1 상(first phase)은 스프레이로 흩뿌려지는 형태의 액체 상이다. 이 배출은 배출 밸브의 개방 후 마이크로 초(microsecond) 단위의 시간 내에 이루어진다. 이와 같이 극도로 신속한 액체의 배출은 특정의 장점을 갖는다. 수 마이크로 초 후에, 액체 및 액체 증기의 혼합물이 배출된다. 수십 마이크로 초 후에, 약간 더 적은 액체와 더 많은 증기를 함유하는 혼합물이 배출된다.
그러나, 동일한 주변 압력에 대해 더 높은 트리거 온도가 이용되는 때에는, 이 초기의 액체 방출이 변경되거나 또는 완전히 제거될 수 있다. 한편, 트리거 온도를 낮추는 것은, 실제로 분무화만된 액체가 배출되는 상황으로 이어질 수 있다. 이와 같은 방식으로, 배출 챔버와 관련된 하나 이상의 파라미터들을 변화시킴에 의하여 액체와 증기의 비율이 선택될 수 있다. 온도 또는 압력과 같은 하나 이상의 파라미터를 선택적으로 변화시키는 것은, 배출된 물질의 액적 크기(drop size)를 선택적으로 제어하기 위하여 이용될 수도 있다.
물질이 배출 챔버로부터 배출됨에 따라서 압력이 강하한다. 압력이 주변 압력 또는 미리 결정된 제2 압력(이것은 종결 압력(closure pressure)으로 불릴 수 있다)으로 다시 강하한 때에, 배출 밸브는 닫히고 유입밸브는 다시 개방되어 새로운 물질을 챔버 내로 도입시킨다. 이것으로써 사이클(cycle)이 다시 시작된다. 결과적으로, 수증기/물 혼합물 또는 다른 액체/액체 증기 혼합물은, 새로이 공급된 액체 물을 가열시킴에 의하여 충분한 압력이 생성되면, 반복된 주기로 배출구로부터 방출된다.
챔버의 크기는 달라질 수 있고, 예를 들어 1 센티미터 미만의 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 그 챔버는 나노 크기(nano size)에서 밀리미터 단위의 직경을 가질 수도 있다. 대안적으로는, 챔버가 1 미터 또는 그보다 큰 직경을 가질 수 있다. 챔버의 크기가 증가함에 따라서, 블라스트(blast)의 빈발도가 감소될 것이라는 것이 이해되어야 할 것인데, 이것은 압력을 증가시키기 위하여 소요되는 시간이 그에 따라서 증가할 것이기 때문이다. 특정 용도에 따라 챔버의 크기가 증가됨에 따라서 더 큰 펌프 및/또는 밸브가 필요할 것이라는 것이 이해될 것이다.
바람직하게는, 챔버로부터 배출되는 액체의 비율을 최대화하기 위하여 유입 밸브가 제어될 수 있다. 이것은, 유입 포트(inlet port)의 직경이 배출 또는 방출 포트의 직경과 같거나 또는 거의 같게 되도록 선택함에 의하여 달성될 수 있는데, 이것은 지나치게 많은 액체가 챔버 내로 들어가게 되지 않는 것을 보장한다.
도 3 에는 배출 장치의 대안적인 실시예가 도시되어 있는데, 이것은 도 2 에 도시된 실시예와 공통적인 사항들을 많이 공유한다. 도 3 에 도시된 본 발명의 실시예는, 챔버 내의 액체를 가열하기 위하여 챔버의 측벽부(side wall portion)를 둘러싸는 열교환기(30)를 이용한다. 액체를 가열하는 이와 같은 방식은, 배출되는 액체가 물이 아니라 후속하여 태워지는 연료인 때에 특히 유리하다. 배출 밸브의 하류에 있는 위치에서 이와 같이 열을 발생시키는 것은, 열교환기를 가열시키는 데에 이용될 수 있고, 그러면 챔버 내의 액체가 가열된다.
챔버 내에서 액체의 보다 신속한 재충전을 가능하게 하기 위하여, 도 4 에 도시된 바와 같이 챔버에 복귀 포트 및 밸브가 추가될 수 있다. 복귀 포트 및 밸브(401)는 보급(replenishment)을 위하여 유입 밸브(404)가 개방되는 때에 챔버(402) 내의 액체 및 증기의 일부가 저장소(403)로 복귀하는 것을 허용한다. 복귀 포트 및 밸브(401)를 추가시키면, 배출된 질량을 보충하기 위하여 충분한 새로 운 액체가 챔버(402)에 추가되는 것이 가능하게 됨에 있어서 도움이 될 것이고, 그러므로 연이는 배출들 후에 챔버(402) 내의 액체가 부족하게 되는 것을 방지할 것이다. (화재 진압용 스크링클러들과 같이) 파이프 라인들(pipelines)을 저장소로서 이용하는 경우에는, 복귀 밸브(401)에 연결된 복귀 포트(406)가 공급 파이프 라인(403)보다 낮은 압력으로, 그리고 바람직하게는 주변 압력으로, 상이한 파이프 라인에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 챔버는 25mm 의 내부 직경과 32mm 의 길이를 갖는 것이 이용될 수 있다. 둘 이상의 개별적 가열기들이 챔버 내부에 삽입될 수 있다. 제1의, 나선형 코일이 챔버의 벽들에 가깝게 배치되는데, 그것은 28mm 의 길이, 21mm 의 외부 직경, 및 15mm 의 내부 직경을 가지며, 500W 의 전력으로 작동된다. 제2의, 카트리지 가열기(cartridge heater)가 챔버의 중앙 근처에 배치되는데, 그것은 25mm 의 길이 및 1cm 의 직경을 가지며, 200W의 전력으로 작동된다. 이와 같은 사항들을 구비하면, 최대 5Hz 의 반복적인 수증기/물 스프레이 배출이 가능하다. 빈도(주파수)를 더 높이면 분무화되지 않은 순수한 액체의 제트로 귀결될 것인데, 이것은 각 블라스트 후의 재충전을 위하여 챔버로 공급되는 찬 물이 상기 가열 전력에 의하여 비등점을 초과하도록 가열되기에 충분한 시간을 갖지 못할 것이기 때문이다. 그러므로, 배출들 사이에서 챔버의 가열을 단축시키기 위하여, 저장소가 더 높은 온도, 예를 들어 대략 75℃ 로 유지될 수 있는데, 이로써 배출 빈도가 증가되는 것이 가능하게 된다.
도 5 에는 연료 주입기 유니트(50)로서 이용되는 본 발명에 따른 다른 실시 예가 도시되어 있다. 연소 엔진(51)은 (도 5a 에서) 흡기 단계(intake phase)에, 그리고 (도 5b 에서) 배기 단계(exhaust phase)에 있는 것으로 도시되어 있다. 연소 엔진은 끼움-맞춤(tight-fitting)되는 피스톤(53)에 의하여 제1 단부에서 닫혀진 원통형 연소 챔버(52)를 포함하는데, 상기 피스톤은 챔버 내에서 미끄럼이동하도록 구성된다. 피스톤의 움직임은, 피스톤의 연소 표면(55)과 챔버의 닫힌 단부(54) 사이에 있는 챔버(52) 내의 체적을 변화시킨다. 피스톤의 반대측 측부는 피스톤 로드(57)를 거쳐서 크랭크 샤프트(56)에 연결된다. 크랭크 샤프트는 피스톤의 왕복 움직임을 회전 움직임으로 변환시킨다.
도 5 에 도시된 연소 엔진은 4 행정(stroke) 내연 엔진이지만, 본 발명의 실시예들은 그러한 형태의 엔진에 있어서의 연료 주입기들의 사용에만 국한되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 여기에서는 예시를 위한 목적으로, 4 행정 내연 엔진이 언급되는 것일 뿐이다. 피스톤의 제1 하향 행정에 있어서, 연료는 연료 배출기(50)를 통하여 연소 챔버(52) 내로 주입된다.
