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KR20120113652A - 다수의 스로트를 갖는 고효율의 유체 오실레이터 - Google Patents

다수의 스로트를 갖는 고효율의 유체 오실레이터 Download PDF

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Publication number
KR20120113652A
KR20120113652A KR1020117023150A KR20117023150A KR20120113652A KR 20120113652 A KR20120113652 A KR 20120113652A KR 1020117023150 A KR1020117023150 A KR 1020117023150A KR 20117023150 A KR20117023150 A KR 20117023150A KR 20120113652 A KR20120113652 A KR 20120113652A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oscillator
splitter
spray
outlet
edge
Prior art date
Application number
KR1020117023150A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101786120B1 (ko
Inventor
쉬리허 거파란
그레고리 러셀
단 스티먼
Original Assignee
보울즈 플루이딕스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=42710155&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR20120113652(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 보울즈 플루이딕스 코포레이션 filed Critical 보울즈 플루이딕스 코포레이션
Publication of KR20120113652A publication Critical patent/KR20120113652A/ko
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Publication of KR101786120B1 publication Critical patent/KR101786120B1/ko

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Abstract

주변의 기체 환경으로 흐르는 액체 분사를 생성하도록, 오실레이터를 통해 흐르는 가압된 액체에 대해 동작하여, 액적의 진동하는 스프레이를 형성하는, 개선된 유체 오실레이터(2)는: 두 부분의 흐름 채널로 제작되는 부재를 포함하며, 제 1 부분은 스프레이의 진동하는 성질을 제공하는 흐름 현상을 상기 부재 내에서 유발시키도록 구성되고, 제 2 부분은 분사를 스프레이 성분으로 분할하도록 사용되는 스플리터(22)를 포함하며, 상기 스프레이 성분의 중앙선은 오실레이터의 중앙선에 대하여 지정된 요 각도 또는 피치 각도를 갖는다.

Description

다수의 스로트를 갖는 고효율의 유체 오실레이터{HIGH EFFICIENCY, MULTIPLE THROAT FLUIDIC OSCILLATOR}
본원은 본 출원인에 의해 2005년 10월 6일에 미국에서 출원되어 출원계속 중인 미국 특허출원번호 11/245,396; 및 2007년 5월 24일에 출원된 미국 특허출원번호 11/805,802의 CIP(continuation-in-part) 출원이다. 상기 선출원에 개시된 내용은 본 명세서의 개시내용과 충돌하지 않는 범위까지 본 명세서에 참조로 도입된다.
본 발명은 유체 조작 프로세스 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유체 오실레이터 및 상기 유체 오실레이터의 동작 효율을 효과적으로 개선시키는 신규한 방법 및 장치에 관한 것이다.
유체 인서트 또는 오실레이터는 주변 공기에 독특한 액체 스프레이를 광범위하게 제공하는 기능으로 잘 알려져 있다. 이러한 스프레이의 독특함은, 일반적인 스프레이 노즐로부터 분사되는 상대적으로 정상상태(steady state)인 흐름과 달리, 상기 스프레이가 진동함으로써 특징이 결정된다는 사실에 기인한다.
본 출원인의 미국 특허번호 4,052,002의 도 5는 전형적인 유체 오실레이터와 달리 진동하는 성질의 스프레이를 도시한다. 이 도면은, 오실레이터에서 주변 공기로 분사되고, 분사의 일반적인 흐름 방향을 향해 가로로 분산되는 액적으로 분열되는, 2차원의 평면 흐름패턴을 갖는 액체 분사 또는 스프레이가 본질적으로 일시적으로 변화하는 일 순간의 모습을 도시한다. 이러한 스프레이 패턴은 스프레이 액적의 정의 가능한 특징(예컨대, 스프레이의 체적 흐름률(volume flow rate), 스프레이의 커버리지 영역(area of coverage) 또는 팬 각도(fan angle), 스프레이의 흐름 방향에 수직한 평면 내에서의 액적의 공간적인 분포와 오실레이터의 배출구 전방으로 다양한 거리에서의 액적의 공간적인 분포, 평균 액적 속도, 액적의 평균 사이즈, 및 액적이 스프레이의 경로에 있는 장애물에 부딪히는 빈도수)에 의해 기술될 수 있다.
유체 인서트는, 일반적으로 플라스틱으로 주조되거나 제작되고, 특별하게 설계된 균일한 깊이의 액체 흐름 채널 또는 유체 회로를 갖는 얇은 사각형 부재로 여겨지며, 상기 액체 흐름 채널 또는 유체 회로는 상부 또는 하부 중 어느 하나가 넓게 제작되고 가끔씩 상부와 하부 둘 모두가 넓게 제작된다. 가압된 액체는 인서트에 유입되고, 인서트로부터 분사된다. 예를 들어, 본 출원인의 미국 특허번호 7,014,131의 도 1에 도시된 유체 인서트(18) 및 하우징(10)을 참조할 수 있다.
이러한 유체 인서트와 함께 사용하기에 적절한 많은 유체 회로가 공지되어 있다. 이들 중 상당수는 일부 공통된 특징을 가지며, 상기 공통된 특징은: (a) 압력을 받으면서 인서트를 통과하는 액체의 이동을 크게 가속시켜, 파워 노즐의 흐름방향을 따라 벽으로부터 분리되어 본질적으로 "자유로운(free)" 파워 노즐의 분사 흐름을 형성하도록 구성되는 적어도 하나의 파워 노즐(여기서, 분사가 "자유롭다"는 것은, 분사가 파워 노즐을 빠져나감에 따라 파워 노즐의 에지에 부착된 측벽에 부착되지 않음을 의미함), (b) 액체가 통과하고, 인서트로부터 분사되는 스프레이가 진동하는 성질을 갖게 되도록 흐름 현상(예컨대, 챔버 내에 나란히 위치한 지점에서 일어나는 간헐적이고 교번하는(alternating) 소용돌이)이 시작되는 상호작용 챔버, (c) 액체 유입구, (d) 유입구와 파워 노즐(들)을 연결하는 경로, 및 (e) 액체가 인서트로부터 분사되는 하나 또는 그 이상의 배출구 또는 스로트를 포함하며, 다수의 스로트를 갖는 오실레이터의 일 예는 미국 특허번호 4,231,519를 참조할 수 있다.
