JP5274250B2 - 高速低圧エミッタ - Google Patents

Description

本発明は、霧状液体を放出する機器に関し、本機器は、液体を気体流に噴射し、そこで、液体は霧化されると共に機器から放出される。

共振管等の機器は、液体を様々な目的のために霧化するように用いられる。液体は例えば、ジェットエンジンまたはロケットモータに注入される燃料、または火災鎮圧システムのスプリンクラヘッドから噴霧される水である。共振管は、気体噴流と空隙との間の振動圧力波の相互作用によって発生させられた音響エネルギを用いて、音響エネルギが存在する共振管付近へ噴射させられた液体を霧化する。

周知の構成および作動モードの共振管は一般的に、防火用途に効果的であるために必要な流体流特性を有していない。共振管からの流量は、不適切になりがちであり、また霧化工程によって発生させられた水粒子は、相対的に低速を有する。その結果、これらの水粒子は、約２０．３センチメートル（８インチ）から４０．６センチメートル（１６インチ）のスプリンクラヘッドの中で著しく減速させられると共に、火によって発生させられた立ち上がる燃焼気体に打ち勝つことができない。それ故、水粒子は、有効な火災鎮圧として火元に到達し得ない。さらに、霧化によって生じた水粒子寸法は、環境温度が５５度Ｃ以下の場合には、火災の鎮圧に対して酸素含有量を低下させる効果がない。また、周知の共振管は、高圧で送達される相対的に大きな気体容量を必要とする。これは、大きな音響エネルギを発生させ、かつ、気体流が横切るデフレクタ面から離れる不安定な気体流を生じさせて、不十分な水の霧化に至る。周知の共振管よりも有効に作動する霧化エミッタが明らかに必要とされている。このエミッタは、水粒子が火災煙流に打ち勝り、かつ、火災鎮圧により効果的であるように、より小さい寸法の分散を有する一方で、吐出時に大きな運動量を維持する十分な量の霧状水粒子を生成するために、より少ない量の気体を低圧で用いる。

本発明は、気体流に混入された液体を霧化かつ吐出するエミッタに関する。エミッタは、加圧液体源および加圧気体源に対して連通状態で接続可能である。エミッタは、加圧気体源に対して連通状態で接続可能な入口および出口を有するノズルを含む。ダクトは、加圧液体源に対して連通状態で接続可能であり、出口と隣接して位置決めされる出口オリフィスを有する。デフレクタ面は、出口に対して離間した状態で対向するように位置決めされる。デフレクタ面は、ノズルと略直交して配向される第１面部と、第１面部に隣接して位置決めされ、かつ、ノズルと非直交状に配向される第２面部を有する。液体はオリフィスから吐出され、気体はノズル出口から吐出される。液体は、気体に混入されると共に、霧状にされて液体‐気体流を形成し、その液体‐気体流はデフレクタ面に衝突すると共に、そのデフレクタ面から離間するように流れる。エミッタは、第１衝撃領域が出口とデフレクタ面との間に形成され、かつ、第２衝撃領域がデフレクタ面に近接して形成されるように、構成かつ作動させられる。液体は衝撃領域の一方において混入される。ノズルは、過膨張気体流噴流を作り出すように構成かつ作動させられる。

本発明はまた、エミッタの作動方法を含む。本方法は、
液体をオリフィスから吐出する工程と、
気体を出口から吐出する工程と、
出口とデフレクタ面との間に第１衝撃領域を形成する工程と、
デフレクタ面に近接して第２衝撃領域を形成する工程と、
液体‐気体流をエミッタから放出する工程とを含む。

本方法はまた、エミッタのノズルから過膨張気体流噴流を形成すると共に、液体‐気体流に複数の衝撃波光輝（ｓｈｏｃｋ ｄｉａｍｏｎｄｓ）を形成する工程を含む。

図１は、本発明に係る高速低圧エミッタ１０の縦断面図を示す。エミッタ１０は、入口１４および出口１６を有する先細ノズル１２を含む。出口１６は直径が、多くの用途のために、約３．１８ミリメートル（１／８インチ）から約２５．４ミリメートル（１インチ）に及ぶ。入口１４は、気体を所定の圧力および流速でノズルに供給する加圧気体供給体１８に対して連通している。ノズル１２が湾曲先細内面２０を有すると有利であるが、直線テーパ面等の他の形状も可能である。

