JP6879571B2

JP6879571B2 - 流体流れを混合するノズルおよび方法

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Publication number: JP6879571B2
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Inventors: アリソン・ホクシー; ポール・ジョン・ストリコウスキー; ビノド・スリニバサン
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Filing date: 2016-08-26
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Description

噴霧ノズルなどのノズルは、液体流れを噴霧するために使用されることがある。噴霧された液体流れ（例えば、エアロゾル噴霧のようなエアロゾル化された液体流れと称されることもある）は、空気などの気体中に分散される液滴を含む。例えば、液体流れは、液体流れに気体流れを向けることによって霧化され、液滴を生成することがある。一部の例では、液体燃料は、気体タービン燃焼器、およびボイラーなどでの使用のために噴霧され得る。他の例では、塗料または他のコーティングなどの液体は、塗装用途などのスプレーコーティング用途のために噴霧され得る。液体の殺虫剤および除草剤などは、例えばスプレー用に噴霧され得る。

別の例として、燃焼エンジンは、燃焼前に液体燃料を急速に噴霧することに依拠している。一般に、液体スプレーの噴霧は、その流体特性、密度、粘度、および表面張力、ならびに移送装置によって生成される慣性力に左右される。気体タービンエンジンなどに採用される従来の空気補助噴霧ノズル構造（例えば、空気がノズルを出るときに液体流れに沿って噴射される）は、石油燃料の急速な噴霧によく適している。しかしながら、空気補助噴霧ノズル構造は、多くの場合、（ディーゼルおよび他の石油燃料の粘度と比較して）バイオオイル成分が著しく高い粘度を有するために、バイオマスベースのニートオイル（バイオオイル）などのような一部の代替燃料源を十分に噴霧できない。例えば、大豆油は密度および表面張力の点でディーゼルに類似しているが、大豆油の粘度はディーゼル油の２５倍である。ストレート植物油は、この高い粘度および低い点火性のために、圧縮エンジンにおいて操作上および耐久性の問題を引き起こすことが示されている。従来の空気補助噴霧ノズル構造では、この増加した粘度の動的効果によって、噴射のレイノルズ数がノズルから出る際に著しく減少し、液体噴射の分散を抑制し、噴霧の程度が不十分になる。

代替的な噴霧ノズル構成は、米国特許第８２０１３５１号（Ganan Calvo）に記載されており、フローブラーリング噴霧(flow-blurring atomization)と称される。フローブラーリングは、ノズルの出口領域の内外の噴霧する気体流れを分岐させることによって発生する。高粘度燃料を用いたフローブラーリング噴霧が可能であると考えられる。しかし、フローブラーリング法を行うと、ノズル構成要素の特定の幾何的関係によって、噴霧される液体の特性を選択的に変更できないおそれがある。

上記に照らして、例えば、バイオオイルなどの高粘度液体を噴霧できるノズル、ならびに他の流体混合装置（例えば、液体と気体の混合器ないしシステム、気体と気体の混合器ないしシステム、または、液体と液体の混合器ないしシステム）が求められている。

本開示の一部の態様は、ノズルアセンブリに関する。このアセンブリは、内側チューブと外側ハウジングとを含む。内側チューブは、出口端で終端し、第１流路を画定する。第１流路は、第１の流体流れを主流方向に出口端に誘導するように、出口端に対して開放されている。外側ハウジングは、管状側壁および端壁を含む。管状側壁は中心軸を画定する。いくつかの実施形態では、管状側壁と内側チューブとが同軸に配置され、ともに中心軸を画定する。端壁は、出口オリフィスと、第２の流体流れの内部ガイド構造とを画定する。いくつかの実施形態では、端壁には、出口オリフィスを画定する中央に位置する開口部が設けられている。内側チューブは、出口端が出口オリフィスと軸方向に整列するように（例えば、内側チューブの一部が外側ハウジング内に組み付けられるように）、外ハウジングに組み付けられる。さらに、出口端を含む内側チューブの一部は、内側チューブと外側ハウジングとの間に第２流路を設けるために管状側壁の径方向内側にある。内部ガイド構造は、第２流路からの第２の流体流れの少なくとも一部を、主流方向とは初めは反対方向にして出口端に誘導するように出口端に対して構成および配置されて混合流体流れを生成する。いくつかの実施形態では、ノズルアセンブリは、出口端と端壁との間の軸方向距離が調整可能であるように構成されている。他の実施形態では、内部ガイド構造は、ガイド面およびガイドポストを含む。ガイドポストは、ガイド面から内側チューブの方向に突出し、出口オリフィスに対して流体的に開放された内腔を画定している。第２の流体流れは、内側チューブの第１流路に対する内腔の空間的関係の関数として、内側チューブの出口端に向かってガイドポストに沿って誘導される。

本開示の他の態様は、混合流体流れを生成する方法、例えば液体流れを噴霧する方法に関する。この方法は、内側チューブの第１流路に沿って、内側チューブの出口端に向かう主流方向で第１の流体流れを運ぶことを含む。内側チューブは、出口オリフィスを画定する端壁を有する外側ハウジングをさらに含むノズルアセンブリに含まれる。第１の流体流れは第１流路を通って運ばれる一方、第２の流体流れは外側ハウジングと内側チューブとの間に画定された第２流路を通って運ばれる。第１および第２の流体は、液体または気体であり得る（例えば、第１の流体流れは液体であり、第２の流体流れは気体であり、第１の流体流れは気体であり、第２の流体流れは液体であり、第１および第２の流体の流れはともに気体であるか、または第１および第２の流体の流れはともに液体である）。第２の流体流れの少なくとも一部は、主流方向とは初めは反対の方向に、第２の流路から出口端に向けて誘導されて、混合流体を生成し、例えばいくつかの非限定的な実施形態では噴霧される液体流れ（噴霧される液体と気体の二相流とも称される）を生成する。混合流体（例えば、噴霧される液体と気体の二相流）は、出口オリフィスを通して分配される。いくつかの実施形態では、第２の流体流れの少なくとも一部を誘導するステップは、第１の流体流れの外環部に低密度流れストリームを設けるステップを含む。他の実施形態では、混合流体は、パルス状噴霧液体流れであり、任意にパルス状噴霧液体流れの周波数を調整するステップをさらに含む。

