JP6440160B2

JP6440160B2 - 広角フルコーンスプレーノズル

Info

Publication number: JP6440160B2
Application number: JP2015000252A
Authority: JP
Inventors: 俊一濱浦
Original assignee: Spraying Systems Japan Co
Current assignee: Spraying Systems Japan Co
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-01-05
Also published as: JP2016123935A

Description

この発明は、スプレーノズルを介し被対象物にスプレーする場合、液体の圧力を変動させてもスプレー角度が一定である広角フルコーンスプレーノズルに関する。

スプレーノズルは、例えば塗装や洗浄、加湿等、種々の分野に利用されているが、このうち金属鋳造作業において冷却液をスプレーするのに用いられる完全円錐液体スプレーノズルがある。

例えば鋼スラブのような金属材を型から押し出す金属鋳造作業において、押し出された金属に水をスプレーし速やかに冷却する必要がある。この場合、金属材への冷却液のスプレーが不均一であると、好適に冷却される部分と、されない部分が生じ、表面の品質不良が生じたり、裂けを生じたりする。

この冷却用スプレーノズルとして、いわゆる完全円錐液体スプレーノズルと称されるものがあり、このスプレーノズルは、連続鋳造作業でスプレーされる液体の量が、金属材が鋳造される速度に比例することが要求され、鋳造速度に応じそれに合わせてスプレーの角度は変わることなく、スプレーの圧力を変動可能とすることが望ましい。

従来、この種の完全円錐液体スプレーノズルとしては特表２００５−５０８７４１が存在する。

特表２００５−５０８７４１

この特許文献１の完全円錐液体スプレーノズルでは、ノズル本体は、放出オリフィスに連通している液体流路と、通路内の放出オリフィスの上流に配置されているベーンとを有し、ベーンは、軸線方向の流れを形成するための中心オリフィスと、円周上に離間して配置されている。また、複数の液体の流れを接線方向に向けるための複数の角度の付いた通路を有し、液体の過流やブレークダウンを起こし、軸線方向の流れと合流させることで、放出オリフィスから放出される液体が、金属が鋳造される速度の変化に比例する液体圧力の変化にも関わらず、鋳造金属のより均一な冷却のために用いるようにしている。

しかしながら、この特許文献１に係るスプレーノズルは、スプレー角度が一定である圧力範囲がおよそ０．１４ＭＰａ〜０．６ＭＰａである。０．７ＭＰａ以上の圧力ではスプレーノズル角度は狭くなる。そのため、対応可能な金属材の鋳造速度範囲に限りがあり、鋳造速度範囲が低速から高速まで広い場合には対応できないという課題があった。

また、スプレー角度が約７０°であり、カバーする範囲が狭い。複数のノズルを並列に並べ、金属材の表面全体をカバーするためには数多くのノズルが必要である。そのため、ノズルシステムのメンテナンスに時間がかかるという課題があった。そして、ノズルシステム当たりのノズル個数を少なくしメンテナンス性を良好にするために、より広いスプレー角度のノズルが望まれていた。

この発明は上記のことに鑑み提案されたもので、その目的とするところは、０．１ＭＰａから１．０ＭＰａまでの広い圧力範囲においてスプレー角度が一定で、かつスプレー角度が７０°より広い９０°の範囲までカバーできる広角フルコーンスプレーノズルを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明は、ほぼ中空状であって上流側に液体供給口（５）が設けられ、下流側に液体放出オリフィス（７）が設けられ、かつノズル本体（２）の内部にベーン（８）が固定された広角フルコーンスプレーノズルを備え、前記ベーン（８）の中央部にはベーン中央孔（１４）が形成され、かつベーン（８）の下流側外周部（９）はテーパ状に形成され、ノズル本体（２）の内周面との間に環状チャンバ（１１）が形成されていると共に、ベーン（８）の下流側に渦巻きチャンバ（１３）が形成され、ベーン（８）の外周には角度をもった複数の角度通路（１５）が形成された広角フルコーンスプレーノズルであって、
前記角度通路（１５）の下流側の位置を前記ベーン中央孔（１４）の中心の中線（ｂ）より上方位置に設定し、かつ渦巻きチャンバ（１３）と環状チャンバ（１１）の長さ（Ｌａ）をベーン（８）の直径（Ｌｂ）以下とし、広い圧力範囲で広いスプレー角度の噴射を可能とし、かつ前記角度通路（１５）の上流側の角度通路端（Ａ）は前記ベーン中央孔（１４）の円周の接線（ａ）と同一線上にあり、角度通路（１５）の下流側の最下流端（Ｂ）は前記ベーン中央孔（１４）の中線（ｂ）と前記接線（ａ）との間に位置させ、前記渦巻きチャンバ（１３）と環状チャンバ（１１）の長さ（Ｌａ）をベーン直径（Ｌｂ）の０．８倍〜１．０倍とし、かつ角度通路（１５）の流路面積を前記ベーン中央孔（１４）の流路面積の１．２倍〜１．７倍の面積比としたことを特徴とする。

