JP2015528745A - ノズル組立体 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力下で供給される流体を微細な粒子に噴霧化させるノズル組立体であって、上面と、下面と、前記上面と前記下面に隣接している外面とを有し、前記外面は中に形成された複数の溝を有して前記下面と前記上面との間に延びていることを特徴とする円錐部材と、凹部が設けられ、前記円錐部材を受け入れるように構成され、内面を有し、複数の流路を形成するために前記溝が前記内面によって少なくとも部分的に覆われることを特徴とする対抗部材とを有し、前記流路は流体ジェットをそれぞれ射出するための出力口を定め、前記ジェットは前記円錐部材の前記上面から離れた領域で少なくとも他の流体ジェットと衝突することで前記流体を噴霧化させ、また前記円錐部材は前記ノズル組立体の有効断面積を大きく、または小さくするために前記軸に沿って移動可能となっていることを特徴とするノズル組立体に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力下で供給される流体を、吸入による薬剤の塗布や芳香等の供給に適する微細な液滴に噴霧化させるノズル組立体に関する。

例えば特許文献１は、流体を噴霧化し、流体からスプレー霧を生成するために用いられるノズル組立体、等を記載している。このノズル組立体は２つの部材を備え、前記部材はそれぞれ略平面を備えており、互いに接続される。前記部材の第１の略平面に第１組の流路が並んで形成され、前記部材の第２の略平面と連動して複数の流体ジェットを射出するように構成されている複数のノズル出力通路を形成し、前記流体ジェットは互いに衝突して流体を噴霧化する。この組立体は、バネで重圧された高圧源と、通常約５μｍ×５μｍの寸法を有する２つの小流路によって生成されたマイクロジェットを用いて作動する。これらの流路はシリコン平板の中に形成されるが、このときシリコンエッチング技術が用いられ、ガラス融合技術によって結びつけられたガラス板によって前記流路は覆われる。２つのジェットが非常に大きな速度で流路を出ると、ノズルの前方で互いに衝突する。この結果、ジェットが微細なスプレー霧へと変化し、該スプレー霧は約４−６μｍの非常に精密な直径分布を有している。力学エネルギーは液体の表面エネルギーに変換される。スプレー霧の性質は、速度、衝突点、衝突角度の変化によって大きく変化する可能性がある。何らかの柱状の構造を付加することにより、濾過機能を設けることもできる。これにより、マイクロ単位の構造を持つ基板にある全構造の深さが均一になる。前記流路は、少なくとも５０バールの圧力で供給される流体を受け入れるように設計されている。しかし、このようなノズルの生産コストは高い上、医療の用途で異なる様々な要望に合致するように簡単に改良することができない。

特許文献２はカートリッジを備えたノズル組立体を開示しており、前記カートリッジは上面と下面と、前記上面および前記下面に隣接した外面を備え、前記外面は、中に形成される直径１μｍ〜２ｍｍの複数の溝を有する。前記カートリッジは、ノズル本体に形成された凹部に嵌合保持、または摩擦保持される。カートリッジ外面の各溝はノズル本体で被覆される。

さらに、特許文献３は、ノズルヘッドからなるノズル組立体を開示しており、前記ノズルヘッドは中に延びるボアの内面に流路を設けている。ノズルの開口部は栓で塞ぐことができ、前記栓はボアに適合した円錐前部を有し、円錐部が前記流路の両側に当接することによってボアを塞ぎ、収束しながらジェットを形成する一対の通路を形成するようになっている。

特許文献４に記載のスプレーノズルは、円錐台状のノズル部材を備え、対応するノズル本体部によって塞がれる各通路を備えている。中央流出口が形成され、そこから噴霧化された油滴がノズルより排出可能となっている。

特許文献５は、車両フロントガラス洗浄システムに用いられるスプレーノズルに関する。前記ノズルは少なくとも２つの開口部を備え、前記開口部は流体ジェットをそれぞれ各開口部から流体柱状に排出させ、反対側の開口部より排出される流体柱へと向けられるように配設される。開口部は、流体柱の断面積の一部分だけが交差するように、互いに偏位して配設させることができる。

特許文献６は、円錐台形状インサートのノズル流路に送られる液体を混合し、次々に噴霧化させるための装置を開示している。

スプレーノズル、特に数μｍの直径しかない小さな流路を有するスプレーノズルは詰りによる影響を受けやすく、詰りは防止が困難である上に、ノズルを損傷させることなく取り除かなければならない。粘性が比較的高い液体でも同様の問題が起こる。

米国特許第６５０３３６２号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０５８７５６号明細書 米国特許出願公開第３５６８９３３号明細書 米国特許出願公開第３６６９４１９号明細書 欧州特許第１２８６８７１号明細書 欧州特許第１０９４０５３１号明細書

