KR101902818B1

KR101902818B1 - 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터

Info

Publication number: KR101902818B1
Application number: KR1020170095534A
Authority: KR
Inventors: 손민; 이건웅; 송우석; 구자예
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2018-10-01

Abstract

젤 연료용 회전 핀틀 인젝터가 개시되며, 본 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터는 상하 방향을 축으로 회전 가능하게 고정되는 핀틀 로드 및 상기 핀틀 로드의 하부에 형성되는 핀틀 팁을 포함하는 핀틀부; 연료가 공급되는 연료매니폴드가 상기 핀틀 로드의 외주를 따라 형성되도록 상기 핀틀 로드를 간격을 두고 둘러싸며, 상하 이동이 가능한 슬리브; 상기 핀틀 로드와 상하 방향에 대하여 미리 설정된 허용 범위 내에서 이동 가능하도록 연결되고, 상기 슬리브와 상하 방향에 대하여 이동 연동하고 회전 방향에 대하여 상호 불구속하도록 연결되는 구동력 전달부; 상기 구동력 전달부에 회전 구동력을 전달하도록 상기 구동력 전달부와 선택적으로 결합되는 구동력 제공부; 상기 연료매니폴드에 연료를 공급하고 상기 구동력 전달부와 상기 슬리브 사이에 형성되어 연료 주입시 형성되는 연료압력에 의해 상기 구동력 전달부를 상향으로 가압하는 압력챔버; 및 산화제가 공급되는 산화제매니폴드가 상기 슬리브의 외주를 따라 형성되도록 상기 슬리브를 간격을 두고 둘러싸는 아우터 바디를 포함하되, 상기 구동력 전달부는 상기 구동력 제공부와 결합된 상태에서 상기 핀틀 로드와 회전 방향에 대하여 회전 연동하도록 연결된다.

Description

젤 연료용 회전 핀틀 인젝터{ROTATING PINTLE INJECTOR FOR GEL FUELS}

본원은 친환경 젤 연료와 같은 젤 연료용의 회전 핀틀 인젝터에 관한 것이다.

지대공 유도무기 및 요격용 유도미사일의 자세제어를 위한 자세제어용 추력 시스템은 빠른 반응 속도와 높은 추력성능을 요구하나 기존의 고출력 액체 연료는 독성 자발점화 연료이고, 최근에는 친환경 연료의 사용이 이슈로 대두되고 있다.

그런데, 기존의 친환경 추진제는 별도의 점화원이 필요한 추진제가 대부분이며 이는 빠른 펄스 기동에는 적합하지 않아 친환경 자발점화 추진제의 사용이 필요하다. 비자발점화 추진제의 자발점화 유도를 위해서는 연료에 반응성 입자가 첨가될 수 있으나, 반응성 입자가 일반적인 액체 연료에 첨가되는 경우 액체 연료의 장기간 보관시, 반응성 입자가 바닥에 가라앉게 되므로, 반응성 입자의 고른 분포가 이루어지기 어렵다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해, 별도의 젤화제를 추가하여 액체 연료를 젤화시키는 경우 높은 점도에 의해 반응성 입자가 고르게 분포될 수 있고, 반응성 입자의 고른 분포가 장시간 유지될 수 있다.

즉, 젤 연료는 높은 점도를 기반으로 저장성을 높이고 반응성 입자를 고르게 분포시켜 비자발성 연료를 자발점화가 가능하게 하며, 추력을 증가시시키 위한 별도의 금속입자를 첨가하여 기존의 액체연료보다 추력성능을 높인 연료라 할 수 있다. 이러한 젤 연료는 상기 특징들로 인해 국방 분야에서 주로 활용될 가능성이 있으나, 보관성을 높이고 입자 분포를 고르게하는 젤 연료의 장점인 높은 점도가 분사시에는 미립화 성능을 크게 낮추는 단점으로 작용한다. 다시 말해, 젤화된 높은 점도의 젤 연료는 인젝터로 분사시에 미립화가 어렵고 이에 따라 산화제와의 고른 혼합이 어려워 낮은 연소효율과 반응시간을 보이는 단점이 있다.

이를 개선하기 위해, 젤 연료의 점도를 낮출 경우, 저장성이 저하되고, 첨가된 입자의 균일성이 감소할 수 있으므로, 저장 시에는 높은 점도를 갖게 하지 분사시에는 점도를 낮추게 하는 방안이 요구된다. 또한, 국방 분야의 유도 무기 시스템의 자세제어용 인젝터는 반응 속도가 빠르고 on-off가 가능한 특징을 가져야 한다. 따라서, 상기 두 가지 이슈를 해결할 수 있는 인젝터가 필요하다.

