KR20230085908A - 가압된 공기 작동식 액체 제어 피스톤을 갖는 액체 분배 시스템 - Google Patents

가압된 공기 작동식 액체 제어 피스톤을 갖는 액체 분배 시스템 Download PDF

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passage
liquid
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토마스 코플린
에드워드 캐믹
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스프레잉 시스템즈 컴파니
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Abstract

모듈식 액체 분배 시스템은, 각각의 모듈이 모듈 본체, 스프레이 노즐, 및 노즐로부터의 액체의 분배를 제어하기 위한 피스톤을 갖는다. 각각의 모듈은, 폐쇄 포지션으로의 더 신속한 복귀 이동을 가능하게 하면서, 개방 포지션으로 피스톤을 이동시켜서, 정밀하게 제어된 작은 액적 크기의 양의 고점성의 액체의 분배를 가능하게 하기 위한 공압 작동식 시스템을 갖는다.

Description

가압된 공기 작동식 액체 제어 피스톤을 갖는 액체 분배 시스템
본 특허 출원은 2020년 9월 9일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/076,001호의 이익을 주장하며, 상기 출원은 인용에 의해 포함된다.
본 발명은 액체 분배 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 제어된 소량의 고점성의 액체를 분배하기 위한 노즐을 갖는 액체 분배 시스템에 관한 것이다.
많은 산업에서, 제어된 소량의 고점성의 액체를 분배할 필요가 있다. 식품 산업에서, 예로서, 피자의 상업적 생산시에, 작은 액적 크기의 양의 소스를 피자 도우 상에 분배하는 것이 요구된다. 소스의 걸쭉한 성질 때문에, 밀접하게 제어된 작은 액체 액적을 원하는 대로 신속하게 분배하는 것은 어렵다. 더욱이, 소스가 노즐 통로를 막을 수 있는 고형물을 포함하는 경우, 유동 통로는 크기가 더 크게 설정되어, 작은 액적의 분배를 제어하는 것을 훨씬 더 어렵게 하고, 종종, 배출 소스가 바람직하지 않게 튀는 것(splattering)을 초래한다. 게다가, 분배 디바이스가 공기 작동식 액체 제어 피스톤을 사용할 때, 피스톤의 신속한 작동은 제어 공기의 압축성에 의해 제한된다. 추가로, 공기 작동식 디바이스가 스프링으로 복귀될 때, 스프링 복귀력은 디바이스를 개방하는 데 사용되는 공기 압력의 힘의 대략 절반까지 제한될 수 있으며, 이는 신속한 피스톤 폐쇄에 저항한다.
본 발명의 목적은, 정밀하게 제어된 작은 액적 크기의 양의 고점성의 액체를 분배하기에 효과적인 스프레이 노즐을 갖는 액체 분배 시스템을 제공하는 것이다.
다른 목적은, 액체가 바람직하지 않게 튀지 않고, 정밀하게 제어된 픽셀 크기의 액적을 신속하게 침착하는 데 효과적인, 위에서 특성화된 바와 같은 액체 분배 시스템을 제공하는 것이다.
추가의 목적은, 스프레이 노즐이, 액체 내의 고형물 내용물로 인한 막힘에 덜 민감한 더 큰 입구 통로로 작동 가능한, 위의 종류의 액체 분배 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 상이한 크기의 정밀하게 제어된 작은 액적을 분배하기 위해 선택적으로 작동될 수 있는 그러한 액체 분배 시스템을 제공하는 것이다.
다른 목적은, 더 신속하게 작동될 수 있는 그러한 액체 분배 시스템을 제공하는 것이다.
추가의 목적은, 복귀 스프링을 갖춘 공기 구동 피스톤을 갖는 그러한 유형의 액체 분배 시스템을 제공하는 것이며, 그 공기 구동 피스톤의 기능은 시스템을 작동시키는 데 사용되는 공기 압력에 덜 저항적이다.
또 다른 목적은, 설계가 비교적 간단하고 경제적인 제조 및 효율적인 사용에 적합한 전술한 유형의 액체 분배 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은, 다음의 상세한 설명을 판독할 때 그리고 도면을 참조할 때 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 모듈식으로 구성된 액체 분배 시스템의 부분 사시도이다.
도 2는 완전히 조립된 액체 분배 시스템의 사시도이다.
도 3은 예시된 액체 분배 시스템의 액체 분배 모듈 중 하나의 수직 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 액체 분배 모듈의 중앙 액체 제어 피스톤 조립체의 확대된 수직 단면도이다.
도 5는 예시된 시스템의 액체 분배 모듈 중 하나의 스프레이 노즐 조립체의 수직 단면의 확대 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 스프레이 노즐 조립체의 수직 단면도이다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 스프레이 노즐 조립체의 분해 사시도이다.
도 8은 각각의 개개의 액체 분배 모듈과 연관된 솔레노이드 제어 밸브의 개략도이다.
본 발명은 다양한 수정 및 대안적인 구성을 허용하지만, 그의 특정의 예시적인 실시예가 도면에 도시되었고, 하기에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하려는 의도가 없으며, 반대로, 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 수정, 대안적인 구성 및 등가물을 포괄하려는 의도가 있음이 이해되어야 한다.
