JP7608863B2 - 液体噴射ノズル及び液体噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、対象物に向かって液体を高圧で噴射して所定の処理をする液体噴射ノズル及び液体噴射装置に関する。
従来、圧電素子を用いて高圧水の連続流を液滴化し、それを対象物に衝突させることで対象物の切断や洗浄等の処理を行う超音波ウォータージェット装置が知られている(特許文献１)。
また、連続流に泡を形成することで噴霧状の液体を吐出できる発泡ノズル構造が知られている（特許文献２）。この発泡ノズル構造は、各リブの丸く形成された後方エッジが半径Ｒを有する全体として円形に形成されている。ここで、半径Ｒのスロットの幅をＳとすると、その比Ｒ：Ｓ＝１：２～１：４であることが開示されている。
また、連続流に泡を形成することで噴霧状の液体を吐出できる発泡ノズル構造が知られている（特許文献２）。この発泡ノズル構造は、各リブの丸く形成された後方エッジが半径Ｒを有する全体として円形に形成されている。ここで、半径Ｒのスロットの幅をＳとすると、その比Ｒ：Ｓ＝１：２～１：４であることが開示されている。
しかしながら、上記いずれの文献にも、噴射ノズル孔の噴射口から噴射された液体の連続流が分裂してできる液滴を直進性良く飛翔させる場合において、前記液体を縮流として噴射させることで前記液滴の衝撃圧を高めることについて考慮する記載はない。
また、特許文献２の発泡ノズル構造では、噴霧が様々な方向へ偏向されるため、確実に霧状での噴射は可能となるが、液滴を直線的に噴射することはできず、液滴の衝撃圧を高めることは困難である。
また、特許文献２の発泡ノズル構造では、噴霧が様々な方向へ偏向されるため、確実に霧状での噴射は可能となるが、液滴を直線的に噴射することはできず、液滴の衝撃圧を高めることは困難である。
上記課題を解決するため、本発明に係る液体噴射ノズルは、噴射ノズル孔と、前記噴射ノズル孔より径が大きくて前記噴射ノズル孔に接続する液体流路と、を有し、前記噴射ノズル孔から噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルであって、前記噴射ノズル孔は円筒形状であり、前記噴射ノズル孔の前記液体流路に接続する入り口のエッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る液体噴射装置は、噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルを備える液体噴射装置であって、前記液体噴射ノズルに液体を加圧して供給する加圧液体供給部を備え、前記液体噴射ノズルは、噴射ノズル孔と、前記噴射ノズル孔より径が大きくて前記噴射ノズル孔に接続する液体流路と、を有し、前記噴射ノズル孔は円筒形状であり、前記噴射ノズル孔の前記液体流路に接続する入り口のエッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下であることを特徴とする。
以下、本発明について先ず概略的に説明する。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係る液体噴射ノズルは、噴射ノズル孔と、前記噴射ノズル孔より径が大きくて前記噴射ノズル孔に接続する液体流路と、を有し、前記噴射ノズル孔から噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルであって、前記噴射ノズル孔は円筒形状であり、前記噴射ノズル孔の前記液体流路に接続する入り口のエッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下であることを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係る液体噴射ノズルは、噴射ノズル孔と、前記噴射ノズル孔より径が大きくて前記噴射ノズル孔に接続する液体流路と、を有し、前記噴射ノズル孔から噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルであって、前記噴射ノズル孔は円筒形状であり、前記噴射ノズル孔の前記液体流路に接続する入り口のエッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下であることを特徴とする。
本態様によれば、前記噴射ノズル孔の前記液体流路に接続する入り口のエッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下である。これにより、前記噴射ノズル孔の噴射口から噴射された液体の連続流が分裂してできる液滴を直進性良く飛翔させることができると共に、前記液体を縮流として噴射させることが可能になる。前記縮流にすることで、縮流でない場合よりも噴射速度が高まるので、その高まった分だけ前記液滴の衝撃圧を高めることができる。
また、前記縮流の形成し易さは、前記噴射ノズル孔の前記エッジの曲率半径がゼロ、即ち真に９０度であるのがよいとされている。しかし、前記エッジの曲率半径がゼロの噴射ノズル孔を作ることは困難であり、曲率半径が極力ゼロに近いものを目指して作ることになる。
そのような状況下で、本発明者らは、前記エッジの曲率半径がゼロでなくても縮流を形成することが可能である範囲があることを確認した。即ち、前記エッジの曲率半径がゼロでなくても、ある範囲まで前記縮流を形成できることを確認した。更にその確認の際に、ノズル孔径が大きくなるほど前記縮流を形成できる範囲が広くなることを発見した。本態様において、「エッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下」は、前記発見に基づくものである。
これにより本態様によれば、前記縮流を形成できる噴射ノズル孔を製造するに際して、漠然と前記エッジの曲率半径をゼロにすることを目指すといった意識をしなくてもよくなり、即ち、前記噴射ノズル孔のノズル孔径に応じて現実的に必要な曲率半径の大きさを把握することができ、それにより製造が容易になる。
