KR20200004333A

KR20200004333A - 2유체 노즐

Info

Publication number: KR20200004333A
Application number: KR1020197034513A
Authority: KR
Inventors: 토시카즈 하마우라; 히로시 세키야; 토모히코 나가츠카
Original assignee: 스프레이잉 시스템스 재팬 고도가이샤
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-13
Also published as: WO2019017176A1; CN110944756A; JP6530017B2; KR102279187B1; DE112018003737T5; JP2019018183A; US20200147624A1

Abstract

막히기 어렵고, 또한 우수한 미립화 성능을 얻을 수 있고, 간이 구성이며 여러 가지 용도로 사용가능한 내부 혼합 타입의 2유체 노즐을 제공한다.
내부에 유체 유로가 형성되어 있고, 상류측에서 공급액이 공급되는 액 캡 본체(1)와, 이 액 캡 본체(1)의 하류부에 설치되어 있고, 공급가스가 내부에 공급되는 공기 캡 본체(2)를 구비하고, 상기 액 캡 본체의 하류단에는 액출구(1g)가 형성되어 있고, 상기 공기 캡 본체(2)는 내부에 공급가스가 공급되는 가스 챔버부(2b)가 형성되어 있고, 이 가스 챔버부(2b)의 하류측에는 혼합기 출구(2c)가 형성되어 있고, 혼합기 출구(2c)의 직후에 막자사발 형상의 혼합기 확대부(2e)가 형성된 구성으로 하였다.

Description

2유체 노즐

본 발명은 내부 혼합 타입의 2유체 노즐에 관한 것이다.

2유체 노즐로는 여러 가지 타입의 것이 존재하고, 크게 나누면 내부 혼합 타입과 외부 혼합 타입이 있다.

노즐 내부에서 유체를 혼합하도록 한 내부 혼합 타입에서는 미립화를 효율적으로 행할 수 있고, 미립자를 얻기 쉬운 반면에, 혼합기가 고화하기 쉬운 노즐에서는 노즐 내부에서 혼상류(混相流)가 반송되기 때문에, 막힘을 일으키기 쉽고, 단시간에 사용할 수 없게 된다는 결점이 있다.

한편, 외부 혼합 타입의 노즐은 유체가 노즐 외부의 대기중에서 혼합되기 때문에, 막히기 어렵다는 이점이 있다. 이 때문에, 고화하기 쉬운 액으로도 사용할 수 있지만, 대기중에서 혼합하기 때문에 비산해 버려 미립화 성능이 떨어지고, 용도가 제한된다는 결점이 있다.

이런 종류의 노즐로는 예를 들면 다음과 같은 것이 있다.

일본 특허공개 2006-82058호 일본 특허공개 2005-296874호 일본 특허공개 2009-119352호 일본 특허공개 평성7-171444호

문헌 1의 것은, 분무 후에 대기중을 떠다니는 미스트의 재부착을 방지하는 것에 주안점을 둔 노즐이다. 이 노즐은 내부에서 액을 혼합하는 타입이기 때문에, 내부에서의 반송중에 액의 고착, 퇴적이 시작되고, 몇시간이라고 하는 극히 짧은 운용시간에 막힘을 일으키는 것을 확인하였다.

문헌 2의 것은 외부 혼합 타입으로, 대기중에서 액을 충돌시켜 미립화를 꾀하여 패턴을 형성하는 것이다.

이 외부 혼합 타입의 것은 유체 출구가 두 군데가 된다. 이 때문에, 대기중에서 미소량을 균등하게 분무하여 충돌시키기 위해서 극히 정밀한 가공 정밀도가 요구된다는 문제가 있다. 또한, 노즐의 유지보수가 곤란하기 때문에, 더욱 간소화된 구조가 요구되고 있다.

문헌 3의 것은, 고화하기 쉬운 액을 노즐 내부에서 순환시켜, 고화를 막으면서 필요량을 밸브로 컨트롤하여 공급하는 구조를 가진 노즐이다.

