JP2606318Y2 - 二流体噴霧ノズル - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、溶液類を噴霧して蒸
発、乾燥、焙焼等により微細粉体を製造したり、廃液、
廃水等を噴霧焼却して無害化処理する装置において、使
用する二流体噴霧ノズルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、流体を噴霧して蒸発、乾燥、焙
焼、焼却等を行なう工業プロセスにおいては、噴霧液滴
径を微細化することが必要である。液体を微細に噴霧す
るノズルとしては、液体に高速ガス流を作用させて微粒
化する、いわゆるアトマイズガスを使用する二流体噴霧
ノズルが高性能であり、広く使われている。

【０００３】この二流体噴霧ノズルには、構造的に外部
混合型と内部混合型があり、前者はアトマイズガスと被
噴霧液体をノズル先端の別々の噴出孔から噴出させて、
噴出ガス流と液流を衝突させることで微細化するもので
あり、後者はノズル内部にガスと液の混合室があり、予
め混合霧化してからノズル先端の噴出孔より噴出させる
ものである。

【０００４】後者の内部混合型ノズルが、ガス・液の混
合に効率的であり、かつ液の物性値や噴霧量の変化に適
応する柔軟性を持つので、微細噴霧用ノズルとして重用
されている。さらに、内部混合型ノズルには噴出孔が単
一の単孔ノズルと、複数の通常６〜２０個程度の噴出孔
を持つ多孔ノズルとがある。後者は一本のノズルで大液
量を噴霧する場合に適している。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】二流体噴霧ノズルの性
能としては、いかにしてアトマイズガスの使用量を少な
くして、要求される微細噴霧が出来るかが最大の問題点
である。この特性を表す指標としては、通常、目的とす
る噴霧液滴粒径を得るに必要なガス・液の流量比Ｇ／Ｌ
（単位は、Ｎｍ^３／リットルあるいはＫｇ−ガス／ｋｇ
−液を使用する）が使われる。

【０００６】本来、微粒化噴霧のためには、ノズル噴出
孔を小さくし、Ｇ／Ｌを大きくすればよいことは定性的
にも理解されるが、噴出孔を小さくすると噴霧液量を大
きく出来ないし、Ｇ／Ｌを大きくすることは噴霧のため
のエネルギー消費を増大させることになる。

【０００７】噴霧液量を大きくするために、多孔ノズル
が考案されているが、この場合多数の噴出孔からの噴出
状態を均一にして、噴霧液滴平均径を体表面積平均径ｄ
_３２で１００μｍ以下にするには、経験的にＧ／Ｌ０．
３Ｎｍ^３／リットル以上が必要であるとされている。

【０００８】本考案は、アトマイズガスの使用量を低減
し、噴霧のためのエネルギー消費が少なくてすむ二流体
内部混合型単孔ノズルを提供するものである。

【０００９】さらには、アトマイズガスの使用量を少な
くしても、微細で均一な噴霧を可能とするものである。

【００１０】そして別の目的としては、二流体内部混合
型単孔ノズルの基本的な設計基準を提示し、規格化する
ことで、噴霧液量が変化した場合にも対応出来るように
するものである。

【００１１】より具体的に本考案の目標を例示するなら
ば、単孔の二流体噴霧ノズルによって、広範囲の噴霧液
量にわたって、Ｇ／Ｌが０．１Ｎｍ^３／リットル程度で
あってもｄ_３が１００μｍ以下を実現せんとするもので
ある。

【００１２】そして本考案の設計基準に基づいた単孔の
二流体噴霧ノズルを規格化し、噴霧液量に応じた対応を
可能にするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本考案は、二流体内部混
合型単孔ノズルにおいて、単孔ノズルの噴出孔断面積を
アトマイズ用ガスの通過線速度で１６０〜２４０Ｎｍ／
ｓｅｃとし、かつ前記の噴出孔断面積がノズル全系のガ
ス・液流路断面積中で最も小さくなる構造で、内部混合
室に導入される噴霧液体に旋回流ベクトルを与えるため
の偏心溝を有するスパイラルチップを備え、前記の偏心
溝の溝底長さの総和が該スパイラルチップの直径の少な
くとも２．３倍以上であり、噴出孔への流路縮流角が１
００〜１２４°で、噴出孔と噴出孔につながるノズル先
端部の形状が内外面とも噴出孔を頂部とする截頭円錐形
でることを特徴とする二流体噴霧ノズルである。

