用于增强冷性能的喷嘴组件的流体振荡器的制作方法

用于增强冷性能的喷嘴组件的流体振荡器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年10月18日提交的并且标题为“fluidic oscillator for a nozzle assembly for enhanced cold performance”的美国临时专利申请no.62/916,869的优先权和权益，该申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及流体振荡器和喷嘴组件以及使它们由此产生流体的振荡流的方法。更具体地，本公开涉及一种流体振荡器，其能在通常与较高粘度流体相关联的较冷温度时运行。


背景技术：

4.流体振荡器在现有技术中是众所周知的，因为它们能够通过循环地偏转液体射流来提供大范围的液体喷雾模式。大多数流体振荡器的运行的特征在于流体射流在不使用机械移动零件情况下的循环偏转。因此，流体振荡器的优点是它们不会受到磨损，其会对其它喷射装置的可靠性和运行产生不利影响。
5.流体振荡器的示例可以在许多专利中找到，包括美国专利no.3,185,166(horton和bowles)、美国专利no.3,563,462(bauer)、美国专利no.4,052,002(stouffer和bray)、美国专利no.4,151,955(stouffer)、美国专利no.4,157,161(bauer)、重新颁布为re 33,158的美国专利no.4,231,519(stouffer)、美国专利no.4,508,267(stouffer)、美国专利no.5,035,361(stouffer)、美国专利no.5,213,269(srinath)、美国专利no.5,971,301(stouffer)、美国专利no.6,186,409(srinath)和美国专利no.6,253,782(raghu)。这些参考文献中的每一篇以及下面在本技术中讨论的参考文献通过引用整体并入本文。
6.对于一些高粘度液体(即15-20厘泊)的喷射，在美国专利no.6,253,782(raghu)中公开且在图2中示出的“蘑菇振荡器”已被发现特别有用。raghu广泛描述了运行理论及其尺寸特征，并且它多年来一直是主要的生产选择，产生在0
°
f的甲醇基流体中具有可接受的冷性能的重尾喷雾分布。然而，多年来，随着喷嘴组件预期运行温度的下降和额外流体基的引入，对喷雾分布和冷性能的要求增加了。甲醇基流体正慢慢被乙醇基或异丙基流体所取代。这些流体在低温下与过去的甲醇基流体相比具有明显更高的粘度。如us7,267,290和us7,472,848中所述那样提出并且采用了对流体振荡器回路的基本几何结构的微小改进。这两种改进都试图在高粘度流体中的射流中产生额外的不稳定性，从而帮助回路建立稳健的振荡。
7.图1示出了us7,267,290的一个实施例，其教导在圆顶或蘑菇结构之后结合指状结构，以试图在动力喷嘴的供给中产生额外的不稳定性，即涡流。图2示出了us7,472,848的一个实施例，其在动力喷嘴的出口处引入了台阶，以在射流的路径中引入额外的再循环或涡流，从而建立不稳定性。
8.这两种改进都产生了稍好的冷却性能回路，但也有一些缺点。例如，us7,267,290
要求回路稍长一点，而这在可用的封装空间内通常是不允许的。此外，这种构造对于低流量回路可能难以扩展。us7,472,848是两者中被最广泛采用的，其对冷性能有微小的改进，但对喷雾分布没有改进。正如可以注意到的，这两项专利都描述了交互区域外的回路的改变。
9.然而，还发现的是随着这种液体温度持续降低从而导致其粘度增加(例如25厘泊)，这种类型的振荡器性能可能会恶化到其不再提供本质上充分振荡的射流，以允许其喷雾分布在可观的扇形角度上。这种情况在使用这种流体振荡器的风挡清洗器应用中尤其成问题。
