KR101891010B1 - 연료 분사기용 압전 작동체 및 연료 분사기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 연료 분사기(10)를 위한 압전 작동체(30)로서, 길이방향 연장부(32)를 구비하는 압전층 스택(14); 및 상기 압전층 스택(14)을 둘러싸는 절연층(44)을 포함하는, 상기 압전 작동체에 관한 것이다. 상기 절연층(44)은, 상기 압전층 스택(14)과는 반대쪽을 향하고 상기 절연층(44)의 외부 직경(54)을 한정하는 절연층 외부 표면(58)을 구비한다. 나아가, 상기 압전층 스택(14)을 프리로드하는 프리로드 디바이스(46)는 상기 길이방향 연장부(32)를 따라 더 제공되고, 상기 프리로드 디바이스(46)는, 상기 압전층 스택(14) 쪽을 향하고 상기 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)을 한정하는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)을 구비한다. 비-조립된 상태에서, 상기 절연층(44)의 외부 직경(54)은 상기 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)보다 더 크므로, 조립된 상태에서, 상기 절연층(44)이 상기 프리로드 디바이스(46) 내에서 압축된다. 본 발명은 또한 상기 압전 작동체(30)를 구비하는 연료 분사기(10)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료 분사기용 압전 작동체, 및 상기 압전 작동체를 구비하는 연료 분사기에 관한 것이다.
예를 들어, 내연 엔진에서 연료를 계량하여 연소 챔버에 공급하는데 압전 작동체를 구비하는 연료 분사기가 사용된다. 자동차에 배열된 내연 엔진에 요구되는 정밀한 요구조건, 예를 들어, 고도로 특정된 전력 설정 또는 엄격한 오염물 방출 규제를 충족하기 위해 연료 분사기에 의해 연료를 정밀하게 계량하는 것이 매우 중요하다.
이러한 연료 분사기에서는 연료를 분사하기 위해 솔레노이드 드라이브에 더하여 압전 작동체가 사용된다. 디젤의 경우에 계량되는 연료는 빈번히 대략 2000 바(bar) 내지 2500 바의 매우 높은 압력으로 연료 분사기에 공급되고 나서 연료 분사기에 의해 내연 엔진의 각 연소 챔버로 계량 공급되기 때문에 특히 디젤 내연 엔진의 경우에 상기 압전 작동체가 사용된다.
이 연료 분사기에 사용되는 압전 작동체의 효율을 개선시키기 위하여, 상기 압전 작동체는 압전 작동체에 배열된 압전층 스택(piezo layer stack)의 단면에 종속하는 힘으로 프리로드(preloaded)된다. 이 프리로드에 의해, 적절한 내구성이 또한 달성된다. 나아가, 연료가 압전 작동체와 전기 접촉 연결부의 절연을 손상시킬 수 있으므로 압전 작동체는 연료와 접촉하지 않는 것이 유리하다.
도 11 및 도 12는 압전 작동체를 프리로드하고 밀봉하는 알려진 해법을 도시한다.
도 11은 베이스판(16)에 의해 폐쇄된 압전층 스택(14)을 분사기 동체(12)에 배열하는 연료 분사기(10)의 일부 구역을 도시한다. 밀봉을 위하여, 멤브레인(18)이 제공되고 이 멤브레인은 도 11에서 하부에 별도로 도시되고, 화살표(P)로 도시된 바와 같이, 압전층 스택(14)이 배열된 보어(bore)(20)를 환경(22)으로부터 밀봉하는 방식으로 분사기 동체(12)에 용접된다.
베이스판(16)과 압전층 스택(14)은 도 12에 도시된 튜브 스프링(24)에 의해 둘러싸이고, 이 튜브 스프링은 베이스판(16)에 고정 연결되고, 베이스판(16)과 반대쪽에, 헤드 판(26)(미도시)에 고정 연결된다.
도 11 및 도 12에 따른 알려진 연료 분사기 배열에서, 프리로드하는 기능과 밀봉하는 기능의 2개의 기능은 이에 따라 2개의 별개의 부품에 의해 실현된다. 프리로드하는 기능은 튜브 스프링(24)에 의해 수행되는 반면, 밀봉하는 기능은 분사기 동체(12)와 베이스판(16)에 용접된 멤브레인(18)에 의해 수행된다.
그러나, 필요한 작동체 행정(actuator stroke)이 큰 경우에, 예를 들어, 직접 구동되는 노즐 니들을 구비하는 연료 분사기의 경우에, 상기 멤브레인이 부하를 지지하는 능력의 한계가 초과된다. 특히, 유압 간극 보상을 갖는 연료 분사기의 경우에, 압전 작동체와 분사기 동체 사이에 열로 인한 길이 변화의 차이 때문에 준-정적 행정(quasi-static stroke)으로 부하가 발생한다.
나아가, 동작 사이클마다 최대 10개의 분사를 수행하는 분사 시스템이 미래에 요구될 수 있다. 이것은 높은 전기적 손실을 야기하여 압전 작동체의 온도를 상승시킬 수 있다. 그러나, 압전층 스택의 표면의 온도와 압전 작동체의 온도를 최대 허용가능한 온도 아래로 유지하는 것이 중요하다.
그리하여 본 발명의 목적은 전술한 요구조건을 만족하는 개선된 압전 작동체를 제공하는 것이다.