이하, 도면의 도 1 내지 도 3을 보다 구체적으로 참조하면, 본 발명에 따른 예시적인 액체 분배 시스템(10)이 도시된다. 예시된 액체 분배 시스템(10)은, 타이 로드(15) 및 너트(16)에 의해 함께 고정되는, 대향 단부에서 단부 블록(13, 14) 사이에 밀봉식으로 나란히 적층된 관계로 지지 및 보유되는 복수의 개별적인 액체 분배 모듈(12)을 포함하는 모듈식 밸브 매니폴드(11)의 형태이다. 각각의 모듈(12)은, 상류 단부 블록(13)의 액체 입구 포트(23)와 하류 단부 블록(14)의 액체 출구 포트(24) 사이에서 연통하는 공통 액체 공급 통로(22)를 규정하기 위해, 인접한 모듈(12)의 액체 공급 포트(21)와 정렬된 관계로 배치된 액체 공급 포트(21)가 형성된 모듈 노즐 지지체(20)를 포함한다. 따라서, 입구 포트(23)로 지향된 액체는 적층된 모듈(12) 각각을 통해 연통한다.
각각의 예시된 모듈(12)은, 액체 공급 통로(22)와 연통하는 상류측에 상류 액체 입구(31)를 갖는 모듈 노즐 지지체(20)의 하측에 대해 종속적으로 장착된 개개의 스프레이 노즐(30)을 갖는다. 모듈(12)의 공통 액체 공급 통로(22)로부터 스프레이 노즐 입구 입구(31)로의 액체를 제어하기 위해, 피스톤(32)이, 상승된 입구 개방 포지션과 하강된 입구 폐쇄 포지션 사이의 왕복 운동을 위해, 스프레이 노즐 입구(31) 위에서 각각의 모듈 본체(20)에 지지된다.
이 경우에, 각각의 피스톤(32)은, 피스톤(32)의 하류 단부가 스프레이 노즐 입구(31)와 맞물리도록 액체 공급 통로(22)를 통해 연장되는 상태로, 개개의 모듈 본체(20)의 수직 개구(34) 내에 밀봉된 관계로 장착된 캐리어(33)에서 선택적인 상대 이동을 위해 지지된다. 스프레이 노즐 입구(31)를 폐쇄하는 하강된 포지션으로 피스톤(32)을 편향시키기 위해, 복귀 스프링(35)이, 본체 개구(34)의 상부 단부 내에 고정되고 그리고 본체 개구(34)의 상부 단부 내에 나사결합식으로 맞물리는 보유 캡(38)에 의해 보유된 보유 슬리브(37)와 피스톤(32)의 헤드(32a) 사이에서 개재된 관계로, 모듈 본체(20)의 스프링 챔버(36) 내에 배치된다. 이 경우, 보유 슬리브(37)는 도 3 및 도 4에서 가장 잘 묘사된 바와 같이, 복귀 스프링(35) 및 피스톤 헤드(32a)에 대해 하향으로 연장된다. 이 경우, 모듈 본체(20)의 개구(34) 및 스프링 보유 슬리브(37)는, 스프링 보유 슬리브(37)의 원주방향으로 오프셋된 구멍(41)에 의해 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 연통하는 보유 슬리브(37)에 대해 환상 공기 유동 통로(40)를 규정한다(도 3). 캐리어(42)와 피스톤 헤드(32a)의 대향하는 액셀 단부 사이에 밀봉된 피스톤 챔버(42)가 규정된다(도 4).
본 실시예의 중요한 특징에 따르면, 각각의 모듈 본체는, 피스톤을 개방 포지션으로 이동시키는 가압된 공기가 또한 폐쇄로의 피스톤의 신속한 이동을 증강시키도록, 개개의 밸브에 의해 제어되는 가압된 공기 통로 시스템을 갖는다. 예시된 실시예에서, 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이의 각각의 모듈(12)의 피스톤(32)의 작동은, 도 3 및 도 8에 가장 잘 묘사된 바와 같이, 개개의 솔레노이드 밸브(43)에 의해 제어된다. 각각의 모듈 솔레노이드 밸브(43)는, 솔레노이드 장착 블록(44)이 스크류(45)에 의해 개개의 모듈 본체(20)에 대해 밀봉된 관계로 장착되는 상태로, 개개의 모듈 본체(20)에 부착된다. 모듈 본체(20) 각각은, 단부 블록(14)의 시스템 공기 입구 포트(51)와 연통하는 공통 공기 입구 통로를 규정하도록 각각의 인접한 모듈 본체의 공기 공급 포트(50)와 정렬된 공기 공급 포트(50)를 갖는다. 모듈 본체(20) 각각은 추가로, 단부 블록(14)의 시스템 배기 출구 포트(53)와 연통하는 공통 출구 공기 통로를 규정하도록 정렬된 공기 출구 포트(52)를 갖는다. 모듈 본체(20)의 공기 공급 포트(50)는 모듈 본체(20) 및 솔레노이드 장착 블록(44)의 입구 공기 통로(63, 63a)를 통해 솔레노이드 밸브(43)의 공기 입구 포트(55a)에 연통한다. 모듈 본체(20)의 공기 출구 포트(52)는, 출구 통로(60)를 통해 보유 슬리브(37) 주위의 환상 통로(40) 및 보유 슬리브(37) 내의 구멍(41)을 통해 복귀 스프링 챔버(36)와 연통하고, 모듈 본체(20) 및 솔레노이드 장착 블록(44)의 출구 통로(61, 61a)를 통해 솔레노이드 밸브(43)의 배기 포트(55b)와 연통한다. 피스톤 챔버(42)는, 모듈 본체(20) 및 솔레노이드 장착 블록(44)의 작업 통로(62, 62a)를 통해 솔레노이드 제어 밸브(43)의 작업 포트(55c)와 연통한다.
