(57)【要約】【課題】圧力スワールアトマイザーの液噴出孔から噴出する液により形成される液膜が低噴出圧時においてもコーン形状を維持し、良好な微粒化が可能な液体微粒化装置及び液体微粒化構造を提供すること。【解決手段】液体微粒化装置１は、液噴出孔１１を有する圧力スワールアトマイザー１０と、液噴出孔１１の近傍に、液噴出孔１１から噴出された液により形成される液膜の外周近傍で液噴出孔１１の中心軸まわりに旋回する気流（旋回気流）を形成する旋回気流形成部２０とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液噴出孔を有する圧力スワールアトマイザーと、
前記液噴出孔の近傍に前記液噴出孔から噴出された液により形成される液膜の外周近傍で前記液噴出孔の中心軸まわりに旋回する気流を形成する旋回気流形成部と
を具備する液体微粒化装置。
【請求項２】
請求項1に記載の液体微粒化装置であって、
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の近傍に配設され、前記液膜の外周近傍に沿って気体を噴出する複数の第１の気体噴出孔を有する
液体微粒化装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液体微粒化装置であって、
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の中心軸を中心軸とし、かつ、前記液の噴出方向に向けて拡がる円錐面に沿って前記気流を形成する
液体微粒化装置。
【請求項４】
請求項３に記載の液体微粒化装置であって、
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔から噴出される液により形成される液膜の旋回方向と同じ方向に旋回する前記気流を形成する
液体微粒化装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の液体微粒化装置であって、
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の中心軸と直交する平面に沿って前記気流を形成する
液体微粒化装置。
【請求項６】
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の液体微粒化装置であって、
前記液噴出孔の近傍より下流で、前記液噴出孔から噴出される液により形成される液膜に向けて気体を噴出する気体噴出部
を更に具備する液体微粒化装置。
【請求項７】
請求項６に記載の液体微粒化装置であって、
前記気体噴出部は、前記液噴出孔の中心軸まわりに等間隔で配置され、前記液噴出孔の中心軸に向けて気体を噴出する複数の第２の気体噴出孔を有する
液体微粒化装置。
【請求項８】
請求項７に記載の液体微粒化装置であって、
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の近傍に配設され、前記液膜の外周近傍に沿って気体を噴出する複数の第１の気体噴出孔を有し、
前記第２の気体噴出孔は、前記第１の気体噴出孔と共通の気体供給源から気体が供給される
液体微粒化装置。
【請求項９】
請求項１から８のうちいずれか１項に記載の液体微粒化装置であって、
前記旋回気流形成部は、前記形成した気流と前記液噴出孔から噴出した液により形成される液膜との空間の圧力を下げることで前記液噴出孔から噴出した液により形成される液膜が前記液の噴出方向に向けて拡がるように、前記気流を形成する
液体微粒化装置。
【請求項１０】
液噴出孔を有する圧力スワールアトマイザーに用いられる液体微粒化構造であって、
前記液噴出孔の近傍に、前記液噴出孔から噴出された液により形成される液膜の外周近傍で前記液噴出孔の中心軸まわりに旋回する気流を形成する旋回気流形成部を具備する
液体微粒化構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一流体微粒化方式に分類される圧力スワールアトマイザーを用いた液体微粒化装置及び液体微粒化構造に関し、典型的には航空エンジンや液体燃料使用のガスタービンの燃焼器において燃料噴出のために用いられる圧力スワールアトマイザーを用いた液体微粒化装置及び液体微粒化構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力スワールアトマイザーは、一流体微粒化方式の液体微粒化装置のひとつで、液噴出孔から流出する液体に旋回が与えられている点に特徴があり、名称の"スワール"は、この特徴に由来している。
【０００３】
渦室を備えない一流体微粒化装置では、液は液噴出孔から、その断面を満たした液柱となって流出するのに対し、圧力スワールアトマイザーは、液は液柱に比べ分裂しやすい薄い液膜となって流出する。そのため、格段に低い噴出圧においても良好な微粒化が可能であり、広い分野で使用されている。
【０００４】
