KR20100027327A

KR20100027327A - 유체분출장치

Info

Publication number: KR20100027327A
Application number: KR1020080086200A
Authority: KR
Inventors: 시흐-창 창
Original assignee: 유나이티드 베니핏 잉크
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-11

Abstract

본 발명은 유체분출장치에 관한 것으로, 상기 장치 내부에 하나 이상의 가속장치를 장착하여, 상기 가속장치가 분출 직전의 유체를 가속시킴으로써, 분출되는 액체의 속도를 높이게 되는 것이다.

유체분출장치, 노즐, 분무, 두흐름 노즐, 가속장치

Description

유체분출장치{Fluid Ejection Device}

본 발명은 유체분출장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 통과 단면적이 작아진 가속장치를 구비하여 분출되는 유체를 가속시키되, 상기 가속장치는 두흐름을 모두 균일하게 분출하는 기능을 구비하는 두흐름 분무장치에 관한 것이다.

노즐장치는 액체의 분무원리를 응용한 것인데, 액체분무원리에 따라 홑흐름(single-fluid)과 두흐름(two-fluid)으로 양분할 수 있다. 상기 홑흐름 노즐은 액체 가압식 노즐로도 불리는데, 진공펌프 등을 이용하여 액체를 가압하여 필요한 압력을 얻어, 노즐 내부의 특수장치를 통과시켜, 최종적으로 출구로 분산시키는 것이다. 이러한 종류의 노즐은, 분무되는 입자 직경이 비교적 굵기 때문에, 분무되는 입자 직경을 작게 하려면, 사용 압력을 높이거나 분무홀(hole)의 직경을 축소시켜야 한다. 이 때문에, 진공펌프의 선택과 노즐 막힘의 문제가 발생한다. 두흐름 노즐은 공기 보조식 노즐로도 불리는데, 액체에 부딪히는 동력으로 불리는 고압공기(일반적으로 공기)를 사용하여, 액체의 표면장력을 파괴하고 미세 방울이 되도록 하여 출구를 통해 분산시킨다. 홑흐름 노즐과 비교하여, 두흐름 노즐은 더욱 미세한 입자 직경을 생성하고, 분무홀의 직경이 비교적 크기 때문에, 이물질에 의한 막 힘이 감소되고, 유량의 조절범위 역시 크게 된다.

두흐름 노즐의 분무장치는 내부 분무(internal atomizing)와 외부 분무(external atomizing)로 나눌 수 있다. 외부 분무는 액체 분리 시스템으로, 외부에서 직접 공기로 액체에 충돌시켜 공기와 액체를 혼합하여 분무를 형성한다. 작용구역이 외부에 위치하기 때문에, 공기의 압력을 높일 필요가 없어 재이용이 가능하다. 내부 분무는 노즐 본체의 내부에서 공기를 공급한다. 공기로 액체에 충돌시켜, 혼합실에서 공기와 액체를 혼합한 후, 다시 각종 형식의 출구홀(예들 들어 원형공, 슬릿 형상의 개구 등)을 통해 필요로 하는 분산 형식을 형성하여 목표물의 표면에 분무하도록 한다. 외부 분무는 습도를 높이거나 온도를 낮추는데 사용한다. 내부 분무는 출구홀의 설계를 통해 물품을 세정하거나, 액체를 분포시키거나, 슬래브(Slab)를 냉각시키는데 사용한다. 현재 사용 중인 두흐름 노즐은, 공기 소모량이 작고, 드리핑 입자 직경이 작으며, 충돌력을 크게 하는 설계 조건을 동시에 만족시키기 어렵다. 이는 상술한 세가지 변수가 상호 맞물려 있기 때문으로, 공기 소모량이 작을 경우 충돌력은 작아지고, 드리핑 입자 직경은 커지게 된다; 반대로 입자 직경을 작게 할 경우, 충돌력은 커지지만 공기 소모량이 커지게 되는 것이다. 그러나 공기량을 많이 사용할 경우 공기흐름에서 드리핑의 규격이 커지게 되는데, 홀(hole)의 직경을 축소하여 드리핑의 속도를 증가시켜 충돌력을 증가시킬 수 있다. 그런데 공기속도가 음속에 도달하게 하면 극한에 도달했다고 할 수 있기 때문에, 홀(hole)의 직경을 축소시켜 이상의 세 가지 조건을 만족시킬 수는 없다.

