JP6530017B2 - 二流体ノズル - Google Patents

Description

この発明は内部混合タイプの二流体ノズルに関する。

二流体ノズルとしては種々のタイプのものが存在し、大別すると内部混合タイプと外部混合タイプとがある。

ノズル内部で流体を混合するようにした内部混合タイプでは微粒化が効率的に行うことができ、微粒子が得やすい反面、混合気が固化しやすいノズルではノズル内部を混相流が搬送されるため、目詰まりを起こしやすく、短時間で使用できなくなるという欠点がある。

一方、外部混合タイプのノズルは流体がノズル外部の大気中で混合されるため、目詰まりしにくいという利点がある。このため、固化しやすい液でも使用できるが、大気中で混合するため飛散してしまい微粒化性能が劣り、用途が狭いといった欠点がある。

この種のノズルとしては例えば次のようなものがある。

特開２００６−８２０５８ 特開２００５−２９６８７４ 特開２００９−１１９３５２ 特開平７−１７１４４４

文献１のものは、噴霧後に大気中を舞うであろうミストの再付着を防止することに主眼をおいたノズルである。このノズルは内部で液を混合するタイプのため、内部での搬送中に液の固着、堆積が始まり、数時間といった極めて短い運用時間で目詰まりを起こすことを確認した。
文献２のものは外部混合タイプで、大気中で液を衝突させ微粒化を計りパターンを形成するものである。
この外部混合タイプのものは流体出口が２ケ所になる。このため、大気中で微少量を均等に噴霧し衝突させるために極めて精密な加工精度が要求されるという課題がある。また、ノズルのメンテナンスが困難なため、もっと簡素化された構造が求められている。
文献３のものは、固化しやすい液をノズル内部で循環させ、固化を防ぎながら必要量を弁でコントロールし供給する構造をもったノズルである。
このノズルは大気中に噴霧されるまで液とガスとの接触がなく固化を防ぐことは可能であるが、微粒化を大気中で行うため、噴霧後の粒子径において粒度分布が広くなり、平均粒子径が大きい傾向にあり、薄膜のコーティング用途などでは使用できず、更なる微粒子化が要求されるという課題がある。
文献４のものは、液体噴霧焙焼ノズルの先端部に液溜まりを生じない加工を行い、ノズル外部で流体を混合するノズルである。
このノズルは、ノズル部に注目した際に微粒化を行う部分の構造は文献３に類似する。このノズルでは微粒化が大気中で行われる構造のため、広範囲の粒度分布になるため、微粒化の面において不利であるという課題がある。

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、内部混合タイプのものにおいて、目詰りしにくく、優れた微粒化性能が得られ、長時間の使用を可能とし、かつ簡易構成であって種々の用途に利用可能な内部混合タイプの二流体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、内部に流体流路が形成され、上流側から供給液が供給される液キャップ本体（１）と、この液キャップ本体（１）の下流部に設けられ、かつ供給ガスが内部に供給されるエアキャップ本体（２）とを備え、前記液キャップ本体（１）の下流端には液出口（１ｇ）が設けられ、前記エアキャップ本体（２）は内部に供給ガスが供給されるガスチャンバー部（２ｂ）が形成され、かつこのガスチャンバー部（２ｂ）の下流側には混合気出口（２ｃ）が形成され、前記液出口（１ｇ）は前記混合気出口（２ｃ）の上流側であって前記混合気出口（２ｃ）の近傍に設けられ、前記液出口（１ｇ）の径より下流に設けられた混合気出口（２ｃ）の径は大に形成され、かつ前記液出口（１ｇ）と前記混合気出口（２ｃ）との間に混合部（ｂ）が形成され、この混合部（ｂ）の出口径より前記混合気出口（２ｃ）は大きな断面積に形成され、混合気出口（２ｃ）の直後に壁面（２ｆ）が前記混合気出口（２ｃ）から前端下流側に向って次第に内径が拡大する円錐台形状の混合気拡大部（２ｅ）を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の二流体ノズルにおいて、前記混合気拡大部（２ｅ）はその一部にくぼみ部（２ｇ）を有する形状としたことを特徴とする。

