JP3695551B2 - 二流体ノズル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は二流体ノズルに関し、詳しくは、気体と液体、あるいは気液混合気体と液体とを衝突混合させて微粒化した気液を噴射させるもので、高温物体または気体(ガス)冷却用等、重油等の燃焼用等に用いるものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の二流体ノズルとしては、ノズル内部で衝突混合させる内部混合方式と、噴口より外部に出た位置で衝突混合させる外部混合方式とがある。
【0003】
外部混合方式としては、図11に概略的に示す二流体ノズルがあり、該二流体ノズルでは、ノズル本体1の中心穴1aより液体を供給するとともに、外周に設けた穴1bよりエアを供給し、噴射口1cの外部でエアAと液体Lとを衝突混合させている。
【0004】
内部混合方式としては、図12に示す二流体ノズルがあり、ノズル本体4の中心穴4aにエアAを供給すると共に外周面に開口した穴4bより液体Lを供給し、ノズル本体の内部室4cでエアと液体とを衝突混合させ、気液を混合した状態で、ノズル本体4に連結したノズルチップ5の噴射口5aより噴射している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記図11に示す外部混合方式では、設計通りのエアと液体が供給されている場合は、気液を衝突混合させると所要の微粒化を図ることができるが、エア側にトラブルが発生し、エア量が減少あるいはエア圧が減少し、さらに、液体のみが噴射される場合には、液体が噴射口から棒流となって噴射され、被噴射体に当たることとなる。その場合、液体圧は1kg/cm2〜8kg/cm2であるため、被噴射体が3m程度離れていても損傷を受ける場合がある。この点、内部混合方式では、液体のみとなっても噴射口より所要角度に拡散されて噴射されるため、棒流が被噴射体に直接当たることはなく、上記問題は発生しない。
【0006】
しかしながら、内部混合方式では、気水比(気体/液体)を小さくし、供給エア量を少なくすると、粒子径が大きくなる問題がある。即ち、気水比と粒子径との関係は、図13のグラフに示す通りであり、低エネルギー化を図り、気水比を小さくした場合には、粒子径が大きくなる問題がある。
【0007】
本発明は上記した問題に鑑みて、エア側にトラブルが発生して液体のみが噴射されても棒流とならず、被噴射体に損傷を発生させず、しかも、気水比が低下しても、粒子径を内部混合方式のノズルほど低下させず、言わば、外部混合方式と内部混合方式の両方の問題を解消した二流体ノズルを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ノズル内部に、液体供給路と、その外周位置に気体供給路を設け、ノズル先端の噴射口の内部側で、上記液体供給路の先端に設けた液体流出穴より噴出する液体に対して交差して衝突するように、上記気体供給通路より上記噴射口へと連通する気体流路を対向して設け、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させ、かつ、
上記ノズル先端の噴射口を囲む先端閉鎖壁を、上記液体流出穴より噴出する液体の遮蔽部として、液体が衝突する構成としている二流体ノズルを提供している。
【0009】
噴射口近傍のノズル内部で、液体流出口より噴射する液体に対して、外周より気体を略直交する方向で衝突させ、液体流路と気体流路とを交差させて液体と気体とを衝突させているため、粒子径を微細化することができる。このように、液体と気体とを噴射口の直前で衝突混合させているため、気水比を低下させても粒子径を小さくできる。さらに、噴射口の近傍で先に気体と衝突混合させた気液混合物同士を衝突させているため、さらに液体の微粒化を図ることができる。
【0011】
上記構成のノズルでは、液体供給路より噴射口へと導出する液体は、噴射口の周縁の遮蔽部へ衝突して拡散するため、仮に、気体流通路より供給される気体が少ない場合あるいは気体がない場合にも、液体が棒流として噴射口より噴射される恐れはない。また、液体として粘性のあるものを用いた場合も、遮蔽部に衝突させているため、粒子径の微粒化を図ることができる。さらに、遮蔽部に向かって導出する液体あるいは遮蔽部に当たって拡散した液体に対して、外周より気体を略直交する方向で衝突させ、かつ、気体流路を対向して設け、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させているため、粒子径を微細化することができる。
【0012】