そのような状況下で、本発明者らは、前記エッジの曲率半径がゼロでなくても縮流を形成することが可能である範囲があることを確認した。即ち、前記エッジの曲率半径がゼロでなくても、ある範囲まで前記縮流を形成できることを確認した。更にその確認の際に、ノズル孔径が大きくなるほど前記縮流を形成できる範囲が広くなることを発見した。本態様において、「エッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の２５％以下」は、前記発見に基づくものである。
これにより本態様によれば、前記縮流を形成できる噴射ノズル孔を製造するに際して、漠然と前記エッジの曲率半径をゼロにすることを目指すといった意識をしなくてもよくなり、即ち、前記噴射ノズル孔のノズル孔径に応じて現実的に必要な曲率半径の大きさを把握することができ、それにより製造が容易になる。
本発明の第２の態様に係る液体噴射ノズルは、第１の態様において、前記エッジの曲率半径は、前記ノズル孔径の５％～１０％の範囲にあることを特徴とする。
本態様によれば、前記エッジの曲率半径は、前記ノズル孔径の５％～１０％の範囲にある。前記５％以上であれば製造の困難性は問題になりにくい。また、前記１０％以下であればノズル孔径が広範囲に亘って縮流を形成できる確率が２５％の場合より高い。これにより、縮流形成の確実性の高い液体噴射ノズルを製造容易にして提供することができる。
本発明の第３の態様に係る液体噴射ノズルは、第１の態様又は第２の態様において、前記ノズル孔径は０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲にあることを特徴とする。
本態様によれば、前記ノズル孔径が０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲の液体噴射ノズル孔について、前記縮流を形成できることが確認された。
本発明の第４の態様に係る液体噴射装置は、噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルを備える液体噴射装置であって、前記液体噴射ノズルに液体を加圧して供給する加圧液体供給部を備え、前記液体噴射ノズルは第１の態様から第３の態様のいずれか一つの態様に記載のものであることを特徴とする。
本態様によれば、液体噴射装置として、第１の態様から第３の態様のいずれか一つの態様と同様の効果を得ることができる。
[実施形態１]
以下に、本発明に係る実施形態１の液体噴射ノズルを備える液体噴射装置について、図１から図５に基づいて詳細に説明する。この液体噴射装置は、液滴を噴射ノズル孔の吐出側の端面から直進性良く飛翔させることが求められる皮膚洗浄用液体噴射装置である。
尚、液体噴射装置が上記の装置に限定されないことは勿論であり、歯科治療用装置等にも適用することが可能である。
以下に、本発明に係る実施形態１の液体噴射ノズルを備える液体噴射装置について、図１から図５に基づいて詳細に説明する。この液体噴射装置は、液滴を噴射ノズル孔の吐出側の端面から直進性良く飛翔させることが求められる皮膚洗浄用液体噴射装置である。
尚、液体噴射装置が上記の装置に限定されないことは勿論であり、歯科治療用装置等にも適用することが可能である。
図１に示したように、本実施形態に係る液体噴射装置２５は、液体３を噴射する液体噴射ノズル１１を有する噴射部２と、噴射する液体３を貯留する液体タンク６と、加圧液体供給部であるポンプユニット２７と、液体タンク６とポンプユニット２７とをつなぐ液体３の流路１０を成す液体吸引チューブ１２と、ポンプユニット２７と噴射部２とをつなぐ同じく流路１０を成す送液チューブ１４とを備える。
ポンプユニット２７は、制御部４によって、送液チューブ１４を通って噴射部２に送液される液体３の圧力等のポンプ動作が制御される。
ポンプユニット２７は、制御部４によって、送液チューブ１４を通って噴射部２に送液される液体３の圧力等のポンプ動作が制御される。
＜液体噴射ノズル＞
液体噴射ノズル１１は、１つ又は複数個の噴射ノズル孔１を有し、噴射ノズル孔１から高圧の液体３が噴射されるものである。図１中の部分拡大図において、符号Ｆは液体噴射方向を示す。
噴射ノズル孔１から噴射された高圧の液体３は、噴射直後は連続流５であるが、液体３の表面張力によって直ぐに液滴化して液滴７の群に分裂する。液滴７の前記群は、液体噴射方向Ｆに一直線に並んで飛翔する。その飛翔する液滴７の群を対象物９に次々に当てることで所定の処理が実行される。
尚、図１中の部分拡大図は、図面を解り易くするために、液滴７及び連続流５の寸法が他の部材に対して大きく拡大され、実際の相対的な寸法関係は無視されている。
液体噴射ノズル１１は、１つ又は複数個の噴射ノズル孔１を有し、噴射ノズル孔１から高圧の液体３が噴射されるものである。図１中の部分拡大図において、符号Ｆは液体噴射方向を示す。
噴射ノズル孔１から噴射された高圧の液体３は、噴射直後は連続流５であるが、液体３の表面張力によって直ぐに液滴化して液滴７の群に分裂する。液滴７の前記群は、液体噴射方向Ｆに一直線に並んで飛翔する。その飛翔する液滴７の群を対象物９に次々に当てることで所定の処理が実行される。
尚、図１中の部分拡大図は、図面を解り易くするために、液滴７及び連続流５の寸法が他の部材に対して大きく拡大され、実際の相対的な寸法関係は無視されている。
図２に示したように、液体噴射ノズル１１は、噴射ノズル孔１と、噴射ノズル孔１より径が大きくて噴射ノズル孔１に接続する液体流路２９とを有し、噴射ノズル孔１から噴射された連続流５が液滴化して生じる液滴７を対象物９に当てる。噴射ノズル孔１は円筒形状である。更に噴射ノズル孔１の液体流路２９に接続する入り口の縁であるエッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄの２５％以下に構成されている。
即ち、エッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄと関係付けられて設定されており、Ｒ/ｄが２５％以下になる範囲で設定されている。
図２において、符号２０は噴射ノズル孔１の孔壁面を示し、符号２２は噴射口を示す。孔壁面２０は直径がｄの円筒形状であり、噴射口２２は直径がｄの円形である。
即ち、エッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄと関係付けられて設定されており、Ｒ/ｄが２５％以下になる範囲で設定されている。
