JPH0739953U - 二流体噴霧ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アトマイズガスの使用量を低減し、噴霧のた
めのエネルギー消費が少なくてすむ二流体内部混合型単
孔ノズルで、ガスの使用量が少なくても、微細で均一な
噴霧を可能とするものである。別の目的としては、ノズ
ルの基本的な設計基準を提示し、規格化することを可能
とするものである。 【構成】 ノズルの噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの
通過線速度で１６０〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃとし、かつ噴
出孔断面積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も
小さくなる構造で、偏心溝を有するスパイラルチップを
備え、偏心溝の溝底長さの総和がスパイラルチップ直径
の２．３倍以上であり、噴出孔への流路縮流角が１００
〜１２４°で、噴出孔と噴出孔につながるノズル先端部
の形状が内外面とも噴出孔を頂部とする截頭円錐形であ
る二流体内部混合型単孔ノズル。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、溶液類を噴霧して蒸発、乾燥、焙焼等により微細粉体を製造したり 、廃液、廃水等を噴霧焼却して無害化処理する装置において、使用する二流体噴 霧ノズルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、流体を噴霧して蒸発、乾燥、焙焼、焼却等を行なう工業プロセスにお いては、噴霧液滴径を微細化することが必要である。液体を微細に噴霧するノズ ルとしては、液体に高速ガス流を作用させて微粒化する、いわゆるアトマイズガ スを使用する二流体噴霧ノズルが高性能であり、広く使われている。

【０００３】 この二流体噴霧ノズルには、構造的に外部混合型と内部混合型があり、前者は アトマイズガスと被噴霧液体をノズル先端の別々の噴出孔から噴出させて、噴出 ガス流と液流を衝突させることで微細化するものであり、後者はノズル内部にガ スと液の混合室があり、予め混合霧化してからノズル先端の噴出孔より噴出させ るものである。

【０００４】 後者の内部混合型ノズルが、ガス・液の混合に効率的であり、かつ液の物性値 や噴霧量の変化に適応する柔軟性を持つので、微細噴霧用ノズルとして重用され ている。さらに、内部混合型ノズルには噴出孔が単一の単孔ノズルと、複数の通 常６〜２０個程度の噴出孔を持つ多孔ノズルとがある。後者は一本のノズルで大 液量を噴霧する場合に適している。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

二流体噴霧ノズルの性能としては、いかにしてアトマイズガスの使用量を少な くして、要求される微細噴霧が出来るかが最大の問題点である。この特性を表す 指標としては、通常、目的とする噴霧液滴粒径を得るに必要なガス・液の流量比 Ｇ／Ｌ（単位は、Ｎｍ^３／リットルあるいはＫｇ−ガス／ｋｇ−液を使用する） が使われる。

【０００６】 本来、微粒化噴霧のためには、ノズル噴出孔を小さくし、Ｇ／Ｌを大きくすれ ばよいことは定性的にも理解されるが、噴出孔を小さくすると噴霧液量を大きく 出来ないし、Ｇ／Ｌを大きくすることは噴霧のためのエネルギー消費を増大させ ることになる。

【０００７】 噴霧液量を大きくするために、多孔ノズルが考案されているが、この場合多数 の噴出孔からの噴出状態を均一にして、噴霧液滴平均径を体表面積平均径ｄ_３２ で１００μｍ以下にするには、経験的にＧ／Ｌ０．３Ｎｍ^３／リットル以上が必 要であるとされている。

【０００８】 本考案は、アトマイズガスの使用量を低減し、噴霧のためのエネルギー消費が 少なくてすむ二流体内部混合型単孔ノズルを提供するものである。

【０００９】 さらには、アトマイズガスの使用量を少なくしても、微細で均一な噴霧を可能 とするものである。

【００１０】 そして別の目的としては、二流体内部混合型単孔ノズルの基本的な設計基準を 提示し、規格化することで、噴霧液量が変化した場合にも対応出来るようにする ものである。

【００１１】 より具体的に本考案の目標を例示するならば、単孔の二流体噴霧ノズルによっ て、広範囲の噴霧液量にわたって、Ｇ／Ｌが０．１Ｎｍ^３／リットル程度であっ てもｄ_３が１００μｍ以下を実現せんとするものである。