본 목적은 청구항 1의 특징을 구비하는 압전 작동체에 의해 달성된다.
이러한 압전 작동체를 구비하는 연료 분사기는 추가적인 독립 청구항의 주제이다.
본 발명의 유리한 개선은 종속 청구항의 주제이다.
연료 분사기의 압전 작동체는, 길이방향 연장부를 구비하는 압전층 스택, 상기 압전층 스택을 둘러싸는 절연층으로서, 상기 압전층 스택과는 반대쪽을 향하고 상기 절연층의 외부 직경을 한정하는 절연층 외부 표면을 구비하는 상기 절연층, 및 상기 길이방향 연장부를 따라 상기 압전층 스택을 프리로드하는 프리로드 디바이스(preloading device)를 포함하고, 상기 프리로드 디바이스는, 상기 압전층 스택을 향하고 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경을 한정하는 프리로드 디바이스 내부 표면을 구비한다. 비-조립된 상태에서, 상기 절연층의 외부 직경은 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경보다 더 크므로, 조립된 상태에서, 상기 절연층은 상기 프리로드 디바이스 내에서 압축된다.
이 배열에 의해, 상기 프리로드 디바이스와 상기 절연층은 서로 타이트하게 접촉하는 것에 의해, 상기 압전 작동체의 동작 동안 발생하는 동작 열이 절연층과 프리로드 디바이스의 접촉을 통해 환경으로 제거될 수 있다. 상기 절연층의 외부 직경이 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경보다 더 큰 것에 의해, 상기 압전층 스택을 끼워 맞추면(fit) 상기 절연층을 한정된 만큼 압축하여서 상기 프리로드 디바이스 내부 표면과 상기 절연층 외부 표면 사이에 규정된 비율을 형성할 수 있어서, 한정된 열 흐름을 생성할 수 있다.
나아가, 상기 프리로드 디바이스 내에 절연층을 이렇게 한정된 만큼 압축하면 상기 압전층 스택이 상기 프리로드 디바이스 내에 자동적으로 센터링되는 장점을 제공할 수 있다.
상기 프리로드 디바이스는 바람직하게는 제1 단부 구역과 제2 단부 구역을 구비하고 또한 상기 제1 단부 구역과 제2 단부 구역 사이에 연장 구역을 구비하고, 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경은 상기 연장 구역에서보다 상기 2개의 단부 구역들 중 적어도 하나의 단부 구역에서 더 크다. 특히, 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경은, 상기 압전 작동체를 제조하는 동안, 상기 압전층 스택을 상기 프리로드 디바이스로 도입하는 측을 형성하는 상기 연장 구역에서보다 단부 구역에서 더 크다. 프리로드 디바이스와 압전층 스택을 절연층과 함께 끼워 맞추는 동안 절연층이 긁히는(scraping)는 것이 이에 의해 유리하게는 회피된다.
이 때문에, 상기 프리로드 디바이스는 더 큰 내부 직경을 구비하는 적어도 단부 구역에 라운드된 에지(rounded edge)를 구비하는 것이 특히 유리하다. 그러나, 상기 프리로드 디바이스는 특히 바람직하게는 끼워 맞추는 동안 절연층과 접촉하는 모든 구역에 라운드된 에지를 구비한다.
환경으로부터 상기 압전 작동체를 밀봉하기 위하여, 상기 프리로드 디바이스는 상기 압전 작동체의 다른 요소들에 고정 연결되는 것이 유리하다. 이 목적을 위하여, 제1 단부에서 상기 압전층 스택은 유리하게는 상기 압전층 스택을 폐쇄하는 헤드 측을 구비하고 제2 단부에서 상기 압전층 스택을 폐쇄하는 베이스판을 구비하며, 상기 프리로드 디바이스는 바람직하게는 헤드 판과 베이스판에 용접되어 상기 압전층 스택과 상기 절연층을 상기 환경으로부터 밀봉한다.
특히 유리한 개선에서, 3차원 표면 구조물은 상기 절연층 외부 표면에 배열된다. 상기 3차원 표면 구조물에 의해 특히 간단한 방식으로 유리하게 달성될 수 있는 효과는 상기 절연층이 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경보다 더 큰 외부 직경을 구비하도록 절연층을 형성하는 것이다. 바람직하게는 유리하게는 전체 절연층 외부 표면이 아니라 상기 3차원 표면 구조물의 미리 결정된 구역만이 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경보다 더 큰 외부 직경을 구비하는 경우 압전층 스택을 절연층과 프리로드 디바이스에 끼워 맞추는 것이 상당히 간략화될 수 있다. 이것은, 절연층의 외부 직경이 전체적으로 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경보다 더 큰 경우, 상기 압전층 스택을 이 스택을 둘러싸는 상기 절연층과 함께 상기 프리로드 디바이스에 끼워 맞추는데 매우 높은 끼워 맞춤 힘이 발생되어 이 힘을 제일 먼저 극복하여야 하기 때문이다.
예를 들어, 상기 3차원 표면 구조물은 상기 절연층에 리브(rib) 형성된 구조물에 의해 실현될 수 있다. 리브 형성된 구조물의 유리한 예는 특히 바람직하게는 상기 절연층의 외주에 균일하게 분배되어 배열된 길이방향 리브이다. 예를 들어, 3개의 길이방향 리브 또는 4개의 길이방향 리브가 제공될 수 있다.
