KR20050069887A - 액체의 불연속 액적을 토출시키기 위한 액적 토출기 - Google Patents

액체의 불연속 액적을 토출시키기 위한 액적 토출기 Download PDF

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코에글러존엠.3세
트루바케네스이
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
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Abstract

액체의 불연속 액적들을 토출시키기 위한 액적 토출기(30)가 설명되었다. 액적 토출기(30)는 복수의 점화실(44)을 포함하며, 각각의 점화실(44)은 에너지 확산 장치(46)를 가진다. 각각의 점화실(44)은 점화실(44)로 액체를 공급하도록 구성된 유체 공급 슬롯(42)과 관련된다. 협착 입구(50)는 점화실(44)과 유체 공급 슬롯(42) 사이에 위치하여, 상기 입구를 통해 유체 공급 슬롯(42)으로부터 점화실(44) 안으로 액체가 들어간다.

Description

액체의 불연속 액적을 토출시키기 위한 액적 토출기 {DROP EJECTOR FOR EJECTING DISCRETE DROPS FOR LIQUID}
액적 토출기는 액체 잉크를 수용하도록 되어 있는 종이 등의 매체 상에 액체 잉크의 불연속 액적을 토출시키기 위해 잉크젯 프린터에서 사용되는 장치로 공지되어있다. 액체 잉크의 불연속 액적을 토출시키기 위한 예시적인 액적 토출기가 첸에게 허여된 미국 특허 제6,162,589호에 개시되어 있다.
본 발명의 출원인에게 공통으로 양도된 미국 특허 출원 제10/086,002호에 개시되어 있는 바와 같이, 액체 연료의 불연속 액적을 토출시켜 내연 기관에서 가연성 증기를 발생시키기 위해 개선된 연료 주입기의 중심 구성요소로서 액체 잉크 액적 토출기를 사용하는 것이 제안되었다. 액적 토출기를 사용하면 종래의 연료 주입기와 비교했을 때 내연 기관에 제공된 공기/연료 혼합물을 좀더 정밀하게 제어할 수 있다.
그러나 가솔린 또는 디젤 연료 등의 액체 연료는 지금까지 액적 토출기에 사용되었던 액체 잉크와는 물리적 특성이 다르며, 여기에는 낮은 점성이 포함된다. 그래서, 액체 연료 뿐만 아니라 다른 점성이 낮은 액체를 분배하기 위해 종래의 액체 잉크 액적 토출기를 사용하는데 있어서 여러 가지 문제점들이 존재한다. 예를 들어, 본 발명의 발명자들은 비교적 점성이 낮은 액체를 분배하기 위해 종래의 액적 토출기를 사용할 때, "뒤범벅(puddling)"되거나 "기포 포획(bubble trapping)"의 문제가 존재한다는 것을 알게 되었으며, 이에 대한 자세한 사항은 후술될 것이다.
본 출원에 설명된 실시예들은 비교적 점성이 낮은 액체의 불연속 액적을 토출시키기 위해 액적 토출기를 사용하는 것과 관련하여 상기 문제점과 더불어 다른 문제점들을 포함한 관점에서 이러한 문제점들을 해결하기 위해 개발되었다.
액체 연료 같은 액체의 불연속 액적을 토출시키기 위한 개선된 액적 토출기의 실시예가 설명된다. 한 가지 예시적인 실시예에서 개선된 액적 토출기는 액적 토출기로부터 토출된 연료의 불연속 액적들로부터 가연성 증기를 발생시키는 연료 주입기에 사용되는 것으로 설명된다. 액적 토출기는 액적이 토출되는 복수의 점화실을 포함한다. 액체는 복수의 유체 공급 슬롯을 통해 각 점화실로 이송되며, 각 점화실은 적어도 하나의 공급 슬롯과 관련된다. 협착 입구는 각 점화실과 그에 대응하는 공급 슬롯 사이에 위치한다. 액체 연료는 상기 협착 입구를 통해 그에 대응하는 공급 슬롯으로부터 각 점화실로 들어간다. 각각의 입구는 유체 공급 슬롯과 점화실보다 더 좁아서[즉 입구는 "협착(constricted)"하여], 점화실로 이송되는 액체 연료와 점화실로부터 토출되는 연료 액적을 개선된 방식으로 제어하게 된다. 협착 입구는 "뒤범벅"되거나 "기포 포획"의 문제를 방지하거나 줄이며, 이에 관해서는 상세히 후술될 것이다.