液噴出圧が適切な場合には、液は液噴出孔から円錐（コーン）状の薄い液膜となって流出し、液噴出孔に近い位置で分裂し、良好な微粒化が行われる。しかし、噴出圧が低下するにつれて旋回による遠心力が弱まり、表面張力の作用が相対的に強まる結果、液膜は液噴出孔の直下では円錐状であったものが下流では円筒状になり（これをチューリップ形状と呼ぶ。）、更に噴出圧が低下すると液膜が下流部で径方向の広がりが小さくなり、ついには集合し、先端が閉じた中空のバブル（これをオニオン形状と呼ぶ。）になる。この状態に至ると液膜の分裂は極めて困難になり、微粒化が極端に悪化する。液膜形状の"チューリップ"，"オニオン"は、非特許文献１で例示されている。
【０００５】
噴霧すべき液流量が一定の場合は、良好な微粒化が行える噴出圧で所要の液量を噴出できる容量のものを選定し、それに適合したポンプを使用すればよい。しかし、用途によっては液流量を増減する必要があり、その最大流量と最小流量との比、いわゆる流量のターンダウンが大きい場合、最小流量でも微粒化性能を確保することを優先して容量の小さなものを選定すると最大流量に対応する噴出圧が非常に高くなってしまう。逆に、最大流量を確保しようと容量が大きいものを選定すると、最小流量時やそれに近い流量時には噴出圧が極度に低下し、良好な微粒化が行えないことになる。
【０００６】
非常に大きい液流量のターンダウンが要求される用途の代表例は、燃料流量により出力（あるいは推力）を増減させている航空エンジンや液体燃料焚きのガスタービンにおける燃料噴出で、エンジン始動時から燃料を噴出する噴出孔の小さいパイロット燃料噴出ノズルと、ある出力（あるいは推力）以上の条件から燃料を噴出し始める噴出孔の大きなメイン燃料噴出ノズルとが同軸に組み合わされ、始動時から最大出力時までの所要流量を範囲カバーしている。この方式の圧力スワールアトマイザーは、デュアルオリフィス燃料ノズルとも呼ばれる。特許文献１には、デュアルオリフィス燃料ノズルが開示されてる。
【０００７】
近年、大気環境保全の観点から航空エンジンやガスタービンからの排出規制が強まっており、上記のデュアルオリフィス燃料ノズルにおいても、作動状態に応じてきめ細やかな燃料配分を行えるように、パイロット燃料噴出ノズルの流量レンジの拡大が要望されるようになっている。
【０００８】
また、航空エンジンの分野では、大推力化や燃費の更なる改善に向けてエンジンの高圧力比化、高温化が進んでいるが、それらは当然、最大燃料流量が増大し、最大と最小の燃料流量比の増大となる。更に、強化が続いているエンジンからのＮＯｘ排出基準への適合には、長期的にはＮＯｘ生成抑制ポテンシャルが高い希薄予混合燃焼を採用するメイン燃焼領域と、始動や高空再着火の要求を満たす能力の高い圧力スワールアトマイザーを用いるパイロット燃焼領域とを備え、要求推力に応じてメイン、パイロット領域間の燃料配分を調整することが不可欠である。
【０００９】
特許文献１には、希薄予混合燃焼を採用するメイン燃焼領域と、圧力スワールアトマイザーを用いるパイロット燃焼領域と、希薄予混合燃焼を採用するメイン燃焼領域を備えた大型航空エンジン用燃焼器の燃料噴出装置が開示されている。
【００１０】
希薄燃焼が有効な推力範囲は最大出力とその近傍に限定され、かなりの推力条件、場合によっては巡航条件までパイロット燃焼領域だけの作動が必要となる結果、パイロット燃料流量のターンダウンは、非常に大きくなる。大型エンジンでは、上記のデュアルオリフィス燃料ノズルの圧力スワールアトマイザーを用いることで、燃料系統は３系統になるものの、許容できると考えられているが、中、小型エンジンではコストやメンテナンス費用の上昇を極度に嫌うことから、燃料系統は従来通り２系統から増やすことは論外という考えは強く、圧力スワールアトマイザーの低噴出圧時の微粒化改善が望まれている。なお、燃料ポンプの高圧化による対応は、経済性だけでなく、現在のポンプの吐出圧の数倍以上の高圧が要求されることになり技術的にも問題がある。
【００１１】
燃料ポンプの吐出圧の上限が与えられたとき、最大燃料流量を増大するには容量の大きな、すなわち噴出孔のより大きなものを選定することになるが、その場合、低流量時の噴出圧が極度に小さくなり、前述のように液膜がオニオン形状になり、微粒化が極度に悪化し、エンジン始動時の着火が不確実になる、アイドリング時の未燃焼成分の排出が増大し、空港近傍の大気環境汚染の原因になる、更には、高空飛行時に大量の雨や雲を吸い込んだ際に起きうる火炎吹き消えの際の再着火が不確実になるという安全を脅かす原因となる、などの問題が懸念される。
【００１２】
低燃料噴出圧時の圧力スワールアトマイザーの微粒化性能悪化を避けることは、液膜のオニオン形状への遷移を防止することに他ならない。各種の燃焼装置や航空エンジン、ガスタービンの燃焼器では空気が容易に利用できることから、空気の流体力学的な作用により低燃料噴出圧時の液膜のオニオン形状への遷移を防止することができれば、初期コストや維持コストの増大なく、良好な噴霧を提供でき、大気環境保全にも大きな貢献ができる。
【００１３】
前記の燃焼器においては、特許文献２に開示されているように、燃料噴出に使用される圧力スワールアトマイザーは、保炎器として機能する保炎用空気旋回器（特許文献２ではスワーラと呼ばれる部品）と組み合わせて使用される。
【００１４】