本開示のノズルアセンブリおよび方法は、多量の異なる液体を噴霧するのによく適しており、多数の噴霧用途、ならびに他の多くの流体混合シナリオで有用である。特に、従来の噴霧ノズル構造とは異なり、本開示のノズルアセンブリおよび方法は、高粘度液体を迅速に噴霧でき、重いバイオ燃料を効率的に噴霧でき、したがって、それらの燃料のより効率的でクリーンな燃焼を可能にする。

図１Ａは、本開示の原理によるノズルアセンブリの単純化された、分解断面図である。図１Ｂは、液体流れの最終的な組み立ておよび噴霧の際の図１Ａのノズルアセンブリを示す。図２Ａは、図１Ａのノズルアセンブリに有用な外側ハウジングの側面図である。図２Ｂは、図２Ａの外側ハウジングの線２Ｂ−２Ｂに沿った断面図である。図２Ｃは、図２Ａの外側ハウジングの線２Ｃ−２Ｃに沿った断面図である。図２Ｄは、図２Ｂの外側ハウジングの一部分の線２Ｄに沿った拡大断面図である。図３Ａは、図２Ａの外側ハウジングを含む、本開示の原理によるノズルアセンブリの単純化された断面図である。図３Ｂは、図３Ａのノズルアセンブリの線３Ｂ−３Ｂに沿った断面図である。図４は、図３Ａのノズルアセンブリの一部の拡大断面図であり、使用中にノズルアセンブリによって生成される流体流れの一例を示す。図５Ａは、代替的な構成における図３Ａのノズルアセンブリの一部の拡大断面図であり、使用中にノズルアセンブリによって生成される流体流れの別の例を示す。図５Ｂは、代替的な構成における図３Ａのノズルアセンブリの一部の拡大断面図であり、使用中にノズルアセンブリによって生成される流体流れの別の例を示す。図６は、代替的なガイドポストを含む、本開示の原理による別のノズルアセンブリの一部の単純化された拡大側面図である。図７は、本開示の原理による別のノズルアセンブリの一部の単純化された拡大断面図である。図８は、本開示の原理による別のノズルアセンブリの一部の単純化された拡大断面図である。図９は、実施例セクションの例示的なノズルアセンブリによって提供される噴霧スプレーの液滴サイズ分布のヒストグラムプロットである。

本開示の態様は、第２の流体流れの方向とは反対方向にして第１の流体流れを第２の流体流れ内に誘導することによって２つの流体流れを混合して混合流体流れを生成するノズルまたはノズルアセンブリと、関連する使用方法とに関する。いくつかの非限定的な実施形態では、本開示のノズルアセンブリおよび関連する使用方法は、気体中に分散された液滴を含む噴霧された液体と気体の二相流を生成することを伴う。追加的には、本開示のノズルアセンブリは、選択されたパルス周波数を有するパルス状流体流れ（例えば、パルス噴霧流れ）を生成する性能を提供する。

本開示の原理によるノズルアセンブリ１００の一実施形態を図１Ａに示す。ノズルアセンブリ（または「対向流ノズル」）は、内側チューブ１０２および外側ハウジング１０４を含む。様々な構成要素の詳細を以下で説明する。しかしながら、一般的には、内側チューブ１０２は出口端１０６を画定する。外側ハウジング１０４は、チャンバ１０８および出口オリフィス１１０を画定する。内側チューブ１０２は、出口端１０６がチャンバ１０８内にあり、出口オリフィス１１０と軸心揃えされて径方向に対称となるように、外側ハウジング１０４に取り付けるべく構成される。参照のポイントとして、本開示のノズルアセンブリの様々な特徴は、外側ハウジング１０４単独または内側チューブ１０２と外側ハウジング１０４との任意の同軸配置によって画定される中心（または長手方向）軸Ｃを参照して説明できる（例えば、ここで使用されるものとして、「軸方向」および「径方向」のような方向の用語は、中心軸Ｃに対するものである）。使用中、図１Ｂに概略的に示されているように、第１の流体流れＦ１（液体または気体）は内側チューブ１０２を介してチャンバ１０８に運ばれ、第２の流体流れＦ２（液体または気体）はチャンバ内へ運ばれる。チャンバ１０８内の第２の流体流れＦ２は、少なくとも部分的に出口端１０６に誘導され、内側チューブ１０２に隣接するか、内部にあるか、または内部への混合流体流れＡを生成し（例えば、気体流れ（Ｆ１またはＦ２の一方）は、いくつかの非限定的な実施形態では、液体流れ（Ｆ１またはＦ２の他方）を噴霧する。）、そして混合流体流れＡは出口オリフィス１１０を通って誘導ないし分配される。以下で説明するように、外側ハウジング１０４に設けられた内部ガイド構造１１２は、第２の流体流れＦ２の少なくとも一部が第１の流体流れＦ１の主方向と初めは反対の、必要に応じて完全に反対の方向にして出口端１０６に（またはその中に）誘導されるように、出口端１０６に対して構成および配置されている。いくつかの実施形態では、パルス状混合流体流れのパルスレートが、ユーザによって任意に選択される状態で、出口オリフィス１１０でパルス状混合流体流れ（例えば、パルス状噴霧流れ）を生成するために、内部ガイド構造１１２に対する出口端１０６の軸方向配置を任意に変更できるように、ノズルアセンブリ１００が構成される。

