JP2023064254A - 開口面積の決定方法及び液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】好ましい液滴の状態で液体を噴射する。【解決手段】液体３が流れる流路１０と液体３を噴射するノズル孔１３とを備える液滴噴射装置２５におけるノズル孔１３の開口面積Ｓの決定方法であって、液体３として、液体３の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）と液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、液体３の動粘性係数ν（ｍ２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、ノズル孔１３の開口面積Ｓ（ｍ２）を、ノズル孔１３から噴射された液体３の噴射流が液滴７に分裂する開口面積となるように決定する開口面積の決定方法。【選択図】図１

Description

本発明は、開口面積の決定方法及び液滴噴射装置に関する。

従来から、洗浄機器や美容機器など、液体を液滴の状態で噴射する様々な液滴噴射装置が使用されている。例えば、特許文献１には、流体の供給源と、流体から個別の流体滴のストリームを生じさせる流体滴生成器と、流体滴のストリームを方向決めする部材を有し、所定の範囲の速度、所定の範囲の大きさ、所定の範囲の周波数をもつ流体滴で歯の洗浄を行う流体滴システムが開示されている。

特表２００７－５１８４８７号公報

液体を液滴の状態で噴射する液滴噴射装置においては、例えば、洗浄機器や美容機器などに使用される場合、液滴を対象物や人の皮膚や歯などに衝突させることで対象物を破砕すること、人の皮膚や歯などを洗浄することなどが行われる。このような場合、液滴噴射装置の噴射ノズルから液体を直進性良く液滴として噴射されることが必要となる。しかしながら、従来の液滴噴射装置では、液体を噴射するノズル孔の開口面積が適正な大きさになっておらず、好ましい液滴の状態で液体が噴射されない場合がある。

上記課題を解決するため、本発明に係る開口面積の決定方法は、液体が流れる流路と前記液体を噴射するノズル孔とを備える液滴噴射装置における前記ノズル孔の開口面積の決定方法であって、前記液体として、前記液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と前記液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、前記液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、前記ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）を、前記ノズル孔から噴射された前記液体の噴射流が液滴に分裂する開口面積となるように決定することを特徴とする。

また、上記課題を解決するための本発明に係る液滴噴射装置は、液体が流れる流路と前記液体を噴射するノズル孔とを備える液滴噴射装置であって、前記液体として、前記液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と前記液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、前記液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、前記液滴噴射装置が前記液体噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、前記ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）はＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすことを特徴とする。

本発明の実施形態１に係る液滴噴射装置の全体概略構成図。 縦軸に開口面積、横軸に動粘性係数を取ったグラフ。 縦軸に単ノズル径、横軸に動粘性係数を取ったグラフ。 噴射流量と単ノズル径の関係を表すグラフ。

以下、本発明について先ず概略的に説明する。
上記課題を解決するため、本発明に係る第１の態様の開口面積の決定方法は、開口面積の決定方法は、液体が流れる流路と前記液体を噴射するノズル孔とを備える液滴噴射装置における前記ノズル孔の開口面積の決定方法であって、前記液体として、前記液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と前記液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、前記液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、前記ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）を、前記ノズル孔から噴射された前記液体の噴射流が液滴に分裂する開口面積となるように決定することを特徴とする。

本態様によれば、液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲の液体を使用し、ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）を、ノズル孔から噴射された液体の噴射流が液滴に分裂する開口面積となるように決定する。すなわち、ノズル孔から噴射された液体の噴射流が液滴に分裂することを必須条件として開口面積Ｓを決定する。このため、噴射流を液滴に分裂させることで、好ましい液滴の状態で液体を噴射することができる。

第２の態様の開口面積の決定方法は、第１の態様において、前記液滴噴射装置は、前記ノズル孔を流れる前記液体の連続流のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、前記ノズル孔から噴射される前記液体のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることを特徴とする。

