KR20240015861A - 공기흡입형 노즐 및 이의 설계 방법 - Google Patents

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이지근
알리투스다프사리 레자
유승화
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전북대학교산학협력단
대한민국(농촌진흥청장)
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Abstract

본 발명은 공기흡입형 노즐 및 이의 설계방법에 관한 것으로, 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 벤투리(Venturi or Jet pump) 부분에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입할 수 있게 하되, 액체가 유입되는 내부 유체 이동로 측으로 외부 공기를 원활하게 유입시킬 수 있게 하고, 외부 공기 흡입시 이물질 유입을 최소화시키며, 낮은 분사압력에 의해서도 공기와 액체가 혼합된 액적이 장축과 단축을 가진 부채 모양으로 고르게 분무되어서 에너지 소모를 줄일 수 있게 한다.

Description

공기흡입형 노즐 및 이의 설계 방법{Air induction nozzle and design method thereof}
본 발명은 공기흡입형 노즐 및 이의 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 벤투리(Venturi or Jet pump) 부분에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입할 수 있게 하되, 액체가 유입되는 내부 유체 이동로 측으로 외부 공기를 원활하게 유입시킬 수 있게 하고, 외부 공기 흡입시 이물질 유입을 최소화시키며, 낮은 분사압력에 의해서도 공기와 액체가 혼합된 액적이 장축과 단축을 가진 부채 모양으로 고르게 분무되어서 에너지 소모를 줄일 수 있도록, 개선된 공기흡입형 노즐 및 이의 설계방법에 관한 것이다.
공기흡입형 노즐은 압력에너지를 이용하여 액체 분무를 형성하는 일반 노즐과 달리, 액체와 공기가 노즐 내부에서 혼합되어 분사함으로써 분무 액적 내부에 미세한 공기방울이 포함되도록 하는 이상유동(Two-phase) 액체 분사 미립화 장치(Atomization device)이다.
공기흡입형 노즐은 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 벤투리(Venturi or Jet pump) 부분에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입하도록 설계되어 있고, 일반 노즐과는 달리 복잡한 구조를 갖고 있으며, 도 1에 나타낸 것과 같이 1)액체 주입부(Liquid supplying part), 2) Venturi part(Jet-pump module), 3) Mixing chamber, 4) Nozzle tip 등으로 구성되어 있다.
공기흡입형 노즐의 작동은 중간 정도의 압력(40 psi, 2.76 bar)으로 공급되는 액체가 단면적이 작은 pre-orifice를 통과할 때 압력에너지가 운동에너지로 변화되는 과정에서 발생하는 벤투리 효과 및 공기-액체 전단작용에 의해 주변의 공기를 별도의 부가장치 없이 스스로 흡입하는 원리를 갖고 있다.
흡입된 공기는 혼합실에서 강한 난류 전단유동에 의해 액체와 혼합되며, nozzle orifice를 통과하는 과정에서 미립화 되어 300~600 ㎛ 이상의 큰 액적에 미소한 공기가 혼합되어 있는 액적을 생성한다.
이러한 공기흡입형 노즐은 별도의 공기 공급 장치에 의해 강제로 공기를 공급하는 감압비등노즐(effervescent nozzle)과 유사한 특성을 보이지만 별도의 공기공급장치가 필요 없기 때문에 사용의 편리성, 장치의 단순화, 비용의 저렴성 측면에서 산업현장에서 각광을 받는 노즐로 인식되고 있고, 공기흡입으로 부가 장치가 필요 없고 비교적 큰 액적(300~600㎛)을 생성하므로 비산을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 농업용 방제기, 화생방용 제독기, 발포 코팅 기기, 차선도색용 기기, 연소기, 반도체 세정장비 등 다양한 산업현장에서 활용될 경우 그 경제적 가치가 매우 클 것으로 예상된다.
