JP7145469B2

JP7145469B2 - 噴射ノズル及びこれを用いた噴射装置

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Publication number: JP7145469B2
Application number: JP2022001451A
Authority: JP
Inventors: 和晃因幡; 大介山口; 隆田中; 風人湯浅
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-10-03
Anticipated expiration: 2038-03-05
Also published as: JP2022046760A

Description

本発明は点鼻装置等に用いられる噴射ノズル及びこれを用いた噴射装置に関する。

近年、薬剤の経鼻投与が注目されている。たとえば、インフルエンザワクチンの注射による投与は、あくまで重症化を防ぐためであり、感染を防止できない。これに対し、鼻腔内に薬液を噴霧する薬剤の経鼻投与は感染そのものを防ぐことが期待される。

図１５は従来の噴射ノズルを有する点鼻装置を示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は部分拡大断面図である（参照：特許文献１）。尚、図１５の点鼻装置はポンプ式である。

図１５において、点鼻装置は、薬液タンク１０１、ポンプ１０２及び噴射ノズル１０３より構成されている。また、ポンプ１０２はスプリング１０２ａ及び逆止弁１０２ｂを有する。さらに、噴射ノズル１０３は流路を狭めて高速流を実現するためのロッド１０３ａ及び噴霧口としてのノズルチップ１０３ｂを有する。

図１５の点鼻装置の動作を図１６を参照して説明する。

始めに、図１６の（Ａ）に示すごとく、薬液Ｌ１がポンプ１０２からノズルチップ１０３ｂまで充填された状態とされている。

次いで、図１６の（Ｂ）に示すごとく、噴射ノズル１０３を押し下げると、逆止弁１０２ｂ周囲の薬液Ｌ１の容積が減少し、逆止弁１０２ｂ周囲の薬液Ｌ１の圧力が上昇する。このとき、薬液Ｌ１が下方へ流れないように逆止弁１０２ｂが動作し、従って、薬液Ｌ１は上方のみへ流れる。この結果、薬液Ｌ１は噴射ノズル１０３の内面とロッド１０３ａの外面との間の微小空間を通ってノズルチップ１０３ｂより微粒化した液滴Ｌ２として噴霧される。この結果、液滴Ｌ２は図示しない鼻腔内に噴霧される。

噴霧が終了すると、図１６の（Ｃ）に示すごとく、噴射ノズル１０３はスプリング１０２ａによって元の位置に戻り、薬液Ｌ１が負圧で薬液タンク１０１よりポンプ１０２に再充填される。

特開２０１３－３９２９８号公報

しかしながら、上述の図１５に示す点鼻装置においては、中空円錐状の液滴Ｌ２の噴霧角θは４５°～６５°と大きい。従って、噴霧された液滴Ｌ２の噴霧中心の薬液は少なく、かつ、鼻腔内の空間が狭くかつ噴射ノズル１０３と鼻腔壁との距離が小さいので、液滴Ｌ２は鼻腔壁に付着し易い。この結果、鼻腔深部への液滴Ｌ２の到達性が低いという課題がある。

また、上述の図１５に示す点鼻装置においては、液滴Ｌ２の粒子速度が２０ｍ／ｓ程度と大きく、この結果、鼻腔への噴霧の刺激が強く、患者の不快感が大きいつまり患者のデライト性が低いという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る噴射ノズルは、周方向に設けられ、旋回噴流のための複数の旋回流路と、複数の旋回流路の吐出口の下流側に設けられ、内側へ絞られた絞り部とを具備する噴射ノズルであって、複数の旋回流路は噴射ノズルの軸方向に螺旋状に向かう扇形断面を有し、さらに、複数の旋回流路に囲まれ、排気又は吸気の直進気流のための直進気流路と、直進気流路の吐出口に開口を有する突出部とを具備するものである。

また、本発明に係る噴射装置は、上述の噴射ノズルと、噴射ノズルの各旋回流路の吸込口に結合された気液２相タンクとを具備するものである。

本発明によれば、旋回気流によって噴霧の拡散が抑制され、つまり、噴霧角が小さくされ、従って、液滴の対象物への到達性を高くできる。また、液滴は旋回気流に乗って対象物へ斜めに衝突するので、不快感を低減できる。排気直進気流の動圧効果によりさらに拡散を抑圧でき、つまり、噴霧角をさらに小さくできる。この結果、液滴の到達性をさらに高くできる。

