JP2013103175A - 液体霧化装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】従来技術の微細化原理とは異なる新規原理を用いて、かつ簡単な装置構成で液体を霧化可能な液体霧化装置を提供することを目的とする。
【課題解決手段】本発明の液体霧化装置は、液体流を噴射させるための液体噴射部と、前記液体流に２つの気体流を衝突させるために気体流を噴射するための第１気体噴射部および第２気体噴射部と、前記液体噴射部から噴射した液体に対し前記第１気体噴射部から噴射された気体流と前記第２気体噴射部から噴射された気体流とを衝突させて２本の液柱を形成し、かつ当該液体を霧化させるエリアである気液混合エリア部と、前記気液混合エリア部が内部に形成された噴霧出口部と、を有し、前記噴霧出口部から、前記２本の液柱および前記霧化した霧を噴霧する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、液体を霧化するための液体霧化装置に関する。

従来の霧化技術として、気液混合式（二流体式）、超音波式、超高圧式（１００ＭＰａ〜３００ＭＰａ）、蒸発式等がある。一般的な二流体ノズルは、気体と液体とを同一噴射方向で噴射させて気液の随伴流によるせん断効果で液体を微細化する。ところで、半導体ウエハ等への蒸着コーティング、医療機器（例えば、吸入機）、美容用薬液噴霧器、保湿用薬液噴霧器等の分野では、低速噴霧、装置本体の小型化、低エネルギー化等の要求がある。

また、気液混合式二流体ノズルの一例として、微粒子ミストを生成するための噴霧ノズル装置が知られている（特許文献１）。この噴霧ノズル装置は、第１ノズル部と第２ノズル部を有し、第１ノズル部からの噴霧液と第２ノズル部からの噴霧液とを衝突させて、微粒子ミストを形成することができる。しかしながら、２流体ノズル部を２つ備えるため、コスト高であり、かつ低速噴霧、低エネルギーでの噴霧ではなく、さらに小型化には適していない。

特開２００２−１２６５８７号公報

本発明は、上述の従来技術の微細化原理とは異なる新規原理を用いて、低速噴霧、低エネルギー、簡単な装置構成で液体を霧化可能な液体霧化装置を提供することを目的とする。

本発明の液体霧化装置は、液体流を噴射させるための液体噴射部と、
前記液体流に２つの気体流を衝突させるために気体流を噴射するための第１気体噴射部および第２気体噴射部と、
前記液体噴射部から噴射した液体に対し前記第１気体噴射部から噴射された気体流と前記第２気体噴射部から噴射された気体流とを衝突させて２本の液柱を形成し、かつ当該液体を霧化させるエリアである気液混合エリア部と、
前記気液混合エリア部が内部に形成された噴霧出口部と、を有し、
前記噴霧出口部から、前記２本の液柱および前記霧化した霧を噴霧することを特徴とする。

この構成の作用効果を図１Ａ〜１Ｆを参照しながら説明する。液体噴射部６から噴射された液体流６１に対し、第１、第２気体噴射部１、２から噴射した気体流１１、２１を衝突させることで、２本の液柱６３、６４が形成され、かる霧６２が発生する（図１Ａ、１Ｂ）。この液柱が形成されるメカニズムは以下の通りである。図１Ｃに、液体流６１のみを噴射した状態の１本の液柱を示す。この状態において、互いに衝突しあう２本の気体流を液柱に衝突させる。このとき、２本の気体流の衝突の衝撃により、１本の液柱がセパレート（縦割り）されて２本の液柱が形成され、かつ液柱中央部分の液体が微細化されて霧６２となる（図１Ａ、１Ｄ）。これは、１本の液柱を２本の気体流が挟んで、液柱をスプリット（分裂）し、液柱の中央部に液膜を発生させる。しかしこの液膜は破れて微細化される。そして、１本の液柱を小径とすれば、液膜も薄くなり、液膜破断後の粒子も微細になる。

本発明の新たな霧化原理によれば、従来技術の高速空気流のせん断力による微細化原理とは異なり、低エネルギー（低圧、低流量）の気体流で、薄膜形成でき、薄膜の微細粒子化をアシストし、大気中に霧を低速噴霧させられる。