유체 회로의 예는 본 출원인의 미국 특허번호 3,563,462(Bauer), 4,052,002(stouffere 및 Bray), 4,151,955(Stouffer), 4,157,161(Bauer), 4,231,519(Stouffer)(RE 33,158로 재등록됨), 4,508,267(Stouffere), 5,035,361(Stouffer), 5,213,269(Srinath), 5,971,301(Stouffer), 6,186,409(Srinath) 및 6,253,782(Raghu)를 포함한 많은 특허문헌에서 발견될 수 있다.
대부분의 유체 오실레이터 및 유체 회로는 중앙선에 대해 횡 방향으로 대칭되도록 제작된다. 그러나, 유체 오실레이터에 비대칭성이 도입되는 경우가 존재한다. 예를 들어, 요(yaw) 각도 또는 오실레이터로부터 흘러나오는 스프레이의 중앙선에 대해 바깥 방향 또는 횡 방향으로 수평한 꺾임이 구현되도록 요구되는 경우, 오실레이터가 중앙선에 대해 비대칭성을 갖도록 제작되는 것으로 알려져 있다. 이에 대해서는 본 출원인의 미국 특허번호 6,253,782를 참조할 수 있다.
유체 오실레이터가 지속적으로 보다 많은 유형의 산업 응용에 사용됨에 따라, 오실레이터가 보다 나은 동작 효율 및 흐름 성능(예컨대, 보다 높은 평균 배출 속도, 보다 큰 팬 각도 및 보다 균일한 액적의 공간적 분포)을 달성할 수 있도록 오실레이터의 설계를 개선하기 위한 요구가 확인되어 왔다. 예를 들어, 요구되는 팬 각도를 갖는 스프레이를 내도록 지정된 압력에서 동작하는 특정 사이즈의 오실레이터를 위해, 스프레이가 오실레이터의 출구에서 보다 높은 평균 속도를 갖도록 오실레이터를 변형하는 수단이 요구된다.
본 발명에 대한 상세한 설명을 보다 잘 이해하고 인식할 수 있도록 본 발명과 관련된 종래기술이 다소 개략적으로 설명되었다. 이와 관련하여, 본 발명의 목적 및 효과를 살펴보는 것 또한 유익할 것이다.
본 발명은 종래의 유체 오실레이터보다 더 효율적으로 동작할 수 있는 개선된 유체 오실레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 지금까지 종래의 유체 기술로는 달성할 수 없었던 특정 타입의 요구되는 스프레이(예컨대, 보다 높은 평균 배출 속도, 보다 큰 팬 각도 및 보다 균일한 액적의 공간적 분포를 갖는 스프레이)를 제공할 수 있는 유체 오실레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 보다 넓고 보다 요구되는 범위의 바람막이 세척기의 응용에 이상적으로 설계된 개선되고 보다 다용도의 유체 인서트 및 그 인클로저(enclosures)를
제공하는 것을 추가적인 목적으로 한다.
본 발명은 각종 상용화된 세척 응용의 모음을 위해 이상적으로 설계된 개선된 인클로저 및 유체 인서트를 제공하는 것을 추가적인 목적으로 한다.
본 발명은 사용자가 이러한 장치로부터 나오는 스프레이에 의해 젖게 되는 영역의 위치를 보다 잘 설정하고 조작할 수 있도록 하는 그 외 일반적인 유체 오실레이터용 인클로저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 목적 및 효과와 그 외 다른 목적 및 효과는 본 발명이 이어지는 과제의 해결 수단, 도면 및 발명의 상세한 설명을 참조로 보다 잘 이해됨에 따라 용이하게 인정될 것이다.
개선된 유체 오실레이터 및 그 인클로저를 개발하고자 하는 요구가 인식됨에 따라, 본 발명은 일반적으로 전술한 요구를 만족시키고 종래의 장치 및 방법에서 발견되는 문제점을 극복하도록 한다.
