JP5998416B2 - 粒径の可変スペクトルにわたり液滴を生成するための方法および装置 - Google Patents
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Description
−ステップ1:溶解した燃料を含有する溶液が調製される;
−ステップ2:制御されたサイズおよび形状の液滴が生成される;
−ステップ3:ゲル支持ゾル−ゲルプロセスが用いられる;
−ステップ4:固体球状体を発生させる;
−ステップ5:前記球状体を堆積させる、またはステップ5a:振動充填を用いて燃料被覆を充填する;
−ステップ6:V/HTR燃料要素を発生させる、またはステップ6a:振動充填により得られる燃料を発生させる。
−制御されたサイズおよび形状(典型的には、数十〜数百ミクロンの範囲であってもよく、1.1よりも低い球形度比(Dmax/Dmin)を有する);
−液適生成速度は、理想的には低くなければならない(ゾル−ゲルプロセスの文脈において沈殿を可能にする要素を含有する液体に液滴(前述の球形度比を特徴とする)が打ち当たるときに液滴の変形を制限するため)。
この手法は、極めて一般的であり、様々な産業において用いられている。液体を微細化するため、気体の(微細化対象の液体に対する)相対移動により送達される運動エネルギーが用いられ、高い剪断力を発生させ、結果的に後に所望される微細化を発生させる。この技法の例は、特に米国特許出願公開第2010/0078499号明細書および欧州特許出願公開第EP1888250号明細書に記載されている。この種の技法の主な欠点は、核産業において不利益な気体ジェットを用いることである(ジェットが汚染物質と接触するため、濾過を必要とする気体廃棄物のソースとなる)。その上、これらの種類の液滴生成器は、液体を噴霧するために用いられる気体の流量を増加させないように液体給送出口が制限された断面を有することが必要であるため、頻繁に閉塞する。この制限の結果、閉塞のリスクが高くなり、放射性物質を処理するために用いられる装置に修理/メンテナンス作業を行う必要があることは、核産業において非常に不利益である(ALARAの原則を尊重して:ALARAの原則は、電離放射線防護の基本原則の1つである。その目的は、核サービス提供者の人員が受ける個人線量および集団線量を低減することである)。
この技法は、較正された液滴を生成するためにゾル−ゲルプロセスにおいて広く用いられている。この種の技法において、液体ジェットが所与の周波数で振動する較正されたオリフィスを通って重力下で流れることで、ジェットが単分散液滴に微細化される。振動するオリフィスを有する装置(国際公開第2006/048523号パンフレットに記載の例)において、ジェットは、ほとんど円筒状であり、生成される液滴の直径は、オリフィスの直径の約2倍である。これにより、この技法の有用性が大きく制限され、その結果、所望される液滴の直径が減少するにつれて閉塞のリスクが増加する。また、特にこの種の生成器により生成される液滴の直径を特に変更することが可能であるために、ジェットが放出されるノズルの直径を変更することが必要であり、かかる自由度は、業界でしばしば要求されるものではなく、前述のALARAの原則と矛盾するものであることに留意されたい。加えて、この種の注入器は、図3および図4に示すように、高粘性(典型的には、50cpよりも高い)の液体については小液滴(サイズが100μmよりも小さい)の生成に制限され、これらの図は、それぞれ、注入器の直径Dinjの関数としての真直な出口の注入器における水頭損失における変化と、例えばポリ酢酸ビニル(PVA)リッチな水溶液などの粘性の液体の噴出についての真直な出口の注入器が閉塞するまでの時間Tav/Bouにおける変化とを示し、パラメータDminは、水頭損失が大きくなりすぎる前の最小の直径に対応する。
この種の装置により、液体ジェットと(高速で)接触する移動(回転することがほとんどである)ストップにより誘導される機械的剪断力を介してジェットが微細化可能となる。ジェットオンサーフェス(jet−on−surface)衝突噴霧器とも呼ばれるこの種の装置は、工業生産に不利益であり得る材料の相当な損失(低収率)を伴い、また、このように発生した液滴は、ジェットを切る要素の速度(または入射する液体の速度)に近い放出速度を有するため、前述の目的を達成できない。
この種の技法において、微細化対象の液体の自由表面は、音波のソースにより励起される。液体の柱が液体の表面に現れ、かかる柱から、極めて広い液滴サイズの分散を有する非常に小さい液滴が逃げ、この種の生成器では、その上、数十ミクロンよりも大きい直径を有する液滴を容易に発生させることはできない。その上、液滴が液体ソースに近いため、液体ソース自体を沈殿させるリスクを負うことなくこのように形成された液滴をゲル化するステップを行うことは容易ではない。その上、微細化は、液体の自由表面の固有共鳴周波数により制約される。このように達成可能な液滴の直径を調節するための自由度は、ほとんど存在せず、処理の観点から相当な制限である。
