JP6990848B2 - 噴射ノズルおよび噴射方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を気体の噴流によって加速して噴射する噴射ノズルおよび噴射方法に関するものである。

空気や水などの流体を噴射する噴射ノズルの形態として、液体を気体の噴流によって加速して噴射するいわゆる２流体ノズルが知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１に示す先行技術では、ノズル部の最小径部の手前に形成したテーパ部からなるラッパ部に沿わせて途中に気体噴射口を開口し、この気体噴射口の内方に洗浄液の噴射口を形成して気体を洗浄室より高速で噴射する構成としている。これにより、洗浄液を液滴にするとともに最小径部の後方に形成したテーパ部によりさらに加速して噴射する。

また特許文献２に示す先行技術では、断面が円形のスロート部の下流側に流れ方向に拡径するダイバージェント部を備えたノズル本体部と、ノズル本体部に供給される圧縮空気の流れと同方向に洗浄液を吐出する洗浄液供給管とを有する洗浄ノズルにおいて、洗浄液の吐出口がノズル本体部の内壁面から離れたスロート部の近傍に配置され、圧縮気体がスロート部で音速となるように構成している。

この種の２流体ノズルは、液体を所定粒度の液滴の形態で噴射することができることから、その特性を活用して多くの用途に使用されるようになっている。このような用途としては、従来より広く知られている洗浄や被処理材の表面剥離など、噴射された液滴自体が有する物理的な衝撃力により所望の作業結果を得る形態に加えて、供給される液体内に予め添加された固形粒子を液滴とともに加速して噴射し被衝突物に衝突させる形態がある。この形態では、加速された固形粒子が有する衝撃力により固形粒子・固形粒子相互の解砕や、被衝突物の破砕などの作業結果を得るようになっている。

このような２流体ノズル形式を噴射ノズルを利用する作業において、良好な作業品質と高い作業効率を確保するためには、噴射ノズルから噴射される液滴による衝撃圧の作用を所望の態様とすることが求められる。具体的には、噴射による衝撃圧が正常に作用する噴射幅の大きさや、この噴射幅における衝撃圧の分布や最大衝撃値が、作業目的に合致したものとなるよう、噴射ノズルの噴射条件を設定する必要がある。

特開２００２－１１３８７号公報 特開２００７－７３６１５号公報

しかしながら上述の特許文献例に示す先行技術では、次に述べるような課題があった。すなわち特許文献１に示す先行技術においては、気体噴射口の開口位置がノズル部の最小径部の手前に設定されていることから、液の供給のための押し込みに高い圧力が必要となり、大流量の液体を吐出して噴射する用途には不適であった。これに対し特許文献２に示す先行技術においては、ダイバージェント部に吐出口を設けることにより液体の供給を低い圧力で行うことができ、大流量の液体の吐出が可能になるものの、大流量の液体の吐出に伴って次のような課題が生じていた。すなわち、液を大量に供給した場合には吐出口から供給された液体が気体と合流する気液合流部において衝撃波が発生する。この結果、噴射される液滴の速度が低下し、良好な噴射特性が得られないという課題があった。

そこで本発明は、液体の供給を低い圧力で行うことができ、大流量の液体を良好な噴射特性で噴射することができる噴射ノズルおよび噴射方法を提供することを目的とする。

本発明の噴射ノズルは、液体を気体の噴流によって加速して高速の液滴として噴射する噴射ノズルであって、内部流路孔を絞って設けられたスロート部の上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部および流れ方向に拡径するダイバージェント部がそれぞれ形成されたノズル本体部と、前記内部流路孔の前記流れ方向に圧縮気体を供給する気体供給手段と、前記ダイバージェント部に設けられ前記噴流中に流れ方向と同方向に前記液体を吐出する液体供給管とを備え、前記ダイバージェント部は、前記圧縮気体を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部と、前記特性曲線部の下流側に前記流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部とを有し、さらに前記ダイバージェント部の形状は、前記圧縮気体が断熱膨張した気体の圧力が前記拡径部の出口における雰囲気圧力よりも低くなるように設定されるとともに、前記液体供給管の吐出口は前記ダイバージェント部において前記スロート部から前記スロート部における前記内部流路孔の直径の２～４倍の距離の範囲内の位置に開口しており、前記スロート部で音速となった前記圧縮気体を前記ダイバージェント部で断熱膨張させて超音速とし、前記液体供給管から吐出された前記液体を微小液滴、過冷却液滴、凍結液滴のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射する。

