KR20210121247A - 항시 개방 개선부를 갖는 덕빌 에어로졸 분리기 - Google Patents

Abstract

임팩터 분리기는, 기액 스트림을 수용하는 입구 및 가스 스트림을 방출하는 출구를 갖는 하우징을 포함한다. 임팩터 분리기는, 또한, 하우징 내에 위치되고 기액 스트림으로부터 액체 입자를 분리하도록 구성되는 충돌 표면, 및 하우징 내에 위치되는 노즐 조립체를 포함한다. 노즐 조립체는 노즐 조립체 하우징 부분, 및 노즐 조립체 하우징 부분을 통해 연장되는 복수의 노즐을 포함한다. 복수의 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 포함한다. 기액 스트림은 노즐 조립체 하우징 부분 내로 들어가고, 노즐 입구를 통해 복수의 노즐 내로 유동하며, 노즐 출구를 통해 복수의 노즐을 빠져나간다. 복수의 노즐은 기액 스트림을 충돌 표면을 향해 가속시킨다.

Description

항시 개방 개선부를 갖는 덕빌 에어로졸 분리기

관련 특허 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 3월 12일자로 출원된 미국 가출원 제62/817,289호의 이익을 주장한다. 본 출원의 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

기술분야

본 발명은 대체적으로 관성 임팩터 분리기 조립체(inertial impactor separator assembly)에 관한 것이다.

내연 기관은 대체적으로 연료(예컨대, 가솔린, 디젤, 천연 가스 등)와 공기의 혼합물을 연소시킨다. 내연 기관의 작동 동안, 블로바이 가스(blowby gas)로 불리는 연소 가스의 일부가 연소 실린더 밖으로 그리고 내연 기관의 크랭크케이스 내로 유동할 수 있다. 블로바이 가스는 에어로졸, 오일, 및 공기의 혼합물을 포함할 수 있다. 블로바이 가스는 전형적으로 크랭크케이스 환기 시스템을 통해 크랭크케이스 밖으로 보내진다. 블로바이 가스로부터 액체 입자를 분리하기 위해, 관성 기액 임팩터 분리기가 사용될 수 있다. 관성 기액 임팩터 분리기를 사용하여, 블로바이 가스를 노즐 또는 오리피스를 통해 고속으로 가속시키고 스트림 또는 에어로졸을 임팩터에 대해 지향시킴으로써, 액체 입자가 블로바이 가스로부터 제거된다.

다양한 종래의 임팩터 분리기를 사용하여서는, 냉간 시동 또는 냉간 작동이 어려울 수 있다. 매우 추운 기후에서의 엔진의 냉간 시동 또는 작동 동안, 임팩터 분리기의 작은 오리피스 노즐은 동결 위험을 초래할 수 있으며, 여기에서 성에가 작은 노즐의 배출 측부 상에 축적되고, 노즐을 통한 유체 유동을 적어도 부분적으로 차단하기 시작한다. 이러한 차단은 분리기를 가로지르는 압력 강하의 상승을 야기하고, (여과되지 않은 블로바이 및 에어로졸을 대기에 버릴) 개방된 바이패스 밸브, 블로우 아웃 딥스틱(blow-out dipstick), 팽출된 밸브 커버 등과 같은 해로운 결과가 뒤따를 수 있다. 이러한 문제는 오리피스 크기가 대략 3 밀리미터 미만으로 매우 작아질 때 가장 두드러지는데, 이는 노즐 오리피스 직경이 작을수록 충돌 분리 성능이 개선되는 것으로 알려져 있기 때문에 불행한 일이다. 많은 종래의 임팩터 분리기는, 또한, 온보드(on-board) 진단 요건을 요하는, 포핏 밸브(poppet valve), 스프링, 회전 오리피스 플레이트, 슬라이딩 피스톤 등과 같은 다양한 이동 부품의 사용을 필요로 한다.

다양한 예시적인 실시예는, 기액 스트림을 수용하는 입구 및 가스 스트림을 방출하는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 임팩터 분리기에 관한 것이다. 임팩터 분리기는, 또한, 하우징 내에 위치되고 기액 스트림으로부터 액체 입자를 분리하도록 구성되는 충돌 표면, 및 하우징 내에 위치되는 노즐 조립체를 포함한다. 노즐 조립체는 노즐 조립체 하우징 부분, 및 노즐 조립체 하우징 부분을 통해 연장되는 복수의 노즐을 포함한다. 복수의 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 포함한다. 기액 스트림은 노즐 조립체 하우징 부분 내로 들어가고, 노즐 입구를 통해 복수의 노즐 내로 유동하며, 노즐 출구를 통해 복수의 노즐을 빠져나간다. 복수의 노즐은 기액 스트림을 충돌 표면을 향해 가속시킨다.