この種の装置は、回転部材の表面上に液体膜を形成する遠心力の使用に基づく。この部材(円盤または車輪であることが多い)の周縁において、液滴が生成され;液滴の形態およびサイズは、回転のパラメータ(特に回転速度)、回転要素の表面仕上げ、および噴霧対象の液体の物理化学的特性に依存する。本発明の解決策が微細化することを提案する流体は、閉塞型の作用に至りがちであり;微細化を(国際公開第2005/102537号パンフレットに記載のように)詰まりに関する作用による変化に必然的にさらされるジオメトリを有する要素(歯と呼ばれることが多い)の表面仕上げおよび特徴的なサイズに基づいて行うことは実行可能ではない。その上、液滴の放出速度は、本質的に高く(回転板の回転の線速度と同じオーダ)、沈殿溶液との衝突を介して液滴をゲル化することにより球状体を得ることを困難にしている。さらにその上、回転噴霧器は、高い回転速度の伝達を要求するため、粘性の液体を微細化するためにはあまり適さない;その上、微細化の安定性により、制御に関する問題が生じる。
特に国際公開第2009/047284号パンフレットに記載のこの種の装置は、衝突ジェットを互いに打ち当たらせることにより液滴を生成する。この種の生成器は、開発された環境(炎またはプラズマ錐などの非常に熱い媒体)などの特定の条件下で用いられなければ、不利益な液体の損失に至る。その上、液滴の放出速度は、液体ジェットの打ち当たり速度と同じオーダであり、やはり、前述の目的を達成/前述の制約を満たすことができない。
潜在的に(高い)粘性の液体の微細化を介する液滴の生成;
閉塞のリスクが高い沈殿または他の作用にさらされる得る液体の液滴の生成;
低い液滴速度(場合により0.1m/s以下)で放出され得る液体の液滴の生成;
広い調節可能な液滴サイズの分布(数十ミクロン〜数百ミクロン)を有する液滴の生成。
−高速での液滴の放出を伴わない粘性の液体の微細化。具体的には、高い粘性力は、従来、高い運動エネルギーまたは剪断力が用いられることを要求し、その結果、噴射/高速な液滴の生成が誘導される;
−閉塞作用に敏感な要素の使用を伴わない小サイズの液滴の生成。具体的には、ほとんどの液滴生成器において、液滴は、生成対象の液滴について所望されるサイズ付近のサイズの機械的要素を用いて得られる。このサイズは、用いられる技法がこの種の要素に基づくときは実際の注入器の直径(液滴のサイズは、出口の直径の約2倍である)、または、プロファイル要素(歯、針等)のサイズのいずれかであり、不安定性の発生または剪断力の印加が可能になり、これらの要素のサイズと同様のサイズの基本ボリュームの微細化が誘導される。
−液体のストリームを所与の相対衝突速度で支持体に打ち当たらせるステップと;
−前記支持体を少なくとも1つの振動周波数において振動させるステップと;
−衝突により形成され振動させられる液体膜が主温度と呼ばれるものに加熱され、前記膜から組み合わせにより主液滴と呼ばれるものが形成されるように、前記支持体を衝突温度と呼ばれる温度に加熱するステップと;
−前記液滴を搬送/制動/選別システムを介して主液滴を沈殿させるための液体に輸送するステップであって、前記輸送は、輸送温度と呼ばれるものにおいて行われる、ステップと;を含み、
−これらのパラメータ、すなわち、相対衝突速度、振動周波数、主温度、および輸送温度のすべてが、前記形成された主液滴の液滴サイズおよび主液滴の速度を変調することを可能にすることを特徴とする、方法である。
−液体を支持体上に前記液体が前記支持体に打ち当たるように噴射するための手段と;
−前記液体の衝突速度を調節するための手段と;
−前記支持体を主周波数で振動させるための手段と、前記膜から主液滴と呼ばれるものが形成されるように前記液体が主温度と呼ばれるものに加熱される温度に前記支持体を加熱するための手段と;
−前記主液滴を格納区画に輸送するための手段であって、前記輸送は、輸送温度と呼ばれるものにおいて行われる、手段と;を備えることを特徴とする。
−本発明の方法の任意選択の最初のステップEt0において、液体を微細化して一次液滴Gou1のセットを得る;
−本発明の一変形形態によれば、最初のステップを帯電操作Et1’と呼ばれるもので補ってもよく、かかる操作の目的は、前記一次液滴を互いから隔離された状態に保つことである;
−一般に、および第1のステップEt1において、支持体との衝突を介して、連続ジェットの形態を取る液体Liqから、または一次液滴Gou1の各々から、液体膜が形成される;
−次に、ステップEt2において、この膜を振動および好適な温度にさらして、較正された液滴サイズの主液滴Goupのセットを得るように前記膜を微細化する;
−次に、ステップEt3において、前記主液滴が輸送され、帯電ステップEt3’と呼ばれるものを行うことが可能であると有利であり、かかるステップの目的は、前記主液滴を互いから隔離された状態に保つことである;
−最後に、前記主液滴を輸送/選別/制動するステップEt4が行われ、このステップは、場合により、ある変形形態によれば、特に静電力を用いて前記液滴を案内および選別するステップを含むと有利である。
ξ=h/D0
式中、hは、時間の関数として変化する、壁に打ち当たる液滴により発生する液体の高さである(図8参照)。
βmax#We0.25
式中、Weは、流体力学において多相系の界面における流体流を特徴付けるために用いられるウェーバ数である。ウェーバ数は、表面張力に対する慣性力の比に対応する。
−液体/固体接触角度(ひいては膜の厚さ限界);
−「スプラッシュ」または「飛散」と呼ばれる作用に対応する、液体/壁の衝突時における液体の微細化する傾向。
