JP2016087575A - 噴霧ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】少ない気体供給量であっても、液滴の微粒子化能を向上でき、微細な液滴粒子を噴霧できる噴霧ノズル及び噴霧方法を提供する。【解決手段】噴霧ノズル１は、水を供給するための内部流路８と、この内部流路の外周に形成され、かつ空気を供給するための環状流路９と、前記内部流路８からの流体と前記環状流路９からの流体とを混合させるための混合流路１０と、この混合流路からの混合流体を絞って加速させるためのテーパー部１１（又は絞り流路１２）と、このテーパー部からの混合流体を衝突壁１４ａに衝突させるともに、環状溝１５で撹拌混合して拡散可能な衝突拡散室１４と、この衝突拡散室からの気液混合流体を噴霧するための噴射孔１６とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、気体と液体とを混合して噴霧するのに有用な噴霧ノズル（二流体ノズル）および噴霧方法、特に高温ガス（ゴミ焼却炉などの排ガス処理装置で生成するガスなど）などの加熱体を冷却するのに有用な噴霧ノズルおよび噴霧方法に関する。

加熱炉（例えば、ゴミや産業廃棄物の焼却炉、溶融炉、電気炉や加熱炉など）で発生する高温ガス、圧延ロールや、加熱された耐火物などの冷却効率を高めるため、気体（空気、不活性ガスなど）と水とを混合して、液滴を微細化した混合ミストを生成する噴霧ノズルが利用されている。例えば、焼却炉では、ダイオキシンの生成を抑制するため、焼却炉に接続された減温炉（又は減温塔）に噴霧ノズルを装着し、最大液滴径を小さくするとともにミストを微細化し、焼却灰や集塵機などの濡れを防止しつつガスの冷却効率を高めている。

特開２００５−１３１４８６号公報（特許文献１）には、ノズルの中心軸線に沿って形成された内部流路から液体及び気体のうち一方の流体を供給し、分散チップの複数の分散孔から前記一方の流体を混合流路へ吐出させ；前記内部流路の外周に形成された環状流路から他方の流体を供給し、複数の吐出孔から混合流路へ他方の流体を吐出させ；前記内部流路からの流体と前記環状流路からの流体とを混合流路で混合し；この混合流路からの混合流体を噴射孔から噴射する方法が記載されている。この方法では、前記吐出孔と前記分散孔とを、ノズルの中心軸線を基準として、実質的に異なる位相で配向させ、かつ前記内部流路からの流体を混合流路の内壁に向けて吐出して前記環状流路からの流体と混合することにより、液滴径を微細化している。特に、混合流路の下流側に、段状に小径化した混合室を形成することにより、混合流路での一次微細化に加えて、二次微細化できることが記載されている。

特開２０００−１０７６５１号公報（特許文献２）には、ノズル本体の軸線に沿って流路を形成し、この流路の流入口に液体供給管を接続すると共に、前記流路にワーラーとオリフィスとを介設させ、これらワーラー及びオリフィスよりも下流の流路の周壁に、周方向に間隔をあけて気体流入孔を設け、これら気体流入孔と連通する気体環状流路を設け、軸線に沿って流入する液体をワーラーで旋回させると共にオリフィスで絞った後に、外周より流入する気体と衝突混合させ、上記混合流体を上記噴射孔から噴霧する二流体ノズルが記載されている。このノズルでは、前記衝突混合流体を上記気体流入孔と先端噴射孔との間に拡径して形成した気液混合室で混合し、この気液混合室の先端側に段差を設けて形成した縮径室と、この縮径室の先端に円錐形状に形成した噴口部とを通じて、上記混合流体を上記噴射孔から噴霧している。

これらの方法では、混合室又は縮径室の段差部を利用して液体粒子を微細化している。しかし、段差部での微粒子化能には限度があり、液体粒子を効率よく微粒子化することが困難である。

さらに、特開２００８−５１０６１８号公報（特許文献３）には、液体吐出オリフィスを有する液体流通路を備えたノズル本体と；このノズル本体に固定されるとともに、前記液体吐出オリフィスから離れ、かつ前記軸に対して垂直方向の一次衝突面を画成する直立衝突ピンを有するスプレーチップ（液体ストリームが前記衝突面に衝突して側方に広がる分散液へと分かれるスプレーチップ）と；前記衝突面の上流側で前記軸の周りに配置された環状空気流通路を画成する空気ガイド（加圧空気の速度を高めるとともに、液体流ストリームを取り囲んでカーテン状態で前記分散液と衝突させ、液体を微粒化する空気ガイド）とを備えたスプレーノズルアセンブリが記載されている。このアセンブリは、前記環状空気通路が前記液体吐出オリフィスの面積よりも大きい流通路面積を有し、前記スプレーチップが、微粒化液体粒子が大きな粒子を再形成するのを防止するための拡張チャンバを前記衝突面の周囲に画成し、前記スプレーチップが、前記衝突面よりも下流側に、複数の吐出オリフィスを有していることが記載されています。

しかし、このノズルでは、液体を衝突ピンに衝突させ、環状空気流通路からの加速空気で微細化して混合し、吐出オリフィスから噴出させているため、液体粒子の微細化効率が低い。しかも、直立衝突ピンを必要とし、ノズルの構造が複雑化する。

