KR101384012B1

KR101384012B1 - 이상성 혼합물의 분사 장치

Info

Publication number: KR101384012B1
Application number: KR1020097009237A
Authority: KR
Inventors: 띠바우 부릴롱; 베르나드 뒤세; 빠뜨릭 페르낭드; 장 뽈 띠바울
Original assignee: 지멘스 에스에이에스; 르 쌍트르 나셔날 드 라 르쉐르쉐 씨앙띠피끄-레지; 뤼니베르시떼 조셉 푸르니에
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2014-04-09
Also published as: US20100006670A1; US9352340B2; EP2069073B1; WO2008040418A1; UA99264C2; EP1908526A1; CA2665265C; CA2665265A1; EP2069073A1; KR20090098788A

Abstract

본 발명은 액체(L1) 및 기체(G1)을 위한 주입구(IN1, IN2)와, 제1 액체/기체 혼합물(MLG1)을 생성하기 위한 분배 챔버(EMD)와, 벡터 축으로 규정된 주 방향의, 제1 액체/기체 혼합물의 분사 노즐(EJ)을 포함하는 적어도 이상성인 혼합물을 분사하기 위한 장치에 관한 것이다. 분사 노즐은 노즐의 길이에서, 적어도 최소 단면, 또는 벡터 축의 위치(X)에서의 네크를 포함하는 형상을 갖는다. 다른 여러가지 중에, 노즐의 형상 때문에, 분사 노즐 내부에 얻어진 팽창은, 예를 들어 액체 및 기체의 질량 흐름 및 주입구에서의 절대 압력에 따라 제어될 수 있는 분사 범위 및 액체 입자 크기를 갖는 이상성 분사 제트로 구성되는 유동 구조에 따라, 분배 챔버로부터 나오는 제1 액체/기체 혼합물이 제2 혼합물로 전환되게 한다.

제1 액체/기체 혼합물, 제2 액체/기체 혼합물, 분배 챔버, 분사 범위, 입자 크기

Description

이상성 혼합물의 분사 장치 {DEVICE FOR EJECTING A DIPHASIC MIXTURE}

본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따른 적어도 이상성인 혼합물을 분사하기 위한 장치와, 청구항 제16항 내지 제20항에 청구된 바와 같은, 이러한 장치를 다양하고 유익하게 사용하는 것에 관한 것이다.

효율적으로 화재를 진화하기 위해 알려진 기본 수단으로는 소방용 호스(fire hose)가 있으며, 소방용 호스는, 특히, 넓은 분사 범위에 걸쳐 화재를 "물로 진화(drowned)"할 수 있지만 물의 유속은 떨어진다.

다른 분사 장치는, 예를 들어, 특히 물 및 가압 기체에 의한 이상성 혼합물을 사용하며, 통상적인 소화기와 같이, 물 분무(water mist) 또는 소화 폼(extinguishing foam)을 생성하기 위한 화재 진화 분야에 사용된다. 이에 따라 필요한 물의 양은 감소한다. 유화제, 또는 이산화탄소와 같이 반드시 유화성을 갖지는 않는 다른 약제와 같은 기타 약제가 물/가압 기체에 포함될 수도 있다. 그러나, 예를 들어 소화기의 제한된 저장 용량 때문에 약제를 추가하기란 쉽지 않다. 또한 통상적인 소화기는 작은 규모의 화재를 진화하기 위해 설계되기 때문에 그 크기가 제한된다.

예를 들어 원거리 소화용 호스에 적합한 다른 시스템은 물을 원자화시키는 질소 등의 고압 기체를 사용하지만, 물은 사전 처리(탈염화)되어야 한다. 주입 액체의 특성은 여전히 제한적인 인자이다. 결과적으로, 해수 또는 불순물을 포함하는 어떠한 물도 적절한 이상성 혼합물을 형성할 수 없으며, 기체 압력의 상승은 별문제로 하더라도 긴 사거리를 갖지 않는다.

프랑스 특허 제2,548,052호에 기재된 바와 같이, 이상성 흐름을 발생시키기 위한 장치를 사용함으로 이러한 단점을 극복하고자 하는 시도가 있었다. 이러한 형태의 장치는, 압력 하에서 이러한 이상성 흐름이 생성되는 챔버를 형성하는 벽을 포함하며, 상기 챔버는 "공급 압력"으로 칭해지는 압력 하에서 기체를 유입시키는 적어도 하나의 개방부에 의해 관통되며, 사실상 동일한 압력에서 액체의 공급 소스에 연결된 제1 상류 단부를 구비하며, 상기 유체가 압력 감소를 겪고 제트가 고속으로 빠져나가는 유체 가속 노즐에 연결된 제2 하류 단부를 함께 구비한다. 이러한 장치는, 물 및 비연소성 기체를 물 공급원 및 비연소성 기체의 소스로부터 배출시켜 화재가 진화되는 장소에서 물 및 비연소성 기체의 이상성 제트를 생성시킬 수 있다. 이러한 장치는 공급 압력이 충분히 낮은 경우에는 만족스럽게 작동한다. 이에 따라, 이러한 장치는 폼 소화기와 비교하여, 제한된 범위에서 이상성 혼합물의 제트로 화재를 효율적으로 진화할 수 있다. 그러나, 원거리의 불에 도달할 정도의 제트 속도를 위해 공급 압력을 증가시키면, 장치는 작동을 중단한다.