종래 기술의 연료 주입기들은 전자-기계적 노즐과 미리 가압된 연료를 이용하여 미세하게 분무화된 스프레이를 생성시킨다. 연료는 챔버 내에서 가압되고, 전자기적 코일이 그 밀봉을 바늘만큼 들어올려서, 연료가 흡기 밸브를 관통하는 노즐의 구멍을 통해서 비집고 나갈 수 있다. 이 가압된 액체의 해제 타이밍의 제어는 전자장치에 의하여 이루어진다. 이것은, 오류에 취약하며 복잡하고 비싼 소재들을 요구하고 또한 많은 작동 부품들을 필요로 한다는 단점을 갖는다. 본 발명의 실시예들에 있어서는, 공지된 연료 주입기 시스템을 전술된 바와 같이 액체 연료 및 액체 연료 증기를 증기 격발 과정을 통하여 연소 챔버(52) 내로 배출시키는 배출 챔버(50)로 교체함에 의하여 그와 같은 문제를 극복한다. 증기화된 연료 및 액체 연료는 스파크 플러그(58)와 같은 점화 요소를 통하여 점화된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 주입기 시스템이 도 6 에 보다 상세히 도시되어 있다. 연료 주입기(50)는 공간(24)을 한정하는 배출 챔버(21)를 포함하는데, 그 공간 내에서 액체 연료는 유입 밸브(23)를 통하여 유입될 수 있다. 복귀 포트 및 밸브는 본 발명의 이 실시예에 통합될 수 있는바, 이로써 그 챔버 내에서 액체의 보다 신속한 재충전이 가능하게 된다. 그러한 복귀 포트 및 밸브는 여기에 설명된 임의의 실시예에서 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 가열 요소(29)는 유입 밸브를 통하여 유입된 후에 배출 챔버 내에 위치된 액체의 본체를 가열하기 위하여 이용된다. 배출 밸브(27)는, 미리 결정된 압력에 도달할 때까지, 액체가 그 챔버 내에 있도록 구속한다. 그 압력은 대기압 또는 하류(말하자면, 도 6 에서 좌측 편)의 배출된 물질에 의하여 경험되는 압력보다 크다. 이와 같은 방식으로, 챔버 내의 액체는 비등점 온도를 초과하도록 가열될 수 있고, 그 비등점 온도는 배출 밸브가 개방되는 때에 경험될 것이다. 이와 같이 배출 밸브가 개방되는 때에 압력은 강하할 것이고, 이로써 배출 챔버 내의 액체가 신속히 그리고 (자연적인 비등점을 초과하는 상승된 온도 때문에) 폭발하는 방식으로 비등(boil)하게 될 것이다. 예를 들어 등유 및 가솔린과 같은 어떤 유체들에 대하여는, 그 유체 자체가 다양한 탄화수소물들을 포함하는 다성분 연료라는 점에 유의하여야 할 것이다. 이들 각각은 상이한 비등점을 갖는다. 예를 들어 가솔린의 경우에는, 비등점이 (대부분의 휘발성 성분에 대해서) 117℃ 내지 (가장 무거운 성분에 대해서) 200℃ 까지의 범위를 가지고, 등유의 경우에는, 비등점이 150℃ 내지 300℃ 의 범위를 갖는다. 최적의 성능을 발휘하기 위하여는, 모든 성분들이 증기화되는 것을 보장하기 위하여, 더 높은 비등점을 초과하도록 온도가 유지되는 것이 바람직하다. 이것은, 물론, 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 어떤 성분이 지배적인 농도를 갖는지를 아는 경우에는, 그 연료의 나머지 성분들이 비등하는 것을 보장하는 온도를 정하기 위하여, 그 성분의 비등점이 이용될 수 있다. 동일한 주어진 압력에 관하여는, 높은 온도에서 그 스프레이가 미세해지고, 또한 배출된 물질의 증기의 비율이 커질 것이라는 것이 이해될 것이다. 여기에서 주어진 온도는 대기압에서 대응되는 비등점(포화점)의 예들이라는 것이 이해될 것이다. 이들은 상승된 압력에서는 매우 다를 것이고, 작동 압력을 얻기 위하여는 물질의 열역학적 성질들(thermophysical properties)이 기록된 공지된 데이터베이스를 참조할 수 있다. 노즐(60)은 목 영역(28)의 협소부(narrowing)를 제공하고, 배출된 액체 연료 및 증기 연료는 개구(61)를 통하여 연소 엔진의 연소 챔버(52) 내로 배출된다.
연료를 지정된 온도로 끌어올리는데에 필요한 열은 부분적으로 또는 완전히 엔진에 의하여 생성되는 열로부터 얻어질 수 있다. 주입기는, 작동시에 매우 고온인 엔진의 연소 챔버 내에 또는 그 가까이에 배치될 수 있기 때문에, 증기 격발 챔버는 엔진으로부터 필요한 만큼의 열을 흡수하도록 설계될 수 있다. 이 열 또는 열 에너지는, 주입기의 챔버 벽들, 그 챔버 내로 들어가는 열교환기, 또는 이 두 가지의 조합을 통하여 얻어질 수 있다. 또한, 유입 연료 파이프는, 연료를 지정된 온도에 보다 가깝게 가열하기 위하여, 엔진 본체의 고온 부분들에 인접하거나 또는 그 부분들을 관통하게 될 수 있다. 그러나, 파이프라인의 바람직하지 못한 캐비테이션(cavitation)을 방지하기 위하여, 그 연료의 가장 가벼운 성분의 포화 온도 미만으로 그 온도를 유지시키는 것이 바람직하다.
위에서 설명된 증기 격발 기술을 연료 주입 시스템에 적용시키는 것의 장점은, 그 장치의 투사율을 현저히 향상시킨다는 것과, 그에 따라서 엔진의 동력 출력이 증가된다는 것이다. 공지된 종래 기술에 따르면, 평균적인 크기의 가족용 차에 있어서는 보통의 작동 범위가 2,000 - 6,000 rpm 이고, 포뮬러 1 (Formula I)(자동차 경주의 일 방식) 용도의 차에 있어서는 그 범위가 아마도 17,000 rpm 에 달할 것이다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 짧은 배출 단계 후에 긴 재충전 및 재가압 단계가 이어지는 연료 주입기의 일 주기에 걸리는 시간은, 대략 5 밀리 초(millisecond) 이하일 수 있다. 따라서, 연료 주입의 속도는 분당 대략 12,000 회으 주입으로 된다. 통상의 4 행정 엔진에 있어서는 1회의 주입에 2회의 회전이 있는 것이 일반적이므로, 이론적으로는 24,000 rpm 이 얻어질 수 있다. 그러므로, 엔진의 붕괴를 방지하기 위하여, 어떤 형태의 제한적 구속이 이루어져서 배출 과정을 늦추어질 수 있다. 주입기의 챔버로부터 연료를 배출하는 과정은, 배기 밸브가 개방되는 시간의 기간, 연료 주입 챔버의 온도 및 압력, 그리고 엔진의 연소 챔버의 압력과 같은, 배출 과정의 하나 이상의 파라미터들을 선택함에 의하여 제어될 수 있다. 요망되는 결과를 제공하기 위하여 다른 파라미터들이 제어될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
연료 주입의 목적을 위하여 증기 격발 기술을 적용시키는 것의 다른 장점들로서는 아래와 같은 것들이 있다.
1. 연료 스프레이 체적의 상당 부분이 노즐로부터 나온 직후의 연료 증기로 채워질 것이다. 이것은 연료의 점화 및 연소 속도(ignition and burning rate)를 향상시키고, 따라서 엔진의 가속도(acceleration)을 더 높인다.
2. 연료 스프레이가 대부분의 종래의 분무화기에 비하여 더 작은 액적 크기를 갖는 것이 용이하게 된다. 이것은 점화 및 연소 속도를 증진시키는데, 이것을 다시 말하면 엔진의 가속도를 향상시킨다. 더 작은 액적은, 보다 완전한 연소, 더 적은 오염물질, 그리고 더 향상된 연비를 귀결시키기도 한다.
3. 증기 격발의 이용은 이 장치들의 '투사율'을 현저히 향상시킬 수 있고, 그에 따라서 엔진의 동력 출력에 대한 응답도 향상된다.
4. 노즐 내측의 체적의 많은 부분이 연료 증기이고, 증기의 낮은 밀도 때문에 동일한 배출 속도로 연료가 움직이도록 하기 위하여 낮은 압력이 이용될 수 있기 때문에, 종래의 분무화기들에 비하여 작동이 훨씬 낮은 압력에서 수행될 수 있다. 실제적으로, 이와 같은 저압력 배출은, 액체를 분무화시킴에 있어서 기계적 에너지에 대한 열 에너지의 높은 비율을 이용함으로써 달성될 수 있다. 즉, 이것은 엔진 효율을 향상시킬 수 있는데, 이것은 대부분의 경우에 있어서 열 에너지가 연소 자체로부터 용이하게 얻어질 수 있고 또한 열 에너지는 통상적으로 냉각 시스템에 의한 손실로서 빼앗기기 때문이다. 또한 이것은 순수하게 기계적 에너지를 사용하는 것에 비하여 낮은 에너지 손실을 야기한다.
5. 보통 오리피스(plain orifice)와 같은 매우 단순한 노즐 디자인에 의하여도 매우 넓은 각도의 스프레이가 활용될 수 있다. 대부분의 연소 시스템들에 있어서는 넓은 각도의 스프레이가 매우 바람직한데, 이것은 그것이 공기와의 혼합을 향상시키고 또한 연소율(burning rate)를 높이기 때문이다.
