JP3664404B2 - 液滴の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の目的は、適切な幾何学的パラメーター及び物理的特質を利用し、確実に霧化される液体を連続的で安定した毛細管マイクロジェットとして適切な流出孔より放出することにある。
前記方法は、液体表面付近地点（流出孔）よりガスが引き出される際の液体とガスの界面に受ける微小引出効果に依存する。本発明の方法は、液体（特に電子式燃料噴射）の均一霧化を一工程とした、如何なる機構にも適用可能である。
２種類の非混和性液（２種類の液体又は液体及びガス）間の界面の混合引出に関して、最近では、Ｅ.Ｏ.タック及びＪ.Ｍ.ヴァン デン ブロック(「水中噴出源又はシンクよるカスプ状の自由表面の流れ」、Ｊ.オーストラリア、数学、セクション シリーズＢ、２５、４４３、４５０頁、１９８４年）、Ｌ.Ｋ.フォーブス及びＧ.Ｃ.ホッキング（「自由表面を有する液体のシンクに起因する流れ」、Ｊ.オーストラリア、数学、セクションシリーズＢ、３２、２３１−２４９頁、１９９０年)、Ｔ.J.シィングラー及びJ.Ｆ.ギアー シィングラー(「選択引出における問題点のガラーキン解法−混成摂動」、物理、液体Ａ、５、１１５６−１１６６、１９９３年)のような著者によって研究され、「選択引出又は混合引出」として知られる、より一般的な界面の不安定現象の特殊なケースであると認められている。
この分野の研究は、主に混合引出の立ち上がり（すなわち、表面よりの任意の距離で表面前の液体が引き出される時の自由表面背後の液体掃射の立ち上がり)におけるパラメーター（つまり、シンク地点から自由面への距離、液体濃度率、液体間の表面張力)の測定に集中している。
しかし、混合引出によって作られるマイクロジェットの液体動力学は、外観上は未だに未開のものである。マイクロジェットの観察及び研究、そして特有の特質及び潜在的使用価値は、現在の霧化方法を導き出した。
既存の霧化方法においては、システムに供給されるタイプのエネルギーを変換して（例えば、エアー噴霧器のガスの運動エネルギー、音波及び超音波圧電霧化装置の電気エネルギー、回転霧化装置の機械的エネルギー、電気水力霧化装置の静電エネルギー等)表面張力の自由エネルギーとする。それは、液体とガス表面が、これらの工程によって著しく拡張されるからである。結果として得られる散らばりの程度が機能して、エネルギーの一部も、結果として得られる小滴サイズの統計的分散において低下される。上記エネルギーが、自由表面エネルギーに変換される過程が如何に乱れ急激（又は徐々にそして効率的に）に起こるかの程度によって、結果として得られる噴霧が、ある特定の又は他の特定の使用方法に適切なものであるかが決定する。
一般的に、一定で微細な滴となるように噴霧することを目指している。小滴サイズは常に噴霧される液体の高い流量と相容れないものであり、その結果、時間単あたり高いエネルギー使用率となる。しかも、滴サイズの均一性は、乱れや高次の不規則性のない、漸進的な工程に依存し、そういった工程は、（多くの場合に必要とされる液体の高流量と両立する）容積エネルギーの表面エネルギーへの急速変換又は実用の霧化装置における技術的単純性とは相容れない。霧化装置における機械的単純性及び迅速性と霧化工程における不可逆性及び不規則性とは、強い相互関係がある。
既存のエアー霧化装置には、高ウェーバー数から単位数への界面のカスケイディング散乱が含まれており、表面張力が液体に対するガスの慣性の相殺を強いるような滴径であった場合に後者は達成できる。前記霧化装置は以下の物を含む:ｓ.ヌキヤマ及びＹ.タナサワの通常同軸モデル(「気流における液体の霧化の実験」、Trans.Soc．Mech．Eng.Jpn.、５、６８−７５頁、１９３９年)、又はＬ.Ｄ.ウイグによって開発されたエアブラストモデル（「双晶液体霧化装置のための滴サイズの予測」、J.Inst.Fuel、２７、５００−５０５頁、１９６４年)、Ｇ.Ｅ.ロレンゼット及びＡ.Ｈ.レフェブレの（「通常ジェットエアブラスト霧化装置の滴サイズの測定」、AIAAJ.、１５、１００６−１０１０頁、１９７７年)、Ａ.Ｋ.ジョシュアの(「高い周囲気圧条件下における代替の液体石油燃料の通常ジェットエアブラスト霧化装置」、ASME 論文 ８２−ＧＴ−３２.１９８２年)、Ｎ.Ｋ.リスク及びＡ.Ｈ.レフェブレの（「通常ジェットエアブラスト霧化装置の噴霧特性」、Trans.ASME J. Eng．タービンズパワー、１０６、６３９−６４４頁、１９８３年)、多くのその他の中で、超音速のガスの流れを利用した液体金属の同軸霧化を基礎としたＡ.ウナル（「ガス霧化工程における流動分離及び液体減退」、Metall.Trans.Ｂ.、２０Ｂ,６１３−６２２、１９８９年)。既存のエア霧化装置におけるカスケイディング工程は、極度の乱流と不規則性を含み、その結果、極度に拡散した滴のサイズとなり霧化される。