그러나 지금까지 개발되어 사용되고 있는 공기흡입형 노즐에 의하면, 외부 공기의 흡입이 원활하지 않고 공기가 내부로 유입된 후 액체와 혼합되는 경우에도 혼합물인 액적이 분무될 때까지의 유동 흐름이 개선되지 않아 산업현장에서 활발하게 활용되지 않고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제1961135호
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 부가장치 없이도 외부 공기의 원활한 유입을 가능하게 하고, 낮은 분사압력에 의해서도 공기와 액체가 혼합된 액적이 고르게 분무되어서 불필요한 에너지 소모를 줄일 수 있게 하는 공기흡입형 노즐을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이물질 유입을 최소화시킬 수 있게 하는 공기흡입형 노즐을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기흡입형 노즐(Air Induction nozzle, AI nozzle) 설계에 필요한 변수들 사이의 상관관계를 수식으로 제안함으로써 공기흡입형 노즐의 주요 성능 변수인 분무각과 액적 크기(Volume median diameter, VMD)를 예측할 수 있게 하는 공기흡입형 노즐의 설계방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 공기흡입형 노즐은, 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 제트 펌핑부에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입한 후 노즐팁부를 통해 액적을 분무시킬 수 있도록 설계된 것으로, 액체가 유입되는 액체 유입부, 그 액체 유입부와 소통되는 통로가 중심에 관통 형성되어 있는 제트 펌핑부, 상기 제트 펌핑부를 통과한 공기와 액체가 혼합되는 믹싱 챔버부 및 상기 믹싱 챔버부를 통과한 액적을 외부로 분무시킬 수 있도록 믹싱 챔버부와 외부를 소통시키는 분무구가 형성되어 있는 노즐팁부를 포함하되, 상기 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로의 직경보다 상기 제트 펌핑부의 중심 통로의 직경이 더 크게 형성되고, 상기 제트 펌핑부의 중심 통로는 상기 공기 우회로의 직경보다 크게 형성된 제1직경부와 상기 믹싱 챔버부 측으로 갈수록 점진적으로 직경이 크게 형성되는 제2직경부를 포함하며, 상기 노즐팁부의 분무구의 입구는 원형 직경으로 형성되고 출구는 구면을 V-커팅하는 것에 의해 형성되어서 초승달 모양을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제트 펌핑부는, 상기 통로가 형성되어 있는 메인 펌핑부와 상기 메인 펌핑부를 감싸는 형태로 형성되고 외부 공기의 유입을 가능하게 하는 공기 유입구가 형성되어 있는 케이싱부를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로는 상기 케이싱부의 공기 유입구보다 상기 액체 유입부 측에 가까운 위치에 형성되어서, 외부 공기의 제트 펌핑부로 향한 경로에 액체가 분사되는 순방향 기류와는 반대 방향인 역방향 경로가 포함되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 포함하는 공기흡입형 노즐 설계의 주요변수를, 상기 액체 유입부에서 액체 유입구의 직경와 공기 우회로의 직경, 상기 제트 펌핑부에서 제1직경부의 직경과 제2직경부의 확산각, 상기 믹싱 챔버부에서의 높이, 상기 노즐팁부에서의 분무구 입구 직경과 V-커팅 각도와 V-커팅 깊이로 결정하고, 상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁의 분무각과 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 1에 기초하여, 상기 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값이 결정되게 하는 것이 바람직하다.
수학식 1
본 발명은 상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁부를 통해 분무된 액적의 크기와 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 2에 기초하여, 상기 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값이 결정되게 하는 것이 바람직하다.
수학식 2
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 공기흡입형 노즐 설계방방법은 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 제트 펌핑부에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입한 후 노즐팁부를 통해 액적을 분무시킬 수 있도록 설계된 공기흡입형 노즐의 설계 방법에 관한 것으로, 상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 포함하는 공기흡입형 노즐 설계의 주요변수를, 상기 액체 유입부에서 액체 유입구의 직경 및 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로의 직경으로 결정하고, 상기 제트 펌핑부에서 상기 공기 우회로의 직경보다 크게 형성된 제1직경부 및 상기 믹싱 챔버부 측으로 갈수록 점진적으로 직경이 크게 형성되는 제2직경부의 확산각으로 결정하며, 상기 믹싱 챔버부에서의 높이, 상기 노즐팁부에서 분무구 입구 직경과 V-커팅 각도와 V-커팅 깊이로 결정하고, 상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁의 분무각과 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 1과 성능 지표 중 다른 하나인 상기 노즐팁부를 통해 분무된 액적의 크기와 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 2 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 주요변수들의 값을 결정하는 것에 의해 상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 설계할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
수학식 1
수학식 2
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공기흡입형 노즐은, 제트 펌핑부의 중심 통로를 상기 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로의 직경보다 더 크게 형성시켜서 외부 공기를 상기 중심 통로 측으로 원활하게 유입될 수 있게 하는 효과와, 제트 펌핑부의 중심 통로를 통과하여 믹싱 챔버부의 내부로 유입되는 공기-액체가 상기 제1직경부와 믹싱 챔버부 사이에 마련된 제2직경부를 통과하는 것에 의해, 충분한 공기의 흡입을 가능하게 함과 동시에 난류 발생을 최소화시켜 유체 유동 흐름을 원활하게 형성할 수 있게 하는 효과와, 분무구의 입구는 원형이고 출구는 초승달 모양이 됨으로써, 액적의 입자가 분무구를 통과하는 과정에서 단축 사이의 공간으로 모이고 장축 사이의 공간을 통해 퍼지도록 구성됨에 따라, 부채 모양의 평편한 분무(flat-fan type spray)를 형성하여 효율적인 액적 분무를 가능하게 하는 효과를 도출한다.