그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 절연층의 표면 주위로 이어지는 하나 이상의 나선형 리브들이 더 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 길이방향 연장부에 수직인 단면이 다각형으로 형성된 절연층을 제공하는 것을 고려할 수 있다. 여기서 예로는 육각형, 팔각형, 오각형 또는 별-형상의 단면 형태를 포함한다.
압전층 스택을 주변 절연층과 프리로드 디바이스에 특히 유리한 방식으로 끼워 맞춤을 구성하기 위해, 상기 3차원 표면 구조물은 바람직하게는 상기 길이방향 연장부에 수직인 단면으로 테이퍼(taper)지게 형성된다. 이것은 상기 표면 구조물이 유리하게는 상기 압전층 스택으로부터 상기 프리로드 디바이스 쪽으로 가면서 테이퍼지는 것을 의미한다.
상기 절연층의 물질은 바람직하게는 상기 프리로드 디바이스의 물질보다 더 큰 열팽창 계수를 구비한다. 상기 프리로드 디바이스는 특히 유리하게는 강철로 형성된다. 동작 동안, 상기 절연층은 바람직하게는 상기 프리로드 디바이스보다 더 많이 팽창하여, 유리하게는 상기 절연층 외부 표면과 프리로드 디바이스 내부 표면 사이에 접촉 표면을 확대시켜, 열 전달을 유리하게 개선시킬 수 있다.
일례로서, 상기 절연층은 엘라스토머를 사용하여, 예를 들어, 실리콘을 사용하여 형성된다.
상기 절연층은 바람직하게는 열 전도성이고 전기 절연성 물질을 사용하여 형성된다. 이를 위해, 예를 들어, 열 전도성 입자들이 전기 절연 엘라스토머에 매립된다.
또한 예로서, 전기 비전도성 물질로 절연층을 형성하고, 예를 들어, 열 전도성 입자들과 혼합하는 것에 의해 열 전도성인 3차원 표면 구조물을 절연층 상에 끼워 맞추는 것이 가능하다. 이 경우에, 상기 전기 비전도성 절연층은 유리하게는 상기 압전층 스택의 내부 전극과 입자가 원치 않게 접촉하는 것에 의해 전기적 스파크가 일어나는 것을 방지한다. 상기 전기 비전도성 절연층은 바람직하게는 열이 누적되는 것을 회피하기 위하여 3차원 표면 구조물보다 상당히 더 작은 층 두께를 구비한다.
유리하게는, 상기 절연층의 외부 직경으로부터 상기 프리로드 디바이스의 내부 직경까지의 차이는 절연층과 프리로드 디바이스 사이의 압축력이 1 N 내지 25 N, 특히 3 N 내지 20 N, 보다 구체적으로 5 N 내지 10 N의 범위 내에 있는 방식으로 선택된다. 이 힘의 범위 내에서, 주변 절연층을 구비하는 압전층 스택과 프리로드 디바이스를 끼워 맞추는 것이 바람직하게는 상기 압전 작동체의 개별 요소 또는 복수의 요소들을 손상시킬 수 있는 과도한 힘이 발생함이 없이 가능하다.
상기 3차원 표면 구조물과 오버랩되는 프리로드 디바이스 내부 표면의 표면은 바람직하게는 상기 프리로드 디바이스 내부 표면의 최대 50%, 바람직하게는 15% 내지 35%이다. 상기 범위는 특히 실온에서 상기 압전 작동체를 제조하는 공정 동안 바람직하다. 이것은, 상기 압전 작동체의 동작 동안 물질이 가열하여 열 팽창이 일어나는 경우, 충전 양, 그리하여 상기 오버랩되는 표면의 양이 증가되기 때문이다. 유리하게는 상기 압전 작동체의 손상을 회피하기 위하여, 상기 오버랩된 표면은 동작 동안 과충전이 유리하게는 회피되는 방식으로 제조 동안 선택된다.
특히 바람직한 개선에서, 상기 프리로드 디바이스는 상기 길이방향 연장부로 구불구불한(sinuous) 프로파일을 구비하는 지그재그 스프링에 의해 형성된다. 이 경우에, 상기 지그재그 스프링은 상기 압전 스택과 상기 절연층을 둘러싸는 특히 관형 지그재그 스프링이다. 이러한 지그재그 스프링을 제조하는 것은, 예를 들어, 개시 내용이 본 명세서에 포함된 DE 10 2012 212 264 A1에 설명된다. 관형 지그재그 스프링은 유리하게는 상기 관형 지그재그 스프링이 베이스판과 헤드 판에 용접됨과 동시에 상기 길이방향 연장부를 따라 압전 스택을 우수하게 프리로드하는 경우 환경으로부터 특히 우수한 밀봉을 수행할 수 있다.
상기 지그재그 스프링은 여기서 상기 압전층 스택을 향하는 적어도 하나의 제1 지그재그 피크(peak)와, 상기 압전층 스택과는 반대 쪽을 향하는 적어도 하나의 제2 지그재그 피크를 구비하고, 프리로드 디바이스로서 상기 지그재그 스프링의 내부 직경은 상기 제1 지그재그 피크에 의해 한정된다.
