KR930006759B1 - 저압 분무제트장치 - Google Patents

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바누 팔 우데이
에드워드 스니더 랄프
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알레니 루드럼 스틸 코포레이숀
알.케이.피들러
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Abstract

내용 없음.

Description

저압 분무제트장치
제1도는 본 발명에 따른 분무장치의 실시예의 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 분무제트의 단면을 통한 평균분무플럭스(flux)를 장치에서 제트의 거리함수로써 나타낸 곡선을 보인 도면.
제3도는 여러시험용 샘플의 냉각속도에 대한 물 대 공기의 비율과 분무제트 운동량의 효과를 논증하는 일련의 곡선을 보인 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 하우징 12 : 공기유입구
13 : 공기챔바 14 : 노즐
16 : 제1개구부 18 : 챔바
20 : 바닥부 22 : 보어(bore)
24 : 개구부 26 : 제2개구부
28 : 공기-물 혼합노즐 30 : 유입단부
32 : 출구단부
본 발명은 냉각 혹은 급냉용으로 액체와 기체를 혼합하여 사용하는 냉각제트 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 비교적 높은 냉각능력을 구비하면서도 비교적 낮은 가스압력에서 작동될 수 있는 분무냉각제트에 관한 것이다. 많은 형태의 제품 제조와 처리에 있어 가공물을 가열하고 냉각처리하는 것이 필요하며, 특히 연속작업에서 이들 작업이 필요하다. 냉각은 수많은 방법으로 성취된다.
이들 중에는 가공물의 표면에 공급되는 냉각 혹은 급냉 유체제트를 구비함을 포함한다. 냉각 혹은 급냉제트는 기체, 액체 혹은 기체와 액체의 혼합물 사용을 수반한다. 냉각 혹은 급냉제트에 사용하는 것으로 공기와 불활성 가스가 보통 사용되는 기체이고, 물과 기름이 보통 사용되는 액체이다. 이후 용어 사용에서 "공기"는 일반적으로 적당한 모든 기체를 포함하고 뜻하며, "물"은 일반적으로 적당한 모든 액체를 포함하고 의미한다. 소둔로의 출구에서 혹은 연속금속-주조 작업에서와 같은 여러 야금학적 응용에서 냉각 혹은 급냉제트를 만들어 합금 가공물의 표면에 공급하는 것이 필요하다. 이들 작업에서의 냉각과 급냉은 공기 혹은 물의 적용을 수반하며, 좀더 빠른 냉각이 필요한 곳에서는 분무냉각을 사용하는 것으로 알려져 있다. 분무 냉각은 노즐에서 공기와 함께 고속으로 물을 분사함에 의해 분무를 형성하는 고압공기를 사용함을 수반한다. 분무제트 냉각압력은 제트의 운동량과 제트를 포함하는 분무의 공기/물 비율에 의해 결정된다.
종래의 분무제트 시스템에서는 가압된 공기의 에너지 대부분이 분무를 형성하는데 소비되었고 나머지 에너지만이 분무제트 충격을 이루는데 사용되었다. 대표적으로 종래의 노즐설계는 공기와 물이 그의 직각으로 노즐혼합 챔바에 들어가서 공기가 물을 움직이고, 0 혹은 저속에서 제트의 방향의 방출 속도로 가속해야만 하게 구비되어 있다. 여기에서 "압력"이란 용어는 "차압(differential pressures)를 포함하고 의미하며 다른 정의가 없으면 이와 같은 의미로 사용된다.
현재 필요한 것은 10psi(68.95 kPa) 이하의 비교적 저압에서 작동가능한 반면 비교적 고냉각 능력을 구비하는 분무제트 노즐이다.이러한 분무제트 노즐을 구비하는 것이 본 발명의 일차목적이다. 또한 본 발명의 노즐이 일차적으로 수압을 조정함에 의해 필요한 만큼 냉각속도를 변화시키고 다르게 하게 만드는 것도 또다른 목적이다. 또한 분무냉각을 위해 작은 물방울의 형성을 용이하게 하는 설계를 가진 노즐을 구비하는 것도 목적이다.
본 발명에 따르면 분무제트 장치가 입구단부와 출구단부를 가지는 공기-물 혼합노즐을 포함하고, 압력하에 물이 노즐에 들어가고 나가게 하기 위한 제1개구부 및 제2개구부를 가지는 물노즐을 포함하여 구비된다.