本発明の第１の原理を説明するための図であり、（Ａ）は気液２相旋回噴流を示し、（Ｂ）は（Ａ）の液滴の衝突状態を示し、（Ｃ）は従来の液滴の衝突状態を示す。本発明に係る噴射ノズルの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は噴流流跡線を示す側面図である。本発明に係る噴射ノズルの第２の実施の形態の噴流流跡線を示す側面図である。本発明に係る噴射ノズルの第３の実施の形態の噴流流跡線を示す側面図である。本発明に係る噴射ノズルの第４の実施の形態の噴流流跡線を示す側面図である。本発明に係る噴射ノズルの第５の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は噴流流跡線を示す斜視図である。本発明の第２の原理を説明するための図であり、（Ａ）は旋回気流及び排気直進気流を示し、（Ｂ）は旋回気流及び吸気直進気流を示す。本発明に係る噴射ノズルの第６の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）－１、（Ｂ）－２、（Ｂ）－３は噴流流跡線を示す側面図である。本発明に係る噴射ノズルの第７の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）－１、（Ｂ）－２は噴流流跡線を示す側面図である。図９の突出部の変更例及び噴流流跡線を示す図である。図１０の突出部を用いた図９の噴射ノズルの噴流幅及びその半値幅を説明するためのグラフである。図１０の突出部を用いた図９の噴射ノズルの渦度を説明するためのグラフである。図２、図３、図４、図５、図６の噴射ノズルを用いた第１の噴射装置を示す側面断面図である。図８、図９の噴射ノズルを用いた第２の噴射装置を示す一部透視斜視図である。従来の噴射ノズルを有する点鼻装置を示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は部分拡大断面図である。図１５の点鼻装置の動作を説明するための断面図である。

図１は本発明の第１の原理を説明するための図であり、（Ａ）は気液２相旋回噴流を示し、（Ｂ）は（Ａ）の液滴の衝突時状態を示し、（Ｃ）は従来の液滴の衝突時状態を示す。

図１の（Ａ）の気液２相旋回噴流においては、噴射ノズルＮ上に旋回気流Ｓ及びそれに追随する液滴Ｌを示している。液滴Ｌは旋回気流Ｓに乗って飛翔することによって対象患部たとえば鼻腔深部Ｐと無関係に広く拡散することを抑制でき、つまり、噴霧角を小さくできる。この結果、対象部たとえば鼻腔深部への液滴Ｌ（薬剤）の到達性を高くできる。また、図１の（Ｂ）に示すごとく、液滴Ｌは鼻腔深部Ｐへ斜め（Ｕ）に衝突するので垂直抗力Ｕ_Ｎが小さく患者の不快感を低減でき、つまり、患者のデライト性を高くできる。尚、従来の場合、図１の（Ｃ）に示すごとく、液滴Ｌは鼻腔深部Ｐへ垂直（Ｕ）に衝突するので垂直抗力Ｕ_Ｎが大きく患者の不快感は増大する。

尚、気液２相旋回噴流においては、液滴Ｌに加えて大量の気体が鼻腔内へ流入されるが、この場合、実験によれば、たとえば、１０μｍ以上の液滴を総液体量７０μＬに対して空気量７００ｍＬを投入しても投入時間が１秒以上であれば、患者に危険が及ぶこと及び耐え難い苦痛に晒されることはないことが確認された。

図１に示す第１の原理は図２～図６に示す本発明の第１～第５の実施の形態によって実現される。

図２は本発明に係る噴射ノズルの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は噴流流跡線を示す側面図である。

図２の（Ａ）において、噴射ノズル１Ａは、周方向に等間隔で設けられ、軸方向の下方から上方へ螺旋状に向う扇形断面の旋回気流路１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５よりなる。尚、アタッチメント用ねじ部１２は必要に応じてアタッチメントを取付けるためのものである。

図２の（Ａ）の噴射ノズル１Ａの噴流流跡線をシミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）した結果を図２の（Ｂ）に示す。図２の（Ｂ）に示すように、旋回流形成が確認され、従って、噴流の拡散が抑制され、噴霧角は小さかった。但し、吐出後即座に拡散していた。