このタイプの霧化装置におけるその他の主な不都合な点としては、前記装置の提供するサイズの限定（最善を尽くしても平均で２０ミクロン以上）が挙げられる。
ホイッスリング霧化装置は、主な支障として、ノイズ、比較的複雑さ（毛細管ジェットを励起するために音波発生器やピアゾ圧電素子を利用する）、あるいは滴サイズ限度（５０μｍオーダーの粒径）を持っている。
この他の新規な極めて小さい均一の滴サイズを提供する霧化システムは、静電式又は電気噴霧式霧化を使用したものである。前記システムは、特許を取得している(例えば、Ｍ.Ｌ.コルコウ及びＴ.Ｊ.ノオクスの「粉末及び他の粒状体の製造装置及び製造工程」、ヨーロッパ特許出願番号第８７３０５１８７.４号、１９９７年)。主なこの方法の欠点は、多くの場合、高電圧直流電源(深刻な問題を起こす）と放電システム(例えば、電気クラウン)を必要とし、両者は内在的な複雑さ、過重量、システムの低い操作性につながる。
本発明は、ガス流動によって霧化される液体の引出を基本とする液体の霧化方法に関するものである。前記液体は圧力室内の供給部を通る。前記供給部は、圧力室と外部を連絡する開口部に対面している。引出するガスの流れは圧力室を横断し、霧化される液体を覆い、供給部によって滴を排出し、霧化する。
本特許出願の目的は、極めて小さく(１ミクロン程の)非常に均散なサイズ(作動状況によっては、相対標準偏差は１０−３０％である）の滴を提供することにある。提案されたシステムは、エアプレッシャーシステムの単純化及び経済化の要素をも備えている。しかも、滴のサイズは、注入された液体の流動率及び圧力室を通る滴圧力を通して自由に調整可能で、液体ジェットは集中的に軸方向から引出される。
毛細管マイクロジェットは、液体表面のガスによって排出された接線粘体の応力によって加速され安定する。マイクロジェットは、開口部を通じて圧力室を出、下記の特質をもって微小の滴に分離する:
(１)毛細管マイクロジェットの分離に起因する極めて小さいサイズ(１μｍ迄下がる)、
(２)ジェット径が安定している場合の非常に小さいサイズの分散、これは液体の流動率が安定している限り維持される。
マイクロジェットの形成とその加速は、流出孔を通過するガスによる急加速にともなう急激な圧力減少が基本となっている。従って転じて流出孔付近の液体表面上に大きな曲線部を作り出し、流出孔からの液体引出量が補充された場合、尖点が形成され、尖点から安定したマイクロジェットが流れる。
使用されたパラメーターウインドウ（すなわち、液体特質、使用された流動率、供給針の径、流出孔の径、圧力率等、それらの値の集合）は、事実上如何なる液体（１０−４から１ｋｇｍ―１ｓ―１の範囲の粘性率）とも互換性がある程度の大きさであるべきである。
これによって、供給針先に位置する滴から現れた毛細管マイクロジェットは、（ジェットの破裂によって生じる摂動が上流に進展しないように）絶対的に安定であり、一方、下流では、マイクロジェットは、半開きの蛇口から落下する層状の毛細管ジェットと同様に、毛細管の不安定性の影響（例えば、ロード レイリッシュの「ジェットの不安定性」、Proc. London Math. Soc. pp.3-13 1878）によって均一な滴に分離する。
静止した状態の確立後、供給部の出力部の滴端より現れた毛細管ジェットが、集中的に流出孔へ引き出される。ジェットが滴より現れた後、液体は表面上にガスの流れを引き起こす接線方向の掃引力により加速され、ジェットの断面は次第に減少される。驚くことに、ジェットの半径の減少は、その他の影響、すなわち、マイクロノズルでガスが加速される際にガス圧が減少するのに伴う、液体−ガス界面を横切る圧力格差の増加によって、さらに拡大される。その液体は、ガスよりも少ない加速と圧力低下を受ける。それは、液体が接線方向の粘性力のみによって加速されるからである。
