Effect of Internal Flow inside Recirculation Chamber Nozzle for Automative Head Lamp on Cleaning Spray

자동차 헤드램프 세척용 재순환 챔버 노즐의 내부유동이 분무장에 미치는 영향

신정환^*·이인철^*·강영수^**·김종현^***·구자삼^****·구자예^†

Effect of Internal Flow inside Recirculation Chamber Nozzle for Automative Head Lamp on Cleaning Spray

J. H. Shin, I. C. Lee, Y. S. Kang, J. H. Kim, J. S. Koo and J. Y. Koo

Key Words: Head lamp( 헤드램프 ), Recirculation chamber nozzle( 재순환 챔버 노즐 ), Spray cross section( 분무 단면 ),

Hot-Zone( ^{광량 집중 영역} )

Abstract

Atomized liquid jets from the washing nozzle which configured with recirculation chamber for cleaning hot-zone area are accelerated and impinged on the head lamp surface. Cleaning efficiency of head lamp can be increased with injecting wash- ing fluids into the hot-zone area. Experimental and numerical studies with various design parameters were executed to reveal the relations between internal geometry and internal flow in the washing nozzle. Spray structures were fitted with each of the head lamp surfaces and spray nozzles were optimized to the spray pattern. The recirculation chamber induces a recircu- lation flow and can be decreased the pressures perturbation inside the chamber. Orifice determines the mass flow rate. When the diameter of orifice is excessively large, it showed an unstable spray pattern. As a nozzle exit angle increases, density distributions are separated with two section. Also, as a protrusion length of nozzle exit increases, spray patterns are spread into a large area and density distributions showed unstable trend.

1. 서 론

최근 자동차 산업에서는 고성능이 추구되고 있는 헤 드램프를 출시하고 있으며 , 이와 동시에 헤드램프 세척 시스템의 기능적인 부분도 보다 효율적이고 경제적인 방향으로 발전하고 있다

. 자동차 헤드램프 클리너는 헤드램프의 발광면 전체 또는 일부를 세척하는 장치로

서 , 외부 물질로 인하여 헤드램프가 오염되었을 경우 헤 드램프의 효율을 향상시켜 줄 수 있고 , 운전자의 시계확 보 및 안전운행을 도모하는 장치이다 .

재순환 챔버 노즐 (recirculation chamber nozzle) 을 이 용한 압력 분무식 헤드램프 세척 시스템은 와이퍼

(wiper) 방식 사용에 따른 램프 표면 코팅막 손상 , 와이퍼

구동기 부품 수리에 따른 단점이 없고 , ^{와이퍼 방식에}

비하여 높은 세척 효율을 얻을 수 있어 , 부품 감소에 따 른 단가 절감에도 기여할 수 있다 . 헤드램프의 가시 투

과율을 높이기 위해서는 미립화된 액적을 Fig. 1 ^{과 같은}

광량 집중 영역 (hot-zone) 에 분무 시키며 노즐 내부에

재순환 챔버를 형성함으로써 주 유동의 분사 영역과 더 불어 추가적인 2 ^{차 유동으로 별도의 분무각을 형성시키}

도록 한다 . 노즐 내부의 액체는 노즐 중심의 오리피스와 노즐 상부에 위치한 재순환 챔버에서 회전한 후 안정화 (2011

3

23

~ 2011

5

13

, 2011

6

4

)

*한국항공대학교항공우주및기계공학과대학원

**

(

)

/

***동양공업전문대학기계설계과

****

(

)

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (02)300-0116 FAX : (02)3158-0117

된 유동상태로 노즐 출구에서 분사된다 . 이와 같이 2 차 유동에 의해 생성되어진 안정적인 분무 유동을 통해 적 은 양의 세척액으로 최대의 세척 효과를 낼 수 있다

.

따라서 본 연구에서는 안정적인 분무 특성과 노즐 출구 에서의 분무 형상 결정을 위해 재순환 챔버 노즐 내부 에서 발생하는 내부 유동 특성과 노즐 출구 형상에 따 른 액체 제트 분무 특성의 상관관계를 연구하고자 한다 .

