KR20030068564A - 초음파 연속 유동 연료 분사 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 연속 유동 연료 분사 장치 및 방법 Download PDF

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KR20030068564A
KR20030068564A KR10-2003-7008462A KR20037008462A KR20030068564A KR 20030068564 A KR20030068564 A KR 20030068564A KR 20037008462 A KR20037008462 A KR 20037008462A KR 20030068564 A KR20030068564 A KR 20030068564A
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pressurized liquid
chamber
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KR10-2003-7008462A
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제임슨리케이.
코헨버나드
깁슨라마히쓰
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/34—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations

Abstract

연속 연료 연소기 내로의 액체 연료의 분사를 위한 초음파 연속 유동 장치와, 오리피스로부터 출발하는 가압된 액체 연료로의 초음파 에너지의 인가에 의해 연속 유동 연료 연소기를 개선시키는 방법이 개시되어 있다. 이 장치는 가압된 액체를 수용하도록 된 챔버를 부분적으로 한정하는 분사기 또는 다이 하우징과, 가압된 액체의 일부에 초음파 에너지를 인가하는 수단을 포함한다. 출구 오리피스는 입구 공동을 통해 챔버로부터 가압된 액체를 수용하여 하우징의 외부로 액체를 통과시키도록 되어 있다. 초음파 에너지를 인가하는 수단이 여기될 때, 이는 다이 팁을 기계적으로 진동시키지 않고 가압된 액체에 초음파 에너지를 인가한다.

Description

초음파 연속 유동 연료 분사 장치 및 방법{ULTRASONICALLY ENHANCED CONTINUOUS FLOW FUEL INJECTION APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 초음파 연속 유동 연료 분사 시스템에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 연료 분사 과정으로의 초음파 에너지의 적용에 의해 연속 유동 연료 연소기를 개선시키는 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 장치의 일 실시예의 개략 단면도이다.
도2는 예시 초음파 장치를 이용하여 대기로 분사된 물 플룸(water plume)에서의 액적의 힘 또는 충격량을 측정하는 데 사용되는 장치의 설명도이다.
도3, 도4, 도5 및 도6은 액체의 질량 유동 당 충격력 대 거리의 그래프이다.
도7은 어떠한 초음파도 인가되지 않은 제2 디젤 연료의 연소 스프레이의 설명도이다.
도8은 증가된 원추각을 나타내는 초음파가 인가된 제2 디젤 연료의 유사한 연소 스프레이의 설명도이다.
본 발명은 연속 연소기 내로 연료를 분사하기 전 가압된 액체 연료의 일부로의 초음파 에너지의 인가에 의해 가압된 액체 연료를 분사하는 초음파 장치 및 방법을 제공한다. 이러한 연소기의 예로는 가장용 및 산업용 퍼니스, 보일러, 가마, 소각로 추진 출력 가스 터빈 그리고 고정물, 선박 또는 항공기를 포함하는 샤프트 출력 가스 터빈이 포함되지만, 이에 제한되지 않는다.
이 장치는 가압된 액체 연료를 수용하도록 된 챔버와, 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가하는 수단을 부분적으로 한정하는 분사기 하우징(이하, 다이 하우징)을 포함한다. 다이 하우징은 가압된 액체 연료를 수용하도록 된 챔버와, 챔버에 가압된 액체 연료를 공급하도록 된 입구와, 분사기 팁(이하, 다이 팁으로도 불림)과, 다이 팁의 벽에 의해 한정되고 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 다이 하우징의 외부로 액체 연료를 통과시키도록 된 출구 오리피스를 포함한다. 입구 공동도 다이 팁의 벽에 의해 한정된다. 입구 공동은 챔버로부터 직접 액체 연료를 수용하여 출구 오리피스로 이 연료를 통과시킨다. 초음파 에너지를 인가하는 수단은 입구 공동에 근접하여 챔버 내에 위치되고, 예컨대 침지된 초음파 혼일 수 있다. 본 발명에 따르면, 초음파 에너지를 인가하는 수단은 어떠한 기계적 진동 에너지도 다이 팁(즉, 출구 오리피스를 한정하는 다이 팁의 벽)으로 인가되지 않는 방식으로 챔버 내에 위치된다.
초음파 연료 분사기 장치의 일 실시예에서, 다이 하우징은 제1 단부 및 제2 단부를 가질 수 있고 출구 오리피스는 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 제1 축을 따라 가압된 액체 연료를 통과시킨다. 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가하는 수단은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 초음파 혼이다. 혼은 초음파 에너지에 의해 여기될 때 노드 및 길이 방향 기계 여기축을 갖도록 되어 있다. 혼은 그 제1 단부가 다이 하우징 외측에 위치되고 제2 단부가 챔버 내에서 다이 하우징 내측에 위치되며 입구 공동에 근접하여 있고 길이 방향 기계 여기축을 따라 입구 공동의 중심축과 실질적으로 정렬되는 방식으로 다이 하우징의 제2 단부 내에 위치된다. 혼은 바람직하게는 노드에서 다이 하우징에 고정된다. 대신에, 혼의 제1 및 제2 단부 모두는 다이 하우징 내측에 위치될 수 있다.
초음파 혼의 길이 방향 여기축은 제1 축과 실질적으로 평행할 것이다. 나아가, 혼의 제2 단부는 다이 하우징 내의 입구 공동으로의 개구를 한정하는 면적을 둘러싸는 최소 면적과 대략 동일하거나 그보다 큰 단면적을 가질 것이다. 이러한 배치 구성은 입구 공동 내에 담긴 액체 저장조 내로 초음파 에너지를 집중하는 것으로 여겨진다.
초음파 연료 분사기 장치는 혼의 제1 단부에 결합된 진동기 수단을 갖는 초음파 혼을 가질 수 있다. 진동기 수단은 압전 변환기 또는 자기 왜곡 변환기일 수 있다. 이 변환기는 혼에 직접 또는 긴 도파관에 의해 결합될 수 있다. 긴 도파관은 1:1 내지 약 1:1.5의 비율이 다수의 적용 분야에서 일반적이지만 임의의 원하는 입력:출력 기계 여기 비율을 가질 수 있다. 초음파 에너지는 다른 주파수가 고려될 수 있지만 일반적으로 약 15 ㎑ 내지 약 500 ㎑의 주파수를 가질 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 초음파 혼은 부분적으로 또는 전체적으로 자기 왜곡 재료로 구성될 수 있다. 혼은 자기 왜곡 재료 내로 신호를 유도하여 초음파 주파수로 진동시킬 수 있는 코일(이는 액체 내에 침지될 수 있음)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이러한 경우에, 초음파 혼은 동시에 변환기이면서 액체 연료에 초음파 에너지를 인가하는 수단일 수 있다.
이 장치는 가압된 액체 연료를 수용하도록 된 챔버와, 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가하는 수단을 부분적으로 한정하는 다이 하우징을 포함한다. 다이 하우징은 가압된 액체 연료를 수용하도록 된 챔버와, 챔버에 가압된 액체 연료를 공급하도록 된 입구와, 다이 팁과, 다이 팁의 벽에 의해 한정되고 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 다이 하우징의 외부로 연료를 통과시키도록 된 출구 오리피스(또는 복수개의 출구 오리피스)를 포함한다.
챔버와 출구 오리피스 사이에 배치되어 다이 팁의 벽에 의해 한정되는 입구 공동이 있다. 입구 공동은 공동으로부터 수용된 연료를 위한 저장조로서 역할을한다. 입구 공동은 초음파 에너지가 향하는 초점으로서도 역할을 한다. 입구 챔버로부터, 초음파 에너지의 인가에 의해 여기된 연료는 출구 오리피스로 통과된다.
일반적으로 말하면, 초음파 에너지를 인가하는 수단은 챔버 내에 위치된다. 예컨대, 초음파 에너지를 인가하는 수단은 침지된 초음파 혼일 수 있다. 본 발명에 따르면, 초음파 에너지를 인가하는 수단은 어떠한 기계적 진동 에너지도 다이 팁(즉, 출구 오리피스를 한정하는 다이 팁의 벽)으로 인가되지 않는 방식으로 챔버 내에 위치된다.
본 발명의 일 실시예에서, 다이 하우징은 제1 단부 및 제2 단부를 가질 수 있다. 다이 하우징의 일단부는 다이 팁을 형성하거나 대신에 교환 가능한 다이 팁을 수용한다. 어느 경우에도, 다이 팁은 입구 공동과, 입구 공동으로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 제1 축을 따라 가압된 액체 연료를 통과시키도록 된 출구 오리피스를 한정하는 벽을 갖는다. 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가하는 수단은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 초음파 혼이다. 혼은 초음파 에너지에 의해 여기될 때 노드 및 길이 방향 기계 여기축을 갖도록 되어 있다. 혼은 그 제1 단부가 다이 하우징 외측에 위치되고 제2 단부가 챔버 내에서 다이 하우징 내측에 위치되며 다이 팁 내의 입구 공동의 개구에 근접하여 있는 방식으로 다이 하우징의 제2 단부 내에 위치되고 그 노드에서 체결된다.
