JP2019130485A - 噴霧装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を、低騒音で噴霧可能な噴霧装置を提供する。【解決手段】噴霧装置10は、液体導入部30と気液噴出部50との間に円環状の気体導入部40と凸部32と整流部54とを設けて、気液噴出部50と液体導入部30との間に気液混合部60と整流流出口55を形成するように構成して、液体流入口31から流入する液体流と気体流入口41から流入する気体流とが衝突するとともに、円環状の気体導入部40の内周面で広がったのち、内周面に沿って周回及び撹拌して液体が微粒化し、微粒化した液体を、整流流出口55で整流しつつ気液噴出部50から噴出する。【選択図】図1A

Description

本発明は、気体によって液体を微粒化する二流体ノズル型式の噴霧装置に関するものである。
液体を微粒化するノズルは、空間又は物質の冷却装置、加湿装置、薬液散布装置、燃焼装置、又は、粉塵対策装置等に広く用いられている。この微粒化ノズルを大別すると、液体を微細な孔より噴出して微粒化する一流体ノズルと、空気、窒素、又は蒸気等の気体を用い、液体を微粒化する二流体ノズルとに分類される。この一流体ノズルと二流体ノズルとでは、一般的に、二流体ノズルの方が、気体の持つエネルギーを用いて液体を微粒化するため、一流体ノズルよりも微粒化性能に優れるという特徴がある。
液体を微粒化する二流体ノズルの例としては、例えば、特許文献1に記載された二流体ノズルがある。特許文献1に記載された二流体ノズルは、図4に示すように、
噴霧装置本体部310aと、内蓋部313と、外蓋部314とを少なくとも備えている。内蓋部313と円環部324と整流板330と外蓋部314とで気液混合部315を構成している。噴霧装置310は、さらに、噴霧装置蓋固定部317を備えている。
噴霧装置310は、内蓋部313と整流板330と円環部324との間に配置された気液混合部315の外周壁面近傍の上流側平坦面である内蓋部313の内側端面313a側より液体流を導入し、その対向面より気体流を導入及び衝突させ、気液混合流体流が気液混合部315の整流板330の気液混合部315に面する円環部324の内面を周回しつつ、噴出部316へ進むことにより、気液混合部315内で液体の微粒化を促進することができる。このことにより、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を噴霧可能な噴霧装置を提供することができる。
特開2017−170422号公報
しかしながら、特許文献1に記載された前記従来の二流体ノズルの構成では、噴霧した液体の平均粒径を10μm以下にすることができるが、噴霧の騒音値が70dBを超えており、加湿等に用いる場合に人が居住する室内空間に適用できないという問題を有している。
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を、低騒音で噴霧可能な噴霧装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の第1態様によれば、
液体流路と気体流路とを有する噴霧装置本体部と、
前記液体流路の端部に設けられた液体導入部と、
前記気体流路の端部に設けられた円環状の気体導入部と、
前記液体導入部と前記気体導入部とを覆う気液噴出部と、
前記液体導入部の少なくとも1箇所に前記液体流路と連通して設けられて、前記円環状の気体導入部の内側の空間である気液混合部に液体流を流入させる液体流入口と、
前記円環状の気体導入部の少なくとも1箇所に前記気体流路と連通して設けられて、前記気液混合部に気体流を流入させる気体流入口と、
前記気液噴出部に貫通して設けられて前記気体流入口から流出した前記気体流と前記液体流入口から流出した前記液体流とが混合して、液体が微粒化した気液混合流体を流出させる管状流路と、
前記管状流路と連通して前記気液噴出部に設けられて、前記気液混合流体を噴出させる噴出口と、
前記気液噴出部に設けられて、前記噴出口に連通したテーパーを有する流路と、
前記テーパーを有する流路に設けられた凹凸形状の開口を有する整流部と、