【００１４】

【作用】本考案者らは、噴霧の際に噴霧液滴を小さなＧ
／Ｌにおいて微細化するにはアトマイズガスの運動エネ
ルギーを効率よく液側に伝達することが必要であり、こ
のためには、ノズル噴出孔を出るガス線速度を極力大き
くして、液流との速度差を大きくすること、ノズル噴出
孔を出る前のガス・液流に旋回流ベクトルを与えるとと
もに、噴出ジェット流れの拡散角を極力大きくしてやる
こと等を着想し、この視点から、単孔式二流体噴霧ノズ
ルの構造・形状について、各種の工夫と噴霧テストを行
ない上記の考案を完成させたものである。

【００１５】本考案の二流体噴霧ノズルは、溶液類を噴
霧して蒸発、乾燥、焙焼等により微細粉体を製造した
り、廃液、廃水等を噴霧焼却する際に適用することがで
きる。特に、アトマイズガスの使用量が少なく、微細か
つ均一な噴霧が可能なため、経済性に優れており、産業
廃棄物である溶液類の噴霧焼却もしくは噴霧焙焼等の用
途に適している。

【００１６】ノズルの噴出孔を出るアトマイズガスの線
速度は極力速いことが望ましいが、極端に速くするのは
エネルギー消費面で不経済であり、本考案では適切な値
としてガスの標準状態基準の線速度で１６０Ｎｍ／ｓｅ
ｃ〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃ、好ましくは１８０Ｎｍ／ｓｅ
ｃ〜２２０Ｎｍ／ｓｅｃになるように噴出孔断面積を決
め、かつこの断面積がノズル全系のガス・液流路断面積
中で最も小さくなる構造とした。目安としては、噴出孔
で失われるアトマイズガスの圧損失が、ノズル全系での
圧損失の少なくとも８０％以上になるようにすることが
よい。

【００１７】本考案でノズル噴出孔を出るアトマイズガ
スの線速度を１６０Ｎｍ／ｓｅｃ〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃ
としたのは、前記の線速度を下回る場合には噴霧状態が
不安定となり、微細噴霧が難しくなる。また、上限を超
えた場合には、アトマイズガスを供給するための設備が
大型化するとともに、エネルギー消費が大となり当初の
目的に反するためである。

【００１８】図１に本考案のノズルを説明するための図
面を示す。図１Ａは、ノズルを噴出孔２の方向から見た
正面図で、１は噴霧ノズルである。

【００１９】図１Ｂは、噴出孔２の中心軸を含む縦断面
図であり、噴霧する液体は中央の液流路４を通り液流路
孔５より出たところで、ガス流路３を通って圧送されて
くるアトマイズガスによって微細な液滴となった状態
で、スパイラルチップ６の偏心溝７を通過して旋回流と
なってノズル先端部の内部混合室８に導びかれ、最終的
に噴出孔２から外部に噴出される。噴出した高速気液混
合ジェット流１１は、周囲のガス１０を巻き込みながら
旋回ベクトルによりその流路を拡大させ微粒化した噴霧
流体を形成する。

【００２０】噴霧ノズル１の外郭を構成する部材は、こ
れまでのノズルと同様にスパイラルチップをカバーする
程度の部分で分割可能になっているが、これは噴霧ノズ
ルの清掃や、交換、修理等に適応するためであり、この
点は公知の噴霧ノズルと変わりはない。

【００２１】本考案の単孔ノズルにおいて、噴出孔断面
積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も小さくな
る構造というのは、図１Ｂを基にして説明すると、ノズ
ルの中心軸と直角なノズル断面を想定した場合に、その
断面部において開口しているガス・液流路の面積に比べ
て、噴出孔断面積が最小となっていることを意味してい
る。これは、ノズル内部でのアトマイズガスの運動エネ
ルギーの消耗をできるだけ少なくし、その運動エネルギ
ーを液体の微細噴霧に振り向けるためである。

