(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の二流体微粒化ノズルよりも微粒化性能が各段にすぐれ、詰まりの問題から開放される新規な二流体微粒化ノズルを提供する。【解決手段】二流体微粒化ノズルは、気体ノズル、液膜形成ノズル、液体分配器、および気・液供給部からなり、前記気・液供給部には気体流入路と液体流入路が配設され、前記液膜形成ノズルは、前記気体ノズルと同軸に配設され、その内周壁面は回転対象形の液膜形成面を形成し、前記液体分配器は、外周部には中心軸と捩れの位置にある複数の螺旋状流路が配設され、内部には前記液体流入路に連通する液体流路およびその液体流路に連通し、放射状に延びて前記螺旋状流路に開口する液体分配流路が配設されるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体ノズル、液膜形成ノズル、液体分配ノズル、および基部からなり、前記液膜形成ノズルは、前記気体ノズルと同軸に配設され、その内周壁面は回転対象形の液膜形成面を形成し、前記液体分配ノズルは、外周部には中心軸と捩れの位置にある複数の螺旋状流路が配設され、内部には液体流路、およびその液体流路に連通し、放射状に延びて前記螺旋状流路に開口する液体分配流路が配設され、気体の一部は前記気体ノズルの出口と前記液膜形成ノズルの出口との間に形成される環状開口から環状噴流となって噴出し、気体の他の一部あるいは全量は前記螺旋状流路に流入し、前記液体流路を通って液体分配流路の開口から前記螺旋状流路に流出した液体を吹き飛ばしたのち前記液膜形成面に沿う旋回気流を生じ、吹き飛ばされた液体は、前記液膜形成面に沿って広がり、前記旋回気流の作用により液膜形成面上に液膜を形成し、前記液膜形成ノズルの出口から環状の液膜となって流出し、この環状液膜が、内周側からは前記液膜形成面に沿って旋回し、前記液膜形成ノズル出口から噴出する旋回噴流と、外周側からは前記環状噴流により挟まれて微粒化されることを特徴とする二流体ノズル。
【請求項２】
前記環状開口から噴出する環状噴流に旋回を与える手段を、前記液膜形成ノズルの液膜形成ノズル外壁面と気体ノズルの内壁面とで形成される気体流路に配設したことを特徴とする請求項１に記載の二流体ノズル。
【請求項３】
前記液体分配ノズルは先端に、前記液膜形成ノズルと同軸に回転対象形のセンターボディーを備え、前記液膜形成ノズルの液膜形成面の直径が出口に向かって拡大することを特徴とする請求項１および２に記載の二流体ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、気流の作用により液体を微粒化する二流体ノズルに関するもので、さらに詳しくは、特に気体の供給圧力が低い場合においても微細な霧を発生でき、また、液が詰まりにくい新規な二流体ノズルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  気体の運動エネルギーにより液体を微粒化する二流体ノズルは、塗料の塗布、水や水溶性薬剤の散布、燃料噴霧など、さまざまな用途に使用されている。図７は、最も典型的な二流体ノズルの構造を示す図である。これは特許文献１に示された「二流体ノズル」である。液体ノズル１１が気体ノズル１２と同軸に配設され、液体ノズルから液柱状に流出する液体は、液体ノズル出口１１ａと気体ノズル出口１２ａとの間の環状開口１６から噴出する環状噴流の力学的作用によって微粒化される。また、図８は特許文献２に示された「ノズル」で、環状噴流に旋回を与える手段として気体旋回羽根１８が配設されている。気体の旋回は、液体の微粒化を促進するとともに、噴霧の空間的な拡がりを増大させる効果がある。【０００３】  液体を高圧に加圧し、微細孔から噴射する一流体微粒化ノズルに比べ、二流体ノズルは広い液流量範囲にわたり容易に細かい霧を発生できるという特徴がある。