KR20140114332A - 풀콘 스프레이 노즐 - Google Patents

Abstract

상류단에 액체 유입구(3), 하류단에 분무구(4)가 설치된 노즐 몸체(1)와, 노즐 몸체(1)의 내부의 중간 위치에, 외주면이 노즐 몸체(1)에 내접하여 배치된, 축선 방향의 길이(W), 직경(D)의 베인(2)을 구비하고, 상기 베인(2)은 폭(T), 깊이(H)의 유로 홈(6)을 이 베인(2)의 외주면에 복수개 구비하고, 상기 베인(2)의 상류측에, 노즐 몸체(1)의 축선 방향의 길이(U)의 상류측 돌기부(8)를 구비하고, 상기 베인(2)의 하류측에, 노즐 몸체(1)의 축선 방향의 길이(P)의 하류측 돌기부(9)를 구비하며, 또한 상기 노즐 몸체(1)의 내벽면, 상기 베인(2) 및 상기 분무구(4)에 의하여 형성된 공간인, 축선 방향의 길이(L)의 선회류실(5)을 구비하며 0.25≤T/D≤0.30, 0.25≤H/D≤0.30, 1.5≤L/W≤3.5를 만족하는 것을 특징으로 하는 풀콘 스프레이 노즐.

Description

풀콘 스프레이 노즐{FULL CONE SPRAY NOZZLE}

본 발명은 예컨대 강판의 제조 공정에서 냉각이나 세정 등에 사용되는 액체를 충원추상으로 분무하는 풀콘 스프레이 노즐에 관한 것이다.

풀콘(full cone) 스프레이 노즐이란, 노즐로부터 토출되는 액체의 형상이 원추(콘)상의 스프레이를 분출하는 노즐을 말하는 것으로, 풀콘이란 토출되는 액체의 입적이 콘의 안에까지 충전되어 있는 것을 의미한다.

풀콘 스프레이 노즐은, 일반적으로 통 형상의 노즐 몸체의 내부에, 선회류 발생 수단을 가진 베인을 구비한다. 베인의 형상은 다양하지만, 노즐 몸체의 상류단으로부터 공급된 액체는 베인을 통과하여 노즐 몸체의 하류단으로 흐를 때에 베인의 선회류 발생 수단에 의하여 선회하여 와류를 생성한다.

이와 같이 하여 노즐 몸체의 하류측으로 흐른 액체가, 노즐 몸체 하류단으로부터 풀콘 형상이 되어 분무된다.

특허 문헌 1에는 베인의 중앙부에 구멍이 있고, 선회류 발생 수단으로서, 베인의 외주면에, 경사 방향에 복수 개의 선회로를 형성한 풀콘 스프레이 노즐이 개시되어 있다. 이 풀콘 스프레이 노즐은 광각(65 내지 75도)으로 유량 분포가 균일한 분무 패턴을 생성하는 것을 지향하고 있다.

특허 문헌 2에서는 베인의 중앙 구멍이 없고, 베인 전체를 X형으로 한 풀콘 스프레이 노즐이 개시되어 있다. 이 풀콘 스프레이 노즐에 의하면, 좁은 분무 각도(약 30°이하)의 분무 영역의 중심의 유량을 최대로 한, 산형(山形)의 유량 분포를 가진 스프레이 패턴을 생성할 수 있다.

특허 문헌 3에는 베인의 외주부에 비스듬한 방향의 유로 홈이 있고, 베인의 하류측이 원추형으로 형성되며, 할로우 콘(빈 원추) 형태의 스프레이를 분출하는 노즐이 개시되어 있다. 할로우 콘 형태의 스프레이란, 외형은 콘 형태이지만, 토출되는 액체의 입적이 콘의 안에까지 충전되어 있지 않은 스프레이를 말한다. 따라서, 이 노즐에 의하면, 저압의 액체에 선회력을 부여하여, 미세하고 안정된 할로우 콘 스프레이를 생성할 수 있으나, 풀콘 스프레이는 생성되지 않는다.

특허 문헌 1: 일본 공표 특허 공보 특표2005-508741호 특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 2005-058899호 특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 2005-052754호

강판의 제조 공정에서는 예컨대 열간 압연 후의 강판의 냉각 시에 스프레이 노즐을 사용하여 냉각수를 강판에 분무한다.

스프레이 노즐을 강판의 냉각에 사용하려면, 분무하는 영역의 전면에 걸쳐서, 강하고 균일한 스프레이 임펙트로, 또한 균일한 수류량 분포를 얻을 수 있을 것이 요구된다. 스프레이 임펙트가 약하면 냉각 능력이 떨어진다. 스프레이 임펙트나 유량 분포가 균일하지 않으면 강판의 일부의 영역에서 과냉각 등이 발생하고, 그 결과, 강판의 특성에 악영향을 미친다.

