JP2002508242A - Fuel injection nozzle and method of using the same - Google Patents

Fuel injection nozzle and method of using the same

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JP2002508242A
JP2002508242A JP2000538799A JP2000538799A JP2002508242A JP 2002508242 A JP2002508242 A JP 2002508242A JP 2000538799 A JP2000538799 A JP 2000538799A JP 2000538799 A JP2000538799 A JP 2000538799A JP 2002508242 A JP2002508242 A JP 2002508242A
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カルボ, アルフォンソ ガンナン
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Abstract

(57)【要約】 一方をアトマイジングすべき調合体を含む第1の燃料ソース、および他方を第1の液体が供給されるエリアを少なくとも囲む圧力チャンバ内に包含される第2の流体ソースとする、2種類の不混和性流体から、所望のサイズ範囲(たとえば1ミクロンから約5ミクロンまで)のアトマイジングされた微粒子が生成される。第2の流体は、第1の流体ストリームの流路の正面に配置されたオリフィスから放出される。本発明は、内燃エンジンにおいて使用するための小さい、比較的均一な燃料微粒子を形成する方法および、この微粒子を燃焼室に供給するノズル・タイプの装置を提供する。 (57) A first fuel source comprising a formulation to be atomized on one side and a second fluid source contained in a pressure chamber at least surrounding an area to which the first liquid is supplied, From the two immiscible fluids, atomized particulates in the desired size range (eg, from 1 micron to about 5 microns) are produced. The second fluid is discharged from an orifice located in front of the flow path of the first fluid stream. The present invention provides a method for forming small, relatively uniform fuel particulates for use in an internal combustion engine, and a nozzle-type apparatus for supplying the particulates to a combustion chamber.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (発明の分野) 本発明は、概して燃料噴射装置に関し、特に、内燃エンジンに使用するための
燃料噴射ノズルに関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to fuel injection devices, and more particularly, to fuel injection nozzles for use in internal combustion engines.

【0002】 (発明の背景) 当分野では各種タイプの燃料インジェクタが知られており、これらのデバイス
は、概して従来の燃料噴射ノズルを使用してエンジンの燃焼室内に燃料の微小滴
を導入し、それによって反応に係る有効な燃料の表面積を増加させている。燃料
の表面積が増加すれば、より効率的な燃焼反応が内燃機関内において得られる。 内燃エンジンの燃料噴射プロセスには、すでに多数の改良が加えられており、
燃料噴射システムにおけるこの種の燃料噴射デバイスは、より効率の高いものと
なっている。たとえば、米国特許第5,020,498号には、燃料供給ラインまたは圧 力ラインとの直接接続を提供し、供給ライン網に発生し、噴射量に支障を及ぼす
可能性のある圧力波を回避すべく設計される燃料噴射装置が開示されている。こ
のデバイスにおいては、噴射イベントの間は燃料供給ラインとの直接ライン接続
が回避され、ライン内に現れる圧力波が噴射イベントに影響し得ない。もう1つ の例は、英国特許第2,099,078Aであり、これにおいては高圧作動流体または低圧
燃料ドレーンに対して増圧器のキャビティを開くタイミングおよび遅延時間をコ
ントロールする複式ロータリ・バルブの使用が説明されている。さらに別の例に
米国特許第5,697,341号があり、増圧器のピストンによって駆動されるプランジ ャが燃料を圧力する、流体圧動作の燃料インジェクタについての説明がある。流
体圧動作デバイス内の燃料は、リターン・スプリングを用いてプランジャをバイ
アスすることによって、あるいは噴射イベントの合間に燃料を圧力し、流体圧を
用いてプランジャを引込む方向に押すことによって計量されてインジェクタに供
給することができる。 燃料噴射装置における噴射の量ならびに質は、方法およびデバイスに対する燃
料供給ルートを変更することによって向上してきてはいるが、これらの改善は、
本質的にノズル・メカニズムの効率における限界に取り組んではいない。燃料の
供給を向上させる前述したシステムのそれぞれは、従来のVOPタイプのニードル ・閉鎖弁およびノズルを使用している。従来のノズルの例は、米国特許第4,662,
338号、同第4,603,671号、および同第4,363,446号に見ることができる。この種 の従来のノズルを介した供給方法は、放出する燃料微小滴の最小サイズ、燃料微
小滴の生成に必要なエネルギ量、および燃料成分の残渣の蓄積に起因する目詰ま
り等に関して技術的な限界を有している。 当分野においては、たとえば燃料微小滴のサイズを減少させて燃焼反応に有効
な表面積を増加させるといった、より効率的に内燃エンジンに燃料を噴射する方
法が必要とされている。つまり当分野では、燃料噴射システムにおける燃料の供
給効率を高めるノズルが求められている。
BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] Various types of fuel injectors are known in the art, and these devices generally use a conventional fuel injection nozzle to introduce small droplets of fuel into a combustion chamber of an engine, This increases the effective fuel surface area involved in the reaction. As the surface area of the fuel increases, a more efficient combustion reaction is obtained in the internal combustion engine. Many improvements have been made to the fuel injection process of internal combustion engines,
Such fuel injection devices in fuel injection systems have become more efficient. For example, U.S. Patent No. A fuel injection device is disclosed. In this device, a direct line connection with the fuel supply line is avoided during an injection event, and pressure waves appearing in the line cannot influence the injection event. Another example is GB 2,099,078A, which describes the use of a dual rotary valve to control the timing and delay time to open the intensifier cavity for high pressure working fluid or low pressure fuel drain. ing. Yet another example is U.S. Pat. No. 5,697,341 which describes a hydraulically operated fuel injector in which a plunger driven by a booster piston presses fuel. Fuel in the hydraulically operated device is metered by biasing the plunger with a return spring, or by pressing the fuel between injection events and pushing the plunger in a retracting direction using hydraulic pressure and the injector. Can be supplied to While the quantity and quality of injection in fuel injectors has been improved by changing the fueling routes for methods and devices, these improvements have been
It essentially does not address the limitations in the efficiency of the nozzle mechanism. Each of the foregoing systems for improving fuel delivery uses conventional VOP-type needle closure valves and nozzles. An example of a conventional nozzle is U.S. Pat.
Nos. 338, 4,603,671 and 4,363,446. This type of conventional nozzle-based delivery method is technically related to the minimum size of the ejected fuel droplets, the amount of energy required to produce the fuel droplets, and clogging due to accumulation of fuel component residues. Has limitations. There is a need in the art for a more efficient method of injecting fuel into an internal combustion engine, for example, reducing the size of the fuel droplets to increase the surface area available for combustion reactions. That is, there is a need in the art for a nozzle that increases the fuel supply efficiency of a fuel injection system.

【0003】 (発明の要約) 内燃エンジンの燃料噴射装置に使用する燃料噴射ノズルを提供する。本発明の
燃料噴射ノズルは、圧力チャンバおよび燃料ソースからなる独特な燃料供給シス
テムを備えている。アトマイジングされた所望のサイズ範囲内(たとえば5ミク ロンから約500ミクロン、好ましくは10から100ミクロンまで)の燃料の微粒子が
、燃料供給開口を介して供給される液体燃料調合体から生成される。この燃料は
、たとえば、フィーディング・ニードルのチャンネルを通じて押し込み、当該ニ
ードルの出口開口から外に放出するといった望ましい方法で供給することができ
る。同時に、調合体が供給される部位、たとえばニードルの出口開口を少なくと
も囲む圧力チャンバ内に収められた第2の流体が、供給される燃料流路の正面、 たとえばフィーディング・ニードルから放出される燃料の正面に配置された開口
から押し出される。各種のパラメータは、安定した燃料‐気体の界面および、燃
料の安定した毛管ジェットを確保すべく調整され、それが圧力チャンバの開口か
ら出るとき、アトマイジングされた燃料微粒子の形成を可能にする。 本発明の燃料インジェクタは、従来のインジェクタより優れた特筆すべき利点
が3つある。第1は、燃料が吐出される出口オリフィスに流れ込む気体(たとえば
空気)によって燃料ストリームが包み込まれることから、当該出口オリフィス周
縁と燃料が接触しないことである。このため、オリフィスの目詰まりが排除ない
しは実質的に減殺される。第2は、オリフィスから出た燃料が、サイズにおいて 実質的に均一の非常に小さい微粒子を形成し、それによって高速かつ、よりコン
トロールされた燃料の燃焼が可能になることである。第3は、ここで説明する方 法を使用することによって、燃料のエアロゾル化された微粒子の生成に必要なエ
ネルギ量が、他の方法に必要とされるそれより実質的に少なくなることである。 本発明の1つの目的は、内燃エンジンの燃焼室に燃料を効率的に供給するため のデバイスを提供することとする。 本発明の別の目的は、燃焼反応に有効な表面積を増加させる、微粒子サイズの
変化しない燃料エアロゾルを生成する方法を提供することである。 本発明の1つの特徴は、流体が放出される開口の直径、流体が放出される開口 の直径、およびこれら2つの開口の間の距離が調整可能であり、安定した燃料‐ 流体界面を得るために調整されることであり、その結果、放出された燃料によっ
て安定した毛管マイクロジェット、つまり周囲の流体(たとえば気体)のフロー
によって出口開口に収束されたマイクロジェットが形成される。 本発明の1つの利点は、所望範囲の微粒子直径を持つ一定した燃料微粒子を生 成することである。 本発明の別の利点は、燃料のエアロゾル化の方法から、燃焼室に入るときに微
粒子の目詰まりが生じにくいことである。 本発明の1つの利点は、本発明のデバイスを使用する燃料噴射のエネルギ効率 が高いことである。 別の利点は、デバイスの構造およびその使用がシンプルなことである。 別の利点は、収束漏斗を包み込み、圧力チャンバの出口開口から流出する流体
によって、燃料が出口開口表面から離されることから圧力チャンバの出口開口の
目詰まりが実質的に排除されることである。 さらに別の利点は、燃料のフローを、それを包み込む流体により収束させるこ
とから、生成される微粒子が、圧力チャンバの出口開口の直径に基づいて予測さ
れるより、サイズにおいて実質的に小さいことである。 本発明の1つの側面は、燃料噴射デバイスおよびシステムの1つのエレメントと
なる燃料噴射ノズルである。 本発明のもう1つの側面は、エアロゾル化プロセスの迅速な始動/停止を提供 するデバイスである。 以上ならびにその他の側面、目的、特徴および利点については、当業者であれ
ば、以下の図面との関連から述べるこの開示を読むことによって明らかになろう
SUMMARY OF THE INVENTION [0003] A fuel injection nozzle for use in a fuel injection device for an internal combustion engine is provided. The fuel injection nozzle of the present invention has a unique fuel supply system consisting of a pressure chamber and a fuel source. Fine particles of fuel within the desired atomized size range (e.g., from 5 microns to about 500 microns, preferably from 10 to 100 microns) are generated from a liquid fuel formulation supplied through a fuel supply opening. . The fuel can be supplied in any desired manner, for example, by pushing it through the channel of the feeding needle and discharging it out of the outlet opening of the needle. At the same time, a second fluid contained in the pressure chamber surrounding at least the outlet of the needle, for example the fuel discharged from the feeding needle, e.g. Is pushed out of the opening arranged in front of the. Various parameters are adjusted to ensure a stable fuel-gas interface and a stable capillary jet of fuel, which allows for the formation of atomized fuel particulates as it exits the pressure chamber opening. The fuel injector of the present invention has three notable advantages over conventional injectors. First, the fuel does not come into contact with the periphery of the outlet orifice because the fuel stream is wrapped by gas (eg, air) flowing into the outlet orifice from which the fuel is discharged. As a result, clogging of the orifice is eliminated or substantially reduced. Second, the fuel exiting the orifice forms very small particulates that are substantially uniform in size, thereby enabling fast and more controlled combustion of the fuel. Third, by using the methods described herein, the amount of energy required to produce aerosolized particulates of the fuel is substantially less than that required by other methods. . One object of the present invention is to provide a device for efficiently supplying fuel to a combustion chamber of an internal combustion engine. It is another object of the present invention to provide a method for producing a fuel aerosol of unchanged particle size that increases the surface area available for combustion reactions. One feature of the present invention is that the diameter of the opening from which the fluid is discharged, the diameter of the opening from which the fluid is discharged, and the distance between these two openings are adjustable to obtain a stable fuel-fluid interface. As a result, the released fuel forms a stable capillary microjet, i.e., a microjet converged at the outlet opening by the flow of surrounding fluid (e.g., gas). One advantage of the present invention is that it produces constant fuel particulates having a desired range of particulate diameters. Another advantage of the present invention is that the method of aerosolizing the fuel is less prone to clogging of particulates when entering the combustion chamber. One advantage of the present invention is that fuel injection using the device of the present invention is energy efficient. Another advantage is that the structure of the device and its use are simple. Another advantage is that clogging of the outlet opening of the pressure chamber is substantially eliminated because the fluid wrapping the converging funnel and flowing out of the outlet opening of the pressure chamber causes fuel to be separated from the outlet opening surface. Yet another advantage is that the generated particulates are substantially smaller in size than would be expected based on the diameter of the outlet opening of the pressure chamber, since the flow of the fuel was converged by the enclosing fluid. is there. One aspect of the present invention is a fuel injection nozzle that is one element of a fuel injection device and system. Another aspect of the invention is a device that provides for quick start / stop of the aerosolization process. These and other aspects, objects, features and advantages will become apparent to those skilled in the art from a reading of this disclosure in connection with the following drawings.

【0004】 (好ましい実施態様の詳細な説明) 本デバイスおよび方法の説明に入る前に、本発明がここで説明する特定の要素
ならびにステップに限定されることなく、当然のことながらその変形も可能であ
ることを理解しておく必要がある。また、これにおける用語が、特定の実施例を
説明する目的のためにのみ使用されており、限定を意図していないことを理解す
る必要がある。 ここで、これにおいて、ならびに特許請求の範囲において単数形の「a」(不 定冠詞の「a」)、「and」(アンド)および「the」(定冠詞)が、文脈によっ て明らかにそれが示されていない限り、複数の参照を包含することに注意しなけ
ればならない。したがって、たとえば「a particle」(直訳:1つの微粒子)と の言及は、複数の微粒子を包含し、「a pharmaceutical」(直訳:1つの医薬) との言及は、1ないしは複数の医薬ならびに当業者には周知のその等価物を包含 し、このほかも同様になる。 特に定義しない限りにおいては、これに使用しているテクニカル用語および科
学用語は、本発明が属する分野の当業者が有する共通の理解に同じである。これ
において、説明するものと類似もしくは等価であるあらゆる方法、デバイスおよ
び材料を本発明の実施ないしはテストに使用し得るが、以下は好ましい方法、デ
バイスならびに材料について説明する。 ここで論じている刊行物は、本出願の出願日以前におけるその開示のためにの
み提供されている。これに含まれるいっさいは、本発明が、先行発明によってこ
の種の刊行物に先立つ権利を有しないことの容認として解釈されるべきではない
。さらに、提示した発表の日が実際の発表の日と異なることもあり、それぞれに
ついて確認を要する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing the devices and methods, the present invention is not limited to the particular elements and steps described herein, as such may, of course, vary. It is necessary to understand that It should also be understood that the terms in the description are used for the purpose of describing particular embodiments only, and are not intended to be limiting. Here, and in the claims, the singular forms “a” (the “a” in the indefinite article), “and” and “the” (the definite article) clearly indicate that It should be noted that unless otherwise indicated, multiple references are included. Thus, for example, reference to "a particle" includes a plurality of microparticles, and reference to "a pharmaceutical" refers to one or more pharmaceutical agents as well as those skilled in the art. Include its well-known equivalents, and so on. Unless defined otherwise, technical and scientific terms used herein have the same common understanding to a person of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Although any methods, devices and materials similar or equivalent to those described can be used in the practice or testing of the present invention, the preferred methods, devices and materials are now described. The publications discussed herein are provided solely for their disclosure prior to the filing date of the present application. Nothing contained herein is to be construed as an admission that the present invention does not have prior rights to this type of publication by virtue of prior invention. Furthermore, the date of the presented announcement may be different from the actual date of the announcement, and confirmation is required for each.

【0005】 (定義) ここでは、用語「微粒子」、「アトマイジングされた微粒子」および「アトマ
イジングされた調合体の微粒子」を相互交換可能に使用し、本発明のデバイスお
よび方法を使用してアトマイジングされた調合体の微粒子を意味するものとする
。 ここでは、「調合体」および「燃料調合体」という用語を相互交換可能に使用
し、アトマイジングを希望する任意の物質を指す。調合体は、燃焼反応を開始す
るため、および/またはそれに関与するために使用される任意の流体であり、好
ましくは飽和脂肪族炭化水素、たとえばガソリンまたはケロシンとする。調合体
は、本発明の方法において第2の流体とすることもできるが、好ましくは第1の流
体として与えられる。調合体は、溶液、懸濁液またはエマルジョンのいずれかの
形態における燃料の混合体とすることができる。 ここでは、「空気」、「微粒子のない空気」およびこれに類似の用語を、他の
物質が実質的に存在しない任意体積の空気、特に、調合体の微粒子等の意図的に
添加される微粒子を含まない空気を記述するために相互に交換可能に使用する。
これらの用語は、空気は、意図的に添加される調合体の微粒子を含まないが、正
常な周囲空気が、フィルタリングを実施し得るも、すべての微粒子を除去すべく
フィルタリングされ、あるいは処理されることを暗示していないことを意味して
いる。空気は、本発明で使用されるために濾過されるかもしれないし、或いは他
の気体が使われるかもしれない。
Definitions Here, the terms “particulates”, “atomized particulates” and “atomized formulation particulates” are used interchangeably and are described using the devices and methods of the present invention. Fine particles of the atomized formulation are meant. As used herein, the terms "formulation" and "fuel formulation" are used interchangeably and refer to any substance that one wishes to atomize. The formulation is any fluid used to initiate and / or participate in the combustion reaction, preferably a saturated aliphatic hydrocarbon, such as gasoline or kerosene. The formulation can be a second fluid in the method of the invention, but is preferably provided as the first fluid. The formulation can be a mixture of fuels in any form of a solution, suspension or emulsion. Herein, the terms "air", "air free of particulates" and similar terms are used to refer to any volume of air that is substantially free of other substances, especially particulates that are intentionally added, such as particulates of a formulation. Used interchangeably to describe air that does not contain.
These terms mean that air does not include particulates of the formulation that are intentionally added, but normal ambient air can be filtered or filtered or treated to remove all particulates It does not imply that. Air may be filtered for use in the present invention, or other gases may be used.