연료 분사기는 분사기 니들과 상기 분사기 니들을 구동하는 압전 작동체를 구비한다. 상기 압전 작동체는 여기서 전술한 바와 같이 형성된다.
상기 분사기 니들은 바람직하게는 여기서 상기 압전 작동체에 의해 직접 구동되는데, 다시 말해, 그 사이에 유압 서보 배열 없이 구동된다.
동작 동안 연료를 유리하게 가이드하는 공간이, 바람직하게는 분사기 동체와 상기 압전 작동체의 상기 프리로드 디바이스 사이 상기 연료 분사기에 제공된다. 상기 연료는 특히 바람직하게는 여기서 낮은 압력 구역으로 가이드된다. 그 결과, 예를 들어 상기 분사기 동체와 상기 압전 작동체 사이에 위치된, 설계에 의해 지배되는, 공기 갭을 물질, 즉 연료로 충전하여, 유리한 열적 연결을 실현하는 것에 의해, 상기 압전 작동체의 동작 열을 발산시키는데 기여할 수 있다.
상기 압전 작동체는 상기 압전층 스택이 제일 먼저 대략 2 ㎛ 내지 대략 10 ㎛의 두께의 얇은 패시베이션 층으로 커버되는 방식으로 제조된다. 상기 패시베이션 층은, 예를 들어, 접착 촉진제로 동작할 수 있고, 예를 들어, 실리콘으로 형성된다. 이런 방식으로 패시베이션된 상기 압전층 스택은 이후 상기 3차원 표면 구조물을 미리 결정하는 방식으로 설계된 분사 몰드, 바람직하게는 2-부분 분사 몰드에 놓인다. 상기 분사 몰드는 폐쇄되고 나서, 예를 들어, 이미 전술한 실리콘 또는 절연층 물질로 스프레이된다. 상기 분사 몰드를 특별히 형성하는 것에 의해, 3차원 표면 구조물이 상기 절연층 외부 표면 위에, 예를 들어, 전술한 바와 같이 리브 형성된 구조물로 형성되거나 또는 길이방향 연장부에 수직인 단면이 절연층에서 다각형 형상으로 형성된다.
본 발명의 유리한 개선은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
도 1은 압전 작동체에 의해 구동되는 분사기 니들을 구비하는 연료 분사기를 도시하는 도면;
도 2는 압전층 스택과 절연층과 또한 주변 프리로드 디바이스를 구비하는 도 1의 압전 작동체의 제1 단부 구역의 사시도;
도 3은 도 2의 절연층을 갖는 압전층 스택의 제1 실시예를 도시하는 도면;
도 4는 도 2의 절연층을 갖는 압전층 스택의 제2 실시예를 도시하는 도면;
도 5는 도 2의 절연층을 갖는 압전층 스택의 제3 실시예를 도시하는 도면;
도 6은 6각형 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 7은 팔각형 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 8은 오각형 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 9는 별-형상의 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 10은 우측 구역에 있는 프리로드 디바이스를 제거한 상태의 도 1의 압전 작동체의 정면도;
도 11은 종래 기술의 연료 분사기의 일부 구역을 도시하는 도면; 및
도 12는 종래 기술의 압전 작동체를 프리로드하는 튜브 스프링을 도시하는 도면.
도 2는 압전층 스택과 절연층과 또한 주변 프리로드 디바이스를 구비하는 도 1의 압전 작동체의 제1 단부 구역의 사시도;
도 3은 도 2의 절연층을 갖는 압전층 스택의 제1 실시예를 도시하는 도면;
도 4는 도 2의 절연층을 갖는 압전층 스택의 제2 실시예를 도시하는 도면;
도 5는 도 2의 절연층을 갖는 압전층 스택의 제3 실시예를 도시하는 도면;
도 6은 6각형 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 7은 팔각형 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 8은 오각형 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 9는 별-형상의 단면 형상을 갖는 도 1의 압전 작동체의 길이방향 연장부에 수직인 절연층을 통한 단면 개략도;
도 10은 우측 구역에 있는 프리로드 디바이스를 제거한 상태의 도 1의 압전 작동체의 정면도;
도 11은 종래 기술의 연료 분사기의 일부 구역을 도시하는 도면; 및
도 12는 종래 기술의 압전 작동체를 프리로드하는 튜브 스프링을 도시하는 도면.
도 1은 압전 작동체(30)에 의해 구동되는 분사기 니들(28)을 구비하는 연료 분사기(10)를 도시한다. 압전 작동체(30)는 연료 분사기(10)의 분사기 동체(12)에 수용되고, 분사기 동체(12)를 통해 길이방향 연장부(32)로 연장된다. 압전 작동체(30)와 병렬로, 보어(34)가 분사기 동체(12)에 배열되고, 분사기 니들(28)이 개방되는 동안 이 보어를 통해 연료(36)가 분사기 니들(28)로 가이드되어 내연 엔진의 연소 챔버(미도시)로 분사된다.
