JP2012125711A - 気液混合ユニット及び気液噴霧ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡素化でき、水量が広範囲に亘っても、均一かつ安定して噴霧量を制御できる気液混合ユニット及び気液噴霧ノズルを提供する。
【解決手段】気液混合流体をノズル本体に供給するための気液混合ユニット２０は、気液流路２３を備えた断面中空状の気液導入本体２２と、気液導入本体の上流部に装着した気体導入ユニット４と、気液導入本体２２の軸方向に対して直交する方向に装着した液体導入ユニット１７と、液体導入ユニットの液体導入路８の開始端から気液流路２３に至る間に形成され、液体が拡散又は乱流化可能な液体乱流部（気液混合チャンバー）３０とを備えている。液体乱流部は、ラセン状貫通孔の形態の液体導入路で構成してもよく、液体導入路の下流部に形成された内径が大きな液体乱流部で構成してもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、気体と液体（例えば、空気と冷却水）の二種類の流体を混合してノズルから噴射又は噴霧するのに有用な気液混合ユニット及びこの気液混合ユニットを備えた気液噴霧ノズル、特に、連続鋳造ラインでの二次冷却などに有用な気液噴霧ノズルに関する。

気液噴霧ノズルは、製鐵分野、特に、連続鋳造ラインでの冷却に広く利用されており、水量が広い範囲に亘っても、均一に噴霧可能であり、噴霧量を安定して制御できることが必要である。また、簡易かつ安価で均一な噴霧が実現できるノズル構造が望まれている。このようなノズル構造として、特公平４−１０３８５号公報（特許文献１）には、先端部に形成された湾曲内周面と、この内周面に形成されたオリフィスと、このオリフィスの両側縁に形成され、混合気液の噴霧角度を規制する規制面とを備えた気液噴霧ノズルが開示されている。また、特公平４−１０３８６号公報（特許文献２）には、先端部に形成された湾曲内周面と、この内周面に形成されたオリフィスとを備え、前記湾曲内周面が、下流方向にいくにつれて漸次小径となる複数段の湾曲内周面部で構成されている気液噴霧ノズルが開示されている。さらに、これらの文献には、前記気液噴霧ノズルを装着するための気液混合装置が、このノズルが装着される噴射管と、この噴射管の上流部に軸芯方向に装着され、前記オリフィスに向かって液体を噴射するための液体噴射ノズルと、この液体噴射ノズルの噴射流路の外周部に形成された環状空間に気体を噴射する気体噴射口と、前記環状空間に連通し、前記環状空間の下流部に、軸芯方向に対して傾斜して形成され、液体噴射流路からの噴射液体の外周に、気体を噴射するための環状流路とを備えていることも開示されている。

しかし、これらの特許文献に記載のノズルは、液体噴射ノズルの噴射流路の外周部に環状空間を形成し、この環状空間に連通し、かつ傾斜した環状流路を形成する必要があり、ノズル装置の気液混合構造が複雑化する。

特開平７−２２２９４３号公報（特許文献３）には、気液導入本体の軸方向に装着された気体導入体と、気液導入本体の周部に前記気体導入体の設置方向に対して直角方向に装着された液体導入体と、気液導入本体に装着され、気体と液体とを混合して気液を給送する給送管と、この給送管に装着され、かつ噴霧口を有するノズル体とを備えた気液噴霧用ノズルが開示されている。このノズルにおいて、液体導入体の液体導入口に連通して、直角方向から軸方向に曲がって気液導入本体の軸芯方向に延びる液体路と、気体導入体の気体導入口に連通し、液体路の周囲に軸方向に延びて形成された気体路とを備え、給送管が、液体路と通じる内側の液体流通管および気体路に通じる外側の気体流動管とを形成する二重管と、この二重管の下流部に形成された絞り管とを有している。また、気液導入本体に、円周方向に離間して複数の気体路を形成することも記載されている。この文献のノズルでは、二重管の先端部近傍即ち直下流において中心部を流れる液体流に対してその周部側から空気流が衝突するため、液体流に対して相対的に大きな微細化作用が加わることが記載されている。

しかし、この文献に記載の気液噴霧ノズルは部品点数が多く、製作コストが高価となる。また、二重管構造や周方向に間隔をおいて気体路を形成するため、ノズル本体の構造が複雑化する。一方、このようなノズルにおいて、ノズル構造を簡素化すると、水圧を大きくしても水量が増大しない現象が生じ、噴霧特性を制御できない場合がある。

特公平４−１０３８５号公報（特許請求の範囲、第５欄１７行〜４４行、図３） 特公平４−１０３８６号公報（特許請求の範囲、第４欄２１行〜第５欄４行、図３） 特開平７−２２２９４３号公報（特許請求の範囲、段落［００１１］、図１）

