JP2008126200A - ノズル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体から液体へのエネルギー変換効率が悪く、生成される液滴も充分に微細化されることなく、比較的大きい平均粒径の周りに広く分布する特性を有する。
【解決手段】軸心方向に液体流入孔１ａを有する液体ノズル１と、該液体ノズル１と同心状に連結された気体ノズル２と、液体ノズル１の軸心に対して所定角度で傾斜し同液体ノズル１の下流側に乱流噴流を発生せしめる微粒化機構を備える。液体ノズル１は、軸心方向に貫通された液体流入孔１ａと、先端外周に傾斜面１ｂ_１ を有するニードル部１ｂとを備えると共に、このニードル部１ｂには、流路断面が複合多角形、花弁形若しくは結晶形のものを使用する。微粒化機構は、液体ノズル１の周面に形成された傾斜面１ｂ_１ と、該傾斜面１ｂ_１ と対向すべく空気導入路２ｄに形成されたテーパー環状孔２ｃの傾斜面とで決定される環状流路を介して空気を液体ノズル１の軸心方向に角度付けて噴出せしめる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体をエネルギー源として液体を微粒化（エア・アシスト・アトマイザ）するノズル装置に関し、更に詳しくは「平均粒径」の安定化、「液滴生成数」の増加、「噴霧角」及び「液滴の平均飛翔距離」の調整を図る目的で、気体ノズルの下流側に気体噴流により囲まれた閉領域を形成せしめ、液体ノズルの吐出口近傍に低圧渦領域を発生させることで、液体の噴出を促進すると共に、各種異形断面を有する液体ノズルを用いて、気体から液体へのエネルギー授受を容易ならしめ、微粒化効率の向上に資する有用なノズル装置に関する。

一般的に、ノズル装置(噴霧潤滑装置)は、図５に示すように、液体ノズル１と気体ノズル２（空気ノズル）とを同心状（図５(ａ)参照）或いは交差状に配置すると共に（図５(ｂ)参照）、油（潤滑剤又は切削剤）を霧化させるために圧縮空気の流れを利用した所謂ベンチュリ機構を採用することで、上から滴下する油に対して、軸心方向若しくは径方向に形成された空気入口２ａ_１ からの圧縮空気を狭いベンチュリ管路を通過させることにより（更に流速を強めて生じる負圧を利用し）、油と圧縮空気の混合を促進させて油霧（フォグ）を生成させている。

従来、斯かるノズル装置としては、例えば、潤滑油を貯留する液槽（タンク）と、潤滑油を霧化する霧化器を含み上記霧化器により生成された油霧を所定の被潤滑部へと送り出す霧化室と、一端が上記霧化器に接続され、他端が所定の送気手段に接続された第１配管と、一端が上記タンクに接続され、他端がポンプを介して上記第１配管内に接続された第２配管とを含み、上記第２配管から上記第１配管内に供給された上記潤滑油の油面が上記送気回路から供給される空気流に均されて上記霧化器に導かれ、霧化された上記油霧のうち、粒子の粗いものを上記霧化室内で回収し、粒子の細かいものを上記被潤滑部に送油する噴霧潤滑装置において、上記第１配管には、一端が上記霧化室に接続された第３配管を有し、上記送気手段の空気流によりベンチュリ効果を奏する吸引手段を設けたノズル装置が案出されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３４９７８９号公報

しかしながら、上述した従来のノズル装置にあっては、潤滑油（液体）が空気流（気体）のもたらす所謂ベンチュリ効果により液槽から吸引され、主として空気流（気体）の運動量により潤滑油（液体）を吹き飛ばすことによって、微粒化が実現されるものであるが、この種の微粒化方式では、専ら気体の衝動力によって液体を粉砕することを目的としているために、気体から液体へのエネルギー変換効率が悪く、生成される液滴も充分に微細化されることなく、比較的大きい平均粒径の周りに広く分布する特性を有する。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、気体ノズルの下流に気体噴流による閉領域を発生させると共に、液体ノズルの吐出口近傍に低圧渦領域を発生させることにより、液体の噴出力を促進させ、また、気体と液体との接触面積を増大せしめる液体ノズルを採用することにより、気体から液体へのエネルギー授受を容易ならしめ、気体がもたらす乱流剪断力によって、積極的な微粒化過程の進行を図り、より微細な液滴の形成を実現する有用なノズル装置の提供を目的としたものである。