상기 물노즐은 제2개구부와 조합하여 제2개구부로부터 물방울 팽창류를 만들어 공기-물 혼합노즐로 보내는 수단을 포함한다. 본 장치는 압력차에서 공기를 공기-물 혼합노즐에 유입시켜 공기-물 혼합노즐에서 물방울의 팽창류를 공기-물의 분무로 변화시키고 이 분무가 공기-물 혼합노즐의 출구에서 제트로 방출되게 하는 수단을 포함한다.
제1도는 본 발명의 분무제트 노즐장치의 한 실시에를 도시하고 있다. 이 장치는 공기유입구(12)와 물노즐(14)를 가진 하우징을 포함하고 상기 물노즐(14)와 공기-물의 냉각 분무제트가 방출되는 공기-물 혼합노즐(28)과 동축으로 배열되어 있다.
본 발명에 따르면 분무제트 장치는 비교적 작은 용량의 공기 공기펌프, 예를 들면 약 3-4psi(20.7-27.6kPa)의 공기펌프가 분당 24.5 표준 입방피트(SCFM), (0.69㎥/min) 정도를 공기공급을 위해 구비하게 되어 있다. 이 경우는 비교적 순한 공기냉각이 필요할 때이다. 부가하여 동일한 공기펌프를 포함하고 있는 동일한 장치 혹은 시스템이 공기-물 분무냉각 제트의 사용이 필요한 좀더 심한 냉각작업을 위해 분당 1.1 갈톤(GPM) 이상의 수류와 함께 적어도 21 SCFM(0.60㎥/min)의 공기를 발생시킨다.
본 발명에 따른면 이것이 분무제트 장치에 의해 얻어지며 이 장치에는 장치로 유입된 물의 에너지가 장치 속에서 빠르게 움직이는 물방울의 팽창 스트림(stream)을 만드는데 사용되고 이 스트림은 공기와 접촉되어 냉각을 위해 필요한 분무제트를 형성한다. 종래의 냉각작업을 위해 공기압을 적어도 10psi(68.95kPa) 통상적으로 20psi(137.9 kPa) 이상 요구하던 종래의 장치와는 반대로, 본 발명은 공기압 3psi 정도만을 사용하여 효과적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 본 발명의 분무제트 장치는 물을 압력에 의해 노즐로 유입시키기 위한 제1개구부를 노즐속에 가지는 물노즐을 포함하고 있다. 제2(물출구) 개구부는 물노즐내에 구비되어 있다. 물방울의 팽창스트림을 만들어서 물노즐로부터 나와 공기-물 혼합노즐로 들어가게 하는 제2개구부와 조합되는 수단이 구비되어 있다. 공기-물 혼합노즐에 압력하의 공기가 유입되어 물방울의 팽창 스트림은 공기-물 분무로 바꾸고 이 분무기 혼합노즐로부터 공기-물 분무의 제트로서 방출되어 금속야금학적 급냉 같은 냉각작업을 위해 사용된다. 물노즐로부터의 물방울 팽창스트림은 물이 압력하에서 유입되는 물노즐내의 하나의 챔바로부터 발생된다. 그리고 물은 상기 챔바로부터 확개된 보어속으로 들어가고 그곳을 통과하여 물출구로 나간다. 상기의 보어는 챔바로부터 물노즐의 출구로 확개되어서 물챔바로부터 가장 가까이에 있는 보어의 개구부는 그 크기 또는 직경이 확개된 보어의 맞은편 단부에서의 제2(물출구) 개구부보다 작도록 된다.
이 구조는 물압력으로 공기-혼합노즐에 들어가는 물방울의 팽창스트림을 만든다. 확개된 보어와 공기-물 혼합노즐은 이격된 상태로 있어서, 물방울의 팽창 스트림이 노즐의 내측표면 접촉으로부터 공기-물 혼합노즐로 들어가는 것이 계속된다. 이 방법에서 물방울 스트림의 에너지는 공기-물 혼합노즐과의 표면접촉에 의해 감소되지 않는다.
제1도에서 도시된 바와 같은 본 발명의 분무제트장치의 실시예는 하우징(10)을 포함하고 그속에 공기유입구(12)를 가지게하여 하우징(10)의 공기챔바(13)에 공기를 공급하게 한다.
대체로 공기챔바(13)은 물노즐(14)의 보어(22)에 인접한 공기-물 혼합노즐(28)의 유입단부(30)의 주변 일부분 혹은 전부 주위에 뻗어 장설되어 공기-물 혼합노즐(28)에 공기를 공급하도록 한다. 또한 하우징(10)은 제1개구부(16)을 가진 물노즐(14)를 포함하고 상기 제1개구부를 통해 물이 챔바(18)로 유입된다. 챔바(18)은 어떤 형상이어도 상관없으나 일반적인 원통형 구조가 좋다.
