JP5562601B2 - 微細化促進用器具および微細化促進用器具の気液混合ノズル装置 - Google Patents

微細化促進用器具および微細化促進用器具の気液混合ノズル装置 Download PDF

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Description

本発明は、液微粒子を微細化することができる微細化促進用器具、および、この微細化促進用器具と、気液混合(または2流体)ノズルを備えた、微細化促進用の気液混合ノズル装置に関する。
医療機器(例えば、吸入機)、半導体(成膜技術)、スプレードライヤー(セラミック新素材)、燃焼用バーナー等の分野で液滴径がサブミクロン(1〜10μm)またはナノ(1μm未満)粒子のニーズが普及しつつある。現状の霧化技術は、気液混合式(2流体式)、超音波式、超高圧式(100〜300MPa)、蒸発式等があるが、いずれも装置コストが高く、小型化が困難である。さらに、6μm以下のサブミクロンサイズ、ナノサイズの液滴平均粒子径が得られる装置は少ない。
また、微粒子ミストを生成するための噴霧ノズル装置が知られている(特許文献1)。この噴霧ノズル装置は、第1ノズル部と第2ノズル部を有し、第1ノズル部からの噴射液と第2ノズル部からの噴射液とを衝突させて、微粒子ミストを形成することができる。しかしながら、2流体ノズル部を2つ備えるため、コスト高であり、小型化にも適していない。また、2流体のそれぞれを高圧の空気圧(3kg/cm)と水道水(水圧、50cc/min)とした場合に、この噴霧ノズル装置で形成された微粒子の平均粒径は8.8μm程度であり(特許文献1、段落番号0024)、6μm以下のサブミクロンサイズの噴霧粒子を得ることができない。
また、他の2流体ノズルとして特許文献2が知られている。特許文献2の2流体ノズルは、中心軸線に沿って液体流路20Bを設け、外周に環状の外側気体流路21Bを設け、液体流路の途中に液体分岐流路23を介設し、液体分岐流路の再合流位置に旋回手段28を配置して液体を一次微粒化させ、かつ、液体分岐流路で囲まれた中央部位に中央気体流入部25を形成し、中央気体流入部に外側気体流路より気体を導入して、旋回して環状膜となった液体の中央に気体を衝突混合で導入して、二次微粒化させながら第1混合を行わせ、さらに、再合流されて気液混合流路30となる流路周面に、外側気体流路を連通する気体流入孔15dを設けて、気液混合流路の混合流体に対して外周面より気体を衝突混合で流入して三次微粒化しながら第2混合を行わせて、噴射口16gより気液混合ミストとして噴射させている。しかしながら、ノズル内部の構造が複雑であり、コスト高である。また、噴霧流量を230〜700L/時間とした条件下において気水比100とすると、得られた噴霧液の平均粒子径が50μm程度であり、サブミクロンサイズの噴霧粒子を得ることができない。
特開2002−126587号公報 特開2002−159889号公報
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、気液混合ノズルから噴射された液微粒子(霧化体)を微細化させることができる微細化促進用器具、および微細化促進用の気液混合ノズル装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、液微粒子の微細化促進用の器具であって、
液微粒子が入射される第1の微細化室と、
液微粒子の入射軸上と所定の角度で傾斜する方向に、第2の微細化室を有し、
前記第1の微細化室は、その入口空間部の横断面積より大きい横断面積の空間部を少なくとも1以上有して構成される。
この構成によれば、第1の微細化室に入射された液微粒子が、第1の微細化室の入口空間部の横断面積より大きい横断面積の空間部によって効果的に微細化される。例えば、第1の微細化室を同一半径の円筒形状、台錐形状、ラッパ形状等に形成した場合よりも、液微粒子を効果的に微細化でき、さらに長さ方向の寸法を小さくでき、コンパクトな形状を実現できる。
第1の微細化室の形状は、例えば、円筒状、楕円筒状、断面多角形状が例示され、ハンドリング性、加工性の観点から円筒状、楕円筒状が好ましく、円筒状がより好ましい。