この空気旋回器は、旋回流れの中心部が負圧になることを利用して燃料噴霧の燃焼によって生成された高温の既燃ガスを中心軸を含む領域を通して上流に逆流させる役割を持っている。この高温ガスは空気旋回器からの空気の流れにより向きを変えて下流に流れる。この高温ガスの循環流れの領域を再循環領域という。この再循環流は、噴霧の燃料液滴を蒸発させ、燃料蒸気と空気との混合を促進し、形成された混合気に点火することにより、火炎を保炎器下流の空間のほぼ一定の位置に継続的に保持する機能を持っている。保炎用空気旋回器は、圧力スワールアトマイザーと同軸に配設されるが、その出口は燃料噴出孔から半径方向に離れて位置する。近接していると再循環領域が形成されにくい。保炎用空気旋回器からの旋回空気流れは、上記のように高温ガスの再循環領域を形成することが目的で、圧力スワールアトマイザーの微粒化の促進を目的としていない。ましてや、前述の低噴出圧時に出現するオニオン形状の液膜を開かせて、円錐状、あるいはチューリップ形状に遷移させることが目的ではない。目的だけでなく、実際、そのような効果はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１２−１３２６７１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４９５０４号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ａ．  Ｈ．  ＬＥＦＥＲＶＥＲ，ＡＴＯＭＩＺＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＰＲＡＹＳ, ｐｐ．１１４-１１５，Ｔａｙｌｅｒ  ａｎｄ  Ｆｒａｎｃｉｓ  Ｇｒｏｕｐ，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ、１９８９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
圧力スワールアトマイザーを用いて液体を微粒化する際、噴出圧が低下するにつれて旋回による遠心力が弱まり、表面張力の作用が相対的に強まる結果、液膜は噴出孔からは円錐状に出るものの、下流に行くと円筒状になり（チューリップ形状）、更に噴出圧が低下すると液膜が下流部で径方向の拡がりが小さくなり、ついには集合し、先端が閉じた中空のバブル（オニオン形状）になる。この状態に至ると液膜の分裂は極めて困難になり、微粒化が極端に悪化するという問題があった。
【００１８】
噴霧すべき液流量が一定の場合は、良好な微粒化が行える噴出圧で所要の液量を噴出できる容量のものを選定し、それに適合したポンプを使用すればよい。しかし、用途によっては液流量を調整する必要があり、その最大流量と最小流量との比、いわゆる流量のターンダウンが大きい場合、最小流量でも微粒化性能を確保するため容量の小さなアトマイザーを選定すると最大流量に対応する噴出圧が非常に高くなってしまい、吐出圧が高いポンプが入手できたとしても、初期コストや運転コスト、保守コストが増大するという問題があった。逆に、最大流量を確保しようと容量が大きいアトマイザーを選定すると、最小流量時やそれに近い流量時には噴出圧が極度に低下し、良好な微粒化に必要な最低噴出圧よりも低くなってしまうということになる。
【００１９】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧力スワールアトマイザーの液噴出孔から噴出する液により形成される液膜が低噴出圧時においてもコーン形状を維持し、良好な微粒化が可能な液体微粒化装置及び液体微粒化構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る液体微粒化装置は、液噴出孔を有する圧力スワールアトマイザーと、前記液噴出孔の近傍に前記液噴出孔から噴出された液により形成される液膜の外周近傍で前記液噴出孔の中心軸まわりに旋回する気流（旋回気流）を形成する旋回気流形成部とを具備する。
【００２１】
本発明者らは、圧力スワールアトマイザーの微粒化現象の観察中に、オニオン形状の液膜ができている状態で液噴出孔の近傍に小流量の旋回気流を付与し、その旋回気流の強さ、具体的には旋回気流形成部の上流と下流との空気圧の差を増大させていくと、ある値で突然、先端が閉じたオニオン形状の液膜が円錐形状に開く、すなわち液膜の状態が突然そのように遷移するという知見を実験などから得た。本発明は、かかる知見に基づきなされたものである。
【００２２】
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の近傍に配設され、前記液膜の外周近傍に沿って気体を噴出する複数の第１の気体噴出孔を有することが好ましい形態である。
【００２３】
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の中心軸を中心軸とし、かつ、前記液の噴出方向に向けて拡がる円錐面に沿って前記気流を形成することが別の好ましい形態である。ここで、前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔から噴出される液により形成される液膜の旋回方向と同じ方向に旋回する前記気流を形成することがより好ましい形態である。このように同方向でかつ傾いた方向に旋回気流を形成することで、一旦コーン形状となった液膜はより低い低噴出圧となってもヒステリシス効果によりコーン形状を維持する。