이때, 수류량 분포란, 스프레이를 평면에 투사하였을 때의 평면상에서의 분무 영역에 있어서의 유체의 단위 면적당 유량 밀도의 분포를 말한다. 또한, 스프레이 임펙트란, 스프레이를 평면에 투사하였을 때의 평면에 가하는 유체의 압력을 말한다.

종래의 스프레이 노즐을 사용하더라도, 스프레이의 유입구로부터의 액체의 유입 압력을 높게 하면, 강하고 균일한 스프레이 임펙트 및 균일한 유량 분포를 얻을 수 있다. 그러나, 유입 압력을 높게 하려면 펌프를 늘릴 필요가 있어서, 비용면에서는 바람직하지 않다.

특허 문헌 1의 풀콘 스프레이 노즐은 광각의 분무 영역에서 균일한 수류량 분포를 얻기 위하여, 베인의 중심 구멍에 의한 축선류가 필수이다. 그러나, 실제로는 치수 공차나 액체의 압력 변동의 영향으로 균일한 수류량 분포를 얻기 어렵고, 분무 영역의 중앙부의 유량이 많아지기 쉽다. 그러나, 광각용의 스프레이 노즐에 있어서 중앙부의 유량을 줄이기 위하여, 단지 중심 구멍이 없는 베인을 사용하면, 반대로 중앙부 부근의 유량이 줄어들어서, 균일한 스프레이 패턴을 얻을 수 없게 된다(도 5C 참조).

특허 문헌 2의 풀콘 스프레이 노즐은 산형의 스프레이 패턴을 얻기 위한 것이며, 중앙으로부터 멀어짐에 따라 스프레이 임펙트는 약해진다. 따라서, 강판의 냉각에 사용하였을 경우, 양호한 냉각을 실시할 수 없다.

특허 문헌 3의 노즐은 저압의 액체에 선회력을 부여하고 스프레이 임펙트가 약하며, 액적이 미세한 할로우 콘형의 스프레이 패턴을 생성하는 것으로, 스프레이 임펙트가 강한 고압의 액체에 의한 풀콘 스프레이의 생성에는 적용할 수 없다.

본 발명의 목적은, 예컨대 강판의 제조 공정에 있어서의 강판의 냉각에 적합한, 유입 압력을 크게 하지 않아도, 분무하는 영역의 전면에 걸쳐서, 강하고 균일한 스프레이 임펙트를 가진 풀콘 스프레이 노즐을 제공하는 것에 있다.

즉, 액체가 대상물(본 발명의 경우에는 냉각되는 평면) 위에 이르는 단위 시간당의 단위 면적당 양이, 콘의 저면으로서의 원 내에서 거의 일정한 특징을 가진 노즐을 실현하는 것이다. 또한, 본 발명의 노즐에서는 대상물에 유체가 충돌하는 속도를 종래의 노즐보다 강하게 하고, 스프레이 임펙트를 강하게 하고, 동일한 유입 압력으로 냉각 능력을 향상시키는 것이다.

본 발명자들은 특히 강판을 냉각하기 위하여 필요한 분무 영역에서, 유입 압력을 높게 하지 않고, 필요한 스프레이 임펙트를 얻을 수 있고, 또한 균일한 수류량 분포를 달성하기 위한 풀콘 스프레이 노즐의 구조에 대하여 예의 검토하였다.

노즐 내의 베인의 중앙부에 구멍이 있는 구조로 하였을 경우, 전술한 바와 같이, 유량 분포의 균일성이 좋지 않기 때문에, 본 발명자들은 베인의 중앙부에 구멍이 없는 구조에 대하여 상세하게 검토하였다. 여기서 말하는 베인이란, 도 1 또는 도 3에 나타내는 선회로(7)를 형성하는 노즐 내부의 선회를 부여하는 부분(2)을 말한다.

노즐 내의 베인의 중앙부에 구멍이 없는 구조로 하였을 경우, 전술한 바와 같이, 유량 분포는 오목형이 되기 쉽다. 그러나, 본 발명자들의 검토의 결과, 베인의 중앙부에 구멍이 없는 구조이더라도 베인의 주위의 특히 하류측에 적절한 폭과 깊이의 유로를 형성함으로써, 강판의 냉각 등에 적합한 분무 각도를 가진 풀콘 스프레이 노즐이 얻어지는 것을 알게 되었다.

그러나, 단지 노즐의 중앙부에 구멍이 없는 구조로 하고, 베인의 주위의 유로를 적절한 크기로 하더라도, 노즐 내에서의 압력 손실이 커서, 강한 스프레이 임펙트는 얻어지지 않는다.

