WO2017061142A1

WO2017061142A1 - シーディング装置

Info

Publication number: WO2017061142A1
Application number: PCT/JP2016/067552
Authority: WO
Inventors: 安木　政史; 中村　健一
Original assignee: 西華デジタルイメージ株式会社
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2017-04-13
Also published as: JPWO2017061142A1; JP6800868B2

Abstract

圧力の高い場所に対しても支障なく十分な量のトレーサ粒子を供給できるシーディング装置を提供する。　シーディング装置１は、液体粒子と気体を含む噴流Ｊｆを噴出する噴霧ノズル２と、噴流Ｊｆの周りを、噴流Ｊｆの噴出方向に沿って覆う筒状体４と、筒状体４内にその内壁に沿った旋回流Ｔｆを形成するエアを噴出するエアノズル５とを備え、液体粒子により形成されるトレーサ粒子を放出する。

Description

シーディング装置

　本発明は、液体粒子と気体とを含む噴流を噴出する噴霧ノズルを備え、該液体粒子により形成されるトレーサ粒子を生成するシーディング装置に関する。

　従来、このようなシーディング装置として、噴霧ノズルが噴出する液体粒子及び気体を含む噴流の周りを噴出方向に沿って覆う筒状体を備え、該噴流中の粒径の大きい液体粒子を、この筒状体の内壁に付着させて排除するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

　このシーディング装置は、その筒状体の内部で微粒化が進行した粒径の小さい液体粒子をトレーサ粒子として風洞内に放出するものであり、筒状体における噴霧ノズルから所定範囲内の位置に、外気を筒状体内に導入する開口部が設けられる。

　これによれば、開口部から導入される外気により、液体粒子の微粒化が促進され、粒径の大きい液体粒子が減少するので、トレーサに適した粒径の小さい液体粒子の数が増大する。したがって、より多くのトレーサ粒子を風洞内に供給することができる。

特開２０１５－１２５０１５号公報

　上記の従来のシーディング装置は、装置からそのままトレーサ粒子を圧力のさほど大きくない環境に供給する場合には、十分な量及び適切な粒径のトレーサ粒子を供給することができる。

　しかし、上記の従来のシーディング装置では、筒状体の開口部から外気を自然吸引してトレーサ粒子の量を増大させるようにしているので、圧力が高い場所にトレーサ粒子を供給する場合には、噴霧ノズルからの噴流が逆流し、開口部から装置の外部へ流出するおそれがある。噴流が流出すると、液体粒子が部分的に散逸して失われたり、液体粒子の微粒化が阻害されたりして、トレーサ粒子の供給に支障を来す。

　このため、上記従来のシーディング装置は、高圧な環境へトレーサ粒子を供給する場合や、多数のノズルを有するシーディングレークのような圧力抵抗の高い散布用デバイスを接続して使用する場合には適していない。

　本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、圧力の高い場所に対しても支障なく十分な量のトレーサ粒子を供給できるシーディング装置を提供することにある。

　第１発明に係るシーディング装置は、液体粒子と気体とを含む噴流を噴出する噴霧ノズルを備え、該液体粒子により形成されるトレーサ粒子を生成するシーディング装置であって、前記噴流の周りを、該噴流の噴出方向に沿って覆う筒状体と、前記筒状体内にその内壁に沿った旋回流を形成するエアを噴出するエアノズルとを備えることを特徴とする。

　第１発明では、噴霧ノズルが噴出する噴流からコンタミネーションの原因となる粒径が大きい液体粒子を除去して得られる粒径の小さい液体粒子がトレーサ粒子として放出される。すなわち、粒径の大きい液体粒子は、筒状体に付着し易いので、この付着によって、噴流から極力除去される。

　その際に、エアノズルから噴出されるエアで形成される旋回流の影響により、粒径の大きい液体粒子の筒状体への付着及び微粒化が促進される。これにより、エアの流れに乗り易い粒径の小さい十分な量の液体粒子が、トレーサ粒子として筒状体の先端から放出される。このとき、エアノズルから噴出されるエアにより、筒状体の先端から放出されるトレーサ粒子を含む噴流の圧力が高められる。