図１Ａに戻って、内側チューブ１０２は、液体（例えば、バイオ燃料）または気体（例えば、空気）のいずれかの所望の流体とのインターフェースに適した様々な形態を取ることができる。内側チューブ１０２は、概して図に反映されているような円形の断面形状を有してもよい。代替的には、他の形状（例えば、正方形、六角形など）もまた想定される。いずれにせよ、内側チューブ１０２は出口端１０６に開放されている第１流路１２０を画定するため、第１流路１２０（全体参照される）を介して入口端１２２から出口端１０６に第１の流体（図示せず）を誘導できる。第１流路１２０は、内面１２４と外面１２６が対向する状態で、内側チューブ１０２の内面１２４によって区画または画定されている。内側チューブ１０２は、実質的に直線状であるように示されているが、他の形状もまた想定される。例えば、内側チューブ１０２のうち、外側ハウジング１０４を超えた部分ないし外側の部分は、１つ以上の曲線を含んでもよく、可撓性を有する等してもよい。

外側ハウジング１０４は、対向する第１および第２サイド１３０，１３２を概ね画定し、様々な形状をとることができる。いくつかの実施形態では、例えば、外側ハウジング１０４は、入口セクション１３４、チャンバセクション１３６、およびエンドキャップ１３８などの２つ以上の別個の構成要素ないしセクションのアセンブリによって完成され得る。入口セクション１３４は、内側チューブ１０２を（例えば、チューブガイドポート１４０で）受け、流体入口領域またはポート１４２（全体参照される）を形成ないし提供する。入口セクション１３４およびチャンバセクション１３６は、（例えば、任意の相補的ねじ山面１４４，１４６、差し込み式、または他の取り付け構造を介して）互いに組み付けられるように構成され、以下に詳細に説明するように組み付けられて完全なチャンバ１０８を画定する。任意の流れ分配部１５０は、チャンバセクション１３６（または入口セクション１３４）によって担持される。エンドキャップ１３８は、チャンバセクション１３６に組み付けられるように構成され、出口オリフィス１１０を形成する。エンドキャップ１３８（およびそこに画定される出口オリフィス１１０）は、第１サイド１３０に配置され、さらに内部ガイド構造１１２を形成および提供する。

外側ハウジング１０４は、任意選択的に複数の組み立て部品またはセクションによって集合的に画定されるものとして説明したが、一体型ないし均質な構造も同様に許容される。これを念頭において、図２Ａおよび図２Ｂは、最終組立時の外側ハウジング１０４を表しており、外側ハウジング１０４が一体型の均質体である代替的な構造（すなわち、図１Ａおよび図１Ｂの入口セクション１３４、チャンバセクション１３６、およびエンドキャップ１３８は単一構造として形成されている）を反映している。いかに形成されているかに拘らず、外側ハウジング１０４は、管状側壁１６０および端壁１６２を有するもの、ないし提供するものとみなすことができる。チャンバ１０８は、管状側壁１６０の内面１６４によって区画され（例えば、チャンバ１０８は円筒形の形状を有してもよい）、流体入口ポート１４２に対して流体的に開放されている。チューブガイドポート１４０は、外側ハウジング１０４の第２サイド１３２に設けられ、チャンバ１０８に対しても開放されている。チューブガイドポート１４０は、内側チューブ１０２（図１Ａ）を摺動可能に受け入れるように概略構成され、任意のねじ面１６６のような内側チューブ１０２の固定取り付けを促進する１つ以上の特徴を含んでもよい。

提供される場合、任意の流れ分配部１５０は、チャンバ１０８の軸長に沿って中間に配置され、管状側壁１６０の内面１６４からまたは内面１６４の径方向内向きの突出を概略伴う。より詳細には、図２Ｃに反映されているように、流れ分配部１５０は、内面１６４の径方向内側のハブ面１６８で終端するリング状の形状を有し得る。ハブ面１６８は、中心軸Ｃと同軸であり、ハブ面１６８の直径（または他の寸法）は、以下に明らかにする理由により、内側チューブ１０２（図１Ａ）の外径に一致し得る。さらに、複数の軸方向開口部１７０が、流れ分配部１５０内で、管状側壁１６０の径方向内側に画定されている。軸方向開口部１７０は、図示のように円形状に配置でき、中心軸Ｃと選択的には実質的に平行（例えば、真に平行な関係の１０％以内）に延びる。軸方向開口部１７０の例えば旋回配置などの他の構成もまた許容される。さらに他の実施形態では、流れ分配部１５０は、多孔質のプラグ状構造としてもよい。図２Ｂをさらに参照すると、流れ分配部１５０は、第１領域１７２および第２領域１７４にチャンバ１０８を効果的に分割し、以下に示すように軸方向開口部１７０によって第１領域１７２から第２領域１７４への流体の流れ（気体または液体のいずれか）を制御する。

図２Ａおよび図２Ｂに戻って、端壁１６２は第１サイド１３０に位置し、出口オリフィス１１０を形成ないし画定する。出口オリフィス１１０は、端壁１６２の外面１８０に対して開放されており、多くの種類の形状およびサイズを有してもよい（例えば、出口オリフィス１１０は、図示されているように外面１８０の方向に拡張する直径を有してもよい）。いくつかの実施形態では、出口オリフィス１１０は、軸方向ないし長手方向に中心軸Ｃと揃えられている。