請求項１、２に係る本発明によれば、角度通路１５の下流側の角度通路端Ａは前記ベーン中央孔１４の円周の接線ａと同一線上にあり、角度通路１５の上流側の最下流端Ｂは前記ベーン中央孔１４の中線ｂと前記接線ａとの間に位置させたため、ベーン８の角度通路下流端側から流入した液体はベーン下流側外周部９で流路面積が広がることになり、チャンバで回転流と乱流が生じ、チャンバ内で回転する液体の量と流速を調整でき、０．１Ｍｐａ〜１．０Ｍｐａの範囲で圧力を変動させてもスプレー角度が変化せず、均一なスプレー分布を生成し得る。
また、渦巻きチャンバ１３と環状チャンバ１１の長さＬａをベーン直径Ｌｂの０．８倍〜１．０倍としたため、上記構成と相俟ってベーン８の中央孔１４からの直進流と角度通路１５からの回転流がチャンバで適度に混合され、０．１Ｍｐａから１．０Ｍｐａの範囲において圧力を変動させてもスプレー角度が変化せず、均一なスプレー分布を生成することができる。
さらに、角度通路１５の流路面積を前記ベーン中央孔１４の流路面積１．２倍〜１．７倍の面積比としたため、ベーン中央孔１４からの流れと角度通路１５からの流れがチャンバ内で適度に混合されて噴霧され、均一なスプレー分布とすることができる。

（ａ）は本発明の一実施例に係る広角フルコーンスプレーノズルの正面図、（ｂ）はその側断面図である。（ａ）は下流側から見た本発明で用いられるベーンの平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上流側から見た平面図である。スプレー角度を９０°に設定した場合において、圧力が０．１Ｍｐａから１．０Ｍｐａの範囲でスプレー角度がほぼ一定であることを示す説明図である。スプレー分布を表す説明図である。スプレーノズルの下流側の平面図でスプレー分布の計測方向を示す説明図である。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明するが、本発明は図示の実施例に限定されるものでなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能であることは云うまでもない。

図１（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例の正面図および側断面図を示す。

これらの図中、１は広角フルコーンタイプのスプレーノズルで、（ｂ）図において、図中右側は液体を供給する上流側となる。また、左側は下流側に相当する。このスプレーノズル１は、細長い中空円筒状のノズル本体２を備えている。ノズル本体２の外周のほぼ中央部から図中右側の上流端にかけて供給ラインまたは液体供給管（図示せず）と接続するためのネジ部３が形成されている。また、ノズル本体２の反対側の下流端側頭部外形４は、（ａ）図に示すように、六角形に形成されている。これはネジ部３に液体供給管を接続する場合、レンチによって締め易くするためである。

ノズル本体２の上流端側には液体供給用の供給口５が開口し、かつノズル本体２の内部には軸線方向に沿って液体通路６が形成されている。また、ノズル本体２の下流端中央部には液体放出オリフィス７が形成されている。この液体放出オリフィス７はほぼ円筒状に形成され、液体放出オリフィス側のノズル本体２の内周面は液体放出オリフィス７に向って内径が小さくなってゆくテーパ状の切頭円錐形に形成され、かつ液体放出オリフィス７の出口は下流側へ向って拡径していくテーパをもたせた切頭円錐形に形成されている。

このように、液体放出オリフィス７の出口領域を下流側に向ってＲのついたテーパ状としたのは、液流はテーパに沿って滑らかに放出されることとなり、広角度のスプレーを生成できるようにしたためである。この場合、Ｒの角度の調整により７０°〜９０°の範囲のうち一定のスプレー角度が維持される。

また、ノズル本体２内部の液体通路６のほぼ中央部には供給口５から圧入されたベーン８が設けられている。ベーン８の下流側の外周部９は、上流側に向って先細となるテーパ状をなし、かつその後方、つまり上流側のベーン外周部１０はノズル本体２の内周面と当接しベーン８は固定されている。