本発明の噴射方法は、液体を気体の噴流によって加速して高速の液滴として噴射する噴射方法であって、内部流路孔を絞って設けられたスロート部の上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部および流れ方向に拡径するダイバージェント部がそれぞれ形成されたノズル本体部の上流側から圧縮気体を供給して前記スロート部で前記圧縮気体を音速とする第１工程と、前記ダイバージェント部に設けられた液体供給管の吐出口から前記噴流中に流れ方向と同方向に前記液体を吐出する第２工程と、前記吐出された液体を前記噴流によって加速して高速の液滴として噴射する第３工程とを含み、前記ダイバージェント部は、前記圧縮気体を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部と、前記特性曲線部の下流側に前記流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部とを有し、さらに前記ダイバージェント部の形状は、前記圧縮気体が断熱膨張した気体の圧力が前記拡径部の出口における雰囲気圧力よりも低くなるように設定されるとともに、前記液体供給管の吐出口は前記ダイバージェント部において前記スロート部から前記スロート部における前記内部流路孔の直径の２～４倍の距離の範囲内の位置に開口しており、前記第１工程においてスロート部で音速となった前記圧縮気体を前記ダイバージェント部で断熱圧縮して超音速とし、前記第３工程において、前記液体供給管から吐出された前記液体を微小液滴、過冷却液滴、凍結液滴のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射する。

本発明によれば、液体の供給を低い圧力で行うことができ、大流量の液体を良好な噴射特性で噴射することができる。

本発明の一実施の形態の噴射ノズルを使用した液体噴射装置の構成説明図 本発明の一実施の形態の噴射ノズルの構成を示す断面図 本発明の一実施の形態の噴射ノズルの機能説明図 本発明の一実施の形態の噴射ノズルにおける断熱膨張の態様を規定する圧力比と流路断面積比との関連を示すグラフ 本発明の一実施の形態の噴射ノズルにおける内部流路孔に沿った圧力分布を示すグラフ 本発明の一実施の形態の噴射ノズルにおける液体供給管の吐出口の配置の説明図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して本実施の形態の噴射ノズルを使用した液体噴射装置の構成を説明する。図１において、液体噴射装置１は、洗浄などの各種の作業に用いられる作業媒体を噴射する噴射ノズル２を主体としている。本実施の形態では噴射ノズル２は気液混合の作業媒体を噴射する２流体ノズルであり、圧縮気体を供給する気体供給手段３および液体を供給する液体供給部４を備えている。

気体供給手段３から供給される気体である圧縮気体５は噴射ノズル２内で高速の噴流となる。この噴流中に液体供給部４から供給される作業用の液体６を吐出することにより、液体６が噴霧状態となって加速された液滴６ａを含む作業媒体が被噴射物７に対して噴射される（矢印ａ）。すなわち噴射ノズル２は、液体６を圧縮気体５の噴流によって加速して高速の液滴６ａとして噴射する機能を有している。

被噴射物７が半導体ウェハなどの被洗浄物であり、液体噴射装置１を洗浄装置として用いる場合には、気体供給手段３から供給される圧縮気体５は、被洗浄物に求められる清浄度に応じて、使い分けが行われる。すなわち被洗浄物が機械部品など通常の異物除去を目的とする洗浄用途の場合には、工場用エアなど簡便に使用可能なエア源が用いられる。これに対し、被洗浄物が半導体ウェハなど高い清浄度の洗浄品質が求められる場合には、必要とされる清浄度に応じて異物や油分などを除去したクリーンエアが用いられる。さらに、空気中の酸素の作用を嫌う用途では、二酸化炭素や窒素ガスなどの不活性ガスを適宜選択して用いる。

液体供給部４から供給される液体６としては、水道水などの通常の市水のほか、被洗浄物が半導体ウェハなど高い清浄度の洗浄品質が求められる場合には、溶存異物を所望純度まで除去した純水が用いられる。さらに、噴霧状態の液滴化が可能な液体であれば、有機溶媒や化学成分を含有する洗浄液なども本発明の適用対象となる。

なお、液体噴射装置１の用途として、作業媒体中に固体粒子を含有させ、加速された作業媒体が被衝突物に衝突する際の固体粒子の物理的衝撃力を各種の作業に利用することもできる。例えば、異物が強固に付着した洗浄対象面に対して固体粒子を含む作業媒体を噴射することにより、固体粒子のブラスト作用によって異物を除去し、あるいは洗浄対象面自体を微細に除去して清浄面を得る。

さらに、スラリー液に含有される固体粒子の大きさが所望粒度よりも大きい場合に、このような固体粒子の粒度を小さくする破砕処理用の処理装置として液体噴射装置１を用いることもできる。この場合には、被噴射物７として衝突面が堅く耐摩耗性に富む材質のものを用い、噴射ノズル２から噴射された作業媒体中の固体粒子が被噴射物７に高速で衝突する際の衝撃力によって固体粒子を破砕する。

次に図２を参照して、噴射ノズル２の構造を説明する。図２（ａ）に示すように、噴射ノズル２は略円筒形状の外形を有するノズル本体部１０を主体としている。ノズル本体部１０は、フッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）などの機能性樹脂を加工して成形されている。もちろん、ステンレス鋼などの金属素材を選択してノズル本体部１０を製作してもよい。なお本明細書においては、ノズル本体部１０の長手方向（図２（ａ）において左右方向）をＸ方向として定義している。

ノズル本体部１０には、内部流路孔１１がＸ方向に連通して形成されている。内部流路孔１１は、ノズル本体部１０の上流側（図２（ａ）において左側）の上流端部１０ｉに開口する入口１１ｉ、ノズル本体部１０の下流側（図２（ａ）において右側）の下流端部１０ｅに開口する出口１１ｅを有している。