したがって本発明の目的は、製造コストが安くて洗浄し易く、例えば異なる粘性を持つ流体を噴霧化させ、用途に応じて異なる所望特性に対応させるために改良しやすいノズル組立体を提供することである。

本発明によれば、圧力下で供給される流体を微細な液滴に噴霧化させるノズル組立体が提供され、前記ノズル組立体は円錐部材を備え、前記円錐部材は上面と、下面と、前記上面と前記下面に隣接している外面とを有して軸を定め、ここで前記外面は前記下面と前記上面との間に延びていて、中に形成された複数の溝を有し、また前記ノズル組立体は対抗部材を備え、前記対抗部材は凹部を備えて前記円錐部材を受け入れるように構成されて内面を有し、複数の流路を形成するために前記溝が前記内面によって少なくとも部分的に覆われることを特徴とし、ここで前記流路は流体ジェットをそれぞれ射出するための出力口を定め、前記ジェットは前記上面から離れた領域で少なくとも他の流体ジェットと衝突することで前記流体を噴霧化させ、また前記円錐部材は前記ノズル組立体の有効断面積を大きく、または小さくするために前記軸に沿って移動可能となっていることを特徴とする。

「有効断面積」とは各流路の断面積と、横断面における円錐部材と対抗部材のギャップの断面積の和をとったものを指す。

したがって、ノズル組立体の平面的な構造が使用されることはなく、むしろ流路を思い通り様々に設計できるよう、三次元的な構造が用いられる。例えば、流路の深さを変更させることは容易であり、また微細な構造を持つ流路を得ることも可能である。駆動圧によってノズル組立体の円錐部材は対抗部材の凹部の中へと入り、導入された力の大部分は立体対抗部材の中へと導かれる。一方、圧力を抜くことにより円錐部材が自身の軸に沿って移動できるようになるので、円錐部材と対抗部材のギャップによりノズルの有効断面積が増加する。例えば、駆動圧のパルス変化によって不純物を容易に取り除くことができる。

好ましい実施形態において、各流路のうち少なくとも１つの流路が、その他の流路のうち少なくとも１つの流路とは異なった断面積を有する。例えば、不適な流路を適当な装置で選択的に区切ることにより、このように異なる粘性を有する液体を同じノズルに用いることができる。

さらに、各流路のうち少なくとも１つの流路の断面積は、下面から上面にかけて減少していくことが好ましい。これは、より幅広く、より深い吸込面が得られることを意味し、したがってシリコンから成る従来の平面ノズルと比べて、流路の圧力低下は格段に小さい。断面積は徐々に小さくしていくか、連続的に小さくしていくか、あるいは一つまたは複数の段階を伴って小さくしていくことができる。このようにして、５０バールよりもずっと小さな圧力で、匹敵するスプレー特性を達成することができる。

一実施例では、対抗部材の凹部内部にある円錐部材の位置は、流体の粘性に応じて調節可能である。これによってより広い範囲の粘性を有する液体を噴霧化することが可能となるが、噴霧化に望ましい力学的エネルギーを達成するため、より大きな流路が必要とされる。

前記流路の出力口は、好ましくは円錐部材の上面から離れた領域に流体ジェットの複数の衝突点を有するように設計される。

さらに、円錐部材は一時的に対抗部材から取り外せることが好ましい。こうすることにより、重大な閉塞が発生した際にノズル組立体を洗浄する余地ができる。円錐部材を押し下げることによって流路が解放し、洗浄するための推力によって詰りが解消される。最後、円錐部材は作動位置に戻ってくる。

ある形態では、円錐部材の内部に中央通路が設けられ、前記通路は粒子雲のジェット特性をより前面に指向しやすい霧へと変化させる。

ノズル組立体において、円錐部材および／または対抗部材は、射出成形などのプラスチック成型技術を用いて生成されることが好ましい。

本発明のノズル組立体は従って、所望とする用途に応じた幅広い粘性を有する各流体の要件をすべて満たすことができる設計を柔軟に実現させることができる。

本発明の詳細を、数々の実施例を単なる例示として用い、添付図面を参照して説明する。

本発明によるノズル組立体の好ましい実施形態における円錐部材の概略斜視図である。 本発明によるノズル組立体の好ましい実施形態における部分切り欠き、概略斜視図である。 本発明のノズル組立体によって達成できるジェット特性の概略断面図である。 図３Ａと同様、本発明のノズル組立体の変形実施例におけるジェット特性の概略断面図である。 許容差を説明するためのノズル組立体例の概略断面図である。 許容差を説明するためのノズル組立体例の概略断面図である。 本発明によるノズル組立体で使用される流路設計の断面図である。 本発明によるノズル組立体で使用される流路設計の断面図である。 本発明によるノズル組立体で使用される流路設計の断面図である。 本発明によるノズル組立体で使用される流路設計の断面図である。 本発明によるノズル組立体で使用される流路設計の断面図である。 本発明によるノズル組立体で使用される流路設計の断面図である。 濾過構造を備える円錐部材の断面図である。 本発明によるノズル組立体の一実施形態における断面図を示し、円錐部材が対抗部材に対して移動可能となっている。 対抗部材を改良した本発明のノズル組立体の一実施例における断面図を示す。 対抗部材を改良した本発明のノズル組立体の一実施例における断面図を示す。