そして、ベーン下流側外周部９と、それと対面するノズル本体２の内周面とによって環状チャンバ１１が区画形成されている。また、ベーン８の平面状の先端面１２と、ノズル本体２の内周とによって渦巻きチャンバ１３が区画形成され、これらによってチャンバが構成されている。

このベーン８はノズル本体２内を通過する液体に対し渦巻き運動を起こさせ、かつ液体を粒子にまで分解し、液体放出オリフィス７から円錐状のスプレーパターンを放出させる働きをなす。

すなわち、ベーン８の中央部には、液体放出オリフィス７と同軸状に断面円形のベーン中央孔１４が形成されている。

また、ベーン８の外周部には液体流入口側から渦巻きチャンバ１３側に向って伸びる、好ましくは３つの角度をもった角度通路１５が等間隔で形成されている。

これらの角度通路１５は、図２（ａ）、（ｃ）に示すように、ベーン８の周縁の周りに円周に沿って１２０°ずつ離間して配置されている。そして、これらの角度通路１５は、下流側、上流側から見た場合ほぼ矩形をなしている。

図２（ｂ）、（ｃ）において、θはベーン中央孔１４の中線に対しての角度通路１５の角度で２５°〜３５°である。αはベーン下流側外周部９のテーパの角度で、４５°〜５５°であり、この下流側外周部９の長さはベーン全体の軸線方向の長さの１／２となっている。Ｗは角度通路１５の幅、ｄは角度通路１５の深さで、角度通路の幅Ｗは深さｄよりも大である。

本発明において特徴的なことは、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、角度通路１５の下流側の上流側の角度通路端Ａはベーン中央孔１４の円周の接線ａと同一線上にあり、かつ、横から接線と角度通路端Ａを合わせた位置で見たとき、角度通路１５の下流側の角度通路の最下流端Ｂはベーン中央孔１４の中線ｂと接線ａを通過する側の間にあるように構成している。

したがって、ベーン８の角度通路下流端側から流入した液体は、切頭円錐状のベーン下流側外周部９で流路面積が広がることにより、環状チャンバ１１と渦巻きチャンバ１３において回転流と乱流を起こすため、ベーン中央孔１４からの直進流とよく混合されることになる。このように、角度通路１５の下流側の最下流端Ｂがベーン中央孔１４の中線ｂと接線ａを通過する側の間にあることで、圧力液が他方の角度通路面Ｃにあたる面積を適度にすることにより、渦巻きチャンバ１３内で回転する液体の量と流速とが調整され、０．１Ｍｐａ〜１．０Ｍｐａの広い範囲において圧力を変動させても、スプレー角度が広角度で変化せず、かつ均一なスプレー分布を生成する。

また、本発明のノズル本体２では、図１（ｂ）に示すように、渦巻きチャンバ１３と環状チャンバ１１の長さＬａは、図２（ｃ）に示すベーン直径Ｌｂの０．８倍〜１．０倍に構成している。

このようにすると、ベーン８のベーン中央孔１４からの直進流と角度通路１５からの回転流が環状チャンバ１１、渦巻きチャンバ１３内で適度に混合されるため、０．１Ｍｐａ〜１．０Ｍｐａの広い範囲において圧力を変動させても、スプレー角度が広角度で変化せず、かつ均一なスプレー分布を生成する。

すなわち、ベーン直径Ｌｂに対するチャンバの長さＬａの比が０．８より小さいと、直進流と回転流の混合が少なくなるため、ノズル中央の噴霧量が多くなり均一なスプレー分布にならない。また、ベーン直径Ｌｂに対するチャンバの長さＬａの比が１．０より大きいと、チャンバ内で回転流が多くなるため、液体放出オリフィス７からの噴霧量が少なくなり、均一なスプレー分布にはならない。また、環状チャンバ１１、渦巻きチャンバ１３内の混合流の抵抗が大きいために流量が出にくくなる。

また、本発明では、角度通路１５が３個の場合、ベーン８の角度通路端Ａにおいて、それぞれの角度通路１５の流路面積はベーン中央孔１４の流路面積の１．２倍〜１．７倍の面積比としている。