内部流路孔１１は、ノズル本体部１０に略漏斗形状で設けられた絞り部１０ｔによって円形の断面に絞られている。図２（ｂ）に示すように、内部流路孔１１が最も絞られた位置を示す断面Ｔ－Ｔでは、内部流路孔１１は直径がスロート径Ｄｔで断面積が流路断面積Ａｔのスロート部１１ｔとなる。また出口１１ｅの端面を示す断面Ｅ－Ｅでは、内部流路孔１１は直径が出口径Ｄｅで断面積が流路断面積Ａｅの出口１１ｅとなる。スロート径Ｄｔは、例えば１～１０ｍｍの範囲で適宜設定される。なおスロート部１１ｔの流路断面積Ａｔとしては、挿通する液体供給管１２の断面積を差し引いた有効断面積が用いられる。

スロート部１１ｔの上流側には、入口１１ｉが流れ方向に縮径するコンバージェント部１１ｃが形成されており、スロート部１１ｔの下流側には、入口１１ｉが流れ方向に拡径するダイバージェント部１１ｄが形成されている。すなわちノズル本体部１０は、内部流路孔１１を絞って設けられた円形の断面のスロート部１１ｔの上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部１１ｃおよび流れ方向に拡径するダイバージェント部１１ｄがそれぞれ形成された、ラバールノズル（ｌａｖａｌ ｎｏｚｚｌｅ ）形式のノズルとなっている。なお、本実施の形態では、ラバールノズルを構成する内部流路孔１１の断面形状として円形の断面を用いた例を示しているが、本発明は円形の断面には限定されない。例えば、矩形や多角形など円形以外の形状を断面形状として用いるようにしてもよい。

ここで、ダイバージェント部１１ｄは、圧縮気体５を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部１１ｄ（１）と、特性曲線部１１ｄ（１）の下流側に流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部１１ｄ（２）とを有する構成となっている。本実施の形態では、ノズル本体部１０においてコンバージェント部１１ｃと特性曲線部１１ｄ（１）とを含む範囲を一部材の第１の部材１０（１）としており、拡径部１１ｄ（２）を含む範囲を別部材の第２の部材１０（２）としている。そして第１の部材１０（１）と第２の部材１０（２）とを境界部１０ｂにて突き合わせることにより、特性曲線部１１ｄ（１）と拡径部１１ｄ（２）との連続性が確保できるようになっている。なおノズル本体部１０を一体として製作するようにしてもよい。

ここで特性曲線部１１ｄ（１）は、特性曲線法（ Ｈ ．Ｗ ．Ｌｉｐｍａｎｎ ａｎｄ Ａ．Ｒｏｓｈｋｏ：「Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｇａｓ ｄｙｎａｍｉｃｓ 」、１９６０） によって設計されている。これにより、ノズル本体部１０の内部流路孔１１は、圧縮気体５を適切に断熱膨張させ液体６を微粒化して低温に冷却可能な流路形状に設計される。特性曲線法によって設計されたラバールノズルは、ノズルに供給された圧縮気体５がコンバージェント部１１ｃで亜音速であり、断面積の小さいスロート部１１ｔで音速となり、断面積の大きくなったダイバージェント部１１ｄで圧力が下がって超音速となるような特性を有している。

拡径部１１ｄ（２）は、徐々に拡径する形状（本実施の形態では直線的なテーパ形状）で設けられている。一般に円管内流れにおいて流れ方向に同径に設けられた流路に沿って流体を流動させると、円管の内側壁面近傍の境界層領域で速度の低下が生じ、流路の中心領域以外では流速を維持することができない。これに対し、本実施の形態に示す拡径部１１ｄ（２）のように、流れ方向に徐々に拡径する形状を採用することにより、拡径部１１ｄ（２）の内側壁面との境界層領域における速度低下の影響を抑えて、出口１１ｅにおける噴流の流速をノズル性能から必要とされる幅範囲で十分な速度に確保することが可能となっている。

出口１１ｅの端面（断面Ｅ－Ｅ）に示すように、内部流路孔１１は大きさが出口径Ｄｅで断面積が流路断面積Ａｅの出口１１ｅを有している。流路断面積Ａｅを前述の流路断面積Ａｔで除した膨張断面積比ＡＲ（＝Ａｅ／Ａｔ）は、内部流路孔１１の断熱膨張特性を規定するパラメータである。本実施の形態では、この膨張断面積比ＡＲを、圧縮気体５を拡径部１１ｄ（２）の出口における雰囲気圧力と同一圧力まで膨張させる適正膨張の条件に対応する適正膨張断面積比よりも大きく設定している。

内部流路孔１１には、気体供給手段３（図１参照）から入口１１ｉを介して流れ方向に圧縮気体５が供給される。これにより、コンバージェント部１１ｃからスロート部１１ｔを経てダイバージェント部１１ｄに至り出口１１ｅから外部に噴射される一連の空気流れが形成される。なお図２（ａ）に示すＰｉ，Ｐｅは、それぞれ入口１１ｉ、出口１１ｅにおける圧縮気体５の圧力を示している。