本発明において、気体流１１、２１がそれぞれ衝突する液体流６１の幅ｄ１が、気体流の幅ｄ２より小さいことが好ましい。例えば、気体流と衝突しない部分（図１Ｅでは２つのはみ出し部分６１ｂ、６１ｃ）がある。液体流の幅ｄ１（あるいは直径）に対し、気体流の幅ｄ２（あるいは直径）（ｄ２／ｄ１）は、例えば、０．１〜０．９の範囲であり、好ましくは、０．３〜０．８であり、より好ましくは、０．４〜０．７である。また、液体流の幅ｄ１が小さいほど、液膜が薄くなるため、微細化効果が高くなる。

また、本発明において、２つの気体流の圧力Ｐａ（ＭＰａ）に対し、液体流の圧力Ｐｗ（ＭＰａ）（Ｐｗ／Ｐａ）は、０．１〜１．５の範囲（気液の圧力バランス領域）であり、好ましくは０．３〜１．０であり、より好ましくは０．４〜０．８である。０．１〜１．５の範囲以外では、２本の液柱が形成されないか、あるいは２本の液柱が形成されたとしても霧の微細化状態が悪い傾向である。

また、気体流の圧力Ｐａ（ＭＰａ）は、例えば、０．００５〜０．０５の範囲が例示され、好ましくは０．００８〜０．０４０、より好ましくは０．０１０〜０．０３５である。従来技術であれば、気体圧（気体流量）を大きくすれば微粒化する傾向であるが、本発明では、気液の圧力バランス領域を超えて気体圧（気体流量）を高めれば、逆に霧が粗粒子化する傾向になる。

２本の気体流の圧力は、同じまたは略同じに設定することが好ましく、その流量も、同じまたは略同じに設定することが好ましい。また、気体噴射部から噴射される気体流の断面形状は、特に制限されず、例えば、円状、楕円状、矩形状、多角形状が挙げられる。気体流の断面形状は、気体噴射部のオリフィス断面に依存する。

液体噴射部から噴射される液体（液体流）の圧力、流量は、特に制限されないが、本発明の霧化原理によって、低圧力、低流量の液体を好適に霧化できる。また、液体噴射部の圧力は、一般的な水道配管の水圧でもよく、液体噴出部は、液体を自然落下させる装置であってもよい。本発明において、「液体噴射部から噴射した液体」には、自然落下速度で落下する液体も含まれる。液体流の断面形状は、液体噴射部のオリフィス断面に依存する。

また、図１Ａにおいて、霧６２および２本の液柱６３、６４が発生するエリアを気液混合エリア部１２０として破線で示す。霧６２は、その周囲を囲む噴霧出口部３０によって噴霧方向が規制される。噴霧出口部３０は、気体オリフィスを形成するための部材（気体噴射部１、２）と一体に形成されていてもよく、別部材で形成していてもよい。図２は、噴霧出口部３０を正面視した図である。気液混合エリア１２０の中に液体噴射部の先端６ａ（先端オリフィス）があり、このオリフィス径よりも小さい幅の気体オリフィス１ａ、２ａが破線として示されている。

また、霧の噴霧パターンとして、例えば、幅広の扇状に形成され、その断面形状は楕円状または長円状となる。気体流同士が衝突した衝突面に平行に（衝突面が拡張する方向に）、衝突した（衝突後の）気体が拡散し、この方向に霧６２が扇状に広がって噴出される。本発明において、霧６２の噴霧角γは、例えば２０°〜９０°である（図１Ｂ）。

上記発明の一実施形態として、前記第１気体噴射部の噴射方向軸と前記第２気体噴射部の噴射方向軸との交差角度が９０°〜１８０°の範囲であることが好ましい。第１気体噴射部１および第２気体噴射部２のそれぞれの噴射方向軸が交差する角度範囲は、第１気体噴射部１から噴射された気体と第２気体噴射部２から噴射された気体の衝突角に相当する。例えば、「衝突角α」は、９０°〜２２０°であり、好ましくは９０°〜１８０°であり、より好ましくは１１０°〜１８０°である。図３に衝突角αを示す。衝突角の角度が小さいほど、噴射された液体の逆流が抑えられる傾向である。また、１８０°より大きい衝突角を形成している衝突部に対して液体を噴射させた場合に、衝突角の角度が大きいほど、噴射された気体および衝突して広がった気体が、噴射された液体を押し戻すように作用して液体を逆流させてしまう傾向である。

上記発明の一実施形態として、第１気体噴射部の噴射方向と第２気体噴射部の噴射方向とが対向し、第１気体噴射部の噴射方向軸と第２気体噴射部の噴射方向軸とが一致している形態がある。これは、第１気体噴射部から噴射された気体と第２気体噴射部から噴射された気体の衝突角αが１８０°であって、噴射方向軸が一致していることを意味する。