본원의 배경이 되는 기술은 등록특허공보 제 10-1615291호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 젤 연료의 미립화 성능을 높일 수 있고 빠른 추력 제어도 가능한 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터는, 상하 방향을 축으로 회전 가능하게 고정되는 핀틀 로드 및 상기 핀틀 로드의 하부에 형성되는 핀틀 팁을 포함하는 핀틀부; 연료가 공급되는 연료매니폴드가 상기 핀틀 로드의 외주를 따라 형성되도록 상기 핀틀 로드를 간격을 두고 둘러싸며, 상하 이동이 가능한 슬리브; 상기 핀틀 로드와 상하 방향에 대하여 미리 설정된 허용 범위 내에서 이동 가능하도록 연결되고, 상기 슬리브와 상하 방향에 대하여 이동 연동하고 회전 방향에 대하여 상호 불구속하도록 연결되는 구동력 전달부; 상기 구동력 전달부에 회전 구동력을 전달하도록 상기 구동력 전달부와 선택적으로 결합되는 구동력 제공부; 상기 연료매니폴드에 연료를 공급하고 상기 구동력 전달부와 상기 슬리브 사이에 형성되어 연료 주입시 형성되는 연료압력에 의해 상기 구동력 전달부를 상향으로 가압하는 압력챔버; 및 산화제가 공급되는 산화제매니폴드가 상기 슬리브의 외주를 따라 형성되도록 상기 슬리브를 간격을 두고 둘러싸는 아우터 바디를 포함하되, 상기 구동력 전달부는 상기 구동력 제공부와 결합된 상태에서 상기 핀틀 로드와 회전 방향에 대하여 회전 연동하도록 연결될 수 있다.

본원의 제2 측면에 따른 엔진은, 본원의 제1 측면에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터를 포함할 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 연료 주입시 압력챔버에 형성되는 연료압력에 의해 구동력 전달부가 상향 이동됨으로써, 구동력 전달부와 구동력 제공부가 결합되어 구동력 제공부에 회전 구동력이 제공되어 구동력 제공부 및 핀틀 로드는 회전할 수 있다. 이에 따라, 연료매니폴드 내의 젤 연료에 핀틀 로드의 회전에 의한 전단응력이 전달되어 젤 연료는 요변성(thixotropy)으로 인해 점도(viscosity)가 낮아질 수 있으며, 젤 연료가 점도가 낮아져 연소실로 분사됨으로 인해, 연소실에 젤 연료는 빠르게 미립화될 수 있다.

또한, 구동력 전달부의 상향 이동에 의해, 슬리브의 상향 이동이 이루어져 제1 분사 출구 및 제2 분사 출구가 개도될 수 있다. 이에 따르면, 연료 공급 조절만으로 개도가 on-off될 수 있고, 연료 공급만으로 이동시켜 슬리브를 상향 이동시킴으로써, 개도 및 추력을 제어할 수 있는 핀틀 인젝터가 구현될 수 있다.

즉, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 젤 연료 사용에 최적화되어 젤 연료의 단점을 보완하면서 젤 연료의 장점을 활용할 수 있고, 반응 속도가 빠르며 개도의 on-off가 이루어지는 핀틀 인젝터의 장점을 활용할 수 있는 핀틀 인젝터가 구현될 수 있다.

도 1은 구동력 전달부가 하측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 단면도이다.
도 2는 구동력 전달부가 상측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 단면도이다.
도 3은 구동력 전달부가 상측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 일부를 절개한 절개 사시도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결" 또는 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상측, 상단, 하측 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설정한 것이다. 예를 들면, 도 1에서 보았을 때 전반적으로 12시 방향이 상측, 전반적으로 12시 방향을 향하는 단부가 상단, 전반적으로 6시 방향이 하측 등이 될 수 있다. 다만, 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 실제적인 적용에 있어서, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터는 그 필요에 따라 도면에 도시된 상태 이외에도 다양하게 방향 및 위치에 대하여 배치될 수 있을 것이다.

본원은 점도가 높아 미립화 및 혼합이 어려웠던 젤 연료(친환경 젤 연료)의 단점을 개선시켜, 젤 연료의 미립화 성능을 높일 수 있고 빠른 추력제어도 가능한 젤 연료용 핀틀 인젝터를 제안하고자 한다.

이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터(이하 '본 핀틀 인젝터'라 함)에 대하여 설명한다.