【００２４】
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の中心軸と直交する平面に沿って前記気流を形成することが好ましい形態である。
【００２５】
本発明の一形態に係る液体微粒化装置は、前記液噴出孔の近傍より下流で、前記液噴出孔から噴出される液により形成される液膜に向けて気体、例えば空気ジェットを噴出する気体噴出部を更に具備してもよい。
【００２６】
本発明は、上記と同時に得た知見である、空気ジェットを液膜に向けて噴出すると、より弱い旋回気流で遷移が起きるという観察結果に基づいている。
【００２７】
前記気体噴出部は、前記液噴出孔の中心軸まわりに等間隔で配置され、前記液噴出孔の中心軸に向けて気体を噴出する複数の第２の気体噴出孔を有することが好ましい形態である。
【００２８】
前記旋回気流形成部は、前記液噴出孔の近傍に配設され、前記液膜の外周近傍に沿って気体を噴出する複数の第１の気体噴出孔を有し、前記第２の気体噴出孔は、前記第１の気体噴出孔と共通の気体供給源から気体が供給されるように構成することがより好ましい形態である。
【００２９】
前記旋回気流形成部は、前記形成した気流と前記液噴出孔から噴出した液により形成される液膜との空間の圧力を下げることで前記液噴出孔から噴出した液により形成される液膜が前記液の噴出方向に向けて拡がるように、前記気流を形成するものである。
【００３０】
本発明の一形態に係る液体微粒化構造は、液噴出孔を有する圧力スワールアトマイザーに用いられる液体微粒化構造であって、前記液噴出孔の近傍に、前記液噴出孔から噴出された液により形成される液膜の外周近傍で前記液噴出孔の中心軸まわりに旋回する気流を形成する旋回気流形成部を具備する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、圧力スワールアトマイザーの液噴出孔から噴出する液により形成される液膜が低噴出圧時においてもコーン形状を維持し、良好な微粒化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。
【図２】図１の圧力スワールアトマイザーの先端部の構造を示す断面図である。
【図３】図２の液旋回器の斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る旋回気流形成部の分解斜視図である。
【図５】図４の空気旋回器の斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る圧力スワールアトマイザーからの液膜と旋回気流形成部からの旋回気流との関係を説明する図であり、液体微粒化装置を下方から見た概略図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る圧力スワールアトマイザーからの液膜と旋回気流形成部からの旋回気流との関係を説明する図であり、液体微粒化装置を側方から見た概略図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る実験結果であり、空気差圧と液噴出圧との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る圧力スワールアトマイザーからの液膜と空気ジェット噴出用空気室からの空気ジェットとの関係を説明する図であり、液体微粒化装置を下方から見た概略図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る圧力スワールアトマイザーからの液膜と空気ジェット噴出用空気室からの空気ジェットとの関係を説明する図であり、液体微粒化装置を側方から見た概略図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る実験結果であり、空気ジェットを用いた場合とそうでない場合の空気差圧と液噴出圧との関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。
【図１４】図１３の液体微粒化装置における旋回気流形成部を構成する空気旋回器の斜視図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る圧力スワールアトマイザーからの液膜と旋回気流形成部からの旋回気流との関係を説明する図であり、液体微粒化装置を下方から見た概略図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る圧力スワールアトマイザーからの液膜と旋回気流形成部からの旋回気流との関係を説明する図であり、液体微粒化装置を側方から見た概略図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る実験結果であり、空気差圧と液噴出圧との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。  
