KR20170126937A - 벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치 - Google Patents

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제임스 에이치. 밀러
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데이코 아이피 홀딩스 엘엘시
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Abstract

벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치가 개시되며, 흡입 챔버, 흡입 챔버쪽으로 수렴하며 유체 연통되는 원동 통로, 흡입 챔버로부터 떨어져 발산하며 함께 유체 연통하는 배출 통로, 및 흡입 챔버와 유체 연통하는 흡입 통로를 형성하는 하우징을 포함한다. 흡입 챔버 내에서 원동 통로의 원동 출구는 벤튜리 갭을 형성하기 위해 일반적으로 배출 통로의 배출 입구와 이격되고 이와 정렬되며, 상기 흡입 통로는 흡입 통로로부터 배출 통로까지 흡입 유동의 방향으로 대략 180도 변화를 발생시키는 위치에서 흡입 챔버로 들어간다. 또한 또는 대안적으로, 원동 통로는 흡입 챔버로 돌출하는 홈통(spout)에서 끝날 수 있으며, 흡입 챔버의 하나 이상의 측벽 모두로부터 이격되어 배치된다.

Description

벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치
본 출원 발명은 2015년 3월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/130,422 호 및 2015년 7월 17일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/193,633 호(양 출원 모두 전체적으로 본 명세서에 참조로 통합되어 있음)의 이익을 주장한다.
본 출원 발명은 벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 보통의 원동 유량으로 생성된 증가된 흡입 유동을 갖는 상기 장치에 관한 것이다.
엔진, 예컨대 차량 엔진은 크기가 작아지고 있고 또한 부스트식(boosted)이 되고 있어서, 엔진으로부터 이용 가능한 진공이 감소하고 있다. 이 진공은, 차량 브레이크 부스터에 의해 사용되는 것을 포함하여, 많은 가능한 용도를 가지고 있다.
이 진공 부족에 대한 일 해결 방안은 진공 펌프를 설치하는 것이다. 그러나, 진공 펌프는 비용이 많이 들게 하고 또한 엔진에 중량 관련 불이익을 주며, 진공 펌프의 전력 소비로 인해 추가적인 교류 발전기(alternator) 용량이 필요할 수 있으며, 또한 그의 비효율성은 연비 개선 행위를 방해할 수 있다.
다른 방안은, 스로틀(throttle)과 병렬로 있는 엔진 공기 유동 경로(흡기 누출부라고 함)를 형성하여 진공을 생성하는 흡출기이다. 이 누출 유동은 흡입 진공을 생성하는 벤튜리(Venturi)를 통과한다. 현재 이용 가능한 흡출기의 문제점은, 흡출기가 생성할 수 있는 진공 질량 유량의 양으로, 그리고 흡출기가 소비하는 엔진 공기의 양에 의해 제한된다는 점이다.
증가된 흡입 질량 유량을 발생시키는 개선된 디자인에 대한 필요성, 특히 원동 유동이 부스트식 원동 유동일 때, 이러한 필요성이 존재한다.
일 양태에서, 벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치가 개시되며, 이는 흡입 챔버, 흡입 챔버쪽으로 수렴하고 이와 함께 유체 연통되는 원동 통로, 흡입 챔버(suction chamber)로부터 발산하고 이와 함께 유체 연통되는 배출 통로, 및 흡입 챔버와 유체 연통하는 흡입 통로를 형성하는 하우징을 갖는다. 흡입 챔버 내에서, 원동 통로의 원동 출구는 벤튜리 갭을 형성하기 위해 일반적으로 배출 통로의 배출 입구로부터 이격되고 이와 정렬되며, 흡입 통로는 흡입 통로로부터 배출 통로까지 흡입 유동의 방향으로 대략 180도 변화를 발생시키는 위치에서 흡입 챔버로 들어간다.
장치의 모든 양태에서, 장치는 다음 특징들 중 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 상기 원동 통로 및 배출 통로 모두는 쌍곡선 또는 포물선 함수로써 단면적이 흡입 챔버로부터 멀어지는 쪽으로 발산한다. 상기 흡입 챔버는 대략 10mm 내지 25mm의 내부 너비를 갖는다. 상기 원동 출구는 원동 통로 내부에 제1 코너 반지름을 가지며, 상기 배출 입구는 흡입 챔버의 벽과 거의 동일 평면에 있고 제2 코너 반지름을 가지고 거기로 이행한다. 여기서, 제2 코너 반지름은 제1 코너 반지름보다 더 크며, 원동 출구의 단면적은 배출 입구의 단면적보다 더 작다.
원동 통로는 흡입 챔버로 돌출하는 홈통(spout)에서 끝날 수 있으며, 흡입 챔버의 하나 이상의 측벽 모두로부터 이격되어 배치되어, 그로 인해 홈통의 외부 표면 전체 주위에 흡입 유동을 제공하며, 그렇게 될 때, 홈통의 외부 표면은 길이방향 단면에서 볼 때 하나 이상의 수렴하는 각도로 원동 통로의 출구 단부쪽으로 수렴한다. 여기서, 흡입 챔버는 홈통 아래에 거의 둥근 내부 바닥을 갖는다.