さらに、これらの文献に記載のノズルでは、噴霧域の外周域に飛散する液滴径が大きくなる。特に、気体の供給量が少なくなると、液滴径が大きくなりやすく、液滴粒子を微細化できない。そのため、広い噴霧域において、均一で微細な液滴粒子を形成できない。

特開２００５−１３１４８６号公報（特許請求の範囲、［００２６］、図２） 特開２０００−１０７６５１号公報（特許請求の範囲、図１） 特開２００８−５１０６１８号公報（特許請求の範囲、図１）

従って、本発明の目的は、液滴の微粒子化能を向上でき、微細な液滴粒子を噴霧できる噴霧ノズル及び噴霧方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、簡素な構造で、少ない気体供給量であっても、液体粒子の微粒子化が可能な噴霧ノズル及び噴霧方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、広い噴霧域に均一で微細な液滴粒子を噴霧でき、噴霧外周域に粗大な液滴が飛散するのを抑制できる噴霧ノズル及び噴霧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、液滴粒子と気体との混合流体を加速して衝突させ拡散させると、液滴を均一かつ効率よく微細化できること、さらに、混合流体の衝突拡散による微細化に加えて撹拌力を作用させると、少ない気体供給量であっても、液滴を微粒子化できるだけでなく、広い噴霧域に均一で微細な液滴粒子を噴霧できることを見いだし、本発明を完成した。

すなわち、本発明の噴霧ノズルは、ノズルの中心軸線に沿って形成され、かつ液体及び気体のうち一方の流体を供給するための内部流路と、前記ノズルのうち、この内部流路の外周に形成され、かつ他方の流体を供給するための環状流路と、前記内部流路からの流体と前記環状流路からの流体とを混合させるための混合流路と、この混合流路からの混合流体を噴射するための噴射孔とを備えている。このような噴霧ノズルは、前記混合流路と噴射孔との間に、内径が下流方向にいくにつれて小さくなるテーパー部（又は前記混合流路からの混合流体を絞るための絞り流路）と、このテーパー部からの混合流体が衝突可能な衝突壁を有し、かつ前記混合流体を拡散可能な衝突拡散室（又は混合流体を衝突拡散させるための衝突拡散室）とを備えている。

このような噴霧ノズルでは、混合流路で生成した混合流体をテーパー部（絞り流路）で加速させ、衝突拡散室において、衝突壁に対して衝突できるとともに、衝突拡散室で開放して拡散できる。そのため、液滴の微細化効率を改善でき、微細な液滴粒子を噴射孔から噴霧できる。

なお、内部流路からの流体と環状流路からの流体とを効率よく混合するため、環状流路からの流体を、混合流路に向けて吐出するための複数の吐出孔と、この吐出孔の上流側に位置し、かつ前記内部流路の下流端に配設された分散チップとを備えていてもよい。この分散チップの周方向には、内部流路からの流体を前記吐出孔又はその近傍の内壁に向けて吐出するための複数の分散孔を形成してもよい。また、吐出孔と分散孔との位置関係は特に制限されず、複数の吐出孔に対して複数の分散孔が周方向に異なる位相で配向（又は位置）していてもよい。

前記テーパー部の下流端は、オリフィスを形成してもよい。また、衝突拡散室は、テーパー部の下流端（又はオリフィス）よりも内径が大きな中空の円筒状空間を形成し、混合流体を拡散及び開放して微細化効率を向上させてもよい。さらに、突出した衝突壁ではなく、衝突拡散室の下流端に、テーパー部の下流端（又はオリフィス）に対向して衝突壁を形成すると、衝突拡散室で混合流体をより一層拡散及び開放でき、液滴の微粒子化に有効である。衝突拡散室の衝突壁の径は、衝突効率を高めるため、テーパー部の下流端（又はオリフィス）の内径よりも大きくてもよい。さらには、前記衝突壁の周縁部に隣接して、周方向に間隔をおいて、複数の噴射孔を形成し、微細化された液滴粒子を含む混合流体を噴霧してもよい。複数の噴射孔は、ノズルの中心軸線を中心として、前方へいくにつれて斜め外方向に向いて形成してもよい。さらに、噴射孔は、ノズルの半径方向において、テーパー部の下流端（又はオリフィス）よりも外側に位置させてもよい。

衝突拡散室の内径（広さ）は、テーパー部の下流端（又はオリフィス）の内径の１．５〜２．５倍程度であってもよい。

さらに、衝突拡散室の内壁（例えば、噴射孔に隣接する内壁）には、周方向に溝（例えば、円環状の溝、螺旋状溝など）を形成してもよい。例えば、衝突拡散室の内壁のうち噴射孔手前に、衝突拡散室の内壁と接して、混合流体を撹拌するための溝（円環状の溝）を形成してもよい。噴射孔と溝とは、ノズルの半径方向において、種々の位置関係に形成してもよく、例えば、噴射孔の中心軸が、溝の幅方向の中心軸よりも、内側に位置していてもよい（内方向に位置ずれしていてもよい）。溝（円環状の溝など）の深さは、噴射孔長さ（噴射路の長さ）の４０〜７０％程度であってもよく、溝の幅は、噴射孔の孔径の３０〜１００％程度であってもよい。

