KR102005607B1 - 정류기 및 유체 노즐 - Google Patents

Abstract

유효 단면적이 크고, 또한, 높은 정류화 성능을 가지는 정류기를 제공한다. 유체를 통과시키는 유체 통로(26)에 배치되는 정류기(10)로서, 유체 통로(26) 내에 배치되고, 유체를 유입되는 유입구(12)와, 유체를 유출하는 유출구(13)와, 유입구(12)와 유출구(13)를 연통하는 연통로(14)를 가지는 본체(11)와, 연통로(14)의 내주부로부터 중심부를 향하여 돌출하여 배치되고, 연통로(14)를 따라서 연장되는 복수의 돌기(15)를 구비하고, 돌기(15)는, 유체의 흐름 방향에서 보아 연통로(14)의 내주부보다 중심부의 폭이 좁은 형상을 이루고 있다.

Description

정류기 및 유체 노즐{STRAIGHTENING DEVICE AND FLUID NOZZLE}

본 발명은, 정류기 및 유체 노즐에 관한 것으로, 특히, 연통로(連通路)의 내주부(內周部)로부터 중심부를 향하여 돌출하는 돌기를 구비한 정류기 및 액체 노즐에 관한 것이다.

분사 노즐로부터 분출하는 고압 액체의 분출류(噴流)는, 예를 들면 기계 부품의 버르 제거 혹은 세정, 디스켈링(descaling), 콘크리트의 박리 등에 이용된다. 특히, 3차원 자유도를 가지는 이동 장치에 노즐을 배치하고, 자동차 부품 등의 기계 부품의 절삭면 주위의 버르를 제거하고, 기계 부품의 나사 구멍에 채워진 절삭 칩(chips)(스크랩(scraps))의 세정을 행하는 장치가 이용되고 있다. 고압 액체는, 주로 플런저 펌프(plunger pump)에 의해서 얻어진다.

고압 액체의 분출류에 의해, 버르 제거, 세정, 디스켈링을 행하는 가공의 효과는, 고압 액체가 가지는 동압(動壓) 밀도, 분출류의 컨버전스, 고압 분출류의 정류성과 유량에 크게 영향을 받는다. 고압 액체의 동압 밀도 및 컨버전스를 높게 유지하기 위해서, 분사 노즐의 도입구에 정류기가 장착되는 경우가 있다(예를 들면 특허문헌 1, 2).

특허문헌 1에 기재된 정류기(캐비테이션(cavitation) 안정기)는, 입구 측에 배치된 통 형상 스트레이트 통로와, 이 통 형상 스트레이트 통로로부터의 분출류를 복수의 평행한 분출류로 나누어서 분사 노즐에 보내는 출구측에 배치된 관통 통로를 구비하고 있다.

특허문헌 2의 정류기는, 원통 형상의 지지 프레임부와, 이 지지 프레임부에 지지된 판 형상의 복수의 정류판을 구비하고 있다.

일본 특허 공보 제4321862호(청구항 1, 도 1) 일본 공개 실용신안 공보 평03-034848호(도 1 ~ 도 4)

그러나, 특허문헌 1에 기재된 정류기를 이용했을 경우에는, 관통 통로에 의해서 정류기의 유효 단면적이 작아지기 때문에, 대유량(大流量)의 분출류를 정류하는 정류기에 적용하기 어렵다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 정류기에서는, 지지 프레임부가 원통 형상이며, 지지 프레임부와 정류판과의 접속 부분이 작기 때문에, 고압 유체에 적용하는 경우에는 지지 프레임부 및 정류판의 지지 강성이 부족하여 충분한 정류 효과를 얻기 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 유효 단면적이 크고, 또한, 높은 정류화 성능을 가지는 정류기를 제공하는 것에 있다.

상기 과제에 비추어서, 본 발명의 정류기는, 유체를 통과시키는 유체 통로에 배치되는 정류기로서, 상기 유체 통로 내에 배치되고, 상기 유체를 유입하는 유입구와, 상기 유체를 유출하는 유출구와, 상기 유입구와 상기 유출구를 연통하는 연통로를 가지는 본체와, 상기 연통로의 내주부로부터 중심부를 향하여 돌출하여 배치되고, 상기 연통로를 따라서 연장되는 복수의 돌기를 구비하고, 상기 돌기는, 상기 유체의 흐름 방향에서 보아 상기 연통로의 내주부보다 중심부의 폭이 좁은 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 상기 돌기는, 상기 연통로의 내주부로부터 중심부를 향하여 돌출하여 배치되어 있기 때문에, 연통로의 단면적을 넓게 확보할 수 있어, 정류기의 유효 단면적이 넓어진다. 이 때문에, 대유량의 유체가 이 정류기를 통과했을 때에도 압력 저하가 적다.

또한, 돌기는, 상기 유체의 흐름 방향에서 보아 상기 연통로의 내주부보다 중심부의 폭이 좁은 형상을 이루고 있기 때문에, 유체의 유속을 지름 방향에 있어서 균일화시킴과 함께 본체 및 돌기의 강성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 고압 유체를 유통시키는 경우에, 정류기가 고압 유체의 돌입(plunge) 또는 차단에 의한 충격력에 견딜 수 있다.

본 발명의 정류기는 바람직하게는, 상기 본체의 외주부가 상기 유체 통로 내에 끼워 맞추어 삽입된다.