또 다른 양태에서, 벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치가 개시되며, 상기 장치는 흡입 챔버, 흡입 챔버쪽으로 수렴하고 이와 함께 유체 연통되는 원동 통로, 흡입 챔버로부터 발산하고 이와 함께 유체 연통되는 배출 통로, 및 흡입 챔버와 유체 연통하는 흡입 통로를 형성하는 하우징을 갖는다. 흡입 챔버 내에서, 원동 통로의 원동 출구는 벤튜리 갭을 형성하기 위해 일반적으로 배출 통로의 배출 입구로부터 이격되고 이와 정렬되며, 상기 원동 통로는 상기 흡입 챔버로 돌출하는 홈통에서 끝나며, 상기 흡입 챔버의 하나 이상의 측벽 모두로부터 이격되어 배치되고 그로 인해 상기 홈통의 외부 표면 전체 주위에 흡입 유동을 제공한다. 상기 장치의 모든 양태에서, 장치는 이하의 특징들의 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.
흡입 통로는 배출 통로에 평행하게 배치된다. 홈통의 외부 표면은 원동 통로의 출구 단부쪽으로 수렴하고 흡입 챔버는 홈통 아래에 거의 둥근 내부 바닥을 갖는다. 상기 흡입 챔버는 대략 10mm 내지 25mm의 내부 너비를 갖는다.
상기 원동 출구는 원동 통로 내부에 제1 코너 반지름을 가지며, 상기 배출 입구는 흡입 챔버의 벽과 거의 동일 평면에 있을 수 있고 제2 코너 반지름을 가지고 거기로 이행한다. 여기서, 제2 코너 반지름은 제1 코너 반지름보다 더 크며, 원동 출구의 단면적은 배출 입구의 단면적보다 더 작다.
적어도 배출 통로는 배출 출구와 배출 입구를 연결하는 쌍곡면 커브에 의해 형성되는 내부 통로이지만, 상기 원동 통로 및 배출 통로 모두는 쌍곡선 또는 포물선 함수로서 단면적이 흡입 챔버로부터 멀어지는 쪽으로 발산할 수 있다.
또 다른 양태에서, 상기 벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치 중 어느 하나를 포함하는 시스템이 개시되며, 부스트 압력원은 원동 통로에 유체 연결되고, 진공 요구 장치는 흡입 통로에 유체 연결되고, 부스트 압력보다 낮은 대기압으로 대기압은 배출 통로에 유체 연결된다.
도 1a는 벤튜리 효과를 이용하여 진공을 생성하는 장치의 측면 사시도이다.
도 1b는 도 1의 장치의 대안적인 실시예에서 원동 포트의 입구 단부만의 측면 종단면도이다.
도 2는 도 1의 장치의 측면 종단면 분해 단면도이다.
도 3은, 도 1의 장치의 원동 포트 부분의, 통상 원동 출구 단부로부터의 측사시도이다.
도 4는 파선으로 표시된 타원형(C) 안에 조립된 상태인 도 1의 장치의 부분의 확대 측면 단면 사시도이다.
도 5는 벤튜리 효과를 이용하여 진공을 생성하는 장치의 제2 실시예의 측면 사시도이다.
도 6은 도 5에 따른 장치의 상부 종단면도이다.
도 7은 단일 입구 및 2개의 구별되는 출구를 나타내는 도 5 내지 도 6의 장치의 원동 통로의 내부 형상의 모델이다.
도 8a는 도 6에 따른 장치의 이중 원동 출구 구성의 제1 실시예에 대한 하나의 구성을 도시한다.
도 8b는 도 8a의 구성을 위해 원동 출구, 흡입 통로, 및 배출부에서 유체 필드의 CFD 모델링 상면도를 나타낸다.
도 9a는 도 6에 따른 장치의 이중 원동 출구 구성의 제2 실시예에 대한 하나의 구성을 도시한다.
도 9b는 도 9a의 구성을 위해 원동 출구, 흡입 통로, 및 배출부에서 유체 필드의 CFD 모델링을 나타낸다.
이하의 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 설명할 것이며, 그 예들은 첨부 도면들에서 추가적으로 예시된다. 도면에서, 동일한 참고 부호들은 동일하거나 기능적으로 유사한 요소들을 표시한다.
여기 사용된 바와 같은 "유체(fluid)"는 액체, 현탁액, 콜로이드, 가스, 플라즈마, 또는 이들의 조합을 의미한다.