또한, 본 발명에 의한 공기흡입형 노즐 설계방법은, 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 노즐팁의 분무각과 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 1 및 성능 지표 중 다른 하나인 노즐팁부를 통해 분무된 액적의 크기와 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 2에 기초하여, 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값을 결정할 수 있도록 구성됨으로써, 공기흡입형 노즐의 주요 구성인 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 요구되는 성능 지표에 맞게 설계할 수 있게 하고, 기존의 공기흡입형 노즐 설계 방식과는 달리, 모든 설계변수를 동시에 다룰 수 있어서 더욱 쉽게 공기흡입형 노즐을 설계하고 요구되는 성능의 만족 여부를 평가할 수 있는 효과를 도출한다.
도 1은 종래기술에 의한 공기흡입형 노즐을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기흡입형 노즐의 구성을 분리하여 보인 도면.
도 3은 본 발명 일실시예의 사시도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.
도 5는 본 밟명 일실시예에 채용된 노즐팁부의 사시도.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면도.
도 7은 도 6의 A방향에서 보인 도면.
도 8은 도 6의 B방향에서 보인 도면.
도 9는 본 발명 일실시예에 적용된 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 설계된 노즐의 성능 예측값과 실험결과를 비교하여 나타낸 도면.
이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 공기흡입형 노즐을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기흡입형 노즐의 구성을 분리하여 보인 도면이고, 도 3은 본 발명 일실시예의 사시도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이며, 도 5는 본 밟명 일실시예에 채용된 노즐팁부의 사시도이며, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면도이며, 도 7은 도 6의 A방향에서 보인 도면이며, 도 8은 도 6의 B방향에서 보인 도면이다.
도 2 내지 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공기흡입형 노즐은 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 제트 펌핑부(2)에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입한 후 노즐팁부(4)를 통해 액적을 분무시킬 수 있도록 설계된 것으로, 액체 유입부(1)와 제트 펌핑부(2)와 믹싱 챔버부(3)와 노즐팁부(4)를 포함하여 이루어진다.
상기 액체 유입부(1)는 분무대상에 따라 다양한 성분으로 구성되는 액체가 유입되는 부분이고, 상기 제트 펌핑부(2)는 중심에 액체 유입부(1)와 소통되는 통로가 형성되고 있고 외측에 공기 유입구(221)가 형성되어 있어서 공기와 액체가 상기 통로 측으로 유입될 수 있게 하며, 상기 믹싱 챔버부(3)는 상기 제트 펌핑부(2)를 통과한 공기와 액체가 혼합되는 부분이며, 상기 노즐팁부(4)는 믹싱 챔버부(3)와 외부를 소통시키는 분무구가 형성되어 있어서 액적을 외부로 분무시킬 수 있게 한다.
본 발명의 일실시예에 채용된 제트 펌핑부(2)의 중심 통로는, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 액체 유입부(1)와 제트 펌핑부(2) 사이에 형성된 공기 우회로(210)의 직경보다 더 크게 형성되어서, 외부 공기를 상기 중심 통로 측으로 원활하게 유입될 수 있게 한다.
여기서, 상기 공기 우회로(210)의 직경(da; air-orifice diameter)은 공기가 흡입되어 상기 제트 펌핑부(2)의 중심 통로와 연결되는 부분의 직경으로, 너무 크면 과다한 공기가 흡입되고 반대로 너무 작으면 큰 유동 저항에 의해 공기 흡입이 부족하게 된다. 따라서, 노즐에서 요구되는 공기-액체 유량비를 만족하기 위해서는 위 공기 우회로(210)의 직경이 매우 중요하다.
