JP2013244457A - スプレーノズルおよび噴霧乾燥装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて細かいミストを形成することが可能であり、しかもミストの粒度分布が極めてシャープなスプレーノズルを提供する。
【解決手段】外部から供給される圧縮ガスを音速に達するまで加速する縮小流路１２と、その縮小流路１２から導入した音速のガス流を超音速に加速する拡大流路１３と、その拡大流路１３内の超音速のガス流に液体を供給する液体供給路１４とを有する１段目ラバールノズル１０と、外部から供給される圧縮ガスを音速に達するまで加速する縮小流路２２と、その縮小流路２２から導入した音速のガス流を超音速に加速する拡大流路２３と、その拡大流路２３内の超音速のガス流に１段目ラバールノズル１０で形成されたミストを導入するミスト導入口２４とを有する２段目ラバールノズル２０とからなる構成をスプレーノズルに採用する。
【選択図】図１

Description

この発明は、液体をミスト化するスプレーノズルおよびそのスプレーノズルを用いた噴霧乾燥装置に関する。

リチウムイオン二次電池や太陽電池、医薬品、化粧品等の素材となる乾燥粒子を製造する方法として噴霧乾燥法がある。噴霧乾燥法は、液体に原材料を溶解または分散させた溶液を、スプレーノズルを用いてミスト化し、そのミストを熱風に接触させて乾燥させることで、個々のミスト粒子に含まれる原材料を乾燥粒子にする造粒法である。

ところで、近年の技術進歩に伴い、極めて小さい粒度をもつ乾燥粒子を製造できる技術が求められるようになってきている。例えば、高性能のリチウムイオン二次電池の極材にはナノ粒子の焼結体が使用され、その焼結体の材料であるナノ粒子は、電池のエネルギー密度を高めるために、シングルミクロン（好ましくはサブミクロン）のオーダーの粒度をもつものが要求される。

そして、このようなナノ粒子を噴霧乾燥法で製造するとき、液体をミスト化するスプレーノズルとして、通常、２流体ノズルが使用される。２流体ノズルは、液体をガス流に供給してミストを形成するスプレーノズルである。この２流体ノズルでミストを形成する場合、ミストを微細化するためには、液体をガス流に供給するための液体供給路の出口を狭くするか、あるいは、ガス流の流速を速くすればよい。

しかしながら、液体をガス流に供給するための液体供給路の出口を狭くすると、液体に溶解または分散した原材料が液体供給路の出口に固着して詰まりやすくなる問題や、液体供給量が減るため、時間当たりのミスト発生量を多くできない問題が生じる。また、液体供給路の出口の加工が難しくなるので、ノズルの製造コストが高くなる問題もある。

一方、ガス流の流速を速くしようとした場合、通常のノズルでは、ノズルに供給する圧縮ガスの圧力をいくら高くしても、音速（マッハ１）を超える流速のガス流を得ることができない。これは、上流側と下流側の圧力差による流体の加速の限度が音速であるという流体力学の原理に基づく。そのため、通常のノズルで得られるガス流の流速は音速が限界であり、極めて細かいミストを形成するのが難しかった。

そこで、特許文献１は、通常のノズルでは得ることができない超音速のガス流を発生させるラバールノズルを使用したスプレーノズルを提案している。

ラバールノズルは、上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少する縮小流路と、上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大する拡大流路と、縮小流路と拡大流路の間に形成された流路面積が最も小さいスロート部とを有する。縮小流路では、流路面積が次第に減少することでガス流が加速され、スロート部でガス流の流速が音速に達し、拡大流路では、縮小流路から導入されたガス流が次第に膨張することで加速して超音速となる。

そして、特許文献１のスプレーノズルは、拡大流路内の超音速のガス流に液体を供給する液体供給管を有する。この液体供給管は、縮小流路の内面から突出してＬ形に屈曲し、縮小流路からスロート部を通って拡大流路に至るように延び、拡大流路の中心軸上で出口が開口している。この液体供給管から拡大流路内に供給された液体は、拡大流路内の超音速のガス流によってミスト化される。