上記液体供給路を設けるノズルチップの閉鎖端壁を、上記噴射口を設けた先端閉鎖壁の内部側に間隔をあけて配置し、上記閉鎖端壁より小径筒部を突設して噴射口の周縁の先端閉鎖壁内面に当接させ、該小径筒部の周壁に対向した溝を設け、上記気体流路は上記溝を通るようにすると共に上記液体流出穴を溝内面に開口させ、上記液体流出穴から噴出される液体を上記遮蔽部に衝突させると共に上記溝を通る気体と交差させて衝突させ、かつ、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させる構成としている。
【0013】
また、本発明では、ノズル内部に、液体供給路と、その外周位置に気体供給路を設け、ノズル先端の噴射口の内部側で、上記液体供給路の先端に設けた液体流出穴より噴出する液体に対して交差して衝突するように、上記気体供給通路より上記噴射口へと連通する気体流路を対向して設け、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させ、
上記液体供給路を設けるノズルチップの閉鎖端壁の中央部に上記噴射口を設けると共に該噴射口の周壁に対向させて貫通穴を設け、上記気体流路は上記貫通穴を通るように構成すると共に上記液体流出穴を貫通穴の内面に開口させ、該液体流出穴から噴出する液体を上記貫通穴の対向面を遮蔽部として衝突させると共に貫通穴を通る気体に交差させて衝突させ、かつ、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させる構成としている二流体ノズルを提供している。
【0014】
上記外周位置の気体供給路と噴射口とを連通する遮蔽部に沿った気体流路は、対向させて2以上形成し、かつ、対向させた気体流路がなす角度を180度〜30度に設定している。
上記対向する気体流路がなす角度が180度の場合、対向する気体が衝突する位置は噴射口の内部位置であり、60度〜30度の場合は、対向する気体が衝突する位置は噴射口の外部位置である。いずれの場合も、噴射口の周壁内面に沿った気体流路で、気体と液体とを衝突混合させるため、気体と液体とは噴射口近傍のノズル内部で衝突混合される。なお、30度より小さい角度とすると、衝突混合させる気体同士が同一方向に向かって流れる層流状態となり、粒子が合体して微細化とは逆に粗大化する恐れがある。また、180度より大きいと気体が噴射口より前方へと噴出されにくい。
【0015】
上記のように、外周位置から供給する気体を噴射口近傍の内部あるいは外部で衝突させ、しかも、これら噴射口へと流出する気体には既に液体と交差させて液体と衝突混合させているため、衝突による粒子径の微粒化を確実に図ることができる。よって、気水比を低下させて低エネルギー化を図った場合にも、粒子径が粗大化することを抑制、防止できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1乃至図4は第1実施形態を示す。二流体ノズル10は全体として長尺な円筒形状のシンプルな形状である。円筒形状の外筒11の内部に所要空間をあけて円筒形状の内筒12を収容しており、これら外筒11と内筒12との後端側にはプラグ13を内筒12に外嵌すると共に、外筒11に内嵌して取り付け、プラグ13に配管(図示せず)を介して液体供給源(図示せず)と接続し、内筒12の軸穴からなる液体供給路14に液体を導入するようにしている。また、外筒11の周壁の一部に開口11aを設け、該開口11aにプラグ15を取り付け、該プラグ15を配管(図示せず)を介して圧搾エア源(図示せず)に接続し、外筒11と内筒12との間の環状空間からなる気体供給路16に高圧エアを導入するようにしている。
【0017】
上記内筒12の前端は外筒11の前端より突出し、外筒11の前端に内筒12を気体供給路16をあけて囲繞する円筒状のアダプター17を取り付け、該アダプター17の前部にノズルボデイ18を取り付けている。一方 内筒12の前端にはノズルチップ19を取り付けており、該ノズルチップ19は前部はアダプター17の前端より前方に位置させている。
【0018】
上記ノズルボデイ18は、アダプター17に外嵌する円筒形状の周壁18aの前端に、90度に屈折した先端壁18bを連続させ、該先端壁18bの中央部に噴射口20を設けている。噴射口20は前方に向かって外周側へ傾斜した外開き形状で、かつ、噴射口20と間隔をあけた位置に前端面に断面V字形状の水切溝18cを環状に設けている。
【0019】
