JP6332635B2 - ミストノズル噴霧式冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体(主に水)と加圧気体(主に圧縮空気)の２流体を混合して液体を微細化して噴霧するミストノズルを用いたミストノズル噴霧式の冷却装置に関するものである。

製鉄所の高炉鉄皮の冷却や連続鋳造設備での鋳片の冷却等に用いられミストノズル噴霧式冷却装置のミストノズルは、一般に、液体(主に水)と加圧気体(主に圧縮空気)の２流体を連続的に供給することにより、液体を微細化して噴出するものである。所要の冷却能力を得られるように液体を微細化するには、ノズル特性と液体流量に応じた加圧気体の圧力および流量が必要である（特許文献１参照）。

ところで、近年の省エネルギーの要請により、加圧気体の消費量の削減も求められているところ、ミストノズルで消費する加圧気体の削減は、通常はノズルの選定によるところが主である。仮に液体流量を変えずに加圧気体の圧力や流量のみを下げた場合、液滴径が粗大になり、所定の冷却能力や噴霧パターンを得ることが困難となる。

加圧気体の消費量を低減するミストノズルとしては、内蔵したニードル弁により液体・気体の吐出流路を同時に開閉可能な構造を持ち、そのニードル弁を高速で開閉することにより、パルス状に液体を噴霧させるノズルが市販されている（例えば特許文献２記載のスプレーイングシステム社製１／４ＪＡＵシリーズ）。

特開２０１０−２５３５２５号公報 特開平１０−３１９６３０号公報

しかしながら、このニードル弁方式のミストノズルは、液体（水)もパルス状に供給するため冷却水量が低下する。そのため冷却能力当たりの加圧気体（圧縮空気）消費量はほとんど低減出来ない。また、このニードル弁方式のミストノズルは、部品点数が多いため、通常のミストノズルより高価格であり、しかも駆動部が液体・気体の双方に関与するため、液体に汚れがあると詰まりや故障が発生する可能性が高い。

それゆえ本発明の課題は、簡易かつ安価で信頼性の高い構成で、冷却能力を同等に維持しつつ加圧気体の消費量を低減できるミストノズル噴霧式の冷却装置を提案することにある。

上記課題を有利に解決することを目的とする本発明のミストノズル噴霧式冷却装置に用いるミストノズル噴霧式冷却方法は、液体と加圧気体の２流体を混合することで液体を微細化して噴霧するミストノズルを用い、そのミストノズルから噴霧した液体で冷却対象を冷却するミストノズル噴霧式冷却方法を用いることを特徴とするものである。

そして本発明のミストノズル噴霧式冷却装置は、前記ミストノズルを具え、そのミストノズルから噴霧した液体で冷却対象を冷却するミストノズル噴霧式冷却装置において、前記ミストノズルと前記加圧気体の供給源との間に前記加圧気体をパルス状にするパルス弁を介挿したことを特徴とするものである。

一般的なミストノズルは、液体と加圧気体を共に連続して供給することで液体を微細化し、所要の液滴径、冷却能力および噴霧パターンを得ることを目的にしている。しかし加圧気体の供給は必ずしも連続である必要はなく、パルス状に供給した場合でも、連続的に供給した場合と同等に液体を微細化可能であるということを、本発明者は実験により確認した。

本発明のミストノズル噴霧式冷却装置は、本発明者の上記知見に基づいてミストノズルに液体を連続的に供給するとともに加圧気体をパルス状に供給するものであり、これにより、冷却液量を減らさず冷却性能を同等に維持しつつ、噴霧用の加圧気体の消費量を大幅に低減することができる。

しかも、このミストノズルに液体を連続的に供給するとともに加圧気体をパルス状に供給する方式は、パルス弁に加圧気体のみが作用するため、冷却装置を簡易かつ安価に構成できるとともに、パルス弁の詰まりや故障の可能性を低減させて冷却装置の信頼性を高めることができる。

なお、本発明のミストノズル噴霧式冷却方法においては、加圧気体の供給圧力を液体の供給圧力より０．１ＭＰａ以上高くしてもよい。このようにすると、液滴径の変化を冷却能力に影響がない程度に抑えることができるので好ましい。

