KR20110041414A

KR20110041414A - 전기 가열식 분사 노즐

Info

Publication number: KR20110041414A
Application number: KR1020100099656A
Authority: KR
Inventors: 볼커 브리흐진; 니콜라우스 불프; 루츠 프라섹; 마틴 엘러
Original assignee: 보그와르너 베루 시스템스 게엠바흐
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2011-04-21
Also published as: US8727236B2; US20110089257A1; EP2311571A3; DE102009050288A1; RU2559652C2; KR101705103B1; RU2010141601A; EP2311571A2

Abstract

하나의 세라믹 핀을 구비하는 전기 가열식 분사 노즐이 기술된다. 상기 세라믹 핀은 유체가 분무되는 적어도 하나의 개구(3)를 구비하는 하나의 유동 채널(2)을 구비하고, 여기서 상기 세라믹 핀은 하나의 세라믹 내부 컨덕터(4)와 하나의 세라믹 외부 컨덕터(5)를 구비하며, 이들 사이에는 하나의 세라믹 절연재(6)가 배치된다.

Description

전기 가열식 분사 노즐 {Electrically Heated Spray Nozzle}

본 발명은 전기 가열식 분사 노즐에 관한 것이다.

이런 타입의 분사 노즐은 예를 들어 연료를 기화시켜서 연소 챔버 안으로 주입하기 위하여 사용된다. 이런 타입의 분사 노즐은 종종 연료 기화기 플러그라고 지칭되며 DE 37 16 411 C2 및 DE 35 16 4 10 A1에 기술되어 있다. 전기 가열식 분사 노즐은 차량에서 특히 연료, 요소 수용액, 또는 물과 같은 매체를 위한 주입 노즐로서 필요하다.

본 발명의 목적은 차량에서 사용하기에 적합한 분사 노즐을 비용-효과적으로 제작하는 방식을 예시하는 것이다.

이 목적은 청구범위 제1항에 기재된 특징을 가지는 분사 노즐에 의하여 해결된다. 본 발명의 유리한 세부 사항들은 그 종속항들에 기재되어 있다.

세라믹 내부 컨덕터와 세라믹 외부 컨덕터를 포함하고 그 사이에 세라믹 절연재가 배치되어 있는 세라믹 핀이 본 발명에 따른 분사 노즐용으로 사용된다. 분무될 유체를 위한 적어도 하나의 개구(opening)를 구비하는 유동 채널이 이 세라믹 핀 내에서 연장된다.

이런 타입의 세라믹 핀은 예컨대 실리콘 질화물이나 그 외 다른 전기 전도성 세라믹 물질과 같은 적절한 세라믹 물질의 공압출(coextrusion)에 의하여 제조될 수 있다. 예컨대 규화 몰리브덴(molybdenum silicide)이나 규화 텅스텐(tungsten silicide)과 같은 전기 전도성 세라믹 물질을 혼합함으로써, 내부 컨덕터와 외부 컨덕터에서의 전기 전도성이 조정될 수 있다. 이런 타입의 핀에 있어서, 길이 방향으로 연장하는 구멍의 형태로 유동 채널이 쉽게 구현될 수 있다. 횡방향 구멍을 이용하면 임의의 수의 개구들이 생성될 수 있다. 길이방향으로 연장하는 구멍은 일단에서 타단까지 연장될 수 있고, 따라서 이 핀은 그 팁에 개구를 구비할 수 있다. 또한 길이방향으로 연장하는 구멍(bore)이 팁 바로 직전에 끝나는 형태도 가능하며, 이 경우에 개구는 하나 이상의 추가적인 구멍, 특히 횡방향 구멍을 이용해서만 생성될 수 있다. 추가적인 구멍은 유동 채널을 형성하기 위하여 길이방향으로 연장하는 구멍보다 더 작은 직경을 가지는 것이 바람직하다.

