JP6347432B2 - 噴霧装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気体によって液体を微粒化する二流体ノズル型式の噴霧装置に関するものである。
液体を微粒化するノズルは、空間又は物質の冷却装置、加湿装置、薬液散布装置、燃焼装置、又は、粉塵対策装置等に広く用いられている。この微粒化ノズルを大別すると、液体を微細な孔より噴出して微粒化する一流体ノズルと、空気、窒素、又は蒸気等の気体を用い、液体を微粒化する二流体ノズルとに分類される。この一流体ノズルと二流体ノズルとでは、一般的に、二流体ノズルの方が、気体の持つエネルギーを用いて液体を微粒化するため、一流体ノズルよりも微粒化性能に優れるという特徴がある。
液体を微粒化する二流体ノズルの例としては、例えば、特許文献1に記載された二流体ノズルがある。特許文献1に記載された二流体ノズルは、図4に示すように、内筒40と、中筒41と、外筒42とを備えた三重筒構造で、内筒40は、基端側筒43と先端側筒44とを連結して形成している。内筒40の中空部を中心空気流路45とし、内筒40と中筒41との間の中間環状流路を液体流路46とし、中筒41と外筒42との間の外側環状流路を外側空気流路47としている。外側空気流路47の基端側開口47a及び中心空気流路45の基端側開口45aは、図示しない空気供給主管と接続している。よって、図示しないブロアからなる空圧源より、空気供給主管を介して基端側開口47aと基端側開口45aとに、低圧空気を流入させるようにしている。また、環状の液体流路46の基端側開口46aは、図示しない水供給主管を接続して、図示しない液槽よりポンプと水供給主管を介して基端側開口46aに、加圧された水を流入させるようにしている。
内筒40の先端側筒44と、中筒41と、外筒42との先端側に、軸線Lに沿った同一線上に位置する開口40a、41a、42aを備えた先端部40b、41b、42bを備え、噴射口となる外筒42の開口42aの内側に中筒41の開口41aを位置させ、中筒41の開口41aの内側に内筒40の開口40aを位置させている。
内筒40の先端側筒44は、基端側筒43に螺着して接続した筒部の先端が内筒開口40aとなり、軸線方向の中央部に小径化したオリフィス44aを設けている。内筒40の開口40aの周縁となる先端面44bに、凹状の溝44cを略対向位置に2つ形成している。
中筒41の先端部41bは外周面を円錐形状とすると共に、その内部に段差41cを設けて先端側に小径の中空部を設け、該中空部を内筒40の先端開口40aと同一径で連通させている。前記先端側の小径中空部の先端には、更に小径とした前記先端開口41aを設けている。
中筒41の段差41cには、内筒40の先端面44bを当接させ、溝44cと段差41cとの間に3個の液体旋回連通流路48を設けている。この液体旋回連通流路48は内筒40の先端側中空部に開口し、この内筒40の先端側中空部と中筒41の先端中空部とを連通させていることより、この連通した内筒40と中筒41との先端中空部を第1混合室49としている。
中筒41の先端部41bと広い空間をあけて外筒42の先端部42bを外嵌し、この中筒と外筒の先端閉鎖部41bと42bとの間に第2混合室50を形成している。この第2混合室50は、環状の外側空気流路47と連通すると共に先端中央に噴射口となる開口42aを位置させている。
前記構成からなるノズルでは、まず、液体流路46に流入した水は、液体旋回連通流路48を通過するときに強制的に旋回され、第1混合室49に旋回流となって流入する。この旋回により、水は一次微粒化がなされる。第1混合室内49に旋回流となって流入した水の中央部に、中心空気流路45のオリフィス44aを通って噴出されるブロアからの空気が、衝突混合する。この衝突混合により液滴の二次微粒化がなされながら、中筒41の開口41aから第2混合室50へと水と空気との気液混合流体が噴出する。