이러한 배경 기술에 대항하여, 이상성 흐름을 발생시키기 위해 프랑스 특허 출원 제2,766,108호에 신규 장치가 개시되었으며, 이 장치의 작동 품질은 사실상 장치의 어떠한 (액체 및 기체) 입구 압력에서도 동일하다. 이상성 혼합물을 분사 하기 위한 이 장치는, 하나는 액체 주입구이고, 다른 하나는 기체 주입구인 두 개의 독립된 입구와, 액체/기체 혼합물을 생성하기 위한 유화 챔버와, 벡터 축으로 규정된 주 방향의 제1 액체/기체 혼합물용 분사 노즐을 포함한다. 특히, 기체는 액체/기체 혼합물의 유화를 촉진시키는 관통 요소를 통해 물 입구 덕트로 수직 주입된다. 또한, 블레이드 등의 분할 요소가 독립된 흐름 채널을 형성하기 위해 물 덕트의 흐름에 평행하게 배치된다. 이러한 블레이드들은, 채널로의 기체 입구용 관통 요소에 의해 둘러싸인 물 덕트의 구간에 걸쳐서 각을 이루어 이격될 수 있다. 명백하게, 이러한 장치는 다양한 압력에서 일정한 이상성 제트를 발생시킬 수 있지만, 예를 들어 불순물(모래, 자갈, 먼지 등)이 물 덕트 또는 기체 덕트를 통해 유입된다면, 블레이드 또는 관통 요소 레벨에서 불시적인 폐색이 일어나, 일정한 이상성 제트의 발생을 방해할 수 있다. 또한 이는 이상성 혼합물의 일시적인 또는 지속적인 변질을 가져올 수도 있어서, 화재 진화에 대한 제어력이 저감될 수 있다. 또한, 덕트의 내부에 요소를 배치하는 것은 복잡한 제조 및 유지 보수 절차를 수반한다.

본 발명의 일 목적은, 신뢰성 있는 이상성 형성체의 분사 범위를 적어도 정확히 제어할 수 있는, 적어도 이상성인 혼합물을 분사하기 위한 단순한 장치를 제공하는 것이다.

특히, 이러한 장치는 낮은 압력 범위에서 작용할 때에도 이상성 제트가 원거리에 작용하도록 다양한 액체 및 기체 주입 압력을 조절하여야 한다.

장치는 입구의 불순물을 차단하고 불순물에 민감할 수 있는 복잡한 내부 요소 없이도 관리되어야 하며, 장치로부터 배출되는 이상성 혼합물은 제트의 전체 길이에 걸쳐 영구적으로 공급되어야 한다.

그러므로 본 발명은, 액체 및 기체를 위한 적어도 하나의 주입구와, 제1 액체/기체 혼합물을 생성하기 위한 유화 챔버와, 벡터 축으로 규정된 주 방향의, 제1 액체/기체 혼합물을 분사하기 위한 노즐을 포함하는, 적어도 이상성인 혼합물을 분사하기 위한 장치에 기초하여 해결책을 제안한다.

분사 노즐은 적어도 노즐의 길이에 걸쳐 최소 단면, 또는 벡터 축을 따르는 위치에서의 네크를 포함하는 형상을 갖기 때문에, 이러한 노즐의 형상은, 모든 종류의 벤츄리 타입의 유동에서 알려진 바와 같이, 노즐 내에 압력 감소 효과를 나타내고, 분사 노즐 내에 압력 저하를 발생시키도록 조절되며, 이는, 유화 챔버로부터 나오는 제1 액체/기체 혼합물을 유동 구조의 방향으로 노즐 출구에서 제2 액체/기체 혼합물로 전환시키는 방식으로 이루어지며, 상기 제2 혼합물의 분사 범위 및 액적 형태의 액체의 입자 크기는, 액체 및 기체의 질량 유량(mass flow rate)과 주입구에서의 절대 압력의 함수로서 제어가능하다.

본 발명은 액체 및 기체를 위해 공통 입구를 선택적으로 사용할 수 있으며, 이는 유리하게, 특히 유화될 때 상대적인 위치가 고려되어야 하는 두 개의 독립된 입구를 갖는 장치에 대해 복잡성을 낮춘다.

또한, 장치의 입구에서의 발생 상태(액체 및 기체의 질량 유량 및 주입구에서의 절대 압력)와 관련된 노즐의 형상은, 최적 유화를 보장하고 추가로 노즐 입구에서의 이상성 혼합물이 유동 구조의 방향에서, 그 입자 크기 및 범위가 발생 상태와 명확히 관련되어 제어되는 노즐 출구에서의 제2 이상성 혼합물로 전환되게 허용하기 때문에, 본 발명은 고품질의 유화 및 이상성 혼합을 허용하기 위해 주입구들 중 하나에 분할 또는 관통 요소를 사용할 필요가 없다. 그러므로, 전체 유동물 통로에 배치되는 요소가 없기 때문에, 장치는 매우 단순화되며 어떠한 폐색 작용도 없다. 물론, 이러한 요소[관통 콘, 그리드(grid), 교반기 등]는 제트의 구성 또는 유화 변경이 필요할 때 노즐의 상류 또는 하류에 배치될 수도 있다.