デフレクタ面２２がノズル１２に対して離間した状態で位置決めされると、間隙２４がデフレクタ面とノズル出口との間に形成される。間隙は寸法が、約２．５４ミリメートル（１／１０インチ）から約１９．０５ミリメートル（３／４インチ）に及んでよい。デフレクタ面２２は、１個または複数の支持脚部２６によって、ノズルから離間した状態で保持される。

好適には、デフレクタ面２２は、ノズル出口１６と実質的に整列させられた平面部２８と、平面部と連続すると共に平面部を包囲する傾斜面部３０を含む。平面部２８は実質的に、ノズル１２からの気体流と直交すると共に、出口１６の直径と略等しい最小直径を有する。傾斜部３０は平坦部から後退角で配向される。後退角は、約１５度から約４５度におよび、間隙２４の寸法と共に、エミッタからの流れの分散パターンを決定する。

デフレクタ面２２は、図２に示す湾曲上側縁３４および図３に示す湾曲縁３６等、他の形状を有してよい。図４および図５に示すように、デフレクタ面２２はまた、平坦部４０および後退角部４２（図４）または湾曲部４４（図５）によって包囲される閉鎖端共振管３８を含んでいてもよい。共振空隙の直径および深さは、出口１６の直径と略等しくてもよい。

再度図１を参照すると、環状室４６はノズル１２を包囲する。室４６は液体を室へ所定の圧力および流速で供給する加圧液体供給体４８と連通している。複数のダクト５０が室４６から延在する。各ダクトは、ノズル出口１６に隣接して位置決めされる出口オリフィス５２を有する。出口オリフィスは、約０．７９ミリメートル（１／３２インチ）から約３．１８ミリメートル（１／８インチ）の直径を有する。ノズル出口１６と出口オリフィス５２との間の好適な距離は、ノズル出口の縁から出口オリフィスの最も近い縁までの半径線に沿って測定されると、約０．４０ミリメートル（１／６４インチ）から約３．１８ミリメートル（１／８インチ）に及ぶ。火災鎮圧用液体、例えば水は、加圧供給体４８から室４６まで、さらにダクト５０を通り流れ、各オリフィス５２から出て、そこで、以下に詳細に説明されるように、ノズル１２を通り流れ、かつノズル出口１６から出た加圧気体供給体からの気体流によって霧化される。

エミッタ１０は、火災鎮圧システムで使用するように構成される時には、ノズル入口１４において約１９９．９４８ｋＰａ（２９ｐｓｉａ）から約４１３．６８６ｋＰａ（６０ｐｓｉａ）の好適な気体圧、および室４６において約６．８９４７６ｋＰａ（１ｐｓｉｇ）から約３４４．７３８ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）の好適な水圧で作動するように構成される。可能な気体には窒素、他の不活性気体、不活性気体の混合物、並びに空気等の不活性気体および化学的活性気体の混合物を含む。

エミッタ１０の作動について、図６を参照して説明する。図６は、作動エミッタのシュリーレン写真分析に基づく図である。
気体４５は、約マッハ１．５でノズル出口１６を出ると共に、デフレクタ面２２に衝突する。同時に、水４７は出口オリフィス５２から吐出される。

気体４５とデフレクタ面２２との間の相互作用により、ノズル出口１６とデフレクタ面２２との間に第１衝撃領域が形成される。衝撃領域は、超音速から亜音速までの流動移行域である。オリフィス５２を出た水４７は、第１衝撃領域５４の領域には入らない。

第２衝撃領域５６は、デフレクタ面付近において、平坦面部２８と傾斜面部３０との間の境界に形成する。オリフィス５２から吐出された水４７は、第２衝撃領域５６の付近で気体噴流４５に混入されて、液体‐気体流６０を形成する。混入方法の一つでは、気体流噴流と大気との間の圧力差を使用する。衝撃波光輝５８は、傾斜部３０に沿った領域に生じ、液体‐気体流６０内に閉じ込められる。液体‐気体流６０は、エミッタから外方かつ下方へ放出される。衝撃波光輝はまた、超音速流と亜音速流との間の移行部分であり、気体流がノズルを出る時に、過膨張させられた結果である。過膨張流は流れの型を描いて進み、外圧（即ち、この場合は環境大気圧）はノズルにおける気体出口圧よりも高い。これは、自由噴流境界４９から反射する斜めの衝撃波を形成し、液体‐気体流６０と環境大気との間の限界を定める。斜めの衝撃波は、衝撃波光輝を形成するために、互いに向けて反射させられる。