図１は本発明のノズル組立体において用いられる円錐部材１０の一例の概略斜視図である。円錐部材１０は、上面１２と、下面１４と、上面１２および下面１４に隣接する外面１６と、を有する。外面１６は４つの溝１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを有し、何れも９０度の間隔を置いて、下面１４と上面１２の間に延びている。必要であれば、２、３、または４を超える溝を設けることももちろん可能である。円錐部材１０に対して軸Ｘが定められ、これは例えば回転対称の軸として定められる。軸Ｘの位置や向きは他でも可能である。

図２は本発明によるノズル組立体１００の一実施例における部分切り欠き、斜視図である。ノズル組立体１００は、凸部が設けられている対抗部材２０を有するが、図１に図示されている通り、前記凹部は円錐部材１０を受け入れるように構成される内面２２を定めている。円錐部材１０の各溝１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｃは内面２２に覆われ、これによって複数の流路が形成される。図２の実施例において、溝１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは内面２２に完全に覆われ、上面１２は対抗部材２０の上面２４と整合する。覆われた溝１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄによって形成された流路は、上面１２、２４の平面で各流体ジェットを射出するための出力口を定める。円錐部材１０は、必要に応じてノズル組立体１００の有効断面積を変化させるため、対抗部材２０の内部で軸Ｘ（図１）に沿って移動可能になっている。

図３Ａは図２のノズル組立体１００の断面図を示す。図２を参照しながら説明すると、ノズル組立体１００から噴出する流体ジェットＡは、円錐部材１０の上面１２から離れた領域で互いに衝突しあうことで、流体が噴霧化され、ほぼ円形状またはやや楕円状の噴霧化された雲Ｃが形成されるようになっている。他の雲の形状を所望とするのであれば、図２の設計を、例えば図３Ｂに示されるように変更することも可能である。円錐部材１０は追加的に、円錐部材１０の内部を中心に下面１４から上面１２へと延びる通路１９が設けられる。通路１９を通過する添加流体によって雲Ｃが雲Ｃ’に変形し、よって、より前面に指向したスプレー霧に変形する。

本発明のノズル組立体は、プラスチック成型技術を用いてすべて生成することができる。組み立ての工程で生じる許容差を受け入れなければならない。図４Ａの概略断面図で示されているように、円錐部材１０の寸法は、円錐部材１０の上面１２、２４と対抗部材２０の上面がそれぞれ整合しておらず、上面１２が上面２４の上部に位置するようになっている。にもかかわらず、流体ジェットは流路出力口から事実上、前と全く同じように輸送される。一方、円錐部材１０が完全に対抗部材２０の中に収容されずに円錐部材１０が寸法決めされ、対抗部材２０が図４Ｂに図示してあるように用いられる場合には、円錐部材１０の上面１２は、対抗部材２０の上面２４より下に位置し、これによって流体ジェットが対抗部材２０の内面に接触する可能性があるため、流体ジェットはノズル組立体から適切に誘導されなくなる。

本発明は、流体を集束して噴霧化させるために、少なくとも２つの流路を必要とするが、円錐部材１０に２を超える数の流路または溝を設けることもできる。図５Ａ〜図５Ｆには数々の例が示されている。図５Ａは円錐部材１０の断面図を示しており、各溝の１つ１８ｅが他の溝の断面積とは異なる断面積を有している。図５Ｂは同一の形状を持った８つの溝１８ｆを備える円錐部材１０を示しているが、各溝は円錐部材１０の外面１６に不規則に角度がつけられた状態で間隔が置かれている。図５Ｃは、他の溝１８ｈの深度よりも小さな深さを有する溝１８ｇを備えた円錐部材１０を示している。図５Ｄは、円錐部材１０において互いに対向して配置し、円錐部材１０の中心まで仮想的に延びる溝１８ｉ、１８ｊを示している。図５Ｅや図５Ｆで示されているように、二部構成、あるいは三部構成とすることも考えられる。ほぼ同じ寸法を有する２対の平行溝１８ｋ、１８ｌおよび１８ｍ、１８ｎによって、噴霧化された流体からなる２つの似たジェットや雲が生成される。一対の溝１８ｏ、１８ｂを、他の対の溝１８ｑ、１８ｒより幅が大きくなるように改良することで、互いに異なるジェットを生成することも可能である。その他必要に応じて様々な変形を考えることができる。

