JP2004351267A - マイクロミスト発生方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少量の液体で加工物を処理する場合、液体を被処理物表面で反発する程のマイクロミストにすることによって表面を濡らすことなく冷却やエッチング反応等が可能なマイクロミスト発生方法とその装置を提供する。
【解決手段】発生室２内に貯留されている液体１０を、導入した加圧ガスを使用して噴射ノズル３３によって噴霧して、これを緩衝バルブ４に衝突して微細化させ、この発生ミストを発生室２内に保持すると共に、この微細化した発生ミストを粒子選別器５内に導入して衝突プレート５２に衝突され、この衝突プレートに反発した１０μｍ以下の粒子をマイクロミストとして放出口５６から放出し、目的のワークに供給する。衝突プレートに付着した大きな粒子は発生器内に回収される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体をマイクロミストの状態にして霧化することができるマイクロミスト発生方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題に対する関心が高まっており、これに応えるため薬液量を出来るだけ微量にして加工物を処理するというニーズが増加している。例えば、加工分野ではドライ切削技術の実用化が急務であり、加工により発生する熱を効率よく冷却するため、少量の水と大量の空気により気化熱を利用した冷却方式が必要となっている。
【０００３】
従来、液体を霧状（微細な液滴）にして被処理面に塗布したり、被処理物を冷却する際には、例えば図４（ａ）に示すようにポンプＡ、薬液槽Ｂ及びノズルＣとからなる霧化装置を用いて、薬液槽Ｂ内の薬液をポンプＡによって加圧して小径のノズルＣに送り、このノズルＣから薬液を噴射することで霧状（ミスト）にしていた。この方式に気体を導入し微細化した液体と気体の混合体を作る方策として、２流体ノズルと呼ばれる液体と気体を混合するノズルＣを用い高圧ガス（主に高圧空気）を２流体ノズルに導入することで、高圧ガスの急激な膨張と拡散作用によってマイクロミスト化した霧化ガス（冷却ガス）を作り出していた。
【０００４】
このような方策で作り出されたマイクロミストの発生ミスト分布（粒子径と発生粒子個数の分布）は、図４（ｂ）のグラフに示すように７０μｍ程度の大きな粒子から５μｍ以下の小さな粒子まで広い範囲の粒子を含み、平均３０μｍ程度の粒子径で、かつノズルからの距離によっても発生ミスト分布が異なるものであった。また、このような霧化装置で空気量／液量の比率を大きくし、体積比で１０００：１の比率にすると、安定したミストの発生が困難になるという問題がある。
【０００５】
このような特性をも霧化装置を、切削等の加工を行う加工物を濡らすことなく、蒸発潜熱（気化熱）を利用して冷却する等の用途に用いた場合、液体の大きな粒子が冷却面に付着し、冷却効率を妨げると共に、無効な液体（薬液）を大量に消費するなどの環境問題を生み出すことになった。この点を改善するために、燃焼機関等の燃料供給に用いられているような、空気流の中に液体を滴下するという方式も考えられるが、装置が大がかりになると共に、安定した粒子分布と濃度が得られないという問題があり、満足な冷却効果が得られない状況にあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に少量の液体（薬液）で加工物を処理（冷却、洗浄、エッチング等）する場合、液体を被処理表面で反発するほどのマイクロミスト（１０μｍ以下の液滴）にすることによって、表面を濡らすことなく冷却やエッチング反応などを行うことができるようにするマイクロミスト発生方法及びその装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のマイクロミスト発生方法及びその装置を提供する。