ノズル孔を流れる液体の連続流は層流であることが好ましいが、レイノルズ数Ｒｅが２３００を超えると連続流が層流ではなく乱流になる傾向が強くなる。また、液滴は平滑流領域または波状流領域で噴射されることが好ましいが、ジェット数Ｊｅが０．１未満では液滴が平滑流領域または波状流領域ではなく滴下領域になってしまう傾向が強くなり、ジェット数Ｊｅが４００を超えると液滴が平滑流領域または波状流領域ではなく噴霧流領域になってしまう傾向が強くなる。しかしながら、本態様によれば、ノズル孔を流れる液体の連続流のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、ノズル孔から噴射される液体のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とする。このため、ノズル孔を流れる液体の連続流を層流とできるとともに、液滴を平滑流領域または波状流領域で噴射させることができる。したがって、特に好ましい液滴の状態で液体を噴射することができる。

第３の態様の開口面積の決定方法は、第１または第２の態様において、前記液滴噴射装置が前記液体の噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、Ｓ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすことを特徴とする。

本態様によれば、液体をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、Ｓ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たす。本発明者らが鋭意検討した結果、液体をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するときにＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすように開口面積Ｓを決定することで、特に好ましい液滴の状態で液体を噴射することができることがわかった。

第４の態様の液滴噴射装置は、液体が流れる流路と前記液体を噴射するノズル孔とを備える液滴噴射装置であって、前記液体として、前記液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と前記液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、前記液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、前記液滴噴射装置が前記液体の噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、前記ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）はＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすことを特徴とする。

本態様によれば、液体をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、Ｓ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たす。このように、液体をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するときにＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすように決定された開口面積Ｓとすることで、特に好ましい液滴の状態で液体を噴射することができる。

第５の態様の液滴噴射装置は、第４の態様において、前記ノズル孔を流れる前記液体の連続流のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、前記ノズル孔から噴射される前記液体のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることを特徴とする。

本態様によれば、ノズル孔を流れる液体の連続流のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、ノズル孔から噴射される液体のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とする。このため、ノズル孔を流れる液体の連続流を層流とできるとともに、液滴を平滑流領域または波状流領域で噴射させることができ、特に好ましい液滴の状態で液体を噴射することができる。

＜液滴噴射装置の一実施形態＞
以下に、本発明の一実施形態の液滴噴射装置２５について、図１に基づいて詳細に説明する。液滴噴射装置２５は、顔、腕、手、足、背中等の皮膚や歯の洗浄に適した皮膚等の洗浄用液滴噴射装置である。ただし、液滴噴射装置２５が皮膚や歯などの洗浄用のものに限定されないことは勿論である。

図１に示したように、本実施形態に係る液滴噴射装置２５は、液体３を噴射する少なくとも１つのノズル孔１３を有する噴射ノズル１１と、液体３を加圧して噴射ノズル１１に送る加圧液体供給部２７と、加圧液体供給部２７の動作を制御してノズル孔１３から噴射される液体３を連続流５から液滴７に分裂した状態で皮膚などの対象物９に向けて飛翔させる制御部４とを備える。

液滴噴射装置２５は、液体３を噴射する噴射ノズル１１を有する噴射部２と、噴射する液体３を貯留する液体タンク６と、加圧液体供給部２７であるポンプユニットと、液体タンク６と加圧液体供給部２７とをつなぐ液体３の流路１０を成す液体吸引チューブ１２と、加圧液体供給部２７と噴射部２とをつなぐ同じく流路１０を成す送液チューブ１４とを備える。加圧液体供給部２７は、制御部４によって、送液チューブ１４を通って噴射部２に送液される液体３の圧力等のポンプ動作が制御される。即ち、前記供給圧力が制御される。

なお、液滴噴射装置２５は、制御部４の制御によって様々な条件で液体３を噴射部２から噴射させることができる。以下に、液滴噴射装置２５の好ましい構成例について説明する。

＜安定的な液滴噴射のための２条件＞
最初に、前提として、安定的な液滴噴射のための２条件について説明する。噴流工学Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１（１９９６）８６－９８などに記載されるように、１つのノズル孔１３から噴射される液体噴流の態様は、ジェット数Ｊｅを用いて以下のように分類可能なことが知られている。
１．滴下領域（Ｊｅ＜０．１）
２．平滑流領域（０．１≦Ｊｅ＜１０）
３．波状流領域（１０≦Ｊｅ≦４００）
４．噴霧流領域（４００＜Ｊｅ）