본 발명의 목적은 액체분출장치에 하나 또는 다단식의 가속장치를 설치하여, 분출되는 액체의 속도를 증가시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 가속장치를 설치하여, 충돌력을 더 크게하면서 드리핑 입자의 직경은 더 작아지게 하는 액체분출장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 제공하는 가속장치가 구비된 액체분출장치는 내부 문무의 두흐름 분무장치로서, 노즐 본체 내부를 이용하여, 공기로 액체에 충돌시키는 혼합실에 하나 이상의 가속장치를 설치한다. 상기 가속장치는 도 7에 도시된 벤투리관(Venturi tube) 또는 도 8에 도시된 노즐구경(orifice)이다. 상기 가속장치는 공기의 압력을 높이지 않고 드리핑의 가속을 증가시키는 것인데, 공기를 회수하여 다시 이용할 수 있다. 따라서 분무화에 필요한 공기의 압력과 공기의 소모량을 줄일 수 있어, 효율이 높은 압력 시스템 을 달성할 수 있다.

또한 본 발명이 제공하는 액체분출장치는 두흐름 분무 시스템인데, 종래 기술에 따른 액체 분무 시스템의 가압공기를 일차적으로 이용한다. 대부분의 가압공기는 1차 가속 후에 대기 중에서 소실되는데, 본 발명의 하나 또는 다단식 가속장치의 경우에는, 공기를 여러 차례 회수하여 이용하게 되어, 여러 회에 걸쳐 드리핑 가속을 하여 필요로 하는 드리핑 속도를 얻을 수 있다. 만일 드리핑 속도 또는 입자 직경이 이미 요구되는 수준에 도달하였다면, 공기의 압력을 낮출 수 있다. 따라 서 가속장치가 설치된 노즐장치는, 압력을 증가시킬 필요가 없는 상황에서, 드리핑 속도를 증가시키고, 공기 소모량을 줄일 수 있다.

본 발명의 액체분출장치는 물방울의 속도를 높여 더욱 미세한 입자 직경으로 갈라지게 함으로써, 속도가 빠르고 입자 직경이 작은 물방울로 만들어 공업용으로 응용하여 작업 효율을 높일 수 있다. 예를 들어, 강철 공업에서 슬래브를 냉각시키거나, LCD 유리기판을 세정하거나, 습도를 높이고 소독하는 작업 등에 응용될 수 있다.

본 발명에 따른 가속장치가 설치된 액체분출장치는 풍도식(wind knife) 분무시스템인데, 도 5 및 도 6을 참조한다. 풍도식 구조에서는, 분무 장치 이외에, 하나 이상의 가속장치를 설치하여, 두 흐름의 분출이 가속장치에 의하여 그 속도가 균일화 되도록 한다. 또한 복수 개의 부채꼴형 두흐름 분무를 이용하여 불균일 분무 분포의 문제를 해결한다.

본 발명의 장점과 실시방식은 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 통해서 진일보하게 이해될 수 있다.

본 발명에 따른 유체분출장치는, 특히 두흐름 분무장치에 관한 것으로, 내부분무 장치에 속한다. 공기가 액체에 충돌하는 혼합실에는 단면적을 축소하는 하나 이상의 가속장치가 구비된다. 공기와 액체는 혼합실에 진입하게 되고, 혼합실에서 균등하게 혼합된 후 가속장치를 통과하게 된다. 상기 가속장치는 도 7에 도시된 바와 같이, 내벽이 점차적으로 축소-확대되는 구조를 가지는 벤투리관(Venturi tube)(704, 705)을 구비한다. 상기 가속장치의 점차 축소 구조를 갖는 부분의 일단은 혼합실의 출구와 연결되어 있다. 액체 또는 공기가 흘러 상기 점차적으로 축소되는 내벽에 도달하면, 그 단면적이 작아지게 되어, 두흐름의 유출속도는 증가한다. 상기 가속장치는, 도 8에 도시된 바와 같은 단면적이 축소된 노즐구멍이나 개구(802, 804)일 수도 있는데, 이 구조도 두흐름의 속도를 증가시킬 수 있다. 아래의 실시예는 가속장치가 장착되지 않은 노즐장치와 가속장치가 장착된 노즐장치를 대상으로 그 출구홀의 드리핑 속도를 비교한 것이다. 액체는 공기와 충돌한 후 미세한 드리핑을 형성하게 되는데, 이것은 비연속적인 상(相)이다. 따라서, 드리핑이 출구홀에 도달하게 될 때, 운동량 보존의 법칙(m₁v₁=m₂v_2,, 여기서 m은 드리핑 질량, v는 드리핑 속도)을 이용해서 직접 드리핑의 속도를 산출할 수 없고, 운동량 보존의 법칙, 질량 불변의 법칙, 에너지 보존의 법칙을 동시에 이용하여 드리핑의 속도를 산출해낼 수 있다. 이하의 실시예에서는 상기 개념 및 효과를 진일보하게 설명하도록 하겠다.

