JP2011505242A - 流体を微粒化するデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例は、流体を微粒化する装置に関する。この装置は、微粒化ノズル・アセンブリを含む。該微粒化ノズル・アセンブリは、流体進入区画を有する噴霧付与器囲繞体と、流れ形状輪郭形成器領域と、振動子と、キャビテーション増進器モジュールであって、該キャビテーション増進器モジュールは滞留調節区画を含み且つ該滞留調節区画は後ろ向き段部領域を含むというキャビテーション増進器モジュールと、を含む。上記装置は、流体が上記流体進入区画に進入し、上記ノズル輪郭形成器、上記振動子および上記キャビテーション増進器モジュールに至り得る如く構成される。他の実施例は、流体を微粒化する方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を微粒化するデバイスおよび方法に関する。

噴霧燃焼、吹付塗装、噴霧乾燥などの如き多くの用途に対しては、細かい液滴サイズ分布の流体の生成が望ましい。典型的に、斯かる用途に対して必要な小寸の液滴サイズ分布を生成するためには、微粒化処理が使用される。概略的に、これらの装置のサイズ分布が良好であるほど、動作システムの効率は更に向上される。

細かい粒子サイズ分布を実現し且つ向上させるために、現在の試みは、ノズルおよび流体吐出の設計態様の変更に焦点を合わせている。今日、習用のノズル設計態様の多くは、圧力効果の如き分裂効果に影響すると特定された幾つかの別個のパラメータのみに基づいて動作する。

ノズル内における流体噴流を強制的に調節すると、広範な形態の流体構造が生成される結果となる。調節の程度を高めると、分裂長さは相当程度まで減少される。幾つかの従前の設計態様は、(1)再現可能な様式における均一サイズの液滴を獲得すべく、且つ、(2)キャビテーション発生が阻止された噴流を獲得すべく、強制的な流体噴流の概念を使用してきた。他のデバイスは、低流速の用途に対して低い調節効果を使用して、単一サイズの液滴分布を生成する。これに加え、他のデバイスは流体噴流に対して高周波振動を使用し、細かい液滴サイズの実現を助力している。しかし、短い時間的尺度の処理の結果である毛細管メカニズムの故に、一定の場合には周波数効果が液滴生成を支配し、低速の噴霧に繋がる。故に、従前のシステムは、限られた流体流速度および低速噴霧に帰着する。故に、流体を微粒化する新規なデバイスおよび方法が必要とされる。

本発明の一実施例は、流体を微粒化する装置に関する。この装置は微粒化ノズル・アセンブリを含む。該微粒化ノズル・アセンブリは、流体進入区画を有する噴霧付与器囲繞体と、流れ形状輪郭形成器領域と、キャビテーション増進器モジュールとを含んでいる。上記キャビテーション増進器モジュールは滞留調節区画を含み、且つ、該滞留調節区画は後ろ向き段部領域を含む。上記装置は、流体が上記流体進入区画に進入し、上記ノズル輪郭形成器、上記振動子および上記キャビテーション増進器モジュールに至り得る如く構成される。

別実施例に依れば、本発明は流体を微粒化する方法に関する。該方法は、微粒化装置における流体進入区画を通して加圧流体流を受容する段階を含む。上記微粒化装置は、上記流体進入区画を有する噴霧付与器囲繞体と、流れ形状輪郭形成器領域と、振動子と、キャビテーション増進器モジュールとを含む。上記キャビテーション増進器モジュールは滞留調節区画を含み、且つ、該滞留調節区画は後ろ向き段部領域を含む。上記方法は更に、上記流体が上記流れ形状輪郭形成器領域に向けて軸心方向に流れることを許容する段階と、ノズル軸心に平行な軸心方向様式で上記流体を縦断する振動動作を実施する段階と、上記流体が上記滞留調節区画の上記後ろ向き段部領域に進入するときに該流体を剪断する段階とを含む。

別実施例に依れば、本発明は流体を微粒化する方法に関する。該方法は、装置において加圧流体流を受容する段階と、上記装置におけるノズルを通して上記流体を加速する段階と、ノズル軸心に平行な方向において上記流体に対して超音波振動を実施して上記ノズルの下流に低圧の領域を生成し、圧力脈動を引き起こすと共に、活性化されたキャビテーション核により上記流れを調節する段階と、上記調節された流れに対して剪断作用を付与してキャビテーションを増進する段階と、低圧領域を生成してキャビテーションに対する滞留時間を増加する段階と、上記流体を壁部上に衝当させ、静的圧力を増大すると共に局所的なキャビテーション崩壊効果を引き起こす段階と、上記装置の出口に向かう崩壊したキャビテーション流を加速する段階とを含む。