大きな剪断力が液体‐気体流６０に形成され、この液体‐気体流６０は理想的にはデフレクタ面から離れないが、分離が６０ａで示されるように生じても、エミッタは未だ有効である。第２衝撃領域５６の付近で混入された水は、霧化の主要な機構であるこれらの剪断力にさらされる。水はまた衝撃波光輝５８と衝突し、これは水霧化の二次的発生源である。

したがって、エミッタ１０は、直径が２０μｍ未満の水粒子であって、粒子の大部分は５μｍ未満である水粒子を形成する複数の霧化機構と共に作動する。より小さな水滴は空気中に浮遊する。この特性により、これらの水滴は、より大きな火災鎮圧効果のために、火元付近に持続させられる。さらに、粒子は大きな下方への運動量を持続するため、液体‐気体流６０が火災の結果生じる燃焼気体の吹き上げに打ち勝つことが可能である。測定値は、エミッタから４５７．２ミリメートル（１８インチ）で、毎分約３６０メートル（１，２００フィート）の速度と、２．４メートル（８フィート）で、毎分２１０メートル（７００フィート）の速度を有する液体‐気体流を示す。エミッタからの流れは、作動させられる部屋の床に衝突させられる。デフレクタ面２２の傾斜部３０の後退角３２は、液体‐気体流６０の先端角度６４に対して著しい制御をもたらす。約１２０度の先端角度が達成可能である。流れの分散パターンに対する付加的な制御は、ノズル出口１６とデフレクタ面との間の間隙２４を調整することにより達成される。

エミッタ作動中には、火災の間に部屋の天井に溜まる煙層は、ノズルを出た気体流４５に吸引されると共に、流れ６０に混入される。これは、以下に説明するエミッタの多様な消火特性モードに加えられる。

エミッタは、上述した極度に小さい粒子寸法へ水を霧化することにより、温度を低下させる。これは熱を吸収すると共に、燃焼拡散の沈静化を助ける。流れに混入された窒素気体流および水は、部屋内の酸素を、燃焼を助長し得ない気体と置き換える。流れに混入されている、さらに酸素が消耗された煙層状の気体はまた、火の酸素枯渇に貢献する。しかしながら、エミッタが配置された部屋の酸素レベルは、約１６パーセント以下には低下しない。水粒子および混入煙は、火からの放射熱伝達を遮断する霧を形成し、ひいてはこの熱伝達モードによって、燃焼拡散を沈静化する。極度に小さい水粒子寸法に起因する、並外れて大きな表面積によって、水は容易にエネルギを吸収すると共に、さらに酸素を置き換え、火から熱を吸収し、位相移行に一般的に関連する安定的な温度維持に役立つ蒸気を形成する。エミッタによってもたらされる混合および乱流はまた、火の周囲における温度の低下に役立つ。

エミッタは、大きな音響エネルギを形成しない点において、共振管と異なる。噴流ノイズ（物体上を移動する空気によって生じさせられる音）は、エミッタからの唯一の音響出力である。エミッタの噴流ノイズは、約６ＫＨｚ（周知のタイプの共振管の作動周波数の半分）よりも高い大きな周波数成分を有さず、また水の霧化に目立って貢献することはない。

また、共振管からの流れとは異なり、エミッタからの流れは安定的であると共に、デフレクタ面から離れない（即ち、６０ａとして知られる遅延分離を経験する）。共振管からの流れは不安定であると共に、デフレクタ面から離れてしまい、不十分な霧化あるいは霧化の損失にまで至る。

別のエミッタの実施形態１１を図７に示す。エミッタ１１は、ノズル１２に向けて角度をなして配向されるダクト５０を有する。ダクトは、水または他の液体４７を気体４５へ向けて角度をなして配向され、これによりその液体を第１衝撃領域５４の付近で気体に混入させる。本構成は、エミッタ１１から噴出される液体‐気体流６０の形成に際して、さらに別の霧化領域を付加することも考えられる。

複数の衝撃領域および衝撃波光輝によって過膨張気体噴流を形成するように作用させられる本発明に係るエミッタは、複数の霧化段階を獲得すると共に、火災鎮圧システムに用いられる時には、火の拡散を制御するために、結果的に複数の消火モードが適用される。

本発明に係る高速低圧エミッタを示す縦断面図。 図１のエミッタの構成要素を示す他の縦断面図。 図１のエミッタの構成要素を示す他の縦断面図。 図１のエミッタの構成要素を示す他の縦断面図。 図１のエミッタの構成要素を示す他の縦断面図。 図１のエミッタの作動中におけるシュリーレン写真に基づくエミッタからの流体流を示す図。 エミッタの別の実施形態における予測流体流を示す図。