請求項１に記載のマイクロミスト発生方法は、発生室内に貯留されている液体を、導入した加圧ガスを使用して噴射ノズルによって噴霧し、緩衝バルブに衝突させて微細化して発生器内に保持すると共に、この微細化した微粒子を粒子選別器内に導入して衝突プレートに衝突させ、反発した粒子をマイクロミストとして放出するようにしたものであり、これにより、例えば切削加工に利用する場合には、少量の水と大量の空気により気化熱を利用して、加工によって生じる熱を効率よく冷却でき、ドライ切削技術に適用できる。また、液体として薬液を使用する場合では、少量の薬液ですむため環境の悪化を防止できる。
【０００８】
請求項２のマイクロミスト発生方法は、マイクロミストが１０μｍ以下の液体の微粒子からなることを規定したものであり、このようにマイクロミストが小さな粒子のみで構成されているため、蒸発潜熱を有効に利用して、加工物を濡らすことなく冷却できる。また、薬液の場合では、消費を削減でき、環境の悪化を防止できる。
請求項３のマイクロミスト発生方法は、噴射ノズルと緩衝バルブとの距離を調整可能としたものであり、これにより、粒子分布状態を調整することができる。
【０００９】
請求項４のマイクロミスト発生方法は、粒子選別器に導入される微粒子の流速を調整できるようにしたものであり、これにより、粒子の選別を適正に調整することができる。即ち、液体の表面張力を上回る運動量をもつ大きな粒子は、衝突プレートに付着し液体となって回収され、衝突プレートに反発する小さな粒子が、マイクロミストとして放出されるようになり、この粒子の選別基準を調整することができる。
請求項５のマイクロミスト発生方法は、粒子選別器の衝突プレートに衝突して付着した粒子を液滴として発生室内に回収するようにしたものであり、これにより、大きな粒子が外部に放出され、冷却効率を妨げたり、環境を悪化させたりすることが防止でき、また液体の浪費を防止できる。
【００１０】
請求項６に記載のマイクロミスト発生装置は、液体の貯留と発生ミストの保持を行う気密構造の発生室と、加圧ガスによって液体を発生室内に噴霧する噴射ノズルと、噴霧した霧を衝突させ、微細化させる緩衝バルブと、微細化した微粒子を導入して粒子を選別する粒子選別器とを備えていて、粒子選別器によって選別されたマイクロミストのみを放出するようにしたものである。これにより、小さな粒径のマイクロミストのみを放出できるので、例えば、切削加工によって発生する加工熱をマイクロミストの蒸発潜熱を利用して効果的に冷却することができる。
請求項７のマイクロミスト発生装置は、緩衝バルブと噴射ノズルとの距離を調整可能としたものであり、これにより、微細化される微粒子の分布状態を調整することができる。
【００１１】
請求項８のマイクロミスト発生装置は、粒子選別器が、衝突プレート、粒径調整ねじ、分離液戻り管及び放出口より構成されていることを規定したものであり、粒子選別器に導入される微粒子の導入流速を調整することで、放出されるマイクロミストの粒子分布を適正に選択できるようにしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態のマイクロミスト発生方法及びマイクロミスト発生装置について説明する。図１は、本発明のマイクロミスト発生装置の概略の全体構成及びマイクロミスト発生方法の原理を説明する図である。マイクロミスト発生装置１は、発生室２、噴射機構３、緩衝バルブ４及び粒子選別器５等から構成されている。
【００１３】
発生室２は、ミスト原料である薬液、純水、蒸留水等の液体１０の貯留と、発生室２内で発生した発生ミストの保持とを行うために気密構造となっている。
噴射機構３は、発生室２の内部に配置されており、外部から加圧ガス（例えば加圧空気）を導入する導入管３１と、発生室２内に貯留されている液体１０を吸い上げる給液管３２と、噴射ノズル３３とを有している。導入管３１は射出オリフィス３４によって噴射ノズル３３に、また給液管３２は給液オリフィス３５によって噴射ノズル３３にそれぞれ接続している。したがって、噴射ノズル３３内は、一種の混合器として作用すると共に、導入される加圧ガスの急激な膨張と拡散作用により、吸引した液体１０を霧化し、発生室２内に噴霧する。本実施形態では、噴射ノズル３３の内径はφ２ｍｍで長さは４ｍｍであり、射出オリフィス３４の径はφ０．６ｍｍで、給液オリフィス３５の径はφ０．８ｍｍであるが、これに限定されるものではない。