도 1은 구동력 전달부가 하측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 단면도이고, 도 2는 구동력 전달부가 상측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 단면도이며, 도 3은 구동력 전달부가 상측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터의 일부를 절개한 절개 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 핀틀부(1)를 포함한다. 핀틀부(1)는 상하 방향을 축으로 회전 가능하게 고정되는 핀틀 로드(11) 및 핀틀 로드(11)의 하부에 형성되는 핀틀 팁(12)을 포함한다. 또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 핀틀 로드(11)를 지지하는 핀틀 지지대(18)를 포함할 수 있다. 핀틀 로드(11)는 핀틀 지지대(18)를 통과하며 배치될 수 있다. 핀틀 로드(11)의 외주면과 핀틀 지지대(18)의 내주면 사이 중 일부에는 핀틀 베어링(14)이 배치될 수 있다. 핀틀 베어링(14)은 핀틀 로드(11)의 회전은 허용하되 핀틀 로드(11)의 상하 방향 이동은 제한할 수 있다. 또한, 핀틀 로드(11)의 외주면과 핀틀 지지대(18)의 내주면 사이 중 다른 일부에는 백업링(15)이 구비될 수 있다. 이러한 백업링(15)은 핀틀 베어링(14)과 동일한 구속 조건(핀틀 로드(11)의 회전은 허용하되 핀틀 로드(11)의 상하 방향 이동은 제한하는 조건)으로 설치될 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 슬리브(2)를 포함한다. 슬리브(2)는 연료가 공급되는 연료매니폴드(21)가 핀틀 로드(11)의 외주를 따라 형성되도록 핀틀 로드(11)를 간격을 두고 둘러싼다. 또한, 도 1을 참조하면, 슬리브(2)는 핀틀 지지대(18)를 통과하며 배치될 수 있다. 슬리브(2)의 외주면과 핀틀 지지대(18)의 내주면 사이 중 일부에는 슬리브오링(16)이 배치될 수 있다. 또한, 자세히 후술하겠지만, 슬리브(2)는 상하 이동이 가능하다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 연료매니폴드(21)에 연료를 공급하고 후술하는 구동력 전달부(3)와 슬리브(2) 사이에 형성되는 압력챔버(5)를 포함한다. 압력 챔버(5)는 연료 주입구(59)를 통해 연료를 주입받아 연료매니폴드(21)에 공급할 수 있다. 예시적으로, 압력 챔버(5)와 연료매니폴드(21)를 연결하는 연결 수송관(57)이 슬리브(2)를 통과하며 형성될 수 있다. 예시적으로, 본 핀틀 인젝터에 있어서, 연료는 젤 연료일 수 있다. 또한, 젤 연료는 자발 점화를 유도할 수 있는 높은 반응성 입자(NaBH4, LiAlH4 등)를 포함할 수 있다. 또한, 젤 연료는 보관 시에 높은 점도로 보관되어 반응성 입자가 균일하게 혼합된 것일 수 있다. 이러한 젤 연료는 본 핀틀 인젝터에 의해, 분사 직전에 점도가 낮춰지게 되어 분사 시에도 고르게 분포된 반응성 입자를 포함한 상태로 분사되면서도 분사 이후에 미립화가 촉진될 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 산화제가 공급되는 산화제매니폴드(61)가 슬리브(2)의 외주를 따라 형성되도록 슬리브(2)를 간격을 두고 둘러싸는 아우터 바디(6)를 포함한다. 산화제매니폴드(61)는 산화제 주입구(69)를 통해 연료를 주입받을 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 노즐(92) 및 연료와 산화제가 분사되는 연소실(91)을 형성하는 추력실(9)을 포함할 수 있다. 연소실(91)에는 연료매니폴드(21) 및 산화제매니폴드(92) 각각으로부터 후술할 제1 분사 출구(22) 및 제2 분사 출구(62) 각각을 통해 연료 및 산화제 각각이 분사될 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 구동력 전달부(3)를 포함한다. 예시적으로, 구동력 전달부(3)는 압력 디스크(33)(자세히 후술함) 및 압력 디스크(33)로부터 하측 방향으로 연장 형성되는 구동력 전달 로드(32)를 포함할 수 있다. 참고로, 도 1을 참조하면, 구동력 전달 로드(32)의 외주면과 하단브라켓(55)의 내주면 사이에는 에너자이드실(44)이 구비될 수 있다. 또한, 압력챔버(5)는 하단브라켓(55)과 압력디스크(33) 사이에 형성될 수 있다.

또한, 구동력 전달부(3)는 핀틀 로드(11)와 상하 방향에 대하여 미리 설정된 허용 범위 내에서 이동 가능하도록 연결된다. 다시 말해, 구동력 전달부(3)는 핀틀 로드(11)에 대해 상대적 상하 이동이 가능하도록 핀틀 로드(11)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 핀틀 로드(11)의 상부에는 구동력 전달 로드(32)의 하부가 삽입되는 삽입구(111)가 형성될 수 있다. 또한, 구동력 전달 로드(32) 의 하부가 삽입구(111)로부터 이탈되는 것이 방지되도록, 구동력 전달 로드(32)의 하부에는 삽입구(111)의 내주면 중 상면(112)에 걸림되는 턱(31)이 형성될 수 있다. 삽입구(111)의 상하 방향 깊이는 턱(31)이 미리 설정된 허용 범위 내에서 삽입구(111) 내에서 상하 이동 가능하도록 설정될 수 있다. 이에 따라, 구동력 전달부(3)는 미리 설정된 허용 범위 내에서 상하 방향으로 이동 가능하다.

또한, 도 1을 참조하면, 구동력 전달부(3)는 슬리브(2)와 상하 방향에 대하여 이동 연동하고 회전 방향에 대하여 상호 불구속하도록 연결된다. 예시적으로, 도 1을 참조하면, 슬리브(2)의 상단은 구동력 전달부(3)의 구동력 전달 로드(32)의 외주면 중 일부를 둘러쌀 수 있고, 슬리브(2)의 상단과 구동력 전달 로드(32)의 외주면 사이에는 슬리브 베어링(29)이 구비될 수 있다. 슬리브 베어링(29)에 의해, 슬리브(2)는 구동력 전달부(3)와 상하 방향에 대하여 이동 연동하고 회전 방향에 대하여 상호 불구속하도록 연결 될 수 있다.

상술한 바에 따르면, 구동력 전달부(3)의 상하 이동시, 슬리브(2)는 연동되어 상하 이동될 수 있고, 핀틀 로드(11)는 연동되지 않을 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 구동력 제공부(4)를 포함한다. 도 1 및 도 2를 비교하여 보면, 구동력 제공부(4)는 구동력 전달부(3)에 회전 구동력을 전달하도록 구동력 전달부(3)와 선택적으로 결합된다. 다시 말해, 구동력 제공부(4)와 구동력 전달부(3)는 선택적으로 결합되며, 구동력 제공부(4)와 구동력 전달부(3)의 결합이 이루어지면, 구동력 전달부(3)는 구동력 제공부(4)로부터의 회전 구동력을 제공받을 수 있고, 회전될 수 있다. 예시적으로, 도 1을 참조하면, 모터(49)는 회전력을 발생시켜 구동력 제공부(4)를 회전시킬 수 있다. 구동력 전달부(3)가 구동력 제공부(4)와 결합되면 구동력 전달부(3)는 토크를 전달 받아 회전될 수 있다.