본 발명에 따르면, 유체 오실레이터(상기 유체 오실레이터는 유체 오실레이터를 통과하여 흐르는 가압된 액체에 대해 동작하여, 주변 환경으로 액적의 진동하는 스프레이를 생성하며, 상기 스프레이는 팬 각도, 평균 배출 속도 및 액적의 공간적 분포의 균일도와 같은 성질에 의해 특징이 결정됨)는 중앙선, 상호작용 챔버 및 상기 챔버를 통과하는 액체에 진동을 유도하는 수단을 포함하며, 상기 챔버는 흐름 방향으로 연장되는 측벽 및 오실레이터의 중앙선을 향하는 커버리지를 포함하여 오실레이터의 배출구를 형성하며, 상기 유체 오실레이터는: (1) 제 1 및 제 2 에지를 갖는 일반적으로 평평한 표면을 갖는 스플리터로서, 상기 평평한 표면은 일반적으로 상호작용 챔버를 향해 흐름의 역방향을 향하는 스플리터를 포함하고, (2) 배출구는 제 1 및 제 2 에지를 가지며, 각각의 에지는 오실레이터의 중앙선으로부터 횡 방향으로 이격되고 오실렐이터의 중앙선에 일반적으로 수직한 오실레이터 배출구 평면을 정의하고, 제 1 스플리터 에지는 오실레이터의 배출구 평면으로부터 제 1 지정 거리만큼 떨어져 배치되고, 제 2 스플리터 에지는 오실레이터의 배출구 평면으로부터 제 2 지정 거리만큼 떨어져 배치되고, (3) 제 1 스플리터 에지는 배출구의 제 1 에지와 상호작용하여, 배출구를 통해 흐르는 액체의 일부가 제 1 스플리터와 배출구 에지 사이에 흐르는 제 1 스프레이 성분으로 분할되도록 유발하고, 상기 제 1 스프레이 성분은 여기에 정의되고 도입된 오실레이터의 중앙선에 대한 제 1 스플리터 각도를 갖는 중앙선을 가지며, (4) 제 2 스플리터 에지는 배출구의 제 2 에지와 상호작용하여, 배출구를 통해 흐르는 액체의 일부가 제 2 스플리터와 배출구 에지 사이에 흐르는 제 2 스프레이 성분으로 분할되도록 유발하고, 상기 제 2 스프레이 성분은 여기에 정의되고 도입된 오실레이터의 중앙선에 대한 제 2 스플리터 각도를 갖는 중앙선을 가지며, (5) 상기 도입된 스플리터의 요 각도는, 최종적으로 얻게 되는 진동하는 스프레이의 특징적인 성질들 중 적어도 하나가 원하는 값을 갖도록 하기 위해 상기 성질들을 변경하도록 선택된다.
추가적으로, 본 발명은 유체 오실레이터를 위한 인클로저의 형태를 가질 수 있으며, 상기 인클로저는: (1) 내부면 및 외부면을 갖는 몸체를 포함하고, 상기 몸체의 내부면의 일부는 오실레이터의 배출구 경계에 부착되도록 구성되어, 인클로저를 통해 흐르는 액체에 대한 밀폐된 경로를 형성하고, (2) 상기 몸체의 내부면의 일부는 유체의 흐름을 도입된 스플리터 각도를 갖는 스프레이 성분으로 분할하기 위해 사용되는 전술한 스플리터를 제공하도록 구성된다.
따라서, 이어지는 발명의 상세한 설명이 보다 잘 이해되고 인식될 수 있도록 본 발명이 다소 개략적으로 요약되었으며, 요약되지 않은 다른 바람직한 실시예가 있음이 이해된다. 물론, 본 발명의 추가적인 특징이 이하에 기술될 것이며, 상기 특징은 본 발명에 대해 첨부된 청구항의 내용을 형성할 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적이고 바람직한 실시예가 2차원으로 도시된다.
도 2a(사시도) 및 도 2b(수직 단면도)는 본 발명의 바람직한 실시예를, 두 층으로 구성되고(two-tiered) 세 부분으로 구성된(three-part) 스로트 및 상기 스로트 뒤에 별도의 확장 통로를 갖도록 주조되고 특별하게 구성된 전방벽 또는 전방면을 갖는 하우징의 형태로 도시한다. 상측 배출구는 일반적인 범위(60° 내지 120° ) 내의 팬 각도를 갖는 스프레이가 분사하고, 하측 배출구는 두 개의 스프레이 성분들을 분사하며, 상기 두 개의 스프레이 성분은 스플리터에 도입된 스플리터 요 각도로 인해 일반적인 범위보다 상당히 큰 범위(140° 내지 160°)의 전체 팬 각도를 갖는다.
도 3a(수직 단면도) 및 도 3b(도 2에 도시된 두 개의 층으로 구성된 분사기 하우징의 하부 영역의 하측 단면도)는 본 발명의 구조를 갖는 성분으로 구성된 스프레이에 도입되는 스플리터 요 각도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예를 유체 인서트의 형태로 도시하며, 상기 유체 인서트는 하나의 상측 스로트 및 하부의 다운스트림 스플리터로 주조되는 특별하게 구성된 전방벽 및 전방면을 가지며, 상기 다운스트림 스플리터는 두 개의 성분으로 구성된 스프레이를 배출하는 두 개의 효과적인 하부 스로트를 형성하며, 각각의 성분 스프레이는 동일한 스플리터 요 각도를 갖는다.
도 5는 두 개의 효과적인 요잉 스로트를 형성하도록 둥글게 형성된 다운스트림 스플리터를 이용하는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고, 각각의 스로트는 도입된 스플리터 요 각도를 갖는 성분 스프레이를 분사한다. 또한, 업스트림 유체 회로는, 도 1 내지 도 4에 도시된 "이 분사(two-jet)" 또는 "버섯형(mushroom)" 오실레이터와 달리, 소위 "삼 분사 아일랜드(three-jet, island)" 오실레이터의 형태를 갖는 점에서 상이하다.
본 발명의 적어도 일 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 그 적용이 이어지는 발명의 상세한 설명 또는 도면에 설명된 구조 및 구성요소의 배열로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 본 발명은 다른 실시예 및 다양한 방식으로 구현되고 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적으로 해석되지 않아야 할 것이다.