この二次微粒化された気液混合流体は、第2混合室50において、外側空気流路47より流入してくるブロアからの空気が、外周側より衝突混合する。このように、第2混合室50内において三次微粒化された気液混合ミストが、外筒42の噴射口となる開口42aより噴射されることとなる。特に、第2混合室50は広い空間であるため、外側空気流路47より流入してくる空気が、開口41aより流入してくる気液混合流体に対して外周より均一に衝突混合し、かつ、気液混合流体が旋回していることも合わせて、液滴の均一な微粒化が図れる(特許文献1参照)。
特開2001―149822号公報
しかしながら、特許文献1に記載された前記従来の二流体ノズルの構成は、複雑なノズル構成でありながらも、噴霧した液体を充分に微粒化できないために、液体の粒径が大きいという問題がある。具体的には、特許文献1に記載の二流体ノズルにより噴霧された液体の粒径は、50μm以上である。このように噴霧した液体の粒径が大きい場合、噴霧した液体が気化するまでに時間を要する、つまり、気化が遅いために、濡れ等が発生するという問題を有している。
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を噴霧可能な噴霧装置を提供することを目的とする。より具体的には、本発明は、気化が早くかつ濡れ等を感じないような小さな粒径の例として10μm以下の粒径の液体を噴霧することができる二流体ノズル型式の噴霧装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明の1つの態様によれば、液体流路と気体流路とを有する噴霧装置本体部と、
前記噴霧装置本体部の先端に配置されて、前記液体流路の開口を覆いかつ平らな内側端面を有する内蓋部と、
前記噴霧装置本体部の先端に配置されて前記内蓋部を覆うとともに、前記気体流路の開口を覆いかつ前記内蓋部の前記内側端面に対向する平らな外側端面を有する外蓋部と、
前記内蓋部と前記外蓋部との間に配置され、前記内蓋部の前記内側端面と前記外蓋部の前記外側端面との間の円板状の外形の空間で構成され、前記気体流路を流れる気体流と前記液体流路を流れる液体流とを混合する気液混合部と、
前記内蓋部の前記内側端面の周方向の少なくとも1箇所に貫通して設けられて前記気液混合部と連通して、前記液体流路を流れる液体流を前記気液混合部に流入させる液体流入口と、
前記内蓋部と前記外蓋部との間の前記気液混合部の側部に前記気液混合部と連通して配置されて、前記液体流入口から前記気液混合部に流入する前記液体流に向かって、前記気体流路を流れる気体流を前記気液混合部に流入させる気体流入口と、
前記外蓋部の前記外側端面に貫通して設けられて前記気液混合部と連通し、前記気液混合部で前記気体流と前記液体流が混合して微粒化した液体を噴出する噴出口とを備える、噴霧装置を提供する。
以上のように、本発明の前記態様にかかる噴霧装置によれば、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を噴霧可能な噴霧装置を提供することができる。より具体的には、気化が早くかつ濡れ等を感じないような小さな粒径の例として10μm以下の粒径の液体を噴霧することができる二流体ノズル型式の噴霧装置を提供することができる。
本発明の第1実施形態における噴霧装置の切断部端面図 本発明の第1実施形態における噴霧装置の図1Aの1B−1B線での断面図 本発明の第2実施形態における噴霧装置の切断部端面図 本発明の第2実施形態における噴霧装置の図2Aの2B−2B線での断面図 本発明の第3実施形態における噴霧装置の切断部端面図 本発明の第3実施形態における噴霧装置の図3Aの3B−3B線での断面図 従来の噴霧装置の概略構成を示す断面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、気体を用いて液体を微粒化噴霧する噴霧装置に関するものであり、前記気体としては、例えば、空気、窒素、酸素、又は、不活性ガス等が挙げられ、使用の目的に応じて適宜選定可能である。また、前記液体としては、例えば、水、オゾン水、殺菌及び除菌機能を有する薬液、塗料、又は、燃料油等が挙げられ、使用の目的に応じて適宜選定可能である。
(第1実施形態)
図1Aは、本発明の第1実施形態における噴霧装置10を示す切断端面図である。以下、この噴霧装置10の構成について図1Aを参照しながら説明する。