이러한 구성에 의하면, 상기 본체의 외주부가 상기 유체 통로 내에 정확한 조립 정밀도로 구비되기 때문에, 강성이 확보되고, 본체에 배치된 복수의 돌기를 정확하게 안정적으로 유체 통로 내에 배치할 수 있다. 그러면, 정류기 자체가 가지는 고강성과 어우러져, 가혹한 사용 조건에서도 우수한 정류 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 정류기에 있어서, 바람직하게는, 상기 돌기는, 상기 유체의 흐름 방향에서 보아 상기 연통로의 내주부측으로부터 중심부를 향함에 따라 서서히 폭이 좁아지는 V자 형상을 이루고 있다.

여기서, V자 형상이란, 돌기의 단면폭이 연통로의 내주부측에서 넓고, 중심부의 돌기 선단측에서 서서히 좁아지는 형상을 말하고, 선단부의 형상이 예각, 사다리꼴 형상, 또는 둥그스름한지를 따지지 않는다.

돌기가 V자 형상을 이루고 있기 때문에, 지름 방향에 있어서의 연통로의 원주 방향의 단면 길이의 변화량이 작다. 이 때문에, 지름 방향의 정류기 내의 유속이 균일해진다. 또한, 정류기 내를 흐르는 유체의 압력에 의해 발생하는, 돌기에 작용하는 내부 응력이 작아지고, 돌기의 강도가 향상한다.

본 발명의 정류기에 있어서, 바람직하게는, 상기 돌기는, 상기 연통로에 대해서 상기 유입구측에 배치되고, 상기 본체는, 상기 유출구측에 상기 돌기가 배치되어 있지 않은 원통부를 구비하고 있다.

이러한 구성에 의하면, 상기 돌기가 유입구측에 배치되고, 상기 유출구 측에 상기 돌기가 배치되지 않은 원통부를 구비하고 있는 것으로, 돌기가 배치된 유입구측으로부터 원통부로 이동할 때에 연통로를 유통하는 유체의 압력이 일단 해방되기 때문에, 흐름 방향에서 보아 연통로에 있어서의 원주 상(둘레 방향)의 유속을 균일화하여 정류 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 정류기는, 상기 유체 통로에 배치된 조임부(restriction)와, 이 조임부에 배치된 분출구를 구비하고, 상기 정류기의 유출구로부터 유출된 유체가 상기 조임부를 통하여 상기 분출구로부터 분출되는 유체 노즐에 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 정류기에 의해서 유속이 균일화된 유체를 상기 유체 통로에 배치된 조임부에 도입하는 것으로, 분출구로부터 분출된 분출류의 난류화(亂流化)를 억제하여 직진성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 관한 정류기는 내구성이 높고, 유효 단면적이 크고, 또한 높은 정류화 성능을 가진다. 본 발명에 관한 유체 노즐은, 분출구로부터 분출된 분출류의 난류화를 억제하여 직진성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 정류기의 제1 실시형태를 나타내는 사시도이며, (a)는 상류측에서 본 사시도, (b)는 하류측에서 본 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태의 정류기를 나타내고, (a)는 종단면도, (b)는 우측면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태의 정류기를 조립한 유체 노즐 조립체의 종단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태의 정류기에 고압 유체가 유입했을 때의 응력 분포도이며, 일부 파단하여 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태의 정류기를 구비하는 유체 노즐로부터 유체를 분출시켰을 때의 분출류의 흐름을 나타내는 정면 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태의 정류기를 구비하는 유체 노즐로부터 유체를 분출시켰을 때의 분출류의 속도 벡터도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태의 정류기를 구비하는 유체 노즐로부터 유체를 분출시켰을 때의 분출류에 있어서의 유선도(流線圖)이다.
도 8은 정류기를 구비하지 않은 유체 노즐로부터 유체를 분출시켰을 때의 분출류의 속도 벡터도이다.
도 9는 정류기를 구비하지 않은 유체 노즐로부터 유체를 분출시켰을 때의 분출류에 있어서의 유선도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태의 정류기를 구비한 유체 노즐을 나타내고, (a)는 종단면도, (b)는 우측면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태의 정류기를 구비한 유체 노즐을 나타내고, (a)는 상류측으로부터 본 사시도, (b)는 하류측으로부터 본 사시도를 나타낸다.

[제1 실시형태]

본 발명의 제1 실시형태의 정류기(10)를 도 1로부터 도 3에 따라서 설명한다.

정류기(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 프레임 바디 형상의 본체(11)와, 프레임 바디의 내부의 공동(空洞)인 연통로(14)와, 연통로(14)의 양단의 개구부인 유입구(12)와 유출구(13)와, 연통로(14)의 내주면으로부터 연통로(14)를 따라서 연장되어 배치되는 돌기(15)를 구비한다.

정류기(10)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 유체 노즐(20)의 유체 통로(26) 내에 배치된다.

유입구(12)에는, 도시하지 않는 공급 유로로부터 유체가 도입되고, 연통로(14)를 통하여 유출구(13)로부터 유체 노즐(20)의 유체 통로(26)에 흐르게 되어 있다.

프레임 바디 형상의 본체(11)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 중공(中空) 원통이다. 본체(11)는 양단에 개구되는 큰 공동을 내부에 가지고 있다. 본체(11)의 외면은 원통면 대신, 육각기둥 등의 다각형이어도 좋고, 원통면의 일부와 평면으로 구성되어도 좋다. 본체(11)의 직경에 비하여, 그 길이는 40% 내지 120% 정도의 비율로 제작된다. 본체(11)는, 외주면이 유체 통로(26)(도 3 참조) 내에 끼워 맞춰서 배치된다.