上述の如き従来の問題点を解決し、所期の目的を達成するため本発明の要旨とする構成は、径方向に形成された少なくとも一以上の空気入口と、環状に空気を噴出する空気導入路とを有する気体ノズルと、該気体ノズルと同心状に配置されて液体を供給する液体ノズルとを備えてなるノズル装置において、前記気体ノズルは、液体ノズルの軸心に対して所定角度で傾斜し同液体ノズルの下流側に乱流噴流を発生せしめる微粒化機構を備えてなるノズル装置に存する。

また、前記微粒化機構は、液体ノズルの外周面に形成された傾斜面と、該傾斜面と対向すべく前記空気導入路に形成されたテーパー環状孔の傾斜面とで決定される環状流路を介して空気を液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出させるのが良く、延いては、液体ノズルの軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ 上に空気導入路の基準円錐角αに対する背円錐角βの頂点若しくは同空気導入路の噴射軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ の交点Ｐを結ばせるのが良い。

更に、前記液体ノズルは、多角形状（複合多角形、花弁形を含む）の流路断面又は小径の円孔部とスリット部とを介して放射状に結合させた結晶形の流路断面を有するのが良い。

また、前記気体ノズルは、液体ノズルの先端側を許容すべく凹設された第一次空気室と、該第一次空気室の軸心に形成されて前記液体ノズルの先端側を遊嵌せしめるテーパー環状孔と、該テーパー環状孔を介して前記第一次空気室と連通される第二次空気室とを備え、前記テーパー環状孔は、液体ノズルの傾斜面と協働して空気を同液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出させるのが良い。

本発明は上述のように構成され、前記気体ノズルは、液体ノズルの軸心に対して所定角度で傾斜し同液体ノズルの下流側に乱流噴流を発生せしめる微粒化機構を備え、該微粒化機構が、液体ノズルの外周面に形成された傾斜面と、該傾斜面と対向すべく前記空気導入路に形成されたテーパー環状孔の傾斜面とで決定される環状流路を介して空気を液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出させること、延いては、液体ノズルの軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ 上に空気導入路の基準円錐角αに対する背円錐角βの頂点若しくは同空気導入路の噴射軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ の交点Ｐを結ばせることによって、液体ノズルの下流側に高速で安定的な気体の乱流噴流を発生させると共に、液体ノズルの吐出口直下流に低圧渦領域を発生せしめて同ノズル内の液体を強制的に加速せしめ、気体から液体へのエネルギー授受を容易にならしめることができるといった効果を奏する。

換言すれば、本発明の微粒化機構は、気体噴流と液体ノズルの底面とにより囲繞された低圧渦領域を液体ノズルの吐出口直下流に発生させることにより、液体の流入を促進し、また、後述するように、液体ノズルの流路断面が、気体との接触面積がより多く確保される形状に選定されることによって、液体の微粒化が一段と進み、かつ、液体を充分発達した気体の乱流噴流と接触させることによりもたらされるその乱流剪断力によって、より微細化された液滴を生成することが可能となる。

そのために、本発明の微粒化機構では、気体ノズルを流路の下流に頂点をもつ流路円錐を形成する環状の（テーパー環状孔を介して）先細ノズルとし、その噴射軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ は液体ノズルの軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ 上に交点Ｐを結ばせること、好ましくは、流路円錐の頂点もＰ点を共有するように構成することによって、噴射軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ は頂角αを持つ基準円錐の母線と直径Ｄ_０１（図２参照）で直交し、背円錐角βが幾何学的に決定される結果、気体、液体の両ノズルの下流に流動場（低圧渦領域：図３参照）が形成され、より微細でより多量な液滴を高効率で生成する微粒化過程が実現される。

また、前記液体ノズルは、多角形状（複合多角形、花弁形を含む）の流路断面又は小径の円孔部とスリット部とを介して放射状に結合させた結晶形の流路断面を有することによって、例えば、結晶形の流路断面の場合は、複数の細い液糸、又は薄い液幕の周囲を気体が取り囲むなど、気液間におけるエネルギーの授受を促進し、粒径を微細化し液滴生成数を増加させて液体の微粒化効率を向上させることができるといった効果を奏する。