噴霧装置10は、噴霧装置本体部10aと、内蓋部13と、外蓋部14とを少なくとも備えている。内蓋部13と外蓋部14とで気液混合部15を構成している。噴霧装置10は、さらに、噴霧装置蓋固定部17を備えている。
噴霧装置本体部10aは、円柱状部材の中心部に軸方向沿いに配置された液体流路11と、液体流路11の周囲に間隔をおいて軸方向沿いに配置された円筒状の気体流路12とがそれぞれ形成されている。液体流路11と気体流路12とは、噴霧装置本体部10aの一部として中央部に位置する円筒部10bで区切られている。液体流路11は、先端側のみを図示しており、後端の図示しない液体供給口は、例えば、水供給管を介して、液槽に接続されたポンプなどに接続されている。気体流路12も、先端側のみを図示しており、後端の図示しない気体供給口は、例えば、気体供給管を介して、空気圧縮機からなる空圧源などに接続されている。
円筒部10bの先端は、円筒部10b以外の噴霧装置本体部10aより先端側に少し突出し、その先端に内蓋部13が固定されている。
内蓋部13は、噴霧装置本体部10aの先端に配置され、液体流路11の開口を覆いかつ平らな内側端面13aを有する断面略C字形状をなしている。内蓋部13は、円筒部10bの端面と内蓋部13の内側端面13aの内面との間には、円板状の外形の第1隙間22が形成されている。内蓋部13の内側端面13aの外周部の1カ所には、内側端面13aを軸方向に貫通する液体流入口18が形成されている。すなわち、液体流入口18は、気液混合部15の外周壁面近傍の上流側平坦面である内蓋部13の内側端面13aに位置しており、液体流路11と気液混合部15とを連通させている。
外蓋部14は、噴霧装置本体部10aの先端に配置され、内蓋部13を覆うとともに、気体流路12の開口を覆いかつ内蓋部13の内側端面13aに対向する平らな外側端面14aを有する断面略Ω形状をなしている。外蓋部14は、内蓋部13との間の側部では、所定間隔の円筒状の外形の第2隙間23をあけて覆うとともに、内蓋部13との間の端部では、所定間隔の円板状の外形の空間の気液混合部15を隙間として形成しつつ内蓋部13を覆うように、噴霧装置本体部10aの端面と噴霧装置蓋固定部17との間に挟持されて固定されている。なお、噴霧装置蓋固定部17を無くして、外蓋部14が、直接、噴霧装置本体部10aの端面に固定されるようにしてもよい。
外蓋部14と内蓋部13との間において所定間隔の円板状の外形の気液混合部15を確実に形成するため、外蓋部14の外側端面14aの内面に円環状の凸部24を形成して、外蓋部14の内面と内蓋部13の内側端面13aとの間に強制的に隙間として気液混合部15が配置形成できるようにしている。円環状の凸部24は、外蓋部14の外側端面14aの内面に設ける代わりに、内蓋部13の内側端面13aの外面に設けても良い。このように構成される気液混合部15は、気体流路12を流れる気体流と液体流路11を流れる液体流とを混合するためのものである。
また、気液混合部15の側部において、円環状の凸部24の一部を径方向に切り欠いて、気体流路12と気液混合部15とを連通させる気体流入口19を形成している。よって、気体流入口19は、液体流入口18から流入する液体流の流入方向に対して、気体流入口19から流入する気体流の流入方向が交差するように配置されている。気体流入口19は、噴霧装置本体部10aの中心(中心軸27)に対して液体流入口18とは180度位相を異にした、液体流入口18に対向する位置に位置する。さらに、外蓋部14の外側端面14aの外面の中央には、円筒部が突出して固定され、軸方向に外側端面14a及び円筒部を貫通した噴出口16aを有する噴出部16を形成している。噴出口16aは、液体流路11と同一中心軸27上に配置されている。これに対して、液体流入口18は、この中心軸27から外れた位置に位置している。
よって、気液混合部15は、円環状の凸部24と内蓋部13と外蓋部14とで囲まれて形成されており、軸方向沿いに内蓋部13を貫通した液体流入口18と、軸方向とは交差する方向沿いに円環状の凸部24を切り欠いた気体流入口19と、軸方向沿いに外蓋部14を貫通した噴出口16aとに連通している。
