スプレー（液滴）

スプレーとは、ガス中に分散した液滴の動的な集合体です。^[1]スプレーを形成するプロセスは、霧化として知られています。スプレーノズルは、スプレーを生成するために使用される装置です。スプレーの主な2つの用途は、断面に材料を分散させることと、液体の表面積を生成することです。スプレーによって材料を最も効率的に使用できるアプリケーションは数千あります。最も適切な技術、最適なデバイス、サイズを選択するには、必要なスプレー特性を理解する必要があります。 ^[2]

噴霧霧化はいくつかの方法で形成できます。最も一般的な方法は、液体を霧化するさまざまな機械的力が作用する流体通路を備えたスプレーノズルを使用する方法です。 ^[3]最初の霧化ノズルは、 1800年代後半にオハイオ州トレドのトーマス・A・デビルビスによって発明されました。彼の発明は、圧力を使用して液体に衝突し、液体を細かい霧に分解するバルブアトマイザーでした。噴霧形成にはいくつかの形式がありますが、最も一般的なものは、圧力噴霧器と遠心ノズル、静電ノズル、超音波ノズルです。

スプレーノズルは様々な動作条件下で機能するように設計されています。ノズルを選択する際には、以下の特性を考慮する必要があります。^[4]

• パターン
• 容量
• スプレー衝撃
• スプレー角度
• ドロップサイズ

パターンと必要な他のスプレー特性に基づいてノズルを選択すると、一般的に良い結果が得られます。 ^[5]スプレーノズルは多くの異なるスプレー条件下で機能するように設計されているため、複数のノズルが特定のアプリケーションの要件を満たす場合があります。表面には、任意のパターン形状でスプレーできます。指定されたスプレーパターンのタイプに応じて、結果はかなり予測可能です。表面が静止している場合、パターンが他のスタイルよりも広い領域をカバーするため、通常、何らかのタイプのフルコーンノズルが推奨されます。主な目的が表面へのスプレーではない空間アプリケーションでは、特殊なスプレー特性が必要になる可能性が高くなります。これらのアプリケーションでの成功は、多くの場合、液滴サイズやスプレー速度などの要因に完全に依存します。蒸発、ガスと固体の冷却速度、洗浄効率は、スプレー品質に大きく依存する可能性のあるプロセス特性の例です。

各スプレーパターンは、一般的な最終用途とともに以下に説明されています。

このタイプのノズルは単位面積あたりの影響が大きく、タンク洗浄ノズル（固定式または回転式）など、多くの洗浄用途で使用されます。

このスプレー パターンは、液体の円形リングです。このパターンは、一端が開いている円筒形の渦流室に接する入口オリフィスを使用することで実現されます。円形オリフィスの出口の直径は、渦流室よりも小さくなっています。液体が渦を巻くことで円形になり、リングの中心は中空になっています。中空円錐ノズルは、低圧で液体の良好な霧化を必要とする用途や、迅速な熱伝達が必要な場合に最適です。また、これらのノズルは、大きくて障害物のない流路を備えているため、詰まりに対する耐性が比較的高くなっています。中空円錐ノズルは、最小の液滴サイズ分布を提供します。液滴サイズの相対的な範囲は、他の油圧スタイルよりも狭くなる傾向があります。

中空円錐パターンは、ノズルの螺旋設計によっても実現できます。このノズルは、突出した螺旋に流体を衝突させます。この螺旋形状により、流体は複数の中空円錐パターンに分割されます。螺旋のトポロジーを変更することで、中空円錐パターンを収束させて 1 つの中空円錐を形成することができます。

フルコーン ノズルは、円形、楕円形、または正方形の領域に完全な噴霧範囲を提供します。通常、液体はノズル内で渦を巻き、内部の羽根を迂回した非回転液体と混合されます。その後、液体はオリフィスから出て、円錐パターンを形成します。コーン パターン内の噴霧角度と液体分布は、羽根の設計と出口オリフィスに対する位置によって異なります。出口オリフィスの設計と相対的な幾何学的比率も、噴霧角度と分布に影響します。フルコーン ノズルは、大きな流路を特徴とするコア設計により、中～大サイズの液滴の均一な噴霧分布を実現します。フルコーン ノズルは、業界で最も広く使用されているスタイルです。