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の一実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。  
本発明の一形態に係る液体微粒化装置１は、液噴出孔１１を有する圧力スワールアトマイザー１０と、液噴出孔１１の近傍に、液噴出孔１１から噴出された液により形成される液膜の外周近傍で液噴出孔１１の中心軸まわりに旋回する気流（旋回気流）を形成する旋回気流形成部２０とを具備する。この液体微粒化装置１は、例えば航空エンジン燃焼器用燃料微粒化装置として用いることができる。
【００３４】
図２は、圧力スワールアトマイザー１０の先端部の構造を示す断面図である。  
図２に示すように、圧力スワールアトマイザー１０は、圧力スワールアトマイザー１０の先端部１０１に液噴出孔１１を有する。液噴出孔１１の上流には連通して渦室１０３が配設され、渦室１０３のすぐ上流には液旋回器１０４が配設されている。
【００３５】
図３は、図２に示した液旋回器１０４の斜視図である。  
図２及び図３に示すように、渦室１０３は、円錐状の周壁１０５をもち、液体はポンプ等により加圧されて、渦室１０３の周壁１０５にほぼ接する液旋回器１０４の液流入路１０６を通って渦室１０３内に流入し、その内部に液体の旋回流れを形成する。
【００３６】
周壁１０５は、流入する液体の旋回流を発生させるための要素であり、液噴出孔１１の中心軸１０７に垂直な面の形状が円形であればよく、もちろん円筒状でもよい。旋回により渦室１０３内に中心軸１０７に沿って負圧の領域が発生し、ほぼ円柱状の空気の柱ができ、液は渦室１０３の周壁１０５に沿って旋回しながら流れ、液噴出孔１１の周縁から円錐状の液膜１２となって流出する。
【００３７】
図４は、旋回気流形成部２０の分解斜視図である。  
図１及び４に示すように、旋回気流形成部２０は、空気旋回器２１と、その空気旋回器２１に空気を導入するための空気室２２を構成するための外周チャンバ部材２３、内周チャンバ部材２４及びカバー２５とを有する。
【００３８】
空気旋回器２１は、図５に示すように、圧力スワールアトマイザー１０の中心軸とほぼ同軸の円錐面２１１を有し、円錐面２１１に例えば６つ空気流入溝２１２が形成されている。円錐面２１１を有する円錐の頂角は、ここではほぼ１２０°とされている。各空気流入溝２１２は、圧力スワールアトマイザー１０の中心軸と捩じれの位置の関係にあるように、少し斜めに形成されている。その角度によって、旋回気流は形成される。空気旋回器２１は、同一頂角の円錐状のカバー２５により覆われ、空気流入溝２１２とカバー２５の内面との間で例えば６つの空気流入路２１３が形成されている。旋回気流形成部２０の中心の貫通孔２１４には圧力スワールアトマイザー１０が挿入されている。
【００３９】
図６及び図７は、圧力スワールアトマイザー１０からの液膜と旋回気流形成部２０からの旋回気流との関係を説明する図である。図６は図１に示した液体微粒化装置１を下方から見た概略図であり、図７は図１に示した液体微粒化装置１を側方から見た概略図である。
【００４０】
これらの図に示すように、圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１から噴出された液によりコーン状の液膜１２が形成される。旋回気流形成部２０は、空気旋回器２１の各空気流入路２１３の出口に空気噴出孔２６を有する。６つの空気噴出孔２６のそれぞれは、コーン状の液膜１２よりも少し外側の仮想の円の接線に沿って、かつ、下方に例えば水平より３０°程度傾いた方向に空気を噴出する。これにより、旋回気流形成部２０は、圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１の外周近傍で液噴出孔１１の中心軸まわりに旋回する気流（旋回気流２７）を形成し、液噴出孔１１から噴出した液により形成される液膜１２が弱い液噴出圧でも液の噴出方向に向けて拡がるようになる。すなわち、旋回気流形成部２０は、液噴出孔１１から噴出した液により形成される液膜１２が弱い液噴出圧でも液の噴出方向に向けて拡がるように、気流を形成するものである。その旋回気流２７の作用により液噴出孔１１からの液膜１２がオニオン形状からチューリップへ、更にはコーン（円錐）形状へ遷移させるようにしたものである。
【００４１】
旋回気流形成部２０は、液噴出孔１１から噴出される液により形成される液膜１２の旋回方向と同じ方向に旋回する旋回気流２７を形成する。このように同方向でかつ傾いた方向に旋回気流２７を形成することで、一旦コーン形状となった液膜１２はより低い低噴出圧となってもヒステリシス効果によりコーン形状を維持することが確認されている。
【００４２】
本発明者らが行った実験では、旋回気流を与えないとオニオン形状の液膜ができる１００ＫＰａ以下の液噴出圧ＰＬにおいて、圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１の外周近傍で旋回気流２７を形成し、その空気差圧（図では上流側の空気圧と大気圧との差ΔＰを大気圧Ｐで無次元化してΔＰ／Ｐと表記され、表示してある）を増大させいくと、ある値に達した瞬時にオニオン形状から円錐形状に遷移することが観察された。そのときの空気差圧と液噴出圧との関係を、図８に示す。上記の遷移を起こすに必要な最小空気差圧は、液噴出圧が低いほど大きくなることが分かる。ここでは、空気旋回器は円錐であり、旋回気流は液膜と同方向に旋回する場合であり、液体は水である。