압전 작동체(30)의 내부는 다수의 압전 활성 층이 내부 전극 층과 교번하는 방식으로 서로 상하로 스택된 압전층 스택(14)을 구비한다. 내부 전극 층을 통해 압전층 스택(14)에 전압이 인가되면, 압전층의 팽창이 변하여, 길이방향 연장부(32)를 따라 압전 작동체(30)의 길이에 변화를 초래한다. 이것은 행정을 야기하고, 이 행정은 유압적으로 또는 직접 분사기 니들(28)에 전달되어 분사기 니들을 개방하고 이에 의해 보어(34)를 통해 공급되는 연료(36)가 내연 엔진의 연소 챔버에 분사될 수 있다.
압전 작동체(30)의 길이의 변화는 압전 작동체(30)에 동작 열을 생성하고, 이 동작 열은 압전 작동체(30)로부터 제거되어야 한다. 현재 시장에서 사용되고 있는 연료 분사기(10)의 경우, 예를 들어, 디젤 공통 레일 기술의 경우에, 분사기 동체(12), 다시 말해, 작동체 하우징에서 압전층 스택(14)으로부터 열을 제거하는 것은, 동작 사이클마다 분사의 수가 상대적으로 작고 동작 사이클마다 3개의 분사의 범위 내에서 변하기 때문에 특별한 조치 없이 달성될 수 있다. 그러나, 미래의 분사 시스템에서는, 동작 사이클마다 최대 10개의 분사가 실현될 수 있다. 전기적 손실이 이에 비례하여 또한 상승할 수 있고, 온도도 압전 작동체(30)에서 동일한 정도로 상승할 수 있다. 압전층 스택(14)의 표면의 온도를 예를 들어, 170℃의 최대 허용가능한 온도 아래로 유지하기 위해, 분사기 동체(12)의 방향으로 열 흐름을 증가시키는 조치가 요구된다.
그리하여, 도 2에 도시된 해법이 이제 제안된다.
도 2는 도 1의 압전 작동체(30)의 단부 측에서 비스듬히 본 사시도를 도시한다. 절연층(44)이 압전층 스택(14) 주위로 배열되고, 프리로드 디바이스(46)에 의해 둘러싸인다. 도 1에 도시된 바와 같이, 프리로드 디바이스(46)는 지그재그 스프링(48)으로 설계되고, 압전층 스택(14)을 둘러싸는 절연층(44)을 갖는 압전층 스택(14)을 관형으로 둘러싼다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 지그재그 스프링(48)은 헤드 판(26)과 베이스판(16)에 견고히 용접되어, 압전층 스택(14)을 위쪽으로 그리고 아래쪽으로 밀폐한다. 그 결과, 환경(22)으로부터 - 베이스판(16)과 헤드 판(26)을 함께 - 신뢰성 있게 프리로드함과 동시에 밀봉하는 기능이 지그재그 스프링(48)에 의해 실현된다. 지그재그 스프링(48)은 그리하여 2개의 기능, 즉 프리로드하는 기능과 밀봉하는 기능을 수행하여서, 구조적 공간이 제한된 경우에 사용하기에 특히 적절하다. 그 결과, 도 2에 도시된 압전 작동체(30)는 인라인 분사기 개념으로 간단한 방식으로 사용될 수 있고, 여기서 압전 작동체(30)는, 도 1에서 일례로 도시된 바와 같이 분사기 동체(12)에 통합된다. 이용가능한 구조 공간이 이 배열에서는 크게 제한된다.
나아가, 도 2의 배열에서, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 절연층(44)의 외부 직경(54)이 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)보다 더 크기 때문에 분사기 동체(12)의 방향으로 높은 열 흐름이 실현된다.
절연층(44)의 외부 직경(54)은 여기서 압전층 스택(14)과는 반대쪽을 향하는 절연층 외부 표면(58)에 의해 한정되고, 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)은 압전층 스택(14)을 향하는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)에 의해 한정된다.
프리로드 디바이스(46)가 지그재그 스프링(48)에 의해 형성되면, 지그재그 스프링(48)은 압전층 스택(14)을 향하는 복수의 제1 파형 피크(62)와, 압전층 스택(14)과 반대쪽을 향하는 복수의 제2 파형 피크(64)를 구비한다. 이 경우에, 지그재그 스프링(48)의 내부 직경(56)은 제1 파형 피크(62)의 구역에 있는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)에 의해 한정된다.
도 2에 도시된 배열은 구조적 공간 면에서 최적인 프리로드 및 밀봉 해법을 실현하고, 상기 분사기 동체(12)의 방향으로 가능한 한 높은 열 흐름을 보장한다. 이것은, 먼저, 프리로드 기능과 밀봉 기능의 조합이 지그재그 스프링(48)에 의해 실현되고, 이어서, 절연층(44)과 프리로드 디바이스 내부 표면(60), 다시 말해, 주름진 파이프의 내부 측 사이에 접촉 구역(K)을 최적화하는 것에 의해 최대 열 흐름이 달성되기 때문이다.
절연층(44)에 의해 둘러싸인 압전층 스택(14)을 지그재그 스프링(48)에 용이하게 끼워 맞추기 위하여, 절연층(44)은 지그재그 스프링(48)의 내부 직경(56)보다 전체적으로 더 큰 외부 직경(54)을 구비하지 않고, 그 절연층 외부 표면(58)에 3차원 표면 구조물(66)을 구비한다.