本発明の方法では、ノズルの中心軸線に沿って形成された内部流路から、液体及び気体のうち一方の流体を供給し、前記ノズルのうち、この内部流路の外周に形成された環状流路から他方の流体を供給し、前記内部流路からの流体と前記環状流路からの流体とを混合させ、混合した流体を噴射孔から噴射する。この方法において、前記混合流体の速度を、絞り流路（下流方向にいくにつれて内径が小さくなるテーパー部）により加速させ、加速した混合流体を衝突壁に衝突させて衝突拡散させ、液滴粒子が微粒子化した気液流体を噴射孔から噴射してもよい。また、加速した混合流体を衝突壁に衝突させるとともに拡散室で開放して拡散させて撹拌混合し、気液流体を噴射孔から噴射してもよい。

本発明では、液滴粒子と気体との混合流体を加速して衝突させ、かつ拡散させるため、衝突効率が高く、液滴を均一かつ効率よく微細化して、微細な液滴粒子を噴霧できる。また、混合流体の衝突拡散による微細化に加えて、液滴が微細化した混合流体に撹拌力を作用させると、少ない気体供給量であっても、液滴を微粒子化できるだけでなく、広い噴霧域に均一で微細な液滴粒子を噴霧できる。しかも、簡素な構造で、噴霧外周域に粗大な液滴が飛散するのを抑制できる。

図１は本発明の噴霧ノズルの一例を示す概略分解斜視図である。 図２は図１の噴霧ノズルを示す概略断面図である。 図３は図１の噴霧ノズルでの吐出孔と分散孔との位置関係を示す概略正面図である。 図４は噴射孔及び衝突壁とオリフィスとの位置関係を示す概略断面図である。 図５は衝突拡散室の内壁と円環状溝との関係を示す部分概略斜視図である。 図６は実施例１及び比較例１での最大粒子径の測定結果を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、以下の例では、液体として水（高圧水などの加圧水）を用い、気体として空気（加圧空気）を利用している。

図１〜図５に示す噴霧ノズル（二流体ノズル）１は、中心軸線に沿って形成された流路を有する二重管状の供給管体２と、この供給管体の下流部に螺合可能な二重管状の第１のアダプタ３と、このアダプタ３に装着可能であり、かつ周方向に複数の分散孔が形成された分散チップ５と、この分散チップと係合可能であり、かつ第１のアダプタ３に装着可能な混合ユニット６と、この混合ユニットの下流端に装着可能であり、かつ先端部の周方向に複数の噴射孔が形成されたノズルチップ７と、このノズルチップ７及び混合ユニット６と係合して前記第１のアダプタ３に螺合可能なキャップ（第２のアダプタ）４とを備えている。なお、分散チップ５は混合ユニット６に圧入して装着されている。キャップ（第２のアダプタ）４の螺合に伴って、混合ユニット６及びノズルチップ７が軸方向の上流方向に牽引され（又は移動して）緊密に締結される。

供給管体２は、二重管状の管体を形成しており、中心軸線に沿って形成された円筒状の中空部を有する内管２ａと、この内管の外周に形成された外管２ｂとを備えている。なお、外管２ｂよりも内管２ａが下流側に延出しており、この内管２ａの外周及び外管２ｂには第１のアダプタ３に対して螺合可能なネジ溝が形成されている。なお、内管２ａ及び外管２ｂは第１のアダプタ３と溶接して接続してもよい。前記内管２ａの中空部は、液体を供給するための内部流路８Ａを形成する。また、内管２ａと外管２ｂとの間には、気体を供給するための環状流路９Ａが形成されている。なお、供給管体２の内部流路８Ａは液体供給手段に接続され、環状流路９Ａには空気供給手段に接続されている。

第１のアダプタ３は、中心軸線に沿って形成された円筒状の中空部を有し、上流側の内周面には、前記管体２のネジ溝が螺合可能なネジ部が形成され、下流側の内壁には、分散チップ５を装着するための装着部が形成されている。第１のアダプタ３の中空部は、前記供給管体２の内管２ａの中空部と連通して内部流路８Ｂを形成し、第１のアダプタ３の下流側の内周壁は切り欠かれて段差内周壁３ａを形成し、この段差内周壁の段差壁には、前記供給管体２の環状流路９Ａと連通する複数の環状流路９Ｂが周方向に間隔をおいて貫通して形成されている。さらに、第１のアダプタ３の下流側の外周面には、キャップ４と螺合可能なネジ溝が形成されている。

このように、噴霧ノズル１は、ノズルの中心軸線に沿って、水（加圧水）を供給するための内部流路（供給管体および第１のアダプタで形成される内部流路）８と、ノズルのうち前記内部流路の外周に形成され、かつ空気（加圧空気）を供給するための環状流路（供給管体およびアダプタで形成される環状流路）９とを備えている。