請求項１記載の本発明によれば、混合気出口２ｃに設けた混合気拡大部２ｅを円錐台形状にしたため、出口からの混合気は急激に拡散されて微粒化が促進され、微粒化ガスにて搬送しやすい液滴とすることで混合気出口の液堆積を軽減でき、よって目詰り防止を図り得る効果がある。
また、混合気出口２cより液出口１ｇを上流側に配置し、液出口１ｇの前方にあるガス圧より高い力で供給液を液出口１ｇから噴きだすようにしたため、供給液が液出口直後からガスの力で粉砕され、微粒化が促進された状態の混合気を得ることができる。
また、液出口１ｇから噴きだす供給液の最大流速の液出口１ｇ、混合気出口２ｃ間を混合部ｂとし、混合部ｂの外周側から中心に向って供給液の流れとガスが衝突して微粒化を促進し、液出口１ｇの径より混合気出口の径を大きくし、速やかに排出し、直後にすり鉢状の混合気拡大部２ｅを介し混合気を急激に拡散させ、内部での液堆積、固化、固着を低減でき、長期にわたって安定的に使用し得る効果を有する。
また、簡易構成であるため、製造が容易で製造コストを低減でき、かつノズル内部に堆積しないためメンテナンスも簡単に行うことができ、メンテナンスの頻度も少なくなるだけでなく、メンテナンス時にノズルを分解清掃するといった作業時間も短くなるといった効果がある。
請求項２記載の本発明によれば、混合気拡大部２ｅを混合気出口直後に設けたため、出口からの混合気を直ちに拡散して微粒化を促進でき、かつくぼみ部２ｇを設ければ更に拡散して外部に速やかに排出でき、確実に液堆積を軽減できる効果がある。

本発明の一実施例の縦断面図。 同上の動作説明図。 同上の混合部の拡大説明図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 本発明の更に他の実施例の縦断面図を示す。

以下、図面に沿って本発明の好ましい実施例を説明するが、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。

図１は本発明に係る内部混合タイプの二流体ノズルの一実施例を示す。この二流体ノズルは、液キャップ本体１と、この液キャップ本体１の下流側先端部に設けられたエアキャップ本体２とを備えている。

液キャップ本体１は中空状をなし、図中右側、すなわち上流側が開口しており、例えば離型剤や接着剤等の供給液Ａの供給口１ａとなっている。内部には中央部軸線方向に直線状で内径が均一な第１の流体流路１ｂが形成され、この第１の流体流路１ｂの下流側に、更に下流側に向って順次径が縮小する、断面が先細りとなるテーパ状に形成された第２の流体流路１ｃが形成されている。また、第２の流体流路１ｃの下流側には第１の流体流路１ｂに比べ小径であって内径が均一な第３の流体流路１ｄが形成されている。

液キャップ本体１の下流側の先端部に取り付けられたエアキャップ本体２はほぼ円筒状をなすガス供給部３を有している。

ガス供給部３は、エアキャップ本体２の内端部２ａに取り付けられ、かつこのガス供給部３は液キャップ本体１の下流側先端外周の取付部１ｅに密着し適宜の手段によって一体化されている。

ガス供給部３にはエアキャップ本体２内にガスを供給するガス流路孔３ａが形成されている。また、ガス流路孔３ａの下流側にはガス整流溝３ｂが形成され、このガス整流溝３ｂはエアキャップ本体２内に形成されたガスチャンバー部２ｂに通じている。

ガス整流溝３ｂの径はガス整路孔３ａに比べ大径となっている。

また、ガス整流溝３ｂとガスチャンバー部２ｂとの間にガス整流溝３ｂより大径のガス整流チャンバー３ｃが形成されている。このガス整流チャンバー３ｃはガス流路孔３ａから入ってくるガスがガス整流溝３ｂで整流されるよう流れを変える役割をなす。

ガスチャンバー部２ｂ内の中央部には内部に第３の流体流路１ｄを有する円筒状の液出口外筒１ｆの先端部が突出し、この液出口外筒１ｆの先端開口部分が液出口１ｇとなっている。

また、ガスチャンバー部２ｂは前方に形成された混合気出口２ｃを介し混合気拡大部２ｅに連通している。

なお、ガスチャンバー部２ｂにはガス流路孔３ａから流入されてきた供給ガスＢがぶつかり、その方向を角度を変えて液出口１ｇ側に変化させる壁２ｄが形成されている。この壁２ｄは、エアキャップ本体２の内側に向って突出し、かつ中央部に混合気出口２ｃが形成されている。この混合気出口２ｃの上流側に液出口１ｇが位置している。