연통로(14)는 프레임 바디 형상의 본체(11)의 내부 공동이다. 유체 통로(26)(도 3 참조)를 흐르는 유체는, 이 연통로(14) 내를 통과한다. 연통로(14)의 직경은 본체(11)의 직경의 80% 이상인 것이 바람직하다. 본체(11)의 체적의 대부분은 연통로(14)이며, 본체(11)는 프레임 바디 형상이 된다.

돌기(15)는, 연통로(14)의 내주부로부터 중심부를 향하여 돌출하여 방사 형상으로 배치되고, 연통로(14)를 따라서 연장되어 있다. 여기서 「연통로(14)를 따라서」란, 유입구(12)와 유출구(13)를 연결하는 방향을 따르는 것을 나타낸다. 돌기(15)는, 본체(11)의 연통로(14)에 대해서, 상류측(유입구(12)측)에 배치되어 있다. 본체(11)의 유출구(13)측은, 돌기(15)가 배치되어 있지 않은 원통부(14a)(도 1의 (b) 참조)를 구비하고 있다.

돌기(15)는, 유체의 흐름 방향에서 보아 연통로(14)의 내주부로부터 중심부를 향함에 따라 서서히 그 폭이 좁아지는 V자 형상을 이루고 있는 것이 바람직하다. 정류기(10)에 있어서는 돌기(15)의 양측(흐름 방향에서 보아 V자 형상을 이룬 좌우의 측면(15a, 15a))이 평면으로 구성되고, 쟁기질된 땅의 이랑(ridge)과 같이 연통로(14)를 따라서 연장되어 있다. 돌기(15)의 바닥면은 전역에 걸쳐서 본체(11)와 접하고 있다. 돌기(15)는, 연통로(14)에 수직인 면에서 단면(횡단면)이 V자 형상을 이룬다. 돌기(15)의 선단은 뾰족해도 좋고, 둥그스름해도 좋고, 대략 사다리꼴 형상으로 잘려 있어도 좋다. 또한, 돌기(15)의 V자 형상을 이룬 측면(15a, 15a)은 평면이 아니라, 곡면으로 구성되어 있어도 좋다. 이러한 돌기(15)의 횡단면을 총칭하여 V자 형상이라고 한다.

보다 바람직하게는, 돌기(15)와 본체(11)와의 접속부를 완만한 곡면으로 접속한다. 이것에 의해, 정류기(10)가 유체 통로의 배관의 곡부(曲部) 바로 뒤에 배치되었을 경우에, 돌기(15)가 유체의 정압(靜壓) 또는 동압(動壓)에 의해 굽힘 응력을 받았을 때에 받는 응력 집중을 피할 수 있다.

돌기(15)의 수는 2개 이상 설치되고, 본 실시형태에서는 일례로서 4개로 하고 있다. 돌기(15)의 수가 많아지면 정류 효과는 높아지지만, 연통로(14)의 단면적이 작아지고 유효 단면적이 축소된다. 이 때문에, 돌기(15)의 수는 2개 내지 6개가 바람직하고, 특히 3개 내지 5개가 바람직하다.

돌기(15)는, 본체(11)에 대해서, 일체로 구성하는 것이 바람직하다. 그러나 별개로 구성해도 좋다.

정류기(10)는, 철강, 스테인리스강, 알루미늄 합금, 세라믹스, 초강 금속 등, 유체에 대해서 내식성을 가지고, 사용하는 압력에 대응한 강도를 가지는 재질로 제작된다.

도시하지 않는 여러 유로를 경유하여 공급 유로(미도시)로부터 유입구(12)에 도입된 유체는, 정류기(10) 내부의 연통로(14)를 통과한다. 유입구(12)에 도입된 유체는, 상기 유로(미도시)의 굴곡부나 유로 단면적의 변화에 의해 흐름이 난류화 된다. 흐름이 난류화 되어있는 유체는, 유입구(12)로부터 정류기(10)의 연통로(14)에 유입되고, 연통로(14) 내부에 구비된 돌기(15)에 의해, 연통로(14)를 따른 방향에 수직인 방향의 흐름이 제한되고, 정류화되어서 원통부(14a)에 흘러들어가서 해방된다.

흐름이 난류화된 유체의 동압, 및 유체의 정압은, 정류기(10)의 돌기(15)나 본체(11)에 작용한다. 유체가 고압 유체인 경우, 유체의 유입시, 및 차단시에 워터 해머로 불리는 충격력이 유체 내에 작용한다. 정류기(10)는 흐름의 방향을 따른 프레임 바디인 본체(11)와, 본체(11)의 내면으로부터 돌출 형성된 돌기(15)에 의해 구성되기 때문에, 강도가 매우 강하다. 정류기(10)는 고강도이기 때문에, 유체에 의한 동압, 정압, 워터 해머에 의해 파손되지 않고, 변형이 억제된다.

연통로(14)는 프레임 바디인 본체(11)와 돌기(15)로 구획되고, 횡단면이 매우 넓다. 이 때문에, 정류기(10)의 유효 단면적이 커지고, 정류기(10)를 통과하는 유체의 압력 손실이 낮게 억제됨과 함께, 대유량의 유체를 유통시킬 수 있다.