内部流路孔１１には、液体供給部４（図１参照）と接続された液体供給管１２が、入口１１ｉを介して挿入されている。液体供給管１２は、スロート部１１ｔを挿通してダイバージェント部１１ｄの中途まで到達しており、液体供給管１２の先端部が開口した吐出口１２ａは、第１の部材１０（１）と第２の部材１０（２）との境界部１０ｂ、換言すれば特性曲線部１１ｄ（１）と拡径部１１ｄ（２）との境界に位置している。吐出口１２ａの配置をこのように設定することの技術的意義は、後述する図６の説明において、内部流路孔１１に沿って変化する圧縮気体５の圧力分布に関連づけて詳述する。

次に図３を参照して、噴射ノズル２の機能および噴射ノズル２による噴射特性について説明する。ノズル本体部１０には、気体供給手段３から２～１５気圧の範囲から適宜設定された圧力（例えば５気圧）に加圧された圧縮気体５が供給される。なお、気体供給手段３は温湿度調整機能（図示省略）を有しており、ノズル本体部１０に供給される圧縮気体５の温度を、０～４０℃の範囲から選定された設定温度（例えば常温）に、また圧縮気体５の湿度を露点換算温度で－２０～０℃の範囲から選定された設定湿度（例えば－１０℃）に調整する。このように温湿度調整がなされた圧縮気体５は、入口１１ｉを介してコンバージェント部１１ｃに導入される（矢印５ｂ）。

ここで気体供給手段３から供給される圧縮気体５は、スロート部１１ｔにおいて音速となるように圧力が調整された状態となっており、コンバージェント部１１ｃには亜音速（例えば５０ｍ／ｓｅｃ．程度）で供給される。供給された圧縮気体５はコンバージェント部１１ｃで加速されて、スロート部１１ｔで３４０ｍ／ｓｅｃ．程度の音速流れ５ｄとなり、特性曲線部１１ｄ（１）でさらに加速されて４００～５００ｍ／ｓｅｃ．程度の超音速流れ５ｆとなる。これとともに、圧縮気体５は断熱膨張により温度が低下し、－６０～－１１０℃程度となる。そしてこれらの超音速流れ５ｆは、下流側の拡径部１１ｄ（２）内でさらに加速されて超音速の噴流５ｇとなり、出口１１ｅに向かって流動する。

またノズル本体部１０には上述の圧縮気体５とともに、液体供給部４から液体供給管１２を介して洗浄用の純水などの液体６が供給される。この液体６の供給は、ダイバージェント部１１ｄに設けられた液体供給管１２の吐出口１２ａから、流れ方向の下流に向かって噴流５ｇ中に液体６を吐出する（矢印６ｅ）ことにより行われる。ここで液体供給部４は温調機構（図示省略）を有しており、吐出される液体６を－５～３０℃の範囲から選定された設定温度（例えば２５℃）に調整することができるようになっている。

吐出口１２ａから噴流５ｇ中に吐出された液体６は、噴流５ｇによって加速されて高速の液滴６ａとなる。これにより、下流端部１０ｅの出口１１ｅからは液滴６ａを含有する高速の気液混合噴流５ｈが噴射される。この気液混合噴流５ｈの噴射において、ダイバージェント部１１ｄ内を流下する圧縮気体５は断熱膨張により温度が－６０～－１１０℃程度に低下していることから、液体供給管１２の吐出口１２ａから吐出された液体６が液滴化した液滴６ａは、次のような状態となる。

すなわち、供給された液体６の流量や液温によっては、液滴６ａは、液相状態を保って存在する微小液滴、あるいは過冷却の液相で存在する過冷却液滴、または液滴の一部または全部が凍結して固相化した凍結液滴のいずれかとなる。そしてこれらの液滴６ａを含有した気液混合噴流５ｈが噴射される際には、上述の液滴状態またはこれらの混合体の形態で出口１１ｅから噴射される。なお、液体６として純水などの水を用いる場合には液滴は水滴であり、微小水滴、過冷却水滴および微小氷粒子が噴射される。

このような気液混合噴流５ｈを噴射する機能を有するノズル本体部１０を洗浄などの用途に応用することにより、単に洗浄液を被洗浄物に対して吹き付ける従来方式の洗浄と比較して、固相化した凍結液滴が有する物理的な衝撃力によって、より有効な洗浄結果を得ることができる。

さらに液体６として、水に固体粒子を含有させたスラリー液を用いる場合には、液体供給管１２から吐出された液体６としてのスラリー液が液滴化した液滴６ａは、固体粒子を含有した形態となる。そしてこれらの液滴６ａを含有した気液混合噴流５ｈが噴射される際には、上述例と同様に、固体粒子とともに微小水滴、過冷却水滴、微小氷粒子のいずれかまたはこれらの混合体の形態で出口１１ｅから噴射される。