【0006】 (デバイス概要) 本発明は、種々の用途のための微粒子生成に適用することができる。本開示は
、例えば容積型火花点火エンジンのような内燃機関に燃料を供給するために使用
される一般的な技術に焦点が当てられている。しかし本発明は、このような本発
明の方法とデバイスに関係する用途に限定されず、ガスタービンやバーナ、ヒー
タ等の燃料の供給手段として応用できる。そして当業者であれば容易に気づかれ
るであろう。 本発明の基本テクノロジは、(1)第1の流体を供給するための手段;および(
2)第2の流体が供給される圧力チャンバからなる。第1の流体は、概して液体で あり、好ましくは飽和脂肪属炭化水素からなる炭化水素燃料とする。第2の流体 は、概して気体であり、好ましくは空気または親水性液体とする。流体の重要な
特性は、第1および第2の流体が互いに充分に異なり(不混和性であり)、供給手
段から圧力チャンバの出口ポートまで延びる第1の流体の適切なマイクロジェッ トの形成を可能にすることである。これらの気体‐液体、液体‐気体、および液
体‐液体の組み合わせの相違によらず、本発明は、供給手段から放出され、安定
したマイクロジェット、つまり当該マイクロジェットを収束させ、圧力チャンバ
の出口から外に流出させる、周囲の空気流との相互作用に起因するマイクロジェ
ットを形成する流体調合体を用いて一般的に説明されている。 マイクロジェットの形成ならびにその加速、および最終的な微粒子の形成は、
第2の流体を保持している圧力チャンバの出口オリフィスを通過するときに第1の
流体(たとえば液体)が受ける急峻な加速に関連する急激な減圧に基づく。この
流体は、チャンバから出ると、第1の流体(たとえば液体)と第2の流体(たとえ
ば気体)の間に特定の圧力差を受け、続いてそれが第1の流体(たとえば液体) の圧力チャンバの出口ポート近傍の表面上に強く屈曲したゾーンを作って、尖点
を形成し、その結果、圧力チャンバの出口ポートを通じて抽出される第1の流体 (たとえば液体)の量が補充される限り、安定したマイクロジェットが得られる
。つまり、ガラスのレンズまたは眼球のレンズが所定のポイントに光を集光する
場合と同じ態様で、気体のフローが液体を包み、安定したマイクロジェットに収
束させる。この周囲の気体のフローによる収束の効果は、実質的にその直径が圧
力チャンバの出口オリフィスの直径より小さい液体のストリームを生み出す。こ
れにより液体は、圧力チャンバのオリフィスから、当該オリフィスと接触するこ
となく流出することが可能になり、(1)出口オリフィスの詰まりを実質的に排 除すること、(2)オリフィス開口上の物体(たとえば望まれない粒子)との接 触に起因する流れの汚染を実質的に排除すること、および(3)ストリームおよ び結果的に得られる微粒子の直径がチャンバの出口オリフィスの直径より小さく
なることを含めた利点が提供される。このことは、非常に直径の小さいホールの
正確な加工が困難なことから特に望ましい。さらに、収束効果(および安定した
マイクロジェット)がない場合には、開口から出る流体のフローは、出口開口の
直径の約2倍の粒子になる。これ以外の特徴としては、チャンバから出た後の微 粒子が、凝塊形成の傾向を持たないことが挙げられる。 以下、エアロゾル生成デバイスの具体的な実施例について説明する。
(Device Overview) The present invention can be applied to fine particle generation for various uses. The present disclosure focuses on the general techniques used to fuel internal combustion engines, such as, for example, positive displacement spark ignition engines. However, the present invention is not limited to the use related to the method and the device of the present invention, and can be applied as a fuel supply means such as a gas turbine, a burner, and a heater. And those skilled in the art will readily notice. The basic technology of the present invention comprises (1) means for supplying a first fluid; and (
2) Consists of a pressure chamber to which a second fluid is supplied. The first fluid is generally a liquid, preferably a hydrocarbon fuel comprising a saturated aliphatic hydrocarbon. The second fluid is generally a gas, preferably air or a hydrophilic liquid. An important property of the fluid is that the first and second fluids are sufficiently different from each other (immiscible) to form a suitable microjet of the first fluid extending from the supply means to the outlet port of the pressure chamber. Is to make it possible. Regardless of the difference between these gas-liquid, liquid-gas, and liquid-liquid combinations, the present invention provides a stable microjet that is released from the supply means, i.e., converges the microjet and exits from the outlet of the pressure chamber. It is generally described with a fluid formulation that forms a microjet that flows out and interacts with the surrounding airflow. The formation of the microjet and its acceleration, and the formation of the final particles,
Based on a sharp pressure reduction associated with a steep acceleration experienced by a first fluid (eg, a liquid) as it passes through an outlet orifice of a pressure chamber holding a second fluid. Upon exiting the chamber, the fluid experiences a specific pressure difference between a first fluid (eg, a liquid) and a second fluid (eg, a gas), which subsequently changes the pressure of the first fluid (eg, a liquid). A sharply curved zone is created on the surface near the outlet port of the chamber to form a cusp, so that the amount of first fluid (eg, liquid) extracted through the outlet port of the pressure chamber is replenished. And a stable micro jet is obtained. In other words, the gas flow envelops the liquid and converges it into a stable microjet in the same manner as a glass lens or eyeball lens focuses light at a given point. The effect of focusing by this surrounding gas flow produces a stream of liquid whose diameter is substantially smaller than the diameter of the outlet orifice of the pressure chamber. This allows liquid to flow out of the orifice of the pressure chamber without contacting the orifice, (1) substantially eliminating the plugging of the outlet orifice, (2) the object above the orifice opening. (3) stream and resulting particulates are smaller than the diameter of the chamber exit orifice, substantially eliminating flow contamination due to contact with (eg, unwanted particles); Benefits are provided, including: This is particularly desirable because it is difficult to accurately machine very small diameter holes. Furthermore, in the absence of a focusing effect (and a stable microjet), the flow of fluid exiting the aperture will be about twice as large as the diameter of the exit aperture. Another feature is that the fine particles after leaving the chamber have no tendency to agglomerate. Hereinafter, specific examples of the aerosol generation device will be described.

【0007】 (図1の実施例) 図1を参照して、供給手段を気体の圧力チャンバ内に液体を供給する円筒状フ ィーディング・ニードルとする本発明の第1の実施例について説明する。 図1に示した実施例の構成要素は次のとおりである。 1. フィーディング・ニードル ― 流体ソースおよびチューブとして一般的
に参照することもある。 2. アトマイジングする液体をインサートするために使用されるフィーディン
グ・ニードルの端部。 3. 圧力チャンバ。 4. 気体のインレットとして使用されるオリフィス。 5. アトマイジングする液体を排出するために使用されるフィーディング・ニ
ードルの端部。 6. 流出が生じるオリフィス。 7. アトマイジング生成物(スプレー) ― エアロゾルと呼ぶこともある。 D1=フィーディング・ニードルの直径;D0=マイクロジェットが通過するオリ
フィスの直径;e=流出が生じるオリフィスの軸方向の長さ;H=フィーディング
・ニードルからマイクロジェットのアウトレットまでの距離;P0=チャンバ内の
圧力;Pa=大気圧。 本発明の燃料噴射ノズルはどんな大きさでもよいが、好ましくは一般的な燃料
噴射装置に使用できる大きさがよい。本発明のデバイスは、各種の設計において
構成可能であるが、それぞれの設計は、すべて基本的に図1に示した基本的な構 成要素をすべて含むか、あるいはそれに等しい機能をもたらし、希望の結果が得
られる構成要素を含むことになろう。具体的に述べれば、本発明の燃料噴射ノズ
ルは、流動可能な液体の調合体を供給し得る少なくとも1つの調合体のソース( たとえば開口2を有するフィーディング・ニードル)および当該調合体を放出し 得る出口開口5からなる。フィーディング・ニードル1もしくは、少なくともその
出口開口5は、圧力チャンバ3によって囲まれている。チャンバ3は、チャンバ3内
に気体を供給するために使用されるインレット開口4および、圧力チャンバから の気体およびフィーディング・ニードル3からの液体の調合体が放出されてエア ロゾルが形成される出口開口6を備える。 図1において、フィーディング・ニードルおよび圧力チャンバは、エアロゾル 生成において粒子サイズが小さく均一であるとする希望の結果を得るべく構成さ
れている。好ましくはこの微粒子が、0.5ないしは500ミクロンの範囲のサイズを
有し、より好ましくは10ないしは100ミクロンの範囲のサイズを有する。本発明 を介して、直径が1ミクロンに満たない微粒子を生成することも可能であるが、 これらの微粒子が、燃料噴射にとって望ましいと考えられている。任意の所定エ
アロゾルの微粒子は、すべておおむね等しい直径を有し、その相対標準偏差は、
10%から30%、より好ましくは3%から20%とする。エアロゾルの微粒子が、10ない しは100ミクロンの範囲の粒子直径を有するということは、別の微粒子が異なる 直径を有し、あるものは10ミクロンの直径を、別のものは100ミクロンの直径を 有するということを意味しているわけではない。所定のエアロゾルにおける微粒
子はすべて(好ましくは90%以上)、±3%から±30%までの範囲において同一の直
径を有する。たとえば、所定のエアロゾルの微粒子は、25ミクロン±3%から25ミ
クロン±10%までの直径を有する。 このような単分散のエアロゾルは、上記の構成要素ならびに構成を使用して生
成される。しかしながら、当業者であれば、これ以外の構成要素ならびに構成を
案出することができよう。それぞれの設計の目的は、調合体を供給し、それによ
り気体から液体表面に作用する接線方向の粘性応力によって加速され、安定化さ
れる安定した毛管マイクロジェットを生成することである。気体によって生成さ
れる安定した毛管マイクロジェットは、圧力気体エリアを離れ(たとえば、圧力
チャンバを離れ、圧力チャンバのオリフィスから出る)、希望のサイズおよび均
一性を持った微粒子に分裂する。 生成されるエアロゾルは、単分散のエアロゾルであり、これは生成される微粒
子がサイズにおいて比較的均一であることを意味している。微粒子サイズにおけ
る相対標準偏差は、約10%から約30%までの範囲にあり、好ましくは3%から10%ま で、もっとも好ましくは3%もしくはそれ未満とする。燃焼に有効なエアロゾル化
された微粒子のサイズは、直径が約10 nm から約10ミクロンまでの範囲にある。 簡略化のため、図1に示したデバイスの動作に関するこれ以降の詳細な説明に ついては、第1の流体を液体とし、第2の流体を気体とする。使用するパラメータ
・ウインドウ(つまり、液体の特性、使用するフロー・レート、フィーディング
・ニードルの直径、オリフィスの直径、圧力比等に関する特定の値のセット)は
、実質的に任意の液体との互換性が確保されるべく充分に大きくし(動的粘度の
範囲は10-4〜1kg・m-1・s-1)、それによって、フィーディング・ニードルの端部 に現れる毛管マイクロジェットが絶対的に安定になり、ジェットの崩壊によって
もたらされる摂動が上流に移動することが不可能になる。下流においてマイクロ
ジェットは、わずかに開いた蛇口から落ちる層流毛管ジェットと同様の態様で、
毛管の不安定性(たとえば1878年のLondon Math. Soc.(ロンドン数学学会議事 録)にあるRayleigh(レイリー)による「On the instability of jets」(ジェ
ットの不安定性について)4〜13ページを参照されたい)のみの効果によって、 等しく形成されたドロップに分裂する。 静止した、安定な界面が形成されると、フィーディング・ポイントのアウトレ
ットにあるドロップの端部に現れる毛管ジェットが、ノズル内に、それと軸を等
しくして引き出される。ドロップからジェットが現れた後、液体は、その表面を
流れる気体ストリームの作用がもたらす接線方向のスイープ力によって加速され
、それが徐々にジェットの断面積を小さくする。換言すれば、それが圧力チャン
バの出口オリフィスに向かって、その中へと移動するとき、気体フローがレンズ
として作用し、マイクロジェットを収束させ、安定させる。 第2の流体(たとえば気体)のフローによって第1の流体(たとえば液体)表面
に作用する力は、不規則な表面振動を防止する充分な安定性を有する必要がある
。つまり、気体の運動における乱流が回避され、かつ気体速度が高い場合におい
ても、オリフィスの特性サイズによって気体の運動の層流性(ジェットおよびノ
ズルまたはホールの内側表面に形成される境界層に類似)が保証される必要があ
る。
(Embodiment of FIG. 1) A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, in which a supply means is a cylindrical feeding needle for supplying a liquid into a gas pressure chamber. The components of the embodiment shown in FIG. 1 are as follows. 1. Feeding Needle-Also commonly referred to as fluid source and tube. 2. The end of the feeding needle used to insert the liquid to be atomized. 3. Pressure chamber. 4. Orifices used as gas inlets. 5. The end of the feeding needle used to drain the liquid to be atomized. 6. The orifice where the spill occurs. 7. Atomizing product (spray)-sometimes called an aerosol. D 1 = feeding needle diameter; axial orifices e = outflow occurs length;; D 0 = orifice microjet passes diameter distance from H = feeding needle to the outlet of the microjet; P 0 = the pressure in the chamber; P a = atmospheric pressure. The fuel injection nozzle of the present invention may have any size, but preferably has a size that can be used for a general fuel injection device. While the device of the present invention can be configured in a variety of designs, each design will include or essentially provide all of the basic components shown in FIG. It will include the components that result. In particular, the fuel injection nozzle of the present invention discharges at least one source of formulation (e.g., a feeding needle having an opening 2) capable of supplying a formulation of a flowable liquid and the formulation. Consists of an outlet opening 5 obtained. The feeding needle 1 or at least its outlet opening 5 is surrounded by a pressure chamber 3. The chamber 3 has an inlet opening 4 used to supply gas into the chamber 3 and an outlet from which a mixture of gas from the pressure chamber and liquid from the feeding needle 3 is released to form an aerosol. An opening 6 is provided. In FIG. 1, the feeding needle and pressure chamber are configured to achieve the desired result of small and uniform particle size in aerosol generation. Preferably, the microparticles have a size in the range of 0.5 to 500 microns, and more preferably, have a size in the range of 10 to 100 microns. Although it is possible through the present invention to produce particulates less than 1 micron in diameter, these particulates are considered desirable for fuel injection. The particulates of any given aerosol all have approximately equal diameters, and the relative standard deviation is
10% to 30%, more preferably 3% to 20%. The fact that the aerosol particles have a particle diameter in the range of 10 or 100 microns means that another particle has a different diameter, one having a diameter of 10 microns and another having a diameter of 100 microns. It does not mean having. All (preferably 90% or more) microparticles in a given aerosol have the same diameter in the range of ± 3% to ± 30%. For example, the particles of a given aerosol have a diameter from 25 microns ± 3% to 25 microns ± 10%. Such monodisperse aerosols are produced using the components and compositions described above. However, those skilled in the art will be able to devise other components and configurations. The purpose of each design is to provide a formulation, thereby producing a stable capillary microjet that is accelerated and stabilized by tangential viscous stresses acting on the liquid surface from the gas. The stable capillary microjet created by the gas leaves the pressure gas area (eg, leaves the pressure chamber and exits the orifice of the pressure chamber) and breaks up into particulates of the desired size and uniformity. The aerosol produced is a monodisperse aerosol, which means that the microparticles produced are relatively uniform in size. The relative standard deviation in particle size ranges from about 10% to about 30%, preferably from 3% to 10%, and most preferably 3% or less. The size of aerosolized particulates useful for combustion ranges from about 10 nm to about 10 microns in diameter. For simplicity, in the following detailed description of the operation of the device shown in FIG. 1, the first fluid is a liquid and the second fluid is a gas. The parameter window used (ie, a specific set of values for the liquid properties, flow rate used, diameter of the feeding needle, diameter of the orifice, pressure ratio, etc.) is compatible with virtually any liquid Large enough to ensure the properties (dynamic viscosity range 10 -4 to 1 kgm -1 s -1 ) so that the capillary microjets appearing at the end of the feeding needle are absolutely So that the perturbations caused by the collapse of the jet cannot move upstream. Downstream, the microjet is similar to a laminar capillary jet falling from a slightly open faucet,
Capillary instability (see, for example, Rayleigh's "On the instability of jets" at London Math. Soc., 1878, pages 4-13. ) Only breaks into equally formed drops. Once a stationary, stable interface has been formed, the capillary jet emerging at the end of the drop at the outlet of the feeding point is drawn into the nozzle, coaxially with it. After the jet emerges from the drop, the liquid is accelerated by the tangential sweep force created by the action of the gas stream flowing over its surface, which gradually reduces the cross-sectional area of the jet. In other words, as it moves toward and into the exit orifice of the pressure chamber, the gas flow acts as a lens, focusing and stabilizing the microjet. The force acting on the first fluid (eg, liquid) surface by the flow of the second fluid (eg, gas) must have sufficient stability to prevent irregular surface vibrations. In other words, the turbulence of the gas motion is avoided, and even at high gas velocities, the laminar nature of the gas motion (similar to the boundary layer formed on the inner surface of the jet and the nozzle or hole) due to the characteristic size of the orifice ) Needs to be guaranteed.

【0008】 (安定した毛管マイクロジェット) 図4は、本発明の方法を使用してアトマイジング生成物を形成する液体と気体 の相互作用を示している。フィーディング・ニードル60は、内側の半径をR1とす
る円形の出口開口61を有し、液体62をその端部から外に吐出し、R1からR1にニー
ドルの肉厚を加えた値までの範囲の半径を有するしたたりを形成する。その後、
したたりの周囲は、図1および図4に示したチューブ(つまりフィーディング・ニ
ードル)5の拡大図に図示されるように狭められて周囲が一段と小さくなる。排 出される液体のフローは、2つの流体の界面64において、液体と周囲の気体の相 互作用の後、安定した尖頭を形成する無限の液体流線流63からなる。また周囲の
気体は、無限の気体流線流65を形成し、それが固体表面および排出される液体と
相互作用して、事実上の収束漏斗66を形成する。排出される液体は、この収束漏
斗66によって収束され、その結果、安定した毛管マイクロジェット67が生成され
、その安定性は、圧力チャンバ69の開口68を出るまで維持される。圧力チャンバ
を出た後のマイクロジェットは、分裂を開始し、単分散の微粒子70を形成する。 液体の流出およびそれに続くジェット形成後の加速に影響する気体フローは、
非常に速い必要があるが、同時に、脆弱な毛管界面(ジェットから現れるしたた
りの表面)の摂動を回避するために均一である必要がある。 図4に示されるように、毛管60の出口開口61は、圧力チャンバ69の平面内の出 口開口68の近傍に配置されている。この出口開口68は、最小直径D0を有し、厚さ
eの平面部材に備えられている。直径D0は、この開口が円錐形の構成を有し、円 錐形の小径側端部が液体フローのソースに近い側に配置されることから、最小直
径と呼ばれる。つまり、この出口開口はファネル形状のノズルであるも、たとえ
ば漏刻形の構成等のこれ以外の開口構成も可能である。圧力チャンバ内の気体は
、この出口開口から連続的に流出する。この気体のフローは、液体のしたたりを
チューブから放出させ、当該液体がチューブの端部から離れ、圧力チャンバの出
口開口の方向に移動するに従ってその周囲を小さくする。 実際の使用においては、最大の気体の加速(およびその結果としてもたらされ
る、所定パラメータのセットに関してもっとも安定した尖頭ならびにマイクロジ
ェット)を惹き起こす開口の形状が、圧力チャンバにおける円錐形の開口になる
と理解することができる。円錐形の開口は、狭い側の端部を液体フローのソース
に向けて配置される。 チューブ60の端部61と出口開口68の開始位置までの距離がHである。ここで、 好ましくはR1、D0、Hおよびeが、すべて100ミクロン台となることに注意された い。たとえば、R1=400m、D0=150m、H=1mm、e=300mとなる。しかしながら、 それぞれはこれらのサイズの1/100倍から10倍の値をとることができる。 液体ストリームの末端は、出口開口68を介して生じる印加された圧力の降下Pg が、最大曲率のポイントに現れる液体‐気体表面張力の応力/R*より優勢になる とき、圧力チャンバ69の出口開口68からの臨界距離、たとえば出口開口から1/R*
の距離において尖頭形状になる。 その後、したたり尖頭から放出される液体のフロー・レートQが、毛管から定 常的に供給される場合には、定常状態が確立される。これが本発明の基本的な特
徴である安定した毛管尖頭であり、安定したマイクロジェットを形成するために
必要になる。より詳細に述べれば、代表値djの直径を有する安定した薄い液体ジ
ェットが、安定した先頭形状から滑らかに放出され、この薄い液体ジェットがミ
クロン台からミリメートル台までの範囲にわたって延びる。安定したマイクロジ
ェットの長さは、非常に短い場合(たとえば1ミクロン)から非常に長い場合( たとえば50mm)まで多様であり、その長さは、(1)液体のフロー・レート、お よび(2)圧力チャンバの出口開口外を流れる気体ストリームのレイノルズ数に 依存する。液体ジェットは、スーパークリティカル・フローに到達したとき得ら
れる安定した毛管マイクロジェットである。このジェットは、気体に印加された
圧力の降下Pgが、液体‐気体界面に作用する最大表面張力の応力に比較して充分
に大きい(/dj台)ことを条件に、安定した振る舞いを見せる。ジェットは、わ ずかに放物的な軸方向速度プロファイルを有し、その多くがマイクロジェットの
安定性に寄与している。この安定したマイクロジェットは、他の力を必要とせず
に、すなわち荷電流体に作用させる電気的な力といった追加の力を必要とするこ
となく形成される。しかしながら、一部の応用においては、たとえば微粒子を所
定表面に付着させるために微粒子に電荷を与えると好ましいことがある。収束フ
ァネルを形成する気体フローによって毛管から出る液体の形状は、尖頭状のメニ
スカスを形作り、結果的にそれが安定したマイクロジェットをもたらす。これは
、本発明の基礎をなす特徴である。 安定した毛管マイクロジェットは、出口から離れる方向において、チューブか
らかなりの長さにわたって安定に維持される。液体は、この時点において「スー
パークリティカル・フロー」になる。最終的にマイクロジェットは、表面張力の
効果に起因して不安定になる。下流に移動する微小自然摂動の結果としてもたら
される不安定は、マイクロジェットの分裂を支配する最速成長摂動とともに、最
終的に、図4に示した均一なサイズの単分散のエアロゾル70を作り出す。 このマイクロジェットは、当初不安定化されることがあっても、出口開口の周
縁表面に触れることなく、圧力チャンバの出口オリフィスを通過して外に出る。
これは、本発明の重要な利点を提供し、出口開口68(ノズルと呼ぶこともできる
)が液体の残渣および/または析出によって目詰まりすることがない。目詰まり
は、非常に小さいノズルにとって主要な問題であり、一般にクリーニングもしく
はノズルの交換によって対処されている。流体とノズル開口表面との接触がある
ときは、流体のフローが遮断されたとき、一部の流体がノズルに接触した状態で
残る。ノズル表面上に残った液体は蒸発して残渣を生じる。多数回にわたって使
用した後は、残渣が蓄積されて目詰まりが生じる。本発明は、実質的にこの目詰
まりの問題を軽減し、あるいは解決する。
[0008] Stable Capillary Microjets [0008] FIG. 4 illustrates the interaction of a liquid and a gas to form an atomized product using the method of the present invention. Feeding needle 60, the inner radius has a circular outlet opening 61 to R 1, eject out the liquid 62 from its end, was added the thickness of the needle from R 1 to R 1 value To form a drip having a radius in the range up to afterwards,
The dripping circumference is narrowed as shown in the enlarged view of the tube (that is, the feeding needle) 5 shown in FIGS. 1 and 4, and the circumference is further reduced. The drained liquid flow consists of an infinite stream of liquid stream 63 that forms a stable peak at the interface 64 of the two fluids after the interaction of the liquid and the surrounding gas. The surrounding gas also forms an infinite streamlined gas stream 65, which interacts with the solid surface and the discharged liquid to form a virtual converging funnel 66. Discharged liquid is converged by this converging funnel 66 so that a stable capillary microjet 67 is created, the stability of which is maintained until it exits the opening 68 of the pressure chamber 69. After exiting the pressure chamber, the microjets begin to split, forming monodisperse particulates 70. The gas flow affecting the outflow of liquid and the subsequent acceleration after jet formation is:
It needs to be very fast, but at the same time it needs to be uniform to avoid perturbation of the fragile capillary interface (the dripping surface emerging from the jet). As shown in FIG. 4, the outlet opening 61 of the capillary tube 60 is disposed near the outlet opening 68 in the plane of the pressure chamber 69. This outlet opening 68 has a minimum diameter D 0 and has a thickness
e is provided on the flat member. The diameter D 0 is called the minimum diameter because the opening has a conical configuration and the conical small diameter end is located closer to the source of the liquid flow. That is, the outlet opening is a funnel-shaped nozzle, but other opening configurations such as a leak-shaped configuration are also possible. The gas in the pressure chamber flows out continuously through this outlet opening. This flow of gas causes a dripping of the liquid out of the tube, reducing its circumference as it moves away from the end of the tube and towards the outlet opening of the pressure chamber. In practical use, the shape of the opening that causes the maximum gas acceleration (and consequently the most stable peaks and microjets for a given set of parameters) becomes a conical opening in the pressure chamber. I can understand. The conical opening is arranged with its narrow end facing the source of the liquid flow. The distance between the end 61 of the tube 60 and the starting position of the outlet opening 68 is H. Here, it should be noted that preferably R 1 , D 0 , H and e are all on the order of 100 microns. For example, R 1 = 400 m, D 0 = 150 m, H = 1 mm, and e = 300 m. However, each can take values from 1/100 to 10 times these sizes. The end of the liquid stream exits the pressure chamber 69 when the applied pressure drop P g that occurs through the outlet opening 68 becomes dominant over the liquid-gas surface tension stress / R * that appears at the point of maximum curvature. Critical distance from opening 68, for example 1 / R * from exit opening
At a distance of. Thereafter, a steady state is established if the flow rate Q of the liquid discharged from the dripping point is constantly supplied from the capillary. This is the stable capillary tip, a fundamental feature of the present invention, which is required to form a stable microjet. More particularly, stable thin liquid jet having a diameter of representative value d j is, is smoothly discharged from a stable nose shape, the thin liquid jet extends over a range from microns stand to millimeters stand. The length of a stable microjet can vary from very short (eg, 1 micron) to very long (eg, 50 mm), with (1) liquid flow rate, and (2) ) Depends on the Reynolds number of the gas stream flowing outside the outlet opening of the pressure chamber. Liquid jets are stable capillary microjets that are obtained when a supercritical flow is reached. This jet has stable behavior provided that the pressure drop P g applied to the gas is sufficiently large (on the order of / d j ) compared to the maximum surface tension stress acting on the liquid-gas interface. show. The jet has a slightly parabolic axial velocity profile, many of which contribute to the stability of the microjet. This stable microjet is formed without the need for other forces, that is, without the need for additional forces such as electrical forces acting on the charged body. However, in some applications, it may be preferable to charge the microparticles, for example, to attach the microparticles to a predetermined surface. The shape of the liquid exiting the capillary by the gas flow forming the converging funnel forms a pointed meniscus, which results in a stable microjet. This is a feature underlying the present invention. A stable capillary microjet is kept stable over a considerable length from the tube in the direction away from the outlet. The liquid becomes a "supercritical flow" at this point. Eventually, the microjet becomes unstable due to the effect of surface tension. The instability resulting from the micronature perturbations traveling downstream, together with the fastest growing perturbations dominating microjet splitting, ultimately creates the monodisperse aerosol 70 of uniform size shown in FIG. This microjet exits through the outlet orifice of the pressure chamber without touching the peripheral surface of the outlet opening, even if it may be initially destabilized.
This provides an important advantage of the present invention in that the outlet opening 68 (also referred to as a nozzle) is not clogged by liquid residues and / or precipitation. Clogging is a major problem for very small nozzles and is generally addressed by cleaning or replacing nozzles. When there is contact between the fluid and the nozzle opening surface, when the flow of the fluid is shut off, some fluid remains in contact with the nozzle. The liquid remaining on the nozzle surface evaporates to produce a residue. After many uses, residues accumulate and clog. The present invention substantially reduces or solves this clogging problem.