出口オリフィス１１０に加えて、端壁１６２は、内部ガイド構造１１２（概して参照される）を含み、形成し、または担持する。内部ガイド構造１１２の一実施形態は、図２Ｄにさらに詳細に示されており、ガイド面１９０とガイドポスト１９２とを含む。ガイド面１９０は外面１８０に対向しており、管状側壁１６０の内面１６４から径方向内向きに突出ないし延出している。いくつかの実施形態では、ガイド面１９０は、非常に平坦または平面（例えば、真に平坦な表面の１０％以内）であってもよく、中心軸Ｃに対して実質的に垂直な平面（例えば、真の垂直関係から１０％以内）を画定する。ガイド面１９０は、非常に平坦であってもよいし、または平面でなくてもよい他の構造、例えば湾曲形状を有していてもよい。ガイドポスト１９２は、ガイド面１９０から、第１サイド１３０とは反対方向（すなわち、端壁１６２の外面１８０とは反対方向）に突出し、ガイド面１９０に対向するポストエンド１９４で終端している。ガイドポスト１９２は、出口オリフィス１１０と軸心揃えされ、出口オリフィス１１０およびポストエンド１９４に対して開放されている内腔１９６を形成する。以下により詳細に説明するように、ガイドポスト１９２の外面１９８はガイド面１９０から所望の方向に流体を誘導するのに役立ち、ガイドポスト１９２はガイド面１９０からポストエンド１９４まで延びるテーパ状の外径を有する（例えば、ガイドポスト１９２の形状は、円錐に類似してもよい）。テーパは、外面１９８の軸長に沿って均一であり得る。他の実施形態では、異なる程度のテーパが組み込まれもよく、および／または、外面１９８の一部が軸長において直線的（すなわち、中心軸Ｃと平行）であってもよい。いくつかの実施形態では、外面１９８は、実質的に滑らかであってもよい。あるいは、後述するように、渦巻状（例えば、螺旋状）の段部（例えば、ランプ）のような１つ以上の流れに影響を与える特徴が組み込まれてもよい。ガイド面１９０が湾曲している任意の実施形態では、ガイドポスト１９２の外面１９８は、ガイド面１９０の湾曲形状の連続的な表面の延長部として形成または画定できる。いずれにせよ、ガイドポスト１９２は、管状側壁１６０から径方向に離間され、チャンバ１０８内に突出する。

ノズルアセンブリ１００の最終的な構成を図３Ａに示す。内側チューブ１０２は、チューブガイドポート１４０を通じて挿入され、出口端１０６を含む内側チューブ１０２の少なくとも一部がチャンバ１０８内にあるように配置される。内側チューブ１０２は、中心軸Ｃと同軸に揃えられ、出口端１０６はガイドポスト１９２と、従って出口オリフィス１１０と軸心揃えされる。設けられた場合には、任意の流れ分配部１５０のハブ面１６８（全体参照される）は、この軸心揃えされた関係で内側チューブ１０２を支持する。いずれにせよ、内側チューブ１０２の外径は、チャンバ１０８の直径よりも小さく（少なくとも管状側壁１６０の内面１６４に沿って）、管状側壁１６０の内面１６４と、内側チューブ１０２の外面１２６との間に第２流路ないし経路２００が設けられる。図３Ｂを参照することによってさらに反映されているように、内側チューブ１０２の全周囲と管状側壁１６０の内面１６４との間の径方向の間隔に応じて、第２流路２００は環状形状を有することができる。図３Ａに戻って、流れ分配部１５０は第２流路２００に沿って配置され、第２流路２００は流体入口ポート１４２（図３Ａでは隠れているが、例えば図２Ａおよび図２Ｂ）から、第１領域１７２に沿って、軸方向開口部１７０を通り、第２領域１７４内に（流体流れの意図された方向に対して）延びている。したがって、流れ分配部１５０が内側チューブ１０２と組み合わされることで、第１領域１７２にて第２流路２００に空間が設けられる。流れ分配部１５０は、流体流れを直線的に、例えば第１流路１２０と平行な方向にするようにしてもよいし、第２の流体流れＦ２を例えば環状の第２流路２００の周りに均一に分布させるようにしてもよいし、または、第２流路２００を通過する際に第２の流体流れに渦を誘起するなどしてもよい。

端壁１６２に対する出口端１０６の軸方向関係は、一般に、出口端１０６がガイド面１９０から軸方向に離間していることを要する（出口端１０６は、ガイド面１９０から第２サイド１３２の方向に軸方向にオフセットされる）。隙間２１０が出口端１０６とガイド面１９０との間に設けられる。隙間２１０は、第２流路２００と第１流路１２０とに流体的に開放されており、これらを流体的に接続または連結している。いくつかの実施形態では、ガイドポスト１９２の外径は、第１流路１２０の直径より小さい（すなわち、内側チューブ１０２の内径より小さい）。したがって、図３Ａの１つの選択的な配置では、内側チューブ１０２は、ガイドポスト１９２のポストエンド１９４が内側チューブ１０２内にあるように軸方向に配置される（すなわち、ガイドポスト１９２の一部が第１流路１２０内に突出している）。換言すれば、隙間２１０の軸方向の長さまたは高さは、ガイドポスト１９２の軸方向の長さまたは高さよりも小さい。あるいは、さらに詳細に後述するように、内側チューブ１０２は、ガイドポスト１９２の全体が内側チューブ１０２の外側にあるように配置され得る（出口端１０６は、ポストエンド１９４から第２サイド１３２の方向に軸方向にオフセットされる。）。いずれにせよ、いくつかの実施形態では、内側チューブ１０２の所望の軸方向配置が達成されると、固定具（図示せず）を使用して、内側チューブ１０２を外側ハウジング１０４に対して選択的に固定してもよい（例えば、固定具は、チューブガイドポート１４０のねじ面１６６に固定される。）。したがって、ユーザは、内側チューブ１０２の所望の軸方向位置を選択できる。外側ハウジング１０４に対する内側チューブ１０２の選択的な配置を容易にする他の取り付け構造も同様に許容される。さらに他の実施形態では、内側チューブ１０２を外側ハウジング１０４に永久的に取り付けてもよい。いずれにせよ、ノズルアセンブリ１００は、内側チューブ１０２の外側と、外側ハウジング１０４との間の液密シール性を促進するための、ガスケットおよびＯ−リングなどの１つ以上のシール部材（図示せず）を含んでもよい。