さらに、噴霧ノズル１は、上流側から下流側に向かって中心軸線に沿って形成され、かつ内部流路８と環状流路９とが合流して形成する混合流路（円筒状中空部）１０と、この中空部（又は混合流路）の下流端から下流方向にいくにつれて内径が次第に小さくなるテーパー部１１（又は絞り流路１２）と、このテーパー部の下流端で形成されたオリフィス１３と、このオリフィスに連通し、衝突壁１４ａ及び円環状の溝１５を備えた衝突拡散室（又は衝突混合室）１４と、この衝突拡散室に連通し、かつ先端部の周方向に形成された複数の噴射孔（この例では、周方向に等間隔に形成された８つの噴射孔）１６とを備えている。これらの噴射孔１６は、衝突拡散室１４の衝突壁１４ａに隣接する傾斜周壁部（衝突拡散室１４の周縁のコーナー部に位置する傾斜周壁）１４ｂに形成されている。

前記衝突壁１４ａは、気液混合流体の衝突効率を高めるため、衝突拡散室１４の最下流端に前記オリフィス１３と対向して形成され、かつオリフィス１３の内径よりも大きな径で形成されている。また、図５に示すように、円環状の溝（環状溝）１５は、衝突拡散室１４の傾斜周壁部１４ｂを切削した形態で溝の外周端がノズルチップ７の内壁７ａと接して周方向に形成されている。さらに、複数の噴射孔１６は、前記衝突壁１４ａの周縁部に隣接して、ノズルチップ７の周方向に間隔をおいて形成され、これらの噴射孔１６は、ノズルの中心軸線を中心として、前方（軸線において噴射方向）へいくにつれて斜め外方向に向いて形成されている。

前記混合流路１０では、内部流路８からの液体と環状流路９からの気体とが合流して衝突し、気液混合流体を形成する。すなわち、前記混合ユニット６のうち環状流路９に対応する側壁（環状流路９の下流端の側壁）には、混合流路１０に向かって（又は下流方向にいくにつれて）半径方向の内方に傾斜し、かつ周方向に散在する複数の吐出孔（この例では、周方向に等間隔に形成された６つの吐出孔）６ａが形成されている。

一方、前記内部流路８の下流端に装着された分散チップ５は先端部が円錐状に形成され、この分散チップ５の円錐状部には、周方向に散在して複数の分散孔（この例では、周方向に等間隔に形成された６つの分散孔）５ａが形成されており、これらの分散孔５ａは、前記混合流路１０の内壁（又はノズル本体の内壁）に向いている。すなわち、分散チップ５に形成された複数の分散孔５ａは、環状流路９の吐出孔６ａの上流側の内壁方向に向いている。また、図３に示されるように、分散チップ５の分散孔５ａと、環状流路９の吐出孔６ａとは、ノズル本体の軸芯を基準にして、実質的に異なる位相で配向又は位置している（すなわち、周方向の異なる位置で開口している）。

そのため、分散孔５ａからの水が、吐出孔６ａよりも上流側の内壁（混合ユニット６の内壁）に衝突して一次微細化され、吐出孔６ａからの空気と衝突して二次微細化され、混合流路（混合室又は混合空間）１０では水粒子と空気との衝突による微細化が繰り返され、水滴が効率よく微細化される。

そして、混合流路１０で微細化された気液混合流体は、前記オリフィス１３よりも内径が大きな衝突拡散室（中空の円筒状空間）１４で拡散（膨張）・開放されるとともに、テーパー部１１（又は絞り流路１２）で絞られて加速され、衝突壁１４ａと有効に衝突し、さらに液滴が微細化される。さらには、噴射孔１６に隣接する衝突拡散室１４の内壁に形成された円環状の溝１５により、旋回流を生じさせることができ、気液混合流体をさらに撹拌混合して液滴サイズを均質化している。

さらに、粗大な液滴の噴霧を抑制し、液滴サイズが均質化した気液混合流体を噴射孔１６から噴霧するため、図４に示されるように、噴射孔１６は、ノズルの半径方向において、テーパー部１１の下流端（又はオリフィス１３）よりも外側に位置しており、さらには、ノズルの半径方向において、噴射孔１６の中心軸Ｃ１は、溝１５の幅方向の中心軸Ｃ２よりも内側に位置している。

このような噴霧ノズルでは、噴射孔１６の向きに対応して、紡錘状（釣鐘状又は円錐状）の噴霧パターンで微粒子化された液滴を均一に噴霧できる。すなわち、前記のように、前記混合流体を、絞り流路１２（又はテーパー部１１）で加速させて衝突壁に衝突させることができるとともに、衝突拡散室１４で拡散・開放させることができる。そのため、液滴径を効率よく微細化できる。また、円環状の溝１５により、衝突拡散した混合流体を撹拌混合でき、液滴サイズを均質化して噴射孔から噴霧できる。さらには、噴射孔１６とオリフィス１３との位置関係、噴射孔１６と円環状の溝１５との位置関係を調整することにより、粗大な液滴の噴霧を抑制でき、噴霧域の外周域に液滴径の大きなミストが噴霧されるのを有効に防止できる。そのため、高温ガス流などの被冷却体を均一に冷却できるとともに、粗大な液滴によるダスト（焼却灰）の濡れや堆積を有効に防止できる。

なお、本発明の噴霧ノズルにおいて、内部流路は、ノズルの中心軸線に沿って形成されていればよく、通常、円筒状流路で構成できるが、断面多角形状、断面楕円状などの中空部で形成された流路であってもよい。環状流路は、前記内部流路の外周部に形成され、かつ流体が流通可能である限り、断面多角形状や楕円状などの環状であってもよいが、通常、円環状である場合が多い。円筒状流路及び／又は環状流路は、単一の管体による単一のストレートな流路であってもよく、流体の流通に支障がない限り、前記のように、複数の管体による複数の流路で形成してもよい。