特開２０１１−１３１１６８号公報

特許文献１のスプレーノズルは、通常のノズルでは得ることができない超音速のガス流を用いて液体をミスト化するので、極めて細かいミストを形成することが可能であるが、比較的粗いミストも一部発生する。本願発明の発明者らは、この比較的粗いミストを微細化することができれば、ミストの粒度分布が極めてシャープとなる点に着眼した。

この発明が解決しようとする課題は、極めて細かいミストを形成することが可能であり、しかもミストの粒度分布が極めてシャープなスプレーノズルを提供することである。

上記の課題を解決するため、外部から供給される圧縮ガスを上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少することで音速に達するまで加速する縮小流路と、その縮小流路に連続して設けられ、縮小流路から導入した音速のガス流を上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大することで超音速に加速する拡大流路と、その拡大流路内の超音速のガス流に液体を供給する液体供給路とを有し、その液体供給路から供給された液体を超音速のガス流でミスト化する１段目ラバールノズルと、
外部から供給される圧縮ガスを上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少することで音速に達するまで加速する縮小流路と、その縮小流路に連続して設けられ、縮小流路から導入した音速のガス流を上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大することで超音速に加速する拡大流路と、その拡大流路内の超音速のガス流に前記１段目ラバールノズルで形成されたミストを導入するミスト導入口とを有し、そのミスト導入口から導入されたミストを超音速のガス流で微細化する２段目ラバールノズルと、
を有する構成をスプレーノズルに採用した。

このようにすると、１段目ラバールノズルが、通常のノズルでは得ることができない超音速のガス流を用いて液体をミスト化するので、極めて細かいミストを形成することが可能であると同時に、１段目ラバールノズルで比較的粗いミストが一部発生しても、その比較的粗いミストは、２段目ラバールノズルの超音速のガス流によって微細化されるので、ミストの粒度分布が極めてシャープとなる。

前記１段目ラバールノズルと２段目ラバールノズルは、１段目ラバールノズルで形成されたミストが、２段目ラバールノズルの超音速のガス流の流れ方向に対して３０°〜１５０°の範囲の交差角度をもって２段目ラバールノズルの超音速のガス流に流入するように配置すると好ましい。

前記交差角度を３０°以上とすると、１段目ラバールノズルで形成されたミストが２段目ラバールノズルの超音速のガス流に流入するときに、液体の移動方向とガス流の流れ方向の角度の差が大きいので、ガス流からミストに作用する剪断力が強力となり、効果的にミストを微細化することが可能となる。また、前記交差角度を１５０°以下とすると、１段目ラバールノズルで形成されたミストが２段目ラバールノズルの超音速のガス流に流入するときに、２段目ラバールノズルの超音速のガス流に先に流入したミストに、後から流入したミストが衝突することにより、ミストが合体して粗大化するのを防止することができる。

前記液体供給路は、その出口が前記１段目ラバールノズルの拡大流路の内面に開口するように形成することができる。この場合、前記液体供給路の出口は、前記１段目ラバールノズルの拡大流路の内面に周方向に間隔をおいて複数設けると好ましい。このようにすると、液体供給路の一出口あたりの液体供給量を抑えてミストの粗大化を防止すると同時に、液体供給路の出口の数を複数とすることで時間当たりのミスト発生量を多くすることが可能となる。

さらに、前記液体供給路は、前記液体供給路の出口ごとに別々の入口を有するように形成すると、その別々の入口に異なる種類の液体を供給することで、通常混ざらない種類の液体同士であっても、それらの液体の混合ミストを形成することが可能となる。

また、この発明では、上記スプレーノズルを用いた噴霧乾燥装置として、乾燥室を内部に有する乾燥塔と、前記乾燥室内にミストを噴射するように前記乾燥塔に取り付けられた上記スプレーノズルと、前記乾燥室内に熱風を吹き出す熱風吹出口とを有し、その熱風吹出口から吹き出した熱風で前記乾燥室内のミストを乾燥させる噴霧乾燥装置を提供する。

この発明のスプレーノズルは、超音速のガス流を用いてミストを形成するので極めて細かいミストを形成することができると同時に、２段目ラバールノズルが、１段目ラバールノズルで生じた比較的粗いミストを微細化するので、ミストの粒度分布が極めてシャープである。