자동차의 바람막이에 사용하기 위한 유체 오실레이터 또는 인서트를 개발하고 제조할 때 직면하는 공통된 문제점은 요구되는 스프레이 특징(예컨대, 400 ml/minute의 흐름률 및 9 psig의 동작 압력, 80 cm 폭만큼의 스프레이 액적의 균일한 커버리지, 분사기 전방으로 약 25 cm 또는 그 이상만큼 이격되어 위치하는 목표 영역)을 부여할 수 있고 허용 가능한 사이즈로 제약되는 하우징에 들어맞을 수 있는 유체 회로를 설계하는 것이다. 이러한 하우징은 눈에 잘 보이는 자동차의 후드 상에 배치되기 때문에, 상기 하우징의 허용 가능한 치수는 종종 심미적인 고려사항(예컨대, 일반적인 허용 가능한 폭은 약 10 내지 12 mm임)으로 요구된다. 이러한 제약은 상기 하우징에 배치된 바람막이 워셔로부터 나오는 스프레이가 비교적 큰 수평 팬 각도 Φ(즉, 스프레이에 의해 젖게 되는 영역의 횡 방향 또는 수평 방향 경계에 의해 정의됨)뿐만 아니라 가급적 높은 배출 속도를 갖도록 하여, 스프레이의 액적이 자동차의 이동 속도에 의해 생성되는 불어오는 바람에 의해 스프레이의 액적 상에 가해지는 공기 항력을 극복할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 예시적이고 바람직한 실시예를 2차원으로 도시한다. 도 1에 도시된 장치는, 주변 환경을 향해 액적의 진동하는 스프레이를 생성하도록 상기 장치를 통해 흐르는 가압된 액체에 대해 동작하는 개선된 유체 오실레이터(2)이다. 최종적으로 생성된 전체 스프레이는 전체 수평 팬 각도(Φ), 평균 배출 속도(VE) 및 액적의 공간적 분포의 균일도와 같은 성질에 의해 특징이 결정된다.
상기 오실레이터(2)는 중앙선(CL) 및 한 쌍의 파워 노즐(4, 6)(즉, 액체에 다운스트림 진동을 유도하는 수단)을 갖는 타입의 오실레이터이며, 각각의 파워 노즐은, 액체가 통과하고, 결과적으로 오실레이터 또는 인서트로부터 나오는 스프레이가 진동하는 성질을 갖도록 하는 흐름 현상(예컨대, 챔버 내에 나란히 위치한 지점에 발생하는 간헐적이고 교번하는 소용돌이)이 시작되는 상호작용 챔버(8)로 "자유로운" 분사를 제공한다.
본 실시예는 한 쌍의 파워 노즐을, 오실레이터의 상호작용 챔버 내에 간헐적이고 교번하는 소용돌이를 생성하기 위한 수단으로 이용하는 유체 회로를 사용하며, 본 발명에 대안적으로 사용될 수 있는 많은 타입의 유체 회로가 존재하고(배경기술 부분 참조), 이들 모두는 본 발명의 상세한 설명의 일부로 간주되어야 한다.
본 발명의 상호작용 챔버는 흐름 방향으로 연장되는 측벽(10, 12) 및 오실레이터의 배출구(14)를 형성하도록 오실레이터의 중앙선을 향하는 커버리지를 갖는다. 상기 배출구는, 오실레이터의 중앙선으로부터 횡 방향으로 이격되고, 오실레이터의 중앙선에 일반적으로 수직한 오실레이터 배출구 평면(20)을 정의하는, 제 1 에지(16) 및 제 2 에지(18)를 갖는 것으로 생각될 수 있다.
이 실시예에서, 신규한 스플리터(22)(이 실시예에서는, 스플리터가 유체의 흐름을 좌우로 수평하게 배향된 스프레이 성분으로 분할하므로, 상기 스플리터는 수평 스플리터임)는 오실레이터 배출구 평면(20)으로부터 흐름 방향으로 짧은 거리만큼 떨어져 배치된다. 상기 스플리터는 오실레이터의 상호작용 챔버(8)를 향해 흐름의 역방향을 향하는 일반적으로 평평한 면(24)을 갖는다. 또한, 스플리터는 외측 제 1 에지(또는 우측 에지)(26) 및 외측 제 2 에지(또는 좌측 에지)(28)를 가지며, 각각의 에지는 오실레이터의 배출구 평면으로부터 흐름 방향으로 지정된 제 1 거리(d1) 또는 제 2 거리(d2)만큼 떨어져 배치된다.
상호작용 챔버의 배출구의 폭 및 스플리터의 폭에 따라, 스플리터의 제 1 에지(26)는 챔버의 제 1 배출구 에지(16)로부터 지정된 거리 또는 폭(w1)만큼 이격되어 배치된다. 상기 에지는 오실레이터를 위한 효과적인 제 1 스로트를 형성하여, 배출구를 통과해 흐르는 액체의 일부가 상기 제 1 스로트로부터 흐르는 제 1(또는 우측) 스프레이 성분으로 분리되도록 유발한다. 유사하게, 상기 오실레이터의 좌측에서, 스플리터의 제 2 에지(28)는 챔버의 제 2 배출구 에지(18)로부터 지정된 거리 또는 폭(w2)만큼 이격되어 오실레이터를 위한 효과적인 제 2 스로트를 형성하고, 배출구를 통과해 흐르는 액체의 나머지 일부가 오실레이터의 제 2 효과적인 스로트로부터 배출되는 제 2(또는 좌측) 스프레이 성분을 형성하도록 유발한다.
넓은 범위의 동작 조건을 위해, 본 발명자는 실험을 통해(스프레이가 지정된 주파수로 진동하므로, 통상의 기술자는 스프레이를 조명하여 외측 경계의 위치를 확인하기 위해 동일한 주파수에서 동작하는 스트로보스코프를 사용할 수 있음) 상기 제 1 스프레이 성분이 스로트의 에지들(16, 26) 사이에서 연장되는 일직선에 수직한 중앙선(CL1)을 가짐을 관찰하였다. 따라서, 본 발명자는, 현재의 배향을 갖도록 상기 스플리터를 사용하면, 스프레이 성분에 효과적으로 제 1 스플리터 (요잉) 각도(γ1)가 도입됨을 관찰하였으며, sinγ1 = d1/w1이다.