10.为了改善传统蘑菇回路的分布的交互区域修改尝试带来了us7,651,036，其被归类为由图6示出的“三射流岛”回路。这里，额外的射流和岛被引入到交互区域，以产生若干额外的涡流和不稳定性。三射流岛回路提供了改进的冷性能以及对分布均匀性的一些改进。虽然这种回路工作得很好，但它确实带来了一些制造挑战。例如，随着回路的流量下降，内部较小的第三岛的尺寸变得相当小并且相对脆弱。通过将芯片推入到狭槽(图5)中来组装流体振荡器芯片的行为可能会损坏较小的岛34或者甚至使其断脱。作为结果，该三射流岛回路只能可靠地用于相对高流量的喷嘴，因为额外的碎片可能会导致意外的所得喷雾几何结构。此外，第三流动通道的添加需要所有三个流动通道或动力喷嘴24变得更小以将流量保持在规格内，从而导致更高的堵塞风险。这必然增加过滤器区域的复杂性，这具有其自身的制造和封装挑战。
11.尽管有许多与流体振荡器相关的现有技术，但仍需要对用于在较冷环境中使用的流体振荡器的设计进行进一步的技术改进。本发明描述了为改进回路而进行的额外工作，同时消除了以上描述的一些缺点。


技术实现要素：

12.本公开涉及用于喷嘴组件的流体振荡器回路的实施例。在一个实施例中，提供了一种流体振荡器回路，其包括被限定在表面中的几何结构，该几何结构包括构造成接收流体流的至少一个入口。交互区域可以位于至少一个入口和出口之间，所述交互区域由周边壁限定。至少一个动力喷嘴可以构造成产生从所述至少一个入口接收并且在所述交互区域内循环的流体的射流。出口可以是与交互区域连通的出口，并且构造成以所需喷雾模式从其中分配流体的振荡喷雾。顶点突起可以沿着所述交互区域的周边壁定位并且从所述周边壁向内突出。所述至少一个入口可以包括一种几何结构，其允许与该几何结构被限定在其中的表面的相对侧流体连通。所述几何结构可以进一步包括从所述至少一个入口到所述动力喷嘴的细长路径。所述交互区域可以包括由所述周边壁限定的圆顶形或蘑菇形区域。所述几何结构可以包括被限定在所述表面中的第一入口和第二入口，所述第一入口可以与第一动力喷嘴连通，并且所述第二入口可以与第二动力喷嘴连通，所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴各自构造成产生从所述至少一个入口接收并且在所述交互区域内循环的流体的射流，其中所述顶点突起可以沿着所述交互区域的周边壁定位在所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴之间。所述顶点突起可以定位成距所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴中的每一个为相等距离。所述顶点突起成形为包括所述交互区域的两个圆形或弯曲的周边壁在一点处相交的相交部。所述顶点突起可以成形为包括所述交互区域的两个圆形或弯曲的周边表面在一点处相交的相交部，并且所述点距沿着所述交互区域定位的第一动力喷
嘴和第二动力喷嘴为相等距离。所述顶点突起可以构造成引导或稳定由来自所述交互区域内的至少一个动力喷嘴的流体射流所形成的多个涡流的位置，以控制涡流在其中的几何布置，其中所述多个涡流包括左涡流和右涡流，所述左涡流和所述右涡流由因在低温中操作而具有增加的粘度的流体所形成。所述第一入口和所述第二入口可以分别与所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴连通，其中所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴不由公共增压室供给。出口可以包括不对称或偏转的角度构造。