　したがって、第１発明によれば、圧力の高い場所に対しても支障なく十分な量のトレーサ粒子を供給することができる。したがって、圧力抵抗の大きい散布用デバイスを接続する場合でも、支障なく使用することができる。

　第２発明は、第１発明において、前記筒状体の先端側の開口部における外周側を閉塞し、内周側に対応する部分に開口穴が設けられた閉塞部材と、前記筒状体に沿って延在し、側面が前記開口穴に気密に固定され、該開口穴よりも先端側に位置する先端側部分と後端側に位置する後端側部分とを有する小筒状体とを備えることを特徴とする。

　第２発明では、トレーサ粒子は、小筒状体を介してその先端から装置外部に供給される。このとき、閉塞部材よりも後端側の小筒状体の部分は、筒状体に付着した粒径の大きい液体粒子に対して、装置外部へ流出するのを阻止する壁として作用する。このため、コンタミネーションの原因となる大粒径の液体粒子を確実に排除することができる。

　第３発明は、第１又は第２発明において、前記筒状体の先端部以外の部分は密閉状態とされることを特徴とする。第３発明によれば、第１発明の効果をより確実に奏することができる。

　第４発明は、第１～第３のいずれかの発明において、前記噴霧ノズルにエアを供給する第１エア供給管と、前記エアノズルにエアを供給する第２エア供給管と、前記第１エア供給管及び前記第２エア供給管におけるエアの流量をそれぞれ別個に調整するための第１レギュレータ及び第２レギュレータとを備えることを特徴とする。

　第４発明によれば、噴霧ノズルからの噴流の量とは別個に、エアノズルからのエアの噴出量を第２レギュレータにより調整し、エアノズルからのエアで形成される旋回流による上述の効果を制御することができる。

　第５発明は、前記噴霧ノズルの鉛直方向下側に設けられ、前記液体粒子の原料となる液体が溜められるタンクと、前記筒状体の内壁に付着した液体粒子が自重により前記タンクに戻るための流路とを有してもよい。

　第５発明によれば、筒状体の内壁に付着した粒径の大きい液体粒子が自重によりタンクに戻るので、液体粒子が筒状体の底部に溜まるのを回避し、長時間の運転を可能にすることができる。

　第６発明は、第１～第５のいずれかの発明において、前記噴霧ノズルは、衝突形の２流体ノズルであることを特徴とする。

　第６発明によれば、噴霧ノズルを構成する各ノズルからの噴流が最適な条件で衝突することによって、より微細化して粒径分布が均一化したより多くの粒径の小さい液体粒子を含む噴流を得ることができる。したがって、より効率的に多くのトレーサ粒子を生成することができる。

本発明の一実施形態に係るシーディング装置の斜視図である。図１のシーディング装置のエアノズル近傍の部分を、筒状体とオイルタンクを分離して示す斜視図である。図１のシーディング装置の噴霧ノズル及びノズルベースの部分を示す斜視図である。図１のシーディング装置の噴霧ノズルを構成する各ノズルの断面図である。ラスキンノズルを用いて発生させたトレーサ粒子における粒径分布を示すグラフである。図１のシーディング装置で発生させたトレーサ粒子における粒径分布を示すグラフである。

　以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態のシーディング装置１は、オイル粒子と空気を含む噴流Ｊｆを噴出する噴霧ノズル２と、噴流Ｊｆの周りを該噴流Ｊｆの噴出方向に沿って覆う筒状体３と、筒状体３内にその内壁に沿った旋回流Ｔｆを形成するエアを噴出する２つのエアノズル５とを備え、オイル粒子により形成されるトレーサ粒子を筒状体３の先端側から放出する。

　筒状体３は、噴流Ｊｆ中のオイル粒子のうちの粒径が大きいものをその内壁に付着させて取り除くことにより、粒径が小さいものをトレーサ粒子として放出する機能を有する。シーディング装置１の図１における上方の側を先端側とし、下方の側を後端側とすれば、シーディング装置１は、使用時には、先端側を鉛直上方に向けて配置される。