도 1 내지 도 4는 벤튜리 효과를 이용하여 진공을 생성하는 장치(100)의 상이한 도면들을 도시한다. 장치(100)는, 예컨대 차량 브레이크 부스트 장치, 강제 환기식(positive crankcase ventilation) 시스템, 연료 증기 캐니스터 제거 장치, 유압 및/또는 공압식 밸브 등과 같은 진공 요구 장치에 진공을 제공하기 위해, 예컨대 차량 엔진(내연 기관)과 같은 엔진에서 사용될 수 있다. 장치(100)는 통로(104)(도 2)와 유체 연통하는 흡입 챔버(107)를 형성하는 하우징(106)을 포함하며, 이는 원동 포트(108)의 원동 입구(132)로부터 배출 포트(112)의 배출 출구(156)까지 연장한다. 장치(100)는 엔진 또는 엔진에 연결된 부품(components)에 연결 가능한 3 이상의 포트를 갖는다. 상기 포트는 (1)원동 포트(108); (2)선택적 체크 밸브(도시되지 않음)를 통해 진공 요구 장치(180)에 연결할 수 있는 흡입 포트(110); 및 (3)배출 포트(112)를 포함한다. 포트(108, 110, 112) 각각은, 원동 포트(108)에 대해 도 1a에서 도시된 바와 같이, 엔진 내 호스(hose) 또는 다른 부품에 각 포트를 연결하기 위해 외측 표면상에 연결 특징부(117)를 포함한다.
이제, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 흡입 챔버(107)를 형성하는 하우징(106)은 원동 포트(108) 근처의 제1 단부 벽(120), 배출 포트(112) 근처의 제2 단부 벽(122) 및 제1 및 제2 단부 벽(120, 122) 사이에서 연장하는 적어도 하나의 측벽(124)을 포함한다. 횡단면도에서 볼 때, 흡입 챔버는 예컨대 둥근 최상부(148) 및 둥근 바닥부(149)를 갖는 통상 배 모양(pear-shaped)일 수 있으며, 둥근 최상부는 둥근 바닥부보다 더 좁다. 도 2에 도시된 바와 같이, 흡입 챔버(107)는 컨테이너(118a) 및 마개(118b)를 갖는 2-부분 구조체일 수 있으며, 마개(118b)는 유밀한 시일(fluid-tight seal)과 함께 컨테이너(118a)의 림(rim)(119) 내부 또는 림에 대향하여 안착된다. 여기서, 컨테이너(118a)는 흡입 포트(110) 및 배출 포트(112)를 포함하고, 마개(118b)는 원동 포트(108)를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 또 다른 실시예에서, 컨테이너는 원동 포트를 포함하고 마개는 흡입 포트 및 배출 포트를 포함할 수 있다.
계속 도 2를 참조하면, 원동 포트(108)는 흡입 챔버(107)쪽으로 수렴하며 이와 함께 유체 연통하는 원동 통로(109)를 형성하고, 배출 포트(112)는 흡입 챔버(107)로부터 발산하고 이와 함께 유체 연통하는 배출 통로(113)를 형성하며, 흡입 포트(110)는 흡입 챔버(107)와 유체 연통하는 흡입 통로(111)를 형성한다. 이러한 수렴 및 발산부는 점차적으로, 계속해서 내부 통로(109, 111, 113)의 적어도 일부의 길이를 따라 점점 가늘어진다. 원동 포트(108)는 원동 입구(132)를 갖는 입구 단부(130) 및 원동 출구(136)를 갖는 출구 단부(134)를 포함한다. 이와 유사하게, 흡입 포트(110)는 흡입 입구(142)를 갖는 입구 단부(140) 및 흡입 출구(146)를 갖는 출구 단부(144)를 포함하며, 원동 출구(136) 및 흡입 출구(146) 모두는 흡입 챔버(107)로 나간다. 배출 포트(112)는 배출 입구(152)를 갖는, 흡입 챔버(107) 근처의 입구 단부(150), 및 배출 출구(156)를 갖는, 흡입 챔버(107)로부터 떨어진 배출 단부(154)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 흡입 통로(111)는, 흡입 통로(111)로부터 배출 통로(113)까지 흡입 유동의 방향으로 대략 180도 변화를 발생시키는 위치에서 흡입 챔버(107)로 들어간다. 따라서, 흡입 포트(110)는 배출 포트(112)와 통상 평행하다.