第1の微細化室の入口空間部の横断面積より大きい横断面積の空間部」は、例えば、第1の微細化室が円筒状の場合、入口空間部の円状の横断面積よりも大きい、円状、楕円状、または多角形状等の横断面積の空間部が第1の微細化室に設けられることが挙げられる。また、他の表現で言えば、第1の微細化室の内部空間の形状は、横断面積の小さい円筒状、楕円筒状、または多角柱状(内部が空洞である。以下同様。)の空間の中間部分に、それよりも大きい横断面積の円筒状、楕円筒状、または多角柱状の空間が1つ以上組み込まれた形状である。例えば、横断面積の小さい円筒状、楕円筒状、または多角柱状の入口空間部(例えば液微粒子の入口空間部)と、それより大きい横断面積の円筒状、楕円筒状、または多角柱状の中間空間部との段差間は、所定角度の傾斜面で連結することができる。横断面積の小さい円筒状、楕円筒状、または多角柱状の入口空間部と、それより大きい横断面積の円筒状、楕円筒状、または多角柱状の中間空間部のそれぞれの中心軸が、一致または実質的に一致していることが好ましい。この中間空間部は、第1の微細化室の長さ方向のサイズをコンパクトにするために、1つ以上形成されることが好ましい。複数の中間空間部が配置される場合に、各々の中間空間部の形状は、同一でもよく、異なる形状の組み合わせも可能である。
また、「第1の微細化室の入口空間部の横断面積より大きい横断面積の空間部」は、例えば、第1の微細化室が瓢箪形状、ダルマ形状のように、入口空間部の横断面積より大きい横断面積の空間部を有する形状にできる。図14に第1の微細化室の内部空間形状の例を示す。図14(a)〜(e)は、第1の微細化室の全体形状の噴射軸縦断面の例であり、図14(f)は、中間空間部(32、33)の噴射軸横断面の例である。図14において、符号31は入口空間部、32、33は中間空間部、34は出口空間部である。
第1の微細化室を構成する材料としては、例えば、金属、プラスチック、紙、不織布、ゴム、ガラス、これらの複合材料等が挙げられ、加工性、ディスポーザブル性、洗浄性等の製品仕様を考慮して選択できる。
例えば、市販の多種の気液混合ノズルにおいて、空気圧力20〜500kPa、噴霧流量1〜1000mL/minの条件下で、気液混合ノズルから噴霧された液微粒子(第1霧化体)の平均粒子径が10〜200μmの広範囲であった。そして、気液混合ノズルから噴霧された液微粒子(第1霧化体)中の粒子径の大きい霧(例えば、湿った霧)は、気液混合ノズルからの噴霧方向に対し大きな角度で広がる傾向にある(図1、「飛沫」参照)。粒子径の小さい霧(例えば、乾いた霧、煙霧)は、気液混合ノズルからの噴霧方向軸上に噴出する傾向にある(図1、霧化体参照)。例えば、図1の気液混合ノズルのスプレー半角が15°の場合に飛沫の噴出半角は約55°であって、飛沫粒子の平均粒子径が50〜100μmであり、スプレー半角15°部分の粒子の平均粒子径が10〜20μmであった。
そして、第1の微細化室に流入された液微粒子中の粒子径の大きい霧(例えば、湿った霧)は、第1の微細化室壁面(入口空間部、中間の空間部)に衝突(または接触)し、第1の微細化室壁面に付着し、大きな液滴に成長すると推察される。また、第1の微細化室に流入した粒子径の小さい霧(例えば、乾いた霧)は、第1の微細化室流入の際に微細化すると推察される。また、第1の微細化室に流入した粒子径のより小さい霧(例えば、乾いた霧、煙霧)は、第1の微細化室壁面に接触または衝突しても付着することなく空気中に浮遊する傾向にある。したがって、第1の微細化室の機能によって、液微粒子中の大きい粒子径の霧(例えば、湿った霧)は、液滴に成長し、また粒子径の小さい霧(例えば、乾いた霧、その中でも粒子径の大きい霧)は、微細化されるため、流入された液微粒子よりも平均粒子径が小さい液微粒子を好適に生成することができる。
また、上記構成の一実施形態として、第1の微細化室が、液微粒子の入射軸上の入口近位に設けられる構成がある。この構成によれば、液微粒子の入射軸上に第1の微細化室が配置されているため、液微粒子を第1の微細化室にストレートにスムーズに送りこめる。
第2の微細化室は、第1の微細化室の出口空間部と連結され、液微粒子の入射軸上と所定の角度で傾斜する方向に延設するように形成される。例えば、第1微細化室に、その入口空間部の横断面積よりも小さい横断面積の出口空間部が形成され、この出口空間部と、第2の微細化室の前段空間部が連結される。連結機構は特に制限されず、嵌合、ネジ構造等の着脱可能な連結構造が可能であり、液漏れのないように連結されるのが好ましい。また、この連結部に弾性リングを介在させて連結することもできる。
「所定の角度」としては、例えば、1°以上90°以下が例示される。例えば、第2の微細化室は、上記の前段空間部と、この前段空間部の中心軸方向と直行する方向に後段空間部とを有して形成される。前段空間部への流入によって液微粒子の2段階目の微細化が促進される。後段空間部の横断面積は、前段空間部のそれと同程度が好ましい。前段空間部と後段空間部を90°L型エルボの形状に構成でき、このL型の角部を円弧状または直角に構成でき、直角に構成したほうが、微細化の点で好ましい。直角に構成した角部に、液微粒子が接触する際に、乱流が生じ、液微粒子の微細化や大径微粒子の液滴成長が促進されると推察される。後段微細化室の出口に開口部を設け、開口面積を変動可能に構成することができる。