前記液体導入部に設けられて、前記気液混合部に突出し、前記凹凸形状の開口を有する前記整流部との間で整流流出口を形成する凸部と、
を備える噴霧装置を提供する。
以上のように、本発明の前記態様にかかる噴霧装置によれば、気液噴出部と液体導入部との間に気液混合部と整流流出口を形成するように構成して、液体流入口から流入する液体流と気体流入口から流入する気体流とが衝突するとともに、円環状の気体導入部の内周面で広がったのち、内周面に沿って周回及び撹拌して液体が微粒化し、微粒化した液体を、整流流出口55で整流しつつ気液噴出部から噴出することにより、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を低騒音で噴霧可能な噴霧装置を提供することができる。
より具体的な例としては、気化が早くかつ濡れ等を感じないような小さな粒径の例として10μm以下の粒径の液体を噴霧することができ、騒音値が例えば70dB以下の二流体ノズル型式の噴霧装置を提供することができる。
本発明の実施形態における噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における噴霧装置の図1Aの1B−1B線での断面図 本発明の実施形態における噴霧装置の図1Aの1C−1C線での断面図 本発明の実施形態の変形例における噴霧装置の断面図 本発明の実施形態の変形例における噴霧装置の図1Dの1E−1E線での断面図 本発明の実施形態における凸部の例を示す噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における凸部の例を示す噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における凸部の例を示す噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における凸部の例を示す噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における凸部の例を示す噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における凸部の例を示す噴霧装置の断面図 本発明の実施形態における整流部の各部の面積と騒音値及び平均粒径の関係を示す図 従来の噴霧装置の概略構成を示す断面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態は、気体を用いて液体を微粒化噴霧する噴霧装置に関するものである。前記気体としては、例えば、空気、窒素、酸素、又は、不活性ガス等が挙げられ、使用の目的に応じて適宜選定可能である。また、前記液体としては、例えば、水、オゾン水、殺菌及び除菌機能を有する薬液、塗料、又は、燃料油等が挙げられ、使用の目的に応じて適宜選定可能である。
図1Aは、本発明の実施形態における噴霧装置10を示す断面図である。以下、この噴霧装置10の構成について図1Aを参照しながら説明する。
噴霧装置10は、噴霧装置本体部20と、液体導入部30と、気体導入部40と気液噴出部50を少なくとも備えている。液体導入部30と気体導入部40と気液噴出部50とで、気液混合部60を構成している。噴霧装置10は、さらに、気液噴出部固定部70を備えている。
噴霧装置本体部20は、円柱状部材の中心軸24方向沿いに配置された液体流路21と、液体流路21の周囲に間隔をおいて軸方向沿いに配置された円筒状の気体流路22とが、それぞれ形成されている。液体流路21と気体流路22とは、噴霧装置本体部20の一部として中央部に位置する円筒部23で区切られている。液体流路21は、先端部のみを図示しており、後端部の図示しない液体供給口は、例えば、液体供給管を介して、液槽に接続されたポンプに接続されている。気体流路22も、先端側のみを図示しており、後端の図示しない気体供給口は、例えば、気体供給管を介して、空気圧縮機からなる空圧源などに接続されている。円筒部23の先端は、円筒部23以外の噴霧装置本体部20より先端側に少し突出し、その先端に液体導入部30が固定されている。
