JP5662655B2 - ノズル - Google Patents

Description

本発明は、たとえばノズルに係り、特に低圧力の気流および霧化したい液体の送付圧を極力低圧に保ちながら、霧の用途に合わせ霧の粒径を狭い範囲に制御する２流体ノズルに関する。

微細な霧滴を噴霧することが各種産業で要請されている。この要請に応える一法として、たとえば特許文献１に開示されるように、噴射対象の液体を孔から漏出させ、環状体の表面に液膜（プレフィルム）を形成させ、これを圧力をもって噴出させることで微細な霧滴を噴出させるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルが知られている。

しかし、プレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルでは、液体の液膜をノズル上流部で生成させノズル先端部でエアブラストにより微粒化することを提案するものであるところ、液膜形成体の必要により、形状が複雑であるために特殊な製造技術および方法を必要とするうえ、霧滴の粒径制御が難しい。また、液膜形成体の開口部は通常のノズル開口部よりも一般的に広い構造を取らざるを得ないため、高速の気流を得るためには大容量の空気を必要とした。当該プレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルは比較的低圧での噴霧を可能にするものと思われるが低圧かつ大風量のエアコンプレッサーやエアポンプは存在せず、また噴霧作業にあたって空気と噴霧する液体の圧力を双方とも精密に制御できる機構が必要とされるため、使用場所が限られるものであった。

特許第３８２６１９６号公報

上述のように、これまでの微細な霧滴の噴霧技術では、微細かつ均一な粒子径分布を持った霧を必要とする分野が多数存在するが、高圧送液ポンプによる送液や高圧コンプレッサー、大容量コンプレッサーの使用が避けられず、これらを用いずに目的の霧を得るシステムは存在しなかった。

すなわち、従来のものは、金属等の磨耗の少ない材料の一部に開口穴を設け、高圧力送液ポンプで液体を押し出したり、高速の気流を必要とするため高圧の空気を送風する構造のものであり、霧化現象はノズルの極微細構造（仕上げ精度）に左右され、霧滴の粒子径制御では最適な空気量、送液量、圧力の範囲には厳しい制限がかからざるを得なかった。または、噴霧作業そのものにあたって空気と噴霧する液体の圧力を双方とも精密に制御できる機構が必要とされるため、ノズルの応用範囲は狭いものとなっていた。

本発明はこうした従来技術上の問題点を解決することを企図したものであり、低圧力、少量の噴霧用気体によって粒子径分布が極めて狭い範囲にある霧滴を生成させることにより、燃焼や各種薬剤噴霧、冷却のための大容量空間向け水噴霧などに用いるための流体ノズルを提供することを目的とするものである。

かかる課題を解決するために、本願の一態様に係るノズルは、内筒および外筒を同軸上に配置し、内筒および外筒の空隙部に溝または穴構造により旋回流を発生させる旋回流発生子を備え、ノズル先端部にあっては外筒内流体の流路を狭め、外筒内流体流速を上げるためのオリフィス構造を持ったことを特徴とする。これにより、ノズル下流の開口端付近で生じる旋回流により内筒の液体の吸出し効果と粒子の細分効果が生まれ、微細な液体粒子を噴射することができる。

この場合、本発明の別態様として、前記ノズル内筒上旋回流発生子からノズル先端部に渡り外筒との空隙を一定幅にすることを目的とした内筒整流体を持たせた構造としてもよい。これにより、乱流の発生を抑制してより安定的に粒子を噴射させることができる。

さらに、本発明のまた別の態様として、前記内筒整流体のさらにノズル先端部に向けて内筒との空隙を一定幅にすることを目的とした整流筒を持つような構造としてもよい。これにより、より安定した微粒化を図ることができる。

また、本発明のさらに別の態様として、霧の微粒化のための気流流速制御により、液体送液ポンプや加圧タンクの使用を無用としたサイフォン式に係るものとしてもよい。これにより、実施を容易にし、かつ制御も容易でエネルギー効率の高いものとすることが可能となる。

また、上記課題を解決するために、本願の請求項１に係るノズルは、第１の内径を持つ円筒形状をなし第１の流体供給源に導通され得る導通口を側面に備える内筒と、前記内筒の外側に該内筒と同軸に配設されて略円筒体をなし内側には下流側に向けてオリフィスが形成され上流側に第２の流体供給源と接続可能な整流筒と、前記整流筒の内壁と前記内筒との間に嵌入され前記内筒と同軸に配設される略円盤形の外周に所定間隔で斜め方向に溝が刻設されるもしくはノズル同軸方向に対して一定の角度を持って上下底面を連通する連通孔が複数挿設される旋回流発生子と、前記内筒の下流側に同軸に連通され前記第１の内径より小さい第２の内径を持つ噴射筒とを具備し、前記整流筒の先端部に前記オリフィス面の終了位置から先端部にかけて広がった断面構造を持つ整流流路を設けたことを特徴とする。