챔바(18)은 확개된 보어(22)에서 끝이나는 원추형 바닥부분(20)을 가지고 있어 물노즐(14)를 통해 물이 흐르기 좋게 한다. 확개된 보어(22)는 챔바(18)와 연결된 작은 크기 혹은 직경의 개구부(24)와 물노즐(14)의 외부와 통하는 큰 직경 혹은 크기의 제2개개부(26)을 가지고 있다. 보어(22)는 단지 약간의 각도로 약하게 확개되어 물방울의 팽창 스트림을 만들기 용이하게 할 필요가 있다. 대체로 보어(22)의 축에서 측정되었을 때의 확개각θ는 5°이하이다. 좀더 바람직하게는 약3°이다. 확개된 보어(22)의 각과 길이는 이후 설명되는 바와 같이 분무 제트장치의 다른 구조적 요소의 구조와 크기에 종속된다는 것을 알아야 한다.
하우징(10)의 공기-물 혼합노즐(28)은 물노즐(14)와 실질적으로 같은 축으로 배열된다. 대체로 물노즐(14)의 보어(22)는 실질적으로 이들과 같은 축배열이다. 공기-물 혼합노즐(28)은 제1도에 도시된 기다란 원통같이 관상부재 형상이거나 혹은 유입단부(30)에서보다 출구단부(32)에서 작은 크기의 직경을 가지는 기다란 관상부재 형상을 한다. 출구단부(32)에서 직경을 줄이는 것은 테이퍼(taper)식이거나 목부(neck)를 형성하는식등 여러가지 방법으로 제공될 수 있으며 이는 방출흐름과 배출속도를 제어하기 위한 것이다. 공기-물 혼합노즐(28)의 크기와 형상이 충분히 커야 보어(22)로부터 공기-물 혼합노즐(28)로 들어가는 팽창 스트림이 공기-물 혼합노즐(28)의 내측표면과 접촉으로부터 벗어나게 되고 기본적으로 아무런 접촉이 없게 유지되게 된다. 또한 공기-물 혼합노즐의 유입단부(30)도 충분히 커서 공기-물 혼합노즐(28)로의 공기유입이 허용되어야 한다. 대체로 유입단부(30)은 제1도에서 도시된 바와 같이 확대된 확개부(34)를 포함하여 물노즐의(14)의 보어(22)로부터 물방울의 팽창스트림에 인접한 공기-물 혼합노즐로 공기의 거침없는 직접 유입을 허용한다.
제1도의 분무제트 장치의 작동에서 공기는 공기유입구(12)를 통해 공기챔바(13)으로 유입된다. 동시에 물(도시하지 않았음)이 물노즐(14)로 유입되고 특히 제1개구부(16)를 통해 물노즐의 챔바(18)로 유입된다. 압력하의 물은 개구부(24)를 통해 보어(22)로 들어가고 보어의 확개부와 물압력의 조합에 의해 물방울의 팽창스트림으로 바뀌어 제2개구부(26)를 통해 방출되고 공기-물 혼합노즐(28)로 들어간다. 보어(22)의 확개 정도와 물노즐(14)로부터 가장 멀리 떨어진 공기-물 혼합노즐(28)의 출구단부(32)의 거리 및 공기-물 혼합노즐(28) 내부의 직경은 물방울의 팽창스트림이 공기-물 혼합노즐(28)의 내표면에 접촉하지 않도록 조절된다. 물을 따라 공기-물 혼합노즐(28)에 들어오는 공기는 팽창스트림의 물방울들 사이의 공간을 채우고 필요한 분무제트가 발생되도록 한다. 물은 이미 공기-물 혼합노즐(28)에 들어올 때 물방울로 되어있기 때문에 종래의 분무제트가 필요한 분무를 형성하는데 필요했던 압력보다 작은 공기압을 소요한다. 분무제트는 공기-물 혼합노즐(28)에서 방출되고 냉각목적을 위해 작업물의 표면에 뿌려지게 된다.
[실시예 1]
본 발명을 증명하기 위하여 제1도의 분무제트장치가 개구부(24)에서 0.073-인치직경의 보어(22)를 가지는 물노즐(14)로 만들어졌다. 보어(22)의 확개도는 약 3°이었다. 공기-물 혼합노즐(28)의 직경은 0.5 인치이고 유입단부(30)에서 출구단부(32)까지의 길이는 2인치이다. 물노즐(14)와 보어(22)의 출구에 있는 공기-물 혼합노즐(28)은 동축으로 배열되고 약 0.125 인치 이격되어 있다. 분무제트장치는 45psi(310kPa) 압력에서 1.5GPM(5.68×10-3㎥/min)의 유수량과 3psi(20.7kPa) 압력에서 20SCFM(0.57m 3/min)의 공기유량으로 작동되었다.