【００１４】
発生室２内には、噴射ノズル３３と対面するように緩衝バルブ４が配置されている。緩衝バルブ４は、発生室２の一方の側壁２１に貫通するように設けられており、図１において左右方向に摺動可能である。例えば、緩衝バルブ４と発生室２の側壁２１とは螺合されていて、緩衝バルブ４を回すことによって左右方向に移動できる。なお、他の移動方式を採用することも適宜可能である。緩衝バルブ４の噴射ノズル３３と対面する側の端面４１は、平坦に形成されている。本実施形態では、この端面４１の径はφ４ｍｍとなっているが、これに限定されるものではない。このようにして、噴射ノズル３３と緩衝バルブ４との対面距離が調整できるようになっている。したがって、噴射ノズル３３によって噴霧された霧は、緩衝バルブ４の端面４１に衝突し、微細化されて発生室２内に保持される。
【００１５】
発生室２内には、更に粒子選別器５が設けられている。粒子選別器５は、粒子選別空間を形成する本体部５１と、本体部５１内に設けられる衝突プレート５２、本体部５１内で分離された液滴を発生室２内の液体１０の貯留部に戻す分離液戻り管５３及び本体部５１内に導入される微粒子の流速を調整する調整ねじ５４とを有している。また、本体部５１には、発生室２内に保持された微粒子を粒子選別空間に導くための導入口５５と、粒子選別空間で選別されたマイクロミスト（１０μｍ以下の粒子）を外部に放出する放出口５６とが形成されている。
【００１６】
導入口５５は、内方に向って開口面積が挟められる、所謂絞りの形をしていて、この導入口５５と向かい合うようにして衝突プレート５２が配置されている。更に、衝突プレート５２と対面するようにして調整ねじ５４が、発生室２の他方の側壁２２に図１において左右方向に摺動可能に取り付けられている。この場合でも、調整ねじ５４は側壁２２に螺合しており、調整ねじ５４を回すことによって調整ねじ５４は左右方向に移動できる。更に調整ねじ５４の先端部５７は、円錐形をしており、この先端部５７が導入口５５内に臨んでいる。したがって、調整ねじ５４を移動することによって、導入口５５の開口面積を変えることができ、その結果、粒子選別器５の粒子選別空間内に導入される微粒子の流速を調整することができる。
【００１７】
こうして、発生室２内に保持された発生ミストは、粒子選別器５の導入口５５から粒子選別器５内に導入され、調整された流速で衝突プレート５２に衝突する。この衝突によって発生ミスト内の大きな粒子は衝突プレート５２に付着し、小さな粒子は反発してマイクロミスト（１０μｍ以下の粒子）として放出口５６から外部へ放出される。衝突プレート５２に付着した大きな粒子は、液滴となって分離液戻り管５３を通って発生室２内の液体１０の貯留部に回収される。
【００１８】
次に、上記のように構成された本発明のマイクロミスト発生装置の作動（マイクロミスト発生方法）について説明する。
マイクロミストを含む霧状気体を発生するには、液体１０を発生室２内に貯蔵し、外部より加圧ガス（例えば加圧空気）を導入管３１を通って導入し、射出オリフィス３４から噴射ノズル３３に噴射し、この加圧ガスが噴射する際の負圧によって、液体１０を給液管３２を通して吸引し、噴射ノズル３３内で気液混合体として、ここから発生器２内に噴霧する。ここまでは、従来技術の霧化装置と同様であり、噴霧された粒子の分布状態は、図２（ａ）のＡ分布で示すような状態となる。即ち、図４（ｂ）の従来の二流体のノズルの生成分布と同じように、７０μｍ程度の大きな粒子から５μｍ程の小さな粒子までの広範囲の粒子径をもつ粒子を含んだ状態となっている。この場合、３５μｍ前後の粒子径の粒子が一番多く含んでいる。
【００１９】
噴射ノズル３３から噴霧された霧（ミスト）は、緩衝バルブ４の平坦な端面４１に衝突する。この場合、噴射ノズル３３と緩衝バルブ４の対面距離を適正に調整することで、噴霧された霧は、衝突による衝撃で一部は分散し、粒子の分布状態は、図２（ａ）及び（ｂ）のＢ分布で示すような状態となる。しかし、大半の粒子は衝突によって増粒し液滴となって落下し液体１０の貯留部に回収される。このＢ分布の状態では、１０μｍ前後の粒子径の粒子を一番多く含んでいる。