13.在一实施例中，所述几何结构可以包括被限定在所述表面中的第一入口和第二入口，所述第一入口与第一动力喷嘴连通，并且所述第二入口与第二动力喷嘴连通，所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴各自构造成产生从所述至少一个入口接收并且在所述交互区域内循环的流体的射流。可以在所述第一动力喷嘴的出口附近限定一组指状隆起，并且在所述第二动力喷嘴的出口附近限定一组指状隆起，所述指状隆起沿着所述交互区域的周边壁限定。
14.在另一个实施例中，提供了一种用于喷嘴组件的流体振荡器回路，其包括在表面中限定的几何结构，其包括构造成接收流体流的至少一个入口。交互区域可以位于所述至少一个入口与出口之间，所述交互区域由周边壁限定。至少一个动力喷嘴可以构造成产生从所述至少一个入口接收并且在所述交互区域内循环的流体的射流。出口可以与所述交互区域连通，其构造成以所需喷雾模式从其中分配流体的振荡喷雾。一组指状隆起可以沿着所述交互区域的周边壁被限定在所述动力喷嘴的出口附近。所述至少一个入口可以包括一种几何结构，其允许与该几何结构被限定在其中的表面的相对侧流体连通。所述几何结构可以进一步包括从所述至少一个入口到所述动力喷嘴的细长路径。所述交互区域可以包括由所述周边壁限定的圆顶形或蘑菇形区域。所述几何结构可以包括被限定在所述表面中的第一入口和第二入口，所述第一入口与第一动力喷嘴连通，并且所述第二入口与第二动力喷嘴连通，所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴各自构造成产生从所述至少一个入口接收并且在所述交互区域内循环的流体的射流。所述顶点突起可以沿着所述交互区域的周边壁定位在所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴之间。所述几何结构可以包括被限定在所述表面中的第一入口和第二入口，所述第一入口可以与第一动力喷嘴连通，并且所述第二入口可以与第二动力喷嘴连通，所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴各自构造成产生从所述至少一个入口接收并且在所述交互区域内循环的流体的射流。所述第一动力喷嘴可以包括从所述第一动力喷嘴的出口的第一侧延伸的第一指状隆起以及沿着所述交互区域的周边壁从所述第一动力喷嘴的出口的第二侧延伸的第二指状隆起。所述第二动力喷嘴可以包括从所述第二动力喷嘴的第一侧延伸的第一指状隆起以及沿着所述交互区域的周边壁从所述第二动力喷嘴的第二侧延伸的第二指状隆起。所述指状隆起用于通过延伸到所述交互区域中来延长所述动力喷嘴并且构造成从其中产生流体的射流，其构造成降低附着到所述交互区域的周边壁的可能性。所述第一入口和所述第二入口可以分别沿着所述表面与所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴连通，其中所述第一动力喷嘴和所述第二动力喷嘴不由公共增压室供给。出口可以包括不对称或偏转的角度构造。
附图说明
15.通过结合附图参考本发明的当前优选示例性实施例的以下更详细描述，将更完全
地理解和领会本发明的这些以及其它目的和优点，附图中：
16.图1是现有技术的蘑菇式流体振荡器回路的前视图；
17.图2是现有技术的流体振荡器回路的放大示意图；
18.图3是现有技术中带有多个过滤柱的流体振荡器芯片的放大视图；
19.图4是现有技术中带有偏转构造的流体振荡器回路的前视图；
20.图5是现有技术的分解开的喷嘴组件和流体振荡器芯片的透视图；
21.图6是现有技术的带有三射流岛构造的流体振荡器回路的前视图；
22.图7是如美国专利no.6,253,782所描述的现有技术的流体振荡器回路中用于流体的交互区域和涡流位置的示意图；