초음파 혼의 길이 방향 여기축은 제1 축과 실질적으로 평행할 것이다. 나아가, 혼의 제2 단부는 길이 방향 기계 여기축을 따라 입구 공동의 중심축과 실질적으로 정렬되고 다이 하우징 내의 입구 공동으로의 개구를 한정하는 면적을 둘러싸는 최소 면적과 대략 동일하거나 그보다 큰 단면적을 가질 것이다. 초음파 에너지에 의해 여기될 때, 초음파 혼은 입구 공동 내의 가압된 액체 연료에 초음파 에너지를 인가하지만 다이 팁 자체의 벽에 또는 출구 오리피스에 진동 에너지를 전달하지 않도록 되어 있다. 에너지는 챔버 내의 액체 연료에 인가되지만 대부분의 에너지는 입구 공동 내에 담긴 액체 연료의 저장조 내로 향하고 다이 팁 또는 출구 오리피스 자체에 영향을 주지 않는다.
본 발명은 혼의 제1 단부에 결합된 진동기 수단을 갖는 초음파 혼의 사용을 고려하고 있다. 진동기 수단은 압전 변환기 또는 자기 왜곡 변환기일 수 있다. 이 변환기는 혼에 직접 또는 긴 도파관에 의해 결합될 수 있다. 긴 도파관은 1:1 내지 약 1:1.5의 비율이 다수의 적용 분야에서 일반적이지만 임의의 원하는 입력:출력 기계 여기 비율을 가질 수 있다. 초음파 에너지는 다른 주파수가 고려될 수 있지만 일반적으로 약 15 ㎑ 내지 약 500 ㎑의 주파수를 가질 것이다.
본 발명의 실시예에서, 초음파 혼은 부분적으로 또는 전체적으로 자기 왜곡 재료로 구성되고 자기 왜곡 재료 내로 신호를 유도하여 초음파 주파수로 진동시킬 수 있는 코일(이는 액체 내에 침지될 수 있음)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이러한 경우에, 초음파 혼은 동시에 변환기이면서 다성분 액체 연료에 초음파 에너지를 인가하는 수단일 수 있다.
본 발명의 일 태양에서, 출구 오리피스는 약 2.54 ㎜(0.1 인치) 미만의 직경을 가질 수 있다. 예컨대, 내지 약 0.00254 ㎜(0.0001 인치) 내지 약 2.54 ㎜(0.1 인치)의 직경을 가질 수 있다. 추가 예로서, 출구 오리피스는 약 0.0254 ㎜(0.001인치) 내지 약 0.254 ㎜(0.01 인치)의 직경을 가질 수 있다. 입구 공동은 약 3.2 ㎜(0.125 인치)의 직경을 갖고 출구 오리피스로 안내되는 수렴 통로에서 종료될 수 있다. 통로는 제1 축과 일치되는 중심축으로부터 측정될 때 약 30˚수렴부를 구비한 절두 원추형 벽을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 출구 오리피스는 단일 출구 오리피스 또는 복수개의 출구 오리피스일 수 있다. 출구 오리피스는 출구 모세관일 수 있다. 출구 모세관은 약 4:1 내지 약 10:1의 길이 대 직경 비율(L/D 비율)을 가질 수 있다. 물론, 출구 모세관은 4:1 미만 또는 10:1 초과의 L/D 비율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이 장치는 액체 연료의 스프레이를 발생시키도록 되어 있다. 예컨대, 이 장치는 액체 연료의 분무화된 스프레이를 발생시키도록 되어 있을 수 있다. 대신에 및/또는 부가로, 이 장치는 액체 연료의 균일한 원추형 스프레이를 발생시키도록 되어 있을 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 이 장치는 가압된 다성분 액체 연료를 유화시키도록 되어 있을 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 출구 오리피스는 자정 작용을 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 이 장치는 가압된 액체를 공동화시키도록 되어 있을 수 있다.
이 장치 및 방법은 액체 연료 연소기를 위한 연료 분사기에서 사용될 수 있다. 예시 연소기로는 보일러, 가마, 산업용 및 가정용 퍼니스, 소각로가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다. 이 장치 및 방법은 불연속 유동 내연 기관(예컨대, 왕복 피스톤 가솔린 및 디젤 기관)을 위한 연료 분사기에서 사용될 수 있다.
이 장치 및 방법은 연속 유동 기관(예컨대, 스털링 사이클 열기관 및 가스터빈 기관)을 위한 연료 분사기에서 사용될 수도 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 액체 연료 첨가물 및 오염물뿐만 아니라 다성분 액체 연료를 유화시키는 데 사용될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "액체(liquid)" 또는 "액체 연료(liquid fuel)"는 가스와 고체 사이의 중간에 있는 비정질(비결정질) 형태의 연료 재료를 말하며, 여기에서 분자는 가스에서보다 훨씬 더 그리고 고체에서보다 훨씬 덜 집중되어 있다. 액체는 단성분을 갖거나 다성분으로 구성될 수 있다. 예컨대, 액체의 특성은 인가된 힘의 결과로서 유동되는 능력이다. 힘이 인가될 때 즉시 유동되고 인가된 힘에 정비례하는 액체는 일반적으로 뉴튼 액체라고 불린다. 일부의 액체는 힘이 인가되어 비뉴튼 유동 성질을 나타낼 때 비정상 유동 응답을 갖는다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "노드(node)"는 초음파 에너지에 의해 여기될 때 혼의 어떠한 길이 방향 운동도 일어나지 않는 초음파 혼의 길이 방향 여기축 상의 지점을 의미한다. 노드는 종종 이 명세서에서뿐만 아니라 당업계에서 노드 지점(nodal point)으로 불린다.
용어 "근접(close proximity)"은 단지 정량적 의미로만 여기에서 사용된다. 즉, 이 용어는 초음파 에너지를 인가하는 수단이 입구 공동(vestibular cavity) 내에 담긴 액체(예컨대, 가압된 액체 연료)의 저장조에 주로 초음파 에너지를 인가하기 위해 입구 공동의 개구에 충분히 근접한 것을 의미하는 데 사용된다. 이 용어는 입구 공동으로부터 특정 거리를 한정하는 의미로 사용되지 않는다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "기본적으로 구성되는"은 주어진 조성물 또는 제품의 원하는 특성에 상당히 영향을 주지 않는 추가 재료의 존재를 배제하지 않는다. 이러한 종류의 예시 재료로는 안료, 항산화제, 안정제, 계면 활성제, 왁스, 유동 촉진제, 용매, 미립자 그리고 조성물의 가공성을 향상시키도록 첨가된 재료가 포함된다.
일반적으로 말하면, 본 발명의 장치는 다이 하우징과, 가압된 액체 연료(탄화수소 오일, 탄화수소 유제, 알코올, 연소 가능한 슬러리, 현탁액 등)의 일부에 초음파 에너지를 인가하는 수단을 포함한다. 다이 하우징은 가압된 액체를 수용하도록 된 챔버와, 챔버에 가압된 액체를 공급하도록 된 입구(예컨대, 입구 오리피스)와, 챔버로부터 가압된 액체를 수용하여 다이 하우징의 출구 오리피스로 액체를 통과시키도록 된 출구 오리피스(예컨대, 압출 출구)를 부분적으로 한정한다. 초음파 에너지를 인가하는 수단은 챔버 내에 위치된다. 예컨대, 초음파 에너지를 인가하는 수단은 챔버 내에 부분적으로 위치될 수 있거나 챔버 내에 전체적으로 위치될 수 있다.
이제, 도1을 참조하면, 연속 연소기 내로 가압된 액체 연료를 분사하는 예시 장치가 반드시 일정한 비례일 필요는 없지만 도시되어 있다. 이 장치(100)는 가압된 액체 연료를 수용하도록 된 챔버(104)를 부분적으로 한정하는 다이 하우징(102)을 포함한다. 다이 하우징(102)은 제1 단부(106) 및 제2 단부(108)를 갖는다. 다이 하우징(102)은 또는 챔버(104)에 가압된 액체 연료를 공급하도록 된 입구(110)(예컨대, 입구 오리피스)를 갖는다. 다이 하우징(102)의 제1 단부(106)는 다이 팁(136)에서 종료될 수 있다. 다이 팁(136)은 제1 단부(106) 내에 형성될 수 있거나 대신에 도시된 바와 같은 별도의 상호 교환 가능한 구성 요소를 포함할 수 있다. 출구 오리피스(112)(이는 압출 오리피스로도 불릴 수도 있음)는 다이 팁(136) 내에 위치되고, 챔버(104)로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 궁극적으로 제1 축(114)을 따라 다이 하우징(102)의 외부로 연료를 통과시키도록 되어 있다. 입구 공동(142)도 다이 팁(136) 내에 위치되고 챔버(104)와 출구 오리피스(112) 사이에 배치된다. 입구 공동은 출구 오리피스(112)에 직접 연결될 수 있거나 이 2개가 통로(144)를 통해 상호 연결될 수 있다.
초음파 혼(116)은 다이 하우징(102)의 제2 단부(108) 내에 위치된다. 초음파 혼은 제1 단부(118) 및 제2 단부(120)를 갖는다. 혼(116)은 초음파 에너지에 의해 여기될 때 노드 지점(122) 및 길이 방향 기계 여기축(124)을 갖도록 되어 있다. 혼(116)은 노드 지점(122)에서 다이 하우징(102)에 결합된다. 바람직하게는, 제1 축(114) 및 기계 여기축(124)은 실질적으로 평행할 것이다. 더욱 바람직하게는, 제1 축(114) 및 기계 여기축(124)은 도1에 도시된 바와 같이 실질적으로 일치할 것이다.