Claims (36)

1. 気体流に混入された液体を霧化すると共に吐出するエミッタであって、該エミッタは、前記液体の加圧源および前記気体の加圧源に対して連通状態で接続可能であり、
   入口と断面円状の出口とを備え、かつ、これらの間を貫通する気体流を吐出可能なノズルと、該ノズルの入口は前記加圧気体源に対して連通状態で接続されることと、
   前記エミッタ内においてノズルを包囲し、かつ、前記加圧液体源と連通する環状室と、
   前記環状室から延在し、かつ、前記ノズルの出口に近接して配置された出口オリフィスを有するダクトと、
   前記ノズルの出口に対向するように配置され、ノズルから吐出される気体流およびダクトから吐出される液体流と対向して直交するように配向され、さらに、ノズルの出口の直径と等しい最小直径を有する平坦面を含む第１の面、および該平坦面の端縁部において面取りされた傾斜面を含む第２の面を有するデフレクタ面とを備え、液体は、気体流に混入されると霧化されて前記デフレクタ面の第１の面に衝突すると共に該デフレクタ面から離れ外方かつ下方に流れる液体‐気体流を形成することとを特徴とするスプリンクラヘッド用エミッタ。
2. 前記ノズルは先細ノズルである請求項１に記載のエミッタ。
3. 前記出口は、３．１８ミリメートル（１／８インチ）から２５．４ミリメートル（１インチ）の直径を有する請求項１に記載のエミッタ。
4. 前記オリフィスは、０．７９ミリメートル（１／３２インチ）から３．１８ミリメートル（１／８インチ）の直径を有する請求項１に記載のエミッタ。
5. 前記デフレクタ面は、２．５４ミリメートル（１／１０インチ）から１９．０５ミリメートル（３／４インチ）の距離だけ、前記ノズルの出口から離間されている請求項１に記載のエミッタ。
6. 前記傾斜面は、前記平坦面から測定された時に、１５度から４５度の後退角を有する請求項１に記載のエミッタ。
7. 前記出口オリフィスは、０．４０ミリメートル（１／６４インチ）から３．１８ミリメートル（１／８インチ）の距離だけ、前記ノズルの出口から離間されている請求項１に記載のエミッタ。
8. 前記ノズルは、１９９．９４８ｋＰａ（２９ｐｓｉａ）から４１３．６８６ｋＰａ（６０ｐｓｉａ）の気体圧範囲で作動するように構成される請求項１に記載のエミッタ。
9. 前記ダクトは、６．８９４７６ｋＰａ（１ｐｓｉｇ）から３４４．７３８ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）の液圧範囲で作動するように構成される請求項１に記載のエミッタ。
10. さらに前記出口オリフィスを複数含む請求項１に記載のエミッタ。
11. 前記デフレクタ面内に位置決めされ、前記平坦面によって包囲される閉鎖端空隙をさらに含む請求項１に記載のエミッタ。
12. 気体流に混入された液体を霧化すると共に吐出するエミッタであって、該エミッタは、前記液体の加圧源および前記気体の加圧源に対して連通状態で接続可能であり、
    入口と断面円状の出口とを備え、かつ、これらの間を貫通する気体流を吐出可能なノズルと、該ノズルの入口は前記加圧気体源に対して連通状態で接続されることと、
    前記エミッタ内においてノズルを包囲し、かつ、前記加圧液体源と連通する環状室と、
    前記環状室から延在し、かつ、前記ノズルの出口に近接して配置された出口オリフィスを有するダクトと、
    前記ノズルの出口に対向するように配置され、ノズルから吐出される気体流およびダクトから吐出される液体流と対向して直交するように配向され、さらに、ノズルの出口の直径と等しい最小直径を有する平坦面を含む第１の面、および該平坦面の端縁部において湾曲面を含む第２の面を有するデフレクタ面とを備え、液体は、気体流に混入されると霧化されて前記デフレクタ面の第１の面に衝突すると共に該デフレクタ面から離れ外方かつ下方に流れる液体‐気体流を形成することとを特徴とするスプリンクラヘッド用エミッタ。
13. 前記デフレクタ面内に位置決めされ、前記平坦面によって包囲される閉鎖端空隙をさらに含む請求項１２に記載のエミッタ。
14. 請求項１または１２に記載のエミッタの作動方法であって、
    前記液体流を前記オリフィスから吐出する工程と、
    前記気体流を前記出口から超音速にて吐出する工程と、
    前記出口と前記デフレクタ面との間における超音速から亜音速までの流動移行領域に第１衝撃領域を形成する工程と、