본 발명자들은 한층 더 검토를 진행하였다. 그 결과, 베인의 하류측에 돌기부를 설치하고, 또한, 베인의 하류측의 선회류실을 적절한 크기로 함으로써, 노즐 내에서의 압력 손실을 작게 할 수 있어서, 유입 압력을 올리지 않고, 분무 영역의 넓은 범위에 강한 스프레이 임펙트를 가진 스프레이 패턴을 형성할 수 있는 풀콘 스프레이 노즐이 얻어지는 것을 알게 되었다.

또한, 하류측의 돌기를 원주상(圓柱狀)과 원추상(圓錐狀)의 형상을 조합한 형상으로 함으로써, 선회류실의 크기를 더 적정하게 할 수 있고, 그 결과, 노즐 내에서의 압력 손실을 더 작게 할 수 있고, 또한 분무 영역의 넓은 범위에 강한 스프레이 임펙트를 가진 스프레이 패턴을 형성할 수 있는 풀콘 스프레이 노즐이 얻어지는 것을 밝혀내었다.

또한, 베인의 상류측에 상류측 돌기를 형성한 경우와 형성하지 않는 경우가 있지만, 유량의 안정화의 관점에서는 베인의 상류측에 상류측 돌기를 형성하여도 좋다는 것을 알게 되었다.

본 발명은 상기의 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 상류단에 액체 유입구, 하류단에 분무구가 형성된 노즐 몸체와,

노즐 몸체의 내부의 중간 위치에, 외주면이 노즐 몸체에 내접하여 배치된, 축선 방향의 길이(W), 직경(D)의 베인을 구비한 풀콘 스프레이 노즐로서,

상기 베인은 폭(T), 깊이(H)의 유로 홈을 이 베인의 외주면에 복수개 구비하고,

상기 베인의 하류측에 하류측 돌기부를 구비하며,

또한, 상기 노즐 몸체의 내벽면, 상기 베인 및 상기 분무구에 의하여 형성된 공간인 축선 방향의 길이(L)의 선회류실을 구비하고,

0.25≤T/D≤0.30

0.25≤H/D≤0.30

1.5≤L/W≤3.5

를 만족하는 것을 특징으로 하는 풀콘 스프레이 노즐.

(2) 상기 선회류실은 상기 베인으로부터 축선 방향의 길이(L1)의 원주상의 영역과, 그 하류측의 축선 방향의 길이(L2), 꼭지각(δ)의 원추대 형상의 영역으로 이루어지고,

상기 하류측 돌기부는 상기 베인으로부터 축선 방향의 길이(P1)의 원주상의 영역과 그 하류측의, 축선 방향의 길이(P2), 꼭지각(δP)의 원추상의 영역으로 이루어지며,

δP/δ≥0.5

0.2≤L1/D≤0.9

를 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 풀콘 스프레이 노즐.

(3) 상기 하류측 돌기부의 축선 방향의 길이(P), 상기 하류측 돌기부의 원추 상의 영역의 축선 방향의 길이(P2), 상기 선회류실의 축선 방향의 길이(L), 상기 선회류실의 원추대 형상의 영역의 축선 방향의 길이(L2)가

0.3≤P/L≤0.9

0.2≤P2/L2≤0.9

를 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 풀콘 스프레이 노즐.

본 발명에 의하면, 노즐 몸체 내에서의 액체의 압력 손실을 저감하고, 효율 좋게 강하고 균일한 스프레이 임펙트로, 균일하게 액체를 분무할 수 있는 스프레이 노즐을 얻을 수 있다.

[도 1] 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의 개략을 나타내는 도면으로, (a)는 베인의 하류측에만 돌기가 형성된 예, (b)는 베인의 하류측 및 상류측에 돌기가 형성된 예이다.
[도 2] 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의, 하류측 및 상류측에 돌기가 형성된 베인의 개략을 나타내는 도면으로, (a)는 하류측의 평면도, (b)는 측면도이다.
[도 3] 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의 다른 실시 형태의 개략을 나타내는 도면이다.
[도 4] 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의 실시예에 있어서의 노즐 내의 난류 강도와 스프레이 임펙트의 관계를 나타내는 도면이다.
[도 5] 분무 영역의 지름 방향에 있어서의 유량 분포의 개략을 나타내는 도면으로, (a)는 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐에 의한 이상적인 분포, (b)는 중앙부 부근의 유량이 많은 분포, (c)는 중앙부 부근의 유량이 적은 분포를 나타낸다.
[도 6] 풀콘 스프레이 노즐의 수량 분포 측정의 개략을 나타내는 도면이다.
[도 7] 풀콘 스프레이 노즐의 스프레이 임펙트 측정의 개략을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 실질적으로 동일한 기능 구성을 가진 요소에 있어서는 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의 기본 구성을 나타낸다. 도 1은 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐 전체의 개략이다. 베인의 하류측에는 돌기가 형성되어 있고, 베인의 상류측에는 (a)와 같이 돌기가 없어도 좋고, (b)와 같이 돌기가 있어도 좋다. 도 2는 상류측, 하류측에 각각 돌기가 형성된 베인의 개략을 나타내고 있다.