噴射された液体噴流から直進性が高く、粒径のばらつきも小さい液滴流が安定的に形成されるには、平滑流領域または波状流領域で液体３を噴射する必要があることがわかっている。つまり、０．１≦Ｊｅ≦４００を満たすように各パラメーターを設定する必要がある。

詳細には、噴射部２から噴射される液体３の連続流５の状態や、その後の液滴化への遷移の状態には、送液される液体３の粘度または動粘性係数や、表面張力や、密度や、噴射部２のノズル孔径が生成される液滴７の均一性に影響する。ここで、均一な液滴７を生成させるために、物性値が異なる様々な液体３に対して、連続流５の噴射が拡散することが無くかつ液滴７に遷移するレイノルズ数Ｒｅ及びジェット数Ｊｅを満たすノズル孔径に設定することが好ましい。液体３は直進性を維持した状態で噴射部２から噴射され、その後均一な液滴７に分裂する。なお、分裂した液滴７は、噴射ノズル１１から噴射される連続流５の速度をほぼ維持した状態で飛翔し、これらの液滴７が対象物９に衝突した際に発生できる衝撃圧は数１００ｋＰａから数１００ＭＰａとなり、衝突する対象物９を軟化又は破砕又は除去することなどができる。

ここで、レイノルズ数Ｒｅは、液体３の流速Ｖ（ｍ／ｓ）、ノズル孔径Ｄ（ｍ）、液体３の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）を用いて、以下の式（１）のように表される。

また、ジェット数Ｊｅは、さらに、液体３の表面張力σ（Ｎ／ｍ）、液体３の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）、空気の密度ρａ（ｋｇ／ｍ^３）を用いて、以下の式（２）のように表される。

式（１）及び式（２）より、レイノルズ数Ｒｅは動粘性係数ν、ジェット数Ｊｅは表面張力σの影響をそれぞれ受け易い事が解かる。ここで、レイノルズ数Ｒｅは連続流５に乱流成分が発生し難い２３００以下に抑え、ジェット数Ｊｅは安定した液滴７の分裂が実現できるように０．１以上４００以下に抑えることが望ましい。なお、ここで、ジェット数Ｊｅのρａ^０．５５は、噴射させる液体３には関係しない略１．１となる定数である。

一方、ρ^０．４５／σは噴射させる液体３によって異なるが液体３によって定まる定数であり、それらの液体３は下記の表１に示すように凡そ３００以上９００以下の範囲にある。また、動粘性係数νは凡そ１．０Ｅ－０６（ｍ^２／ｓ）から２．０Ｅ－０５（ｍ^２／ｓ）の範囲にある。

よって、前記両式を基に、３００＜ρ^０．４５／σ＜９００の範囲にある動粘性係数νが異なる液体３を、レイノルズＲｅが２３００以下で、ジェット数Ｊｅが０．１以上４００以下を満たす条件で噴射するためのノズル孔径Ｄ及びノズル孔１３の数を導出し、噴射部２に必要な開口面積Ｓ（ｍ^２）を求める。安定した噴射の実現に必要な開口面積Ｓが決まれば、その開口面積Ｓを満たすノズル孔径Ｄやノズル孔１３の数を自由に組み合わせて設定することができ、均一な液滴７を生成できる液滴噴射装置２５を容易に実現できる。なお、「開口面積」とは、ノズル孔１３が１つである場合は該ノズル孔１３の開口面積であるが、複数のノズル孔１３を有する構成においてはすべてのノズル孔１３の開口面積の和である総開口面積を意味する。

また、噴射部２のノズル孔径Ｄやノズル孔１３の数が予め規定されている場合には、この噴射部２の開口面積Ｓに基づいて扱える液体３の物性値の範囲を特定し、液滴噴射装置２５で使用する液体３を適切に選定することができる。下記の表２に、噴射流量が１０（Ｌ／ｍｉｎ）である場合おいて、ρ^０．４５／σが３００、５００、７５０及び９００の物性を有する液体３の動粘性係数νに対し必要とされる開口面積Ｓを示す。なお、図２は、表２をグラフとして表したものである。