図２において、符号２０は噴射ノズル孔１の孔壁面を示し、符号２２は噴射口を示す。孔壁面２０は直径がｄの円筒形状であり、噴射口２２は直径がｄの円形である。
＜縮流＞
図２は、液体３が噴射ノズル孔１から縮流１８となって噴射された状態を表している。縮流１８とは、図２に表したように、噴射ノズル孔１から噴射される連続流５が孔壁面２０との間に隙間を有する状態で、即ち孔壁面２０に接触しない状態で噴射される状態のことである。言い換えると、縮流１８はノズル孔径ｄよりも小さい直径の連続流５になって噴射される状態のことである。その結果、縮流状態の噴射速度Ｖは縮流でない状態で噴射される連続流より速くなることが解っている。
図２は、液体３が噴射ノズル孔１から縮流１８となって噴射された状態を表している。縮流１８とは、図２に表したように、噴射ノズル孔１から噴射される連続流５が孔壁面２０との間に隙間を有する状態で、即ち孔壁面２０に接触しない状態で噴射される状態のことである。言い換えると、縮流１８はノズル孔径ｄよりも小さい直径の連続流５になって噴射される状態のことである。その結果、縮流状態の噴射速度Ｖは縮流でない状態で噴射される連続流より速くなることが解っている。
本実施形態では、液体流路２９も円筒形状に形成されている。尚、液体流路２９は、円筒形状に限定されず、多角筒形状でもよい。
また、本実施形態では、噴射ノズル孔１の吐出側の端面１３から所定の距離までの間において、液滴７の中心１５の飛翔軌跡が、噴射ノズル孔１の中心軸１７から半径ｒが０．５ｍｍ以内の範囲に収まるように構成されている。
また、本実施形態では、噴射ノズル孔１の吐出側の端面１３から所定の距離までの間において、液滴７の中心１５の飛翔軌跡が、噴射ノズル孔１の中心軸１７から半径ｒが０．５ｍｍ以内の範囲に収まるように構成されている。
＜ノズル孔径と液滴のサイズ＞
本実施形態では、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄは０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲で作られる。
液滴７のサイズは、非粘性の線形理論からノズル孔径ｄの約１．８８倍になることが知られている。噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄは０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍであるので、それを計算すると液滴のサイズは０．０１８８ｍｍ～０．２８２ｍｍとなる。更に、噴射ノズル孔１の平滑さ等によって液滴サイズは多少ばらつくことを考慮すると、液滴のサイズは、平均液滴径としては約０．０２ｍｍ～０．２９ｍｍとなる。
ここで、複数の液滴７は、実際には完全な球形ではなく楕円形等に変形しているものがほとんどであるので、「平均液滴径」は、最も長い径部分と最も短い径部分に基づく平均値として求めることになる。
本実施形態では、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄは０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲で作られる。
液滴７のサイズは、非粘性の線形理論からノズル孔径ｄの約１．８８倍になることが知られている。噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄは０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍであるので、それを計算すると液滴のサイズは０．０１８８ｍｍ～０．２８２ｍｍとなる。更に、噴射ノズル孔１の平滑さ等によって液滴サイズは多少ばらつくことを考慮すると、液滴のサイズは、平均液滴径としては約０．０２ｍｍ～０．２９ｍｍとなる。
ここで、複数の液滴７は、実際には完全な球形ではなく楕円形等に変形しているものがほとんどであるので、「平均液滴径」は、最も長い径部分と最も短い径部分に基づく平均値として求めることになる。
＜噴射圧力＞
また、本実施形態に係る液体噴射装置２５では、加圧液体供給部であるポンプユニット２７は、噴射ノズル孔１から噴射される液体３の噴射圧力が０．２ＭＰａ～１０ＭＰａとなる供給圧力で液体３を供給するように構成される。
制御部４は、噴射ノズル孔１から噴射される液体３の噴射速度Ｖが所定の速度になるように噴射圧力を設定する。噴射速度Ｖが決まると飛翔する液滴７の速さも決まる。液滴７の速さは、噴射速度Ｖと空気抵抗の影響が表れるまで同じであり、速度Ｖで飛翔する。
また、本実施形態に係る液体噴射装置２５では、加圧液体供給部であるポンプユニット２７は、噴射ノズル孔１から噴射される液体３の噴射圧力が０．２ＭＰａ～１０ＭＰａとなる供給圧力で液体３を供給するように構成される。
制御部４は、噴射ノズル孔１から噴射される液体３の噴射速度Ｖが所定の速度になるように噴射圧力を設定する。噴射速度Ｖが決まると飛翔する液滴７の速さも決まる。液滴７の速さは、噴射速度Ｖと空気抵抗の影響が表れるまで同じであり、速度Ｖで飛翔する。
＜エッジの曲率半径Ｒはノズル孔径ｄの２５％以下の説明＞
（１）噴射速度Ｖの「解析値／理論値」から
図３は、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／理論値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。
ここで、噴射速度Ｖ（ｍ/ｓ）の「解析値」は、汎用の３次元熱流体解析ソフトウェア（FLOW-3D）を用いて、液体３の各設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）５０、７０、９０について求めた値である。また、「理論値」は、各ノズル孔径ｄにおいて、液体３の各設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）５０、７０、９０を、各噴射ノズル孔１のノズル断面積で除すことで決定される理論速度（ｍ/ｓ）である。
表１の左部分は、ノズル孔径が０．１２ｍｍの噴射ノズル孔１に対して、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を５０、７０、９０とした場合の対応する各理論速度（ｍ/ｓ）、即ち前記「理論値」が７４、１０３、１３３であることを示している。