混合流路は、内部流路からの流体と環状流路からの流体とを混合可能な空間で形成すればよく、前記円筒状中空部に限らず、多角柱状中空部、楕円体状中空部、球体状中空部などで形成してもよい。

前記吐出孔は、環状流路からの流体が混合流路に吐出可能である限り、前記混合ユニットに形成する必要はなくアダプタの内管などに形成してもよい。また、吐出孔は環状吐出孔であってもよいが、混合効率を高めるためには、複数の吐出孔で構成するのが有利である。また、複数の吐出孔は、ランダム又は周方向に千鳥状に形成してもよいが、通常、周方向に並んで所定間隔毎に形成する場合が多い。また、周方向に形成された複数の吐出孔は、同心円状（又は多重環状）に形成してもよい。環状流路からの流体は、混合流路に向けて吐出又は噴出する場合が多い。すなわち、環状流路の吐出孔は、内部流路からの流体との混合効率を高めるため、下流方向にいくにつれて軸線に対して内方（半径方向の内方向）へ傾斜（例えば、軸線に対して３０〜８０°（例えば、３５〜７５°）、好ましくは４０〜７０°（例えば、５０〜７０°）程度）している場合が多い。

分散チップ（又は分散部材）は、混合流路での気液混合効率を高めるため、内部流路からの流体を分散させて混合流路に供給可能であれば、必ずしも必要ではなく、例えば、種々の方向に拡散又は分散させるための複数の分散孔や分散スリットを有する部材で形成してもよい。好ましい態様では、内部流路からの流体との混合効率を向上させるため、分散孔からの流体が混合流路に吐出又は噴射可能である。分散チップは、適当な流路に配設又は装着でき、通常、内部流路の下流端（又は混合流路の上流端）に配設又は装着する場合が多い。特に、分散チップは、環状流路の吐出孔の上流側の流路内に配設する場合が多い。分散チップは、前記混合ユニットに装着可能な外径を有する中空軸部（中空筒状部）と、この中空軸部（中空筒状部）から下流側に突出した円錐部とで構成しているが、内部流路からの流体を混合流路に分散しながら吐出又は噴出可能であればよく、分散チップの形状は特に制限されない。例えば、分散チップは、係止、嵌合などの装着機構により流路に装着可能な装着部を有していてもよく、分散チップの先端部は、下流側に湾曲又は膨出した膨出状であってもよく、平板又は平坦状や、上流側に湾曲又は膨出した形状であってもよい。

分散チップの分散孔も、ランダム又は周方向に千鳥状に形成してもよいが、通常、周方向に並んで所定間隔毎に形成する場合が多い。また、周方向に形成された複数の分散孔は、同心円状（又は多重環状）に形成してもよい。分散孔は、衝突効率を向上させるため、内部流路からの流体を混合流路の内壁に向けて吐出又は噴出可能であればよく、環状流路の吐出孔の下流側、吐出孔、又は吐出孔の上流側の内壁に向いていてもよい。好ましい態様では、分散孔は、環状流路の吐出孔（例えば、気体の吐出孔）又はその近傍、例えば、吐出孔の上流側の内壁に向いていてもよい。分散孔の向き（角度）は、ノズルの中心軸線に対して、例えば、２０〜７０°（例えば、２５〜６０°）、好ましくは２５〜５０°（例えば、２７〜４５°）程度であってもよく、３０〜４０°（例えば、３０〜３５°）程度であってもよい。

吐出孔及び分散孔は、円形状（円状、楕円形状など）、多角形状（方形状など）、円周状（帯状）などの形状であればよく、単一孔で構成してもよく、複数孔（例えば、３〜１５個、好ましくは４〜１２個程度）で構成してもよい。複数の孔は、ランダムに形成してもよいが、通常、周方向（例えば、先端部の周方向）に形成されている。好ましくは、各孔は、等間隔で同心円状に周方向に形成されている。また、吐出孔と分散孔との数は、同一又は異なっていてもよい。

複数の吐出孔と複数の分散孔との位置関係は特に制限されず、通常、複数の吐出孔に対して複数の分散孔が周方向に同一の位相で配向（又は位置）していてもよい。すなわち、ノズルの中心軸線を基準として、半径方向に延びる線上（放射線上）に吐出孔と分散孔との中心部が位置していてもよい。好ましい態様では、前記吐出孔と分散孔とは、液体と気体との衝突混合効率を高めるためには、ノズルの中心軸線を基準として、実質的に異なる位相で配向している。この態様では、ノズルの中心軸線を基準として、半径方向に延びる線上（放射線上）で、吐出孔と分散孔との中心部が互いに位置ずれしていてもよい。例えば、ノズルの中心軸線を基準として、吐出孔に対して分散孔は、完全に位置ズレして異なる位相で配向していてもよく、少なくとも一部重複して異なる位相で配向していてもよい。

本発明では、前記混合流路と噴射孔との間で、混合流路で混合された気液混合流体をテーパー部（絞り流路）で絞り、加速させて衝突壁に衝突させる。このテーパー部は、下流方向にいくにつれて内径が小さくなる形態を有しており、下流方向に向かって、直線的に狭まっていてもよく、湾曲して又は段階的に狭まっていてもよい。