상기 3차원 표면 구조물(66)이, 예를 들어, 도 2에 단면도가 도시되고 도 3 및 도 4에 정면도가 도시된, 예를 들어, 리브 형성된 구조물(68)에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 복수의 길이방향 리브(70), 예를 들어, 또한 하나 이상의 나선형 리브(72)가 여기서 절연층(44)에 배열될 수 있다. 언급된 3차원 표면 구조물(66)의 조합도 또한 가능하다.
그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 절연층(44)은, 또한 압전 작동체(30)의 길이방향 연장부(32)에 수직인 단면이 다각형(74)으로 형성될 수 있다. 이것은 도 5에서 상면도로 도시된다. 절연층(44)의 다각형의 단면 형상의 일례는 도 6 내지 도 9에 도시된다. 도 6은 육각형 단면 형상을 도시하고, 도 7은 팔각형 단면 형상을 도시하고, 도 8은 오각형 단면 형상을 도시하고, 도 9는 별-형상의 단면 형상을 도시한다.
그리하여, 절연층(44)이, 예를 들어, 그 표면(76)에, 다시 말해, 그 외주에, 지그재그 스프링(48)의 내부 직경(56)보다 더 큰 외부 직경(54)을 구비하는 리브 형성된 구조물(68)을 구비하는 형상으로, 절연층(44)을 압전층 스택(14)에 형성하는 것에 의해 최대 열 흐름이 획득된다. 이것은, 압전층 스택(14)이 지그재그 스프링(48)에 끼워 맞춰질 때, 절연층(44)을 한정된 만큼 압축하여서 지그재그 스프링 내부 표면(60)과 절연층(44)과의 접촉 표면 사이에 규정된 비율을 형성하는 효과를 제공한다.
도 2에서 더 볼 수 있는 바와 같이, 3차원 표면 구조물(66)은 압전층 스택(14)으로부터 프리로드 디바이스(46) 쪽으로 가면서 길이방향 연장부(32)에 수직인 단면이 테이퍼져 있다. 이에 의해 압전층 스택(14)이 절연층(44)과 프리로드 디바이스(46)에 끼워 맞추는 것이 제공된다.
3차원 표면 구조물(66)은 3차원 표면 구조물(66)과 오버랩된 프리로드 디바이스 내부 표면(60)의 표면(78)이 최대 50%인 방식으로 제공된다. 유리한 범위는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)의 15% 내지 35%에 있다.
내부 직경(56)에 대한 외부 직경(54)의 차이는 절연층(44)과 프리로드 디바이스(46) 사이의 압축력(80)이 1 N 내지 25 N의 범위, 특히 3 N 내지 20 N의 범위에 있는 방식으로 선택된다. 5 N 내지 10 N의 범위가 여기서 특히 유리하다.
오버랩된 표면(78)과 압축력(80)의 값이 한정된 것에 의해, 압전층 스택(14)과 절연층(44)을 프리로드 디바이스(46)에 끼워 맞추는 것이 제일 먼저 수행되고, 이어서, 압전 작동체(30)의 동작 온도가 상승된 경우, 절연층(44)으로부터 프리로드 디바이스(46)에 과도한 힘이 작용하는 것으로 인한 압전 작동체(30)의 개별 요소들의 손상이 방지된다.
압전층 스택(14)과 절연층을 프리로드 디바이스(46)에 끼워 맞추는 것을 더 용이하게 수행하기 위해, 프리로드 디바이스는 단부 구역(82, 84)들 사이에 놓여 있는 연장 구역(86)에서보다 제1 단부 구역(82) 및/또는 제2 단부 구역(84)에 더 큰 내부 직경(56)을 구비하는 것이 유리하다. 다시 말해, 지그재그 스프링(48)이 압전층 스택(14)이 도입되는 측에 확대된 내부 직경(56)을 구비할 때, 끼워 맞추는 동안 절연층(44)이 긁히는 것이 방지될 수 있다.
또한 지그재그 스프링(48)의 경우에, 절연층은, 예를 들어, 종래 기술에서 튜브 스프링(24)을 펀칭하는 경우에 발생하는 것으로 알려진 임의의 날카로운 에지를 구비하지 않기 때문에, 지그재그 피크(62, 64)에 의해 절연층(44)이 손상되는 일이 일어나지 않는다. 그리하여, 또한 단부 구역(82, 84)들 중 적어도 하나의 단부 구역에서만 라운드된 에지(88)가 있는 것이 유리하다.
도 3 내지 도 9는, 절연층(44), 즉 언급된 길이방향 리브(70), 하나 이상의 나선형 리브(72) 또는 다각형 단면 표면(74)의 유리한 실시예를 도시한다. 압축력의 크기는 또한 분사 몰딩의 기하학적 형상을 선택하는 것에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 10은 3차원 표면 구조물(66)이 있는 절연층(44)을 개방해서 보기 위하여 우측 구역에 있는 지그재그 스프링(48)을 제거한 상태의 압전 작동체(30)를 도시한다.
지그재그 스프링(48) 내에 절연층(44)을 압축하는 추가적인 장점은 지그재그 스프링(48) 내에 압전층 스택(14)을 자동적으로 센터링하는 것이다.