以下の詳細な説明においては、本発明の付加的な実施例、目的および利点が更に十分に明らかとなろう。

以下の詳細な説明は、図面を考慮すれば更に十分に理解されよう。

本発明の一実施例に係る流体を微粒化するデバイスの断面図である。 本発明の一実施例に係る振動子の概略図である。 本発明の一実施例に係る振動子の先端の拡大図である。 キャビテーション増進器モジュールを示す図である。 本発明の一実施例に係るキャビテーション増進器モジュールの一部分を含む微粒化ノズル・アセンブリの前端部の拡大図である。 上記微粒化ノズル・アセンブリの前端部の拡大図である。

図中に示された実施例は、本質的に例示的であり、各請求項により定義された発明を限定することは意図されない。更に、詳細な説明を考慮すれば、図面および本発明の個別的な特徴は更に十分に明らかとなろう。

ノズルの内側におけるキャビテーション効果は、非常に細かい液滴サイズ分布を獲得する機能を有する。しかし現在の噴霧射出器ノズルは、制御可能なキャビテーション効果を実現するようには特に設計されていない。換言すると、これまでキャビテーション効果は、液滴の特性に影響すべく明示的には設定されなかった。一実施例に依れば、キャビテーション効果と組み合わせられた、流体噴流に対する圧力調節もしくは速度調節の新規な組み合わせは、大きな流体流速度に対して噴霧微粒化処理を促進し、細かい液滴サイズ分布の生成に繋がる。故に本発明の一実施例は、キャビテーション効果に対して圧力調節を組み合わせるという新規な概念であって大きな流体圧力を要しないという概念を適用することにより、大きな流体流速度における更に深い噴霧浸透を以て細かい液滴サイズ分布を生成する方法および装置に関する。

図１から図３は、流体を微粒化するデバイスおよび方法に関する本発明の一実施例を示している。図１は、流体を微粒化する装置の一実施例を示している。この装置は、微粒化ノズル・アセンブリ10で構成されている。微粒化ノズル・アセンブリ10は(図４にも見られる)前端部15を有すると共に、該アセンブリは、流体進入区画14を備えた噴霧付与器囲繞体12を含んでいる。流体進入区画14は任意の形状であり、且つ、一実施例においてそれはノズル・アセンブリ10の後部に配置される。上記装置は、微粒化ノズル・アセンブリ10の前端部15に配置された流れ形状輪郭形成器領域16も含んでいる。一実施例において流れ形状輪郭形成器領域16は流れ加速を提供すべく構成され、且つ、別実施例においてそれは、先細の輪郭形状を有している。流れ形状輪郭形成器領域16は、流体出口28に向けて流体を流し込むことを助力する任意の形状を有し得る。

上記装置は、この実施例においては振動子(transducer)18も含んでいる。該振動子18は、流体に対して振動を付与する。振動子18は、少なくとも部分的に流れ形状輪郭形成器領域16内に配置され得る。この実施例において振動子18は、ノズル軸心に平行な軸心方向様式で振動動作を実施し得る。この実施例において振動子18は角突き動作(horn motion)を行うと共に、図２Ａに見られる如く先端30を含んでいる。先端30は、圧力低下を最大化すべく且つキャビテーション核を活性化すべく構成され得る。一実施例において先端30は、図２Ｂに見られる如く凹状である。付加的実施例において振動子18は、指数型輪郭形状を用いて局所的な流動場へと適応すべく構成された形状である。一実施例において振動子18は、圧電振動子である。更なる実施例において上記装置は、少なくとも一個の振動子支持要素26を含んでいる。

この実施例の上記装置は、キャビテーション増進器モジュール20を付加的に含んでいる。該キャビテーション増進器モジュール20は滞留調節区画22を含み得ると共に、該滞留調節区画22は後ろ向き段部領域25を含み得る。一実施例において後ろ向き段部領域25は、剪断作用を生成すべく構成される。上記後ろ向き段部領域は、単一もしくは複数の段部のいずれかを含み得る。

これに加え、一実施例において上記装置は出口28も含んでいる。更に、この実施例において上記装置は、流体が流体進入区画14に進入し、流れ形状輪郭形成器16、振動子18およびキャビテーション増進器モジュール20に至り得る如く構成される。この実施例において上記装置は更に、大きな流速および／または低い粘度の用途に対して構成される。

