スプレーノズル

スプレーノズルまたはアトマイザーは、スプレーの形成によって液体の分散を促進する装置です。スプレーを生成するには、液体シートや液体の帯などの液体構造を液滴に断片化する必要がありますが、多くの場合、追加の表面積を作成するコストを克服するために運動エネルギーが使用されます。 1つまたは複数の液体分解メカニズムを使用するさまざまなスプレーノズルが存在し、液体シート分解、ジェット、毛細管波の3つのカテゴリに分類できます。スプレーノズルは、適切なスプレー特性を持つように設計されている多くのアプリケーションで非常に重要です。^[1]

スプレーノズルには1つ以上の出口があり、複数の出口があるノズルは複合ノズルと呼ばれます。スプレーボールには複数の出口があり、醸造業界では樽や小樽の洗浄に長年使用されてきました。^[2] スプレーノズルには、重工業用のものから軽工業用のスプレー缶やスプレーボトルまでさまざまなものがあります。^[3]

単一流体または油圧スプレー ノズルは、液体に与えられた運動エネルギーを利用して液体を液滴に分解します。この最も広く使用されているタイプのスプレー ノズルは、他のほとんどのタイプよりも表面積を生成する際のエネルギー効率に優れています。流体圧力が増加すると、ノズルを通過する流量が増加し、液滴のサイズが小さくなります。必要なスプレー特性に応じて、単一流体ノズルのさまざまな構成が使用されます。

最も単純な単一流体ノズルは、図に示すように、単純なオリフィス ノズルです。このノズルは、霧化をほとんどまたはまったく行いませんが、液体の流れを誘導します。圧力降下が大きい場合 (少なくとも 25 bars (2,500 kPa、360 psi))、ディーゼル インジェクターの場合のように、材料は細かく霧化されることがよくあります。圧力が低い場合、このタイプのノズルは、固定位置複合スプレー ノズルまたは回転ノズルとして、タンク洗浄によく使用されます。

• 
  プレーンオリフィススプレーノズル

成形オリフィスは、半球形の入口とVノッチの出口を使用して、流れを V ノッチの軸に沿って拡散させます。フラットなファンスプレーが生成され、スプレー塗装などの多くのスプレー用途に役立ちます。

• 
  フラットファンスプレーパターンスプレーノズル

表面衝突ノズルは、液体の流れを表面に衝突させ、液体のシートを小さな滴に分解します。このフラットファンスプレーパターンノズルは、農業用除草剤の散布から塗装まで、さまざまな用途に使用されます。

衝突面を螺旋状に形成することで、フルコーンスプレーパターンまたは中空コーンスプレーパターンに近い螺旋状のシートを形成することができる。^[4]

スパイラル設計では、一定の圧力と流量に対して、圧力渦流型ノズル設計よりも一般的に液滴サイズが小さくなります。この設計は、自由通路が大きいため、詰まりにくいです。

一般的な用途としては、ガス洗浄用途（例えば、より小さな液滴が優れた性能を発揮することが多い排ガス脱硫）や消火（液滴密度の混合により、強い熱流を通じた噴霧浸透が可能になる）などがあります。

• 
  表面衝突スプレーノズル
• 
  スパイラルスプレーノズル

圧力渦流スプレー ノズルは、1 つの構成が示された高性能 (小滴サイズ) デバイスです。固定コアが回転流体運動を誘発し、渦流チャンバー内で流体が渦を巻きます。出口オリフィスの周囲からフィルムが放出され、特徴的な中空円錐スプレー パターンが生成されます。空気またはその他の周囲のガスが渦流チャンバー内に引き込まれ、渦巻く液体内に空気コアが形成されます。この中空円錐パターンを生成するために、ノズルの容量と構成材料に応じて、さまざまな流体入口構成が使用されます。このノズルの用途には、蒸発冷却とスプレー乾燥があります。

• 
  圧力渦流スプレーノズル
• 
  スピルバックノズル

ソリッドコーンスプレーノズルの構成の 1 つを概略図に示します。ベーン構造によって液体の渦巻き運動が誘発されますが、排出流は出口オリフィス全体を満たします。同じ容量と圧力降下の場合、フルコーンノズルは中空コーンノズルよりも大きな液滴サイズを生成します。このようなノズルでは、カバー範囲が望ましい特徴であり、流体を一定領域に分配する用途でよく使用されます。

複合ノズルは、以下に示すように、複数の個別の単一流体ノズルまたは 2 流体ノズルが 1 つのノズル本体に組み込まれたノズルの一種です。これにより、液滴サイズとスプレー範囲の角度を設計的に制御できます。

• 
  ワイドパターンの複合圧力渦流スプレーノズル

2 流体ノズルは、高速のガスと液体の相互作用によって霧化します。霧化ガスとしては圧縮空気が最もよく使用されますが、蒸気や他のガスが使用されることもあります。2 流体ノズルのさまざまな設計は、ノズル面に対するガスと液体のストリームの混合点に応じて、内部混合と外部混合に分類できます。

内部混合ノズルはノズル内部で流体と接触します。1 つの構成を下図に示します。高速ガスと低速液体の間のせん断により、液体の流れが液滴に分解され、高速スプレーが生成されます。このタイプのノズルは、外部混合アトマイザーよりも霧化ガスの使用量が少なく、高粘度の流れに適しています。複合内部混合ノズルの多くは、燃料油の霧化などに商業的に使用されています。

外部混合ノズルは、概略図に示すように、ノズルの外側で流体と接触します。このタイプのスプレー ノズルでは、液体の混合と霧化がノズルの外側で行われるため、より多くの霧化空気とより高い霧化空気の圧力降下が必要になる場合があります。このタイプのノズルでは液体の圧力降下が低く、霧化空気ノズル (サイフォン ノズル) による吸引により液体がノズルに引き込まれることがあります。霧化する液体に固体が含まれている場合は、外部混合アトマイザーが適している場合があります。このスプレーは、さまざまなスプレー パターンを生成するように形作られる場合があります。フラット パターンは、円形のスプレー断面の放出を平らにしたり、再形成したりするために、追加の空気ポートで形成されます。