혼(116)은 그 제1 단부(118)가 다이 하우징(102) 외측에 위치되고 그 제2 단부(120)가 챔버(104) 내에서 다이 하우징(102) 내측에 위치되는 방식으로 다이 하우징(102)의 제2 단부(108) 내에 위치된다. 혼(116)의 제2 단부(102)는 입구 공동(142)에 근접하여 위치되고 길이 방향 기계 여기축을 따라 입구 공동의 중심축과 실질적으로 정렬된다.
본 발명의 장치의 크기 및 형상은 적어도 부분적으로 출구 오리피스(예컨대, 압출 오리피스)의 개수 및 배열 구성 그리고 초음파 에너지를 인가하는 수단의 작동 주파수에 따라 널리 변할 수 있다. 예컨대, 다이 하우징은 원통형, 직사각형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 더욱이, 다이 하우징은 단일 출구 오리피스 또는 복수개의 출구 오리피스를 가질 수 있다. 복수개의 출구 오리피스는 선형 또는 원형 패턴 등의 패턴으로 배열될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 각각의 출구 오리피스는 전용 입구 공동과 관련될 수 있다. 마찬가지로, 복수개의 출구 오리피스는 단일 입구 공동(들)과 관련될 수 있다. 나아가, 출구 오리피스의 단면 프로파일과 길이 방향 기계 여기축에 대한 출구 오리피스의 배향은 연료 분사 시스템에서의 이 장치의 사용에 악영향을 초래하지 않는다.
초음파 에너지를 인가하는 수단은 챔버 내에 위치되고 일반적으로 가압된 액체 연료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 즉, 챔버는 액체 연료뿐만 아니라 초음파 에너지를 인가하는 수단의 적어도 일부 모두들 포함한다. 이러한 수단은 가압된 액체 연료가 출구 오리피스로 통과됨에 따라 입구 공동 내에 담긴 가압된 액체 연료에 초음파 에너지를 인가하도록 되어 있다. 다르게 말하면, 이러한 수단은 입구 공동 및 각각의 출구 오리피스 부근에서 가압된 액체의 일부에 주로 초음파 에너지를 인가하도록 되어 있다. 이러한 수단 완전히 또는 부분적으로 챔버 내에, 바람직하게는 입구 공동의 근접부 내에 위치될 수 있다.
초음파 에너지를 인가하는 수단이 초음파 혼일 때, 혼은 적절하게는 도1에서 확인된 바와 같이 하우징의 제1 단부를 통해서와 같이 다이 하우징을 통해 연장된다. 그러나, 본 발명은 다른 배치 구성을 고려하고 있다. 예컨대, 혼은 단부를 통해서가 아니라 다이 하우징의 벽을 통해 연장될 수 있다. 더욱이, 혼의 제1 축 또는 길이 방향 여기축 모두는 수직일 필요가 없다. 원한다면, 혼의 길이 방향 기계 여기축은 제1 축에 대해 소정 각도일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 초음파 혼의 길이 방향 기계 여기축은 제1 축과 실질적으로 평행할 것이다. 더욱 바람직하게는, 초음파 혼의 길이 방향 기계 여기축 그리고 바람직하게는 제1 축은 도1에 도시된 바와 같이 실질적으로 일치할 것이다.
원한다면, 1개 초과의 초음파 에너지를 인가하는 수단이 다이 하우징에 의해 한정된 챔버 내에 위치될 수 있다. 더욱이, 단일 수단이 1개 이상의 출구 오리피스 부근에 있는 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가할 수 있거나 1개 이상의 입구 공동 내에 포함된다.
본 발명에 따르면, 초음파 혼은 부분적으로 또는 전체적으로 자기 왜곡 재료로 구성될 수 있다. 혼은 자기 왜곡 재료 내로 신호를 유도하여 초음파 주파수로 진동시킬 수 있는 코일(이는 액체 내에 침지될 수 있음)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이러한 경우에, 초음파 혼은 동시에 변환기이면서 다성분 액체 연료에 초음파 에너지를 인가하는 수단일 수 있다.
복수개의 출구 공동으로의 초음파 에너지의 인가는 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 초음파 혼의 사용을 재차 참조하면, 혼의 제2 단부는 다이 하우징 내의 모든 출구 공동 부근에 있는 가압된 액체의 일부에 초음파 에너지를 인가할 정도로 충분히 큰 단면적을 가질 수 있다. 이러한 경우에, 초음파 혼의 제2 단부는 바람직하게는 다이 하우징 내의 입구 공동으로의 개구를 한정하는 면적을 둘러싸는 최소 면적과 대략 동일하거나 그보다 큰 단면적을 가질 것이다. 대신에, 혼의 제2 단부는 출구 공동으로 안내하는 별도의 입구 공동의 개수에 대해 그 개수가 동일한 복수개의 돌출부 또는 팁을 가질 수 있다. 이러한 경우에, 각각의 돌출부 또는 팁의 단면적은 돌출부 또는 팁이 근접해 있는 입구 공동의 단면적과 대략 동일하거나 그보다 작을 것이다.
초음파 혼의 제2 단부와 출구 오리피스의 배열 사이의 평면 관계는 어떤 스프레이 패턴을 제공하거나 보정하는 형상(예컨대, 포물선 형상, 반구 형상 또는 얕은 곡률의 제공)일 수 있다.
전술된 바와 같이, 용어 "근접"은 초음파 에너지를 인가하는 수단이 입구 공동으로부터 출구 오리피스 내로 통과하는 가압된 액체 연료에 주로 초음파 에너지를 인가하기 위해 출구 오리피스로 안내하는 입구 공동으로의 개구를 한정하는 면적에 충분히 근접한 것을 의미하는 데 사용된다. 임의의 주어진 상황에서 출구 오리피스로부터의 초음파 에너지를 인가하는 수단의 실제 거리는 다수의 인자에 좌우될 것이며, 그 중 일부는 가압된 액체 연료의 유동률 및/또는 점도, 출구 오리피스의 단면적에 대한 초음파 에너지를 인가하는 수단의 단부의 단면적, 입구부로의 개구의 단면적에 대한 초음파 에너지를 인가하는 수단의 단부의 단면적, 초음파 에너지의 주파수, 초음파 에너지를 인가하는 수단의 이득(예컨대, 초음파 에너지를 인가하는 수단의 길이 방향 기계 여기의 크기), 가압된 액체의 온도 그리고 액체가 출구 오리피스의 외부로 통과하는 속도이다.
일반적으로, 주어진 상황에서 출구 오리피스로부터의 초음파 에너지를 인가하는 수단의 거리는 과도한 실험 없이 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 실제로, 이러한 거리는 큰 거리가 채용될 수 있지만 약 0.05 ㎜(0.002 인치) 내지 약 33 ㎜(1.3 인치)의 범위 내에 있을 것이다. 더욱이, 초음파 에너지를 인가하는 수단과 입구 공동의 개구 사이의 거리는 약 0 ㎜(0 인치) 내지 약 2.5 ㎜(0.100 인치)의 범위 내일 수 있다. 용어 "약 0 ㎜(0 인치)"는 초음파 에너지를 인가하는 수단이 입구 공동 내로 소정 거리만큼 실제로 돌출되는 조건을 고려한다는 것을 주목하여야 한다. 초음파 에너지를 인가하는 수단의 팁과 입구 공동의 개구 사이의 거리는 초음파 에너지가 입구 공동 내로 진입되려 하거나 그 내에 담긴 것 이외의 연료에 인가되는 정도를 결정하는 것으로, 즉 거리가 클수록, 초음파 에너지가 적용되는 가압된 액체의 양이 커지는 것으로 여겨진다. 결과적으로, 일반적으로 가압된 액체 연료의 열화 그리고 초음파 에너지에 대한 연료의 노출로부터 기인할 수 있는 다른 역효과를 최소화하기 위해 짧은 거리가 원해진다. 일부 실시예에서, 입구 공동 내로의 약 1 ㎜(0.040 인치)의 돌출부 내지 팁과 입구 공동 사이의 약 0.25 ㎜(0.010 인치)의 분리부의 이들 거리의 범위가 고려되고 있다. 바람직한 일 실시예에서, 팁 및 입구 공동은 약 0.13 ㎜(0.005 인치)의 거리에 의해 분리된다.
본 발명의 장치의 장점은 자정 작용을 하는 것이다. 즉, 인가된 압력과 (오리피스에 직접 초음파 에너지를 인가하지 않고) 가압된 액체 연료에 초음파 에너지를 공급하는 수단을 초음파 여기시킴으로써 발생된 힘의 조합은 출구 오리피스(예컨대, 압출 오리피스)를 차단하는 것으로 보이는 장애물을 제거할 수 있다. 본 발명에 따르면, 출구 오리피스는 입구 공동을 통해 그리고 1개가 존재한다면 통로를 통해 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 다이 하우징의 외부로 연료를 통과시키는 동안에 초음파 에너지를 인가하는 수단이 (오리피스에 직접 초음파 에너지를 인가하지 않고) 초음파 에너지로 여기될 때 자정 작용을 하도록 되어 있다.