【0009】 (安定したマイクロジェットの数学) 円柱座標系(r,z)を使用し、安定したマイクロジェット、すなわち「スーパ ークリティカル・フロー」を受ける液体ジェットの形状解析を行う。チューブか
ら出た液体によって形成される尖頭状メニスカスは、気体のフローが作る圧力勾
配によって圧力チャンバの出口に向かって引っ張られる。 チューブの口に形成される尖頭状メニスカスは、気体ストリームが作る圧力勾
配によって、ホールに向かって引っ張られる。このメニスカスの尖頭から、Pg
起因する吸い込み効果および、気体からジェット表面に軸方向に作用する接線方
向の粘性応力sの両方の作用によって、半径r=の形状を伴う安定した液体の糸が
ホールを通って引出される。この構成に関する平均運動量の方程式は、次のよう
に表すことができる。 d{Pl + (1Q2) / (22 4)} / dz = 2s / (1) これにおいてQは、フィーディング・チューブから出たときの液体のフロー・ レート、Plは液体の圧力、1は液体の密度であり、粘性の項は、続いて論拠を示 すように、運動エネルギ項に比べて無視可能であると仮定している。それに加え
て、液体の蒸発効果も無視している。液体の圧力Plは、次に示す毛管方程式によ
って与えられる。 Pl = Pg + / (2) これにおいては液体‐気体の表面張力である。例に示されるように圧力降下Pg は、表面張力の応力/に比べて充分に大きく、解析において後者を無視し得ると する論拠となる。このシナリオは、マイクロジェットが絶対的に安定であるとす
るフロー・レートの全範囲にわたって維持される。実際、所定の圧力降下Pgにつ
いて、安定したジェット条件においてスプレー化が可能な最小の流体フロー・レ
ートは、表面張力が運動の「抵抗」様に作用することから(式(1)右辺に負の 項として現れる)、表面張力の応力/が、流体の運動エネルギ(1Q2)/(22 4)と同程
度のときに達成される。つまり、 Qmin = {(dj 3) / 1)}1/2 (3) Qminに比較してフロー・レートQが充分に大きい場合には、軸方向における平 均運動量の式が次のように表される。 d{(1Q2) / (22 4)} / dz = dPg / dz + 2s / (4) これにおいては、流体フローに関する2つの駆動力が右辺に置かれていること がわかる。この方程式は、次に示す単純化を仮定することにより、積分すること
ができる。すなわち、ホールの直径Dと同程度もしくはそれより小さい値の厚さL
の薄い平面(これによって気体フローにおける下流の摂動が最小化される)を使
用すること、および、ホール出口までの圧力勾配が、平均値において、表面応力
に帰する粘性剪断項2s/より充分に大きいことである。一方、軸方向の粘性項は 、ホール直径Dが、実際に半径方向ならびに軸方向の両方においてホールの入り 口における気体フローに関連付けられる特性距離となることから、O{(2Q / D2dj 2 )になる。この項は、Pg>>2/D2 1(これは、たとえばD≒10mかつPz≧100ミリバー
ル程度の小さいホールの直径および圧力降下を用いる場合、100センチポアズ程 度の粘性を有する液体に関して適用できる)とすれば、実際の状況においては、
圧力勾配に比較すると非常に小さくなる。以上により、式(4)内のすべての粘 性項を無視できるとする論拠が得られた。ここで、流体フローに関するこの制限
は、ほとんどのミクロン・クラスの拡大流とは対照的に平均において擬似等エン
トロピー流になる(液体がほぼベルヌーイの方程式に従う)。したがって、両方
の流体の停滞領域から出口まで式(4)を積分することにより、ホール出口にお けるジェットの直径に関するシンプルかつ普遍的な次式を得ることができる。 dj = {(81 / (2Pg))1/4 Q1/2 (5) これは、所定の圧力降下Pgが幾何学的パラメータ(ホールおよびチューブの直
径、チューブとホールの間の距離等)、液体ならびに気体の粘性、および液体‐
気体の表面張力に関して独立であることを示している。この直径は、気体圧力が
出口の後においても一定に維持されることから、分裂ポイントまでほぼ一定に維
持される。
(Mathematics of Stable Microjet) Using a cylindrical coordinate system (r, z), a shape analysis of a stable microjet, ie, a liquid jet subjected to “supercritical flow” is performed. Tube
The pointed meniscus formed by the exiting liquid is the pressure gradient created by the gas flow.
Arrangement pulls it towards the outlet of the pressure chamber. The pointed meniscus formed at the mouth of the tube is the pressure gradient created by the gas stream.
Depending on the arrangement, it is pulled towards the hall. From the tip of this meniscus, PgTo
Suction effect and tangent acting axially from gas to jet surface
Direction viscous stresssBy both actions, a stable liquid thread with a shape of radius r =
Pulled through the hall. The equation for average momentum for this configuration is
Can be expressed as d {Pl + (1QTwo) / (2Two Four)} / dz = 2s / (1) where Q is the flow rate of the liquid as it exits the feeding tube, PlIs the pressure of the liquid,1Is the density of the liquid, and the viscosity term is assumed to be negligible as compared to the kinetic energy term, as we will see later. In addition
Therefore, the effect of liquid evaporation is neglected. Liquid pressure PlIs given by the following capillary equation:
Is given. Pl = Pg + / (2) In this case, it is the surface tension of liquid-gas. Pressure drop P as shown in the exampleg Is sufficiently large compared to the surface tension stress /, which provides the rationale that the latter can be ignored in the analysis. This scenario assumes that the microjet is absolutely stable.
Is maintained over the entire range of flow rates. In fact, for a given pressure drop PgNitsu
Minimum fluid flow rate that can be sprayed under stable jet conditions.
Since the surface tension acts like the “resistance” of motion (appears as a negative term on the right side of Equation (1)), the stress / of the surface tension becomes the kinetic energy (1QTwo) / (2Two Four)
Achieved when the degree. That is, Qmin = {(dj Three) /1)}1/2 (3) QminIf the flow rate Q is sufficiently large compared to, the equation for the average momentum in the axial direction is expressed as follows. d {(1QTwo) / (2Two Four)} / dz = dPg / dz + 2s / (4) In this, it can be seen that the two driving forces for the fluid flow are located on the right side. This equation can be integrated by assuming the following simplification:
Can be. That is, the thickness L of the same value as or smaller than the diameter D of the hole
Thin planes (this minimizes downstream perturbations in the gas flow)
And the pressure gradient to the outlet of the hole is, on average, the surface stress
Viscous shear term 2s/ Is much bigger. On the other hand, the viscosity term in the axial direction is expressed as O {(since the hole diameter D is actually a characteristic distance associated with the gas flow at the entrance of the hole in both the radial and axial directions.TwoQ / DTwodj Two )become. This term isg>>Two/ DTwo 1(This is, for example, D ≒ 10m and Pz≧ 100mbar
When using hole diameters and pressure drops as small as 1 mm, it is applicable for liquids with viscosities as high as 100 centipoise).
It is very small compared to the pressure gradient. From the above, the argument was obtained that all viscous terms in equation (4) can be ignored. Where this restriction on fluid flow
Is quasi-equal on average in contrast to most micron-class spreading flows.
It becomes a tropic flow (the liquid almost follows Bernoulli's equation). So both
By integrating equation (4) from the fluid stagnation region to the outlet, the following simple and universal equation for the jet diameter at the hole outlet can be obtained. dj = {(81 / (TwoPg))1/4 Q1/2 (5) This is the pressure drop PgAre the geometric parameters (hole and tube
Diameter, distance between tube and hole), viscosity of liquid and gas, and liquid
This shows that the gas is independent with respect to the surface tension. This diameter is the gas pressure
It remains constant after the exit, so it remains almost constant up to the split point.
Be held.