본 발명의 구체적인 실시예는, 가속장치로서 벤투리관이 설치된 두흐름 노즐(200)인데, 도 2에 도시되어 있다.

종래 기술에 따른 가속장치가 장착되지 않은 두흐름 노즐과 본 발명의 실시예로서 가속장치가 장착된 두흐름 노즐의 출구홀에서의 드리핑 속도를 비교한다.

도 1에 도시된 종래 기술에 따른 가속장치가 장착되지 않은 두흐름 노즐(100)은, 왼쪽에서 시작하여 오른쪽으로 진행되며 혼합실(mixing chamber)(101) 과 출구홀(102)로 구성된다.

다음은 가속장치가 부착되지 않은 두흐름 노즐(100)의 각 항목 조건이다:

a. 혼합실(mixing chamber)(101)에서

공기 속도 : 15 m/s

물방울 속도 : 7.5 m/s

물방울 입자 직경 : 30 ㎛

온도 : 25℃

압력 : 3 ㎏/㎠G

혼합실 내부 직경 D11 : 6 m/m

b. PT11에서 PT12까지의 거리 d11 : 5mm

c. 출구홀(102)에서

출구홀의 직경 D12 : 1.8 m/m

d. PT12에서 PT13까지의 거리 d12 : 5mm

도 2에 도시된 가속장치가 부착된 두흐름 노즐(200)은, 왼쪽에서 시작하여 오른쪽으로 진행되며 혼합실(mixing chamber)(201), 벤투리관(Venturi tube)(202), 회수부분(recovery portion)(203) 및 출구홀(204)로 구성된다.

다음은 가속장치가 부착된 두흐름 노즐(200)의 각 항목 조건이다:

a. 혼합실(mixing chamber)(201)에서

공기 속도 : 15 m/s

물방울 속도 : 7.5 m/s

물방울 입자 직경 : 30 ㎛

온도 : 25℃

압력 : 3 ㎏/㎠G

혼합실 내부 직경 D21 : 6 m/m

b. PT21에서 PT22까지의 거리 d21 : 5mm

c. 벤투리관(Venturi tube)(202)

최소직경 D22 : 1.8 m/m

d. PT22에서 PT23까지의 거리 d22 : 5mm

e. 회수부분(recovery portion)(203)

회수부분 내부 직경 D23 : 6 m/m

f. PT23에서 PT24까지의 거리 d23 : 5mm

g. 출구홀(204)에서

출구홀의 직경 D24 : 1.8 m/m

h. PT24에서 PT25까지의 거리 d24 : 5mm

상술한 두 예는 가속장치의 유무를 제외하고는 다른 조건은 모두 동일하다. 만일 입자 직경이 모두 30 ㎛인 물방울이 가속과정에서 그 입자 직경이 변화되지 않고, 동시에 1차원이 계산의 기초가 된다면, 수치분석법(numerical analysis)을 이용하여 얻은 결과는 다음의 표 1a내지 1b 그리고 표 2a 내지 2d에 나타나 있다.

