JP5272170B2

JP5272170B2 - 液体噴射装置

Info

Publication number: JP5272170B2
Application number: JP2006319477A
Authority: JP
Inventors: 晃俊沖野; 秀一宮原
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: JP2008135242A

Description

本発明は、液体を高精度で噴射する液体噴射装置に係り、特にプラズマを用いて液体成分を分析するのに好適な液体噴射装置に関するものである。

従来、液体を気体中に噴射する場合、隣接した小さなノズルから液体と気体を混合する形で噴出し、液体を小さい液滴にして、霧吹きの原理で噴霧している。そのため、液体の噴霧量の調節には液体の噴出流量を可変バルブで調整している。しかし、この方法では、流量の調整は、難しく、高精度な制御は困難であった。特に、プラズマ発生装置のネブライザや、エンジンのシリンダ内への液体の噴出において、高精度な液体の噴出制御が困難であった。

（１）本発明は、液体を高精度で噴出する液体噴出装置を提供することにある。
（２）また、本発明は、プラズマ中に液体を高精度で噴出する液体噴出装置を提供することにある。
（３）また、本発明は、燃焼室内に液体を高精度で噴出する液体噴出装置を提供することにある。

（１）本発明は、プラズマ中に導入される試料からなる液体の流路を形成する管体と、流路の開閉を制御する開閉弁と、開閉弁の開時間を１．５ｍｓ以内をもって制御することのできる開閉弁制御装置と、開閉弁の前段に配置され、管体内の液体に開閉弁の後段側の圧力より０．１５ＭＰａ以内の範囲で高い圧力を付与することのできる圧力付与装置と、開閉弁の後段に配置され、液体をプラズマ中に噴射する内径が１０μｍ〜２５０μｍの噴出口と、を備え、開閉弁制御装置の制御により噴出口から液体を一線状に噴射する、液体噴射装置にある。
（２）また、本発明は、液体の流路を形成する管体と、流路の開閉を制御する開閉弁と、開閉弁を制御する開閉弁制御装置と、開閉弁の前段に配置され、管体内の液体に圧力を付与する圧力付与装置と、開閉弁の後段に配置され、液体を噴射する噴出口と、液体の噴出口付近に気体を噴出する気体噴出装置と、を備え、開閉弁制御装置と気体噴出装置により噴出口から液体を噴霧状態にする、液体噴霧装置にある。
（３）また、本発明は、液体の流路を形成する管体と、流路の開閉を制御する開閉弁と、開閉弁を制御する開閉弁制御装置と、開閉弁の前段に配置され、管体内の液体に圧力を付与する圧力付与装置と、開閉弁の後段に配置され、液体を噴射する噴出口と、プラズマを内部に発生するプラズマ発生室と、を備え、開閉弁制御装置の制御により噴出口から液体を一線状にプラズマ中に噴射する、プラズマ発生装置にある。

（１）本発明は、液体を高精度で噴出する液体噴出装置を提供することができる。
（２）また、本発明は、プラズマ中に液体を高精度で噴出する液体噴出装置を提供することができる。

（液体噴射装置）
液体噴射装置は、液体に圧力を付与し、開閉弁の制御により線状に液体を噴出するものである。液体噴射装置は、液体を噴出口から一線状に噴出する。液体噴射装置は、例えば、管体内の液体に圧力を付与し、管体に開閉弁を設け、開閉弁を開閉制御若しくは変調して、液体を噴出するもので、その噴出する液体の量を精密に制御することができる。なお、一線状に噴出するとは、液体が一本の線状になるように連続して噴出し、又は、液体が一本の点線状や破線状になるように間欠的に液滴として噴出する。また、このような噴出口が複数ある場合、噴出口毎に液体を一線状に噴出することができる。

液体噴射装置は、液体を飛ばす方向と液量と噴出タイミングを正確に決定できるので、様々な分野に適用できる。例えば、液体噴射装置は、プラズマ発生装置に使用して、液体をプラズマ中の所定の位置に所定の液量で所定のタイミングで輸送し、その微量元素分析、ＰＣＢ、フロンなどの物質の分解処理、ＣＶＤなどのプラズマプロセッシング処理などに使用することができる。また、液体噴射装置は、ガソリンエンジンやジーゼルエンジンなど内燃機関の燃焼室内の所定の位置に、所定の液体を所定量、所定の時間に供給できるので、内燃機関の燃焼効率を高め、又は、排ガス処理を効率よく行うことができる。