유사하게, 도 1의 좌측에서, 본 발명자는, 스로트의 에지들(18, 28) 사이에서 연장되는 일직선에 수직한 중앙선(CL2)을 갖는 제 2 스프레이 성분을 배출하는 효과적인 제 2 스로트를 확인하였으며, 상기 제 2 스프레이 성분은 제 2 스플리터 (요잉) 각도(γ2)를 가지며, sinγ2 = d2/w2이다.
다양한 사이즈의 파워 노즐, 배출구, 스플리터 및 스플리터 배향을 갖는 넓은 범위의 오실레이터를 사용한 실험 결과, 본 발명자는 특정한 스플리터의 위치가 다소 놀랍고 효과적인 스프레이 현상을 제공함을 발견하였다. 예를 들어, 본 발명자는 본 발명의 개선된 오실레이터(즉, "분할 스로트" 오실레이터)가 다음과 같은 사항을 달성할 수 있음을 관찰하였다:
(1) 일반적인 오실레이터에 비해, 동일한 면적비(여기서, 면적비 = TA/PA이고, PA는 파워 노즐(4, 6)의 면적의 합이고, TA는 스플리터에 의해 생성된 효과적인 제 1 및 제 2 스로트의 면적의 합임)에서 보다 큰 전체 수평 팬 각도를 달성할 수 있다. 일반적으로, 오실레이터의 면적비로 오실레이터의 상호작용 챔버(오실레이터 중 가장 넓은 부분)의 요구되는 횡 방향 치수 또는 폭을 결정하고, 자동차 또는 바람막이 워셔 응용에서는 상기 폭을 가급적 작게 만들어 이러한 오실레이터가 오실레이터가 장착되는 자동차 후드의 외관에 미치는 시각적인 부분을 줄여주는 것이 항상 선호되기 때문에, 상기 전체 수평 팬 각도는 중요한 부분이다. 이러한 큰 전체 팬 각도를 달성하기 위해 일반적으로 도입되는 스플리터 요잉 각도는 보통 5° 내지 45°이다.
(2) 보다 높은 오실레이터 배출 속도가 달성된다. 예를 들어, 일반적인 두 개의 파워 노즐을 갖는 버섯형 오실레이터의 경우, 1000 mL/min의 흐름률과 30 psig에서 90°의 팬 각도를 달성하기 위해, 통상의 기술자는 각각 1.08 mm2(PA) 및 1.59 mm2(TA)의 파워 노즐 면적 및 스로트 면적을 갖는 오실레이터를 이용한다. 이러한 흐름률을 스로트의 면적으로 나누면, 10.5 m/s의 평균 배출 속도가 나온다.
반면, 본 발명자는 본 발명의 개선된 오실레이터가 두 가지 방식 중 어느 하나로 상기와 같은 전체 스프레이 각도를 달성할 수 있음을 확인하였다. 상기 오실레이터는 22.5°의 스플리터 요잉 각도를 도입하고, 파워 노즐 및 스로트의 면적이 각각 1.44 mm2 및 1.22 mm2가 되도록 적절하게 사이즈가 결정되고 배향된 스플리터 및 파워 노즐을 이용할 수 있다. 평균 배출 속도는 13.6 m/s로 확인되었고, 이는 종래의 버섯형 오실레이터가 달성한 평균 배출 속도보다 30% 증가한 것이다.
대안적으로, 본 발명은 27.5°의 스플리터 요잉 각도를 도입하고, 파워 노즐 및 스로트의 면적이 각각 1.60 mm2 및 1.07 mm2이 되도록 적절한 사이즈로 결정되고 배향되는 스플리터 및 파워 노즐을 이용하여, 15.6 m/s의 배출 속도를 달성할 수 있으며, 상기 배출 속도는 일반적인 버섯형 오실레이터가 달성한 배출 속도보다 49% 증가한 것이다.
본 실시예에서는, 스프레이 성분들의 내측 에지 또는 경계들 간에 20°의 갭 각도가 있음이 주목된다. 이러한 조건은 액적의 흐름 방향으로의 공간적 분포의 균일도에 일부 차이점을 보이는 전체 스프레이를 배출할 수 있다. 그러나, 이러한 차이점이 수용될 수 있는 경우(예컨대, 자동차가 빠른 속도로 달리는 동안 경험되는 스프레이 억제에 대항하기 위해 높은 배출 속도가 요구되는 바람막이 워셔 응용의 경우), 이러한 스플리터는 높은 오실레이터 배출 속도를 달성하는 매우 효과적인 수단으로 사용될 수 있음이 증명된다.
본 발명에 대한 추가적인 실험에서, 이러한 스플리터가 실제로 상호작용 챔버의 배출구 평면(20)의 전방에 배치될 수 있음이 발견되었다. 이는 스프레이 성분이 오실레이터의 중앙선을 향해 안쪽으로 요잉되고, 관찰되는 갭 각도가 음의 값이어서 스프레이 성분이 흐름 방향으로 흐름에 따라 중첩되는 조건에서 발견될 수 있다.
본 발명에 대한 추가적인 실험은 d1이 d2와 같지 않거나 그리고/또는 w1이 w2와 같지 않은 스플리터를 사용하였다. 이들 실험은 모두, 도입된 요잉 각도가 최종적인 스프레이 성분의 성질에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되는 결과를 나타내었다.
