ロータリーアトマイザー

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。この技術の最も重要かつ一般的な用途は、スプレー乾燥とスプレー塗装です。

多くの産業では、大量の液体を小さな（ミクロンサイズの）液滴の分散液に変換する（スプレーを生成する）必要がある。このニーズの例としては、蒸発冷却、気象学、印刷、医療用途、スプレー燃焼、コーティング、乾燥などがある。噴霧器、噴霧器、ノズル、アプリケーターなど、スプレーを生成するためのさまざまなデバイスが存在する。スプレーは通常、ガスの位相と噴霧される液体との間に高速差を生み出すことによって生成される。これらのデバイスは、液体を非常に高速で攪拌されていない空気中に放出することにより、この噴霧を実現する。液体は逆のプロセスを使用して噴霧することもできる。液体を加速する代わりに、ガスを加速して液体よりも比較的高い速度を達成することができる。この方法を使用して噴霧を実現するデバイスは、エアブラスト、エアアシスト、または一般にツイン流体噴霧器と呼ばれている。ロータリー噴霧器では、回転するカップまたはディスクが、液体をその縁から非常に高速で押し出す。^{[1] [2]}

回転式、圧力渦流式^[3]、またはツイン流体式アトマイザー^[4]は、噴霧生成の最も一般的な方法です。特殊な用途向けには、電気圧力を使用して噴霧を駆動する静電アトマイザー^{[5]や、液体を超音波周波数で振動するトランスデューサーに通してより短い波長を発生させ、液体をより小さな液滴に変換する超音波噴霧装置[6]}などの代替アトマイザータイプがあります。これらの装置では液体の流量が低いため、用途が限られています。

ロータリーアトマイザー^[7]は遠心エネルギーの原理で動作します。このエネルギーは、霧化に不可欠な流体と空気の間の高い相対速度を生み出すために使用されます。ロータリーアトマイザーは回転面で構成されています。この表面は、平面または羽根付きディスク、カップ、またはスロット付きホイールの形状にすることができます。基本的なロータリーアトマイザーを図に示します。

液体は、まずディスク内を放射状に外側に流れ、その後、比較的非常に高速でディスクの外側の境界から放出されます。霧化は、液体の流量とディスクの回転速度に依存します。低流量では、流体はディスクの外側の境界から均一なサイズの液滴として放出されます。比較的高い流量では、ディスクの外側の境界に沿って帯状組織が生成され、後に小さな液滴に分解されます。流量がさらに増加すると、帯状組織は液体の流れに適合できなくなり、ディスクの縁を越えて広がる薄い液体のシートが生成されます。このシートは、後に帯状組織に分解され、最終的に滴が形成されます。ディスクの縁をぼかすことで、帯状組織からシート形成への移行を遅らせることができます。ロータリーアトマイザーは機械式アトマイザーに属しているため、霧化には高圧液体も加圧ガスも必要ありません。霧化に必要なエネルギーは、アトマイザー本体から液体に直接伝達されます。これにより、液体を霧化するために必要なエネルギーが機械的かつエネルギー的に直接供給されるという利点が得られます。圧縮空気などの圧縮ガスの複雑でコストのかかる製造は不要になります。霧化する液体を低圧で噴霧器に供給するだけで十分です。低い静水圧で十分な場合もあります。

回転式噴霧器のような装置によって生成される噴霧は、連続相のガス中に浸漬された液滴と見なすことができます。噴霧器によって形成される液滴のサイズは、密度、粘度、流体間の表面張力など、流体（液体および気体流体の両方）のさまざまな特性によって異なります。一般に、小型ガスタービンは、100,000 rpmを超える高速回転で動作します。直径10 cmの小型噴霧器でも、30,000 rpmで回転すると、液体燃料に490,000 m/s ²（重力の5万倍）の加速度を与えることができます。最終的に、このような燃料噴霧器は非常に小さな液滴を生成します。^[8] 回転式噴霧器では、液体は速度ωで一緒に回転し、端に公称半径R = (R ₁ + R ₂ )/2の放射状チャネルがあり、そこから高速液体がガスと相互作用して液滴を形成します。