본 발명의 풀콘 스프레이 노즐은 거의 통 형상의 노즐 몸체(1)와 노즐 몸체(1)의 내부 거의 중간 위치에 형성된, 액류를 형성하기 위한, 축선 방향의 길이(W), 직경(D)의 베인(2)으로 이루어진다.

노즐 몸체(1)의 상류단에는 액체 유입구(3), 하류단에는 축선 방향의 길이(J), 구경(E)의 분무구(4)가 서로 동일한 축선 상에 배치되어 있다.

노즐 몸체(1)는 베인(2)에 의하여, 상류측과 하류측으로 구분된다. 베인(2)은 노즐 몸체(1)에 내접하고, 상류측에 축선 방향의 길이(U)의 상류측 돌기부(8), 하류측에 축선 방향의 길이(P)의 하류측 돌기부(9)를 구비한다.

상류측 돌기부(8) 및 하류측 돌기부(9)의 형상은, 예컨대 원추 형상 또는 절두 원추 형상, 또는 이들과 원주 형상을 조합한 형상으로 할 수 있다.

도 1, 도 2에 나타내는 예는 하류측 돌기부(9)의 형상이, 길이 P1의 원주 형상과 P2의 원추 형상을 조합한 형상이다. 돌기부의 형상은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 이 형상들이 본 발명이 목적으로 하는 유량 분포를 얻는데 있어서 적합하다.

베인(2)의 외주면에는 폭(T), 깊이(H)의 복수의 유로 홈(6)이 형성되어 있고, 베인(2)의 외주면을 막는 노즐 몸체(1)의 축공 내주 벽면으로 구획되는 선회로(7)를 형성한다.

베인(2), 노즐 몸체(1)의 내벽면 및 분무구(4)에 둘러싸인, 축선 방향의 길이(L)의 공간은 선회류실(5)인데, 노즐 몸체(1)의 액체 유입구(3)로부터 유입한 액체는 선회로(7)를 통과하여, 선회류실(5)에 유입된다.

분무구(4)의 지름은 노즐 몸체(1)의 내경보다 작기 때문에, 선회류실은 분무구(4)를 향하여 축경한다. 선회류실(5)의 형상의 예로서는, 원추 형상 또는 절두 원추 형상, 또는 이들과 원주 형상을 조합한 형상을 들 수 있다.

도 1에 도시하는 예는 선회류실(5)의 형상이 길이 L1의 원주 형상과 길이 L2의 원추 형상을 조합한 형상이다. 선회류실(5)의 형상은 이것에 한정되는 것은 아니지만, 이 형상이 본 발명이 목적으로 하는 유량 분포를 얻는데 적합하다.

선회류실(5)에서 선회한 액체는 분무구(4)를 통과하여 분무된다. 분무구(4)는 하류측을 향하여 확경하여도 좋고, 전체가 동일한 지름이어도 좋다.

선회로(7)로서의 유로 홈(6)은 베인(2)의 외주부에 간격을 두고, 복수개가 형성되어 있다. 이 유로 홈(6)은 노즐의 중심축과 평행이 아니고, 원주 방향에 대해서 경사각 θ의 기울기를 가진다. 그 때문에, 선회로(7)를 통과하여 선회류실(5)에 유입된 액체는 선회류가 된다.

유로 홈(6)의 수는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 3 내지 6 정도로 할 수 있다. 경사각 θ은 특별히 규정하는 것은 아니며, 필요한 스프레이 임펙트, 유량 등에 의하여 적절하게 변경할 수 있다. θ가 작을수록 분무각 α는 광각이 되고, 분무각 α를 강판의 냉각에 적합한 20 내지 40°로 하는 경우, 대개 60 내지 89°, 좋기로는, 70 내지 85°이다.

베인(2)의 상류측에는 상류측 돌기부(8)가 형성되어 있다. 이에 의하여, 액체 유입구로부터 유입한 액체가 정류되어 압력 손실을 저감하는 것이 가능하게 된다.

분무구(4)로부터 분무각 α로 분무된 액체는 풀콘 형상의 분무 패턴 1A를 형성한다.

도 3은 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의 다른 실시예의 개략을 나타내는 도면으로서, 하류측 돌기부(9)의 형상을 원추상으로 한 것이다. 도 3의 풀콘 스프레이 노즐로도, 스프레이 패턴의 균일성 및 임펙트는 종래의 노즐과 비교하여 개선할 수 있으나, 그 효과는 하류측의 돌기에 원주상의 부분이 있는 노즐에 비하면 작다.