다른 예시적인 실시예는 임팩터 분리기에 관한 것이다. 임팩터 분리기는 밸브 커버의 일부로서 형성된다. 임팩터 분리기는 밸브 커버 내에 위치되는 노즐 조립체, 및 복수의 노즐을 포함하며, 복수의 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 갖는다. 밸브 커버의 저부 부분은 기액 스트림을 수용하는 입구를 포함한다. 임팩터 분리기는 기액 스트림으로부터 액체 입자를 분리하도록 구조화된 충돌 표면을 갖는 충돌 플레이트를 포함한다. 기액 스트림은 밸브 커버 내로 들어가고, 노즐 입구를 통해 노즐 내로 유동하며, 노즐 출구를 통해 노즐을 빠져나간다. 복수의 노즐은 기액 스트림을 충돌 표면을 향해 가속시킨다.

또 다른 예시적인 실시예는 노즐 조립체에 관한 것이다. 노즐 조립체는 종축을 갖는 노즐 조립체 하우징 부분, 및 노즐 조립체 하우징 부분을 통해 연장되는 다수의 노즐을 포함하며, 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 갖는다. 노즐들 중 하나는 종축을 따라 위치되고, 항시 개방(always-open) 오리피스를 포함한다.

이들 및 다른 특징부는, 그의 구성 및 작동 방식과 함께, 아래에서 설명되는 여러 도면 전체에 걸쳐 동일 요소가 동일 도면 부호를 갖는 첨부 도면과 함께 취해질 때 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른, 관성 임팩터 분리기의 단면도를 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기와 함께 사용하기 위한 노즐 조립체의 사시도를 도시한다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기와 함께 사용하기 위한 다른 노즐 조립체의 사시도를 도시한다.
도 4는 도 3의 노즐 조립체의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 3의 노즐 조립체의 사시 단면도를 도시한다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기의 노즐 조립체와 함께 사용하기 위한 노즐의 평면도를 도시한다.
도 7은 도 6의 노즐의 측면도를 도시한다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기의 노즐 조립체와 함께 사용하기 위한 노즐의 평면도를 도시한다.
도 9는 도 8의 노즐의 측면도를 도시한다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기의 노즐 조립체와 함께 사용하기 위한 노즐의 평면도를 도시한다.
도 11은 도 10의 노즐의 측면도를 도시한다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기의 노즐 조립체와 함께 사용하기 위한 노즐의 평면도를 도시한다.
도 13은 도 12의 노즐의 측면도를 도시한다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른, 내연 기관의 밸브 커버에 사용 중인 도 1의 관성 임팩터 분리기의 사시도를 도시한다.
도 15는 도 14의 관성 임팩터 분리기의 사시 단면도를 도시한다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른, 도 14의 관성 임팩터 분리기의 노즐 조립체의 사시도를 도시한다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른, 도 16의 노즐 조립체의 평면도를 도시한다.
도 18은 예시적인 실시예에 따른, 전산 유체 분석을 사용한 임팩터 분리기의 노즐을 통한 유체 유동의 정면도를 도시한다.
도 19는 예시적인 실시예에 따른, 전산 유체 분석을 사용한 임팩터 분리기의 노즐을 통한 유체 유동의 평면도를 도시한다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른, 스토크스 수(Stokes number)에 미치는 직사각형 노즐 종횡비의 영향을 예시하는 그래프를 도시한다.
도 21은 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 관성 임팩터 분리기의 노즐 조립체의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 22는 도 21의 노즐 조립체의 사시도를 도시한다.
도 23은 예시적인 실시예에 따른, 유체 유량에 대한 압력 강하에 미치는 다양한 임팩터 노즐 유형의 영향을 예시하는 그래프를 도시한다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른, 유체 유량에 대한 효율에 미치는 다양한 임팩터 노즐 유형의 영향을 예시하는 그래프를 도시한다.

전반적으로 도면을 참조하면, 관성 임팩터 분리기가 도시되어 있다. 관성 임팩터 분리기는 노즐 조립체 및 충돌 표면을 포함한다. 관성 임팩터 분리기는 기액 스트림, 예를 들어 내연 기관으로부터의 블로바이 가스를 수용한다. 관성 임팩터 분리기는 기액 스트림을 노즐 조립체를 통해 그리고 충돌 표면을 향해 이동시킴으로써 기액 스트림으로부터 액체 입자를 제거한다. 노즐 조립체는 기액 스트림의 속도를 증가시키고 스트림을 충돌 표면 상으로 가압하며, 여기에서 스트림은 방향의 급격한 변화를 겪어, 기액 스트림으로부터의 액체 입자의 분리를 효과적으로 야기한다.