    前記デフレクタ面に近接して気体流の第２衝撃領域を形成する工程と、
    前記第１および第２衝撃領域の少なくとも一方において前記液体流を前記気体流に混入させて液体−気体流を形成する工程と、
    前記液体‐気体流を前記エミッタから外方かつ下方に放出する工程とを含むこととを特徴とする方法。
15. 前記液体‐気体流に複数の衝撃波光輝を形成する工程を含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記ノズルから気体流を排出させた後で膨張気体流噴流を形成する工程を含む請求項１４に記載の方法。
17. １９９．９４８ｋＰａ（２９ｐｓｉａ）から４１３．６８６ｋＰａ（６０ｐｓｉａ）の圧力で、気体を前記入口に供給する工程を含む請求項１４に記載の方法。
18. ６．８９４７６ｋＰａ（１ｐｓｉｇ）から３４４．７３８ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）の圧力で、液体を前記ダクトに供給する工程を含む請求項１４に記載の方法。
19. 前記第２衝撃領域に近接して、前記液体流を前記気体流に混入させる工程を含む請求項１４に記載の方法。
20. 前記第１衝撃領域に近接して、前記液体流を前記気体流に混入させる工程を含む請求項１４に記載の方法。
21. 前記液体‐気体流は前記デフレクタ面から離間しない請求項１４に記載の方法。
22. 前記エミッタから気体噴流ノイズ以外の大きな音響エネルギを生じさせない工程を含む請求項１４に記載の方法。
23. 前記気体流に運動量を生じさせる工程をさらに含む請求項１４に記載の方法。
24. 前記液体‐気体流は、前記エミッタから４５７．２ミリメートル（１８インチ）の距離で、毎分３６０メートル（１，２００フィート）の速度を有する請求項２３に記載の方法。
25. 前記液体‐気体流は、前記エミッタから２．４メートル（８フィート）の距離で、毎分２１０メートル（７００フィート）の速度を有する請求項２４に記載の方法。
26. 前記デフレクタ面の傾斜部を設けることにより、前記エミッタから所定の先端角を有する流れパターンを形成する工程をさらに含む請求項１４に記載の方法。
27. 前記気体流と大気との間の圧力差を用いて、該気体流に液体を吸い込む工程を含む請求項１４に記載の方法。
28. 前記液体を前記気体流に混入させると共に、該液体を直径が２０μｍ未満の滴となるように霧化させる工程を含む請求項１４に記載の方法。
29. 酸素消耗煙層を前記ノズルの出口から吐出された気体流に吸い込むと共に、該煙層を前記エミッタの液体‐気体流に混入させる工程を含む請求項１４に記載の方法。
30. 前記出口から不活性気体を吐出する工程を含む請求項１４に記載の方法。
31. 前記出口から不活性気体および化学的活性気体の混合物を吐出する工程を含む請求項１４に記載の方法。
32. 前記気体混合物は空気を含む請求項３１に記載の方法。
33. 請求項１または１２に記載のエミッタの作動方法であって、
    前記液体流を出口オリフィスから吐出する工程と、
    前記気体流を前記ノズル出口から超音速にて吐出して、前記ノズルから過膨張気体流噴流を形成する工程と、
    前記過膨張気体流噴流を前記デフレクタ面の平坦面に衝突させる工程と、
    前記液体流を前記過膨張気体流噴流に混入させて液体−気体流を形成する工程と、
    前記液体‐気体流を前記エミッタから放出する工程とを含むこととを特徴とする方法。
34. 前記出口と前記デフレクタ面との間における超音速から亜音速までの流動移行領域に第１衝撃領域を形成する工程と、
    前記デフレクタ面に近接して気体流の第２衝撃領域を形成する工程と、
    前記第１および第２衝撃領域の少なくとも一方において前記液体流を前記気体流に混入させて液体−気体流を形成する工程とをさらに含む請求項３３に記載の方法。
35. 前記エミッタからの前記液体‐気体流に、複数の衝撃波光輝を形成する工程をさらに含む請求項３３に記載の方法。
36. 酸素消耗煙層を前記ノズルの出口から吐出された気体流に吸い込むと共に、該煙層を前記エミッタの液体‐気体流に混入させる工程を含む請求項３３に記載の方法。

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