조립된 장치(100)에서, 특히, 도 4에 도시된 바와 같이 흡입 챔버(107) 내에서, 원동 통로(109), 더욱 구체적으로는 원동 출구(136)의 배출 단부(134)는 벤튜리 갭(160)을 형성하기 위해 일반적으로 배출 통로(113)의 입구 단부(150)에서 배출 입구(152)로부터 이격되며 이와 정렬된다. 벤튜리 갭(160)은, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 원동 출구(136)와 배출 입구(152) 사이의 선형 거리(VD)를 의미한다. 원동 출구(136)는 원동 통로(109) 내부에 제1 코너 반지름(162)을 가지며, 배출 입구(152)는, 흡입 챔버(107)의 제2 단부 벽(122)과 거의 동일 평면에 있고 제1 코너 반지름(162)보다 더 큰 제2 코너 반지름을 가지고 거기로 이행한다. 이러한 코너 반지름(162, 164)은, 곡면이 유동의 방향에 영향을 미치는 것뿐만 아니라, 버(burr)로 알려져 있는 제조 결함이 고속 유속 구역으로부터 떨어져 위치되도록 돕는다는 이점이 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 원동 통로(109)는 흡입 챔버(107)로 돌출하는 홈통(spout)(170)에서 종료하며, 이는 도 4에서 표시된 바와 같이, 대략 10mm 내지 25mm, 더욱 바람직하게는 대략 15mm 내지 20mm인 내부 너비(WI)를 갖는다. 홈통(170)은 흡입 챔버(107)의 하나 이상의 측벽(124) 모두로부터 이격되어 배치되며, 그로 인해 홈통(170)의 외부 표면(172) 전체 주변에 흡입 유동을 제공한다. 외측 표면(172)은 통상 원추대이며 제1 수렴하는 각도(θ1)(도 3에 표시됨)를 갖는 원동 통로(109)의 출구 단부(134)쪽으로 수렴한다. 외측 표면(172)은 제1 단부 벽(120)보다 출구 단부(134)에 더 가까운 챔퍼(174)로 전환될 수 있다. 챔퍼(174)는 제1 수렴하는 각도(θ1)보다 더 큰 제2 수렴하는 각도(θ2)를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이 챔퍼(174)는 통상 원형의 원추대 외부 표면(172)을 통상 모서리가 더 둥근-사각형 또는 타원형 원추대 형상으로 바꾼다. 홈통(170) 아래의 흡입 챔버(107)의 바닥은 통상 둥근 내부 바닥을 가질 수 있다. 외부 표면(172)의 형상, 및/또는 챔퍼(174), 및 흡입 챔버(107)의 내부 바닥은, 흡입 유동을 배출 입구(152)쪽으로 향하게 하며 유동 내 최소 방해/간섭을 가진다는 이점이 있다.
홈통(170)은 장치(100)의 조립을 위해 선택된 재료에 따라, 대략 0.5mm 내지 5mm, 또는 대략 0.5mm 내지 3mm, 또는 대략 1.0mm 내지 2.0mm일 수 있는 벽 두께(T)를 갖는다.
도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 원동 출구(136)의 단면적은 배출 입구(152)의 단면적보다 더 작으며; 이러한 차이는 오프셋이라고 칭해진다. 단면적의 오프셋은 시스템의 파라미터에 따라 달라질 수 있으며, 이 안에서 장치(100)가 통합된다. 일 실시예에서, 오프셋은 대략 0.1mm 내지 2.5mm, 더욱 바람직하게는 대략 0.3mm 내지 1.5mm의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 오프셋은 대략 0.5mm 내지 1.2mm, 더욱 바람직하게는 0.7mm 내지 1.0mm의 범위에 있을 수 있다.
장치(100)가 차량 엔진에서 사용될 때, 차랑 제조업자는 통상 엔진 또는 이의 구성요소에 장치(100)의 연결을 가능하게 하는 튜브/호스의 크기를 기반으로 원동 포트(108)와 배출 포트(112) 모두의 크기를 선택한다. 또한, 차량 제조업자는 통상 시스템에서 사용 가능한 최대 원동 유량을 선택하며, 이것이 원동 출구 단부(134), 즉 원동 출구(136)에서 형성되는 내부 개구의 면적을 좌우한다. 이러한 제약 내에서 작동하면서, 개시된 장치(100)는 엔진의 부스트 조건 하에서 제공되는 보통의 원동 유량에서 빠른 흡입 유량을 생산하려는 바램 사이의 타협점(compromise)을 상당히 감소시킨다. 이 합의점의 감소는 흡입 포트(110), 내부 너비 및 형상을 포함하는 흡입 챔버(107), 원동 포트(108)의 홈통, 원동 출구 및/또는 배출 입구에 대한 코너 반지름을 더하는 원동 출구 및 배출 입구의 오프셋의 배향의 구성을 바꿈으로써, 및 벤튜리 갭(VD)을 바꿈으로써 이루어진다.
작동시, 장치(100), 특히 흡입 포트(110)는 진공 요구 장치(도 1에 도시됨)에 연결되며, 장치(100)는, 일반적으로 장치의 길이를 연장하는 통로(104) 및 벤튜리 갭(152)(도 4에 표시됨)을 통과하여, 유체, 통상 공기의 흐름에 의해 상기 장치를 위한 진공을 생성한다. 일 실시예에서, 원동 포트(108)는 부스트 압력원(182)과 원동 통로의 유체 연통을 위해 연결되며, 배출 통로는 부스트 압력보다 낮은 대기압(184)과 배출 통로의 유체 연통을 위해 연결된다. 상기 실시예에서, 장치(100)는 "방출기"라고 지칭될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 원동 포트(108)는 대기압에 연결될 수 있고 배출 포트는 대기압보다 낮은 압력원에 연결될 수 있다. 이러한 실시예에서, 장치(100)는 "흡인기"라고 지칭될 수 있다. 원동 포트로부터 배출 포트까지 유체(예를 들어, 공기)의 흐름은 원동 통로 아래로 유체를 이끌며, 이는 본 명세서에서 기재된 바와 같이 직선 원추형, 쌍곡형 프로파일, 또는 포물선 프로파일일 수 있다. 면적의 감소는 공기의 속도가 증가하도록 한다. 이는 둘러싸인 공간이기 때문에, 유체 매커니즘의 법칙은, 정압은 유체 속도가 증가할 때 반드시 감소한다고 되어있다. 수렴하는 원동 통로의 최소 단면적은 벤튜리 갭에 인접한다. 공기가 계속 배출 포트로 이동할 때, 공기는 배출 입구 및 수렴하는 배출 통로를 통해 이동하며, 직선 원추형, 쌍곡형 프로파일, 또는 포물선 프로파일일 수 있다. 선택적으로, 배출 통로는, 배출 출구와 만날 때까지 직선, 쌍곡선 프로파일, 또는 포물선 프로파일일 수 있거나, 또는 배출 출구에 도달하기 전에 단순히 원통형 또는 테이퍼형 통로로 전환할 수 있다.