돌기(15)의 횡단면이 V자 형상을 이루기 때문에, 연통로(14)를 통과하는 유체의 압력에 의해서 돌기(15)가 압축 응력을 받았을 경우라도, 돌기(15) 내부에 작용하는 응력이 작아지고, 돌기(15)의 강도가 향상된다. 그리고, 돌기가 변형을 받기 어렵다는 것에 의해, 정류기(10)의 정류 효과가 높게 유지된다. 본 실시형태의 정류기(10)는 상기의 작용 효과를 구비하기 때문에, 특히 고압 액체의 정류에 적합한 정류기이다.

본 발명의 실시형태에 관한 정류기(10)는, 돌기(15)가 V자 형상이며, 유체의 흐름 방향에서 보아 돌기(15)의 선단부(연통로(14)의 중심부측)가 기단부(基端部)(연통로(14)의 내주부측)보다 좁아져 있기 때문에, 정류기(10)의 중심부로부터 연통로(14)의 주변부(연통로(14)의 외주연(外周緣) 부근을 말한다.)까지에 걸쳐서, 원주 방향의 단면 길이가 크게 변화하지 않는다. 이 때문에, 정류기(10)의 중심부로부터 연통로(14)의 주변부까지의 반경 방향(중심부로부터 주변부까지)의 유속이 거의 일정하게 유지된다. 정류기(10) 내의 유속이 균일하기 때문에, 정류기(10)를 통과한 유체의 흐름의 난류화가 적어져서 우수한 정류 효과를 발휘하고, 또한 압력 손실이 작아진다.

본 실시형태의 정류기(10)를 유체 노즐(20)에 매립한 경우의 적용예를 도 3에 따라서 설명한다. 유체 노즐(20)은 노즐 본체(21)와 내부에 유체 통로(26)를 구비하고, 유체 통로(26)에는 정류기(10)가 끼워져서 삽입된다. 유체 통로(26)는 조임부(27)를 구비하고, 조임부(27)는 노즐 본체(21)의 외부에 개구된다. 그 개구부가 분출구(28)를 형성한다.

유체 통로(26)는 노즐 본체(21)의 분출구(28)와 동축(同軸)으로 배치되어 있다. 유체 통로(26)는 완만한 원뿔면(26a)에 의해, 조임부(27)와 연통하고 있다.

정류기(10)의 본체(11)는 유체 통로(26)에 끼워져서 삽입된다. 이 때문에, 본체(11)의 내부에 마련된 연통로(14)의 축심과 조임부(27)의 축심이 높은 정밀도로 일치하고, 정류기(10) 내를 통과한 액체가 난류화 되지 않고, 유체 통로(26)로부터 원뿔면(26a)를 통하여 조임부(27)에 축류(vena contracta)되어 유도된다. 그 유체는 분출구(28)로부터 분출한다. 정류된 유체가 분출구(28)로부터 분출하기 때문에, 난류화가 적은 분출류(J)(도 5 참조)를 얻을 수 있다.

본체(11)의 상류측(유입구(12)측)에는, 돌기(15)가 배치되고, 본체(11)의 하류측(유출구(13)측)에는, 돌기(15)를 가지지 않는 원통부(14a)(도 1의 (b) 참조)가 배치되어 있다. 이 원통부(14a)의 하류에는 유체 통로(26)를 통과하여 원뿔면(26a)이 배치되고, 원뿔면(26a)과 조임부(27)가 연통하고 있다.

돌기(15)가 조임부(27)에 연통하는 원뿔면(26a)과 근접하고 있는 경우, 유체의 유로는, 돌기(15)부의 통과와 함께 일단 급격히 확대되고, 조임부(27)에서 다시 급격히 축소된다. 이 때문에, 돌기(15) 하류단에 있어서, 유선(流線)이 돌기(15) 표면으로부터 벗어난다. 그리고, 돌기(15)에 의해서 원주 상의 유속에 편차가 있는 채로 조임부(27)에 유체가 흘러들어간다.

유체 노즐(20)은, 돌기(15)와 조임부(27)의 사이에 본체(11)의 연통로(14)와 동일 지름의 원통면으로 이루어지는 원통부(14a)가 존재하기 때문에, 돌기(15)를 통과한 고압수가, 일단 원통 내에서 해방되고, 동일한 원주 상의 유속이 균일화된다. 이 때문에, 본 실시형태의 정류기(10)를 통과한 유체는, 원주 상에 있어서 균일한 속도로 조임부(27)에 흘러들어간다. 이 때문에, 조임부(27)로부터 분출된 분출류(J)는, 난류화가 적고 직진성이 높다.

또한, 본 실시형태에서는, 돌기(15)를 본체(11)의 상류측에 배치했지만, 유체 통로(26)의 형상에 따라, 본체(11)의 하류측 혹은 본체(11)의 전체 길이에 걸쳐서 배치해도 좋다.