液体噴射装置１０は、従来よりも流路（噴出部分の口径）を遥かに細くして（例えば1ｍｍであったものを１０μｍとして）、その分、液体に高圧をかけて高速で噴出するようにし、それを開閉弁で超高速に制御している。従来装置のままで流路を開閉しても液体は噴出せずに、流れ出すだけであり、又は、太いままで高圧をかければ、液体が大量に排出してしまうことになる。

図１（Ａ）は、液体噴射装置１０の例を示しており、液体の流路を形成する管体１４と、流路の開閉を制御する開閉弁１６と、開閉弁１６を制御する開閉弁制御装置１８と、開閉弁１６の前段に配置され、管体１４内の液体に圧力を付与するポンプなどの圧力付与装置１２と、開閉弁１６の後段に配置され、液体を噴射するノズルヘッド２２、ノズル２４、噴出口２６などを備えている。管体１４は、内部の液体に圧力をかけられ、内部に液体の流路を有し、液体を通過できる管である。開閉弁１６は、管体１４の液体の流路を開閉する弁であり、特に、応答性のよい電磁バルブ、ピエゾバルブなどを利用できる。開閉弁１６は、デジタル的に又はアナログ的に変調により開閉制御される。

液体噴射装置１０は、開閉弁１６の前段の管体１４内の液体に圧力を付与し、開閉弁１６を開閉制御することにより、ノズル２４の噴出口２６から液滴２８を一滴づつ間欠的に、又は、液体をライン上に連続的に放出することができる。液体の圧力を高めて放出する場合、液滴２８は、ほぼ一直線上に載り、又は、線状の液体がほぼ一直線となる。液体噴射装置１０は、ノズル２４の向きにより、液体を飛ばす方向を正確に特定でき、更に、開閉弁１６の開閉を精密に行うと、放出する液量を正確に決めることができる。

図１（Ｂ）は、液体噴射装置１０を液体噴霧装置として使用する例を示している。その場合、図１（Ａ）のノズル２４の噴出口２６の横もしくは周囲に気体吐出口３４を有する気体噴出装置３２を配置し、気体吐出口３４からガスを噴出し、ガスを線状の液体３０又は液滴２８に衝突させる。このような構成を取ることにより、従来の霧吹き器のように、液体を霧状に噴霧することもできる。液体噴射装置１０は、噴射される液体量、液体の変化量、液体量の時間経過のパターン、液体の噴射タイミングなどを高精度で制御できるので、噴射される霧の量や変化量を高精度に制御することも可能となる。さらに、気体噴出装置３２によりガスの流量も制御することで、一線上への液体の噴出と拡散した液体の噴霧を切り替えて使用することも可能である。また、気体噴出装置３２によりガスの流速を制御することにより、液体の噴霧状態を変化させることも可能である。

（噴射液体のモジュレーション）
液体噴射装置１０は、開閉弁１６を高速で開閉することで、液体の高精度噴出を実現することができる。開閉弁１６の開閉を電気的なパルスで制御できるため、開閉の基本周波数を例えば１０ｋＨｚにすれば、１００ｕｓ単位での噴出量制御が可能となる。一回の開タイミングで噴出される液体の量は、開時間、ノズル径と液体へ印加する圧力で制御できる。このため、液体噴射装置１０は、液体の噴出量を電気的、デジタル的に高精度に制御できる。要するに、超高速でチョッピングすれば、見た目には高精度の制御になるイメージである。多くの液体を噴出したい場合には、高速で開閉する開閉弁１６を開いているタイミングを多くすればよい。

図２には、開閉弁制御装置１８の制御信号の例を示している。開閉弁１６の連続的に開いている開時間を、基準の信号（図２（Ａ））より長くしてもよいし（図２（Ｂ））、時間あたりの開タイミングの数を増やしてもよい（図２（Ｃ））。噴出量を小さくしたい場合には、開時間を短くしても良いし、時間あたりの開の数を減らしてもよい。また、開タイミングの密度を変化させる事で、噴出量のＦＭ変調が可能となる（図２（Ｄ））。また、開閉弁１６の開度を調節する機構を付加する、もしくは、液体に印加する圧力を制御する、もしくはノズルの径を可変にできれば、噴出量のＡＭ変調が可能となる（図２（Ｅ））。さらに、これらを組み合わせれば、任意のタイミングで任意の量の液体を高精度で噴出させる事が可能となる（図２（Ｆ））。図２（Ｆ）は、アナログ信号を示しているが、サンプリングされたデジタル信号でもよい。