제1도에서 도시되고 상기에서 설명된 본 발명 실시예에 의해 발생된 분자형태는 원추형상이었다. 본 발명의 논증에서 분당 평방피트에 수갈톤의 물분사 플럭스가 노즐출구로부터 상이한 거리에서 측정되었다. 분사중심부에서의 플럭스는 분무주변에서의 플럭스에 거의 두배였다. 분무횡단면 전체에 걸쳐 기록된 평균 플럭스가 작업물로부터의 노즐 거리에 대한 함수로써 제2도에서 곡선으로 나타내어졌다. 제2도의 곡선은 본발명의 분무제트 장치의 대표적인 형태이다. 이는 본 발명 장치에서는 다른 공기 및 물혼합에 대해서도 비슷한 곡선을 가지는 것으로 밝혀졌다.
[실시예 2]
제1실시예의 본 발명 분무제트의 냉각특성을 논증하기 위해 Type 301 스텐레스강으로 0.08-인치(0.2㎝) 두께의 판으로 된 샘플이 강판온도 1900-900℉(1038-482℃)의 범위에서 9-10인치(22.9-25.4㎝) 거리에서 분무에 의해 냉각되었다. 여러가지 물과 공기유량과 물과 공기의 차압, 그리고 평균온도범위에 대한 평균 열전달효율들에서도 경험된 여러자료가 하기표에 보여졌다.
[표 1]
Figure kpo00001
본 발명의 분무제트장치 시험으로부터 나온 상기표의 자료는 본 발명의 장치가 종래의 장치보다 특히 낮은 공기압을 사용함에도 불구하고 종래의 분무제트 장치에 비교할만하고 또 그보다 일부 나온 성능을 표시하고 있다. 이것은 본 발명의 장치가 단지 10psi(68.95kPa) 보다 낮은 특히 5psi(34.5kPa) 보다 낮은 극히 저압 공기에서 종래의 장치로 만들어지던 냉각능력에 비교될만한 극히 높은 냉각능력의 분무를 발생시킬 수 있음을 논증한다. 분무제트의 냉각 특성은 분무제트에서의 물 대 공기의 체적비와 분무를 발생시킬 수 있음을 논증한다. 분무제트의 냉각 특성은 분무제트에서의 물 대 공기의 체적비와 분무노즐로부터 방출되는 분무제트의 운동량에 의존한다.
제3도는 실시예 1의 샘플의 No. 1,2,3 및 8에 대한 냉각비에 대하여 물 대 고기비의 효과와 분무 제트 운동량의 효과를 설명하는 일련의 곡선을 도시하고 있다.
본 발명의 분무제트 장치에서는 수압이 공기의 유입압에 어떤 영향도 미치지 않는다. 다시 말해서 물방울의 팽창 스트림을 만드는 물의 에너지는 공기압에 무관하다. 또한 다양한 냉각속도가 본 발명에 의해 물을 제어하고 특히 수압을 제어함에 의해 구비될 수 있다.
본 발명 장치에 의해 이러한 냉각속도가 쉽고 경제적으로 수압을 제어함에 의해 구비될 수 있다. 상기의 이러한 수압변화는 종래의 분무제트의 공기 에너지의 1/3정도만 필요하다. 본 발명 장치의 장점은 경제적인 저압 공기로 대량 작업같이 여러 냉각속도에서 비교적 높은 냉각능력을 얻을 필요가 있는 작업에 적당하다는 것이다. 비록 특별하고 선택적인 실시예가 기술되었지만 당해분야의 전문가들이 본 발명의 범위내에서 벗어남이 없이 변형을 만들어낼 수 있다는 것은 당연의 사실이다.

Claims (11)

  1. 공기-물의 분무를 만들어내는 분무제트에 있어서, 유입단부(30)과 출구단부(32)를 가지는 하나의 공기-물 혼합노즐(28) ; 압력하의 물을 유입받는 제1개구부(16), 물을 방출하는 제2개구부(26) 그리고 상기 제2개구부(26)으로부터 물노즐(14)를 나와 상기 공기-물 혼합노즐(28)로 들어가는 물방울 팽창스트림을 만들기 위해 제2개구부(26)과 결합되는 수단을 갖는 물노즐(14) ; 그리고 상기 공기-물 혼합노즐(28)내의 물방울 팽창 스트림을 공기-물 분무로 바꾸어 상기 분무가 제트(jet)로서 공기-물 혼합노즐(28)의 출구단부(32)를 떠나게 하도록, 압력하의 공기를 상기 공기-물 혼합노즐(28)로 유입하기 위한 수단을 포함하는 저압 분무제트장치.