바람직하게는, 초음파 에너지를 인가하는 수단은 길이 방향 기계 여기축을 갖는 침지된 초음파 혼인데, 여기에서 오리피스에 가장 근접한 다이 하우징 내에 위치된 혼의 단부는 다이 팁 내의 입구 공동의 개구에 근접하고 출구 오리피스에 직접 진동 에너지를 인가하지 않는다.
본 발명의 일 태양은 가압된 다성분 액체 연료를 유화시키는 장치에 적용된다. 일반적으로 말하면, 이 유화 장치는 전술된 장치의 배치 구성을 갖고 출구 오리피스는 챔버로부터 가압된 다성분 액체 연료를 수용하는 동안에 초음파를 인가하는 수단이 초음파 에너지로 여기될 때 가압된 다성분 액체를 유화시키도록 되어 있다. 다음에, 가압된 다성분 액체는 다이 팁 내의 출구 오리피스의 외부로 통과될 수 있다. 추가된 단계는 유화를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 가압된 다성분 액체를 유화시키는 방법도 포함한다. 이 방법은 전술된 다이 조립체에 가압된 액체를 공급하는 단계와, 출구 오리피스에 직접 진동 에너지를 인가하지 않고 출구 오리피스가 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하는 동안에 초음파 에너지로 초음파 에너지를 인가하는 수단(다이 조립체 내에 위치됨)을 여기시키는 단계와, 액체가 유화되도록 다이 팁 내의 출구 오리피스의 외부로 액체를 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 액체의 스프레이를 발생시키는 장치에 적용된다. 일반적으로 말하면, 스프레이 발생 장치는 전술된 장치의 배치 구성을 갖고 출구 오리피스는 가압된 액체를 수용하여 다이 팁 내의 출구 오리피스의 외부로 액체 연료를 통과시키는 동안에 초음파 에너지를 인가하는 수단이 초음파 에너지로 여기될 때 액체의 스프레이를 발생시키도록 되어 있다. 이 장치는 특히 액체의 분무화된 스프레이(즉, 매우 미세한 스프레이 또는 매우 작은 액적의 스프레이)를 제공하도록 되어 있다.
이 장치는 액체의 균일한 원추형 스프레이를 발생시키도록 되어 있을 수 있다. 예컨대, 이 장치는 원추형 스프레이 전체에 걸쳐 비교적 균일한 밀도 또는 분포의 액적을 갖는 액체의 원추형 스프레이를 발생시키도록 되어 있을 수 있다. 대신에, 이 장치는 원추형 스프레이 전체에 걸쳐 불규칙한 패턴의 스프레이 및/또는 불규칙한 밀도 또는 분포의 액적을 발생시키도록 되어 있을 수 있다. 불규칙한 패턴 및/또는 밀도는 변환기로의 전압을 변화시켜 혼이 진동하는 진폭에 영향을 줌으로써 생성될 수 있다. 혼은 간헐적으로 진동되도록 제조될 수 있거나 진폭의 변화가 상이한 주파수로 이루어질 수 있어, 스프레이 패턴, 스프레이 원추각 및/또는 액체 연료의 스프레이 밀도에 대해 다수의 결과를 초래한다.
본 발명은 액체의 스프레이를 발생시키는 방법도 포함한다. 이 방법은 전술된 다이 조립체에 가압된 액체를 공급하는 단계와, 출구 오리피스에 직접 진동 에너지를 인가하지 않고 출구 오리피스가 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하는 동안에 초음파 에너지로 초음파 에너지를 인가하는 수단(다이 조립체 내에 위치됨)을 여기시키는 단계와, 액체의 스프레이를 발생시키도록 다이 팁 내의 출구 오리피스의 외부로 액체를 통과시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법에 따르면, 조건들은 액체의 분무화된 스프레이, 균일한 원추형 스프레이, 불규칙한 패턴의 스프레이 및/또는 불규칙한 밀도를 갖는 스프레이를 발생시키도록 조정될 수 있다.
이 장치 및 방법은 액체 연료 연소기를 위한 연료 분사기에서 사용될 수 있다. 예시 연소기로는 보일러, 가마, 산업용 및 가정용 퍼니스, 소각로가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다. 이들 다수의 연소기는 본 발명의 장치 및 방법에 의해 유리하게 취급될 수 있는 중액 연료를 사용한다.
내연 기관은 본 발명의 장치 및 방법에 연료 분사기와 함께 사용될 수 있는 다른 적용 분야를 제시한다. 예컨대, 이 장치 및 방법은 불연속 유동 왕복 피스톤 가솔린 및 디젤 기관을 위한 연료 분사기에서 사용될 수 있다. 특히, 초음파 진동을 전달하는 수단은 연료 분사기와 합체된다. 진동 요소는 공동 즉 입구 공동 내로 진입됨에 따라 연료와 접촉되다가 출구 오리피스에서 종료되도록 놓인다. 진동 요소는 정렬되어 그 진동의 축이 오리피스의 축과 평행하다. 액체 연료가 입구 공동 내로 진입되기 직전에, 액체 연료와 접촉되는 진동 요소는 연료에 초음파 에너지를 인가한다. 추가 에너지가 입구 공동 내에 있는 연료에 인가된다.
진동은 고점도 액체 연료의 외관 점도 및 유동 특성을 변화시키는 것으로 보인다. 진동은 실린더 내로 진입됨에 따라 연료 스트림의 유동률 및/또는 분무화도 개선시키는 것으로 보인다. 사실상, 이 장치가 연료의 분무화에 영향을 주는 적어도 2개의 독특한 방법이 존재하는 것으로 여겨진다. 우선, 액체 점도, 압력, 온도, 유동률 및 출구 오리피스 기하 형상의 특정 조합을 갖는 액체 연료의 응집성 스트림으로의 초음파 에너지의 인가는 다른 유동 변수 중 어느 것도 변화시키지 않고 응집성 스트림을 분무화된 플룸으로 변화시킬 수 있다. 다음에, 기존의 분무화된 플룸으로의 초음파 에너지의 인가는 액체 연료 액적의 크기를 개선(예컨대, 감소)시키고, 액체 연료 플룸의 액적 크기 분포를 좁히며, 스프레이 패턴의 원추 협각(included cone angle)을 증가시키는 것으로 보인다. 더욱이, 초음파 에너지의 인가는 오리피스로부터 연소 챔버 내로 출발하는 액체 연료 액적의 속도 및 침투를 증가시키는 것으로 보인다. 진동은 출구 오리피스에서 부착성 오염물의 파괴 및 제거도 일으킨다. 진동은 연료 스트림 내에 존재할 수 있는 다른 성분(예컨대, 액체 성분) 또는 첨가물과의 액체 연료와의 유화를 일으킬 수 있다.
이 장치 및 방법은 스털링 열기관 및 가스 터빈 기관 등의 연속 유동 기관을 위한 연료 분사기에서 사용될 수 있다. 이러한 가스 터빈 기관은 항공기의 주 및보조 엔진, 폐열 발전 플랜트 및 다른 원동기 등의 토크 반작용 기관을 포함할 수 있다. 다른 가스 터빈 기관은 제트 항공기 엔진 등의 추력 반작용 기관을 포함할 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 액체 연료가 연소기(예컨대, 내연 기관) 내로 유입되는 지점에서 액체 연료 첨가물 및 오염물뿐만 아니라 다성분 액체 연료를 유화시키는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 어떤 연료 내에 실린 물은 연료/물 혼합물이 연소기 내에서 사용될 수 있도록 유화될 수 있다. 예컨대 메탄올, 물, 에탄올, 디젤, 액체 프로판 가스, 바이오 디젤 등의 성분을 포함하는 혼합된 연료 및/또는 연료 혼합물도 유화될 수 있다. 본 발명은 다중 연료 기관에서 사용될 수 있는 상이한 연료의 유동률 특성(예컨대, 독특한 점도)을 양립 가능하게 하는 데 사용된다는 점에서 다중 연료 기관에서 장점을 가질 수 있다.
대신에 및/또는 부가로, 1개 이상의 액체 연료에 물을 첨가하고 연소의 제어 및/또는 배기 배출물의 감소의 한 방법으로서 연소 직전에 이 성분들을 유화시키는 것이 바람직할 수 있다. 1개 이상의 연료에 가스(예컨대, 공기, N2O 등)를 첨가하거나 연소의 제어 및/또는 배기 배출물의 감소의 한 방법으로서 연소 직전에 이 성분들을 유화시키는 것도 바람직할 수 있다.
연속 유동 연료 분사 시스템을 향상시키기 위한 본 발명의 사용은 개선된 액적 크기 및 분포, 개선된 스프레이 원추각 그리고 스프레이 플룸의 상당히 개선된 에너지 교환 및 속도를 가져와, 큰 침투 능력을 나타낸다. 나아가, 1개 속성(예컨대, 증가된 속도)의 유효성의 범위는 또 다른 속성(예컨대, 유동률 또는 액적 크기)의 범위를 감소시키는 경향이 있는 우발 인자에 의해 감소되지 않는다.