（１）噴射速度Ｖの「解析値／理論値」から
図３は、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／理論値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。
ここで、噴射速度Ｖ（ｍ/ｓ）の「解析値」は、汎用の３次元熱流体解析ソフトウェア（FLOW-3D）を用いて、液体３の各設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）５０、７０、９０について求めた値である。また、「理論値」は、各ノズル孔径ｄにおいて、液体３の各設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）５０、７０、９０を、各噴射ノズル孔１のノズル断面積で除すことで決定される理論速度（ｍ/ｓ）である。
表１の左部分は、ノズル孔径が０．１２ｍｍの噴射ノズル孔１に対して、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を５０、７０、９０とした場合の対応する各理論速度（ｍ/ｓ）、即ち前記「理論値」が７４、１０３、１３３であることを示している。
図４は、ノズル孔径が０．０８ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／理論値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。
「解析値」は、前記３次元熱流体解析ソフトウェアを用いて、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）２０、３０、４０について求めた値である。
表１の中央部分は、ノズル孔径が０．０８ｍｍの噴射ノズル孔１に対して、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を２０、３０、４０とした場合の対応する各理論速度（ｍ/ｓ）、即ち前記「理論値」が６６、９９、１３３であることを示している。
「解析値」は、前記３次元熱流体解析ソフトウェアを用いて、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）２０、３０、４０について求めた値である。
表１の中央部分は、ノズル孔径が０．０８ｍｍの噴射ノズル孔１に対して、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を２０、３０、４０とした場合の対応する各理論速度（ｍ/ｓ）、即ち前記「理論値」が６６、９９、１３３であることを示している。
図５は、ノズル孔径が０．０５ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／理論値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。
「解析値」は、前記３次元熱流体解析ソフトウェアを用いて、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）８、１２、１４について求めた値である。
表１の右部分は、ノズル孔径が０．０５ｍｍの噴射ノズル孔１に対して、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を８、１２、１４とした場合の対応する各理論速度（ｍ/ｓ）、即ち前記「理論値」が６８、１０２、１１９であることを示している。
「解析値」は、前記３次元熱流体解析ソフトウェアを用いて、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）８、１２、１４について求めた値である。
表１の右部分は、ノズル孔径が０．０５ｍｍの噴射ノズル孔１に対して、液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を８、１２、１４とした場合の対応する各理論速度（ｍ/ｓ）、即ち前記「理論値」が６８、１０２、１１９であることを示している。
図３において、噴射速度Ｖの「解析値」の「理論値」に対する比である「解析値／理論値」が少なくとも１．１を超えていれば、噴射速度Ｖが理論速度より１．１倍、即ち１０％速くなっていることになる。この状態は縮流が形成されていると見ることができる。
図３において、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．０６ｍｍで１．１を超えている。この場合のＲ/ｄは０．０６／０．１２×１００＝５０％である。ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、曲率半径ＲをＲ/ｄが２５％になるまで小さくしなくても縮流が形成されることになる。ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、その分、縮流を形成するための曲率半径Ｒの許容範囲が広いと言うことができる。
図３において、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．０６ｍｍで１．１を超えている。この場合のＲ/ｄは０．０６／０．１２×１００＝５０％である。ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、曲率半径ＲをＲ/ｄが２５％になるまで小さくしなくても縮流が形成されることになる。ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、その分、縮流を形成するための曲率半径Ｒの許容範囲が広いと言うことができる。
図４において、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．０４ｍｍで１．１を超えている。この場合のＲ/ｄは０．０４／０．０８×１００＝５０％である。ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでも、曲率半径ＲをＲ/ｄが２５％になるまで小さくしなくても縮流が形成されることになる。ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでも、縮流を形成するための曲率半径Ｒの許容範囲が広いと言うことができる。