  2. 제1항에 있어서, 물방울 팽창 스트림을 만들기 위해 상기 물노즐(14)의 제2개구부(26)과 협동하는 수단이 상기공기-물 혼합노즐(28)과 실질적으로 같은 축의 배열로 된 저압 분무제트장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 물노즐(14)로부터 물방울 팽창 스트림을 발생시키는 수단과 상기 공기-물 혼합노즐(28)이 혼합노즐의 내측표면에서 물방울의 실질적인 접촉이 일어나지 않도록 배열된 저압 분무제트장치.
  4. 제1항에 있어서, 물방울의 팽창 스트림을 만들기 위해 상기 물노즐(14)의 제2개구부(26)과 결합되는 상기 수단이 제1개구부로부터 압력하의 물이 유입되는 상기 물노즐(14)내의 챔바(18), 그리고 챔바(18)과 통해 있고 이 챔바로부터 상기 제2개구부(26)까지 확개되어 연장된 보어(22)를 포함함을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 확개된 보어(22)과 상기 공기-물 혼합노즐(28)이 이격된 관계로 있고 상기 물노즐(14)를 나와 공기-물 혼합노즐(28)로 들어가는 물방울의 팽창 스트림을 기본적으로 공기-물 혼합노즐(28)의 내측표면과 접촉하지 않도록 되어 있음을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 공기-물 혼합노즐(28)이 상기 물노즐(14)이 확개된 보어(22)에 대하여 축방향의 원통형으로 위치가 정해짐을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 상기 공기-물 혼합노즐(28)의 출구단부(32)가 유입단부(30)보다 직경크기가 작음을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  8. 제1항에 있어서, 압력하의 공기를 상기 공기-물 혼합노즐(28)로 유입시키기 위한 수단이 공기유입을 용이하게 하는 공기-물 혼합노즐의 확개부(34)를 갖는 유입단부(30)를 포함함을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  9. 제1항에 있어서, 압력하의 공기를 상기 공기-물 혼합노즐(28)로 유입시키기 위한 수단이 공기-물 혼합노즐의 주변 공기챔바(13)으로부터 공기유입을 제공하도록 함을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  10. 제1항에 있어서, 공기압이 10psi 이하임을 특징으로 하는 저압 분무제트장치.
  11. 공기-물 분무를 발생시키기 위한 분무제트장치에 있어서, 유입단부(30)과 출구단부(32)를 가지며 유입단부(30)이 공기의 유입을 용이하게 하기 위해 확개되어 있는 공기-물 혼합노즐(28) ; 압력하의 물을 유입받는 제1개개부(16), 물을 방출하는 제2개구부(26), 그리고 상기 제2개구부(26)으로부터 물노즐(14)를 나와 상기 공기-물 혼합노즐(28)의 유입단부(30)으로 들어가는 물방울 팽창 스트림을 만들기 위해 제2개구부(26)과 결합되는 수단을 갖는 물노즐(14)를 포함하고; 물방울 팽창 스트림을 만들기 위한 상기 수단이 전술한 제1개구부(16)으로부터 압력하의 물이 유입되는 상기 물노즐(14)내의 한 챔바(18), 그리고 챔바(18)과 통하고 챔바로부터 제2개구부(26)까지 연장되어 있으며 챔바(18)로부터 제2개구부(26)까지 확개되는 확개된 보어(22)를 포함하며; 물방울 팽창 스트림은 만들기 위한 상기 수단이 상기 공기-물 혼합노즐(28)과 실질적인 같은 축의 배열로 되어있고 이격되어 있어서, 상기 물노즐(14)로부터 나온 물방울 팽창 스트림을 공기-물 혼합노즐(28)의 내측표면과 접촉함이 없이 공기-물 혼합노즐(28)로 들어감이 유지되게 되어 있고; 그리고 상기 공기-물 혼합노즐(28)의 주변으로부터 비교적 낮은 압력하의 공기를 공기-물 혼합노즐(28)로 유입시켜 공기-물 혼합노즐(28)에서의 물방울의 팽창 스트림을 공기-물 분무로 바꾸고 이 분무가 제트(jet)로써 공기-물 혼합노즐(28)의 출구단부(32)를 떠날 수 있게함을 특징으로 한 저압 분무제트장치.
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