23.图8a是示出本公开的振荡器回路的流体流动的交互区域和涡流位置的示意性前视图；
24.图8b是示出本公开的振荡器回路的流体流动的交互区域和涡流位置的示意性前视图；
25.图8c是示出本公开的振荡器回路的流体流动的交互区域和涡流位置的示意性前视图；
26.图8d是示出本公开的振荡器回路的流体流动的交互区域和涡流位置的示意性前视图；
27.图9a是本公开的振荡器回路的实施例的前视图；
28.图9b是本公开的振荡器回路的实施例的前视图；
29.图10是本公开的流体振荡器回路的偏转喷雾的图像；
30.图11是现有技术的流体振荡器回路的现有喷雾的图像视图；
31.图12a是本公开的流体振荡器回路的实施例的前视图；
32.图12b是本公开的流体振荡器回路的实施例的前视图；并且
33.图13是示出甲醇和乙醇流体的粘度对温度曲线的图表。
具体实施方式
34.现在将详细参考本教导的示例性实施例，其示例在附图中示出。应该明白的是，还可以采用其它实施例，并且可以做出结构和功能上的变化，而不背离本教导的相应范围。另外，各个实施例的特征可以被组合或变更，而不背离本教导的范围。如此，以下描述仅通过说明方式给出，并且不应该以任何方式限制可对于所示实施例做出的并且仍然处于本教导的精神和范围内的各种替代方案和修改方案。在本公开中，对特定形状、材料、技术、配置等的任何标识与所给出的特定示例相关，或者仅仅是对这种形状、材料、技术、配置等的一般描述。
35.提供了修改流体振荡器回路的交互区域的构思，其是改进并且未被现有技术描述或教导。图8a-8d示出了流体振荡器回路100的各种几何结构，该流体振荡器回路可以限定在待插入或以其他方式附接到喷嘴组件的芯片内。流体振荡回路的几何结构可以被限定在芯片的表面或喷嘴装置内的表面中。回路和表面和/或喷嘴装置可以由包括聚合物或合金的刚性材料制成，其可以以任何商业方式形成，包括通过模制、增材制造或其他公知方法。
36.在一个实施例中，流体振荡器回路100包括用于接收流体流的至少一个入口110以
及用于以所需喷雾模式从其中分配流体的振荡喷雾的出口120。交互区域130可以设置在入口110和出口120之间，以允许通过其中的所需流体连通。至少一个动力喷嘴140可以围绕交互区域130对齐，以产生从入口110接收并且在交互区域130内循环的流体射流。构成流体振荡器回路100的所确定的每个元件的特定几何结构已经被确定来操纵其中的流体流动，以产生振荡流体喷雾的所需形状。入口110可以具有一定的几何结构，其允许与回路的相对侧然后从入口110到动力喷嘴140的细长路径流体连通。
37.在一个实施例中，交互区域130包括由周边壁或表面132限定的圆顶或蘑菇形区域，该周边壁或表面包括未被现有技术知晓或教导的用以进一步操纵其中的流体流动的特征。特别地，交互区域130可以包括顶点突起150，其沿着交互区域130的周边表面定位并且从周边向内突出。顶点突起150可以定位在两个相对的动力喷嘴140之间。顶点突起150可以定位在与两个相对的动力喷嘴140(比如图8c所示的第一和第二动力喷嘴142、144)中的每一个距离相等的位置处。顶点突起可以成形为包括交互区域130的两个圆形或弯曲的周边表面在一定点处相交的相交部。该相交点可以与沿着交互区域130定位的两个相对动力喷嘴140距离相等。如下所述，相交点可以沿着中心轴线170对齐。
38.顶点突起150可以构造成引导或稳定由交互区域130内的流体射流形成的涡流160的位置，以控制其中涡流的几何布置。图8a和8c示出了一种可能且有效的交互区域几何结构，其包括顶点突起150。在该实施例中，存在分离的入口110，它们分别与相对的动力喷嘴140连通，其中动力喷嘴不从公共增压室被供给。然而，本公开可想到添加顶点突起150可以用于各种类型的流体振荡器回路类型，并且也可以与其他类型的流体振荡器回路(比如利用公共增压室以从入口接收流体的那些回路)一起采用。