본 발명은 다음의 예에 의해 추가로 설명된다. 그러나, 이러한 예는 본 발명의 기술적 사상 또는 범주 중 하나를 어떠한 방식으로 제한하는 것으로 해석되지 말아야 한다.
예
초음파 혼 장치
다음은 전술된 더욱 바람직한 특징을 합체한 대체로 도1에 도시된 바와 같은 본 발명의 예시 초음파 혼 장치의 설명이다.
도1을 참조하면, 이 장치의 다이 하우징(102)은 약 34.9 ㎜(1.375 인치)의 외경, 약 22.2 ㎜(0.875 인치)의 내경 그리고 약 78.4 ㎜(3.086 인치)의 길이를 갖는 실린더이다. 다이 하우징의 제2 단부(108)의 외부의 약 7.9 ㎜(0.312 인치) 부분은 16 피치 나사가 형성된다. 제2 단부의 내측은 약 3.2 ㎜(0.125 인치)의 거리만큼 제2 단부의 표면(128)으로부터 제1 단부(106)를 향해 연장되는 베벨형 모서리(126) 또는 챔퍼를 갖는다. 챔퍼는 제2 단부의 표면에서 다이 하우징의 내경을 약 19.0 ㎜(0.75 인치)까지 감소시킨다. 입구(110)(입구 오리피스로도 불림)가 다이 하우징 내에 천공되는데, 그 중심은 제1 단부로부터 약 17.5 ㎜(0.688 인치)이고, 태핑 가공된다. 다이 하우징의 내벽은 원통부(130) 및 원추 절두부(132)로 구성된다. 원통부는 제2 단부에서의 챔퍼로부터 제1 단부를 향해 제1 단부의 표면으로부터 약 25.2 ㎜(0.992 인치) 이내까지 연장된다. 원추 절두부는 약 15.9㎜(0.625 인치)의 거리만큼 원통부로부터 연장되어, 제1 단부 내의 나사 형성 개구(134)에서 종료된다. 나사 형성 개구의 직경은 약 9.5 ㎜(0.375 인치)이고, 이러한 개구는 길이가 약 9.3 ㎜(0.367 인치)이다.
다이 팁(136)은 제1 단부의 나사형성 개구 내에 위치된다. 다이 팁은 원형 견부(140)를 갖는 나사 형성 실린더(138)로 구성된다. 견부는 두께가 약 3.2 ㎜(0.125 인치)이고 약 12.7 ㎜(0.5 인치)만큼 떨어져 있는 2개의 평행면(도시되지 않음)을 갖는다. 출구 오리피스(112)(압출 오리피스로도 불림)는 견부 내에 천공되고 약 2.2 ㎜(0.087 인치)의 거리만큼 나사 형성부를 향해 연장된다. 압출 오리피스의 직경은 약 0.37 ㎜(0.0145 인치)이다. 압출 오리피스는 약 3.2 ㎜(0.125 인치)의 직경을 갖는 입구 공동(142) 그리고 압출 오리피스와 입구 공동을 접합시키는 원추 절두형 통로(144)에서 다이 팁 내에서 종료된다. 원추 절두형 통로의 벽은 수직으로부터 30˚의 각도로 있다. 입구 공동은 압출 오리피스로부터 다이 팁의 나사 형성부의 단부까지 연장되어, 압출 오리피스와 다이 하우징에 의해 한정된 챔버를 연결시킨다.
초음파 에너지를 인가하는 수단은 원통형 초음파 혼(116)이다. 이 혼은 20 ㎑의 주파수로 공진하도록 기계 가공된다. 혼은 공진 파장의 1/2인 약 132.0 ㎜(5.198 인치)의 길이와, 약 19.0 ㎜(0.75 인치)의 직경을 갖는다. 혼의 제1 단부(118)의 표면(146)은 약 9.5 ㎜(3/8 인치) 스터드(도시되지 않음)를 위해 천공되어 태핑 가공된다. 혼은 노드 지점(122)에서 칼라(148)가 기계 가공된다. 칼라는 폭이 약 2.4 ㎜(0.094 인치)이고 약 1.6 ㎜(0.062 인치)만큼 혼의 원통형 표면으로부터 외향으로 연장된다. 이와 같이, 칼라에서의 혼의 직경은 약 22.2 ㎜(0.875 인치)이다. 혼의 제2 단부(120)는 길이가 약 3.2 ㎜(0.125 인치)이고 직경이 약 3.2 ㎜(0.125 인치)인 작은 원통형 팁(150)에서 종료된다. 이러한 팁은 길이가 대략 13 ㎜(0.5 인치)인 포물선 형상의 절두부(152)에 의해 혼의 원통형 본체로부터 분리된다. 즉, 단면에서 보이는 바와 같은 이러한 절두부의 곡선은 형상이 포물선이다. 작은 원통형 팁의 표면은 혼의 원통형 벽에 수직하고 입구 공동으로의 개구로부터 약 0.13 ㎜(0.005 인치)만큼에 위치된다. 이와 같이, 혼의 팁의 표면 즉 혼의 제2 단부는 다이 팁의 나사 형성 단부 내의 입구 공동으로의 개구 바로 위에 위치된다.
다이 하우징의 제1 단부(108)는 초음파 혼을 소정 위치에 유지하는 역할도 하는 나사 형성 캡(154)에 의해 밀봉된다. 이 나사는 약 7.9 ㎜(0.312 인치)의 거리만큼 캡의 상부를 향해 상향으로 연장된다. 캡의 외경은 약 50.8 ㎜(2.00 인치)이고 캡의 길이 또는 두께는 약 13.5 ㎜(0.531 인치)이다. 캡 내의 개구는 혼을 수용하는 크기로 형성된다. 즉, 개구는 약 19.0 ㎜(0.75 인치)의 직경을 갖는다. 캡 내의 개구의 모서리는 다이 하우징의 제2 단부에서 챔버의 거울상인 챔퍼(156)이다. 챔퍼에서의 캡의 두께는 약 3.2 ㎜(0.125 인치)이고, 이는 나사의 단부와 약 2.4 ㎜(0.094 인치)의 챔퍼의 저부 사이에 공간을 남기는데, 이 공간은 혼 상의 칼라의 길이와 동일하다. 이러한 공간의 직경은 약 28.0 ㎜(1.104 인치)이다. 캡의 상부(158)는 핀 스패너를 수용하도록 90˚간격으로 그 내에 4개의 6.4 ㎜(1/4 인치) 직경 × 6.4 ㎜(1/4 인치) 깊이의 구멍(도시되지 않음)을 천공한다. 이와같이, 혼의 칼라는 캡을 조일 때 2개의 챔버들 사이에서 압축되어, 다이 하우징에 의해 한정된 챔버를 밀봉시킨다.
1:1.5의 입력:출력 기계 여기 비율을 갖는 브랜슨(Branson)의 긴 알루미늄 도파관이 약 9.5 ㎜(3/8 인치) 스터드에 의해 초음파 혼에 결합된다. 긴 도파관으로는 20 ㎑에서 작동하는 브랜슨 모델 1120 전원(브랜슨 소닉 파워 컴퍼니, 댄버리, 코네티컷)에 의해 전력이 공급되는 압전 변환기(브랜슨 모델 505 변환기)가 결합된다. 전력 소비는 브랜스 모델 A410A 전력계로 감시된다.
예 1
이 예는 연료로서 사용될 수 있는 탄화수소 오일의 스프레이를 발생시키는 것에 관한 것으로 본 발명을 설명하고 있다. 이 절차는 다음의 예외를 제외하면 동일한 배치 구성으로 설치된 예 1과 동일한 초음파 장치(침지된 혼)를 이용하여 수행된다.
2개의 상이한 오리피스가 사용된다. 하나는 0.102 ㎜(0.004 인치)의 직경 및 0.102 ㎜(0.004 인치)의 길이(1의 L/D 비율)를 갖고 다른 하나는 0.254 ㎜(0.010 인치)의 직경 및 0.152 ㎜(0.006 인치)의 길이(0.006/0.010 또는 0.6의 L/D 비율)를 갖는다.
사용된 오일은 펜실베이니아 엑스포트의 레그볼드-헤라에우스(Legbold-Heraeus) 배큠 프로덕츠, 인크.로부터 구매 가능한 지정 상품명 HE-200, 카탈로그 # 98-198-006을 갖는 진공 펌프 오일이다. 상품 정보에 따르면, 이 오일은40℃(104℉)에서 58.1 cP의 동적 점도와, 100℃(212℉)에서 9.14 cP의 동적 점도를 갖는다.
유동률 시험은 초음파 전력이 없는 상태에서, 80 와트의 전력에서 그리고 90 와트의 전력에서 다양한 팁으로 침지된 혼에 대해 수행된다. 이 시험의 결과는 표5에 도시되어 있다. 표5에서, "압력" 칼럼은 psig 단위의 압력이고, "팁" 칼럼은 인치 단위의 모세관 팁(즉, 출구 오리피스)의 직경 및 길이를 나타내며, "전력" 칼럼은 주어진 전력 설정에서의 와트 단위의 전력 소비를 나타내고, "유동률"은 g/분으로 표현된 각각의 시험에 대해 측정된 유동률을 나타낸다.
초음파 장치에 전력이 공급될 때의 모든 시험에서, 응집성 오일 스트림은 미세 액적의 균일한 원추형 스프레이로 즉시 분무화된다.