ここで、このような液滴６ａを含む気液混合噴流５ｈを噴射する形態のノズル本体部１０における噴射特性について、図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ｂ）は、液体供給管１２から吐出された液体６が液滴化した液滴６ａを拡径部１１ｄ（２）において加速して生成された気液混合噴流５ｈの、出口１１ｅにおける衝撃力Ｆの分布を模式的に示している。ここで衝撃力Ｆは、噴流により加速された液滴６ａおよび噴流自体の有する物理力を加え合わせたものであり、洗浄などの作業において被作業面に作用する。

このように気液混合噴流５ｈによって作業を行う噴射ノズル２の性能評価においては、出口１１ｅから噴射される気液混合噴流５ｈにおける衝撃力Ｆの分布について、衝撃力Ｆの大きさの最大値を示す最大衝撃力Ｆｍａｘ．衝撃力Ｆの分布において実用上有効に利用可能な範囲を示す有効衝撃幅Ｂｅｆｆ．が所望の条件を満たすことが求められる。

そしてこのためには、気液混合噴流５ｈの流速が所望速度よりも高速であること、液滴６ａの粒径および単位容積あたりの個数で規定される液滴密度が所望値よりも大きいこと、さらには気液混合噴流５ｈにおける液滴６ａの分布ができるだけフラットで出口１１ｅの広い範囲に亘って気液混合噴流５ｈが高速で噴射されることが条件となる。

このような条件を端的に換言すれば、噴射ノズル２においてダイバージェント部１１ｄに液体供給管１２を介して供給される液体６の液量を極力大きくし（条件Ａ）、供給された液体６が液滴化した液滴６ａをダイバージェント部１１ｄにおいて極力効率的に所望速度まで加速し（条件Ｂ）、加速された液滴６ａを出口１１ｅからできるだけフラットな分布を保った状態で外部に噴射する（条件Ｃ）ことが可能なように、噴射ノズル２の各部を構成することに帰着する。

以下、上述の各条件を満たすために、本実施の形態に示す噴射ノズル２が具備している構成について説明する。まず、図４を参照して、本実施の形態に示す噴射ノズル２のようなラバールノズルにおける断熱膨張の態様について説明する。ラバールノズルでは、供給された圧縮気体をスロート部で絞った後にダイバージェント部で断熱膨張させて噴射する。

このときの断熱膨張の態様は、図４に示すグラフのように、圧力比ＰＲ（Ｐｉ／Ｐｅ）および膨張断面積比ＡＲ（Ａｅ／Ａｔ）の組み合わせによって規定される。ここでＰｉ，Ｐｅは、それぞれ入口１１ｉ、出口１１ｅにおける圧縮気体５の圧力であり、流路断面積Ａｅ、Ａｔは、それぞれ出口１１ｅ、スロート部１１ｔの断面積を示している（図２参照）。

一般にラバールノズルにおいては、圧縮気体をノズル出口における雰囲気圧力と同一圧力まで膨張させる適正膨張が採用される。このような適正膨張が実現される膨張断面積比ＡＲと圧力比ＰＲの組み合わせは、図４のグラフにおいて［適正膨張条件］で示される条件線ＣＬで与えられる。そしてこの条件線ＣＬよりも上の領域は、圧縮気体がノズル出口における雰囲気圧力よりも低い圧力まで膨張する場合の膨張断面積比ＡＲと圧力比ＰＲの組み合わせを示す［過膨張域］を示している。これに対し、条件線ＣＬよりも下の領域は、圧縮気体がノズル出口における雰囲気圧力よりも高い圧力まで膨張する場合の膨張断面積比ＡＲと圧力比ＰＲの組み合わせを示す［不足膨張域］を示している。

本実施の形態に示す噴射ノズル２においては、圧縮気体５の断熱膨張の態様が上述の過膨張となるように、ダイバージェント部１１ｄの形状を設定している。より具体的に記述すれば、噴射ノズル２における膨張断面積比ＡＲと圧力比ＰＲとの組み合わせは条件線ＣＬよりも上方の［過膨張域］にある。

すなわちスロート部１１ｔの流路断面積Ａｔに対する拡径部１１ｄ（２）の出口１１ｅにおける流路断面積Ａｅの比を示す膨張断面積比ＡＲ（Ａｅ／Ａｔ）を、条件線ＣＬ上の適正膨張の条件に対応する適正膨張断面積比よりも大きく設定する。これをダイバージェント部１１ｄの形状に当てはめれば、スロート部１１ｔの流路断面積Ａｔを一定とした場合に、出口１１ｅにおける流路断面積Ａｅを適正膨張の場合よりも大きくすることに相当する。

ダイバージェント部１１ｄの形状をこのように設定することにより、圧縮気体５が断熱膨張した気体の圧力は、拡径部１１ｄ（２）の出口１１ｅにおける雰囲気圧力よりも低くなる。これとともに、拡径部１１ｄ（２）の内容積、すなわち液体供給管１２から吐出された液体６が噴流５ｇ内に噴霧されて気液混合噴流５ｈとなる気液混合空間の容積が増大する。