흡입 포트(110)로부터 벤튜리 갭(160)으로의 공기의 유량의 증가를 위해, 벤튜리 갭의 면적은 제1 원동 통로(109)의 전체 내부 면적의 증가 없이 배출 입구(152)의 둘레를 증가시킴으로써 증가된다. 특히, 원동 출구(136) 및 배출 입구(152)는 2014년 6월 3일에 출원된 공동 소유된 미국 특허 출원 제 14/294,727 호에서 설명된 바와 같이 비원형이며, 이는 원형 단면적을 갖는 통로와 동일한 면적을 갖는 비원형 형상이 면적에 대한 둘레의 비율이 증가한 것이기 때문이다. 원형이 아니며, 각각 둘레 및 단면적을 갖는 무한한 수의 가능한 형상이 있다. 이는 다각형, 또는 서로에 연결된 직선 부분, 비원형 곡선, 및 심지어 프렉탈 곡선을 포함한다. 비용을 최소화하기 위해, 곡선은 단순하고 만들고 점검하기 쉬우며, 바람직한 둘레 길이를 가져야한다. 특히, 원동 및 배출 통로의 내부 단면적에 대한 타원 또는 다각형 형상의 실시예들은 전술된 공동 소유된 특허 출원에서 논의된다. 본 명세서에 기재된 원동 출구의 제1 코너 반지름 및 배출 입구의 제2 코너 반지름에 의해 추가로 향상된 둘레의 증가는, 흡입 유동의 증가를 초래하면서, 벤튜리 갭과 흡입 포트 사이의 교차면적을 증가시킨다는 이점을 다시 제공한다.
그래서, 도 2에 도시된 바와 같이, 원통 통로(109) 및 배출 통로(113)는 단면적에서 모두 쌍곡선 또는 포물선 함수으로서 흡입 챔버(107)쪽으로 수렴한다. 원통 입구(132) 및 배출 출구(156)는 동일하거나 상이한 형상일 수 있으며, 통상 직사각형, 타원형 또는 원형일 수 있다. 도 1 및 도 2에서, 원동 입구(132) 및 배출 출구(156)는 원형으로서 묘사되지만, 원동 출구(136) 및 배출 입구(152)(즉, 각 개구의 내부 형상)는 직사각형 또는 타원형 형상이다. 다른 다각형 형상도 또한 가능하며, 장치는 직사각형 또는 타원형 내부 형상으로 제한된다고 해석되어서는 안된다.
원동 통로(109) 및/또는 배출 통로의 내부는 동일한 일반적 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전술된 공동 계류중인 특허 출원의 도 7에서 도시된 형상은 면적(A1)을 갖는 원형 개구로서 원동 입구 단부(130)에서 시작하며, 면적(A1)보다 작은 면적(A2)을 갖는 원동 출구(136)에서 타원 개구까지 점차적, 계속적으로 쌍곡선 함수으로서 변환된다. 원동 입구 단부(130)에서 원형 개구는 쌍곡선 또는 포물선에 의해 직사각형 형상의 원동 출구(136)에 연결되며, 이는 서로 평행한 원동 출구(136)에서 흐름 선의 이점을 제공한다.
흡입 포트(110)에 의해 형성되는 흡입 통로(111)는 도 1에 도시된 바와 같이 통상 일정한 치수(들)의 원통형 통로이다.
이제, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 통상 참조 번호(200)로 지칭되는, 벤튜리 효과를 이용하여 진공을 생성하는 장치의 또 다른 실시예가 도시된다. 장치(200)는, 장치(100)와 같이, 예컨대 차량 브레이크 부스트 장치, 강제 환기식(positive crankcase ventilation) 시스템, 연료 증기 캐니스터 제거 장치, 유압 및/또는 공압식 밸브 등과 같은 장치에 진공을 제공하기 위해, 예컨대 차량 엔진(내연 기관)과 같은 엔진에서 사용될 수 있다. 장치(200)는 통로(204)(도 6)와 유체 연통하는 흡입 챔버(107)를 형성하고 이에 연결되는 엔진 또는 구성 요소와 연결 가능한 3 이상의 포트를 갖는 하우징(206)을 포함한다. 포트는 (1)원통 포트(108); (2)선택적 체크 밸브(도시되지 않음)를 통해 진공 요구 장치(도시되지 않음)에 연결할 수 있는 흡입 포트(110); 및 (3)배출 포트(112)를 포함한다. 각 포트(108, 110, 112)는, 배출 포트(112)에 대해 도 6에서 도시된 바와 같이 원동 포트(108) 또는 연결 특징부(217)를 대표하여, 도 1b에 도시된 바와 같이 엔진에서 호스 또는 다른 구성 요소에 각 포트를 연결하기 위해 이들의 외측 표면에 연결 특징부(117)를 포함할 수 있다.