また、「液微粒子の入射軸上と所定の角度(90°を除く)で傾斜する方向に第2の微細化室を形成する」場合として、例えば、第1の微細化室の入口空間部の横断面積よりも小さい横断面積の出口空間部が形成され、この出口空間部と、第2の微細化室の前段空間部が連結される。連結機構は特に制限されず、嵌合、ネジ構造等の着脱可能な連結構造が可能であり、液漏れのないように連結されるのが好ましい。また、この連結部に弾性リングを介在させて連結することができる。
第2の微細化室は、上記の前段空間部は液微粒子の入射軸上と所定の角度で傾斜する方向に延設された形状である。ここで「所定の角度」は、入射軸上に対し0°および90°(直行する)方向を除いた角度であり、例えば、0°を超えて90°未満、90°を超えて180°未満である。また、第2の微細化室は、この前段空間部と連結される後段空間部を有して構成することができる。例えば、後段空間部の入口空間部は、前段空間部の出口の横断面積よりも小さい横断面積とし、この入口空間部に、この横断面積よりも大きい横断面積の出口空間部を後段空間部に形成することができる。
第2の微細化室の前段空間部と後段空間部を一体に形成することができ、前段空間部と後段空間部を別部材として連結構成することもでき、これらを別部材にした場合、例えば洗浄性、加工性の点で好ましい。
第2の微細化室の形状は、特に制限されず、例えば、筒状、錐状(円錐、円錐台、多角錘、錐台も含む概念であって以下同じ。)、ラッパ状、多角柱、球状、多面体、これらの組み合わせ形状等が挙げられ、第1の微細化室の形状に応じた形状が加工性、コンパクト性、デザイン性の観点で好ましく、第1の微細化室が筒状であれば、第2の微細化室の形状も筒状で構成できる。
第2の微細化室を構成する材料としては、例えば、金属、プラスチック、紙、不織布、ゴム、ガラス、これらの複合材料等が挙げられ、加工性、ディスポーザブル性、洗浄性等の製品仕様を考慮して選択できる。
また、上記構成の一実施形態として、第2の微細化室の前段空間部の横断面積が、第1の微細化室の出口空間部の横断面積よりも大きい構成がある。上述したように、前段空間部への流入によって液微粒子の2段階目の微細化が促進される。
また、上記構成の実施形態として、第2の微細化室の後段空間部の延長方向に、第3の微細化室を設ける構成がある。
第3の微細化室の形状は、特に制限されず、例えば、筒状、錐状(円錐、円錐台、多角錘、錐台も含む概念であって以下同じ。)、ラッパ状、多角柱、球状、多面体、これらの組み合わせ形状等が挙げられ、第2の微細化室の形状に応じた形状が加工性、コンパクト性、デザイン性の観点で好ましく、第2の微細化室が筒状であれば、第3の微細化室の形状も筒状で構成できる。第3の微細化室と第2の微細化室は、例えば、ネジ式、嵌合式等の連結部で連結することができる。
第3の微細化室を構成する材料としては、例えば、金属、プラスチック、紙、不織布、ゴム、ガラス、これらの複合材料等が挙げられ、加工性、ディスポーザブル性、洗浄性等の製品仕様を考慮して選択できる。
また、上記構成の実施形態として、第1の微細化室の入口空間部内に、またはこの入口空間部とノズル先端部との間に、噴射された液微粒子のスプレー半角が30°以内、より好ましくは20°以内、さらに好ましく10°以内の液微粒子を入射可能とする開口を有する絞り部を設ける構成がある。
この構成によれば、スプレー半角が30°を超える液微粒子中の飛沫(粒子径の大きい液微粒子)を効果的に取り除くことができる。
また、本発明の微細化促進用の気液混合ノズル装置は、
上記の微細化促進用器具と、
この微細化促進用器具の第1の微細化室に液微粒子を噴射する気液混合ノズルとを備える構成である。
気液混合ノズルとしては、公知の気液混合ノズル(2流体ノズル)を用いることができ、これに上記の微細化促進用器具を備えることで、微細化促進用の気液混合ノズル装置を好適に構成できるため、低コスト、かつ小型化が可能である。気液混合ノズルは、例えば、金属製、プラスチック製、ゴム製、それらが混在したもの等が挙げられる。気液混合ノズル装置に供給される「気体」は、特に制限されず、例えば、空気、清浄空気、高酸素濃度空気、不活性ガス等の気体が挙げられる。また、気液混合ノズル装置に供給される「液体」は、特に制限されないが、水、イオン化水、化粧水等の化粧薬液、医薬液、殺菌液、除菌液等の薬液、塗料、燃料油、コーティング剤、溶剤、樹脂等が挙げられる。