気体には通常、数気圧以上に加圧された圧縮空気が使用される。圧縮性がほとんどない液体に比べ、気体を圧縮するに要するエネルギーは非常に大きいことから、近年、地球温暖化対策としてＣＯ２削減が進められている中、従来の数分の１以下の低圧の気体でも良好な微粒化が得られる二流体ノズルが望まれていた。【０００４】  上述の液柱微粒化方式の二流体ノズルにおいては、気体の圧力や流量が同一の場合、液体ノズルの出口径が小さいほど、すなわち液柱の径が小さいほど、微粒化が促進されることが知られているが、液体ノズルが詰まりやすくなるという問題がある。また、液体ノズル出口径が小さくなった分、噴霧量が小さくなる。噴霧量が減らないようにするには、液体の液体ノズル出口からの流出速度を増大させなければならず、液体と気流との相対速度が減ることになり、微粒化は劣化することになる。したがって、良好な微粒化が行える噴霧量の上限が制約されるという問題もある。液体ノズルの出口の大きさは、詰まりを避けるために小さいものでも１ｍｍ程度で、直径１０ミクロン台の粒子に微粒化するには、微粒化用気体として数気圧の圧縮気体の使用が不可欠であった。
【先行技術文献】
【特許文献１】  特開２００５−１０３３６６号公報  「二流体ノズル」  平成１７年４月２１日公開
【特許文献２】  特開２００２−２２４５９号公報  「ノズル」  ２００２年８月１３日公開
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来の二流体ノズルにおいては、液体ノズルの詰まりの問題から、液体ノズルの出口径は小さくすることが困難で、そのため非常に良好な微粒化を行うためには高圧の圧縮気体の使用が不可欠であった。高圧の圧縮気体の製造は、大きなエネルギーを必要とし、ＣＯ２排出削減の観点だけでなく、噴霧装置の気体圧縮機の運転コストが高くなるという問題があった。また、圧縮機の初期コストも高いという問題があった。従来の二流体ノズルにおいては、特に微粒化用気体の圧力が低い場合の微粒化性能の向上の点で解決すべき課題がある。【０００６】  本発明の課題は、従来の二流体ノズルよりも微粒化性能が各段にすぐれ、詰まりの問題から開放される新規な二流体ノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明の二流体ノズルは、気体ノズル、液膜形成ノズル、液体分配ノズル、および基部からなり、前記液膜形成ノズルは、前記気体ノズルと同軸に配設され、その内周壁面は回転対象形の液膜形成面を形成し、前記液体分配ノズルは、外周部には中心軸と捩れの位置にある複数の螺旋状流路が配設され、内部には液体流路、およびその液体流路に連通し、放射状に延びて前記螺旋状流路に開口する液体分配流路が配設され、気体の一部は前記気体ノズルの出口と前記液膜形成ノズルの出口との間に形成される環状開口から環状噴流となって噴出し、他の一部あるいは全量は前記螺旋状流路に流入し、前記液体流路を通って液体分配流路の開口から前記螺旋状流路に流出した液体を吹き飛ばしたのち前記液膜形成面に沿う旋回気流を生じ、吹き飛ばされた液体は、前記液膜形成面に沿って広がり、前記旋回気流の作用により液膜形成面上に液膜を形成し、前記液膜形成ノズルの出口から環状の液膜となって流出し、この環状液膜が、内周側からは前記液膜形成面に沿って旋回し、前記液膜形成ノズル出口から噴出する旋回噴流と、外周側からは前記環状噴流により挟まれて微粒化されるようにした。【０００８】  また、本発明の二流体ノズルは、前記環状開口から噴出する環状噴流に旋回を与える手段を、前記液膜形成ノズルの液膜形成ノズル外壁面と気体ノズルの内壁面とで形成される気体流路に配設した。【０００９】  また、本発明の二流体ノズルは、前記液体分配ノズルは先端に、前記液膜形成ノズルと同軸に回転対象形のセンターボディーを備え、前記液膜形成ノズルの液膜形成面の直径が出口に向かって拡大するようにした。【００１０】  本明細書における螺旋状流路という用語は、その流路における気体の流れの方向が中心軸に対して幾何学的に“ねじれの位置にある”流路を指すもので、液膜形成ノズルの内周壁面との組み合わせによって液膜形成ノズルの内周壁面で囲まれる空間に気体の旋回流れを形成する流路を形成できる流路形状をすべて含むものであって、直線的な流路のものも、もちろん含まれる。