第１の流体供給源、第２の流体供給源は水、燃料等の液体、気体等を供給する機能を有するもので、たとえばタンク等が含まれる。

略円筒体とは、円筒形だけでなく、実質的に同軸に配置可能なものであれば含まれる趣旨であり、たとえば、八角形柱体等の多角形柱であってもよい。

「オリフィスが形成され」とは、第２の流体が下流方向に導出されるにつれて、形状上絞りをかけ得る構造を設けるもの全てを含み、たとえば、コーン形状（突端側を下流側としたもの）も含まれる。このオリフィスの作用により、第２の流体の流速は極めて加速されることとなる。

「外周には所定間隔で斜め方向に溝が刻設される」とは、第２の流体が下流側に導出される際の唯一の漏出口を設け、これを通過することで、第２の流体が旋回流を形成するのに十分なあらゆる構造を含む。

上記の構成を備えることにより、ノズル下流の開口端付近で生じる旋回流により内筒の液体の吸出し効果と粒子の細分効果が生まれ、微細な液体粒子を噴射することができる。

また、本発明のまた別の態様として、前記旋回流発生子には、前記溝に換えて、該旋回流発生子の上下底面を連通する連通孔が複数挿設されるノズルとすることもできる。連通孔を複数挿設すれば、これを導通する第２の流体が旋回流を発生させることができる。かかる連通孔は斜め方向に略方向をそろえて複数配設するのが好ましい。連通孔の挿設の手段については本発明の企図するところを逸脱しない限りにおいて任意のものを採用することができ、または工夫するところを妨げるものではない。

また、本発明のさらに別の態様として、前記旋回流発生子の下流側底面の前記溝もしくは前記連通孔をかわす位置から前記噴射筒の先端より若干手前の位置にまで略コーン型の内筒整流体をさらに備える構成としてもよい。これにより乱流の発生を抑えて、エネルギー効率をさらに高めるとともに安定した旋回流を生み出すことができる。

さらに、本発明のまた別の態様として、前記整流筒の先端面は前記噴射筒の先端部と面一より若干突出している構成とすることもできる。これにより、噴射筒の先端部が第２流体の噴出する整流筒の先端面より奥まったところに配置されるため、旋回流を形成する第２流体の噴流に整流筒の先端面から噴出される第１流体がのりやすくなり、液体の吸出し効果と粒子の細分効果がさらに促進される。

また、前記に代え、本発明のさらに別の態様として、前記整流筒の先端部には前記オリフィス面の終了位置から先端部にかけて整流流路を設けた構成とすることもできる。こうした構成を備えることで、整流流路において噴流が整流化、平準化されるため、噴出する粒子のさらなる安定した微細化を図ることもできる。

さらに、本発明のまた別の態様として、前記第１の流体として水流もしくは燃料流を採用し、前記第２の流体として気体を採用した構成としてもよい。これにより、第２の流体として用いる気体による吸引効果と微細化効果をもって第１の流体の噴霧に用いるため、所望の水流もしくは燃料流を万遍無く細密に噴霧することができる。

こうした構成を備える本発明の２流体ノズルを使用することにより、従来ノズルの複雑な構造、従来ノズルの高圧を得るためのコンプレッサー、エアポンプ、送液ポンプなどを要することなく、微細かつ粒子径分布の狭い霧を得ることができる。この効果により、霧化システムは簡便かつ軽量、小容積のものとなることから、一般家庭内、建築物内部での種々の霧化用途での使用が可能になる。

本発明の一実施形態に係るノズルの全体を示す構成図である。 本発明の一実施形態に係るノズルにおいて、開口部に整流筒を設けたものを示す構成図である。 本発明の一実施形態に係るノズルにおいて、旋回流と噴射流の安定した広がりを企図して整流筒に下流に向かって広げた構造に係る構成図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。なお、以下では、本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。

本発明は基本的な構造として、図１に示すように、ノズル外筒部１、ノズル内筒部２、および旋回流発生子３を備えて構成される。気流および液流の衝突はノズル先端部の一点で行われる構造のため、気流および液流のいずれにも流体の流れを邪魔するもの、すなわち乱流を起こす原因となる構造は配置しない。

このような基本的な構成に使用する空気量の削減と高速の気流を得る目的から、外筒先端（ノズル最下流部）はノズル上流の内径一定部と異なる絞り構造を持ち、オリフィス効果により流速を上昇させるオリフィス面１１を持つ。