液体表面のガスの流れによって出される力は、表面振動を防ぐに十分な安定性を持つ。従って、如何なるガス運動の散らばりも回避できる。仮にガス速度が高くなったとしても、流出孔の特性サイズは、ガス運動が(ジェットとノズル又は穴内面上の境界層に似た)層流となることを確実とする。
要約すれば、液体の引出及び後続ジェットの形成後の加速に影響するガスの流れは、易損毛細管界面（ジェットから作られる滴表面）の摂動と摂動による分散を防ぐために急であるが、均一であるべきである。従って、ガスが及ぼす動力学的な力は、工程中には如何なる時も表面張力（滴及びマイクロジェット）を超えることがない。従って、液体の動力学的無次元数である、ウェーバー数（すなわち、表面張力に対する動力学的な力の比）は、工程中、１のオーダーを超えるものであってはならない。マイクロジェットのウェーバー数は必然的に１のオーダーとなる。何故なら、ガスの圧力降下は、表面張力
Figure 0003664404
 の影響のオーダーであるからである。この際のγ及びρｇは夫々表面張力とガスの密度であり、ｄｊ及びｖｇは夫々ジェットの径の特質とガス速度の特質である。そして、Ｖｇが滴周りのガス速度であり、Ｄ０及びｄ０が夫々霧化される液体注入に使用される供給針（端）とマイクロジェットが通過する流出孔の径であった場合、ジェットを作り出す滴の周りのガス速度は、面積の関係を通して、流出孔を横切るガス速度と関連づけられなければならない（ＶｇＤ０ ２〜ｖｇｄ０ ２）。流出孔における最高ガス速度は音速に似ていることから、
Figure 0003664404
 であり、ジェット径は、
Figure 0003664404
 である。
これによって微小標準滴サイズが決定できる。
（境界層の厚さのように）このシステムの最小の径において、液体及びガスの単位体積ごとの運動エネルギーは、同じオーダーとすべきである。ρｌが液体密度の場合、結果として得られる液体速度は、
Figure 0003664404
 である。前式より、最小の滴サイズでの液体流量は
Figure 0003664404
 である。
ガスの流れは、層流、すなわち、乱流状態（ガス流の乱れた変動は、高振動数を持ち、液体とガスの界面を摂動させるものである。）を発生させないような様式であるべきである。レイノルズ数は、νｇがガスの動粘度であった場合、
Figure 0003664404
 に達する。仮にこの数字が極めて高いものであったとしても、流れに味方する大きな圧力勾配（極めて収斂した形状）があるため乱流状況は殆ど展開しない。
既存の（大きなウェーバー数を有する）エアー霧化装置との基本的な違いは、液体とガスの界面の破壊を模索することではなく、まったくその反対である。すなわち、毛細管ジェットが得られるまで界面の安定性を増加することである。十分に大きな圧力低下を伴って引き出されれば、ジェットは、非常に小径となり、既存のエアー噴霧装置により、液体とガスの界面を不規則に破壊した結果よりも、遙かに均一なサイズの滴に分離する。
液体の霧化のために提案された手順は、電子式燃料噴射はもとより多くの他の用途、麻薬又は麻酔の送出用の空気濾過器及び化学分析用の噴霧器等にも使用可能である。しかも、セラミックパウダー及びセラミック材料、セミコンダクター、プラスティック等の製造に使用される焼結セミコンダクターの大量生産をも可能とする。
提案された霧化システムは、もちろん霧化される液体及び結果的に得られる噴霧に使用されるガスの送り出しを必要とする。前記両者は、システムが安定したパラメーターウインドウ内に位置するような流動率で供給される。多重送り出しは、必要とされる流動率が個々のセル上の上記流動率を超える時に効果的である。使用される流動率は、又流動間の質量比が発明が利用される装置の仕様と互換性があることを確認する必要がある。
勿論、ガスは、霧化装置の作用に干渉する必要がないため、本発明の利用環境によっては(例えば、燃焼、麻薬吸入)、外部から高い流動率で供給することもできる。
流動率を変えた場合、その変化の特質時間は、マイクロジェットにおける液体とガスの流体停留時間より短く、供給針端に形成された滴の第一自然振動数の逆数より小さくなるものとする。
従って、ガス及び液体は、如何なる連続放出システム（例えば、前者に圧縮機又は与圧タンク、後者に容積式ポンプ又は与圧ボトル）によっても分配できる。もし、多重送出が必要であった場合、液体流動率はセル内で出来る限り均一であるべきであり、均一の分配を可能とする、複数の毛細管針、多孔性の手段、又はその他の手段を通して放出される。