この作用を繰り返すことによって、加圧ガスは液体１０内に飽和状態になるまで溶解し、わずかな減圧で液体を引き千切る作用を増長する効果が得られる。発生ミストは、Ｂ分布の状態で発生室２内に保持される。
【００２０】
以上の作用によって、発生室２内の発生ミストの粒子分布状態はＢ分布の状態となるが、本発明が求めるマイクロミスト（１０μｍ以下の粒子）の状態には及ばず、多くの大径粒子（１０μｍ以上）を依然として含んでいる。そのため、次にこれらの発生ミストは加圧ガスのガス流に乗って導入口５５から粒子選別器５内に流れ込む。粒子選別器５では、調整ねじ５４によって導入口５５の開口面積が適正に調整されているため、発生ミストは開口面積に応じた流速で粒子選別空間に導入され、衝突プレート５２に衝突する。その際、液体１０の表面張力を上回る運動量をもつ発生ミストの大きな粒子は、衝突プレート５２に付着し液体となって分離液戻り管５３を通って発生室２内の液体１０の貯留部に戻って回収されることになる。衝突プレート５２に付着することなく、これに反発した粒子は、図２（ｂ）のＣ分布で示した粒子分布となる。即ち、ほぼ１０μｍ以下の粒子径の粒子だけとなり、７μｍ程の粒子径が一番多く含んでいる。このようにして得られた反発粒子をマイクロミストとして粒子選別器５の放出口５６から放出し、目的のワークに供給される。
【００２１】
図２（ｃ）は、衝突プレート５２に衝突する際の発生ミストの流速と衝突によって得られる粒子の粒子径との関係を示すグラフであり、例えば、流速が４ｍ／ｓのときに３μｍの粒子径の粒子が多く得られることを示しており、流速を上げれば、より小さな粒子径の粒子が得られることを示している。本発明では、好適には、流速が約２〜４ｍ／ｓになるように、導入口５５の開口面積が調整される。
【００２２】
図３は、本発明のマイクロミスト発生装置をドライ切削用の刃具の冷却に適用した具体例を示している。図３において、マイクロミスト発生装置１は、図１と構成が左右で入れ替わっているが全く同じものである。図３において、符号６は加工ワークを、符号７は刃具を、符号８は冷却ノズルを示しており、冷却ノズル８がマイクロミスト発生装置１のマイクロミストの放出口５６にマイクロミスト導入管９を介して接続している。したがって、マイクロミスト発生装置１で生成されたマイクロミストが加圧空気と共に、マイクロミスト導入管９で送られ、冷却ノズル８から加工が行われている部分に吹き出されることによって、加工熱を除去し、加工が行われる。こうして、加工ワーク６の刃具７による切削によって生じる。加工ワーク６と刃具７との界面の加工熱を、多量の空気に少量の液体（水）を混合した冷却ガスによって、空気のもつ熱量を大きく上回る水の気化熱によって効率よく冷却することができる。
【００２３】
図３の具体例では、切削時の加工熱の除去の例で示したが、本発明のマイクロミスト発生方法及びその装置は、薬液の塗布や、表面処理（洗浄、エッチング）等、液体を微細化して気体と共に供給するシステムであれば、どのような用途にも適用可能であることは言うまでもない。更に、特異な例としては、燃料を薬液として空気に混合して供給するシステムに用いれば、極めて燃焼効率の高いシステムとなる。
【００２４】
以上説明したように、本発明のマイクロミスト発生方法及びその装置は、少量の液体（薬液）によって、効率よく加工ワークの冷却や処理をすることが、簡便な装置構成で可能となる。また、付着しないマイクロミストの効果によって、発生ミストを配管によって長距離（数メートル）移送することができるため、従来では冷却が困難な空間の冷却も、配管の導入のみで可能となり、困難な冷却ニーズに対し、その柔軟性を生かした供給方式が採用できるので、空間の影響を受けることなく確実な冷却作用を実現することができる。