（液滴の噴出例）
図３は、液滴（ドロプレット）２８がノズル２４から放出された写真を示している。図３（Ａ）は、液滴２８が飛んでいる状態を示している。液滴の噴出条件は、噴出口２６の内径（直径）が２５０μｍであり、噴出圧力が０．１５ＭＰａであり、噴出時間が０．１５ｍｓである。液滴２８は、噴出口２６から一直線上、１０ｍｍ強の位置にある。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の状態をスローシャッタースピードで撮った写真である。液滴２８が、一直線上を飛んだ軌跡を示している。

図４は、複数のノズル２４ａ、２４ｂ、２４ｃを備えた液体噴射装置１０を示している。各ノズル２４は、各々開閉弁１６で開閉制御される。開閉弁１６は、開閉弁制御装置１８により制御線２０ａ、２０ｂ、２０ｃで別々に制御される。ノズル２４ａからは、液滴２８が一点線状に放出されている。ノズル２４ｂからは、液滴２８が一点鎖線状に放出されている。ノズル２４ｃからは、液体が一実線状に放出されている。複数のノズル２４の位置や向きを設定することにより、必要な個所に液体を供給することができる。また、複数のノズル２４の開閉弁１６を別々に制御することにより、必要量の液体を必要な個所に供給することができる。また、複数のノズル２４に供給する液体の種類を変えることにより、必要な個所に必要な液体を必要量、必要なタイミングで供給することができる。

図５は、液体に印加する圧力（Back pressure）と噴射した液滴２８の体積（Droplet volume）の関係を示している。図５（Ａ）は、内径（直径）が１００μｍφのノズルを使用し、開閉弁１６の開時間（開いている時間）が０．５ｍｓ（小さな正方形で示す曲線）、１．０ｍｓ（大きな正方形で示す曲線）、１．５ｍｓ（三角形で示す曲線）の３種類をパラメータとしたグラフである。図５（Ｂ）は、内径（直径）が２５０μｍφのノズルを使用し、開閉弁１６の開時間が０．５ｍｓ（小さな正方形で示す曲線）、１．０ｍｓ（大きな正方形で示す曲線）、１．５ｍｓ（三角形で示す曲線）の３種類をパラメータとしたグラフである。なお、図５の横軸の液圧は、大気圧に更に加わる圧力を示している。

図５（Ａ）の場合、いずれのパラメータの開時間でも、圧力が０．０２ＭＰａ付近で、数１０ｍＬの体積の液滴２８が得られる。圧力が増すに従って、液滴の体積が大きくなり、０．１５ＭＰａ付近では、約８０ｎＬ（０．５ｍｓ開時間）、約１２０ｎＬ（１．０ｍｓ開時間）、約１４０ｎＬ（１．５ｍｓ開時間）となる。最小の液滴の体積は、ほぼ１９ｎＬである。このように、液滴の体積は、液体に印加する圧力、開閉弁１６の開時間、及びノズル２４の内径で制御することができる。図５（Ｂ）の場合、ノズルの内径が大きく、液滴２８が発生する液圧が高く、液滴２８は０．０５ＭＰａ〜０．１０ＭＰａの間で発生する。初期の液滴の体積は、図５（Ａ）の場合に比して大きい。０．１５ＭＰａ付近では、約８０ｎＬ（０．５ｍｓ開時間）、約１４０ｎＬ（１．０ｍｓ開時間）、約２００ｎＬ（１．５ｍｓ開時間）となる。

図６は、液体に加える圧力（Back pressure）と、液滴２８の速度（Droplet velocity）の関係を示すグラフである。このグラフは、開閉弁１６の開いている時間が０．５ｍｓ（小さな正方形で示す曲線）、１．０ｍｓ（大きな正方形で示す曲線）、１．５ｍｓ（三角形で示す曲線）の３種類をパラメータで示されている。図６の液体噴射装置１０は、内径が２５０μｍφのノズル２４を使用している。液体の圧力が０．０５ＭＰａ〜０．１０ＭＰａまでは、液滴２８が放出されないが、それを超えると液滴２８の速度が上昇し、０．１５ＭＰａでは、１．５ｍ／ｓ（開時間０．５ｍｓ）、２．０ｍ／ｓ（開時間１．０ｍｓ）、３．０ｍ／ｓ（開時間１．５ｍｓ）となる。開閉弁１６の開時間が長いと、液滴２８の速度も大きくなり、液滴２８の速度を色々と制御できることが知られる。