상기 제트 펌핑부(2)의 중심 통로의 직경(dt; throat diameter)은 상기 공기 우회로(210)의 직경(da)보다 약간 큰 직경을 가짐으로써 상기 액체 유입부(1)에서 분사된 액체가 유입됨과 동시에 벤투리 효과 및 주위 공기와의 전단작용으로 부가장치 없이 주위의 공기를 흡입할 수 있게 하는 매우 중요한 설계 변수이다.
상기 중심 통로의 직경(dt)가 적정하기 않으면 공기 흡입량이 변하게 되어 요구되는 공기 대 액체의 비(air to liquid ratio, ALR)를 만족시킬 수 없게 된다.
일반적으로 공기흡입형 노즐의 성능은 공기 대 액체의 비(air to liquid ratio, ALR), 분무각(spray angle) 및 액적크기(VMD) 등으로 평가되는데, 본 실시예에서는 상기 제느 펌핑부의 중심 통로를 공기 우회로(210)보다 큰 직경을 갖도록 구성되어서 공기 대 액체의 비(air to liquid ratio, ALR)를 만족시킬 수 있는 것이다.
그리고, 본 실시예에 채용된 상기 제트 펌핑부(2)의 중심 통로는 도 2 및 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 공기 우회로(210)의 직경보다 크게 형성된 제1직경부(211)와 상기 믹싱 챔버부(3) 측으로 갈수록 점진적으로 직경이 크게 형성되는 제2직경부(212)를 포함한다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예는 상기 제트 펌핑부(2)의 중심 통로를 통과하여 믹싱 챔버부(3)의 내부로 유입되는 액체와 공기가 상기 제1직경부(211)와 믹싱 챔버부(3) 사이에 마련된 제2직경부(212)를 통과하는 것에 의해, 충분한 공기의 흡입을 가능하게 함과 동시에 난류 발생을 최소화시켜 유체 유동 흐름을 원활하게 형성할 수 있게 한다.
여기서, 상기 제2직경부(212)의 확산각(θ;divergence angle)은 제트 펌핑부(2)의 벤투리 작용에 의해 충분한 공기를 흡입한 후 상기 믹싱 챔버부(3) 측으로 공기-액체 혼합물을 분사할 때 충분한 혼합이 이루어지게 하는 설계 변수로, 확산각이 작으면 상기 제1직경부(211)를 통과한 유체의 압력회복이 작아 공기 흡입량이 감소하고 상기 믹싱 챔버부(3) 내에서 공기-액체가 충분한 혼합이 이루어지지 않아 공기함유 액적 생성 비율이 감소하게 된다. 반대로 너무 큰 확산각을 가지면 유동 박리로 인해 압력 회복이 충분하지 않아 공기 흡입량이 감소하고 매우 복잡한 큰 크기의 소용돌이가 혼합실 내에 형성되어 공기-액체가 서로 상분리되는 좋지 않은 영향을 끼치게 된다.
또한, 도 4 및 도 7에 잘 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 상기 노즐팁부(4)의 분무구의 입구(41)는 원형 직경으로 형성되고 출구(42)는 구면을 V-커팅(도 5 및 도 6 참조)하는 것에 의해 형성되어서 초승달 모양을 갖게 된다. 이와 같이 되면, 상기 분무구의 입구(41)는 원형이고 출구(42)는 초승달 모양이 됨으로써, 액적의 입자가 분무구를 통과하는 과정에서 단축(W) 사이의 공간으로 모이고 장축(L) 사이의 공간을 통해 퍼지도록 구성됨에 따라, 부채 모양의 평편한 분무(flat-fan type spray)를 형성하여 효율적인 액적 분무를 가능하게 한다.
여기서, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 분무구 출구(42)의 V-커팅 각도(Vcut; nozzle exit cutting angle는, 공기흡입형 노즐에서 부채 모양의 평편한 분무(flat-fan type spray)를 형성하는데 가장 큰 영향을 끼치는 설계변수이다.