　オイル粒子を形成するためのオイルとしては、例えば、ＤＯＳ（Dioctyl sebacate）オイルや、水とグリセリンの混合物等が用いられる。トレーサ粒子の粒径は、用途によって異なるが、例えば、自動車の風洞実験では、長さ平均粒径（Ｄ１０）が４μｍ程度のものが好ましい。

　筒状体３の先端側の開口部には、その開口部の外周側を閉塞し、内周側に対応する部分に開口穴６が設けられた閉塞部材７が設けられる。開口穴６には、筒状体３に沿って延在する小筒状体４の側面が気密に固定される。小筒状体４は、開口穴６よりも先端側に位置する先端側部分４ａと後端側に位置する後端側部分４ｂとを有する。

　したがって、筒状体３内で大粒径のものが取り除かれたオイル粒子は、小筒状体４内を通過し、トレーサ粒子として、装置外部に供給される。その際、小筒状体４の後端側部分４ｂは、筒状体３に付着したオイル粒子がトレーサ粒子に混入して装置外部へ流出するのを阻止する壁として機能する。

　噴霧ノズル２は、平均粒径が１０μｍ以下の微粒子を生成することが可能な衝突形の２流体ノズルであり、図２に示すような中心軸線が交差する２つのノズル２ａ及び２ｂを備える。これによれば、各ノズル２ａ及び２ｂからの微粒化したオイル粒子を含む噴流が衝突することにより、より微粒化して粒径分が均一化したオイル粒子を含む噴流が生成される。噴霧ノズル２は、筒状体３の下端に固定された平板状のノズルベース８上に設けられる。

　図４に示すように、ノズル２ａ及び２ｂは、それぞれ、先端部分が中心軸線ＡＸ上に形成されたオイル通路２ｃを経て供給されるオイルと、オイル通路２ｃを囲むように形成された空気通路２ｄを経て供給される圧縮空気とが混合した噴流Ｊｆを生じさせる。

　噴霧ノズル２の鉛直方向下側には、噴霧ノズル２が形成するオイル粒子の原料となるオイルが蓄えられるオイルタンク９が設けられる。オイルタンク９には、オイルタンク９内にオイルを供給するための注油口１０、及びオイルタンク９内のオイルを排出するための排出口１１が設けられる。

　噴霧ノズル２とオイルタンク９との間には、オイルタンク９内のオイルを噴霧ノズル２に供給するためのオイル供給管１２が設けられる。オイル供給管１２は、噴霧ノズル２のオイル通路２ｃに接続される。オイル供給管１２の途中には、オイルタンク９内のオイル量をモニタするための油量計１３が設けられる。

　筒状体３とオイルタンク９との間には、筒状体３の内壁に付着した液体粒子が自重によりオイルタンク９に戻るための流路が設けられる。この流路は、図２に示すようなノズルベース８に設けられた４つのドレーン穴１４により構成される。

　各ドレーン穴１４の周囲におけるノズルベース８の上面は、各ドレーン穴１４に向かって若干傾斜している。すなわち、ノズルベース８は、筒状体３からノズルベース８上に自重によって移動してきた液体粒子が、この傾斜面により各ドレーン穴１４に導かれ、オイルタンク９に落下し易いように構成される。

　筒状体３の下端には第１フランジ部１５が設けられ、これに対応する第２フランジ部１６がオイルタンク９の上端に設けられる。第１フランジ部１５と第２フランジ部１６は、ノズルベース８の外周部を挟むようにして、該外周部を貫通するボルトで相互に結合される。これにより、筒状体３、ノズルベース８及びオイルタンク９が一体化される。

　噴霧ノズル２の空気通路２ｄには、これに圧縮空気を供給するための第１エア供給管１７が接続される。エアノズル５には、これに圧縮空気を供給するための第２エア供給管１８が接続される。第１エア供給管１７及び第２エア供給管１８には、図１のように、これらを通るエアの流量をそれぞれ別個に調整するための第１レギュレータ１９及び第２レギュレータ２０が設けられる。

　筒状体３内に旋回流を形成するための２つのエアノズル５は、筒状体３の第１フランジ部１５の上面側で、かつ噴霧ノズル２の２つのノズル２ａ及び２ｂよりも低い位置に配置される。