テーパー部の角度は、ノズルの中心軸線に対して、例えば、５〜９０°（例えば、１５〜７０°）、好ましくは１０〜６０°（例えば、１０〜４５°）程度であってもよい。また、テーパー部の長さは、例えば、３〜３０ｍｍ（例えば、４〜２５ｍｍ）、好ましくは５〜２０ｍｍ（例えば、５〜１５ｍｍ）程度であってもよい。さらに、テーパー部の先端部の開口径は、例えば、２〜２０ｍｍ（例えば、３〜１７ｍｍ）、好ましくは４〜１５ｍｍ（例えば、５〜１２ｍｍ）程度であってもよい。

テーパー部（絞り流路）の下流端はオリフィスとして形成する必要はないが、通常、狭まった流路に対応してオリフィスを形成している。オリフィスの長さ（テーパー部の先端部の長さ）は、例えば、０．１〜３ｍｍ（例えば、０．３〜２ｍｍ）、好ましくは０．５〜１．５ｍｍ（例えば、０．７〜１．２ｍｍ）程度であってもよい。

前記絞り流路と連通する衝突拡散室は、テーパー部の下流端（又はオリフィス）よりも内径が大きな中空の円筒状空間を形成している。そのため、テーパー部で絞られ、かつ加速された混合流体を急激に開放して拡散でき、液滴粒子を微細化できる。衝突拡散室の内径（広さ）は、テーパー部の下流端（オリフィス）の内径よりも大きければよく、例えば、テーパー部の下流端（オリフィス）の内径の１．２〜３倍（例えば、１．３〜２．７倍）、好ましくは１．４〜２．５倍（例えば、１．５〜２．５倍）、さらに好ましくは１．５〜２倍（例えば、１．７〜２倍）程度であってもよい。

前記混合流体を拡散可能な衝突混合室は、テーパー部からの混合流体が衝突可能な衝突壁を有している。この衝突壁は、上流方向に突出することなく、衝突拡散室の下流端に、テーパー部の下流端（又はオリフィス）に対向して形成されている。また、衝突壁は、下流方向又は上流方向に突出又は膨出していてもよいが、通常、平板状の形態を有している。衝突拡散室の衝突壁の径は、混合流体と衝突可能である限り特に制限されないが、混合流体との衝突効率を高めるため、テーパー部の下流端（又はオリフィス）の内径と同等又はそれ以上であってもよい（特にテーパー部の下流端（又はオリフィス）の内径よりも大きくてもよい）。例えば、衝突壁の径は、テーパー部の下流端（又はオリフィス）の内径に対して、例えば、１〜２倍（例えば、１．０１〜１．７倍）、好ましくは１〜１．５倍（例えば、１．０２〜１．５倍）、さらに好ましくは１〜１．３倍（例えば、１．０３〜１．２倍）程度であってもよい。

なお、衝突混合室は、円筒状であってもよく、下流方向にいくにつれて内径を連続的に又は段階的に小さく形成してもよい。また、前記のように、衝突混合室の衝突壁に隣接する周壁部は傾斜していてもよい。

混合流体を噴射するための噴射孔は、噴霧パターンに応じてノズルチップの適所に種々の形態で形成でき、例えば、スリット状（直線状、十字状などの放射状など）であってもよく、非スリット状（円形、楕円形、多角形など）であってもよい。必要であれば、ノズルチップには、周方向に複数の噴射孔列を形成してもよい。また、噴射孔は、単一の噴射孔で構成してもよく、複数の噴射孔（例えば、３〜１５個、好ましくは４〜１２個程度）で構成してもよい。例えば、複数の噴射孔はランダムに形成されてもよいが、通常、ノズルチップにおいて周方向に所定間隔をおいて形成されている。噴射孔は、通常、前記衝突壁の周縁部に隣接して形成する場合が多い。また、噴射孔は、噴霧パターンに応じて、種々の方向に向けて形成でき、ノズルの中心軸線と平行に形成してもよく、ノズルの中心軸線を中心として、前方へいくにつれて斜め外方向に向けて形成してもよい。

ノズルの半径方向において、噴射孔とテーパー部の下流端（又はオリフィス）との位置関係は、特に制限されない。噴射孔は、テーパー部の下流端（又はオリフィス）よりも外側（又は外周側）に位置している場合が多い。なお、ノズルの半径方向において、噴射孔とテーパー部の下流端（又はオリフィス）とは一部重複していてもよい。さらに、周方向に形成された分散孔に対して、周方向に形成された噴射孔の位相は、中心軸線を基準として、同一又は異なっていてもよい。

衝突拡散室の内壁には必ずしも溝（環状溝）を形成する必要はないが、混合流体を効率よく撹拌混合して均質化するため、前記衝突拡散室の内壁には、内周溝が形成されているのが好ましい。衝突拡散室の内壁には、単一の溝（環状溝）に限らず、ノズルの軸線方向に間隔をおいて複数の溝（環状溝）を形成してもよく、螺旋状溝を形成してもよい。この螺旋状溝の下流端（終端）は、必要であれば、噴射孔で開口していてもよいが、噴射孔で開口することなく閉じているのが好ましい。