なお、速やかに混合気を排出するよう液出口１ｇの径に比べ混合気出口２ｃの径を大に形成している。また、液出口１ｇは混合気出口２ｃの近傍に位置させている。

ガスチャンバー部２ｂの前方にある混合気拡大部２ｅの内周面である壁面２ｆは、混合気出口２ｃから前端の下流側に向って次第に内径が大きくなるすり鉢状に形成している。

ここで、すり鉢状とは、図1に示すように、全体としての形状はほぼ円錐台形をなし、椀状の形状や、その一部にくぼみ部２ｇが形成されたものを含むものとする。この実施例では混合気拡大壁面２ｆのほぼ中央部にくぼみ部２ｇが形成されている。くぼみ部２ｇの部分で内径が拡大され、そこからノズル噴射口２ｈに向って順次拡径する形状としている。

このくぼみ部２ｇは図示例では混合気拡大壁面２ｆのほぼ中央部となっているが、必ずしもこの位置に限定されるものでなく、混合気出口２ｃ側としても良い。また、くぼみ部２ｇは断面視で略くの字状にへこんだ形状に形成されているが、この形状に限られるものではない。

図２、図３は供給口１ａから供給された供給液Ａ（実線で示す）と、ガス流路孔３ａからの供給ガスＢ（破線で示す）の流れの説明を示す。

動作にあたり所定の液圧の供給液Ａが供給口１ａから供給されると第２の流体流路１ｃの内径は奥にいくに従って次第に先細になって絞られるため、供給液Ａの流速は増加して第３の流体流路１ｄに入り流速は速まる。

このようにして、供給液Ａは第１〜第３の流体流路１ｂ〜１ｄを通って、液出口１ｇからガスチャンバー部２ｂ内に排出されるが、ガスチャンバー部２ｂには微粒化用の供給ガスＢが存在し、液出口１ｇの周囲を流れるガスが液出口１ｇに蓋をするような流れを作ることで、液出口１ｇからの噴霧液に内圧をかけることが可能となる。すなわち、本発明では液出口１ｇを混合気出口２ｃよりも上流側に配置し、周囲を流れるガスが液出口１ｇに蓋をするような流れとしている。したがって、供給液Ａを液出口１ｇから噴霧させるためにはガスの蓋による圧力よりも高い力で排出する必要があるため、供給液Ａは液出口１ｇ直後でガスに粉砕され微粒化が促進され均一な粒子分布を得ることが可能としている。

また、本発明では液出口１ｇを混合気出口２ｃ近傍に位置させたことも構成上の特徴としている。

すなわち、従来の技術では、微粒化用ガスは液と並行して同じ方向に流れ、ガス流れの中央部に液が噴霧される。このため、均一にガスと液を混合するには、チャンバー部と呼ばれる混合エリアを必要とした。そのチャンバー部の後に、混合気出口が必要であるため、流れに変化が生じる箇所に液の堆積が起こっていた。

上記課題を解決するため、本発明では微粒化用ガスの流れが壁２ｄによって液流れに対し角度をもって接触する構造にすることで、チャンバー部をほぼ必要としない程度まで小さくすることで、混合気出口２ｃ近傍に液出口１ｇを配置する構成とした。この際、液出口１ｇより十分大きな径の混合気出口２ｃとすることで、液が固化するよりも早く下流側へ排出でき、ノズル噴射口２ｈから混合気を速やかに大気中へ排出させることができるようにした。

混合気出口２ｃの径は、図３において斜線で示す混合部ｂの出口ｂ´より大きな径とする必要がある。このため、本発明では混合部ｂの出口ｂ´の径に対し混合気出口２ｃの径を１．４〜１．５倍とすると好ましい。なお、２．５倍以上とすると大きすぎ、微粒化が不十分となることを実験により確認した。また、図３における混合部ｂの衝突部の断面積（ハッチング部）において、その縦、横の比が１：３程度とすることが好ましい。この場合、液流れの軸方向が縦、ｂ´の径が横となる。