なお上述記載における出口１１ｅにおける雰囲気圧力は、噴射ノズル２が大気中に曝露状態で設置される場合には、大気圧となる。これに対し、噴射ノズル２（少なくともノズル本体部１０の出口１１ｅを含む部分）を、減圧チャンバなどで囲って大気からシールドし、減圧チャンバ内を減圧雰囲気としているような場合には、減圧チャンバ内の圧力が雰囲気圧力となる。以下の記述では、噴射ノズル２が大気中に曝露状態で存在し、雰囲気圧力が大気圧である場合について説明している。

次に図５を参照して、噴射ノズル２の内部流路孔１１内における圧縮気体５の圧力の変化について説明する。図５において横軸のＸ座標は噴射ノズル２におけるノズル本体部１０の長手方向に対応しており、縦軸は圧縮気体５の圧力を示している。ここでは、Ｘ座標の表記方法として、実際のＸ方向の距離をスロート径Ｄｔで除した無次元座標の座標値によってＸ方向の位置を表している。

すなわち座標値０は絞り部１０ｔの位置を意味しており、絞り部１０ｔの上流側方向には、座標値－１、－２・・が付されており、絞り部１０ｔの下流側方向には、座標値１、２・・が付されている。ここで座標値３は、液体供給管１２の吐出口１２ａが配置された位置を示している（図２，図６参照）。なお図２、図６に示す実際のノズル本体部１０では、第２の部材１０（２）は座標値８まで延出しているが、Ｘ方向における圧力の変化は座標値３でほぼ一定値に収束していることから、図５においては座標値５以降は記載を省略している。

図５に示す圧力表示線ＰＬ０、ＰＬ１は、それぞれ適正膨張の条件、過膨張の条件における圧縮気体５の圧力の変化を示している。圧力表示線ＰＬ０においては、適正膨張となる条件が適用されていることから、座標値３より下流側では圧縮気体５の圧力は大気圧に略等しくなっている。

これに対し、過膨張の条件が適用されている圧力表示線ＰＬ１では、座標値３より下流側では圧縮気体５の圧力は大気圧よりも差圧ΔＰだけ低い負圧となり、ダイバージェント部１１ｄの出口１１ｅまでこの圧力が維持される。ここで差圧ΔＰは、図４に示す圧力比ＰＲや膨張断面積比ＡＲによって規定されるものである。そしてこの差圧ΔＰは、液体供給管１２を介して供給される液体６を吸引して吐出口１２ａからの吐出を促進する自吸圧として作用する。

次に図６を参照して、ダイバージェント部１１ｄにおける液体供給管１２の吐出口１２ａの配置について説明する。前述のように、本実施の形態では、液体供給管１２の先端部が開口した吐出口１２ａは、特性曲線部１１ｄ（１）と拡径部１１ｄ（２）との境界、換言すれば第１の部材１０（１）と第２の部材１０（２）との境界部１０ｂに開口している。

境界部１０ｂはＸ方向の位置を示す座標値３に位置していることから、図５の圧力表示線ＰＬ１に示すように、圧縮気体５の圧力が最も低い圧力レベルに収束した範囲に含まれている。これにより、境界部１０ｂに開口する吐出口１２ａを介して、液体供給管１２には図５に示す差圧ΔＰに相当する自吸圧が作用する。

この自吸圧により、液体供給部４による液体６の供給において、高い押し込み圧を必要とすることなく大流量の液体６を液体供給管１２から吐出することが可能となっている。この特性は、供給対象の液体６が純水やスラリー液など、高圧による押し込みが適用困難な性質を有する種類のものである場合に、特に顕著な効果となる。すなわち本実施の形態に示す噴射ノズル２は、ダイバージェント部１１ｄに液体供給管１２を介して供給される液体６の液量を極力大きくするという条件Ａを満たしている。

また図６（ａ）に示すように、液体供給管１２の吐出口１２ａから下流側において出口１１ｅに至る間には、吐出された液体６を液滴６ａの状態で加速する十分な加速距離ＡＬが確保されている。さらに前述のようにダイバージェント部１１ｄの形状を過膨張の条件に適合させることにより、液体供給管１２から吐出された液体６が圧縮気体５内に噴霧されて気液混合噴流５ｈとなる気液混合空間の容積が増大する。

これにより、大流量の液体６を供給した場合にあっても、衝撃波の発生を極力抑制して、液滴６ａを高速まで効率よく加速することが可能となっている。これにより、供給された液体６が液滴化した液滴６ａをダイバージェント部１１ｄにおいて極力効率的に所望速度まで加速するという条件Ｂを満たしている。

さらに噴射ノズル２においては、特性曲線部１１ｄ（１）の下流側に流れ方向に徐々に拡径する形状の拡径部１１ｄ（２）を設けることにより、拡径部１１ｄ（２）の内側壁面との境界層領域における速度低下の影響を抑えて、出口１１ｅにおける噴流の流速をノズル性能から必要とされる幅範囲で十分な速度に確保することが可能となっている。したがって、加速された液滴６ａを出口１１ｅからできるだけフラットな分布を保った状態で外部に噴射するという条件Ｃを満たしている。