一旦、オニオン−コーン遷移が起きると空気差圧を下げて行っても、図８のグラフの破線が示すように、相当低くなるまでその開いた状態(コーン状態)を維持できること、すなわち、オニオン形状とコーン形状間の遷移にはヒステリシスがあるということも、観察により確認できた。ただし、液噴出圧が８０ｋＰａ以上では旋回気流がない状態でチューリップ形状となる。従って、液噴出圧が８０ｋＰａ以下ではチューリップ形状を経ないでオニオン形状からコーン形状へ遷移し、液噴出圧が８０ｋＰａ以上ではチューリップ形状からコーン形状へ遷移していることが観察できた。
なお、本発明者らは、空気旋回器は円錐で、旋回気流は液膜と逆方向に旋回する場合についても実験した。この実験結果によれば、空気旋回器は円錐で、旋回気流は液膜と逆方向に旋回する場合には、空気旋回器は円錐で、旋回気流は液膜と同方向に旋回する場合よりも、オニオンからコーン形状への遷移に必要な空気差圧は高いことが明らかになった。
【００４３】
〈第２の実施形態〉
図９は、本発明の第２の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。  
図９に示すように、この液体微粒化装置２は、第１の実施形態における液体微粒化装置１に気体噴出部としての空気ジェット噴出用空気室３０を追加したものである。第２の実施形態の液体微粒化装置２において、第１の実施形態における液体微粒化装置１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
空気ジェット噴出用空気室３０は、液噴出孔１１の近傍より下流で、液噴出孔１１から噴出される液により形成される液膜１２に向けて空気ジェットを噴出する。空気ジェット噴出用空気室３０の採用は、空気ジェットを液膜１２に向けて噴出すると、より弱い旋回気流で上記の遷移が起きるという観察結果に基づいている。
【００４５】
図１０及び図１１は、圧力スワールアトマイザー１０からの液膜１２と空気ジェット噴出用空気室３０からの空気ジェットとの関係を説明する図である。図１０は図９に示した液体微粒化装置２を下方から見た概略図であり、図１１は図９に示した液体微粒化装置２を側方から見た概略図である。
【００４６】
これらの図に示すように、空気ジェット噴出用空気室３０は、液噴出孔１１の中心軸まわりに等間隔で配置され、液噴出孔１１の中心軸に向けて空気ジェット３０１を噴出する例えば４つの空気ジェット噴出孔３０２を有する。各空気ジェット噴出孔３０２から噴出される空気ジェット３０１は、液噴出孔１１から噴出される液により形成される例えばオニオン形状の液膜１２にあたる。
【００４７】
この液体微粒化装置２において、空気ジェット噴出孔３０２も流路３０３を介して空気旋回器２１も上流側で連通し、共通の空気供給源（図示をせず）に接続されている。従って、空気ジェット３０１の差圧も空気旋回器２１における空気差圧と同じと考えてよい。これにより、燃焼器に流入する空気のごく一部を液膜近傍への旋回気流２７と空気ジェット３０１の生成に使用するだけで実施できることから、実際のガスタービンに本発明を容易に適用できる。
【００４８】
つまり、この実施形態に係る液体微粒化装置２では、空気旋回器２１の内周壁に空気旋回器２１の上流において連通する空気ジェット噴出孔３０２を設け、空気ジェット噴出孔３０２から圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１から延びるオニオン形状の液膜１２に向けて空気ジェット３０１が噴出されるようにし、この空気ジェット３０１の噴出がない場合よりも相当弱い旋回気流２７でもオニオン形状の液膜１２がコーン形状に遷移するようにした。
【００４９】
なお、この空気ジェット３０１の本数は、１本でも効果があることは実験において確認している。また、上記空気ジェット３０１の向きは、水平でも、斜め下でも効果があることを実験により確認している。
【００５０】
本発明者らの行った実験結果を図１２に示す。この実験は、直径約１ｍｍの空気ジェット噴出孔３０２からの空気ジェット３０１を液膜１２に向けて噴出したものと、そうでないものとを比較したものである。外部刺激なしは、空気ジェット３０１を液膜１２に向けて噴出しない場合であり、外部刺激ありは、空気ジェット３０１を液膜１２に向けて噴出した場合である。
【００５１】
この実験結果から、オニオン形状からコーン形状への遷移は、空気ジェット３０１の噴出がない場合よりも相当低い空気差圧で起き、その空気差圧の値は液噴出圧によらずほぼ一定であることが分かる。すなわち、本発明では、オニオン形状の液膜１２に向けて側方から空気ジェット３０１を噴出することにより、この噴出がない場合に比べ空気旋回器２１からの旋回気流２７が弱い状態でもオニオン形状からチューリップへ、更にはコーン形状への遷移が起きるようなる。