예시적으로, 구동력 제공부(4)는 클러치디스크(41)를 포함할 수 있다. 또한, 구동력 제공부(4)는 클러치 디스크와 모터(49)를 연결하는 모터 연결 로드(45)를 포함할 수 있다. 또한, 압력 디스크(33)는 클러치디스크(41)와 대향하도록 배치될 수 있다. 결합 상태에서 클러치디스크(41)와 압력디스크(33)는 상호 회전 연동되도록 클러치 결합될 수 있다. 즉, 도 1을 참조하면, 모터(49)는 회전력을 발생시켜 이를 구동력 제공부(4)에 전달하여 클러치디스크(41)를 회전시킬 수 있다. 또한, 클러치디스크(41)는 압력디스크(33)에 토크를 전달하고 결과적으로 구동력 전달부(3)가 회전될 수 있다. 참고로, 클러치 결합은 회전체와 대상체를 연결하여 토크를 전달하는 것으로서, 이는 통상의 기술자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 참고로, 모터 연결 로드(45)의 외주면과 상단 브라켓(56)의 내주면 사이에는 에너자이드실(44)이 구비될 수 있다.

또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, 구동력 전달부(3)는 구동력 제공부(4)와 결합된 상태에서 핀틀 로드(11)와 회전 방향에 대하여 회전 연동하도록 연결된다. 예를 들어, 구동력 전달부(3)는 구동력 제공부(4)와 결합된 상태에서 핀틀 로드(11)와 연동되도록 클러치 결합될 수 있다. 예시적으로, 구동력 전달 로드(32)의 턱(31)의 상면과 삽입구(111)의 내면 중 상면(112)은 클러치 결합될 수 있다. 이에 따라, 구동력 전달 로드(32)의 상측 방향으로의 이동에 의해 턱(31)의 상면은 삽입구(111)의 내면 중 상기 상면(112) 측으로 이동되어 상기 상면(112)과 클러치 결합될 수 있다.

이와 같이, 구동력 전달부(3)가 구동력 제공부(4)와 결합된 상태에서 핀틀 로드(11)와 회전 방향에 대하여 회전 연동하도록 연결됨으로써, 구동력 제공부(4)에 의해 구동력 전달부(3)가 회전되면 핀틀 로드(11)는 회전될 수 있다.

또한, 예시적으로 구동력 제공부(4)와 구동력 전달부(3)의 선택적 결합은 이하와 같이 이루어질 수 있다.

도 1을 참조하면, 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4) 사이에는 갭 공간(7)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 클러치디스크(41)와 압력디스크(33) 사이에 갭 공간(7)이 형성될 수 있다. 또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, 압력챔버(5)는 연료 주입시 형성되는 연료압력에 의해 구동력 전달부(3)를 상향으로 가압한다. 구체적으로, 압력챔버(5)는 연료 주입시 형성되는 연료압력에 의해 압력디스크(33)를 상향으로 가압할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 압력챔버(5)에 의한 연료압력이 갭 공간(7)의 압력보다 상대적으로 커짐으로 인해 구동력 전달부(3)는 미리 설정된 허용 범위 내에서 최상단 이동되어 구동력 제공부(4)에 결합되어 결합 상태를 가질 수 있다.

정리하면, 도 2를 참조하면, 압력챔버(5) 내의 연료압력이 갭 공간(7)의 압력보다 커지면 압력 평형을 위해 압력디스크(33)는 상향 이동될 수 있고, 압력디스크(22)는 상향 이동되어 구동력 제공부(4)의 클러치 디스크(41)와 상호 회전 연동되도록 클러치 결합될 수 있다. 예시적으로, 압력챔버(5) 내로 갭 공간(7)의 압력보다 높은 압력으로 연료가 주입될때, 압력디스크(33)의 상향 이동이 이루어질 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 구동력 전달부(3)의 상향 이동에 의해 구동력 전달부(3)와 상하 방향에 대하여 이동 연동하는 슬리브(2)는 상향 이동될 수 있다. 슬리브(2)의 상향 이동시 핀틀부(1) 및 아우터 바디(6)의 상향 이동은 이루어지지 않으므로, 슬리브(2)는 핀틀부(1) 및 아우터 바디(6)에 대하여 상대적으로 상향 이동하게 될 수 있다. 이에 따라, 슬리브(2)와 핀틀 팁(12) 사이에 연료매니폴드(21)와 연결되는 제1 분사 출구(22)가 개구될 수 있고, 슬리브(2)의 하부와 아우터 바디(6) 사이에 산화제매니폴드(61)와 연결되는 제2 분사 출구(62)가 개구될 수 있다.

따라서, 구동력 전달부(3)의 최상단 이동에 따른 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4)가 결합된 결합 상태에서는, 핀틀 팁(12)과의 사이에 연료매니폴드(21)와 연결되는 제1 분사 출구(22) 및 슬리브(2)의 하부와의 사이에 산화제매니폴드(61)와 연결되는 제2 분사 출구(62)가 개구될 수 있다.