この発明の実施形態のスプレーノズルを示す断面図 図１に示すスプレーノズルの拡大断面図 図１に示すスプレーノズルを使用した噴霧乾燥装置を示す配管フロー図 図３に示す乾燥塔の拡大断面図 図１に示すスプレーノズルの液体供給路の出口を複数設けた例を示す断面図 図５のVI−VI線に沿った断面図 図１に示す２段目ラバールノズルの下流側に３段目ラバールノズルを追加した例を示す断面図 図１に示す液体供給路の他の例を示す断面図 図１に示す液体供給路のさらに他の例を示す断面図 図１の２段目ラバールノズルに相当する部分が存在しない比較試験で使用したスプレーノズルを示す断面図

図１に、この発明の実施形態のスプレーノズル１を示す。このスプレーノズル１は、１段目ラバールノズル１０と２段目ラバールノズル２０とを有する。

１段目ラバールノズル１０は、圧縮ガスが外部から供給されるガス導入路１１と、ガス導入路１１に連続して設けられた縮小流路１２と、縮小流路１２に連続して設けられた拡大流路１３と、拡大流路１３内のガス流に液体を供給する液体供給路１４とを有する。

ガス導入路１１には、ガス供給源が接続される。ガス導入路１１に供給されるガスとしては、圧縮エアや圧縮した不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等）等が挙げられる。ガス導入路１１の入口には、配管接続用のめねじ１１ａが形成されている。ガス導入路１１は縮小流路１２に連通しており、ガス導入路１１から縮小流路１２にガスが導入されるようになっている。

図２に示すように、縮小流路１２は、上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少するテーパ状に形成されており、ガス流の流れに沿って流路面積が次第に減少することでガス流を加速するようになっている。ここで、縮小流路１２で加速されたガス流の流速（すなわち、縮小流路１２と拡大流路１３の間の流路面積が最小となるスロート部１５でのガス流の流速）は、ガス導入路１１に供給される圧縮ガスの圧力が高いほど速くなるが、音速に達した後は、圧縮ガスの圧力をいくら高くしてもそれ以上速くならず音速となる。そして、ガス導入路１１に供給される圧縮ガスの圧力は、スロート部１５でのガス流の流速が音速となる大きさに設定される。

スロート部１５でのガス流の流速、すなわち音速は、ガス導入路１１に供給するガスの種類によって異なる。例えば、ガス導入路１１に供給するガスとして圧縮エアを用いた場合、スロート部１５でのガス流の流速は約３４０ｍ／ｓ（空気の音速）であり、ガス導入路１１に供給するガスとしてヘリウムガスを用いた場合、スロート部１５でのガス流の流速は約９７０ｍ／ｓ（ヘリウムの音速）である。

拡大流路１３は、上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大するテーパ状に形成されており、縮小流路１２から導入された音速のガス流を次第に膨張させることで超音速に加速するようになっている。

縮小流路１２は、上流側から下流側に向かって曲線的に縮径する釣鐘状に形成することも可能であるが、図に示すように、上流側から下流側に向かって直線的に縮径する円錐状に形成すると、縮小流路１２の加工が容易となり製造コストを抑えることが可能である。同様に、拡大流路１３も、上流側から下流側に向かって曲線的に拡径する釣鐘状に形成することが可能であるが、図に示すように、上流側から下流側に向かって直線的に拡径する円錐状に形成すると、拡大流路１３の加工が容易となり製造コストを抑えることが可能である。

縮小流路１２と拡大流路１３は、一直線上に並んで配置されている。拡大流路１３の流路長（スロート部１５から拡大流路１３の出口までの長さ）は、縮小流路１２の流路長（縮小流路１２の入口からスロート部１５までの長さ）よりも長くなるように設定されている。

液体供給路１４には、ミスト化する前の液体が供給される。例えば、このスプレーノズル１を後述の噴霧乾燥装置に使用する場合、液体供給路１４には乾燥粒子の原材料を液体に溶解または分散させた溶液が供給される。また、このスプレーノズル１を、水を噴霧して気化冷却する気化冷却装置に使用する場合、液体供給路１４には水が供給される。図１に示すように、液体供給路１４の入口には、配管接続用のめねじ１４ａが形成されている。