표 2d에서 마지막 1항의 데이타는 두흐름 노즐(200)의 PT25에서의 자료이다. 그 데이타는 다음 아래와 같다:

공기 속도 : 51.8123 m/s

공기 온도 : 297.89 K

압력 : 0.2684×10⁶ Pa

물방울 속도 : 68.8067 m/s

표 1b에서 마지막 1항의 데이타는 두흐름 노즐(100)의 PT13(출구홀 거리가 5mm 인 곳)에서의 자료이다. 그 데이타는 다음 아래와 같다:

공기 속도 : 43.6308 m/s

공기 온도 : 297.81 K

압력 : 0.3186×10⁶ Pa

물방울 속도 : 50.2845 m/s

이상의 데이타를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 벤투리관이 설치된 두흐름 노즐(200)은 출구홀 거리가 5mm인 곳에서의 물방울 속도가 68.8067 m/s인 반면, 가속장치가 설치되지 않은 두흐름 노즐(100)은 출구홀 거리가 5mm인 곳에서의 물방울 속도는 50.2845 m/s가 되어, 양자의 속도 차이는 18.5222 m/s인데, 상기 가속장치가 물방울의 가속에 36.8% 효과를 미치는 것으로 나타났다. 그런데, 상기 두흐름 노즐(200)에서, 가속장치를 통과하여 PT23에 도달했을 때의 압력손실은 10.8%인데, 이는 이들 압력을 다시 재이용할 수 있다는 것이고, 실재 복수 개의 가속장치가 설치된 노즐장치는 이를 이용하는 설계를 할 수 있다. 아래의 실시예 2에서는 두흐름 노즐(300)이 두 개의 벤투리관(Venturi tube)(302, 304)을 가속장치로 사용한다.

본 발명의 구체적인 실시예 2는 두 개의 벤투리관이 장착된 두흐름 노즐(300)을 사용하는데, 이는 도 3에 나타나 있다.

이하는 종래 기술에 따른 가속장치가 장착되지 않은 두흐름 노즐(100)과 본 발명에 따른 가속장치가 장착된 두흐름 노즐(300)의 출구홀에서의 드리핑 속도를 비교한 것이다.

도 3에 도시된 두흐름 노즐(300)에서는 두 개의 벤투리관(Venturi tube)(302, 304)을 가속장치로 사용하고 있으며, 그 결합구조는 왼쪽에서 시작하여 오른쪽으로 진행되며 혼합실(mixing chamber)(301), 벤투리관(Venturi tube)(302), 회수부분(recovery portion)(303), 벤투리관(Venturi tube)(304), 회수부분(recovery portion)(305) 및 출구홀(306)로 구성된다.

다음은 두흐름 노즐(300)의 각 항목 조건이다:

a. 혼합실(mixing chamber)(301)에서

공기 속도 : 15 m/s

물방울 속도 : 7.5 m/s

물방울 입자 직경 : 30 ㎛

온도 : 25℃

압력 : 3 ㎏/㎠G

혼합실 내부 직경 D31 : 6 m/m

b. PT31에서 PT32까지의 거리 d31 : 5mm

c. 벤투리관(Venturi tube)(302)

직경 D32 : 1.8 m/m

d. PT32에서 PT33까지의 거리 d32 : 5mm

e. 회수부분(recovery portion)(303)

회수부분 내부 직경 D3 : 6 m/m

f. PT33에서 PT34까지의 거리 d33 : 5mm

g. 벤투리관(Venturi tube)(304)

직경 D34 : 1.8 m/m

h. PT34에서 PT35까지의 거리 d34 : 5mm

i. 회수부분(recovery portion)(305)

직경 D35 : 6 m/m

j. PT35에서 PT36까지의 거리 d35 : 5mm

k. 출구홀(306)에서

출구홀의 직경 D36 : 2.0 m/m

l. PT36에서 PT37까지의 거리 d36 : 5mm

만일 상기 예에서, 입자 직경이 30 ㎛인 물방울이 가속과정에서 그 입자 직경이 변화되지 않고, 동시에 1차원이 계산의 기초가 된다면, 수치분석법(numerical analysis)을 이용하여 얻은 결과는 하기 표 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f에 나타나 있다.