종래 분사 노즐이, 다소 복잡한 공정인, 많은 수의 개별적인 부품들에 의하여 조합되어야만 한 것에 반하여, 본 발명에 따른 분사 노즐은 하나의 단일 피스로서 제조될 수 있고, 따라서 비용-효율적이라는 장점을 제공한다. 또한 특히 유리한 점은, 원통형 세라믹 핀이 누출-방지 방식으로 액체 라인에 쉽게 연결될 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 분사 노즐의 경우, 외부 컨덕터의 일 단부 섹션은 세라믹 가열 컨덕터로서 설계되는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 가열 에너지가 세라믹 핀의 단부 섹션에 집중될 수 있고, 여기서 개구 또는 개구들이 배치되는 것이 바람직하다. 그렇지만, 기본적으로는, 내부 컨덕터와 외부 컨덕터를 통하여 흐르는 전류을 이용하여 그 전체 길이에 걸쳐 균일하게 세라믹 핀을 가열하는 것도 역시 가능하다. 외부 컨덕터의 일 단부 섹션을 세라믹 가열 컨덕터로서 설계하기 위하여, 압출성형된 그린 바디(extruded green body)의 경우에, 외부 컨덕터는 핀의 단부 섹션에서 제거되고, 이어서 가열 컨덕터 물질이 거기에 예를 들어 분사됨으로써 도포될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 유동 채널 및/또는 적어도 하나의 개구는 그 내부면이 코팅으로 덮힐 수 있다. 이런 타입의 코팅은 액체 잔여물의 축적을 방지할 수 있다. 이것은 특히, 연료 분무기가 코킹(coking)에 의하여 종종 고장나기 때문에, 분사 노즐이 연료 분무기로서 사용되는 경우에 특히 중요하게 유리하다. 코팅이 사용되는 것이 유리한 경우는, 분무될 유체와 예열 요소의 물질 사이에 화학적 양립불가(chemical incompatibility)의 경우이다. 예를 들어, 요소 수용액은 매우 부식성이 높은데, 차량에서는 배출 가스 정화 촉매로서 사용된다.

코팅은 귀금속을 함유하는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 검댕이는 촉매작용에 의하여 연소될 수 있다는 장점이 제공된다. 코팅은 산화실리콘에 기초한 하나의 층(layer)이며, 희토류를 함유하고 귀금속이 도핑된다. 예를 들어 금속막이나 실리콘 수지도 또한 코팅으로서 사용될 수 있다. 실리콘 수지는 바니쉬나 분말 코팅으로서 도포될 수 있고 수백℃의 온도에도 견딘다. 특히 페닐 실록산에 기초하는 실리콘 수지 코팅은 매우 양호한 온도 저항성을 가진다. 분사 노즐에 대한 액체 잔여물의 축적을 방지하기 위하여, 특히 개구 영역에 코팅을 제공하는 것이 바람직한데 이는 이곳이 액체의 온도가 가장 높은 곳이기 때문이다. 따라서 본 발명에 따른 분사 노즐의 경우, 상기 적어도 하나의 개구 내에 코팅을 덮는 것이 바람직하다. 덧붙여서, 예열 요소의 외측부도 이런 타입의 코팅을 덮을 수 있다.

본 발명의 추가적인 세부사항과 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 통해 설명된다. 도면에서, 동일하거나 유사한 구성요소들은 동일한 참조번호를 사용하여 지칭되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분사 노즐을 보여주는 개략도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 세부를 보여주는 부분적인 단면도.
도 3은 다른 실시예의 부분적인 단면도.
도 4는 또 다른 실시예의 세부를 보여주는 부분적인 단면도.

도 1에 도시된 분사 노즐(1)은 하나의 세라믹 핀으로 구성되는데, 이 안에는 하나의 유동 채널(2)이 연장하며, 유체가 분무되는 개구(3)를 포함한다. 도 2는 도 1에 도시된 실시예의 개구(3)를 포함하는 단부를 보여주는 부분 단면도를 도시한다.

세라믹 핀은 세라믹 내부 컨덕터(4)와 세라믹 외부 컨덕터(5)를 구비하고, 그 사이에 세라믹 절연재(6)가 배치된다. 개구(3)가 형성되어 있는 세라믹 핀의 단부 상에서 외부 컨덕터(5)의 단부 섹션은 내부 컨덕터(4)의 단부 면을 덮는 세라믹 가열 컨덕터(5)로서 설계된다. 이들 세라믹 컨덕터들(4, 5, 5a)은 예컨대 규화 몰리브덴 및 질화 실리콘에 기초하는 세라믹일 수 있고, 여기서 전기 저항은 규화 몰리브덴의 함유량을 이용하여 원하는 값으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 질화 실리콘은 절연재(6)용으로 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 유동 채널(2)이 세라믹 핀의 일 단부로부터 연속적으로 길이방향을 따라 그 타 단부까지 연장한다. 유동 채널(2)은 내부 컨덕터(4)에 의하여 둘러싸인다.