前記環状溝（又は円環状の溝）は、衝突拡散室の内壁の適所に形成でき、噴射孔に隣接する内壁（噴射孔の上流側の内壁又は噴射孔の手前）に形成してもよい。特に、環状溝（又は円環状の溝）は、衝突拡散室の前方側の周縁部（又はコーナー部の周壁、若しくは傾斜周壁部）に形成でき、環状溝（又は円環状の溝）の外周縁はノズルチップの内周壁と交わる形態で内壁と接していてもよい。すなわち、衝突拡散室の前記傾斜周壁部（内壁）に環状溝を切削した形態で、環状溝（又は円環状の溝）の両側壁のうち外周壁は、衝突拡散室の内壁を形成していてもよい。なお、溝の断面形状は特に制限されず、コ字状、Ｕ字状、Ｖ字状などであってもよい。

ノズルの半径方向において、噴射孔の中心軸と、溝（又は円環状の溝）の幅方向の中心軸とは一致していてもよく、噴射孔の中心軸は、溝の幅方向の中心軸よりも外側（外周側）に位置ずれしていてもよいが、内側（内周側）に位置ずれしているのが好ましい。

溝（又は円環状の溝）の深さは、特に制限されないが、噴射孔の長さ（噴射路の長さ）の４０〜７０％（例えば、４５〜７０％）、好ましくは５０〜６５％（例えば、５０〜６０％）程度であってもよい。また、溝（又は円環状の溝）の幅は、噴射孔の孔径の３０〜１００％（例えば、３５〜９０％）、好ましくは４０〜８０％（例えば、４５〜７０％）程度であってもよい。

なお、前記の例では、内部流路に水を供給し、環状流路に空気を供給しているが、液体及び気体のうち一方の流体を内部流路に供給し、他方の流体を環状流路に供給してもよい。例えば、内部流路から液体（加圧水など）を供給し、環状流路から気体（加圧空気など）を供給する場合が多いものの、内部流路に気体（加圧空気など）を供給し、環状流路に液体（加圧水など）を供給してもよい。

本発明の噴霧ノズルは、液滴径を微粒化（及び均一化）するための種々の微粒化手段を備えていてもよい。例えば、旋回流を生じさせる旋回手段（例えば、羽根状ワーラなどの種々のワーラ）を流路内に配設してもよい。旋回手段の配設位置は、特に制限されず、内部流路（例えば、分散チップの上流側）であってもよく、混合流路（分散チップの下流側、若しくは混合流路の下流側）であってもよく、必要であれば、衝突拡散室であってもよい。また、混合流路内に、気液混合流体をさらに微細化するとともに均一化するため、邪魔部材（例えば、軸部材から放射状に延び、かつ混合流路の内壁と密接して配設可能な複数の羽根を備えた邪魔板部材）を配設してもよい。

本発明の噴霧ノズルは、低い気体圧で気体を流通させても、混合ミストを効率よく噴射できる。加圧気体の圧力は、通常、０．０１〜１ＭＰａ（例えば、０．０５〜０．８ＭＰａ）、好ましくは０．１〜０．７ＭＰａ、さらに好ましくは０．２〜０．６ＭＰａ程度である。また、液体は、通常、加圧液体（又は高圧液）として供給され、圧力は、０．０１ＭＰａ以上（例えば、０．０５〜２ＭＰａ、好ましくは０．１〜１ＭＰａ）程度であってもよい。さらに、本発明の噴霧ノズルは、気体と液体との流量比（体積割合）が小さくとも、均一で微細な液滴を形成できる。例えば、気体／液体（気液体積比）が、５０〜２００（例えば、６０〜１７０）、好ましくは７０〜１５０（例えば、７０〜１３０）程度であっても、本発明の噴霧ノズルは、粗大な液滴が生成するのを防止でき、特に、噴霧域の外周部（外周域）において粗大な液滴径が飛散するのを有効に防止できる。

本発明の噴霧ノズルにおいて、混合ユニット６とノズルチップ７とで主要なノズル本体を形成しており、アダプタ３、キャップ４及び／又は供給管体２はノズル本体に対して脱着不能に固着していてもよいが、メインテナンス性を向上させるためには、ノズル本体に対して着脱自在に装着可能である。ノズル本体に対する供給管体２、分散チップ５やアダプタ３、キャップ４などの装着機構は、前記構造に限らず種々の構造や機構、例えば、螺合機構、嵌合機構、係止又は掛止機構などが採用できる。吐出孔と分散孔との周方向の位置は、種々の位置決め機構、例えば、案内機構（キー溝などの凹凸部など）と、係止などによる抜け止め機構とで構成された装着機構などが例示できる。

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
図１に示す噴霧ノズルを用い、空気圧Ｐ_Ａ＝約０．４ＭＰａ、水圧Ｐ_Ｗ＝約０．４ＭＰａ、水量Ｑ_Ｗ＝６００Ｌ／ｈｒ、気水体積比Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｗ＝８０又は１２０（空気量Ｑ_Ａ＝４８ｍ^３／ｈｒ又は７２ｍ^３／ｈｒ）の条件で噴霧試験を行った。