従って、本発明の目的は、簡単な構造で、水量が広範囲に亘っても、均一に噴霧でき、噴霧量を安定して制御するのに有用な気液混合ユニット及びこのユニットを備えた気液噴霧ノズルを提供することにある。

本発明の他の目的は、構造を簡素化でき、安価に製造できる気液混合ユニット及びこのユニットを備えた気液噴霧ノズルを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、広範囲の水量で、均一かつ安定して噴霧量を制御できる方法（特に、連続鋳造ラインで圧延鋼板を冷却（又は二次冷却）する方法を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、構造を簡素化して、気液導入ユニットに対して、軸方向に気体又は液体導入ユニットを装着し、半径方向に液体又は気体導入ユニットを装着した気液噴霧ノズルでは、水圧を増加させても水量が増加しない特異領域（圧力依存性のない領域）が現れ、噴霧量の制御（冷却制御）ができなくなること、このような気液噴霧ノズルであっても、液体導入路の開始端から気液流路に至る間（液体導入ユニットに隣接する下流域）に、少なくとも液体が拡散可能な拡散部（解放域又は解放部）を形成すると、前記特異領域が消失し、広い水量の範囲であっても、均一かつ安定して噴霧量を制御できることを見いだした。本発明は、これらの知見に基づき、さらに改良を重ねた結果を完成したものである。

すなわち、本発明の気液混合ユニットは、気液混合流体をノズル本体に供給するための気液流路を備えた断面中空状の気液導入本体と、この気液導入本体の上流部に、気液導入本体の軸方向に第１の流体導入路を向けて装着され、かつ前記気液流路に気体及び液体のうち一方の流体を導入するための第１の流体導入ユニットと、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向（例えば、直交する方向）に第２の流体導入路を向けて前記気液導入本体に装着され、かつ前記気液流路に他方の流体を導入するための第２の流体導入ユニットと、前記第２の流体導入路の開始端から気液流路に至る間（前記液体導入路に隣接する下流部など）に形成され、かつ少なくとも気体及び液体のうち一方の流体が拡散又は乱流化可能な流体乱流部とを備えている。

このような気液混合ユニットにおいて、気液導入本体の上流部に、気液導入本体の軸方向に気体導入路を向けて装着され、かつ前記気液流路に気体を導入するための気体導入ユニットと、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向に液体導入路を向けて前記気液導入本体に装着され、かつ前記気液流路に液体を導入するための液体導入ユニットとを備えていてもよく、流体乱流部が液体乱流部として形成されていてもよい。

また、第１及び第２の流体気体導入路のうち液体を導入するための導入路（液体導入路）の内径に対する長さの比（長さ／径）は、１以下であってもよい。流体乱流部（液体乱流部など）は、第２の流体導入ユニット（液体導入ユニットなど）の軸方向に対してラセン状又は斜め方向に延び、かつ第２の流体導入路（液体導入路など）を形成する貫通孔（斜め流路部など）を備えていてもよい。さらに、流体乱流部（液体乱流部など）は、第２の流体導入路（液体導入路など）の下流部に形成され、第２の流体導入路（液体導入路など）よりも内径が大きな流体導入チャンバー（液体拡散部、液体拡散室などの液体導入チャンバーなど）で構成してもよく、流体乱流部（液体乱流部など）は、第２の流体導入路（液体導入路など）に隣接して形成され、かつ第２の流体導入路（液体導入路など）からの流体と第１の流体導入路（気体導入路など）からの流体とを混合可能な気液混合チャンバー（気液混合室など）としてもよい。このような形態の流体乱流部（液体乱流部など）は、液体を導入するための導入ユニットの軸方向に対して斜め方向に延びる斜め流路部、液体を拡散又は解放させるための液体拡散部、解放域又は解放室などということもできる。

さらには、本発明は、液体を導入する導入ユニットの液体導入路の内径が小さく、前記特異領域（水圧を増加させても水量が増加しない特異領域）が現れやすい気液噴霧ノズルに適用するのに有用である。液体を導入するための液体導入路の内径は１〜４ｍｍ程度であってもよい。また、第１及び第２の流体気体導入路のうち気体を導入するための導入路（例えば、気体導入路）の内径を１００としたとき、液体を導入するための液体導入路の内径は１０〜６０程度であってもよい。なお、前記特異領域は、液体の流量（例えば、水量）が多く、気体の流量（例えば、空気量）が少ない条件（例えば、水量が１．７〜２．６Ｌ／分，空気量が２７ｍ^３／ｈｒ以下の条件）などで生じる場合が多い。

本発明の気液噴霧ノズル（又はノズル装置）は、前記気液混合ユニットと、この気液混合ユニットからの気液混合流体をオリフィスから噴射するためのノズル本体とを備えている。気液噴霧ノズル（又はノズル装置）は、気液混合ユニットとノズル本体との間に介在する中間気液導管を備えていてもよい。