즉, 도 2를 참조하면, 압력챔버(5)로 연료가 유입되면서 형성되는 압력챔버(5)에 의한 연료압력이 갭 공간(7)의 압력보다 상대적으로 커짐에 따라, 구동력 전달부(3)는 상향 이동되어 구동력 제공부(4)와 결합될 수 있으며, 슬리브(2)는 구동력 전달부(3)의 상향 이동과 연동되어 상향 이동될 수 있으며, 제1 분사 출구(22) 및 제2 분사 출구(62)는 개구될 수 있다. 또한, 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4)가 결합되면 모터(49)는 동작하여 구동력 제공부(4)를 회전시킬 수 있다.

이에 따라, 도 2를 참조하면, 구동력 전달부(3) 및 핀틀 로드(11)는 구동력 제공부(4)로부터 제공되는 회전 구동력에 의해 회전될 수 있고, 압력챔버(5)로부터 연료매니폴드(221)로 유입되는 연료는 회전되는 핀틀 로드(11)에 의해 전단응력을 작용 받을 수 있으며, 전단 응력을 작용 받은 연료는 제1 분사 출구(22)를 통해 연소실(91)로 분사될 수 있다.

일반적으로, 요변성(thixotropy)을 갖는 젤 연료는 저장된 상태에서는 높은 점도로 미립화가 어려우나, 높은 전단응력(shear stress)를 받으면 점도가 낮아지는 특성을 갖는다. 이에 따라, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 연료가 젤 연료인 경우, 연료매니폴드(221) 내의 젤 연료는 전단응력의 작용으로 인한 요변성으로 인해 점도(viscosity)가 낮아질 수 있으며, 점도가 낮아져 제1 분사 출구(22)를 통해 연소실(91)로 분사될 수 있고, 연소실(91)에서 낮은 점성으로 인해 빠르게 미립화될 수 있다. 즉, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 분사 직전에 연료매니폴드(221) 내에서 젤 연료의 점도가 낮아져 연소실(91)로 분사될 수 있으므로, 젤 연료의 미립화가 가속될 수 있어 젤 연료의 단점이 개선될 수 있다.

또한, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 핀틀 로드(11)가 개도가 열렸을때(제1 분사 출구(22) 및 제2 분사 출구(62)가 개구되었을 때) 회전될 수 있다.

또한, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 핀틀부(1)는 결합 상태에서 핀틀 로드(11)의 회전에 의한 전단 응력이 연료매니폴드 내(21)의 연료에 전달되도록, 핀틀 로드(11)의 외주로부터 외측으로 돌출되는 믹서 유닛(13)을 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 믹서 유닛(13)은 핀틀 로드(11)로부터 연장되는 연장 부재(132) 및 연장 부재(132)로부터 분기되는 복수의 분기 부재(131)를 포함할 수 있다. 분기 부재(131)에 의해, 분기 전보다 연료매니폴드(21) 내의 연료와의 접촉면적이 증가될 수 있다. 분기 부재(131)에 의해 분기 부재(131)가 형성되지 않는 경우에 비해 연료매니폴드(21) 내의 연료와 믹서 유닛(13)의 접촉 면적이 증가될 수 있어, 연료에 작용하는 전단 응력이 증가될 수 있다. 즉, 본 핀틀 인젝터에 있어서, 믹서 유닛(13)은 연료에 대한 전단응력의 작용을 최대화하기 위해 단면적이 넓은 H 형상(도 1 및 도 2 참조)을 가질 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적으로, 분기 부재(131)는 연장 부재(132)로부터 상향 분기되는 부재와 연장 부재로부터 하향 분기되는 부재를 포함할 수 있다.

분기 부재(131)가 상하 방향으로 분기됨으로써, 연료매니폴드(21)를 따라 상측에서 하측 방향으로 이동되는 연료의 흐름에 대한 믹서 유닛(13)의 간섭 및 저항이 줄어들면서 연료와 믹서 유닛(13)의 접촉 면적이 향상될 수 있다.

또한, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 핀틀 팁(12)은, 핀틀 로드(11)의 회전과 연동되는 그의 회전에 의한 원심력이 제1 분사 출구(22)를 통해 연소실(91)로 공급되는 연료에 작용되도록 연소실(91)을 향해 제1 분사 출구(22)보다 돌출 형성될 수 있다.

이에 따라, 제1 분사 출구(22)를 통해 연소실(91)로 공급되는 연료에 핀틀 팁(12)의 원심력이 작용될 수 있어, 연료의 미립화가 더욱 촉진될 수 있다. 즉, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 연료가 연료매니폴드(21) 내에서 회전하는 믹서 유닛(13)의 전단응력을 전달받아 점도가 낮아질 수 있고, 점도가 낮아진 연료가 연소실(91)로 공급될 수 있어 연소실(91)에서의 연료의 미립화 속도가 종래 대비 향상될 수 있다. 그에 더해, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 점도가 낮아져 연소실(91)로 공급된 연료에 핀틀 팁(12)에 의한 원심력까지 작용될 수 있으므로, 종래 대비 향상될 수 있는 연료의 미립화 속도가 보다 더 촉진될 수 있다.