이 경우, 솔레노이드 밸브(43)가 자연 상태 또는 비-통전 상태에 있을 때, 솔레노이드 밸브 포트 공기 입구 포트(55a)에서의 입구 압력은 솔레노이드 밸브 포트(43)(도 8)의 메커니즘(43a) ― 이 경우에는 스템(stem)의 형태 ― 에 의해 차단되어, 모듈 본체(20)의 공기 공급 포트(50)에서의 가압된 공기가 솔레노이드 장착 블록(44) 및 모듈 본체(20)의 통로(62a, 62)를 통해 피스톤 챔버(42)와 연통하는 것을 방지한다. 솔레노이드 밸브(43)가 자연 상태 또는 비-통전 상태에 있을 때, 부가적인 통로 우회는 솔레노이드 밸브(43)의 포트(55c, 55b)를 연결하여, 모듈 본체(20) 및 솔레노이드 장착 블록(44)의 통로(62, 62a), 솔레노이드 장착 블록(44) 및 모듈 본체(20)의 출구 통로(61a, 61), 구멍(41)을 통해 스프링(35)을 통하는 환상 통로(40), 및 출구 통로(60)를 통한 모듈 본체(20)의 출구 포트(52)와 피스톤 챔버(42) 사이의 공기의 연통을 허용한다.
솔레노이드 밸브(43)가 통전될 때, 솔레노이드는 대기로의 포트(55c)의 연결을 제거하고 솔레노이드 밸브 포트(55a, 55c)를 연결하는 배기 포트(55b)를 폐쇄하기 위해 구동 메커니즘(43a)을 전환한다. 그 다음, 모듈 본체(20)의 공기 공급 포트(50)에서의 가압된 공기는 모듈 본체(20) 및 솔레노이드 장착 블록(44)의 통로(63, 63a), 솔레노이드 밸브 포트(55a, 55c) 및 통로(62a, 62)를 통해 압력 챔버(42)와 연통하여, 피스톤(32)의 상향 스트로크를 유발하고, 노즐 입구(31)를 개방하며 복귀 스프링(35)을 압축시킨다. 피스톤 헤드(32a)의 상향 스트로크는 스프링 챔버(36) 내에 포지티브 공기 변위를 부여하여, 약간의 압력 증가를 초래한다. 스프링 공동(36) 내의 압력 증가는 스프링 보유 슬리브(37), 환상 통로(40), 출구 통로(60), 및 공기 출구 포트(52) 내의 구멍(41)을 통해 대기압으로 방출된다(도 3 및 도 4). 노즐 입구(31)는 개방된 상태로 유지되어, 솔레노이드가 통전되는 동안 공통 액체 공급 통로(22)로부터 스프레이 노즐(30)을 통해 대기로의 액체 유동을 허용한다.
솔레노이드 밸브(43)는, 비-통전될 때, 자연 상태로 다시 전환된다. 솔레노이드 포트(55a)에서의 입구 공기 압력은 다시 차단되어, 가압된 공기가 디바이스에 진입하는 것을 방지한다. 피스톤 챔버(42)의 가압된 공기의 급속한 감압은, 피스톤 챔버(42)의 시스템 압력이 해제되어 대기와 평형을 이룸에 따라, 모듈 본체(20) 및 솔레노이드 장착 블록(44)의 통로(62, 62a), 솔레노이드 밸브(43)의 포트(55c 및 55b), 솔레노이드 장착 블록(44) 및 모듈 본체(20)의 출구 통로(61a 및 61), 스프링 챔버(36), 출구 통로(60), 및 출구 포트(52) 내의 상승된 압력의 이동을 야기한다. 환상 통로(40)의 압력 이동은 스프링 보유 슬리브(37)의 구멍(41)을 통해 전달되어, 스프링 챔버(36) 내에 상승된 압력을 야기하고 그리고 스프링 챔버(36) 내의 피스톤 헤드(32a)의 표면 영역에 작용하여, 피스톤 챔버(42)의 감압 압력에 대항하는 복귀 스프링(35)으로부터 일정한 하향력을 보충하고 피스톤(32)을 자연 상태로 복귀시키고 통로(31)를 폐쇄하고 공통 액체 공급 통로(22)로부터의 스프레이 노즐(30)을 통한 액체 유동을 중단시키는 순간적인 하향력을 초래한다. 스프링 챔버(36) 내의 순간적인 압력 증가에 기인하여 피스톤(32)을 자연 상태로 복귀시키는 데 필요한 시간이 상당이 감소한다. 스프링 챔버(36)를 포함하는, 솔레노이드 밸브(43) 하류에 있는 모든 통로 및 공동은 본질적으로, 출구 포트(52)를 통해 대기압으로 복귀하여, 피스톤 헤드(32a)에 가해지는 과도 압력(transient pressure)의 보충력을 효과적으로 제거한다.
솔레노이드(43)를 다시 통전시키는 것에 의한 액체 분배 모듈(12)의 추가의 작동은, 스프링 챔버(36)의 이전 사이클에서 증가된 압력에 의해 영향을 받지 않는데, 이는 증가된 압력이 일시적이고, 대기압으로 신속하게 복귀하여, 증가된 압력이 피스톤(32)의 폐쇄 스트로크에 영향을 미치지 않으면서 피스톤(32)의 개방 스트로크에 대해 원하는 효과를 가질 수 있게 하기 때문이다. 명백한 바와 같이, 솔레노이드 밸브(43)는, 피스톤(32)의 가변 개방 시간이 가변 픽셀 볼륨을 제공하는 상태로, 특정 분배 작동 동안 미리 결정된 속도로 사이클링될 수 있다.