本発明は、前記気液混合ユニットの第１の導入ユニットから気体及び液体のうち一方の流体（例えば、気体導入ユニットから気体）を気液導入本体へ導入するとともに、第２の導入ユニットから他方の流体（例えば、液体導入ユニットから液体）を気液導入本体へ導入し、流体乱流部（液体乱流部、液体拡散部など）で少なくとも液体を拡散させ、気液混合流体をノズル本体のオリフィスから噴射する方法も包含する。この方法は、気液混合流体をノズル本体のオリフィスから噴射し、連続鋳造ラインで圧延鋼板を冷却（二次冷却）するのに有用である。

本発明では、直管状に長く延びた液体導入路により整流状態の液体を直接的に気体と合流させることなく、液体導入路又はその下流域に液体乱流部（液体拡散部、解放域又は解放室）を形成するため、液体導入路からの液体を乱流化させ、気体導入路からの気体と効率よく合流させ混合できる。そのため、構造を複雑化することなく、広範囲の液体の流量、特に、液体の流量（例えば、水量）が多く、気体の流量（例えば、空気量）が少ない条件であっても、均一に噴霧できるとともに、安定して噴霧量をコントロールできる。

なお、本明細書中、「液体導入路の長さ」とは、液体導入路が軸方向に対して斜め方向に延びる場合には、液体導入路の開口端に対する開始端の高さ（開口端と開始端との鉛直方向の長さ）を意味する。

本発明では、液体導入路に液体乱流部を形成すればよいため、気液混合ユニット及び気液噴霧ノズルの構造を簡素化できる。しかも、液体乱流部により液体と気体とを効率よく混合でき、水量が広範囲に亘っても、均一に噴霧でき、噴霧量を安定して制御できる。また、構造を簡素化できるため、気液混合ユニット及び気液噴霧ノズルを安価に製造できる。そのため、連続鋳造ラインで圧延鋼板を冷却（二次冷却）するのに適している。

図１は本発明の気液噴霧ノズルを示す概略図である。 図２は図１の気液噴霧ノズルの気液混合ユニットを示す概略断面斜視図である。 図３は本発明の他の気液混合ユニットを示す概略断面図である。 図４は図３の気液混合ユニットを示す概略断面斜視図である。 図５は本発明のさらに他の気液混合ユニットを示す概略断面図である。 図６は実施例１での水量及び空気量の圧力依存性を示すグラフである。 図７は実施例２での水量及び空気量の圧力依存性を示すグラフである。 図８は実施例３での水量及び空気量の圧力依存性を示すグラフである。 図９は、長い直管状液体導入路を備え、比較例１で用いた気液混合ユニットを示す概略断面図である。 図１０は比較例１での水量及び空気量の圧力依存性を示すグラフである。

以下に、添付図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１及び図２に示す気液噴霧ノズル（気液混合ユニット１）は、軸方向に円筒状気液流路３を備えた断面中空筒状の気液導入本体２と、この気液導入本体２の上流端に装着（又は螺合）可能な気体導入ユニット４と、前記気液導入本体２の周面に装着（又は螺合）可能な液体導入ユニット７と、気液導入本体２の下流部に装着（又は螺合）可能な中間気液導管１１と、この気液導管の下流部に装着（又は螺合）可能なノズル本体１２とを備えている。

前記気体導入ユニット４の軸芯には、上流端から下流方向にいくにつれて円筒状流路幅が連続的又は段階的に狭まる傾斜流路５と、この傾斜流路に連なる円筒状気体導入路６とがそれぞれ所定の長さに形成され、前記気体導入路６は、前記気液流路３に気体を導入するため、気液導入本体２の軸方向（気液流路３）に向かって同軸に延びている。

前記液体導入ユニット７は、前記気液導入本体２の周面に、前記気液導入本体２の軸方向に対して直交する方向に装着され、液体導入ユニット７の軸芯には、上流端から下流方向にいくにつれて、円筒状流路に連なり、内径が小さな円筒状液体導入路８と、この液体導入路に連なり、かつ内径が大きな円筒状流路（解放流路又はチャンバー）９とがそれぞれ所定長さに形成されている。また、液体導入路８は、前記気液流路３に液体を導入するため、前記気体導入路６の開口端よりも下流側で気液流路３に臨んでおり、液体導入路８からの液体は、前記気体導入路６の開口端の下流域で気体導入路６からの気体と合流する。