일반적으로 강철(92)로 형성된 지그재그 스프링(48)에 비해, 예를 들어, 상기 절연층(44)의 물질이 실리콘(90)으로 형성된 경우, 온도가 상승함에 따라, 이 물질이 통상적으로 더 많이 열 팽창하여, 지그재그 스프링(48)의 내부 공간을 과충전할 수 있기 때문에, 압축력(80)을 구성할 때 압축력이 실온에서 최대 값을 초과하지 않는 것을 보장하도록 주의하여야 한다. 그러나, 다른 한편, 온도가 상승할 때 최대로 가능한 열 전달이 증가하기 때문에 압축력이 증가하는 것이 바람직하다. 압전층 스택(14)의 온도 증가 구배는 온도가 상승함에 따라 감소된다.
압전 작동체(30)를 분사기 동체(12)에 열적으로 결합하는 것을 훨씬 더 개선하기 위하여, 도 1에 도시된 연료 분사기(10)는 분사기 동체(12)와 지그재그 스프링(48) 사이에 공간(94)을 구비하고 이 공간은 동작 동안 낮은 압력 범위에서 연료(36)로 충전된다. 절연층(44)에 사용되는 물질, 대체로 실리콘 엘라스토머는, 낮은 열 전도율을 구비하고, 연료 분사기(10)의 설계에 따라, 절연된 압전층 스택(14)의 표면과 분사기 동체(12) 사이에는 적어도 2개의 공기 갭이 또한 있는데, 이것은 바람직하지 않는 열적 연결을 초래할 수 있다. 예를 들어, 다수의 분사 전략이 - 또한 높은 회전 속력과 부하에서 - 사용될 때, 이것은 충분한 열 흐름이 분사기 동체(12)의 방향으로 달성될 수 없으므로, 절연층(44)의 물질에 허용가능하지 않은 고온을 초래한다. 그러나, 지그재그 스프링(48)과 분사기 동체(12) 사이 공간(94)이 연료(36)로 충전된 경우에는, 동작 동안 열이 전달되는데 매우 불리하게 영향을 미칠 수 있는 공기 갭이 발생하지 않는다.
전체적으로, 이 배열은 압전층 스택(14)이 삽입되고 지그재그 스프링(48)으로 형성된 튜브 스프링(24)의 밀봉하는 기능과 프리로드 기능의 조합에 기초하고, 그 절연층(44)은 지그재그 스프링(48)에 대해 한정된 압축력(80)을 구비한다. 그리하여 압전층 스택(14)의 표면으로부터 지그재그 스프링(48)으로 열 흐름이 증가되어서, 그 결과, 동작 사이클마다 다수 분사하는 경우에도, 절연층(44)과 압전층 스택(14)에 허용가능하지 않은 고온이 방지될 수 있다. 동시에, 압전층 스택(14)은 지그재그 스프링(48) 내에 용이하게 센터링된다.
10: 연료 분사기 12: 분사기 동체
14: 압전층 스택 16: 베이스판
18: 멤브레인 20: 보어(압전층 스택)
22: 환경 24: 튜브 스프링
26: 헤드 판 28: 분사기 니들
30: 압전 작동체 32: 길이방향 연장부
34: 보어(연료) 36: 연료
44: 절연층 46: 프리로드 디바이스
48: 지그재그 스프링 54: 외부 직경
56: 내부 직경 58: 절연층 외부 표면
60: 프리로드 디바이스 내부 표면 62: 제1 지그재그 피크
64: 제2 지그재그 피크 66: 3차원 표면 구조물
68: 리브 형성된 구조물 70: 길이방향 리브
72: 나선형 리브 74: 다각형
76: 표면 78: 오버랩된 표면
80: 압축력 82: 제1 단부 구역
84: 제2 단부 구역 86: 연장 구역
88: 라운드된 에지 90: 실리콘
92: 강철 94: 공간
P: 화살표 K: 접촉 구역
14: 압전층 스택 16: 베이스판
18: 멤브레인 20: 보어(압전층 스택)
22: 환경 24: 튜브 스프링
26: 헤드 판 28: 분사기 니들
30: 압전 작동체 32: 길이방향 연장부
34: 보어(연료) 36: 연료
44: 절연층 46: 프리로드 디바이스
48: 지그재그 스프링 54: 외부 직경
56: 내부 직경 58: 절연층 외부 표면
60: 프리로드 디바이스 내부 표면 62: 제1 지그재그 피크
64: 제2 지그재그 피크 66: 3차원 표면 구조물
68: 리브 형성된 구조물 70: 길이방향 리브
72: 나선형 리브 74: 다각형
76: 표면 78: 오버랩된 표면
80: 압축력 82: 제1 단부 구역
84: 제2 단부 구역 86: 연장 구역
88: 라운드된 에지 90: 실리콘
92: 강철 94: 공간
P: 화살표 K: 접촉 구역
Claims (10)
- 연료 분사기(10)를 위한 압전 작동체(30)로서,
- 길이방향 연장부(32)를 구비하는 압전층 스택(14),
- 상기 압전층 스택(14)을 둘러싸는 절연층(44)으로서, 상기 압전층 스택(14)과는 반대쪽을 향하고 상기 절연층(44)의 외부 직경(54)을 한정하는 절연층 외부 표면(58)을 구비하는, 상기 절연층(44), 및
- 상기 길이방향 연장부(32)를 따라 상기 압전층 스택(14)을 프리로드하는 프리로드 디바이스(preloading device)(46)를 포함하되,
상기 프리로드 디바이스(46)는, 상기 압전층 스택(14)을 향하고 상기 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)을 한정하는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)을 구비하고,
비-조립된 상태에서, 상기 절연층(44)의 상기 외부 직경(54)은 상기 프리로드 디바이스(46)의 상기 내부 직경(56)보다 더 크므로, 조립된 상태에서, 상기 절연층(44)은 상기 프리로드 디바이스(46) 내에서 압축되고,
상기 프리로드 디바이스(46)는 제1 단부 구역(82)과 제2 단부 구역(84), 그리고 또한 상기 제1 단부 구역과 제2 단부 구역(82, 84) 사이에 연장 구역(86)을 구비하고, 상기 프리로드 디바이스(46)의 상기 내부 직경(56)은 상기 연장 구역(86)에서보다 상기 2개의 단부 구역(82, 84) 중 적어도 하나의 단부 구역에서 더 큰 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30). - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 프리로드 디바이스(46)는 더 큰 내부 직경(56)을 구비하는 적어도 상기 단부 구역(82, 84)에서 라운드된 에지(88)를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30).