본 명세서에서 설명되는 관성 임팩터 분리기는, 포핏 밸브 및/또는 스프링을 이동시키지 않고서 그리고 초기 엔진 또는 마모된 엔진 유량 조건에서 과도한 압력 강하를 생성하지 않고서, 비교적 높은 효율로 엔진 블로바이 가스로부터 서브마이크로미터 오일 에어로졸을 분리한다. 분리기는 작은 노즐 동결의 위험 없이 엔진의 냉간 시동 및/또는 냉간 작동을 허용한다. 본 명세서에서 설명되는 분리기 및 노즐 조립체는, 고정형 임팩터의 2차 응답과 비교할 때, 거의 선형인 압력 강하 대 유동 응답을 나타낸다. 이러한 방식으로, 주어진 최대 압력 강하 한계에서의 훨씬 더 넓은 유동 범위가 달성된다.

도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 관성 임팩터 분리기(100)가 도시되어 있다. 임팩터 분리기(100)는 종축(115)을 갖는 하우징(102), 기액 스트림(101)을 수용하기 위한 입구(120), 및 가스 스트림(111)을 배출하기 위한 출구(130)를 포함한다. 하우징(102)은, 서로 결합되어 하우징(102)을 형성하는 하우징 저부 부분(104) 및 하우징 상부 부분(106)을 포함한다. 하우징 공동(103)이 하우징 상부 부분(106)의 내부 표면(107)과 하우징 저부 부분(104)의 내부 표면(109)에 의해 한정된다. 일부 실시예에서, 하우징(102)은 단일 부분으로 제조된다.

노즐 조립체(110)가 종축(115)을 따라 하우징 공동(103) 내에 위치된다. 노즐 조립체(110)는 노즐 조립체 상부 부분(116)과 하우징 저부 부분(104)에 의해 형성된다. 노즐 조립체 상부 부분(116)은 하우징 저부 부분(104) 내에 형성된 슬롯(114) 내로 삽입되도록(예컨대, 그에 결합되도록) 구성되는 저부 단부(124)를 포함한다. 노즐 조립체 공동(113)이 노즐 조립체 상부 부분(116)의 내부 표면(117)과 하우징 저부 부분(104)의 내부 표면(109)에 의해 한정된다. 일부 실시예에서, 플랜지(112)가 노즐 조립체 상부 부분(116)과 함께 형성된다.

노즐 조립체(110)는, 노즐 조립체 상부 부분(116) 내에 위치되고 그를 통해 연장되는 다수의 노즐(150)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 노즐(150)은 덕빌 밸브(duckbill valve)이다. 다른 실시예에서, 노즐(150)은 다른 유형의 노즐일 수 있다. 노즐들(150) 각각은 노즐 조립체 공동(113) 내에 위치되는 노즐 입구(151), 및 하우징 공동(103) 내에 위치되는 노즐 출구(152)를 포함한다. 분리기(100)를 통해 유동하는 유체는 노즐 입구(151)에서 노즐(150)에 들어가고, 노즐 출구(152)를 통해 노즐(150)을 빠져나간다. 도 2에 도시된 바와 같이, 노즐은 노즐 출구(152)(예컨대, 슬릿)가 아래에서 설명되는 중심 노즐(154)을 향해 또는 종축(115)을 향해 반경방향으로 배향되도록 배향된다. 이러한 방식으로, 노즐들(150) 각각을 빠져나가는 유체 유동 사이의 유동 간섭의 가능성이 감소된다.

노즐(150)을 통해 유동하는 유체는 분리기(100)의 종축(115)과 실질적으로 평행한 방향으로 유동한다. 노즐(150)은 기액 스트림(101)을 수용하고, 기액 스트림을 노즐(150)을 통해 충돌 표면(108)을 향해 가속시킨다. 노즐 출구(152)로부터 빠져나가는 유체는, 종축(115)과 실질적으로 평행하고 충돌 표면(108)에 실질적으로 수직인 방향으로 유동한다. 충돌 표면(108)은 림(rim) 또는 립(lip)(122)(예컨대, 주연부에서의 하향 돌출부)을 갖는 충돌 플레이트(118)의 밑면 상에(예컨대, 그의 일부로서) 위치된다. 일부 실시예에서, 충돌 플레이트(118)는 하우징 상부 부분(106)과 일체로 형성될 수 있다.