液体導入部30は、噴霧装置本体部20の先端に配置され、液体流路21の開口を覆っている。液体導入部30は、円筒部23の端面と接する面に溝状の液体流路が形成されている。液体導入部30の中心軸24から半径方向にずれた少なくとも1箇所には、中心軸24方向に貫通する液体流入口31が形成されている。すなわち、液体流入口31は、液体導入部30の中心軸24から半径方向にずれた少なくとも1箇所に貫通して設けられる。液体流入口31は、例えば、気液混合部60の上流側で、円環状の気体導入部40の内周面近傍に位置しており、液体流路21と気液混合部60とを連通させて、液体流路21を流れる液体流を気液混合部60に流入させている。液体導入部30の先端面には、気液混合部60に突出した先細りの形状で、例えば、円錐状の凸部32が設けられている。円錐状の凸部32の中心軸は中心軸24に一致するように、円錐状の凸部32は中心軸24沿いに突出している。
気液噴出部50は、噴霧装置本体部20の先端に配置され、液体導入部30と気体導入部40を覆うとともに、気体流路22の開口を覆いかつ軸方向断面略Ω形状をなしている。気液噴出部50は、液体導入部30との間に所定間隔の円筒状の外形の隙間33をあけて覆っている。気液噴出部50の先端部には、気液混合流体を流出させる管状流路51と、管状流路51と連通して気液混合流体を噴出させる噴出口52とが形成されている。気液噴出部50の先端部側の内面には、管状流路51と連通したテーパーを有する円錐状の流路53が形成されている。テーパーを有する流路53には、凹凸形状の開口を有する整流部54が設けられている。
液体導入部30に設けられた円錐状の凸部32の先端は、整流部54の凹凸形状の開口との間で整流流出口55を形成している。円錐状の凸部32の先端部の先端は、整流部54の凹凸形状の開口に入り込んだ状態で整流流出口55を形成している。
気液噴出部固定部70は、気液噴出部50を噴霧装置本体部20の端面との間に挟持して固定している。なお、気液噴出部固定部70を無くして、気液噴出部50が、直接、噴霧装置本体部20の端面に固定されるようにしてもよい。
図1Bは、噴霧装置10の図1Aの1B−1B線での断面図を示している。図1Bに示すように、円環状の気体導入部40の内周の接線方向沿いに、気体導入部40の少なくとも1箇所に切り欠きもしくは隙間が設けられて、気体流入口41が形成されている。気体流入口41は、気体流路22と連通し、気体導入部の内側に気体流を流入させる。
気体流入口41は、液体流入口31の近傍に配置され、かつ、液体流入口31から流入する液体流の流入方向に対して、前記気体流入口41から流入する前記気体流の流入方向が交差する(例えば、直交する)ように配置されている。気体流入口41から流入した気体流は、液体流入口31から流入した液体流に衝突し、円環状の気体導入部40の内周面に沿って周回して液体を微粒化する。
図1Cは、噴霧装置10の図1Aの1C−1C線での断面図を示している。図1Cに示すように、整流部54は、凹凸形状の開口を有し、凹凸形状の開口と円錐状の凸部32との間で整流流出口55を形成している。整流部54の凹凸形状の開口は、円筒又は円錐筒の内側の周面に三角形などの歯を円筒又は円錐筒の軸周りに所定間隔毎に又は均等に内歯歯車のように刻んで、三角形などの歯を所定間隔又は均等に突出させて、隣接する歯と歯との間に整流流出口55を形成するような形状となっている。
ここで、整流流出口55は、円錐状の凸部32の先端部が整流部54の凹凸形状の開口に入り込んだ状態で、凹凸形状を外周に有する、円環状に形成されている。整流部54の凹凸形状は、凸部32の軸周りに複数個、所定間隔毎に又は均等に、配置された同じ形状又は類似する形状で形成され、かつ、軸周りに対称、例えば回転対称に配置されている。
整流流出口55の一例としては、図1A及び図1Cに示すように、整流部54の凹凸形状の開口の内縁が円錐状の凸部32の先端部に接触して互いに仕切られた複数個の三角形の整流流出口55として形成することができる。また、整流流出口55の別の例としては、後述する図3の条件番号9,10及び図1D及び図1Eに示すように、整流部54の凹凸形状の開口の内縁と円錐状の凸部32の先端部とが接触せずに隙間が形成されており、複数個の三角形の凹凸形状を外周に有する、1つの円環状の整流流出口55として形成することができる。