39.图8a和8c示出了顶点突起150，其现在被添加到交互区域130以在流体从动力喷嘴140被引入交互区域130时有助于在交互区域130内形成左右涡流160。图7被提供来确定流体流是如何在没有这种顶点突起的情况下穿过公知类型的交互区域的。此外，图8b和8d被提供来作为参照系，以示出可以如何通过添加顶点突起150(如图8a和8c所示)来操纵流体流动从而提供流体流动的一致性。特别地，当流体由于在低温下运行而具有增加度量的粘度时，新公开的具有顶点突起150的交互区域130是特别有益的。
40.例如，当流体从出口120被分配时，在流体流的振荡循环期间，顶点突起150的添加允许沿着顶点突起150的两侧形成多个上部涡流160。与作为来自出口120的流体喷雾的振荡沿着与回路100的中心轴线170大体上对齐的轴线向外被引导的图8c相比，从作为来自出口120的流体喷雾成一定角度的图8a可以特别看到涡流形成的该一致性。注意，涡流160似乎在振荡循环期间具有大体上一致的流体流动形状，因为流体喷雾是沿着整个扇形喷雾形状生成的。
41.相反，图8b和8d示出了形状不一致的涡流160，其中图8b中存在大的上部涡流和小的上部涡流，因为来自出口的流体喷雾成一定角度。此外，与图8b所示交互区域相比，图8d示出了形状不一致的涡流160，因为来自出口120的流体喷雾的振荡是沿着与回路的中心轴线170大体上对齐的轴线向外被引导。
42.以包括顶点突起150的流体振荡器回路100的几何结构制成了样本回路。其被测试为可以产生大约53度的标称扇形，具有与上述三射流岛回路非常类似的均匀喷雾模式。其流量在22psi时约为500ml/min。冷性能在0华氏度时在50％甲醇的溶液中被认为是相当好
的，其中冷扇形在大约5psi时为35度且在6psi时为40度。注意，类似的三射流岛回路将具有在7psi时约为30度、在10psi时为32度且在15psi时为40度的冷扇形。该实施例对现有技术提供了显著改进，因为在低温期间的流体振荡循环中，扇形恢复得更快，从而允许更大的标称扇形角度。
43.在另一个实施例中，如图9a所示，提供了流体振荡器回路100，其具有许多与上述类似的特征，但现在还包括已发现的交互区域改进。该实施例包括一组指状隆起200，其被限定在动力喷嘴140的出口附近。指状隆起200可以从动力喷嘴140的两侧延伸，并且发挥作用以延长动力喷嘴，而不会增加流体振荡器回路或芯片的整体尺寸。添加这种指状隆起200充分延长了动力喷嘴140的管腔，使得当流体流动穿过其中时，产生扩散较少的射流(即，具有较少的壁附着)。在低温和/或高粘度条件下，所产生的在交互中扩散减少的射流导致增加活性/不稳定流体。指状隆起200可以在交互区域130的中间产生更强的流体射流/流动。与没有这种指状隆起的传统蘑菇形交互区域相比，来自出口120的所得流体喷雾被发现是更均匀的扇形。图9a示出了该特征的一个可能的实施例，其具有带不对称或偏转角度构造的出口120以及多个入口110。然而，本公开可想到的是指状隆起200可以适于在已知存在的所有类型的流体振荡器回路中使用并且本公开在这方面不受限制。
44.为了比较，传统蘑菇型回路(图12a或12b左侧的回路)具有与新型回路(图9a)类似的冷性能。然而，因为旧蘑菇回路的喷雾模式是重尾的，所以对于一些应用，比如后部汽车窗口喷雾，它不是优选的。三射流岛回路(图6)产生理想的均匀流体输出喷雾扇形但是缺乏充分的冷性能，并且导致比旧蘑菇回路更不理想的冷性能。