【0010】 (単分散の微粒子) 以上、「スーパークリティカル・フロー」を受ける安定したマイクロジェット
を説明し、本発明のこの側面が各種の産業上の応用、特に微小ホールを通過する
流体によって目詰まり問題を生じている分野においてどのように使用可能である
かということを示した。これに等しい重要性を持つ本発明の側面は、マイクロジ
ェットが圧力チャンバを離れた後に得られる。 マイクロジェットが圧力チャンバを出るとき、液体の圧力Plが(気体の圧力Pg と同様に)軸方向にほとんど一定となり、ジェットの直径は毛管の不安定性によ
って分裂するポイントまで、ほぼ一定に維持される。ウェーバ数、We = (g g 2dj)
/ = 2Pgdj/(これにおいてgは、オリフィスにおいて測定した気体の速度である
)を定義すると、特定の実験値Wec≒40以下においてブレークアップ・モードは 軸対称であり、その結果として得られる微小滴ストリームは、気体フローのゆら
ぎが微小滴の凝集に寄与しないとすれば(これらのゆらぎは、気体ストリームの
摂動プロファイルが流体ジェットのブレークアップ領域周縁に完全に現れると生
じる)、単分散であるとして特性決定される。このWec値を超えると、軸対称擾 乱に結合した波状非軸対称擾乱が顕著になる。大きなWe数については、波状擾乱
の非線形成長レートが、軸対称擾乱のそれを圧倒する傾向が見られる。この場合
、結果として得られるスプレーは、著しい多分散を示す。このことから、パラメ
ータをコントロールし、結果的なウェーバ数を40ないしはそれ未満に抑えること
によって、形成される微粒子が実質的に同一サイズとなることがわかる。このサ
イズ変動は約±3%から±30%までであり、より好ましくは±3%から±10%とする。
これらの微粒子には、たとえば0.1ミクロンから50ミクロンまでの希望するサイ ズを持たせることができる。 シェッド速度は、ジェットのブレークアップに影響し、したがって微粒子の形
成に影響する。ホール出口から上流の加速領域においては、気体ストリームが層
流になる。代表的なレイノルズ数の値は、気体の特性速度として音速相当の速度
を考えるのであれば、500から6000までの範囲になる。ホール出口の下流におい ては、気体ストリームと停滞した気体の間の円筒状の混合層が、古典的なケルビ
ン‐ヘルムホルツ不安定性によって不安定になる。この層厚の成長レートは、フ
ローのレイノルズ数に依存し、Dをホールの直径とするとき、g/D近傍の周波数に
おいて渦環が形成される。われわれの実験的なテクニックにおいて見い出した代
表的なgおよびDの値は、MHz台の周波数を導いたが、これはドロップ生成の周波 数に匹敵する(tb -1台)。 液体のフロー・レートおよびホール直径が与えられれば、ジェット表面の決定
済みの波長の摂動を励起する促進システムとして渦が作用する態様で、気体速度
(または気体ストリームを駆動する圧力差)に依存する共振周波数を調整(チュ
ーニング)することができる。得られた実験結果は、2つの気体‐液体共軸ジェ ットの間に明らかに異なる結合度を示した。一方のセットの実験結果においては
、約5.7ミクロンの微粒子サイズを有することが明らかになり、その標準偏差は1
2%であった。この結果は、ジェットのブレークアップの結果として得られる微小
滴のサイズにおけるばらつきを最小にすべく気体の速度を適正に調整して得られ
た。この場合の液体ジェットのフロー・レートおよびその直径は、それぞれ0.08
l・s-1および3mである。データは、MALVERN INSTRUMENTS(マルバーン・インスツ
ルメンツ)のMASTERSIZER(マスターサイザ)を使用して収集した。結合度が小 さくなるに従って、異なる波長のジェット表面の摂動が励起され、サイズの分布
に見られるように、スプレーのばらつきが増加する。 多くの各種の産業上の応用にとって、サイズにおいて均一な微粒子を得ること
、あるいはサイズにおいて均一な液体微粒子のエアロゾルを生成することは極め
て望ましい。たとえば、炭化水素を含む液体調合体の粒子が生成され、10μm±3
%の直径をもつようにデザインされる。これらの粒子はエンジンの燃焼室内に噴
射される。さらに粒子サイズは燃料効率を高めるように調整され、燃焼反応での
燃料の浪費を少なくする。 オリフィス出口の上流においては、乱流レジーム、すなわち高い周波数を有し
、液体‐気体界面に摂動を起こさせる気体フロー内の乱流のゆらぎを回避するた
めに気体フローが層流になる必要がある、オリフィスにおいて到達するレイノル
ズ数は次式により与えられる。 Re = (gd0) / g≒4000 これにおいてgは気体の速度である。この数が非常に大きいにもかかわらず、 大きな圧力勾配(高い収束域)が下流に存在し、そのため乱流レジームが発生す
る可能性が非常に低くなっている。 本発明と従来の空気式アトマイザ(大きなウェーバ数を有する)の基本的な相
違は、本発明のねらいが液体‐気体界面の破断にあるのではなく、その逆、つま
り毛管ジェットが得られるまで界面の安定性を高めることにある。ジェットは、
流出の結果からもたらされる圧力降下が充分に高い場合には非常に薄くなり、従
来の空気式アトマイザにおける液体‐気体界面の無秩序な破断の結果として得ら
れるドロップより、はるかに均一なサイズのドロップに分裂する。 提案された燃料噴射ノズルシステムは、明白にエアロゾル化される燃料と、ス
プレイの生成に使用される気体を必要とする。両者とも安定したパラメータウイ
ンドウ内にシステムを維持する流量で供給される必要がある。必要なフロー・レ
ートが個別のセルのそれを上回るときは多重化が有効である。より具体的に述べ
れば、複数のフィーディング・ソースまたはフィーディング・ニードルを使用す
れば、エアロゾルが生成されるレートを上げることができる。使用するフロー・
レートは、フロー間の質量比がそれぞれの用途の仕様に矛盾のないことを保証す
る必要がある。気体と液体は何らかの連続供給システムにより投与される(例え
ば、圧縮機や圧力されたバルブシステム)。多重化が必要な場合は、セル間にお
ける液体のフロー・レートを可能な限り均一にすべきであり、これには、複数の
毛管ニードルを通じた推進力、異なるフィーディング・ポイントの間に均一なフ
ローを分配し得る多孔媒体もしくはその他の媒体が必要になる。 各個別の噴射ノズルは、マイクロジェットから現れるしたたりのアンカーを可
能にする直径0.002〜2mm(好ましくは0.01〜1.2mm)の少なくとも1つのフィーデ
ィング・ポイント(毛管ニードル、開口したマイクロチャンネルを伴うポイント
、連続するエッジ上の微小突起等)、ドロップに正対しフィーディング・ポイン
トから0.01〜2mm(好ましくは0.2〜0.75mm)だけ離隔された直径0.002〜2mm(好
ましくは0.01〜1.0mm)の小オリフィスから構成されることになる。オリフィス は、高い圧力にあるしたたり周囲の流出気体を、アトマイジング生成物が生じる
低い圧力のゾーンに伝える。この噴射弁は、各種の材料(好ましくは、燃料と反
応しない材料、金属、高分子等)を使用して作ることができる。 図1は、テストを行ったプロトタイプを示しており、これにおいてアトマイジ ングする液体はシステムの一端2にインサートされ、気体は、特殊なインレット4
を介して圧力チャンバ3内に導入される。このプロトタイプは、アトマイジング された液体が吐出される大気圧Paを超える圧力が100ミリバールから2000ミリバ ールまでの気体供給レートにおいてテストされた。フィーディング・ニードル1 を囲むエンクロージャ全体の圧力は、P0>Paとした。液体の供給圧Plは、常に気
体の推進圧力Poよりわずかに高くする必要がある。ニードルおよび液体供給シス
テム内の圧力降下に応じて、圧力差(Pl−P0>0)とアトマイジングする流体の 液体のフロー・レートQは、フローが層流である限り線形になり、このプロトタ イプの場合もその例に漏れていない。臨界寸法は、ニードルからプレートまでの
距離(H)、ニードルの直径(D0)、マイクロジェット6が吐出されるオリフィス
の直径(d0)、およびオリフィスの軸方向の長さe(つまりオリフィスが作られ るプレートの厚さ)である。このプロトタイプにおいては、距離(D0=0.45mm、
d0−0.2mm)およびe−0.5mmを一定にしてHを0.3から0.7mmまでの範囲で変化させ
た。結果として得られたスプレー7の質は、動作レジーム(つまり定常ドロップ およびマイクロジェット)が維持される限り、Hの変化に伴う明確な変動はなか った。しかしながらシステムは、距離Hがより長い(約0.7mm)とき安定性に影響
が現れた。このほかのアトマイザ寸法は、ニードル(その直径)周辺のゾーンが
フィーディング・ニードルに対して相対的に充分大きくなっている限り、スプレ
ーないしはプロトタイプの機能に影響を与えることがなかった。
Having described stable microjets undergoing “supercritical flow”, this aspect of the invention has been clogged by various industrial applications, especially fluids passing through microholes. It shows how it can be used in problem areas. Aspects of the invention of equal importance are obtained after the microjet has left the pressure chamber. When the microjet leaves the pressure chamber maintains the pressure P l of the liquid (like the pressure P g of the gas) almost becomes constant in the axial direction, the diameter of the jet to the point of dividing the instability of the capillary, substantially constant Is done. Weber number, We = ( g g 2 d j )
Defining / = 2P g d j / (where g is the velocity of the gas measured at the orifice), the break-up mode is axisymmetric below a certain experimental value We c ≒ 40, and consequently The resulting microdrop stream is simple if the fluctuations in gas flow do not contribute to the aggregation of the microdrops (these fluctuations occur when the perturbation profile of the gas stream appears completely around the breakup region of the fluid jet). Characterized as being variance. Beyond this We c value, wavy non-axisymmetric disturbances linked to axisymmetric擾turbulent becomes remarkable. For large We numbers, the nonlinear growth rate of the wavy disturbance tends to overwhelm that of the axisymmetric disturbance. In this case, the resulting spray shows significant polydispersity. From this, it can be seen that by controlling the parameters and keeping the resulting Weber number to 40 or less, the microparticles formed have substantially the same size. This size variation is about ± 3% to ± 30%, more preferably ± 3% to ± 10%.
These microparticles can have any desired size, for example, from 0.1 microns to 50 microns. Shed speed affects jet break-up, and thus affects particulate formation. In the acceleration region upstream from the hole exit, the gas stream becomes laminar. A typical value of the Reynolds number is in a range from 500 to 6000 if a speed equivalent to the speed of sound is considered as a characteristic speed of gas. Downstream of the hole exit, the cylindrical mixing layer between the gas stream and the stagnant gas is destabilized by classical Kelvin-Helmholtz instability. The growth rate of this layer thickness depends on the Reynolds number of the flow, and when D is the hole diameter, a vortex ring is formed at a frequency near g / D. Typical g and D values found in our experimental technique have led to frequencies on the order of MHz, which are comparable to the frequency of drop generation (t b -1 ). Given the flow rate of the liquid and the hole diameter, it depends on the gas velocity (or pressure difference driving the gas stream) in such a way that the vortex acts as a facilitating system to excite a determined wavelength perturbation of the jet surface. The resonance frequency can be adjusted (tuned). The experimental results obtained showed distinctly different degrees of coupling between the two gas-liquid concentric jets. One set of experimental results revealed a particle size of about 5.7 microns, with a standard deviation of 1
2%. This result was obtained by properly adjusting the gas velocity to minimize variations in the size of the microdroplets resulting from jet break-up. The liquid jet flow rate and its diameter in this case are 0.08
l · s -1 and 3m. Data was collected using a MALVERN INSTRUMENTS MASTERSIZER. As the coupling decreases, perturbations of the jet surface at different wavelengths are excited, increasing the variability of the spray, as seen in the size distribution. For many different industrial applications, it is highly desirable to obtain particulates that are uniform in size, or to produce aerosols of liquid particulates that are uniform in size. For example, particles of a liquid formulation containing hydrocarbons are produced and 10 μm ± 3
Designed to have a% diameter. These particles are injected into the combustion chamber of the engine. Further, the particle size is tuned to increase fuel efficiency, reducing fuel waste in the combustion reaction. Upstream of the orifice outlet, the turbulent regime, i.e. the gas flow needs to be laminar to avoid turbulent fluctuations in the gas flow that has a high frequency and perturbs the liquid-gas interface , Orifice reached at the orifice is given by: Re = ( g d 0 ) / g ≒ 4000 where g is the velocity of the gas. Despite this number being very large, a large pressure gradient (high convergence zone) exists downstream, which makes it very unlikely that a turbulent regime will occur. The fundamental difference between the present invention and the conventional pneumatic atomizer (having a large Weber number) is that the aim of the present invention is not to break the liquid-gas interface, but vice versa, ie, until the capillary jet is obtained. The purpose is to increase the stability. Jet
If the pressure drop resulting from the spill is sufficiently high, it will be very thin, resulting in a drop of much more uniform size than the drop resulting from the disordered breaking of the liquid-gas interface in a conventional pneumatic atomizer. Split. The proposed fuel injection nozzle system explicitly requires the fuel to be aerosolized and the gas used to generate the spray. Both need to be supplied at a rate that maintains the system within a stable parameter window. Multiplexing is effective when the required flow rate exceeds that of the individual cells. More specifically, the use of multiple feeding sources or needles can increase the rate at which aerosols are generated. Flow used
The rate must ensure that the mass ratio between the flows is consistent with the specifications for each application. Gases and liquids are dispensed by any continuous supply system (eg, a compressor or a pressurized valve system). If multiplexing is required, the flow rate of liquid between cells should be as uniform as possible, including propulsion through multiple capillary needles, uniformity between different feeding points. A porous or other medium capable of distributing the flow is required. Each individual jet nozzle has at least one feeding point (capillary needle, point with an open microchannel) of 0.002 to 2 mm (preferably 0.01 to 1.2 mm) in diameter that allows anchoring of the dripping emerging from the microjet. Small orifices with diameters of 0.002 to 2 mm (preferably 0.01 to 1.0 mm) facing the drop and 0.01 to 2 mm (preferably 0.2 to 0.75 mm) away from the feeding point. Will be composed of The orifice transfers the effluent gas at or near the higher pressure to a lower pressure zone where the atomized product occurs. The injection valve can be made using various materials (preferably, materials that do not react with fuel, metals, polymers, and the like). Figure 1 shows the prototype tested, in which the liquid to be atomized is inserted at one end 2 of the system and the gas is supplied to a special inlet 4
Through the pressure chamber 3. The prototype, a pressure above atmospheric pressure P a discharged liquid that is atomized is tested in the gas supply rate of up to 2000 mbar Lumpur from 100 mbar. The pressure of the entire enclosure surrounding the feeding needle 1 was the P 0> P a. The liquid supply pressure Pl must always be slightly higher than the gas propulsion pressure Po . Depending on the pressure drop in the needle and the liquid supply system, the pressure difference (P l -P 0 > 0) and the liquid flow rate Q of the atomizing fluid will be linear as long as the flow is laminar and this In the case of the prototype, there is no missing example. The critical dimensions are the distance from the needle to the plate (H), the diameter of the needle (D 0 ), the diameter of the orifice from which the microjet 6 is discharged (d 0 ), and the axial length e of the orifice (ie, the orifice is Thickness of the plate made). In this prototype, the distance (D 0 = 0.45 mm,
H was varied from 0.3 to 0.7 mm while d 0 -0.2 mm) and e-0.5 mm were kept constant. The quality of the resulting spray 7 did not change appreciably with changes in H as long as the operating regime (ie, steady drop and microjet) was maintained. However, the system had an effect on stability when the distance H was longer (about 0.7 mm). Other atomizer dimensions did not affect spray or prototype function as long as the zone around the needle (its diameter) was sufficiently large relative to the feeding needle.

【0011】 (ウェーバ数) 安定した毛管マイクロジェットを確保し、それの単分散微粒子へのブレークア
ップをコントロールするためのパラメータ調整は、ウェーバ数および液体対気体
の速度比、つまりVl/Vgで表されるによって支配される。ウェーバ数つまり「We 」は、次式を用いて定義される。 We = (gVg 2d) / これにおいて、gは気体の密度、dは安定したマイクロジェットの直径、は液体
‐気体の表面張力、Vg 2は気体速度の二乗である。 本発明を実施するときは、安定した毛管マイクロジェットを生成するために、
ウェーバ数が1より大きくなるように調整する必要がある。しかしながら、微粒 子のばらつきを単分散にする(つまり各微粒子が±3%から±30%までの範囲にお いて同一サイズを有する)ためには、ウェーバ数が約40を下回るべくパラメータ
を調整する必要がある。単分散のエアロゾルは、ウェーバ数が約1から約40まで の範囲のとき(1≦We≦40)得られる。
(Weber Number) The parameter adjustments to ensure a stable capillary microjet and control its breakup into monodisperse microparticles are based on the Weber number and the liquid to gas velocity ratio, ie V l / V g Is governed by represented by The Weber number, or “We”, is defined using the following equation: We = ( g V g 2 d) / where g is the density of the gas, d is the diameter of the stable microjet, is the liquid-gas surface tension, and V g 2 is the square of the gas velocity. When practicing the present invention, to produce a stable capillary microjet,
It must be adjusted so that the Weber number is greater than one. However, in order to make the dispersion of the particles monodisperse (ie, each particle has the same size in the range of ± 3% to ± 30%), adjust the parameters so that the number of Webers is less than about 40. There is a need. Monodisperse aerosols are obtained when the Weber number ranges from about 1 to about 40 (1 ≦ We ≦ 40).

【0012】 (オーネソージ数) ジェットのブレークアップにおける粘性の相対的な重要度は、2つの特性時間 、すなわち、粘性時間tvとブレーク時間tbの間の比として定義されるオーネソー
ジ数から評価することができる。ブレーク時間tbは、次式によって与えられる(
レイリー(1878年)参照)。 tb = {(ld2) / }1/2 (2) ジェット表面の摂動は、粘性拡散によって次式相当の時間tvで伝播される。 tv≒(ld2) / 1 (3) これにおいて、1は液体の粘性である。したがってオーネソージ数Ohは、次式 を用いて表すことができる。 Oh = 1 / (ld)1/2 (4) この比が1より充分に小さければ、粘性は、検討している現象において本質的 な役割を持たない。実際に実施した実験におけるオーネソージ数の最大値が3.7 ×10-2程度に低いことから、ジェットのブレークアップ・プロセスの間において
は粘性の本質的な影響がない。 マイクロジェットの形成ならびにその加速、および最終的な微粒子の形成は、
第2の流体を保持している圧力チャンバの出口オリフィスを通過するときに第1の
流体(たとえば気体)が受ける急峻な加速に関連する急激な減圧に基づく。この
流体は、チャンバから出ると、第1の流体(たとえば液体)と第2の流体(たとえ
ば気体)の間に特定の圧力差を受け、続いてそれが第1の流体(たとえば液体) の圧力チャンバの出口ポート近傍の表面上に強く屈曲したゾーンを作って尖点を
形成し、その結果、圧力チャンバの出口ポートを通じて流出する第1の流体(た とえば液体)の量が補充される限り、安定したマイクロジェットが得られる。つ
まり、ガラスのレンズまたは眼球のレンズが所定のポイントに光を集光する場合
と同じ態様で、気体のフローが液体を包み込み、安定したマイクロジェットにそ
れを収束させる。この周囲の気体のフローによる収束の効果は、実質的にその直
径が圧力チャンバの出口オリフィスの直径より小さい液体のストリームを生み出
す。これにより液体は、圧力チャンバのオリフィスから、当該オリフィスと接触
することなく流出することが可能になる。このことから、(1)出口オリフィス の目詰まりが実質的に排除される、(2)オリフィス開口上の物体との接触に起 因する汚染が実質的に排除される、(3)ストリームおよび結果的に得られる微 粒子の直径がチャンバの出口オリフィスの直径より小さくなる、および(4)チ ャンバから出た後の微粒子が、液体の速度より速い速度を有する周囲の気体スト
リームの加速効果によって凝塊形成の傾向を持たないという利点がもたらされる
。このことは、非常に直径の小さいホールの正確な加工が困難なことから特に望
ましい。その上、この収束効果がない場合には、開口から出る流体のフローは、
出口開口の直径の約2倍になる。 要約すると、液体の流出ならびにそれに続くジェット形成後の加速をもたらす
流体2のフローは、非常に速い必要があるが、同時に、脆弱な毛管界面(ジェッ トから現れるしたたりの界面)の摂動、したがってその破壊を回避するために均
一である必要がある。つまり、流体2から作用する動的な力は、プロセスの間、 常に表面張力(ドロップおよびマイクロジェット)を超えてはならない。流体力
学の無次元数の方面からは、プロセスの間、ウェーバ数(つまり力対表面張力の
比)が1を超えないものとする必要がある。マイクロジェットのウェーバ数は、 流体2の圧力降下が大きさにおいて表面張力の効果に等しくなることから、必然 的に1に等しくなる: 2 / dj≒(g 2) / 2 これにおいて、およびはそれぞれ表面張力および液体濃度であり;djおよびg はジェットの特性直径および流体2の特性速度である。また、ジェットを生成す るしたたり周囲の流体2の速度は、そのエリアを介してオリフィスの前後にわた るそれと相関させ、つまりVgをドロップ周囲の流体2の速度、D0およびd0をそれ ぞれフィーディング・ポイントおよびオリフィスの直径とするとき、VgD0 2gd0 2 とする必要がある。オリフィスにおける流体2の最大可能速度が、音速に類似し
たものとなることから、 Vg≒(d0 / D0)2×320 m/s となり、ジェットの直径に関する次式が得られる。 dj≒(4) / (pg g 2)≒4×2×102 / (1.2×3202)≒5 m (n-ヘプタンの場合 は、 = 2×102 N/m2) これは、1から10ミクロンまでの直径、さらには1ミクロンより小さい直径のサ
イズを有するミクロン・オーダーのドロップが得られることを意味している。 このシステムを用いて可能な最小直径においては(境界層の厚さと同様に)、
液体と流体2の単位体積当たりの運動エネルギが同じ程度になる必要がある。結 果として得られる液体の速度は次のようになる。 Vl≒(g / l)1/2 g≒10 m/秒 これにおいて、lは液体の濃度である。上記の式から、液体のフロー・レート は、最小のドロップ・サイズにおいて、 Ql≒dj 2 l≒10-11 m3/秒 となる。 流体2のフローは、乱流レジーム、すなわち高い周波数を有し、液体‐流体2の
界面に摂動を起こさせる流体2のフロー内の乱流のゆらぎを回避するために気体 フローが層流になる必要がある。オリフィスにおいて到達するレイノルズ数は次
式により与えられる。 Re = (gd0) / g≒4000 これにおいてgは流体2の速度である。この数が非常に大きいにもかかわらず、
大きな圧力勾配(高い収束域)が下流に存在することから、乱流レジームが発生
する可能性が非常に低くなっている。 従来の空気式アトマイザ(大きなウェーバ数を有する)との基本的な相違は、
ねらいを液体‐流体2の界面の破断ではなく、その逆、つまり毛管ジェットが得 られるまで界面の安定性を高めることとすることである。ジェットは、流出の結
果からもたらされる圧力降下が充分に高い場合には非常に薄くなり、従来の空気
式アトマイザにおける液体‐流体2界面の無秩序な破断の結果として得られるド ロップより、はるかに均一なサイズのドロップに分裂する。
[0012] The relative importance of viscosity in jet break-up is determined by two characteristic times, viscous time tvAnd break time tbOhnesaw defined as the ratio between
It can be evaluated from the number of dice. Break time tbIs given by the following equation (
Rayleigh (1878)). tb = {(ldTwo) /}1/2 (2) The perturbation of the jet surface is determined by viscous diffusion,vPropagated by tv≒ (ldTwo) /1 (3) In this,1Is the viscosity of the liquid. Accordingly, the Ohnesage number Oh can be expressed using the following equation. Oh =1 / (ld)1/2 (4) If this ratio is sufficiently smaller than 1, viscosity has no essential role in the phenomenon under consideration. The maximum value of the number of annesage in the actual experiment was 3.7 × 10-2Moderately low during the jet break-up process
Has no intrinsic effect of viscosity. The formation of the microjet and its acceleration, and the formation of the final particles,
When passing through the outlet orifice of the pressure chamber holding the second fluid, the first
It is based on a sharp decompression associated with a steep acceleration experienced by a fluid (eg, a gas). this
When the fluids exit the chamber, a first fluid (eg, a liquid) and a second fluid (eg,
(Eg, gas), which in turn creates a sharply bent zone on the surface near the outlet port of the pressure chamber of the first fluid (eg, liquid) to create cusps.
As a result, a stable microjet is obtained as long as the amount of the first fluid (eg, liquid) flowing out through the outlet port of the pressure chamber is replenished. One
In other words, when a glass lens or eyeball lens focuses light at a given point
In the same manner as above, the gas flow envelops the liquid and forms a stable microjet.
Let it converge. The effect of convergence due to this surrounding gas flow is substantially straightforward.
Produces a stream of liquid whose diameter is smaller than the diameter of the pressure chamber exit orifice
You. This allows the liquid to come into contact with the orifice from the pressure chamber orifice
It becomes possible to flow without doing. This results in (1) virtually eliminating clogging of the exit orifice, (2) substantially eliminating contamination due to contact with objects on the orifice opening, (3) stream and results. The diameter of the resulting fine particles is smaller than the diameter of the outlet orifice of the chamber, and (4) the fine particles after exiting the chamber have a higher gas velocity than the liquid gas.
The advantage of accelerating the ream offers the advantage of not having a tendency to form clots
. This is especially desirable due to the difficulty in accurately machining very small diameter holes.
Good. Moreover, in the absence of this convergence effect, the flow of fluid exiting the aperture is
About twice the diameter of the outlet opening. In summary, results in liquid efflux and subsequent acceleration after jet formation
The flow of fluid 2 needs to be very fast, but at the same time equalized to avoid perturbation of the fragile capillary interface (the drip interface emerging from the jet) and thus its destruction.
Need to be one. That is, the dynamic forces acting from the fluid 2 must not always exceed the surface tension (drops and microjets) during the process. Fluid force
From a dimensionless dimension of science, the Weber number (ie force versus surface tension)
Ratio) should not exceed 1. The Weber number of the microjet is necessarily equal to 1 since the pressure drop of fluid 2 equals the effect of surface tension in magnitude: 2 / dj≒ (g Two) / 2 where and are surface tension and liquid concentration, respectively; djandg Is the characteristic diameter of the jet and the characteristic velocity of the fluid 2. Also, the velocity of the fluid 2 around or around the jet producing correlate with that across the area before and after the orifice, i.e., VgDrop the velocity of fluid 2 around the0And d0Where V is the diameter of the feeding point and orifice, respectively.gD0 Twogd0 Two It is necessary to The maximum possible velocity of fluid 2 at the orifice is similar to the speed of sound
Vg≒ (d0 / D0)Two× 320 m / s, and the following equation regarding the jet diameter is obtained. dj≒ (4) / (pg g 2)≒ 4 × 2 × 10Two / (1.2 × 3202)≒ 5 m (In the case of n-heptane, = 2 × 10Two N / mTwoThis is for diameters from 1 to 10 microns and even smaller than 1 micron.
This means that micron-order drops having a size can be obtained. At the smallest diameter possible with this system (as well as the thickness of the boundary layer)
The kinetic energy per unit volume of the liquid and the fluid 2 needs to be the same. The resulting velocity of the liquid is: Vl≒ (g /l)1/2 g≒ 10 m / s wherelIs the concentration of the liquid. From the above equation, the liquid flow rate is Q at the smallest drop sizel≒ dj Two l≒ 10-11 mThree/ Sec. The flow of fluid 2 has a turbulent regime, i.e., a high frequency,
The gas flow needs to be laminar in order to avoid turbulence fluctuations in the flow of the fluid 2 that causes perturbation at the interface. The Reynolds number reached at the orifice is
Given by the equation. Re = (gd0) /g≒ 4000 in thisgIs the velocity of fluid 2. Although this number is very large,
Large pressure gradient (high convergence zone) downstream creates turbulence regime
Very unlikely to be. The basic difference from a conventional pneumatic atomizer (with a large number of Webers) is that
The aim is not to break the liquid-fluid 2 interface, but vice versa, to increase the stability of the interface until a capillary jet is obtained. Jets spill
If the pressure drop resulting from the result is sufficiently high,
It breaks up into drops of much more uniform size than the drops resulting from the disordered breaking of the liquid-fluid 2 interface in a formula atomizer.