使用中、第１の流体流れは、内側チューブ１０２内に導入され、第１流路１２０に沿って出口端１０６の方向（すなわち、主流方向）に流される。第２の流体流れは、流体入口ポート１４２（図３Ａでは隠れているが、例えば図２Ａおよび図２Ｂに示されている）に同時に導入され、第２流路２００に沿って流される。いくつかの実施形態では、流体流れは液体であり、第２の流体流れは気体である。他の実施形態では、第１の流体流れは気体であり、第２の流体流れは液体である。第２の流体流れは、隙間２１０に流れ、第２の流体流れの少なくとも一部は、出口端１０６を介して第１流路１２０に導かれる（図４の１つの非限定的な実施形態では、第２の流体流れＦ２は第１流路１２０に導かれている）。より詳細には、図４に示すように、第１流路１２０に沿った第１の流体流れＦ１は、出口端１０６に向かって進行する矢印によって示される主流方向である。第２流路２００に沿った第２の流体流れＦ２は、隙間２１０を介して進行し、少なくとも一部が出口端１０６に誘導される。この点に関して、ガイド面１９０およびガイドポスト１９２は、第２の流体流れＦ２の約１８０度の回転を実現し、その結果、第２の流体流れＦ２の少なくとも一部が、第１の流体流れＦ１の主流方向とは反対方向にて第１流路１２０に入る。第２の流体流れＦ２と、内側チューブ１０２内の第１の流体流れＦ１との反対の流れ方向は、対向する流れパターンまたは対向流混合領域を作り出す。対向流混合は、非常に高い程度の乱流を生成することが知られている。得られた混合流体流れＡは、出口オリフィス１１０を通って誘導されるか、または出口オリフィス１１０から分配される。

いくつかの実施形態では、ノズルアセンブリ１００は、液体を噴霧するのに有用であり、第１または第２の流体流れＦ１，Ｆ２の一方が液体であり、第１または第２の流体流れＦ１，Ｆ２の他方が気体である。以下でより詳細に説明するように、本開示のノズルアセンブリはまた、液体−液体および気体−気体のシステムにも非常に有用である（すなわち、第１および第２の流体流れＦ１，Ｆ２がともに液体であってもよく、または、第１および第２の流体流れＦ１，Ｆ２がともに気体であってもよい）。本開示のノズルアセンブリが液体を噴霧するために採用される非限定的な実施形態に関して、対向流混合領域および対応する高い程度の乱流は、液体の特に高粘度または（非ニュートン流体のような）独特の特性を有する流体を噴霧するために必要な剪断力を生成する。例えば、第１の流体流れＦ１が液体である場合、第１流路１２０の外環部の低密度の流れストリーム（図４の矢印「Ｐ１」）と、高密度の流れストリーム（矢印「Ｐ２」）とが第１流路１２０の中心において反対方向に流動する動きが生成される。他の実施形態では、ノズルアセンブリ１００によって噴霧された液体が生成され、第１の流体流れＦ１は気体であり、第２の流体流Ｆ２は液体である。いずれにせよ、得られる速度プロファイルは非常に不安定であり、したがって乱流および混合を促進する。また、密度変化を加えることにより、いずれの流体流れが高速であるかに依存する不安定な流れ場がもたらされる（例えば、高速流れがより低密度であるときに流れ場が不安定になり得る）。不安定な流れ場によって、広範囲の動作条件にわたって拡張できる改善された噴霧方式が形成される。結果として生じる混合流体流れＡ（例えば、噴霧流体流れ）は、出口オリフィス１１０を通って誘導されるか、または出口オリフィス１１０から分配される。混合流体流れＡは、複数の異なるノズル形状に対して達成され得る。本開示のノズルアセンブリは、出口オリフィス１１０の直径に対する、出口端１０６と出口オリフィス１１０との間の距離の特定の幾何的関係には依存しない。

噴霧用の気液混合システムに加えて、本開示のノズルアセンブリは、液体−液体および気体−気体を混合するシステムに非常に有用である。例えば、塗料用顔料を製造するために使用される明るい白色の微粉末は、二酸化チタンであり、四塩化チタンの気体と水蒸気とを混合することによって製造される。本開示のノズルアセンブリは、この混合プロセスを達成して二酸化チタン粉末を形成するのに適している。他の非限定的な例には、非混合性の液体（例えば、油および水または他の懸濁液）、燃焼用の２つの気体（例えば、メタンおよび空気）などの迅速かつ効率的な混合が含まれる。

上述したように、いくつかの実施形態では、ノズルアセンブリ１００は、内側チューブ１０２の出口端１０６がガイドポスト１９２から軸方向にオフセットされるように構成され得る。この構造に関連する流れパターンは、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。再び、第１流路１２０に沿った第１の流体流れＦ１は、矢印で示す主流方向であり、出口端１０６に向かって進む。第２流路２００に沿った第２の流体流れＦ２は、隙間２１０を通って進み、少なくとも一部は出口端１０６に誘導される。この点に関して、ガイド面１９０およびガイドポスト１９２は、第２の流体流れＦ２の少なくとも一部が第１の流体流れＦ１の方向とは反対方向にして出口端１０６に向けられるように、第２の流体流れＦ２の約１８０度の回転を実現する。出口端１０６とポストエンド１９４との間の軸方向間隔に起因して、周期的なスプレーが確立される。図５Ａおよび図５Ｂは、パルス状混合流体流れＡのサイクルの異なる部分（例えば、パルス状噴霧流れ）に対応する。