更に、前記気体ノズルは、液体ノズルの先端側を許容すべく凹設された第一次空気室と、該第一次空気室の軸心に形成されて前記液体ノズルの先端側を遊嵌せしめるテーパー環状孔と、該テーパー環状孔を介して前記第一次空気室と連通される第二次空気室とを備え、前記テーパー環状孔は、液体ノズルの傾斜面と協働して空気を同液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出させることによって、液体ノズルの吐出口直下流に固定壁(液体ノズル内に充填された液体表面を含む)と気体噴流による閉領域が形成され、気体噴流による巻き込み現象（entrainment)により閉領域内の圧力は周囲の圧力に対して負圧となるので、液体が比較的高粘性であっても、液体を、液柱、液糸又は液幕の状態で容易に領域内に引き出すことができ、また、閉領域内に噴出した液体は直ちに衝突した気体噴流中に巻き込まれるために、気体噴流が発生する乱流渦によって切断され、効率よく微細化されるといった効果を奏する。

一方、環状の気体噴流は、衝突効果によって、半径方向の運動量は相殺され軸方向の運動量成分のみが保存されるので、衝突後充分下流では、恰も液体ノズル軸上に仮想原点を持つ同軸噴流の挙動を示す結果、気体噴流の拡散角は制限され、それに保持される液体の微粒化を実現する装置の合理的な設計を可能にすると共に、微粒化効率を改善し、併せて液滴の噴霧角や飛翔距離の予測を可能にするといった効果を奏する。

液体ノズルの軸心に対して所定角度で傾斜し同液体ノズルの下流側に乱流噴流を発生せしめる微粒化機構を気体ノズルに形成する。微粒化機構は、液体ノズルの外周面に形成された傾斜面と、該傾斜面と対向すべく前記空気導入路に形成されたテーパー環状孔の傾斜面とで決定される環状流路を介して空気を液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出せしめる。また、液体ノズルは、多角形状（複合多角形、花弁形を含む）の流路断面又は小径の円孔部とスリット部とで結合された結晶形の流路断面にするのが良い。更に、気体ノズルは、液体ノズルの先端側を許容すべく凹設された第一次空気室と、該第一次空気室の軸心に形成されて前記液体ノズルの最先端を遊嵌せしめるテーパー環状孔と、該テーパー環状孔を介して前記第一次空気室と連通される第二次空気室とを備え、前記テーパー環状孔は液体ノズルの傾斜面と協働して空気を同液体ノズルの軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ に向けて角度付けて噴出せしめるのが良い。

以下、本発明に係るノズル装置の実施の一例を図面を参照しながら説明する。図中Ａは、本発明に係るノズル装置であり、このノズル装置Ａは、図１に示すように、軸心方向に液体流入孔１ａを有する液体ノズル(ニードルノズル)１と、該液体ノズル１と同心状に連結された気体ノズル(空気ノズル)２とを備えている。

液体ノズル１は、軸心方向に貫通された液体流入孔１ａと、先端外周に傾斜面１ｂ_１ を有するニードル部１ｂとを備えると共に、このニードル部１ｂには、流路断面が後述する複合多角形、花弁形若しくは結晶形のものを使用している。

また、液体流入孔１ａは、例えば、上端側が１２０度に拡径（直径７ｍｍ）した大径部１ａ_１ と、内径２ｍｍの中径部１ａ_２ と、出口側に連通する内径１．２ｍｍの小径部１ａ_３ とを備えている。

更に、ニードル部１ｂは、前記液体流入孔１ａの小径部１ａ_３ の吐出口を後述するテーパー環状孔２ｃ内に望ませるため、例えば、頂角（以下、単に基準円錐角という）α＝１４６度、流路円錐角θ＝４度、セットバック長（オフセット）ｙ_２ ＝４ｍｍとした場合の先端径は、約２．１４２ｍｍ、軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ に対する傾斜角は１５度になるように処理されている。

以下、本発明に係る微粒化機構（における流路形状寸法の決定）について、図２乃至図３を参照しながら簡単に説明する。まず、基軸線(装置の中心線：軸心）Ｘ_１ −Ｘ_１ 上の任意の位置に基準円錐の頂点を選び、頂角α（１４０〜１５０度：本実施例では１４６度）を定め、基準円錐の母線を決定する。

次いで、基底円直径Ｄ_０１（図２参照：本実施例では３．６１１ｍｍ）を選定し、その位置が気体ノズル２の流路入口の中心径となる。次いで、基準円錐の基底円の位置で母線に直交する直線を引くと、この直線が背円錐の母線となり、その頂点は、当然、基軸線（軸心）Ｘ_１ −Ｘ_１ 上に存在し、背円錐の頂角β（以下、単に背円錐角βという）は一意的に定まる（本実施例では３４度）。描かれた背円錐の母線（噴射軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ ）上に流路円錐の頂点の位置を選定する（本実施例では背円錐の頂点に一致）。