2. 실험방법

2.1 실험 장치 구성

Fig. 2 는 헤드램프 세척용 재순환 챔버 노즐의 분무

시험을 위한 장치의 개략도이며 , 분무 시험 장치는 가압

챔버 , ^{공기 압축기} , ^아르곤 - ^{이온 레이저} , CCD ^카메라로

구성되어 있다 . 분무 시험은 대기압 상태 , 주위 온도

298K 에서 수행하였으며 , 실제 헤드램프에 사용되는 펌 프 (Siemens VDO( 社 )) 는 2.55 bar 의 공급라인 압력으로 세척액을 분무시키기 때문에 동일한 압력조건으로 실험 을 수행하였다 . 분무 형상은 지정된 분무거리 (170.0 mm)

행하였다 . 현재 상용화되고 있는 여러 가지 헤드램프 세 척 노즐 형상 중 재순환 챔버를 형성하고 있는 한 가지

모델을 Fig. 3(a) 와 같이 Tear-down 하여 실제 치수를 근

거로 노즐의 내부 형상만 설계하여 3D 모델링 하였으며 ,

모델링된 내부 형상을 Fig. 3(b) ^{와 같이 격자를 구성하}

고 , Fig. 3(c) 와 같은 분무 영역을 지정하여 유동 해석에

이용하였다 . 상용 CFD 코드인 FLUENT 6.1 과 GAM-

BIT ^{을 사용하여 총 약} 80 ^{만개의 사면체 격자를 구성하}

였고 , 이상 유동을 모사하기 위해 다상 모델 및 2- 방정

식 RNG κ - ε 난류 모델을 사용하였다

. 세척 노즐에서

분사된 유동의 해석에 사용된 지배 방정식은 비정상상

태 , 비압축성 , 점성 유체의 Navier-Stokes 방정식을 사용

Fig. 1 Hot-Zone of head lamp

Fig. 2 Schematic of cleaning spray system Fig. 3 Computational modeling of recirculation chamber

nozzle

하였다 . 경계 조건으로는 노즐의 입구에서는 압력입력

(pressure inlet) 조건 , 노즐에서 분사되는 대기영역에는

압력출구 (pressure outlet) ^{조건을 주었다} . ^{복잡한 노즐 형}

상과 외부 유동장에서 낮은 Reynolds 수의 유동이 발생

할 수 있어 , 이러한 Low reynolds 의 형상을 고려한

RNG ^κ - ^{ε 모델을 이용하여} , monitoring point ^{에서의 수렴}

값이 일정하게 유지될 때까지 Transient 해석을 수행하

였다 .

세척 노즐 상사물 설계에 앞서 노즐 내부의 유동을

파악하기 위해 Fig. 4 와 같이 상용품의 유동 해석을 실

시하였다 . 유동 해석 결과 Fig. 4(a) 와 같이 분무 노즐 하

부의 오리피스에 의해 미립화가 시작되며 , Fig. 4(b) 와 같이 재순환 챔버에서는 재순환 유동이 발생하였다

.

재순환 유동에 의해 오리피스에서 분무된 유동이 노즐

출구 쪽으로 편향되는 경향을 보였다 . 또한 Fig. 4(c) 처

럼 재순환 유동이 오리피스 밑단까지 하강하여 빠르게 분무되는 주 유동에 편승하여 다시 출구 쪽으로 유도되 는 현상을 보였다 .

2.3 세척 노즐 상사물의 형상 및 설계 인자 상용품으로 사용되고 있는 헤드램프 세척 노즐의

Tear-down 을 통해 도출한 설계인자를 활용하여 Fig. 5 와

같이 세척 노즐 상사물을 설계하였다 . 상단에 위치한

Top nozzle 은 재순환 챔버 영역을 포함하고 있으며 , 재

순환 챔버는 오리피스를 통하여 분무되는 주 유동이 안

정적으로 토출될 수 있도록 유도하는 역할을 한다 . ^분무

시험 모델로 적용된 Top Nozzle 은 출구각 (outlet angle)

111

, 131

이며 돌출량 (protrusion length) 은 0, 0.5 mm 로

3 ^가지 case ^{로 구성되었다} . ^{여기서 출구각과 돌출량은}

Fig. 6 에서 정의된 외부 형상 인자 중 하나이며 , 출구각

이 감소할수록 분무 형상의 분포 집중이 양단으로 분리 되고 , 돌출량이 증가할수록 측면각의 변화 요인과 액적 의 분포도가 분무 중앙 또는 양쪽으로 나뉘는 경향성을 파악할 수 있다 .

Top Nozzle 하단에 장착되는 Spacer 는 세척 노즐 상

사물의 출구 높이에 따른 분무 단면 넓이를 결정하는

중요한 변수이며 , Mid Nozzle 은 세척 노즐의 내부 챔버

직경을 결정짓는 중요한 인자이다 . 직경은 3.5 mm 로 고

정하였고 , ^{액체 제트 분무 시 출구 라운드의 영향을 최}

대한 배제하기 위한 간극을 0.5 mm 로 설계하였다 . 오리

피스는 액체제트의 토출 유량을 조절하고 미립화 , 분포 도 , ^{속도를 결정짓는 중요한 변수로 작용한다}

.