도 3은 도 2에 도시된 실시예와는 단지 개구(3)의 기하학적 형태만이 상이하게 구성된 다른 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예의 개구(3)는 유동 방향을 따라 연장한다. 깔대기 형상 또는 원뿔 형상이 넓은 입체각에 걸쳐 특히 세밀한 방식으로 분무된 증기나 방울들을 분배하기 위하여 사용될 수 있다. 배출 개구(3)가 30°내지 45°의 각도로 연장하는 것이 특히 바람직하다.

도 4는 위에 기술된 실시예들과는 개구(3)가 횡방향 구멍으로서 구현되었다는 점에서 상이한 또 다른 실시예를 도시한다. 액체 전송 채널을 형성하기 위하여, 길이방향의 구멍이 세라믹 핀의 일 단부로부터 연장하여 가열 컨덕터(5a)에 의해 둘러싸이는 영역까지 연장하지만, 이 단부에서부터 밖으로 드러나지는 않는다. 도 4에 도시된 세라믹 핀은 가열 컨덕터(5a)로서 설계된 외부 컨덕터(5)의 섹션에서 원주 방향으로 배치되는 복수의 개구들(3)을 포함한다. 바람직하게, 이것은 분무되는 증기나 방울들이 넓은 영역에 걸쳐 분배되는 것을 가능하게 한다.

위에 기술된 실시예들과는 대조적으로, 세라믹 핀의 단부 면에 개구가 제공되지 않는다. 필요한 경우, 단부 면 내의 일 개구(3)가 원주 방향으로 배치되는 하나 이상의 개구들(3)과 결합될 수 있다. 비록 모든 횡방향 구멍들이 도 4에서 하나의 링 상에서 즉 하나의 평면 상에 배치되지만, 횡방향 구멍들은 또한 복수의 링들 상에서 즉 핀의 길이방향에 따라 분산된 복수의 링들 상에서 배치되는 것도 역시 바람직하다.

도 4에 도시된 실시예에서, 횡방향 구멍들은 세라믹 핀의 길이 방향에 수직하여 연장한다. 그렇지만, 횡방향 구멍들이 세라믹 핀의 길이 방향과 상이한 각도로 형성되는 것도 역시 가능하며, 직각으로부터 예컨대 최대 45°까지 편이된 각도로 형성될 수 있다. 바람직한 각도 범위가 도 4에는 각도 α로 표시되어 있다.

만약 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 세라믹 핀이 그 단부 면에 하나의 배출 개구(3)를 가지며, 또한 그 자켓 표면 내에 하나 이상의 개구들을 가진다면, 동작 중에 측방향 개구들(3)을 통해 전송 채널(2) 내부로 공기가 흡입될 수 있다. 이것은 특히 분사 노즐이 연료 주입기로서 사용될 때 유리한데 이는 공기와 연료를 혼합함으로써 더 좋은 점화 조건이 성취될 수 있기 때문이다. 액체 전송 채널(2) 내의 진공 상태는 재킷 표면들에 형성된 개구들(3) 내부로 공기가 흡입될 수 있게 하며, 이는 특히 단부 면에서 배출 개구(3)를 적절히 설계함으로써 가능해질 수 있다. 단부 면에서 배출 개구를 연장함으로써 특히 노즐 효과를 유도할 수 있는데, 이는 유동 채널(2) 내에 진공이 생성되도록 한다.

바람직하게 횡방향 구멍들은 내부 컨덕터(4)에 의하여 둘러싸인 유동 채널(2)의 섹션의 직경보다 더 작은 직경을 가진다. 주입 노즐로서 사용되는 경우, 2 mm 보다 크지 않은, 예컨대 0.7 mm 내지 1.5 mm의 직경이 특히 바람직하다. 이런 경우, 횡방향 구멍들은 예컨대 0.4 mm 내지 0.7 mm의 직경을 가진다.