그러므로 노즐의 형상은, 노즐로의 입구에서의 제1 혼합물과 구별되는 분사된 혼합물, 즉 지정된 제2 혼합물이, 노즐의 벡터 축을 주로 따르는 분무 제트를 형성하도록 조절될 수 있으며, 벡터 축 외부로 살포되는 제2 혼합물[통상적으로는 제트 발산(jet divergence)으로 알려짐]의 입자 크기, 범위 및 체적은 제어 가능하며, 불의 바람직한 공격 표면에 도달하는 것을 보장한다.

1 mm 이상 정도의 구멍을 갖는 노즐의 단면 형상으로 인해, 예를 들어 불순물 또는 모래알조차도 분사된 이상성 혼합물 레벨에서 어떠한 방해도 일으키지 못한다. 물/기체 혼합물에, 예를 들어 미세 고체 입자로 구성된 연마 제품이 추가될 수도 있다.

특히, 입구, 협소부, 출구 레벨에서의 노즐(또는 다중 노즐 장치)의 적절한 형상의 예시가 후술될 것이다. 노즐 입구는, 주요하게는, 급격한 구배의 제1 수렴 접근 구역, 이어서 최소 단면을 갖춘 부분인 얕은 구배의 제2 수렴 구역(노즐의 네크로도 알려짐), 선택적으로, 노즐 출구의 단면으로 이어지는 제3 발산 구역으로 구성된다. 그러한 구성 또는 유사한 구성으로 인해, 장치 입구에서 간단하게 정의될 수 있는 발생 상태의 함수로서 노즐 내의 압력 감소가 분무 제트의 입자 크기 및 범위를 제어할 수 있게 한다.

실제로, 개선된 노즐 형상의 모의 실험이 전술된 예시뿐 아니라, 예를 들어 분무 제트의 제어된 입자 크기를 유지하면서 가변적인 범위를 제공할 수 있는 소정의 작동 모드로 조절되어 제어가능한 다른 변형예에서도 수행되었다.

본 발명의 일 주요 장점은, 장치가, 유화 챔버 또는 노즐로의 입구에서 낮은 절대 압력(일반적으로 약 5 내지 10 bar)으로 사용될 수 있다는 것이다. 이러한 압력 범위 내에서도, 노즐 출구에서의 분무 제트 유량은 50 내지 150 m/s 내로, 액적 입자의 크기는 50 내지 150 ㎛로 완전히 보장된다. 그러므로 장치는, 원거리의 화재에서, 보다 긴 제트 범위를 보장하기 위해 입구 압력을 상승시키거나 또는 적어도 크게 증가시킬 필요가 없다. 이러한 방식으로, 제트 범위에 상당한 변동이 있을 경우에도, 입자 크기(및 이에 따른 이상성 성질)의 갑작스럽고 빠른 변동을 막을 수 있다.

요약하면, 본 발명에 따른 (입구 및 출구의 벡터 축을 따라 다양한 직경을 갖는 적어도 두 개의 섹션을 구비한) 노즐의 형상은 노즐 출구에서의 압력 감소율을 보장할 수 있으며, 이는,

- 액체를 액적으로 분열시킴으로, 이상성 혼합물의 제어된 입자 크기를 제공하고,

- 노즐로의 입구에서 사전 유화되는 방식으로, 기체의 압력 감소에 의한 액체 액적의 가속화 및 벡터화를 제공한다.

환언하면, 이러한 노즐의 형상은, 입구에서의 액체/기체의 유화에, 입자 크기의 균일성 및 제어된 범위(반대도 가능)를 부여할 수 있다. 그러므로, 제트의 입자 크기 및 발생 상태를 변경하지 않고 형성된 범위를 다양화하기 위해, 노즐의 형상을 변경시킬 필요가 있지만, 이는 실제로 불가능하다. 또한, 노즐의 형상은, 입구 또는 장치에서 하나 이상의 발생 상태를 단순하게 변경함으로, 동일한 입자 크기의 인자로 제트 범위의 변화를 허용하도록 설계되고 조절된다. 단순화를 위해, 장치의 입구 압력(액체/기체 주입)은 예를 들어 단순한 밸브에 의해 조절될 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 유용한 태양은, 전술된 바와 같이, 회전 캐리어상에 배치되는 복수의 노즐을 결합하는 것이며, 이는, 완전하고 방대하게 목표 표면을 휩쓸기 위해, 또는 예를 들어 하나의 특정 화염 구역을 명중시키지 않고 넓은 공간에 걸쳐 분무 제트를 교호적으로 배출하기 위해, 노즐의 압력 감소에 따른 회전 동작에 추가하여, 로터상의 노즐의 특정 배치와 노즐의 서로에 대한 특정 배치도 가능하게 한다. 제트의 범위 및 특정 크기를 제어하는 것과 동일한 방식으로, 회전 속도 역시, 다중 노즐 장치의 발생 상태의 함수(단일 노즐과 유사함)로서 소정의 작동 모드에 대해 양호하게 제어될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 분사 장치는 매우 중요한 입자 크기의 제어 요건을 충족시킨다. 이는, 액적의 크기가 화재가 난 지점의 특성에 따라 조절되어야 하기 때문인데, 예를 들어, 화재가 난 지점을 탄화수소 공격하거나 또는 매우 뜨거운 환경을 냉각시키기 위해서는 미세 액적이 사용되고, 또는 화재 연기에 수분을 가하기 위해서는 큰 액적이 사용된다.