図２に示すように、液体供給路１４は、拡大流路１３の内面に開口する出口１４ｂを有し、この出口１４ｂから拡大流路１３内の超音速のガス流に液体を噴射するようになっている。液体供給路１４から噴射された液体は、拡大流路１３内の超音速のガス流に流入するときに、ガス流から受ける剪断力によってミスト化される。この結果、１段目ラバールノズル１０では、ミストを含んだガス流が形成される。

液体供給路１４の出口１４ｂ側の端部には、液体の流れ方向に沿って次第に内径が小さくなるテーパ穴１４ｃと、そのテーパ穴１４ｃの小径側の端部に連続するストレート穴１４ｄとが形成されている。テーパ穴１４ｃは、液体の流れに沿って流路面積が次第に減少することで液体の流れを加速する。これにより、液体供給路１４の出口１４ｂから噴射される液体の初速が大きくなり、液体が初速度不足で拡大流路１３の内面に付着するのを防止するようになっている。ストレート穴１４ｄは、液体の流れ方向に沿って一定の内径をもつように形成されている。

液体供給路１４の液体の噴射方向（すなわちストレート穴１４ｄの方向）は、拡大流路１３内のガス流の流れ方向に対して３０°〜１５０°の範囲の交差角度θ１をなすように設定すると好ましく、６０°〜１２０°の範囲に設定するとより好ましい。ここで、拡大流路１３内のガス流の流れ方向とは、拡大流路１３の中心線上のガスの流れ方向をいう。

交差角度θ１を３０°以上とし、より好ましくは６０°以上とすると、液体供給路１４から噴射した液体が超音速のガス流に流入するときに、液体の移動方向とガス流の流れ方向の角度の差が大きいので、ガス流から液体に作用する剪断力が強力となり、微細なミストを形成することが可能となる。また、交差角度θ１を１５０°以下とし、より好ましくは１２０°以下とすると、超音速のガス流による剪断力を受けて先にミスト化した液体が、ストレート穴１４ｄから噴射した直後のミスト化する前の液体に衝突することで、ミストが粗大化するのを防止することができる。図に示すように、液体供給路１４の液体の噴射方向を、拡大流路１３内のガス流の流れ方向に対して直角に設定すると最も好ましい。

２段目ラバールノズル２０は、圧縮ガスが外部から供給されるガス導入路２１と、ガス導入路２１に連続して設けられた縮小流路２２と、縮小流路２２に連続して設けられた拡大流路２３と、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストを拡大流路２３内のガス流に導入するミスト導入口２４とを有する。

ガス導入路２１には、１段目ラバールノズル１０のガス導入路１１と同様に、ガス供給源が接続される。また、ガス導入路２１の入口には、配管接続用のめねじ２１ａが形成されている。ガス導入路２１は縮小流路２２に連通しており、ガス導入路２１から縮小流路２２にガスが導入されるようになっている。

縮小流路２２は、上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少するテーパ状に形成されており、ガス流の流れに沿って流路面積が次第に減少することでガス流を加速するようになっている。ガス導入路２１に供給される圧縮ガスの圧力は、縮小流路２２と拡大流路２３の間の流路面積が最小となるスロート部２５を通過するときのガス流の流速が音速となる大きさに設定される。

拡大流路２３は、上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大するテーパ状に形成されており、縮小流路２２から導入された音速のガス流を次第に膨張させることで超音速に加速するようになっている。

縮小流路２２は、上流側から下流側に向かって曲線的に縮径する釣鐘状に形成することも可能であるが、図に示すように、上流側から下流側に向かって直線的に縮径する円錐状に形成すると、縮小流路２２の加工が容易となり製造コストを抑えることが可能である。同様に、拡大流路２３も、上流側から下流側に向かって曲線的に拡径する釣鐘状に形成することが可能であるが、図に示すように、上流側から下流側に向かって直線的に拡径する円錐状に形成すると、拡大流路２３の加工が容易となり製造コストを抑えることが可能である。

縮小流路２２と拡大流路２３は、一直線上に並んで配置されている。拡大流路２３の流路長（スロート部２５から拡大流路２３の出口までの長さ）は、縮小流路２２の流路長（縮小流路２２の入口からスロート部２５までの長さ）よりも長くなるように設定されている。