図３は本発明に係る噴射ノズルの第２の実施の形態の噴流流跡線を示す側面図である。

図３においては、噴射ノズル１Ｂは、図２の噴射ノズル１Ａの吐出口の下流側に円筒部２１を付加してある。シミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）結果を示すように、旋回流形成が確認され、従って、噴流の拡散が図２の（Ｂ）の場合よりも抑制され、噴霧角はさらに小さかった。但し、吐出後即座に拡散していた。

図４は本発明に係る噴射ノズルの第３の実施の形態の噴流流跡線を示す側面図である。

図４においては、噴射ノズル１Ｃは、図２の噴射ノズル１Ａの吐出口の下流側に内面が下流側へ絞られた絞り円筒部２２を付加してある。シミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）結果を示すように、旋回流形成が確認され、従って、噴流の拡散が図３の（Ｂ）の場合よりも抑制され、噴霧角はさらに小さかった。

図５は本発明に係る噴射ノズルの第４の実施の形態の噴流流跡線を示す側面図である。

図５においては、噴射ノズル１Ａ’は、図２の噴射ノズル１Ａの吐出口の内面が絞られた絞り部２３を形成してある。この場合、下流側つまり吐出口側の旋回気流路１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５の扇形断面の面積は小さくなる。シミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）結果を示すように、旋回流形成が確認され、従って、噴流の拡散が図４の場合よりも抑制され、従って、噴霧角はさらに小さかった。

図６は本発明に係る噴射ノズルの第５の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は噴流流跡線を示す側面図である。

図６における噴射ノズル１Ａ”においては、図２の噴射ノズル１Ａの中心部を空洞２４とした。この場合、空洞２４は旋回気流路１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５と導通している。

図６の（Ａ）の噴射ノズル１Ａ”の噴流流跡線をシミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）した結果を図６の（Ｂ）に示す。図６の（Ｂ）に示すように、旋回流形成が確認され、従って、噴流の拡散が図２の（Ｂ）の場合より抑制され、噴霧角はさらに小さかった。

図７は本発明の第２の原理を説明するための図であり、（Ａ）は旋回気流及び排気直進気流を示し、（Ｂ）は旋回気流及び吸気直進気流を示す。

図７の（Ａ）の気液２相旋回噴流においては、噴射ノズルＮ上の旋回気流Ｓ及びそれに追随する液滴Ｌに加えて旋回気流Ｓの内側に排気直進気流Ｅを導入する。この排気直進気流Ｅの動圧効果によりさらに拡散を抑圧でき、つまり、噴霧角をさらに小さくできる。この結果、鼻腔深部Ｐへの液滴Ｌ（薬剤）の到達性をさらに高くできる。また、遠方での渦度が上昇する。但し、鼻腔内の圧力上昇により患者の不快感が高まる可能性がある。

他方、図７の（Ｂ）の気液２相旋回噴流においては、噴射ノズルＮ上の旋回気流Ｓ及びそれに追随する液滴Ｌに加えて旋回気流Ｓの内側に吸気直進気流Ｉを導入する。この吸気直進気流Ｉの動圧効果によりさらに拡散を抑圧でき、つまり、噴霧角をさらに小さくできる。この結果、鼻腔深部Ｐへの液滴Ｌ（薬剤）の到達性をさらに高くできる。また、噴射ノズルＮ近傍での渦度が上昇して遠方での渦度が下降する。但し、液滴Ｌ（薬剤）を吸い戻してしまう可能性がある。

図７に示す第２の原理は図８、図９に示す本発明の第７、第８の実施の形態によって実現される。

図８は本発明に係る噴射ノズルの第６の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）－１、（Ｂ）－２、（Ｂ）－３は噴流流跡線を示す斜視図である。

図８の（Ａ）において、噴射ノズル１Ｄは、図２の（Ａ）の旋回気流路と同一の６つの旋回気流路１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５、１１－６を有しているが、図５と同様に、突出口の絞り部となっている。但し、絞り部を形成しなくてもよい。さらに、噴射ノズル１Ｄは、旋回気流路１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５、１１－６に囲まれた中心部に排気又は吸気のための直進気流路１３を有している。直進気流路１３は下流側から上流側に向って円錐状をなし、排気又は吸気し易くする。