도1에는 액체 연료로부터 가연성 증기를 발생시키기 위한 시스템(10)의 한 실시예가 도시되었다. 시스템(10)은 연소 챔버(도시 안됨)의 흡기 매니폴드(14)에 장착된 연료 주입기(12)를 포함한다. 연료 주입기(12)는 가연성 증기(16)를 발생시켜, 이 증기가 흡기 매니폴드(14)를 통해 연소 챔버 내로 들어간다. 당해 분야의 숙련자들은 연료 주입기(12)가 다른 다양한 방식으로 장착되어 연소 챔버에 가연성 증기(16)를 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 가연성 증기(16)는 연료 주입기(12) 내에 있는 다수의 일정량 액체 연료의 액적에 기류를 통과시켜 발생될 수 있다. 기류는 종래의 공기 필터(18)를 통해 연료 주입기(12)에 제공될 수 있으며, 액체 연료는 자동차 가스 탱크 같은 종래의 연료 저장소(24)로부터 연료 주입기(12)에 공급될 수 있다. 임의의 소정 시간에 연료 주입기(12)에 의해 발생된 특정 공기/연료 혼합물은 제어 회로(22)와 쓰로틀(20)에 응답하여 결정되며, 이들에 의해 제어된다.
도2는 도1에 도시된 시스템을 연료 주입기(12)가 절단된 상태로 도시하여, 일정량(동일한 크기 또는 용량)의 액체 연료 액적을 토출시키기 위한 연료 액적 토출기(30)의 예시적인 실시예를 도시한다. 액적 토출기(30)는 연료 저장소(24)(도1)와 유체 연통하며 액적 토출기(30)가 액체 연료의 연속적인 공급을 수용할 수 있도록 하는 연료 입구(32)를 포함한다. 또한, 연료 주입기(30)는 제어 회로(22)에 전기적으로 접속된 테이프 자동 접착(TAB-Tape Automated Bonding) 회로(34)를 포함한다. 연료 주입기(30)는 TAB 회로(34)를 통해 제어 회로(22)로부터 전자 제어 신호를 수신하여 연료 액적의 토출을 제어한다. 다른 형태의 상호 접속은 당해 분야의 숙련자들에게 공지되어 있으며, 본 발명의 정신과 범위 내에서 TAB 회로(29)와 대체될 수 있다. 또한, 도2는 연료 주입기(12) 내의 연료 액적 토출기(30)만을 도시하지만, 다른 구성요소(도시 안됨)들도 연료 주입기(12) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 출원인이 공동으로 소유하고 있는 미국 특허 출원 제10/086,002호(본 명세서에서 참조로 인용됨)는 액적 토출기(30)를 가지는 예시적인 연료 주입기(12)의 추가적인 구성 요소들을 개시한다.
도3은 도2의 연료 주입기(12)의 일부로 도시된 액적 토출기(30)의 사시도이다. 미국 특허 제6,162,589호(상기 참조됨)에 도시된 바와 같이, 액적 토출기(30)의 실시예는 일반적으로 일 이상의 유체 채널(40)[도3은 두 개의 불연속 유체 채널(40)을 가지는 액적 토출기(30)를 도시함]을 포함한다. 도4에 도시된 바와 같이, 각각의 유체 채널(40)은 일 이상의 분기형 유체 공급 슬롯(42)을 포함한다. 각각의 유체 공급 슬롯(42)은 점화실(44)과 관련된다. 각각의 점화실(44)은 예컨대, 레지스터 또는 유연성 장치(flextentional device) 등의 에너지 확산 장치(46)를 포함한다. 일부 실시예(도4 내지 도6에 도시된 바와 같이)에서는 에너지 확산 장치(46)가 출구 오리피스(48) 보다 크기가 작아서, 후술될 "뒤범벅"되거나 "기포 포획"의 문제를 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 각각의 유체 공급 슬롯(42)은 관련된 점화실(44)과 유체 채널(40) 사이의 유체 연통을 원활하게 하여서 각 점화실(44)에 액체 연료가 일정하게 공급되도록 한다.
도5는 하나의 예시적인 점화실(44)과 그에 대응하는 에너지 확산 장치(46) 및 공급 슬롯(42)에 대한 측단면을 도시한다. 또한, 도5는 유체 공급 슬롯(42)을 통해 점화실(44)과 유체 채널(40) 사이의 유체 연통하는 것을 도시한다. 상세히 후술된 바와 같이, 일정량의 액체 연료 액적들은 출구 오리피스(48)를 통해 점화실(44)로부터 순차적으로 토출된다.