　図３に示すように、各エアノズル５は、筒状体３の内壁に沿った旋回流を形成するエアを噴出するように、筒状体３の中心軸線について回転対象の位置関係となるようにして、筒状体３の周方向に沿った方向に向けられる。各エアノズル５は、わずかに、斜め上方に向けられてもよい。

　また、シーディング装置１は、筒状体３の先端部の小筒状体４以外の部分は、噴霧ノズル２の２つのノズル２ａ及び２ｂ並びにエアノズル５の部分を除き、密閉状態として使用される。

　この構成において、シーディング装置１でトレーサ粒子を風洞等に供給する際には、小筒状体４の先端側部分４ａに、多孔ノズルを有するシーディングレークのような散布用デバイスが接続される。シーディング装置１の駆動は、第１エア供給管１７を介して噴霧ノズル２に圧搾空気を供給するともに、第２エア供給管１８を介してエアノズル５に圧搾空気を供給することにより行われる。

　噴霧ノズル２に圧搾空気が供給されると、オイルタンク９内のオイルがオイル供給管１２を介して吸い上げられ、噴霧ノズル２の２つのノズル２ａ及び２ｂから、微粒化したオイル粒子と空気とを含む噴流Ｊｆが噴出される。各ノズル２ａ及び２ｂから噴出された噴流Ｊｆは衝突し、これによりさらに微粒化したオイル粒子を含む噴流Ｊｆが、筒状体３に沿った方向に向けて生成される。

　この間、各エアノズル５に供給される圧搾空気は、各エアノズル５から筒状体３の同一の周方向に噴出するので、筒状体３内に、空気の旋回流Ｔｆが筒状体３の内壁に沿って形成される。したがって、噴霧ノズル２及びエアノズル５からの圧搾空気の圧力により、筒状体３内のトレーサ粒子を含む噴流Ｊｆは、小筒状体４を経て、その先端に接続された散布用デバイス内に、その圧力抵抗に抗して支障なく送り出されてゆく。

　その際、噴霧ノズル２で生成されたオイル粒子を含む噴流Ｊｆは、筒状体３の中心軸線に沿って進み、最初は拡がるが、その後、収束しながら小筒状体４に向かって進む。この間、空気の流れの影響を受け易い粒径の小さいオイル粒子は噴流Ｊｆ中の空気の流れに乗って支障なく小筒状体４を通過し、散布用デバイス内に、トレーサ粒子として供給されてゆく。

　一方、空気の流れよりも慣性力の影響を比較的大きく受ける粒径の大きいオイル粒子は、粒径の小さいオイル粒子に比べて、筒状体３の内壁に衝突して付着し易いので、噴流Ｊｆ中から良好に取り除かれる。

　その際に、粒径の大きいオイル粒子は、筒状体３内の旋回流Ｔｆの影響により、旋回運動が生じる。これにより、粒径の大きいオイル粒子には、遠心力も加わるので、筒状体３の内壁への衝突が促進される。これにより、粒径の大きいオイル粒子は、さらに効果的に噴流Ｊｆ中から排除される。

　また、旋回流Ｔｆの影響により、粒径の大きいオイル粒子については、微細化が促進される。これにより生じた粒径が小さいオイル粒子は、遠心力よりも空気の流れの影響を受け易いので、筒状体３の内壁に衝突することなく、空気の流れに乗って小筒状体４からトレーサ粒子として供給される。これにより、供給されるトレーサ粒子の量が増大する。

　筒状体３に付着した粒径の大きいオイル粒子は、小筒状体４の後端側部分４ｂによって散布用デバイス内に流入するのが阻止されるので、トレーサ粒子が供給される散布用デバイスや風洞その他の機器を汚染するコンタミネーションの原因になることもない。筒状体３に付着した粒径の大きいオイル粒子は、自重により筒状体３の内壁に沿って下方へ流れ、ノズルベース８のドレーン穴１４を経て、オイルタンク９内に戻る。