オリフィス効果とは、水、気体等の流体の流れる管を絞る（管径を小さくする）と圧力が増し、それにより流速も増す現象を利用し、たとえばコーン逆形状等の先端に向けて絞られた形状体の中を通過させることで流体の流速を増加させる効果をいう。

上記に加え、さらにノズル内筒先端部での空気流による液体の微粒化を促進するため、内筒部および外筒部に密着してノズル中流部に旋回流発生子３を配置する。旋回流発生子は外周部分にノズル同軸方向に対して一定の角度を持った溝を配置するか、もしくはノズル同軸方向に対して一定の角度を持った穴を開口するか、もしくは内筒部、外筒部いずれかにノズル同軸方向に対して一定の角度を持った羽根を配置して実現してもよい。ノズル中流部にノズルと軸を同じくしたネジ切状の軌跡を持つ旋回流を作り出すことのできる手段であれば方法の如何は問わない。また、ここでの一定の角度とは、旋回流を形成することのできる角度であれば特に数値的な限定はない。

ノズル下流部ではノズル内筒部および外筒部で構成される空間が存在するが、当該空間内での空気流の乱流を防ぐために、外筒部の絞り構造に沿った構造を内筒上に実現し、内筒部および外筒部間の空隙を一定に制御するための内筒整流体４を配置する。この内筒整流体は、内筒と一体成形でも、あるいは内筒と軸を同じにして被せる形をとり、種々の状況に応じて着脱可能な形をとってもよい。

図１のノズル先端部はノズル内筒と整流体の末端部が非常に近い位置で切断された構造であり、必要に応じて図２のようにノズル外筒部を下流部に向けて絞りかつ、一定の管径を保つ整流筒５を配置することにより、噴霧する液体の微粒化をさらに安定したものにすることもできる。この整流筒５は、図１のノズルの開口部から下流方向に伸ばす形で一体成形したものでもよいし、あるいはこの整流筒５のみを取り外し可能なものとして別個に成形して取り付けたものでもよい。

また、図３に示すように、旋回流と噴射流の安定した広がりを企図して整流筒５に下流に向かって広げた構造をとらせてもよい。

なお、図１乃至３において、図の簡略化、理解の容易のために、各断面線を主に表示し、たとえば突端部小口の見え線や整流筒５の内壁の屈曲箇所の見え線については記載が主に省略されている。

以下、上記のように構成される本願発明の作用・動作、及び当該ノズルを用いて生成される微細な液体粒子の特性について詳述する。

本実施形態においては、外筒と内筒の間の空間にコンプレッサー等を用いて空気の流れを通す。この空気の流れは、上述の旋回流発生子によって、螺旋状の軌跡をもつ回転流（旋回流）を生じる。

コンプレッサー等とは、気体を圧縮した後に噴出すことで運動エネルギーを持った気体を生成する機械をいう。本発明においては外筒と内筒の間に安定した気流を生み出せるものであれば足り、その手段の如何は問わない。

螺旋状の軌跡を持つとは、本願の外筒もしくは内筒の軸と同軸にネジを切った溝のような軌跡を持つことである。ただし、本発明のノズルの最下流部で内筒を通る液体の粒子を細かく分割し、かつノズル付近において圧力を低めることで連続的に内筒を通して噴霧する液体を吸出し続けることができれば本発明の趣旨を満足するものであり、たとえば旋回流発生子が生み出す旋回流の軌跡が緩慢なために、局所的にノズル部分を見る限りでは軌跡が螺旋状に見えないといった状態でも本発明の効果は損なわれるものではない。

上記螺旋状の軌跡をもつ空気の回転流（旋回流）は、外筒と内筒の間の空間を進み、オリフィス形状のある部分で圧力の増加からその速度を増す。そして、ノズルの最下流部分の開口端にて回転流として竜巻状に吹き出す。このため、内筒の最下流部の開口端付近では、上記の竜巻状の空気の回転流によって常に気圧が低い状態が作り出され、内筒の開口部からその中の液体を吸い出す方向の力が発生する。これにより、ノズルに空気を流し続けることで連続的に噴霧する液体が吸い出され続ける。こうした吸い出し作用は、そのための動力等を要することなく、形状のみにて実現される。

さらに、内筒を通ってきた液体がその開口部から外に出た瞬間、開口部付近は気圧が低くなっており流れが広がる力が働くことと、上記の空気の回転流に遭遇することのためにその流れは非常に細かい粒子に分断される。ここで生じた微細な液体の粒子は、レナード効果によってそれぞれ同じ電荷に帯電している。