−液滴のサイズ分布が満足いくものであれば、直接の飛散を促進する;
−または、動作圧を低下させることにより飛散のない堆積を促進する(粘性の液体の蒸気圧は、より粘性の低い液体の蒸気圧よりも低いため、これは、ほとんどの場合、粘性の液体について容易に想定することが可能である);
−または、他の方法で容易に防止することができない(液体の特性およびプロセスの制約に依存して)いずれの飛散も防止するため、連続的なジェット注入を(液滴の注入よりも)優先する。
−液体膜の厚さを制御するステップと;
−このように形成された膜に十分な振動エネルギーを送達するステップと;
−壁の温度の影響を用いるステップ。
−液滴サイズの選択を達成し、且つ、形成された液滴を制動する静電作用(オプション1);
−または、運動エネルギーの散逸を介した物理的な案内および制動(オプション2)。
V0:ΔPr(液体が供給されるレザーバの圧力)を介して、または振動衝突面の移動を介して調節可能な、液滴または液体ジェットの衝突速度;定義するパラメータは、中でも、相対衝突速度Vr、すなわち、板と液滴またはジェットとの間の速度であることに留意されたい;
D0:液滴の直径または衝突前の液体ジェットの直径;
f1:高振幅a1の固体表面の振動の周波数;
f2:低振幅a2の固体表面の振動の周波数;
Tp1:衝突された壁の温度;
Tp2:二次液滴の輸送を保証する壁の温度;
ΔE0:液体を微細化し帯電させることを可能にする電位差;
E1:生成される液滴の液滴サイズの選択を可能にする静電界;
E2:制動静電界;
θ1およびθ3:それぞれ、液体膜を形成するための表面に対する垂線と落下する液滴または液体ジェットの速度ベクトルとの間の衝突角度、および垂線と生成される液滴の輸送平面との間の角度;
P:液滴が打ち当たる固体表面における大気圧。
−特にライデンフロスト作用を増幅するとともに液滴の寿命を増加させるため、微細化対象の液体よりも低い蒸発温度を有する飛来化合物を潜在的に添加するステップ;
−粘性および/または表面張力を低下させる化合物を潜在的に添加するステップ。
Claims (27)
- −液体のストリームを所与の相対衝突速度で支持体に打ち当たらせるステップと;
−前記支持体を少なくとも1つの振動周波数において振動させるステップと;
−衝突により形成され振動させられる液体膜が主温度と呼ばれるものに加熱され、前記液体膜を微細化することにより主液滴と呼ばれるものが形成されるように、前記支持体を衝突温度と呼ばれる温度に加熱するステップと;
−前記液滴を搬送し、液滴の速度を低減し、液滴サイズを選択して、前記主液滴を沈殿させるための液体を輸送するステップであって、前記輸送は、輸送温度と呼ばれるものにおいて行われる、ステップと;を含み、
−これらのパラメータ、すなわち、前記相対衝突速度、前記振動周波数、前記主温度、および前記輸送温度のすべてが、前記形成された主液滴の液滴サイズおよび前記主液滴の前記輸送のための輸送時の速度を変調することを可能にすることを特徴とする、所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。 - 一次液滴を形成するように前記液体を事前微細化するステップであって、所定の流量で前記一次液滴を形成した後に、該一次液滴が前記支持体に打ち当たる、ステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記事前微細化ステップは、予備周波数と呼ばれる周波数でノズルを介して前記液体を振動させることにより行われることを特徴とする、請求項2に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 2つの周波数が異なる第1の振動と第2の振動が与えられ、前記一次液滴の衝突速度に影響を与えるように、大きな周期で振動する前記第1の振動の第1の期間中、第1の振動振幅で前記支持体を振動させると同時に、前記一次液滴から得られる膜を経由して前記主液滴の液滴サイズを調節するように、小さな周期で振動する前記第2の振動の第2の期間中、第2の振幅で前記支持体を振動させるステップを含んでいることを特徴とする、請求項2または3に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記液体のストリームのジェットは、所定の液滴流量を得るため連続的であることを特徴とする、請求項1に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記支持体は、流体の前記連続的なジェットの方向に対して垂直な方向に対して10度よりも小さい角度(θ1)をなすことを特徴とする、請求項5に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記液滴の合体を低減するとともに静電作用を介して前記液滴の軌跡を修正することにより液滴サイズの選択を行うことを可能にするように、前記主液滴を電界にさらすステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記衝突温度は、分解対象の前記液体の沸点と所望される主液滴のライデンフロスト温度との間に位置することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記主液滴の輸送は、輸送温度と呼ばれるものにおいて行われ、この輸送温度は、主温度と呼ばれるものと異なることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記液体は、硝酸ウラニルであるか、または、レオロジ調節添加剤を含有するアクチニド溶液であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記振動周波数は、少なくとも1kHzであることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 