また、本発明では液出口１ｇからの噴霧後の混合気は混合気出口２ｃ直後から混合気拡大部２ｅによって速やかに拡散させることで微粒化が促進され、ガスにて搬送されやすい液滴とすることで混合気出口２ｃの液堆積を軽減することができる。

この場合、混合気出口２ｃ直後に設けたすり鉢状の混合気拡大部２ｅによって混合気の流れを外周側に拡散するように噴霧方向を変化させるようにした。

上記構成としたことにより、微粒化用ガスは、液との混合部であるガスチャンバー部２ｂで最も圧縮され、直後の混合気出口２ｃにてすぐに膨張し、すり鉢状の混合気拡大部２ｅによって膨張する流れが阻害されずに速やかに大気中へ解放させることができ、ガス流れを阻害する個所がないため、固化しやすい液が固まる前にノズル噴射口２ｈから大気中に排出させることができる。

上記において、ガスが最も圧縮される個所は、図３に示す斜線の混合部ｂであり、混合気は混合気出口２ｃ直後から微粒化される。微粒化された混合気はそのまま排出されるため、固化した液の堆積は従来技術の内部混合ノズルよりも低減される。

表１は本発明の開発品ノズルのザウター平均径Ｄ３２等を示す。右端部の太枠で示すように、開発品は平均粒子径の大きさが従来技術の外部混合ノズルと比較して４０〜７０％程度とガス量を変化させた状態においても粒子径が小さくなっている。つまり微粒化が十分行われていることがわかる。

表１
噴霧粒子径の比較
開発品ノズルと従来技術の外部混合ノズルで、同じ液量を噴霧した際の粒子径を比較した結果は、下表のとおりである。

上記表１から分かるように、エア（供給ガス）の圧力０．１ＭＰａ近傍の低圧域においても十分に微粒化されており、また低圧であるためミストの跳ね返りが少ない飛散が低減された薄膜コーティングにも使用でき、利用分野は広く、種々の用途に利用できる。

なお、上記実施例では、くぼみ部２ｇを断面視で略くの字状にへこんだ形状としたがこれに限らず、図４に示すようなテーパ状、あるいは図５に示すような段状、さらには特に図示しないが曲面状、その他の形状としても良い。その他の構成は前述の実施例と同様のため詳細な説明は省略する。

１ 液キャップ本体
１ａ 供給口
１ｂ 第１の流体流路
１ｃ 第２の流体流路
１ｄ 第３の流体流路
１ｅ 取付部
１ｆ 液出口外筒
１ｇ 液出口
２ エアキャップ本体
２ａ 取付部
２ｂ ガスチャンバー部
２ｃ 混合気出口
２ｄ 壁
２ｅ 混合気拡大部
２ｆ 混合気拡大壁面
２ｇ くぼみ部
２ｈ ノズル噴射口
３ ガス供給部
３ａ ガス流路孔
３ｂ ガス整流溝
３ｃ ガス整流チャンバー

Claims (2)

1. 内部に流体流路が形成され、上流側から供給液が供給される液キャップ本体（１）と、この液キャップ本体（１）の下流部に設けられ、かつ供給ガスが内部に供給されるエアキャップ本体（２）とを備え、前記液キャップ本体（１）の下流端には液出口（１ｇ）が設けられ、前記エアキャップ本体（２）は内部に供給ガスが供給されるガスチャンバー部（２ｂ）が形成され、かつこのガスチャンバー部（２ｂ）の下流側には混合気出口（２ｃ）が形成され、前記液出口（１ｇ）は前記混合気出口（２ｃ）の上流側であって前記混合気出口（２ｃ）の近傍に設けられ、前記液出口（１ｇ）の径より下流に設けられた混合気出口（２ｃ）の径は大に形成され、かつ前記液出口（１ｇ）と前記混合気出口（２ｃ）との間に混合部（ｂ）が形成され、この混合部（ｂ）の出口径より前記混合気出口（２ｃ）は大きな断面積に形成され、混合気出口（２ｃ）の直後に壁面（２ｆ）が前記混合気出口（２ｃ）から前端下流側に向って次第に内径が拡大する円錐台形状の混合気拡大部（２ｅ）を設けたことを特徴とする二流体ノズル。
2. 請求項１記載の二流体ノズルにおいて、前記混合気拡大部（２ｅ）はその一部にくぼみ部（２ｇ）を有する形状としたことを特徴とする二流体ノズル。