【0013】 (第1の実施例の使用例) 本発明の第1の実施例は、たとえば燃焼室内に、より微細かつ均一に分散する 液体微粒子を噴射するためのノズル・タイプの噴射デバイスに使用することがで
きる。各噴射が、形成される微粒子が微細であるという性質に起因して比較的少
量の液体の噴射を伴うことから、各デバイスに複数の噴射ポイントを備えること
が望ましい。したがってこのデバイスは、単一の噴射デバイス内に複数のフィー
ディング・ニードルを持つことになり、好ましくはそれを10、より好ましくは少
なくとも100、さらに好ましくは少なくとも500、さらに好ましくは少なくとも10
00とする。噴射ポイントは、効率的に微粒子を生成し得る任意の態様でデバイス
内に空間的に配置することが可能であるが、好ましくは燃焼室に入った後の微粒
子が凝塊を形成する傾向が減少する構成において噴射ポイントを配置し、たとえ
ばデバイス内に均等間隔で平行に配置する。燃料に使用する気体および液体は、
たとえば、気体供給のためのコンプレッサまたは圧力タンクおよび液体供給のた
めの容積ポンプまたは圧力ボトル等の任意タイプの連続供給システムによりフィ
ーディング・ニードルに分配することができる。気体および/または液体のばら
つきは、当業界で周知の任意のメカニズムを使用してコントロール可能であり、
たとえば、噴射デバイスにつながるインレット・チューブに入る気体および/ま
たは液体をコントロールするバルブの使用が挙げられる。デバイスのハウジング
およびフィーディング・ニードルは、各種の材料(金属、プラスチック、セラミ
クス、ガラス)から構成することができるが、好ましくはデバイス内の流体と反
応しない材料から構成する。 図6は、図1に示した実施例を噴射装置において使用した一例を概略で表してい
る。図6に示したデバイスにおいては、等間隔に配置された複数のフィーディン グ・ニードル84が圧力チャンバ80内に収められ、圧力チャンバ80の複数の出口開
口81から燃料がアトマイジングされる。図6Aは、単一の圧力チャンバ80の内側に
収められる複数の噴射ニードル84を備えたこのデバイスの内部を示す側面図であ
る。圧力チャンバは、各個別のフィーディング・ニードルごとに、安定した尖頭
の収束が効率的に生成可能となるように、チャンバ内を通じて概略で等しい圧力
をもたらすものとする。それに代えて、それぞれが個別にコントロールされて概
略で等しい圧力をもち、等しく流体が流入するチャンバに区分けされた圧力チャ
ンバを、各フィーディング・ニードルが独自に備えるようにしてもよい。 燃料は、インレット開口82を介してフィーディング・ニードルに供給され、燃
料の流入は、好ましくは燃料インジェクタ内のメカニズム、たとえば当該燃料イ
ンジェクタに対するコンピュータ信号を使用して開閉がコントロールされるバル
ブ等によってコントロールされる。ここでも参照により採り入れているが、米国
特許第4,984,552号および同第5,697,341号を参照されたい。図6に示した例にお いては、燃料が、単一のソースから、フィーディング・ニードル84の上側にあり
、それぞれに接続されている燃料供給チューブ83を介して各個別のニードルに供
給される。燃料を個別のフィーディング・ニードルに導く別の方法としては、単
一の燃料ソースから、あるいは複数の燃料ソースから延びる個別の燃料供給チュ
ーブを使用することができる。複数のソースを使用する場合には、好ましくはそ
の同期および/または調節を行って噴射される燃料の量をコントロールする。 第1の流体の収束に使用される第2の流体は、少なくとも1つの独立したインレ ット86を介して供給される。図6Bは、このデバイスの底面図であり、圧力チャン
バ80内の複数の出口開口81が示されている。図6には、単一の圧力チャンバのみ を示したが、複数の圧力チャンバを備えてデバイスの効率を向上させることもで
きる。個別のチャンバへは、単一のアウトレット・ソースから、または複数のソ
ースから流体を供給することができる。 図1に示した実施例の別の使用例においては、燃料が本発明の第2の流体として
供給され、気体、好ましくは空気が第1の流体として使用される。この気体は、 フィーディング・ニードルを介して供給され、燃料調合体が圧力チャンバ内に導
入される。この燃料が気体の収束に使用され、気体は微粒子の形で放出される。
第2の流体としての燃料は、圧力チャンバを出るとき、気体微粒子をコーティン グする。液体ストリーム内に含まれた気体バブルを気体の環境に放出することに
よって、気体、好ましくは空気を核にする分散性の高い燃料の小球が得られる。
噴射ノズルのこの用法は、反応に有効な燃料調合体の表面積を増加させる一方、
燃料成分を維持することができる。
(Example of Use of First Embodiment) The first embodiment of the present invention is used for a nozzle type injection device for injecting finer and more uniformly dispersed liquid fine particles into a combustion chamber, for example. can do. It is desirable to have multiple injection points for each device since each injection involves the ejection of a relatively small amount of liquid due to the nature of the fine particles formed. The device will therefore have multiple feeding needles in a single injection device, preferably with 10, more preferably at least 100, even more preferably at least 500, even more preferably at least 10
00. The injection points can be spatially located within the device in any manner that can efficiently generate particulates, but preferably reduce the tendency of the particulates to form agglomerates after entering the combustion chamber In such a configuration, the injection points are arranged, for example, in the device in parallel at equal intervals. Gases and liquids used for fuel
For example, it can be distributed to the feeding needles by any type of continuous supply system, such as a compressor or pressure tank for gas supply and a volume pump or pressure bottle for liquid supply. Gas and / or liquid variability can be controlled using any mechanism known in the art,
For example, the use of valves to control gas and / or liquid entering the inlet tube leading to the injection device. The device housing and the feeding needle can be made of various materials (metals, plastics, ceramics, glass), but are preferably made of materials that do not react with the fluid in the device. FIG. 6 schematically shows an example in which the embodiment shown in FIG. 1 is used in an injection device. In the device shown in FIG. 6, a plurality of equally spaced feeding needles 84 are housed in a pressure chamber 80, and fuel is atomized from a plurality of outlet openings 81 of the pressure chamber 80. FIG. 6A is a side view showing the interior of the device with multiple injection needles 84 housed inside a single pressure chamber 80. FIG. The pressure chamber shall provide approximately equal pressure throughout the chamber such that a stable peak convergence can be efficiently generated for each individual feeding needle. Alternatively, each feeding needle may independently have a pressure chamber, each controlled individually, having approximately equal pressures, and partitioned into chambers into which fluid flows equally. Fuel is supplied to the feeding needle via an inlet opening 82, and the flow of fuel is preferably controlled by a mechanism within the fuel injector, such as a valve whose opening and closing is controlled using computer signals to the fuel injector. Is done. Again, incorporated by reference, see U.S. Patent Nos. 4,984,552 and 5,697,341. In the example shown in FIG. 6, fuel is supplied from a single source to each individual needle via a fuel supply tube 83 that is above and connected to a feeding needle 84. You. Alternative ways of directing fuel to individual feeding needles can use individual fuel supply tubes extending from a single fuel source or from multiple fuel sources. If multiple sources are used, they are preferably synchronized and / or adjusted to control the amount of fuel injected. The second fluid used to converge the first fluid is provided via at least one independent inlet 86. FIG. 6B is a bottom view of the device, showing a plurality of outlet openings 81 in the pressure chamber 80. FIG. Although only a single pressure chamber is shown in FIG. 6, multiple pressure chambers may be provided to increase the efficiency of the device. Individual chambers can be supplied with fluid from a single outlet source or from multiple sources. In another use of the embodiment shown in FIG. 1, fuel is provided as the second fluid of the present invention, and gas, preferably air, is used as the first fluid. This gas is supplied via a feeding needle and a fuel formulation is introduced into the pressure chamber. This fuel is used to focus the gas, which is released in the form of particulates.
As the second fluid, the fuel coats the gaseous particulates as it exits the pressure chamber. By discharging the gas bubbles contained in the liquid stream into the gaseous environment, highly dispersible fuel globules with a gas, preferably air, are obtained.
This use of injection nozzles increases the surface area of the fuel mix available for the reaction, while
Fuel components can be maintained.

【0014】 (図2の実施例) 当業者であれば、この開示を読むことによって多様な構成要素の構成ならびに
流体タイプが明らかになることであろう。これらの構成ならびに流体は、ソース
から第2の流体を擁する圧力チャンバの出口ポートに向かう第1の流体の安定した
毛管マイクロジェットを生成し得る限り、本発明に包含されることになる。安定
したマイクロジェットは、フィーディング・ソースから圧力チャンバの出口ポー
トに向かって流れ、圧力チャンバ内の第2の流体から、マイクロジェットを形成 する第1の流体表面に作用する接線方向の粘性応力によって加速され安定化され る。第2の流体は、各種のパラメータが適正にチューニングされ、あるいは調整 されたとき、収束漏斗を形成する。たとえば、速度、圧力、粘性および第1の流 体と第2の流体の混和性が、第2の流体によって形成された漏斗の中心に向かって
収束する、希望どおりの結果の、第1の流体の安定したマイクロジェットを得る べく選択される。これらの結果は、第1の流体が流出する開口のサイズ、両方の 流体が吐出される開口のサイズ、およびこれら2つの開口の間の距離等を含めた デバイスの物理的なパラメータを調整またはチューニングすることによっても得
られる。 図1に示した実施例は、それ自体、各種の構成にアレンジすることができる。 さらに、先にも触れたが、この実施例に複数のフィーディング・ニードルを備え
ることも考えられる。複数のフィーディング・ニードルは、図2に示すように、 同心に構成して単一構造とすることができる。 図2に示した実施例の構成要素は次のとおりである。 21. フィーディング・ニードル ― 流体のソースまたはチューブ。 22. アトマイジングする液体をインサートするために使用されるフィーディ ング・ニードルの端部。 23. 圧力チャンバ。 24. 気体のインレットとして使用されるオリフィス。 25. アトマイジングする液体を排出するために使用されるフィーディング・ ニードルの端部。 26. 流出が生じるオリフィス。 27. アトマイジング生成物(スプレー)つまりエアロゾル。 28. アトマイジングする第1の流体(微粒子内側の核)。 29. アトマイジングする第2の流体(微粒子外側のコーティング)。 30. マイクロジェットを生成するための気体。 31. フィーディング・ニードルの内側チューブ。 32. フィーディング・ニードルの外側チューブ。 D=フィーディング・ニードルの直径;d=マイクロジェットが通過するオリフ
ィスの直径;e=流出が生じるオリフィスの軸方向の長さ;H=フィーディング・
ニードルからマイクロジェットのアウトレットまでの距離;=表面張力;P0=チ
ャンバ内の圧力;Pa=大気圧。 図2に示した実施例は、好ましくは別の物質によってコーティングされた物質 の球状微粒子の形成を試みるとき使用される。図2に示したデバイスは、図1に示
したデバイスと同一の基本構成要素からなり、さらに第1の円筒状フィーディン グ・ソース31の周囲に、それと同心に配置された第2のフィーディング・ソース3
2を備える。この第2のフィーディング・ソースを、それぞれが内側のソースと同
心に配置される1ないしは複数の追加のフィーディング・ソースによって包み込 んでもよい。 プロセスは、液体‐気体または液体‐液体(互いに不混和性の場合)の界面相
が、2つの流体の複合吸引が生じる間に、一方の流体の吸引が始まるポイントに 達するとこの界面相が受けるミクロ吸引に基づいている。この相互作用は、流体
を他方によって物理的に包み込み、最終的に球状のドロップに分裂する毛管マイ
クロジェットを形成する。2つの流体(気体‐液体)に代えて、同心チューブを 使用した噴射によって、同心で流れる3ないしはそれ以上の流体を使用すると、2
ないしはそれ以上の異なる流体の層からなる毛管ジェットが形成され、それが分
裂したとき、異なる複数の流体からなる概略で同心の球状の層からなる球が形成
される。外側の球のサイズ(その厚さ)および、内側の球のサイズ(その体積)
は、正確に調整可能である。 この方法は、一方の液体または気体の核、およびそれを包み込む別の(1ない しは複数の)液体または気体からなる毛管マイクロジェットの分裂を基礎にして
おり、それぞれの液体または気体は、安定した毛管ジェットを形成し、かつマイ
クロジェットが形成されてからそれが分裂するまでの間に拡散によって互いに混
合しない態様で特殊な噴射ヘッドによって同心形式で噴射される。毛管マイクロ
ジェットが、適正な動作条件の下に球状のドロップに分裂するとき、詳細を後述
するが、これらのドロップは球形の核を呈し、そのサイズおよび偏心率はコント
ロールすることができる。 2つの原料を含む球の場合は、噴射ヘッド25が、1ミリメートル台の外径を有す
る2本の同心チューブからなる。内側チューブ31を介して微小球の核を構成する ことになる原料が噴射され、内側チューブ31と外側チューブ32の間からコーティ
ングが噴射される。外側チューブ32の流体は、これらの流体がフィーディング・
ニードルから出るときチューブ31の流体と結合し、その結果、噴射されるこれら
の流体(通常は液体)が、噴射チューブの端部に正対する微小オリフィス24を通
る気体ストリームによって加速される。オリフィス24を通じて降下する圧力が充
分であれば、噴射される液体の量に変化がない限り、完全に静止した毛管ジェッ
トを液体が形成する。このマイクロジェットは、オリフィスの壁に接触すること
なく、気体ストリームまたはチューブ32からの気体によって形成される漏斗に包
まれてそこを通過する。この気体ファネルが液体を収束させることから、形成さ
れる微粒子のサイズは出口オリフィスのサイズ26によって支配されない。 パラメータが適切に調整されていれば、出口オリフィス26における液体の運動
は均一であり、粘性力は充分に小さく、それがフローまたは液体の特性を変化さ
せること、たとえば、ある種の複雑性および脆弱性を有する生化学分子供試体が
ある場合には、微小オリフィスを通るフローに関連して現れる粘性力がこれらの
物質を退化させることがあるが、そういったことがなくなる。 図2は、フィーディング・ニードル21の簡略図であり、それには、2つの不混和
性流体からなる微小球を構成することになる流体28、29の内側フローおよび外側
フローを提供する同心チューブ30、31が備わる。オリフィス26の圧力差P0−Pa
P0>Pa)は、チャンバ23内に導入された気体のフローを生ぜしめ、それが出口に
おいてマイクロジェットを包み込む。圧力差P0−Paが、移動方向と逆に作用する
勾配を作り出す表面張力との比較において充分に大きければ、気体を移動させる
同じ圧力勾配が、この軸方向にホール26を通ってマイクロジェットを移動させる
。 内側ジェットおよび外側ジェットの最小サイズに関しては、(a)外側の液体2
9と気体30の表面張力1ならびに外側の液体29と内側の液体28の表面張力2、およ び(b)オリフィス26を介した圧力差P=P0−Paにそれぞれ依存する2つの制限が ある。まず、圧力におけるジャンプPが充分に大きく、表面張力の有害な影響を 最小にできなければならない。しかしながらこれは、ひじょうに控えめな圧力の
増加によって達成され、たとえば、0.05N/mの表面張力を有する液体(水道水) の10ミクロンのジェットであれば、圧力における必要最小ジャンプは0.05(N/m )/0.00001m=P=50ミリバールとなる。しかし、ドロップが均一のサイズを持つ
ためには、これに加えてマイクロジェットの分裂が規則的かつ軸対称でなければ
ならず、そのため、外側流体と気体の表面張力1およびマイクロジェットの外径 の両方に依存する所定の値を超えて過剰にPを大きくすることができない。実験 的にこの圧力差は、表面張力1を20倍してマイクロジェットの外側半径で除した 値を超えて大きくできないことが明らかになった。 したがって、マイクロジェットの内側ならびに外側の直径が与えられたとき、
最小と最大の間の動作圧力の範囲が決まることになるが、実験的には、その最小
値の2ないしは3倍程度の圧力において最適な結果が得られている。 液体の粘性の値は、それより高い粘性maxを有する液体が、この液体について 予想されるジェットの直径dおよびオリフィスを介した差Pに関する次に示す不等
式を立証するものでなければならない。 max≦(Pd2D) / Q それにより圧力勾配は、液体がオリフィスに向かって吸引されるとき、それが
もたらす粘性抵抗の引張り力に打ち勝つことができる。 さらに、微小球の核の同心性を達成するためには、各液体間の速度関係が、密
度の二乗根v1/v2=(2/1)1/2に従って変動すること、および両方のジェット、つ まり内側ジェットおよび外側ジェットを、可能な限りもっとも対称な構成とする
ことが前提となる必要があり、それぞれの液体が異なる速度を有している場合に
はそれが得られないことから(図2)、それぞれの液体は、非常に類似した密度 を有していなければならない。それにもかかわらず、規定パラメータの範囲内に
おいて、2つの液体間の界面張力2によって、微小球の中心に向かって核が移動す
る傾向にあることが実験的に立証された。 2つの液体およびその外側で気体を使用する場合は、内側チューブ31が、外側 チューブ32の直径を超えて外側チューブ32に差し込まれない限り、かつ内側チュ
ーブ31が、その直径の2倍を超えて外側チューブ32より突出しない限り、ジェッ トの特性を実質的に変えることなく、同心チューブの開口を含む平面間の距離を
変更することができる。もっとも良い結果は、内側チューブ31を、外側チューブ
32から内側チューブ31の直径と実質的に等しい距離だけ突出させたときに得られ
ている。2本を超えるチューブを使用する場合にも、これと同じ評価基準が有効 であり、包含される側のチューブ(内側チューブ)を、包含する側のチューブ(
外側チューブ)を超えて、前者のチューブの直径と実質的に等しい距離だけ突出
させる。 内側チューブ31(通常は突出することになる方)の平面と、オリフィスの平面
の間の距離は、液体間および気体との表面張力およびそれらの粘性値に応じて、
ゼロから外側チューブ32の外径の3倍までの範囲の値となり得る。通常は、それ ぞれ個々の構成ならびに使用する液体のセットに関して、実験的に最適距離が判
断される。 それぞれのアトマイジング・デバイスは、それぞれにマイクロジェットが発出
するしたたりの定着が可能な、0.05から2mmまでの範囲、好ましくは0.1から0.4m
mまでの範囲の直径を有する同心チューブ31、32、および当該したたりに正対し 、フィーディング・ポイントから0.001から2mmまでの範囲、好ましくは0.2から0
.5mmまでの範囲の距離だけ離隔された微小オリフィス(0.001から2mmまでの範囲
、好ましくは0.1から0.25mmまでの範囲の直径を有する)からなる。これらのオ リフィスは、より高い圧力においては吸引気体にしたたりを包み込ませ、より低
い圧力においては吸引気体をアトマイジングが達成されるエリアに接触させる。
Embodiment of FIG. 2 One of ordinary skill in the art, upon reading this disclosure, will appreciate the various component configurations as well as fluid types. These configurations and fluids are included in the present invention as long as they can produce a stable capillary microjet of the first fluid from the source toward the outlet port of the pressure chamber containing the second fluid. The stable microjet flows from the feeding source towards the outlet port of the pressure chamber, and from the second fluid in the pressure chamber, by tangential viscous stress acting on the first fluid surface forming the microjet. Accelerated and stabilized. The second fluid forms a converging funnel when the various parameters are properly tuned or adjusted. For example, the velocity, pressure, viscosity and miscibility of the first fluid and the second fluid converge toward the center of the funnel formed by the second fluid, with the desired result of the first fluid. Selected to obtain a stable microjet. These results can be used to adjust or tune the physical parameters of the device, including the size of the opening through which the first fluid exits, the size of the opening through which both fluids are ejected, and the distance between the two openings. It is also obtained by doing. The embodiment shown in FIG. 1 can itself be arranged in various configurations. Furthermore, as mentioned earlier, it is also conceivable that this embodiment comprises a plurality of feeding needles. A plurality of feeding needles can be concentrically configured into a single structure, as shown in FIG. The components of the embodiment shown in FIG. 2 are as follows. 21. Feeding needle-a source or tube of fluid. 22. End of the feeding needle used to insert the liquid to be atomized. 23. Pressure chamber. 24. Orifices used as gas inlets. 25. The end of the feeding needle used to drain the liquid to be atomized. 26. The orifice where the spill occurs. 27. Atomizing product (spray) or aerosol. 28. The first fluid to be atomized (the nucleus inside the particles). 29. Second fluid to be atomized (particulate outer coating). 30. Gas for generating microjets. 31. Inner tube of the feeding needle. 32. Outer tube of the feeding needle. D = diameter of the feeding needle; d = diameter of the orifice through which the microjet passes; e = axial length of the orifice where the outflow occurs; H = feeding diameter.
Distance from the needle to the outlet of the microjet; = surface tension; P 0 = pressure in the chamber; P a = atmospheric pressure. The embodiment shown in FIG. 2 is preferably used when attempting to form spherical microparticles of a substance coated with another substance. The device shown in FIG. 2 consists of the same basic components as the device shown in FIG. 1 and a second feeding source arranged concentrically around a first cylindrical feeding source 31.・ Source 3
2 is provided. This second feeding source may be wrapped by one or more additional feeding sources, each concentric with the inner source. The process involves subjecting a liquid-gas or liquid-liquid (if immiscible) interface phase to the point at which one fluid begins to aspirate while the combined aspiration of the two fluids occurs. Based on micro suction. This interaction physically encloses the fluid by the other, forming a capillary microjet that eventually breaks into a spherical drop. Instead of two fluids (gas-liquid), if three or more fluids that flow concentrically by injection using concentric tubes,
A capillary jet consisting of or more layers of different fluids is formed and, when split, forms a sphere consisting of a generally concentric spherical layer of different fluids. The size of the outer sphere (its thickness) and the size of the inner sphere (its volume)
Is precisely adjustable. This method is based on the splitting of a capillary microjet consisting of one liquid or gas nucleus and another (one or more) liquid or gas enveloping it, each of which is stable. Are ejected concentrically by a special ejection head in such a way that they form a capillary jet and do not mix with each other by diffusion between the time the microjet is formed and the time it splits. When the capillary microjet breaks up into spherical drops under proper operating conditions, as will be described in detail below, these drops exhibit a spherical nucleus whose size and eccentricity can be controlled. In the case of a sphere containing two raw materials, the ejection head 25 consists of two concentric tubes having an outer diameter on the order of 1 millimeter. A raw material that constitutes the core of the microsphere is sprayed through the inner tube 31, and a coating is sprayed from between the inner tube 31 and the outer tube 32. The fluid in the outer tube 32 is
Upon exiting the needle, it combines with the fluid in the tube 31 so that these ejected fluids (usually liquids) are accelerated by the gas stream through the micro orifice 24 directly opposite the end of the ejection tube. If the pressure drop through the orifice 24 is sufficient, the liquid forms a completely stationary capillary jet unless the amount of liquid to be ejected changes. This microjet passes through the funnel formed by the gas from the gas stream or tube 32 without contacting the orifice walls. Because the gas funnel focuses the liquid, the size of the particulate formed is not governed by the exit orifice size 26. If the parameters are properly adjusted, the movement of the liquid at the outlet orifice 26 is uniform and the viscous forces are small enough that it changes the flow or liquid properties, for example, certain complexity and weakness If there are sexual biochemical specimens, the viscous forces that appear in connection with the flow through the micro-orifices can degrade these substances, but they do not. FIG. 2 is a simplified diagram of a feeding needle 21 that includes a concentric tube 30 that provides an inner flow and an outer flow of fluids 28, 29 that will constitute a microsphere consisting of two immiscible fluids. , 31 are provided. Orifice 26 pressure difference P 0 −P a (
P 0 > P a ) causes a flow of gas introduced into the chamber 23, which wraps around the microjet at the outlet. Pressure difference P 0 -P a is, if sufficiently large in comparison to the surface tension that creates a gradient that acts on the moving direction and opposite, the same pressure gradient to move the gas microjet through a hole 26 in the axial direction To move. Regarding the minimum size of the inner and outer jets, (a) the outer liquid 2
9 and surface tension 1 and tension second outer liquid 29 and the liquid inside 28 of the gas 30, and (b) 2 one restriction which depends respectively on the pressure difference P = P 0 -P a through orifice 26 There is. First, the jump P in pressure must be large enough to minimize the harmful effects of surface tension. However, this is achieved by a very modest increase in pressure, for example, for a 10 micron jet of liquid (tap water) having a surface tension of 0.05 N / m, the required minimum jump in pressure is 0.05 (N / m ) /0.00001 m = P = 50 mbar. However, in order for the drop to have a uniform size, the splitting of the microjet must also be regular and axisymmetric, so that the surface tension of the outer fluid and gas1 and the outer diameter of the microjet P cannot be increased excessively beyond a predetermined value depending on both. Experimentally, it has been shown that this pressure difference cannot be increased beyond the value obtained by multiplying the surface tension by 20 and dividing by the outer radius of the microjet. Thus, given the inside and outside diameter of the microjet,
An operating pressure range between the minimum and maximum will be determined, but experimentally, optimum results have been obtained at pressures of about two or three times that minimum. The value of the viscosity of the liquid must be such that the liquid with a higher viscosity max demonstrates the following inequality for the expected jet diameter d and the difference P through the orifice for this liquid. max ≦ (Pd 2 D) / Q whereby the pressure gradient can overcome the viscous drag pull that it brings when the liquid is drawn towards the orifice. Furthermore, to achieve concentricity of the microsphere nuclei, the velocity relationship between each liquid varies according to the square root of density v1 / v2 = (2/1) 1/2 , and both jets, In other words, it must be assumed that the inner and outer jets have the most symmetrical configuration possible, which is not possible if the liquids have different velocities. 2) Each liquid must have very similar densities. Nevertheless, it has been experimentally demonstrated that within the defined parameters, the interfacial tension 2 between the two liquids tends to cause the nucleus to move towards the center of the microsphere. If two liquids and a gas outside are used, unless the inner tube 31 is plugged into the outer tube 32 beyond the diameter of the outer tube 32, and the inner tube 31 is more than twice its diameter As long as it does not protrude beyond the outer tube 32, the distance between the planes containing the openings of the concentric tubes can be changed without substantially changing the properties of the jet. For best results, replace inner tube 31 with outer tube
It is obtained when projecting from 32 by a distance substantially equal to the diameter of the inner tube 31. When more than two tubes are used, the same criteria are valid, including the included tube (the inner tube) and the included tube (the inner tube).
Over the outer tube) by a distance substantially equal to the diameter of the former tube. The distance between the plane of the inner tube 31 (which will normally protrude) and the plane of the orifice depends on the surface tension between the liquid and the gas and their viscosity values,
The value can range from zero to three times the outer diameter of the outer tube 32. The optimal distance is usually determined experimentally for each individual configuration as well as for the set of liquids used. Each atomizing device has a range of 0.05 to 2 mm, preferably 0.1 to 0.4 m, each of which is capable of fixing a dripping microjet
concentric tubes 31, 32 having diameters in the range of up to m, and, confronting each other, in the range of from 0.001 to 2 mm from the feeding point, preferably 0.2 to 0
Consisting of micro orifices (having a diameter in the range of 0.001 to 2 mm, preferably in the range of 0.1 to 0.25 mm) separated by a distance in the range of up to .5 mm. These orifices entangle the drip gas at higher pressures and contact the aspirated gas at lower pressures with the area where atomization is achieved.