上記ノズルチップ19は図3および図4(A)(B)に示す形状で、小径部19a、中径部19b、大径部19c、小径筒部19dを後端より前端にかけて連続させた構成で、小径部19aより中径部19bにかけて内部を中空として、内筒12の液体供給路14と連続する液体供給路19eを設けている。大径部19cは内部を中空とせずに閉鎖端壁とし、対向する2つの位置に上記液体供給路19eと連通する液体流出穴19f、19gを設けている。さらに、大径部19cおよび中径部19bの外周面には対向した位置に連続した切欠19h、19iを設けている。閉鎖壁を構成する大径部19cの前端中央から上記小径筒部19dを突出させており、その周壁に対向して2つの溝19j、19kを設け、これら溝19jと19kの溝の底面に上記液体流出穴19fと19gを開口させている。
【0020】
上記ノズルチップ19は図1および図2に示すようにノズル内部にセットしており、後端の小径部19aを内筒12の前端部に外嵌固定し、小径部19aの外周面とアダプター17の内周面との間に気体供給路16と同一断面積の気体流路を連続して形成し、かつ、中径部19bの外周面とアダプター17の内周面との間に断面積が小さい気体流路21を形成している。その前部の大径部19cでは、その突出した一対の円弧形状の外周部19m、19nがノズルボデイ18の周壁18aの内周面に当接する一方、切欠19h、19iの部分では周壁18aとの間に図2に示すように気体流路22を形成している。また、大径部19cの前端面はノズルボデイ18の先端閉鎖壁18bとの間に隙間をあけているため、上記気体流路22は図2に示すように、先端閉鎖面18bに突き当たった後に、先端閉鎖面18bの内面と大径部19cの前端閉鎖面の間の気体流路23へと屈折して噴射口20側へと導出されるようにしている。
【0021】
ノズルチップ19の前端の小径筒部19dは、ノズルボデイ18の先端閉鎖壁18bの中央に設けた噴射口20を囲むように突出し、先端閉鎖壁18bの内面に当接している。小径筒部19dに設けた一対の溝19jと19kとは上記気体流路23と連通し、溝19j、19kを通して気体が噴射口20へと噴射されるようにしている。かつ、溝19jと19kの底壁に開口した液体流出穴19f、19gから流出する液体は溝19j、19kを通してノズルボデイ19の先端閉鎖壁18bの内面に当たり、該先端閉鎖壁18bが遮蔽部としての作用をする。
さらに、溝19j、19kを流れる気体と液体流出穴19f、19gから流出する液体は気体と略直角方向に交差して、衝突混合するようにしている。
【0022】
上記溝19j、19iを通して噴射口20へと流出する気液混合物は、噴射口20の開口中央位置の内部側で両側より正面衝突して混合し、この状態で、噴射口20より外部へと噴射されるようにしている。
【0023】
上記構成の二流体ノズル10は、ゴミ焼却場において高温ガス冷却用、製鉄所において高炉、炉頂冷却用、あるいは、重油燃焼用、脱硝用として用いられ、200℃〜1300℃程度の高温雰囲気中に設置される場合が多い。よって、二流体ノズル10では、その内部に液体(冷却用の場合は水、重油燃焼用の場合は粘性のある重油、脱硝用の場合はアンモニア)を流通させ、外周部にエアを流通させているため、エアで断熱させて、内部の液体の高温化を抑制できる。
【0024】
上記二流体ノスル10においては、内筒12の中心の液体供給路14に供給される液体は、ノズルチップ19の液体供給路19eを通って一対の液体流出穴19f、19gより溝19j、19kへと流出し、ノズルボデイ18の先端閉鎖壁18bに突き当たって微粒化する。一方、液体供給路14の外周に位置する気体供給路16に供給される高圧エアはノズルチップ19の中径部19bとアダプター17との間の流路断面積が小さい気体供給路21をへて気体供給路22へと流れ、ノズルボデイ18の先端閉鎖壁18bに突き当たった後に直角方向に屈折して気体供給路23へと流れ、ここでノズルチップ19の溝19j、19kを通り、噴射口20へと流出する。溝19j、19kを通過する時に、液体流出穴19f、19gより流出する液体および先端閉鎖壁18bに当たって跳ね返った液体と直交するように衝突し、液体を微粒化する。この微粒化した気液混合物が噴射口20の内部側中心位置で、両側より言わば正面衝突し、さらに粒子径が小径となるように微粒化する。この微粒霧が噴射口20より噴射される。
【0025】
上記ノズルにおいて、仮に、エア側にトラブルが生じて、エアが供給されない場合、あるいは、エア量が少ない場合が発生しても、液体はノズルボデイ18の先端閉鎖壁18bからなる遮蔽部に衝突して微粒化した後、噴射口20より噴射されるため、棒流となることはない。また、液体が粘性を有する場合、粘性のある液体を遮蔽部に衝突させて微粒化できる利点もある。
【0026】
さらにまた、液体およびエアは、夫々曲がりのない直線状の供給路を通して流通するため、曲がり部分で発生しやすい目詰まりや、異物の堆積が発生しにくく、メンテナンスフリーで、スムーズに液体および気体を流通させることができる。
【0027】