微細化促進用器具の各部材のサイズは、小型の気液混合ノズルと同程度に設計することができ、よって気液混合ノズル装置を小型にできる。第1の微細化室と気液混合ノズルとの連結構造は、特に制限されず、例えば、第1の微細化室の入口空間部をノズル先端部に直接固定する構造、第1の微細化室とノズル先端部との間に連結部を介在させる構造等が挙げられる。連結部は、例えばフレキシブルチューブ、管、ノズル筐体等が挙げられる。
一般的に、気液混合ノズルで形成され噴出される液微粒子(第1霧化体)の平均粒子径は大きく(例えば、6μmより大きく)、粒度分布において粒子径が大きくなる方向に分布が広くなる傾向であるが、この構成によれば、微細化促進用器具で微細化された液微粒子(第2霧化体)の平均粒子径は小さく(例えば、6μm以下)、粒度分布の分布幅も小さく、粒子径が略そろった霧となる。
上記構成の一実施形態として、気液混合ノズルは、気体供給圧が低圧であって、液体供給圧力がフリーである構成がある。
気液混合ノズル装置に供給される気体の供給圧力は、例えば、5kPa〜100kPa以下、好ましくは、5kPa〜80kPa以下、より好ましくは5kPa〜50kPa以下、さらに好ましくは5kPa〜40kPa以下の低圧条件である。液体の供給圧力は、フリー、例えば、液体の供給圧力等の外的作用がない状態である。この条件において、ノズルを上方に向けて、気体の噴射作用で液体を吸い上げて、気液混合し、液微粒子を発生させ、微細化促進用器具の微細化室に噴射させることができる。装置外部に放出された液微粒子の平均粒子径としては、1.0μm以上6.0μm以下に、より好ましくは1.0μm以上5.0μm以下に、さらに好ましくは1.0μm以上4.0μm以下に構成できる。そして、気体供給圧力を小さくできるため、気液混合ノズル装置の気体送給に必要な駆動源(例えば、エアポンプ、電源、圧縮空気ボンベ、手動の空気送給機構)を小型化できる。
上記構成の一実施形態として、第1の微細化室の入口部と連結されるノズル筐体部を備え、
ノズル筐体部は、外気が吸引される外気口と、
液微粒子の成長液が流通される液流通部と、
液の供給用および液微粒子の成長液を貯留する液貯部と、を備える構成がある。
ノズル筐体部の外気口によって、第1の微細化室に外気を流入することができ、微細化室内部の気圧バランスを調節できるため、ノズルから噴射される液微粒子(第1霧化体)の噴射速度や噴射量を微調整できて微細化作用を調整し、第1または第2の微細化室から流出される液微粒子(第2霧化体)の流出速度を調整できるため好ましい。この外気口は、1以上の孔、または1以上のスリットで構成できる。外気口は、気液混合ノズル先端部の高さ位置と略同じ位置またはその近位に形成されるのが好ましい。また、外気口を開閉可能に構成したり、外気口の開口面積を調整することで、微細化室に流入される気体量を調節できる。ここでの「気体」は、特に制限されず、例えば、空気、清浄空気、高酸素濃度空気、不活性ガス等の気体が挙げられる。
微細化室の壁面や液粒子同士の衝突等で液滴に成長した、成長液は、自重によって落下し、液流通部を流通して液貯部に溜まる。この液貯部は、供給用の液が予め供給されており、液供給源としても機能する。これによって、落下してきた成長液は、再利用可能となっている。また、液貯部に、液体を供給するための注入部をさらに設けて、液体を連続的または間欠的に注入可能に構成できる。また、液貯部をノズル筐体から着脱可能に構成し、液貯部をディスポーザブルに構成することもできる。
また、上記の第1および/または第2の微細化室は、液微粒子(霧化体)の液体に応じて、微細化室内壁の濡れ性(固体面と液体との付着性)を考慮した材料設計をすることが好ましい。また、微細化室内面にコーティング剤をコーティング、あるいは、租面化し、微細化を促進させることができる。液微粒子(第1霧化体)中の大きい粒子径の霧(例えば、湿った霧、乾いた霧中の大きい粒子径の霧)を微細化室の壁面に付着させて液滴に成長させることで、液微粒子(第1霧化体)全体の微細化を行って、平均粒子径の小さい液微粒子(第2霧化体)を形成することができる。また、飛沫として噴出するような大きい粒子径の霧を微細化室壁面に接触または衝突するように微細化室(液微粒子の入射軸方向の壁面を凹凸にするような上記の中間の空間部)を構成して、大きい霧を液滴に成長させることが好ましい。