【0015】 (第2の実施例の使用例) 第2の発明の実施例は、図6に示した実施例に非常に類似しているが、複数の調
合体微粒子を燃焼室に噴射し得る点が異なる。これにより微粒子表面に、燃料の
全体的な組成のうち、表面に行き易い特定の成分を持たせ、残りの成分を液体微
粒子の核にすることが可能になる。たとえば、ディーゼル燃料調合体は、ケロシ
ン、ひまし油およびイソプロピル硝酸塩を含み、ケロシンをコーティングとし、
残り3種の分子を微粒子の核とすると望ましい。そこで、ひまし油およびイソプ ロピル硝酸塩をそれぞれフィーディング・ニードルの内側チューブに導入し、ケ
ロシン(または、これらのいずれかに溶解させたケロシン)の調合体をフィーデ
ィング・ニードルの外側チューブに導く。これにより、ケロシン・コーティング
された燃料微粒子のアトマイゼーションが得られ、燃料組成のケロシン成分を伴
った燃焼反応に有効な表面積が増加される。この実施例は、燃料組成の1ないし は複数の成分に燃料微粒子をコーティングさせ、残りの成分を同一の微粒子の内
側に置くことが望ましい任意の燃料組成に使用することができる。 第2の実施例を使用するノズル・タイプの噴射デバイスは、図6に非常に類似し
ており、複数のフィーディング・ニードルが単一の圧力チャンバまたは複数の圧
力チャンバ内に配置される。主要な相違は、微粒子をコーティングする調合体お
よびその微粒子の核となる調合体に、それぞれ個別のソースが使用されてフィー
ディング・ニードルに燃料組成が導入される点である。
Example of Use of the Second Embodiment An embodiment of the second invention is very similar to the embodiment shown in FIG. 6, but can inject a plurality of compound particles into the combustion chamber. The points are different. This allows the surface of the fine particles to have a specific component of the overall composition of the fuel that is easily accessible to the surface, and the remaining components can be used as nuclei of the liquid fine particles. For example, a diesel fuel formulation includes kerosene, castor oil and isopropyl nitrate, with kerosene coated,
It is desirable that the remaining three molecules be the core of the fine particles. Thus, castor oil and isopropyl nitrate are each introduced into the inner tube of the feeding needle, and the preparation of kerosene (or kerosene dissolved in any of these) is directed to the outer tube of the feeding needle. This results in atomization of the kerosene-coated fuel particulates, increasing the surface area available for combustion reactions involving the kerosene component of the fuel composition. This embodiment can be used for any fuel composition where it is desirable to coat one or more components of the fuel composition with fuel particulates and place the remaining components inside the same particulates. A nozzle-type injection device using the second embodiment is very similar to FIG. 6, with multiple feeding needles located within a single pressure chamber or multiple pressure chambers. The main difference is that a separate source is used to introduce the fuel composition into the feeding needle for the particulate coating formulation and the particulate core formulation.

【0016】 (図3の実施例) 図1および図2に示した実施例は多くの点で類似している。いずれも、好ましく
は円形の出口開口を有するフィーディング・ニードルの形状を持ったフィーディ
ング・ピースを有する。さらに、いずれもが圧力チャンバの出口開口を有し、そ
れがフィーディング・ソースから出る流体の流路正面に直接配置されている。フ
ィーディング・ソースの流路と圧力チャンバの出口開口アライメントを正確に維
持することは、特にデバイスが複数のフィーディング・ニードルを備えるとき技
術的な困難を伴う。図3に示した実施例は、構成要素のアライメントを単純化す べく設計されている。図3に示した実施例は、平面フィーディング・ピースを使 用し、これにおいては流体が通過する微小開口を介した圧力差がもたらす流出効
果によって、圧力チャンバの複数の出口ポートを介した複数のマイクロジェット
の放出が可能になり、その結果、複数のエアロゾル・ストリームが得られる。図
3には単一の平面フィーディング部材を示しているが、当然のことながら複数の 平面フィーディング部材を伴うデバイスを作ることも可能であり、それにおいて
は、それぞれの平面フィーディング部材が、それを囲む圧力チャンバに備わる線
形配列のアウトレット・オリフィスに流体を供給する。それに加えて、フィーデ
ィング部材が必ずしも厳密に平面である必要はなく、2つの面からなり、2つのフ
ィーディング・ソースの間を概略で同一の空間距離に維持する屈曲したフィーデ
ィング・デバイスも考えられる。この種の屈曲したデバイスは、たとえば円、半
円、楕円、半長円等のように、任意レベルの曲率を有しているものとすることが
できる。 図3に示した実施例の構成要素は次のとおりである。 41. フィーディング・ピース 42. アトマイジングする液体をインサートするために使用されるフィーディ ング・ピースの端部。 43. 圧力チャンバ。 44. 気体のインレットとして使用されるオリフィス。 45. アトマイジングする液体を排出するために使用されるフィーディング・ ピースの端部。 46. 流出が生じるオリフィス。 47. アトマイジング生成物(スプレー)つまりエアロゾル。 48. アトマイジングする原料を含んだ第1の流体。 49. マイクロジェットを生成するための第2の流体。 50. フィーディング・ピースの端部に正対する推進チャンバの壁。 51. フィーディング・ピースを通る流体をガイドするためのチャンネル。 dj=形成されるマイクロジェットの直径;A=第1の流体(48)の液体密度;B =第2の流体(49)の液体密度;A=第1の流体(48)の速度;B=第2の流体(49 )の速度;e=抽出が生じるオリフィスの軸方向の長さ;H=フィーディング・ニ
ードルからマイクロジェットのアウトレットまでの距離;P0=チャンバ内の圧力
; pg=気体圧力における変化;Pa=大気圧;Q=容積フロー・レート。 提案の微粒子生成デバイスは、第1の流体48が流れる平面フィーディング・チ ャンネルを構成するフィーディング・ピース41からなる。このフローは、フィー
ディング・ピース41の平面上に構成された、ボアが均一な1ないしは複数のチャ ンネルを介して好ましく指向される。第2の流体49の推進フローを維持する圧力 チャンバ43は、このフィーディング・ピース41を収容し、チャンバの壁50の外側
より高く維持された圧力の下に置く。圧力チャンバの壁52に形成された1ないし は複数のオリフィス、開口またはスロット(アウトレット)46は、フィーディン
グ・ピースのエッジと正対している。好ましくはフィーディング・ピース41の各
ボアまたはチャンネルが、アウトレット46と実質的に心合わせされた流路を有す
る。 マイクロジェットの形成およびその加速は、第2の流体49が気体のとき、図1お
よび図2の実施例について前述したプロセスと同様に、第2の流体49がオリフィス
46を通過するときに受ける急な加速の結果として生じる急激な圧力降下に基づい
ている。 第2の流体49が気体であり、第1の流体48が液体の場合は、形成されるマイクロ
スレッドが極めて長く、液体の速度が気体の速度よりはるかに遅くなる。実際、
低い気体速度は、液体の流れの速度を一段と遅くし、結果的に、液体表面に垂直
な応力、つまり圧力によってマイクロジェットが実際に生成され、加速される。
このため、この現象に対する1つの有効な近似は、気体の圧縮性を無視可能であ るとして、これに生じる圧力差が両方の流体(液体および気体)に同一の単位体
積当たりの運動エネルギをもたらすと仮定することである。前後に圧力差Pgを生
じているオリフィスを、容積フロー・レートQで通過する密度lの液体から形成さ
れるマイクロジェットの直径djは、次式によって与えられる。 dj = {(8l) / (2Pg)}1/4 Q1/2 Ganan-Calvo(ガニャン・キャルボ)によるPhysical Review Letters(フィジ
カル・レビュー・レターズ)80:285-288(1998年)を参照されたい。 マイクロジェットの直径djと、結果として得られるドロップの直径d(オーバ ースコア付き)の間の相関は、一方において液体に働く粘性力と表面張力の間の
比に依存し、他方においては気体に働く動的な力と表面張力の間の比に依存する
(つまり、それぞれオーネソージ数とウェーバ数)(Hinds(ヒンズ)(Aerosol
Technology, John & Sons(エアロゾル・テクノロジ;ジョン・アンド・サンズ
出版)1982年)、Lefevre(レフェブレ)(Atomization and Sprays, Hemispher
e Pub. Corp.(アトマイゼーションおよびスプレー;ヘミスフェア・パブリッシ
ング・コーポレーション)1989年)および、Bayvel & Orzechowski(ベイベルお
よびオルツェコフスキー)(Liquid Atomization, Taylor & Francis(液体のア
トマイゼーション;テーラー・アンド・フランシス出版)1993年))。中程度以
下の気体速度および低い粘性においては、この関係がレイリーによって発見され
た毛管不安定性に関するそれと概略で等しくなる。 d(オーバースコア付き)= 1.89dj 液体マイクロジェットが非常に長いことから、高いフロー・レートにおいては
理論的な破断ポイントが、気体ジェットによって作られる乱流ゾーン内に置かれ
、そのため、気体内の乱流のゆらぎが、多少不均一な形に液体マイクロジェット
を不安定化または破断する。この結果、ドロップ・サイズの均一性という利点が
失われる。 これに対して、第2の流体49が液体であり、第1の流体48が気体のときは、液体
の粘性が気体よりはるかに高いという事実、および気体の方がはるかに疎である
という事実から、形成される気体のマイクロスレッドがはるかに短くなるが、そ
の破断ゾーンがほとんど常に層流のストリーム内に位置することから、形成され
るマイクロバブルのサイズにおけるばらつきが、ほとんど常に小さくなる。気体
の容積フロー・レートQgおよび液体の過剰圧力P1において、気体マイクロジェッ
トの直径は次式から求まる。 dj = {(8g) / (2Pl)}1/4 Qg 1/2 これにおいてgは気体の密度である。液体の速度が遅く、液体と気体の間に相 対速度が存在しないときは、マイクロスレッドの直径とバブルの直径の間にレイ
リーの関係(つまりd=1.89dj)が導かれる。 両方の流体48、49がともに液体であり、ほとんど粘性がなければ、これらの相
対速度が次のようにその密度比から求まる。 vA / vB = (B / A)1/2 容積フロー・レートをQAとし、過剰圧力をPBとするとき、第1の液体のマイク ロジェットの直径は次式により与えられる。 dj = {(8A) / (2PB)}1/4 QA 1/2 両方の流体48、49の速度がマイクロジェット内で迅速に平衡する粘性において
は、第1の液体のマイクロジェットの直径が次式により与えられる。 dj = {(8B) / (2PB)}1/4 QA 1/2 提案のデバイスは、明らかに分散プロセスにおいて適切なフロー・レートの流
体48、49の供給を必要とする。つまり: (1) 両方のフロー・レートが安定したパラメータ・ウインドウ内に入るべ く、システムに関してそれらを調整する必要がある。 (2) 各フロー間の質量比は、それぞれの用途の仕様と矛盾しないものとす る必要がある。明らかに、外部の手段の使用がアトマイザの動作を妨げるには及
ばないことから、特殊な用途においても、外部の手段の使用によって気体のフロ
ー・レートを増加させることが可能である。 (3) したがって液体および気体を、任意タイプの連続供給システムによっ て供給することができる。 (4) 圧力チャンバのハウジングとフィーディングノズルは、各種の材料で 作ることができるが、好ましくは有機溶剤と反応しない材料(例えば、金属、プ
ラスチック)で作のが望ましい。
Embodiment of FIG. 3 The embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is similar in many respects. Both have a feeding piece in the form of a feeding needle which preferably has a circular outlet opening. In addition, each has an outlet opening of the pressure chamber, which is arranged directly in front of the flow path of the fluid leaving the feeding source. Maintaining accurate alignment of the flow path of the feeding source and the outlet opening of the pressure chamber involves technical difficulties, especially when the device is equipped with multiple feeding needles. The embodiment shown in FIG. 3 is designed to simplify component alignment. The embodiment shown in FIG. 3 uses a planar feeding piece, in which multiple outlets through multiple outlet ports of the pressure chamber are used due to the outflow effect created by the pressure differential through the micro-aperture through which the fluid passes. Microjets can be released, resulting in multiple aerosol streams. Figure
Although FIG. 3 shows a single planar feeding member, it is of course possible to make a device with multiple planar feeding members, where each planar feeding member is The fluid is supplied to a linear array of outlet orifices provided in a pressure chamber surrounding the pressure chamber. In addition to that, the feeding member does not necessarily have to be strictly flat, but may be a two-sided, bent feeding device that maintains approximately the same spatial distance between the two feeding sources. Can be This type of bent device can have any level of curvature, such as a circle, semicircle, ellipse, semi-ellipse, and the like. The components of the embodiment shown in FIG. 3 are as follows. 41. Feeding piece 42. End of the feeding piece used to insert the liquid to be atomized. 43. Pressure chamber. 44. Orifices used as gas inlets. 45. The end of the feeding piece used to drain the liquid to be atomized. 46. The orifice where the spill occurs. 47. Atomizing product (spray) or aerosol. 48. First fluid containing the raw material to be atomized. 49. Second fluid for generating microjets. 50. The wall of the propulsion chamber directly opposite the end of the feeding piece. 51. Channel for guiding fluid through the feeding piece. d j = diameter of the formed microjet; A = liquid density of the first fluid (48); B = liquid density of the second fluid (49); A = velocity of the first fluid (48); B = speed of the second fluid (49); e = axial length of the orifice extraction occurs; H = distance from the feeding needle to the outlet of the microjet; P 0 = pressure in the chamber; p g = changes in gas pressure; P a = atmospheric pressure; Q = volumetric flow rate. The proposed particulate generation device consists of a feeding piece 41 that forms a planar feeding channel through which a first fluid 48 flows. This flow is preferably directed through one or more channels with a uniform bore formed on the plane of the feeding piece 41. The pressure chamber 43, which maintains the propulsion flow of the second fluid 49, houses this feeding piece 41 and places it under a maintained pressure above the outside of the chamber wall 50. One or more orifices, openings or slots (outlets) 46 formed in the wall 52 of the pressure chamber face the edge of the feeding piece. Preferably, each bore or channel of the feeding piece 41 has a flow path substantially aligned with the outlet 46. The formation and acceleration of the microjet is such that when the second fluid 49 is a gas, the second fluid 49 has an orifice similar to the process described above for the embodiment of FIGS.
It is based on the sudden pressure drop resulting from the sudden acceleration experienced when passing through 46. If the second fluid 49 is a gas and the first fluid 48 is a liquid, the microthreads formed are extremely long and the velocity of the liquid is much slower than the velocity of the gas. In fact,
Low gas velocities further reduce the velocity of the liquid flow, and consequently the micro-jets are actually created and accelerated by the stress, or pressure, normal to the liquid surface.
Thus, one valid approximation to this phenomenon is that the compressibility of a gas is negligible, and the resulting pressure differential results in the same kinetic energy per unit volume for both fluids (liquid and gas). It is assumed that An orifice that a pressure differential P g back and forth, the diameter d j microjet formed from liquid Density l passing a volume flow rate Q is given by the following equation. d j = {(8 l ) / ( 2 P g )} 1/4 Q 1/2 Physical Review Letters by Ganan-Calvo 80: 285-288 (1998) Please refer to. The correlation between the microjet diameter d j and the resulting drop diameter d (with an overscore) depends on the one hand on the ratio between the viscous force acting on the liquid and the surface tension, and on the other hand on the gas. It depends on the ratio between the working dynamic force and the surface tension (that is, the number of the horns and the number of the Webers, respectively) (Hinds (Aerosol
Technology, John & Sons (Aerosol Technology; John & Sons Publishing, 1982), Lefevre (Atomization and Sprays, Hemispher)
e Pub. Corp. (Atomization and Spray; Hemisphere Publishing Corporation, 1989) and Bayvel & Orzechowski (Liquid Atomization, Taylor & Francis (Liquid Atomization; Taylor & Francis) Publishing) 1993)). At moderate gas velocities and low viscosities, this relationship is roughly equivalent to that for capillary instability discovered by Rayleigh. d (with overscore) = 1.89d j Due to the very long length of the liquid microjet, at high flow rates the theoretical break point is located in the turbulent zone created by the gas jet, and Turbulent fluctuations of the liquid microjet destabilize or break it into a somewhat non-uniform shape. As a result, the advantage of drop size uniformity is lost. In contrast, when the second fluid 49 is a liquid and the first fluid 48 is a gas, the fact that the viscosity of the liquid is much higher than the gas and the fact that the gas is much less sparse Thus, the micro-threads of the gas formed are much shorter, but the variation in the size of the micro-bubbles formed is almost always small, since their break zone is almost always located in the laminar stream. At the gas volume flow rate Q g and the liquid overpressure P 1 , the diameter of the gas microjet is given by: d j = {(8 g ) / ( 2 P l )} 1/4 Q g 1/2 where g is the density of the gas. When the velocity of the liquid is slow and there is no relative velocity between the liquid and the gas, a Rayleigh relationship (ie, d = 1.89d j ) is derived between the microthread diameter and the bubble diameter. If both fluids 48, 49 are liquid and have little viscosity, their relative velocities can be determined from their density ratios as follows: v A / v B = a (B / A) 1/2 volume flow rate and Q A, when the overpressure and P B, the diameter of the first microphone Rojetto liquid is given by the following equation. d j = {(8 A ) / ( 2 P B )} 1/4 Q A 1/2 In viscosities where the velocities of both fluids 48, 49 quickly equilibrate in the microjet, the first liquid micro The diameter of the jet is given by: d j = {(8 B ) / ( 2 P B )} 1/4 Q A 1/2 The proposed device obviously requires the supply of fluids 48, 49 at appropriate flow rates in the dispersion process. That is: (1) Both flow rates need to be adjusted for the system so that they fall within a stable parameter window. (2) The mass ratio between each flow must be consistent with the specifications for each application. Obviously, the use of external means can increase the gas flow rate even in special applications, since the use of external means does not hinder the operation of the atomizer. (3) Thus, liquids and gases can be supplied by any type of continuous supply system. (4) The pressure chamber housing and the feeding nozzle can be made of various materials, but are preferably made of a material that does not react with the organic solvent (eg, metal or plastic).