【００１２】 そして本考案の設計基準に基づいた単孔の二流体噴霧ノズルを規格化し、噴霧 液量に応じた対応を可能にするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

本考案は、二流体内部混合型単孔ノズルにおいて、単孔ノズルの噴出孔断面積 をアトマイズ用ガスの通過線速度で１６０〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃとし、かつ前記 の噴出孔断面積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も小さくなる構造で、 内部混合室に導入される噴霧液体に旋回流ベクトルを与えるための偏心溝を有す るスパイラルチップを備え、前記の偏心溝の溝底長さの総和が該スパイラルチッ プの直径の少なくとも２．３倍以上であり、噴出孔への流路縮流角が１００〜１ ２４°で、噴出孔と噴出孔につながるノズル先端部の形状が内外面とも噴出孔を 頂部とする截頭円錐形でることを特徴とする二流体噴霧ノズルである。

【００１４】

【作用】

本考案者らは、噴霧の際に噴霧液滴を小さなＧ／Ｌにおいて微細化するには アトマイズガスの運動エネルギーを効率よく液側に伝達することが必要であり、 このためには、ノズル噴出孔を出るガス線速度を極力大きくして、液流との速度 差を大きくすること、ノズル噴出孔を出る前のガス・液流に旋回流ベクトルを与 えるとともに、噴出ジェット流れの拡散角を極力大きくしてやること等を着想し 、この視点から、単孔式二流体噴霧ノズルの構造・形状について、各種の工夫と 噴霧テストを行ない上記の考案を完成させたものである。

【００１５】 本考案の二流体噴霧ノズルは、溶液類を噴霧して蒸発、乾燥、焙焼等により微 細粉体を製造したり、廃液、廃水等を噴霧焼却する際に適用することができる。 特に、アトマイズガスの使用量が少なく、微細かつ均一な噴霧が可能なため、経 済性に優れており、産業廃棄物である溶液類の噴霧焼却もしくは噴霧焙焼等の用 途に適している。

【００１６】 ノズルの噴出孔を出るアトマイズガスの線速度は極力速いことが望ましいが、 極端に速くするのはエネルギー消費面で不経済であり、本考案では適切な値とし てガスの標準状態基準の線速度で１６０Ｎｍ／ｓｅｃ〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃ、好 ましくは１８０Ｎｍ／ｓｅｃ〜２２０Ｎｍ／ｓｅｃになるように噴出孔断面積を 決め、かつこの断面積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も小さくなる構 造とした。目安としては、噴出孔で失われるアトマイズガスの圧損失が、ノズル 全系での圧損失の少なくとも８０％以上になるようにすることがよい。

【００１７】 本考案でノズル噴出孔を出るアトマイズガスの線速度を１６０Ｎｍ／ｓｅｃ〜 ２４０Ｎｍ／ｓｅｃとしたのは、前記の線速度を下回る場合には噴霧状態が不安 定となり、微細噴霧が難しくなる。また、上限を超えた場合には、アトマイズガ スを供給するための設備が大型化するとともに、エネルギー消費が大となり当初 の目的に反するためである。

【００１８】 図１に本考案のノズルを説明するための図面を示す。図１Ａは、ノズルを噴出 孔２の方向から見た正面図で、１は噴霧ノズルである。

【００１９】 図１Ｂは、噴出孔２の中心軸を含む縦断面図であり、噴霧する液体は中央の液 流路４を通り液流路孔５より出たところで、ガス流路３を通って圧送されてくる アトマイズガスによって微細な液滴となった状態で、スパイラルチップ６の偏心 溝７を通過して旋回流となってノズル先端部の内部混合室８に導びかれ、最終的 に噴出孔２から外部に噴出される。噴出した高速気液混合ジェット流１１は、周 囲のガス１０を巻き込みながら旋回ベクトルによりその流路を拡大させ微粒化し た噴霧流体を形成する。

【００２０】 噴霧ノズル１の外郭を構成する部材は、これまでのノズルと同様にスパイラル チップをカバーする程度の部分で分割可能になっているが、これは噴霧ノズルの 清掃や、交換、修理等に適応するためであり、この点は公知の噴霧ノズルと変わ りはない。