更に、本発明のマイクロミスト発生方法では、粒子径の分布や濃度を発生室に設けた緩衝バルブと調整ねじによって任意に調整できるため、最適な供給条件を得ると共に安定した供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のマイクロミスト発生装置の概略の全体構成及びマイクロミスト発生方法の原理を説明する図である。
【図２】発生ミストがマイクロミスト化する過程を説明するグラフであり、（ａ）は噴射ノズルによる噴霧の緩衝バルブに衝突する前後の粒子分布を示すグラフで、（ｂ）は衝突プレートに衝突する前後の粒子分布を示すグラフで、（ｃ）は、衝突プレートに衝突する前の粒子の流速と衝突後の粒子径を示すグラフである。
【図３】本発明のマイクロミスト発生装置を切削用の刃具の冷却に適用した具体例を説明する図である。
【図４】従来の（ａ）霧化装置と（ｂ）発生ミストの分布を説明する図である。
【符号の説明】
１…マイクロミスト発生装置
２…発生室
２１，２２…側壁
３…噴射機構
３１…（加圧ガス）導入管
３２…給液管
３３…噴射ノズル
４…緩衝バルブ
４１…端面
５…粒子選別器
５１…本体部
５２…衝突プレート
５３…分離液戻り管
５４…調整ねじ
５５…導入口
５６…放出口
５７…先端部
６…加工ワーク
７…刃具
８…冷却ノズル
９…マイクロミスト導入管
１０…液体

Claims (8)

1. 液体をマイクロミストの状態に微細化し、放出するマイクロミスト発生方法において、
   液体を貯留する発生室内で、加圧ガスを導入する噴射ノズルによって前記液体を噴霧して緩衝バルブに衝突させて、微細化して保持すると共に、この微細化した微粒子を粒子選別器に導入して衝突プレートに衝突させ、反発した粒子をマイクロミストとして外部に放出することを特徴とするマイクロミスト発生方法。
2. 前記マイクロミストが１０μｍ以下の液体の微粒子からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミスト発生方法。
3. 前記噴射ノズルと前記緩衝バルブとの距離が調整可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロミスト発生方法。
4. 前記粒子選別器に導入される微粒子の流速が調整可能であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のマイクロミスト発生方法。
5. 前記粒子選別器の前記衝突プレートに衝突して、付着した粒子が、液滴となって前記発生室内に回収されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロミスト発生方法。
6. 液体をマイクロミストの状態に微細化し、放出するマイクロミスト発生装置が、
   液体の貯留と発生ミストの保持を行うために気密構造となっている発生室と、
   前記発生室内に配置され、導入される加圧ガスによって前記液体を前記発生室内に噴霧する噴射ノズルと、
   前記噴射ノズルによって噴霧した霧を衝突させ、微細化させる緩衝バルブと、
   前記発生器内に配置され、前記緩衝バルブに衝突して微細化された微粒子を導入して、粒子を選別する粒子選別器と、
   を備えていて、
   前記粒子選別器によって選別されたマイクロミストを放出することを特徴とするマイクロミスト発生装置。
7. 前記緩衝バルブと前記噴射ノズルとの距離が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミスト発生装置。
8. 前記粒子選別器が、導入される微粒子が衝突する衝突プレートと、導入される微粒子の導入流速を調整する粒径調整ねじと、前記衝突プレートに衝突し、付着した粒子を液滴として回収する分離液戻り管と、前記衝突プレートに衝突し、反発した粒子をマイクロミストとして放出する放出口とより構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のマイクロミスト発生装置。

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