【００２２】ノズルの噴出孔を出るアトマイズガスの線
速度を定め、被処理対象物の単位時間当りの処理量が判
れば、アトマイズガスの流量や、噴出孔径、ノズルの内
径、ガス・液の流路径等のノズル自体の諸元は当業者が
容易に決定することができる。

【００２３】本考案では、さらに噴出孔を出るガス・液
ジェット流の拡散角を大きくするために、混合室内に導
入されるガス・液流に旋回流ベクトルを与えるための偏
心溝を持つスパイラルチップを備えるが、前記の偏心溝
の溝底長さの総和がスパイラルチップの直径の少なくと
も２．３倍以上であり、かつ噴出孔への流路縮流角を１
００〜１２４°とするとともに、噴出孔と噴出孔につな
がるノズル先端部の形状が内外面とも噴出孔を頂部とす
る截頭円錐形を形作るようにすることが必要である。

【００２４】スパイラルチップ６は、図１Ｂに示したよ
うにノズルの噴出孔２の裏側に置かれて、ノズル先端部
の内壁面とともに内部混合室８を形成しており、図２に
示すような形状である。図２のＡは、偏心溝を加工する
前のスパイラルチップの外形を示し、Ｂがスパイラルチ
ップ６を上から見た図面、Ｃが側面図である。

【００２５】チップの先端にガス・液流に旋回流ベクト
ルを与えるための偏心溝７は、均一化させるように中心
軸を中心とする軸対称に普通４〜８条程度、好ましくは
６〜８条設けられており、上面の中央部９は円錐形に加
工されている。規格化に際しては、処理すべき液量に応
じて、偏心溝の幅、傾斜角度や条数を変えればよい。

【００２６】本考案で特に重要な点は、スパイラルチッ
プの偏心溝の溝底長さの総和を、スパイラルチップの直
径の少なくとも２．３倍以上、好ましくは２．５倍以
上、より好ましくは２．８倍以上とすることである。こ
れは、内部混合室８に送りこまれるガス・液流に確実に
旋回流ベクトルを付与し、微細な噴霧を行なうためであ
る。

【００２７】偏心溝７は図２Ｂ，Ｃのように中心より偏
心し、数十度傾けて設けることが望ましいため、偏心溝
の溝底長さとしては、溝底の角部の一番長い部分を基準
とした。尚、偏心溝の溝底長さの総和の上限としては、
加工費と加工上の制限とともに、旋回流ベクトルを与え
均一化する効果も実質的に飽和してくるため、スパイラ
ルチップの直径の４．０倍程度とすることが望ましい。

【００２８】噴出孔への流路縮流角（α）を１００〜１
２４°とし、噴出孔と噴出孔につながるノズル先端部の
形状を内外面とも噴出孔を頂部とする截頭円錐形とした
のは、前述のようにアトマイズガスの運動エネルギーを
効率よく液側に伝達し、噴出ジェット流れの拡散角を極
力大きくするためである。ここでいう噴出孔への流路縮
流角αとは、図１のように噴出孔につながる内部混合室
８の内壁面がなす角度である。当然スパイラルチップ６
の上面の肩部も同じ角度に加工されている。

【００２９】噴出孔への流路縮流角が１００゜未満で
は、噴霧した液滴の粒径が不均一となり、ガスと液の流
れが分離する傾向が認められた。一方１２４°を超える
と、アトマイズガスの運動エネルギーの損失が大きくな
り、アトマイズガスの使用量を低減することが困難で、
微細かつ均一な噴霧状態にはなりにくい。

【００３０】また、これまで燃料噴射用に用いられてい
る二流体内部混合型単孔ノズルのように、噴出孔をノズ
ル先端の平面部の中央に設け、外形が平面形状をしてい
る場合には、やはりアトマイズガスの運動のエネルギー
の損失が大きいために、本考案では、噴出孔を噴出孔に
つながるノズル先端部の形状を内外面とも噴出孔を頂部
とする截頭円錐形にすることで、抵抗を少なくし、噴出
孔を出るガス線速度を極力大きくすることができる。