このような構成において、噴霧装置10に供給された液体は、噴霧装置本体部20に対して、図示しない液体供給口から装置先端側に液体流路21を流れて液体流となる。その液体流は、液体流路21と液体流入口31とを通って、気液混合部60に供給される。また、噴霧装置10に供給された気体は、噴霧装置本体部20に対して、図示しない気体供給口から装置先端側に気体流路22を流れて気体流となる。その気体流は、隙間33と気体流入口41とを通って、気液混合部60に供給される。
気液混合部60に対して気体流と液体流とが供給されると、気液混合部60で互いに混合されて、液体が微粒化される。その後に、整流部54の凹凸形状の開口と円錐状の凸部32とで形成される整流流出口55を通って整流され、気液噴出部50に設けられた管状流路51を通って噴出口52から、混合されて微粒化された液体を外側に噴出する。
ここで、以下に、気液混合部60での微粒化の機構について説明する。液体流路21を流れてきた液体流は、液体導入部30に設けられた液体流入口31を通り、気液混合部60の円環状の気体導入部40の内面近傍より、液体流が気液噴出部50の方向へ供給される。
一方、液体流入口31から気液混合部60に供給された液体流に対して、気体流入口41を通って気液混合部60に供給された気体流が、液体流に衝突して円環状の気体導入部40の内周面に沿って周回する。このように衝突することで、液体は、円環状の気体導入部40の内周面に押し広げられ、薄い膜状になる。さらに、液体は、この状態から、円環状の気体導入部40の内周面沿いの周方向に流れることにより、薄い膜状から、さらに細かな液滴へと変化する。さらに、この液滴を含む気液混合流体が、気液混合部60内で攪拌されることで、液滴をさらに微粒化することができ、より粒径の小さな液体を噴出口52から噴霧することが可能である。
また、気液混合流体が噴出する際に発生する騒音は、噴霧装置10の噴出口52から噴出される高速の気液混合流体噴流と外気との間の摩擦によって、気液混合流体噴流と外気との間に乱流が形成されることによって生じる。液体を微粒化した気液混合流体が噴出する噴出口52の近傍にて、噴出流速が一様な領域が発生することが、気液混合流体と外気との間に大きな乱流を形成する要因となっている。そこで、整流部54の凹凸形状の開口と円錐状の凸部32とで形成される整流流出口55を設けることで、噴出口52の近傍の噴出速度が一様な領域が減少し、気液混合流体噴流と外気との間に形成される乱流を小さくすることができる。このことにより、騒音を低減することができる。
具体的には、気液混合部60を形成する円環状の気体導入部40は、内径6.0mm、高さ1.9mmである。整流部54の凹凸形状の開口の内接円56は、直径1.9mm、開口の外接円57は直径2.8mm、開口の面積は4.52mmである。気液噴出部50の管状流路51は直径1.0mmで、流路断面積は0.79mmである。液体流入口31は直径0.6mmである。気体流入口41の軸直交方向の流路断面は矩形であり、幅2.0mm、高さ1.0mmである。円錐状の凸部32の底面の直径は6mm、凸部32の高さは2.8mmである。整流流出口55の開口面積は1.6mmである。
この噴霧装置10に対し、気体の例として圧縮空気を0.2MPa(ゲージ圧)の圧力で供給し、液体の例として水を0.23MPa(ゲージ圧)の圧力で供給した。この条件で微粒化した水のザウター平均粒径をレーザー回折法にて評価を行った。レーザー回折法の測定距離は、噴霧装置10の先端から300mmの位置であり、ザウター平均粒径は9.7μmとなった。また、この条件での騒音値を噴霧装置10の先端から1000mmの位置で、騒音計で測定したところ、65.4dBであった。
なお、凸部32の形状は、上流側の凸部32の底面から下流側の先端部に向けて先細りの形状であればよく、先細りの形状の例を図2Aから図2Fに示す。
図2Aの凸部32は、円錐台状の凸部32の先端部の上面32aが整流部54の凹凸形状の開口の開口面と同一面にあり、上面32aの直径が整流部54の凹凸形状の開口の内接円56の直径と等しくなっている。
