JP2008142651A - 二流体ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】より低圧で駆動させることができるとともに、より簡単な構造の二流体ノズルを提供する。
【解決手段】二流体ノズル１は、気体を自吸しながら液体を噴出させる二流体ノズルであって、液体が通過する液体流路１１を有する円筒管１０と、液体流路１１の領域を狭めるために液体流路１１の横断面の中心に配置された流路障害物体１４とを備える。円筒管１０は、液体が供給される液体供給口１２と、液体を噴出させる液体噴出口１３とを有する。流路障害物体１４の外表面と円筒管１０の内壁面との間に液体を通過させることによって、液体の流速を高め、液体噴出口１３を通じて気体が円筒管１０の内部に導入される。
【選択図】図１

Description

この発明は、気体を自吸しながら液体を噴出させる二流体ノズルに関するものである。

気体と液体とを混合し、噴出する二流体ノズルは、特開平８−１９２０７９号公報（特許文献１）、特開２００４−２０２３１６号公報（特許文献２）に記載されているように、洗浄、シャワーヘッドなどの用途として広く利用されている。

図５は、従来の二流体ノズルの構造の一例を示す概略的な縦断面図である。

図５に示すように、従来の二流体ノズル２は、基本構成として、外筒部２１と内筒部２２とからなる二重円筒構造となっている。外筒部２１内の流路は内筒部２２によって円錐形状に先細りに絞られている。外筒部２１はオリフィス部２３を有する。内筒部２２の先端と外筒部２１のオリフィス部２３とが近接している。オリフィス部２３の付近では流路が絞られているため、液体の流速が増し、液体の圧力が低下する。液体が矢印Ｆｗで示される方向に外筒部２１の内部に供給され、液体の圧力がノズルの外側の気体の圧力よりも低くなると、気体自吸管部２４から気体が矢印Ｆａで示される方向に自吸され、オリフィス部２３の付近で気液二相流となり、液体が出口管部２６を通じて矢印Ｆａｗで示される方向に噴出される。また、液体が流れていない時は、水圧により気体自吸管部２４を通じて液体が逆流するため、逆支弁２５が気体自吸管部２４の内部に設置される必要がある。さらに、安定した気体の自吸を行うために、すなわち、十分な液体の流速変化を起こすとともに、ノズルから噴出された後の気液二相流の直進性を高めるためには、オリフィス部２３の下流部の流路２８は、オリフィス部２３の上流部の流路２７よりも狭く、かつ十分に長くなければならない。

なお、特開平１０−２８６４９６号公報（特許文献３）では、ポンプの吐出圧力を高めることなく、構造を改良することにより噴出される気液混合流体の到達距離を大きくできるようにした二流体ノズルが開示されている。
特開平８−１９２０７９号公報 特開２００４−２０２３１６号公報 特開平１０−２８６４９６号公報

上述のように従来の二流体ノズルには、液体の流速変動を起こすように流路幅を変化させるために二重円筒構造を採用していること、気体自吸口に逆流を防ぐための逆支弁が設けられていることが基本構成として必要である。

また、気体と液体との混合部以降の流路は狭くなっている必要があるので、圧力損失が大きく、高圧のポンプが必要になる。これに対しては、たとえば、特開平１０−２８６４９６号公報（特許文献３）に記載されているように、ポンプの吐出圧力を高めることなく、ノズルの各部の寸法を最適化することにより、圧力損失を減少させる試みがなされている。しかしながら、二流体ノズルの基本構成を変えない限り、圧力損失の大きな改善は困難である。

そこで、この発明の目的は、より低圧で駆動させることができるとともに、より簡単な構造の二流体ノズルを提供することである。

この発明に従った二流体ノズルは、気体を自吸しながら液体を噴出させる二流体ノズルであって、液体が通過する流路を有する管と、流路の領域を狭めるために流路の横断面の中心に配置された流路障害物体とを備える。管は、液体が供給される液体供給口と、液体を噴出させる液体噴出口とを有する。この発明の二流体ノズルにおいては、流路障害物体の外表面と管の内壁面との間に液体を通過させることによって、液体の流速を高め、液体噴出口を通じて気体が管の内部に導入される。

従来の二流体ノズルは、流路の領域を変化させるために二重円筒構造を採用する。これに対して、本発明に従った二流体ノズルは、液体が通過する流路を有する管と、流路の領域を狭めるために流路の横断面の中心に配置された流路障害物体とを備えるだけであるので、より簡単な構造である。