【発明の効果】
【００１１】  本発明によれば、気体ノズル、液膜形成ノズル、液体分配ノズル、および基部からなり、前記液膜形成ノズルは、前記気体ノズルと同軸に配設され、その内周壁面は回転対象形の液膜形成面を形成し、前記液体分配ノズルは、外周部には中心軸と捩れの位置にある複数の螺旋状流路が配設され、内部には液体流路、およびその液体流路に連通し、放射状に延びて前記螺旋状流路に開口する液体分配流路が配設され、気体の一部は前記気体ノズルの出口と前記液膜形成ノズルの出口との間に形成される環状開口から環状噴流となって噴出し、他の一部あるいは全量は前記螺旋状流路に流入し、前記液体流路を通って液体分配流路の開口から前記螺旋状流路に流出した液体を吹き飛ばしたのち前記液膜形成面に沿う旋回気流を生じ、吹き飛ばされた液体は、前記液膜形成面に沿って広がり、前記旋回気流の作用により液膜形成面上に液膜を形成し、前記液膜形成ノズルの出口から環状の液膜となって流出し、この環状液膜が、内周側からは前記液膜形成面に沿って旋回し、前記液膜形成ノズル出口から噴出する旋回噴流と、外周側からは前記環状噴流により挟まれて微粒化されるようにしたので、液体は気流によって吹き飛ばされ、一部は微細な粒子となり、残りの粗大粒子や液塊は、旋回気流から受ける気体力と遠心力とを受けて液膜形成面上に傾斜した方向から衝突し、周方向の厚さの一様性が高い、非常に薄い環状液膜となって拡げられ、さらにその薄い液膜は内周側と外周側とが気体噴流に挟まれて、強いせん断作用を受けるので、液柱を外周部で接して流れる環状噴流によって微粒化する従来の二流体ノズルに比べ、格段に微細な粒子に微粒化される。また、上記の形態では、液体分配流路は、気体が流れる螺旋状流路に開口しており、そこでの気体の圧力、より正確には静圧は、その気体の速度エネルギーに相当するだけ低くなっているので、気体の流速が小さい螺旋状流路の上流、あるいは下流の空間に開口している場合に比べて流出しやすいという利点がある。液膜形成ノズルは、断面中心部は旋回気流が流れていて、ノズルの断面全体に液体が充満していないので、その出口の大きさは噴霧液量とは直接関係なく大きく設定できるので、液体が液体ノズルの断面全体に充満している従来の液柱微粒化方式の二流体ノズルと異なり、噴霧液量が少ない場合にも詰まりの問題を解決できる二流体ノズルを実現できる。【００１２】  本発明によれば、前記環状開口から噴出する環状噴流に旋回を与える手段を、前記液膜形成ノズルの液膜形成ノズル外壁面と気体ノズルの内壁面とで形成される気体流路に配設したので、旋回気流の作用により環状液膜の微粒化が一層促進される効果が生まれた。また、噴霧の広がりを大きくする効果がある。液膜形成ノズル内の気体の旋回と環状噴流の旋回の方向を逆にすると、環状液膜に作用する気体のせん断作用が強まり、微粒化が促進される。【００１３】  また、本発明によれば、前記液体分配ノズルは先端に、前記液膜形成ノズルと同軸に回転対象形のセンターボディーを備え、前記液膜形成ノズルの液膜形成面の直径が出口に向かって拡大するようにしているので、このセンターボディーの存在によって液膜形成ノズル内の気流の旋回の安定化が図られ、液膜の周方向の一様性が向上し、微粒化が促進され、先広がりの液膜形成面により液膜形成ノズルの出口の周長が大きくなるので、噴霧量が多い場合でも液膜の厚さが増大するのを抑えることができ、微粒化性能を維持できるという利点がある。センターボディーの径の軸方向変化と液膜形成ノズルの内周面、すなわち液膜形成面の直径の軸方向変化を適切にすれば、環状流路内の気体の旋回が弱まるのを抑制することができ、その結果、周方向の液膜の一様性が確保され、良好な微粒化性能が得られる。