【００３１】また、上記のような従来の単孔ノズルで
は、ノズル先端の平面部に液濡れが生じて、その一部が
粗液滴となって飛散することがあった。これは、噴出孔
から噴出した高速ジェットが周囲のガスを引き込んで噴
霧流体を形成する際に、ノズル先端の平面部の中央に噴
出孔が設けられている場合には、噴出孔の周辺で反転渦
流が発生し、その渦流に随伴した液滴が平面部に付着し
て液濡れとなり、その液が高速ジェットに吹き飛ばされ
て、上記の現象が生起するものと考えられる。粗液滴が
混入すると、熱分解、酸化反応が不完全になったり、生
成する粉体の不均一等の不都合が生ずるおそれがある。

【００３２】従来の燃料用噴霧ノズルでは、噴霧液量が
少ないうえに、噴霧する対象液が燃料で、燃焼してしま
えば全量がガス化してしまうためにこのような配慮が不
要であったものと考えられる。実際に従来の燃料用噴霧
ノズルをそのままスケールアップした場合には、噴霧液
量（定格流量）が２５０リットル／ｈ程度でも、噴出孔
からスパイラルチップに設けた偏心溝の数に応じた吹き
抜け状態の噴霧が観察された。

【００３３】これに対し本考案では、図１のように外形
も円錐状にしているため、噴出孔の周辺のガスの流れが
スムーズになり、ノズル先端の液濡れを生ずることが少
なくなり、均一な噴霧が可能となる。

【００３４】本考案の設計基準に従うならば、単孔ノズ
ルであっても３０リットル／ｈ程度の小液量から比較的
大きな噴霧液量である２０００リットル／ｈ程度まで、
Ｇ／Ｌ０．１Ｎｍ^３／リットル以下で噴霧液滴平均径ｄ
_３２を１００μｍ以下にすることが出来る。特に、これ
までの単孔ノズルで困難である噴霧液量（定格流量）が
２５０リットル／ｈ以上においても、微細かつ均一な噴
霧ができその効果が優れている。

【００３５】本考案の内容を具体的にイメージするため
に、本設計基準に従ったノズル構造・寸法の一例を次に
示す。全体の構造は図１のようになっており、単孔ノズ
ルの噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの通過線速度で２
００Ｎｍ／ｓｅｃとし、標準噴霧液量（定格流量）は６
００リットル／ｈのもので、基本寸法は噴出孔径Ｄｎ
７．０ｍｍ、ノズル本体外径Ｄ_０４５ｍｍ、ノズル本体
内径Ｄ_１３５ｍｍ、円錐部長さＬ９．０ｍｍ、縮流角α
１２０°である。

【００３６】

【実施例】本考案の設計基準に基づいて定格流量の異な
る５種類のサイズの単孔ノズルを製作して、水・空気に
よる一連の噴霧テストを行ない、噴霧液量１３０リット
ル／ｈ〜１５００リットル／ｈの範囲において、Ｇ／Ｌ
と噴霧液滴平均径の関係を求めた。

【００３７】５種類のノズルとも、単孔ノズルの噴出孔
断面積をアトマイズ用ガスの通過線速度で２００Ｎｍ／
ｓｅｃとし、他の基本寸法は次の範囲とした。噴出孔径
Ｄｎ＝３．４，５．３，７．０，９．０，１１．０ｍｍ
の５種類、ノズル本体外径Ｄ_０＝２８〜６５ｍｍ、ノズ
ル本体内径Ｄ_１＝１８〜５５ｍｍ、円錐部長さＬ＝６〜
１３ｍｍ、縮流角度α＝１２０°である。そして、噴出
孔断面積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も小
さくなるようにし、スパイラルチップとしては、噴霧液
量に応じて溝幅＝２．３〜７．５ｍｍの偏心溝６条を設
けたものを使用し、偏心溝の溝底長さの総和を、噴出孔
径に対応して各々スパイラルチップの直径の２．３倍，
２．８倍，３．０倍，２．７倍，２．５倍とした。

【００３８】噴霧液滴径の測定にはレーザー回折法によ
る粒径測定装置（東日コンピューターアプリケーション
社製）を使用し、液滴粒度分布はロジン・ラムラー式で
近似して解析した。測定結果から、噴霧液滴の体表面積
平均径ｄ_３２と９９重量％径ｄ_９９を図３に示した。

【００３９】尚、測定した噴霧液滴径の分布をロジン・
ラムラー式で近似して体表面積平均径を求めたものがｄ
_３２であり、小粒径側からの重量積算累積値で９９ｗｔ
％に相当する粒径がｄ_９９である。