제어 회로(22)(도1)로부터 수신된 제어 신호들에 응답하여, 에너지 확산 장치(도4, 도5)는 선택적으로 작동하여 그에 대응하는 점화실 내에 있는 액체 연료를 가열시킨다. 소정 점화실(44) 내의 액체 연료가 충분히 가열될 때, 액체는 비등하고 기포가 형성된다. 팽창하는 기포는 액체 연료 중 일부를(일정량의 액적 형태로) 출구 오리피스(48) 밖으로 밀어낸다.
도6은 도5에 도시된 점화실(44)의 평면도이며, 동일 부호는 동일 부품을 나타낸다. 도6에 도시된 바와 같이, 점화실(44)의 단면은 다각형이지만 다른 실시예에서는 점화실이 대체로 원형이거나 다른 형태일 수 있다. 점화실(44)은 협착 입구(50)를 가지고 있어, 유체가 공급 슬롯(42)으로부터 점화실(44) 내로 유동할 수 있다. 입구(50)가 "협착"하다는 것은 점화실(44)과 그에 대응하는 공급 슬롯(42) 모두의 폭 보다 좁다는 것을 의미한다. 도6에 도시된 바와 같이 협착 입구는 서로 대향된 돌출 지점(52a, 52b)에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 돌출 지점(52a, 52b)은 표면(54a, 56a)과 표면(54b, 56b)을 각각 수렴시켜 형성된다. 돌출 지점(52a, 52b)의 공급 슬롯 측면에 위치한 표면(54a, 54b)들이 "편평(flat)"하다는 것은 공급 슬롯(42)을 통과하는 액체의 유동에 대해서 대체로 수직이라는 것을 의미한다. 반면에, 돌출 지점(52a, 52b)의 점화실 측면 상에 위치한 표면(56a, 56b)이 "경사(angled)"졌다는 것은 각각의 편평면(54a, 54b)에 예각(α)을 형성하므로 액체가 협착 입구(50)를 통과한 후에 점화실 내에서 액체가 채워질 확장된 측방향 영역을 제공한다는 것을 의미한다.
작동시(모든 도면을 참고해 보면), 연료 주입기(12)는 [공기 필터(18)를 통해 공급된] 기류를 복수의 액체 연료 액적에 통과시켜 가연성 증기(16)를 발생시킨다. 액체 연료 액적은 제어 회로(22)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 액적 토출기(30)에 의해 발생된다. 액적 토출기(30)는 (제어 신호에 응답하여) 에너지 확산 장치(46)에 선택적으로 전력을 공급하여 연료 액적을 발생시켜 토출하게 되며, 대응하는 점화실(44) 내에 있는 액체 연료는 점화실(44) 내에서 기포를 발생시키게 된다. 협착 입구(50) 때문에 기포도 입구(50)를 통과하여 최소한 부분적으로 공급 슬롯(42) 안으로 팽창된다. 점화실(44) 내에서는 팽창하는 기포로 인해 액체 연료의 액적이 점화실(44)의 출구 오리피스(48)로부터 토출된다. 일단 에너지 확산 장치(46)에 전류가 끊기면 팽창하던 기포는 붕괴된다. 기포가 붕괴되면서 액체 연료는 (연료의 표면 장력 때문에) 공급 슬롯(42)으로부터 점화실(44) 내로 들어가서 붕괴된 기포로 인해 남겨진 빈공간을 채우며, 토출될 다음번 연료 액적을 위해 점화실을 효과적으로 "재장전(re-loading)"한다.
점화실(44)의 상기 실시예, 특히 두 개의 돌출 지점(52a, 52b)에 의해 형성된 점화실(44)에 대한 협착 입구(50)는 액체 연료의 비교적 낮은 표면 장력(비교적 낮은 점성)으로 발생될 수 있는 "뒤범벅"되거나 "기포 포획"의 문제를 방지하게 된다. "뒤범벅"되는 현상은 출구 오리피스(48)와 그 주변에 너무 많은 연료가 부착되어 다음에 나올 연료 액적이 이렇게 과잉의 "뒤범벅"된 연료를 통과하여 토출되어야 할 때 발생되는 현상이다. "뒤범벅"되는 현상은 다음에 토출될 연료 액적의 궤도에 영향을 주며, 때로는 다음번 연료 액적들이 전혀 토출되지 못하도록 한다. 협착 입구(50)는 입구를 통과하는 유체 유동을 제한하여 점화실(44) 내로 돌진하려는 연료의 모멘텀을 감소시키기 때문에 "뒤범벅"되는 현상을 없애게 된다. 또한, 협착 입구(50)는 팽창되는 액체 기포가 [작동된 에너지 확산 장치(46) 때문에] 공급 슬롯(42) 안으로 팽창될 수 있는 정도를 제한한다. 편평면(54a, 54b)을 가지는 실시예에서, 평면은 액체 유동에 대해서 저항을 나타내므로 팽창하는 액체 기포가 소정량 이상으로 공급 슬롯(42) 안으로 팽창되는 것을 제한하는 것을 돕는다. 그러므로 점화실(44) 내에서 일어나는 대부분의 기포 팽창은 출구 오리피스(48) 쪽으로 발생되므로, 비교적 더 빠른 낙하 속도(액적이 액적 토출기로부터 토출되는 속도)를 유지한다. 액적 토출기로부터 액적의 빠른 낙하 속도를 적절하게 유지시켜줌으로써 "뒤범벅"되는 현상을 방지 또는 제한하는데 도움을 주게 된다.