충돌 표면(108)은 섬유질 및 다공성 구조물(예컨대, 펠트 유사물)을 포함한다. 이러한 유형의 구조물은 매끄러운 비다공성 충돌 표면에 비해 전체 분리 효율을 개선한다. 본 명세서에서 설명되는 충돌 표면(108)의 섬유질 및 다공성 구조물은 기액 스트림으로부터의 액체 입자 분리 및 충돌 표면(108) 내에의 액체 입자의 수집 둘 모두를 야기한다. 다공성 충돌 표면(108)은, 매끄러운 비다공성 임팩터 충돌 표면의 컷오프 크기(cut-off size)만큼 예리하지는 않지만 컷오프 크기의 감소뿐만 아니라 컷오프 크기보다 작은 입자에 대한 수집 효율을 개선하는, 입자 분리를 위한 컷오프 크기를 갖는다. 다공성 충돌 표면(108)은 응집 매체를 제공하여서, 액체 입자가, 일단 충돌 표면(108) 내에 포획되면, 충돌 표면(108) 내의 다른 액체 입자와 응집하게 한다. 게다가, 충돌 표면에서의 그리고 그 내에서의 가속된 가스 스트림 및 가스의 결과적인 빠른 속도는 포획된 액체가 충돌 표면(108)의 외부 에지로 이동하여 충돌 표면(108)으로부터 떨어지게 하기에 충분한 견인력(drag force)을 생성한다.

다공성 충돌 표면(108)은 높은 투과율(permeability)을 가져, 그에 의해 기액 스트림이 다공성 수집 표면을 관통하도록 허용한다. 일부 실시예에서, 다공성 충돌 표면(108)의 투과율은 적어도 3.0 e-10 m²이다. 일부 실시예에서, 다공성 충돌 표면(108)의 투과율은 적어도 4.5 e-10 m²이다. 다공성 충돌 표면(108)의 높은 투과율은 기액 스트림이 충돌 표면(108)의 매체를 관통하도록 허용한다. 다공성 충돌 표면(108)의 높은 투과율은, 또한, 급격한 방향 변화에 의해 야기되는 분리 이외에 기액 스트림으로부터의 액체의 추가의 분리를 야기하고, 분리기(100)의 효율을 증가시킨다.

충돌 표면(108)의 매체의 여러 특성이 기액 분리기(100)의 분리 효율에 기여한다. 대체적으로, 노즐 조립체(110)를 가로지르는 주어진 압력 강하에 대해 더 높은 매체 투과율은 더 높은 분리 효율과 상관된다. 투과율을 변화시키기 위해, 충돌 표면(108)의 매체의 섬유 직경 및 패킹 밀도가 변화될 수 있다. 대체적으로, 본 명세서에서 아래에서 설명되는 바와 같이, 동등한 압력 강하에 대해 더 작은 섬유 직경 및 더 낮은 패킹 밀도는 더 높은 분리 효율로 이어진다. 추가적으로, 다공성 충돌 표면(108)의 매체 내에서의 관성 충돌은 섬유 직경 및 매체 내에서의 기액 스트림의 속도 분포 둘 모두의 함수이다. 매체 내에서의 더 빠른 속도는 더 높은 분리 효율과 상관된다. 기액 스트림의 최고 속도는 다공성 충돌 표면(108)의 표면에 가장 가까운 곳에서 발생한다. 따라서, 다공성 충돌 표면(108)의 매체의 특성을 속도가 최고이고 관성 충돌이 최대인 그의 표면 부근에서 변경함으로써, 증가된 분리 효율이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 다공성 충돌 표면(108)의 매체의 섬유는 10 마이크로미터 내지 70 마이크로미터의 직경을 가질 수 있고, 매체의 패킹 밀도는 0.2 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유의 직경은 18.6 마이크로미터이고, 패킹 밀도는 0.05이다. 일부 실시예에서, 다공성 충돌 표면(108)은 높은 투과율을 갖는 적어도 하나의 섬유 층의 상류에 낮은 패킹 밀도를 갖는 적어도 하나의 섬유 층을 포함한다.

기액 스트림(101)은 하우징(102)의 입구(120)를 통해 노즐 조립체 공동(113) 내로 들어가고, 노즐(150)(예컨대, 노즐 입구(151)로부터 노즐 출구(152)를 통해) 및 본 명세서에서 추가로 설명되는 중심 노즐(154)(예컨대, 중심 노즐 입구(161)를 통해 중심 노즐 출구(156) 및 오리피스(160)를 통해)을 통해 하우징 공동(103) 내로 그리고 충돌 표면(108)을 향해 가속된다. 기액 스트림(101)은 충돌 표면(108)에 충돌하고, (예컨대, 종축(115)에 실질적으로 평행한 방향으로부터 종축(115)에 실질적으로 수직인 방향으로) 방향을 급격하게 변화시켜, 그에 의해 기액 스트림(101)으로부터 액체 입자를 제거한다. 충돌 플레이트(118) 주위로, 립(122)을 지나, 출구(130)를 향해 이동하는 가스 스트림(111)이 생성된다. 분리된 액체 입자는 액체 출구(126)를 통해 분리기(100)로부터 빠져나가거나 배출된다.