（プラズマ発生装置）
図７は、液体噴射装置１０を用いたプラズマ発生装置４０を示している。プラズマ発生装置４０は、プラズマ４４を発生するプラズマ発生室４２を備えている。プラズマ発生室４２の周囲に配置されたコイル５２により、プラズマガス４６をプラズマ状態に形成する。プラズマ発生室４２は、冷却ガス４８により冷却される。プラズマ発生室４２には、配管を介して、プラズマガス４６、又は、サポートガス５０が導入される。液体噴射装置１０はネブライザとして作用し、プラズマ中に液体の試料が導入される。液体噴射装置１０は、微量な試料を噴射することができ、また、プラズマの所定の個所に噴出できるので、僅かな試料でも、分析や検査を行うことができる。

（内燃機関）
図８は、液体噴射装置１０を用いた内燃機関６０からなる本発明の参考例を示している。内燃機関６０は、例えば、シリンダなどの燃焼室６２、ピストン６４、吸気弁６６、排気弁６８、点火プラグ７０などを備えている。燃焼室６２には、ノズル２４から液体を供給できる。液体は、ガソリンや重油などの液体燃料、燃焼効率を高める液体、有害なガスの発生を抑える液体などがある。液体噴射装置１０は、燃焼室６２の内部の必要な個所に必要な量の液体を必要なタイミングで導入できるので、内燃機関６０の効率や排気ガス処理などを効率よく行うことができる。

以上のように、本発明は、微量な液体でも、所定位置に所定量を所定のタイミングで送ることができるので、上記実施の形態以外にも、様々な分野に応用することができることは明らかである。

液体噴射装置の説明図開閉弁制御装置の制御信号の図ノズルから噴出した液滴の写真の図複数のノズルを備えた液体噴射装置の説明図開閉弁の開時間をパラメータとした、液圧と液滴の体積の関係図開閉弁の開時間をパラメータとした、液圧と液滴の速度の関係図液体噴射装置を備えたプラズマ発生装置の説明図液体噴射装置を備えた内燃機関の説明図

符号の説明

１０・・・液体噴射装置
１２・・・圧力付与装置
１４・・・管体
１６・・・開閉弁
１８・・・開閉弁制御装置
２０・・・制御線
２２・・・ノズルヘッド
２４・・・ノズル
２６・・・噴出口
２８・・・液滴
３０・・・線状の液体
３２・・・気体噴出装置
３４・・・気体吐出口
４０・・・プラズマ発生装置
４２・・・プラズマ発生室
４４・・・プラズマ
４６・・・プラズマガス
４８・・・冷却ガス
５０・・・サポートガス
５２・・・コイル
６０・・・内燃機関
６２・・・燃焼室
６４・・・ピストン
６６・・・吸気弁
６８・・・排気弁
７０・・・点火プラグ

Claims

プラズマ中に導入される試料からなる液体の流路を形成する管体と、
流路の開閉を制御する開閉弁と、
開閉弁の開時間を１．５ｍｓ以内をもって制御することのできる開閉弁制御装置と、
開閉弁の前段に配置され、管体内の液体に開閉弁の後段側の圧力より０．１５ＭＰａ以内の範囲で高い圧力を付与することのできる圧力付与装置と、
開閉弁の後段に配置され、液体を前記プラズマ中に噴射する内径が１０μｍ〜２５０μｍの噴出口と、を備え、
開閉弁制御装置の制御により噴出口から液体を一線状に噴射する、液体噴射装置。
請求項１に記載の液体噴射装置において、
開閉弁制御装置の制御により噴出口から液体を一線状に連続的に又は間欠的に噴射する、液体噴射装置。
請求項１に記載の液体噴射装置において、
噴出口は、複数設けられ、
各噴出口は、液体を一線状に噴射する、液体噴射装置。
請求項１に記載の液体噴射装置において、
液体の噴出口付近に気体を噴出する気体噴出装置を備え、
液体を噴霧状態にする、液体噴射装置。
請求項４に記載の液体噴射装置において、
気体噴出装置は、気体の噴出量を制御することにより、液体の一線状の噴射又は液体の噴霧状の噴射を切り替える、液体噴射装置。
請求項１に記載の液体噴射装置において、
プラズマを内部に発生するプラズマ発生室を備え、
開閉弁制御装置の制御により噴出口から液体を一線状にプラズマ中に噴射する、液体噴射装置。