강판의 제조에 있어서의 냉각 공정에서 풀콘 스프레이 노즐을 사용하는 경우, 스프레이 임펙트가 클수록 냉각 효과가 크다. 또한, 강판의 일부에만 과냉각이 생기면, 강판의 특성의 열화로 연결되므로, 분무면에 있어서의 유량 분포는 균일(± 5% 이내를 말하는 것으로 한다)할 것이 요구된다.

강판의 냉각에 있어서는 통상 직경 φ 1 내지 10 mm 정도의 분무구를 가진 스프레이 노즐을 사용하고, 분출각 5 내지 50° 정도로, 분무구로부터 50 내지 1000 mm 정도 전방의 강판에 냉각수를 분무하여, 냉각한다.

강한 스프레이 임펙트로, 균일한 유량 분포를 얻으려면 유입 압력을 높게 하는 방법도 생각할 수 있다. 그러나 유입 압력을 높게 하려면 액체를 압송하기 위한 펌프를 늘릴 필요가 있어서 비용면에서 바람직하지 않다.

비용의 증가를 억제하려면 유입 압력을 높게 하지 않고, 소정의 유량으로, 소망하는 스프레이 임펙트를 가진 균일한 유량 분포를 얻을 필요가 있다. 그렇게 하려면 노즐 내에서의 압력 손실을 낮게 억제하는 것이 중요하다.

본 발명자들은 노즐 내 흐름의 적정화를 꾀함으로써 압력 손실의 저하를 도모하기 위하여, 노즐 내 형상에 대하여 검토한 결과, 베인에 형성한 유로 홈의 폭이나 깊이, 선회류실의 크기를 적절하게 설정함으로써, 압력 손실을 낮게 억제하고 강한 스프레이 임펙트를 가진 균일한 유량 분포를 얻을 수 있는 것을 밝혀내었다.

즉, 유로 폭(T)과 깊이(H)의 비를 적절하게 설정함으로써, 압력 손실을 적게 하고, 또한 와류를 강하게 할 수 있다는 것을, 본 발명자들은 밝혀내었다. 구체적으로는 넓고 얕은 홈이나 좁고 깊은 홈을 이용하면 유체가 벽으로부터 받는 저항이 커지게 되어 압력 손실이 커지므로, 유체의 속도가 약해지고, 그 결과, 와류가 약해진다.

본 발명자들은 우선 선회실에 유입되는 액체의 선회력에 착안하여, 유로 홈의 폭(T), 깊이(H)를, 베인의 직경(D)에 대하여, 0.25 내지 0.30배로 함으로써, 균일한 유량 분포를 얻을 수 있는 것을 밝혀내었다. 폭(T) 또는 깊이(H)가 직경(D)의 0.25배 미만이 되면, 분무면의 중앙부의 유량이 감소하고, 원환 형상의 유량 분포가 되어, 예컨대 강판의 냉각에 사용하는 경우, 균일한 냉각을 할 수 없게 된다.

폭(T) 또는 깊이(H)가 직경(D)의 0.30배를 넘으면, 중앙부의 유량이 극단적으로 커지게 되고, 이 경우에도 균일한 냉각을 할 수 없게 된다. 이에 대하여, 본 발명과 같이, 폭(T) 및 깊이(H)를 직경(D)의 0.25 내지 0.30배로 하면, 분무면 전역에 걸쳐서 균일한 유량 분포를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명자들은 노즐 내에서의 압력 손실을 저감하고, 스프레이 임펙트를 향상시키기 위하여, 선회류실의 축선 방향의 길이(L)의, 베인의 축선 방향의 길이(W)에 대한 비율(L/W)을, 1.5 내지 3.5로 할 필요가 있는 것을 밝혀내었다. 이에 의하여, 베인 후의 흐름의 선회 상태를 충분히 발달시킬 수 있고, 균일한 수류량 분포를 얻을 수 있었다.

L/W가 1.5 미만이면 선회류실에서의 정류 효과가 작아져서, 선회 상태가 부족하여, 산형의 수류량 분포가 된다. L/W가 3.5를 넘으면, 베인을 통과한 후의 액체의 진행 거리가 길어지므로, 노즐 내의 압력 손실이 증가하고, 스프레이 임펙트가 저하된다. 더 바람직한 L/W의 범위는 1.9 내지 3.1이다.

압력 손실을 저감하기 위하여, 더 좋기로는 선회류실은 베인으로부터 축선 방향의 길이(L1)의 내경의 변화하지 않는 원주상의 영역과 그 하류측에 축선 방향의 길이(L2), 꼭지각(δ)의 원추대 형상의 영역을 구비한 형상으로 하는 것이 좋다. 또한 하류측 돌기부는 상기 베인으로부터 축선 방향의 길이(P1)의 직경이 변화하지 않는 원주상의 영역과, 그 하류측에, 축선 방향의 길이(P2), 꼭지각(δP)의 원추상의 영역을 구비한 형상으로 하는 것이 좋다.