動粘性係数νと開口面積Ｓの関係は、相関性（相関係数Ｒ^２）が良好な下記の式（３）から式（６）の近似式で表せる。よって、動粘性係数νとρ^０．４５／σとが所定の範囲にある液体３であれば、式（３）から式（６）またはこれらの式を補間することで、任意の液体３に対して必要な開口面積Ｓを決定することができる。

上記の式（３）より、ρ^０．４５／σが９００の物性を有する液体３において、開口面積ＳがＳ＞－１３５６５ν^２＋０．９９０８νを満たすように開口面積を設定すれば、好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができるといえる。また、式（４）より、ρ^０．４５／σが７５０の物性を有する液体３において、開口面積ＳがＳ＞－９５４２．２ν^２＋０．８３１８νを満たすように開口面積を設定すれば、好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができるといえる。また、式（５）より、ρ^０．４５／σが５００の物性を有する液体３において、開口面積ＳがＳ＞－１４００２ν^２＋０．６７９７νを満たすように開口面積を設定すれば、好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができるといえる。さらに、式（６）より、ρ^０．４５／σが３００の物性を有する液体３において、開口面積ＳがＳ＞－６５８５．９ν^２＋０．４０４１νを満たすように開口面積を設定すれば、好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができるといえる。すなわち、ρ^０．４５／σが３００以上９００以下の物性を有する一般的な様々な液体３においては、ρ^０．４５／σが９００の物性を有する液体３に対応する、開口面積ＳがＳ＞－１３５６５ν^２＋０．９９０８νを満たすように開口面積を設定すれば、ノズル孔１３から噴射された液体３の噴射流が平滑流領域または波状流領域で液滴７に分裂し、好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができるといえる。

ここで一旦まとめると、液滴噴射装置２５は液体３が流れる流路１０と液体３を噴射するノズル孔１３とを備えるが、開口面積の決定方法として、このような液滴噴射装置２５において、液体３として、液体３の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と液体３の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^０．４５／σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、液体３の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５の範囲であるものを使用し、ノズル孔１３の開口面積Ｓ（ｍ^２）を、ノズル孔１３から噴射された液体３の噴射流が液滴７に分裂する開口面積Ｓとなるようにすることを採用することができる。

上記の開口面積の決定方法は、液体３の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と液体３の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^０．４５／σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、液体３の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、ノズル孔１３の開口面積Ｓ（ｍ^２）を、ノズル孔１３から噴射された液体３の噴射流が液滴７に分裂する開口面積Ｓとなるように決定する。すなわち、ノズル孔１３から噴射された液体３の噴射流が液滴７に分裂することを必須条件として開口面積Ｓを決定する。このため、上記の開口面積の決定方法を実行することで、噴射流を液滴７に分裂させ、好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができる。

ここで、液滴噴射装置２５は、ノズル孔１３を流れる際の液体３の連続流５のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、ノズル孔１３から噴射される液体３のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることが好ましい。ノズル孔１３を流れる際の液体３の連続流５は層流であることが好ましいが、レイノルズ数Ｒｅが２３００を超えると連続流５が層流ではなく乱流になる傾向が強くなる。また、液滴７は平滑流領域または波状流領域で噴射されることが好ましいが、ジェット数Ｊｅが０．１未満では液滴７が平滑流領域または波状流領域ではなく滴下領域になってしまう傾向が強くなり、ジェット数Ｊｅが４００を超えると液滴７が平滑流領域または波状流領域ではなく噴霧流領域になってしまう傾向が強くなる。しかしながら、ノズル孔１３を流れる際の液体３の連続流５のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、ノズル孔１３から噴射される液体３のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることで、ノズル孔１３を流れる際の液体３の連続流５を層流とできるとともに、液滴７を平滑流領域または波状流領域で噴射させることができる。したがって、特に好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができる。

また、上記のように、液滴噴射装置２５が液体３を噴射する際の噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、Ｓ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすことが好ましい。液体をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するときにＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすように開口面積Ｓを決定することで、特に好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができるためである。