別実施例において本発明は、流体を微粒化する方法に関している。該方法は、微粒化装置における流体進入区画を通して加圧流体流を受容する作用段階を含んでいる。上記装置は、上記流体進入区画を有する噴霧付与器囲繞体と、流れ形状輪郭形成器領域と、振動子と、キャビテーション増進器モジュールとを含んでいる。一実施例において、上記流れ形状輪郭形成器領域は先細状とされる。別実施例において、上記振動子は、指数型輪郭形状を用いて局所的な流動場へと適応すべく構成された形状である。上記キャビテーション増進器モジュールは滞留調節区画を含み、その場合に該滞留調節区画は後ろ向き段部領域を含む。

上記方法は更に、上記流体が上記流れ形状輪郭形成器領域に向けて軸心方向に流れることを許容する作用段階と、ノズル軸心に平行な軸心方向様式で上記流体を縦断する振動動作を実施する作用段階と、上記流体が上記滞留調節区画の上記後ろ向き段部領域に進入するときに該流体を剪断する作用段階とを含み得る。別実施例において上記方法は、上記微粒化装置から上記流体を放出する段階を含む。

別実施例において本発明は、流体を微粒化する別の方法に関している。この方法は、装置において加圧流体流を受容する作用段階と、上記装置におけるノズルを通して上記流体を加速する作用段階と、ノズル軸心に平行な方向において上記流体に対して超音波振動を実施して上記ノズルの下流に低圧の領域を生成し、圧力脈動を引き起こすと共に、活性化されたキャビテーション核により上記流れを調節する作用段階と、上記調節された流れに対して剪断作用を付与してキャビテーションを増進する作用段階と、低圧領域を生成してキャビテーションに対する滞留時間を増加する作用段階と、上記流体を壁部上に衝当させ、静的圧力を増大すると共に局所的なキャビテーション崩壊効果を引き起こす作用段階と、上記装置の出口に向かう崩壊したキャビテーション流を加速する作用段階とを含む。

故に本発明の一実施例に依ればノズル・アセンブリ10は、後部流体進入区画14を通る加圧流体流であって、流れ形状輪郭形成器領域16に向けて且つ振動子支持要素26を縦断して軸心方向に流れるという加圧流体流を受容する。収縮する流れ形状輪郭形成器領域16は、流れ加速に帰着し、且つ、少なくとも部分的に流れ形状輪郭形成器領域16内に配置された振動子18は、ノズル軸心に平行な軸心方向様式で振動動作を実施する。超音波周波数における振動子18の振動によれば、流れ形状輪郭形成器領域16の下流において低圧の領域が生成される。図２Ａに示された振動子デバイス18の前面は、図２Ｂに詳細に示される凹状先端30の表面から成ることで、圧力低下を最大化し且つキャビテーション核を活性化する。同様に、図２Ｂに示された振動子18の形状は、局所的な流動場に順応すべく指数型輪郭形状を用いて構築される。上記の振動的な角突き動作と加速された流動場とによる本来的な圧力脈動に依れば、流れ面積が収縮する結果として、上記流体は今や活性化されたキャビテーション核により調節され、且つ、流れ形状輪郭形成器領域16の下流区画においては、流れ内に埋め込まれた活性化キャビテーション気泡と純粋な流体との混合物が獲得される。

調節された流れは、キャビテーション増進器モジュール20に進入する。該キャビテーション増進器モジュール20は滞留調節区画22から成り、該区画は、後ろ向き段部輪郭形状25上に構築され且つ流れ調節区画24に対して結合される。流体噴流の剪断作用に依り、該噴流が後ろ向き段部領域25に進入するとき、キャビテーション増進が行われる。更に、滞留調節区画22の取入口の直近拡開部における低圧領域は、キャビテーション増進モジュール20内において、低圧領域に帰着する。結果的な上記低圧区画は、キャビテーション気泡成長に対する且つ拡散過程に対する滞留時間を増加する。更に上記流体は、今やキャビテーション・クラスタを含み、且つ、滞留調節区画22の壁部に衝当することで、上記混合物における静的圧力の増大に帰着する。これは、局所的なキャビテーション崩壊効果に帰着する。

この際に、キャビテーション増進器モジュール20は、微粒化器の外部への一定の直径の断面を通し、該キャビテーション増進器モジュール20の出口28へと正面に向かう崩壊しつつあるキャビテーション流を加速する。適切な振動子特性を利用することにより、キャビテーション増進器モジュール20の出口28において崩壊するキャビテーション・クラスタの特性は、振動子18の動作周波数に同調して応答せしめられる。