본 실시예의 추가적인 양상에 따르면, 각각의 스프레이 노즐 모듈(12)은, 심지어 액체가 상당한 고형물 내용물을 갖는 경우에도, 피스톤(32)의 사이클링에 부수적으로 고점성의 액체의, 제어된 작은 원형 픽셀 크기의 액적을 분배하도록 작동한다. 이 경우, 특히 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 각각의 스프레이 노즐(30)은 노즐 본체(70), 노즐 시트(71) 및 내부 노즐 코어(72)를 포함한다. 이 예에서, 노즐 시트(71)는, 노즐 본체(70) 내에 노즐 코어(72)를 고정시키기 위해 노즐 본체(70)의 원통형 상류 단부(74) 내에 나사결합식으로 맞물리는 수나사식(externally threaded) 원통형 하류 단부(73)를 갖는다. 노즐 시트(71)의 상류 단부(75)는, 조립체의 상류 단부에 있는 미리 결정된 크기의 액체 입구(31)를 규정한다. 이 예에서, 노즐 코어(72)는 노즐 본체(70) 내의 환상 레지(annular ledge)(79) 상에 위치결정되고 노즐 시트(71)에 의해 제위치에 보유되는 상류 원통형 장착 플랜지(78)를 갖지만, 노즐 본체(70) 내에 노즐 코어(72)를 고정시키기 위해 다른 방법이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
코어(72)의 원통형 장착 플랜지(78)는, 복수의 원주방향으로 이격되고 축방향으로 배향된 액체 오리피스(81)가 형성된 (유체 유동의 방향에 대해) 오목하게 구성된 하류 단부 벽(80)을 갖는다. 이러한 액체 오리피스는, 명백해지는 바와 같이 작은 액적 형태로의 최적의 분배를 위해 제어된 방식으로 액체를 지향시키기 위해, 노즐 코어(72)와 노즐 본체(70) 사이에 규정된 환상으로 구성된 액체 배출 통로와 노즐 시트(71)의 확장 공동(82) 사이에서 연통한다. 예시된 노즐(30)은 다중-부품 조립체를 포함하지만, 대안적으로, 노즐(30)은 일체형(one-piece) 구성 또는 더 적거나 더 많은 조립된 부품을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 실시예의 이러한 양상을 실행할 때, 노즐 코어(72)는 주변 노즐 본체(70)의 내주면과 함께 확장하는 배출 통로(expanding discharge passage)(85) ― 이는 고점성의 배출 액체의 원하는 유속과 일정한 액적 크기를 유지하기 위해 분배된 액체가 빠져나가는 속도를 감소시킴 ― 를 규정하는 눈물방울 형상의 핀틀(teardrop shaped pintle)(83)을 갖는다. 이를 위해, 예시된 핀틀(83)(도 5, 도 6 및 도 7 참조)은 장착 플랜지(78)로부터 중심으로 연장되는 비교적 작은 직경의 상류 단부 섹션(86), 상류 단부에 인접한 반경방향 외측방으로 연장되는 만곡 섹션(87), 및 내측방으로 테이퍼진 비교적 긴 원뿔형 말단 단부 섹션(90)을 포함한다. 언급된 바와 같이, 노즐 본체(70)는, 노즐 본체(70)의 내주면이 코어 섹션(72) 주위에 환상 배출 통로(85)의 외벽을 규정하는 상태로, 일반적으로 중공인 원통형 구성을 갖는다. 배출 통로(85)의 내부 벽은 핀틀(83)의 외부면에 의해 규정된다. 이 경우, 노즐 본체(70)의 내주면은, 노즐 코어(72)의 외측방 만곡 섹션(87)에 대해 주변으로 연장되는 반경방향 외측방 지향 섹션(91), 및 이어서 핀틀(83)의 나머지 길이의 하류로 실질적으로 연장되는 균일한 직경 섹션(84)을 포함한다. 설계는, 환상 배출 통로를 통한 유동이 노즐 본체를 통해 이동하는 동안 점성 액체의 내측방 확장에 영향을 미친다는 점에서 독특하다. 핀틀의 기하학적 구조는, 유동 확장으로 인해 진공이 형성될 수 있는 구조를 제공하면서, 환상 유동 경로의 내경 벽을 규정한다. 확장하는 환상 배출 통로 내에서의 액체의 감속은, 진공을 끌어내고 유동에 저항하는 모세관 힘의 능력 및 표면 장력의 기능이다.
작동 시에, 도 3을 계속 참조하면, 피스톤(32)이 상승 입구 개방 포지션에 있을 때, 액체는 노즐 입구(31)를 통해 노즐 시트(71)의 원통형 하류 단부 내에 규정된 확장 공동(82) 내로 제어된 방식으로 통과하는 것이 허용된다. 노즐 입구(31)를 통과하는 액체는, 확장 공동(82)의 오목한 하류 단부 벽(80)에 의해 규정된 충돌 표면으로 지향된다. 이것은 액체가 확장 공동(82)을 채우는 것을 유발하고, 이어서, 확장 공동으로부터 일련의 원주방향으로 이격된 오리피스(81)를 통해 배출 통로(85) 내로 압출되게 한다. 더욱이, 오리피스(81) 각각의 크기는, 액체 내의 고형물 입자가 막힘 없이 확장 공동(82)으로부터 유체 배출 통로(85)로 유동하는 것을 가능하게 하기 위해, 적어도 노즐 입구(31)만큼 크다. 원주방향으로 이격된 오리피스(81)의 전체 면적은, 오리피스(81)를 통과하는 액체의 속도가 오리피스(81)의 크기 대 노즐 입구(31)의 크기의 비에 반비례하도록, 노즐 입구(31)의 면적보다 더 크다.