なお図６（ｂ）、（ｃ）は、液体供給管１２の吐出口１２ａを境界部１０ｂから離れた位置に配置した場合の不都合状態を示している。すなわち図６（ｂ）に示すように、吐出口１２ａを境界部１０ｂの上流側（たとえば座標値１）に配置した場合には、液体供給管１２には大気圧との差圧ΔＰが作用せず、上述の条件Ａを満たすことができない。また図６（ｃ）に示すように、吐出口１２ａを境界部１０ｂの下流側（たとえば座標値５）に配置した場合には、吐出された液体６を液滴６ａの状態で加速する十分な加速距離ＡＬを確保することができず、前述の条件Ｂを満たすことができない。

なお液体供給管１２の吐出口１２ａを境界部１０ｂに配置する目的は、圧縮気体５の圧力が最も低い圧力レベルに収束した範囲に吐出口１２ａを位置させることにある。したがって、必ずしも吐出口１２ａの位置が境界部１０ｂに厳密に一致している必要はなく、製作誤差などによって幾分の位置ずれがあっても差し支えない。

さらに、吐出口１２ａの位置としては、ダイバージェント部１１ｄにおいて圧縮気体５が断熱膨張した気体の圧力が拡径部１１ｄ（２）の出口１１ｅにおける大気圧よりも低くなる領域に開口していれば、液体供給管１２の自吸圧を確保して液体６の供給を低い圧力で行うという効果を奏することができる。但し、図６（ｃ）に示すように、吐出口１２ａを境界部１０ｂから離れた下流側に配置した場合には、十分な加速距離を確保することができない。換言すれば本実施の形態（図２、図３参照）に示す吐出口１２ａを境界部１０ｂに配置する形態は、本発明における最も望ましい実施の形態となっている。

すなわち本発明においては、ダイバージェント部１１ｄの形状は、圧縮気体５が断熱膨張した気体の圧力が拡径部１１ｄ（２）の出口１１ｅにおける大気圧よりも低くなるように設定されるとともに、液体供給管１２の吐出口１２ａはダイバージェント部１１ｄにおいて断熱膨張した気体の圧力が拡径部１１ｄ（２）の出口１１ｅにおける大気圧よりも低くなる領域に開口している。

本実施の形態に示す噴射ノズル２は上記のように構成されており、以下噴射ノズル２を用いた噴射方法について説明する。この噴射方法は、液体を気体の噴流によって加速して高速の液滴として噴射するものであり、図２に示す構成の噴射ノズル２を用いる。すなわち噴射ノズル２は、内部流路孔１１を絞って設けられたスロート部１１ｔの上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部１１ｃおよび流れ方向に拡径するダイバージェント部１１ｄがそれぞれ形成されたノズル本体部１０を有している。

ここでダイバージェント部１１ｄは、圧縮気体５を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部１１ｄ（１）と、特性曲線部１１ｄ（１）の下流側に流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部１１ｄ（２）とを有した構成となっている。さらにダイバージェント部１１ｄの形状は、圧縮気体５が断熱膨張した気体の圧力が拡径部１１ｄ（２）の出口における大気圧よりも低くなるように設定されている。そして液体供給管１２の吐出口１２ａは、ダイバージェント部１１ｄにおいて断熱膨張した気体の圧力が拡径部１１ｄ（２）の出口１１ｅにおける大気圧よりも低くなる領域（望ましくは特性曲線部１１ｄ（１）と拡径部１１ｄ（２）との境界部１０ｂ）に開口している。

噴射方法においては、図３に示すように、ノズル本体部１０の上流側から圧縮気体を供給してスロート部１１ｔで圧縮気体を音速とする（第１工程）。次いでダイバージェント部１１ｄに設けられた液体供給管１２の吐出口１２ａから噴流５ｇ中に流れ方向と同方向に液体６を吐出する（第２工程）。そして吐出された液体６を噴流５ｇによって加速して高速の液滴６ａとして噴射する（第３工程）。

そして第１工程においてスロート部１１ｔで音速となった圧縮気体５をダイバージェント部１１ｄで断熱圧縮して超音速とし、さらに第３工程において、液体供給管１２から吐出された液体６を微小液滴、過冷却液滴、凍結液滴のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射するようになっている。なお、液体６として水に固体粒子を含有させたスラリー液を用いてもよい。この場合には、第３工程において、液体供給管１２から吐出されたスラリー液を、固体粒子とともに微小水滴、過冷却水滴、微小氷粒子のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射する。

上記説明したように、本実施の形態に示す噴射ノズル２では、内部流路孔１１を絞って設けられたスロート部１１ｔの上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部１１ｃおよび流れ方向に拡径するダイバージェント部１１ｄがそれぞれ形成され、ダイバージェント部１１ｄは、圧縮気体を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部１１ｄ（１）と、特性曲線部１１ｄ（１）の下流側に流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部１１ｄ（２）とを有する構成のラバールノズルにおいて、ダイバージェント部１１ｄの形状を、圧縮気体が断熱膨張した気体の圧力が拡径部１１ｄ（２）の出口における大気圧よりも低くなるように設定するようにしている。これにより、液体６の供給を低い圧力で行うことができ、大流量の液体を良好な噴射特性で噴射することができる。