２段目ラバールノズル２０のスロート部２５の内径ｄ２は、１段目ラバールノズル１０のスロート部１５の内径ｄ１よりも大きく設定されている。すなわち、２段目のスロート部２５の流路面積は、１段目のスロート部１５の流路面積よりも大きく設定され、これにより、２段目ラバールノズル２０を流れるガス流の流量が、１段目ラバールノズル１０から流出するガス流の流量よりも大きくなるようになっている。このようにすると、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストを含むガス流が、２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流に合流するときに、その合流が円滑となる。

ミスト導入口２４は、１段目ラバールノズル１０の拡大流路１３の出口に連続して設けられ、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストが、２段目ラバールノズル２０の拡大流路２３内の超音速のガス流に導入されるように形成されている。１段目ラバールノズル１０で形成されたミストは、２段目ラバールノズル２０の拡大流路２３内の超音速のガス流に流入するときに、そのガス流から受ける剪断力によって微細化される。

１段目ラバールノズル１０と２段目ラバールノズル２０は、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストが、２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流の流れ方向に対して３０°〜１５０°の範囲の交差角度θ２をもって２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流に流入するように配置すると好ましく、その交差角度θ２を６０°〜１２０°の範囲とするとより好ましい。ここで、２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流の流れ方向とは、２段目ラバールノズル２０の拡大流路２３の中心線上のガスの流れ方向をいう。

交差角度θ２を３０°以上とし、より好ましくは６０°以上とすると、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストが２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流に流入するときに、ミストの移動方向とガス流の流れ方向の角度の差が大きいので、ガス流からミストに作用する剪断力が強力となり、効果的にミストを微細化することが可能となる。また、交差角度θ２を１５０°以下とし、より好ましくは１２０°以下とすると、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストが２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流に流入するときに、２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流に先に流入したミストに、後から流入したミストが衝突して、ミストが粗大化するのを防止することができる。図に示すように、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストの噴射方向が、拡大流路２３内のガス流の流れ方向に対して直角に設定すると最も好ましい。

次に、上記構成のスプレーノズル１を用いた噴霧乾燥装置の一例を説明する。

図３に示すように、噴霧乾燥装置は、内部に乾燥室３１を有する乾燥塔３０と、乾燥室３１にミストを噴射するように乾燥塔３０に取り付けられたスプレーノズル１と、溶液を溜める溶液タンク３２と、溶液タンク３２とスプレーノズル１を接続する溶液供給路３３と、ガスタンク３４からスプレーノズル１に圧縮ガスを供給するガス供給路３５と、乾燥塔３０に熱風を供給する熱風供給路３６とを有する。

溶液タンク３２には、乾燥粒子の原材料を液体に溶解または分散させた溶液が収容されている。溶液供給路３３の途中には、溶液タンク３２内の溶液をスプレーノズル１に送り出すポンプ３７が設けられている。ここでは、溶液タンク３２内の溶液をスプレーノズル１に送り出す手段としてポンプ３７を使用しているが、ポンプ３７を設けるかわりに溶液タンク３２を気密構造とし、その溶液タンク３２の内部に加圧することで溶液タンク３２内の溶液をスプレーノズル１に送り出すようにすることも可能である。図４に示すように、溶液供給路３３のスプレーノズル１側の端部は、スプレーノズル１の液体供給路１４に接続されている。

図３に示すガスタンク３４には、圧縮エアまたは圧縮した不活性ガスが収容される。ガス供給路３５の途中には、スプレーノズル１に供給されるガスの圧力を調節する減圧弁３８が設けられている。この減圧弁３８によって、ガスの圧力が０．６ＭＰａ程度に調節される。ガス供給路３５のスプレーノズル１側の端部は、図４に示すように、１段目ラバールノズル１０のガス導入路１１と２段目ラバールノズル２０のガス導入路２１とに接続されている。

図３に示すように、熱風供給路３６は、ガスタンク３４と乾燥塔３０の間を接続している。熱風供給路３６の途中には、熱風用のガスの圧力を調節する減圧弁３９と、ガスを加熱して熱風にするヒータ４０とが設けられている。ここで、減圧弁３９はガスの圧力を０．１ＭＰａ程度に調節し、ヒータ４０はガスを２００℃程度に加熱する。熱風供給路３６の乾燥塔３０側の端部は、乾燥塔３０に設けられた熱風取入口４１に接続されている。