보다 구체적으로, 확장 공동(82)의 하류 단부에 있는 원주방향 오리피스(81)는, 노즐 본체(70)의 외측방 지향 벽 섹션(91)과 노즐 코어(72)의 핀틀(83) 사이에 규정된 배출 통로(85)의 입구 섹션(92)과 연통한다. 환상 입구 섹션(92)의 단면적은, 배출 통로의 단면적이 확장됨에 따라 이 구역에서의 유체의 속도가 계속 감소되도록, 섹션이 하류 방향으로 연장됨에 따라 증가될 수 있다. 입구 섹션(92)의 바로 하류에 있는 배출 통로(85)(핀틀(83)의 외부면 및 노즐 본체(70)의 내주면에 의해 다시 규정됨)의 후속 안정화 섹션(93)에서 배출 통로(85)의 단면적의 약간의 감소는, 약간의 압력 증가를 제공할 수 있다. 이러한 압력 증가는, 유체가 일련의 오리피스(81)를 통해 배출 통로(85)의 입구 섹션(92)에 진입하는 것에 의해 야기되는 개별적인 제트 스트림을 제거하는 유동을 안정화시키고 밸런싱하며, 그리고 노즐 본체(70)의 내부 벽 표면을 따르는 균일한 유동을 허용한다. 유체가 안정성을 얻음에 따라, 안정화 섹션(93)의 단면적은 이 구역에 걸쳐 일정하게 유지된다.
안정화 섹션(93)의 하류에서, 액체는, 노즐 본체(70)의 하류 단부에 규정된 노즐 마우스(nozzle mouth)(94)까지 하류로 연장되는, 노즐 코어(72)의 내측방으로 테이퍼진 말단 단부 섹션(90)에 의해 규정된 최종 확장 섹션(95)에 진입한다. 최종 확장 섹션(95)의 점진적인 단면적 증가는, 노즐 본체(70)의 내주면이 일정한 직경으로 유지되면서 말단 단부 섹션(90)에서의 핀틀(83)의 원뿔형 직경 감소를 통해 달성된다. 핀틀(83)은 유체를 안정화시키는 것을 돕고, 단순한 균일한 직경을 갖는 노즐 코어로 달성될 수 있는 것보다 더 큰 액체의 확장을 가능하게 한다. 배출 통로의 내부 벽 표면 및 외부 벽 표면과의 액체의 지속적인 접촉은 액체의 표면 장력의 기능이다.
노즐 마우스(94)에서의 최종 확장 섹션(95)의 단면적은 액체의 출구 속도를 규정하며, 이는 노즐 입구(31)의 면적에 대하여 노즐 마우스(94)에서의 단면적에 반비례한다. 노즐 코어(72)의 말단 단부 섹션(90)은 바람직하게는, 배출 액체 스트림의 외경에 영향을 미치지 않으면서, 노즐 본체(70)의 내주면과 액체의 표면 장력을 깨뜨리는 것을 돕기 위해, 노즐 마우스(94)를 약간 넘어서 연장된다. 일정한 직경의 노즐 본체(70)의 내주면을 갖는 것은, 액체가 노즐을 빠져나갈 때 액체 경계 층의 일관된 직경을 설정하는 것을 돕고, 이는 타겟으로부터 노즐의 거리에 독립적으로 원하는 액적 직경을 유지하는 것을 돕는다.
액체의 속도의 극적인 감소는, 배출 통로(85)의 단면적을 점진적으로 증가시킴으로써 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 배출 통로(85)의 내향 확장은, 노즐 본체(70)의 내주면을 유지하면서, 핀틀(83)의 직경을 점진적으로 감소시킴으로써 달성된다. 이것은, 일관된 스트림 직경을 갖는 배출 액체를 발생시키는 것을 돕는다. 액체의 감소된 속도는, 액체가 튀지 않고 분배될 수 있게 한다. 이것은, 추가로, 더 큰 고형물 내용물을 갖는 액체의 분배를 가능하게 하기 위한 더 큰 노즐 입구 오리피스(31)의 활용을 허용한다. 일단 노즐의 배출 통로가 초기에 점성 유체로 충전되면, 액체의 표면 장력은 노즐(30)을, 노즐 입구(31)의 개방 시에 분배될 준비가 된 액체로 계속 충전시킬 것이다. 액체가 실질적으로 비압축성일 수 있기 때문에, 입구(31)를 통해 노즐(30)에 진입하는 액체 볼륨과 노즐 마우스(94)를 나가는 액체 사이의 정확한 관계가 유지될 수 있다. 50 밀리초와 같은 빠른 속도로 입구 오리피스(31)를 개방 및 폐쇄하기 위해 피스톤(32)을 순환시키는 것은, 감소된 빠져나감 속도로 배출되는 작고 일관된 액체 액적을 발생시키는 것으로 밝혀졌다. 이것은, 배출 액적이 튀지 않고, 노즐로부터 약 2 인치의 타겟과 같은 타겟 상에 침착될 수 있게 한다.