이 노즐은 대기중에 분무될 때까지 액과 가스의 접촉이 없어 고화를 막는 것은 가능하지만, 미립화를 대기중에서 행하기 때문에, 분무 후의 입자 직경에 있어서 입도 분포가 넓어져, 평균 입자 직경이 큰 경향이 있어, 박막의 코팅 용도 등으로는 사용할 수 없고, 한층 더 미립자화가 요구된다고 하는 문제가 있다.

문헌 4의 것은, 액체 분무 배소(焙燒) 노즐의 선단부에 액체 덩어리가 생기지 않도록 하는 가공을 행하고, 노즐 외부에서 유체를 혼합하는 노즐이다.

이 노즐은, 노즐부에 주목했을 때 미립화를 행하는 부분의 구조는 문헌 3과 유사하다. 이 노즐에서는 미립화가 대기중에서 행하여지는 구조이기 때문에, 광범위한 입도 분포가 되기 때문에, 미립화의 면에서 불리하다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 사항을 감안하여 제안된 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 내부 혼합 타입의 2유체 노즐에 있어서, 막히기 어렵고, 우수한 미립화 성능을 얻을 수 있고, 장시간의 사용을 가능하게 하고, 또한 간이 구성이며 여러 가지 용도로 이용가능한 내부 혼합 타입의 2유체 노즐을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1에 따른 본 발명은, 내부에 유체 유로가 형성되어 있고, 상류측에서 공급액이 공급되는 액 캡 본체(1)와, 이 액 캡 본체(1)의 하류부에 설치되어 있고, 공급가스가 내부에 공급되는 공기 캡 본체(2)를 구비하고, 상기 액 캡 본체(1)의 하류단에는 액출구(1g)가 형성되어 있고, 상기 공기 캡 본체(2)는 내부에 공급가스가 공급되는 가스 챔버부(2b)가 형성되어 있고, 이 가스 챔버부(2b)의 하류측에는 혼합기 출구(2c)가 형성되어 있고, 혼합기 출구(2c)에는 막자사발 형상의 혼합기 확대부(2e)가 형성된 구성으로 한 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 따른 본 발명은, 청구항 1에 기재된 2유체 노즐에 있어서, 상기 혼합기 확대부(2c)는 상기 혼합기 출구(2c) 직후에 형성되어 있고, 직경이 확대된 그릇 모양의 형상 또는 그 일부에 오목부(2g)를 가지는 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 따른 발명은, 청구항 1에 기재된 2유체 노즐에 있어서, 상기 액출구(1g)는 상기 혼합기 출구(2c)의 상류측이며 상기 혼합기 출구(2c)의 근방에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 따른 발명은, 청구항 1에 기재된 2유체 노즐에 있어서, 상기 액출구(1g)의 직경보다 상기 혼합기 출구(2c)의 직경이 더 크게 형성되어 있고, 상기 액출구(1g)와 상기 혼합기 출구(2c)의 사이에 혼합부(b)가 형성되어 있고, 이 혼합부(b)의 출구 직경보다 상기 혼합기 출구(2c)가 더 큰 단면적으로 형성된 것을 특징으로 한다.

청구항 1에 기재된 본 발명에 의하면, 혼합기 출구(2c)에 형성된 혼합기 확대부(2e)를 막자사발 형상으로 만들었기 때문에, 출구로부터의 혼합기는 급격하게 확산되어 미립화가 촉진되고, 미립화 가스로 반송하기 쉬운 액적(液滴)이 형성되어 혼합기 출구의 액퇴적을 경감할 수 있고, 따라서 막힘 방지를 도모할 수 있는 효과가 있다.

청구항 2에 기재된 본 발명에 의하면, 혼합기 확대부(2e)를 혼합기 출구 직후에 형성하였기 때문에, 출구로부터의 혼합기를 즉시 확산하여 미립화를 촉진할 수 있고, 또한 오목부(2g)를 형성하면 더욱 확산하여 외부로 신속하게 배출할 수 있고, 확실하게 액퇴적을 경감할 수 있는 효과가 있다.