도 2를 참조하면, 분리기(100)는 하우징 상부 부분(106)과 충돌 플레이트(118)가 제거된 상태로 도시되어 있다. 노즐(150)에 더하여, 노즐 조립체(110)는, 또한, 실질적으로 종축(115)을 따라 위치되는 중심 노즐(154)을 포함한다. 중심 노즐(154)은 다른 노즐(150)과 유사하고, 중심 노즐 입구(161) 및 중심 노즐 출구(156)를 포함한다. 중심 노즐(154)은, 또한, 중심 노즐 출구(156)의 일부로서 형성되는 오리피스(160)를 포함한다. 오리피스(160)는 기액 스트림(101)이 통과할 수 있는 적어도 하나의 비교적 큰 통로가 이용가능하다는 것을 보장하기 위해 "항시 개방" 특징부로서 작용한다. 일부 실시예에서, 노즐들(150) 중 하나 이상도 항시 개방 특징부로서 작용하는 오리피스를 포함할 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 바와 같은 중심 노즐(154) 대신에, 노즐 조립체(110)는 융기 부분 입구(171) 및 개구부(172)를 갖는 (예컨대, 노즐 조립체 상부 부분(116)의 상부 표면(123)으로부터 융기되는) 융기 부분(170)을 포함할 수 있다. 기액 스트림(101)은 융기 부분 입구(171)를 통해 들어가고, 개구부(172)를 통해 빠져나간다. 융기 부분(170)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 일부로서(예컨대, 그와 일체로) 형성된다. 융기 부분(170) 및 개구부(172)는 노즐 조립체(110)를 통해 기액 스트림(101)을 가속시키기 위한 항시 개방 노즐로서 작용한다. 융기 부분(170)은 개구부(172)(예컨대, 출구)와 충돌 표면(108) 사이의 거리가 최소화되도록 노즐 조립체 상부 부분(116)의 상부 표면(123)으로부터 융기된다. 이러한 방식으로, 개구부(172)를 갖는 융기 부분(170)은 다른 노즐(150)과 유사한 제트-표면 충돌 거리를 달성한다.

중심 노즐의 다양한 예가 도 6 내지 도 13에 도시되어 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 중심 노즐(154)은 종축(165), 및 출구(156) 내에 형성되고 종축(165)에 중심설정되는 원형 오리피스(160)를 갖는다. 오리피스(160)는 오리피스(160)를 통한 유동의 방향이 중심 노즐(154)의 종축(165)에 실질적으로 수직인 방식으로 절단된다. 중심 노즐(154)은, 상부 인셋(inset) 표면(164) 및 저부 인셋 표면(166)을 갖는 인셋 부분(162)을 갖는 몸체(174)를 포함한다. 다시 도 1을 참조하면, 중심 노즐(154)은 인셋 부분(162)에서 노즐 조립체 상부 부분(116) 내로 삽입되며, 이때 상부 인셋 표면(164)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 상부 표면(123)과 접촉하고, 저부 인셋 표면(166)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 내부 표면(117)과 접촉한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 중심 노즐(254)은 종축(265), 및 출구(256) 내에 형성되고 종축(265)에 중심설정되는 오리피스(260)를 갖는다. 오리피스(260)는 다이아몬드 형상이다. 오리피스(260)는 오리피스(260)를 통한 유동의 방향이 중심 노즐(254)의 종축(265)에 실질적으로 수직인 방식으로 절단된다. 중심 노즐(254)은, 상부 인셋 표면(264) 및 저부 인셋 표면(266)을 갖는 인셋 부분(262)을 갖는 몸체(274)를 포함한다. 다시 도 1을 참조하면, 중심 노즐(254)은 인셋 부분(262)에서 노즐 조립체 상부 부분(116) 내로 삽입되며, 이때 상부 인셋 표면(264)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 상부 표면(123)과 접촉하고, 저부 인셋 표면(266)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 내부 표면(117)과 접촉한다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 중심 노즐(354)은 종축(365), 및 출구(356) 내에 형성되고 종축(365)에 중심설정되는 오리피스(360)를 갖는다. 오리피스(360)는 난형 형상이다. 오리피스(360)는 오리피스(360)를 통한 유동의 방향이 중심 노즐(354)의 종축(365)에 실질적으로 수직인 방식으로 절단된다. 중심 노즐(354)은, 상부 인셋 표면(364) 및 저부 인셋 표면(366)을 갖는 인셋 부분(362)을 갖는 몸체(374)를 포함한다. 다시 도 1을 참조하면, 중심 노즐(354)은 인셋 부분(362)에서 노즐 조립체 상부 부분(116) 내로 삽입되며, 이때 상부 인셋 표면(364)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 상부 표면(123)과 접촉하고, 저부 인셋 표면(366)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 내부 표면(117)과 접촉한다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 중심 노즐(454)은 종축(465), 및 출구 내에 형성되는 오리피스(460)를 갖는다. 출구는 제1 슬롯(456)과 제2 슬롯(458)에 의해 형성된다. 도 12에 도시된 평면도로부터, 제1 슬롯(456) 및 제2 슬롯(458)은 "X"자 형상이 형성되도록 서로 실질적으로 수직이다. 오리피스(460)는 형상이 원형이고, 종축(465)에 중심설정된다. 오리피스(460)는 오리피스(460)를 통한 유동의 방향이 중심 노즐(454)의 종축(465)에 실질적으로 수직인 방식으로 절단된다. 중심 노즐(454)은 상부 표면(466)을 갖는 플랜지 부분(462)을 갖는 몸체(474)를 포함한다. 다시 도 1을 참조하면, 중심 노즐(454)은 노즐 조립체 상부 부분(116) 내로 삽입되며, 이때 상부 표면(466)은 노즐 조립체 상부 부분(116)의 내부 표면(117)과 접촉한다. 일부 실시예에서, 중심 노즐(454)은 오리피스(460)를 포함하지 않고, 대신에 제1 슬롯(456) 및 제2 슬롯(458)만을 "X"자 형상으로 포함한다.