예 2
이 예는 오일 및 물 등의 이종의 액체의 유화에 관한 것으로 본 발명을 설명하고 있다. 이 예에서, 에멀션은 물 및 탄화수소계 오일로부터 형성된다. 이 시험을 위해 선택된 오일은 펜실베이니아 스테이트 컬리지의 캐논(Cannon) 인스트루먼트 컴퍼니로부터 얻어지는 표준 번호 N1000, 로트 # 92102인 가솔린계 점성 표준 오일이다.
오일은 전술된 바와 같이 펌프, 구동 모터 및 모터 제어기에 의해 가압되어 공급된다. 이러한 경우에, 펌프로부터의 출력은 6.35 ㎜(1/4") 티 끼움부(tee fitting)의 1개의 레그에 연결된다. 티 끼움부의 대향 평행 레그는 조지아 사바나의 로스 엔지니어링(Ross Engineering), 인크.로부터 얻어지는 6개 요소의 12.7 ㎜(1/2") ISG 모션리스 믹서의 입구에 연결된다. 혼합기의 출구는 침지된 혼 초음파 장치의 입구에 연결된다(도1 참조). 물은 피스톤 계량 펌프에 의해 오일 스트림 내로 계량된다. 펌프는 14.3 ㎜(9/16") 직경 × 127 ㎜(5") 행정 유압 실린더로 구성된다. 실린더의 피스톤 로드는 감속 기어를 통해 가변 속도 모터에 의해 구동되는 재킹 나사에 의해 전진된다. 모터의 속도는 모터 제어기를 이용하여 제어된다. 물은 가요성 호즈에 의해 실린더로부터 티의 제3 레그로 전달된다. 가요성 호즈의 출구 단부에는 티에 설치된 가요성 호즈와 함께 오일 유동 스트림의 대략 중심(초음파 장치의 상류)에서 종료되는 약 0.762 ㎜(0.030") 내경의 소정 길이의 스테인리스강 피하 튜브가 끼워진다.
침지된 혼 장치에는 0.368 ㎜(0.0145") 직경의 팁이 끼워진다. 오일은 약250 psig까지 가압되어, 약 35 g/분의 유동률을 생성시킨다. 계량 펌프는 약 3 rpm으로 설정되어 0.17 ㏄/분의 물 유동률을 가져온다. 압출물의 샘플(즉, 초음파 장치로부터의 액체 출력)은 어떠한 초음파 전력도 없이 그리고 약 100 와트의 초음파 전력으로 취해진다. 이 샘플은 광학 현미경으로 검사된다. 전력이 공급되지 않는 동안에 초음파 장치를 통과한 샘플은 직경이 약 50 내지 300 ㎛의 범위에 있는 널리 분산된 물 액적을 포함한다. 100 와트의 전력을 수용하는 동안에 초음파 장치를 통과한 샘플(즉, 초음파 처리된 샘플)은 직경이 약 5 ㎛로부터 1 ㎛ 미만까지의 범위에 있는 밀집된 집단의 물 액적을 포함한 에멀션이다.
예 3
이 예는 전술된 초음파 장치를 이용하여 대기 내로 분사되는 제2 디젤 연료의 플룸 내에서의 액적의 크기 및 특성에 관한 것으로 본 발명을 설명하고 있다. 디젤 연료는 전술된 바와 같이 펌프, 구동 모터 및 모터 제어기를 이용하여 초음파 장치로 공급된다. 시험은 인가된 초음파 에너지의 유무에 따라 250 psig 및 500 psig의 압력에서 수행되었다.
디젤 연료는 1 기압의 압력으로 대기 내로 분사된다. 디젤 연료 플룸의 모든 시험 측정은 노즐의 바로 아래인 노즐의 저부면 아래로부터 60 ㎜의 지점에서 수행된다. 노즐은 0.152 ㎜(0.006 인치)의 직경 및 0.61 ㎜(0.024 인치)의 길이를 갖는 모세관 팁의 형태로 된 플레인 오리피스이다. 초음파 에너지의 주파수는 20 ㎑이고 변환기 전력(와트 단위)은 전력 제어기로부터 판독되어 각각의 시험에 대해기록된다.
액적 크기는 영국 워세스터셔 말번의 말번(Malvern) 인스트루먼츠, 리미티드로부터 구매 가능한 말번 드로플릿 앤드 파티클 사이저, 모델 시리즈 2600C를 이용하여 측정된다. 일반적인 스프레이는 광범위한 액적 크기를 포함한다. 스프레이에서 액적 크기 분포를 특정하는 데 있어서의 난점은 다양한 표현의 직경의 사용을 유도한다. 입자 크기 측정기는 액적 직경을 측정하여 스프레이의 표면적에 대한 부피의 비율(즉, 표면 대 부피 비율이 전체 스프레이와 동일한 액적의 직경)을 나타내는 자우터 평균 직경(SMD: Sauter mean diameter, D32로도 불림)으로서 기록하도록 설정된다.
액적 속도는 m/초의 단위로 평균 속도로서 기록되고 캘리포니아 마운틴 뷰의 에어로메트릭스(Aerometrics) 인크.로부터 구매 가능한 에어로메트릭스 파티클 어낼라이저를 이용하여 측정된다. 페이즈 도플러 파티클 분석기는 트랜스미터 - 모델 번호 XMT-1100-4S와, 리시버 - 모델 번호 RCV-2100-1과, 프로세서 - 모델 번호 PDP-3200으로 구성된다. 이 결과는 표2에 기록되어 있다.
표2에 기록된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 액체 연료 액적의 속도는 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 다이 하우징의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료 액적의 속도보다 적어도 약 25% 크다. 예컨대, 가압된 액체 연료 액적의 속도는 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 다이 하우징의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료 액적의 속도보다 적어도 약 35% 크다. 액적 속도는 대체로 특히 챔버 내의 대기가 가압된다면 연소 챔버 내에 침투되어 분산되는 스프레이 플룸의 능력과 관련된 것으로 여겨진다.
액적 속도에 영향을 주는 것에 부가하여, 초음파 에너지의 인가는 개별 액적 크기 및 크기 분포를 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 일반적으로 말하면, 비교적 좁은 크기 분포의 작은 크기의 연료 액적은 매우 큰 액적보다 더욱 균일하게 그리고 깨끗하게 연소되는 경향이 있는 것으로 여겨진다. 표2로부터 알 수 있는 바와 같이, 가압된 액체 연료 액적의 자우터 평균 직경은 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 다이 하우징의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료의 액적의 자우터 평균 직경보다 적어도 약 5% 작을 수 있다. 예컨대, 가압된 액체 연료 액적의 자우터 평균 직경은 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 다이 하우징의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료의 액적의 자우터 평균 직경보다 적어도 약 50% 작을 수 있다.
예 4
이 예는 전술된 초음파 장치를 이용하여 대기 내로 분사되는 물 플룸 내의 액적의 힘 또는 충격량에 관한 것으로 본 발명을 설명하고 있다. 이제, 도2를 참조하면, 전술된 20 ㎑의 초음파 장치(200)가 수평 위치에 장착된다. 이들 시험에 사용된 모세관 팁은 0.254 ㎜(0.010")의 길이에 대해 0.381 ㎜(0.015")의 일정한 직경을 갖는다. 그러면, 벽들은 출구로의 추가의 0.381 ㎜(0.015")의 길이에 대해 7˚로 발산되어 0.635 ㎜(0.025")의 총 길이가 된다. 플로리다 라르고의 아메텍(Ametek) 컴퍼니의 맨스필드 및 그린 부서에 의해 제조된 모델 ML 4801-4인 힘 게이지(gage)(202)에는 모세관 팁의 배출축과 일치하는 그 입력축이 위치된다. 힘 게이지는 그 입력축을 따라 게이지를 이동시키도록 배향된 표준 마이크로미터 활주 기구(204) 상에 장착된다. 게이지의 입력 샤프트(206)에는 25.4 ㎜(1") 직경의 플라스틱 타겟 디스크(208)가 끼워진다. 작동될 때, 타겟 디스크는 모세관 팁의 출구로부터 9.52 ㎜(0.375") 내지 39.4 ㎜(1.55")에 위치 가능하다. 물은 물 펌프(210)[아이오와 페오스타의 Mi-T-M 코포레이션에 의해 제조된 초어 마스터 압력 워셔 펌프)에 의해 가압된다. 물 유동률은 길먼트(Gilmont) 인스트루먼츠, 인크.에 의해 제조된 테이퍼 형성 튜브 유량계 일련 # D-4646을 사용하여 측정된다.
주어진 세트의 조건에 대해, 시험은 다음과 같이 진행된다. 타겟 디스크는 2.54 ㎜(0.10")의 증분으로 모세관 팁으로부터 위치된다. 다음에, 사용된다면, 초음파 전력 공급은 원하는 전력 수준으로 예비 설정된다. 다음에, 물 펌프는 시동되고, 원하는 압력은 얻어진다. 다음에, 사용된다면, 초음파 전력은 켜진다. 와트 단위의 전력, 미가공 데이터의 유동률 그리고 그램 단위의 충격력의 눈금값이 취해진다. 미가공 데이터는 표3에 기록되어 있다.