청구항 3에 기재된 본 발명에 의하면, 혼합기 출구(2c)보다 액출구(1g)를 상류측에 배치하고, 액출구(1g)의 전방에 있는 가스압보다 큰 힘으로 공급액을 액출구(1g)로부터 분출하게 하였기 때문에, 공급액이 액출구 직후로부터 가스의 힘으로 분쇄되어, 미립화가 촉진된 상태의 혼합기를 얻을 수 있다.

청구항 4에 기재된 본 발명에 의하면, 액출구(1g)로부터 분출되는 공급액의 최대 유속의 액출구(1g)와 혼합기 출구(2c) 사이를 혼합부(b)로 하여, 혼합부(b)의 외주측에서 중심을 향하여 공급액의 흐름과 가스가 충돌하여 미립화를 촉진하고, 액출구(1g)의 직경보다 혼합기 출구의 직경을 크게 하여, 신속하게 배출하고, 직후에 막자사발 형상의 혼합기 확대부(2e)를 통하여 혼합기를 급격하게 확산시켜, 내부에서의 액퇴적, 고화, 고착을 저감할 수 있고, 장기에 걸쳐서 안정적으로 사용할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 간이 구성이기 때문에, 제조가 용이해서 제조 비용을 저감할 수 있고, 또한 노즐 내부에 퇴적이 일어나지 않기 때문에 유지보수도 간단하게 행할 수 있고, 유지보수의 빈도도 적어질 뿐만 아니라, 유지보수시에 노즐을 분해 청소하는 작업 시간도 짧아지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 실시예의 동작 설명도이다.
도 3은 도 1의 실시예의 혼합부의 확대 설명도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예의 종단면도를 나타낸다.

이하, 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하지만, 본 발명은 도시의 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 설계 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 내부 혼합 타입의 2유체 노즐의 하나의 실시예를 나타낸다. 이 2유체 노즐은, 액 캡 본체(1)와, 이 액 캡 본체(1)의 하류측 선단부에 설치된 공기 캡 본체(2)를 구비하고 있다.

액 캡 본체(1)는 중공 형상을 하고 있고, 도면 중 오른쪽, 즉 상류측이 개방되어 있고, 예를 들면 이형제나 접착제 등의 공급액(A)의 공급구(1a)로 되어 있다. 내부에는 중앙부 축선방향으로 직선 형상이고 내경이 균일한 제1 유체 유로(1b)가 형성되어 있고, 이 제1 유체 유로(1b)의 하류측에, 더욱 하류측을 향해서 점차적으로 직경이 축소되는, 단면이 끝이 가늘어지는 테이퍼 형상으로 형성된 제2 유체 유로(1c)가 형성되어 있다. 또한, 제2 유체 유로(1c)의 하류측에는 제1 유체 유로(1b)에 비해 작은 직경이며 내경이 균일한 제3 유체 유로(1d)가 형성되어 있다.

액 캡 본체(1)의 하류측의 선단부에 부착된 공기 캡 본체(2)는 거의 원통 형상을 이루는 가스 공급부(3)를 가지고 있다.

가스 공급부(3)는, 공기 캡 본체(2)의 내단부(2a)에 부착되어 있고, 또한 이 가스 공급부(3)는 액 캡 본체(1)의 하류측 선단 외주의 부착부(1e)에 밀착하여 적절한 수단에 의해 일체화되어 있다.

가스 공급부(3)에는 공기 캡 본체(2)내에 가스를 공급하는 가스 유로 구멍(3a)이 형성되어 있다. 또한, 가스 유로 구멍(3a)의 하류측에는 가스 정류홈(3b)이 형성되어 있고, 이 가스 정류홈(3b)은 공기 캡 본체(2)내에 형성된 가스 챔버부(2b)로 통하고 있다.

가스 정류홈(3b)의 직경은 가스 유로 구멍(3a)에 비해 큰 직경으로 되어 있다.