また本発明のミストノズル噴霧式冷却装置においては、加圧気体のパルス周波数の上限をパルス弁からミストノズルまでの配管の内容積に応じて定める。パルス弁からミストノズルまでの配管の内容積に対して加圧気体のパルス周波数が高すぎると、その配管内でパルスの残圧が抜けないうちに次のパルスが来ることになって加圧気体のパルス化の効果が低下してしまう。加圧気体のパルス周波数の上限をパルス弁からミストノズルまでの配管の内容積に応じて定めることで、加圧気体のパルス化の効果を活用できる。

さらに本発明のミストノズル噴霧式冷却装置においては、パルス弁からミストノズルまでの配管の内容積Ｘ（Ｌ）と加圧気体のパルス周波数の上限Ｙ（Ｈｚ）との関係をＹ＝０．１１／Ｘとする。このようにすることで、加圧気体のパルス化の効果を活用できる。

本発明の一実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置の構成を模式的に示す側面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置で用いるミストノズルの例を示す正面図および側面図である。 上記実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置においてミストノズルへ供給する圧縮空気の流量の時間経過に伴う変化状態を示す関係線図である。 圧縮空気を連続供給してのミストノズルの連続噴霧と圧縮空気をパルス状に供給してのパルス噴霧とにおいて噴霧される水の粒子径を比較して示す説明図である。 配管内容積とパルス化効果を確保可能な最小パルス周波数との関係を示す関係線図である。

図１は、本発明の一実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置の構成を模式的に示す側面図、図２（ａ），（ｂ）は、上記実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置で用いるミストノズルの例を示す正面図および側面図である。この実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置は、液体としての水と加圧気体としての圧縮空気との２流体を混合することで水を微細化して噴霧口１ａから噴霧するミストノズル１と、ミストノズル１に図示しない水供給源から水を供給する水供給配管２と、ミストノズル１に図示しない圧縮空気供給源から圧縮空気を供給する圧縮空気供給配管３と、圧縮空気供給配管３の途中に介挿されたパルス弁４とを具えている。

ここにおけるミストノズル１は、高炉鉄皮等の比較的低い温度の対象の冷却に用いるもので、後方から圧縮空気を供給するとともに側方から水を供給することで水滴を気流で剪断して微細化させる通常タイプのものである。

ここにおけるパルス弁４は、外部パイロット式でも内部パイロット式でもよく、また、連続的に供給される圧縮空気のパイロット圧で主弁の開閉を繰り返してパルス状の圧縮空気を吐出するタイプのものが好ましいが、電磁弁の開閉によって断続的に供給される圧縮空気のパイロット圧で主弁の開閉を繰り返してパルス状の圧縮空気を吐出するタイプのものでもよい。何れのタイプでも吐出する圧縮空気のパルス周波数を任意に設定することができる。

この実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置が実施するミストノズル噴霧式冷却方法は、ミストノズル１に、水供給配管２から水を連続的に供給するとともに圧縮空気供給配管３からパルス弁４でパルス状にした圧縮空気を供給するものである。図３は、パルス弁４からミストノズル１へ供給する圧縮空気の流量の時間経過に伴う変化状態を示す関係線図である。ここで、圧縮空気の供給圧力は水の供給圧力より０．１ＭＰａ以上高くすることが好ましい。

すなわち、一般的なミストノズルは、高速の気流の乱流の中に液体を吐出し、液滴を微細化する方式である。また液体に圧力をかけて供給する場合は、液体自身の吐出圧と流速による微細化を、気流で更に微細化する方法も一般的である。このため、加圧気体の供給圧力は、液体と同じか、液体より高く設定するのが一般的である。

これに対し本発明者が行った圧縮空気をパルス状に供給する実験では、図４に示すように、圧縮空気の供給圧力Ａを０．３〜０．４５ＭＰａとして、０．１〜０．３ＭＰａである水の供給圧力Ｗよりも０．１ＭＰａ以上高く設定した場合は、圧縮空気を連続供給した場合と比較して、ザウター平均水滴径が同等以上かつ１．２倍以下となり、冷却能力に影響がない程度に水滴径の変化を抑えることができた。一方で圧縮空気の供給圧力Ａと水の供給圧力Ｗを同じ０．３ＭＰａにした場合のザウター平均水滴径は、連続供給した場合に比較して１．５倍以上になり、水滴が粗粒化する傾向が見られた。