図８の（Ａ）の噴射ノズル１Ｄの噴流流跡線をシミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）した結果を図８の（Ｂ）－１、（Ｂ）－２、（Ｂ）－３に示す。尚、図８の（Ｂ）－１は直進気流路１３に排吸気を行わない場合、つまり、図５の噴射ノズル１Ａ’の場合を示している。

図８の（Ｂ）－２に示すごとく、直進気流路１３から排気直進気流が流れ出た場合、図８の（Ｂ）－１の場合に比較して、その動圧効果により拡散が抑圧されていることが分る。さらに、遠方での渦度向上が認められる。また、同様に、図８の（Ｂ）－３に示すごとく、直進気流路１３へ吸気直進気流が流れ込んだ場合、図８の（Ｂ）－１の場合に比較して、その動圧効果により拡散が抑圧されていることが分る。さらに、遠方での渦度向上が認められる。

図９は本発明に係る噴射ノズルの第７の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）－１、（Ｂ）－２は噴流流跡線を示す斜視図である。

図９の（Ａ）において、噴射ノズル１Ｅにおいては、図８の（Ａ）の噴射ノズル１Ｅの直進気流路１３の上流側に直進気流路１３に対向する開口１４ａを有する突出部１４を付加してある。

図９の（Ａ）の噴射ノズル１Ｅの噴流流跡線をシミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）した結果を図９の（Ｂ）－２に示す。尚、図９の（Ｂ）－１は直進気流路１３に突出部１４を設けない場合、つまり、図８の噴射ノズル１Ｄの場合を示している。

図９の（Ｂ）－２に示すごとく、突出部１４及び直進気流路１３へ吸気直進気流が流れ込む場合、図９の（Ｂ）－１の場合に比較して、さらなる動圧効果により拡散が抑圧されていることが分る。さらに、遠方での渦度向上が認められる。

図１０は図９の突出部の変更例及び噴流流跡線を示す図である。

図１０の（Ａ）においては、突出部１４－Ａの外面を下流側から上流側に向って円錐状とし、図１０の（Ｂ）においては、突出部１４－Ｂの外面を凹状し、図１０の（Ｃ）においては、突出部１４－Ｃの外面を裾広がり状とする。図１０の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の噴射ノズル１Ｅの噴流流跡線をシミュレーション（商標：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＦｌｏｗＳｏｆｔｗａｒｅ）した結果、図１１の（Ａ）、（Ｂ）に示す突出部１４先端からｙ＝４０ｍｍでの噴流幅及び噴流幅からも分かるように、拡散の抑制の点は図１０の（Ｃ）の突出部１４-Ｃ、図１０の（Ａ）の突出部１４－Ａ、図１０の（Ｂ）の突出部１４－Ｂの順でよい。他方、図１２の（Ａ）、（Ｂ）に示す開口１４ａの中心面及び突出部１４－Ａ、１４－Ｂ、１４－Ｃ先端からｙ＝４０ｍｍでの面における渦度から分かるように、渦度は同程度であった。

図１３は図２、図３、図４、図５、図６の噴射ノズル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”を用いた第１の噴射装置を示す図である。

図１３においては、噴射ノズル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”の旋回気流路の吸込口に気液２相タンク１３０１を管１３０１ａによって結合し、図１３の（Ａ）においては、噴射ノズル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”と気液２相タンク１３０１とは横に結合されており、他方、図１３の（Ｂ）においては、噴射ノズル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”と気液２相タンク１３０１とは縦に結合されている。気液２相タンク１３０１はたとえば直径１０μｍ以上の液滴及び圧縮空気を予め含んでいる。この場合、噴射ノズル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”と気液２相タンク１３０１との間の管１３０１ａには開閉弁（図示せず）が設けられており、この開閉弁を開とすることによって噴射ノズル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”の先端より液滴が旋回気流に乗って飛翔した気液２相旋回噴射１３０２が噴露される。