　この間に、噴霧ノズル２に供給される圧搾空気の量を第１レギュレータ１９で調整し、及びエアノズル５に供給される圧搾空気の量を第２レギュレータ２０で調整することにより、トレーサ粒子の供給量や、粒径の大きいオイル粒子の排除効果の程度が調整される。

　特に第２レギュレータ２０を調整することにより、旋回流Ｔｆによるオイル粒子の微細化促進の程度や、噴流Ｊｆから排除されるオイル粒子の粒径等を制御できるので、トレーサ粒子の平均粒径もある程度調整される。

　本実施形態のシーディング装置１による効果は、図５及び図６により示される。図５では、ラスキンノズルを用いたトレーサ粒子発生装置により得られるトレーサ粒子の粒径分布が示され、図６では、本実施形態のシーディング装置１により得られるトレーサ粒子の粒径分布が示されている。図５及び図６において、横軸はトレーサ粒子の直径であり、縦軸は各直径を有するトレーサ粒子の頻度である。

　ラスキンノズルを用いたトレーサ粒子発生装置では、圧力容器に貯留したオイル中に配置したラスキンノズルに圧縮空気を供給して油滴を含む気泡を発生させ、この気泡がオイルの液面で破裂して発生した油滴を衝突板に衝突させて粒径を均一に揃えることにより、トレーサ粒子が得られる。

　このトレーサ粒子発生装置によれば、図５のように、長さ平均粒径（Ｄ１０）が２．２μｍである粒径分布が得られる。しかしながら、この粒径分布によれば、平均粒径が小さすぎて、自動車等の風洞実験において必要なトレーサ粒子からの良好な散乱光強度が得られない。

　一方、本実施形態のシーディング装置１によれば、図６のように、長さ平均粒径（Ｄ１０）が４．１［μｍ］である粒径分布が得られる。これよりも平均粒径が大きいと、重力や慣性の影響が大きくなってトレーサ粒子の流れ場に対する追従性が低下したり、径の大きいトレーサ粒子が付着して風洞内を汚染したりするなどの問題が生じる。したがって、シーディング装置１によれば、自動車等の風洞実験に適した粒径分布を有するトレーサ粒子を得ることができる。

　以上のように、本実施形態によれば、筒状体３内にその内壁に沿った旋回流Ｔｆを形成するエアを噴出するエアノズル５を備えるので、噴霧ノズル２からの噴霧と旋回流Ｔｆとの干渉を回避して粒径の小さいオイル粒子の減少を防止しながら、粒径の大きいオイル粒子を効果的に排除することができる。

　これにより、例えば数μｍ以上の粒径が大きいオイル粒子によるコンタミネーションを防止し、例えば４μｍ程度の粒径の小さいオイル粒子をトレーサ粒子として供給することができる。

　また、比較的平均粒径の大きい液体粒子を含む噴流を噴出する２流体ノズルを用い、その噴流から、コンタミネーションの原因となる粒径の大きいオイル粒子を排除してトレーサ粒子を取得している。このため、ラスキンノズルを用いて得られるトレーサ粒子よりも２倍程度の長さ平均粒径（Ｄ１０）を有し、かつ自動車の風洞実験などに適した丁度良い平均粒径の粒径分布を有するトレーサ粒子を得ることができる。

　また、エアノズル５から噴出する圧搾空気によって筒状体３内の圧力を向上させることができる。したがって、ある程度の高圧な環境におけるトレーサ粒子の供給が可能となり、圧力抵抗のある散布用デバイスを接続して使用することもできる。また、小筒状体４以外の部分（ただし、噴霧ノズル２及びエアノズル５を除く）を密閉状態とすることにより、さらにこの効果を高めることができる。

　また、第１エア供給管１７及び第２エア供給管１８におけるエアの流量をそれぞれ別個に調整するための第１レギュレータ１９及び第２レギュレータ２０を備えるので、噴霧ノズル２からの噴霧量とは別個に、エアノズル５からの圧搾空気の噴出量を調整し、旋回流Ｔｆによる粒径の大きいオイル粒子の排除効果などを制御することができる。