このような構造の気液噴霧ノズルにおいて、前記液体導入路８が直管状で長く、かつ気液流路３の軸方向に対して直交する方向に延びていると、特定の条件で、水圧を増加させても水量が増加しない特異領域が現れる。特に、液体導入路８の流路径が小さなノズルでは前記特異領域が現れやすい。すなわち、各種の噴霧条件で噴霧させ、水圧、水量、空気圧、空気量の関係を調べると、図１０に示すように、液体の流量（例えば、水量）が多く、気体の流量（例えば、空気量）が少ない条件（例えば、水量が１．７〜２．６Ｌ／分，空気量が２７ｍ^３／ｈｒ以下の条件）などで前記特異領域が現れやすい。このような気液噴霧用ノズルを、製鋼過程での連続鋳造の冷却に用いると、前記特異領域では噴霧量の制御が不能となり、結果的に冷却制御ができなくなる。

そこで、この例では、図１及び図２に示されるように、前記液体導入路８からの液体を乱流化させるため、液体乱流部１０ａとしての液体導入路８を、液体導入ユニット７の軸方向に対してラセン状又は斜め方向に延びる貫通孔（斜め流路など）で形成している。さらに、液体導入路８（液体乱流部１０ａ）の下流端には、流路径が大きく開放した液体乱流部（液体拡散室、開放部など）１０ｂが形成されている。この例では、ラセン状又は斜め方向に延びる貫通孔（斜め流路など）８は、液体導入ユニット７の流路の先端部に装着又は配設された中子７ａに形成されている。なお、この中子７ａも液体導入ユニット７を形成する。液体導入路（貫通孔）８は、液体導入ユニット７の軸方向に対して２０〜６０°程度の角度で傾斜している。また、液体導入路８の流路径は、気体導入路６の流路径よりも小さく形成され、この例では、液体導入路８の流路径は１〜２ｍｍ程度であり、気体導入路６の流路径を１００としたとき、液体導入路８の流路径１５〜３０程度である。液体導入路８の内径に対する長さの比（長さ／内径）は、２〜５程度に形成されている。液体導入路８の全長（オリフィスの長さ）は５〜７ｍｍ程度、液体導入路８の長さ（中子７ａの厚みに相当する高さ）は２．５〜３．５ｍｍ程度である。

なお、中子７ａの貫通孔（液体導入路８）の開口端（下流側開口端）は、開口端（下流側開口端）よりも流路径が大きく、円筒状流路の形態で、気液導入本体２の内壁に形成された液体乱流部（液体拡散室、開放部など）１０ｂと連通している。すなわち、気体導入ユニット４の下流部には、貫通孔（液体導入路８）と連通して、前記開口端よりも流路径が大きく（特に急激に大きくなり）、かつ気液導入本体２の気液流路３に延びる液体乱流部（解放流路）１０ｂが形成されている。

前記中間気液導管１１は、前記気液導入本体２の気液流路３と軸芯を同じくして延びる中空円筒状の直管状流路を備えており、ノズル本体１２は、中間気液導管１１の流路と同軸に延びる円筒状流路と、この円筒状流路の下流部で内径が小さく形成され、下流方向にいくにつれて流路径が湾曲して狭まる吐出流路１３と、ノズル本体１２の先端部で吐出流路１３を半径方向に横断するオリフィス（切り欠き溝）１４とを備えている。

このような気液噴霧ノズルでは、液体導入ユニット７の液体導入路８が液体乱流部１０ａとして機能するラセン状又は斜め流路の形態で形成し、さらに液体導入路８の下流域には、内径が大きく、液体をさらに乱流化させるのに有用な液体乱流部（又は液体開放部）１０ｂを形成しているため、液体導入路８からの液体を乱流化させて気体導入ユニット４の気体導入路６からの気体と合流させ混合できる。そのため、液体導入路８の内径が小さくても、液体の広い流量域でも安定かつ均一に気液混合流体を噴霧できる。しかも、中子７ａを利用してラセン状又は斜め流路を形成すればよいため、構造を複雑化させることなく、簡単な構造で気液混合流体を安定かつ均一に噴霧できる。

図３は本発明の他の気液混合ユニット２０を示す概略断面図、図４は図３の気液混合ユニット２０を示す概略断面斜視図である。なお、図１と同一の部材又は要素には同一の符号を付して説明する（以下、同じ）。