위에서 설명한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 공기흡입형 노즐은, 제트 펌핑부(2)의 중심 통로를 상기 액체 유입부(1)와 제트 펌핑부(2) 사이에 형성된 공기 우회로(210)의 직경보다 더 크게 형성시켜서 외부 공기를 상기 중심 통로 측으로 원활하게 유입될 수 있게 하는 장점과, 제트 펌핑부(2)의 중심 통로를 통과하여 믹싱 챔버부(3)의 내부로 유입되는 공기-액체가 상기 제1직경부(211)와 믹싱 챔버부(3) 사이에 마련된 제2직경부(212)를 통과하는 것에 의해, 충분한 공기의 흡입을 가능하게 함과 동시에 난류 발생을 최소화시켜 유체 유동 흐름을 원활하게 형성할 수 있게 하는 장점과, 분무구의 입구(41)는 원형이고 출구(42)는 초승달 모양이 됨으로써, 액적의 입자가 분무구를 통과하는 과정에서 단축 사이의 공간으로 모이고 장축 사이의 공간을 통해 퍼지도록 구성됨에 따라, 부채 모양의 평편한 분무(flat-fan type spray)를 형성하여 효율적인 액적 분무를 가능하게 하는 장점을 가진다.
본 실시예에 채용된 제트 펌핑부(2)는, 상기 중심 통로가 형성되어 있는 메인 펌핑부(21)와 상기 메인 펌핑부를 감싸는 형태로 형성되고 외부 공기의 유입을 가능하게 하는 공기 유입구(221)가 형성되어 있는 케이싱부(22)를 포함하여 이루어진다.
상기 공기 우회로(210)는 상기 케이싱부(22)의 공기 유입구(221)보다 상기 액체 유입부(1) 측에 가까운 위치에 형성되어서, 외부 공기의 제트 펌핑부(2)로 향한 경로에 액체가 분사되는 순방향 기류와는 반대 방향인 역방향 경로가 포함되게 한다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예는 공기 우회로(210)를 공기 유입구(221)보다 위쪽에 형성되게 함으로써, 외부 공기의 흐름 경로에 아래쪽에서 위쪽으로 향한 역방향 경로가 포함되도록 하여, 먼지와 같은 이물질이 역방향 흐름 경로 상에 머물게 하여 공기 우회로(210) 측으로 유입되는 것을 최소화시킬 수 있게 한다.
이하에서는 도 2 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 공기흡입형 노즐의 설계방법 및 이에 의해 제작된 공기흡입형 노즐에 대해 상세히 설명하기로 한다.
위에서 설명한 설계변수 이외에도 공기흡입형 노즐의 요구되는 성능 목표에 부합되기 위해서는 <표 1> 및 도 2에 도시된 바와 같이, 많은 변수가 동시에 결정되어야 한다. 즉, 한 개의 변수가 변경되면 다른 변수가 연동되어 변경되므로 모든 변수를 동시에 최적화해야 하는 어려움이 있다.
공기흡입형 노즐 주요설계 변수 및 기능 요약
Parameters unit 상세 설명 주요기능
Liquid supply
part		 dp mm Pre-orifice 직경 액체유량 결정
da mm 공기 흡입구 직경 공기유량 결정
Venturi part dt mm 벤투리 출구 직경 흡입압력 결정
div(θ) deg 벤투리 출구 확산각 액체-공기 혼합특성 결정
Mixing chamber H mm 혼합실 높이 액체-공기 혼합특성 결정
Nozzle tip part di mm 노즐 팁 입구 직경 노즐 팁 입구
h Vcut 깊이 분무각 결정
Vcut deg 노즐 출구 cutting 각도 분무각 결정
Performance parameters ALR - 공기 대 액체 비 공기 함유량 결정
α deg 분무각 분무각 결정
D0.5 μm 액적 직경(VMD) 액적 크기 결정
본 실시예는 아래 <표 2>의 범위 내에서 실험을 수행하여 얻은 결과를 이용하여 <표 1>에 나타낸 설계변수 사이의 상관관계에 대한 수학식을 도출하고, 그 수학식에 기초하여 분무각이나 액적의 크기와 같은 공기흡입형 노즐의 성능지표에 맞게 각 변수값을 설정할 수 있도록 구성되었다.