このような構成において、噴霧装置10に供給された液体は、噴霧装置本体部10aに対して、図示しない液体供給口から装置先端側に液体流路11を流れて液体流となり、その液体流は、第1隙間22と液体流入口18とを通って、気液混合部15に供給される。また、噴霧装置10に供給された気体は、噴霧装置本体部10aに対して、図示しない気体供給口から装置先端側に気体流路12を流れて気体流となり、その気体流は、第2隙間23と気体流入口19とを通って、気液混合部15に供給される。
気液混合部15に対して気体流と液体流とが供給されると、気液混合部15内で互いに混合され、液体が微粒化された後に、外蓋部14に設けられた噴出部16の噴出口16aから、混合されて微粒化された液体を外側に噴出する。
以下、気液混合部15での微粒化の機構について、図1Bを参照しながら説明する。液体流路11を流れてきた液体流は、第1隙間22を通り、内蓋部13に設けられた液体流入口18を通り、図1Bに示すように、気液混合部15の円環状の凸部24の近傍より、液体流が内蓋部13の内側端面13aと平行かつ噴出部16の方向へ供給する。
一方、液体流入口18から気液混合部15に供給された液体流に対して、液体流入口18の対向する位置に位置する気体流入口19を通って気液混合部15に供給された気体が、気液混合部15内で液体に衝突する。このように衝突することで、液体は外蓋部14の外側端面14aに押し広げられ、薄い膜状になり外側端面14aを流れる。さらに、この状態から外側端面14aを凸部24の周方向に流れることにより、薄い膜状からさらに細かな液滴へと変化する。さらに、この液滴を含む気液混合流を、気液混合部15の外蓋部14側の外側端面14aの内面である壁面に沿って、周回及び撹拌することで、液滴をさらに微粒化することができ、より粒径の小さな液体を噴出口16aから噴霧することが可能である。
より具体的には、気液混合部15は直径8.0mm、高さ2.0mmであり、噴出部16は噴出口16aは直径1.5mm、長さ2.0mm、液体流入口18は直径0.7mm、気体流入口19は矩形であり、幅1.0mm、高さ1.0mmの噴霧装置である。
この噴霧装置に対し、気体の例として圧縮空気を0.2MPa(ゲージ圧)の圧力で供給し、液体の例として水を0.15MPa(ゲージ圧)の圧力で供給した。この条件で微粒化した水のザウター平均粒径をレーザー回折法にて評価を行った。レーザー回折法の測定距離は噴霧装置の先端から300mmの位置であり、ザウター平均粒径は10.0μmとなった。
前記第1実施形態にかかる噴霧装置10によれば、内蓋部13と外蓋部14との間に設けられた気液混合部15で、液体流入口18から流入する液体と気体流入口19から流入する気体とが向かい合って衝突するとともに、円環状凸部24に沿って周回及び撹拌して液体が微粒化し、微粒化した液体を噴出部16から噴出することができる。この結果、気化が早くかつ濡れ等を感じない粒径の小さな液体を噴霧可能な噴霧装置10を提供することができる。より具体的には、気化が早くかつ濡れ等を感じないような小さな粒径の例として10μm以下の粒径の液体を噴霧することができる二流体ノズル型式の噴霧装置10を提供することができる。
(第2実施形態)
図2Aは、本発明の第2実施形態における噴霧装置10Bを示す切断端面図である。
また、図2A及び図2Bに示すように、気液混合部15の上流かつ外蓋部14の円環状の凸部24の周壁面近傍に位置する液体流入口18より、液体流を内蓋部13の内側端面13aと平行かつ噴出部16の方向へ気液混合部15に流入させる。また、この液体流に対して交差する方向から気体流を気液混合部15へ導入して液体流に衝突させて、気液混合流を円環状の凸部24の周壁面の周方向に周回させるようにするため、液体流入口18の近傍でかつ液体流入口18の中心軸と直交する方向でかつ周方向の接線方向沿いに円環状の凸部24を切り欠いて、気体流入口21を設けている。言い換えれば、気体流入口21は、液体流入口18の近傍に配置され、かつ、液体流入口18から流入する液体流の流入方向に対して、気体流入口21から流入する気体流の流入方向が交差するように配置されている。