ここで、液滴噴射装置の観点から説明すると、液滴噴射装置２５は、液体３が流れる流路１０と液体３を噴射するノズル孔１３とを備えている。ここで、液体３として、液体３の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と液体３の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^０．４５／σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、液体３の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用する。また、液滴噴射装置２５が液体３を噴射する際の噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、ノズル孔１３の開口面積Ｓ（ｍ^２）はＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすよう構成される。このように、液体３をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するときにＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすように決定された開口面積Ｓとすることで、特に好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができる。

また、上記のように、液滴噴射装置２５は、ノズル孔１３を流れる際の液体３の連続流５のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、ノズル孔１３から噴射される液体３のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることで、ノズル孔１３を流れる際の液体３の連続流５を層流とできるとともに、液滴７を平滑流領域または波状流領域で噴射させることができる。このため、このような構成とすることで、特に好ましい液滴７の状態で液体３を噴射することができる。

また、上記のようにして求めた開口面積Ｓから、該開口面積Ｓを１つのノズル孔１３で満たす場合に必要とされる単ノズル径と、動粘性係数νの関係と、を表３に示す。また、図３は、表３をグラフとして表したものである。

図３及び表３の単ノズル径と動粘性係数νとの関係においても、開口面積Ｓと動粘性係数νとの関係と同様に良好な相関性を有する。すなわち、動粘性係数νとρ^０．４５／σが所定の範囲にある液体３であれば、図３及び表３により求めた単ノズル径よりも大きな径に設定する事で、安定した層流での噴射と液滴化とが実現できる。

以下に、噴射流量を１００（ｍｌ／ｍｉｎ）、５０（ｍｌ／ｍｉｎ）、１０（ｍｌ／ｍｉｎ）、５（ｍｌ／ｍｉｎ）及び１（ｍｌ／ｍｉｎ）とした場合の、ρ^０．４５／σが３００、５００、７５０及び９００の物性を有する液体３の動粘性係数νと必要な開口面積Ｓ及び単ノズル径の関係を表４から表１３に示す。ここで、表４は噴射流量が１００（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の開口面積Ｓであり、表５は噴射流量が１００（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の単ノズル径である。また、表６は噴射流量が５０（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の開口面積Ｓであり、表７は噴射流量が５０（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の単ノズル径である。また、表８は噴射流量が１０（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の開口面積Ｓであり、表９は噴射流量が１０（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の単ノズル径である。また、表１０は噴射流量が５（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の開口面積Ｓであり、表１１は噴射流量が５（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の単ノズル径である。そして、表１２は噴射流量が１（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の開口面積Ｓであり、表１３は噴射流量が１（ｍｌ／ｍｉｎ）の場合の単ノズル径である。開口面積Ｓは、噴射流量の変化率と同じ変化率で変更すれば、レイノルズ数Ｒｅ及びジェット数Ｊｅを所定の範囲に収めることができる。単ノズル径は１００（ｍｌ／ｍｉｎ）、ρ^０．４５／σ＝９００、ν＝２．０Ｅ－０５（ｍ^２／ｓ）の場合である最大０．４３ｍｍから、１（ｍｌ／ｍｉｎ）、ρ^０．４５／σ＝３００、ν＝１．０Ｅ－０６（ｍ^２／ｓ）の場合である最小０．００７ｍｍまでの範囲で設定可能であり、噴射する液体の物性に合わせて、適宜ノズル径を選定する事により、安定した連続流の層流噴射と均一な液滴生成を可能とする噴射部２を備えた液体噴射装置２５を構成できる。