주요 설계 변수의 적용 범위
Parameters Unit Design range Remarks
dp mm 0.5~1.0
da mm 0.4~0.9
dt mm 1.0~1.6
div(θ) deg 0~40
H mm 7.0~17
di mm 1.5~2.5
h 2~3
Vcut deg 15~34
ALR - 0.0002~0.0003 목표값
α deg 32~115 예측값
D0.5 ㎛ 300~600 예측값
즉, 본 실시예는 상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁의 분무각과 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 1에 기초하여, 상기 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값을 결정할 수 있게 하여, 공기흡입형 노즐의 주요 구성인 제트 펌핑부(2), 믹싱 챔버부(3) 및 노즐팁부(4)를 요구되는 성능 지표에 맞게 설계할 수 있는 장점을 가진다. 본 실시예에서 상기 액체 유입부(1), 제트 펌핑부(2), 믹싱 챔버부(3) 및 노즐팁부(4)를 포함하는 공기흡입형 노즐 설계의 주요변수는, 표 1과 같이, 상기 액체 유입부(1)에서 액체 유입구(41)의 직경(dp)와 공기 우회로(210)의 직경(da), 상기 제트 펌핑부(2)에서 제1직경부(211)의 직경(dt)과 제2직경부(212)의 확산각(div), 상기 믹싱 챔버부(3)에서의 높이(H), 상기 노즐팁부(4)에서의 분무구 입구(41) 직경(di)과 V-커팅 각도(Vcut)와 V-커팅 깊이(h)로 결정되었다.
-수학식 1
α=-137.4+129.8dp-1.15da-2.3dt+0.035div-0.9H+23.77di+37.3h+0.06Vcut
(여기서, 각 변수는 표 1에 정의됨)
또한, 본 실시예는 상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁부(4)를 통해 분무된 액적의 크기와 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 2에 기초하여, 상기 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값을 결정할 수 있도록 구성되었다.
-수학식 2
VMD=12.17-452.6dp-43.3da+69.6dt-0.19div+5H+158.5di+95.5h+3.6Vcut
수학식 1은 분무각을 예측할 수 있는 수식으로 표 1에 나타낸 설계 변수에 표 2에 나타낸 범위의 값을 입력하면 계산 결과를 얻을 수 있게 된다. 일반적으로 공기흡입형 노즐의 분무각은 80o~110o 범위이며, 수학식 1을 이용하면 30o~120o 범위의 분무각을 예측할 수 있어 설계의 적절성 여부를 평가할 수 있다.
수학식 2는 액적크기(VMD, Volume median diameter)를 예측할 수 있는 수식으로 표 1에 나타낸 설계 변수에 표 2에 나타낸 범위의 값을 입력하면 예상되는 액적크기(VMD)를 얻을 수 있게 된다. 수학식 2를 이용하면 300~600㎛ 범위의 분무각을 예측할 수 있어 설계의 적절성 여부를 평가할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예는 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 기존의 공기흡입형 노즐 설계 방식과는 달리, 모든 설계변수를 동시에 다룰 수 있어서 더욱 쉽게 공기흡입형 노즐을 설계하고 요구되는 성능의 만족 여부를 평가할 수 있는 장점을 가진다.
도 9는 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 설계된 노즐의 성능 예측값과 실험결과를 비교하여 나타낸 것으로, 분무각 평가에서 나타난 비정상적인 결과를 제외하고 매우 잘 일치하고 있다. 결국 본 실시예는 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 요구되는 ALR를 만족하는 가운데 분무각과 액적 크기를 예측할 수 있게 한다.