図2Bの凸部32は、円錐台状の凸部32の先端部32bが、整流部54の凹凸形状の開口内に入り込んでいる。
図2Cの凸部32は、円錐台状の凸部32の先端部の上面32cが、整流部54の凹凸形状の開口面と同一面にあり、上面32cの直径が、整流部54の凹凸形状の開口の内接円56の直径より大きく、かつ外接円57の直径より小さくなっている。
図2Dの凸部32は、図2Cに示す円錐台状の凸部32の先端部の上面32dに、内接円56の直径より小さな直径の底面を有する円錐状の突起32eが形成されている。
図2Eの凸部32は、図2Cに示す円錐台状の凸部32の上面32fに、内接円の直径より小さな直径の底面を有する円柱状の突起32gが形成されている。
図2Fの凸部32は、図2Bに示す円錐台状の凸部32の側面32hの断面形状が湾曲して凹んだ形状で、上流側の底面から先端部へと徐々に側面の傾斜が急になっている。
整流部54の凹凸形状の開口の面積、及び整流流出口55の面積、ならびに管状流路51の面積と騒音値及び平均粒径の関係を図3に示す。
具体的には、噴霧装置10において、整流部54の凹凸形状の開口の面積が4.52mm、管状流路51の面積が0.79mmの場合で、凸部32の形状を円錐状、または円錐台状、または円柱状にして、整流流出口の面積を変化させて騒音値と平均粒径を測定した。図1Cに示す整流部54の凹凸形状の開口は、内接円56の直径が1.9mmで、外接円57の直径が2.8mm、歯数が6個の内歯歯車形状であった。
図3の条件番号1〜11では、円錐状の凸部32の円錐の高さを変えることにより、円錐状の凸部32の先端が整流部54の凹凸形状の開口に入り込んだ状態となって、整流流出口55の面積を変化させている。条件番号12〜15では、円錐台状の凸部32の上面が、整流部54の凹凸形状の開口と同一面にあり、円錐台状の凸部32の上面の直径を変えて整流流出口55の面積を変化させている。
整流部54の凹凸形状の開口の面積に対する、整流流出口55の面積比率が減少するとともに騒音値は低減し、面積比率が60%以下で騒音値が70dB以下となった。
一方、条件番号13と14では、整流流出口55の面積が管状流路51の面積0.79mmを下回り、平均粒径が10μm以上となった。これは、管状流路51で律速されていた気液混合流体の流量が、整流流出口55で律速されるようになって気液混合流体の流量が減少し、これに合わせて気体流入口41から流入する気体流の流量も減少するため、気液混合部60で液体を微粒化しにくくなることによる。
また、条件番号15は、図2Fに示す側面の断面形状が湾曲して凹んだ円錐台の場合で、条件番号12の円錐台の場合とほぼ同等の騒音値、平均粒径となった。
したがって、整流部54の凹凸形状の開口の面積に対する、整流流出口55の面積比率が0%より大きくかつ60%以下で、かつ整流流出口55の面積が管状流路51の面積より大きいことが好ましい。
条件番号16では、円柱状の凸部32の上面が整流部54の凹凸形状の開口と同一面にある場合を示している。この場合は、平均粒径は10μm以下であるが、騒音値が70dBを超える値となり、凸部32の形状が、円錐状または円錐台状の方が、騒音を低減する効果が優れていた。これは、凸部32の形状を円錐状または円錐台状のように先細りの形状とすることで、気液混合部60で混合される気液混合流体の流れを凸部32の側面で規制しつつ、整流流出口55へと流れを導くことで、気液混合流体噴流と外気との間に形成される乱流をより小さくすることができるためと考えられる。
したがって、凸部32の形状は、上流側の凸部32の底面から、凹凸形状の開口を有する整流部54との間で整流流出口55を形成しかつ下流側に位置する凸部32の先端部へと、凸部32の直径が減少していく先細りの形状であることが好ましい。