바람직하게는, 노즐 또는 (회전 또는 비회전일 수 있는) 다중 노즐 장치의 용도는 다음과 같이 다양할 수 있다(그러나 이로 제한되지는 않음).

- 적은 양의 액체를 소비하는 습윤작용으로 화재를 방지하거나, 또는 소화제, 액체와 같은 습윤제를 포함할 수 있는 물을 사용하여 재료를 냉각시킴으로써 화재를 방지하기 위한, 화재 진화를 위한 용도.

- (하기 기재된 사항을 위해) 재료의 표면을 처리하기 위한 용도.

· 물, 및/또는 세척제를 포함할 수 있는 액체에 의한 재료의 세척,

· 주로 착색제를 포함하는 액체에 의한 재료에의 페인트의 도포,

· 작은 입자 크기를 갖는 부분적으로 고체 또는 액체인 화학 용제를 포함하는 제2 혼합물에 의한 재료의 연마 처리.

- (액체 또는 기체의) 연료 분사 장치로서의 용도.

- 추력 장치와 같은 노즐을 포함하는 요소를 위한 추력 장치로서의 용도.

- 기타.

종속항 세트도 본 발명의 다양한 이점을 기재한다.

본원의 실시예 및 적용례는 하기의 도면을 참조한다.

도 1은 일반적인 이상성 혼합물용 노즐을 도시한다.

도 2는 회전 다중 노즐 장치의 단면을 도시한다.

도 3은 회전 다중 노즐 장치를 하부에서 바라본 도면이다.

도 4는 회전 다중 노즐 장치의 (우측) 측면도이다.

도 1은 이상성 혼합물(MLG1)용 노즐(EJ)의 예를 개괄적으로 도시하며, 상기 이상성 혼합물은, 낮은 압력(20 bar보다 낮은 압력, 특히, 5 내지 10 bar)에서 주입되는 액체(L1)와 기체(G1)의 혼합 촉진을 위해 설계된 선택적 요소 또는 형상을 갖춘 유화 챔버(EMC)에 의해 생성된다. 본원의 하기에는, 적절한 노즐의 더 정확한 프로파일이 개시될 것이다. 유화 챔버(EMC)로 또는 직접적으로 노즐(EJ)로 유입되는 액체(L1) 및 기체(G1)는 입구(IN)를 향해 수렴하는 두 개의 독립 채널(IN1, IN2)에 의해 유도될 수 있다. 양호하게, 이러한 채널은 대부분의 종래의 이상성 노즐 장치에서와 같은 특정한 구성을 가질 필요가 없다. 그러므로, 제1 이상성 혼합물(MLG1)은, 유화 챔버(EMC) 또는 더 일반적으로는 노즐(EJ)의 입구 하류에서는 이상적으로 제어되지 않는 방식으로 형성되며, 혼합물(MLG1) 또는 액체(L1)의 입자 크기 및 기체(G1)의 유동은 균일하지 않고 매우 가변적이다. (동일 적합하게 위치되거나 연장될 수 있는) 위치(X)에 갖춰지는 노즐 네크를 갖는 길이(L)의 노즐(EJ)의 적절한 형상 때문에, 제1 혼합물(MLG1)은 노즐의 길이에 걸친 압력 감소에 의해 제2 이상성 혼합물(MLG2)로 선택적으로 전환된다. 그 후, 혼합물은 제어된 입자 크기를 갖게 되며, 즉, 제1 혼합물(MLG1)에 제공된 액체(L1)는 노즐 내에서의 원자화에 의해 생성되는 작은 직경(50 내지 150 ㎛)의 액적(GOUT)의 혼합물(MLG2)의 형태를 취한다. 액체(L1) 및 이에 따라 형성되는 분무 제트(mist jet)의 입자 크기 는 범위(PO)에 걸쳐 완전하게 제어된다. 또한, 낮은 압력의 제1 혼합물(MLG1)이 기초로 하는 성분으로 있는 기체(G1)는 급격한 구배로 압력이 감소하여, 벡터 축(AX)(노즐의 대칭 주축)을 따라, 대부분의 액적(GOUT)을 가속화하고 벡터화한다. 이에 따라 가변적일 수 있지만 제어되어 발산될 수 있는 이러한 제트에서, 제2 혼합물(MLG2)의 기체(G1)는 범위(PO)에 걸쳐 액적(GOUT)을 운반한다. 범위(PO)는 물론, 사용되는 노즐의 특정 형상 및 발생 상태와 관련된다. 이에 따라 적절한 형상의 노즐에서 압력이 감소할 동안, 제1 혼합물(MLG1)로부터 발생하는 기체(G1)는, 한편으로는 근본적으로 균일하지 않게 부서지는 액체(L1)에 추가 추진력을, 다른 한편으로는, 미세하고 균일한 액적으로 액체를 원자화시키는 작업을 제공한다. 발생된 제트는 (50 내지 150 m/s의 속도로) 신속하게 움직이는 분무 형태를 취한다.