気液混合ノズルから噴出された霧化体の一例の写真を示す図である。 実施形態1の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す断面模式図および外観模式図である。 実施形態2の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す断面模式図である。 実施形態3の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す断面模式図である。 実施形態4の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す模式図である。 その他の気液混合ノズル装置の例を示す断面模式図である。 気液混合ノズル先端部分の例を示す断面模式図である。 気液混合ノズル先端部分の例を示す断面模式図である。 気液混合ノズル先端部分の例を示す断面模式図である。 水オリフィス、空気オリフィスの断面を示す図である。 液微粒子の粒度分布の一例を示す図である。 液微粒子の粒度分布の一例を示す図である。 液微粒子の粒度分布の一例を示す図である。 第1の微細化室の内部空間形状の例を示す図である。 実施形態5の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す模式図である。 実施形態5の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す模式図である。 実施形態5の微細化促進用の気液混合ノズル装置の例を示す模式図である。
(実施形態1)
以下に、実施形態1の微細化促進用の気液混合ノズル装置について図2を用いて説明する。図2(a)は断面模式図であり、(b)は外観模式図である。気液混合ノズル装置1は、気液混合ノズル10と、気液混合ノズルを収納するノズル筐体部20と、このノズル筐体部20と連結される第1の微細化室30と、この第1の微細化室30と連結され、液微粒子の噴射軸方向と直交する方向に延設される第2の微細化室40(前段空間部42,後段空間部43)とを有して構成される。ノズル筐体部20と第1の微細化室30の入口空間部31は、着脱自在に連結される。
ノズル筐体部20には、外気が吸引される外気口21と、液微粒子の成長液が自重落下して流通される液流通部22と、液の供給用および液微粒子の成長液を貯留する液貯部23とを有して構成される。
気液混合ノズル10は、気体供給部11から気体を気体オリフィスに流通する気体流通部12と、液貯部23の液体を液体オリフィスに流通する液体流通部13が形成される。図7にノズル先端14の断面を示し、ノズル先端14は、気体オリフィス101内に、液体オリフィス102が配置される構成である。ここでの気液混合ノズル10は一般的な構造である。
図8、9に示すノズル先端14では、気体オリフィス101先端よりも、液体オリフィス102先端が、内部方向にずれて配置される構成例である。噴射量を増加するための好ましい実施形態として、気体オリフィス101内に液体オリフィス102が配置される際に、気体オリフィス101のストレート部の始端部Cから、そのストレート長さの80%の距離までに液体オリフィス102の先端が配置されることが好ましく、始端部Cから、そのストレート長さの50%の距離までに液体オリフィス102の先端が配置される(図8参照)ことがより好ましく、始端部Cから、そのストレート長さの20%の距離までに液体オリフィス102の先端が配置されることがさらに好ましく、始端部Cの近傍に液体オリフィス102の先端が配置される(図9参照)ことが特に好ましい。始端部Cの近傍は、始端部Cから、気体オリフィス101のストレート長さの1%の距離から15%の距離である。あるいは、始端部Cからの液体オリフィス先端までの距離が、0.01mm以上0.1mm以下が好ましく、0.01mm以上0.08mm以下がより好ましく、0.02mm以上0.08mm以下がさらに好ましい。
図2(a)の第1の微細化室30は、ノズル先端14からの液噴射軸方向にノズル筐体10と着脱自在に連結され、液微粒子(第1霧化体)を受け入れる。第1の微細化室30は、その外観が円筒状であり、その内部空間において、入口空間部31の円状の横断面積よりも大きい円状の横断面積の中間空間部32、33が2つ連接され、さらに出口空間部34が連接して形成される。各空間部間の段差は、所定角度の傾斜面で連接されている。また、入口空間部31、中間空間部32、33、出口空間部34のそれぞれの中心軸は一致または実質的に一致している。ここでは中間空間部32、33を2つ連接した構成としているが、1つでもよく2つ以上連接する構成もできる。なお、横断面は、液微粒子の噴射軸方向と直交する方向の断面である。
出口空間部34の円状横断面積は、入口空間部31の円状横断面積よりも小さく構成し、中間空間部32、33の円状横断面積が、入口空間部31の円状横断面積より大きく構成している。図2において、中間空間部32、33のそれぞれの円状横断面積は同一に構成されているが、異なるように構成することもできる。