표 3f에서 마지막 1항의 데이타는 두흐름 노즐(300)의 PT37(출구홀 거리 5mm)에서의 자료이다. 그 데이타는 다음 아래와 같다:

공기 속도 : 46.8082 m/s

공기 온도 : 298.41 K

압력 : 0.2829E+6 Pa

물방울 속도 : 72.6306 m/s

이상의 결과를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 가속장치가 설치된 두흐름 노즐(300)은 출구홀 거리가 5m/m인 곳에서의 물방울 속도가 72.6306 m/s인 반면, 가속장치가 설치되지 않은 두흐름 노즐(100)은 출구홀 거리가 5m/m인 곳에서의 물방울 속도는 50.2845 m/s가 되어, 양자의 속도 차이는 22.3461 m/s인데, 상기 가속장치가 물방울의 가속에 44.4% 효과를 미치는 것으로 나타났다.

상술한 두 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 공기압력이 증가되지 않고, 또한 가속장치가 장착된 두흐름 노즐(200, 300)에서의 출구홀 직경(2m/m)이 가속장치가 장착되지 않은 두흐름 노즐(100)의 출구홀 직경(1.8 m/m)보다 작지 않은 경우라면, 가속장치를 통과한 물방울은 확실하게 가속된다.

도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 가속장치로서 하나의 노즐구경이 장착된 두흐름 노즐 구조를 보여주는 설명도이다.

도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 가속장치로서 두 개의 노즐구경이 장착된 두흐름 노즐 구조를 보여주는 설명도이다.

도 5는 가속장치로서 벤투리관이 장착된 풍도식(wind knife) 분무 시스템을 보여주는 설명도이다. 벤투리관(502)이 풍도식 분무 시스템(400)에 응용되고, 벤투리관(502)을 통해 분무된 두흐름이 모두 드리핑 가속된 경우에는, 분무시키고자 하는 물체의 표면에 정확하게 분무시킬 수 있다.

도 6은 가속장치로서 노즐구경이 장착된 풍도식(wind knife) 분무 시스템을 보여주는 설명도이다.

상술한 실시예를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 가속장치가 장착된 액체분출장치는 확실하게 유체를 가속시키는 기능이 있다. 이상의 설명은 본 발명에 대한 설명일 뿐으로 청구범위를 제한하는 것은 아니다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.

도 1은 가속장치가 장착되지 않은 두흐름 노즐 구조를 보여주는 설명도이다.

도 2는 가속장치로서 하나의 벤투리관이 장착된 두흐름 노즐 구조를 보여주는 설명도이다.

도 3은 가속장치로서 두 개의 벤투리관이 장착된 두흐름 노즐 구조를 보여주는 설명도이다.

도 5는 가속장치로서 벤투리관이 장착된 풍도식 분무 시스템을 보여주는 설명도이다.

도 6은 가속장치로서 노즐구경이 장착된 풍도식 분무 시스템을 보여주는 설명도이다.

도 7은 벤투리관을 보여주는 설명도이다.

도 8은 노즐구경을 보여주는 설명도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

100 : 가속장치가 장착되지 않은 두흐름 노즐 101 : 혼합실

102 : 출구홀

200 : 하나의 가속장치가 장착된 두흐름 노즐 201 : 혼합실

202 : 벤투리관 203 : 회수부분

204 : 출구홀

300 : 두 개의 가속장치가 장착된 두흐름 노즐 301 : 혼합실

302, 304 : 벤투리관 303,304,305 : 회수부분

306 : 출구홀 402,404,406 : 노즐구경

500 : 풍도식 문무 시스템 502 : 벤투리관

600 : 풍도식 분무 시스템 602 : 노즐구경

702, 704 : 벤투리관 802, 804 : 노즐구경

Claims

액체가 진입하여 혼합되는 혼합실;

상기 혼합실 내부 또는 상기 혼합실에 연결되어 장착되어, 혼합실 내부의 액체를 가속시키는 하나 이상의 가속장치; 및

상기 가속장치의 일단에 연결되는 유체 출구홀을 포함하여 구성되는 액체분출장치.
제 1항에 있어서, 상기 액체분출장치는 두흐름 분무 시스템인 액체분출장치.
제 2항에 있어서, 상기 액체분출장치는 노즐인 액체분출장치.
제 2항에 있어서, 상기 액체분출장치는 풍도식(wind knife) 분무 시스템인 액체분출장치.
제 1항에 있어서, 상기 가속장치는 하나 이상의 벤투리관(Venturi tube)인 액체분출장치.
제 1항에 있어서, 상기 가속장치는 하나 이상의 노즐구경(orifice)인 액체분출장치.