この例では、液体導入ユニット１７の液体導入路８は細く短く形成され、液体導入路８の下流部には、液体導入路８に隣接して、容積が大きく、かつ液体導入路８からの液体と気体導入路６からの気体とを混合可能な気液混合チャンバー（気液混合部など）３０が形成されている。この気液混合チャンバー（気液混合室など）３０は液体乱流部として機能する。なお、この例では、気液導入本体２２は、ノズル本体１２に至る気液流路２３を備えており、前記図１及び図２に示す中間気液導管の機能も兼ね備えている。より具体的には、液体導入ユニット１７の円筒状流路には、上流から下流方向にいくにつれて、内径が次第に小さくなる傾斜流路２１ａと、この傾斜流路の下流端に連なる円筒状流路２１ｂと、その円筒状流路の下流端から内径が次第に狭まる傾斜流路２１ｃとが形成され、この傾斜流路２１ｃの下流端が液体導入路８と通じている。液体導入路８は、細くて短く、例えば、流路径２〜３ｍｍ程度、長さ０．５〜１．５ｍｍ程度の円筒状流路として形成され、液体導入路８の内径に対する長さの比（長さ／径）は、０．２５〜０．５程度に形成されている。また、液体導入路８の下流に形成された気液混合チャンバー（気液混合室など）３０は、液体導入路８の下流端から急激に内径が大きくなって液体導入路８の下流方向（気液流路２３の軸方向に直交する方向）に延びており、液体導入路８の下流側の気液導入本体２２の内壁と、液体導入路８と対向又は対峙する気液導入本体２２の内壁とには、気液流路２３を横断した形態で、円筒状凹部３０ａ，３０ｂが形成されている。気液混合チャンバー（気液混合室など）３０は、内径１２〜２０ｍｍ程度、長さ１５〜２０ｍｍ程度の円筒状混合流路（空間）として形成されている。なお、液体導入路８の下流端に形成された円筒状凹部３０ａは、液体導入路８からの液体が急激に解放される解放部（拡散部又は解放域）としても機能する。

このような気液混合ユニット３０を用いると、液体導入路８からの液体は、気液混合チャンバー３０に至ると急激に減速するため、チャンバー３０内で急激に解放又は拡散する。そのため、液体導入路８からの液体と気体導入路６からの気体とを効率よく合流させて混合できる。従って、液体の流量を広い範囲で変動させても、均一に気液混合でき、均一な噴霧量で安定して噴霧できる。

図５は本発明のさらに他の気液混合ユニットを示す概略断面図である。この例の気液混合ユニット３０では、液体導入ユニット２７は、前記図４と同様に、円筒状流路の下流方向には、傾斜流路２１ａ、円筒状流路２１ｂ、傾斜流路２１ｃとが形成され、この傾斜流路２１ｃの下流端は、細くて短い液体導入路８に連なっている。なお、この例では気液流路３を有する気液導入本体２、この気液導入本体２とノズル本体１２とを接続する中間気液導管１１は、前記図１及び図２と同様に形成されている。そして、気液導入本体２２のうち液体導入路８の下流端（気液導入本体２の内壁）には、内径が大きな（特に内径が急激に大きくなる）液体乱流部（チャンバー又は解放拡散部）４０が円筒状凹部の形態で形成されている。

このような気液混合ユニット３０でも、液体導入路８からの液体は、液体導入チャンバー（液体拡散部、液体拡散室など）３０に至ると急激に拡散して減速するため、チャンバー３０内で急激に解放又は拡散し、乱流化される。そのため、液体を乱流化した状態で、液体導入路８からの液体と気体導入路６からの気体とを効率よく合流させて混合できる。従って、液体の流量を広い範囲で変動させても、均一に気液混合でき、均一な噴霧量で安定して噴霧できる。

なお、前記の例では、気液導入本体の上流部に気体導入ユニットを装着し、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向に液体導入ユニットを装着し、流体乱流部で液体を乱流化させているが、気液混合ユニットは、上記とは逆に、気液導入本体の上流部に装着した液体導入ユニットにより、気液導入本体の軸方向に液体導入路を向けて液体を導入し、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向に装着した気体導入ユニットにより、前記気液流路に気体導入路を向けて気体を導入し、流体乱流部で気体を乱流化させてもよい。すなわち、気液混合ユニットは、気液導入本体の上流部に第１の流体導入ユニットを装着し、気液導入本体の軸方向に第１の流体導入路を向けて前記気液流路に気体及び液体のうち一方の流体を導入し、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向に第２の流体導入路を向けて前記気液導入本体に第２の流体導入ユニットを装着し、前記気液流路に他方の流体を導入し、前記第２の流体導入路の開始端から気液流路に至る間に、少なくとも気体及び液体のうち一方の流体を流体乱流部で拡散又は乱流化させればよい。なお、気液混合ユニットにおいて、第１の流体導入ユニットは気体導入ユニットであり、第２の流体導入ユニットは液体導入ユニットである場合が多い。そのため、以下の説明においては、第１の流体導入ユニットを気体導入ユニット、第２の流体導入ユニットを液体導入ユニットとして説明する。