연료가 젤 연료인 경우, 연소실(91)로 분사된 연료는 균일하게 첨가된 고반응성 입자의 영향으로 제2 분사 출구(62) 통해 분사된 산화제와 충돌 후 혼합되어 빠르게 자발점화(auto ignition)가 진행될 수 있다. 점화된 혼합물은 연소실(91)에서 연소되어 팽창 후 압력을 생성하고 노즐(92)을 통해 배출되며 추력을 발생시킬 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 압력챔버(5)에 의한 연료압력이 갭 공간(7)의 압력보다 상대적으로 작아짐으로 인해 구동력 전달부(3)는 미리 설정된 허용 범위 내에서 최하단 이동되어 구동력 제공부(4)로부터 결합 해제되는 분리 완료 상태를 가질 수 있다.

도 1을 참조하면, 분리 완료 상태에서는, 핀틀 팁(12)과의 사이에 연료매니폴드(21)와 연결되는 제1 분사 출구(22) 및 슬리브(2)의 하부와의 사이에 산화제매니폴드(61)와 연결되는 제2 분사 출구(62)가 폐쇄될 수 있다.

도 1을 참조하면, 압력챔버(5)에 대한 연료 공급 압력을 차단하면, 압력챔버(5)의 압력이 갭 공간(7)의 압력보다 낮아질 수 있고, 이에 따라, 구동력 전달부(3)는 하향 이동되어 최하단 이동될 수 있으며, 이 과정에서 압력디스크(33)와 클러치디스크(41)가 분리될 수 있고, 슬리브(2)가 하향 이동되어 제1 분사 출구(22)와 제2 분사 출구(62)는 폐쇄될 수 있으며, 빠르게 연소 과정이 종료될 수 있다.

정리하면, 분리 완료 상태에서는 제1 분사 출구(22)와 제2 분사 출구(62)는 폐쇄되며 연소 과정이 종료될 수 있다. 또한, 구동력 제공부(4)와 구동력 전달부(3)의 결합이 해제된 상태이므로, 구동력 전달부(3) 및 핀틀 로드(11)에 대한 구동력 제공부(4)의 구동력 제공은 단절될 수 있다.

또한, 참고로, 제2 분사 출구(62)의 폐쇄시, 슬리브(2)와 아우터 바디(6)는 선형 접촉될 수 있다. 상기 선형 접촉을 위해, 아우터 바디(6)에는 제2 분사 출구(62)의 폐쇄시 슬리브(2)와 선형 접촉되는 환형 돌기(63)가 내측으로 돌출 형성될 수 있다.

또한, 본 핀틀 인젝터는 갭 공간(5)에 압력이 형성되도록 유체를 주입하는 유체 주입구(8)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 유체 주입구(8)는 상기 분리 완료 상태시에 일정한 압력이 갭 공간(5)에 형성되게 하여 구동력 전달부(3)에 하향 압력을 가해 구동력 전달부(3)의 상향 이동을 방지함으로써 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4)의 분리 상태를 유지할 수 있고, 이를 통해, 모터(49)가 동작하더라도 핀틀 로드(11)가 회전하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 분리 완료 상태시에 갭 공간(5)에 일정한 압력이 형성됨으로써, 구동력 전달부(3) 및 슬리브(2)가 최하단 하향 이동된 상태가 유지될 수 있으므로, 제1 분사 출구(22) 및 제2 분사 출구(62)의 개구가 방지될 수 있다.

또한, 유체 주입구(8)를 통해 유체의 유출입이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 압력챔버(5)에 의한 연료압력이 갭 공간(7)의 압력보다 상대적으로 커짐으로 인해 구동력 전달부(3)가 상측으로 이동되면, 갭 공간(7) 내의 유체 중 적어도 일부가 유체 주입구(8)를 통해 밀려나갈 수 있고, 압력챔버(5)에 의한 연료압력이 갭 공간(7) 내의 유체압력보다 상대적으로 작아지면 유체 주입구(8)를 통해 유체가 갭 공간(7) 내로 유입될 수 있으며, 구동력 전달부(3)는 미리 설정된 허용 범위 내에서 최하단 이동될 수 있다.

또한, 도면에는 자세히 도시되지 않았지만, 갭 공간(7)은, 상기 결합 상태에서도 유체 주입구(8)로부터 유체를 주입받아 그 내부에 압력 형성 가능하도록 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4)의 결합이 유지되는 범위 내에서 형성될 수 있다. 다시 말해, 결합 상태에서도 갭 공간(7)은 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4)의 결합이 유지되는 범위 내에서 형성될 수 있으며, 유체 주입구(8)는 결합 상태에서의 갭 공간(7)에 대한 유체의 주입이 가능하도록 결합 상태에서의 갭 공간(7)과 연결되게 형성될 수 있다. 이에 따라, 압력챔버(5)에 의한 연료압력이 작아지기 시작하면, 갭 공간(7) 내로 유체가 유입되며 갭 공간(7)의 압력이 점차 커지며 상하 방향으로의 간격을 확장시킬 수 있다. 참고로, 결합 상태에서의 갭 공간(7) 형성은 압력디스크(33) 및 클러치디스크(41)의 클러치 결합에 의해 형성될 수 있다.