6. 연료의 열 팽창으로서만, 또는 이것과 연료 펌프의 공급 압력을 조합시킴으로서, 분무화기 내의 압력 증가가 이루어질 수 있다. 따라서, 기계적 에너지조차 적게 필요하게 된다.
도 7 에는, 본 발명의 일 실시예가 가스 터빈 재점화기를 제공하기 위하여 어떻게 적용될 수 있는지가 도시되어 있다. 도 7 에는 세 개의 메인 섹션들을 포함하는 가스 터빈(70)이 도시되어 있다. 그들은 압축기(compressor; 71), 연소기(combustor; 72), 및 터빈(73)이다. 외부 공기는 압축기의 작용에 의하여 엔진 내부로 이끌려 들어온다. 공기는 압축기 블레이드(blade)들의 움직임에 의하여 기계적으로 압축되고, 이에 따라서 공기의 압력과 온도는 체적의 대응되는 감소와 함께 증가한다. 따라서, 공기를 압축하는데에 이용되는 기계적 에너지는 압축된 공기 형태의 운동 에너지(kinetic energy)로 변환된다. 그 후, 그 압축된 공기는 연소 섹션 내로 들어가게 강제되는바, 거기에서는 연료 주입기(74)를 통하여 연료가 주입된다. 연료 주입기는 종래의 형태이거나 또는 여기에서 전술된 형태의 것일 수 있다. 그 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 재점화기(75)가 이용되어 연료를 점화시킴으로써 화학적 에너지를 고온의 팽창하는 가스 형태를 갖는 열 에너지로 변환시킨다. 연속적인 연소를 보장하기 위하여 연료는 반복적으로 연소 섹션 내로 주입된다. 연료는, 반복적으로 주입되기 보다는, 지속적으로 주입될 수 있다. 연소기 챔버(66)을 통하여 압력은 실질적으로 일정하게 유지됨에 반하여, 가스의 체적과 온도는 증가한다. 터빈의 핀(fin; 77)들에 작용하는 가스 덕분에 터빈(73)이 회전됨에 따라서, 팽창하는 고온 가스의 열 에너지는 기계적 에너지로 변환된다. 그 후, 고온의 배출 가스는 가스 터빈의 전방 단부(78)를 통하여 외부로 나간다. 출력 터빈은 압축기 블레이드에 연결됨으로써 공기의 압축에 동력을 제공한다.
전술된 바와 같이, (예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같은) 공지된 재점화 장치(reignition device)는, 가스 터빈의 연소 챔버(76) 내에 있는 물질을 재점화시키기 위한 복잡한 플라즈마 장치를 포함한다. 연소 챔버는 챔버에 걸쳐서 분포된 많은 연료 주입기들을 유리한 방식으로 포함할 수 있고, 또한 주입기들 각각에 의하여 주입된 연료를 재점화시키기 위하여 하나 이상의 연료 재점화기가 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로는, 주입기 당 하나 미만의 재점화기가 필요하게 되도록 연료 주입기의 위치가 주의깊게 설계될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 가스 터빈은, 항공/해운 산업의 제트 엔진, 육상 운송수단용 엔진 뿐만 아니라 육상에 기반을 둔 가스 터빈들을 이용한 발전소와 같은 많은 적용분야들에서 이용된다. 육상 기반의 가스 터빈들 중의 일부는, 낮은 질소산화물(Nitrogen Oxide; NOx) 조건에서 구동되는 터빈을 보조하기 위하여 점화기 기술을 이용할 수 있다. 이것은 터빈 내에서의 연소의 안정성에 도움이 될 것이다.
도 8 에는 가스 터빈 재점화기(80)가 보다 상세히 도시되어 있다. 실질적으 로 원통형의 형상을 갖는 외측 전극(81)은 배출 챔버를 위한 측벽을 형성한다. 제1 단부 영역(82)에서, 액체 연료의 유입은 유입 밸브(83)를 통하여 들어온다. 입력 연료(input fuel)는 중앙 챔버 영역(84)으로 들어온다. 입력 연료는 내측 전극(85)에 있는 구멍을 통하여 유동한다. 여기에서 설명된 다른 실시예들에서와 마찬가지로, 복귀 포트 및 밸브는 본 발명의 본 실시예 내에 포함되어 챔버에 대한 액체의 재충전을 보다 신속하게 할 수 있다는 것에 유의해야 할 것이다. 배출 챔버의 다른 단부(86)에는, 입력된 액체 연료의 누출을 방지하는 배출 밸브(87)가 배치된다. 배출 밸브(87)가 개방되는 때에 액체 및 액체 증기가 노즐(88)을 통하여 배출된다. 중앙 반도체 펠릿(central semiconductor pellet)은 외측 전극과 내측 전극을 분리시킨다. 이 요소(89)는, 챔버 내의 액체 연료를 가열하기 위하여 대전된 입자들을 생성시키는데에 이용된다. 하나 이상의 압력 센서가 챔버 내의 압력이 미리 결정된 값에 도달하는 것을 검출함에 따라서, 전류가 통과한다.
본 발명의 재점화 장치는 종래의 재점화 장치들에 비하여 유리한 장점을 갖는데, 이것은 긴 화염이, 계속적으로 생성되는 짧은 화염보다는 짧고 날카로운 분사(burst)로서 생성되기 때문이다. 계속적으로 생성되는 짧은 화염은 낭비적이며 덜 효과적이다. 나아가, 스프레이 내의 높은 연료 증기 함량 및 매우 미세한 액적들이, 화염을 점화시키고 유지시키는 것을 용이하게 한다.
도 9 에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 증기 격발 기술의 적용예가 도시되어 있는데, 여기에서는 파일럿 불꽃 점화기가 제공된다. 이 점에서, 도 9 에는 파일럿 불꽃 점화 배출 시스템(90)이 도시되어 있다. 화염 점화 시스템은, 보일러, 화로, 가정용 가전기기, 또는 가정용 가스 응용제품과 같은 많은 응용분야에서 필요한 것이다. 종래 기술의 점화 시스템은 일반적으로 연료에 불을 붙이는 스파크를 생성하는 전자 회로를 포함한다. 파일럿 불꽃 점화기(90)는 유입 밸브(23)를 통하여 도입된 액체의 본체를 저장하기 위한 연료 챔버를 포함한다. 전기 가열기(29)와 같은 가열 요소는 전술된 것과 같이 유체를 가열하는데, 그 유체는 챔버 내에서 미리 결정된 문턱 압력에 도달한 때에 배출 밸브(27)를 나가도록 허용된다. 반복된 증기 격발 과정들이 빠르게 일어남에 따라서, 액체 연료 및 액체 연료 증기가 노즐(91)을 통하여 반복적으로 배출된다. 증기 격발 덕분에, 연료 증기 및 액체 연료는 큰 투사율로 방출되는데, 다시 말하면, 노즐(91)로부터 먼 거리로 방출된다. 이것은, 다른 점화가능한 물질에 불을 붙이기 위하여 계속적으로 화염(92)이 제공되도록 하기 위하여, 초기에는 점화요소(미도시)에 의하여 점화될 수 있다. 파일럿 불꽃을 위한 배출 시스템(90)이 반복적인 배출 과정을 제공한다는 것이 이해되어야 할 것이다. 배출 밸브 개방 직후의 초기 단계 중에, 배출된 물질은 실질적으로 흩뿌려진 액체의 형태를 갖는다. 그 뒤로 수십의 마이크로 초 만큼 후에는, 배출된 물질이 액체 및 액체 증기의 혼합물로 된다. 더 나중에는, 배출된 물질의 대부분이 증기로 된다. 배출 챔버의 재충전을 가능하게 하기 위하여 배출 밸브가 닫히는 때에는, 화염이 비-고정적(unanchored)일 것이다. 배출 밸브를 닫음에 의하여 야기되는 부동 시간은, 배출 챔버의 연료 재충전이 가능하기에는 충분하게 길면서도 화염이 모든 연료를 태우고 죽을 정도로 길게 되지는 않도록 선택된다. 그 결과로서, 위 아래로 춤추는 것으로 지각되면서도 소멸되지는 않는 화염을 갖는 파일럿 점화기가 제공된다.