そして、垂直方向にミストを釣鐘状に噴霧し、ノズルを起点（０地点）として噴射距離１０００ｍｍでの噴霧パターン（又は噴霧域）の中央部、周縁部及び中間部の３箇所で液滴径を測定し、平均値（９９％最大粒子径）を比較した。なお、液滴径の測定には、ＰＤＰＡ（位相レーザードップラー粒子分析計）を用い、粗い粒子を捕捉するため大きめのレンズを使用した。

比較例１
特許文献１の図１に示す噴霧ノズルを用い、実施例１と同様にして噴霧試験を行った。なお、この噴霧ノズルは、テーパー部、及び衝突拡散室の円環状の溝を備えておらず、混合流路の下流側に段状に小径化した混合室を備え、かつこの混合室から噴射孔が延びて形成されている。

結果を図６に示す。

図６に示すように、少ない気体供給量であっても、液滴を微粒子化できるとともに液滴径を均質化できる。しかも、粗大粒子の生成を抑制でき、広い噴霧域に均一で微細な液滴粒子を噴霧できる。

本発明の噴霧ノズルは、液滴の均一化が必要な種々の用途、例えば、焼却炉などの加熱炉での高温ガスの冷却、圧延加工工程での鋼板の冷却、製紙工程などでの加湿又は保湿、薬液や水の散布、スプレードライ装置、造粒装置、装飾用などの靄の生成などのノズルとして利用できる。

１…噴霧ノズル
５…分散チップ
８（８Ａ，８Ｂ）…内部流路
９（９Ａ，９Ｂ）…環状流路
１０…混合流路
１１…テーパー部
１２…絞り流路
１３…オリフィス
１４…衝突拡散室
１４ａ…衝突壁
１５…円環状の溝
１６…噴射孔

Claims (12)

1. ノズルの中心軸線に沿って形成され、かつ液体及び気体のうち一方の流体を供給するための内部流路と、前記ノズルのうち、この内部流路の外周に形成され、かつ他方の流体を供給するための環状流路と、前記内部流路からの流体と前記環状流路からの流体とを混合させるための混合流路と、この混合流路からの混合流体を噴射するための噴射孔とを備えている噴霧ノズルであって、前記混合流路と噴射孔との間に、内径が下流方向にいくにつれて小さくなるテーパー部と、このテーパー部からの混合流体が衝突可能な衝突壁を有し、かつ前記混合流体を拡散可能な衝突拡散室とを備えている噴霧ノズル。
2. テーパー部の下流端がオリフィスを形成しており、衝突拡散室が、オリフィスよりも内径が大きな中空の円筒状空間を形成しており、衝突拡散室の下流端に、オリフィスに対向して衝突壁が形成され、この衝突壁の周縁部に隣接して、周方向に間隔をおいて、複数の噴射孔が形成されている請求項１記載の噴霧ノズル。
3. ノズルの半径方向において、噴射孔が、テーパー部の下流端よりも外側に位置している請求項１又は２記載の噴霧ノズル。
4. 衝突拡散室の衝突壁の径が、テーパー部の下流端の内径よりも大きい請求項１〜３のいずれかに記載の噴霧ノズル。
5. 衝突拡散室の内径（広さ）が、テーパー部の下流端の内径の１．５〜２．５倍である請求項１〜４のいずれかに記載の噴霧ノズル。
6. 衝突拡散室の内壁に環状の溝が形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の噴霧ノズル。
7. 衝突拡散室の内壁と接して環状の溝が形成され、ノズルの中心軸線を中心として、前方へいくにつれて斜め外方向に向いて複数の噴射孔が形成され、ノズルの半径方向において、噴射孔の中心軸が、溝の幅方向の中心軸よりも内側に位置している請求項１〜６のいずれかに記載の噴霧ノズル。
8. 溝の深さが、噴射孔の長さの４０〜７０％である請求項６又は７記載の噴霧ノズル。
9. 円環状の溝の幅が、噴射孔の孔径の３０〜１００％である請求項６〜８のいずれかに記載の噴霧ノズル。
10. 環状流路からの流体を、混合流路に向けて吐出するための複数の吐出孔と、この吐出孔の上流側に位置し、かつ前記内部流路の下流端に配設された分散チップと、この分散チップの周方向に形成され、かつ内部流路からの流体を前記吐出孔又はその近傍の内壁に向けて吐出するための複数の分散孔とを備えており、複数の吐出孔に対して複数の分散孔が周方向に同一又は異なる位相で配向している請求項１〜９のいずれかに記載の噴霧ノズル。
11. ノズルの中心軸線に沿って形成された内部流路から、液体及び気体のうち一方の流体を供給し、前記ノズルのうち、この内部流路の外周に形成された環状流路から他方の流体を供給し、前記内部流路からの流体と前記環状流路からの流体とを混合させ、混合した流体を噴射孔から噴射する方法であって、前記混合流体の速度を、絞り流路により加速させ、加速した混合流体を衝突壁に衝突させて衝突拡散させ、液滴粒子が微粒子化した気液流体を噴射孔から噴霧する噴霧方法。
12. 加速した混合流体を衝突壁に衝突させるとともに拡散室で混合流体を開放して拡散させて撹拌混合し、気液流体を噴射孔から噴霧する請求項１１記載の噴霧方法。

Images