本発明の実施形態にかかる噴霧装置10によれば、液体導入部30と気液噴出部50との間に円環状の気体導入部40と凸部32と整流部54とを設けて、気液噴出部50と液体導入部30との間に気液混合部60と整流流出口55とを確実に形成するように構成している。このため、気液混合部60で、液体流入口31から流入する液体流と気体流入口41から流入する気体流とが衝突するとともに、円環状の気体導入部40の内周面で広がったのち内周面に沿って周回及び撹拌して液体が微粒化し、微粒化した液体を、整流流出口55で整流しつつ気液噴出部50から噴霧することができる。この結果、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を、低騒音で噴霧可能な噴霧装置10を提供することができる。より具体的には、気化が早くかつ濡れ等を感じないような小さな粒径の例として、0μmより大きくかつ10μm以下の粒径の液体を0dBより大きくかつ70dB以下の騒音値で噴霧することができる二流体ノズル型式の噴霧装置10を提供することができる。
なお、本発明の実施形態では、気体流入口41は、液体流入口31の近傍に配置され、かつ、液体流入口31から流入する液体流の流入方向に対して、気体流入口41から流入する気体流の流入方向が交差するように配置されている。しかしながら、このような配置に限定されるものではない。例えば、気体流入口41は、噴霧装置本体部20の中心軸24に対して液体流入口31と略対向する位置に配置されてもよく、さらに気体流入口41と液体流入口31とが複数配置されていてもよい。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明の前記態様にかかる噴霧装置は、気化が早くかつ濡れ等を感じないような小さな粒径の例として液体の粒径が10μm程度又はそれ以下と小さい液体を噴霧可能で、かつ騒音値が例えば70dB以下の噴霧装置であり、この噴霧装置は、空間又は物質の冷却、加湿、薬液散布、燃焼、又は、粉塵対策等に広く用いることが可能である。
10 噴霧装置
20 噴霧装置本体部
21 液体流路
22 気体流路
23 円筒部
24 中心軸
30 液体導入部
31 液体流入口
32 凸部
32a 凸部の先端部の上面
32b 凸部の先端部
32c 凸部の先端部の上面
32d 凸部の先端部の上面
32e 円錐状の突起
32f 凸部の上面
32g 円柱状の突起
32h 凸部の側面
33 隙間
40 気体導入部
41 気体流入口
50 気液噴出部
51 管状流路
52 噴出口
53 テーパーを有する流路
54 整流部
55 整流流出口
56 内接円
57 外接円
60 気液混合部
70 気液噴出部固定部

Claims (3)

  1. 液体流路と気体流路とを有する噴霧装置本体部と、
    前記液体流路の端部に設けられた液体導入部と、
    前記気体流路の端部に設けられた円環状の気体導入部と、
    前記液体導入部と前記気体導入部とを覆う気液噴出部と、
    前記液体導入部の少なくとも1箇所に前記液体流路と連通して設けられて、前記円環状の気体導入部の内側の空間である気液混合部に液体流を流入させる液体流入口と、
    前記円環状の気体導入部の少なくとも1箇所に前記気体流路と連通して設けられて、前記気液混合部に気体流を流入させる気体流入口と、
    前記気液噴出部に貫通して設けられて前記気体流入口から流出した前記気体流と前記液体流入口から流出した前記液体流とが混合して、液体が微粒化した気液混合流体を流出させる管状流路と、
    前記管状流路と連通して前記気液噴出部に設けられて、前記気液混合流体を噴出させる噴出口と、
    前記気液噴出部に設けられて、前記噴出口に連通したテーパーを有する流路と、
    前記テーパーを有する流路に設けられた凹凸形状の開口を有する整流部と、
    前記液体導入部に設けられて、前記気液混合部に突出し、前記凹凸形状の開口を有する前記整流部との間で整流流出口を形成する凸部と、
    を備える噴霧装置。
  2. 前記整流部の前記凹凸形状の開口の面積に対する、前記整流流出口の面積の面積比率が0%より大きくかつ60%以下で、かつ前記整流流出口の前記面積が前記管状流路の面積より大きい、請求項1に記載の噴霧装置。
  3. 前記凸部が、上流側の前記凸部の底面から下流側の先端部に向けて先細りの形状である、請求項1又は2に記載の噴霧装置。
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