이러한 개념은, 이상성 유동물 내에서의 복잡한 물리적 압력 감소 프로세스를 실행하기 위한, (최대 수mm 크기의) "대형" 오리피스를 포함하는 단순한 형태의 노즐 형상을 개발하며, 이는,

- 전달 효율이 원자화에 의한 계면 영역(액체/기체가 교환되는 표면 영역)의 증가와 관련되는, 운동(계면 항력)량과 에너지(계면 열 및 일)량의 충분한 전달과 결합하는 급격한 압력 구배의 압력 감소와,

- 액상의 제어된 파괴 및 가속화와 결합한다.

분사된 제2 액체/기체 혼합물(MLG2)의 입자 크기 특성 및 범위는, 유화 챔버(EMC) 또는 노즐(EJ)에서의 총 입구 압력 및 액체(L1) 및 기체(G1)의 질량 유량 등의 상기 발생 상태에 의해 제어가능하다. 노즐 유동물과 관련된 이러한 발생 상 태는, 목표 입자의 크기 및 범위의 노즐의 동작 포인트(operating point)에 적합하다.

주어진 노즐 형상에서, 공급 상태[노즐(EJ)로의 입구상의 제1 혼합물(MLG1)의 압력, 액체(L1)의 유입 유량, 기체(G1)의 유입 유량]는 계획적이다. 노즐 형상에서, 단일 관계 함수(f)는 하기와 같이 나타낼 수 있다.

여기서.

은 액체(L1)의 질량 유량(kg/sec)이고,

는 기체(G1)의 질량 유량(kg/sec)이며, Pin은 노즐로의 입구상의 혼합물(MLG1)의 절대 압력(bar)이다.

주의:

1. 이상성 유동물에서, 사용되는 파라미터는 기체 질량 유량이 아닌 기체 질량의 함량(TM)(기체 질량 유량과 총 "액체+기체" 질량 유량의 비)이다.

2. 이에 따라 세 세트(

, TM, Pin)에 의해 특정되는 노즐 동작 포인트를 형성하는 것이 가능하며, 이는 노즐로의 입구상의 유동물 발생 상태를 성립시킨다. 실질적인 관점에서, 이러한 관계식은 (액체 및 기체) 유량과 압력의 선택이 필연적이라는 것을 의미한다. 그러므로, 변수(예를 들어, 기체 유량) 중 하나는 "관대(relaxed)"하여야 한다. 그러므로, 조정시, 액체 유량(

) 및 공급 압력(Pin) 이 선택된다면, 그 이후에 기체 유량(

)이 수동적으로 결정된다.

이러한 구조에 따르면, 출구에서의 값은 관련 파라미터로 간주되어야 한다. 노즐(EJ) 출구에 형성되는 이상성 제트는,

1. 노즐 출구에서 약 50 m/s 내지 150 m/s의 제트의 동력학

2. 약 50 내지 150 ㎛의 입자 크기 (액적 크기)

3. 제트 영역선도(즉, 제트와 제트 외부 사이의 경계)

로 특징지어 진다.

근본적으로 중대한 이 세 개의 특징에 기초하여, 예를 들어, 화재 진화(fire fighting)를 위해 하기의 관련 파라미터를 추론할 수 있다.

·범위(PO), 제트의 동력학 특성이 화재에 대해 더 이상 충분히 효력을 발생시키지 못하는 최대 거리.

·계면 영역의 밀도, 즉, 유닛 체적 내에 나타나는 모든 액적에 의해 형성된 총 면적.

·보호 공간 (제트의 유효 범위의 체적).

물론, 제트 출구의 상태(제트의 동력, 입자 크기 및 영역선도)는 모두, 유동물의 발생 상태에 의해 결정되며, 노즐 형상과도 직접적으로 관련된다. 따라서, 주어진 노즐 형상에서, 동작 포인트는 소정의 분사 적용례 각각에 대한 발생 상태 및 출구 상태의 함수로 배치될 수 있다.

일반적인 진화 상황, 더 구체적으로는 물 분무에 의한 진화 상황은, 집중 보호(focused protection) (위험시 제트가, 확인된 지점, 예를 들어 탱크, 엔진 등에 바로 가해짐) 및 공간 보호(space protection) (제트가, 화염 구역을 정확히 명중시키지 않고 전체적인 공간을 보호하도록 가해짐) 두 개로 분리되어 접근된다.

본 발명에 따른 이상성 분무 제트 노즐은, 특정 발산 공차가 아닌, 높은 동력학 및 비교적 방향성을 갖는 제트를 발생시킨다. 따라서, 임의의 특정 방향에 호의적이지 않고 전체 공간을 보호하려는 공간 보호의 적용례에서는, 공간 전체에 걸쳐 모든 방향을 수용할 수 있는 복수의 노즐 세트를 사용할 필요가 있다. 이러한 목적을 위한 다양한 해결책은 하기와 같다 (이들로 제한되지 않음).

·공간의 다양한 위치에 다양한 방향으로 배치된 노즐을 구비 [콤브형(comb) 또는 "돌림형(swirl)" 네트워크 배치]

·단일 고정 본체 상에 복수의 노즐을 결합 (다중 헤드 장치)

·회전 본체 상에 복수의 노즐을 구비 (회전 다중 노즐 본체)

매우 유익한 일부 성과와는 달리, 네트워크 배치 및 다중 헤드 장치는 보호되지 않는 일부 공간 구역을 남겨둔다는 단점이 있다. 반면, 복수의 노즐이 부착되는 회전 본체는 전체 방향 세트를 휩쓸고, 보호되는 공간의 최적 유효 범위를 제공할 수 있다.