흡입 챔버(107)를 형성하는 하우징(206)은 원동 포트(108) 근처의 제1 단부 벽(120), 배출 포트(112) 근처의 제2 단부 벽(122) 및 제1 및 제2 단부 벽(120, 122) 사이에서 연장하는 적어도 하나의 측벽(124)을 포함한다. 횡단면도에서 볼 때, 흡입 챔버(107)는 배출 포트(112)에 대해 입구(152) 아래에 통상 둥근 바닥부(149)를 가질 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 흡입 챔버(107)는 컨테이너(118a) 및 마개(118b)를 갖는 2-부분 구조일 수 있으며, 마개(118b)는 유체 조밀한 시일과 함께 컨테이너(118a)의 가장자리(119) 내부 또는 림에 대해 안착된다. 여기서, 컨테이너(118a)는 흡입 포트(110) 및 배출 포트(112)를 포함하고, 마개(118b)는 원동 포트(108)를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 또 다른 실시예에서, 컨테이너는 원동 포트를 포함하고 마개는 흡입 포트 및 배출 포트를 포함할 수 있다.
원동 포트(108)는 흡입 챔버(107)쪽으로 유체의 흐름에 대해 및 함께 유체 연통하는 원동 통로(109)를 형성한다. 원동 통로(109')는 통상 원통형 형상의 주요 통로(210)로 시작하며, 원동 입구(132)의 하류에서 각각 별개의 원동 출구(136a, 136b)를 이끄는 2개의 하위 통로(202, 204)로 세분화된다. 원동 출구(136a, 136b)는 벤튜리 갭(160)을 형성하기 위해 배출 통로(113)의 배출 입구(152)와 통상 정렬되고 이로부터 이격된다. 도 7은 2개의 하위 통로(202, 204)를 포함하는, 원동 통로(109')를 형성하는 공간부의 모델의 개략도이다. 원동 통로(109')에 대해 이 형상을 형성하기 위해, 원동 포트(108) 부분은 원동 입구(132), 즉 주요 통로(210)로부터 위쪽 방향으로 연장하는 통상 원통형 모양이며, 원동 출구(136a, 136b)쪽으로 주요 통로(210)로부터 수렴하는 내부 형상 공간부 및 2개의 하위 통로(202, 204)를 세분화하기 위한 원동 통로(109)에서 포크(214)를 형성하는 원동 출구(136a, 136b) 근처의 분할 몸체(212)를 가짐으로써 2개의 하위 통로(202, 204)를 형성한다. 원동 출구(136a, 136b)는 도 7에 도시된 바와 같이 통상 단면적(원동 출구에 대한 하우징에 의해 형성되는 공간부의 내부 단면)이 직사각형이거나, 타원형이거나, 또는 기타 다각형 형상일 수 있다.
분할 몸체(212)(도 6)의 외측 벽(216, 218)은 도 8a 및 도 9a에서 도시된 프로파일의 도면에서의 내부 선(228, 230)에 대응한다. 도 8a의 내부 선(228, 230)에 대한 프로파일은, 도시된 쌍곡선 함수과 같이 동일한 함수에 따라 통상 곡선이 되지만, 대신 포물선 함수 또는 다각형 함수가 될 수 있다. 도 9a의 내부 선(228', 230')에 대한 프로파일은 각각 일반적으로 직선이다. 2개의 하위 통로(202, 204)(도 6, 중앙 세로축(A)으로부터 반경방향 외측으로 이동하는 것에 대해 외측 부분)의 외측 벽(220, 222)은 도 8a 및 9a의 프로파일의 도면에서 외부 선(224, 226)에 대응한다. 양쪽 도면에서 외부 선(224, 226) 각각의 프로파일은 일반적으로 쌍곡선 함수와 같이 동일한 함수에 따라 곡선이 되지만, 포물선 함수 또는 다각형 함수일 수도 있다.
도 8a 및 도 8b와 도 9a 및 도 9b를 비교하여 볼 때, 내부 선(228, 230)의 프로파일은 포크(214)의 위치를 바꾸고, 도 8b 및 도 9b의 컬러 컴퓨터를 사용한 유체 유동 모델에서 보이는 바와 같이, 포크(214)의 위치는 원동 출구(136a, 136b)로부터 유동의 각도뿐만 아니라 흡입 유동의 양에도 영향을 미친다. 도 9b에 빨간색인 증가된 양은, 직선 프로파일의 외측 벽(216, 218)을 갖는 분할 몸체(212)로 된 흡입 유동이 쌍곡선 프로파일의 외측 벽으로 된 도 8b보다 더 크다는 점을 설명한다.