도 10 에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기에서는 운송수단(10)을 추진시키기 위하여 배출 챔버(10)가 이용된다. 운송수단(10)은 무인 항공기(UAV)로서 도시되어 있다. 그러한 운송수단들은 원격으로 조종(pilot)되거나 또는 자체적으로 조종하는 항공기들인데, 그 항공기는 카메라, 센서, 통신 장비, 또는 다른 적재물을 보유할 수 있다. 본 발명의 실시예들이 다른 형태의 운송수단을 추진하는데에 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 무인 항공기는, 그 운송수단에 양력을 제공하는 두 개의 날개 섹션(10)들을 포함하는 운송수단 본체(10)를 포함한다. 추진력은, 연소 챔버(10) 내의 배출 챔버 시스템(10)으로부터 배출되는 연료 증기 및 액체 연료를 태움으로써 제공된다. 무인 항공기에는 많은 형태들이 있다. 그들 중의 일부는 소형 비행기의 크기를 가지며, 대량의 정보를 기록하고 베이스 스테이션(base station)으로 중계할 수 있는 높은 고도로 비행한다. 일부 운송수단들은, 한 사람에 의하여 운반될 수 있을 정도로 가볍고 또한 손으로 발진된다. 초소형 항공기들은, 15cm (6인치)보다 크지 않은 치수를 갖는 것으로 정의된다. 본 발명의 실시예들은 초소형 항공기 또는 그보다 작은 것에도 적용될 수 있다.
질량 배출 챔버(10)는 전술된 바와 같이 노즐(10)로부터 액체 연료 및 액체 연료 증기를 배출한다. 공기는 공기 흡입구(96) 내로 이끌려 들어오고 유입 통로(10) 아래로 통과하는데, 거기에서 공기는 연료와 혼합되며, 그것은 스파크 점화기와 같은 점화 요소(10)에 의하여 점화된다. 연소 챔버(10)는 연소 과정을 강제 하고, 적어도 하나의 배출 오리피스(10)를 포함하는데, 그 배출 오리피스를 통하여는 태워진 연소 가스 및 화염이 이탈할 수 있다. 추진력은 고온의 배기 가스를 팽창시킴에 의하여 얻어진다. 증기 격발 챔버(10)는, 장치의 전체적인 길이의 치수가 5-10 cm 정도일 수 있도록 작은 크기를 갖는다.
태양전지판(Solar panel; 1100)들은, 필요한 경우에 가열 요소를 위한 에너지원 및 점화기 요소(10)의 제어를 제공하기 위하여 제공된다. 대안적으로는, 탑재식 경량 배터리가 전력공급원을 제공할 수 있다. 다른 대안으로서는, 배기 가스로부터의 연속적인 열교환이 유입 연료를 가열하는 에너지를 제공할 수 있다.
도 11 에는 도 10 에 도시된 것과 같은 증기 격발 챔버 내에서의 일 사이클이 도시되어 있다. 이 예에서, 증기 격발 챔버(10) 및 연소 챔버는 그 직경이 각각 330 미크론(micron) 및 370 미크론이고, 그 길이는 각각 300 미크론 및 700 미크론이다. 탄화수소계 액체 연료는 증기 격발 챔버 내에서 증기화되고, 그 증기는 그 챔버로부터 노즐을 통하여 연소 챔버로 배출되는데, 연소 챔버 내에서는 그 증기가 공기와 혼합된다. 공기는 도 12 에 보다 명백히 도시된 다른 유입구를 통하여 도입된다. (도시된 바와 같이) 앞선 사이클로부터의 화염 또는 열일 수 있는 점화 수단(ignition device), 또는 스파크 점화기와 같은 별도의 점화기 요소를 통하여 연소가 유발(trigger)되고, 수 마이크로 초 내에 화염이 연소 챔버를 채운다. 이 도면들에 있어서 색상/음영의 등온선들은 상이한 시점들에서의 얻어진 것이고, 시간의 경과에 따른 화염의 발달(development)과 대응하는 온도 변화를 보여준다. 연소 챔버 내의 화염을 안정적으로 유지시키기 위하여, 연료 재충전을 위한 각 사 이클 사이의 수 밀리 초(some milliseconds) 동안은 압력 해제 배출 밸브가 닫혀져 있어야 하기 때문에, 연료를 연소 챔버 내로 배출시키기 위하여 하나를 초과하는, 그리고 가장 바람직하게는 3 내지 10 개의 증기 격발 장치들을 이용하는 것이 바람직하다. 증기 격발 장치들은, 공간 내의 똑같은(또는 거의 똑같은) 지점에 동일한 방향으로 주입하되, 주입 시기의 시작에 있어서는 서로에 대해 동등한 또는 달리 선택된 시간 지연을 두도록 배치된다.
도 13 에는 본 발명의 다른 실시예에 따라서 증기 격발 과정을 통하여 화재 진압용 액체 및 화재 진압용 액체 증기를 배출시키는 배출 시스템(1300)이 도시되어 있다. 배출 챔버(1301)는 소화기(1300)의 목 영역(1302) 내에 형성되어 있다. 유체 저장소(1303)는 물과 같은 액체 연료 억제제를 대량으로 담고 있다. 손잡이(1304)는, 화재의 존재가 있는 것으로 판정되는 때에 사용자가 소화기를 작동시키는 데에 이용된다. 소화기가 작동되면 제어 유니트(1305)가 개시되어 유입 밸브(1306) 및 배출구 밸브(1307)의 개방 및 닫음을 제어하는 구동 유니트의 작동을 야기한다. 그 챔버에 대한 액체의 신속한 재충전을 가능하게 하기 위하여 이 시스템 내에 복귀 포트 및 밸브가 포함될 수도 있다. 액체 및 액체 증기는 챔버(1301)로부터 도 13 에 화살표(A)로 표시된 방향으로 배출된다. 또한 제어 박스(1305)로부터의 구동 신호가 이용됨으로써, 챔버(1301) 내의 전기 가열기를 제어하는 전력 공급원(1308)이 제어될 수 있다. 전술된 바와 같이 배출 챔버(1301) 내의 액체의 압력을 증가시키기 위하여 가열기가 이용될 수 있다. 또한 챔버 내에 액체가 신속하게 재충전되도록 하기 위하여, 액체 저장소(1303)가 가압된다. 그 압력은 배출 챔버 내의 액체의 압력이 대기압을 초과할 정도로 높게 증가될 수 있다.
도 14 및 도 15 에는 본 발명의 다른 두가지 실시예들이 도시되어 있는데, 여기에서는 증기 격발 장치가 화재 진압용 액체 및 화재 진압용 증기를 배출시키기 위하여 이용된다. 도 14 에는 수증기 스프링클러 형태의 소화기로서 구현된 증기 격발 장치가 도시되어 있다. 실제에 있어서는, 하나 이상의 증기 격발 장치에 기반을 둔 화재 진압/소화용 스프링클러들이 건물 내에 고정되고, 화재 검출 시스템에 의하여 작동유발된다. 중앙의 화재 검출 시스템이 건물 내의 모든 스프링클러들을 위해 이용되거나, 또는 화재가 존재하는 위치에만 화재 억제제가 방출되도록 하기 위하여 각 스프링클러가 개별적인 센서를 구비할 수도 있다. 그 시스템은 구역화(zone)될 수 있다. 소화용 액체가 물이고 화재가 검출되는 경우, 스프링클러는 수증기 및 물 액적들을 그 주변으로 배출시키는데, 그것은 미리 결정된 특정의 주파수 값으로 반복적인 펄스 형태로 배출되며; 그 주파수는 0.5 - 5 Hz 이거나 또는 특정의 적용분야에 있어서는 설계에 따라서 그보다 더 높을 수 있다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 스프링클러는 저장소(1401) 및 앞서 개략적으로 설명된 챔버들과 같은 증기 격발 챔버(1402)를 포함하고, 선택에 따라서는 챔버들이 블라스트(blast)들의 요망되는 주파수에 충분히 신속하게 재충전되는 것을 돕기 위하여 화재 진압용 액체에 압력을 가하기 위한 작은 펌프가 더 포함된다. 스프링클러들이 배치되는 주변 환경 내에 있는 스프링클러들 모두 또는 그들의 특정 그룹에 단일의 저장소가 연결될 수 있다. 나아가, 그러한 저장소는 각 스프링클러용 펌프에 대한 필요성을 경감시킬 수 있는 가압된 물 파이프일 수 있다.
도 15 에는 화재 진압용 액체를 배출시키는 시스템이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 증기 격발 장치는 호스 형태의 소화기(hose type extinguisher) 내에서 이용된다. 증기 격발 챔버(1501)는 호스 파이프(1502)의 팁(tip)에 장착된다. 호스 파이프(1502)는 가압된 저장소로서의 역할을 하며, 수증기를 반복적으로 뿜어내는(blast) 증기 격발 챔버(1501)에 화재 진압용 액체를 제공한다. 전력은, 호스와 평행하게 부착될 수 있는 전력 연결선, 또는 증기 격발 장치에 부착된 배터리에 의하여, 증기 격발 장치에 공급될 수 있다.