図５Ａにおいて、第２の流体流れＦ２は、第１の流体流れＦ１に周期的に流入し、第１の流体流れＦ１と相互作用して、上記の説明の通り、混合流体流れＡを生成する（一方向の低密度の外環部の流れストリーム（例えば、そこでは第２の流体流れＦ２が気体である）、および、反対方向の高密度の中央部の流れストリーム）。図５Ｂでは、第２の流体流れＦ２は、より中心に向かって（すなわち、内側チューブ１０２と軸心揃えされて）周期的に誘導されており、第１の流体流れＦ１に衝突するかまたは部分的に停滞する。図５Ｂのサイクル状態の第２の流体流れＦ２は、第１の流体流れＦ１を停滞させ（例えばブロックする）、混合流体流れＡ（図５Ａ）の出口オリフィス１１０からの分配を一時的に中断する（すなわち、図５Ｂでは、図５Ａの噴霧される流れＡは存在しない）。出口端１０６とポストエンド１９４との間の間隔または距離が増加するにつれて、混合流体流れまたはスプレーＡのパルスレートはより遅くなる。いくつかの実施形態では、前述のように、パルス状混合流体流れＡの周波数が、外側ハウジング１０４に対する内側チューブ１０２の、特にポストエンド１９４に対する出口端１０６の軸方向位置を調整することによってユーザが選択できるように、本開示のノズルアセンブリは構成されている。

ガイドポスト１９２は、第２の流体流れＦ２のパターンに影響を及ぼすように構成された１つ以上の特徴を任意に組み込んでもよい。例えば、本開示のノズルアセンブリに有用な別のガイドポスト１９２’が、図６に簡略化した形で示されている。ガイドポスト１９２’は、先に記載したものと非常に類似しており、前述のようにガイド面１９０からポストエンド１９４まで突出している。先の実施形態の場合と同様に、ガイドポスト１９２’は、出口オリフィス１１０（図１Ａ）に対して開放されており、第２の流体流れＦ２と直面する外面１９８を有する内腔１９６を画定する。さらに、ガイドポスト１９２’は、任意の渦巻状（例えば、螺旋状）の段部（例えば、ランプ）２５０を含む。螺旋状段部２５０は、他の点では滑らかな外面１９８から突出し、ガイド面１９０とポストエンド１９４との間の延長部において外面１９８のまわりに巻回されている。螺旋状段部２５０は第２の流体流れＦ２を旋回させるように作用するため、第２の流体流れＦ２は第１の流体流れＦ１に向かって流れるように旋回する。すなわち、例えば、第２の流体流れＦ２は、第１の流体流れＦ１に向かって流れるように、中心軸Ｃの周りに円周（例えば、角度）の流れパターンを示す。本開示のこの実施形態および他の実施形態に関連する旋回は、剪断力を増大でき（したがって、いくつかの非限定的な実施形態では噴霧）、旋回作用によって生成される求心加速度は、第２の流体流れＦ２を第１の流体流れＦ１の中心線に向かわせるべく使用される（特に、第２の流体流れＦ２が気体であり、第１の流体流れＦ１が液体である場合）。

本開示のノズルアセンブリは、複雑な動作、強制、または他の入力なしに優れた混合を達成する性能を提供する。いくつかの実施形態では、ノズルアセンブリは、本質的に幾何的に可撓性を有し、広範囲の用途にわたって顕著な汎用性を与える。例えば、本開示の原理による別の実施形態のノズルアセンブリ３００の一部が、図７に簡略化された形態で示されている。ノズルアセンブリ３００は、先に記載したものと類似しており、内側チューブ３０２および外側ハウジング３０４を含む。内側チューブ３０２は、出口端３０８に対して開放された第１流路３０６を画定する。内側チューブ３０２の内面３１０は、図示のように出口端３０８に隣接する位置で長手方向に延びる湾曲部（概して３１２で示す）を現すか、ないし形成する。この湾曲部は、出口端３０８に近接する第１流路３０６の直径Ｄを小さくする。外側ハウジング３０４は、出口オリフィス３２０を形成し、ガイドポスト３２２を担持または画定する。特に、ガイドポスト３２２は、前述の説明に見合うガイド面３２４から突出し、ポストエンド３２６で終端している。ガイドポスト３２２は、出口オリフィス３２０と軸方向に整列され、出口オリフィス３２０およびポストエンド３２６に対して開放されている内腔３２８を形成する。内腔３２８は、直径ｄを有している。ガイド面３２４は、内面３３０からガイドポスト３２２まで延びて湾曲している。さらに、ガイドポスト３２２の外面３３２は、図示のようにガイド面３２４の曲率を滑らかに継続する。内側チューブ３０２の出口端３０８とポストエンド３２６との間には隙間高さｈを有する隙間が設けられてもよい。最後に、第２流路３４０が、上記の説明に従って内側チューブ３０２と外側ハウジング３０４との間に形成される。

前述のようなノズルアセンブリ３００の湾曲面または平滑面は、鋭利な角部のない第２流路３４０に沿って流体流れストリーム（図示せず）を効果的に「ターン」させるために使用され得る。これらの湾曲面によって、圧力損失を低減でき、第１および第２の流れ（図示せず）を調整して対向流混合領域それ自体を制御できる。これらの特徴は、液体を噴霧するためのノズルアセンブリ３００の非限定的な用途に有用であり得る。参考のために、良好な噴霧プロセスは、低い圧力低下ペナルティおよび最小の気体入力での高い剪断力を要することがある。ノズルアセンブリ３００の滑らかな湾曲面によって、これらの目的が容易なものとなる。湾曲面の形状は、効率的な流れの方向転換をもたらすだけでなく、第１および第２の流体流れの一部を相互作用させるように誘導するために有益であり得る。これに関して、解放角Ｒは、図７において特定され、第２の流体流れの一部の一般的な方向を示すことが意図されている。解放角Ｒを正または負に変化させ、第２の流体流れの一部を第１の流体流れの中心線に誘導するか、または、第１の流体流れの中心線から離れる方向に誘導し、対向流混合領域の形成に影響を及ぼしてもよい。