出口空間部34の壁面と第2の微細化室の入口連結部41が着脱自在に連結(例えば、ネジ式、嵌合式等)される。第2の微細化室40は、前段空間部42と、この前段空間部42の中心軸方向と直行する方向に後段空間部43とを有し、前段空間部42と後段空間部43がL型エルボの形状である。このL型の内壁角部43aは直角に構成される。直角に構成したほうが、微細化の点で好ましい。内壁角部43aに、液微粒子が接触する際に、乱流が生じ、液微粒子の微細化や大径微粒子の液滴成長が促進される。後段微細化室43の出口に開口部44が設けられ、開口面積を変動可能に構成している。
上記のように、ノズル筐体20、第1の微細化室30、第2の微細化質40とを別体で構成し、着脱可能な構造(例えば、ネジ式、嵌合式等)で取り付けることで、それら部材の清掃、メンテナンスを容易に行なえ、さらにはそれら部材をそれぞれ使い捨てにすることもできる(以下の実施形態においても同様である)。また、別実施形態として、第1の微細化室30と、第2の微細化室40とを一体構造に構成することもできる。
また、ノズル筐体10に外気を流入するための外気口21を複数形成して、第1の微細化室30内の気圧を調節して、微細化作用を微調整し、微細化された液微粒子の放出速度を調節することができる。
以上の実施形態1によれば、第1の微細化室30および第2の微細化室40で、液微粒子を効果的に微細化することができる。そして微細化されず、液滴に成長した液は、液流通部22を流通して液貯部23に貯まり、供給液として再利用可能に構成される。
(実施例1)
図2の気液混合ノズル装置を用いて、水オリフィス径(φdw[mm])、空気オリフィス外径(φda[mm])を変化させた場合における空気圧(Pa[kPa])、空気流量(Qa[NL/min]、水全噴射量(Qw[ml/min])、粒子径(目視確認)について測定した結果を表1に示す。気液混合ノズル装置を図2に示すように上方に向けて静置させ、液貯部での液面高さが水オリフィス先端から−25mmとなるように水を予め供給しておき、噴射開始から1分間測定した。装置の各部材の寸法は、以下の通りであり、円筒状のノズル筐体部の外径がφ40mm、円筒状の第1の微細化室の外径がφ50mm、第1の微細化室の入口空間部の内径がφ30mm、その出口空間部の内径がφ20mm、円筒状の第2の微細化室の内径が34mm、第2の微細化室の出口の開口部の内径が25mm、装置の横幅が73mm、装置全長が185mmである。空気オリフィス先端と水オリフィス先端の位置は、図7に示すように一致している。空気供給駆動源にコンプレッサーを用いた。空気オリフィス内径(φdb)は、0.5mmで一定とした(図10参照)。
次に、図8に示すように、空気オリフィス先端よりも水オリフィス先端を内部に0.25mm引っ込めて配置した構成と、図9に示すように、空気オリフィス先端よりも水オリフィス先端を内部に0.5mm引っ込めて配置した構成について実施した。いずれの場合も、図7の構成の場合よりも、低圧の空気圧下で全噴射量が高い傾向をしめした。図9の構成の結果を表2に示す。なお、空気オリフィスのストレート長さ寸法は、0.51mmである。
表1と表2の結果から、気液混合ノズル装置は、液微粒子を好適に微細化していることが確認できた。また、水オリフィス先端位置を空気オリフィス先端位置よりも内部に配置したほうが、より低圧の空気圧条件で、水全噴射量(Qw)を大きくできる傾向にあることが分かった。また、より好ましくは空気オリフィスの始端部の近傍に水オリフィス先端を配置した方が、より低圧条件で、水全噴射量(Qw)を大きくできる傾向にあることが分かった。
(実施例2)
図2の気液混合ノズル装置において、水オリフィス径(φdw)を0.38mm、空気オリフィス外径(φda)を0.66mm、空気オリフィス内径(φdb)を0.5mmとした。微粒化促進用器具は、実施例1と同様である。図7に示すように、空気オリフィス先端と水オリフィス先端の位置は一致させてある。この気液混合ノズル装置を図2に示すように上方に向けて静置させ、液貯部での液面高さが水オリフィス先端から−25mmとなるように水を予め供給しておき、噴射を開始した。この時の空気圧(Pa)32kPa、38kPa、63kPaのそれぞれにおける、空気流量(Qa[NL/min])、水全噴射量(Qw[ml/min])、算術平均粒子径(μm)の測定結果を表3に示し、それぞれの粒度分布(粒子径ヒストグラム(個数分布))を図11(32kPa)、図12(38kPa)、図13(63kPa)に示す。測定として、液微粒子の噴出位置(開口部)から距離7mmの位置でレーザー測定した結果である。レーザー測定の方法として、位相差ドップラー式レーザー粒子解析(PDI)方法を用いた。また、微細化促進用器具を取り付けていない状態の気液混合ノズルのみから噴射された液微粒子の算術平均粒子径は、空気圧32kPaで12.3μm、空気圧38kPaで12.1μm、空気圧63kPaで11.4μmであった。