図5および図6は第2実施形態を示し、第1実施形態との相違点は、ノズルチップ19の小径筒部19dに90度間隔をあけて溝19j、19k、19p、19qを設け、かつ、これら溝底面にそれぞれ液体流出穴19f、19g、19r、19sを設けた点である。
【0028】
上記第2実施形態では、噴射口20に向かって4方より液体と既に衝突混合した気液が流出して、噴射口20の中央部内部側で衝突混合し、さらに液体を微粒化した後、噴射口20より噴射される。
【0029】
図7は第3実施形態を示し、第1実施形態との相違点は、ノズルチップ19’の小径筒部19’dに設けた一対の溝19’jと19’kの底面を傾斜させると共に、該溝19’jと19’kとに対向するノズルボデイ18’の先端閉鎖壁18’bの内面を上記溝底面と平行となるように傾斜させている。よって、溝底面と先端閉鎖壁18’bとの間に形成される気体流路23’を傾斜させ、対向する気体流路23’のなす角度θを120度としている。
【0030】
上記対向する気体流路23’のなす角度を120度とすると、対向する気体流路23’より流出する微粒化した液体を含む気液混合物が、噴射口20の丁度内部で衝突混合することとなる。
【0031】
図8に示す第4実施形態では、対向する気体流路23”のなす角度θを60度としており、この場合には、対向する気体流路23”から流出する微粒化した液体を含む気液混合物が噴射口20の外部で衝突混合することとなる。
【0032】
このように、先に液体と衝突混合させて微粒化した液体を含む気体同士を衝突混合させる位置は、噴射口20よりノズル内部側、あるいは、噴射口の丁度内部、噴射口よりノズル外部側のいずれの位置でもよく、噴射口近傍であればよい。
ただし、噴射口の近傍で衝突混合させる前に、液体が噴射口の周縁の先端閉鎖壁に衝突して、この衝突する液体と交差するように気体を流して、液体と気体とを衝突混合させておくことは必須である。
【0033】
図9に示す第5実施形態は、液体供給路を形成する内筒に連結するノズルチップ30の閉鎖端壁30aの中央部に噴射口40を設け、該噴射口40の周壁30bに対向させて一対の貫通穴30cを設け、ノズルチップ30とノズルボデイ35との間の気体流路36は上記貫通穴30cを通るように構成している。上記ノズルボデイ35の先端壁35aには大径開口部35bを設け、該大径開口部35bの内周縁にノズルチップ30の閉鎖端壁30aの先端面周縁を当接し、該当接部より噴射口40の周縁壁30dを外部へ突出させている。
【0034】
上記貫通穴30cの内面に液体流出穴30eを開口し、該液体流出穴30eと対向する位置では、貫通穴30cは噴射口40と連通した状態で、液体流出穴30eから噴射した液体は貫通穴30cを通る気体と交差するように衝突混合し、かつ、対向した位置から噴出する気液混合物同士が噴射口40の内部位置で正面衝突する。
【0035】
上記第5実施形態では、液体流出穴30eから噴出した液体は壁面からなる遮蔽物に当接しないが、気体と交差して衝突混合すると共に、噴射口で対向して噴出する気液混合物同士が衝突混合することにより、液体の微粒化を確実に図ることができる。よって、気水比を低下しても、粒径が粗大化することを防止できる。
【0036】
図10は第6実施形態を示し、第5実施形態との相違点は、液体流出穴30eの位置を貫通穴30cの内面と対向する位置に設定し、貫通穴30cの対向する内面30gを遮蔽部としている。よって、液体流出穴30eから貫通穴30cに噴出した液体は遮蔽部となる貫通穴内面30gに衝突し、液体は微粒化して反射拡散する。この遮蔽部に衝突して微粒化した液体に貫通穴30cを通る気体が交差して衝突混合するため、微粒化は更に効率よくなされる。また、気体側のトラブルにより、気体が供給されない場合あるいは気体の供給量が減少した場合にも、液体は遮蔽部に衝突して拡散すると共に微粒化するため、液体が棒流となって噴出され、被噴射体に損傷を与えることを防止できる。
他の箇所は第5実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【0037】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明に係わる二流体ノズルによれば、噴射口の内部側で気体と液体とを交差させて衝突混合し、かつ、噴射口の近傍(噴射口よりノズル内部側、ノズル外部側、あるいは噴射口の丁度内部)で対向させた気液混合物を衝突させているため、液体の微粒化を確実に図ることができる。よって、気水比を小さくして低エネルギー化を図った場合にも、粒子径を粗大化させず、微粒噴霧を噴射させることができ、その結果、低エネルギー化によるコスト低下を図ることができる。
【0038】