【００２１】 本考案の単孔ノズルにおいて、噴出孔断面積がノズル全系のガス・液流路断面 積中で最も小さくなる構造というのは、図１Ｂを基にして説明すると、ノズルの 中心軸と直角なノズル断面を想定した場合に、その断面部において開口している ガス・液流路の面積に比べて、噴出孔断面積が最小となっていることを意味して いる。これは、ノズル内部でのアトマイズガスの運動エネルギーの消耗をできる だけ少なくし、その運動エネルギーを液体の微細噴霧に振り向けるためである。

【００２２】 ノズルの噴出孔を出るアトマイズガスの線速度を定め、被処理対象物の単位時 間当りの処理量が判れば、アトマイズガスの流量や、噴出孔径、ノズルの内径、 ガス・液の流路径等のノズル自体の諸元は当業者が容易に決定することができる 。

【００２３】 本考案では、さらに噴出孔を出るガス・液ジェット流の拡散角を大きくするた めに、混合室内に導入されるガス・液流に旋回流ベクトルを与えるための偏心溝 を持つスパイラルチップを備えるが、前記の偏心溝の溝底長さの総和がスパイラ ルチップの直径の少なくとも２．３倍以上であり、かつ噴出孔への流路縮流角を １００〜１２４°とするとともに、噴出孔と噴出孔につながるノズル先端部の形 状が内外面とも噴出孔を頂部とする截頭円錐形を形作るようにすることが必要で ある。

【００２４】 スパイラルチップ６は、図１Ｂに示したようにノズルの噴出孔２の裏側に置か れて、ノズル先端部の内壁面とともに内部混合室８を形成しており、図２に示す ような形状である。図２のＡは、偏心溝を加工する前のスパイラルチップの外形 を示し、Ｂがスパイラルチップ６を上から見た図面、Ｃが側面図である。

【００２５】 チップの先端にガス・液流に旋回流ベクトルを与えるための偏心溝７は、均一 化させるように中心軸を中心とする軸対称に普通４〜８条程度、好ましくは６〜 ８条設けられており、上面の中央部９は円錐形に加工されている。規格化に際し ては、処理すべき液量に応じて、偏心溝の幅、傾斜角度や条数を変えればよい。

【００２６】 本考案で特に重要な点は、スパイラルチップの偏心溝の溝底長さの総和を、ス パイラルチップの直径の少なくとも２．３倍以上、好ましくは２．５倍以上、よ り好ましくは２．８倍以上とすることである。これは、内部混合室８に送りこま れるガス・液流に確実に旋回流ベクトルを付与し、微細な噴霧を行なうためであ る。

【００２７】 偏心溝７は図２Ｂ，Ｃのように中心より偏心し、数十度傾けて設けることが望 ましいため、偏心溝の溝底長さとしては、溝底の角部の一番長い部分を基準とし た。尚、偏心溝の溝底長さの総和の上限としては、加工費と加工上の制限ととも に、旋回流ベクトルを与え均一化する効果も実質的に飽和してくるため、スパイ ラルチップの直径の４．０倍程度とすることが望ましい。

【００２８】 噴出孔への流路縮流角（α）を１００〜１２４°とし、噴出孔と噴出孔につな がるノズル先端部の形状を内外面とも噴出孔を頂部とする截頭円錐形としたのは 、前述のようにアトマイズガスの運動エネルギーを効率よく液側に伝達し、噴出 ジェット流れの拡散角を極力大きくするためである。ここでいう噴出孔への流路 縮流角αとは、図１のように噴出孔につながる内部混合室８の内壁面がなす角度 である。当然スパイラルチップ６の上面の肩部も同じ角度に加工されている。

【００２９】 噴出孔への流路縮流角が１００゜未満では、噴霧した液滴の粒径が不均一とな り、ガスと液の流れが分離する傾向が認められた。一方１２４°を超えると、ア トマイズガスの運動エネルギーの損失が大きくなり、アトマイズガスの使用量を 低減することが困難で、微細かつ均一な噴霧状態にはなりにくい。

【００３０】 また、これまで燃料噴射用に用いられている二流体内部混合型単孔ノズルのよ うに、噴出孔をノズル先端の平面部の中央に設け、外形が平面形状をしている場 合には、やはりアトマイズガスの運動のエネルギーの損失が大きいために、本考 案では、噴出孔を噴出孔につながるノズル先端部の形状を内外面とも噴出孔を頂 部とする截頭円錐形にすることで、抵抗を少なくし、噴出孔を出るガス線速度を 極力大きくすることができる。