このように構成することにより、この液体流に対して交差する方向(例えば、円環状の凸部24の周壁面の接線方向)から、気体流入口21を通して気体流を気液混合部15へ導入して液体流に衝突させることで、液体は外蓋部14の外側端面14aに押し広げられ、薄い膜状になり、外側端面14aを流れる。さらに、この状態から外側端面14aを円環状の凸部24の周方向にさらに流れることにより、薄い膜状からさらに細かな液滴へと変化する。さらに、この液滴を含む気液混合流が気液混合部15の外蓋部14側の外側端面14aに沿って、周回及び撹拌することで、液滴をさらに微粒化することができ、より粒径の小さな液体を噴出口16aから噴霧することが可能である。
より具体的には、この噴霧装置に対し、気体の例として圧縮空気を0.2MPa(ゲージ圧)の圧力で供給し、液体の例として水を0.15MPa(ゲージ圧)の圧力で供給した。この条件で微粒化した。この状態で微粒化した水のザウター平均粒径をレーザー回折法にて評価を行った。レーザー回折法の測定距離は噴霧装置の先端から300mmの位置であり、ザウター平均粒径は9.6μmとなった。結果のとおり、液体流入口18と気体流入口19は対向しているよりも、液体流入口18と気体流入口21が近接している方が、より気液混合流を撹拌させる効果があり、微粒化できた。
このような構成によれば、液体流入口18の近傍でかつ液体流入口18の中心軸と直交する方向でかつ周方向の接線方向沿いに円環状の凸部24を切り欠いて、気体流入口21を設けている。このため、気液混合部15で、液体流に対して交差する方向(例えば、円環状の凸部24の周壁面の接線方向)から、気体流入口21を通して気体流を導入して液体流に衝突させることができ、気液混合流が、外側端面14aを円環状の凸部24の周方向にさらに流れるやすくなって周回及び撹拌を促進させることで、液滴をさらに微粒化することができ、より粒径の小さな液体を噴出口16aから噴霧することが可能となる。
(第3実施形態)
図3Aは、本発明の第3実施形態における噴霧装置10Cを示す切断端面図である。
また、図3A及び図3Bに示すように、第2実施形態の噴霧装置10Bにおいて、気液混合部15の上流かつ外蓋部14側の外側端面14aの周壁面近傍に位置する液体流入口18より、液体流を内蓋部13の内側端面13aと平行かつ噴出部16の方向へ気液混合部15に流入させる。また、この液体流に対して交差する方向から気体流を気液混合部15へ導入して液体流に衝突させて、気液混合流を円環状の凸部24の周壁面の周方向に周回させるようにするため、図2Bと同様に、液体流入口18の近傍でかつ液体流入口18の中心軸と直交する方向でかつ周方向の接線方向沿いに円環状の凸部24を切り欠いて、気体流入口21を設けている。さらに、この第3実施形態では、気液混合部15の内蓋部13の内側端面13aである上流側平坦面に、気液混合部15の高さよりも小さい厚みを有する円板状の突起部31を設けることで、円板状の突起部31と円環状の凸部24との間に円環状流路32を形成することができて、気体流及び気液混合流の流れが周方向に規制されて、流速を速くすることができる。なお、突起部31の厚みは、気液混合部15の高さの少なくとも半分以上の高さとする。
気体流の高速化より、液体は薄い膜状になり、外蓋部14の外側端面14aを流れる。さらに、この状態から外側端面14aを円環状の凸部24の周方向にさらに流れることにより、薄い膜状からさらに細かな液滴へと変化する。さらに、この液滴を含む、気液混合流が突起部31の外周と円環状の凸部24と気液混合部15の外蓋部14の外側端面14aとの間の円環状流路32を高速に周回及び撹拌することで、液体の微粒化をより促進することができ、より粒径の小さな液体を噴霧することが可能である。
より具体的には、気液混合部15の液体流入口18が設けられた面に位置する突起部31の直径は1.5mm、高さ1.5mmで気液混合部15の中心に位置する。