도 1은 오직 하나의 수평 스플리터(즉, 상기 스플리터는 유체의 흐름을 요잉된 우측 및 좌측 스프레이 성분으로 수평하게 분할함)를 사용하는 본 발명을 도시하지만, 본 발명의 범위는, 에지가 오실레이터의 배출구 평면으로부터 흐름 방향으로 세워져, 오실레이터 배출구로부터의 흐름을 두 층으로 구성되고(two-tiered) 피치를 갖는(pitched)(본 명세서에서는 중앙선이 요잉을 형성하도록 수평하게 꺾인 스프레이가 정의되었으므로, 여기서는 "피치" 각도가 도입됨에 따라 중앙선이 수직하게 꺾인 스프레이를 의미함) 수직적인 상측 및 하측 스프레이 성분으로 분할하는 수직 스플리터의 사용을 포함한다. 이러한 스플리터를 조합하여 사용하는 것(즉, 하부 영역에서 수평 스플리터와 함께 수직 스플리터를 사용하는 것)은 셋 이상의 스프레이 성분을 갖는 맞춤식 스프레이를 생성할 수 있게 한다.
대안적으로, 수직 스플리터는 에지가 배출구의 평면에 놓이도록 배향되고, 오실레이터의 배출구에서 흐름이 신규한 두 층으로 구성된 상측 및 하측 스프레이 성분으로 분할되도록 사용될 수 있으며, 스프레이 성분의 중앙선은 오실레이터의 중앙선에 대하여 피치가 형성되지 않는다.
추가적으로, 유체 오실레이터 기술에 익숙한 통상의 기술자는, 유체 오실레이터와 함께 사용되는 하우징 또는 인클로저가, 유체 오실레이터가 도입된 전체 어셈블리의 설계에 있어서 중요한 구성요소임을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 출원인의 미국 특허번호 7,014,131의 도 1에 도시된 하우징(10)의 전방에 장착된 유체 인서트 또는 오실레이터(18)를 참조할 수 있다(주: 다른 실시예에서, 이러한 하우징은 오실레이터의 후방에 장착될 수 있도록 제조될 수 있음).
유체 회로 소자를 갖는 이러한 하우징을 구성하는 방법이 알려져 있고, 본 발명의 스플리터가 다른 타입의 "유체 회로" 소자로 고려될 수 있기 때문에, 본 발명의 실험적인 분석은 이러한 스플리터가 후방에 장착되는 오실레이터를 사용할 수 있도록 하는 하우징으로 제작될 수 있는지 조사하는 것으로 연장되었다.
도 2a 및 도 2b는 각각 배출구로부터 나오는 액체가 흐르는 비교적 큰 업스트림 상호작용 챔버를 위한 상대적으로 큰 배출구(34)로 주조되는 전방부(32)를 갖는 후방 장착식 하우징 또는 인클로저(30)의 형태를 갖는, 본 발명(2)의 바람직한 실시예의 준-사시도 및 단면도를 도시한다. 수직 스플리터(36) 및 수평 스플리터(38)는, 배출구에 대해 흐름 방향으로 배치되어, 스로트(40, 42, 44)를 포함하고 세 개의 스프레이 성분을 배출하는, 두 층으로 구성된 분사기를 효과적으로 형성하도록 사용되며, 각각의 스프레이 성분은 중앙선을 갖는다. 수직 스플리터는, 두 층으로 구성된(상측 스프레이 성분 및 하측 스프레이 성분) 피치를 갖는 배출 스프레이를 생성하고; 하부 층에서 수평 스플리터는 도 1에 대해 설명한 바와 유사하게 우측 및 좌측 스프레이 성분에 대해 수평 요 각도를 도입한다.
도 1에서 설명된 바와 유사하게, 배출구의 에지(46)는 오실레이터의 중앙선에 일반적으로 수직한 오실레이터 배출구 평면(48)을 확인할 수 있도록 한다. 스플리터의 주요면(50, 52)은 일반적으로 상호작용 챔버를 향하는 흐름의 역방향을 향하고, 스플리터의 전방 에지(54, 56)는 배출구 평면에서 흐름 방향으로 지정된 거리만큼 떨어져 배치된다.
도 3a 및 도 3b는 각각 상기 하우징의 수직 단면도 및 수평 단면도이며, 도입된 스플리터 각도를 도시하고, 하부 스로트로부터 꺾여지거나 요잉된 스프레이 성분의 성질을 나타낸다.
상호작용 챔버가 수렴되는 흐름 방향 측벽을 갖지 않는 것을 제외하고, 상기 하우징의 후방에 삽입된 유체 인서트 또는 오실레이터(60)는 다소 일반적인 구성을 갖는다.
도 2a 및 도 2b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 실시예는 구형으로 형성된 부분을 포함하는 외측면을 갖는다. 상기 하우징은 바람막이 워셔 어셈블리의 제 1 하우징에 삽입되는 조절 가능한 볼(ball) 또는 제 2 하우징으로 사용될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예는, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 개선된 유체 인서트 또는 오실레이터(2)이며, 상기 유체 인서트 또는 오실레이터는 도 1에 도시된 예시적인 오실레이터가 두 층으로 구성되고 세 개의 스로트를 구비하도록 형성된 것이다. 도 4a 내지 도 4c의 오실레이터는, 플라스틱으로 주조되거나 제조되고, 이 실시예에서는 더 넓은 상면(즉, 상기 상면은 하면, 측면 또는 이들의 조합일 수 있음)인 제 1 부분을 갖도록 제조되고, 액체가 인서트의 플로어에 있는 유입구(62)로부터 흐르는, 특별하게 설계된 액체 흐름 채널 또는 유체 회로를 갖는 사각형 부재이다. 상기 유체 인서트는 하우징의 캐비티에 삽입되는 타입이며, 상기 하우징의 내벽은 인서트의 측벽 주변에 액체-밀폐식 밀봉을 형성하도록 구성된다.