이 원주상의 영역은 베인에 의하여 선회시킨 유체의 흐름을 교란하지 않고, 말하자면 흐름을 정류화한 상태로 하고, 이어서 계속되는 원추상의 영역에 유체를 이동시킬 수 있으므로 압력 손실을 감소할 수 있다. 특히 원주상의 영역이 없는 경우에, 베인의 하류측 중앙부에 발생하는 유동을 막을 수 있고, 이 유동에 의한 압력 손실을 저감할 수 있다. 이 원주상의 영역에서는 선회실의 벽과 원주상의 돌기가 병행인 것이 좋다.

그리고, δP/δ≥0.5, 0.2≤L1/D≤0.9를 만족하는 형상으로 함으로써, 더 효과적으로 압력 손실을 저감하고, 강한 스프레이 임펙트를 얻을 수 있다. δP/P가 작아지면 선회류가 약해져서, 수류량 분포가 산형이 되기 쉽다. L1/D가 0.2 미만이면 선회류실에서의 정류 효과가 작아지고, 선회 상태가 부족하여, 산형의 수류량 분포가 된다. L1/D가 O.9를 넘으면, 베인을 통과한 후의 액체의 진행 거리가 길어지므로, 노즐 내의 압력 손실이 증가하고, 스프레이 임펙트가 저하된다.

더 좋기로는, 하류측 돌기부의 길이 P, 하류측 돌기부의 원추상의 영역의 길이 P2, 선회류실의 길이 L, 선회류실의 원추대 형상의 영역의 길이 L2가, 0.3≤P/L≤0.9, O.2≤P2/L2≤0.9를 만족하는 형상으로 하는 것이 좋다. P/L가 0.3 미만이면 P2부 주변에서 흐름의 이탈에 의한 유동이 발생하여 노즐 내의 압력 손실이 증가 하고, 스프레이 임펙트가 저하된다. P/L가 0.9를 초과하면, 선회 흐름이 과잉이 되어, 오목형의 수류량 분포가 된다. P2/L2가 0.2 미만이면 P2부 주변에서 흐름의 이탈에 의한 유동이 발생하여 노즐 내의 압력 손실이 증가하고, 스프레이 임펙트가 저하된다. P2/L2가 0.9를 초과하면, 선회 흐름이 과잉이 되어, 오목형의 수류량 분포가 된다. 이에 의하여, 더 효과적으로 압력 손실을 저감하고, 균일한 수류량 분포와 강한 스프레이 임펙트를 얻을 수 있다.

본 발명의 스프레이 노즐은 강판 냉각용 스프레이 노즐로서 냉각수를 사용한 강판의 냉각에 이용하면 특히 적합하지만, 이 용도에 한정되지 않고, 예를 들면, 엘렉트로닉스 부품이나 기계 부품의 세정 등에도 적합하게 이용할 수 있다.

실시예

(실시예 1)

본 발명의 풀콘 스프레이 노즐의 효과를 확인하기 위하여, 유체 해석을 실시하였다. 계산에 사용한 노즐의 파라미터를 표 1에 나타낸다. No.11 내지 14 및 16은 베인의 하류측에 돌기가 형성된 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐, No.15는 종래형의, 베인에 돌기가 형성되어 있지 않은 풀콘 스프레이 노즐이다. No.16은 추가로 베인의 상류측에도 돌기가 형성되어 있다.

스프레이 압력을 일정하게 하여 해석한 각 풀콘 스프레이 노즐의 분무구에서의 스프레이 임펙트와 난류 강도의 관계를 도 4에 나타낸다. 도면 중의 번호는 표 1의 No.와 대응하고 있다. 또한, No.11의 베인의 상류측에 돌기를 형성한 No.16도, 유량 특성과 스프레이 임펙트의 특성은 No.11과 같다.

이 때, 스프레이 임펙트는 스프레이 압력 14.7 MPa, 스프레이 높이 300 mm, 스프레이 유량 110L/min로 하였을 때의, 노즐 바로 아래의 임펙트로 하였다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 노즐의 분무구의 지름을 동일하게 하였을 경우에는 난류 강도(도 4 중의 난류 강도)가 110% 이하(즉, 종래형의 풀콘 스프레이 노즐의 약 80% 이하)가 되면, 스프레이 임펙트(도 4 중의 최대 임펙트)가 종래의 노즐의 1.2배 이상이 되는 것을 알 수 있다. 이 때, 종래형의 풀콘 스프레이 노즐이란, 베인의 하류측에 돌기가 없는 노즐을 말한다.

난류 강도는 열선 유속계 등으로 속도 변동의 시계열 데이터를 취득하여 평균 속도를 산출하고, 다음으로, 시계열 데이터로부터 평균값을 빼고, 그 값을 2승 한 후, 2승값의 평균값 및 그 제곱근을 구함으로써 산출되는 값이다.