화재 진압용 액체를 배출시키는 시스템으로서 설명된 본 발명의 세 가지 실시예들 모두에 있어서, 화재 진압용 액체는 물이거나, 또는 화재 진압에 적합한 임의의 다른 액체일 수 있다.
증기 격발 장치는 여러가지 측면에서 종래의 물에 기반을 둔 화재 진압용 장치에 비하여 유리할 수 있다. 먼저, 증기는 동등한 양의 물에 비하여 훨씬 더 큰 표면 면적을 갖는데, 그러므로 증기는 더 많은 열을 흡수할 수 있고, 따라서 화재를 더 우수하게 진압한다. 나아가 증기는 불을 분무처럼 뒤덮을 수 있는바, 이 경우에는 불에 대한 산소의 유동이 제한되어 화재를 더 잘 진압할 수 있다. 반면에 물의 경우에는, 물에 직선으로 유동할 것이고, 이것은 매우 짧은 시간 동안에만 산소 유동을 제한할 수 있을 뿐이다. 다른 장점으로서, 물이 아닌 증기 격발 장치에 의하여 생성되는 수증기로 화재를 진압 또는 소화시키는 것은 사용되는 물이 훨씬 더 적게 되게 한다. 적은 물을 사용한다는 것은 단순히 경제적 및 환경적으로 유리하다는 것만을 의미하는 것이 아니라, 화재를 소멸시키는 과정에 있어서 그 화재 가 발발한 주변 환경에 손상을 적게 가한다는 것을 의미한다.
도 16 에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로서, 증기 격발 기술이 의료적 약물 전달 장치 및 방법, 또는 환자의 막힘을 해소하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위하여 어떻게 적용될 수 있는지가 도시되어 있다. 도 16 에는 유연하고 조작가능한 샤프트(1601)를 구비한 내시경(1600)이 도시되어 있는데, 그것은 인체의 창자(intestinal track), 호흡기계, 또는 심장혈관계(cardiovascular system) 부분 내에 배치될 수 있다. 유연성 샤프트(1601)의 말단 단부 영역(1602)은 유연성 팁(flexible tip; 1603)을 포함한다. 그 팁은, 단부 정지 장치(end stop device; 1700)(도 17 에 보다 명확히 도시됨)가 환자의 몸에 대해 조작되는 것을 가능하게 하고, 또한 그 샤프트의 단부가 외과의사에 의하여 배치되는 것을 가능하게 한다. 샤프트(1601)의 근접 단부(proximal end; 1604)에서 내시경 본체 부분(1605)이 끝나는데, 내시경 본체 부분은 보조 장비를 위한 개구(1607) 및 접안부(eye piece; 1606)를 포함한다. 다른 케이블(1608)은 내시경 본체(1605)를 입력 연결부(1609)에 연결시키는데, 그것은 필요한 빛, 공기, 물, 또는 내시경에 필요한 것을 공급한다.
도 17 에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 내시경(1700)의 단부에는, 외과의사를 위하여 내시경 단부 주위의 영역을 비추는 발광부(1701), 및 환자의 영역에 대해 시각적 이미지를 제공하는 카메라(1702)가 포함된다. 카메라(1702)로부터의 신호들은 접안부(1606)에 제공되거나, 또는 연결부(1609)나 개구(1607)를 통하여 출력되어 LCD 스크린과 같은 디스플레이 장치에 표시될 수 있다.
또한 도 18 에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 내시경(1600)의 단부(1700)는 의약품 전달 챔버(1800)를 포함한다. 전력 및 제어 신호는 콘트롤러(1703)를 거쳐서 의약품 전달 챔버(1800)로 공급된다. 챔버(1801)로부터 배출된 액체 증기 물질은 다수의 방법에 따라서 이용될 수 있다. 이들 중의 하나로서는, 특정 위치에서 의약품이 배출되는 위치로 내시경이 조작되어 이동될 수 있다. 그 후 액체는 유입 밸브(1802)를 개방시킴으로써 챔버(1801) 내로 넣어질 수 있고(또는 액체가 이미 그렇게 넣어져 있을 수 있다), 그 후에 가열기 유니트(1803)가 액체 의약품의 온도 및 압력을 상승시키도록 작동된다. 그 후, 압력 및/또는 온도가 미리 결정된 값에 도달하는 때에 의약품이 배출될 수 있는데, 이 때에는 요망되는 위치에 증기화된 의약품 및 액체 의약품이 배출된다. 전술된 실시예들에서와 마찬가지로, 필요하다면 그 배출 사이클은 여러번 반복될 수 있다.
대안예로서, 액체 및 액체 증기인 배출된 물질은 동맥 및/또는 정맥 등의 막힘을 해소하기 위하여 이용될 수 있다. 이와 같은 관점에서, 본 발명의 실시예는 (예를 들어, 동맥 내벽에 불순물이 끼임에 기인한 혈액 유동 곤란성 질병(restricted blood flow disease)과 같은 경우에) 혈관의 막힌 부분에 이용될 수 있다. 이 경우, 전술된 기술에 의하여 배출되는 물 기반의 용액 또는 다른 중성 용액(neutral solution)은 막힌 동맥/정맥 선을 따라서 길이방향으로 가해질 수 있고, 이로써 그 막힘을 뚫는다. 이것은 그 해악적인 통로를 뚫기 위하여 튜브/풍선을 팽창시키는 현재의 방법을 대체하거나 또는 그와 함께 이용될 수 있다.
도 16 에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 의사에 의하여 작동되는 카메 라는, 초소형 증기 격발 장치에 부착되고, 이상이 발생하는 해당 지점에 정확히 약물을 전달하는데에 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 창자의 시술에만 국한 되는 것이 아니고, 주된 기관(main tracheal tubes)의 호흡기계 내에도 이용될 수 있으며, 혈액과 관련하여서는 심장혈관계 내에서 적용될 수도 있다.
본 발명의 실시예가 도 16 내지 도 18 를 참조로 하여 내시경과 유사한 장치들의 이용에 관하여 설명되었으나, 본 발명의 실시예들은 그에 국한되는 것이 아니다. 오히려, 본 발명의 실시예들은 알약과 유사한 장치의 형태를 갖는 장치를 도입함으로써 요망되는 위치에 약물을 전달하기 위하여 이용될 수 있다. 그 장치는 ,예를 들어 혈관 또는 창자를 통하여 자체적으로 이동할 수 있고, 염료 및 스캐닝 시스템(scanning system)을 이용함으로써 엑스레이 기계에 의하여 추적될 수 있어서, 작업자는 그 장치가 가야할 위치를 스크린 상에서 볼 수 있다. 그러면 의사에 의하여 그 장치가 요망되는 위치에 있는 것으로 판정되는 때에, 인체 내에 있는 그 장치로 무선 신호가 발신될 수 있다. 그러면 그 장치는 그 요망되는 위치에서 막힌 통로를 개방하기 위하여 또는 거기에 의약품을 전달하기 위하여 단순한 액체 또는 약물을 배출시킬 수 있다.
본 발명의 증기 격발 장치는 호흡기 약물 전달 시스템의 부품으로서 적용될 수 있다. 호흡기 약물 전달 시스템은 천식, 낭포성 섬유증, 및 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 같은 다양한 호흡기 질병들을 치료하기 위하여 호흡기계에 직접적으로 약물을 전달하는데에 이용된다. 또한 최근에는, 폐가 계통적 약물 요법을 위한 입구로서 이용될 수 있다는 것이 알려진바, 예를 들면 흡입된 인슐린은 성공적으로 투약된 바 있고, 그것은 당뇨병의 치료요법에서 인슐린을 주입시키는 대안적인 경로의 치료법으로 될 수 있다.