本発明の二流体ノズルでは、流路障害物体の外表面と管の内壁面との間に液体を通過させることによって、液体の流速を高めることにより、液体の流速が増した分だけ、液体の圧力が低下する。このため、負圧が発生する。この発生する負圧により、液体噴出口を通じて気体を管の内部に自吸させることができる。

したがって、液体噴出口から気体を自吸させることにより、従来の二流体ノズルでは必要であった、気体の自吸口や逆支弁を設ける必要がなくなる。

また、本発明の二流体ノズルでは、液体噴出口から気体を自吸させることにより、管の内部に配置された流路障害物体以降の流路が自吸気体の流れにより狭められ、液体噴出口において気液二相流体が放射状に広がることなく、高流速の直進性に優れた気液二相流を得ることができる。

さらに、本発明の二流体ノズルでは、管の形状により流路を絞るのではなく、自吸された気体の流れによって流路が狭められることにより、圧力損失が小さく抑えられ、従来の二流体ノズルと比較して低圧で駆動させることができる。

この発明の二流体ノズルにおいては、流路障害物体が球状体であることが好ましい。

この発明の二流体ノズルにおいて流路障害物体は、著しく圧力損失を発生させない限り、形状によらず、液体噴出口から気体を自吸させることが可能である。流路障害物体が球状体であれば、圧力損失をできるだけ小さくして流路の領域を狭めて、液体の流速を高めることができる。この発明の二流体ノズルにおいては、望ましくは流路障害物体が球、楕円球のような角のない曲面を有し、大きな圧力損失をできるだけ生じさせない形状であるが、三角錐、円錐のような形状でも二流体ノズルを動作させることは可能である。

また、この発明の二流体ノズルにおいては、管の内径は、液体供給口から液体噴出口までほぼ一定であることが好ましい。

このようにすることにより、管を特に加工する必要がないので、簡単な構造で二流体ノズルを実現することができる。

以上のようにこの発明によれば、液体噴出口より気体を自吸させることができ、従来の二流体ノズルでは必要であった、気体の自吸管部や逆支弁を設ける必要がなくなり、極めて簡単な構造で二流体ノズルを実現することが可能になる。また、自吸させる気体の流れを利用することにより、気液二相流の噴出流路を絞ることができ、低圧で駆動させることが可能な二流体ノズルを得ることができる。

以下、本発明の二流体ノズルの一つの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一つの実施の形態として二流体ノズルの構成を示す概略的な縦断面図（Ａ）と横断面図（Ｂ）である。

図１に示すように、本発明の二流体ノズル１は、ノズル本体として、液体が通過する液体流路１１を有する管として両端が開放された円筒管１０を備える。円筒管１０の一方の端部には液体が供給される液体供給口１２が設けられ、一方端部と反対側の他方の端部には液体を噴出させる液体噴出口１３が設けられている。

液体流路１１を狭めるために液体流路１１の横断面の中心には流路障害物体１４が配置されている。具体的には、円筒管１０の同軸中心上には、支持棒１５で固定された流路障害物体１４が配置されている。流路障害物体１４の外表面と円筒管１０の内壁面との間に液体が通過するように構成されている。すなわち、流路障害物体１４の周囲の流路は、流路障害物体１４により狭められた狭流路部１６となっている。

円筒管１０の内径は、液体供給口１２から液体噴出口１３まで、ノズル全体に渡ってほぼ一定である。

図１では、流路障害物体１４は、一例として球体のものを示しているが、著しく圧力損失を発生させない限り、形状によらず、楕円球、三角錐、円錐のような形状でもよい。流路障害物体１４は、望ましくは、球、楕円球のような曲面を持つ形状である。

次に、本発明の二流体ノズル１の動作について説明する。液体は、液体供給口１２に接続されたホースなどを通じて、矢印Ｆｗで示す方向に二流体ノズル１に供給される。供給された液体は、円筒管１０の内部に設けられた流路障害物体１４により形成される狭流路部１６を通過する際に、狭い流路を通過することにより、その流速を増す。その結果、狭流路部１６では、エネルギー保存の法則を満たすように、流速の増したエネルギー分、液体の圧力が低くなる。

流速が十分に増し、狭流路部１６の圧力が、ある圧力よりも低くなると、液体噴出口１３から気体が矢印Ｆａで示される方向に自吸される。液体噴出口１３から気体が自吸されるための、狭流路部１６での圧力しきい値は、ノズルを構成する材質、ノズルサイズによって異なるため、実測により求めることが望ましいが、おおよそ二流体ノズルの外側の気体の圧力よりも低くなると、液体噴出口１３から気体は自吸される。