図５において、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．０１２５ｍｍで１．１を超えている。この場合のＲ/ｄは０．０１２５／０．０５×１００＝２５％である。ノズル径が０．０５ｍｍでは、Ｒ/ｄが２５％であるので縮流が形成されることになる。
以上から、噴射ノズル孔１は、そのノズル孔径ｄが０．１２ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０５ｍｍのものについては、Ｒ/ｄが２５％以下になるように作れば縮流が形成されることになることが解る。更に、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍ、０．０８ｍｍのものは、Ｒ/ｄが５０％でも縮流が形成されることになることが解る。
また、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄが０．１５ｍｍのもの、及び０．０１ｍｍのものについて、同様のデータを取得して同様の検討を行った。その結果、いずれもＲ/ｄが２５％以下になるように作れば縮流が形成されることを確認した。
また、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄが０．１５ｍｍのもの、及び０．０１ｍｍのものについて、同様のデータを取得して同様の検討を行った。その結果、いずれもＲ/ｄが２５％以下になるように作れば縮流が形成されることを確認した。
表２は、噴射速度Ｖの「実測値」と前記「理論値」との比である理論速度比を、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０５ｍｍについて、表２中の各流量（ｍｌ/ｍｉｎ）に対して求めたものである。ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍのＲ/ｄは１．７％、０．０８ｍｍのＲ/ｄは１．３％、０．０５ｍｍのＲ/ｄは２．０％のものである。
噴射速度Ｖの実測値は、以下のようにして得た。
＜噴射速度Ｖの実測値＞
図１２は、噴射ノズル孔１から噴射され、速度Ｖで飛翔する液滴７の飛翔軌跡を、高速度カメラを用いて撮影して得た高速撮影画像であり、その２～３枚（図中では３枚）の画像を選択し、着目した液滴７の移動距離Ｓを算出し、これを撮影時間間隔で除して液滴の速さを求め、それを噴射速度Ｖの実測値とした。
噴射速度Ｖの実測値は、以下のようにして得た。
＜噴射速度Ｖの実測値＞
図１２は、噴射ノズル孔１から噴射され、速度Ｖで飛翔する液滴７の飛翔軌跡を、高速度カメラを用いて撮影して得た高速撮影画像であり、その２～３枚（図中では３枚）の画像を選択し、着目した液滴７の移動距離Ｓを算出し、これを撮影時間間隔で除して液滴の速さを求め、それを噴射速度Ｖの実測値とした。
具体的には、図３～図５から凡そのＲの値を決定し、それから求めたＲ/ｄの値を実測値とした。
ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合、理論速度比が１．４０、１．３５、１．２８なので、平均値は約１．３４になる。図３からこの時のＲの値は約０．００２ｍｍであるので、Ｒ/ｄ＝０．００２/０．１２＝０．０１６６…≒１．７％となる。
ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍの場合、理論速度比が１．４４、１．４２、１．３５なので、平均値は約１．４１になる。図４ではいずれも１．４１に届いていないため、解析値／理論値が最大となるＲの値を採用し、そのＲの値は約０．００１ｍｍであるので、Ｒ/ｄ＝０．００１/０．０８＝０．０１２５…≒１．３％となる。
ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍの場合、理論速度比が１．３６、１．３５、１．３１なので、平均値は約１．３４になる。図５からこの時のＲの値は約０．００１ｍｍまたは約０．００４ｍｍであるので、上記との整合性を考慮して０．００１ｍｍを採用した。よって、Ｒ/ｄ＝０．００１/０．０５＝０．０２≒２．０％となる。
ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合、理論速度比が１．４０、１．３５、１．２８なので、平均値は約１．３４になる。図３からこの時のＲの値は約０．００２ｍｍであるので、Ｒ/ｄ＝０．００２/０．１２＝０．０１６６…≒１．７％となる。
ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍの場合、理論速度比が１．４４、１．４２、１．３５なので、平均値は約１．４１になる。図４ではいずれも１．４１に届いていないため、解析値／理論値が最大となるＲの値を採用し、そのＲの値は約０．００１ｍｍであるので、Ｒ/ｄ＝０．００１/０．０８＝０．０１２５…≒１．３％となる。
ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍの場合、理論速度比が１．３６、１．３５、１．３１なので、平均値は約１．３４になる。図５からこの時のＲの値は約０．００１ｍｍまたは約０．００４ｍｍであるので、上記との整合性を考慮して０．００１ｍｍを採用した。よって、Ｒ/ｄ＝０．００１/０．０５＝０．０２≒２．０％となる。
表２において、噴射速度Ｖの実測値と理論値の比である理論速度比の最小値は、ノズル孔径ｄによって異なるが、ｄが０．１２ｍｍでは１．２８、ｄが０．０８ｍｍでは１．３５、ｄが０．０５ｍｍでは１．３１である。
よって、測定した各噴射ノズル孔１では実測の噴射速度Ｖが理論速度より全て速くなっていることが解る。即ち縮流が形成されていることになる。
更に、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄが０．１５ｍｍのもの、及び０．０１ｍｍのものについて、同様に実測値と理論値のデータを取得して同様の検討を行った。その結果、いずれもＲ/ｄが２５％以下になるように作れば縮流が形成されることを確認した。