계속해서 도 5를 참조하면, 흡입 포트(110)는 흡입 챔버(107)와 유체 연통하는 흡입 통로를 형성한다. 흡입 포트(110)는 흡입 입구(142)를 갖는 입구 단부(140) 및 흡입 출구를 갖는 출구 단부를 포함하며, 원동 출구(136) 및 흡입 출구는 모두 통상 도 2에 도시된 바와 같이 흡입 챔버(107)로 나간다. 그러나, 장치(200)에서, 흡입 포트(110)는, 도 5로부터 이해될 수 있는 바와 같이 흡입 통로로부터 배출 통로(113)까지 흡입 유동의 방향으로 대략 90도 변화를 발생시키는 위치에서 흡입 챔버(107)로 들어간다. 따라서, 흡입 포트(110)는 일반적으로 배출 포트(112)에 직각으로 배향되며, 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 치수(들)의 원통형 통로일 수 있거나, 점차적, 계속적으로 원추로써 또는 흡입 챔버(107)쪽으로 수렴하는 길이에 따른 쌍곡선 또는 포물선 함수에 따라 가늘어진다. 다른 실시예들에서, 흡입 포트(110)는 장치(100)에 대해 도시된 바와 같이 흡입 통로(111)로부터 배출 통로(113)(일반적으로 배출 포트(112)에 평행함)까지 흡입 유동의 방향으로 대략 180도 변화를 발생시키는 위치에서 흡입 챔버(107)로 들어갈 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 배출 포트(112)는 흡입 챔버(107)로부터 발산하는 배출 통로(113)를 형성하며, 이는 흡입 챔버(107)와 유체 연통한다. 배출 포트(112)는 배출 입구(152)를 갖는 흡입 챔버(107) 내 입구 단부(150) 및 배출 출구(156)를 갖는 흡입 챔버(107)로부터 떨어진 출구 단부(154)를 포함한다. 배출 통로(113)는 흡입 챔버(107)로 돌출하는 홈통(170)에서 끝나며, 이는 대략 10mm 내지 25mm, 더욱 바람직하게는 대략 15mm 내지 20mm의 내부 너비(WI)를 갖는다. 홈통(170)은 흡입 챔버(107)의 하나 이상의 측벽(124) 모두로부터 이격되어 배치되며, 그로 인해 홈통(170)의 외부 표면(172) 전체 주위에 흡입 유동을 제공한다. 외부 표면(172)은 통상 원추대의 형상을 가지며, 배출 통로(113)의 입구 단부(150)쪽으로 수렴한다. 외부 표면(172)은 제2 첫번째 단부 벽(122)보다 입구 단부(150)에 더 가까운 챔퍼(도시되지 않음)로 변환될 수 있다. 외부 표면(172)의 형상, 및/또는 챔퍼, 및 흡입 챔버(107)의 통상 둥근 내부 바닥은 배출 입구(152)쪽으로 흡입 유동을 향하게 하며 유동에 최소 방해/간섭을 가진다는 이점이 있다. 홈통(170)은 장치(100)의 조립을 위해 선택되는 재료에 따라 대략 0.5mm 내지 5mm, 또는 대략 0.5mm 내지 3mm, 또는 대략 1.0mm 내지 2.0mm인 두께를 가진다.
또한, 도 6에서 가장 잘 도시된 바와 같이, (집합적으로) 원동 출구(136)의 단면적은 배출 입구(152)의 단면적보다 작으며, 이러한 차이는 오프셋이라고 칭해진다. 단면적의 오프셋은 시스템의 파라미터에 따라 달라질 수 있으며, 여기서 장치(100)는 통합된다. 일 실시예에서, 오프셋은 대략 0.1mm 내지 2.0mm, 더욱 바람직하게는 대략 0.3mm 내지 1.5mm의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, 오프셋은 0.5mm 내지 1.2mm, 더욱 바람직하게는 0.7mm 내지 1.0mm의 범위에 있을 수 있다.
본 명세서에 개시된 장치는 플라스틱 재료 또는 차량 엔진에서 사용되는 다른 적절한 재료(들)로 만들어질 수 있으며, 이는 엔진 및 온도, 습도, 압력, 진동, 및 먼지와 잔해를 포함한 도로 조건을 견딜 수 있으며, 사출 성형 또는 다른 주조 또는 몰딩 공정에 의해 만들어질 수 있다.
비록 본 발명이 특정 실시예에 관해 도시되고 기재되었을지라도, 본 명세서를 읽고 이해함에 따라 통상의 기술자들에 의해 변형예들이 발생할 것이며, 본 발명은 이러한 수정들을 포함한다는 것이 명백하다.