【００３１】 また、上記のような従来の単孔ノズルでは、ノズル先端の平面部に液濡れが生 じて、その一部が粗液滴となって飛散することがあった。これは、噴出孔から噴 出した高速ジェットが周囲のガスを引き込んで噴霧流体を形成する際に、ノズル 先端の平面部の中央に噴出孔が設けられている場合には、噴出孔の周辺で反転渦 流が発生し、その渦流に随伴した液滴が平面部に付着して液濡れとなり、その液 が高速ジェットに吹き飛ばされて、上記の現象が生起するものと考えられる。粗 液滴が混入すると、熱分解、酸化反応が不完全になったり、生成する粉体の不均 一等の不都合が生ずるおそれがある。

【００３２】 従来の燃料用噴霧ノズルでは、噴霧液量が少ないうえに、噴霧する対象液が燃 料で、燃焼してしまえば全量がガス化してしまうためにこのような配慮が不要で あったものと考えられる。実際に従来の燃料用噴霧ノズルをそのままスケールア ップした場合には、噴霧液量（定格流量）が２５０リットル／ｈ程度でも、噴出 孔からスパイラルチップに設けた偏心溝の数に応じた吹き抜け状態の噴霧が観察 された。

【００３３】 これに対し本考案では、図１のように外形も円錐状にしているため、噴出孔の 周辺のガスの流れがスムーズになり、ノズル先端の液濡れを生ずることが少なく なり、均一な噴霧が可能となる。

【００３４】 本考案の設計基準に従うならば、単孔ノズルであっても３０リットル／ｈ程度 の小液量から比較的大きな噴霧液量である２０００リットル／ｈ程度まで、Ｇ／ Ｌ０．１Ｎｍ^３／リットル以下で噴霧液滴平均径ｄ_３２を１００μｍ以下にする ことが出来る。特に、これまでの単孔ノズルで困難である噴霧液量（定格流量） が２５０リットル／ｈ以上においても、微細かつ均一な噴霧ができその効果が優 れている。

【００３５】 本考案の内容を具体的にイメージするために、本設計基準に従ったノズル構造 ・寸法の一例を次に示す。全体の構造は図１のようになっており、単孔ノズルの 噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの通過線速度で２００Ｎｍ／ｓｅｃとし、標準 噴霧液量（定格流量）は６００リットル／ｈのもので、基本寸法は噴出孔径Ｄｎ ７．０ｍｍ、ノズル本体外径Ｄ_０４５ｍｍ、ノズル本体内径Ｄ_１３５ｍｍ、円錐 部長さＬ９．０ｍｍ、縮流角α１２０°である。

【００３６】

【実施例】

本考案の設計基準に基づいて定格流量の異なる５種類のサイズの単孔ノズルを 製作して、水・空気による一連の噴霧テストを行ない、噴霧液量１３０リットル ／ｈ〜１５００リットル／ｈの範囲において、Ｇ／Ｌと噴霧液滴平均径の関係を 求めた。

【００３７】 ５種類のノズルとも、単孔ノズルの噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの通過線 速度で２００Ｎｍ／ｓｅｃとし、他の基本寸法は次の範囲とした。 噴出孔径Ｄｎ＝３．４，５．３，７．０，９．０，１１．０ｍｍの５種類、ノ ズル本体外径Ｄ_０＝２８〜６５ｍｍ、ノズル本体内径Ｄ_１＝１８〜５５ｍｍ、円 錐部長さＬ＝６〜１３ｍｍ、縮流角度α＝１２０°である。そして、噴出孔断面 積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も小さくなるようにし、スパイラル チップとしては、噴霧液量に応じて溝幅＝２．３〜７．５ｍｍの偏心溝６条を設 けたものを使用し、偏心溝の溝底長さの総和を、噴出孔径に対応して各々スパイ ラルチップの直径の２．３倍，２．８倍，３．０倍，２．７倍，２．５倍とした 。

【００３８】 噴霧液滴径の測定にはレーザー回折法による粒径測定装置（東日コンピュータ ーアプリケーション社製）を使用し、液滴粒度分布はロジン・ラムラー式で近似 して解析した。測定結果から、噴霧液滴の体表面積平均径ｄ_３２と９９重量％径 ｄ_９９を図３に示した。