上記発明の一実施形態として、前記液体噴射部の噴射軸方向に沿って、前記噴霧出口部から噴霧された霧を誘導しつつ微細化するためのカバー本体とを備え、前記カバー本体は、カバー本体内外の空気の流通を可能とする吸気部と、前記カバー本体の断面円状の内径よりも小さく、かつ開口内部を通じて前記霧を上方へ導く開口部と、前記開口部を通過した霧を外部へ導く噴口部と、前記カバー本体内に残った液体を受けるための受け皿部とを有する。２つの液柱の液体は、前記開口部を通じて装置外部へ出ない構造である。

この構成では、２つの液柱を霧から切り離して受け皿に貯め置くことができ、かつ霧をさらに微細化して装置外部へ低速に噴射させることができる。低速噴霧が可能なことで、カバー部内部の壁面に霧が付着して液滴化することも減少する。また、さらなる微細化を促進するとともに、液の再利用も可能になる。また、カバー本体内壁面への霧の付着量を減少させるため、その噴霧角γを２０°〜４０°にすることが好ましい。

上記実施形態として、前記カバー本体は、前記噴霧出口部に近い側から、第１カバー部と、前記吸気部を有する第２カバー部と、前記開口部および前記噴口部とを有する第３カバー部とを有することが好ましい。これによって、小型で量産可能な簡単な部品でかつ少ない部品点数でカバー本体を構成できる。この実施形態として、第１カバー部と第２カバー部とを単一部材で構成してもよく、別部材で構成して連結してもよい。第２カバー部と第３カバー部とを単一部材で構成してもよく、別部材で構成して連結してもよい。第１カバー部、第２カバー部および第３カバー部を単一部材で構成してもよい。

また、上記実施形態として、前記噴口部が、前記液体噴射部の噴射軸方向に対し、所定の角度で傾斜して形成されており、前記噴口部と、前記液体噴射部の噴射軸を間に挟んで対向し、当該噴口部方向を照らすように設けられた照明部とをさらに有することが好ましい。この構成では、噴霧される霧の噴霧方向の後方側から前方に向かって霧を照明することで、霧の状態を簡単に確認できる。上記「所定の角度」は、例えば３０°〜１５０°であり、例えば、図４は９０°の場合を示す。

上記気体としては、特に制限されないが、例えば、空気、清浄空気（クリーンエア）、窒素、不活性ガス、燃料混合エア、酸素等が挙げられ、使用目的に応じて適宜設定可能である。

上記液体としては、特に制限されないが、例えば、水、イオン化水、保湿液、美用水、化粧水等の化粧薬液、医薬液、殺菌液、除菌液等の薬液、塗料、燃料油、コーティング剤、溶剤、樹脂等が挙げられる。

液体霧化装置の噴霧出口部周辺の断面の一例を説明するための模式図である。 図１Ａの側面からみた模式図である。 霧化メカニズムを説明するための説明図である。 霧化メカニズムを説明するための説明図である。 液体流の幅ｄ１と気体流の幅ｄ２について説明するための説明図である。 噴霧出口部を正面視した図である ２つの気体噴射軸で形成される交差角度を説明するための模式図である。 実施形態１の液体霧化装置の側面からみた図（断面図）である。 液体オリフィス部の側面図である。 図５Ａの正面図である。 図５Ａの断面図である。 噴霧出口部を説明する断面、正面、背面図である。 図６ＡのＡ部詳細拡大図である。

（実施形態１）
本実施形態の液体霧化装置を図４を参照しながら説明する。図５Ａ〜５Ｃは、液体オリフィス部について説明する図であり、図６Ａ〜６Ｂは、噴霧出口部について説明する図である。液体霧化装置は、液体から霧および２つの液柱を発生するノズル部と、微細化を促進するカバー本体とを有して構成されている。まず、ノズル部について説明する。

液体供給路４７および気体供給路４８と接続されるアダプター４２と、当該アダプター４２と連結（例えばねじ式で連結）されるキャップ５３と、当該キャップ５３がアダプター４２に連結されることで、液体オリフィス部５１と、気体オリフィス部５２が前記アダプター４２に接続される。ここで、適宜パッキンなどのシール部材を介在させてもよい。