데이터는 질량 유동의 단위 당 그램으로 힘을 나타내도록 정규화된다. 정규화된 데이터는 표4에 기록되어 있다. 정규화된 데이터는 초음파 에너지의 첨가가 물의 질량 유동 당 충격력의 증가를 일으키는 것을 나타낸다. 이는 스프레이 플룸 내의 개별 액적의 속도의 증가로 직접 해석 가능한 것으로 보인다. 이러한 정규화된 데이터는 도3 내지 도6에 도시되어 있다. 특히, 도3은 400 psig에서의 물의 질량 유동 당 충격력 대 타겟까지의 거리의 플롯이다. 도4는 600 psig에서의 물의 질량 유동 당 충격력 대 타겟까지의 거리의 플롯이다. 도5는 800 psig에서의 물의 질량 유동 당 충격력 대 타겟까지의 거리의 플롯이다. 도6은 1000 psig에서의 물의 질량 유동 당 충격력 대 타겟까지의 거리의 플롯이다.
시험에서의 압력이 1000 psi로 접근됨에 따라, 전원에 의해 전달되는 전력은 급격히 강하되는데, 이는 초음파 조립체가 보상을 위한 전원의 능력을 넘는 지점으로 공진을 이동시킨 것을 의미한다. 이들 시험에 대한 충격 효과(즉, 1000 psig에서)는 감소된다.
예 5
이 예는 전술된 초음파 장치를 이용하여 대기 내로 분사되는 제2 디젤 연료의 플룸 내의 액적의 크기 특성에 관한 것으로 본 발명을 설명하고 있다. 디젤 연료는 전술된 바와 같이 펌프, 구동 모터 및 모터 제어기를 이용하여 초음파 장치로 공급된다. 시험은 인가된 초음파 에너지의 유무에 따라 100 psig 내지 1000 psig의 압력(100 psig의 증분으로)에서 수행되었다.
디젤 연료는 1 기압의 압력으로 대기 내로 분사된다. 디젤 연료 플룸의 모든 시험 측정은 노즐의 바로 아래인 노즐의 저부면 아래로부터 50 ㎜의 지점에서 수행된다. 노즐은 0.152 ㎜(0.006 인치)의 직경 및 0.61 ㎜(0.024 인치)의 길이를 갖는 모세관 팁의 형태로 된 플레인 오리피스이다. 초음파 혼의 팁은 모세관 팁 내의 개구로부터 1.9 ㎜(0.075 인치)에 위치된다. 초음파 에너지의 주파수, 볼트, 전류는 전력계로부터 판독되어 각각의 시험에 대해 기록된다. 사용된 와트는 이용 가능한 데이터로부터 계산된다.
액적 크기는 영국 워세스터셔 말번의 말번 인스트루먼츠, 리미티드로부터 구매 가능한 말번 드로플릿 앤드 파티클 사이저, 모델 시리즈 2600C를 이용하여 측정된다. 일반적인 스프레이는 광범위한 액적 크기를 포함한다. 스프레이에서 액적 크기 분포를 특정하는 데 있어서의 난점은 다양한 표현의 직경의 사용을 유도한다. 입자 크기 측정기는 총 액체 부피의 50%가 더욱 작은 직경의 액적(D0.5)으로 있도록 된 액적 직경과, 총 액체 부피의 90%가 더욱 작은 직경의 액적(D0.9)으로 있도록 된 액적 직경과, 스프레이의 표면적에 대한 부피의 비율(즉, 표면 대 부피 비율이 전체 스프레이와 동일한 액적의 직경)을 나타내는 자우터 평균 직경(SMD, D32로도 불림)을 측정하도록 설정된다. 이 결과는 표5에 기록되어 있다.
[표5 계속]
[표5 계속]
[표5 계속]
표5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 장치는 자우터 평균 직경(D0.9및 D0.5)의 상당한 감소를 발생시킬 수 있다. 이러한 효과는 주로 보상을 위한 전원의 능력을 넘는 초음파 조립체의 공진을 이동시킴으로 인해 더욱 높은 압력에서 감소되는 것으로 보인다.
예 6
연속 유동 연소 실험은 초음파 분사기 기술이 연소 및 수트(soot) 방출물에 대해 어떠한 영향을 주는 지를 결정하기 위해 수행된다. 이들 시험은 2,050 psig의 분사 압력에서 수행된다. 장비는 제2 디젤 연료가 충전된 2,200 psig급 실린더에 결합되는 질소 가스(N2)가 충전된 4,000 psig 실린더를 포함한다. N2가스는 2,050 psig로 조절되고 티 연결부를 통해 2,200 psig 실린더 내에 보이드 부피를 점유하여, 디젤 연료를 가압시킨다. 연소기 시험 섹션은 90 psig까지 가압되어 554℃(1.030℉)까지 가열된다(여기에서 정상 자동 점화가 일어난다).
이들 시험에 대한 어떠한 질량 유동률도 기록되지 않는데, 이는 2,050 psig에서의 유동률이 분무화 실험에서 사용된 유량계의 범위를 상당히 넘기 때문이다. 그러나, 비압축성 유체에 대한 질량 연속성 및 베르누이의 방정식에 기초하여, 유동률은 70 lbm/시의 정도이다.
비디오 카메라가 흑색 지지부(black backing)를 구비한 일편의 유리로부터의 화염의 반사의 광도(luminosity)를 기록하는 데 사용된다. 수 분의 시험이 화염의 광도를 감소시키고 필름의 과도 노출을 방지하기 위해 다양한 광학 필터를 사용하여 기록된다. 시험 중, 제2 디젤 연료는 예열되어 가압된 시험 섹션 내로 진입되게 하는데, 이 때 자동 점화가 일어난다. 도7에 도시된 바와 같이, 이러한 화염은 광학 창의 전체 직경에 걸쳐 매우 불안정하여 바람 속의 깃발처럼 흔들리는 것으로 보인다. 이러한 화염은 대략 50.8 ㎜(2 인치)만큼 노즐 팁으로부터 분리된 것으로도 보인다.
초음파가 활성화될 때, 도8에 도시된 바와 같이, 화염은 신속하게 안정화되어 겉보기에 노즐 팁에 스스로 부착된다. 바꿔 말하면, 연료 액적은 거의 노즐 팁으로부터 나온 직후에 연소되어 이러한 화염은 정상 상태인 것으로 보인다. 가장 중요한 관찰은 원추각의 거의 2배 증가와, 화염의 모서리에서의 덜 형성된 공기-연료 계면이다. 도7 및 도8은 원추각이 어떠한 초음파도 없는 경우에 대해 대략 150 그리고 초음파가 있는 경우에 대해 250인 것을 나타낸다. 양호하게 형성되지 않은 공기-연료 계면은 양호한 혼합을 나타낸다.
모든 화염이 광학창의 전체 직경에 걸쳐 있기 때문에, 수트 집중을 위한 화염 온도의 어떠한 분석도 대표적인 비교를 위해 수행될 수 없다. 그러나, 초음파의 인가가 초음파가 없는 혼합 시간보다 약 41% 정도 적은 혼합 시간을 가져오는 것으로 판단된다. 감소된 혼합 시간은 수트 방출물을 감소시키기 위한 다른 시험에서 나타난다.
관련 출원
본원은 동일자로 출원된 것을 포함하는 특허 상표청에서 현재 출원 계속 중인 공동 양도된 특허 출원군 중 하나이다. 이 특허 출원군은 출원 번호제08/576,543호, 발명의 명칭 "가압된 다성분 액체를 유화시키는 장치 및 방법", 서류 번호 제12535호, 엘.케이. 제임슨 등; 출원 번호 제08/576,522호, "발명의 명칭 초음파 연료 분사 방법 및 장치", 서류 번호 제12537호, 엘.에이치. 깁슨 등; 출원 번호 제60/254,683호, 2000년 12월 11일자로 출원, 발명의 명칭 "초음파 시뮬레이션 작동을 위해 변형된 결합된 분사기", 서류 번호 제KCX-371호, 엘. 제임슨 등; 출원 번호 제60/254,737호, 2000년 12월 11자로 출원, 발명의 명칭 "세라믹 밸브 본체를 구비한 초음파 연료 분사기", 서류 번호 제KCX-372호, 엘. 제임슨 등을 포함한다. 이들 출원의 주제 내용은 참조로 여기에 포함되어 있다.
본 명세서는 그 특정 실시예에 대해 상세하게 설명되었지만, 당업자라면 전술된 것을 이해하게 되면 이들 실시예에 대한 치환예, 변형예 및 등가예를 용이하게 생각해낼 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구의 범위 및 임의의 등가물로서 해석되어야 한다.