また、本発明の二流体ノズルによれば、噴射口の周縁の先端閉鎖壁を遮蔽部として、液体を噴射口より噴射する前に、遮蔽部に衝突させて微粒化させると共に拡散させるため、気体側にトラブルが発生して液体のみが噴射される場合においても、液体が棒流となって噴射口より噴射されることはなく、棒流となる場合に発生する液体圧による被噴射体の損傷を防止できる。
さらに、この遮蔽部に向かって噴出する液体と交差するように気体を流し、遮蔽部への衝突で微粒化した液体を気体と交差させて衝突混合させ、かつ、噴射口の近傍で対向させた気液混合物を衝突させているため、より微粒化を図ることができる。
【0039】
さらに、上記のように、液体を遮蔽部に衝突させて微粒化しているため、液体として重油などの粘性体を用いる場合も、微粒化を図ることができる。かつ、液体流路は曲がりのない直線状であるため、曲がり部分で粘性体が目詰まりしたり堆積することがない。よって、高粘度の液体噴霧用として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態のノズル全体の断面図である。
【図2】 第1実施形態の要部拡大断面図である。
【図3】 第1実施形態で用いているノズルチップの斜視図である。
【図4】 (A)が図3のノズルチップの断面図、(B)は右側面図である。
【図5】 第2実施形態のノズルの要部断面図である。
【図6】 第2実施形態で用いるノズルチップの斜視図である。
【図7】 第3実施形態のノズルの要部断面図である。
【図8】 第4実施形態のノズルの要部断面図である。
【図9】 第5実施形態のノズルの要部断面図である。
【図10】 第6実施形態のノズルの要部断面図である。
【図11】 従来の外部混合方式のノズルの断面図である。
【図12】 従来の内部混合方式のノズルの断面図である。
【図13】 気水比と粒子径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10 二流体ノズル
11 外筒
12 内筒
14 液体供給路
16 気体供給路
17 アダプター
18 ノズルボデイ
18b 先端閉鎖壁(遮蔽部)
19 ノズルチップ
19f、19g 液体流出穴
19j、19k 溝
20 噴射口
21、22、23 気体流路
Claims (4)
- ノズル内部に、液体供給路と、その外周位置に気体供給路を設け、ノズル先端の噴射口の内部側で、上記液体供給路の先端に設けた液体流出穴より噴出する液体に対して交差して衝突するように、上記気体供給通路より上記噴射口へと連通する気体流路を対向して設け、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させ、かつ、
上記ノズル先端の噴射口を囲む先端閉鎖壁を、上記液体流出穴より噴出する液体の遮蔽部として、液体が衝突する構成としている二流体ノズル。 - 上記液体供給路を設けるノズルチップの閉鎖端壁を、上記噴射口を設けた先端閉鎖壁の内部側に間隔をあけて配置し、上記閉鎖端壁より小径筒部を突設して噴射口の周縁の先端閉鎖壁内面に当接させ、該小径筒部の周壁に対向した溝を設け、上記気体流路は上記溝を通るようにすると共に上記液体流出穴を溝内面に開口させ、上記液体流出穴から噴出される液体を上記遮蔽部に衝突させると共に上記溝を通る気体と交差させて衝突させ、かつ、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させる構成としている請求項1に記載の二流体ノズル。
- ノズル内部に、液体供給路と、その外周位置に気体供給路を設け、ノズル先端の噴射口の内部側で、上記液体供給路の先端に設けた液体流出穴より噴出する液体に対して交差して衝突するように、上記気体供給通路より上記噴射口へと連通する気体流路を対向して設け、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させ、
上記液体供給路を設けるノズルチップの閉鎖端壁の中央部に上記噴射口を設けると共に該噴射口の周壁に対向させて貫通穴を設け、上記気体流路は上記貫通穴を通るように構成すると共に上記液体流出穴を貫通穴の内面に開口させ、該液体流出穴から噴出する液体を上記貫通穴の対向面を遮蔽部として衝突させると共に貫通穴を通る気体に交差させて衝突させ、かつ、噴射口近傍で対向させた気液混合物を衝突させる構成としている二流体ノズル。 - 上記外周位置の気体供給路と噴射口とを連通する遮蔽部に沿った気体流路は、対向させて2以上形成し、かつ、対向させた気体流路がなす角度を180度〜30度に設定している請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の二流体ノズル。
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