よって、測定した各噴射ノズル孔１では実測の噴射速度Ｖが理論速度より全て速くなっていることが解る。即ち縮流が形成されていることになる。
更に、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄが０．１５ｍｍのもの、及び０．０１ｍｍのものについて、同様に実測値と理論値のデータを取得して同様の検討を行った。その結果、いずれもＲ/ｄが２５％以下になるように作れば縮流が形成されることを確認した。
＜実施形態１の効果の説明＞
本実施形態によれば、噴射ノズル孔１の液体流路２９に接続する入り口のエッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄの２５％以下、即ちＲ/ｄは２５％以下である。これにより、噴射ノズル孔１の噴射口２２から噴射された液体３の連続流５が分裂してできる液滴７を直進性良く飛翔させることができると共に、液体３を縮流１８として噴射させることが可能になる。
縮流１８にすることで、縮流でない場合よりも噴射速度Ｖが高まるので、その高まった分だけ液滴７の衝撃圧を高めることができる。
本実施形態によれば、噴射ノズル孔１の液体流路２９に接続する入り口のエッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄの２５％以下、即ちＲ/ｄは２５％以下である。これにより、噴射ノズル孔１の噴射口２２から噴射された液体３の連続流５が分裂してできる液滴７を直進性良く飛翔させることができると共に、液体３を縮流１８として噴射させることが可能になる。
縮流１８にすることで、縮流でない場合よりも噴射速度Ｖが高まるので、その高まった分だけ液滴７の衝撃圧を高めることができる。
また、縮流１８の形成し易さは、噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒがゼロ、即ち真に９０度である方がよいとされている。しかし、エッジ３１の曲率半径Ｒがゼロの噴射ノズル孔１を作ることは困難であり、曲率半径Ｒが極力ゼロに近いものを目指して作ることになる。
本発明者らは、エッジ３１の曲率半径Ｒがゼロでなくても縮流１８を形成することが可能である範囲があることを確認した。即ち、エッジ３１の曲率半径Ｒがゼロでなくても、ある範囲まで縮流１８を形成できることを確認した。更にその確認の際に、ノズル孔径ｄが大きくなるほど縮流１８を形成できる範囲が広くなることを発見した。本実施形態において、「エッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１ｄノズル孔径ｄの２５％以下」は、前記発見に基づくものである。
これにより本実施形態によれば、縮流１８を形成できる噴射ノズル孔１を製造するに際して、漠然とエッジ３１の曲率半径Ｒをゼロにすることを目指すといった意識をしなくてもよくなり、即ち、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄに応じて現実的に必要な曲率半径Ｒの大きさを把握することができ、それにより製造が容易になる。
本発明者らは、エッジ３１の曲率半径Ｒがゼロでなくても縮流１８を形成することが可能である範囲があることを確認した。即ち、エッジ３１の曲率半径Ｒがゼロでなくても、ある範囲まで縮流１８を形成できることを確認した。更にその確認の際に、ノズル孔径ｄが大きくなるほど縮流１８を形成できる範囲が広くなることを発見した。本実施形態において、「エッジ３１の曲率半径Ｒは、噴射ノズル孔１ｄノズル孔径ｄの２５％以下」は、前記発見に基づくものである。
これにより本実施形態によれば、縮流１８を形成できる噴射ノズル孔１を製造するに際して、漠然とエッジ３１の曲率半径Ｒをゼロにすることを目指すといった意識をしなくてもよくなり、即ち、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄに応じて現実的に必要な曲率半径Ｒの大きさを把握することができ、それにより製造が容易になる。
［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２に係る液体噴射ノズル１について、図６から図１１に基づいて説明する。図６～図８において、複数の破線が、各流量における基準値を示す。
本実施形態では、エッジ３１の曲率半径Ｒのノズル孔径ｄに対する割合Ｒ/ｄが５％～１０％の範囲にあるように構成される。
次に、本発明の実施形態２に係る液体噴射ノズル１について、図６から図１１に基づいて説明する。図６～図８において、複数の破線が、各流量における基準値を示す。
本実施形態では、エッジ３１の曲率半径Ｒのノズル孔径ｄに対する割合Ｒ/ｄが５％～１０％の範囲にあるように構成される。
＜エッジの曲率半径Ｒはノズル孔径ｄの５％～１０％の範囲の説明＞
（１）噴射速度Ｖの「解析値／基準値」から
図６は、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合の、噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒに対する噴射速度Ｖの解析値と基準値を比較したグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を５０、７０、９０とした場合である。
ここで、噴射速度Ｖ（ｍ/ｓ）の「解析値」は、上記と同じである。「基準値」は、エッジ３１の曲率半径Ｒ＝０、すなわち、エッジ３１が直角になるときの噴射速度の解析値を求めて、それを基準値とした。エッジ３１が直角となる状態は、縮流１８の形成において有利な状態と言えるので、それを基準値とした。曲率半径Ｒを直角としたときの噴射速度の解析値である「基準値」は、以下のように求めた。
＜基準値の求め方＞
図２に示したエッジ３１を直角にして作成した解析モデルを用いて、前記３次元熱流体解析ソフトウェアにより、各設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）における噴射速度を求めた。
（１）噴射速度Ｖの「解析値／基準値」から