상기 인서트는 배출구(66), 수직 스플리터(68) 및 수평 스플리터(70)로 주조되는 신규한 전방벽(64)을 갖는다. 상기 스플리터는 유체의 흐름을 세 개의 스로트(72, 74, 76)로 분리한다. 두 개의 파워 노즐(80, 82)은 유체의 흐름을 오실레이터의 상호작용 챔버(84)로 전달한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 도 5에 도시된 개선된 유체 인서트 또는 오실레이터(2)이다. 상기 오실레이터는 또다시 두 개의 효과적으로 요잉된 스로트(88A, 88B)를 형성하기 위해 둥근 형태의 다운스트림 스플리터(86)를 사용하며, 각각의 스로트는 스플리터 요잉 각도를 갖는 스프레이 성분을 배출한다. 업스트림 유체 회로는 소위 "삼-분사(90A, 90B, 90C) 아일랜드(92)" 오실레이터의 형태를 갖는 점에서, 도 1 내지 도 4에 도시된 "이-분사" 또는 "버섯형" 오실레이터와 상이하다.
종래에는 자동차의 바람막이 워셔 장치에서 보다 나은 스프레이 분포를 얻기 위해 종종 "이중 스프레이(double spray)" 인서트 또는 노즐(즉, 하나의 인서트에 두 개의 유체 회로가 구비되어, 하부 회로는 바람막이의 하부를 향해 넓은 패턴으로 유체를 분사하고, 상부 회로는 바람막이의 상부를 향해 좁은 패턴으로 스프레이를 분사함)을 사용하였다. 자동차에서 사용 가능한 유체 흐름 및 압력의 제한은 종종 이들 회로 각각이 하나의 회로 장치보다 더 작은 치수를 갖도록 요구하였다. 그러나, 이러한 작은 오실레이터는 차가운 워셔액과 같은 높은 점성의 유체에 대해서는 작동할 수 없으므로, 이러한 타입의 구조는 성능상 문제점이 있었다.
본 발명은 이중 인서트 하우징에 사용되는 작은 오실레이터와 같이 유체를 분사하기 위해 큰 치수의 인서트 또는 오실레이터(예컨대, 단일 스프레이 응용에 사용될 수 있음)를 사용할 수 있는 효과가 있다(미국 특허번호 6,062,491 참조). 본 발명의 큰 치수의 인서트는 상당히 크게 개선된 스프레이 패턴을 제공하며, 예컨대 피치를 갖고 상측 및 하측 스프레이 성분을 갖는 이층의 스프레이를 형성하기 위해 수직 스플리터를 사용할 수 있거나, 요잉된 우측 및 좌측 스프레이 성분을 형성하기 위해 수평 스플리터를 사용할 수 있다.
전술한 발명의 상세한 설명은 오직 본 발명의 원리를 예시적으로 설명한 것으로 간주된다. 따라서, 본 명세서에 대한 모든 적절한 변형 및 균등물은 이하의 본 발명에 대한 청구항에 기재된 바와 같은 본 발명의 권리범위 내에 포함되도록 간주될 수 있다.

Claims (14)

  1. 주변으로 액적의 진동하는 스프레이를 생성하도록 오실레이터를 통해 흐르는 가압된 액체에 대해 동작하는 개선된 유체 오실레이터에 있어서,
    상기 오실레이터는 중앙선, 상호작용 챔버 및 상기 상호작용 챔버를 통해 흐르는 액체에 진동을 유도하는 수단을 가지며,
    상기 상호작용 챔버는, 액체의 흐름 방향(downstream)으로 연장되고 상기 오실레이터의 중앙선을 향해 수렴하여 상기 오실레이터의 배출구를 형성하는 측벽을 가지며,
    상기 오실레이터는 제 1 에지(26) 및 제 2 에지(28)를 갖는 일반적으로 평평한 표면을 가지는 스플리터(22)를 포함하고, 상기 표면은 상기 상호작용 챔버를 향하는 방향인 일반적으로 액체의 흐름 역방향(upstream)을 향하며,
    상기 오실레이터의 배출구는 제 1 에지(16) 및 제 2 에지(18)를 가지며, 각각의 에지는, 상기 오실레이터의 중앙선으로부터 횡 방향으로 이격되고, 일반적으로 상기 오실레이터의 중앙선에 수직한 오실레이터 배출구 평면(20)을 형성하도록 구성되며,
    상기 스플리터의 제 1 에지(26)는 상기 오실레이터 배출구 평면(20)으로부터 액체의 흐름 방향으로 제 1 지정된 거리(d1)만큼 떨어져 배치되고, 상기 스플리터의 제 2 에지(28)는 상기 오실레이터 배출구 평면(20)으로부터 액체의 흐름 방향으로 제 2 지정된 거리(d2)만큼 떨어져 배치되며,
    상기 스플리터의 제 1 에지(26)는 상기 배출구의 제 1 에지(16)와 상호작용하여, 상기 배출구를 통해 흐르는 액체의 일부가 상기 스플리터의 제 1 에지(26)와 상기 배출구의 제 1 에지(16) 사이에 흐르는 제 1 스프레이 성분으로 분할되도록 유발하고, 상기 제 1 스프레이 성분은 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 제 1 스플리터 각도(γ1)를 갖는 중앙선을 가지며,
    상기 스플리터의 제 2 에지(28)는 상기 배출구의 제 2 에지(18)와 상호작용하여, 상기 배출구를 통해 흐르는 액체의 일부가 상기 스플리터의 제 2 에지(28)와 상기 배출구의 제 2 에지(18) 사이에 흐르는 제 2 스프레이 성분으로 분할되도록 유발하고, 상기 제 2 스프레이 성분은 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 제 2 스플리터 각도(γ2)를 갖는 중앙선을 가지는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스프레이는 팬 각도(φ), 평균 배출 속도 및 액적의 공간적 분포의 균일도를 포함하는 성질에 의해 특징이 결정되고,