ここで、物性が既知の液体３を実際に噴射させた場合に、安定した層流噴射と液滴化が実現できた単ノズル径及び噴射流量の実測値と、上記に基づく単ノズル径の算出値を比較した。２０℃の水を、単ノズル径０．０１ｍｍから０．１２ｍｍの複数の水準において噴射できた流量に対し、上記の関係から必要とする単ノズル径を算出した結果を表１４に示す。ここで、水の動粘性係数νは約１．０Ｅ－０６（ｍ^２／ｓ）、ρ^０．４５／σは約３００であるため、表３から表１３に記載の該当する物性における噴射流量（流量）と単ノズル径の関係を、ρ^０．４５／σ＝３００、ν＝１．０Ｅ－０６（ｍ^２／ｓ）の場合である図４に基づく近似式（単ノズル径＝０．００６９ν^{０．４９４８}）で定義して表１４のように単ノズル径の算出値を求めた。何れの単ノズル径の実測値も算出された単ノズル径の算出値よりも十分に大きいため、安定噴射が実現できることがわかる。

動粘性係数νが約２Ｅ－０６（ｍ^２／ｓ）、ρ^０．４５／σが約９００である、粘性が比較的低く、表面張力σが極度に低い液体について、表３から表１３に記載の該当する物性における流量と単ノズル径の関係を近似式（単ノズル径＝０．０１５８ν^０．５）で定義し、実測値のノズル径が０．０１ｍｍ、０．０１６ｍｍ及び０．０２４ｍｍにおいて噴射できた噴射流量に対する算出値の単ノズル径を算出した。その結果、実測値のノズル径が０．０１ｍｍでは算出値の単ノズル径は０．００５ｍｍ、実測値のノズル径が０．０１６ｍｍでは算出値の単ノズル径は０．００５ｍｍ、実測値のノズル径が０．０２４ｍｍでは算出値の単ノズル径は０．０１８ｍｍとなった。このように、実測値のノズル径は何れにおいても算出値の単ノズル径よりも大きいため、安定して噴射することができることがわかる。

なお、上記のようにして決定された開口面積Ｓ及び単ノズル径の液滴噴射装置２５を用い、様々な液体３を使用して好ましい液滴７の状態でこれらの液体３を噴射することが可能か否かを確かめた。その結果、いずれの液体３を使用した場合においても、好ましい液滴７の状態でこれらの液体３を噴射することが可能であることを確認した。

２…噴射部、３…液体、４…制御部、５…連続流、６…液体タンク、７…液滴、９…対象物、１０…流路、１１…噴射ノズル、１２…液体吸引チューブ、１３…ノズル孔、１４…送液チューブ、２５…液滴噴射装置、２７…加圧液体供給部

Claims (5)

1. 液体が流れる流路と前記液体を噴射するノズル孔とを備える液滴噴射装置における前記ノズル孔の開口面積の決定方法であって、
   前記液体として、前記液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ）と前記液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、前記液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、前記ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）を、前記ノズル孔から噴射された前記液体の噴射流が液滴に分裂する開口面積となるように決定することを特徴とする開口面積の決定方法。
2. 請求項１に記載の開口面積の決定方法であって、
   前記液滴噴射装置は、前記ノズル孔を流れる前記液体の連続流のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、前記ノズル孔から噴射される前記液体のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることを特徴とする開口面積の決定方法。
3. 請求項１または２に記載の開口面積の決定方法であって、
   前記液滴噴射装置が前記液体の噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、Ｓ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすことを特徴とする開口面積の決定方法。
4. 液体が流れる流路と前記液体を噴射するノズル孔とを備える液滴噴射装置であって、
   前記液体として、前記液体の密度ρ（ｋｇ／ｍ）と前記液体の表面張力σ（Ｎ／ｍ）とから決定されるρ^0.45/σの値が３００以上９００以下の範囲であって、且つ、前記液体の動粘性係数ν（ｍ^２／ｓ）が１．０Ｅ－６以上２．０Ｅ－５以下の範囲のものを使用し、
   前記液滴噴射装置が前記液体の噴射流量としてＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で噴射するとき、前記ノズル孔の開口面積Ｓ（ｍ^２）はＳ＞（－１３５６．５ν^２＋０．０９９０８ν）×Ｑを満たすことを特徴とする液滴噴射装置。
5. 請求項４に記載の液滴噴射装置であって、
   前記ノズル孔を流れる前記液体の連続流のレイノルズ数Ｒｅを２３００以下とし、且つ、前記ノズル孔から噴射される前記液体のジェット数Ｊｅを０．１以上４００以下とすることを特徴とする液滴噴射装置。
   

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