또한, 갭 공간(7)에 주입되는 유체는, 구동력 제공부(4) 및 구동력 전달부(3)의 회전에 대한 댐핑 작용을 하는 댐핑 유체일 수 있다. 이러한 댐핑 유체의 댐핑 작용에 따라, 구동력 전달부(3)는 그와 구동력 제공부(4)의 결합이 이루어지고 모터(49)가 동작되기 시작한 후 바로 미리 설정된 설계 속도에 도달하는 것이 아니라, 회전 속도가 점차적으로 증가되면서 소정 시간 경과 후에 미리 설정된 설계 속도에 도달하는 회전이 이루어질 수 있고, 구동력 전달부(3)는 모터(49)의 동작 멈춤 이후 바로 회전을 멈추는 것이 아니라, 회전 속도가 점차적으로 느려지면서 소정 시간 경과 후에 회전을 완전히 멈출 수 있다. 구체적으로, 구동력 전달부(3)는 구동력 제공부(4)와 결합된 후 모터(49)가 동작하면 구동력 전달부(3)로부터 구동력을 전달받아 회전되는데, 갭 공간(7)에 댐핑 유체가 주입되므로, 구동력 전달부(3)의 회전시 구동력 전달부(3)에는 갭 공간(7)의 댐핑 유체에 의한 유체 저항이 작용될 수 있다. 이에 따라, 모터(49)의 동작으로부터 소정 시간 이내에는 구동력 전달부(3)의 회전 속도가 미리 설정된 설계 속도보다 작을 수 있으며, 시간에 따라 속도가 점차 증가하여 소정 시간 이후에 미리 설정된 설계 속도에 도달하게 될 수 있다. 또한, 모터(49)의 동작이 중단되면, 갭 공간(7)의 댐핑 유체에 의해 구동력 전달부(3)는 회전을 급격하게 멈추는 것이 아니라, 유체 저항에 의해, 속도가 서서히 감소되며 소정 시간 이후에 회전을 멈출 수 있다.

또한, 댐핑 유체에 의하면 윤활 효과가 발휘될 수 있다. 구동력 전달부(3)의 회전시, 구동력 전달부(3)와 구동력 제공부(4) 사이에서는 마찰이 발생할 수 있는데, 댐핑 유체에 의해 마찰력이 감소할 수 있다.

종래의 인젝터는 고정된 형상으로서, 분사 출구의 면적 제어만 이루어지므로 단순한 추력 제어만 가능했다. 반면에, 본 핀틀 인젝터는 추력 제어뿐만 아니라, 상술한 바와 같이, 젤 연료의 요변성(thixotropic characteristic)을 이용하여 미립화 성능을 개선하였다. 이에 따라, 젤 연료의 단점이 개선될 수 있다.

또한, 종래의 젤 연료용 인젝터는 젤 연료의 미립화가 어렵기 때문에 주로 높은 속도로 연료와 산화제를 충돌시켜 분열 및 혼합을 유도하는 충돌식(impinging type) 인젝터였다. 반면에, 본 핀틀 인젝터는 젤 연료의 요변성을 이용하여 젤 연료에 전단 응력을 전달해 젤 연료의 점도를 낮추고, 점도가 낮아진 젤 연료를 연소실로 분사하여 젤 연료의 미립화를 촉진시킬 수 있으므로, 지대공 유도무기 및 요격용 유도미사일의 빠른 자세제어를 위해서는 종래의 충돌식 인젝터에 비해 빠른 반응 속도를 확보할 수 있다.

또한, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 핀틀 팁(12)에 의해 연소실(9) 내의 젤 연료에 원심력이 작용될 수 있어, 연소실(9) 내에서의 젤 연료의 미립화가 더욱 촉진될 수 있다.

또한, 본 핀틀 인젝터에 의하면, 연료 공급 조절만으로 개도를 on-off할 수 있다. 다시 말해, 연료 공급 조절만으로 제1 분사 출구(22) 및 제2 분사 출구(62)를 개구 및 폐쇄시킬 수 있으며, 제1 분사 출구(22) 및 제2 분사 출구(62)가 개구되었을 때 핀틀이 회전하도록 제어할 수 있다. 즉, 본 핀틀 인젝터는 연료 공급만으로 압력디스크(33)를 이동시켜 슬리브(2)를 상향 이동시킴으로써, 개도 및 추력을 제어할 수 있다. 이에 따라, 본 핀틀 인젝터는 젤 연료의 단점을 보완하면서 젤 연료의 장점을 확보함에 더해, 핀틀 인젝터의 장점인 빠른 반응 속도와 개도의 on-off가 가능한 특징을 확보할 수 있다.

상술한 바에따르면, 본 핀틀 인젝터는 기존의 젤 연료의 장점을 유지하면서 단점을 개선시킨 분사 장치로써 빠른 추력 반응속도, 높은 추력을 요하는 국방분야에 응용될 수 있을 것이다.

또한, 본원은 상술한 본 핀틀 인젝터를 포함하는 엔진을 제공할 수 있다. 예시적으로, 본원의 엔진은 로켓 엔진일 수 있으며, 이는 본원이 속하는 분야의 통상의 기술자에게 자명한 구성이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 핀틀부
11: 핀틀 로드
111: 삽입구
112: 삽입구의 내면 중 상면
12: 핀틀 팁
13: 믹서 유닛
131: 분기 부재
132: 연장 부재
14: 핀틀 베어링
15: 백업링
16: 슬리브오링
18: 핀틀 지지대
2: 슬리브
21: 연료매니폴드
22: 제1 분사 출구
3: 구동력 전달부
31: 턱
32: 구동력 전달 로드
33: 압력 디스크
4: 구동력 제공부
41: 클러치 디스크
44: 에너자이드실
45: 모터 연결 로드
49: 모터
5: 압력챔버
55: 하단브라켓
56: 상단브라켓
57: 연결 수송관
59: 연료 주입구
6: 아우터 바디
61: 산화제매니폴드
62: 제2 분사 출구
69: 산화제 주입구
63: 환형 돌기
7: 갭 공간
8: 유체 주입구
9: 추력실
91: 연소실
92: 노즐