図６は、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合の、噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒに対する噴射速度Ｖの解析値と基準値を比較したグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を５０、７０、９０とした場合である。
ここで、噴射速度Ｖ（ｍ/ｓ）の「解析値」は、上記と同じである。「基準値」は、エッジ３１の曲率半径Ｒ＝０、すなわち、エッジ３１が直角になるときの噴射速度の解析値を求めて、それを基準値とした。エッジ３１が直角となる状態は、縮流１８の形成において有利な状態と言えるので、それを基準値とした。曲率半径Ｒを直角としたときの噴射速度の解析値である「基準値」は、以下のように求めた。
＜基準値の求め方＞
図２に示したエッジ３１を直角にして作成した解析モデルを用いて、前記３次元熱流体解析ソフトウェアにより、各設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）における噴射速度を求めた。
図７は、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／基準値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を２０、３０、４０とした場合である。
図８は、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／基準値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を８、１２、１４とした場合である。
図８は、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／基準値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を８、１２、１４とした場合である。
図６において、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．０１２ｍｍで基準値を上回る。この場合のＲ/ｄは、０．０１２／０．１２×１００＝１０％である。
図７において、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００８ｍｍで基準値を上回る。この場合のＲ/ｄは、０．００８／０．０８×１００＝１０％である。
図８において、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００５ｍｍで基準値を上回る。この場合のＲ/ｄは、０．００５／０．０５×１００＝１０％である。
図７において、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００８ｍｍで基準値を上回る。この場合のＲ/ｄは、０．００８／０．０８×１００＝１０％である。
図８において、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍでは、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００５ｍｍで基準値を上回る。この場合のＲ/ｄは、０．００５／０．０５×１００＝１０％である。
以上から、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄが０．１２ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０５ｍｍのものについては、Ｒ/ｄが１０％以下になるように作ることで、縮流１８が形成される確率が高まることが解る。
（２）噴射速度Ｖの「解析値／実測値」から
図９は、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／実測値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を５０、７０、９０とした場合である。
ここで、噴射速度Ｖ（ｍ/ｓ）の「解析値」及び「実測値」は、上記と同じである。
図９は、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／実測値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を５０、７０、９０とした場合である。
ここで、噴射速度Ｖ（ｍ/ｓ）の「解析値」及び「実測値」は、上記と同じである。
図１０は、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／実測値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を２０、３０、４０とした場合である。
図１１は、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／実測値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を８、１２、１４とした場合である。
図１１は、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍの場合の噴射速度Ｖの解析値／実測値と噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。液体３の設定流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を８、１２、１４とした場合である。
図９において、ノズル孔径ｄが０．１２ｍｍでは、液体３の全ての流量（ｍｌ/ｍｉｎ）において、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００６ｍｍで１をほぼ上回る。この場合のＲ/ｄは０．００６／０．１２×１００＝５％である。