[강도]

본 실시형태의 정류기(10)에 있어서, 원통 형상의 프레임 바디인 본체(11)(외경 5mm, 내경 4mm, 길이 6mm)와 정류 작용이 있는 V자 형상의 돌기(15)(높이 1.4mm)가 일체로 성형된 정류기에 대해서 강도 계산을 행했다. 도 4는 정류기(10)의 외주면을 완전히 고정하고, 정류기 내부에 50 MPa의 내압이 작용했을 경우를 상정하여 시뮬레이션한 결과 얻어지는 응력 분포도이다. 가장 응력이 집중하는 부위는 본체(11)의 외주부(外周部)의 단부(엣지부)이며(P4 참조), 최대 폰 미제스 응력(von Mises stress)도 71 MPa로 작다. 내압에 의해 발생하는 응력은 원통 형상의 본체(11)에 작용하기 때문에, 돌기(15)에의 영향은 작고, 동압이 작용해도 정류 효과의 변동이 작아진다. 응력은, 본체(11)의 외주부의 단부(엣지부)에서 50 내지 71 MPa로 가장 크다(P4 참조). 원통 형상의 본체(11)의 응력이 다음으로 크고, 20 내지 50 MPa를 나타낸다(P3 참조). 돌기(15)의 기단부에서는, 응력이 10 내지 20 MPa이다(P2 참조). 돌기(15)의 응력은 가장 작고, 0 내지 10 MPa를 나타낸다(P1 참조).

이와 같이, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 정류기(10)는, 본체(11)에 대해서 일체로 돌출 형성된 V자 형상의 돌기(15)를 구비한 것으로, 본체(11) 및 돌기(15)의 강성을 향상시키고, 우수한 정류 효과를 얻을 수 있다.

[분출류의 흐름의 구조]

도 5 내지 도 9에 따라서, 본 실시형태의 정류기를 구비한 유체 노즐(20)로부터 공기 중에 분출된 분출류(J)의 흐름의 구조에 대해서 설명한다. 참조하는 도 5는, 워크피스(W)에 형성된 바닥이 있는 구멍(H)에 분출류(J)를 분사하여 스크랩을 세정하는 모습을 나타내는 모식적인 정면도이다. 도 6 내지 도 11은 도 5의 시뮬레이션 해석도이다. 시뮬레이션은, 수치 유체해석 역학의 수법으로 행하고, 해석 소프트웨어 [PHOENICS]를 사용했다. 흐름의 상황은 유한 체적법에 의해 산정되고, 난류화된 모습은 k-ε모델을 이용하여 산출한다.

해석의 모델은, 노즐의 유입부의 직경은 8mm, 깊이 10mm로 하여, 정류기(10)의 유무, 신구(新舊) 정류기의 성능의 차를 확인했다. 노즐의 초크(choke)부의 지름 1.7mm로부터 분사된 고압수는 60mm 이격된 직경 8mm 깊이 20mm의 워크피스(W)의 구멍(H)에 유입된다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 유체 노즐(20)로부터 워크피스(W)에 형성된 구멍(H)을 향하여 분사된 분출류(J)는, 구멍(H)의 입구(H1)로부터 도입되고, 구멍(H)의 바닥부(H2)에서 튀어올라 구멍(H)의 입구(H1)로부터 배출된다. 구멍(H)의 바닥부(H2)에서 튀어오른 물이 구멍(H)의 벽면을 따라서 통과하기 때문에, 구멍(H) 중에 부착된 스크랩을 효율적으로 세정하여 제거할 수 있다.

도 6 및 도 7은, 본 실시형태의 정류기(10)를 유체 노즐(20)에 삽입한 정류기의 노즐로부터 분출된 분출류(J)의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6은 속도 벡터 플롯도이다. 속도 벡터의 색조(톤)가 속도 범위를 나타낸다. 계산 결과가 수렴(컨버전스)되어 있기 때문에, 그 결과가 타당하다고 간주할 수 있다. 유체 통로(26) 내에서는 지름 방향에 있어서, 돌기(15)로부터 원통부(14a)를 향하여 거의 균질한 속도 분포를 나타내고 있다. 노즐 입구(29) 부근에서 수축이 일어나고, 반경 방향의 속도가 생기고 있다. 분출류(J) 중의 220 m/s를 나타내는 벡터는 조임부(27)에 가까운 A 단면에서는 그 폭이 좁고, 반경 방향에 있어서는, 분출류(J)의 폭 가득히 균질한 속도를 가진다. 조임부(27)와 워크피스(W)와의 중간 위치 B 단면에 있어서는, 반경 방향에서 중심부가 210 m/s로 빠르고, 주변부에서 100 m/s의 완만한 사인 커브 형상의 속도 분포를 나타낸다. 분출류(J)의 바로 외측에 있어서는, 구멍(H)에 의해서 튀어오른 상승류의 속도 벡터가 거의 나타나지 않는다. 분출류(J)는 구멍(H)에 의해서 튀어오르는 고압수의 영향을 거의 받지 않는다는 것이 이해된다. 워크피스(W)의 구멍(H)의 입구(H1)에서는 분출류(J)의 중심부에서 150 m/s를 나타내고 있다.

도 7은 유선도(流線圖)를 나타낸다. 유체 통로(26)로부터 조임부(27)를 향하여 완만한 곡선을 그리면서 수축하고, 조임부(27)를 통과한다. 유체 노즐(20)로부터 분출된 후, 워크피스(W)의 표면까지 유선이 넓어지는 일 없이 거의 평행하게 신장되고, 구멍(H)의 내측에 들어간 후, 완만하게 유선이 180°전개되고, 구멍(H)의 표면을 따라서 워크피스(W)의 표면으로부터 배출된다. 워크피스(W)로부터 이격될 때에도, 유선은 완만하게 중심선으로부터 서서히 이격되고, 유체 노즐(20)의 외경과 거의 동일한 넓이까지 넓어진 상태에서 얇은 원통 형상으로 분출류(J)가 돌아가고 있다. 즉, 분출류(J)는, 원통 형상의 튀어오르는 흐름의 중앙을, 관통하도록 흐르고 있다.