또한, 가스 정류홈(3b)과 가스 챔버부(2b)의 사이에 가스 정류홈(3b)보다 큰 직경의 가스 정류 챔버(3c)가 형성되어 있다. 이 가스 정류 챔버(3c)는 가스 유로 구멍(3a)으로부터 들어오는 가스가 정류홈(3b)에서 정류되도록 흐름을 바꾸는 역할을 한다.

가스 챔버부(2b)내의 중앙부에는 내부에 제3 액유로(1d)를 가지는 원통 형상의 액출구 외통(1f)의 선단부가 돌출되어 있고, 이 액출구 외통(1f)의 선단 개구 부분이 액출구(1g)로 되어 있다.

또한, 가스 챔버부(2b)는 전방에 형성된 혼합기 출구(2c)를 통하여 혼합기 확대부(2e)로 연통하고 있다.

또한, 가스 챔버부(2b)에는 가스 유로 구멍(3a)으로부터 유입되어 온 공급가스(b)가 부딪혀, 그 방향을 각도를 바꾸어서 액출구(1g)쪽으로 변화시키는 벽(2d)이 형성되어 있다. 이 벽(2d)은, 공기 캡 본체(2)의 내측을 향하여 돌출되어 있고, 또한 중앙부에 혼합기 출구(2c)가 형성되어 있다. 이 혼합기 출구(2c)의 상류측에 액출구(1g)가 위치하고 있다.

또한, 신속하게 혼합기를 배출하도록 액출구(1g)의 직경에 비해 혼합기 출구(2c)의 직경을 크게 형성하고 있다. 또한, 액출구(1g)는 혼합기 출구(2c)의 근방에 위치되어 있다.

가스 챔버부(2b)의 전방에 있는 혼합기 확대부(2e)의 내주면인 벽면(2f)은, 혼합기 출구(2c)로부터 전방 단부의 하류측을 향해서 점차적으로 내경이 커지는 막자사발 형상으로 형성하고 있다.

여기에서, 막자사발 형상이란, 전체로서의 형상은 거의 원추형을 이루고, 그릇 모양의 형상이나, 그 일부에 오목부(2g)가 형성된 것을 포함하는 것으로 한다. 이 실시예에서는 혼합기 확대 벽면(2f)의 거의 중앙부에 오목부(2g)가 형성되어 있다. 오목부(2g)의 부분에서 내경이 확대되어, 거기에서 노즐 분사구(2h)를 향해서 점차적으로 직경이 확대되는 형상으로 되어 있다.

이 오목부(2g)는 도시예에서는 혼합기 확대 벽면(2f)의 거의 중앙부로 되어 있지만, 반드시 이 위치에 한정되는 것이 아니라, 혼합기 출구(2b)측으로 하여도 된다. 또한, 오목부(2g)는 단면도로 보았을 때 대략 く자 모양으로 움푹 들어간 형상으로 형성되어 있지만, 이 형상으로 한정되는 것은 아니다.

도 2와 도 3은 공급구(1a)로부터 공급된 공급액(A)(실선으로 나타낸다)과, 가스 유로 구멍(3a)으로부터의 공급가스(B)(파선으로 나타낸다)의 흐름의 설명을 나타낸다.

동작에 있어서 소정의 액압의 공급액(A)이 공급구(1a)로부터 공급되면 제2 유체 유로(1c)의 내경은 안쪽으로 갈수록 끝이 가늘어져서 좁혀지기 때문에, 공급액(A)의 유속은 증가하여 제3 유체 유로(1d)로 들어가는 유속은 빨라진다.