도 2는 회전 다중 노즐 시스템으로 주입되는 이상성 유체(MLG1)를 분사하기 위한 예시적인 장치의 단면을 도시한다. 도 1에 따르면, 시스템은 로터(ROT)를 회전 안내하고 노즐(EJ, EJ1, EJ2 등)이 배치되는 고정자(STAT)를 포함한다. 기체(G1) 및 액체(L1)는 고정자(STAT)의 단일 입구(IN)를 통해 노즐 입구까지 바로 주입되어, 혼합물(MLG1)용 분배 챔버(EMD)로 단순하게 작용하는 로터(ROT)의 내부 개방 공간으로 유도된다. 예를 들어 관통 요소 또는 분할 요소를 갖는 효율적인 유화 챔버는, 혼합물이 분배 챔버로 바로 진입하는 한, 더 이상 필수적이지 않다. 진입한 혼합물의 특성을 제어할 필요가 있다면, 도 1에 유사하게 도시된 유화 챔버(EMC)가 분배 챔버(EMD)의 상류에 배치될 수 있다. 이에 따라, 관통 요소 또는 분할 요소가 없거나 또는 차단 위험을 나타내는 요소가 분배 챔버(EMD) 내에 존재하게 된다. 그러므로 로터(ROT)와 고정자(STAT) 사이에 개재된 분배 챔버(EMD)는 모든 노즐(EJ, EJ1, EJ2 등)에 공통이며, 물/기체 혼합물 또는 임의의 다른 액체/기체 혼합물(두 개 이상의 상을 포함할 수도 있음)을 공급한다.

로터(ROT)의 회전 축(RX)에 대해 오프셋 또는 비대칭 방식으로 배치된 노즐의 축(AX1, AX2 등) 및 노즐(EJ1, EJ2 등)은, 노즐로부터 나오는 제트의 반응력에 의해 회전 추진될 수 있다. 하나의 노즐(EJ)의 축(AX)은 로터(ROT)의 회전 축(RX)과 겹쳐지지만, 로터의 회전에 기여하지는 않는다. 이러한 노즐(EJ)은, 전체 장치의 구성을 단순화하고 일 축 둘레로 노즐이 어떠한 회전도 하지 못하게 고정자(STAT)에 부착될 수도 있다. 따라서, 특히, 분무 유효 영역 또는 체적이 적어도 한정된 범위를 넘어 확장되도록 독립된 제트의 벡터 축(AX1, AX2 등)을 갖는 복수의 분사 노즐(EJ1, EJ2 등)이 분배 챔버(EMD)의 벽에 배치된다. 분사 노즐(EJ1, EJ2 등)의 특정 벡터 축(AX1, AX2 등)은, 회전 축(RX)을 포함하는 평면에 대해 로터(ROT)에 비대칭하게 배치될 수 있으며, 특히 회전 축(RX)에 대해 수직인 평면 아래로 0°내지 90°의 각으로 오프셋되게 배향된다. 제트 분배를 촉진하는 한 단순한 방식은, 적어도 두 개의 이웃하는 노즐 사이에서 상기 정도의 각이 차이나게 하 는 것이다.

노즐의 형상으로 인해, 분사 노즐(EJ1, EJ2 등)의 출구 압력 감소 레벨 및/또는 벡터 축(AX1, AX2 등)의 독립된 방향은, 제어된 회전 속력으로 로터(ROT)의 회전 작동을 발생시키기에 적합하다. 또한 특히, 벡터 축(AX1, AX2 등)은, 노즐의 반응력에 의해 로터의 축(RX) 둘레로 로터(ROT)의 각을 변위시키는 노즐의 측방향 토크 성분을 로터(ROT) 상에 발생시키기 위해, 회전 축(RX)과 교차하지 않을 수 있다.

물론, 제2 액체/기체 혼합물(MLG2)의 입자 크기 및/또는 범위에 영향을 주는 다양한 형상을 갖는 분사 노즐(EJ1, EJ2 등)이 로터(ROT)상에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 획득된 분무는 다양한 작동 모드로 사용되는 다양한 특성(근거리 및 원거리 진화의 복수의 제어된 액적의 직경)을 가질 수 있다.

이러한 장치 및 도 1의 노즐에서, 주입구에서의 액체(L1) 및/또는 기체(G1)의 압력은 액체(L1) 및 기체(G1)의 입구 유량의 비율에 따라 조절될 수 있다. 마찬가지로, 장치는 기하학적으로 설계된 노즐을 갖추어 설계되기 때문에, 제2 분사 액체/기체 혼합물(MLG2)의 입자 크기 및 범위 특성은, 액체(L1) 및 기체(G1)의 질량 유량 및 분배 챔버(EMD) 또는 노즐(EJ, EJ1, EJ2 등)로의 총 입구 압력과 같은 발생 상태에 의해 제어될 수 있다. 결과적으로 노즐과 관련하여, 회전 장치는 노즐 흐름과 관련된 발생 상태를 만족시키며, 발생 상태는 하나의 (또는 그 이상의) 목표 입자 크기 및/또는 하나의 (또는 그 이상의) 목표 범위를 위한, 장치의 동작 포인트에 적합된다. 이러한 구성에 기초하여, 액체(L1)의 유량은 약 2 kg/s 또는 그 이하일 수 있다.