전술한 것으로부터, 분배된 액체가 바람직하지 않게 튀지 않으면서, 정밀하게 제어되는 액적을 분배하기 위해 선택적으로 작동될 수 있는 액체 분배 시스템이 제공된다는 것을 알 수 있다. 시스템은, 액체의 고형물 내용물로 인한 막힘에 덜 민감한 스프레이 노즐을 더 포함한다. 그러나, 액체 분배 시스템 및 그의 액체 스프레이 노즐은 비교적 설계가 간단하고, 경제적인 제조 및 효율적인 사용에 적합하다. 스프레이 노즐이 예시적인 액체 분배 시스템과 함께 도시되고 설명되었지만, 스프레이 노즐은 제어되는 비교적 소량의 액체를 분배하기 위한 다른 응용분야에서 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 스프레이 노즐 조립체로서,
    액체 공급부에 커플링하기 위한 액체 공급 포트(22)를 갖는 노즐 지지체(20) ― 상기 노즐 지지체(20)는 가압된 공기 공급 및 공기 출구 포트(52)에 커플링하기 위한 공기 공급 포트(50)를 더 가짐 ―;
    상기 노즐 지지체(20)에 의해 지지되는 스프레이 노즐(30);
    상기 노즐 지지체(20)의 개구(34)에서의 이동을 위해 지지된 상기 피스톤 헤드(32a)를 갖는 피스톤(32) ― 상기 피스톤(32)의 하류 단부는 상기 스프레이 노즐(30)로의 액체의 유동 그리고 이로부터의 배출을 제어하기 위해 스프레이 노즐 액체 공급 입구(31)와 선택적으로 맞물릴 수 있음 ―; 및
    상기 피스톤(32)을 스프레이 노즐 액체 공급 입구 폐쇄 포지션으로 편향시키기 위해, 상기 피스톤 헤드(32a)의 상류 측 상의 상기 노즐 지지체 개구(34)의 스프링 챔버(36) 내에서 지지되는 복귀 스프링(35)을 포함하고,
    상기 노즐 본체 개구(34)는 상기 스프링 챔버(36) 반대편에서 상기 피스톤 헤드(32a)의 하류 측에 피스톤 챔버(42)를 규정하며;
    상기 노즐 지지체(20)는 제어 밸브(43)와 연통하는 공기 통로 시스템을 갖고,
    상기 제어 밸브(43)는,
    (1) 상기 스프레이 노즐(30)로의 액체의 유동 그리고 이로부터의 배출을 가능하게 하기 위해, 상기 복귀 스프링(35)의 편향력에 대항하여 상기 피스톤(32)을 스프레이 노즐 액체 공급 입구 개방 포지션으로 이동시키기 위해 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하기 위해, 그리고
    (2) 상기 복귀 스프링(35)의 편향력 하에서 상기 피스톤(32)의 상기 스프레이 노즐 액체 공급 입구 폐쇄 포지션으로의 복귀 이동을 용이하게 하기 위해, 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 상기 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하면서, 상기 공기 통로 시스템을 통해 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기의 유동을 방지하기 위해,
    선택적으로 작동 가능한, 스프레이 노즐 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 밸브(43)는 공기 입구 포트(55a), 작업 포트(55c) 및 배기 포트(55b) 및 구동 메커니즘(43a)을 가지며,
    상기 구동 메커니즘은,
    (1) 상기 피스톤(32)을 상기 개방 포지션으로 이동시키기 위해, 상기 밸브 입구 포트(55a) 및 작업 포트(55c)를 통해 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하기 위해 상기 밸브 입구 포트(55a)를 개방하는 제1 포지션과,
    (2) 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 상기 밸브 작업 포트(55c) 및 배기 포트(55b)를 통해 상기 피스톤 챔버(42)로부터 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로의 가압된 공기의 연통을 가능하게 하기 위해 상기 배기 포트(55b)를 개방하면서, 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 제어 밸브 입구 포트(55a)를 통한 가압된 공기의 연통을 차단하기 위해 상기 밸브 입구 포트(55a)를 폐쇄하는 제2 포지션
    사이에서 이동가능한, 스프레이 노즐 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 본체 공기 통로 시스템은, 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 제어 밸브(43)로 가압된 공기를 연통하기 위한 제1 공기 통로(63), 상기 제어 밸브(43)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기를 연통하기 위한 작업 통로(62), 및 상기 제어 밸브(43)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 그리고 이를 통해 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기를 연통하기 위한 출구 공기 통로(61)를 포함하는, 스프레이 노즐 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 밸브(43)는 밸브 메커니즘(43a)을 갖고;
    상기 제어 밸브(43)는,
    (1) 상기 노즐 지지체 공기 출구 통로(61), 스프링 챔버(36) 및 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로의 가압된 공기의 연통을 차단하면서, 상기 복귀 스프링(35)의 힘에 대항하여 상기 피스톤(32)을 상기 개방 포지션으로 이동시키기 위해 상기 노즐 지지체 제1 공기 통로(63) 및 작업 통로(62)를 통해 상기 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로의 가압된 공기의 연통을 가능하게 하는 제1 포지션과,