이상으로부터, 분출류(J)가 고도(高度)로 수렴된 채로 구멍(H)에 입사하고, 바닥부(H2) 부근에서 나팔 형상으로 넓어진 후, 구멍(H)의 내표면을 따라서 중공 원통 형상으로 배출되고 있는 모습을 알 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 노즐로부터 분출하는 분출류(J)는, 워크피스(W) 내의 구멍(H)에 입사한 분출류(J)가 소용돌이를 발생시키지 않고, 구멍(H)의 내표면을 따라서 약간 넓어지면서 원통 형상으로 배출되기 때문에, 튀어오름이 분출류(J)에 주는 영향은 매우 적다. 또한, 튀어오른 물이 난류화 되지 않고 배출되기 때문에, 구멍(H)의 벽면에 부착된 부착물이 양호하게 배출된다.

도 8 및 도 9는, 정류기(10)(도 1 참조)가 삽입되어 있지 않은 유체 노즐(200)로부터 공기 중에 분출된 분출류(J1)의 흐름을 상술의 조건으로 계산한 결과를 나타낸다. 도 8은, 속도 벡터도를 나타낸다. 유체 통로(26) 내의 속도 분포는 거의 균일하다. 조임부(27)의 노즐 입구(29)에서는 강하게 조여지고, 본 실시형태의 정류기(10)를 이용했을 경우보다 반경 방향의 속도가 크게 나타나 있다. 단면 A 점에서는 속도 분포는 분출류(J1)의 전체 폭에 있어 거의 균일하여 211 m/s 정도이다. 단면 B에 있어서는, 분출류(J) 폭에서 중심이 가장 높은 속도를 가지고, 반경 방향으로 중심으로부터 이격됨에 따라서, 곡선을 그리면서 강하하고, 분출류(J1)의 외측에서는 대략 사인 커브를 그리도록 역방향의 속도가 생기고 있다. 이 속도는 110 m/s에 달하고 있다. 또한, 조임부(27) 주변에서는 계산치가 발산(diverge)될 수 있으며, 소용돌이의 발생이 추측된다.

도 9는 유선도를 나타낸다. 조임부(27)로부터 분출된 유선은, 약간 넓어짐을 보이고 있다. 그리고, 구멍(H)으로부터 튀어오른 분출류(J1)가 A 지점 부근과 구멍(H)의 바닥부(H2)까지의 구간에서 크게 소용돌이를 그리면서 다시 구멍(H)으로 향하여 연장되어 있다. 튀어오른 분출류(J1)는 크게 소용돌이가 되고, 분출류(J1)가 이것들을 말려들게 하기 때문에, 분출류(J1)는 튀어오른 액체류에 의해 크게 영향을 받고, 에너지의 감쇠와 분출류(J1)의 난류화를 유발한다. 분출류(J1)는 튀어오름류와 완전히 혼합 되어서 흐름의 장(field)을 형성한다.

[세정 효과]

본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 유체 노즐(20)을 노즐 이동식의 수치 제어식의 세정 장치(스기노 머신(SUGINO MACHINE LIMITED)제 Spa-Clean Jet(상표))에 조립하고, 기계 부품을 공기 중에서 세정했다. 대상으로 한 기계 부품은, 자동차용 트랜스엑슬 케이스이다. 케이스 표면에는 많은 나사 구멍이 마련되어 있다. 그리고, 구멍 지름에 대해서 40배 정도의 깊이를 가지는 깊은 구멍을 복수 구비한다. 깊은 구멍은 교차하고 있고, 복잡한 형상을 이룬다. 케이스의 표면, 구멍 내부에는 케이스를 절삭 가공했을 때에 생긴 스크랩이 다량으로 남아 있다. 이 세정 장치는, 유체 노즐(20)로부터 고압 분출류를 분출하면서, 이러한 케이스의 구멍에 대해서 유체 노즐(20)의 조임부가 대면하는 위치에 유체 노즐(20)을 이동시키고, 케이스를 세정한다. 이 때의 세정 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1의 비교예 1은, 정류기(10)를 구비하지 않은 노즐(200)(도 8과 도 9 참조)을 사용했을 경우의 세정 결과이다.

본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 유체 노즐(20)을 사용했을 경우, 세정대수 1000 대(臺)당 스크랩 잔류수가 0.55 대, 비교예 1에 있어서는, 동일하게 1000대 당 스크랩 잔류수가 1.4대였다. 이것은, 분출류(J)가 난류화 되지 않는 것이 세정 능력에 직결하고 있다는 것을 단적으로 나타내고 있다. 본 실시형태의 정류기(10)는, 그 유효 단면적이 크고, 단일의 액체 통로(26)를 구비하고 있기 때문에, 유체 통과시의 압력 손실이 작고, 대유량이 통과 가능하다.

또한, 그 구조가 고강도이기 때문에, 고압 액체 중에서도 변형, 파손하지 않는다. 본체(11)의 외면이 유체 노즐(20)에 끼워져서 삽입되고 있기 때문에, 정밀하게 유체 노즐(20)(노즐 본체(21))과 정류기(10)가 조립되기 때문에, 높은 정류화 능력을 발휘할 수 있다. 이들의 효과에 의해, 본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 유체 노즐(20)로부터 분출된 분출류(J)는, 수렴된 상태에서 워크피스(W)의 구멍(H)에 진입하고, 구멍(H)의 바닥부(H2)를 따라서 나팔 형상으로 넓어지고, 완만한 흐름의 방향을 반전하여 구멍(H)의 내벽면을 따라서 배출되고, 분출류(J)의 흐름을 난류화 되지 않게 한다. 그리고, 분출류(J)의 에너지를 손실하는 일 없이 세정에 이용되기 때문에, 세정 성능이 현격히 향상한다.