図４に示すように、乾燥塔３０は、内部に乾燥室３１を形成する筒状の周壁４２と、その周壁４２の上端に設けられたヘッダ４３とを有する。ヘッダ４３には、乾燥室３１内にミストを下向きに噴射するようにスプレーノズル１が取り付けられている。また、ヘッダ４３には、乾燥室３１内に熱風を吹き出す熱風吹出口４４が形成されている。

熱風吹出口４４は、ヘッダ４３の内部に形成された環状の熱風分散通路４５を介して熱風取入口４１に連通している。熱風吹出口４４は、スプレーノズル１を囲むように環状に配置され、スプレーノズル１から噴射された溶液のミストに全周から斜め下方向に熱風を吹き付けるように形成されている。熱風吹出口４４から吹き出した熱風は、スプレーノズル１から噴射されたミストに接触して、ミストを乾燥させる。乾燥したミストは固体粒子となって乾燥塔３０内を落下し、図３に示すように、乾燥塔３０の下部に設けられた排出口４６から熱風とともに排出される。

図３に示すように、乾燥塔３０の下部の排出口４６には、乾燥粒子と熱風の混合流体を乾燥粒子と気体に遠心分離するサイクロン式の固気分離装置４７が接続されている。さらに、固気分離装置４７の気体排出口４８には、固気分離装置４７から排出されるガスに残存する超微細な乾燥粒子を捕集するバグフィルタ４９が接続されている。

スプレーノズル１に供給するガスとして不活性ガスを使用した場合、可燃性の溶液を噴霧乾燥することが可能となる。更に、不活性ガスとしてヘリウムを使用すると、ヘリウムの音速は空気の音速の約３倍と極めて高いので、スプレーノズル１で形成されるミストが特に微細となり、その結果、極めて微細な乾燥粒子を得ることが可能となる。

上述したスプレーノズル１は、１段目ラバールノズル１０が、通常のノズルでは得ることができない超音速のガス流を用いて液体をミスト化するので、極めて細かいミストを形成することが可能である。さらに、１段目ラバールノズル１０で比較的粗いミストが一部発生しても、その比較的粗いミストは、２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流によって微細化されるので、ミストの粒度分布が極めてシャープとなる。

また、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストが、２段目ラバールノズル２０の拡大流路２３に流入するとき、１段目ラバールノズル１０のミストは、高速のガス流とともに初速度をもって拡大流路２３に噴射されるので、初速度不足でミストが拡大流路２３の内面に付着するのを防止することができる。

また、１段目ラバールノズル１０の拡大流路１３および２段目ラバールノズル２０の拡大流路２３で生じるガスの断熱膨張によりガスの温度が下がり、スプレーノズル１の温度も下がる。これにより、スプレーノズル１の噴射口（ここでは２段目ラバールノズル２０の拡大流路２３の出口）やその周囲が高温になるのを防止することができ、その結果、スプレーノズル１の噴射口やその周囲に溶液が乾燥して固着するのを防止することが可能となる。

上述したスプレーノズル１が、極めて細かいミストを形成するとともに、そのミストの粒度分布が極めてシャープとなることを確認するため、スプレーノズル１で発生したミストを噴霧乾燥することによって得られた乾燥粉末の粒度を測定した。具体的には、上述した噴霧乾燥装置を使用して乾燥粒子を製造し、固気分離装置４７で回収された製品の粒度を測定する試験を行なった。ここで、ミスト径を測定するのではなく、乾燥粉末の粒度を測定したのは、スプレーノズル１で形成されるミスト径を直接測定するのが困難だからである。

この試験を行なったときの噴霧乾燥装置の運転条件は次のとおりである。
溶液：デキストリン水溶液１０wt％
スプレーノズル１に対する溶液供給量：３３ml/min
ガス：圧縮エア
スプレーノズル１に対するガス供給量：６０L/min（at 0.6MPa）
１段目ラバールノズル１０と２段目ラバールノズル２０のガス流量比：３：７
熱風温度：２００℃
熱風風量：１．０m^３/min