    (2) 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 작업 통로(62), 출구 공기 통로(61)를 통해 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 상기 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로의 가압된 공기의 연통을 가능하게 하면서, 상기 제1 공기 통로(63)로부터 상기 작업 통로(62)로의 가압된 공기의 연통을 차단하는 제2 포지션
    사이에서 상기 밸브 구동 메커니즘(43a)을 이동시키기 위해 작동 가능한, 스프레이 노즐 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 솔레노이드 밸브인, 스프레이 노즐 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤(32)은 상기 노즐 지지체 개구(34) 내에 밀봉된 관계로 장착된 피스톤 캐리어(33) 내에 지지되며; 그리고 상기 피스톤 캐리어(33) 및 피스톤 헤드(32a)는 상기 노즐 본체 개구(34) 내에서 상기 피스톤 챔버(42)의 한계를 규정하는, 스프레이 노즐 조립체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복귀 스프링(35)은 보유 슬리브(37) 내에 배치되고, 상기 밸브 구동 메커니즘(43)이 상기 제2 포지션에 있을 때, 가압된 공기는 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 보유 슬리브(40)에 대해 그리고 이를 통해 상기 노즐 본체 공기 출구 포트(52)로 연통하는, 스프레이 노즐 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스프레이 노즐 액체 공급 입구는 상기 스프레이 노즐(30)의 상류 단부에 있는 입구(31)인, 스프레이 노즐 조립체.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 밸브(43) 및 스프레이 노즐(30) 중 개개의 것을 각각 갖는 복수의 상기 노즐 지지체를 포함하는, 스프레이 노즐 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 노즐 지지체(20)는, 각각의 노즐 지지체(20)의 상기 액체 공급 포트(22), 공기 공급 포트(50) 및 공기 출구 포트(52)가 복수의 노즐 지지체 중 다른 하나의 개개의 액체 공급 포트(22), 공기 공급 포트(50) 및 공기 출구 포트(52)와 유체 연통하는 상태로, 서로 나란한 관계로 배치되는, 스프레이 노즐 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스프레이 노즐은, 내주면을 규정하는 일반적으로 중공인 원통형 구성을 갖는 노즐 본체; 및 내부 노즐 코어 ― 상기 내부 노즐 코어는 확장 공동의 상류 단부 벽에 인접한 상류 단부 섹션, 상기 상류 단부 섹션에 인접한 반경방향 외측 만곡 섹션, 및 반경방향 내측방으로 테이퍼진 원뿔형 말단 단부 섹션을 갖는 눈물방울 형상의 핀틀(teardrop shaped pintle)을 포함 ― 를 포함하고, 상기 핀틀의 외부 표면과 상기 노즐 시트의 확장 공동과 유체 연통하는 노즐 본체의 내주면 사이에 환상 배출 통로가 규정되는, 스프레이 노즐 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스프레이 노즐은 노즐 시트를 포함하며, 상기 노즐 시트는 상기 액체 공급 입구 및 상기 액체 입구와 유체 연통하는 하류 확장 공동을 가지며, 상기 확장 공동은 하류 단부 벽에서 종결되고, 상기 환상 배출 통로는 상기 확장 공동과 유체 연통하는, 스프레이 노즐 조립체.
  13. 액체 분배 시스템으로서,
    밀봉된 상태로 서로에 대해 나란히 적층된 관계로 지지되는 복수의 개별적인 액체 분배 모듈(12)을 갖는 모듈식 매니폴드를 포함하고,
    상기 모듈(12) 각각은, 모듈 사이에서 연통하는 공통 액체 통로(12)를 규정하기 위해, 인접한 모듈(12) 상에 액체 공급 포트(21)와 정렬된 관계로 배치되는 액체 공급 포트(21)가 형성된 노즐 지지체(20)를 포함하고;
    각각의 모듈의 상기 노즐 지지체(20)는 인접한 모듈의 개개의 공기 공급 포트(50) 및 공기 출구 포트(52)와 연통하는 공기 공급 포트(50) 및 공기 출구 포트(52)를 포함하며;
    상기 모듈(12) 각각은,
    상기 노즐 지지체(20)에 의해 지지되는 스프레이 노즐(30);
    상기 노즐 지지체(20)의 개구(34)에서의 이동을 위해 지지된 상기 피스톤 헤드(32a)를 갖는 피스톤(32) ― 상기 피스톤(32)의 하류 단부는 상기 스프레이 노즐(30)로의 액체의 유동 그리고 이로부터의 배출을 제어하기 위해 스프레이 노즐 액체 공급 입구(31)와 선택적으로 맞물릴 수 있음 ―; 및
    상기 피스톤(32)을 스프레이 노즐 액체 공급 입구 폐쇄 포지션으로 편향시키기 위해, 상기 피스톤 헤드(32a)의 상류 측 상의 상기 노즐 지지체 개구(34)의 스프링 챔버(36) 내에서 지지되는 복귀 스프링(35)을 포함하고,
    상기 노즐 본체 개구(34)는 상기 스프링 챔버(36) 반대편에서 상기 피스톤 헤드(32a)의 하류 측에 피스톤 챔버(42)를 규정하며;
    상기 노즐 지지체(20)는 제어 밸브(43)와 연통하는 공기 통로 시스템을 갖고,
    상기 제어 밸브(43)는,
    (1) 상기 스프레이 노즐(30)로의 액체의 유동 그리고 이로부터의 배출을 가능하게 하기 위해, 상기 복귀 스프링(35)의 편향력에 대항하여 상기 피스톤(32)을 스프레이 노즐 액체 공급 입구 개방 포지션으로 이동시키기 위해 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하기 위해, 그리고
    (2) 상기 복귀 스프링(35)의 편향력 하에서 상기 피스톤(32)의 상기 스프레이 노즐 액체 공급 입구 폐쇄 포지션으로의 복귀 이동을 용이하게 하기 위해, 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 상기 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하면서, 상기 공기 통로 시스템을 통해 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기의 유동을 방지하기 위해,