さらに、本開示のノズルアセンブリの特徴は、様々な用途における性能を最適化するように変更できる。例えば、図７の例示的な実施形態に限定されず、いくつかの用途、例えば噴霧または混合に必要な気体対液体の流量比を減少させるために、ｄ／Ｄの比が重要となり得る。また、隙間高さｈも重要であり、周期性が存在する場合には、異なる流体に対応するために、また周波数制御のために変化させることができる（正および負の両方、すなわち、ポストエンド３２６を内側チューブ３０２の外側または内側に配置する）。

前述の変形例に加えて、本開示の他のノズルアセンブリは、異なる形状または構成の出口オリフィスを組み込んでもよい（即ち、本開示のノズルアセンブリは、図に示された均一または直線状の出口オリフィス１１０（図２Ｄ），３２０（図７）に限定されない）。例えば、本開示の原理による別の実施形態のノズルアセンブリ４００の一部が、図８に簡略化した形で示されている。ノズルアセンブリ４００は、前述のノズルアセンブリのいずれかに類似していてもよく、内側チューブ４０２と外側ハウジング４０４とを含んでいてもよい。内側チューブ４０２は、内側チューブ３０２（図７）と同一であってもよく、または本開示に関係する任意の他の構造を有してもよい（例えば、内側チューブ４０２は湾曲した内面を形成する必要はない）。外側ハウジング４０４は、（前述の）外側ハウジング３０４と非常に類似しており、出口オリフィス４１０を形成している。ガイドポスト４１２は、ガイド面４１４（任意に湾曲する）からの延長部として外側ハウジング４０４によって担持または形成され、直径ｄを有する内腔４１６を形成する。出口オリフィス４１０は、内腔４１６に開放され、出口開口４１８で外側ハウジング４０４の外部に開放されている。図８の実施形態では、出口オリフィス４１０の壁面４２０は、長手方向に湾曲部を有し、出口オリフィス４１０の直径は、内腔４１６から出口開口４１８まで広がっている。内腔４１６が直線状であり、従って均一な直径を有する実施形態では、出口オリフィス４１０は、内腔４１６から出口開口４１８までの直線距離である高さＨを有するものとしみなすことができる。オリフィス壁面４２０の湾曲部は出口角Ｅを確立し、出口オリフィス４１０は出口開口４１８で直径Ｄｅｘｉｔを有する。これらの記載を念頭において、オリフィス壁面４２０の形状は、所望の最終用途に合わせて随伴または構成されてもよい。オリフィス壁面４２０は、湾曲してもよく、出口開口４１８の方向に拡張するか、出口開口４１８の方向にテーパ状であるか、または完全に真っ直ぐであってもよい。出口角Ｒ、比ｄ／Ｄｅｘｉｔ、および比Ｄｅｘｉｔ／Ｈなどを含め、他のパラメータも「ターン」されてもよい。

（実施例）
本開示の目的および利点を、以下の非限定的な実施例によってさらに説明する。これらの実施例に列挙された特定の材料およびその量ならびに他の条件や詳細は、本開示を不当に限定するように解釈されるものではない。

本開示の原理による例示的なノズルは、図２Ａ〜図４および対応する説明に従って構成されたものである。ガイドポストは、内側チューブ内に（すなわち、内側チューブの出口端の基端側に）約１ｍｍの距離だけ突出している。噴霧された液体流れを生成することにおける例示のノズルの実行可能性を評価するために、加圧水源を内側チューブの入口に接続し、加圧空気源を外側ハウジングの流体入口ポートに接続した（すなわち、液体が第１の流体流れＦ１として機能し、気体が第２の流体流れＦ２として機能した）。加圧水源および加圧空気源を作動させ、流速１２ｍｌ／分の水（即ち液体）、空気対水比（質量基準）２．５、水圧約６０ｐｓｉ、および空気圧約６０ｐｓｉを設定した。例示の噴霧ノズルを出る噴霧された液体流れ中の液滴サイズを、シャドウグラフィーを用いて測定した。図９は、測定された液滴サイズのヒストグラムプロットであり、例示のノズルが許容可能な程度の噴霧を生成したことを示している。

本開示のノズルアセンブリおよび対応する流体流れの混合方法（例えば、噴霧する液体流れ）は、以前の仕様を顕著に改善している。２つの流体流れを対向流とすることよって、ノズルの流柱（flow column）内に非常に不安定な速度プロファイルが生成され、迅速な混合がもたらされる。パルス状混合流体流れも任意に利用可能であり、いくつかの実施形態では、ユーザによって選択または調整されてもよい。本開示のノズルアセンブリおよび方法は、限定するものではないが、実質的に任意のスプレー用途に対して多くの異なる液体を噴霧すること含む複数の異なる混合シナリオ（例えば、気体−気体システム、液体−液体システム、および液体−気体システム）において有用であり、例えば、バイオオイルのようなより高粘度の液体を噴霧するのに適している。別の非限定的な例として、本開示のノズルアセンブリおよび方法は、燃焼エンジンに組み込まれてもよい。ノズルアセンブリは、バイオオイルが燃焼エンジン用のドロップイン燃料として使用され得る点まで、バイオオイルの燃焼を改善し得る。この任意の用途は、バイオ燃料精製における全体的なエネルギーとコストを削減するので、非常に重要である。また、エンジンの耐久性と燃費を向上できる。本開示のノズルアセンブリおよび方法で有用な液体の他の非限定的な例としては、従来の燃料、塗料、殺虫剤、および除草剤などが挙げられる。