本発明の気液混合ユニットにおいて、気液導入本体は、気液混合流体をノズル本体に供給可能であり、気液流路を備えた断面中空状であればよく、通常、軸芯に沿って気液流路が形成されている。この気液流路は中空で先細状であってもよいが、通常、同じ内径で中空円筒状に形成する場合が多い。また、気液導入本体の上流部に装着された気体導入ユニットは、気液導入本体の軸方向（又は気液流路に対して）に気体導入路を向けて配設されている。この気体導入路は、前記気液流路に気体を導入可能であればよく、同じ内径で形成してもよいが、通常、段階的又は連続的に先細状に形成する場合が多い。気体導入路は、コンプレッサなどの気体供給源に接続されている。

液体導入ユニットは、液体導入路を気液導入本体の軸方向（又は気液流路）に対して交差する方向（例えば、直交する方向）に向けて配設されており、液体導入路を通じて、気液流路に液体を供給する。

一般的に、前記簡単な構造の気液噴霧ノズルでは、液体導入ユニットの液体導入路の内径が小さいと、前記特異領域（水圧を増加させても水量が増加しない特異領域）が現れやすい。特に、液体導入路が直管状に延び、かつ内径が小さく長い場合に前記特異領域が現れやすい。このことは、液体導入路が直接的に直管状に長く延びて気液導入本体の気液流路に至ると、液体が直線状に気体流路に導入され、気体との混合効率が低下することに起因すると思われる。そのため、直管状に延びる液体導入路を備えた気液噴霧ノズルでは、液体導入路の内径に対する長さの比（長さ／径）が小さいのが好ましく、例えば、液体導入路の内径に対する長さの比（長さ／径）は１以下（例えば、０．１〜１、好ましくは０．２５〜０．９５（例えば、０．４〜０．９）、さらに好ましくは０．５〜０．８５程度）であってもよい。液体導入路の内径は１〜４ｍｍ（例えば、１．２５〜３．５ｍｍ、好ましくは１．５〜３ｍｍ）程度であってもよく、気体導入路の内径を１００としたとき、液体導入路の内径は１０〜６０（例えば、１５〜５０、好ましくは２０〜４５、特に、２０〜４３）程度であってもよい。

さらに、液体導入路が直接的に直管状に長く延びて気液導入本体の気液流路に至ると、液体を乱流化しにくくなり、前記特異領域の発生しやすくなると思われる。前記特異領域の発生を防止するためには、液体導入路の開始端から気液流路に至る間（前記液体導入路、液体導入路の途中部又は前記液体導入路に隣接する下流部）に液体乱流部を形成するのが有利である。この液体乱流部は、少なくとも前記液体導入路からの液体を拡散又は乱流化可能であればよく、非直管状又は非直線状の流路（例えば、液体導入ユニットの軸方向に対して交差する方向に延びる流路など）の形態の液体導入路、直管状の液体導入路の途中部又は下流部に形成され、内径又は容積の大きなチャンバー（液体拡散室、液体解放部）で構成できる。なお、チャンバー（液体拡散室、液体解放部）と通じる液体導入路は、必ずしも直管状の流路である必要はなく、非直管状又は非直線状の流路であってもよい。なお、前記液体乱流部は、液体を拡散又は解放させるための液体拡散部、解放域又は解放室などということもできる。

液体乱流部のうち非直管状又は非直線状の流路は、液体導入ユニットの軸方向に対して交差する方向（特に、斜め方向）に延びる流路（斜め流路、ラセン状流路など）で構成してもよく、通常、液体導入路は、液体導入ユニットの軸方向に対して斜め方向に延びる貫通孔（ラセン状貫通孔など）の形態で形成されている。液体乱流部又は液体導入路がラセン状又は斜め方向に延びる貫通孔を備えている場合には、液体導入路の内径に対する長さの比（長さ／径）は１以上（例えば、１〜２０、好ましくは２〜１５、特に３〜１０程度）であっても、気液混合流体を均一に噴霧できる。なお、中子は必ずしも必要ではなく、前記非直管状の流路（液体乱流部）は液体導入ユニットの液体導入路に直接的に形成してもよいが、非直線状流路の形成効率の点から、液体導入ユニットの先端部に装着される中子に形成するのが有利である。