    선택적으로 작동 가능한, 액체 분배 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 노즐 본체 공기 통로 시스템은, 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 제어 밸브(43)로 가압된 공기를 연통하기 위한 제1 공기 통로(63), 상기 제어 밸브(43)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기를 연통하기 위한 작업 통로(62), 및 상기 제어 밸브(43)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 그리고 이를 통해 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기를 연통하기 위한 출구 공기 통로(61)를 포함하는, 액체 분배 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어 밸브(43)는 밸브 메커니즘(43a)을 갖고;
    상기 제어 밸브(43)는,
    (1) 상기 노즐 지지체 공기 출구 통로(61), 스프링 챔버(36) 및 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로의 가압된 공기의 연통을 차단하면서, 상기 복귀 스프링(35)의 힘에 대항하여 상기 피스톤(32)을 상기 개방 포지션으로 이동시키기 위해 상기 노즐 지지체 제1 공기 통로(63) 및 작업 통로(62)를 통해 상기 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로의 가압된 공기의 연통을 가능하게 하는 제1 포지션과,
    (2) 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 작업 통로(62), 출구 공기 통로(61)를 통해 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 상기 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하면서, 상기 제1 공기 통로(63)로부터 상기 작업 통로(62)로의 가압된 공기의 연통을 차단하는 제2 포지션
    사이에서 상기 밸브 구동 메커니즘(43a)을 이동시키기 위해 작동 가능한, 액체 분배 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 복귀 스프링(35)은 보유 슬리브(37) 내에 배치되고, 상기 밸브 구동 메커니즘(43a)이 상기 제2 포지션에 있을 때, 가압된 공기는 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 보유 슬리브(40)에 대해 그리고 이를 통해 상기 노즐 본체 공기 출구 포트(52)로 연통하는, 액체 분배 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 스프레이 노즐은, 내주면을 규정하는 일반적으로 중공인 원통형 구성을 갖는 노즐 본체; 및 내부 노즐 코어 ― 상기 내부 노즐 코어는 확장 공동의 상류 단부 벽에 인접한 상류 단부 섹션, 상기 상류 단부 섹션에 인접한 반경방향 외측 만곡 섹션, 및 반경방향 내측방으로 테이퍼진 원뿔형 말단 단부 섹션을 갖는 눈물방울 형상 핀틀을 포함 ― 를 포함하고, 상기 핀틀의 외부 표면과 상기 노즐 시트의 확장 공동과 유체 연통하는 노즐 본체의 내주면 사이에 환상 배출 통로가 규정되는, 액체 분배 시스템.
  18. 액체 분배 시스템으로서,
    밀봉된 상태로 서로에 대해 나란히 적층된 관계로 지지되는 복수의 개별적인 액체 분배 모듈을 갖는 모듈식 매니폴드를 포함하고,
    상기 모듈(12) 각각은, 모듈 사이에서 연통하는 공통 액체 통로(12)를 규정하기 위해, 인접한 모듈(12) 상에 액체 공급 포트(21)와 정렬된 관계로 배치되는 액체 공급 포트(21)가 형성된 노즐 지지체(20)를 포함하고;
    각각의 모듈의 상기 노즐 지지체(20)는 인접한 모듈의 개개의 공기 공급 포트(50) 및 공기 출구 포트(52)와 연통하는 공기 공급 포트(50) 및 공기 출구 포트(52)를 포함하며;
    상기 모듈 각각은:
    제어 밸브(43) 및 노즐 본체 통로 시스템을 포함하고, 상기 노즐 본체 통로 시스템은 상기 노즐 지지체 공기 공급 포트(50)로부터 상기 제어 밸브(43)로 가압된 공기를 연통하기 위한 제1 공기 통로(63), 상기 제어 밸브(43)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로 가압된 공기를 연통하기 위한 작업 통로(62), 및 상기 제어 밸브(43)로부터 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기를 연통하기 위한 출구 공기 통로(61)를 포함하며,
    상기 제어 밸브(43)는 밸브 메커니즘(43a)을 갖고;
    상기 제어 밸브(43)는,
    (1) 상기 노즐 지지체 공기 출구 통로(61), 스프링 챔버(36) 및 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로의 가압된 공기의 연통을 차단하면서, 상기 복귀 스프링(35)의 힘에 대항하여 상기 피스톤(32)을 상기 개방 포지션으로 이동시키기 위해 상기 노즐 지지체 제1 공기 통로(63) 및 작업 통로(62)를 통해 상기 공기 공급 포트(50)로부터 상기 피스톤 챔버(42)로의 가압된 공기의 연통을 가능하게 하는 제1 포지션과,
    (2) 상기 피스톤 챔버(42)로부터 상기 작업 통로(62), 출구 공기 통로(61)를 통해 상기 스프링 챔버(36)로 그리고 이를 통해 상기 노즐 지지체 공기 출구 포트(52)로 가압된 공기의 연통을 가능하게 하면서, 상기 제1 공기 통로(63)로부터 상기 작업 통로(62)로의 가압된 공기의 연통을 차단하는 제2 포지션
    사이에서 상기 밸브 구동 메커니즘(43a)을 이동시키기 위해 작동 가능한, 액체 분배 시스템.
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