【００４０】図３には比較例として、従来の二流体内部
混合型の単孔ノズルと多孔ノズルによる測定結果も併せ
て記載した。使用した単孔ノズルは、構造は先に説明し
たこれまでの燃料用噴霧ノズルをそのままスケールアッ
プしたものであり、噴出孔径＝１２ｍｍ、ノズル本体外
径＝３２ｍｍ、ノズル本体内径＝２０ｍｍ、定格流量１
０００リットル／ｈで、噴出孔断面積をアトマイズ用ガ
スの通過線速度で表わせばこの場合は１２２Ｎｍ／ｓｅ
ｃである。また、スパイラルチップは、偏心溝が６条
で、偏心溝の溝底長さの総和がスパイラルチップの直径
の約１．４倍である。

【００４１】多孔ノズルとしては、図４のような構造の
２０孔の内部混合型の二流体ノズルであり、定格流量６
００リットル／ｈである。

【００４２】図３から、本考案の単孔ノズルの場合に
は、全体的にやや斜め下側にシフトしていることが認め
られる。例えば、多孔式二流体噴霧ノズルではＧ／Ｌ＝
０．３Ｎｍ^３／リットルの場合、ｄ_３２が６８μｍ、ｄ
_９９２２４μｍであるのに対し、本考案の単孔ノズルで
同様の噴霧特性を得るためには、図３の横軸に平行移動
させてみるとＧ／Ｌが０．０８〜０．１Ｎｍ^３／リット
ルであることが判る。

【００４３】このことは、同一噴霧粒径を得るのに本考
案のノズルによるとかなり低Ｇ／Ｌ値でよいことを表し
ている。すなわち、同一液量を噴霧するのにアトマイズ
ガス量を大幅に節減出来ることと、同一Ｇ／Ｌで微細な
噴霧が出来ることが明らかである。

【００４４】これらの結果を踏まえて、本考案の二流体
内部混合型単孔ノズルを、定格流量３０〜２０００リッ
トル／ｈの範囲で各流量に相当する１５型式に分けて規
格化することができた。そして、これらの二流体内部混
合型単孔ノズルの噴霧も良好なものであった。

【００４５】

【考案の効果】本考案の二流体内部混合型単孔ノズルに
よると、噴霧液量３０リットル／ｈ〜２０００リットル
／ｈの範囲において、噴霧液滴の体面積平均径ｄ_３２１
００μｍ以下を、極めて少量のアトマイズガスで実現す
ることが出来る。

【００４６】これは液体類を噴霧して蒸発、乾燥、焙
焼、焼却、等を行なう工業プロセスにおいて、物質移
動、ないし化学反応の進行ならびに省エネルギーの点で
極めて優れた効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による二流体内部混合型単孔噴霧ノズル
の構造の説明図

【図２】スパイラルチップの説明図

【図３】各種ノズルの噴霧液滴径の測定結果

【図４】二流体内部混合型多孔噴霧ノズルの構造の説明
図

【符号の説明】

１ 噴霧ノズル ２ 噴出孔 ３ ガス流路 ４ 液流路 ５ 液流路孔 ６ スパイラルチップ ７ 偏心溝 ８ 内部混合室 Ｄ_０ ノズル本体外径 Ｄ_１ ノズル本体内径 α 縮流角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B05B 7/04

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 二流体内部混合型単孔ノズルにおいて、
   単孔ノズルの噴出孔断面積をアトマイズ用ガスの通過線
   速度で１６０〜２４０Ｎｍ／ｓｅｃとし、かつ前記の噴
   出孔断面積がノズル全系のガス・液流路断面積中で最も
   小さくなる構造で、内部混合室に導入される噴霧流体に
   旋回流ベクトルを与えるための偏心溝を有するスパイラ
   ルチップを備え、前記の偏心溝の溝底長さの総和が該ス
   パイラルチップの直径の少なくとも２．３倍以上であ
   り、噴出孔への流路縮流角が１００〜１２４°で、噴出
   孔と噴出孔につながるノズル先端部の形状が内外面とも
   噴出孔を頂部とする截頭円錐形であることを特徴とする
   二流体噴霧ノズル。