本発明の噴射ノズルおよび噴射方法は、液体の供給を低い圧力で行うことができ、大流量の液体を良好な噴射特性で噴射することができるという効果を有し、液体を液滴として噴射することにより各種の作業を行う技術分野において有用である。

２ 噴射ノズル
５ 圧縮気体
６ 液体
６ａ 液滴
１０ ノズル本体部
１１ 内部流路孔
１１ｔ スロート部
１１ｃ コンバージェント部
１１ｄ ダイバージェント部
１１ｄ（１） 特性曲線部
１１ｄ（２） 拡径部
１２ 液体供給管
１２ａ 吐出口

Claims (11)

1. 液体を気体の噴流によって加速して高速の液滴として噴射する噴射ノズルであって、
   内部流路孔を絞って設けられたスロート部の上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部および流れ方向に拡径するダイバージェント部がそれぞれ形成されたノズル本体部と、前記内部流路孔の前記流れ方向に圧縮気体を供給する気体供給手段と、前記ダイバージェント部に設けられ前記噴流中に流れ方向と同方向に前記液体を吐出する液体供給管とを備え、
   前記ダイバージェント部は、前記圧縮気体を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部と、前記特性曲線部の下流側に前記流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部とを有し、
   さらに前記ダイバージェント部の形状は、前記圧縮気体が断熱膨張した気体の圧力が前記拡径部の出口における雰囲気圧力よりも低くなるように設定されるとともに、前記液体供給管の吐出口は前記ダイバージェント部において前記スロート部から前記スロート部における前記内部流路孔の直径の２～４倍の距離の範囲内の位置に開口しており、
   前記スロート部で音速となった前記圧縮気体を前記ダイバージェント部で断熱膨張させて超音速とし、
   前記液体供給管から吐出された前記液体を微小液滴、過冷却液滴、凍結液滴のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射することを特徴とする噴射ノズル。
2. 前記雰囲気圧力は大気圧であることを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記スロート部の流路断面積に対する前記拡径部の出口における流路断面積の比を示す膨張断面積比を、前記圧縮気体を前記拡径部の出口における雰囲気圧力と同一圧力まで膨張させる適正膨張の条件に対応する適正膨張断面積比よりも大きく設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の噴射ノズル。
4. 前記液体供給管の吐出口は、前記特性曲線部と前記拡径部との境界部に開口していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の噴射ノズル。
5. 前記液体は水であり、前記液体供給管から吐出された水を、微小水滴、過冷却水滴、微小氷粒子のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の噴射ノズル。
6. 前記液体は水に固体粒子を含有させたスラリー液であり、前記液体供給管から吐出されたスラリー液を、前記固体粒子とともに微小水滴、過冷却水滴、微小氷粒子のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の噴射ノズル。
7. 液体を気体の噴流によって加速して高速の液滴として噴射する噴射方法であって、
   内部流路孔を絞って設けられたスロート部の上流側および下流側に、流れ方向に縮径するコンバージェント部および流れ方向に拡径するダイバージェント部がそれぞれ形成されたノズル本体部の上流側から圧縮気体を供給して前記スロート部で前記圧縮気体を音速とする第１工程と、
   前記ダイバージェント部に設けられた液体供給管の吐出口から前記噴流中に流れ方向と同方向に前記液体を吐出する第２工程と、
   前記吐出された液体を前記噴流によって加速して高速の液滴として噴射する第３工程とを含み、
   前記ダイバージェント部は、前記圧縮気体を断熱膨張させるために特性曲線法によって設計された特性曲線部と、前記特性曲線部の下流側に前記流れ方向に拡径した形状で設けられた拡径部とを有し、
   さらに前記ダイバージェント部の形状は、前記圧縮気体が断熱膨張した気体の圧力が前記拡径部の出口における雰囲気圧力よりも低くなるように設定されるとともに、前記液体供給管の吐出口は前記ダイバージェント部において前記スロート部から前記スロート部における前記内部流路孔の直径の２～４倍の距離の範囲内の位置に開口しており、
   前記第１工程においてスロート部で音速となった前記圧縮気体を前記ダイバージェント部で断熱圧縮して超音速とし、
   前記第３工程において、前記液体供給管から吐出された前記液体を微小液滴、過冷却液滴、凍結液滴のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射することを特徴とする噴射方法。
8. 前記雰囲気圧力は大気圧であることを特徴とする請求項７に記載の噴射方法。
9. 前記液体供給管の吐出口は、前記特性曲線部と前記拡径部との境界部に開口していることを特徴とする請求項７又は８に記載の噴射方法。
10. 前記液体は水であり、前記第３工程において、前記液体供給管から吐出された水を、微小水滴、過冷却水滴、微小氷粒子のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の噴射方法。
11. 前記液体は水に固体粒子を含有させたスラリー液であり、前記第３工程において、前記液体供給管から吐出されたスラリー液を、前記固体粒子とともに微小水滴、過冷却水滴、微小氷粒子のいずれかまたはこれらの混合体の形態で噴射することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の噴射方法。

Images