【発明を実施するために最良の形態】
【００１４】  本発明を実施するために最良の形態のひとつを図１に示す。図１のＡは二流体ノズルの中心軸を含む断面での断面図、Ｂは液体分配ノズルの外形図、Ｃは液体分配ノズルの液体分配流路における断面図、Ｄは螺旋流路における液体供給孔の概略の位置を示す図である。この二流体ノズル１は、気体ノズル１２、液膜形成ノズル１３、液体供給器１４と基部１５で構成されている。基部１５には気体流入路１５ａ、液体流入路１５ｂが配設され、それぞれの入り口には配管継ぎ手をねじ込むネジが配設されている。気体ノズル１２は基部１５に繋がり、液膜形成ノズル１３は、気体ノズル１２と同軸に配設され、内周に回転対象形の液膜形成面１３ｂを形成し、液体供給器１４は内部に前記液体流入路に連通する液体流路１４ａが配設され、外周部には中心軸と捩れの位置にある複数の螺旋状流路１４ｂが配設され、液体流路１４ａには放射状に延びて前記螺旋状流路１４ｂに開口する液体分配流路１４ｃが連通して配設され、液体流入路１５ｂから流入した液体は、液体流路１４ａ、液体分配流路１４ｃを通って螺旋状流路１４ｂに流出し、気体流入路１５ｂから流入した気体は、一部は気体ノズル１２の内壁面１２ｂと液膜形成ノズル１３の液膜形成ノズル外壁面１３ｃとで形成される気体流路１７を通り、旋回を与える手段として配設した軸流方式の気流旋回羽根１８により旋回を与えられて気体ノズル１２の出口１２ａと液膜形成ノズル１３の出口１３ａとの間に形成される環状開口１６から噴出し、他の一部あるいは全量は螺旋状流路１４ｂに流入し、液体分配流路１４ｃの開口１４ｄから流出した液体を液膜形成面１３ｂに衝突させ、この液体は液膜形成面上を流れ、液膜形成ノズルの出口１３ａから環状の液膜となって流出し、この環状液膜が、内周側からは螺旋状流路１４ｂから流出し、液膜形成ノズル１３の液膜形成面１３ｂに沿って旋回流となって液膜形成ノズル出口１３ａから噴出する気体の流れにより、外周側からは環状開口１６から噴出する気体の流れにより挟まれて微粒化される。
【００１５】  図１の形態において、液膜形成ノズル１３の液膜形成面１３ｂは、その直径が出口に向けて増大しており、液膜形成ノズルの出口の周長が大きくなるので、噴霧量が多い場合でも液膜の厚さが増大するのを抑えることができ、微粒化性能を維持できる。また、センターボディーも、液膜形成ノズルの拡大に適合して直径が出口に向けて増大しているので、液膜形成ノズル内の気流の流速が低下せず、また、旋回の安定化も図られ、液膜の周方向の一様性が向上し、微粒化が促進される。また、詰まりについても、液膜形成ノズルの液膜形成面とセンターボディー外周面との間の環状流路は、隙間を大きくすることができ、詰まりの問題を回避できる。もちろん、液膜形成ノズルは、薄肉の円筒でもよく、薄肉のパイプを利用すれば低コストで製造できる。
【００１６】  液膜形成ノズル１３の先端は、微粒化の点からは図１に示すように薄肉になっていることが好ましい。また、液体供給器の先端が中心軸に沿って液膜形成ノズルの出口近傍までセンターボディーとして延びている形状は、液膜形成ノズルの内周壁面に沿って形成される環状空間内における気流の旋回流れを安定化させるのに有効であるばかりでなく、液膜形成ノズル出口での気体の流出速度を大きくすることができるので、微粒化促進にも効果がある。旋回流れによって心軸近傍には負圧の領域ができ、その負圧によって気体が液膜形成ノズルの出口１３ａから前記環状空間内に逆流するのを抑止する効果もある。