この面積比内では、ベーン中央孔１４からの流れと角度通路１５からの流れが環状チャンバ１１、渦巻きチャンバ１３内で適度に混合されて噴霧されるので、均一なスプレー分布になる。１．２倍未満では環状チャンバ１１、渦巻きチャンバ１３内で回転する流体が少ないため、ノズル中央の液体放出オリフィス７からの噴霧量が多くなり均等なスプレー分布にはならない。また、１．７倍より大きい場合は、環状チャンバ１１、渦巻きチャンバ１３内で回転する流体の量と速度が多いため、液体放出オリフィス７からの噴霧量が少なく周囲の流量が多くなり、均一なスプレー分布にはならない。

図３は本発明のノズルの実施例で、液体放出オリフィス７から噴射されるスプレー角度を９０°とした例である。表に示すように圧力を０．１Ｍｐａから１．０Ｍｐａの範囲で変化させ、スプレー流量（Ｌ／ｍｉｎ）を８．８から２４に変化させてもスプレー角度はほぼ変化しないことがわかる。

図４は本発明のノズルのスプレー分布を表すグラフである。流入液圧が０．７Ｍｐａ、０．２Ｍｐａと変わってもスプレー分布は均一である。

図５はスプレー分布の計測方向を示すもので、４５ａ方向でも４５ｂ方向でもスプレー分布は同一であり、偏りがない。

なお、上記実施例では角度通路１５を３つにした場合について説明したが、使用目的によって適宜増減しても良いことは勿論である。

本発明は、例えば金属鋳造作業において用いると好適である。金属材の鋳造設備において、複数のノズルを、隣接するノズルの放出スプレーの被覆領域が互いに部分的に重なり合うように一定の間隔で並列に並べ、冷却液が均等に被覆領域に当たるようにする。

本発明のスプレーノズルはスプレー角度が広いため、スプレーノズル個数が少なくて済むので、ノズルのメンテナンスにかかる時間を短縮することができる。また、コスト面でもコストダウンを図り得る。

金属材の適切な冷却を行うためには、連続鋳造作業でスプレーされる液体の量が、金属材が鋳造される速度に比例していなければならない。そして、速度に応じてノズル圧力を変えスプレー量を変えている。本発明のスプレーノズルは圧力を変化させてスプレー量を変えてもスプレー角度は変わらないので、鋳造速度範囲が低速から高速まで広い場合でも冷却液を均等に被覆領域に当てることが可能となる。

なお、用途は金属材の冷却に限らず、その他として、例えば物品の洗浄、湿潤などに用いても良い。

１スプレーノズル
２ノズル本体
３ネジ部
４下流端側頭部外形
５供給口
６液体通路
７液体放出オリフィス
８ベーン
９ベーン下流側外周部
１０ベーン外周部
１１環状チャンバ
１２先端面
１３渦巻きチャンバ
１４ベーン中央孔
１５角度通路

Ａ角度通路端
Ｂ最下流端
Ｃ角度通路面
ａ接線
ｂ中線

Claims

ほぼ中空状であって上流側に液体供給口（５）が設けられ、下流側に液体放出オリフィス（７）が設けられ、かつノズル本体（２）の内部にベーン（８）が固定された広角フルコーンスプレーノズルを備え、前記ベーン（８）の中央部にはベーン中央孔（１４）が形成され、かつベーン（８）の下流側外周部（９）はテーパ状に形成され、ノズル本体（２）の内周面との間に環状チャンバ（１１）が形成されていると共に、ベーン（８）の下流側に渦巻きチャンバ（１３）が形成され、ベーン（８）の外周には角度をもった複数の角度通路（１５）が形成された広角フルコーンスプレーノズルであって、
前記角度通路（１５）の下流側の位置を前記ベーン中央孔（１４）の中心の中線（ｂ）より上方位置に設定し、かつ渦巻きチャンバ（１３）と環状チャンバ（１１）の長さ（Ｌａ）をベーン（８）の直径（Ｌｂ）以下とし、広い圧力範囲で広いスプレー角度の噴射を可能とし、かつ前記角度通路（１５）の上流側の角度通路端（Ａ）は前記ベーン中央孔（１４）の円周の接線（ａ）と同一線上にあり、角度通路（１５）の下流側の最下流端（Ｂ）は前記ベーン中央孔（１４）の中線（ｂ）と前記接線（ａ）との間に位置させ、前記渦巻きチャンバ（１３）と環状チャンバ（１１）の長さ（Ｌａ）をベーン直径（Ｌｂ）の０．８倍〜１．０倍とし、かつ角度通路（１５）の流路面積を前記ベーン中央孔（１４）の流路面積の１．２倍〜１．７倍の面積比としたことを特徴とする広角フルコーンスプレーノズル。