호흡기 약물 전달 시스템에는 크게 세 가지 형태가 있는바, 그것은 투여량 계량식 흡입기, 건조 분말 흡입기, 및 네뷸라이저이다. 가압된 투여량 계량식 흡입기는 가압된 유체의 계량된 체적 또는 특정 값을 환자의 기도 내로 배출시킨다. 배출시에는 그 유체가 신속히 증발하여 약물을 흡입에 적합한 건조된 형태로 되게 한다. 건조 분말 흡입기는 환자가 흡입기를 통하여 공기를 흡입하는 때에 옮겨지는 건조된 분말을 담고 있는데, 흡입력이 그 건조 분말을 환자의 폐 내로 운반한다. 투여량 계량식 흡입기와 건조 분말 흡입기는 1회의 흡입에 미리 결정된 양의 약물을 내뿜을 것이고, 환자는 하루 중에 일정량의 그러한 투여량들을 섭취할 것이다. 3번째 형태의 호흡기 약물 전달 시스템은, 액체 형태로 저장된 의약물을 에어로졸 또는 분무와 같은 가스 형태로 부유하는 의약물 입자들로 변환시키는 네뷸라이저이다. 환자가 그 분무를 들이마시면 약물은 호흡기계 내로 전달된다. 네뷸라이저에는 크게 두 가지 형태가 있는데, 제트식 네뷸라이저와 초음파식 네뷸라이저가 그것이다. 제트식 네뷸라이저는 가압된 가스를 좁은 개구를 통하여 가함으로써 작동하는바, 그것이 저장 의약물에 대한 부압을 발생시키면 그 저장소로부터 약물 용액의 입자들이 끌려나와서 환자가 흡입할 수 있는 분무를 형성한다. 초음파식 네뷸라이저는 고속으로 진동하는 압전 크리스탈을 이용하는바, 그것은 분무가 발생하는 액체의 공급원을 형성한다. 네뷸라이저는 대략 15 분의 시간에 걸쳐서 천천히 액체 의약물을 분무로 변환시키는바, 그 기간 중에 사용자는 분무 형태의 의약 물을 계속하여 흡입할 것이다. 네뷸라이저는 상대적으로 더 강한 투여량의 의약물을 전달하므로, 통상적으로는 중증 호흡기계 질병을 가진 환자들을 위하여 이용된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증기 격발 장치는 저장소로부터 액체를 취하여 증기 분무를 배출시킨다. 그 저장소는 의약물을 담고 있고, 따라서 의약물이 흡입에 적합한 분무의 형태로 투약될 수 있다. 증기 격발 장치는 짧고 날카로운 분사(burst)의 형태로 증기(또는 분무)를 배출시키는바, 이로써 증기 격발 챔버 내로 넣어진 액체의 양에 대응되는 양의 증기가 배출된다. 그러므로, 그 장치는 투여량 계량식 흡입기와 유사하게 증기 형태의 의약물을 단일의 단위로 투약하는데에 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예의 다른 특징은, 그것이 매우 신속하게 연이어서 증기를 연속적으로 배출시킬 수 있다는 것이다. 그러므로, 본 발명의 실시예는 네뷸라이저와 유사하게, 어떤 설정된 시간 기간 동안에 연속적으로 의약물을 투약하는데에 이용될 수 있다. 나아가, 증기 격발 장치가 이와 같이 두 가지 형태의 호흡기 약물 전달 형태의 기능을 수행할 수 있으므로, 의약물 증기의 단일 단위 및 의약물 증기의 연속적인 배출 둘 다에 의한 전달이 가능한 다기능 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 증기 격발 장치에 기반한 호흡기 약물 전달 시스템은, 매우 긴 투사거리 및 광각 스프레이(wide angle spray)가 가능하고 또한 생성된 스프레이가 매우 작은 크기의 액적을 갖는다는 점에서 종래 기술의 호흡기 약물 전달 시스템에 대해 우위에 있는 장점을 갖는다. 긴 투사거리는 의약물이 호흡기계 내로 깊이 들 어가는 것을 가능하게 하고, 광각 스프레이는 의약물이 넓게 퍼짐으로 인하여 환자의 흡입에 의하여 보다 잘 운반되게 한다. 나아가, 작은 크기의 액적은 의약물이 호흡기계에 잘 흡수되도록 한다. 액적 크기는 1 - 5㎛ 가 이상적인데, 이보다 크면 기도에 인접해서 침착되기 쉽고, 이보다 작으면 침착이 잘 되지 않아서 내쉼에 의하여 많이 배출된다.
도 19 에는 본 발명의 증기 격발 장치가 어떻게 휴대용 네뷸라이저로 구현될 수 있는지가 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 네뷸라이저는 유입 밸브(1902), 배출 밸브(1903), 및 (선택적인) 복귀 밸브(1904)를 구비한 증기 격발 챔버를 포함한다. 그 챔버는 배터리(1905) 또는 다른 전력 공급원에 의하여 전력을 공급받는 가열 요소에 의하여 가열되고, 의약물 저장소(1906)를 거쳐서 적합한 유체를 공급받는다. 또한 휴대용 네뷸라이저는 배터리 대신에 또는 배터리와 함께 주된 전력 공급원으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 저장소(1906)는 그 내부에 고정된 양의 액체를 가질 수 있고, 스프링(1907)과 움직이는 피스톤(1908)은 증기 격발 챔버(1901)의 신속한 재충전을 가능하게 하기 위하여 저장소(1906)에 압력을 인가하는데에 이용될 수 있다. 대안적으로는, 의약물이 네뷸라이저에 탈부착될 수 있는 미리 가압된 저장 장치에 저장될 수 있는데, 이로써 그 저장 장치의 교체에 의하여 의약물의 보충이 용이하게 된다. 저장소 내의 액체는 순수 의약물이거나 또는 운반용 액체 내에 부유된 의약물일 수 있다. 사용자 제어 인터페이스(1911)는 사용자가 네뷸라이저를 제어하는 것을 가능하게 하고, 제어 회로(1910)는 사용자 제어 인터페이스로부터의 입력 신호를 처리하여 그에 대응되게 네뷸라이저를 제 어한다.
도 19 의 휴대용 네뷸라이저에 의하여 의약물을 증기화시키는 과정은, 의약물 저장소(1906)로부터 유입 밸브(1902)를 통하여 의약물을 통과시켜서 챔버(1901)를 채움에 의하여 시작된다. 미리 결정된 양의 의약물이 챔버 내에 있게 되는 때에, 모든 밸브들은 닫히고, 배출 밸브가 개방될 수 있게 트리거 온도 및 압력에 도달할 때까지 가열기가 챔버를 가열한다. 배출 밸브가 개방되면 증기 또는 분무가 주둥이(1909)를 따라 배출된다. 배출 밸브(1903)와 주둥이의 단부 사이의 거리는, 분무가 주둥이의 끝에 도달하고 환자가 약물을 흡입하기 전에 분무가 냉각될 수 있도록 충분히 길게 만들어진다. 이 배출 과정은 특정의 주파수로 반복되거나, 미리 결정된 시간 동안에 반복되거나, 또는 미리 결정된 양의 의약물이 증기화될 때까지 반복될 수 있다. 챔버(1901)의 크기 또는 그 챔버 내로 넣어지는 액체의 양은 스프레이의 각 분사(burst)에 의하여 방출되어야 할 액체의 양과 상호관련된다.
도 20 에는 세 개의 주된 구성 부품들을 포함하는 데스크탑 네뷸라이저가 도시되어 있는데, 그 세가지는 네뷸라이저 메인 본체(2001), 증기 격발 장치(2002), 및 앞선 두 가지 부품들을 함께 연결하는 의약품 운반 파이프(2003)이다. 네뷸라이저 메인 본체는 의약물 저장소(2004)를 포함하는데, 그 의약물 저장소는 의약물의 온도를 증기 격발 장치에 의하여 요구되는 온도에 가깝되 그 온도 미만으로 유지시키는 가열 요소(2005)를 포함할 수 있고, 그 가열 요소는 전력 공급원(2006)으로부터 전력을 공급받는다. 그 저장소는 저장소에 의약물을 재충전시키는 것을 가능하게 하는 저장소 유입구, 및 저장소로부터 의약물을 펌프질하기 위한 저장소 펌 프(2008)를 포함한다. 그 펌프는 증기 격발 장치의 신속한 재충전을 가능하게 하기 위하여 의약물 운반 파이프(2003)에 가압된 의약물을 제공한다. 도 20 에 도시된 증기 격발 장치는, 유입 밸브(2009), 배출 밸브(2010), 증기 격발 챔버(2011), 가열기(2012), 및 가열기 전력 공급원(2013)와 함께 증기 격발 장치의 앞선 실시예들과 같이 작동하여, 의약물이 주둥이(2014)로부터 증기의 형태로 배출되도록 한다. 챔버를 보다 신속히 재충전시키는 것을 돕기 위하여 복귀 포트 및 밸브가 본 실시예 내에 통합될 수 있다. 사용자가 네뷸라이저를 제어하는 것을 가능하게 하기 위하여, 사용자 제어 인터페이스가 네뷸라이저 메인 본체(2001)에 장착될 수 있다. 사용자 제어 인터페이스(2015)로부터의 입력 신호를 처리하고 그에 따라 네뷸라이저를 제어하기 위한 제어 회로(2016)는 네뷸라이저 메인 본체 내에 있는 것으로 도시되어 있다. 제어선(2017)은 의약물 운반 파이프(2003)에 평행하게 배치되어 제어 회로(2016)를 증기 격발 장치에 연결시킬 수 있다. 가열기 전력 공급원(2013)은 배터리이거나, 또는 네뷸라이저 메인 본체로부터 전력선을 거쳐서 전력을 공급받는 것일 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
도 20 에는 재충전가능한 저장소로서 의약물 저장소(2004)가 도시되어 있다. 이 실시에에서 환자에게 필요한 의약물의 양이 그 저장소 내에 놓여지고, 그 후에 그 전부가 배출될 때까지 네뷸라이저가 작동될 수 있다. 대안적으로는 저장소가 최대략으로 채워진 후에 네뷸라이저가 미리 결정된 양의 의약물을 배출할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 재충전 가능한 저장소가 반드시 필요한 것이 아니고, 미리 포장된 의약물의 용기가 대안적으로 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 나 아가 가압된 용기가 사용됨으로써 펌프가 필요없게 될 수도 있다.