"기포 포획"은 연료의 액적이 점화실로부터 토출된 후에 액체 연료가 불충분한 양으로 빠르게 점화실(44)을 "재충전(refill)"할 때 발생된다. 돌입(in-rushing)하는 연료는 연료의 액적을 토출시키기 위해 전류가 공급된 후에 에너지 확산 장치(46)를 냉각시킨다. 만약 돌입하는 연료가 에너지 확산 장치(46)를 빠른 속도로 충분히 냉각시키지 않으면, 에너지 확산 장치(46)는 공급 슬롯(42) 내에 기포를 형성시키므로 입구(50)가 막혀서 점화실(44) 내로 연료가 추가로 들어가지 못하게 할 수 있다. 점화실 내에 연료가 없으면, 막힌 점화실을 둘러싸는 재료(일반적으로 실리콘)는 과열되어 액적 토출기 내부가 단락될 수 있다. 협착 입구(50)는 연료의 액적이 토출된 후에 충분한 양의 액체 연료를 점화실(44)에 빠르게 "재충전"시켜 "기포 포획" 문제를 방지한다. 협착 입구(50)로 인해 점화실(44) 내에 형성되는 기포가 협착 입구(50)를 통해 공급 슬롯(42) 안을 확장되어서, 기포가 붕괴될 때 공급 슬롯(42)으로부터 점화실(44) 내로 충분한 연료를 끌어들이게 된다. 경사면(56a, 56b)을 가지는 실시예에서, 경사면들은 액체 유동에 대한 저항을 줄여서 점화실을 충전하는 액체의 속도를 높이는 것을 돕는다. 그러므로, 경사면(56a, 56b)은 점화실(44)이 입구(50)의 소정 개구 크기에 대해서 재충전될 수 있는 속도를 높인다.
점화실(44)의 재충전 속도를 제어하고 액적 토출기로부터 토출되는 액체 연료의 낙하 속도를 제어하여 "뒤범벅"과 "기포 포획" 문제는 제한될 수 있다. 재충전 속도 및 액적 속도는 입구(50)의 크기를 조절하고 경사면(56a, 56b)과 편평면(54a, 54b) 사이의 각도(α)의 크기를 조절하여 효과적으로 제어될 수 있다.
본 발명이 전술된 양호한 그리고 다른 실시예를 참고로 설명되었지만, 당해 분야의 숙련자들은 첨부된 청구항대로 본 발명의 정신과 범위 내에서 많은 변형이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 협착 입구를 가지는 액적 토출기의 한 실시예가 연료 주입기 장치와 관련되어 전술되었다. 그러나, 당해 분야의 숙련자들은 이러한 설명의 관점에 있어서 비교적 점성이 낮은 액체가 디지털 방식으로 불연속 액적 형태로 분배되는 여러 가지 구성에 전술된 액적 토출기가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 이러한 설명은 본 명세서에서 설명된 요소들의 신규하며 비자명한 모든 조합하는 것으로 이해되어야 하며, 상기 또는 추후의 적용에서 청구항들은 이러한 요소들의 신규하고 비자명한 조합들에 대해서 표현될 수 있다. 전술된 실시예들은 설명을 위한 것이며, 어떠한 특징이나 요소도 상기 또는 추후의 적용에서 주장될 수 있는 모든 가능한 조합들에 대해서 필수적인 것은 아니다. 청구항이 "하나의(a)" 요소 또는 "제1(a first)"요소에 상당하는 용어를 인용하는 곳에서, 이러한 청구항들은 2이상의 이러한 요소들을 필요로 하거나 배재하지 않으면서 일 이상의 이러한 요소들을 통합하는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 "제1(first)", "제2(second)" 등의 단어를 사용하는 것은 지정된 요소들에 대한 어떠한 시간적 순서를 의미하지 않는다. 본 발명은 다음의 청구항들에 의해 제한된다.