次いで、流路円錐角θ（本実施例では４度）を選定する。最後にセットバック長（オフセット）ｙ_２ （本実施例では４ｍｍ）を決定する。以上により微粒化機構の流路を形成する全ての形状寸法が決定される（この時、背円錐角３４度、気体に関する入口ノズル幅は０．４３０ｍｍ、出口ノズル幅は０．２８８ｍｍとなり、気体の通過断面積は入口部で４．８７９ｍｍ^２ 、出口部で２．１８７ｍｍ^２ となる）。

一方、気体ノズル２は、短筒状に凹設された第一次空気室２ａと、該第一次空気室２ａに後述するテーパー環状孔２ｃを介して連通する空気溜め用の第二次空気室２ｂとを備えている。

第一次空気室２ａは、液体ノズル１の先端側を許容すべく凹設されており、径方向には空気入口２ａ_１ ，２ａ_１ が形成されると共に、軸心方向に形成された後述の空気導入路２ｄにテーパー環状孔２ｃが連設されている。

テーパー環状孔２ｃは、気体噴流を発生させる空気ノズル部を構成するものであり、両空気室２ａ，２ｂを連通せしめるべく下方に向かって次第に縮径する環状の先細ノズルとしての役目を果たし、前記液体ノズル１の傾斜面１ｂ_１ と協動して微粒化機構を構成するものである。

具体的には、上述したように、空気導入路２ｄの位置を決定する背円錐角(back-cone angle) βは、基準円錐角αと基底円直径Ｄ_０１から幾何学的に算出されるが、良好な微粒化特性を実現するためには、基軸線Ｘ_１ −Ｘ_１ と噴霧軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ の交角β／２はあまり大きくならず、概ね２０度未満になるように基準円錐角αを選定することが望ましい。

このように構成される本実施例のノズル装置は、空気導入路２ｄのテーパー環状孔２ｃを介して空気が噴出されると、ニードル部１ｂの吐出口で最速を達成し、下流に向けて液体ノズル１の軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ 上で衝突する環状の乱流噴流を放出する。

この時、噴流は、周囲の気体を巻き込みながら下流に向かうが、図３(ｂ)に示すように、気体噴流の内側には固体壁と液体ノズル１内に充填される液体とによって、閉領域が形成され、巻込流量(体積流量)ｑe によって内部の圧力Ｐｂは周囲の圧力Ｐ∞に対して次第に低圧となり、換言すれば、閉領域内に存在する流体の減少に伴って内部の圧力は減圧されるため、その差圧を利用して液体の吸引を促進する。

次いで、気体ノズル２の下流(第二次空気室２ｂ内)に充分に発達した乱流噴流が形成されると、噴流の拡散角θは背円錐角(気体噴流の衝突角)βによって概ね決定され、それに保持された液体粒子の噴霧角も同様に決定される。

また、液滴の飛翔距離は、気体噴流と液体の初期速度に支配され、液体の速度は閉領域内の圧力Ｐｂと液体の粘性力によって概ね決定されるから、微粒化現象が定常であれば、液滴の平均飛翔距離も決定される。

尚、従来のノズル装置における液体ノズル１の流路断面の形状は、殆どが円形（図４(ａ)参照）３であるが、第二次空気室２ｂ内に充分に発達した乱流噴流が形成され、微粒化に要するエネルギーが気体から供給されている場合、液体の微粒化は、気体と液体との接触面積に依存して促進されるので、仮令、液体ノズル１の流路断面積が同一であっても、図４(ｂ)乃至(ｄ)に示すように、断面が多角形の液体流路４，６又は小径微小の円孔部５ａ，５ａ…をスリット部５ｂ，５ｂ…にて放射状に結合させた結晶形の液体流路５を採用することにより、気体との接触面積を増大させることができる。

換言すれば、気体噴流が充分に発達した乱流噴流を形成し、気体から液体に対して微粒化に要するエネルギーが充分に供給されている場合には、微粒化現象は両者の接触面積に依存して促進されるのである。従来の微粒化装置における液体ノズルの流路は、多くの場合、図４(ａ)に示されるような円形断面で構成されているが、これを図４(ｂ)乃至(ｄ)に示すような断面形状を採用することにより、流路断面積が同一であっても、両者の接触面積をより増大させることができる。これにより、安定な微粒化現象を実現すると共に、平均粒径の微小化と液滴生成数の増加を通して微粒化効率の改善が実現される。