Fig. 7(a) 와 같이 재순환 챔버가 없는 경우 주 유동이

토출구를 통해 분무되기 직전에 세척 노즐 상단과 충돌 하여 원주 방향으로 흩어진 후 하류로 이동하고 , 이 과 정에서 상부로 토출되는 주 유동과 하류로 순환하려는 유동의 섭동으로 인하여 주 유동의 중심영역이나 하단 영역 주위로 불균형하게 재순환 영역이 생성되게 된다 . Fig. 4 Internal flow of the swirl chamber nozzle

Fig. 5 Washing nozzle assembly

Fig. 6 Exit shape of the washing nozzle

또한 상단부와의 직접적인 충돌로 인해 불안정한 재순 환 영역을 발생시킨다 . 결과적으로 주 유동의 흐름이 방 해를 받아 토출되는 분무의 단면이 불균일한 형상으로

나타났다 . ^{재순환 챔버가 있는} Fig. 7(b) ^{의 경우 재순환}

챔버로부터 생성되는 재순환 유동은 주 유동이 상단에 충돌하여 불안정하게 순환하는 것을 방지하고 운동량을 낮추어 하류로 순환할 수 있도록 한다 . ^{이러한 역할을}

하는 재순환 챔버는 세척 노즐의 상단에 위치함으로써 ,

주 유동이 토출구를 통하여 분무할 수 있도록 하여 주 유동의 안정화를 유도한다 .

Fig. 8 과 같이 재순환 챔버로 인한 재순환 유동이 발

생할 경우 일부는 주 유동을 따라 분사되고 일부는 하 강하는 현상을 보인다 . 오리피스 직경이 비교적 작은 경

우 (2.2 mm) ^{에도 재순환 후 분출 되는 유동은 하강하며}

모멘텀이 안정적으로 분산되지만 오리피스 직경이 지나

치게 큰 경우 (3.0 mm) 액주의 부피가 크게 발달함과 동

시에 재순환 챔버에서 생성된 재순환 유동이 하강하지 못하고 대부분 노즐 출구를 통해 분무되어 주 유동과 섭동하며 , 이에 따라 분무가 불균일한 모습을 나타낸다 .

하지만 이 같은 경우에도 재순환 챔버에서 생성되고 있 는 재순환 유동의 영향을 받고 있기 때문에 주 유동 자 체는 재순환 챔버가 없는 경우보다 안정적이다 .

3. 결과 및 고찰

유동 해석의 결과를 통해 오리피스의 직경이 증가함 에 따라 세척 노즐의 내부 유동이 불안정한 현상을 보 이며 분포되지만 오리피스에 따른 정확한 분무 단면의

액적의 분포도와 토출 유량을 비교하기 위해 Table 1 과

Fig. 7 Streamline colored by velocity of internal flow change according to recirculation chamber

Fig. 8 Streamline colored by velocity of internal flow accord-

ing to orifice diameter

같은 3 ^가지 Case ^{의 세척 노즐에 분무 시험을 진행 하였}

다 . Top Nozzle 의 출구각은 131

, 111

이며 돌출량은 각 각 0, 0.5 mm 이다 .

Fig. 9 ^는 Top Nozzle ^{의 각각 다른 형상의 돌출량과 출}

구각을 구성할 때 재순환 챔버 노즐의 오리피스에 따른

분무 단면 (spray cross section) 의 패턴에 대한 특성을 나

타내고 있다 . 전체적인 분무 단면은 흰색 , 액적이 집중 되는 영역은 적색으로 표현하였다 . 3 ^가지 Case ^{에 대해}

서 오리피스 ( 토출 직경 : 2.2 mm) 가 삽입된 경우 가장 작

은 토출 유량과 분무 단면 넓이에서 액적은 보다 고르 게 분포되는 현상을 나타내고 있으며 , ^{오리피스의 토출}

직경이 증가할수록 분무는 중앙 상단을 기준으로 광량 집중 영역의 밀집도가 크게 증가하는 경향성이 나타난

다 . 또한 Fig. 9 의 1 번과 2 번 세척 노즐의 분무 형상을 비교하였을 때 , Top Nozzle ^{의 돌출량이} 0.5 mm ^{인 경우}

액적의 분무 패턴이 보다 넓은 영역으로 고르게 분포되 었으며 , 이는 상대적으로 Laser 에 반사된 액적의 색이 옅은 것을 비교해보면 알 수 있다 . ^{돌출량이 없는 경우}