Claims (24)

  1. 벤튜리 효과를 이용한 진공 생성 장치에 있어서,
    흡입 챔버, 상기 흡입 챔버쪽으로 수렴하며 이와 함께 유체 연통되는 원동 통로, 상기 흡입 챔버로부터 떨어져 발산하며 이와 함께 유체 연통하는 배출 통로, 및 상기 흡입 챔버와 유체 연통하는 흡입 통로를 형성하는 하우징을 포함하며;
    상기 흡입 챔버 내에서 상기 원동 통로의 원동 출구는 벤튜리 갭을 형성하기 위해 일반적으로 상기 배출 통로의 배출 입구로부터 이격되고 이와 정렬되며;
    상기 흡입 통로는 흡입 통로로부터 배출 통로까지 흡입 유동의 방향으로 대략 180도 변화를 발생시키는 위치에서 상기 흡입 챔버로 들어가는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원동 통로 및 배출 통로 모두는 쌍곡선 또는 포물선 함수로서 단면적이 흡입 챔버로부터 이격되어 발산하는, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출 입구는 상기 흡입 챔버의 벽과 거의 동일평면에 있고 제1 코너 반지름을 가지고 거기로 이행하는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 원동 출구의 단면적은 상기 배출 입구의 단면적보다 작은, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 원동 통로는 상기 흡입 챔버로 돌출하는 홈통에서 끝나며 상기 흡입 챔버의 하나 이상의 측벽 모두로부터 이격되어 배치되고, 그로 인해 상기 홈통의 외부 표면 전체 주위에 흡입 유동을 제공하는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 홈통의 외부 표면은 길이 방향 단면에서 보았을 때 하나 이상의 수렴하는 각도로 상기 원동 통로의 출구 단부쪽으로 수렴하는, 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 흡입 챔버는 홈통 아래에 거의 둥근 내부 바닥을 갖는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 원동 통로는 단일 입구 및 2 이상의 원동 출구를 가지며, 상기 단일 입구 하류에서 2 이상의 하위통로로 세분화되고 각각을 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나로 유도하는, 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각각의 하위통로는 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나 근처에서 단면이 거의 직사각형인, 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    각각의 하위통로는 상부에서 길이 방향 단면에서 보았을 때, 포물선 함수로서 외측 내부 벽을 갖는 주요 통로로부터 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나쪽으로 수렴하는, 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    각각의 하위통로는 상부에서 길이 방향 단면에서 보았을 때, 포물선 함수로서 내측 내부 벽을 갖는 상기 주요 통로로부터 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나쪽으로 수렴하는, 장치.
  12. 벤튜리 효과를 이용하는 진공 생성 장치에 있어서,
    흡입 챔버, 상기 흡입 챔버쪽으로 수렴하며 이와 함께 유체 연통되는 원동 통로, 상기 흡입 챔버로부터 떨어져 발산하며 이와 함께 유체 연통하는 배출 통로, 및 상기 흡입 챔버와 유체 연통하는 흡입 통로를 형성하는 하우징을 포함하며;
    흡입 챔버 내에서 상기 원동 통로의 원동 출구는 벤튜리 갭을 형성하기 위해 일반적으로 상기 배출 통로의 배출 입구로부터 이격되고 이와 정렬되며, 상기 원동 통로는 상기 흡입 챔버로 돌출하는 홈통에서 끝나며, 상기 흡입 챔버의 하나 이상의 측벽 모두로부터 이격되어 배치되고 그로 인해 상기 홈통의 외부 표면 전체 주위에 흡입 유동을 제공하는, 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 흡입 통로는 배출 통로와 평행하게 배치되는, 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 홈통의 외부 표면은 상기 원동 통로의 출구 단부쪽으로 수렴하는, 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 배출 입구는 상기 흡입 챔버의 단부벽과 거의 동일평면에 있고 제1 코너 반지름을 가지고 거기로 이행하는, 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 배출 통로는 배출 출구에 상기 배출 입구를 연결하는 쌍곡면 커브에 의해 형성되는 내부 통로인, 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 원동 통로 및 배출 통로 모두는 쌍곡선 또는 포물선 함수로서 단면적이 흡입 챔버로부터 이격되어 발산하는, 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 원동 출구의 단면적은 상기 배출 입구의 단면적보다 작은, 장치.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 흡입 챔버는 홈통 아래에 거의 둥근 내부 바닥을 갖는, 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 원동 통로는 단일 입구 및 2 이상의 원동 출구를 가지며, 상기 단일 입구 하류에서 2 이상의 하위통로로 세분화되고 각각을 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나로 유도하는, 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    각각의 하위통로는 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나 근처에서 단면이 거의 직사각형인, 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    각각의 하위통로는 상부에서 길이 방향 단면에서 보았을 때, 포물선 함수로서 외측 내부 벽을 갖는 상기 주요 통로로부터 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나쪽으로 수렴하는, 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    각각의 하위통로는 상부에서 길이 방향 단면에서 보았을 때, 포물선 함수로서 내측 내부 벽을 갖는 상기 주요 통로로부터 상기 2 이상의 원동 출구 중 하나쪽으로 수렴하는, 장치.
  24. 시스템에 있어서,
    제 1 항 또는 제 12 항의 벤튜리 장치;
    상기 원동 통로에 유체 연결되는 압력원;
    상기 흡입 통로에 유체 연결되는 진공 요구 장치; 및
    상기 배출 통로에 유체 연결되는 압력원보다 낮은 압력을 포함하며;
    상기 압력원은 대기압이거나 터보과급기 또는 수퍼차저의 압축기로부터의 부스트 압력인, 시스템.
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