本発明の種々の実施例および原理に関する上記記述は、例示および説明の目的で呈示された。それは、網羅的であること、または、発明を開示された厳密な形態に制限することは意図されていない。当業者であれば、多くの代替策、改変および変更が明らかであろう。更に、複数の発明的見地および原理が呈示されたが、これらは組み合わせて利用される必要はなく、上記に提供された種々の実施例に鑑みて発明的見地および原理の種々の組み合わせが可能である。故に上記説明は、本明細書において論じられもしくは示唆された全ての可能的な代替策、改変、見地、組み合わせ、原理および変更、ならびに、各請求項により定義された発明の原理、精神および有効範囲内に収まる他の全てのものを包含することが意図される。

Claims (21)

1. 微粒化ノズル・アセンブリを備える、流体を微粒化する装置であって、
   前記微粒化ノズル・アセンブリは、
   流体進入区画を有する噴霧付与器囲繞体と、
   流れ形状輪郭形成器領域と、
   前記流れ形状輪郭形成器領域内に配置された振動子と、
   キャビテーション増進器モジュールであって、該キャビテーション増進器モジュールは滞留調節区画を備え、該滞留調節区画は後ろ向き段部領域を備える、というキャビテーション増進器モジュールと、を備え、
   前記装置は、流体が前記流体進入区画に進入し、前記流れ形状輪郭形成器領域、前記振動子および前記キャビテーション増進器モジュールに至る如く構成される、装置。
2. 前記振動子は圧電振動子を備える、請求項１に記載の装置。
3. 大きな流速および／または低い粘度の用途に対して更に構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記後ろ向き段部領域は、前記流体に対して剪断作用を生成すべく構成される、請求項１に記載の装置。
5. 少なくとも一個の圧電振動子支持要素を更に備える、請求項２に記載の装置。
6. 前記圧電振動子は前記流体に対してノズル軸心に平行な軸心方向様式で振動動作を実施する、請求項２に記載の装置。
7. 前記圧電振動子は前記流体に対して角突き動作を行う、請求項２に記載の装置。
8. 前記圧電振動子は先端を備える、請求項２に記載の装置。
9. 前記先端は圧力低下を最大化すべく且つキャビテーション核を活性化すべく構成される、請求項８に記載の装置。
10. 前記先端は凹状である、請求項９に記載の装置。
11. 前記先端は、指数型輪郭形状を用いて局所的な流動場へと適応すべく構成された形状を備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記後ろ向き段部領域は単一の段部を備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記後ろ向き領域は複数の段部を備える、請求項１に記載の装置。
14. 前記流れ形状輪郭形成器は流れ加速を提供すべく構成される、請求項１に記載の装置。
15. 前記流れ形状輪郭形成器は先細の輪郭形状を備える、請求項１４に記載の装置。
16. 微粒化装置における流体進入区画を通して加圧流体流を受容する段階であって、前記微粒化装置は、前記流体進入区画を有する噴霧付与器囲繞体と、流れ形状輪郭形成器領域と、前記流れ形状輪郭形成器領域内に配置された振動子と、キャビテーション増進器モジュールであって、該キャビテーション増進器モジュールは滞留調節区画を備え、該滞留調節区画は後ろ向き段部領域を備える、というキャビテーション増進器モジュールとを備えるという段階と、
    前記流体が前記流れ形状輪郭形成器領域に向けて軸心方向に流れることを許容する段階と、
    ノズル軸心に平行な軸心方向様式で前記流体を縦断する振動動作を実施する段階と、
    前記流体が前記滞留調節区画の前記後ろ向き段部領域に進入するときに該流体を剪断する段階とを有する、
    流体を微粒化する方法。
17. 前記微粒化装置から前記流体を放出する段階を更に有する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記流れ形状輪郭形成器領域は先細状とされる、請求項１６に記載の方法。
19. 前記振動子は圧電振動子を備える、請求項１６に記載の方法。
20. 前記圧電振動子は、指数型輪郭形状を用いて局所的な流動場へと適応すべく構成された形状を備える、請求項１９に記載の方法。
21. ａ）装置において加圧流体流を受容する段階と、
    ｂ）前記装置におけるノズルを通して前記流体を加速する段階と、
    ｃ）ノズル軸心に平行な方向において前記流体に対して超音波振動を実施して前記ノズルの下流に低圧の領域を生成し、圧力脈動を引き起こすと共に、活性化されたキャビテーション核により前記流れを調節する段階と、
    ｄ）前記調節された流れに対して剪断作用を付与してキャビテーションを増進する段階と、
    ｅ）低圧領域を生成してキャビテーションに対する滞留時間を増加する段階と、
    ｆ）前記流体を壁部上に衝当させ、静的圧力を増大すると共に局所的なキャビテーション崩壊効果を引き起こす段階と、
    ｇ）前記装置の出口に向かう崩壊したキャビテーション流を加速する段階とを有する、
    流体を微粒化する方法。

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