気体オリフィス部５２は、アダプター４２の気体供給経路と通じて気体供給路４８と接続される。液体オリフィス部５１は、アダプター４２の液体供給経路を通じて液体供給路４７と接続される。液体供給路４７は、不図示の液体タンクに通じ、不図示のポンプによって、液体が送給される。気体供給路４８は、不図示のエアポンプに接続され、気体が送給される。アダプター４２には、カバー本体内部の液体（例えば、液柱の液体）を一時的に貯める受け皿部４２１が形成されている。この受け皿部４２１に溜まった液体は、リサイクル経路４９を通じて、液体タンクに送られ、再び液体供給用に提供可能となる。アダプター４２の下部に気体供給路４８、液体供給路４７、リサイクル路４９を収納し、かつ装置外部に導くための底カバー４１が設けられている。

図５Ａ〜５Ｃに示すように、液体オリフィス部５１には、液体オリフィス５１１（液体噴射部に相当する）と、２本の凹溝５１２が形成されている。この凹溝５１２を、気体オリフィス部５２の内壁面５２ａが蓋として覆うことで、気体オリフィス（気体噴射部に相当する）が形成される。液体オリフィスの直径よりも凹溝の矩形断面幅のほうが小さい。

液体オリフィス５１１の先端方向と２本の凹溝５１２との先端方向のクロスする部分が気液混合エリア１２０である。この気液混合エリア１２０で、液体オリフィス５１１から噴射された液体流が、２つの気体オリフィス（５１２）から噴射された気体流で挟まれることで、液体流がスプリットして２本の液柱が形成され、かつ液体流の中央部分が霧化され、低速流の霧が発生する。

図６Ａ〜６Ｂに示すように、気体オリフィス部５２は、既述したとおり、凹溝５１２の蓋の役目となる内壁面５２ａが形成されている。また、気体オリフィス部５２は、その先端中央に噴霧出口部５２１を形成している。図６Ｂでは、噴霧出口部５２１が、噴霧方向に沿って拡張する形状であるが、特にこれに制限されない。

２つの凹溝５１２同士の衝突角（α）は１１０°であり、オリフィス断面が四角形であるが、特にこれに制限されない。また、液体オリフィス部５１の外壁面に形成された凹溝５１２は、気体オリフィス部５２の内壁面に形成してもよく、両方に形成していてもよい。気体オリフィスの断面形状が矩形に限定されず、他の多角形状でもよく、半円状でもよい。液体オリフィスの断面形状も特に制限されないが、加工面から円状が好ましい。また、気液混合エリア１２０の形状は、噴霧軸方向に円筒状でもよく、円錐状、多角錘状でもよい。また、気体流同士の衝突角αは、１１０°に限定されず、例えば、９０°〜１８０°の範囲で任意に設定できる。

次にカバー本体を説明する。図１において、本体カバー部は、噴霧出口部５２１に近い側から、アダプター４２と連結される筒状の第１カバー部４３を有している。この第１カバー部４３と連結される第２カバー部４４は、複数の吸気部４４１を有する。この第２カバー部４４と連結される第３カバー部４５は、噴霧方向に対向配置され、カバー本体の断面円状の内径よりも小さく、かつ開口内部を通じて前記霧を上方へ導く開口部４５１を有する。この開口部４５１の開口サイズ（直径）および開口部下端から噴霧出口部５２１までの距離は、噴霧角γおよび２つ液柱との関係で設定される。この開口部４５１を通じて霧は、噴口部４５２へ流れ、装置外部へ低速噴霧される。２つの液柱の液体は、受け皿部４２１へ流れる。

噴口部４５２は、装置本体の長手軸（液体オリフィスの噴射軸の延長）に対して、横に突出している。この噴口部４５１と装置本体の長手軸（液体オリフィスの噴射軸の延長）を間に挟んでＬＥＤ照明７０が第３カバー４５に組み込まれている。ＬＥＤ照明７０は、噴口部４５２方向に向かって低速噴霧する霧を照らす。このＬＥＤ照明７０は、第３カバー４５から取り外し可能であり、取り外した開口部からも霧が噴霧されてもよく（２方向噴霧）、透明部材等で霧を遮断していてもよい。ＬＥＤ照明７０のかわりにキャップを取り付けられるようにしていてもよい。

また、各部材の連結（取付）方法は、ねじ式の連結に制限されず、他の連結手段を用いることができ、また、各部材間の隙間には不図示のシール部材（例えばＯリング等）が適宜組み込まれていてもよい。