이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
1:액체 유입부 2:제트 펌핑부
21:메인 펌핑부 210:공기 우회로
211:제1직경부 212:제2직경부
22:케이싱부 221:공기 유입구
3:믹싱 챔버부 4:노즐팁부
41:입구 42:출구

Claims (5)

  1. 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 제트 펌핑부에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입한 후 노즐팁부를 통해 액적을 분무시킬 수 있도록 설계된 것으로,
    액체가 유입되는 액체 유입부, 그 액체 유입부와 소통되는 통로가 중심에 관통 형성되어 있는 제트 펌핑부, 상기 제트 펌핑부를 통과한 공기와 액체가 혼합되는 믹싱 챔버부 및 상기 믹싱 챔버부를 통과한 액적을 외부로 분무시킬 수 있도록 믹싱 챔버부와 외부를 소통시키는 분무구가 형성되어 있는 노즐팁부를 포함하되,
    상기 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로의 직경보다 상기 제트 펌핑부의 중심 통로의 직경이 더 크게 형성되고,
    상기 제트 펌핑부의 중심 통로는 상기 공기 우회로의 직경보다 크게 형성된 제1직경부와 상기 믹싱 챔버부 측으로 갈수록 점진적으로 직경이 크게 형성되는 제2직경부를 포함하며,
    상기 노즐팁부의 분무구의 입구는 원형 직경으로 형성되고 출구는 구면을 V-커팅하는 것에 의해 형성되어서 초승달 모양을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공기흡입형 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제트 펌핑부는, 상기 통로가 형성되어 있는 메인 펌핑부와 상기 메인 펌핑부를 감싸는 형태로 형성되고 외부 공기의 유입을 가능하게 하는 공기 유입구가 형성되어 있는 케이싱부를 포함하고,
    상기 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로는 상기 케이싱부의 공기 유입구보다 상기 액체 유입부 측에 가까운 위치에 형성되어서, 외부 공기의 제트 펌핑부로 향한 경로에 액체가 분사되는 순방향 기류와는 반대 방향인 역방향 경로가 포함되게 하는 것을 특징으로 하는 공기흡입형 노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 포함하는 공기흡입형 노즐 설계의 주요변수를, 상기 액체 유입부에서 액체 유입구의 직경와 공기 우회로의 직경, 상기 제트 펌핑부에서 제1직경부의 직경과 제2직경부의 확산각, 상기 믹싱 챔버부에서의 높이, 상기 노즐팁부에서의 분무구 입구 직경과 V-커팅 각도와 V-커팅 깊이로 결정하고,
    상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁의 분무각과 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 1에 기초하여, 상기 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값이 결정되는 것을 특징으로 하는 공기흡입형 노즐.
    <수학식 1>
    α=-137.4+129.8dp-1.15da-2.3dt+0.035div-0.9H+23.77di+37.3h+0.06Vcut
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 포함하는 공기흡입형 노즐 설계의 주요변수를, 상기 액체 유입부에서 액체 유입구의 직경와 공기 우회로의 직경, 상기 제트 펌핑부에서 제1직경부의 직경과 제2직경부의 확산각, 상기 믹싱 챔버부에서의 높이, 상기 노즐팁부에서의 분무구 입구 직경과 V-커팅 각도와 V-커팅 깊이로 결정하고,
    상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁부를 통해 분무된 액적의 크기와 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 2에 기초하여, 상기 주요변수들 중 적어도 하나의 변수값이 결정되는 것을 특징으로 하는 공기흡입형 노즐.
    <수학식 2>
    VMD=12.17-452.6dp-43.3da+69.6dt-0.19div+5H+158.5di+95.5h+3.6Vcut
  5. 공기 공급을 위한 부가장치가 필요 없이 노즐 내부에 설치된 제트 펌핑부에서 벤투리 효과(Venturi effect)에 의해 공기를 스스로 흡입한 후 노즐팁부를 통해 액적을 분무시킬 수 있도록 설계된 공기흡입형 노즐의 설계 방법에 관한 것으로,
    상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 포함하는 공기흡입형 노즐 설계의 주요변수를, 상기 액체 유입부에서 액체 유입구의 직경 및 액체 유입부와 제트 펌핑부 사이에 형성된 공기 우회로의 직경으로 결정하고, 상기 제트 펌핑부에서 상기 공기 우회로의 직경보다 크게 형성된 제1직경부 및 상기 믹싱 챔버부 측으로 갈수록 점진적으로 직경이 크게 형성되는 제2직경부의 확산각으로 결정하며, 상기 믹싱 챔버부에서의 높이, 상기 노즐팁부에서 분무구 입구 직경과 V-커팅 각도와 V-커팅 깊이로 결정하고,
    상기 공기흡입형 노즐의 성능 지표 중 하나인 상기 노즐팁의 분무각과 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 1과 성능 지표 중 다른 하나인 상기 노즐팁부를 통해 분무된 액적의 크기와 상기 주요변수들 간의 실험을 통해 확보된 수학식 2 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 주요변수들의 값을 결정하는 것에 의해 상기 액체 유입부, 제트 펌핑부, 믹싱 챔버부 및 노즐팁부를 설계할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 공기흡입형 노즐 설계 방법.
    <수학식 1>
    α=-137.4+129.8dp-1.15da-2.3dt+0.035div-0.9H+23.77di+37.3h+0.06Vcut
    <수학식 2>
    VMD=12.17-452.6dp-43.3da+69.6dt-0.19div+5H+158.5di+95.5h+3.6Vcut
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