表3の結果から分かるように、微細化促進用器具を取り付けた気液混合ノズル装置は、ノズルから噴射された液微粒子を効果的に微細化(算術平均粒子径として約1/2に微細化)していることが確認できた。
(実施形態2)
以下に、実施形態2の微細化促進用の気液混合ノズル装置について図3を用いて説明する。実施形態2の気液混合ノズル装置1において、実施形態1と同様の構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。
第2の微細化室240の入口連結部241は、第1の微細化室30の出口空間部壁面と着脱可能に連結される。第2の微細化室240の前段空間部242は、液微粒子の入射軸上と45度の角度で傾斜する方向に延設された形状である。前段空間部242の出口壁面と、後段空間部243の入口壁面が着脱自在に連結される。後段空間部243の入口空間部243aは、前段空間部242の出口の横断面積よりも小さい横断面積とし、この入口空間部243aに、この横断面積よりも大きい横断面積の出口空間部243bが連接されて、後段空間部243が形成されている。
以上の実施形態2によれば、第1の微細化室30および第2の微細化室240で、液微粒子を効果的に微細化することができる。そして微細化されず、液滴に成長した液は、液流通部22を流通して液貯部23に貯まり、供給液として再利用可能に構成される。
(実施例)
図3の気液混合ノズル装置を用いて、実施形態1の実施例と同様の測定を行った。結果として、気液混合ノズル装置は、液微粒子を好適に微細化していることを確認できた。
(実施形態3)
以下に、実施形態3の微細化促進用の気液混合ノズル装置について図4を用いて説明する。実施形態3の気液混合ノズル装置1において、実施形態1と同様の構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。
第2の微細化室340の入口連結部341は、第1の微細化室30の出口空間部壁面と着脱可能に連結される。第2の微細化室340の前段空間部342は、液微粒子の噴射軸上にストレートに延設された形状である。
以上の実施形態3によれば、第1の微細化室30および第2の微細化室340で、液微粒子を効果的に微細化することができる。そして微細化されず、液滴に成長した液は、液流通部22を流通して液貯部23に貯まり、供給液として再利用可能に構成される。
(実施例)
図4の気液混合ノズル装置を用いて、実施形態1の実施例と同様の測定を行った。結果として、気液混合ノズル装置は、液微粒子を好適に微細化していることを確認できた。
(実施形態4)
以下に、実施形態4の微細化促進用の気液混合ノズル装置について図5を用いて説明する。実施形態1および2と異なる構成について説明し、その他の構成については説明を省略する。
第1の微細化室30の入口空間部31内に、噴射中心軸上に所定サイズの開口部35aが形成された遮蔽面35(絞り部に相当する)が形成される。液微粒子は、開口部35aを通じて後段の微細化室空間に流入する構成である。開口部35aを設けることで、噴射中心部の液微粒子のみを選択的に後段の微細化室空間に流入することができ、図1の大きい微粒子や飛沫を好適に遮蔽面に衝突させて、液貯部23に流通させることができる。また、ノズル先端部14の位置と略水平の位置で第1の微細化室30にスリットまたは孔36、および、その位置に応じたスリットまたは孔25をノズル筐体部20に形成することが好ましい。これによって気体を流入させて、噴射された液微粒子の微細化を調整することができる。
以上の実施形態4によれば、遮蔽面35で飛沫等の粒子径の大きいものを効率よく除去でき、微細化されず、液滴に成長した液は、液流通部22を流通して液貯部23に貯まり、供給液として再利用可能に構成される。
(実施例)
図5の気液混合ノズル装置を用いて、実施形態1の実施例と同様の測定を行った。結果として、気液混合ノズル装置は、液微粒子を好適に微細化していることを確認できた。
(実施形態5)
以下に、実施形態5の微細化促進用の気液混合ノズル装置について図15、16を用いて説明する。実施形態1と異なる構成について説明し、その他の構成については説明を省略する。