도 14 내지 도 17을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른, 밸브 커버(502)의 일부로서 형성된 임팩터 분리기(500)가 도시되어 있다. 밸브 커버(502)는 저부 부분(504)을 포함한다. 저부 부분(504)은 기액 스트림을 수용하기 위한 입구(520)를 포함한다. 노즐 조립체(510)가 밸브 커버(502) 내에 위치된다. 노즐 조립체(510)는, 노즐 입구(551) 및 노즐 출구(552)를 각각 포함하는 다수의 노즐(550)을 포함한다. 도시된 노즐(550)은 덕빌 밸브이다. 다른 실시예에서, 노즐(550)은 다른 유형의 것일 수 있다. 분리기(500)를 통해 유동하는 유체는 노즐 입구(551)에서 노즐(550)에 들어가고, 노즐 출구(552)를 통해 노즐(550)을 빠져나간다. 노즐(550)은 기액 스트림을 수용하고, 기액 스트림을 노즐(550)을 통해 충돌 표면(508)을 향해 가속시킨다. 노즐 출구(552)와 충돌 표면(508) 사이의 거리는 대략 2 밀리미터(mm)일 수 있다. 노즐 출구(552)로부터 빠져나가는 유체는 충돌 표면(508)에 실질적으로 수직인 방향으로 유동한다. 충돌 표면(508)은 충돌 플레이트(518)의 밑면 상에(예컨대, 그의 일부로서) 위치된다. 충돌 표면(508)은 기액 스트림으로부터 액체 입자를 분리한다. 기액 스트림은 충돌 표면(508)에 충돌하고, 방향을 급격하게 변화시킨다. 충돌 플레이트(518) 주위로 이동하는 가스 스트림이 생성된다. 노즐(550)에 더하여, 노즐 조립체(510)는 개구부(572)를 갖는 융기 부분(570)을 포함한다. 융기 부분(570)은 노즐 조립체(510)의 일부로서(예컨대, 그와 일체로) 형성된다. 융기 부분(570) 및 개구부(572)는 노즐 조립체(510)를 통해 기액 스트림을 가속시키기 위한 항시 개방 노즐로서 작용한다. 기액 스트림은 융기 부분 입구(571)를 통해 들어가고, 개구부(572)를 통해 빠져나간다. 개구부(572)의 직경은 대략 3.5 mm일 수 있다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른, 노즐(예컨대, 노즐(150))을 통한 유체 유동의 전산 유체 분석의 표현이 도시되어 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 유체 유동(602)은 유체가 노즐을 빠져나간 후에 충돌 표면(604)을 향해 지향된다. 유체 유동은 대략 4:1인 길이-폭 비의 직사각형 충돌 패치를 생성한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 노즐은 출구 슬릿 배향이 중심선(또는 종축(115))을 향해 반경방향으로 향하는 상태로 위치된다. 이러한 방식으로, 중심 제트 유동의 최소 가능 제트 상호작용 및 최소 방해가 일어난다.

도 20을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른, 스토크스 수에 미치는 직사각형 노즐 종횡비의 영향을 예시하는 그래프(700)가 도시되어 있다. 선 그래프(706)에 의해 도시된 바와 같이, 노즐 종횡비(702)가 (대략 30:1까지) 증가함에 따라, 스토크스 수(704)가 증가한다. 예를 들어, (원형 노즐 오리피스의 경우) 1:1의 노즐 종횡비에 대한 스토크스 수(704)는 대략 0.24이고, (직사각형 노즐 오리피스의 경우) 10:1의 노즐 종횡비에 대한 스토크스 수(704)는 대략 0.45이다.