名前が示すように、スプレー パターンは液体の平らなシートとして現れます。パターンは、出口オリフィスに接する偏向面上の楕円形または円形のオリフィスによって形成されます。オリフィスには、輪郭のある内部円筒半径、つまり「キャッツ アイ」形状の外部溝があります。楕円形オリフィス設計では、パターンはパイプと一直線にオリフィスから噴射されます。デフレクター設計では、スプレー パターンはパイプに垂直です。フラット スプレーには、スプレー パターン上のスプレーの均一性に応じて、テーパー型と均一型の 2 つのカテゴリがあります。先細りのエッジを持つフラット スプレー パターンは、直線状の楕円形スプレー ノズルによって生成されます。このスプレー パターンは、複数のノズル ヘッダー間でパターンを重ね合わせる場合に便利です。その結果、スプレーされた表面全体に均一に分散されます。テーパーのないフラット スプレー ノズルは、スプレー領域で重なりがなく均一なスプレー パターンが必要な洗浄用途で使用されます。

複数のプルーム スプレーは、自動車用インジェクターで日常的に使用されています。複数のプルームは主に、燃料と空気の最適な混合を実現し、さまざまな動作条件下での汚染物質の排出を減らすために使用されます。複数のプルームを備えた自動車用インジェクターには、2 ～ 8 個のプルームがあります。これらのプルームの重心の正確な位置、個々のプルームの角度、およびプルーム間の液体の分割率は、通常、光学パターン作成装置を使用して取得されます。

スプレー ノズルの製造元はすべて、水に基づいて容量を表にしています。液体の比重は流量に影響するため、以下の式を使用して値を調整する必要があります。ここで、Qw は水の容量、Spg は使用する液体の比重で、使用する液体の体積流量 Qf となります。

${\displaystyle Q_{f}={Q_{w}}/{\sqrt {S{p_{g}}}}\ }$

ノズルの容量は噴霧圧力によって変わります。一般的に、容量と圧力の関係は次のようになります。

${\displaystyle {Q_{2}}={Q_{1}}{\sqrt {P_{2}/P_{1}}}}$

ここで、Q1は圧力P1における既知の容量であり、Q2は圧力P2において決定される容量です。

対象表面へのスプレーの衝撃は、力/面積、N/m ²または lb/in ²として表されます。この値は、スプレー パターンの分布とスプレー角度によって異なります。一般的に、洗浄など、高い衝撃が求められる用途では、ソリッド ストリーム ノズルまたは狭いスプレー角度のフラット ファン ノズルが使用されます。ノズルを洗浄に使用する場合、衝撃または圧力は衝突と呼ばれます。すべてのスプレー パターンと同様に、ノズルからの距離が長くなると単位衝撃が減少し、衝撃領域のサイズが大きくなります。

スプレーの影響は、以下の式に従って体積流量 Q と圧力降下に依存します。ノズルの種類とノズルと表面間の距離は定数 C に影響します。 ${\displaystyle F_{l}}$

${\displaystyle {F_{l}}=CQ{\sqrt {\Delta P}}}$

スプレー角度は、垂直軸に対して発散または収束します。下の図に示すように、スプレー角度は、オリフィスからの距離が増すにつれて、崩壊または発散する傾向があります。スプレー範囲は、スプレー角度によって異なります。さまざまな距離でのスプレーパターンの理論的な範囲 C は、スプレー角度が 180 度未満の場合は、以下の式を使用して計算できます。スプレー角度は、スプレー距離全体にわたって一定であると想定されています。水よりも粘性の高い液体は、ノズル容量、スプレー圧力、粘度に応じて、より小さなスプレー角度、つまり固体ストリームを形成します。表面張力が水よりも低い液体は、水の場合よりも広いスプレー角度を生成します。スプレー角度は通常、光学的または機械的な方法を使用して測定されます。光学的方法には、シャドウグラフィー、消光断層撮影、および Mie イメージングが含まれます。^[6]スプレー角度は、コーティングアプリケーションではコーティングされた材料のオーバースプレーを防ぐため、燃焼エンジンではシリンダー壁の濡れを防ぐため、消火スプリンクラーでは保護対象物を十分にカバーするために重要です。

${\displaystyle {C}=2D\tan(\theta /2)}$

液滴サイズとは、ノズルのスプレーパターンを構成するスプレー液滴のサイズです。^[7]特定のスプレー内のスプレー液滴はすべて同じサイズではありません。スプレー内の液滴サイズを記述する方法はいくつかあります。