Claims (35)

  1. 연속 연료 연소기 내로의 액체 연료의 분사를 위한 초음파 연속 유동 장치이며,
    가압된 액체 연료를 수용하도록 구성된 챔버와,
    챔버에 가압된 액체 연료를 공급하도록 구성된 입구와,
    입구 공동 및 출구 오리피스를 구비하고, 입구 공동은 통로를 통해 출구 오리피스와 상호 연결되며, 출구 오리피스는 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 그 외부로 액체 연료를 통과시키도록 구성된 분사기 팁과,
    분사기 팁을 기계적으로 진동시키지 않고 입구 공동 내에서 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가하고, 입구 공동에 근접하여 챔버 내에 위치되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 에너지를 인가하는 수단은 침지된 초음파 혼인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초음파 에너지를 인가하는 수단은 침지된 자기 왜곡 초음파 혼인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 복수개의 출구 오리피스인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 단일 출구 오리피스인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 약 0.00254 ㎜(0.0001 인치) 내지 약 2.54 ㎜(0.1 인치)의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 약 0.0254 ㎜(0.001 인치) 내지 약 0.254 ㎜(0.01 인치)의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 출구 모세관인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 출구 모세관은 약 4:1 내지 약 10:1의 길이 대 직경 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 초음파 에너지는 약 15 ㎑ 내지 약 500 ㎑의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 초음파 에너지는 약 15 ㎑ 내지 약 100 ㎑의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 연속 연료 연소기 내로의 액체 연료의 분사를 위한 초음파 연속 유동 장치이며,
    제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 그 벽에 의해 부분적으로 한정되며 가압된 액체 연료를 수용하도록 구성된 챔버와, 챔버에 가압된 액체 연료를 공급하도록 구성된 입구와, 그 제1 단부에 위치되고 입구 공동 및 출구 오리피스를 구비하며 입구 공동은 출구 오리피스와 상호 연결되고 출구 오리피스는 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 제1 축을 따라 그 외부로 액체 연료를 통과시키도록 구성된 다이 팁을 한정하는 다이 하우징과,
    제1 단부 및 제2 단부를 갖고 초음파 에너지에 의해 여기될 때 노드 및 길이 방향 기계 여기축을 갖도록 구성되며, 그 제1 단부가 다이 하우징 외측에 위치되고 그 제2 단부가 챔버 내에서 다이 하우징 내측에 위치되며 입구 공동에 근접하지만 출구 오리피스에 초음파 에너지를 인가하지 않는 방식으로 다이 하우징의 제2 단부에 위치하는 초음파 혼을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 초음파 에너지는 약 15 ㎑ 내지 약 500 ㎑의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 길이 방향 기계 여기축은 제1 축과 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 초음파 혼의 제2 단부는 대략 다이 팁 내의 입구 공동으로의 개구를 한정하는 면적을 둘러싸는 최소 면적과 동일하거나 그보다 작은 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 초음파 혼은 그 제1 단부에 결합되는 길이 방향 기계 여기 공급원으로서의 진동기 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 진동기 수단은 압전 변환기인 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 진동기 수단은 자기 왜곡 변환기인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 압전 변환기는 긴 도파관에 의해 초음파 혼에 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 긴 도파관은 약 1:1 내지 약 1:2.5의 입력:출력 기계여기 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제15항에 있어서, 상기 초음파 에너지를 인가하는 수단은 침지된 자기 왜곡 초음파 혼인 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 오리피스를 나오는 가압된 액체 연료로의 초음파 에너지의 인가에 의해 연속 유동 연료 연소기를 개선시키는 방법이며,
    그 벽에 의해 부분적으로 한정되고 가압된 액체 연료를 수용하도록 구성된 챔버와, 챔버에 가압된 액체 연료를 공급하도록 구성된 입구와, 그 제1 단부에 위치되고 입구 공동 및 출구 오리피스를 구비하며 입구 공동은 출구 오리피스에 연결되고 출구 오리피스는 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 그 외부로 액체 연료를 통과시키도록 구성된 연료 분사기 팁과, 다이 팁을 기계적으로 진동시키지 않고 입구 공동 내에서 가압된 액체 연료의 일부에 초음파 에너지를 인가하고 입구 공동에 근접하여 챔버 내에 위치하는 수단을 포함하는 연료 분사기 조립체에 가압된 액체 연료를 공급하는 단계와,
    연료 분사기 팁을 기계적으로 진동시키지 않고 입구 공동이 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 출구 오리피스로 통과시키는 동안에 초음파 에너지를 인가하는 수단을 여기시키는 단계와,
    연료 분사기 팁 내의 출구 오리피스의 외부로 가압된 액체 연료를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 초음파 에너지를 인가하는 수단은 챔버 내에 위치된 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 초음파 에너지를 인가하는 수단은 침지된 초음파 혼인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 초음파 에너지를 인가하는 수단은 침지된 자기 왜곡 초음파 혼인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 출구 모세관인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 초음파 에너지는 약 15 ㎑ 내지 약 500 ㎑의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제22항에 있어서, 상기 초음파 에너지는 약 15 ㎑ 내지 약 60 ㎑의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제22항에 있어서, 액체 연료 액적의 속도는 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 연료 분사기 조립체의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료 액적의 속도보다 약 25% 이상 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제22항에 있어서, 가압된 액체 연료 액적의 속도는 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 연료 분사기 조립체의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료의 액적의 속도보다 약 35% 이상 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제22항에 있어서, 가압된 액체 연료 액적의 자우터 평균 직경은 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 연료 분사기 조립체의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료의 액적의 자우터 평균 직경보다 약 5% 이상 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제22항에 있어서, 가압된 액체 연료 액적의 자우터 평균 직경은 초음파 에너지에 의한 여기가 없는 경우의 동일한 출구 오리피스를 통한 동일한 연료 분사기 조립체의 외부로의 동일한 가압된 액체 연료의 액적의 자우터 평균 직경보다 약 50% 이상 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 오리피스를 나오는 가압된 액체 연료로의 초음파 에너지의 인가에 의해 연속 유동 연료 연소기를 개선시키는 방법이며,
    그 벽에 의해 부분적으로 한정되고 가압된 액체 연료를 수용하도록 구성되고 제1 및 제2 단부를 갖는 챔버와, 챔버에 가압된 액체 연료를 공급하도록 구성된 입구와, 그 제1 단부에 위치하고 입구 공동 및 출구 오리피스를 구비하며 입구 공동은 통로를 통해 출구 오리피스와 상호 연결되고 출구 오리피스는 입구 공동으로부터 가압된 액체 연료를 수용하여 제1 축을 따라 그 외부로 액체 연료를 통과시키도록 구성된 다이 팁을 포함하는 다이 하우징과, 제1 단부 및 제2 단부를 갖고 초음파 에너지에 의해 여기될 때 노드 및 길이 방향 기계 여기축을 갖도록 구성되며, 챔버 내에서 그 제1 단부가 다이 하우징 외측에 위치되고 그 제2 단부가 다이 하우징 내측에 위치되는 방식으로 다이 하우징의 제2 단부에 위치되며, 입구 공동에 근접하지만 출구 오리피스에 초음파 에너지를 인가하지 않는 초음파 혼을 포함하는 다이 조립체에 가압된 액체 연료를 공급하는 단계와,
    입구 공동이 챔버로부터 가압된 액체 연료를 수용하는 동안에 다이 팁을 기계적으로 진동시키지 않고 초음파 혼을 초음파 에너지로 여기시키는 단계와,
    다이 팁 내의 출구 오리피스의 외부로 액체 연료를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 출구 모세관인 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 초음파 에너지는 약 15 ㎑ 내지 약 500 ㎑의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
KR10-2003-7008462A 2000-12-22 2001-12-20 초음파 연속 유동 연료 분사 장치 및 방법 KR20030068564A (ko)

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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7731490B2 (en) * 2005-05-20 2010-06-08 Pitco Frialator, Inc. Self-cleaning burner system for heaters and burners
US7963458B2 (en) * 2006-01-23 2011-06-21 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Ultrasonic liquid delivery device
US7735751B2 (en) * 2006-01-23 2010-06-15 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Ultrasonic liquid delivery device
US7930998B2 (en) * 2006-03-30 2011-04-26 Eric William Cottell Real time in-line water-in-fuel emulsion apparatus, process and system
KR100836365B1 (ko) * 2006-10-19 2008-06-09 현대자동차주식회사 스타터와 ｉｓｇ를 구비한 차량의 엔진 시동 방법
US20090108095A1 (en) * 2007-10-30 2009-04-30 Victoriano Ruiz Anti-coking fuel injection system
US7617993B2 (en) * 2007-11-29 2009-11-17 Toyota Motor Corporation Devices and methods for atomizing fluids
US8206024B2 (en) 2007-12-28 2012-06-26 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Ultrasonic treatment chamber for particle dispersion into formulations
LT5828B (lt) * 2010-06-28 2012-04-25 Algimantas BUBULIS Ultragarsinis degiklis
US9786266B2 (en) * 2013-12-10 2017-10-10 Covaris, Inc. Method and system for acoustically treating material
DK179484B1 (en) * 2017-05-26 2018-12-17 Hans Jensen Lubricators A/S Method for lubricating large two-stroke engines using controlled cavitation in the injector nozzle
CN110000147B (zh) * 2019-05-22 2023-12-22 杭州沃凌的机电有限公司 一种磁致伸缩超声清洗阀

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6380264B1 (en) 1994-06-23 2002-04-30 Kimberly-Clark Corporation Apparatus and method for emulsifying a pressurized multi-component liquid
US6010592A (en) * 1994-06-23 2000-01-04 Kimberly-Clark Corporation Method and apparatus for increasing the flow rate of a liquid through an orifice
ZA969680B (en) 1995-12-21 1997-06-12 Kimberly Clark Co Ultrasonic liquid fuel injection on apparatus and method

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