Claims

핀틀 인젝터에 있어서,
상하 방향을 축으로 회전 가능하게 고정되는 핀틀 로드 및 상기 핀틀 로드의 하부에 형성되는 핀틀 팁을 포함하는 핀틀부;
연료가 공급되는 연료매니폴드가 상기 핀틀 로드의 외주를 따라 형성되도록 상기 핀틀 로드를 간격을 두고 둘러싸며, 상하 이동이 가능한 슬리브;
상기 핀틀 로드와 상하 방향에 대하여 미리 설정된 허용 범위 내에서 이동 가능하도록 연결되고, 상기 슬리브와 상하 방향에 대하여 이동 연동하고 회전 방향에 대하여 상호 불구속하도록 연결되는 구동력 전달부;
상기 구동력 전달부에 회전 구동력을 전달하도록 상기 구동력 전달부와 선택적으로 결합되는 구동력 제공부;
상기 연료매니폴드에 연료를 공급하고 상기 구동력 전달부와 상기 슬리브 사이에 형성되어 연료 주입시 형성되는 연료압력에 의해 상기 구동력 전달부를 상향으로 가압하는 압력챔버; 및
산화제가 공급되는 산화제매니폴드가 상기 슬리브의 외주를 따라 형성되도록 상기 슬리브를 간격을 두고 둘러싸는 아우터 바디를 포함하되,
상기 구동력 전달부는 상기 구동력 제공부와 결합된 상태에서 상기 핀틀 로드와 회전 방향에 대하여 회전 연동하도록 연결되며,
상기 구동력 전달부와 상기 구동력 제공부 사이에는 갭 공간이 형성되고,
상기 압력챔버에 의한 연료압력이 상기 갭 공간의 압력보다 상대적으로 커짐으로 인해 상기 구동력 전달부가 상기 미리 설정된 허용 범위 내에서 최상단 이동되어 상기 구동력 제공부에 결합되는 결합 상태에서는, 상기 핀틀 팁과의 사이에 상기 연료매니폴드와 연결되는 제1 분사 출구 및 상기 슬리브의 하부와의 사이에 상기 산화제매니폴드와 연결되는 제2 분사 출구가 개구되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 압력챔버에 의한 연료압력이 상기 갭 공간의 압력보다 상대적으로 작아짐으로 인해 상기 구동력 전달부가 상기 미리 설정된 허용 범위 내에서 최하단 이동되어 상기 구동력 제공부로부터 결합 해제되는 분리 완료 상태에서는, 상기 핀틀 팁과의 사이에 상기 연료매니폴드와 연결되는 제1 분사 출구 및 상기 슬리브의 하부와의 사이에 상기 산화제매니폴드와 연결되는 제2 분사 출구가 폐쇄되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 구동력 제공부는 클러치디스크를 포함하고
상기 구동력 전달부는 상기 클러치디스크와 대향하도록 배치되는 압력디스크를 포함하며,
상기 결합 상태에서, 상기 클러치디스크와 상기 압력디스크는 상호 회전 연동되도록 클러치 결합되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 구동력 전달부는 상기 결합 상태에서 상기 핀틀 로드와 상호 회전 연동되도록 클러치 결합되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 갭 공간에 압력이 형성되도록 유체를 주입하는 유체 주입구를 더 포함하는, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제6항에 있어서,
상기 갭 공간에 주입되는 유체는, 상기 구동력 제공부 및 상기 구동력 전달부의 회전에 대한 댐핑 작용을 하는 댐핑 유체인 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제6항에 있어서,
상기 갭 공간은, 상기 결합 상태에서도 상기 유체 주입구로부터 유체를 주입받아 그 내부에 압력 형성 가능하도록 상기 구동력 전달부와 상기 구동력 제공부의 결합이 유지되는 범위 내에서 형성되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 핀틀부는 상기 결합 상태에서 상기 핀틀 로드의 회전에 의한 전단 응력이 상기 연료매니폴드 내의 연료에 전달되도록, 상기 핀틀 로드의 외주로부터 외측으로 돌출되는 믹서 유닛을 포함하는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제9항에 있어서,
상기 믹서 유닛은 상기 핀틀 로드로부터 연장되는 연장 부재 및 상기 연장 부재로부터 분기되는 복수의 분기 부재를 포함하고,
상기 분기 부재에 의해, 분기 전보다 상기 연료매니폴드 내의 연료와의 접촉면적이 증가되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제10항에 있어서,
상기 분기 부재는 상기 연장 부재로부터 상향 분기되는 부재와 상기 연장 부재로부터 하향 분기되는 부재를 포함하는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 핀틀 팁은, 상기 핀틀 로드의 회전과 연동되는 그의 회전에 의한 원심력이 상기 제1 분사 출구를 통해 연소실로 공급되는 연료에 작용되도록 상기 연소실을 향해 상기 제1 분사 출구보다 돌출 형성되는 것인, 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터
제1항에 따른 젤 연료용 회전 핀틀 인젝터를 포함하는 엔진.