분사 노즐(1)이 유체를 증기화하는데 사용되는 경우, 예컨대 연료 분무기로서 사용되는 경우, 개구들(3)의 영역에는 축적물이 형성되는 위험이 항상 존재한다. 특히 연료 분무의 경우, 이것은 코킹을 초래할 수 있다. 이렇게 축적물이 형성되는 위험은 특히 개구(3)를 둘러싸는 가열 컨덕터(5a)의 원통형 또는 깔대기형 내부 표면에 대해 발생한다. 이 문제는 촉매 활성적인 코팅(7)으로 외부 컨덕터(5) 또는 가열 컨덕터(5a)를 덮음으로써 바람직하게 보상될 수 있는데, 이 코팅(7)은 개구(3) 또는 개구들(3) 내에서 검댕이 축적물이 완전히 연소되도록 지원한다. 예를 들어 백금과 같은 귀금속은 촉매 기능을 가지며 따라서 검댕이 축적물의 완전 연소를 지원할 수 있다. 코팅(7)은 예컨대 하나 이상의 희토류 원소를 첨가하고 귀금속을 도핑한 산화실리콘에 기초하여 제조될 수 있다.

이런 타입의 코팅(7)은 예컨대 분사에 의하여 도포되거나 또는 분말 코팅으로서 도포될 수 있으며, 핀이 소결될 때 입혀질 수 있다. 코팅(7)은 개구(3) 내에서 가열 컨덕터(5a)의 내부 표면뿐만 아니라 개구(3)를 둘러싸는 가열 컨덕터(5a)의 일 영역까지, 또는 심지어 전체 가열 컨덕터(5a)도 덮을 수 있다.

더 나아가, 유동 채널(2)의 내부 표면은 내부 컨덕터(4)를 보호하는 하나의 층에 의하여 덮이는 것이 바람직하다. 이런 타입의 층은, 그린 바디의 코어를 형성하거나 또는 이후에 도포될 수 있는, 특히 산화실리콘에 기초하여 예를 들어 산화 세라믹과 같은 물질의 공압출 동안에 제조될 수 있다. 하나의 길이방향 구멍 및 발화(firing)는 유동 채널(2)를 구비하는 핀을 형성하기 위하여 이용될 수 있는데, 이 경우 내부 컨덕터(4)는 보호층으로 덮힌다.

1 : 분사 노즐
2 : 유동 채널
3 : 개구
4 : 내부 컨덕터
5 : 외부 컨덕터
5a : 가열 컨덕터
6 : 절연재
7 : 층

Claims

하나의 세라믹 핀을 구비하는 전기 가열식 분사 노즐로서, 상기 세라믹 핀은 유체가 분무되는 적어도 하나의 개구(3)를 구비하는 하나의 유동 채널(2)을 구비하고, 여기서 상기 세라믹 핀은 하나의 세라믹 내부 컨덕터(4)와 하나의 세라믹 외부 컨덕터(5)를 구비하며, 이들 사이에는 하나의 세라믹 절연재(6)가 배치되는, 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1에 있어서, 상기 외부 컨덕터(5)의 일 단부 섹션은 하나의 세라믹 가열 컨덕터(5a)로서 설계되는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 2에 있어서, 상기 가열 컨덕터(5a)는 상기 세라믹 핀의 일 단부에서 상기 내부 컨덕터(4)의 단부 면을 덮는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 가열 컨덕터(5a)를 관통하여 적어도 하나의 개구(3)가 연장하는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 핀의 측부 면에 적어도 하나의 개구(3)가 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 채널(2)은 상기 세라믹 핀의 일 단부로부터 그 길이 방향을 따라 외측으로 연정하는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 유체를 분무하기 위하여 복수의 개구들(3)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 채널(2)은 상기 내부 컨덕터(4) 내에서 연장하는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구(3)는 유동 방향을 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구(3) 내에서, 상기 외부 컨덕터(5)는 코팅(7), 바람직하게는 촉매 활성적 코팅에 의하여 덮이는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 분사 노즐.