JP2011098284A - 気液混合ノズル - Google Patents

Abstract

【解決課題】気体供給圧が低圧下で、気液混合の噴霧を可能とし、かつ、従来の飛沫のような粒子径の大きい噴霧を抑制可能な気液混合ノズルを提供する。
【課題解決手段】気体噴射部のオリフィス１０１出口先端が、液体噴射部のオリフィス１０２出口先端より噴射方向に突設するように、気体噴射部のオリフィス１０１内に液体噴射部のオリフィス１０２が配置される気液混合ノズル１０であって、気体噴射部のオリフィス１０１入口部近位に、液体噴射部のオリフィス１０２出口部が配置され、気体噴射部の気体供給通路１２と気体噴射部のオリフィス１０１入口部との連なり部Ｃが、その断面視でＲ処理あるいはテーパー処理がなされていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液混合（または２流体）ノズルに関し、より詳細には、気体噴射部のオリフィス出口先端が、液体噴射部のオリフィス出口先端より噴射方向に突設してなる気液混合ノズルに関する。

一般的に、２流体ノズルは、気体供給圧と液体供給圧との２つの圧力を作用させて液体を微粒化（平均粒子径は、例えば１０〜５０μｍ程度）させている。この２流体ノズルの供給液量を調節する機構として、液体流通部の内部に、ニードルを移動可能に配置し、このニードルの移動によって、オリフィス開口面積を絞ることで、供給液量を調整する。

また、近年、様々な産業分野で、低圧の気体供給圧（例えば、１００ｋＰａ以下）での霧化噴射が要望されている。しかし、気体供給圧を低圧にするほど、液体噴射量が減少するものであった。

また、市販の多種の気液混合ノズルにおいて、空気圧力２０ｋＰａ〜５００ｋＰａ、噴霧流量１〜１０００ｍＬ／ｍｉｎの条件下で、気液混合ノズルから噴霧された液微粒子の平均粒子径が１０〜２００μｍの広範囲であった。そして、気液混合ノズルから噴霧された液微粒子中の粒子径の大きい霧（例えば、湿った霧）は、気液混合ノズルからの噴霧方向に対し大きな角度で広がる傾向にある（図７、「飛沫」参照）。粒子径の小さい霧（例えば、乾いた霧、煙霧）は、気液混合ノズルからの噴霧方向軸上に噴出する傾向にある（図７、霧化体参照）。例えば、図７の気液混合ノズルのスプレー半角が１５°の場合に飛沫の噴出半角は約５５°であって、飛沫粒子の平均粒子径が５０〜１００μｍであり、スプレー半角１５°部分の粒子の平均粒子径が１０〜２０μｍであった。すなわち、飛沫の存在により、噴霧全体の平均粒子径が大きくなっていた。

ところで、微粒子ミストを生成するための噴霧ノズル装置が知られている（特許文献１）。この噴霧ノズル装置は、第１ノズル部と第２ノズル部を有し、第１ノズル部からの噴射液と第２ノズル部からの噴射液とを衝突させて、微粒子ミストを形成することができる。しかしながら、２流体ノズル部を２つ備えるため、コスト高であり、小型化にも適していない。また、気体供給圧を低圧にするのに適した構成ではない。

特開２００２−１２６５８７号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、気体供給圧が低圧下で、気液混合の噴霧を可能とし、かつ、従来の飛沫のような粒子径の大きい噴霧を抑制可能な気液混合ノズルを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の気液混合ノズルは、気体噴射部のオリフィス出口先端が、液体噴射部のオリフィス出口先端より噴射方向に突設するように、気体噴射部のオリフィス内に液体噴射部のオリフィスが配置される気液混合ノズルであって、
気体噴射部のオリフィス入口部近位に、液体噴射部のオリフィス出口部が配置され、
気体噴射部の気体供給通路と気体噴射部のオリフィス入口部との連なり部が、その断面視でＲ処理あるいはテーパー処理がなされていることを特徴とする。