第3の微細化室50は、第2の微細化室40の後段空間部30の延長方向に設けられる。第3の微細化室50は、長さ方向の断面が円錐台形状である。
図16に示すように、第3の微細化室50の入口側端部51は、第2の微細化室40の後段空間部43の内部に配置され、この入口側端部51が前段空間部42の内壁面(A)と一致する位置からこの前段空間部42の長手方向中心軸(B)の位置までに配置されることが好ましい。また、入口側端部51がAからBの位置を自在に移動可能に連結されることが好ましい。これによって、使用目的に応じて、第3の微細化室50の見かけの長さを変化させて、液微粒子の噴射量、平均粒子径を微調整することができる。この第3の微細化室50によって、さらに微細化が促進される。
また、図17に示すように、第1の微細化室の入口空間部31とノズル先端部14との間に、噴射された液微粒子のスプレー半角(α)が30°以内、より好ましくは20°以内、さらに好ましく10°以内の液微粒子を入射可能とする開口61を有する絞り部60が設けられる。この絞り部60は、上記実施形態4の遮蔽面35と同様の機能を発揮する。
(実施例3)
図15の気液混合ノズル装置を用いて、水オリフィス径0.35(φdw[mm])、空気オリフィス外径0.66(φda[mm])、空気オリフィス内径0.5(φdb[mm])における空気圧(Pa[kPa])、空気流量(Qa[NL/min]、水全噴射量(Qw[ml/min])、粒子径(目視)について測定した結果を表4に示す。気液混合ノズル装置を図2に示すように上方に向けて静置させ、液貯部での液面高さが水オリフィス先端から−25mmとなるように水を予め供給しておき、噴射開始から1分間測定した。装置の各部材の寸法は、以下の通りであり、円筒状のノズル筐体部の外径がφ40mm、円筒状の第1の微細化室の外径がφ50mm、第1の微細化室の入口空間部の内径がφ30mm、出口空間部の内径がφ20mm、円筒状の第2の微細化室の内径が34mm、円筒状の第3の微細化室の出口開口部の外径が40mm、装置の横幅が153mm、装置全長が203mmである。絞り部の開口直径は、φ15mm、この開口位置は、スプレー半角が30°に相当するように設置した。空気オリフィス先端と水オリフィス先端の位置は、図7に示すように一致している。空気供給駆動源にコンプレッサーを用いた。
(別実施形態)
図6に他の気液混合ノズル装置の一例を示す。第1および第2の微細化室540が一体形成されて、液微粒子の入射軸に対しストレートに配置され、後段部分において45度の傾斜で延設されている。この構成の場合には、液微粒子の微細化がなされるものの、長さ方向のサイズが、図2から5の実施形態よりも大きくなる。
1 微細化促進用の気液混合ノズル装置
10 気液混合ノズル
20 ノズル筐体
30 第1の微細化室
40 第2の微細化室
50 第3の微細化室

Claims (8)

  1. 液微粒子の微細化促進用の器具であって、
    液微粒子が入射される第1の微細化室と、
    液微粒子の入射軸上と所定の角度で傾斜する方向に、第2の微細化室を有し、
    前記第1の微細化室は、その入口空間部の横断面積より大きい横断面積の空間部を少なくとも1以上有して構成される、微細化促進用器具。
  2. 前記第1の微細化室が、液微粒子の入射軸上の入口近位に設けられる請求項1に記載の微細化促進用器具。
  3. 第2の微細化室の前段空間部の横断面積が、第1の微細化室の出口空間部の横断面積よりも大きい、請求項1または2に記載の微細化促進用器具。
  4. 第2の微細化室の後段空間部の延長方向に、第3の微細化室を設ける請求項からのいずれか1項に記載の微細化促進用器具。
  5. 第1の微細化室の入口空間部内に、またはこの入口空間部とノズル先端部との間に、噴射された液微粒子のスプレー半角が30°以内の液微粒子を入射可能とする開口を有する絞り部を設ける請求項からのいずれか1項に記載の微細化促進用器具。
  6. 請求項1からのいずれか1項に記載の微細化促進用器具と、
    微細化促進用器具の第1の微細化室に液微粒子を噴射する気液混合ノズルと、を備える微細化促進用の気液混合ノズル装置。
  7. 気液混合ノズルは、気体供給圧が5kPa〜100kPaである、請求項に記載の気液混合ノズル装置。
  8. 第1の微細化室の入口部と連結されるノズル筐体部を備え、
    ノズル筐体部は、外気が吸引される外気口と、液微粒子の成長液が流通される液流通部と、液の供給用および液微粒子の成長液を貯留する液貯部と、を備える請求項6または7に記載の気液混合ノズル装置。
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