実際に、空気ジェット３０１を追加した場合、空気差圧が２％程度でオニオン形状からコーン形状に遷移しており、この空気差圧の大きさは、航空ガスタービンの始動時に利用できる空気差圧の範囲に収まっていることが注目に値する。
【００５２】
〈第３の実施形態〉
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。図１４は、この液体微粒化装置における旋回気流形成部を構成する空気旋回器の斜視図である。  
図１３に示す液体微粒化装置３は、第１の実施形態における液体微粒化装置１における旋回気流形成部２０と構成が異なる。第３の実施形態の液体微粒化装置３において、第１の実施形態における液体微粒化装置１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
図１３に示すように、この実施形態に係る旋回気流形成部４０は、空気旋回器４１と、その空気旋回器４１に空気を導入するための空気室２２を構成するための外周チャンバ部材２３、内周チャンバ部材２４及びカバー４２５とを有する。
【００５４】
空気旋回器４１は、図１４に示すように、圧力スワールアトマイザー１０の中心軸とほぼ同軸で直交する円形面４１１を有し、円形面４１１に例えば３つ空気流入溝４１２が形成されている。各空気流入溝４１２は、圧力スワールアトマイザー１０の中心軸と捩じれの位置の関係にあるように、少し斜めに形成されている。その角度によって、旋回気流は形成される。空気旋回器４１は、一方が有底の円筒状のカバー４２５により覆われ、空気流入溝４１２とカバー４２５の内面との間で例えば３つの空気流入路４１３が形成されている。
【００５５】
図１５及び図１６は、圧力スワールアトマイザー１０からの液膜と旋回気流形成部４０からの旋回気流との関係を説明する図である。図１５は図１３に示した液体微粒化装置３を下方から見た概略図であり、図１６は図１３に示した液体微粒化装置３を側方から見た概略図である。
【００５６】
これらの図に示すように、圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１から噴出された液によりコーン状の液膜１２が形成される。旋回気流形成部４０は、空気旋回器４１の各空気流入路４１３の出口に空気噴出孔４６を有する。３つの空気噴出孔４６のそれぞれは、コーン状の液膜１２よりも少し外側の仮想の円の接線に沿った空気を噴出する。これにより、旋回気流形成部４０は、圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１の外周近傍で液噴出孔１１の中心軸まわりに旋回する気流（旋回気流４７）を形成し、液噴出孔１１から噴出した液により形成される液膜１２が低噴出圧でも液の噴出方向に向けて拡がるようになる。また、旋回気流形成部４０は、液噴出孔１１から噴出される液により形成される液膜１２の旋回方向と反対方向に旋回する旋回気流４７を形成する。
【００５７】
本発明者らが行った実験では、旋回気流を与えないとオニオン形状の液膜ができる１００ＫＰａ以下の液噴出圧ＰＬにおいて、圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１の外周近傍で旋回気流４７を形成し、その空気差圧（図では上流側の空気圧と大気圧との差ΔＰを大気圧Ｐで無次元化してΔＰ／Ｐと表記され、表示してある）を増大させいくと、ある値に達した瞬時にオニオン形状から円錐形状に遷移することが観察された。そのときの空気差圧と液噴出圧との関係を、図１７に示す。上記の遷移を起こすに必要な最小空気差圧は、液噴出圧が低いほど大きくなることが分かる。
なお、本発明者らは、空気旋回器は円形平面で、旋回気流は液膜と同方向に旋回する場合についても実験した。この実験結果によれば、空気旋回器は円形平面で、旋回気流は液膜と同方向に旋回する場合には、空気旋回器は円形平面で、旋回気流は液膜と逆方向に旋回する場合よりも、オニオンからコーン形状への遷移に必要な空気差圧は高いことが明らかになった。
【００５８】
〈第４の実施形態〉
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。  
第４の実施形態の液体微粒化装置において、第１の実施形態における液体微粒化装置１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。  
図１８に示すように、液体微粒化装置４における旋回気流形成部５０は、圧力スワールアトマイザー１０の先端部近くの外周に螺旋溝５１を配設し、空気が螺旋溝５１を流れることにより圧力スワールアトマイザー１０の液噴出孔１１の周囲に旋回気流５７を形成できるようにした。螺旋溝５１は多重であるほうが周方向に一様な強さの旋回気流５７を形成できるのでより好ましい。螺旋溝５１の条数は、旋回気流５７の流れの周方向の一様性と製造コストを考慮すると３条から６条が好ましい。また、螺旋溝５１は流入口から流出口に向けて断面積が小さくなる形状がより好ましい。