마지막으로, 도 2는 본 발명에 따른 아이들 노즐 형상 중 하나를 나타내는 회전 다중 노즐 장치의 적절한 실시예를 도시한다. 이 형상은, 벡터 축(AX2)(노즐의 대칭 축)의 레벨에서 단면으로 도시된 노즐(EJ2)에 대해 구체적으로 언급한다. 노즐(EJ2)은 벡터 축(AX2)을 따르는 세 개의 길이 부분(La, Lb, Lc)으로 중점적으로 구성된다. 노즐 입구는, 급격한 구배의 길이(La)의 제1 구역, 이어서 최소 단면을 갖춘 부분으로, 얕은 구배의 길이(Lb)의 제2 구역(노즐의 네크로도 알려짐), 선택적으로, 크기(D2)(수십 미터를 넘는 진화 또는 냉각 적용을 위해 일반적으로 1 mm 보다 큼)의 노즐 출구의 단면으로 이어지는 길이(Lc)의 제3 발산 구역으로 구성된다. 급격한 구배의 제1 구역은 유동물의 빠른 원자화를 촉진시키고, 이러한 원자화로부터 나타나는 교환 표면 영역의 증가는, 전체 노즐에서 액체와 기체 사이의 운동량 및 에너지량을 확실하게 전달하게 허용하여, 압력 감소 동안 액체의 원자화와 가속화를 동시에 보장한다. 이러한 형상 및 크기 때문에, 이상성 혼합물은, 노즐에서의 압력 감소 후에 본 발명에 의해 개시된 제어된 입자 크기, 범위 및 체적을 갖는 분무의 형태로 분사될 수 있다.

도 3 및 도 4는 도 2에 따른 회전 다중 노즐 장치를 아래에서 또는 (우)측면에서 바라본 도면이다. 특히, 로터의 회전 축(RX)을 포함하는 단일 평면에 포함되는 벡터 축을 갖는 두 개의 노즐[예를 들어, 벡터 축(AX4 및 AX6)을 갖는 노즐(EJ4 및 AJ6)]을 고려할 때, 로터(ROT)의 회전 축(RX)에 대해 [또는 회전 축(RX)을 포함하는 평면에 대해] 노즐(EJ1, EJ2...EJ6)은 비대칭하게 배치된다. 또한, 이웃하는 노즐은 로터(ROT)의 회전 축(RX)에 대해 각을 이루어 오프셋된다. 이러한 배치는 로터(ROT)의 제어된 회전 효과를 촉진하며, 적셔지게 될 공간을 넘어 연장하는 제트 스윕(jet sweep)을 제공하기도 한다.

이러한 시스템은, 이상성 물/기체 혼합물(약간 압축된 기체)을 분사하기 위한 현존 장치와 비교하여 낮은 물 유량로 작동하기 때문에, 환경적인 면에서 이롭다. 이에 따라, 물 분배를 엄밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 물 소비를 낮출 수도 있다. 그러므로, 이러한 장치는 자연 환경에서 화재를 방지하기 위해 건축물의 외부에서 유리하게 사용될 수도 있다. 물은 임의의 소스 종류(특히, 지하수)로부터 획득될 수 있다. 또한, 물 소비를 최소화하고 장치 입구에 필요한 압력을 증가시키지 않으면서, 넓은 영역에 걸친 습윤 또는 급수 기능을 할 수 있다. 인화성 산업용 표면 등의 기타 환경이 어떠한 의심쩍은 가열 또는 화재로부터 보호될 수도 있다.

본 발명은, 연소 기관을 위한 연료 주입의 최적화, 또는 로켓 엔진용 추진체의 공급/원자화 등, 다른 형태의 적용례에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 대형 화염을 형성하기 위해 (액체 또는 기체) 연료를 분사하기 위한 장치(산업 분야의 예: 유리 제조 노의 버너(burner), 군용 분야의 예: 화염 발사기)를 개량할 수 있다.

또한, 예를 들어 물통 또는 항공기(잠수함, 제트 스키, 비행기 등)의 추진을 위해, 추진 수단과 같은 노즐을 포함하는 차량의 추진용 장치를 사용할 수도 있다.

따라서, 본 발명은 개시된 모든 적용례, 노즐의 사용, 또는 더 일반적으로는 분사 장치의 용도를 넘어 확장된다.