[분출류의 충격력]

노즐 지름 1.7mm인 본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 유체 노즐(20), 및 노즐 지름 1.7mm의 정류기를 삽입하지 않은 유체 노즐(200)을 하향(下向)의 직관(直管)에 장착하고, 분사 압력 20 MPa로 분사했을 때의 분출류의 충격력을, 수압면(受壓面) φ20에서 측정했다. 측정한 결과를 표 2에 나타낸다.

양자의 충격력은, 노즐-수압면 사이 거리가 100mm 이내에서는 큰 차가 없었다. 그러나, 100mm를 초과하면, 비교예 1의 충격력은, 거리가 길어짐에 따라서 작아지고, 거리 300mm에서는 20mm의 반 이하의 3.5 kgf 까지 저하했다. 본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 유체 노즐(20)의 저하량은 비교예 1에 비하여 현저하게 적고, 거리 300mm에 있어서도, 23% 밖에 저하하지 않았다.

노즐 지름 2.0mm인 본 실시형태의 정류기(10)를 구비한 유체 노즐(20), 및 노즐 지름 1.7mm인 정류기를 삽입하지 않은 유체 노즐(200)을, 연직 하향의 유로의 선단에 수평으로 장착하여 분사 압력 20 MPa로 분사했을 때의 분출류의 충격력을, 수압면 φ20에서 측정했다. 측정한 결과를 표 3에 나타낸다. 여기서, 2개의 비교예는 노즐 지름이 다르지만, 분출류의 유량은 동일하다.

본 실시형태의 노즐(20)에서는, 거리가 20mm일 때 충격력이 8.5 kgf 이며, 거리 300mm일 때에도 충격력이 7.0 kgf 였다. 그 저하량은 겨우 17%에 지나지 않았다. 그러나, 비교예 1에서는, 거리가 20mm일 때에 충격력이 7.8 kgf, 거리가 300mm일 때에 충격력이 3.0 kgf였다. 그 저하량은 61%에 달했다.

본 실시형태의 정류기(10)를 마련했을 경우, 유로 방향과 동축으로 노즐을 장착한 경우(표 2)와, 유로 방향과 수직으로 노즐을 장착한 경우(표 3)에 있어서, 거리에 대한 충격력이 크게 변하지 않았다. 이것은, 본 실시형태의 정류기(10)가 높은 정류 기능을 구비한 것을 나타낸다.

[제2 실시형태]

도 10과 도 11에 따라서, 본 발명의 제2 실시형태의 정류기(30)를 구비하는 유체 노즐(40)을 설명한다. 유체 노즐(40)은, 그 내부에 유체 통로(46)를 구비하는 노즐 본체(41)와, 유체 통로(46) 내에 끼워져서 삽입되고, 조임부(37)를 포함하는 연통로(34)를 구비하는 정류기(30)로 이루어진다.

노즐 본체(41)는, 외주부 상류측에 노즐을 고정하기 위한 나사부(49)를 구비하고, 대략 원통 형상을 이룬다. 그 내부에는 상류측이 대경(大徑)이고 계단이 형성된 관통 구멍인 유체 통로(46)를 구비한다. 노즐 본체(41)는 철강, 스테인리스강 등의 금속으로 제작된다.

유체 통로(46)의 대경부에는 정류기(30)가 끼워져서 삽입된다. 정류기(30)의 본체(31)는 연통로(34)를 내부에 구비하는 원통 형상이다.

연통로(34)의 유출구는 소경의 조임부(37)로 되어 있다. 조임부(37)는 오리피스 타입 조임부이다. 연통로(34)는 전체 길이의 50% 내지 70% 정도가 대경인 원통 부분으로 제작된다. 원통 부분과 조임부는 원뿔대 형상의 공동부(空洞部)에서 접속된다. 즉, 연통로(34)는 대경의 유입구(32)로부터 대경의 원통 부분을 구비하고, 축류(縮流)하여 조임부(37)에 연통되고, 조임부(37)의 출구가 유출구(33)를 형성하고 있다. 이 유출구(33)는 노즐의 분출구가 된다.

연통로(34)의 대경의 원통 부분의 내부에는, 연통로를 따라서 연장되도록 돌기(35)가 방사 형상으로 마련되어 있다. 돌기(35)의 횡단면 형상은 V자 형상을 이룬다. 돌기(35)의 선단부 형상은 특별히 따지지 않지만, 조임부(37)와 동일의 원통면으로 형성되어도 좋다. 돌기(35)의 하류측은, 유체 통로(46)의 하류측을 향함에 따라서 돌기(35)의 폭이 서서히 작아지고 높이가 서서히 낮아진 구배부(35a)가 형성되어 있다.

돌기(35)의 선단부는, 조임부(37)의 원통면과 동일하거나, 원통면보다 외주측에 있는 것이 바람직하다. 돌기(35)가 조임부(37)의 원통면과 동일하거나, 그것보다 외주에 가깝게 위치하는 것에 의해, 돌기(35)를 통과한 유체가 균등하게 조임부(37)로 흘러들어간다.