난류 강도의 값으로서는, 노즐의 분무구(4)의 대기측에 접하는 부분에서의 난류 강도의 평균값을 사용하였다. 난류 강도의 계산은 유한체적법을 베이스로 한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어 「ANSYS Fluent」 (ANSYS사제)를 사용한 유체 해석 결과를 사용하였다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐에 의하면, 스프레이 내에서 난류가 생기지 않고, 압력 손실이 작기 때문에, 스프레이 압력을 높게 하지 않아도, 종래형의 풀콘 스프레이 노즐과 비교하여 25% 이상 강한 스프레이 임펙트를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 종래형의 풀콘 스프레이 노즐은 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐과 비교하여 노즐 내 난류 강도가 크고, 분무구에 있어서의 스프레이 임펙트가 작다고 하는 결과가 나왔다.

또한, 본 발명의 스프레이 노즐의 치수는 표 1에 나타낸 것에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에서 규정하는 T/D, H/D, L/W의 조건을 만족하면 된다. 예를 들면, 표 2와 같이 분출구의 지름(E)이 다른 것이어도 좋다.

(실시예 2)

표 1의 No.11의 노즐을 베이스로, 베인의 외주의 유로 홈의 폭(T)과 깊이(H)의 베인의 직경(D)에 대한 비율, T/D, H/D를 여러 가지로 변경하고, 분무 각도를 30° 로 일정하게 하였을 때의 유량 분포도를 평가하였다. 이 때, 유량 분포도란 분무 각도 30°의 범위의 분무면에 있어서, 유량이 최대가 되는 포인트를 100%로 하였을 때의, 유량이 50%가 되는 부분의 직경과 기하학상, 노즐 높이와 분무 가도에 의하여 결정되는 분무면의 직경과의 비율을 말하는 것으로 한다.

유량 분포는 스프레이 높이 300 mm, 스프레이 압력 0.3 MPa, 수량 13.1 L/min로 하고, 지름 방향을 25 mm마다 구획한 계량 용기를 연결한 측정 장치를 사용하여 측정하였다. 도 6은 유량 분포 측정의 개략을 나타내는 도면이다. 또한, 25 mm마다 구획하였을 경우, 양측의 계량 용기 1개 ~ 수개의 부분은 유량 분포의 가장자리에 해당되는 영역이 되므로, 이 부분은 유량 분포의 균일성을 평가하는 영역으로부터 제외하였다.

본 실시예의 평가는 직경 비율이 80% 이상인 것을 A, 70% 이상 80% 미만인 것을 B, 50% 이상 70% 미만인 것을 C, 50% 미만인 것을 D로 하였다. 유량 분포도는70% 이상이면, 스프레이 임펙트의 균일성의 면에서 좋고, 80% 이상이 한층 더 좋다.

표 3에 나타내는 대로, T/D 및 H/D가 0.25 내지 0.30일 때에 양호한 유량 분포도를 얻을 수 있고, 특히, 0.27 내지 0.28일 때에 매우 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

(실시예 3)

표 1의 No, 11의 노즐을 베이스로, 선회류실의 길이(L)의 베인의 축선 방향의 길이(W)에 대한 비율 L/W를 여러 가지로 바꾸고, 분무 각도를 30°로 일정하게 하였을 때의 스프레이 임펙트를 평가하였다.

이 때, 스프레이 임펙트의 측정은 스프레이 압력 14.7 MPa, 스프레이 출구 높이 300 mm, 스프레이 유량 110 L/min로 하고, 노즐 바로 아래에서 10 mm각의 감압부를 가진 임펙트 센서를 사용하여 측정하였다. 도 7에 스프레이 임펙트 측정의 개략을 나타낸다. 이 때, 스프레이 임펙트는 콘의 중심부를 지나는 선을 따라서 감압부를 이동시켜 충돌압을 측정함으로써 구하였다. 스프레이 임펙트값은 한 군데만 돌출되는 경우는 없기 때문에, 최대값을 대표값으로 하였다.

스프레이 임펙트의 평가는 표 1의 No.15에 나타낸 종래형의 풀콘 노즐 스프레이의 값을 1로 하고, 그에 대한 비율이 1.3 이상인 것을 A, 1.2 이상 1.3 미만인 것을 B, 1.05 이상 1.2 미만인 것을 C, 1.05 미만인 것을 D로 하였다.

표 4에 나타내는 바와 같이, L/W가 1.5 내지 3.5일 때에 강한 스프레이 임팩트를 얻을 수 있고, 특히, 1.9 내지 3.1일 때에 매우 양호한 결과를 얻을 수 있었다

(실시예 4)

표 1의 No.11의 노즐을 베이스로, 선회류실의 꼭지각(δ)과 돌기의 꼭지각(δP) 및 선회류실의 원주상의 영역이 길이(L1)의 베인의 직경(D)에 대한 비율을 여러 가지로 바꾸고, 분무 각도를 30°로 일정하게 하였을 때의 스프레이 임펙트를 평가하였다. 스프레이 임펙트의 측정방법은 실시예 3과 마찬가지로 하였다.