각 점화실과 그에 대응하는 공급 슬롯 사이에 위치한 협착 입구는 "뒤범벅"되거나 "기포 포획"의 문제를 방지하거나 줄인다.
도1은 연료 전달 시스템의 예시적인 실시예에 대한 사시도.
도2는 도1의 연료 전달 시스템의 부분 절취도.
도3은 액적 토출기의 예시적인 실시예에 대한 사시도.
도4는 도3의 액체 연료 액적 토출기의 예시적인 실시예에 사용된 예시적인 점화실의 근접도.
도5는 도3에 도시된 예시적인 점화실의 측단면도.
도6은 도5에 도시된 예시적인 점화실의 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 시스템
12 : 연료 주입기
14 : 흡기 매니폴드
16 : 가연성 증기
18 : 공기 필터
22 : 제어 회로
24 : 연료 저장소
30 : 액적 토출기
32 : 유체 입구
40 : 유체 채널
42 : 유체 공급 슬롯
44 : 점화실
48 : 출구 오리피스

Claims (10)

  1. 액체의 불연속 액적을 토출시키기 위한 액적 토출기(30)이며,
    각각의 점화실(44)이 에너지 확산 장치(46)를 가지며, 이러한 점화실(44)에 액체 연료를 공급하도록 구성된 액체 공급 슬롯(42)과 관련된 복수의 점화실(44)과,
    상기 점화실(44)과 상기 유체 공급 슬롯(42) 사이에 위치한 협착 입구(50)를 포함하며,
    액체는 상기 협착 입구를 통해 상기 유체 공급 슬롯(42)으로부터 상기 점화실(44) 안으로 들어가는 액적 토출기.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 점화실(44)은 출구 오리피스(48)를 포함하고, 상기 에너지 확산 장치(46)는 상기 출구 오리피스(48)보다 크기가 더 작은 액적 토출기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 협착 입구(50)는 서로 대향된 두 개의 돌출 지점(52a, 52b)에 의해 형성되는 액적 토출기.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 돌출 지점(52a, 52b)은 편평면(54a, 54b)과 상기 점화실(44) 내의 경사면(56a, 56b)에 의해 형성되며, 상기 편평면(54a, 54b)은 상기 유체 공급 슬롯(42) 내의 액체 연료의 유동에 대체로 수직이며, 상기 편평면(54a, 54b)과 상기 경사면(56a, 56b)은 그 사이에 예각이 형성되는 액적 토출기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 협착 입구(50)의 폭은 상기 점화실(44)의 폭과 상기 유체 공급 슬롯(42)의 폭보다 작은 액적 토출기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에너지 확산 장치(46)는 레지스터인 액적 토출기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액체는 액체 연료인 액적 토출기.
  8. 가연성 증기를 발생시키는 위한 장치이며,
    기류 안으로 액체 연료의 불연속 액적을 토출시키도록 구성된 액적 토출기(30)를 포함하며,
    상기 액적 토출기(30)는 각각의 점화실(44)이 에너지 확산 장치(46)를 가지며 이러한 점화실(44)에 액체 연료를 공급하도록 구성된 유체 공급 슬롯(42)과 관련된 복수의 점화실(44)과, 상기 점화실(44) 및 상기 유체 공급 슬롯(42) 사이에 위치한 협착 입구(50)를 포함하며,
    액체 연료는 상기 협착 입구를 통해 상기 유제 공급 슬롯(42)으로부터 상기 점화실(44) 안으로 들어가는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 협착 입구(50)는 서로 대향한 두 개의 돌출 지점(52a, 52b)에 의해 형성되는 장치
  10. 가연성 증기(16)를 발생시키는 방법이며,
    액체 연료의 복수의 불연속 액적들을 기류에 통과시키는 단계를 포함하며,
    액체 연료의 각각의 상기 액적들은 점화실(44) 내에 있는 액체 연료를 가열하여 발생되어 액체 연료의 기포가 액체 연료의 액적을 상기 점화실(44)로부터 출구 오리피스(48)를 통해 토출시키며, 액체 연료는 상기 액체 연료의 기포가 붕괴되어 협착 입구(50)를 통해 상기 점화실(44) 안으로 들어가는 방법.
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