도 21 에는 본 발명의 일 실시예에 따른 투여량 계량식 흡입기가 도시되어 있다. 본 발명의 이 실시예에는 의약물 저장소(2102)로부터 유입 밸브(2103)를 통하여 의약물을 받는 증기 격발 챔버(2101)가 도시되어 있다. 증기 격발 챔버 내에 있는 의약물의 양은 사용자가 필요로 하는 투여량에 대응된다. 사용자가 제어 버튼(2104)을 누르는 때에, 제어 회로(2105)가 가열 요소(2106)와 함께 유입 밸브(2103) 및 배출 밸브(2107)를 제어하여, 의약물을 사용자가 흡입할 수 있도록 주둥이(2108)를 통해 증기의 형태로 배출시킨다. 가열요소(2106)는 배터리이거나 또는 메인 전력 공급원에 연결된 것일 수 있는 전력 공급원(2109)에 의하여 전력을 공급받는다. 도 21 에 도시된 의약물 저장소(2102)는, 증기 격발 챔버(2101)의 신속한 재충전을 가능하게 하도록 유입 밸브(2103)에 가압된 액체를 공급하는 가압된 용기(pressurised container)로서 도시되어 있다. 가압되지 않은 용기에서와 마찬가지로, 재충전가능한 의약물 저장소가 대안적으로 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 복귀 포트가 도 21 에 도시되지는 않았으나, 본 실시에에 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 무바늘 주입기를 제공하기 위하여 이용될 수도 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.
호흡기 약물 전달 시스템의 일부분으로서 이용된 증기 격발 장치의 모든 적용예들에 있어서, 환자는 입 안쪽에 안착되는 주둥이를 통하거나 또는 입 및/또는 코 위로 얼굴 상에 안착되는 안면 마스크를 통하여 약물을 받을 수 있다. 의약물 은 환자의 호흡기계의 다른 부분 내로 직접적으로 투여될 수도 있다.
모든 호흡기 관련 약물 전달 적용예들에 있어서, 챔버로부터의 액체의 최대 격발을 보장하기 위하여, 챔버(1901)의 트리거 온도는 챔버 내 액체(들)의 비등점 위에 있을 필요가 있다. 이 적용에 최적인 매우 미세한 스프레이가 생성되는 것을 보장하기 위하여, 트리거 온도는 챔버 내 액체의 최고 비등점보다 대략 20 - 30 ℃ 높은 것이 바람직하다. 그 장치가 다른 압력에서 작동할 수 있더라도, 트리거 압력은 4 - 6 bar 정도로 낮을 수 있다. 배출 노즐의 직경은 0.05 - 0.5 mm 의 범위 내에 있는 경우에 이 적용예에 대해 최적일 수 있다.
증기 격발 장치 기반의 네뷸라이저에서 의약물의 낭비를 최소화하고 의약물의 전달을 최대화하기 위하여, 호흡 작동식 전달 시스템이 도입될 수 있는데, 여기에서는 전자식 검출 시스템 또는 기계식 밸브 시스템이 이용되어 사용자가 흡입하고 있는 때를 판정하고 사용자가 흡입할 때에만 의약물을 배출시켜서, 의약물이 내쉼(exhalation) 중에 낭비되지 않게 된다. 그러한 기능은 수동적으로(manually) 달성될 수도 있으나, 많은 사람들이 그들의 호흡과 네뷸라이저의 스위치작동을 맞추는 것을 어려워한다. 사람들이 의약물의 배출을 흡입과 맞추는 것을 어려워하기 때문에, 위와 같은 감지가 투여량 계량식 시스템에도 이용될 수 있다는 것에 유의하여야 할 것이다.
배출 챔버 내에서 포화점 위로 액체의 온도를 상승시키는 가열 요소는 화학적인 것일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다시 말하면, 조합되었을 때에 액체를 '비등(끓음)'시킬 수 있을 정도의 충분한 열량을 발생시키도록 발열 반응을 제 공하는 두 가지의 성분이 제공될 수 있다. 사용자는 이용 직전에 그 두 가지 성분이 작용하고 방출이 준비될 때까지 기다린다. 이것은, 발광하는 사용자 디스플레이 장치, 소리를 발생시키는 장치, 가시적으로 배출되는 물질, 또는 미리 결정된 시간의 경과와 같이 다양한 수단에 의하여 식별될 수 있다.
도 19 내지 도 21 에 도시된 본 발명의 실시예들은 특정의 호흡기 약물 전달 시스템에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 실시예들이 이에 국한되는 것은 아니다.
도 22 에는 앞서 설명된 실시예들 중의 임의의 것에서 이용될 수 있는 액체 및 액체 증기 격발 챔버(2200)가 도시되어 있다. 본 발명의 실시예들이 실질적으로 원통형의 형상을 갖는 배출 챔버의 이용에 국한되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 그 보다는, 흔하지 않은 형상, 또는 구형의 형상, 또는 도 22 에서와 같이 하트 형상을 가지며 유입 밸브(2201), 배출 밸브(2202), 및 가열기 요소(2203)를 포함하는 챔버들이 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 증기 격발 과정을 통하여 목표 물질을 배출시키는 배출 챔버의 이용에 관한 기초적이고 핵심적인 기술을 제공한다. 격발 과정을 거쳐서 물질을 배출시킴에 의하여, 액체 및 액체 증기의 스프레이가 횡단하는 거리가 공지의 배출 시스템에 비하여 현저히 증가된다. 또한 소형 챔버로 배출이 매우 신속하게, 수십 마이크로 초의 단위에서 이루어진다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 챔버 내의 압력은 그 내부의 액체를 가열함에 의하여 증가된다. 그 액체는 열 팽창 때문에 팽창하고, 그러므로 높은 압력을 제공한다. 가열은 전기적 가열 요소 또는 국부적 열 공급원으로부터 액체로 열을 전 달하는 열교환기를 거치는 등 다른 수단에 의하여 이루어진다. 위에서 설명된 본 발명의 모든 실시예들은, 배출 챔버 내의 액체를 가열하는 대신에 미리 가열된 액체가 고압 하에 그 챔버의 유입구에 공급되도록, 변형될 수 있다. 미리 가열된 액체를 챔버 내로 펌프질하는 것을 계속함에 의하여, 챔버 내에서 압력이 증가될 것이다. 이것은 높은 압력으로 펌프질을 할 수 있는 외부 펌프를 통하여 이루어질 수 있다. 배출되는 물질이 배출되어야 하는 압력을 초과하는 미리 결정된 어떤 압력 값에서, 유입 밸브는 닫히고 배출 밸브는 개방될 것이다. 비등온도에 대해 상승된 액체의 온도 덕분에 일어나는 액체의 증기화 과정을 유발시키기 위하여, 압력의 순간적인 감소가 계산된다. 따라서 액체와 증기는 챔버의 배출 밸브로부터 말 그대로 격발할 것이다.
작동 액체로서 물을 이용하는 경우, 1mm 보다 약간 작은 크기를 가지고 1.1 바아의 압력으로 예를 들어 대기압(1.0 바아)의 주위 환경으로 발사하는 챔버로부터는 최대 20m/s 의 속도가 얻어질 수 있다. 탄화수소 액체 연료가 이용되는 경우에는, 대략 2cm 정도의 크기를 가지고 10 바아의 압력하에서 6 바아의 압력을 갖는 연소 챔버 내로 발사하는 챔버로부터는 최대 100m/s 의 속도가 얻어질 수 있다(다시 말하면, 배출 챔버 및 인접한 연소 챔버 간에는 1 바아의 압력 차이가 있다).