【００３９】 尚、測定した噴霧液滴径の分布をロジン・ラムラー式で近似して体表面積平均 径を求めたものがｄ_３２であり、小粒径側からの重量積算累積値で９９ｗｔ％に 相当する粒径がｄ_９９である。

【００４０】 図３には比較例として、従来の二流体内部混合型の単孔ノズルと多孔ノズルに よる測定結果も併せて記載した。使用した単孔ノズルは、構造は先に説明したこ れまでの燃料用噴霧ノズルをそのままスケールアップしたものであり、噴出孔径 ＝１２ｍｍ、ノズル本体外径＝３２ｍｍ、ノズル本体内径＝２０ｍｍ、定格流量 １０００リットル／ｈで、噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの通過線速度で表わ せばこの場合は１２２Ｎｍ／ｓｅｃである。また、スパイラルチップは、偏心溝 が６条で、偏心溝の溝底長さの総和がスパイラルチップの直径の約１．４倍であ る。

【００４１】 多孔ノズルとしては、図４のような構造の２０孔の内部混合型の二流体ノズル であり、定格流量６００リットル／ｈである。

【００４２】 図３から、本考案の単孔ノズルの場合には、全体的にやや斜め下側にシフトし ていることが認められる。例えば、多孔式二流体噴霧ノズルではＧ／Ｌ＝０．３ Ｎｍ^３／リットルの場合、ｄ_３２が６８μｍ、ｄ_９９２２４μｍであるのに対し 、本考案の単孔ノズルで同様の噴霧特性を得るためには、図３の横軸に平行移動 させてみると Ｇ／Ｌが０．０８〜０．１Ｎｍ^３／リットルであることが判る。

【００４３】 このことは、同一噴霧粒径を得るのに本考案のノズルによるとかなり低Ｇ／Ｌ 値でよいことを表している。すなわち、同一液量を噴霧するのにアトマイズガス 量を大幅に節減出来ることと、同一Ｇ／Ｌで微細な噴霧が出来ることが明らかで ある。

【００４４】 これらの結果を踏まえて、本考案の二流体内部混合型単孔ノズルを、定格流量 ３０〜２０００リットル／ｈの範囲で各流量に相当する１５型式に分けて規格化 することができた。そして、これらの二流体内部混合型単孔ノズルの噴霧も良好 なものであった。

【００４５】

【考案の効果】

本考案の二流体内部混合型単孔ノズルによると、噴霧液量３０リットル／ｈ〜 ２０００リットル／ｈの範囲において、噴霧液滴の体面積平均径ｄ_３２１００μ ｍ以下を、極めて少量のアトマイズガスで実現することが出来る。

【００４６】 これは液体類を噴霧して蒸発、乾燥、焙焼、焼却、等を行なう工業プロセスに おいて、物質移動、ないし化学反応の進行ならびに省エネルギーの点で極めて優 れた効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による二流体内部混合型単孔噴霧ノズル
の構造の説明図

【図２】スパイラルチップの説明図

【図３】各種ノズルの噴霧液滴径の測定結果

【図４】二流体内部混合型多孔噴霧ノズルの構造の説明
図

【符号の説明】

１ 噴霧ノズル ２ 噴出孔 ３ ガス流路 ４ 液流路 ５ 液流路孔 ６ スパイラルチップ ７ 偏心溝 ８ 内部混合室 Ｄ_０ ノズル本体外径 Ｄ_１ ノズル本体内径 α 縮流角

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 二流体内部混合型単孔ノズルにおいて、
   単孔ノズルの噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの通過線
   速度で１６０〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃとし、かつ前記の噴
   出孔断面積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も
   小さくなる構造で、内部混合室に導入される噴霧流体に
   旋回流ベクトルを与えるための偏心溝を有するスパイラ
   ルチップを備え、前記の偏心溝の溝底長さの総和が該ス
   パイラルチップの直径の少なくとも２．３倍以上であ
   り、噴出孔への流路縮流角が１００〜１２４°で、噴出
   孔と噴出孔につながるノズル先端部の形状が内外面とも
   噴出孔を頂部とする截頭円錐形であることを特徴とする
   二流体噴霧ノズル。