この試験の結果、固気分離装置４７で回収された製品は、Ｄ_５０＝３．６μｍ、Ｄ_１００＝１８．５μｍと極めて細かく、その粒度分布も極めてシャープであることを確認することができた。ここで、Ｄ_５０は、回収された乾燥粒子の粒度分布において、粒度の小さい側からの体積累計が全粒子の体積の和の５０%となるときの粒度であり、Ｄ_１００は、回収された乾燥粒子の粒度分布において、粒度の小さい側からの体積累計が全粒子の体積の和の１００%となるときの粒度である。

また、１段目ラバールノズル１０で形成されたミストが、２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流によって微細化されていることを確認するための比較実験として、上記噴霧乾燥装置で使用したスプレーノズル１を、図１０に示すように、２段目ラバールノズル２０に相当する部分が存在しないスプレーノズル８０に置き換えて乾燥粒子を製造し、固気分離装置４７で回収された製品の粒度を測定した。

図１０に示すスプレーノズル８０は、１段目ラバールノズル１０のガス導入路１１、縮小流路１２、拡大流路１３、液体供給路１４、スロート部１５に対応する部分を有するが、２段目ラバールノズル２０に相当する部分が存在しない。

このスプレーノズル８０を使用して乾燥粒子を製造し、固気分離装置４７で回収された製品の粒度を測定する試験を行なった結果、固気分離装置４７で回収された製品は、Ｄ_５０＝６．３μｍ、Ｄ_１００＝２２．０μｍの粒度分布をもち、上記スプレーノズル１で得られた製品に比較して粒度が大きく、粒度分布も比較的ブロードであることが分かった。

これは、図１０に示すスプレーノズル８０では、液体供給路１４から供給された液体の一部が拡大流路１３の内面に付着し、その結果、粗いミストが発生していることが一因だと考えられる。これに対し、上記スプレーノズル１では、１段目ラバールノズル１０で粗いミストが発生したとしても、そのミストが２段目ラバールノズル２０の超音速のガス流に流入するときに、その超音速のガス流によって強力な剪断力を受けて微細化されるので、ミストの粒度分布がシャープとなる。

上記実施形態では、液体供給路１４の出口１４ｂを、１段目ラバールノズル１０の拡大流路１３の内面に１箇所設けたものを例に挙げて説明したが、図５および図６に示すように、液体供給路１４の出口１４ｂを、周方向に間隔をおいて複数設けてもよい。このようにすると、液体供給路１４の一出口１４ｂあたりの液体供給量を抑えてミストの粗大化を防止すると同時に、液体供給路１４の出口１４ｂの数を複数とすることで時間当たりのミスト発生量を多くすることが可能となる。

また、図５および図６に示すように、液体供給路１４の出口１４ｂごとに別々の入口１４ｅを有するように形成すると、その別々の入口１４ｅに異なる種類の液体を供給することで、通常混ざらない種類の液体同士であっても、それらの液体の混合ミストを形成することが可能となる。

また、上記実施形態ではスプレーノズル１を、１段目ラバールノズル１０と２段目ラバールノズル２０とからなる２段構成のものを例に挙げて説明したが、図７に示すように、２段目ラバールノズル２０の下流側に連続する３段目ラバールノズル５０を設けてもよい。

図７において、３段目ラバールノズル５０は、圧縮ガスが外部から供給されるガス導入路５１と、ガス導入路５１に連続して設けられた縮小流路５２と、縮小流路５２に連続して設けられた拡大流路５３と、２段目ラバールノズル２０から噴射されたミストを拡大流路５３内のガス流に導入するミスト導入口５４を有する。ガス導入路５１に供給される圧縮ガスの圧力は、縮小流路５２と拡大流路５３の間の流路面積が最小となるスロート部５５を通過するときのガス流の流速が音速となる大きさに設定される。

３段目のスロート部５５の流路面積は、１段目のスロート部１５の流路面積と２段目のスロート部２５の流路面積との合計よりも大きく設定され、これにより、３段目ラバールノズル５０を流れるガス流の流量が、２段目ラバールノズル２０から流出するガス流の流量よりも大きくなるようになっている。このようにすると、２段目ラバールノズル２０で形成されたミストを含むガス流が、３段目ラバールノズル５０の超音速のガス流に合流するときに、その合流が円滑となる。