【００１７】  図１のＤを用いて、螺旋状流路１４ｂの液体分配流路１４ｃの開口１４ｄにおいて流出する液体に作用する気体の圧力について説明する。なお、簡単のため螺旋状流路における気体の流れのエネルギー損失はないとする。液体分配流路の開口１４ｄにおいて液体に作用する圧力は、そこでの流体の静圧であるが、静圧はベルヌーイの定理により、その速度のエネルギーに相当する動圧分だけ入り口および出口における全圧よりも低い。すなわち、液体の流出口を螺旋流路の途中に配設したほうが、液膜形成ノズルの内周面で形成される空間に配設した場合よりも液体に作用する気体の圧力は小さい。螺旋流路内を流れる気体の動圧は、流速の２乗に比例して増大するので、気体の速度が大きいほど、液体に作用する圧力は小さくなり、液を供給するに要する圧力が小さくてもすむことになる。液膜形成ノズル、気体ノズル、螺旋状流路などを最適に設計することによって液体と気体とが二流体ノズル内で混合する本発明の環状液膜微粒化方式二流体ノズルにおいても、液面と液流出口との高度差や気体の供給圧によっては、液体を自吸できるようにすることが可能となる。なお、液体分配流路は、その出口を軸に対して気体の流れの方向に傾斜させて配設するのが好ましい。
【００１８】  本発明を実施するために最良の形態の別のものを図２に示す。液膜形成ノズルは、先細形状で、先端のセンターボディーも、それに適した先細形状になっている。この形態は、液膜形成ノズルの開口を小さくできるので使用空気量を削減できる利点がある。一方、内部の気体の圧力が高くなり、液体が戻されやすくなるという短所がある。その問題は、図３の形態のようにセンターボディーを短くし、開口面積を大きくすることで緩和できる。
【００１９】  本発明を実施するために最良の形態のさらに別のものを図４に示す。この実施形態例では、前記気体ノズル１２の内周壁と液膜形成ノズル１３の外周壁面とで形成される気体流路１７に半径流方式の気流旋回羽根１８を配設し、ここを通って気体ノズル１２の出口と前記液膜形成ノズル１３の出口１３ａとの間に形成される環状開口１６から噴出する気体の流れに強い旋回を与えるようにしている。気流旋回羽根は、軸流方式、半径流方式に限らず斜流方式でもよい。環状開口からの気流に旋回を与えることによって、環状液膜の微粒化を促進することができだけでなく、その旋回の強さを変えることによって噴霧の広がりを変化させることができるという利点がある。
【００２０】  本発明を実施するために最良の形態の別のものを図５に示す。この実施例では、液膜形成ノズル１３の出口１３ａを気体ノズルの出口１２ａよりも適宜突き出すように配設している。このようにしておくと、気体ノズルから噴出する気体の流れにより負圧が生じ、液膜形成ノズル内の圧力を下げる方向に作用し、液分配流路開口に作用する気体の圧力を下げる上で好都合である。
【実施例１】
【００２１】  本発明の二流体ノズルを用いた噴霧装置の実施例１を図６に示す。噴霧装置２は、空気ポンプ２１、液体容器２２、本発明による二流体ノズル１、微粒化用気体配管２３、液体配管２４、加圧用気体配管２５とからなり、気体ポンプ２１からの気体は微粒化用気体配管２３を通して本発明による二流体ノズル１に供給され、前記液体容器２２は気密性の容器で、前記気体ポンプ２１の吐出口とは加圧用気体配管２５により連通し、前記気体ポンプから吐出される気体の圧力を利用して前記液体容器内の液体を前記液体供給配管を通して前記二流体ノズルに供給するようになっている。この構成は、液送ポンプが不要な、簡易な噴霧装置を提供することを目的としている。この実施例では、微粒化用気体配管を二系統に分岐し、その一方に遮断バルブ２６を配設し、空気ポンプ始動後、液体が前記二流体ノズルに到達したのち前記遮断バルブを開にする点に特徴がある。