•ザウター平均直径（SMD）またはD32

• スプレーによって生成される表面積で表されるスプレーの細かさ。
• すべての液滴の合計体積とすべての液滴の合計表面積の比と同じ体積対表面積比を持つ液滴の直径。

• 体積平均径（VMD）DV0.5および質量平均径（MMD）

• 噴霧された液体の体積で表される液滴サイズ。
• 液滴サイズは体積（または質量）で測定され、噴霧された液体液滴の総体積の 50% は中央値よりも大きい直径を持ち、残りの 50% は中央値よりも小さい直径を持ちます。

滴のサイズはマイクロメートル(μm)で表されます。1 マイクロメートルは 1/25,400 インチに相当します。

スプレー内の液滴のサイズや体積分布は、通常、サイズと累積体積パーセントの比率で表されます。

交互のノズルからの液滴サイズ分布を比較すると混乱が生じることがあります。相対スパン係数 (RSF) は、分布を 1 つの数値に減らします。このパラメータは、液滴サイズ分布の均一性を示します。この数値が 1 に近いほど、スプレーはより均一になります (つまり、分布が最も狭く、最大液滴サイズ Dmax から最小液滴サイズ Dmin までの差異が最小になります)。RSF は、さまざまな液滴サイズ分布を比較するための実用的な手段を提供します。

${\displaystyle {RSF}={\frac {D_{V0.9}-D_{V0.1}}{D_{V0.5}}}}$

スプレーは、通常、多数の個々の液滴のサイズと速度の測定から得られる統計量によって特徴付けられます。最も広く使用されている量は、サイズと速度の確率密度分布、およびフラックス (数、質量、運動量など) です。特定の平面では、一部の機器は、光の減衰から数密度など、個々の測定からそのような統計量を推測しますが、スプレー内の個々の液滴のサイズと速度を直接測定できる機器はほとんどありません。^[8]液滴サイズ測定の最も広く使用されている 3 つの方法は、レーザー回折、光学イメージング、および位相ドップラーです。これらの光学的方法はすべて非侵入的です。すべての液滴が同じ速度であれば、液滴サイズの測定値はすべての方法で同じになります。ただし、大きい液滴と小さい液滴の速度には大きな違いがあります。これらの光学的方法は、空間ベースまたはフラックスベースに分類されます。空間サンプリング方法では、有限の測定体積内の液滴を測定します。測定体積内の液滴の滞留時間は結果に影響します。フラックスベースの方法では、測定断面を継続的にサンプリングします。

レーザー回折^[9]は空間サンプリング法であり、スプレー内の液滴と相互作用する光によって引き起こされるフラウンホーファー回折の原理に基づいています。回折パターンの散乱角度は、液滴のサイズに反比例します。この非侵入的な方法では、長い円筒形の光プローブボリュームを使用します。散乱光は特殊な変換レンズシステムを通過し、多数の同心円状のフォトダイオードリングに集められます。フォトダイオードからの信号は、液滴サイズ分布を逆計算するために使用されます。多数のレンズにより、1.2～1800 μm の測定が可能です。

光学画像法では、パルス光、レーザー、またはストロボを使用して、測定体積内の液滴のサイズを決定するために使用される影のグラフィック画像を生成します。この空間測定法は、レンズと光学構成の変更により 5 μm ～ 10,000 μm の範囲で測定できます。画像解析ソフトウェアは、生画像を処理して、円形の等価液滴直径を決定します。この方法は、中密度から低密度のスプレー、不透明液体 (スラリー)、およびリガメント (部分的に形成された液滴) 内のより大きな直径の液滴を定量化するのに最適です。

位相ドップラー法^[10]はフラックスベースの方法で、粒子のサイズと速度を同時に測定します。PDPAとも呼ばれるこの方法は、液滴のサイズと速度の情報が検出器信号と信号周波数シフト間の位相角にあるという点で独特です。この方法は強度に敏感ではないため、より密度の高いスプレーで使用されます。液滴サイズの範囲は1～8000μmです。この方法の核となるのは、干渉パターン（明るい線と暗い線の規則的な間隔のパターン）を作成し、小さな測定ゾーンを通過する液滴を照らす交差レーザービームです。一連の3つの軸外検出器は、液滴によって引き起こされる位相角と周波数シフトを決定するために使用される光信号を収集します。