気体は、図１に示したように、矢印Ｆａの方向に円筒管１０の内壁に沿って吸い込まれ、流路障害物体１４の下流部で、液体の流れに同伴する形で液体中に引き込まれ、液体が、液体噴出口１３から矢印Ｆａｗで示される方向に気泡Ｑ１を含む気液二相流として噴出される。このように、本発明の二流体ノズル１は、液体噴出口１３から気体を自吸させることが可能であるため、従来の二流体ノズルにおいて必要であった気体の自吸管部や逆支弁を必要とせず、極めて簡単な構造となる。

また、自吸気体は円筒管１０の内壁に沿って流れることにより、気体の流れの分だけ、気液二相流の流れが狭められる形となり、液体噴出口１３において放射状に広がることなく、高流速の直進性に優れた気液二相流を得ることができる。従来の二流体ノズルでは、高流速の直進性に優れた気液二相流を得るためには、液体噴出口は、図５に示される流路２８のように狭く絞られた形状をとる必要があり、圧力損失が大きかった。本発明の二流体ノズル１では、自吸された気体の流れを利用して、流路を絞ることができるため、従来の二流体ノズルに比べて圧力損失が小さく、低圧での駆動が可能となる。

以下、本発明の二流体ノズルの設計方法について説明する。

図２は、本発明の一つの実施の形態として二流体ノズルの各部位のサイズを記号で記した概略的な縦断面図（Ａ）と横断面図（Ｂ）である。

図１と図２に示すように、円筒管１０の内径をＤ_１、ここでは流路障害物体１４を球体と仮定し、この外径をＤ_２とする。液体供給口１２を断面Ｉとし、液体供給口１２での洗浄水圧力をｐ_１、断面平均流速をｖ_１、流量をＱとする。

同様にして、狭流路部１６を断面ＩＩとし、この点での洗浄水圧力をｐ_２、断面平均流速をｖ_２、流量をＱとする。

また、液体噴出口１３を断面ＩＩＩとし、この点での洗浄水圧力、断面平均流速、流量は断面ＩＩでの値と同じと仮定する。

なお、流量Ｑは断面Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩのいずれの箇所でも同じである。

上記の条件の下で、円筒管１０の内径Ｄ_１、球体の外径Ｄ_２が満たすべき条件式を導出する。

まず、断面Ｉ、ＩＩでのエネルギー収支を考える。ノズルの流路内で外部からの機械的仕事はなし、摩擦抵抗を無視できるとすると、エネルギー収支式は以下の式で示される。

ここで、ｇは重力加速度、ρは洗浄液密度である。断面Ｉ、ＩＩでの流量Ｑは同じであるため、次式の連続の式が導かれる。なお、ここで、断面ＩＩにおいて洗浄液が流れる断面積は、ノズル本体の断面積から球体の断面積を除いた断面積である。したがって、次の式が成立する。

式（２）より、断面ＩＩでの流速ｖ_２はｖ_１を用いて、

と表される。

式（３）を式（１）に代入し整理すると、

となり、断面ＩＩでの圧力ｐ_２を表す式が得られる。

ここで、本発明のノズルにおいて気体の自吸が起こるためには、断面ＩＩでの圧力ｐ_２があるしきい値まで低くなることが必要である。この圧力しきい値をｐ^＊とすると、ｐ₂≦ｐ^＊の条件を満たす必要から、この条件式のｐ_２に式（４）を代入することにより、

という条件式が導かれる。

上式を整理すると、

となり、球体の外径Ｄ_２が満たすべき条件式が得られる。

ただし、ここでｐ_１＞ｐ^＊である。

以下、上式を用いて、円筒管の内径Ｄ_１、球体の外径Ｄ_２を決定する方法について説明する。

まず、円筒管の内径Ｄ_１を決定する。決定したＤ_１に対し、適切な球体の外径Ｄ_２を決めるためには、圧力しきい値ｐ^＊の値を決める必要がある。ｐ^＊はノズル本体及び球体の材質によって異なるため、実測により求めることが望ましい。使用するノズル本体及び球体の材質を決め、球体の外径Ｄ_２を適当に与えたノズルに実際に洗浄水を流通させ、空気の自吸が起こる流量Ｑ^＊、液体供給口１での洗浄水圧力ｐ_１ ^＊を測定する。これらの値を用い、式（５）より圧力しきい値ｐ^＊が求められる。

ここで、圧力しきい値ｐ^＊は、円筒管の内径Ｄ_１に対して一意的に決まる。また、Ｄ_１を固定し、流量Ｑを変えた場合の液体供給口１２での洗浄水圧力ｐ_１は以下の式（７）式により、圧力ｐ１を変化させた場合の流量Ｑは以下の式（８）により、それぞれ、おおよその値を見積もることができる。