【００２２】  一般に、二流体ノズルを採用した噴霧装置においては、二流体ノズルには、まず空気が流入し、次に液体が流入することが望ましい。供給の順番が逆になると、液体は微粒化されないまま噴出してしまい、不都合である。本発明の二流体ノズルでは、前述のように螺旋状流路に流入する気体の静圧が下がることを利用して螺旋状溝に開口する液体分配流路の開口から液体が流出されやすくしているが、それでもノズル内で液体と気体が混合するような構造になっている以上、液体と気体とが大気に出るまで混合しない、図７、図８に示した外部混合型の二流体ノズルと異なり、液体が気体の圧力に曝されるために液体供給配管に押し戻される方向の力を受けることは避けられず、液送上の問題がある。液送ポンプを用いない上記の噴霧装置では、二流体ノズル１が液体容器内の液面より少し高くなると液体を供給できなかったり、供給が間欠的になったりという問題がある。また、供給できたとしても、液体容器と二流体ノズルとの距離がある場合には、最初の使用時には液体配管中には液体が充填されていないので、液体が二流体ノズルに到着し、噴霧が始まるまでに時間がかかるという問題が起きることがある。本実施例では、空気ポンプの始動時には、遮断バルブが閉じられているので空気ポンプからの空気の一部は、二流体ノズルに供給されるが、遮断バルブが開のときに比べ液体容器内により多くの空気を送ることができ、遮断バルブによる流路抵抗の増加により液体容器内の圧力も高くなるので液体容器内の液体は速い速度で液体配管内を流れ、二流体ノズルに短時間で流入することができ、微粒化が早く始まる。直ちに、前記遮断弁を開にすれば、より多くの空気が二流体ノズルに供給され、微粒化が促進される。
【産業上の利用可能性】
【００２３】  本発明による微粒化ノズルは液体を霧状に微粒化する装置に広く適用できる。例えば、塗装機、加湿装置、薬剤散布装置、冷凍乾燥法による粉末製造装置などに使用できる。また、新しい分野としては霧（ミスト）による除菌や臭気除去、霧による冷房機の効率向上（室外機の空気冷却）、霧による消火装置、霧による日射量の軽減などに適用が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の二流体ノズルの一実施形態例を示す図である。
【図２】本発明の二流体ノズルの別の一実施形態例を示す図である。
【図３】図２に示す一実施形態例の変形を示す図である。
【図４】本発明の二流体ノズルの別の一実施形態例を示す図である。
【図５】図４に示す本発明の二流体ノズルの変形例を示す図である。
【図６】本発明の二流体ノズルを用いた噴霧装置の一実施例を示す図である。
【図７】従来の二流体ノズルの代表的な形態を示す図である。
【図８】従来の二流体ノズルの別の代表的な形態を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】１      二流体ノズル
２      噴霧装置
１１    液体ノズル
１１ａ  液体ノズル出口
１２    気体ノズル
１２ａ  気体ノズル出口
１２ｂ  気体ノズル内壁面
１３    液膜形成ノズル
１３ｂ  液膜形成面
１３ｃ  液膜形成ノズル外壁面
１４    液体供給器
１４ａ  液体流路
１４ｂ  螺旋状流路
１４ｃ  液体分配流路
１４ｄ  開口
１５    基部
１５ａ  気体流入路
１５ｂ  液体流入路
１６    環状開口
１７    気体流路
１８    気体旋回羽根
２１    空気ポンプ
２２    液体容器
２３    微粒化用気体配管
２４    液体配管
２５    加圧用気体配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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