個々の霧化装置は、マイクロジェットを放出する滴が静止している場所であるところの、径０．５５−２ｍｍ（好ましくは０．１―０．４ｍｍ）の供給部（毛細管針、開放した微小水路をもった先端、連続する縁上の小突起等）と、径０．０５−２ｍｍ（好ましくは０．２−０．５ｍｍ）の小さな流出孔とより構成され、滴と対向し供給部より０．１−２ｍｍ（好ましくは０．２−０．５ｍｍ）離れている。その流出孔は、より高圧の滴周囲の引き出しガスと、より低圧の霧化がなされる領域を連絡する。
霧化装置は、多種の材料(金属、プラスティック、セラミック、ガラス）より形成され、その選択は予定される適用方法によって決定される。
図１は、システム（２）の一端を通して霧化される液体が注入され、圧力室（３）内のガスの導入に使用される孔（４）を経由して推進ガスが注入される試験済プロトタイプの概要を描写している。本プロトタイプには、霧化された液体が排出された時の大気圧Ｐａより１００〜２０００ｍＢａｒ高いの供給圧力を用いた。供給針（１）の周り全ての格納装置は、圧力Ｐ０＞Ｐａである。液体供給圧力Ｐｌは、常にガス推進圧力Ｐ０よりも若干高いものとする。針と液体供給システムにおける圧力低下によっては、圧力差（Ｐｌ−Ｐ０＞０）と霧化される液体の流量Ｑとは、流れが層流（本プロトタイプでは実際にそうである）だとすれば、比例関係がある。基本の寸法は、針から板材への距離（Ｈ）、針径Ｄ０、マイクロジェットが放出される流出孔（６）の径（ｄ０）及び流出孔の軸長さ（ｅ）（つまり流出孔が形成される板材の厚さ）である。本プロトタイプにおいては、距離Ｈを０．３〜０．７ｍｍで変えて、長さはＤ０＝０．４５ｍｍ、ｄ０＝０．２ｍｍ及びｅ＝０．５ｍｍで固定して用いた。結果として得られる噴霧（７）の質は、運転状態（すなわち、静止滴及びマイクロジェット）が維持されたとしたら、Ｈの変化に見合った変化はなかった。しかし、やや長いＨ距離（約０．７ｍｍ）では、システム安定度を低下させることになる。供給針と比較して針の周辺（その径）が充分に広い場合、他の霧化装置の寸法は、噴霧時にもシステムの運転時にも何等影響しない。
上記説明を補足し、本発明の理解を容易にするために、本説明は、プロトタイプモデルの設計図というよりは、むしろ実例を利用した説明となっている。
霧化装置プロトタイプの概略
符号の説明
１．供給針
２．霧化される液体注入に使用される供給針端
３．圧力室
４．ガスの導入に使用される孔
５．霧化される液体の排出に使用される供給針端
６．引出が行われる流出孔
７．霧化装置（噴霧器）

Ｄ0＝供給針径
ｄ0＝マイクロジェットが通過する流出孔
ｅ＝引出が行われる流出孔の軸長さ
Ｈ＝供給針からマイクロジェット出力部への距離
Ｐ0＝圧力室内の圧力
Ｐa＝大気圧力

Claims (6)

  1. 圧力室内の供給部から液体が滴として排出されるように、該供給部を通して液体を注入する工程、
    前記供給部に対向する圧力室の流出孔から霧化室に引出ガスを放出させるように、圧力室の流入孔を通して引出ガスを圧力室内に送り出しする工程からなり、
    前記供給部の端から排出される液体は、前記引出ガスによって、連続的で安定した毛細管マイクロジェットとして前記圧力室の前記流出孔を通過し、霧化室に放出されて、霧化された液滴となることを特徴とする液滴の製造方法。
  2. 請求項１に記載の液滴の製造方法において、前記液体の粘性率は、10-4〜1kgm-1s-1であることを特徴とする、液滴の製造方法。
  3. 請求項１又は２の何れか１項記載の液滴の製造方法において、前記供給部の径が0.1〜0.4mmであることを特徴とする、液滴の製造方法。
  4. 請求項１〜３の何れか１項記載の液滴の製造方法において、前記供給部に対向する流出孔の径が、0.05〜2mmであることを特徴とする、液滴の製造方法。
  5. 請求項１〜４の何れか１項記載の液滴の製造方法において、前記供給部と前記供給部に対向する流出孔との間の距離が、0.1〜2mmであることを特徴とする、液滴の製造方法。
  6. 請求項５記載の液滴の製造方法において、前記供給部と前記供給部に対向する流出孔との間の距離が、0.2〜0.5mmであることを特徴とする、液滴の製造方法。
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