유입 밸브와 배출 밸브는 다양한 용기(vessel)들 내의 압력에 근거하여 전자적으로 제어될 수 있는데, 그 용기 내의 압력은 압력 변환기와 같은 하나 이상의 센서들을 통하여 용이하게 감시/측정될 수 있다. 용기 내의 압력이 어떤 압력에 도달하는 때에 배출 밸브가 개방될 것이고, 어떤 제2의 값 미만으로 떨어지는 경우 에는 그 밸브가 닫힌다. 유입 밸브는, 챔버 내에서 어떤 상한 압력과 하한 압력에 도달하는 때에 개방되거나 닫힐 수 있고, 또는 배출 밸브에 대해 거꾸로인 방식으로 개방되거나 닫힐 수 있다. 말하자면, 배출 밸브가 열리는 때에 유입 밸브가 닫히고 배출 밸브가 닫히는 때에 유입 밸브가 열리도록 제어될 수 있다.
본 명세서의 설명과 청구항들에 있어서 "포함" 및 "구비"라는 표현과 이 표현들의 변형된 형태(예를 들어 "포함하는" 및 "포함한다")는 어떤 것을 가지지만 가지는 것의 대상이 그에 국한되는 것이 아님을 의미하고, 따라서 다른 부분들, 첨가제들, 성분들, 숫자들, 또는 단계들을 제외하는 것이 아니다.
본 명세서의 설명과 청구항들에 있어서, 단수 형태의 단어는 문맥상 달리 해석되지 않는 한 복수 형태의 의미를 포괄한다. 특히, 특별히 복수형태로 기재되지 않은 경우(영문에서는 부정관사(a, an)가 이용되는 경우)에는, 문맥상 달리 해석되지 않는 한 단수 형태는 물론 복수 형태의 의미도 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 형태, 실시예, 또는 예와 관련하여 설명된 특징들, 숫자들, 특성들, 화합물들, 화학적 분량들, 또는 그룹들은, 양립불가능한 것이 아닌 한, 여기에서 설명된 다른 임의의 형태, 실시예, 또는 예에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 목표 질량을 배출하는 장치 및 방법에 이용될 수 있다. 특히 본 발명은 액체 및/또는 증기를 고속으로, 그리고 일정량의 액체가 저장되는 배출 챔버로부터 상대적으로 먼 거리를 두고 배출할 수 있는 고속 질량 배출 장치를 위한 장치 및 방법에 이용될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한 본 발명은 그러한 배출 시스템의 다양한 용도에 이용될 수도 있다. 보다 더 특정적으로는, 사용자에게 약물을 전달할 수 있는 흡입기 및/또는 네뷸라이저 및/또는 무바늘 주입기에 이용될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

Claims (36)

  1. 선택된 액체 연료의 일부분을 보유하는 배출 챔버;
    배출 챔버 내로 상기 액체 연료를 이송하기 위하여 선택적으로 개방되도록 구성된 유입 밸브; 및
    미리 결정된 조건이 상기 배출 챔버와 관련된 파라미터(parameter)에 의하여 충족되는 때에 상기 배출 챔버로부터 상기 연료를 배출시키기 위하여 선택적으로 개방되도록 구성된 배출 밸브;를 포함하고,
    액체 연료, 증기 연료, 또는 액체 연료와 증기 연료 둘 다가 배출 챔버로부터 배출 밸브를 통하여 배출되어 연소 구역 안으로 주입되며,
    상기 배출 밸브는, 배출 챔버 내에 있는 연료의 온도가 상기 배출 밸브의 하류에 있는 위치에서의 압력과 동일한 압력에서 그 액체 연료와 관련된 포화 온도와 실질적으로 같거나 그보다 큰 때에 개방되도록 구성된, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출 챔버 내에 있는 액체 연료의 온도를 상승시키기 위하여 상기 배출 챔버에 가까이 또는 상기 배출 챔버 내에 배치된 가열기 요소(heater element)를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출 챔버 내에 있는 상기 액체 연료의 압력을 상승시키기 위하여 상기 배출 챔버에 가까이 또는 상기 배출 챔버 내에 배치된 펌프 요소(pump member)를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 조건의 충족을 나타내는 미리 결정된 문턱값으로 배출 챔버의 파라미터가 상승된 때를 판정하기 위한 적어도 하나의 센서를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서는 압력 센서와 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 구역 내에 있는 연료는 증기 연료인, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료를 저장하도록 구성된 저장 챔버(storage chamber)가 더 포함되고, 상기 유입 밸브는 상기 액체 연료의 일부분을 상기 저장 챔버로부터 상기 배출 챔버 내로 선택적으로 이송하도록 구성된, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배출 챔버 내로의 이송 전에 상기 저장 챔버 내의 상기 액체 연료를 가열하도록 구성된 다른 가열용 요소(heating member)를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    저장 챔버를 유입 밸브로 연결하는 유입 파이프(inlet pipe)가 더 포함되고, 그 유입 파이프가 상기 연소 구역에 가까이 배치되거나 또는 유입 파이프와 엔진의 뜨거운 부분 사이에 열 교환기가 구비됨으로써, 저장 챔버로부터 배출 챔버로 이송되는 상기 연료가 가열되는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료는 복수의 성분들로 된 연료(multi-component fuel)를 포함하고, 상기 배출 밸브는 상기 액체 연료의 온도가 상기 복수의 성분들 중의 선택된 하나와 관련된 포화온도 이상인 때에 개방되도록 구성된, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택된 일 성분은 상기 복수의 성분들로 된 연료 중 가장 가벼운 성분인, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택된 일 성분은 상기 복수의 성분들로 된 연료 중 가장 무거운 성분인, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 챔버는, 상기 연소 구역에 가까이 배치되고, 연소 구역 내의 연료의 연소에 의하여 발생된 열을 흡수하도록 구성된, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연소 구역으로부터 상기 배출 챔버로 열을 전달하도록 구성된 열 교환기를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료, 증기 연료, 또는 액체 연료와 증기 연료 둘 다는 증기 격발 과정(vapour explosion process)을 통하여 배출되는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료, 증기 연료, 또는 액체 연료와 증기 연료 둘 다는 20 보다 큰 투사율을 갖는 스프레이로서 배출되는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료, 증기 연료, 또는 액체 연료와 증기 연료 둘 다는 액체는 100 보다 큰 투사율을 갖는 스프레이로서 배출되는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 전력 공급원을 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 챔버는 그것의 배출 단부에 목 영역(neck region)을 구비하며, 배출 밸브는 목 영역에 배치된, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 목 영역은 액체 연료 및 증기 연료가 연소 구역 내로 배출됨에 있어서 통과하는 좁은 배출 오리피스를 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    배출 오리피스의 단면은 목 영역의 단면보다 작은 직경을 갖는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  22. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    연소 구역 내로 배출된 연료를 점화시키기 위하여 연소 구역 내에 배치된 점화원(ignition source)을 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  23. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    배출 챔버로부터의 연료가 저장소로 전달되는 것을 허용하도록 구성된 복귀 포트 및 밸브를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 장치.
  24. 선택된 액체 연료의 일부분을 보유하도록 구성된 배출 챔버를 제공하는 단계;
    배출 챔버 내로 상기 액체 연료의 일부분을 이송하도록 유입 밸브를 선택적으로 개방하는 단계;
    미리 결정된 조건이 상기 배출 챔버와 관련된 파라미터에 의하여 충족되는 때에 상기 배출 챔버의 배출 밸브를 선택적으로 개방하는 단계;
    액체 연료, 증기 연료, 또는 액체 연료와 증기 연료 둘 다를 배출 챔버로부터 배출 밸브를 통하여 연소 구역 내로 배출시키는 단계; 및
    배출 챔버 내에 있는 액체 연료를, 상기 배출 밸브의 하류에 있는 위치에서의 압력과 동일한 압력에서 액체 연료와 관련된 포화 온도와 실질적으로 같거나 포화 온도를 초과하는 온도로 가열하는 단계;를 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    배출 챔버 내에 보유된 액체 연료의 온도를 증가시키기 위하여 배출 챔버 가까이에 또는 배출 챔버 내에 배치된 가열 요소를 통하여 상기 액체 연료를 가열하는 단계를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    배출 밸브를 개방하는 단계 전에 배출 챔버 내에 있는 상기 액체 연료를 가열하는 단계를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
  27. 제 24 항 내지 제 26 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 챔버 가까이에 또는 배출 챔버 내에 배치된 펌프 요소(pump member)를 통하여 배출 챔버 내의 압력을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
  28. 제 24 항 내지 제 26 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 조건이 파라미터에 의하여 충족되는 때를 판정하는 단계, 및 상기 판정에 대응하여 배출 밸브를 개방하는 단계를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
  29. 제 24 항 내지 제 26 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    배출 챔버 내로 액체 연료가 들어가기 전에 유입 밸브로 공급되는 액체 연료를 미리 가열하는 단계를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
  30. 제 24 항 내지 제 26 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 센서를 통하여, 배출 챔버 내의 압력 및 온도 중 적어도 하나를 감시하는 단계를 더 포함하는, 연소 구역 내로 연료를 주입하는 방법.
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