２段目ラバールノズル２０で形成されたミストは、３段目ラバールノズル５０の拡大流路５３内の超音速のガス流に流入するときに、そのガス流から受ける剪断力によって微細化される。そのため、この３段目ラバールノズル５０を追加したスプレーノズルは、上記実施形態よりも更に微細で粒度分布がシャープなミストを得ることができる。同様に、４段目以降のラバールノズルを追加することも可能である。

図８に示すように、液体供給路１４は、ガス導入路１１の内面（または縮小流路１２の内面）から突出してＬ形に屈曲し、縮小流路１２からスロート部１５を通って拡大流路１３に至るように延び、拡大流路１３の中心軸上で出口が開口するように形成してもよい。このようにすると、拡大流路１３の内面への液体の付着を効果的に防止することが可能となる。

また、図９に示すように、液体供給路１４は、拡大流路１３の内面から突出してＬ形に屈曲し、拡大流路１３の中心軸上で出口が開口するように形成してもよい。このようにしても、拡大流路１３の内面への液体の付着を効果的に防止することが可能である。

１ スプレーノズル
１０ １段目ラバールノズル
１２ 縮小流路
１３ 拡大流路
１４ 液体供給路
１４ｂ 出口
１４ｅ 入口
２２ 縮小流路
２０ ２段目ラバールノズル
２３ 拡大流路
２４ ミスト導入口
３０ 乾燥塔
３１ 乾燥室
４４ 熱風吹出口
θ１，θ２ 交差角度

Claims (6)

1. 外部から供給される圧縮ガスを上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少することで音速に達するまで加速する縮小流路（１２）と、その縮小流路（１２）に連続して設けられ、縮小流路（１２）から導入した音速のガス流を上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大することで超音速に加速する拡大流路（１３）と、その拡大流路（１３）内の超音速のガス流に液体を供給する液体供給路（１４）とを有し、その液体供給路（１４）から供給された液体を超音速のガス流でミスト化する１段目ラバールノズル（１０）と、
   外部から供給される圧縮ガスを上流側から下流側に向かって流路面積が次第に減少することで音速に達するまで加速する縮小流路（２２）と、その縮小流路（２２）に連続して設けられ、縮小流路（２２）から導入した音速のガス流を上流側から下流側に向かって流路面積が次第に拡大することで超音速に加速する拡大流路（２３）と、その拡大流路（２３）内の超音速のガス流に前記１段目ラバールノズル（１０）で形成されたミストを導入するミスト導入口（２４）とを有し、そのミスト導入口（２４）から導入されたミストを超音速のガス流で微細化する２段目ラバールノズル（２０）と、
   を有するスプレーノズル。
2. 前記１段目ラバールノズル（１０）で形成されたミストが、前記２段目ラバールノズル（２０）の超音速のガス流の流れ方向に対して３０°〜１５０°の範囲の交差角度（θ２）をもって２段目ラバールノズル（２０）の超音速のガス流に導入されるように、前記１段目ラバールノズル（１０）と２段目ラバールノズル（２０）を配置した請求項１に記載のスプレーノズル。
3. 前記液体供給路（１４）は、その出口（１４ｂ）が前記１段目ラバールノズルの拡大流路（１３）の内面に開口するように形成されている請求項１または２に記載のスプレーノズル。
4. 前記液体供給路（１４）の出口（１４ｂ）が、前記１段目ラバールノズル（１０）の拡大流路（１３）の内面に周方向に間隔をおいて複数設けられている請求項３に記載のスプレーノズル。
5. 前記液体供給路（１４）は、前記液体供給路（１４）の出口（１４ｂ）ごとに別々の入口（１４ｅ）を有するように形成されている請求項４に記載のスプレーノズル。
6. 乾燥室（３１）を内部に有する乾燥塔（３０）と、前記乾燥室（３１）内にミストを噴射するように前記乾燥塔（３０）に取り付けられた上記スプレーノズルと、前記乾燥室（３１）内に熱風を吹き出す熱風吹出口（４４）とを有し、その熱風吹出口（４４）から吹き出した熱風で前記乾燥室（３１）内のミストを乾燥させる噴霧乾燥装置。

Images