45.指状隆起特征200(图9a)延伸动力喷嘴，并且加上具有竖直供给部的入口110(图8a-8d、9a和9b)，用于改进流体振荡器回路的冷性能。竖直供给部110和指状隆起200的组合实现改进的冷性能，从而具有不太重尾的输出扇形喷雾。此外，顶点突起150(图12b)有助于使喷雾模式更加均匀，而不会损害冷性能。已经确定的是竖直供给部(入口110)与动力喷嘴140的出口之间的短距离被发现有助于改进冷性能，但是会增加制造的风险。
46.图9b示出了本技术的另一个实施例，其包括指状隆起200以及顶点突起150，其具有带不对称偏转角度的喉部出口。这种角度可能约为15度，并且本公开不限于这种几何结构。该特定实施例对喷嘴组件中的流体行为提供了细微的改进，以允许产生所需的所得流体喷雾和冷性能，其减少“重尾(heavy ended)”喷雾扇形几何结构。
47.具有指状隆起的样品回路被发现在正常(温暖)温度下可以产生约60度的扇形，且在18psi时流量为735ml/min。该回路还被发现在甲醇流体(比如50％甲醇流体的溶液)0
°
f时表现出这样的冷性能，即在低温下在4psi时为40度的扇形并且在5psi时为50度的扇形。该回路还被发现在乙醇流体(比如50％乙醇流体的溶液)0
°
f时表现出这样的冷性能，即在7psi时为40度的扇形并且在8psi时为50度的扇形。虽然图9示出了偏转喷雾回路，但它同样适用于非偏转回路。图4示出了一种传统的现有技术蘑菇型流体振荡器回路，其具有偏转构造以便比较。图4的回路包括60度的扇形以及在正常(温暖)温度下在18psi时为810ml/min的流量，而其甲醇流体冷性能在20psi时呈20度并且在30psi时呈40度的扇形。
48.在交互区域增强的该实施例中，流体振荡器回路显示出低温性能的提高，超过了类似的蘑菇回路。
49.以下图像描述了新型构造(图10)与本领域公知的标准蘑菇型流体振荡器回路(图
11)之间的喷雾分布和液滴尺寸的差异。这里，由图10的流体振荡器回路产生的喷雾扇形包括相对较大的液滴尺寸，具有仅略微重尾的喷雾扇形边缘。相比之下，图11所示的传统蘑菇型流体振荡器产生液滴尺寸相对较小的喷雾扇形，其喷雾扇形边缘被认为具有明显较重的边缘。
50.图12a和12b示出了本技术所公开的改进流体振荡器回路设计的实施例，因为它们与本领域公知的回路不同。左侧示出了公知回路nc，并且右侧示出了新型流体振荡器回路100的实施例。这些流体振荡器设计已经被确定为改进流体振荡器回路的冷性能，以产生更高的速度并且产生更均匀的喷雾。
51.图12a示出一个实施例，其包括被限定在动力喷嘴140的出口附近的一组指状隆起200。指状隆起200可以从动力喷嘴140的两侧延伸，并且发挥作用以延长动力喷嘴，而不会增加流体振荡器回路或芯片的整体尺寸。与图9不同，图12a示出了该特征的一个可能的实施例，其具有带对称构造的出口120以及单个入口110。然而，本公开可想到的是指状隆起200可以适于在已知存在的所有类型的流体振荡器回路中使用并且本公开在这方面不受限制。
52.图12b示出了一个实施例，其包括延伸到回路交互区域130中的顶点突起150。现在已被添加到交互区域130的顶点突起150在流体从动力喷嘴140被引入交互区域130时有助于在交互区域130内形成左右涡流160。特别地，当流体由于在低温下运行而具有增加度量的粘度时，新公开的具有顶点突起150的交互区域130是特别有益的。
53.图13被提供来表明当甲醇和乙醇流体的温度下降时它们的粘度增加，因此需要对由流体振荡器为温度降低且粘度增加的流体所产生的喷雾进行改进。
54.尽管本教导的实施例已经在附图中示出并且在前述详细描述中描述，但应该明白的是本教导并不仅仅局限于所公开的实施例，而是本文中描述的本教导能够进行许多重新配置、修改和替代，而不背离以下权利要求书的范围。如下的权利要求书旨在包括所有修改和变化，只要它们落入权利要求书或其等同方案的范围内。