光学イメージング法と位相ドップラー法では、個々の液滴のサイズを測定します。代表的な分布を生成し、ランダムな変動の影響を最小限に抑えるには、十分な数の液滴 (10,000 滴程度) を定量化する必要があります。液滴のサイズはスプレー断面によって異なるため、スプレー内に複数の測定場所が必要になることがよくあります。

ノズルの種類と容量: フルコーン ノズルの液滴サイズが最も大きく、次にフラット スプレー ノズルが続きます。中空コーン ノズルの液滴サイズは最も小さくなります。スプレー圧力: 液滴サイズはスプレー圧力が低いほど大きくなり、圧力が高いほど小さくなります。流量: 流量は液滴サイズに直接影響します。流量が増加すると圧力降下が増加して液滴サイズが小さくなりますが、流量が減少すると圧力降下が減少して液滴サイズが大きくなります。

スプレー角度: スプレー角度は液滴サイズに逆の効果をもたらします。スプレー角度を大きくすると液滴サイズは小さくなり、スプレー角度を小さくすると液滴サイズは大きくなります。

液体の特性:粘度と表面張力により、スプレーを霧化するために必要なエネルギー量が増加します。これらの特性のいずれかが増加すると、通常、液滴のサイズが大きくなります。

各タイプのスプレーパターンでは、最小容量では最小のスプレー滴が生成され、最大容量では最大のスプレー滴が生成されます。体積平均直径（VMD）は、噴霧された液体の体積に基づいているため、広く受け入れられている測定基準です。

液滴表面積密度は、噴霧液滴表面積と単位体積あたりの液滴数の積です。局所的な蒸発率は表面積密度と高い相関関係にあるため、表面積密度は蒸発や燃焼の用途において非常に重要です。噴霧内の液滴による光の減衰も表面積密度に正比例します。表面積密度を測定する最も広く使用されている 2 つの方法は、レーザーシートイメージングと統計的減衰トモグラフィーです。^[11]

滴サイズデータは多くの変数に依存し、常に解釈の対象となります。滴サイズデータの理解と効果的な使用を容易にするために、次のガイドラインが提案されています。

データ収集の再現性と精度

個々のテストのデータが ±10% を超えて逸脱していない場合、平均値の滴サイズ テスト結果は再現可能です。ただし、いくつかの要因に応じて、この値は大きくなったり小さくなったりする場合があります。精度には一次標準が必要ですが、スプレー測定では使用できません。

計測と報告の偏り

特に異なるソースからのデータを比較して有効な比較を行うには、使用した機器の種類と範囲、サンプリング手法、各サイズ クラスの体積率を知ることが非常に重要です。機器と報告の偏りは、滴のサイズ データに直接影響します。

アプリケーションを検討する

アプリケーションに最適な液滴サイズの平均と直径を選択します。目的が単に代替ノズルの液滴サイズを比較することである場合は、VMD または SMD レポートで十分です。必要に応じて、RSF、DV90、DV10 などの追加情報を使用する必要があります。

炭化水素液体の噴霧は、噴霧の最も経済的に重要な用途の一つである。例としては、ガソリンおよびディーゼルエンジン用の燃料噴射装置、ジェットエンジン（ガスタービン）用の噴霧器、^[12]蒸気ボイラーの噴射装置で重質燃料油を燃焼空気に噴射するための噴霧器、およびロケットエンジンの噴射装置が挙げられる。細かく噴霧された噴霧の表面積が大きいと燃料の蒸発速度が速まるため、液滴サイズは重要である。これらのシステムの効率を最大化し、汚染物質（すす、NOx、CO）の排出を最小限に抑えるには、燃料を燃焼空気に分散させることが重要となる。^[13]

石灰石スラリーは、液体スクラバーを備えた石炭火力発電所からの酸性ガス、特に二酸化硫黄（SO2）の排出を制御するために、単流体スプレーノズルで噴霧されます。水酸化カルシウム（石灰）は、石炭火力発電所から酸性ガス（SO2とHCl）を除去するためにスプレードライヤー吸収装置に噴霧されます。スプレータワーまたはサイクロンスプレースクラバーを使用して粒子状固形物を除去するために水を噴霧します^[14]冷却塔は、水を分配するためにスプレーノズルを使用します。