液体導入路の下流部に形成され、かつ液体導入路よりも内径が大きな液体乱流部（液体導入路に隣接して形成された液体乱流部）は、液体導入路からの液体と気体導入路からの気体とを混合可能であればよく、通常、液体解放部（解放流路など）、気液混合チャンバー（気液混合部など）として構成されている。液体乱流部は、液体導入路の開口端から両側部方向に、急激に（液体導入路の軸線方向に対して直交する方向に）拡がっていてもよく、下流方向にいくにつれて両側部方向に傾斜して（例えば、直線的又は湾曲した形態で）拡がっていてもよい。液体導入路の下流に液体乱流部（液体解放部（解放流路など）、気液混合チャンバー（気液混合部など））を形成する場合、液体導入路の内径及び長さは特に制限されず、例えば、細長い流路（例えば、流路径１〜４ｍｍ程度、長さ５〜１０ｍｍ程度）、内径及び長さが大きい流路（例えば、流路径３〜６ｍｍ程度、長さ５〜１０ｍｍ程度）、内径が大きく長さが短い流路（例えば、流路径３〜６ｍｍ程度、長さ１〜５ｍｍ程度）であってもよい。さらに、液体導入路はラセン状であってもよく液体導入ユニットの軸方向に対して傾斜していてもよい。また、液体導入路の内径「１」に対して、液体解放部（解放流路など）や気液混合チャンバー（気液混合室など）の内径は、例えば、２〜２５（例えば、３〜２０、好ましくは４〜１５、さらに好ましくは５〜１０）程度であってもよい。さらに、液体導入路の容積「１」に対して、液体解放部（解放流路など）、気液混合チャンバー（気液混合室など）の容積は、例えば、５〜１０００、好ましくは１０〜７５０（例えば、２０〜５００）、さらに好ましくは２５〜３００（例えば、５０〜２５０）程度であってもよい。

なお、噴霧ノズルの全長（気体導入方向の軸線と液体導入方向の軸線との交点又は合流点からノズル先端部又は流路の開口部までの長さ）が短くなると、気液混合の機会が減少するため、前記特異領域が発生しやすくなる。しかし、気液混合チャンバー（気液混合部など）を形成すると、気液混合部とノズル先端との距離が短くても（例えば、１００ｍｍ以下（例えば、３０〜１００ｍｍ、特に５０〜８０ｍｍ程度）という短い長さであっても）、気液混合流体を均一に噴霧できる。なお、噴霧ノズルの長さ（前記交点又は合流点からノズル先端部又は流路の開口部までの長さ）は、例えば、５０〜２５００ｍｍ、好ましくは６０〜２０００ｍｍ、さらに好ましくは１００〜１７５０ｍｍ程度であってもよい。

このような気液混合ユニットを用いると、液体導入ユニットの液体導入路の内径が小さく、前記特異領域（水圧を増加させても水量が増加しない特異領域）が現れやすい気液噴霧ノズルであっても、前記特異領域の発生を有効に防止できる。なお、前記特異領域は、液体の流量（例えば、水量）が多く、気体の流量（例えば、空気量）が少ない条件、例えば、水量が１．７〜２．６Ｌ／分（例えば、１．８〜２．５Ｌ／分），空気量が２７ｍ^３／ｈｒ以下（例えば、５〜２５ｍ^３／ｈｒ）の条件などで生じる場合が多い。

本発明の気液噴霧ノズル（又はノズル装置）は、前記気液混合ユニットと中間気液導管とノズル本体とを備えている。前記中間気液導管は、同じ内径の流路を備えていてもよく、下流方向に向かって流路径が小さくなる先細状の流路を備えていてもよい。さらに、必要であれば、中間気液導管の流路は、適所にて流路径が狭まる絞り流路を備えていてもよい。なお、中間気液導管は必ずしも必要ではない。

ノズル本体は、気液混合流体を噴霧又は噴射可能であればよく、ノズル本体の構造は特に制限されない。ノズル本体は、下流方向に向かって段階的又は連続的に流路径が狭まる流路を有する場合が多く、流路径は直線的又は湾曲して狭まってもよい。このような流路は、ノズル本体内の先端部に装着されるノズルチップの流路で形成してもよい。ノズル本体又はノズルチップの先端部にはオリフィスが形成されており、このオリフィスは、ノズル本体又はノズルチップの先端部で開口した流路を横断して、例えば、スリット状オリフィスを形成してもよい。

さらに、ノズル本体又はノズルチップには、オリフィスの開口部（吐出口）から下流方向に向かって、気液混合流体の噴霧方向又は噴霧幅などを制御又は規制するための規制壁などを対向して形成してもよい。この対向する規制壁は、下流方向（又は噴霧方向）に向かって、狭まっていてもよく拡がっていてもよい。

本発明では、前記気液混合ユニット又は気液噴霧ノズルを用いることにより、前記気液混合ユニットの気体導入ユニットから気液導入本体の気液流路へ気体を導入するとともに、液体導入ユニットから気液導入本体の気液流路へ液体を導入すると、液体乱流部（液体拡散部など）で少なくとも液体を拡散させることができる。そのため、液体と気体とを効率よく混合して、気液混合流体をノズル本体のオリフィスから噴射又は噴霧できる。このような方法は、気液混合流体をノズル本体のオリフィスから噴射又は噴霧し、連続鋳造ラインで圧延鋼板を冷却（二次冷却）するのに有用である。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

実施例１〜３
図３に示す気液混合ユニット（実施例１），図４に示す気液混合ユニット（実施例２）及び図５に示す気液混合ユニット（実施例３）を用いて、図１に示す構造の気液噴霧ノズルを構築した。