気液混合ノズルは、気体噴射部のオリフィス出口先端が、液体噴射部のオリフィス出口先端より噴射方向に突設するように、気体噴射部のオリフィス内に液体噴射部のオリフィスが配置される。気体噴射部のオリフィス先端と液体噴射部のオリフィス先端のそれぞれの位置が一致している構成よりも、液微粒子の噴射量を大きくできる。そして、気体噴射部のオリフィス入口部近位に、液体噴射部のオリフィス出口部が配置される。「気体噴射部のオリフィス入口部近位」は、気体噴射部のオリフィスの入口部の近位であり、お互いが一致している構成、いずれか一方が前後していて一致していない構成がある。

従来の気体噴射部と液体噴射部との各オリフィスの配置は、中空筒状の気体オリフィス内に、中空筒状の液体オリフィスが、それぞれの先端部が一致するように構成されている。そして、気体オリフィスから噴射される気体は、オリフィス出口（断面ドーナツ形）から、その形状が半径方向に拡大しながら略直線状に噴射される。このとき、気体の供給圧力が高いため（例えば２００ｋＰａ〜５００ｋＰａ）、液体オリフィス出口の噴射側前方部に負圧空間が形成され、この負圧による吸液力によって、液体の供給圧力が実質的に無くても、液体が噴射される。従来の配置であれば、気体オリフィスの内側壁面と液体オリフィスの外側壁面とで、上記のように気体の噴射方向（気流）が規定されるが、本願発明のように、気体噴射部の気体オリフィス入口部近位に、液体噴射部のオリフィス出口部が配置される構成においては、気体供給通路から気体オリフィス入口へ気体が流れる際に、液体オリフィスの外壁面がなくなるために、気体オリフィス内で噴射気体同士が合流し（断面ドーナツ形から円柱形の気体流となり）、気体オリフィスを通じて出口から外部に噴射される。この際に、気体オリフィス内の噴射気体流が、液体噴射部オリフィス入口部の噴射側前方部に負圧空間（従来よりも高い負圧空間、あるいは安定した負圧空間）を形成し、供給気体が従来よりも低圧力（１００ｋＰａ以下）であっても液体を吸液して噴射することができる。

さらに本願発明では、気体噴射部の気体供給通路と気体噴射部のオリフィス入口部との連なり部が、その断面視でＲ処理あるいはテーパー処理がなされている。これにより、気体供給通路内壁面から気体オリフィス内壁面に沿うように、滑らかな気流を形成して、気体オリフィス出口への流速が速くなり、液体オリフィス入口部の噴射側前方部の負圧空間をさらに、従来よりも高い負圧空間、あるいは安定した負圧空間に形成することができる。よって、気体供給圧が低圧下でも、吸液力が強く、気液混合噴霧を可能とし、かつ、従来の飛沫のような粒子径の大きい噴霧を抑制することができる。特に、本願発明においては、液体噴射部オリフィス入口部の噴射側前方部の負圧空間を安定して形成できないようなノズル噴射条件、ノズル内部形状においても、気体供給通路と気体オリフィス入口部との連なり部が、その断面視でＲ処理あるいはテーパー処理がなされていることで、上記負圧空間の形成を好適に改善し、高い吸液力で液体噴霧を可能にする。

また、本発明は、気体噴射部のオリフィス入口部近位に、液体噴射部のオリフィス出口部が配置されることで、噴射気体流が、液体噴射部オリフィス内に逆流してしまうような場合においても、Ｒ処理あるいはテーパー処理された上記連なり部により、気体供給通路内壁面から気体オリフィス内壁面に沿うように、滑らかな気流を形成して、そのような逆流を生じさせず、上記負圧空間を好適に形成することができる。

「気体噴射部の気体供給通路と気体噴射部のオリフィス入口部との連なり部」は、それぞれ別体同士を連接した連なり構成でもよく、お互いが一体構成のものの連なり構成でもよい。「Ｒ処理」は、通常のＲ処理をいい、角部や突出部をとり丸みを施す処理である。また、「Ｒ処理」後の連なり部の断面形状を曲率あるいは曲率半径の一つあるいは複数個で表現することもできる。「テーパー処理」は、通常のテーパー処理をいう。本発明においては、「テーパー処理」後の角部に「Ｒ処理」が施されていてもよい。また、「テーパー処理」は、複数のテーパー部を形成することでもよい（いわゆる、断面視で多角形状でもよい）。また、気体供給通路とオリフィス入口部からなる連なり部の角度α（図５参照）は、９０°以上１８０°未満の範囲である。例えば、角度αは、９０°〜１６５°範囲、１１０°〜１４５°の範囲が例示される。