도 21 및 도 22를 참조하면, 출구(852)를 갖는 다수의 노즐(850)을 포함하는 분리기(800)가 도시되어 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 노즐은 대략 600 리터/분의 유량으로 부분적으로 개방되어 도시되어 있다.

도 23을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른, 유체 유량(902)에 대한 압력 강하(904)에 미치는 다양한 임팩터 노즐 유형의 영향을 예시하는 그래프(900)가 도시되어 있다. 고정형 임팩터 그래프(906), 하이브리드 그래프(908), 및 덕빌 밸브 그래프(910)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 엔진 수명의 대부분은 낮은 범위(912)에서 소비되고, 마모된 엔진 압력 강하 한계가 914에 도시되어 있다. 항시 개방 오리피스 특징부의 존재는 덕빌 밸브의 선형 압력 강하 응답을 약간의 2차로 이동시키지만, 고정형 임팩터의 순수 2차 응답보다 여전히 더 작다. 압력 강하가 클수록, 분리 효율이 높아진다. 따라서, 덕빌 밸브 그래프(910)는 최고 효율을 예시하고, 하이브리드 그래프(908)는, 고정형 임팩터 그래프(906)보다는 더 높은 효율이지만 덕빌 단독 밸브 그래프(910)보다는 더 낮은 효율을 예시한다.

도 24를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른, 유체 유량(1002)에 대한 효율(1004)에 미치는 다양한 임팩터 노즐 유형의 영향을 예시하는 그래프가 도시되어 있다. 고정형 임팩터 그래프(1006), 제1 덕빌 그래프(1008), 제2 덕빌 그래프(1010), 및 제3 덕빌 그래프(1012)가 도시되어 있다. 예시된 바와 같이, 덕빌 밸브를 사용하는 임팩터는, 피크 유동에서의 유사한 최대 압력 강하 사양으로, 고정형 임팩터의 효율보다 유의미하게 개선된다. 이러한 개선은 엔진이 그의 수명의 대부분을 소비할 더 낮은 유량 범위에서 특히 유의미하다.

다양한 실시예를 기술하기 위해 본 명세서에서의 용어 "예시적인"의 임의의 사용은 그러한 실시예가 가능한 예, 표현, 및/또는 가능한 실시예의 예시를 나타내는 것으로 의도됨에(그리고 그러한 용어는 그러한 실시예가 반드시 뛰어나거나 최상의 예임을 암시하는 것으로 의도되지 않음에) 유의해야 한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합된" 등은 2개의 부재를 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합시키는 것을 의미한다. 그러한 결합은 고정적(예컨대, 영구적)이거나 이동가능(예컨대, 제거가능 또는 해제가능)할 수 있다. 그러한 결합은, 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재가 서로 하나의 단일체로서 일체로 형성되거나 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재가 서로 부착되어 달성될 수 있다.

다양한 예시적인 실시예의 구성 및 배열이 단지 예시적이라는 것에 유의하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 단지 몇 가지 실시예만이 상세히 설명되었지만, 본 발명을 검토하는 당업자는 본 명세서에서 설명되는 요지의 신규한 교시 내용 및 이점으로부터 실질적으로 벗어남이 없이 많은 수정(예컨대, 크기, 치수, 구조, 다양한 요소의 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 배향 등의 변화)이 가능하다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소는 다수의 부품 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치는 역전되거나 달리 변화될 수 있으며, 별개의 요소들 또는 위치들의 특성 또는 개수는 변경되거나 변화될 수 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스(sequence)는 대안적인 실시예에 따라 변화되거나 재순서화될 수 있다. 또한, 특정 실시예로부터의 특징들은 당업자에 의해 이해될 바와 같은 다른 실시예로부터의 특징들과 조합될 수 있다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 예시적인 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열에 있어서 다른 치환, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명은 그의 사상 또는 본질적인 특징으로부터 벗어나지 않고서 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 기재된 실시예는 모든 점에서 단지 예시적인 것으로 그리고 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 전술한 설명에 의해서라기보다는 첨부된 청구범위로 나타낸다. 청구범위의 등가물의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변화는 그의 범주 내에 포함되어야 한다.