本開示は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。

１００ノズルアセンブリ
１０２内側チューブ
１０４外側ハウジング
１０６出口端
１０８チャンバ
１１０出口オリフィス
１１２内部ガイド構造
１２０第１流路
１２２入口端
１２４内面
１２６外面
１３０第１サイド
１３２第２サイド
１３４入口セクション
１３６チャンバセクション
１３８エンドキャップ
１４０チューブガイドポート
１４２流体入口ポート
１４４山面
１４６山面
１５０分配部
１６０管状側壁
１６２端壁
１６４内面
１６６ねじ面
１６８ハブ面
１７０軸方向開口部
１７２第１領域
１７４第２領域
１８０外面
１９０ガイド面
１９２ガイドポスト
１９２’ ガイドポスト
１９４ポストエンド
１９６内腔
１９８外面
２００第２流路
２１０隙間
２５０段部
３００ノズルアセンブリ
３０２内側チューブ
３０４外側ハウジング
３０６第１流路
３０８出口端
３１０内面
３２０出口オリフィス
３２２ガイドポスト
３２４ガイド面
３２６ポストエンド
３２８内腔
３３０内面
３３２外面
３４０第２流路
４００ノズルアセンブリ
４０２内側チューブ
４０４外側ハウジング
４１０出口オリフィス
４１２ガイドポスト
４１４ガイド面
４１６内腔
４１８出口開口
４２０壁面

Claims

出口端で終端し、主流方向の第１の流体流れを前記出口端に誘導するように前記出口端に開放された第１流路を画定する内側チューブと、
管状側壁および端壁を含む外側ハウジングであって、前記管状側壁が中心軸を画定し、前記端壁が出口オリフィスおよび内部ガイド構造を画定する前記外側ハウジングと
を備え、
前記内側チューブは、前記出口端が前記出口オリフィスと軸心揃えされ、かつ、前記出口端を含む前記内側チューブの一部が前記管状側壁の径方向内側にあるように、前記外側ハウジングに組み付けられて前記内側チューブと前記外側ハウジングとの間に第２流路を設け、
前記内部ガイド構造は、第１の流体流れおよび第２の流体流れを混合するために、前記第２流路からの第２の流体流れの少なくとも一部を前記主流方向とは反対方向にして前記出口端に誘導するように前記出口端に対して構成および配置されている、ノズルアセンブリ。
前記外側ハウジングは、対向する第１サイドおよび第２サイドを画定し、前記端壁は前記第１サイドに配置され、
前記端壁は、ガイド面およびガイドポストを含み、
前記ガイド面は前記管状側壁から径方向内側へ延び、前記ガイドポストは、前記管状側壁から径方向に離間され、前記第２サイドの方向に前記ガイド面から突出する、請求項１に記載のノズルアセンブリ。
前記ガイドポストは、前記ガイド面と対向するポストエンドにて終端し、前記出口端と前記ガイド面との間の軸方向距離は、前記出口端と前記ポストエンドとの間の軸方向距離よりも大きい、請求項２に記載のノズルアセンブリ。
前記ノズルアセンブリは第１状態と第２状態との間で遷移可能に構成され、前記第１状態は前記出口端を軸方向に超えて配置された前記ポストエンドを含み、前記第２状態は前記第１流路内に配置された前記ポストエンドを含む、請求項３に記載のノズルアセンブリ。
出口端にて終端し、前記出口端に開放された第１流路を画定する内側チューブと、
対向する第１サイドおよび第２サイドを画定し、管状側壁および端壁を含む外側ハウジングと
を備え、
前記管状側壁は、チャンバおよび中心軸を画定し、前記端壁は、前記第１サイドに配置され、出口オリフィスを画定し、
前記端壁は、
前記管状側壁から径方向内側へ延びるガイド面と、
前記ガイド面から前記第２サイドの方向に突出して前記ガイド面と対向するポスト面にて終端し、前記管状側壁から径方向内側へ離間され、前記出口オリフィスに開放された管腔を画定するガイドポストと
を含み、
前記内側チューブは、前記出口端が前記出口オリフィスと軸心揃えされるように、かつ、前記出口端を含む前記内側チューブの一部が径方向にチャンバ内にあるように、前記外側ハウジングに組み付けられ、
前記ガイドポストの外径は、前記第１流路の直径より小さく、
前記出口端と前記ガイド面との間の軸方向距離は、前記出口端と前記ポスト面との間の距離よりも大きい、ノズルアセンブリ。
内側チューブの出口端に向かう主流方向においてノズルアセンブリが備える内側チューブの第１流路に沿って第１の流体流れを運び、前記ノズルアセンブリは出口オリフィスを画定する端壁を有する外側ハウジングをさらに含み、
前記第１流路を通じて前記第１の流体流れを運ぶ一方、前記外側ハウジングと前記内側チューブとの間に画定される第２流路を通じて第２の流体流れを運び、
混合流体流れを生成するように、前記第２流路からの前記第２の流体流れの少なくとも一部を前記主流方向と反対方向にして前記出口端に向けて誘導し、
前記出口オリフィスを通じて前記混合流体流れを分配する
ことを含む、第１の流体流れと第２の流体流れを混合する方法。
前記混合流体流れは、噴霧される液体流れである、請求項６に記載の方法。
前記誘導のステップは、前記出口端に隣接した前記第１流路内に第１流れストリームおよび第２流れストリームを同時に設けることを含み、前記第１流れストリームは前記第１流路の外環部に沿って設けられ、前記第２流路は前記第１流路の中心軸に沿って設けられ、前記第１流れストリームは前記第２流れストリームの方向と反対方向である、請求項６に記載の方法。
前記混合流体流れは、パルス状混合流体流れであり、
前記パルス状混合流体流れの周波数を調整することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
前記外側ハウジングは、管状側壁をさらに含み、前記端壁は、前記管状側壁から径方向内側に延びるガイド面と、前記第２の流体流れの少なくとも一部を前記出口端内に誘導するように前記ガイド面から突出するガイドポストとを含み、前記調整のステップは前記出口端と前記ガイド面との間の軸方向距離を変更することを含む、請求項９に記載の方法。