上記発明の一実施形態として、気体噴射部の実質的に同径のオリフィス内に、液体噴射部のオリフィスが配置され、気体噴射部のオリフィスおよび液体噴射部のオリフィスのそれぞれの中心軸が一致する構成がある。

「実質的に同径のオリフィス」は、実質的にストレートのオリフィスを形成していることを意味し、例えば、ノズル内部のオリフィス始端部と、ノズル先端部のオリフィス終端部との、それぞれの直径が同一、加工精度として実質的に同一（テーパー角度を許容する）、あるいは、オリフィス始端部の直径に対し、オリフィス終端部の直径が＋−１０％以内でストレート部を形成することを含む概念である。

気液混合ノズルの他の構成部材としては、公知の部材を用いることができ、例えば、金属製、プラスチック製、ゴム製、それらが混在したもので構成できる。気液混合ノズルに供給される「気体」は、特に制限されず、例えば、空気、清浄空気、高酸素濃度空気、不活性ガス等の気体が挙げられる。また、気液混合ノズルに供給される「液体」は、特に制限されないが、水、イオン化水、化粧水等の化粧薬液、医薬液、殺菌液、除菌液等の薬液、塗料、燃料油、コーティング剤、溶剤、樹脂等が挙げられる。

気液混合ノズル装置に供給される気体の供給圧力は、例えば、５ｋＰａ〜５０ｋＰａ、好ましくは、５ｋＰａ〜４０ｋＰａ、より好ましくは５ｋＰａ〜３０ｋＰａ、さらに好ましくは５ｋＰａ〜２０ｋＰａの低圧条件である。液体の供給圧力は、フリー、例えば、液体の供給圧力等の外的作用がない状態である。この条件において、ノズルを上方に向けて、気体の噴射作用で液体を吸い上げて、気液混合し、液微粒子を発生させ噴射させることができる。特に本願発明においては、Ｒ処理あるいはテーパー処理された上記連なり部により、気体供給通路内壁面から気体オリフィス内壁面に沿うように、滑らかな気流を形成して、上記負圧空間を好適に形成できるので、このような、低エネルギーでも液微粒子を発生させることができる。なお、気体供給圧力を低圧にできるため、気液混合ノズルの気体送給に必要な駆動源（例えば、コンプレッサー、エアポンプ、電源、圧縮空気ボンベ、手動の空気送給機構）を小型化できる。

気液混合ノズルの例を示す断面模式図である。 気液混合ノズル先端部分の例を示す断面模式図である。 連なり部の例を示す断面模式図である。 気流について説明するための図である。 水オリフィス、空気オリフィスの配置および連なり部を説明するための断面模式図である。 本願の気液混合ノズルの噴霧状態について説明するための図である。 従来の気液混合ノズルの噴霧状態について説明するための図である。

以下に、気液混合ノズルについて図を用いて説明する。図１は、気液混合ノズル１０の断面図である。気液混合ノズル１０は、気体を供給する気体供給部１１と、この気体供給部１１から気体を気体噴射部の気体オリフィス１０１に流通する気体供給通路１２と、液体を液体噴射部の液体オリフィス１０２に流通する液体流通部１３と、を有し、図２、５に示すように、この気体オリフィス１０１の内部に液体オリフィス１０２が配置される構成である。気体噴射部の気体オリフィス入口部（連なり部Ｃ）近位に、液体オリフィス出口部が配置されている。

図３は、図２における連なり部Ｃの拡大断面図である。図３（ａ）は、連なり部ＣにＲ処理が施された形状（３０１）を示し、図３（ｂ）では、連なり部Ｃにテーパー処理が施された形状（３０２）を示す。図４（ｂ）に、連なり部Ｃ近傍領域における気流を矢印で示す。図４（ｂ）に示すように、気体供給通路１２内壁面から気体オリフィス１０１内壁面に沿うように、滑らかな気流を形成して、気体オリフィス１０１出口への流速を速くでき、液体オリフィス１０２入口部の噴射側前方部の負圧空間を、従来よりも高い負圧空間であって安定した負圧空間を形成することができる。一方、図４（ａ）は、連なり部ＣにＲ処理あるいはテーパー処理が施されていない場合の気流を矢印で図示しており、これによれば、液体オリフィス１０２の出口部に気流が巻き込み、逆流することが想定され、また、供給気体の圧力が低い場合や不安定な場合においても好適に負圧空間が形成されない場合があるが、本構成のように、連なり部ＣにＲ処理あるいはテーパー処理を施すことで、負圧空間を好適に形成することができる。