【0017】 (第3の実施例の使用例) 図7は、図3に示した実施例を噴射装置において使用した一例を概略で表してい
る。この図においては、円筒状噴射構造で使用するために平面フィーディング・
エレメントが適合されている。このデバイスは、単一の円筒状フィーディング・
エレメントを備えるか、より好ましくは同心のフィーディング・エレメントを複
数個備え、それを介して噴射用の燃料調合体が導かれる。これらのフィーディン
グ・エレメントは、単一の圧力チャンバ内に(つまり、1ないしは複数のフィー ディング・エレメントが単一の圧力チャンバ内に)収めるか、あるいは複数の圧
力チャンバ内に各円筒状のフィーディング・エレメントを収めるが、より好まし
くは、各フィーディング・エレメントに1つの圧力チャンバを用意する。それに 代えて、フィーディング・エレメントを平面とし、デバイスを平面エレメントの
バンクから構成して、望ましいノズル形状を近似することもできる。 図7Aは、単一のチャンバ90内に収められる、単一の円形のフィーディング・エ
レメント93の内側部分を示した側面図である。フィーディング・エレメントは、
好ましくはエレメント92内に、フィーディング出口ポート93に続く、窪んだ複数
のチャンバを有する。これらの出口ポートの外側表面は、オプションで図7Aに示
すように、周囲を囲む気体が圧力チャンバ91の出口開口を向くように設計される
。チャンバは、圧力チャンバの開口と直線に並び、出口開口に向かう、より良好
な指向性のあるフローを提供し、収束ファネルおよび安定したマイクロジェット
の形成を補助する。図7Bは、複数の同心のフィーディング・エレメントおよびそ
れと同じ数の圧力チャンバ90を有するデバイスの圧力チャンバに備わる複数の開
口を図示している。
(Example of Use of Third Embodiment) FIG. 7 schematically shows an example in which the embodiment shown in FIG. 3 is used in an injection device. In this figure, a flat feeder is shown for use in a cylindrical spray configuration.
The element has been adapted. This device uses a single cylindrical feeding
Element or, more preferably, a plurality of concentric feeding elements, through which the fuel mixture for injection is guided. These feeding elements may be contained within a single pressure chamber (i.e., one or more feeding elements within a single pressure chamber), or each cylindrical feed may be contained within multiple pressure chambers. Preferably, one pressure chamber is provided for each feeding element. Alternatively, the feeding elements can be planar and the device can be constructed from a bank of planar elements to approximate the desired nozzle shape. FIG. 7A is a side view showing the inner portion of a single circular feeding element 93 housed within a single chamber 90. FIG. The feeding element is
Preferably within the element 92 there are a plurality of recessed chambers following the feeding outlet port 93. The outer surfaces of these outlet ports are designed so that the surrounding gas optionally points to the outlet opening of the pressure chamber 91, as shown in FIG. 7A. The chamber is aligned with the opening of the pressure chamber and provides better directional flow towards the outlet opening to assist in forming a converging funnel and stable microjet. FIG. 7B illustrates a plurality of apertures in a pressure chamber of a device having a plurality of concentric feeding elements and an equal number of pressure chambers 90.

【0018】 (燃料噴射の調合体) 本発明において微粒子の生成に使用される組成は、アトマイジングすべき調合
体の化学的性質に一部を依存する。たとえば、アトマイジングする調合体が炭化
水素のように疎水性であれば、本発明の方法において使用される調合体を含む溶
媒が、好ましくは疎水性コンパウンドの溶解に適した溶媒、たとえばエーテルに
なる。疎水性成分は、好ましくは少なくとも部分的に、この溶媒に溶解するもの
とする。第2の流体は、好ましくは気体、より好ましくは空気とするか、第1の流
体と不混和の流体とする。 本発明に使用する燃料調合体は、内燃反応の発生に使用するためにエアロゾル
化またはアトマイジング可能な任意の組成とすることができる。この種の調合体
は、好ましくは、たとえば天然ガス、ケロシン、ガソリン、ディーゼル燃料およ
びジェット燃料等の石油から得られる飽和脂肪族炭化水素を含む。この種の調合
体は、炭化水素等の分子の燃料組成ベースを含むことに加えて、燃料の性能およ
び/または有害排出物質を低減する添加物、たとえばエタノールを含むこともあ
る。燃料組成のこのほかの例は、ここでも参照として採り入れているJ. A. Kent
(ケント)編集のRiegel's Handbook of Industrial Chemistry(リーゲル工業 化学ハンドブック)(1992年)に見ることができる。これらの調合体は、第2の 流体に暴露したとき形状の力学から毛管マイクロジェットを形成し得る限り、溶
媒内に溶解させた形状、溶媒内に懸濁させた形状、あるいはエマルジョン、スラ
リー等のアトマイジング可能な任意の形状であってよい。
(Fuel Injection Formulation) The composition used to produce the particulates in the present invention depends in part on the chemistry of the formulation to be atomized. For example, if the atomizing formulation is hydrophobic, such as a hydrocarbon, the solvent containing the formulation used in the process of the present invention will preferably be a solvent suitable for dissolving the hydrophobic compound, such as ether. . The hydrophobic component is preferably at least partially soluble in this solvent. The second fluid is preferably a gas, more preferably air, or a fluid immiscible with the first fluid. The fuel formulation used in the present invention can be of any composition that can be aerosolized or atomized for use in generating an internal combustion reaction. Formulations of this kind preferably comprise saturated aliphatic hydrocarbons obtained from petroleum, such as, for example, natural gas, kerosene, gasoline, diesel fuel and jet fuel. In addition to including a fuel composition base of molecules such as hydrocarbons, such formulations may also include additives that reduce fuel performance and / or harmful emissions, such as ethanol. Additional examples of fuel composition can be found in JA Kent, which is again incorporated by reference.
(Kent) Edited by Riegel's Handbook of Industrial Chemistry (1992). These formulations can be in the form of a solution dissolved in a solvent, a form suspended in a solvent, or an emulsion, slurry, etc. Any shape that can be atomized may be used.

【0019】 (液体または気体の中のバブル) 図8および図9は、液体内(図8)または気体内(図9)にバブルが形成される態
様を示すとき役立つ。図8において、中空フィーディング・ソース71に気体のフ ローが連続供給され、それが、液体73のフローが連続供給される圧力チャンバ74
内において、液体73のフローによって包み込まれる安定した尖頭72を形成する。
液体73は、チャンバ74の外の、液体73と同一もしくはそれとは異なる液体75に流
れ込む。 気体の尖頭72は、細くなって毛管スーパークリティカル・フロー76となり、そ
の後チャンバ74の出口開口77に入る。出口開口77のポイント78においてこのスー
パークリティカル・フロー76は、不安定になり始めるが、出口開口77を離れるま
では臨界毛管フローの形を維持する。出口開口77を離れると、気体ストリームが
分裂し、それぞれが形状ならびにサイズにおいて実質的に互いに等しいバブル79
を形成する。このバブルは、1つのバブルと別のバブルの量における相違が(測 定した物理的な直径において)、±0.01%から±30%までの標準偏差の範囲に含ま
れる程度に均一であり、好ましくはそれを1%未満とする。つまり、バブルのサイ
ズにおける均一性は、図1との関連から前述した液体微粒子形成時に形成される 微粒子の均一性より高い。 バブル79内の気体は、液体75内に拡散する。バブルが小さいほど液体75と接触
する表面積が大きく得られる。バブルが小さいほど液体75と接触する表面積が大
きく得られることから、同一体積の気体が少数のバブルとして存在する場合の拡
散レートより速い拡散レートが得られる。たとえば、それぞれが1立方ミリメー トルの気体を含む10個のバブルの方が、10立方ミリメートルの気体を含む1個の バブルよりはるかに短時間で液体内に拡散する。さらに、小さいバブルの方が大
きいバブルより液体表面まで上昇する速度が遅い。液体内における上昇レートが
遅いということは、気体のバブルと液体がより長時間接触していることを意味し
、それによって液体内の拡散する量が増加する。したがって、小さいバブルほど
、多量の酸素を水中(たとえば下水中または魚を飼育する水中)に拡散すること
が出来、または放射性ガスのような大量の有毒ガスを液体中に拡散して、処分す
るために毒素を濃縮することができる。バブルがサイズにおいて非常に均一であ
ることから、、これはガス状の燃料を液体燃料に溶かす時のような特定の用途で
重要なことであるが、液体内に拡散する気体の量を一律に計算することが可能に
なる。 図9は、図8に示した構成と同一の構成であるが、液体75が気体80に置き換わっ
ている。バブル79のストリームが分離するとき、液体73が外側の球状カバーを形
成し、それによって中空微小滴81が作られ、それが気体80内に浮く。この中空微
小滴81は、空気動力学的直径より大きな物理的直径、すなわち実際の直径を有し
ている。中空微小滴は、同一直径の液体微小滴に比較すると、空気中における落
下速度が非常に遅い。空気中において中空微小滴81が短時間に落ち着き、あるい
は落下しないことから、肺の中にそれを吸入することが可能になる。最終的には
中空微小滴81が破裂し、多くのより小さい微粒子を形成し、肺のより深部に吸い
込まれる。このように、中空微小滴の空気動力学的直径は、実際の物理的直径に
比較すると非常に小さくなることがわかる。破裂して非常に微細な微粒子を形成
する中空微小滴81の生成は、内燃エンジンも含めて広範多岐にわたる応用に適用
することが可能であり、内燃エンジンにおいては、液体73として燃料(たとえば
ガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃料)が使用されて中空微小滴が形成され
、中空微小滴81が燃焼室に噴射され、そこで中空微小滴が破裂し、より小さな微
粒子が形成されて燃焼する。破裂して微細なミストを形成する中空微小滴の形成
に必要な燃料の量は、現存する他の空気式の方法のいずれと比較しても最小にな
る。
Bubbles in Liquid or Gas FIGS. 8 and 9 are useful in showing embodiments in which bubbles are formed in a liquid (FIG. 8) or a gas (FIG. 9). In FIG. 8, a gas flow is continuously supplied to a hollow feeding source 71, which is a pressure chamber 74 to which a flow of a liquid 73 is continuously supplied.
Inside, a stable cusp 72 is formed that is enveloped by the flow of liquid 73.
The liquid 73 flows out of the chamber 74 into a liquid 75 which is the same as or different from the liquid 73. The gas peak 72 narrows into a capillary supercritical flow 76, which then enters the outlet opening 77 of the chamber 74. At point 78 of outlet opening 77, this supercritical flow 76 begins to become unstable, but maintains the shape of the critical capillary flow until it leaves outlet opening 77. Upon leaving the outlet opening 77, the gas stream splits and bubbles 79, each substantially equal in shape and size, to each other
To form The bubbles are uniform and preferably such that the difference in the amount of one bubble from another (at the measured physical diameter) falls within a standard deviation of ± 0.01% to ± 30%. Make it less than 1%. That is, the uniformity of the bubble size is higher than the uniformity of the fine particles formed at the time of forming the liquid fine particles described above in relation to FIG. The gas in the bubble 79 diffuses into the liquid 75. The smaller the bubble, the larger the surface area in contact with the liquid 75 can be obtained. Since the smaller the bubble, the larger the surface area in contact with the liquid 75 is obtained, a diffusion rate faster than the diffusion rate when the same volume of gas is present as a small number of bubbles is obtained. For example, ten bubbles, each containing 1 cubic millimeter of gas, diffuse into a liquid in much less time than one bubble containing 10 cubic millimeters of gas. In addition, small bubbles are slower to rise to the liquid surface than large bubbles. A slow rise rate in the liquid means that the gas bubbles and the liquid are in longer contact, thereby increasing the amount of diffusion in the liquid. Thus, smaller bubbles can diffuse more oxygen into the water (e.g., sewage or fish breeding water) or disperse larger quantities of toxic gases, such as radioactive gases, into liquids for disposal. Toxin can be concentrated. This is important in certain applications, such as when dissolving a gaseous fuel into a liquid fuel, because the bubbles are very uniform in size, but the amount of gas that diffuses into the liquid is uniform. It becomes possible to calculate. FIG. 9 has the same configuration as that shown in FIG. 8, except that a liquid 75 is replaced by a gas 80. When the stream of bubbles 79 separates, the liquid 73 forms an outer spherical cover, thereby creating a hollow microdrop 81, which floats within the gas 80. The hollow microdrop 81 has a physical diameter larger than the aerodynamic diameter, that is, an actual diameter. The hollow microdroplets have a very low falling speed in air as compared to liquid microdroplets of the same diameter. Since the hollow microdroplets 81 settle or do not fall in the air in a short time, it becomes possible to inhale them into the lungs. Eventually, the hollow microdrop 81 ruptures, forming many smaller particles, and is sucked deeper into the lung. Thus, it can be seen that the aerodynamic diameter of the hollow microdroplets is very small compared to the actual physical diameter. The creation of hollow microdrops 81 that rupture to form very fine particles can be applied to a wide variety of applications, including internal combustion engines, where fuel 73 (eg, gasoline, (Diesel fuel, jet fuel) are used to form hollow microdroplets, and hollow microdroplets 81 are injected into the combustion chamber, where the hollow microdroplets burst, and smaller particulates are formed and burn. The amount of fuel required to form hollow droplets that rupture to form fine mist is minimized as compared to any of the other existing pneumatic methods.

【0020】 (エマルジョン) 図10は、図8および図9に類似である。しかしながらフィーディング・ソース71
は、図8におけるように気体72ではなく、液体82のストリームを供給し、それに おいてはこの液体を液体73と混和性のあるものとすることもできるが、好ましく
はそれと不混和性とする。さらに液体73は、液体75と同一または異なるものとす
ることができるが、好ましくは液体75と不混和とする。このような液体の構成を
使用したエマルジョンの形成は各種の分野において適用可能性を有し、特にそれ
は、形成される液体微粒子が約1から約200ミクロンまでの範囲のサイズを持つこ
とが可能であり、1つの微粒子と別の微粒子のサイズ差における標準偏差が0.01%
と低いことによる。1つの微粒子と別の微粒子のサイズのばらつきは、約30%まで
変動し得るが、好ましくはそれを±5%未満とし、より好ましくは±1%未満とする
。 このシステムは、液体82を出口オリフィス77の外に放出し、液体82の球83を生
成する。それぞれの球83は、実際の物理的直径を有し、それにおける他の球83と
のばらつきは、標準偏差において±0.01%から±30%まで、好ましい場合には10% もしくはそれ未満、より好ましい場合には1%もしくはそれ未満となる。球83のサ
イズおよび液体82のフロー・レートは、それぞれの球83が、試験される単一の微
粒子(たとえば単一の細胞)を含むべくコントロールされる。 球83の流れは、何らかの望まれるタイプのセンサーやエネルギー源を通って流
され、それゆえ燃焼室に入る液体82の流量を厳密にコントロールすることが出来
る。
Emulsion FIG. 10 is similar to FIG. 8 and FIG. However, Feeding Source 71
Supplies a stream of liquid 82 rather than gas 72 as in FIG. 8, in which the liquid may be miscible with liquid 73, but is preferably immiscible therewith. . Further, liquid 73 can be the same or different from liquid 75, but is preferably immiscible with liquid 75. The formation of an emulsion using such a liquid composition has applicability in various fields, in particular, it allows the liquid microparticles formed to have a size ranging from about 1 to about 200 microns. Yes, with a standard deviation of 0.01% in the size difference between one particle and another
And by low. The variation in size between one microparticle and another microparticle can vary up to about 30%, but preferably it is less than ± 5%, more preferably less than ± 1%. This system discharges the liquid 82 out of the outlet orifice 77 and creates a sphere 83 of liquid 82. Each sphere 83 has an actual physical diameter, in which the variance from other spheres 83 is ± 0.01% to ± 30% in standard deviation, preferably 10% or less, more preferably In this case, it is 1% or less. The size of the spheres 83 and the flow rate of the liquid 82 are controlled so that each sphere 83 contains a single microparticle (eg, a single cell) to be tested. The flow of the sphere 83 is flowed through any desired type of sensor or energy source, thus allowing for tight control of the flow rate of the liquid 82 entering the combustion chamber.