以上より、円筒菅の内径Ｄ_１に対し、所望の流量Ｑ、または圧力ｐ_１での適切な球体の外径Ｄ_２の値を決定することができる。

以下、本発明の二流体ノズルの実施例について説明する。

図１に示す本発明の二流体ノズル１を使用して、圧力による噴出水量の変化、気液二相流体の噴出力（打力）の変化の測定を行い、図５に示す従来の二流体ノズル２と比較した。

噴出力の評価は、台ばかりの鉛直上方向３０ｃｍの位置にノズルを設置し、台ばかりに向かって水を吹きつけ、ポンプの圧力を変化させつつ、台ばかりの指示値[ｇ]を測定することにより行った。

試験に使用した本発明の二流体ノズル１の各部の寸法は、図２に示すように円筒管１０の内径Ｄ_１は７．００ｍｍ、流路障害物体１４（球体）の外径Ｄ_２は６．３０ｍｍとした。比較のため用いた従来の二流体ノズル２の各部の寸法は、図５に示すように外筒部２１の外径ｄ_１は１９．３０ｍｍ、内筒部２２の内径ｄ_２は７．７０ｍｍ、オリフィス部２３付近の内筒部２２の外径ｄ_３は２．５０ｍｍ、液体噴出口における流路２８の内径ｄ_４は７．００ｍｍとした。気液二相流の噴出口の内径は、本発明の二流体ノズル１と従来の二流体ノズル２でほぼ同じである。

図３は、本発明の二流体ノズルと従来の二流体ノズルの噴出水量の測定結果を示す図である。横軸がポンプ圧力［ｋｇｆ／ｃｍ^２］、縦軸が流量［Ｌ／ｍｉｎ］である。

図３から、本発明の二流体ノズルは、従来の二流体ノズルに比べて、同じポンプ圧力でも噴出流量が多く、圧力損失が小さいことがわかる。

図４は、本発明の二流体ノズルと従来の二流体ノズルの噴出力の測定結果を示す図である。横軸がポンプ圧力［ｋｇｆ／ｃｍ^２］、縦軸が台ばかり指示値［ｇ］である。

図４から、本発明の二流体ノズルは、従来の二流体ノズルに比べて、同じポンプ圧力でも、台ばかり指示値が大きく、より大きな打力が得られることがわかる。また、噴出される気液二相流が放射状に広がることなく、直進性に優れた水流が得られることもわかる。

以上、本発明によれば、従来の二流体ノズルに比べて、簡単な構造で二流体ノズルを実現することが可能になる。また、自吸させる気体の流れを利用することにより、気液二相流の噴出流路を絞ることができ、高流速の直進性に優れた気液二相流を得ることができ、主に洗浄用途への応用が期待できる。例えば、本発明の二流体ノズルを水道の蛇口に設置することにより、食器等の予洗い装置を構成することができる。また、食器洗い機のノズルに本発明の二流体ノズルを搭載することにより、洗浄力の高いスポット洗浄としての応用も考えられる。

今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図される。

本発明の一つの実施の形態として二流体ノズルの構成を示す概略的な縦断面図（Ａ）と横断面図（Ｂ）である。 本発明の一つの実施の形態として二流体ノズルの各部位のサイズを記号で記した概略的な縦断面図（Ａ）と横断面図（Ｂ）である。 本発明の二流体ノズルと従来の二流体ノズルの噴出水量の測定結果を示す図である。 本発明の二流体ノズルと従来の二流体ノズルの噴出力の測定結果を示す図である。 従来の二流体ノズルの構造の一例を示す概略的な縦断面図である。

符号の説明

１：二流体ノズル、１０：円筒管、１１：液体流路、１２：液体供給口、１３：液体噴出口、１４：流路障害物体。

Claims (3)

1. 気体を自吸しながら液体を噴出させる二流体ノズルであって、
   液体が通過する流路を有する管と、
   前記流路の領域を狭めるために前記流路の横断面の中心に配置された流路障害物体とを備え、
   前記管は、液体が供給される液体供給口と、液体を噴出させる液体噴出口とを有し、
   前記流路障害物体の外表面と前記管の内壁面との間に液体を通過させることによって、液体の流速を高め、前記液体噴出口を通じて気体が前記管の内部に導入される、二流体ノズル。
2. 前記流路障害物体が球状体である、請求項１に記載の二流体ノズル。
3. 前記管の内径は、前記液体供給口から前記液体噴出口までほぼ一定である、請求項１または請求項２に記載の二流体ノズル。

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