(0 mm) 액적의 밀집도가 헤드램프의 광량이 집중되는

영역으로 분포되는 경향성이 파악되었다 . 또한 1 번과 3 Fig. 9 Laser sheet beam and mass flow of each orifice diameter at nozzle case

Fig. 10 Spray Cross Section Size of Nozzle Case 1 Table 1 Design parameters of top nozzle

Top Nozzle Case 1 Case 2 Case 3

Outlet angle (degree) 131 131 111

Protrusion length (mm) 0 0.5 0

번 세척 노즐의 분무 형상을 비교한 결과 Top Nozzle 의 출구각이 작을수록 (111

) 분무 단면의 상부가 양단으로

분리되는 경향성을 확인할 수 있다 . Figs. 10~12 는 3 가

지 case ^{의 세척 노즐 상사물에 대한 분무 단면의 넓이를}

수직과 수평 길이로 비교하여 그래프로 나타낸 그림이 다 . 오리피스의 토출 직경은 전반적인 분무 토출의 유량

을 결정하게 되며 , Figs. 10~12 ^{에서 나타난 그래프의 결}

과와 같이 오리피스의 직경이 증가함에 따라 주 유동의 액주는 부피가 증가하며 발달하게 되고 분무 단면의 패 턴은 전반적으로 넓게 형성되면서 미립화된 액적은 광 량 집중 영역에 분포되는 형상을 보이지만 오리피스 직

경 3.0 mm 를 기준으로 분무 단면의 형상이 불규칙하게

생성되었다 . ^이는 Fig. 8(b) ^{의 유동 해석 결과와 마찬가}

지로 Top Nozzle 에서 생성된 재순환 유동이 큰 부피를

가진 주 유동과 간섭을 일으켜 하강하지 못하고 노즐 출구로 직접 분출되기 때문에 분무가 불균일하게 생성 됨을 알 수 있다 . ^특히 1 ^{번의 세척노즐의 경우} Fig. 9 ^의

분무 단면 이미지와 Fig. 10 의 그래프를 살펴보면 오리

피스 직경 2.8 mm 부터 분무 단면 길이가 불균일하게

본 연구는 헤드램프 세척 노즐의 초기 설계에 있어 각각의 부분적 설계 인자에 따라 변화하는 분무 형상 ,

분열 과정 , 챔버 내부의 유동형태 변화 등의 분무 특성 을 실험적 방법과 유동 해석적 방법으로 분석하여 다음 과 같은 결론을 얻었다 .

1) 주요 설계인자로는 분무 노즐 밑단의 오리피스에 의 해 미립화가 시작되고 재순환 챔버에서 재순환 유동이 발 생하여 오리피스로부터 분무된 액주가 노즐 출구 쪽으로 편향되는 경향이 나타났다 . 또한 재순환 유동이 오리피스 출구까지 하강하며 , 분무되는 주 유동에 중첩하여 다시 세척 노즐 출구 쪽으로 유도되는 현상을 확인하였다 .

2) 세척 노즐 상사물 내부에 위치하는 오리피스의 직경 이 증가함에 따라 주 유동의 액주 부피가 발달하게 되고 미립화된 액적은 광량 집중 영역에 분포되는 경향성을 나타내었지만 오리피스 직경이 3.0 mm 인 경우 분무 형 상은 불균일한 분무 형상을 나타내었다 . 유동 해석으로 챔버 내부 유동을 파악한 결과 재순환 영역의 순환흐름 이 하강하지 못하고 직경이 큰 액주의 주 유동과 함께 직 접 세척 노즐 출구로 분출되는 경향성이 나타났다 .

3) Top Nozzle ^{의 출구각과 돌출량 변화에 따른 분무}

형상은 각각 다른 분무 단면 크기가 형성되었으며 , 출 구각이 감소할수록 분무 단면의 상단이 양단으로 분리 되는 경향성이 나타나고 돌출량이 증가할수록 분무 형 상이 넓은 영역으로 퍼지면서 액적의 분무 패턴이 고 르게 분포되며 , 돌출량이 없는 경우 액적의 밀집도는 헤드램프의 광량이 집중되는 영역에 분포되는 경향성 이 나타났다 .

후 기

본 연구는 2010 년도 ( 주 ) 현대 모비스 연구비 지원으

로 수행된 연구 결과이며 지원에 감사드립니다 . Fig. 11 Spray cross section size of nozzle case 2

Fig. 12 Spray cross section size of nozzle case 3

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