    상기 스플리터 각도(γ)는, 상기 진동하는 스프레이의 성질을 변경하여 상기 스프레이의 성질 중 적어도 하나가 요구되는 값을 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스플리터(22)는, 수평 스플리터(38)이고, 상기 액체의 흐름이 요를 갖는(yawed) 우측 및 좌측 스프레이 성분으로 분할되도록 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 배향되는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스플리터(22)는, 수직 스플리터(68)이고, 상기 액체의 흐름이 두 층으로 구성된(two-tiered) 흐름(상기 두 층으로 구성된 흐름은 피치를 갖는(pitched) 상측 및 하측 스프레이 성분을 가짐)으로 분할되도록 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 배향되는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 오실레이터 배출구 평면으로부터 액체의 흐름 방향으로 형성된 상기 스플리터의 에지의 제 1 및 제 2 지정된 거리(d1, d2)는 거의 동일한 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  6. 제 1항에 있어서,
    큰 전체 팬 각도(φ)를 갖는 스프레이를 생성하기 위해, 상기 스플리터 각도(γ)는 5° 내지 45°의 범위인 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 상호작용 챔버를 통해 흐르는 액체에 진동을 유도하는 수단은 파워 노즐(4, 6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  8. 주변으로 액적의 진동하는 스프레이를 생성하도록 오실레이터를 통해 흐르는 가압된 액체에 대해 동작하는 개선된 유체 오실레이터에 있어서,
    상기 오실레이터는 중앙선, 상호작용 챔버 및 상기 상호작용 챔버를 통해 흐르는 액체에 진동을 유도하는 수단을 가지며,
    상기 오실레이터는:
    상기 오실레이터의 배출구(34)를 형성하도록 상기 상호작용 챔버에 부착되는 측벽을 포함하는 내부면을 갖는 오실레이터용 인클로저(30)로서, 상기 배출구는 일반적으로 상기 오실레이터의 중앙선에 수직한 오실레이터 배출구 평면(48)을 형성하도록 구성되는, 인클로저; 및
    상기 인클로저의 내부면에 배치되고, 에지를 갖는 일반적으로 평평한 표면을 가지는 스플리터(22)로서, 상기 스플리터의 표면은 상기 상호작용 챔버를 향하는 방향인 일반적으로 액체의 흐름 역방향을 향하고, 상기 스플리터의 에지(54)는 상기 오실레이터 배출구 평면(48)으로부터 액체의 흐름 방향으로 지정된 거리만큼 떨어져 배치되는, 스플리터를 포함하며,
    상기 스플리터의 에지(54)는 상기 배출구의 에지(46)와 상호작용하여, 상기 배출구를 통해 흐르는 액체를 상기 스플리터의 에지와 상기 배출구의 에지 사이에 흐르는 스프레이 성분으로 분할하며,
    상기 스프레이 성분 각각은, 상기 스플리터의 에지와 상기 배출구의 에지 간의 상대적인 배향으로 인해, 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 스플리터 각도(γ)를 갖는 중앙선을 가지는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 스프레이는 팬 각도(φ), 평균 배출 속도 및 액적의 공간적 분포의 균일도를 포함하는 성질에 의해 특징이 결정되고,
    상기 스플리터 각도(γ)는, 상기 진동하는 스프레이의 성질을 변경하여 상기 스프레이의 성질 중 적어도 하나가 요구되는 값을 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 스플리터(22)는, 수평 스플리터(38)이고, 상기 액체의 흐름이 요를 갖는 우측 및 좌측 스프레이 성분으로 분할되도록 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 배향되는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 스플리터(22)는, 수직 스플리터(68)이고, 상기 액체의 흐름이 두 층으로 구성된 흐름(상기 두 층으로 구성된 흐름은 피치를 갖는 상측 및 하측 스프레이 성분을 가짐)으로 분할되도록 상기 오실레이터의 중앙선에 대하여 배향되는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  12. 제 8항에 있어서,
    큰 전체 팬 각도(φ)를 갖는 스프레이를 생성하기 위해, 상기 스플리터 각도(γ)는 5° 내지 45°의 범위인 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 상호작용 챔버를 통해 흐르는 액체에 진동을 유도하는 수단은 파워 노즐(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
  14. 주변에 액적의 진동하는 스프레이를 생성하도록 오실레이터를 통해 흐르는 가압된 액체에 대해 동작하는 개선된 유체 오실레이터에 있어서,
    상기 오실레이터는 중앙선, 상호작용 챔버 및 상기 상호작용 챔버를 통해 흐르는 액체에 진동을 유도하는 수단을 가지며,
    상기 상호작용 챔버는, 액체의 흐름 방향으로 연장되고 상기 오실레이터의 중앙선을 향해 수렴하여 상기 오실레이터를 위한 배출구(14)를 형성하는 측벽을 가지며, 상기 배출구는 일반적으로 상기 오실레이터의 중앙선에 수직한 오실레이터 배출구 평면(20)을 형성하도록 구성되는 에지(16, 18)를 가지며,
    상기 오실레이터는, 상기 오실레이터 배출구 평면(20) 내에 배치되고 상기 오실레이터의 에지(16, 18)로부터 이격되어 배치되는 수직 스플리터(68)를 포함하고, 상기 스플리터는 상기 오실레이터의 배출구로부터 나오는 액체의 흐름을 두 층으로 구성된 흐름(상기 두 층으로 구성된 흐름은 상측 및 하측 스프레이 성분을 가짐)으로 분할하는 것을 특징으로 하는 개선된 유체 오실레이터.
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