多くのアプリケーションでは、2 流体ノズルを使用して、さまざまな操作範囲にわたって制御された小さな液滴サイズを実現します。各ノズルにはパフォーマンス カーブがあり、液体とガスの流量によって液滴サイズが決まります。^[5]液滴サイズが大きすぎると、機器の重大な故障につながる可能性があり、プロセスや製品に悪影響を与える可能性があります。たとえば、セメント工場のガス調整塔では、2 流体ノズルによって水を霧状にして粉塵を含んだガスに噴射することで発生する蒸発冷却がよく使用されます。液滴が完全に蒸発せずに容器の壁に当たると、粉塵が蓄積し、出口ダクトで流量が制限され、工場の稼働が妨げられる可能性があります。

• 
  内部混合2流体スプレーノズル
• 
  外部混合2流体スプレーノズル
• 
  ツイン流体ノズル

ロータリーアトマイザーは、高速回転するディスク、カップ、またはホイールを使用して、液体を高速で周囲に放出し、中空の円錐状のスプレーを形成します。回転速度によって液滴のサイズが制御されます。スプレー乾燥とスプレー塗装は、この技術の最も重要かつ一般的な用途です。自動化することもできます。

このタイプのスプレーノズルは、高周波（20～180 kHz）の振動を利用して、液体から狭い液滴サイズ分布と低速スプレーを生成します。圧電結晶の振動により、ノズル表面の液膜に毛細管波が発生します。超音波ノズルは詰まりにくいため、高い転送効率とプロセス安定性の鍵となります。信頼性が高いため、医療機器のコーティングに特に役立ちます。^[6]

スプレーの静電充電は、高い転送効率に非常に役立ちます。例としては、工業用コーティング（塗料）のスプレーや潤滑油の塗布が挙げられます。充電は高電圧（20～40 kV）で行われますが、電流は低くなります。

ノズル製造業者が提供するほぼすべての液滴サイズ データは、実験室条件 (21 °C (70 °F)) で水を噴霧した場合に基づいています。液滴サイズが重要なプロセス用のノズルを選択するときは、液体の特性の影響を理解し、考慮する必要があります。

液体の温度変化はノズルの性能に直接影響しませんが、粘度、表面張力、比重に影響し、スプレーノズルの性能に影響を与える可能性があります。

比重とは、一定量の液体の質量と、同じ量の水の質量の比です。噴霧において、水以外の液体の比重 Sg は、噴霧ノズルの容量に主に影響を及ぼします。ベンダーが提供するノズルの性能データはすべて、噴霧水に基づいています。水以外の液体の体積流量 Q を決定するには、次の式を使用する必要があります。

${\displaystyle {Q_{f}}={Q_{water}}{\sqrt {\frac {1}{Sg}}}}$

動的粘度は、流動中にその要素の形状や配置が変化しにくい液体の特性として定義されます。液体の粘度は、主にスプレーパターンの形成と液滴のサイズに影響します。粘度の高い液体は、スプレーパターンの形成を開始するためにより高い最小圧力を必要とし、水に比べてスプレー角度が狭くなります。

液体の表面張力は、張力を受けた膜として作用し、可能な限り小さいサイズになる傾向があります。液体表面のどの部分も、隣接する部分または接触する他の物体に張力を加えます。この力は表面の平面にあり、長さ単位あたりの量が表面張力です。水の場合、21 °C (70 °F) で約 0.073 N/m (0.0050 lb _f /ft) です。表面張力の主な影響は、最小動作圧力、スプレー角度、および滴サイズにあります。表面張力は、動作圧力が低いほど顕著になります。表面張力が高くなると、特に中空円錐ノズルでスプレー角度が減少します。表面張力が低いと、ノズルをより低い圧力で動作させることができます。

ノズルの摩耗は、ノズル容量の増加とスプレー パターンの変化によって示されます。スプレー パターンの変化により、分布 (スプレー パターンの均一性) が悪化し、液滴サイズが増加します。耐摩耗性のある材料を選択すると、ノズルの寿命が長くなります。流量を計測するために多くの単一流体ノズルが使用されるため、摩耗したノズルは過剰な液体の使用につながります。

構成材料は、噴霧される液体の流体特性とノズルの周囲の環境に基づいて選択されます。噴霧ノズルは、真鍮、ステンレス鋼、ニッケル合金などの金属で製造されるのが最も一般的ですが、 PTFEやPVCなどのプラスチックやセラミック (アルミナやシリコンカーバイド) も使用されます。侵食摩耗、化学腐食、高温の影響など、いくつかの要因を考慮する必要があります。

自動車用塗装：自動車用塗装では、基材に均一に塗布される10～  100μm（0.39～3.94ミル）サイズの液滴が必要です。スプレー技術の応用は、自動車用塗装の最終段階に含まれるベースおよびクリアコーティング工程で最も顕著になります。特に、ロボットに取り付けられたロータリーベルやhvlp（高容量低圧）噴霧器は、製造中の車体塗装に広く使用されています。^{[8]農業用噴霧には、油圧式、ツインフルード式、ロータリー式のノズルが使用されます。これについては}、農薬散布の項 で詳しく説明します。

• エアゾールスプレー
• フリットガン
• 除湿機
• 加湿器
• ノズル
• ネブライザー
• 農薬散布
• 液体噴霧・スプレーシステム研究所 (ILASS)
• スプレーボトル

• 今月の実験 | ミラーズビル大学