図１０において、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでは、液体３の全ての流量（ｍｌ/ｍｉｎ）において、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００４ｍｍで１をほぼ上回る。この場合のＲ/ｄは０．００４／０．０８×１００＝５％である。
図１１において、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍでは、液体３の全ての流量（ｍｌ/ｍｉｎ）において、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００２５ｍｍで１をほぼ上回る。この場合のＲ/ｄは０．００２５／０．０５×１００＝５％である。
図１０において、ノズル孔径ｄが０．０８ｍｍでは、液体３の全ての流量（ｍｌ/ｍｉｎ）において、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００４ｍｍで１をほぼ上回る。この場合のＲ/ｄは０．００４／０．０８×１００＝５％である。
図１１において、ノズル孔径ｄが０．０５ｍｍでは、液体３の全ての流量（ｍｌ/ｍｉｎ）において、エッジ３１の曲率半径Ｒが０．００２５ｍｍで１をほぼ上回る。この場合のＲ/ｄは０．００２５／０．０５×１００＝５％である。
以上から、噴射ノズル孔１のノズル孔径ｄが０．１２ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０５ｍｍのものについては、Ｒ/ｄが５％になるように作ることで、縮流１８が形成される確率が高まることが解る。
即ち、噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒをノズル孔径ｄの５％にすれば、確実に縮流１８を形成させることができると言える。また、噴射速度Ｖは、理論速度の約１．３倍まで増幅され、理論上より１．３倍強い衝撃圧を発生させることができることになり、高い破砕、洗浄効果が期待することができる。
言い換えれば、理論上より約３０％少ない液体３の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）で、噴射速度Ｖにより決まる所望の衝撃圧を発生させることができることになり、噴射する液体３の低流量化が図れる。
即ち、噴射ノズル孔１のエッジ３１の曲率半径Ｒをノズル孔径ｄの５％にすれば、確実に縮流１８を形成させることができると言える。また、噴射速度Ｖは、理論速度の約１．３倍まで増幅され、理論上より１．３倍強い衝撃圧を発生させることができることになり、高い破砕、洗浄効果が期待することができる。
言い換えれば、理論上より約３０％少ない液体３の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）で、噴射速度Ｖにより決まる所望の衝撃圧を発生させることができることになり、噴射する液体３の低流量化が図れる。
本実施形態によれば、エッジ３１の曲率半径Ｒは、ノズル孔径ｄの５％～１０％の範囲にある。Ｒ/ｄが５％以上であれば製造の困難性は問題になりにくい。また、Ｒ/ｄが１０％以下であればノズル孔径ｄが広範囲に亘って縮流１８を形成できる確率が２５％の場合より高い。これにより、縮流１８の形成の確実性の高い液体噴射ノズル１１を製造容易に提供することができる。
〔他の実施形態〕
本発明の実施形態に係る液体噴射ノズル１及び液体噴射装置２５は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことは勿論可能である。
本発明の実施形態に係る液体噴射ノズル１及び液体噴射装置２５は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことは勿論可能である。
１ 噴射ノズル孔、２ 噴射部、３ 液体、４ 制御部、５ 連続流、
６ 液体タンク、７ 液滴、９ 対象物、１０ 流路、１１ 液体噴射ノズル、
１２ 液体吸引チューブ、１４ 送液チューブ、１５ 中心、１７ 中心軸、
２０ 孔壁面、２１ 液体流入口、２２ 噴射口、２５ 液体噴射装置、
２７ 加圧液体供給部（ポンプユニット）、２９ 液体流路、３１ エッジ
Ｆ 液体噴射方向、Ｒ 曲率半径、ｄ ノズル孔径
６ 液体タンク、７ 液滴、９ 対象物、１０ 流路、１１ 液体噴射ノズル、
１２ 液体吸引チューブ、１４ 送液チューブ、１５ 中心、１７ 中心軸、
２０ 孔壁面、２１ 液体流入口、２２ 噴射口、２５ 液体噴射装置、
２７ 加圧液体供給部（ポンプユニット）、２９ 液体流路、３１ エッジ
Ｆ 液体噴射方向、Ｒ 曲率半径、ｄ ノズル孔径
Claims (6)
- 噴射ノズル孔と、
前記噴射ノズル孔より径が大きくて前記噴射ノズル孔に接続する液体流路と、を有し、
前記噴射ノズル孔から噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルであって、
前記噴射ノズル孔は円筒形状であり、
前記噴射ノズル孔の前記液体流路に接続する入り口のエッジの曲率半径は、前記噴射ノズル孔のノズル孔径の５％～１０％の範囲にある、
ことを特徴とする液体噴射ノズル。 - 請求項１に記載の液体噴射ノズルにおいて、
前記ノズル孔径は０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲にある、
ことを特徴とする液体噴射ノズル。 - 請求項１に記載の液体噴射ノズルにおいて、
前記噴射ノズル孔から噴射された連続流の直径は、前記ノズル孔径よりも小さい、
ことを特徴とする液体噴射ノズル。 - 請求項３に記載の液体噴射ノズルにおいて、
前記液滴の平均液滴径は、前記ノズル孔径よりも大きい、
ことを特徴とする液体噴射ノズル。 - 請求項４に記載の液体噴射ノズルにおいて、
前記噴射ノズル孔から噴射された前記連続流の速度は、前記液体流路内を流通する液体の速度よりも速い、
ことを特徴とする液体噴射ノズル。 - 噴射された連続流が液滴化して生じる液滴を対象物に当てる液体噴射ノズルを備える液体噴射装置であって、
前記液体噴射ノズルに液体を加圧して供給する加圧液体供給部を備え、
前記液体噴射ノズルは請求項１から５のいずれか１項に記載のものである、
ことを特徴とする液体噴射装置。
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