図１８においては、螺旋溝５１は、圧力スワールアトマイザー１０の外周壁に雄ネジ形状に配設されているが、圧力スワールアトマイザー１０が挿入される貫通孔２１４の内周壁に雄ネジ形状の溝を配設する、或いは貫通孔２１４の内周壁に雌ネジ形状に配設しても同じ効果が得られる。
この実施形態では、空気ジェット３０１を噴出する複数の空気ジェット噴出孔３０２を旋回気流５７が流出する流路壁から下流に向けて広がる円錐面の周壁に配設している。このように空気ジェット３０１は、オニオン形状の液膜１２に斜め下向きに噴出されるように流路が配設されているが、空気ジェット３０１が液膜１２に、特にオニオン形状の中央ふくらみ部にあたる向きに配設するのが好ましい。
【００５９】
〈第５の実施形態〉
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。  
第５の実施形態の液体微粒化装置において、第１の実施形態における液体微粒化装置１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。  
図１９に示すように、この液体微粒化装置５における旋回気流形成部６０は、圧力スワールアトマイザー１０の外周に軸方向空気旋回羽根６１を配置し、その下流に軸方向空気旋回羽根６１を通過して旋回が与えられた旋回気流６７が半径方向内向きに流出すような流路を配設している。また、第４の実施形態と同様に、この実施形態では、空気ジェット３０１を噴出する複数の空気ジェット噴出孔３０２を旋回気流６７が流出する流路壁から下流に向けて広がる円錐面の周壁に配設している。
【００６０】
〈第６の実施形態〉
図２０は、本発明の第６の実施形態に係る液体微粒化装置の縦断面図である。  
第６の実施形態の液体微粒化装置において、第１の実施形態における液体微粒化装置１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。  
図２０に示す第６の実施形態に係る液体微粒化装置６は、希薄予混合燃焼を採用するメイン燃焼領域とパイロット燃焼領域とを備えた航空エンジン用燃焼器のパイロット燃料噴出に適応したものである。
図２０には、パイロット燃焼領域７０に流入する空気に旋回を与える保炎用スワーラ７３と、圧力スワールアトマイザー１０及び旋回気流形成部２０で構成される液体微粒化装置６の部分が描かれている。
【００６１】
中心軸上に圧力スワールアトマイザー１０が配設され、その周囲に環状の空気流路がスプリッタ７５により隔壁されて２個、同軸に配設されている。外ダクト壁７４は、下流部で絞られた後に円錐状に拡大している。この外側の環状流路の入口部の平行部には、この流路を流れる空気に旋回を与える保炎用スワーラ７３が配設されている。内側の環状流路の出口部には、先すぼまりの環状の壁７７が配設され、その壁７７と圧力スワールアトマイザー１０の外周壁との間に液膜１２近傍に流出する空気流に旋回を与える空気旋回器２１が配設されている。また、スプリッタ７５は先端部で窄まって前述の先すぼまりの環状の壁７７と繋がり、袋状に空気溜まり７８を形成する。この空気溜まり７８の先端部には複数の空気ジェット噴出孔３０２が周方向に配設され、そこから外部刺激用の空気ジェット３０１が噴出される。
【００６２】
〈まとめ〉
以上のとおり本発明に係る実施形態によれば、航空エンジンやガスタービンの燃焼器において、エンジン始動時において利用できる低い空気差圧でも発生できる程度の旋回空気を与えることにより、著しく小さい液噴出圧までオニオン形状が解消できる範囲を広げることができ、その結果、従来は微粒化が悪いために使用できなかった低液噴出圧時においても良好な微粒化が可能なことを示している。更に、外部より微弱な刺激（空気ジェット）を与えることにより、非常に小さな空気差圧でもオニオン形状を解消でき、良好な微粒化が行える燃料流量の下限界を広げ、その結果、良好な噴霧が得られる液噴出圧の下限を著しく下げることができ、最大液流量と最小液流量の比、すなわち液流量のターンダウン比を大幅に拡大できることを明らかにしている。
本発明は、圧力スワールアトマイザーを用いて液体を微粒化する各種装置に広く適用できる。少量ではあるが空気を必要とすることから空気が簡単に利用できると好都合で、各種燃焼装置では空気源が常に備わっているので、本発明は容易に適用できる。最適な適用用途は、燃料流量のターンダウン比が非常に大きい航空用、産業用ガスタービンの燃料噴出の用途である。
【００６３】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内で様々に変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１、２、３、４、５、６…液体微粒化装置
１０…圧力スワールアトマイザー
１１…液噴出孔
１２…液膜
２０、４０、５０、６０…旋回気流形成部
２１、４１、５１、６１…空気旋回器
２６、４６…空気噴出孔
２７、４７、５７、６７…旋回気流
３０…空気ジェット噴出用空気室
３０１…空気ジェット
３０２…空気ジェット噴出孔
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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