液体ノズル１の流路として採用される異形な断面形状のうち、図４(ｂ)は複合多角形、図４(ｃ)は花弁形、図４(ｄ)は結晶形の例を示すものであり、特に、複数の断面小径円孔部５ａ，５ａ…を微小幅の細溝（スリット）部５ｂ、５ｂで放射状に結合した結晶形の液体流路５の場合（図４(ｄ)）には、気体噴流中に複数の細い液糸と薄膜を形成させることになり、気液間におけるエネルギーの授受を容易にし、粒径の微細化と液滴生成数の増加を促進して微粒化効率を向上させることができる。

尚、本発明のノズル装置は、本実施例に限定されることなく、本発明の目的の範囲内で自由に設計変更し得るものであり、本発明はそれらの全てを包摂するものである。例えば、本発明は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、液体燃焼装置、塗布装置、農薬を含む液体散布装置、医療用アトマイザー、その他、気体噴流の運動量及び噴流のもたらす乱流剪断力を利用して液体を微粒化する全ての装置、機関に応用できるものであり、本発明はこれらの全てを包摂するものである。

本発明に係るノズル装置の要部縦断面図である。 同ノズル装置の流路形状を規定するパラメータの説明図である。 同ノズル装置の複合ノズル吐出部近傍における流動状態の説明図である。 図４(ａ)は従来の液体ノズルの流路断面形状(円形)を示す説明図、図４(ｂ)は本発明で使用する液体ノズルの第１実施例(複合多角形)を示す説明図図、図４(ｃ)は同ノズルの第２実施例(花弁形)を示す説明図、図４(ｄ)は同ノズルの第３実施例(結晶形)を示す説明図である。 従来の液体微粒化装置におけるノズル構成(配置)を示す説明図である。

符号の説明

１ 液体ノズル
１ａ 液体流入孔
１ａ_１ 大径部
１ａ_２ 中径部
１ａ_３ 小径部
１ｂ ニードル部
１ｂ_１ 傾斜面
２ 気体ノズル
２ａ 第一次空気室
２ａ_１ 空気入口
２ｂ 第二次空気室
２ｃ テーパー環状孔
２ｄ 空気導入路
３ 円形の液体流路
４ 花弁形(六角形)の液体流路
５ 結晶形の液体流路
５ａ 円孔部
５ｂ スリット部
６ 複合多角形(八角形)の液体流路

Claims (5)

1. 径方向に形成された少なくとも一以上の空気入口と、環状に空気を噴出する空気導入路とを有する気体ノズルと、該気体ノズルと同心状に配置されて液体を供給する液体ノズルとを備えてなるノズル装置において、
   前記気体ノズルは、液体ノズルの軸心に対して所定角度で傾斜し同液体ノズルの下流側に乱流噴流を発生せしめる微粒化機構を備えたことを特徴とするノズル装置。
2. 前記微粒化機構は、液体ノズルの外周面に形成された傾斜面と、該傾斜面と対向すべく前記空気導入路に形成されたテーパー環状孔の傾斜面とで決定される環状流路を介して空気を液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出させることをことを特徴とする請求項１に記載のノズル装置。
3. 前記微粒化機構は、液体ノズルの軸心Ｘ_１ −Ｘ_１ 上に空気導入路の基準円錐角αに対する背円錐角βの頂点若しくは同空気導入路の噴射軸線Ｘ_２ −Ｘ_２ の交点Ｐを結ばせることを特徴とする請求項１又は２に記載のノズル装置。
4. 前記気体ノズルは、液体ノズルの先端側を許容すべく凹設された第一次空気室と、該第一次空気室の軸心に形成されて前記液体ノズルの先端側を遊嵌せしめるテーパー環状孔と、該テーパー環状孔を介して前記第一次空気室と連通される第二次空気室とを備え、前記テーパー環状孔は、液体ノズルの傾斜面と協働して空気を同液体ノズルの軸心方向に角度付けて噴出させることを特徴とする請求項１に記載のノズル装置。
5. 前記液体ノズルは、多角形状（複合多角形、花弁形を含む）の流路断面又は小径の円孔部とスリット部とを介して放射状に結合させた結晶形の流路断面を有することを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のノズル装置。

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