比較例１
図９に示す気液混合ユニット（比較例１）を用いる以外、実施例１〜３と同様にして図１に示す構造の気液噴霧ノズルを構築した。この気液混合ユニットは、液体導入路８が直管状で長く、液体乱流部（チャンバー）３０を備えていない点を除き、図３及び図４に示すユニットと同様に構造を有している。

そして、空気圧０．１〜０．５ＭＰａ、水圧０．０５〜０．６ＭＰａの範囲で、圧力と流量との関係（圧力依存性）を調べた。結果を表１、図６〜図８（実施例１〜３）及び図１０（比較例１）に示す。

表１及び図面から明らかなように、比較例１では、水量が圧力と相関性のない領域（水圧を増加させても水量が増加せず、圧力依存性のない領域）が認められ、この領域では噴霧量を制御できなかった。それに対して、実施例では、空気量及び水量が圧力と相関性があり、噴霧量を広い範囲で制御可能であった。特に、実施例２では、気液混合部とノズル先端との距離が１００ｍｍ以下という短い長さであっても、均一な噴霧に有効であった。

本発明は種々の物品の洗浄、冷却などに利用でき、特に、鋼板表面（特に熱間圧延工程での鋼板表面）の冷却に有用である。

１，２０，３０…気液混合ユニット
２，２２…気液導入本体
３，２３…気液流路
４…気体導入ユニット
６…気体導入路
７，１７，２７…液体導入ユニット
７ａ…中子
８…液体導入路
１０ａ…液体乱流部（斜め流路）
１０ｂ…液体乱流部（解放流路）
１１…中間気液導管
１２…ノズル本体
１３…吐出流路
１４…オリフィス
３０（３０ａ、３０ｂ），４０…液体乱流部

Claims (11)

1. 気液混合流体をノズル本体に供給するための気液流路を備えた断面中空状の気液導入本体と、この気液導入本体の上流部に、気液導入本体の軸方向に第１の流体導入路を向けて装着され、かつ前記気液流路に気体及び液体のうち一方の流体を導入するための第１の流体導入ユニットと、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向に第２の流体導入路を向けて前記気液導入本体に装着され、かつ前記気液流路に他方の流体を導入するための第２の流体導入ユニットと、前記第２の流体導入路の開始端から気液流路に至る間に形成され、かつ少なくとも気体及び液体のうち一方の流体が拡散又は乱流化可能な流体乱流部とを備えた気液混合ユニット。
2. 気液導入本体の上流部に、気液導入本体の軸方向に気体導入路を向けて装着され、かつ前記気液流路に気体を導入するための気体導入ユニットと、前記気液導入本体の軸方向に対して交差する方向に液体導入路を向けて前記気液導入本体に装着され、かつ前記気液流路に液体を導入するための液体導入ユニットとを備えており、流体乱流部が液体乱流部として形成されている請求項１記載の気液混合ユニット。
3. 第１及び第２の流体気体導入路のうち液体を導入するための導入路の内径に対する長さの比（長さ／径）が、１以下である請求項１又は２記載の気液混合ユニット。
4. 流体乱流部が、第２の流体導入ユニットの軸方向に対してラセン状又は斜め方向に延び、かつ第２の流体導入路を形成する貫通孔を備えている請求項１〜３のいずれかに記載の気液混合ユニット。
5. 流体乱流部が、第２の流体導入路の下流部に形成され、第２の流体導入路よりも内径が大きな流体導入チャンバーで構成されている請求項１〜４のいずれかに記載の気液混合ユニット。
6. 流体乱流部が、第２の流体導入路に隣接して形成され、かつ第２の流体導入路からの流体と第１の流体導入路からの流体とを混合可能な気液混合チャンバーで構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の気液混合ユニット。
7. 第１及び第２の流体気体導入路のうち気体を導入するための導入路の内径を１００としたとき、液体を導入するための導入路の内径が１０〜６０である請求項１〜６のいずれかに記載の気液混合ユニット。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の気液混合ユニットと、この気液混合ユニットからの気液混合流体をオリフィスから噴射するためのノズル本体とを備えている気液噴霧ノズル。
9. 気液混合ユニットとノズル本体との間に介在する中間気液導管を備えている請求項８記載の気液噴霧ノズル。
10. 請求項１〜７のいずれかに記載の気液混合ユニットの第１の導入ユニットから気体及び液体のうち一方の流体を気液導入本体へ導入するとともに、第２の導入ユニットから他方の流体を気液導入本体へ導入し、流体乱流部で少なくとも液体を拡散させ、気液混合流体をノズル本体のオリフィスから噴射する方法。
11. 気液混合流体をノズル本体のオリフィスから噴射し、連続鋳造ラインで圧延鋼板を冷却する請求項１０記載の方法。

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