また、図２、図５の気体および液体噴射部の断面模式図において、気体オリフィス１０１先端が、液体オリフィス１０２先端より噴射方向に突設している。実質的に同一直径の気体オリフィス１０１内に、液体オリフィス１０２が配置され、気体オリフィス１０１および液体オリフィス１０２のそれぞれのストレート方向の中心軸が一致している。気体オリフィス１０１の連なり部Ｃ（あるいは気体オリフィス始端部）近位に、液体オリフィス１０２先端が配置されている。以下において、気体オリフィスを空気オリフィスと、液体オリフィスを水オリフィスと称することがある。

連なり部Ｃの近傍に配置される液体オリフィス１０２出口先端の位置は、気体オリフィス１０１入口部から、気体オリフィス１０１のストレート長さの±５％の距離である。あるいは、気体オリフィス１０１入口部から液体オリフィス１０２出口先端までの距離（Ｌ２ 図５参照）が、−０．１ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲が好ましく、−０．０５ｍｍ〜０．０５ｍｍがより好ましく、−０．０２ｍｍ〜０．０２ｍｍがさらに好ましい。

（実施例）
空気オリフィス外径（φｄａ［ｍｍ］、図５参照）を０．５５、空気オリフィス内径（φｄｂ［ｍｍ］）を０．５０、水オリフィス径（φｄｗ［ｍｍ］）を０．３０、０．３３、０．３５の３種類とした。連なり部Ｃは、Ｒ処理した。連なり部の角度αは１３５°である。気体供給通路１２の絞り角度が９０°である。空気オリフィス内における水オリフィス先端位置は、Ｌ２が零である。空気圧Ｐａは２３ｋＰａ、空気流量Ｑａが１．０９［ＮＬ／ｍｉｎ］における、水全噴射量（Ｑｗ［ｍｌ／ｍｉｎ］）について測定した結果を表１に示す。気液混合ノズルを噴射方向を上向きにして静置させ、液面高さが水オリフィス先端から−２５ｍｍとなるように水を予め供給しておき、上記３種類の空気圧における水全噴射量（Ｑｗ）を測定した。空気オリフィス１０１のストレート長さ寸法（Ｌ１ 図５参照）は０．５１ｍｍである。空気供給駆動源にコンプレッサーを用いた。

（比較例）
比較例は、連なり部ＣにＲ処理を施していないこと以外、上記実施例と同様である。

図６に、実施例１から３の噴射状態を示す。実施例１から３のいずれにおいても、図７に示すような従来の飛沫発生を好適に抑制できたことが確かめられた。また、表１の結果から、いずれの水オリフィス径（φｄｗ）においても、好適に噴射できた。一方、比較例１から３は、いずれも噴射されなかった。

（他の実施例）
上記のＲ処理に代わり、図３（ｂ）に示すテーパーを連なり部Ｃに形成したこと以外上記実施例１から３と同様である。上記と同様に、好適に噴射できたことが確認できた。

Ｃ 連なり部
１０ 気液混合ノズル
１２ 気体供給通路
１０１ 気体オリフィス
１０２ 液体オリフィス
３０１ Ｒ処理形成部
３０２ テーパー部

Claims (3)

1. 気体噴射部のオリフィス出口先端が、液体噴射部のオリフィス出口先端より噴射方向に突設するように、気体噴射部のオリフィス内に液体噴射部のオリフィスが配置される気液混合ノズルであって、
   気体噴射部のオリフィス入口部近位に、液体噴射部のオリフィス出口部が配置され、
   気体噴射部の気体供給通路と気体噴射部のオリフィス入口部との連なり部が、その断面視でＲ処理あるいはテーパー処理がなされていることを特徴とする気液混合ノズル。
2. Ｒ処理あるいはテーパー処理された連なり部の形状に沿って、気流が生じることを特徴とする請求項１に記載の気液混合ノズル。
3. 低圧の気体供給圧力で、液体を微粒化させて噴射する請求項１に記載の気液混合ノズル。
   
   

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