스프레이 임펙트의 평가는 표 1의 No. 15에 나타낸 종래형의 풀콘 노즐 스프레이의 값을 1로 하고 그것에 대한 비율이 1.2 이상인 것을 A, 1.2 이하인 것을 B, 1.05 이상 1.2 미만인 것을 C, 1.05 미만인 것을 D로 하였다.

표 5에 나타내는 바와 같이, δP/δ가 0.5 이상, 그리고, L1/D가 0.2 내지 0.9일 때에 특히 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

(실시예 5)

표 1의 No.11의 노즐을 베이스로, 하류측 돌기부의 길이(P)의 선회류실의 길이(L)에 대한 비율(P/L), 하류측 돌기부의 원추상의 영역의 길이(P2)의 선회류실의 원추대 형상의 영역의 길이(L2)에 대한 비율(P2/L2)을 여러 가지로 바꾸고, 분무 각도를 30°로 일정하게 하였을 때의 스프레이 임펙트를 평가하였다. 스프레이 임펙트의 측정방법은 실시예 3과 마찬가지로 하였다.

스프레이 임펙트의 평가는 표 1의 No.15에 나타낸 종래형의 풀콘 노즐 스프레이의 값을 1로 하고, 그것에 대한 비율이 1.2 이상의 것을 A, 1.2 이하인 것을 B로 한 3 이상인 것을 A, 1.2 이상 1.3 미만인 것을 B, 1.05 이상 1.2 미만인 것을 C, 1.05 미만인 것을 D로 하였다.

표 6에 나타내는 바와 같이, P/L이 0.3 내지 0.9, 그리고, P2/L2가 0.2 내지 0.9일 때에 특히 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

본 발명에 의하면, 압력 손실이 작고, 액체를, 효율 좋게, 균일한 유량 분포를 가진 충원추상으로 분무하는 풀콘 스프레이 노즐을 얻을 수 있다. 본 발명의 풀콘 스프레이 노즐은 강판의 제조 공정에 있어서의 냉각에 적합하고, 산업상 이용 가능성은 크다.

1 노즐 몸체
1A 스프레이 패턴
2 베인
3 액체 유입구
4 분무구
5 선회류실
6 유로 홈
7 선회로
8 상류측 돌기부
9 하류측 돌기부
61 계량 용기
62 분무 각도
63 분무면
71 임펙트 센서
D 베인의 직경
H 유로 홈의 깊이
T 유로 홈의 폭
α 분무각
θ 유로 홈의 경사각

Claims (3)

1. 상류단에 액체 유입구, 하류단에 분무구가 형성된 노즐 몸체와,
   노즐 몸체의 내부의 중간 위치에, 외주면이 노즐 몸체에 내접하여 배치된, 축선 방향의 길이(W), 직경(D)의 베인을 구비한 풀콘 스프레이 노즐로서,
   상기 베인은 폭(T), 깊이(H)의 유로 홈을 이 베인의 외주면에 복수개 구비하고,
   상기 베인의 하류측에 하류측 돌기부를 구비하며,
   또한, 상기 노즐 몸체의 내벽면, 상기 베인 및 상기 분무구에 의하여 형성된 공간인 축선 방향의 길이(L)의 선회류실을 구비하고,
   0.25≤T/D≤0.30
   0.25≤H/D≤0.30
   1.5≤L/W≤3.5
   를 만족하는 것을 특징으로 하는 풀콘 스프레이 노즐.
2. 제1항에 있어서, 상기 선회류실은 상기 베인으로부터 축선 방향의 길이(L1)의 원주상의 영역과, 그 하류측의 축선 방향의 길이(L2), 꼭지각(δ)의 원추대 형상의 영역으로 이루어지고,
   상기 하류측 돌기부는 상기 베인으로부터 축선 방향의 길이(P1)의 원주상의 영역과 그 하류측의, 축선 방향의 길이(P2), 꼭지각(δP)의 원추상의 영역으로 이루어지며,
   δP/δ≥0.5
   0.2≤L1/D≤0.9
   를 만족하는 것을 특징으로 하는 풀콘 스프레이 노즐.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하류측 돌기부의 축선 방향의 길이(P), 상기 하류측 돌기부의 원추상의 영역의 축선 방향의 길이(P2), 상기 선회류실의 축선 방향의 길이(L), 상기 선회류실의 원추대 형상의 영역의 축선 방향의 길이(L2)가
   0.3≤P/L≤0.9
   0.2≤P2/L2≤0.9
   를 만족하는 것을 특징으로 하는 풀콘 스프레이 노즐.

Images