Claims (20)

1. 임팩터 분리기(impactor separator)로서,
   기액 스트림을 수용하는 입구 및 가스 스트림을 방출하는 출구를 포함하는 하우징;
   상기 하우징 내에 위치되고 상기 기액 스트림으로부터 액체 입자를 분리하도록 구성되는 충돌 표면; 및
   상기 하우징 내에 위치되고 노즐 조립체 하우징 부분 및 상기 노즐 조립체 하우징 부분을 통해 연장되는 복수의 노즐을 포함하는 노즐 조립체 - 상기 복수의 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 가짐 - 를 포함하고;
   상기 기액 스트림은 상기 노즐 조립체 하우징 부분 내로 들어가고, 상기 노즐 입구를 통해 상기 복수의 노즐 내로 유동하며, 상기 노즐 출구를 통해 상기 복수의 노즐을 빠져나가고, 상기 복수의 노즐은 상기 기액 스트림을 상기 충돌 표면을 향해 가속시키는, 임팩터 분리기.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 노즐은 항시 개방(always-open) 오리피스를 갖는 적어도 하나의 노즐을 포함하는, 임팩터 분리기.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 노즐은 적어도 하나의 제1 노즐 유형 및 적어도 하나의 제2 노즐 유형을 포함하고, 상기 제1 노즐 유형은 덕빌 밸브(duckbill valve)를 포함하는, 임팩터 분리기.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 노즐 유형은 항시 개방 오리피스를 갖는 제2 노즐 출구를 포함하는, 임팩터 분리기.
5. 제4항에 있어서, 상기 항시 개방 오리피스는 형상이 원형인, 임팩터 분리기.
6. 제4항에 있어서, 상기 항시 개방 오리피스는 형상이 난형인, 임팩터 분리기.
7. 제4항에 있어서, 상기 제2 노즐은 상기 노즐 조립체 하우징 부분과 일체로 형성되고, 상기 제2 노즐 출구는 형상이 원형인, 임팩터 분리기.
8. 제1항에 있어서, 상기 노즐 출구는 제1 슬롯 및 제2 슬롯을 포함하고, 상기 제1 슬롯은 상기 제2 슬롯에 실질적으로 수직인, 임팩터 분리기 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 노즐 출구는 상기 노즐 출구의 중심에 형성되는 개구부를 추가로 포함하는, 임팩터 분리기 시스템.
10. 밸브 커버의 일부로서 형성되는 임팩터 분리기로서,
    상기 밸브 커버 내에 위치되고 복수의 노즐을 포함하는 노즐 조립체 - 상기 복수의 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 갖고, 상기 밸브 커버의 저부 부분은 기액 스트림을 수용하는 입구를 포함함 -; 및
    상기 기액 스트림으로부터 액체 입자를 분리하도록 구조화된 충돌 표면을 갖는 충돌 플레이트를 포함하고;
    상기 기액 스트림은 상기 밸브 커버 내로 들어가고, 상기 노즐 입구를 통해 상기 복수의 노즐 내로 유동하며, 상기 노즐 출구를 통해 상기 복수의 노즐을 빠져나가고, 상기 복수의 노즐은 상기 기액 스트림을 상기 충돌 표면을 향해 가속시키는, 임팩터 분리기.
11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 노즐은 항시 개방 오리피스를 갖는 적어도 하나의 노즐을 포함하는, 임팩터 분리기.
12. 제10항에 있어서, 상기 복수의 노즐은 적어도 하나의 제1 노즐 유형 및 적어도 하나의 제2 노즐 유형을 포함하고, 상기 제1 노즐 유형은 덕빌 밸브를 포함하는, 임팩터 분리기.
13. 제12항에 있어서, 상기 제2 노즐 유형은 항시 개방 오리피스를 갖는 제2 노즐 출구를 포함하는, 임팩터 분리기.
14. 제13항에 있어서, 상기 항시 개방 오리피스는 형상이 원형인, 임팩터 분리기.
15. 제13항에 있어서, 상기 항시 개방 오리피스는 형상이 난형인, 임팩터 분리기.
16. 제13항에 있어서, 상기 제2 노즐은 상기 노즐 조립체 하우징 부분과 일체로 형성되고, 상기 제2 노즐 출구는 형상이 원형인, 임팩터 분리기.
17. 제10항에 있어서, 상기 노즐 출구는 제1 슬롯 및 제2 슬롯을 포함하고, 상기 제1 슬롯은 상기 제2 슬롯에 실질적으로 수직하게 연장되는, 임팩터 분리기.
18. 제17항에 있어서, 상기 노즐 출구는 상기 노즐 출구의 중심에 형성되는 개구부를 추가로 포함하는, 임팩터 분리기 시스템.
19. 임팩터 분리기와 함께 사용하기 위한 노즐 조립체로서,
    종축을 갖는 노즐 조립체 하우징 부분; 및
    상기 노즐 조립체 하우징 부분을 통해 연장되는 복수의 노즐 - 상기 복수의 노즐들 각각은 노즐 입구 및 노즐 출구를 가짐 - 을 포함하고;
    상기 복수의 노즐들 중 하나는 상기 종축을 따라 위치되고, 항시 개방 오리피스를 포함하는, 노즐 조립체.
20. 제19항에 있어서, 상기 복수의 노즐 중 상기 하나는 상기 노즐 조립체 하우징 부분과 일체로 형성되는, 노즐 조립체.

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