【0021】 (燃料エマルジョン) 2成分燃料を得るためには、均一サイズ(標準偏差0.01%から30%まで)の小さ い(1ミクロンから200ミクロンまで)微粒子を形成することが重要になる。オイ
ルの小球83のエマルジョンは、水性流体とすることができる。また、図10に示し
たシステムは、あるタイプの燃料を別のそれに均等に分布させる場合にも役立つ
。微粒子サイズを小さくし、均一性を高くすることによって、より少量の成分を
加えて、より多くの量を従来テクニックを通じて加えた場合に等しい効果を得る
ことができる。 図10において液体75は、内燃エンジンの燃焼室内にある気体(たとえば空気)
とすることができる。液体82は、炭化水素燃料である第2の液体73によって包み 込まれる水になることもある。その場合システムは、中心に水を含み外側が燃料
でコーティングされた微粒子83を形成する。この種の水/燃料微粒子が燃焼され
ると、全体的な燃焼室温度および望ましくない排出物質の形成がともに抑えられ
、しかも、エンジンの圧縮比を低下させることもなければ、その熱力学サイクル
の効率が犠牲にされることもない。このシステムは、水と燃料の比によって容易
に調整することができるパラメータとして温度を考慮する。水/燃料比を調整し
、それによって温度を調整すれば、熱力学サイクルを再設計し、それによって出
力対清浄度の比を最適化することが可能になる。 このシステムは、2種類の異なる燃料を同時に使用することができる。オクタ ン価の高い燃料(ガソリン)を液体73として使用し、オクタン価の低い燃料(デ
ィーゼル燃料)を包み込む。任意タイプのオクタン価が低い安価な燃料の球83が
、任意タイプのオクタン価が高い高価な燃料の層によってコーティングされる。
これらの球が燃焼室に入ると、オクタン価の高い燃料が最初に燃焼して反応を生
じ、それがオクタン価の低い燃料の燃焼を惹き起こす。このシステムを使用すれ
ば、内側のオクタン価が87のガソリンの核をオクタン価が92のガソリンによりコ
ーティングし、実質的にオクタン価が92のガソリンと同じ性能をより低いコスト
において得ることができる。図9に示したような燃料の中空微小滴の形成は、微 小滴が図9に示した態様で破裂したとき、微細なミストが得られるという利点も もたらす。 以上、本発明をその具体的な実施例を参照して説明してきたが、当業者であれ
ば、本発明の真意ならびにその範囲を逸脱することなく、各種の変更ならびに等
価物による置換が可能であることを理解する必要がある。それに加えて、個別の
状況、原料、物質の組成、プロセス、プロセスの1ないしは複数のステップを本 発明の目的、真意ならびに範囲に適合させるべく、多くの変形を行うことも可能
である。これらの変形はすべて、これに添付する特許請求の範囲に含まれるべく
意図されている。
(Fuel Emulsion) In order to obtain a two-component fuel, it is important to form small (1 μm to 200 μm) fine particles of uniform size (standard deviation 0.01% to 30%). The emulsion of oil globules 83 can be an aqueous fluid. The system shown in FIG. 10 is also useful in evenly distributing one type of fuel to another. By reducing the particle size and increasing the uniformity, smaller components can be added, with the same effect as adding larger amounts through conventional techniques. In FIG. 10, the liquid 75 is a gas (for example, air) in the combustion chamber of the internal combustion engine.
It can be. The liquid 82 may be water encapsulated by a second liquid 73 that is a hydrocarbon fuel. In that case, the system forms particulates 83 containing water at the center and fuel coated on the outside. When such water / fuel particulates are burned, both the overall combustion chamber temperature and the formation of unwanted emissions are reduced, and the compression ratio of the engine is not reduced or the thermodynamic cycle is reduced. Efficiency is not sacrificed. This system considers temperature as a parameter that can be easily adjusted by the ratio of water to fuel. Adjusting the water / fuel ratio, and thereby adjusting the temperature, allows the thermodynamic cycle to be redesigned, thereby optimizing the power to cleanness ratio. The system can use two different fuels simultaneously. High octane fuel (gasoline) is used as the liquid 73, and low octane fuel (diesel fuel) is included. Any type of low octane low cost fuel sphere 83 is coated with a layer of any type of high octane high value fuel.
As these spheres enter the combustion chamber, the higher octane fuel first burns and reacts, which causes the lower octane fuel to burn. Using this system, the inner octane 87 gasoline nucleus can be coated with 92 octane gasoline to obtain substantially the same performance as 92 octane gasoline at a lower cost. The formation of hollow microdroplets of fuel as shown in FIG. 9 also provides the advantage that when the microdroplets burst in the manner shown in FIG. 9, a fine mist is obtained. As described above, the present invention has been described with reference to the specific embodiments. However, those skilled in the art can make various changes and equivalents without departing from the spirit and scope of the present invention. You need to understand that there is. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation, material, composition of matter, process, process step or steps, to the objective, spirit and scope of the present invention. All of these variations are intended to be within the scope of the claims appended hereto.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 調合体のソースとして円筒状のフィーディング・ニードルを伴う本発
明の一実施例の基本的な構成要素を示した概要図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic components of one embodiment of the present invention with a cylindrical feeding needle as the source of the formulation.

【図2】 調合体のソースとして2本の同心チューブを伴う本発明の別の実施例 を示した概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the present invention with two concentric tubes as the source of the formulation.

【図3】 調合体の、楔形の平面ソースを示す本発明のさらに別の実施例の概要
図である。 (A)平面フィーディング・ソースおよび流体の相互作用を示す側方断面を図示
している。 (B)正面から見た圧力チャンバの開口を示しており、アトマイジング生成物を
デバイスから排出するための複数の開口を図示している。 (C)平面フィーディング部材内にオプションで形成されるチャンネルを図示し
ている。これらのチャンネルは、圧力チャンバの開口と心合わせされている。
FIG. 3 is a schematic diagram of yet another embodiment of the present invention showing a wedge-shaped planar source of the formulation. (A) illustrates a side cross-section showing the interaction of a planar feeding source and a fluid. (B) shows the opening of the pressure chamber as viewed from the front, illustrating a plurality of openings for discharging the atomized product from the device. (C) illustrates an optional channel formed in the planar feeding member. These channels are aligned with the openings in the pressure chamber.

【図4】 安定した毛管マイクロジェットが形成され、かつ出口開口を通過して
その後単分散のエアロゾルを形成する態様を示す概要図である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an embodiment in which a stable capillary microjet is formed and passes through an outlet opening to subsequently form a monodisperse aerosol.

【図5】 350のdj/do対Q/Qoの測定値をプロットしたデータのグラフである。5 is a graph of data plotting the measured values of 350 d j / d o vs. Q / Q o.

【図6】 (A)噴射装置における図1に示した実施例の使用例の概要図である 。 (B)噴射装置における図1に示した実施例の使用例の概要図である 。FIG. 6A is a schematic view of a usage example of the embodiment shown in FIG. 1 in an injection device. FIG. 2B is a schematic view of a usage example of the embodiment shown in FIG. 1 in the injection device.

【図7】(A) 図3に示した実施例の使用例であり、これにおいては噴射デバ イスが複数の同心圧力チャンバ内に配置される円形のフィーディング・エレメン
トから構成される。 (B) 図3に示した実施例の使用例であり、これにおいては噴射デバ イスが複数の同心圧力チャンバ内に配置される円形のフィーディング・エレメン
トから構成される。
FIG. 7 (A) is an example of use of the embodiment shown in FIG. 3, wherein the injection device comprises a circular feeding element disposed in a plurality of concentric pressure chambers. (B) An example of use of the embodiment shown in FIG. 3, in which the injection device comprises a circular feeding element disposed in a plurality of concentric pressure chambers.

【図8】 図1に示したタイプのデバイスの臨界エリアにおける概要図であり、 気体が液体に包まれ、液体内に放出されてバブルを形成する態様を示している。FIG. 8 is a schematic diagram of a critical area of a device of the type shown in FIG. 1, showing how gas is wrapped in a liquid and released into the liquid to form a bubble.

【図9】 図8と同じ概要図であるが、バブルが気体内に流れ込む。FIG. 9 is the same schematic diagram as FIG. 8, but bubbles flow into the gas.

【図10】 図8と同じ概要図であるが、2つの不混和性液体が気体内に流れ込む
FIG. 10 is the same schematic as FIG. 8, but with two immiscible liquids flowing into the gas.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM ,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE, KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,L T,LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX ,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE, SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,U A,UG,US,UZ,VN,YU,ZW Fターム(参考) 3G066 AB02 AB04 AB05 AB06 AB08 BA02 BA03 CC21 CC26 CC45 CC46 4F033 QA07 QB02Y QB03X QB10X QB14X QD02 QD03 QD19 QE14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE , KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZWF terms (reference) 3G066 AB02 AB04 AB05 AB06 AB08 BA02 BA03 CC21 CC26 CC45 CC46 4F033 QA07 QB02Y QB03X QB10X QB14X QD02 QD03 QD19 QE14

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 液体燃料ストリームであって、該ストリームの一部にわたっ
て安定した毛管マイクロジェットを形成することにより特徴付けられ、それにお
いて安定したマイクロジェットが、同一の方向に流れる周囲の気体によって形成
され、該気体は前記液体より速い速度を有することを特徴とする液体燃料ストリ
ーム。
1. A liquid fuel stream characterized by forming a stable capillary microjet over a portion of the stream, wherein the stable microjet is formed by surrounding gases flowing in the same direction. Wherein the gas has a higher velocity than the liquid.
【請求項2】 前記燃料は、炭化水素燃料であり;かつ、 前記安定した毛管マイクロジェットは、前記安定した毛管マイクロジェットの
直径をdjにより表し、許容可能な誤差範囲を±10%として概略で等しいことを≒ により表し、前記液体の濃密度をlにより表し、前記ストリームの所定ポイントA
の前記ストリームを包む気体の気体圧力おける変化をPgにより表すとき、該ポイ
ントAにおいて、式 dj≒{(8l) / (2Pg)}1/4 QA 1/2 によって特徴付けられる直径djを有することを特徴とする前記請求項1記載の 燃料ストリーム。
2. The fuel is a hydrocarbon fuel; and the stable capillary microjet is represented by a diameter d j of the stable capillary microjet, with an allowable error range of ± 10%. Are represented by ≒, the density of the liquid is represented by l , and a predetermined point A of the stream
Denoting the change in the gas pressure of the gas wrapping the stream by P g at this point A, it is characterized by the equation d j ≒ {(8 l ) / ( 2 P g )} 1/4 Q A 1/2 fuel stream of claim 1, wherein it has a diameter d j which is.
【請求項3】 直径djは、約1ミクロンから約1mmまでの範囲の直径であり、
前記安定した毛管マイクロジェットの部分は、約1ミクロンから約50mmまでの範 囲の長さを有し、それにおいて前記安定した毛管マイクロジェットは、少なくと
も部分的に、ジェットの軸方向において、気体から前記ジェットの表面に作用す
る接線方向の粘性応力によって維持され;かつ、 さらに前記マイクロジェットがわずかに放物形状の軸方向の速度プロファイル
によって特徴付けられることを特徴とする前記請求項2記載の燃料ストリーム。
3. The diameter d j ranges from about 1 micron to about 1 mm.
The portion of the stable capillary microjet has a length ranging from about 1 micron to about 50 mm, wherein the stable capillary microjet is at least partially at least partially separated from the gas in the axial direction of the jet. 3. The fuel according to claim 2, wherein the microjet is maintained by a tangential viscous stress acting on the surface of the jet; and the microjet is further characterized by a slightly parabolic axial velocity profile. stream.
【請求項4】 空気中の燃料微粒子の単分散エアロゾルにおいて、該微粒子
が、約5ミクロンから約500ミクロンまでの範囲の同一の直径を有し、該エアロゾ
ル内の所定の微粒子とそれ以外の微粒子が約±3%から±30%までの偏差において 同一の直径を有することを特徴とする単分散エアロゾル。
4. A monodisperse aerosol of fuel particulates in air, wherein the particulates have the same diameter ranging from about 5 microns to about 500 microns, wherein certain particulates and other particulates in the aerosol are provided. Monodisperse aerosols having the same diameter with a deviation from about ± 3% to ± 30%.
【請求項5】 燃料入り口ポートおよび燃料出口ポートを備える燃料供給手
段; 圧力流体を前記燃料の出口を包み込むエリアに供給する圧力チャンバであって
、前記燃料出口ポートと心合わせされた出口開口を有する圧力チャンバ;および
、 前記圧力チャンバに第2の流体を供給する手段であって、第2の流体の入り口お
よび出口開口を備える手段; を備えることを特徴とする燃料噴射ノズル。
5. A fuel supply means comprising a fuel inlet port and a fuel outlet port; a pressure chamber for supplying a pressurized fluid to an area enclosing the fuel outlet, the outlet chamber being aligned with the fuel outlet port. A fuel injection nozzle, comprising: a pressure chamber; and means for supplying a second fluid to the pressure chamber, the means having an inlet and an outlet opening for the second fluid.
【請求項6】 前記燃料を供給する第1の手段は、円筒状のチャンネルを有 するフィーディング・ニードルであり、それによって前記第1の流体の入り口ポ ートならびに第1の流体の出口ポートが円形となり; それにおいて、前記フィーディング・ニードルの出口ポートは、約0.01mmから
約2mmまでの範囲の直径を有し、前記圧力チャンバの出口開口は、約0.01mmから 約2mmまでの範囲の直径を有し、燃料を供給するための前記第1の手段の出口開口
が、前記圧力チャンバの前記第2の流体の出口ポートから、約0.01mmから約1mmま
での範囲に配置されることを特徴とする前記請求項5記載のデバイス。
6. The first means for supplying the fuel is a feeding needle having a cylindrical channel, whereby the inlet port for the first fluid and the outlet port for the first fluid are provided. Wherein the outlet port of the feeding needle has a diameter ranging from about 0.01 mm to about 2 mm, and the outlet opening of the pressure chamber ranges from about 0.01 mm to about 2 mm. An outlet opening of said first means for supplying fuel, having a diameter, is located in a range from about 0.01 mm to about 1 mm from an outlet port of said second fluid of said pressure chamber. 6. The device according to claim 5, characterized in that:
【請求項7】 前記燃料を供給する第1の手段は、第1の平面部材の表面と、
該第1の平面部材の表面と平行に配置される第2の平面部材の表面の間に形成され
た平面チャンネルであり、それにおいて前記圧力チャンバは、複数の圧力流体の
出口ポートを備えることを特徴とする前記請求項5記載のデバイス。
7. The first means for supplying fuel comprises: a surface of a first planar member;
A planar channel formed between surfaces of a second planar member disposed parallel to the surface of the first planar member, wherein the pressure chamber comprises a plurality of pressure fluid outlet ports. 6. The device according to claim 5, characterized in that:
【請求項8】 前記デバイスは、約10-4から約1kg/m/秒の範囲の動的粘度を
有する第1の流体をそこにインサートし、それにおいてさらに前記燃料を炭化水 素とすることを特徴とする前記請求項6記載のデバイス。
8. The method of claim 1, wherein the device inserts a first fluid therein having a kinetic viscosity in the range of about 10 -4 to about 1 kg / m / sec, wherein the fuel further comprises hydrocarbons. 7. The device according to claim 6, wherein:
【請求項9】 アトマイジングされた燃料を生成する方法において: 第1の流体を、該第1の流体を出口開口から放出させる態様で、フィーディング
・ソースのチャンネルを介して押し出すステップ; 第2の流体を、前記フィーディング・ソースの前記出口開口から放出される前 記第1の流体の流路の正面にある出口オリフィスから圧力チャンバの外に排出さ せる態様で、該圧力チャンバを介して押し出すステップ;を包含し、 それにおいて安定した流体‐流体界面が維持され、前記第1の流体が、前記第2
の流体により前記圧力チャンバの出口オリフィスに収束される安定した毛管ジェ
ットを形成し; それにおいて前記第1の流体および前記第2の流体の少なくとも一方が炭化水素
であることを特徴とするアトマイジングされた燃料を生成する方法。
9. A method for producing an atomized fuel, comprising: extruding a first fluid through a channel of a feeding source in a manner to discharge the first fluid from an outlet opening; Is discharged from the pressure chamber through an outlet orifice in front of the flow path of the first fluid discharged from the outlet opening of the feeding source. Extruding; wherein a stable fluid-fluid interface is maintained, wherein the first fluid is
Forming a stable capillary jet converged by the fluid at the outlet orifice of the pressure chamber; wherein at least one of the first fluid and the second fluid is a hydrocarbon. How to produce fuel.
【請求項10】 前記第1の流体は液体であり、前記第2の流体は気体であり
、それにおいて前記液体は、約10-4から約1kg/m/秒の範囲の粘度を有することを
特徴とする前記請求項9記載の方法。
10. The method of claim 1, wherein the first fluid is a liquid and the second fluid is a gas, wherein the liquid has a viscosity in a range from about 10-4 to about 1 kg / m / sec. 10. The method of claim 9, wherein the method is characterized in that:
【請求項11】 前記液体は、約0.3×10-3から約5×10-2kg/m/秒の範囲の 粘度を有し、それにおいて前記流体は、前記チャンネルを介して約0.01nl/秒か ら約100l/秒までの範囲のレートで押し出され、前記気体は前記圧力チャンバの 前記開口を介して約100から500m/秒までの範囲のレートで押し出され;かつ、 前記フィーディング・ソースは、円筒状のチャンネルであり、前記液体は、約
0.1mmから約0.4mmまでの範囲の直径を有する出口開口から放出され、前記圧力チ
ャンバの開口は、約0.1mmから約0.25mmまでの範囲の直径を有し、前記チャンネ ルの前記出口開口のちょうど正面に配置されることを特徴とする前記請求項10記
載の方法。
11. The liquid has a viscosity ranging from about 0.3 × 10 −3 to about 5 × 10 −2 kg / m / sec, wherein the fluid is passed through the channel at about 0.01 nl / kg. Pumping at a rate ranging from about 100 to 500 m / s through the opening of the pressure chamber; and feeding the gas at a rate ranging from about 100 to 500 m / s; Is a cylindrical channel, wherein the liquid is approximately
Discharged from an outlet opening having a diameter ranging from 0.1 mm to about 0.4 mm, the opening of the pressure chamber having a diameter ranging from about 0.1 mm to about 0.25 mm, wherein the outlet opening of the channel has 11. The method according to claim 10, wherein the method is arranged just in front.
【請求項12】 前記第1の流体は水からなり、前記第2の流体は水と不混和
の液体炭化水素燃料からなり、それにおいて前記安定した毛管マイクロジェット
は、炭化水素燃料の球によってコーティングされた水の球に分裂することを特徴
とする前記請求項9記載の方法。
12. The first fluid comprises water, and the second fluid comprises a liquid hydrocarbon fuel immiscible with water, wherein the stable capillary microjet is coated with a sphere of hydrocarbon fuel. 10. The method of claim 9, wherein the water splits into water spheres.
【請求項13】 前記第1の流体はオクタン価の低い燃料からなり、前記第2
の流体はオクタン価の高い燃料からなり、それにおいて前記安定した毛管マイク
ロジェットは、オクタン価の高い燃料の球によってコーティングされたオクタン
価の低い燃料の球に分裂することを特徴とする前記請求項9記載の方法。
13. The method according to claim 13, wherein the first fluid comprises a low octane fuel.
10.The fluid of claim 9, wherein said fluid comprises a high octane fuel, wherein said stable capillary microjets split into low octane fuel spheres coated by high octane fuel spheres. Method.
【請求項14】 前記コーティングされた球は、0.01%から30%までの範囲の
標準偏差において、それぞれ実質的に同一の直径を有することを特徴とする前記
請求項12または13記載の方法。
14. The method according to claim 12, wherein the coated spheres each have substantially the same diameter with a standard deviation ranging from 0.01% to 30%.
【請求項15】 前記コーティングされた球は、1%ないしはそれ未満の標準
偏差において、実質的に同一の直径を有することを特徴とする前記請求項14記載
の方法。
15. The method of claim 14, wherein the coated spheres have substantially the same diameter with a standard deviation of 1% or less.
【請求項16】 前記第1の流体は気体であり、前記第2の流体は液体炭化水
素燃料であり、それにおいて前記第1および前記第2の流体によって形成されるス
トリームが分裂して、サイズの直径の標準偏差が約5%ないしはそれ未満の、サイ
ズにおいて実質的に互いに均一な中空微小滴を形成し、該中空微小滴が破裂して
炭化水素燃料の微細なミストを形成することを特徴とする前記請求項9記載の方 法。
16. The first fluid is a gas and the second fluid is a liquid hydrocarbon fuel, in which a stream formed by the first and second fluids splits to a size Forming substantially uniform hollow microdroplets in size with a standard deviation of diameters of about 5% or less, wherein the hollow microdroplets rupture to form fine mist of hydrocarbon fuel. 10. The method according to claim 9, wherein:
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