チャネルの公称半径、つまりチャネル内の液体の質量が R に等しいことを考慮すると、チャネル内の液体は Rω ²の遠心加速度を受け、その結果、チャネルの両壁に液体が厚さ t の薄い層を形成します。加速度が非常に高い場合、液体層 (フィルム) の厚さは μm オーダーと非常に小さくなります。チャネルの形状によって、霧化の有効性と液滴のサイズも決まります。つまり、液滴のサイズを決定する 1 つの要素は、チャネル内の液体の速度 (v=Rω) です。

したがって、上記の特性から導かれた4つの無次元項が、霧化の性能を決定します。^[9]

1. 液体とガスの密度比

r = [ρ _L / ρ _G ]ここでρ _Lとρ _{G は}それぞれ液体と気体の密度である。

2. 粘度比

m = [μ _L / μ _G ]ここで、μ _Lと μ _{G は}それぞれ液体と気体の粘度である。

3.ウェーバー数

We _t = [ρ _G V _c ² t/σ _s ]ここで、σ _{s は}液体とガスの接触面間の表面張力です。これは、ガスが液体層に加える力と、液体に作用する表面張力の比です。

4.オネゾルゲ数

Oh _t = [μ _L / (ρ _L σ _s t) ^1/2 ]

これは、層内の粘性力と液体に作用する表面張力の比です。これらすべての用語は、慣性、粘性拡散、表面張力という霧化の 3 つの主な現象を表しています。実際の燃料噴霧器では、オーネゾルゲ数は Oh _t <<1 に制限され、液滴のサイズはオーネゾルゲ数にあまり影響されません。そのため、粘性効果は無視できます。ただし、表面張力と慣性は霧化プロセスの主な現象であるため、ウェーバー数は無視できません。

We の値が小さい場合、表面張力が支配的となり、この力によって液体がチャネルの壁に向かって引っ張られ、単一の柱が形成されます。この柱は空気と接触すると最終的に壊れ、比較的大きな液滴になります。これは、液体の亜臨界破壊として知られています。一方、液体の超臨界破壊 (We の値がより大きい) の場合、ガスによって加えられる力が液体の破壊に支配的となり、非常に小さなサイズの液滴になります。

• ホイールの高速回転により液体供給システムに供給される分解エネルギーにより、比較的低い圧力で動作できます。アトマイザー ドライブによりホイールに高速回転が与えられます。
• 詰まりはスプレーノズルシステムにとって問題となる可能性がありますが、回転式噴霧器はそのような状況でも機能します。
• 回転式噴霧器は、大量の研磨剤および非研磨剤の供給物を処理できます。
• 回転式噴霧器は非常に粘性の高い液体にも対応できます。
• ロータリーアトマイザーは粒子サイズに応じて柔軟に対応します。ホイールの速度を変えることで、5μから150μまで変更できます。
• 回転式アトマイザーは、異なるホイール設計を装備することで、異なる粉末特性と嵩密度を実現できます。
• 回転式噴霧器には、研磨性および非研磨性の供給物に合わせて、さまざまなデザインとサイズのさまざまなホイールを取り付けることができます。

^[10]ロータリーアトマイザー技術は、工業用塗装業界の塗装ラインでよく見られます。ロータリーアトマイザーは、塗装ロボットまたはレシプロケータに取り付けられています。ロータリーベルアトマイザーと呼ばれることが多いこの塗装機は、塗料の転移効率を最大化するために、静電技術と組み合わせられることがよくあります。ロータリーアトマイザーは、塗料を細かく均一な粒子サイズに分解するために、非常に高速で回転します。非常に高品質で一貫した仕上がりにつながります。この技術は、^[11]自動車、^[12]航空宇宙、^[13]アルミニウム押し出し、^[14]農業機器、^[15]化粧品、^[16]家庭用調理器具、^[17]電子機器など、さまざまな業界の塗装に使用されています。