衝突速度は、0.1メートル/秒〜100メートル/秒であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- 前記ステップのすべては、チャンバにおいて行われ、前記チャンバは、前記チャンバの外側の大気に対して真空下にあることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための方法。
- −液体を支持体上に前記液体が前記支持体に打ち当たるように噴射するための手段と;
−前記液体の衝突速度を調節するための手段と;
−前記支持体を主周波数で振動させるための手段と、前記液体膜から主液滴と呼ばれるものが形成されるように前記液体が主温度と呼ばれるものに加熱される温度に前記支持体を加熱するための手段(RC)と;
−前記主液滴を格納区画に輸送するための手段であって、前記輸送は、輸送温度と呼ばれるものにおいて行われる、手段と;を備えることを特徴とする、所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。 - 液体を支持体上に前記液体が前記支持体に打ち当たるように噴射するための手段は、加圧された液体のレザーバと注入器とを備えることを特徴とする、請求項14に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記噴射手段は、打ち当て対象の前記支持体上に連続的な流れる膜を噴射し、前記支持体は、平らでなく凹状の軸対称三次元形状、半球状を有し得る表面を有することを特徴とする、請求項14または15に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 流体を噴射するための前記手段は、前記液体を一次液滴に事前微細化するための手段と、前記一次液滴を前記支持体上に噴射するための手段とを備えることを特徴とする、請求項14または15に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記液体を一次液滴に事前微細化するための手段は、ノズル型の真直なまたはテーパ状の出口を備えることを特徴とする、請求項17に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記事前微細化手段は、予備周波数と呼ばれるものにおける振動を生成する圧電変換器を備える、超音波生成器を備えることを特徴とする、請求項17または18に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記支持体は、前記主液滴を収集するための案内溝を備えることを特徴とする、請求項14〜19のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記支持体を振動させるための前記手段は、圧電素子を備えることを特徴とする、請求項14〜20のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記主液滴を格納区画に輸送するための手段は、前記液滴を前記液滴を沈殿させるための溶液に輸送するための手段を備えることを特徴とする、請求項14〜21のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記輸送手段は、前記主液滴の輸送のために前記主液滴の速度および軌跡を制御する手段を備えることを特徴とする、請求項22に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記輸送手段は、前記支持体に対して傾斜したランプを備えることを特徴とする、請求項22に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記主液滴の軌跡を修正することにより液滴サイズの選択を行う手段をさらに備えることを特徴とする、請求項22〜24のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- 前記選別手段は、回転駆動されるカルーセル受け口を備えることを特徴とする、請求項25に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
- −前記液体を噴射するための手段、前記支持体、および前記支持体を振動させるための手段を備えるチャンバと;
−前記チャンバにおいて真空を形成するための手段と;を備えることを特徴とする、請求項15〜26のいずれか一項に記載の所定の液滴サイズ分布を有する液滴を生成するための装置。
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