レナード効果とは、液体が急激に微粒化する際に液体の表面エネルギーが変化するために液滴が帯電する現象である。液体であれば起きる現象であるため、本発明が噴霧する液体は、たとえば溶岩などのように非常に粘性が高くそもそも物理的に管内を通すことが難しい液体であるといった非常に稀な例外的状況を除けば、水を含めてどのような液体であってもよい。

同じ電荷に帯電した粒子はお互いに反発する方向に力が働くため、当該ノズルから発生した微細な液体の粒子は、空間の中をお互いの距離が最大になるように拡散していく。さらに、粒子が微細である為に粒子に働く重力に比して粒子同士が受ける電荷による反発力が大きい為、重力のある空間においても上下方向、水平方向に広く拡散していく。

以上のように、本発明は既存技術よりも簡易な本体構造と設備を用いつつ、効果については同等以上のものをもち、一般的なスプレー技術と比較して液体粒子を細かくし、さらに空間的に自ら拡散することで非常に広範囲に霧滴を付着させることができるという優れた特性を持つ。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えて実施することが可能である。

また、上述した実施例は、本発明に係る技術思想を具現化するための実施形態の一例を示したにすぎないものであり、他の実施形態でも本発明に係る技術思想を適用することが可能である。

霧滴の粒子径が狭い範囲で制御できること、構造が簡単であり、特に液体に接触する部品は内筒のみであることから各種の液体の液性を考慮した材料の選定は内筒のみで選択可能である。このことから燃料噴射用ノズルはもとより、各種薬剤噴霧にも幅広い可能性を提供するものである。

ノズルの粒子径制御能力が劣る従来型ノズルでも期待された大容量空間冷却用途、病院、老人ホーム、介護施設などでの消臭、抗菌、抗ウイルス剤の噴霧よび加湿用途、公園など開放空間での熱中症対策用の水噴霧、ヒートアイランド対策用街頭噴霧用途、スプリンクラーの代替用ウォーターミストノズル用途、インフルエンザ対策を考慮した養鶏場および養豚場など畜産液剤噴霧システム、ファインセラミック製造機用途、食品工業におけるスプレードライノズルなどへの応用が可能である。

また、ある体積を持った空間の内側一面に何かを噴霧しなければならないといった場合、特に建築物のアスベスト対策のための固化処理や、シロアリ対策のための殺虫剤の噴霧といったケースに本発明が実施でき、非常に効果的である。足場を組まなければ塗布ができない天井や人の体が入らない空隙内部への塗布など、本発明であれば何らの障害なく目的を達成できる。

また、上記で説明した物理的な性質から、確率論的に、ある体積を持った空間の内側一面に均一に液体を付着させるという特性があるため、非常に面積の広い鏡面加工、ステルス機の電波吸収体の塗布など、そういった要求のある塗装や表面処理に適している。

さらに、液体を噴霧するために空気の旋回流を用いるという用途に限らず、たとえば本発明を水の流れに軸を平行な形で、かつノズルの下流部を水の流れの下流に向ける形で設置することで、水の流れで作った回転流が空気を水中に吸い込んでいくという機構を作ることができ、エネルギーを全く必要としないエアレーション（水へ酸素を溶解させる処理）を行うことができ、下水処理場の省エネ対策、ひいては汚染された河川の浄化対策として有用と考えられる。なお、水に空気を吹き込むということにとどまらず、液体に何らかの気体を溶解させるという要求があれば本発明を実施することができる。

また、本発明の上記における吸気作用にしたがって地上でタービンを回すことで、簡易な水力発電機とすることも考えられる。

１…ノズル外筒部、２…ノズル内筒部、３…旋回流発生子、４…内筒整流体、５…整流筒、１１…オリフィス面

Claims (2)

1. 第１の内径を持つ円筒形状をなし第１の流体供給源に導通され得る導通口を側面に備える内筒と、
   前記内筒の外側に該内筒と同軸に配設されて略円筒体をなし内側には下流側に向けてオリフィスが形成され上流側に第２の流体供給源と接続可能な整流筒と、
   前記整流筒の内壁と前記内筒との間に嵌入され前記内筒と同軸に配設される略円盤形の外周に所定間隔で斜め方向に溝が刻設されるもしくはノズル同軸方向に対して一定の角度を持って上下底面を連通する連通孔が複数挿設される旋回流発生子と、
   前記内筒の下流側に同軸に連通され前記第１の内径より小さい第２の内径を持つ噴射筒とを具備し、
   前記整流筒の先端部に前記オリフィス面の終了位置から先端部にかけて広がった断面構造を持つ整流流路を設けたことを特徴とするノズル。
2. 前記第１の流体として水流もしくは燃料流を採用し、前記第２の流体として気体を採用したことを特徴とする請求項１記載のノズル。

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