この噴霧装置に対し、気体の例として圧縮空気を0.2MPa(ゲージ圧)の圧力で供給し、液体の例として水を0.15MPa(ゲージ圧)の圧力で供給した。この条件で微粒化した微粒化した水のザウター平均粒径をレーザー回折法にて評価を行った。レーザー回折法の測定距離は噴霧装置の先端から300mmの位置であり、ザウター平均粒径は9.1μmであった。
結果のとおり、突起部31の外周と気液混合部15の外蓋部14の外側端面14aとに沿って、気液混合流をさらに撹拌することで、より液体を微粒化することができた。
前記第3実施形態によれば、気液混合部15の内蓋部13の内側端面13aに、円板状の突起部31を設けて、円板状の突起部31と円環状の凸部24との間に円環状流路32を形成するように構成している。この結果、円環状流路32により、気体流及び気液混合流の流れが周方向に規制されて、流速を速くすることができ、液体の微粒化をより一層促進することができ、より粒径の小さな液体を噴霧することが可能となる。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明の前記態様にかかる噴霧装置は、気化が早くかつ濡れ等を感じないような例えば10μm程度の小さな粒径の液体を噴霧可能な噴霧装置であり、この噴霧装置は、空間又は物質の冷却、加湿、薬液散布、燃焼、又は、粉塵対策等に広く用いることが可能である。
10、10B、10C 噴霧装置
10a 噴霧装置本体部
11 液体流路
12 気体流路
13 内蓋部
13a 内側端面
14 外蓋部
14a 外側端面
15 気液混合部
16 噴出部
16a 噴出口
17 噴霧装置蓋固定部
18 液体流入口
19 気体流入口
21 気体流入口
22 第1隙間
23 第2隙間
24 円環状の凸部
27 中心軸
31 突起部
32 円環状流路

Claims (5)

  1. 液体流路と気体流路とを有する噴霧装置本体部と、
    前記噴霧装置本体部の先端に配置されて、前記液体流路の開口を覆いかつ平らな内側端面を有する内蓋部と、
    前記噴霧装置本体部の先端に配置されて前記内蓋部を覆うとともに、前記気体流路の開口を覆いかつ前記内蓋部の前記内側端面に対向する平らな外側端面を有する外蓋部と、
    前記内蓋部と前記外蓋部との間に配置され、前記内蓋部の前記内側端面と前記外蓋部の前記外側端面との間の円板状の外形の空間で構成され、前記気体流路を流れる気体流と前記液体流路を流れる液体流とを混合する気液混合部と、
    前記内蓋部の前記内側端面の周方向の少なくとも1箇所に貫通して設けられて前記気液混合部と連通して、前記液体流路を流れる液体流を前記気液混合部に流入させる液体流入口と、
    前記内蓋部と前記外蓋部との間の前記気液混合部の側部に前記気液混合部と連通して配置されて、前記液体流入口から前記気液混合部に流入する前記液体流に向かって、前記気体流路を流れる気体流を前記気液混合部に流入させる気体流入口と、
    前記外蓋部の前記外側端面に貫通して設けられて前記気液混合部と連通し、前記気液混合部で前記気体流と前記液体流が混合して微粒化した液体を噴出する噴出口とを備える、噴霧装置。
  2. 前記外蓋部の前記外側端面又は前記内蓋部の前記内側端面は、円環状凸部を有して、前記円環状凸部と前記外蓋部の前記外側端面と前記内蓋部の前記内側端面との間に前記円板状の外形の空間である前記気液混合部が構成され、
    前記円環状凸部の一部が切り欠かれて前記気体流入口が構成されている、
    請求項1に記載の噴霧装置。
  3. 前記気体流入口は、前記噴霧装置本体部の中心に対して前記液体流入口と対向する位置に配置される、
    請求項1又は2に記載の噴霧装置。
  4. 前記気体流入口は、前記液体流入口の近傍に配置され、かつ、前記液体流入口から流入する前記液体流の流入方向に対して、前記気体流入口から流入する前記気体流の流入方向が交差するように配置されている、
    請求項1又は2に記載の噴霧装置。
  5. 前記内蓋部の前記内側端面に円板状の突起部を備えて、前記気液混合部において、前記円板状の突起部の周囲に円環状流路を形成する、
    請求項4に記載の噴霧装置。
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