従って、圧縮空気の供給圧力を水の供給圧力より０．１ＭＰａ以上高くすることで、冷却能力に影響がない程度に水滴径の変化を抑えることができる。

また、パルス弁４でパルス状にする圧縮空気のパルス周波数の上限は、パルス弁４からミストノズル１までの圧縮空気供給配管３の内容積に応じて定めることが好ましい。

すなわち、圧縮空気をパルス状に供給する場合、パルス状に供給するパルス弁４からミストノズル１までの距離が長くなると、パルス状の圧力波が次第に減衰して、最終的には圧力変動のない連続流となってしまい、それでは圧力を下げて連続供給する場合と同じになってしまうので、パルス化の効果を活用するには、パルス弁４からミストノズル１までの配管距離を適切に選定する必要がある。またパルス化効果は、周波数が高いほど減衰し易い。本発明者は実験の結果から、パルス弁４からミストノズル１までの圧縮空気供給配管３の内容積に応じて、パルス化効果（ミストノズル１に供給される圧縮空気の最低値が最高値の５０％以下となる脈動）を確保可能な周波数の上限を明らかにした。

図５は、圧縮空気供給配管３の内容積（Ｌ：リットル）に応じた、パルス化効果を確保可能な周波数（Ｈｚ）の上限を示す関係線図である。本発明者は実験の結果から、その周波数上限をＹ、配管容積をＸとするとき、それらの関係は図示のように概略Ｙ＝０．１１／Ｘとなることを発見した。

上記実施形態のミストノズル噴霧式冷却装置でのミストノズル噴霧式冷却方法によれば、従来の圧縮空気を連続して供給するミストノズルの使用方法に比較して、圧縮空気の使用量を３０％から最大で５０％削減可能である。

（実施例）
高炉の鉄皮冷却において水と圧縮空気を連続して供給していたミストノズルの使用方法を、水は連続供給のまま、圧縮空気のみパルス弁を用いてパルス状に供給する方式に変更した。この結果、鉄皮冷却に使用する圧縮空気の使用量を４０％削減することができ、大きな省エネルギーを達成できた。その際、冷却箇所の鉄皮温度をサーモビュアで測定した結果、連続噴霧の場合と比較して±５％以下の温度変化となっており、パルス状噴霧の冷却能力は連続噴霧の場合とほぼ同等であることが確認できた。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明のミストノズル噴霧式冷却装置は、上記例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、本発明を連続鋳造設備での鋳片等の比較的高い温度の対象の冷却に適用する場合には、ミストノズル１を、後方から水を供給するとともに側方から圧縮空気を供給することで水滴を自水圧で微細化させた後に気流で加速しさらに微細化させる大水量タイプのものとしてもよい。

また所要に応じて、噴霧する液体に冷却油等の水以外のものを使用してもよく、加圧気体に不活性ガス等の空気以外のものを使用してもよい。

本発明のミストノズル噴霧式冷却装置によれば、冷却液量を減らさず冷却性能を同等に維持しつつ、噴霧用の加圧気体の消費量を大幅に低減することができ、しかも、冷却装置を簡易かつ安価に構成できるとともに、パルス弁の詰まりや故障の可能性を低減させて冷却装置の信頼性を高めることができる。

１ ミストノズル
１ａ 噴霧口
２ 水供給配管
３ 圧縮空気供給配管
４ パルス弁

Claims (2)

1. 液体と加圧気体の２流体を混合することで前記液体を微細化して噴霧するミストノズルを用い、そのミストノズルから噴霧した前記液体で冷却対象を冷却するミストノズル噴霧式冷却方法であって、前記ミストノズルに前記液体を連続的に供給するとともに前記加圧気体をパルス状に供給するミストノズル噴霧式冷却方法を用い、
   前記ミストノズルを具え、そのミストノズルから噴霧した前記液体で前記冷却対象を冷却するミストノズル噴霧式冷却装置において、
   前記ミストノズルと前記加圧気体の供給源との間に前記加圧気体をパルス状にするパルス弁を介挿し、
   前記加圧気体のパルス周波数の上限を前記パルス弁から前記ミストノズルまでの配管の内容積に応じて定め、
   前記パルス弁から前記ミストノズルまでの配管の内容積Ｘ（Ｌ）と前記加圧気体のパルス周波数の上限Ｙ（Ｈｚ）との関係をＹ＝０．１１／Ｘとすることを特徴とするミストノズル噴霧式冷却装置。
2. 前記加圧気体の供給圧力を前記液体の供給圧力より０．１ＭＰａ以上高くすることを特徴とする、請求項１記載のミストノズル噴霧式冷却装置。

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