- 연료 분사기(10)를 위한 압전 작동체(30)로서,
- 길이방향 연장부(32)를 구비하는 압전층 스택(14),
- 상기 압전층 스택(14)을 둘러싸는 절연층(44)으로서, 상기 압전층 스택(14)과는 반대쪽을 향하고 상기 절연층(44)의 외부 직경(54)을 한정하는 절연층 외부 표면(58)을 구비하는, 상기 절연층(44), 및
- 상기 길이방향 연장부(32)를 따라 상기 압전층 스택(14)을 프리로드하는 프리로드 디바이스(preloading device)(46)를 포함하되,
상기 프리로드 디바이스(46)는, 상기 압전층 스택(14)을 향하고 상기 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)을 한정하는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)을 구비하고,
비-조립된 상태에서, 상기 절연층(44)의 상기 외부 직경(54)은 상기 프리로드 디바이스(46)의 상기 내부 직경(56)보다 더 크므로, 조립된 상태에서, 상기 절연층(44)은 상기 프리로드 디바이스(46) 내에서 압축되고,
3차원 표면 구조물(66)이 상기 절연층 외부 표면(58)에 배열된 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30). - 제4항에 있어서, 상기 3차원 표면 구조물(66)은 리브(rib) 형성된 구조물(68)에 의해 그리고/또는 상기 절연층(44)의 표면(76) 주위로 이어지는 적어도 하나의 나선형 리브(72)에 의해, 그리고/또는 상기 길이방향 연장부(32)에 수직인 단면이 다각형(74)으로 형성된 절연층(44)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30).
- 제4항에 있어서, 상기 3차원 표면 구조물(66)은 상기 압전층 스택(14)으로부터 상기 프리로드 디바이스(46) 쪽으로 가면서 상기 길이방향 연장부(32)에 수직인 단면이 테이퍼지게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30).
- 연료 분사기(10)를 위한 압전 작동체(30)로서,
- 길이방향 연장부(32)를 구비하는 압전층 스택(14),
- 상기 압전층 스택(14)을 둘러싸는 절연층(44)으로서, 상기 압전층 스택(14)과는 반대쪽을 향하고 상기 절연층(44)의 외부 직경(54)을 한정하는 절연층 외부 표면(58)을 구비하는, 상기 절연층(44), 및
- 상기 길이방향 연장부(32)를 따라 상기 압전층 스택(14)을 프리로드하는 프리로드 디바이스(preloading device)(46)를 포함하되,
상기 프리로드 디바이스(46)는, 상기 압전층 스택(14)을 향하고 상기 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)을 한정하는 프리로드 디바이스 내부 표면(60)을 구비하고,
비-조립된 상태에서, 상기 절연층(44)의 상기 외부 직경(54)은 상기 프리로드 디바이스(46)의 상기 내부 직경(56)보다 더 크므로, 조립된 상태에서, 상기 절연층(44)은 상기 프리로드 디바이스(46) 내에서 압축되고,
상기 절연층(44)의 외부 직경(54)으로부터 상기 프리로드 디바이스(46)의 내부 직경(56)까지의 차이는 절연층(44)과 프리로드 디바이스(46) 사이의 압축력(80)이 1 N 내지 25 N의 범위에 있는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30). - 제4항에 있어서, 상기 3차원 표면 구조물(66)에 의해 오버랩된 상기 프리로드 디바이스 내부 표면(60)의 표면(78)은 상기 프리로드 디바이스 내부 표면(60)의 최대 50%인 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30).
- 제1항, 제4항, 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리로드 디바이스(46)는 상기 길이방향 연장부(32)의 방향으로 구불구불한(sinuous) 프로파일을 구비하는 지그재그 스프링(48)에 의해 형성되고, 상기 지그재그 스프링(48)은 상기 압전층 스택(14)과 상기 절연층(44)을 둘러싸는 관형 지그재그 스프링(48)인 것을 특징으로 하는 압전 작동체(30).
- 분사기 니들(28)과 상기 분사기 니들(28)을 구동하는 압전 작동체(30)를 포함하는 연료 분사기(10)로서, 상기 압전 작동체(30)는 제1항, 제4항, 제7항 중 어느 한 항의 압전 작동체로 형성된, 연료 분사기(10).
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