이렇게 하여, 공급액(A)은 제1∼제3 유체 유로(1b∼1d)를 지나서, 액출구(1g)로부터 가스 챔버부(2b) 내로 배출되지만, 가스 챔버부(2b)에는 미립화용의 공급가스(b)가 존재하고, 액출구(1g)의 주위를 흐르는 가스가 액출구(1g)에 뚜껑을 덮는 것 같은 흐름을 만듦으로써, 액출구(1g)로부터의 분무액에 내압을 가할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서는 액출구(1g)를 혼합기 출구(2b)보다도 상류측에 배치하고, 주위를 흐르는 가스가 액출구(1g)에 뚜껑을 덮는 것 같은 흐름으로 되어 있있다. 따라서, 공급액(A)을 액출구(1g)로부터 분무시키기 위해서는 가스의 뚜껑에 의한 압력보다도 큰 힘으로 배출할 필요가 있기 때문에, 공급액(A)은 액출구(1g) 직후에서 가스로 분쇄되어 미립화가 촉진되어 균일한 입자 분포를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서는 액출구(1g)를 혼합기 출구(2c) 근방에 위치시킨 것도 구성상의 특징으로 하고 있다.

즉, 종래 기술에서는, 미립화용 가스는 액과 병행하여 같은 방향으로 흐르고, 가스 흐름의 중앙부에 액이 분무된다. 이 때문에, 균일하게 가스와 액을 혼합하기 위해서는, 챔버부라고 불리는 혼합 구역이 필요로 하였다. 그 챔버부의 뒤에, 혼합기 출구가 필요하기 때문에, 흐름에 변화가 발생하는 장소에 액의 퇴적이 일어나고 있었다.

상기 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 미립화용 가스의 흐름이 벽(2d)에 의해 액흐름에 대하여 각도를 이루고 접촉하는 구조로 함으로써, 챔버부를 거의 필요로 하지 않는 정도까지 작게 함으로써, 혼합기 출구(2c) 근방에 액출구(1g)를 배치하는 구성으로 하였다. 이때, 액출구(1g)보다 충분히 큰 직경의 혼합기 출구(2c)로 함으로써, 액이 고화되는 것보다도 빨리 하류측으로 배출할 수 있고, 노즐 분사구(2h)로부터 혼합기를 신속하게 대기중으로 배출시킬 수 있게 하였다.

혼합기 출구(2c)의 직경은, 도 3에서 사선으로 나타내는 혼합부(b)의 출구(b')보다 큰 직경으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 본 발명에서는 혼합부(b)의 출구(b')의 직경에 대하여 혼합기 출구(2c)의 직경을 1.4∼1.5배로 하면 바람직하다. 또한, 2.5배 이상으로 하면 지나치게 커서, 미립화가 불충분하게 되는 것을 실험에 의해 확인하였다. 또한, 도 3에 있어서의 혼합부(b)의 충돌부의 단면적(해칭부)에 있어서, 그 세로대 가로의 비를 1:3 정도로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 액흐름의 축방향이 세로, b'의 직경이 가로가 된다.

또한, 본 발명에서는 액출구(1g)로부터의 분무 후의 혼합기는 혼합기 출구(2c) 직후로부터 혼합기 확대부(2e)에 의해 신속하게 확산시킴으로써 미립화가 촉진되고, 가스로 반송되기 쉬운 액적이 형성되어 혼합기 출구(2c)의 액퇴적을 경감할 수 있다.

이 경우, 혼합기 출구(2c) 직후에 형성한 막자사발 형상의 혼합기 확대부(2e)에 의해 혼합기의 흐름을 외주측으로 확산하도록 분무 방향을 변화시키도록 하였다.

상기 구성으로 한 것에 의해, 미립화용 가스는, 액과의 혼합부인 가스 챔버부(2b)에서 가장 압축되어, 직후의 혼합기 출구(2c)에서 곧바로 팽창하고, 막자사발 형상의 혼합기 확대부(2e)에 의해 팽창하는 흐름이 저해되지 않고 신속하게 대기중으로 해방시킬 수 있고, 가스 흐름을 저해하는 장소가 없기 때문에, 고화하기 쉬운 액이 굳어지기 전에 노즐 분사구(2h)로부터 대기중으로 배출시킬 수 있다.

상기에서, 가스가 가장 압축되는 장소는, 도 3에 나타나 있는 사선의 혼합부(b)이며, 혼합기는 혼합기 출구(2c) 직후부터 미립화된다. 미립화된 혼합기는 그대로 배출되기 때문에, 고화한 액의 퇴적은 종래 기술의 내부 혼합 노즐보다도 저감된다.