図１３の（Ａ）に示す縦型噴射装置はたとえば点鼻装置に適用され、他方、図１３の（Ｂ）に示す横型噴射装置は塗料塗布装置に適用される。

図１４は、図８、図９の噴射ノズル１Ｄ、１Ｅを用いた第２の噴射ノズル装置を示す図である。

図１４においては、噴射ノズル１Ｄ、１Ｅの旋回気流路に気液２相タンク１４０１を管１４０１ａによって結合し、また、直進気流路の吸込口又は吐出口に正圧又は負圧のタンク１４０２を管１４０２ａによって結合する。尚、正圧の場合、タンク１４０２は直進気流路を排気状態とし、負圧の場合、タンク１４０２は直進気流路を吸気状態とする。図１４の（Ａ）においては、噴射ノズル１Ｄ、１Ｅと気液２相タンク１４０１及び正圧は負圧のタンク１４０２とは横に結合されており、他方、図１４の（Ｂ）においては、噴射ノズル１Ｄ、１Ｅと気液２相タンク１４０１とは縦に結合されている。気液２相タンク１４０１はたとえば直径１０μｍ以上の液滴及び圧縮空気を予め含んでおり、正圧又は負圧のタンク１４０２は正圧又は負圧の空気を含んでいる。この場合、噴射ノズル１Ｄ、１Ｅと気液２相タンク１４０１、正圧又は負圧のタンク１４０２との間の管１４０１ａ、管１４０２ａには開閉弁（図示せず）が設けられており、この開閉弁を開とすることによって噴射ノズル１Ｄ、１Ｅの先端より液滴が旋回気流に乗って飛翔した気液２相旋回気流１４０３が噴露され、排気直進気流又は吸気直進気流１４０４が排出又は吸気される。

図１４の（Ａ）に示す縦型噴射装置はたとえば点鼻装置に適用され、他方、図１４の（Ｂ）に示す横型噴射装置は塗料塗布装置に適用される。

尚、上述の実施の形態において、気液２相旋回気流は気体又は液体の１相旋回気流でもよい。この場合には、旋回気流路は旋回流路となる。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲でいかなる変更にも適用される。

本発明は点鼻装置以外の噴射装置たとえば塗料塗布装置、燃料噴射装置にも利用できる。

Ｎ、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ａ'、１Ａ”、１Ｄ、１Ｅ：噴射ノズル
１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５、１１－６：旋回気流路
１２：アタッチュメント用ねじ部
１３：直進気流路
１４、１４－Ａ、１４－Ｂ、１４－Ｃ：突出部
１４ａ：開口
２１：円筒部
２２：絞り円筒部
２３：絞り部
２４：空洞
Ｌ：液滴
Ｓ：旋回気流
Ｅ：排気直進気流
Ｉ：吸気直進気流
１３０１：気液２相タンク
１３０２：気液２相旋回噴流
１４０１：気液２相タンク
１４０２：正圧または負圧のタンク
１４０３：気液２相旋回噴流
１４０４：排気直進気流又は吸気直進気流

Claims

周方向に設けられ、旋回噴流のための複数の旋回流路と、
前記複数の旋回流路の吐出口の下流側に設けられ、内側へ絞られた絞り部と
を具備する噴射ノズルであって、
前記複数の旋回流路は前記噴射ノズルの軸方向に螺旋状に向かう扇形断面を有し、
さらに、前記複数の旋回流路に囲まれ、排気又は吸気の直進気流のための直進気流路と、
前記直進気流路の吐出口に開口を有する突出部と
を具備する噴射ノズル。
前記複数の旋回流路は前記噴射ノズルの前記周方向に等間隔に設けられた請求項１に記載の噴射ノズル。
前記直進気流路は、前記旋回噴流の下流側から上流側に向って広がる円錐状である請求項１に記載の噴射ノズル。
前記突出部の外面は、前記旋回噴流の下流側から上流側に向って広がる裾広がり状である請求項１に記載の噴射ノズル。
前記突出部の外面は、前記旋回噴流の下流側から上流側に向って広がる円錐状である請求項１に記載の噴射ノズル。
前記突出部の外面は凹状である請求項１に記載の噴射ノズル。
請求項１～６のいずれかに記載の噴射ノズルと、
前記噴射ノズルの前記各旋回流路の吸込口に結合された気液２相タンクと
を具備する噴射装置。
請求項１～６のいずれかに記載された噴射ノズルと、
前記噴射ノズルの前記各旋回流路の吸込口に結合された気液２相タンクと、
前記噴射ノズルの前記直進気流路の吸込口又は吐出口に結合された正圧又は負圧のタンクと
を具備する噴射装置。