流体に濾過が必要な応用例も存在する。図６の断面図には、これに対応して改良された円錐部材１０の一実施例が示されている。円錐部材１０の外周上において、互いに対向する２つの溝１８ｓ、１８ｔにそれぞれ濾過部材１７ａ、１７ｂが設けられる。

また別の流路特性を実現するための別の方法は、いくつかの流路を所定の位置で遮断することである。円錐部材１０や対抗部材２０の回転により、それまで遮断されていた流路が解放され、開放されていた流路は遮断される。このようにして２つ以上の異なる粘性を有する流体に適したノズルを作ることができる。

さらに、前記ノズル組立体の少なくとも１つの流路、好ましくは前記ノズル組立体の全流路の断面積は、圧力低下を抑えるために円錐部材１０の下面から上面にかけて小さくなる。断面積の減少は連続的あるいは段階的にすることができる。

図７は本発明によるノズル組立体の一実施例を示し、円錐部材１０は対抗部材２０に対して両矢印Ｄで示された方向に移動可能になっている。円錐部材１０は渦巻ばね３０によって保持される。上面１２に加えられた圧力によって円錐部材１０が押し下げられると、円錐部材１０に存在する溝が解放し、これによって溝に詰まった閉塞している粒子を、ギャップ４０に流れる流体の高い圧力によって逃がすことが可能になるが、この間、円錐部材１０と対抗部材２０との間に一時的にギャップが存在している。円錐部材１０の上面１２から力が抜けると、渦巻ばね３０の復元力によってギャップ４０が直ちに閉鎖する。円錐部材１０と対抗部材２０の間にギャップ４０を設けるその他の可能性としては、円錐部材１０に渦巻ばね３０を設ける代わりに螺子を設け、螺子を螺子ナットの内部で回転可能とさせることもできる。

図８Ａは本発明によるノズル組立体の一実施例を断面図で示しており、ここでは流路の深さが変化するように対抗部材２０を変形させ、これによって円錐部材１０の上面と下面の間にある流路の断面積を変化させている。図８Ａは円錐部材１０の下面近傍の状態を示している。各溝１８ａ、１８ｂにおける突起部２０ａ、２０ｂによって流路の断面積を望ましい面積に減少させることができる。図８Ｂは円錐部材１０の上面近傍の状態を示している。各突起部２０ａ、２０ｂの断面積が大きくなることによって、各溝１８ａ、１８ｂにより定められる流路の断面積がかなり小さくなる。このような構成により、ノズル組立体内部の圧力低下が小さく抑えられる。

上記の実施例、請求項、および／または添付図面に記載されている特徴は、本発明を様々な形で実現するため、個々にあるいはあらゆる組み合わせにおいて重要である。

Claims (8)

1. 圧力下で供給される流体を微細な粒子に噴霧化させるノズル組立体であって、
   ‐上面と、下面と、前記上面および前記下面に隣接している外面と、を有し、前記外面は中に形成された複数の溝を有して前記下面と前記上面との間に延びていることを特徴とする円錐部材と、
   ‐凹部が設けられ、前記円錐部材を受け入れるように構成され、内面を有し、前記溝が前記内面によって少なくとも部分的に覆われて複数の流路が形成されることを特徴とする対抗部材と、を有し、
   前記流路は流体ジェットをそれぞれ射出するための出力口を定め、前記ジェットは前記円錐部材の前記上面から離れた領域で他の少なくとも１つの流体ジェットと衝突することで前記流体を噴霧化させ、
   また前記円錐部材は前記ノズル組立体の有効断面積を大きく、または小さくするために前記軸に沿って移動可能なノズル組立体。
2. 前記流路のうち少なくとも１つの流路が、他の流路のうち少なくとも１つの流路とは異なった断面積を有する請求項１記載のノズル組立体。
3. 前記流路のうち少なくとも１つの流路の断面積が前記下面から前記上面に向かって減少する請求項１記載のノズル組立体。
4. 前記対抗部材の前記凹部内部にある前記円錐部材の位置は、前記流体の粘性に応じて調節可能な請求項１記載のノズル組立体。
5. 前記流路の出力口は、前記円錐部材の前記上面から離れた領域に前記流体ジェットの複数の衝突点が存在するように構成された請求項１記載のノズル組立体。
6. 前記円錐部材が一時的に前記対抗部材から取り外し可能な請求項１記載のノズル組立体。
7. 前記円錐部材に中央通路が設けられている請求項１記載のノズル組立体。
8. 前記円錐部材および／または前記対抗部材は、プラスチック成型技術を用いて生成される請求項１記載のノズル組立体。
   

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