Claims

적어도 이상성인 혼합물을 분사하기 위한 장치이며,

액체(L1) 및 기체(G1)를 위한 하나 이상의 주입구(IN1, IN2)와, 제1 액체/기체 혼합물(MLG1)을 생성하기 위한 분배 챔버(EMD)와, 벡터 축(AX)으로 규정된 주 방향의 제1 액체/기체 혼합물(MLG1)의 분사 노즐(EJ)을 포함하며,

분사 노즐(EJ)은 적어도 노즐의 길이에 걸쳐, 최소 단면, 또는 벡터 축(AX)을 따르는 위치(X)에서의 네크를 포함하는 형상을 갖고, 이러한 형상은 분사 노즐(EJ) 내에 압력 저하를 발생시켜, 분배 챔버로부터 나오는 제1 액체/기체 혼합물(MLG1)을 유동 구조의 방향으로 노즐 출구에서 제2 액체/기체 혼합물(MLG2)로 전환시키며, 제2 액체/기체 혼합물(MLG2)의 분사 범위 및 액적 형태(GOUT)의 액체(L2)의 입자 크기는, 액체(L1) 및 기체(G1)의 질량 유량과 주입구에서의 절대 압력의 함수로서 제어 가능하고,

노즐 입구(IN)는 급격한 구배의 제1 수렴 접근 구역(La) 및 상기 제1 수렴 접근 구역(La)에 이어서 구비된 얕은 구배의 제2 수렴 구역(Lb)을 포함하는, 분사 장치.
제1항에 있어서, 제2 분사 혼합물(MLG2)은 벡터 축(AX)을 따르는 이상성 분무 제트이며, 벡터 축(AX)의 외부로 살포되는 제2 분사 혼합물의 입자 크기, 범위 및 체적은 제어가능한, 분사 장치.
제2항에 있어서, 유화 챔버(EMC)의 주입구에서의 압력은 20 bar 보다 낮고, 분무 제트 속도는 50 m/s 보다 높은, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체(G1) 및 액체(L1)의 주입구는 노즐 입구(IN)의 단면 레벨에서 공통인, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 독립된 벡터 축(AX1, AX2)을 갖는 복수의 분사 노즐(EJ1, EJ2)이 유화 챔버(EMC)의 벽에 배치되는, 분사 장치.
제5항에 있어서, 분배 챔버(EMD)는 고정자(STAT)와 회전 축(RX)을 갖는 로터(ROT) 사이에 위치되며, 로터(ROT)에는 하나 이상의 분사 노즐(EJ, EJ1, EJ2)이 배치되는, 분사 장치.
제6항에 있어서, 하나 이상의 분사 노즐이 고정자(STAT)에 배치되는, 분사 장치.
제6항에 있어서, 분사 노즐(EJ1, EJ2)의 특정 벡터 축(AX1, AX2)은 회전 축(RX)을 포함하는 평면에 대해 로터(ROT)상에 비대칭하게 배치되는, 분사 장치.
제6항에 있어서, 분사 노즐(EJ1, EJ2)의 벡터 축은 회전 축(RX)과 교차하지 않고, 제어된 회전 속도로 로터(ROT)의 회전 작동을 발생시킬 수 있게 배치되는, 분사 장치.
제5항에 있어서, 분사 노즐(EJ1, EJ2)은 제2 액체/기체 혼합물(MLG2)의 입자 크기 또는 범위에 영향을 미치는 다양한 형상을 갖는, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 분사 액체/기체 혼합물(MLG2)의 입자 크기 및 범위의 특성은, 분배 챔버(EMD) 또는 노즐(EJ, EJ1, EJ2)로의 총 입구 압력 및 액체(L1) 및 기체(G1)의 질량 유량과 같은 발생 상태에 의해 제어가능한, 분사 장치.
제11항에 있어서, 목표 입자의 크기 및 범위의 동작 포인트는 상기 노즐(EJ)의 노즐 입구(IN)에서의 발생 상태에 의해 정해지는, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유화 챔버(EMC) 또는 분배 챔버(EMD)는 분할 수단 또는 유화 수단 또는 회전 구동 수단을 포함하는, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 액체(L1)는 물이고 기체(G1)는 압축 공기인, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 액체 또는 복수의 기체 또는 미세 고체 입자가 유화 챔버(EMC)에 주입되는, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 액체를 소비하는 습윤작용으로 화재를 방지하거나, 또는 소화제, 습윤제, 또는 냉각제를 포함할 수 있는 액체(L1) 물을 사용하여 냉각시킴으로써 화재를 방지하기 위한, 화재 진화를 위한, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

- 물 또는 세척제를 포함할 수 있는 액체(L1)에 의한 세척,

- 착색제를 포함하는 액체(L1)에 의한 페인트의 도포,

- 50 내지 150 ㎛의 입자 크기를 갖는 부분적으로 고체 또는 액체인 화학 용제를 포함하는 제2 혼합물(MLG2)에 의한 연마 처리와 같은

표면을 처리하기 위한, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 로켓 엔진용 추진체의 공급 또는 원자화를 위한, 또는 연소 기관을 위한 연료 주입을 위한, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 대형 화염의 형성을 위한 것과 같은 연료 분사를 위한, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐이 차량용 추진 수단인, 분사 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 독립된 벡터 축(AX1, AX2)을 갖는 복수의 분사 노즐(EJ1, EJ2)이 적어도 규정된 범위에 걸쳐 연장되는 분무 유효 영역 또는 체적을 획득하도록 유화 챔버(EMC)의 벽에 배치되는, 분사 장치.
제6항에 있어서, 분사 노즐(EJ1, EJ2)의 특정 벡터 축(AX1, AX2)은 회전 축(RX)에 수직한 평면 아래로 0°내지 90°의 각으로 오프셋되어 배향되는, 분사 장치.