　また、筒状体３の内壁に付着した液体粒子が自重によりオイルタンク９に戻るための流路をドレーン穴１４を用いて構成したので、筒状体３の内壁に付着したオイル粒子が筒状体３の底部に溜まるのを防止することができる。

　以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明のシーディング装置は、旋回流Ｔｆによって大きい粒径のオイル粒子を効果的に排除しつつ筒状体内の圧力を高めてトレーサ粒子を送り出すものであるため、図１のように縦置きにして用いることに代えて、横置きにして用いることも可能である。

　この場合、オイルタンク９は、筒状体３における噴霧ノズル２が配置された部分の下方に配置し、かつ装置形状が複雑になるのを避けるために筒状体３と分離して配置するのが好ましい。

　この場合、オイルタンク９と筒状体３との間には、筒状体３の内壁に付着したオイル粒子が自重によりオイルタンク９に戻るための経路の一部として、オイルタンク９と筒状体３とを接続するホースが設けられる。また、オイルタンク９と噴霧ノズル２との間には、オイル供給管１２に代えて、オイルタンク９から噴霧ノズル２にオイルを供するためのホースが設けられる。

　また、２つのノズル２ａ、２ｂを有する噴霧ノズル２に代えて、１つのノズルのみを有する噴霧ノズル又は３以上のノズルをそれらの中心軸線が交差するようにして有する噴霧ノズルを用いてもよい。また、ノズル２ａ、２ｂとして、内部混合形、外部混合形のいずれの２流体ノズルを用いてもよく、さらには、他の形式の噴霧ノズル、例えば４流体ノズルを用いてもよい。また、エアノズル５の数も２つに限定されない。トレーサ粒子の原料となる液体粒子として、上述のオイルに代えて水等の液体を用いてもよい。

　また、小筒状体４や閉塞部材７は無くてもよい。また、噴霧ノズル２として、オイルポンプを用いてオイルを供給する形式のものを用いてもよい。

　１…シーディング装置、２…噴霧ノズル、２ａ、２ｂ…ノズル、４…小筒状体、４ａ…先端側部分、４ｂ…後端側部分、５…エアノズル、６…開口穴、７…閉塞部材、８…ノズルベース、９…オイルタンク、１０…注油口、１１…排出口、１２…オイル供給管、１３…油量計、１４…ドレーン穴、１５…第１フランジ部、１６…第２フランジ部、１７…第１エア供給管、１８…第２エア供給管、１９…第１レギュレータ、２０…第２レギュレータ、Ｔｆ…旋回流。

Claims

　液体粒子と気体とを含む噴流を噴出する噴霧ノズルを備え、該液体粒子により形成されるトレーサ粒子を放出するシーディング装置であって、
　前記噴流の周りを、該噴流の噴出方向に沿って覆う筒状体と、
　前記筒状体内にその内壁に沿った旋回流を形成するエアを噴出するエアノズルとを備えることを特徴とするシーディング装置。
　前記筒状体の先端側の開口部における外周側を閉塞し、内周側に対応する部分に開口穴が設けられた閉塞部材と、
　前記筒状体に沿って延在し、側面が前記開口穴に気密に固定され、該開口穴よりも先端側に位置する先端側部分と後端側に位置する後端側部分とを有する小筒状体とを備えることを特徴とする請求項１に記載のシーディング装置。
　前記筒状体の先端部以外の部分は密閉状態とされることを特徴とする請求項１に記載のシーディング装置。
　前記噴霧ノズルにエアを供給する第１エア供給管と、
　前記エアノズルにエアを供給する第２エア供給管と、
　前記第１エア供給管及び前記第２エア供給管におけるエアの流量をそれぞれ別個に調整するための第１レギュレータ及び第２レギュレータとを備えることを特徴とする請求項１に記載のシーディング装置。
　前記噴霧ノズルの鉛直方向下側に設けられ、前記液体粒子の原料となる液体が溜められるタンクと、
　前記筒状体の内壁に付着した液体粒子が自重により前記タンクに戻るための流路とを有することを特徴とする請求項１に記載のシーディング装置。
　前記噴霧ノズルは、衝突形の２流体ノズルであることを特徴とする請求項１に記載のシーディング装置。