（噴霧特性の評価）
上記実施形態１に示す構成の液体霧化装置を用いて噴霧特性を評価した。液体オリフィス５１１の断面直径（ｄ１）がφ０．２５ｍｍ、第１・第２気体オリフィス矩形断面は、幅（ｄ２）０．１６ｍｍ×深さ０．２９ｍｍとした（ｄ２／ｄ１＝０．６４）。気体に空気を用い、液体に水を用いた。実施例１〜４は、気体噴射の空気量Ｑａを０．５（ＮＬ／ｍｉｎ）、空気圧Ｐａ（ＭＰａ）を０．０２７で一定として、水圧Ｐｗを変えていったときの、水全噴霧量Ｑｗ（噴霧出口部からの霧および液柱の量）、有効フォッグ量Ｑｆ（噴口部からの霧の噴霧量）、噴霧出口部から噴霧された霧および噴口部から噴霧された霧のそれぞれの平均粒子径（ＳＭＤ）を評価した。評価結果を表１に示す。平均粒子径（ＳＭＤ）はレーザー回折法の計測装置により測定した。測定位置は、噴霧方向軸上で、噴霧出口部から２０ｍｍの位置、噴口部の先端から２０ｍｍの位置とした。

次いで、実施例５〜７は、水圧Ｐｗを０．０１５（ＭＰａ）とし、水全噴霧量Ｑｗが略一定になるようにして、空気圧Ｐａを変えて、気体噴射の空気量Ｑａ、有効フォッグ量Ｑｆ、各平均粒子径（ＳＭＤ）を評価した。評価結果を表２に示す。他の条件は実施例１と同じである。

実施例１〜７は、いずれも２本の液柱と霧化を実現したが、空気圧Ｐａが０．０１（ＭＰａ）より小さく、かつ水圧Ｐｗが０．００５（ＭＰａ）より小さい条件では、２つの液柱は形成されなかった。また、空気圧Ｐａが０．０３２（ＭＰａ）より大きく、かつ水圧Ｐｗが０．０１８（ＭＰａ）より大きい条件では、２つの液柱は形成されなかった。以上のことから、水圧と空気圧の圧力バランスに応じて、２本の液柱が形成されかつ霧化状態もよい低速噴霧が得られることを確認した。

１ 第１気体噴射部（第１気体オリフィス）
２ 第２気体噴射部（第２気体オリフィス）
６ 液体流出部（液体オリフィス）
５１ 液体オリフィス部
５２ 気体オリフィス部
６２ 霧
６３、６４ 液柱
５１２ 気体オリフィス（凹溝）
５１１ 液体オリフィス
５２１ 噴霧出口部
１２０ 気液混合エリア

Claims (5)

1. 液体流を噴射させるための液体噴射部と、
   前記液体流に２つの気体流を衝突させるために気体流を噴射するための第１気体噴射部および第２気体噴射部と、
   前記液体噴射部から噴射した液体に対し前記第１気体噴射部から噴射された気体流と前記第２気体噴射部から噴射された気体流とを衝突させて２本の液柱を形成し、かつ当該液体を霧化させるエリアである気液混合エリア部と、
   前記気液混合エリア部が内部に形成された噴霧出口部と、を有し、
   前記噴霧出口部から、前記２本の液柱および前記霧化した霧を噴霧することを特徴とする液体霧化装置。
2. 前記第１気体噴射部の噴射方向軸と前記第２気体噴射部の噴射方向軸との交差角度が９０°〜１８０°の範囲である、請求項１に記載の液体霧化装置。
3. 前記液体噴射部の噴射軸方向に沿って、前記噴霧出口部から噴霧された霧を誘導しつつ微細化するためのカバー本体とを備え、
   前記カバー本体は、
   カバー本体内外の空気の流通を可能とする吸気部と、
   前記カバー本体の断面円状の内径よりも小さく、かつ開口内部を通じて前記霧を上方へ導く開口部と、
   前記開口部を通過した霧を外部へ導く噴口部と、
   前記カバー本体内に残った液体を受けるための受け皿部と、を有する請求項１または２に記載の液体霧化装置。
4. 前記カバー本体は、
   前記噴霧出口部に近い側から、第１カバー部と、前記吸気部を有する第２カバー部と、前記開口部および前記噴口部とを有する第３カバー部とを有する請求項３に記載の液体霧化装置。
5. 前記噴口部が、前記液体噴射部の噴射軸方向に対し、所定の角度で傾斜して形成されており、
   前記噴口部と、前記液体噴射部の噴射軸を間に挟んで対向し、当該噴口部方向を照らすように設けられた照明部とをさらに有する請求項４に記載の液体霧化装置。

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