돌기(35)의 횡단면 형상이 V자 형상인 것에 의해, 정류기 내의 유체의 유속이 균일해지는 효과는 실시형태 1과 마찬가지이다.

정류기(30)은 세라믹스, 초강 금속, 경강(硬鋼) 등 고경도의 재질로 일체적으로 성형된다. 고경도의 재질로 성형되는 것으로, 내부를 흐르는 유체에 의해, 조임부(37) 및 돌기(35)가 마모하는 것을 방지할 수 있다.

정류기(30)는, 노즐 본체(41)에 끼워져서 삽입되는 것으로, 노즐 분출구인 유출구(33)가 나사부(49)와 고정밀도로 조립된다. 정류기(30)는, 노즐 본체(41)와 접착된다. 정류기(30)는 노즐 본체(41)에 소결하여 고정되어도 좋다. 정류기(30)는 노즐 본체(41)에 수축 고정(shrink fitting) 또는 가압 고정(press fitting)에 의해 고정할 수도 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 노즐 본체와 정류기는 별개로 제작되고 있지만, 이들을 일체로 성형할 수도 있다.

[그 외의 사용예]

또한, 이상의 실시형태에 있어서는, 유체 노즐(20) 상류의 유체 통로(26)에 정류기(10)를 배치했지만, 본 발명의 정류기(10)는, 유체를 정류시키는 용도로 범용적으로 이용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 정류기(10)는, 유량계 상류에 설치할 수 있다. 전자(電磁) 유량계, 코리오리식 유량계, 차압식 독량계, 카르만 소용돌이식 유량계, 초음파식 유량계 등의 유량계를 이용하는 경우, 유량계에 유입되는 유체의 난류화가 적을 것이 요구된다. 이 때문에, 유량계의 유입측에는 긴 거리의 직선부를 필요로 한다. 그러나, 세정기 등의 유체 장치는, 복잡한 기구를 좁은 스페이스에 설치하는 것이 많다. 이 때문에, 긴 직선부를 마련하는 것은 곤란하다. 또한, 긴 직선부를 마련하기 때문에 배관의 길이가 길어지고, 제조 비용이 증대한다. 여기서, 직선부의 대체 수단으로서 유량계의 상류에 정류기(10)를 배치할 수 있다.

10, 30: 정류기
11, 31: 본체
12, 32: 유입구
13, 33: 유출구
14, 34: 연통로
14a: 원통부
15, 35: 돌기
20, 40: 유체 노즐
21, 41: 노즐 본체
26, 46: 유체 통로
27, 37: 조임부
28: 분출구

Claims (8)

1. 유체 노즐로서:
   상기 유체 노즐의 상류측에 배치되는 소경부 및 대경부를 갖는 유체 통로;
   상기 대경부 내에 끼워 맞추어 삽입되는 정류기를 포함하며,
   상기 정류기는,
   중공 원통 형상으로 형성되는 프레임 바디 형상의 본체와;
   상기 본체는 ⅰ) 상기 유체 통로에 배치되어, 상기 유체가 상기 유체 통로 내로 흐르는 것을 허용하도록 구성된 유입구와, ⅱ) 상기 유체가 상기 유체 통로로부터 유출되는 것을 허용하도록 구성된 유출구와, ⅲ) 상기 유체가 상기 유입구로부터 상기 유출구로 흐르는 것을 허용하도록 구성된 연통로를 가지며,
   상기 연통로의 내부는 상기 본체의 외경의 80% 이상이고, 또한 상기 본체의 외경의 100% 미만이며,
   내주부로부터 상기 연통로의 중심부를 향하여 돌출하는 방식으로 배치되는 다수의 돌기와;
   상기 돌기는 상기 연통로를 따라 연장되고, 상기 돌기는 상기 연통로에 대해 상기 본체의 유입구측 상에 배치되며, 상기 돌기는 상기 유체의 흐름 방향에서 보았을 때, 각각의 돌기의 폭이 상기 내주부로부터 상기 연통로의 중심부를 향하여 더욱 좁아지도록, V자 형상으로 각각 형성되고, 상기 돌기는 상기 연통로를 통하는 유체를 분리시키도록 구성되며,
   상기 돌기가 형성되지 않은 원통부와;
   상기 원통부는 상기 본체의 유출구측에 배치되고, 상기 원통부의 내경은 상기 연통로의 내경 및 상기 소경부의 내경과 동일하며,
   상기 유체 통로의 하류측에 배치되는 조임부; 및
   상기 조임부에 배치되는 분출구를 포함하며,
   상기 분출구는, 상기 정류기의 상기 유출구로부터 유출되는 유체가 상기 조임부를 통해 상기 분출구로부터 분출되도록 구성되며,
   상기 조임부와 상기 유체 통로의 상기 소경부 사이에 원뿔면이 배치되고, 상기 원뿔면은 상기 조임부를 상기 유체 통로에 연통시키는 것을 특징으로 하는 유체 노즐.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌기 중 하나의 돌기의 선단부는 상기 하나의 돌기의 기단부 보다 더 얇고,
   상기 하나의 돌기의 양 측부에는 평면 형상을 갖는 표면이 형성되며,
   상기 하나의 돌기와 상기 본체를 연결하는 접속부는 완만한 곡면 형상인 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 노즐.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌기 중 적어도 하나의 돌기의 높이는 상기 본체의 내경의 35%인 것을 특징으로 하는 유체 노즐.
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