표 1은 본 발명의 개발품 노즐의 자우터 평균 직경(Sauter's mean diameter)(D32) 등을 나타낸다. 우측 단부의 굵은 테두리(bold frame)에 나타나 있는 바와 같이, 개발품은 평균 입자 직경의 크기가 종래 기술의 외부 혼합 노즐과 비교해서 40%∼70% 정도로 가스량을 변화시킨 상태에서도 입자 직경이 작아져 있다. 즉 미립화가 충분히 이루어지고 있음을 알 수 있다.

표 1

분무 입자 직경의 비교

개발품 노즐과 종래 기술의 외부 혼합 노즐에서, 같은 액량을 분무했을 때의 입자 직경을 비교한 결과는, 아래의 표와 같다.

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 공기(공급가스)의 압력 0.1MPa 근방의 저압역에서도 충분하게 미립화되어 있고, 또 저압이기 때문에 미스트의 튀어 오르기가 적은 비산(飛散)이 저감된 박막 코팅에도 사용할 수 있어서, 이용 분야가 넓고, 여러 가지 용도로 이용할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 오목부(2g)를 단면도로 보았을 때 대략 く자 모양으로 움푹 들어간 형상으로 했지만 이에 한정하지 않고, 도 4에 나타나 있는 바와 같은 테이퍼 형상, 혹은 도 5에 나타나 있는 바와 같은 계단 형상, 또 특별히 도면에는 나타내지 않았지만 곡면 형상, 그 밖의 형상으로 해도 된다. 그 밖의 구성은 전술한 실시예와 같기 때문에 상세한 설명은 생략한다.

1 액 캡 본체
1a 공급구
1b 제1 유체 유로
1c 제2 유체 유로
1d 제3 유체 유로
1e 부착부
1f 액출구 외통
1g 액출구
2 공기 캡 본체
2a 부착부
2b 가스 챔버부
2c 혼합기 출구
2d 벽
2e 혼합기 확대부
2f 혼합기 확대벽면
2g 오목부
2h 노즐 분사구
3 가스 공급부
3a 가스 유로 구멍
3b 가스 정류홈
3c 가스 정류 챔버

Claims

내부에 유체 유로가 형성되어 있고, 상류측에서 공급액이 공급되는 액 캡 본체(1)와, 이 액 캡 본체(1)의 하류부에 설치되어 있고, 공급가스가 내부에 공급되는 공기 캡 본체(2)를 구비하고, 상기 액 캡 본체(1)의 하류단에는 액출구(1g)가 형성되어 있고, 상기 공기 캡 본체(2)는 내부에 공급가스가 공급되는 가스 챔버부(2b)가 형성되어 있고, 이 가스 챔버부(2b)의 하류측에는 혼합기 출구(2c)가 형성되어 있고, 혼합기 출구(2c)의 후방에 막자사발 형상의 혼합기 확대부(2e)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2유체 노즐.
제1항에 있어서, 상기 혼합기 확대부(2e)는 상기 혼합기 출구(2c) 직후에 형성되어 있고, 직경이 확대된 그릇 모양의 형상, 또는 그 일부에 오목부(2g)를 가지는 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 2유체 노즐.
제1항에 있어서, 상기 액출구(1g)는 상기 혼합기 출구(2c)의 상류측이며 상기 혼합기 출구(2c)의 근방에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2유체 노즐.
제1항에 있어서, 상기 액출구(1g)의 직경보다 하류에 형성된 혼합기 출구(2c)의 직경이 더 크게 형성되어 있고, 상기 액출구(1g)와 상기 혼합기 출구(2c)의 사이에 혼합부(b)가 형성되어 있고, 이 혼합부(b)의 출구 직경보다 상기 혼합기 출구(2c)가 더 큰 단면적으로 형성된 것을 특징으로 하는 2유체 노즐.