• スプレーは果物や野菜を洗うのに使われます。
• スプレー乾燥^{[15] [16]は、}インスタントコーヒー、粉末スープ、フレーバー濃縮物など、何百もの食品の製造に使用されています。
• 食品に香料や表面添加剤をコーティングすること。
• 貯蔵タンクおよびプロセス機器の洗浄および消毒には、材料をすすぎ洗いするために単流体ノズルが使用されます。これらの特殊なタンク洗浄ノズルは、洗浄効果を高めるために流体駆動の回転運動を備えていることがよくあります。

スプレーは製造業で広く使用されています。^[17]スプレーの代表的な用途としては、接着剤の塗布、ベアリングの潤滑、機械加工時の工具の冷却などがあります。

• 脱脂、電動モーターの再構築、ディーゼルエンジンの再構築、プラントメンテナンス、製鉄所のベアリング、鉄道のベアリング、エンジンの再構築のために、温水スプレーと洗剤スプレーで部品を洗浄します。^[18]
• 機械加工された部品のバリ取りには高圧スプレーが使用されます。
• スプレー塗装は、自動車、家電製品、オフィス家具など、多くの製造工程で広く使用されています。

• 高圧剥離
• コーティング紙
• クリーニングロール
• トリミングペーパー

• エッチング薬品やプリント基板用フラックス剤の散布

• 固定スプリンクラーからの散水
• 船舶のエンジンルームなどの高価で繊細な機器向けの高圧水ミストシステム。
• 火災の際に資産を保護したり、爆発の恐れのある物質を冷却したりするための放水システム（ガスボンベなど）
• 水トンネルシステムは、火災発生時に人々が安全に「涼しい」通路を確保して避難できるように設計されている。

• 採掘中の石炭粉塵を減らすには散水が重要^[19]
• 粉砕中に発生する粉塵の放出を抑制するために水を噴霧します。また、選別工場で砂利を洗浄するためにも噴霧ノズルが使用されます。

• 原材料からの発塵を抑制します。
• 高温焼成ロータリーキルンに燃料を供給します。
• 冷却および調整ガス。

• 高圧水は、鋼板やストリップに圧延する工程で、赤熱した鋼からスケール（酸化鉄）を除去するために使用されます。
• スプレーは連続鋳造プロセスや高温ガスの急冷に使用されます。
• コークス炉からのコークスの消火
• 金属押出成形品の冷却
• 酸洗液と酸洗液のすすぎ

• 分散を強化し、液体とガスの物質移動を増やすために試薬を噴霧します。噴霧塔を含む多くのシステムが使用されています。
• 石油精製用スプレー乾燥流動分解触媒
• フィルターや遠心分離機での固形物の洗浄とすすぎ
• 多くの医薬品錠剤にコーティングを施す

• 単流体ノズルは、活性汚泥廃水曝気槽内の泡を破壊し、消泡剤を塗布するために使用されます。
• 堆肥化する材料に水を噴霧して混ぜます。
• 液体廃棄物は高温焼却炉に注入されます。

除草剤、殺虫剤、および殺虫剤の噴霧散布は、これらの物質を意図した対象表面に散布するために不可欠です。^[20]出芽前除草剤は土壌に噴霧されますが、多くの物質は植物の葉の表面に塗布されます。農業用噴霧器には、農地、森林、芝、果樹園への噴霧が含まれます。噴霧器は、ハンドノズル、地上車両、または航空機に搭載される場合があります。除草剤、殺虫剤、および殺虫剤は、これらの物質を散布および分散させるために、土壌または植物の葉に噴霧されます。空中散布、殺虫剤散布、噴霧器を参照してください。葉を覆い、隣接領域への噴霧の目標外の漂流を最小限に抑えるには、噴霧特性の制御が重要です。（殺虫剤ドリフト）。噴霧ドリフトは、適切な風条件と湿度でのみ散布し、滴サイズと滴サイズ分布を制御することによって管理されます。作物上の噴霧ブームの高さを最小限に抑えると、ドリフトが減少します。スプレーノズルのタイプとサイズ、および動作圧力によって、材料の適切な散布速度が決まり、飛散する微粒子の量を制御することができます。スプレーノズルは、動物を冷却するためにも使用されます。

アトマイザーは、家庭用洗剤のポンプ式スプレーに使用されます。これらのノズルの機能は、製品を一定範囲に散布することです。エアゾールスプレーとスプレー缶を参照してください。

• 洗車用の水と洗剤のスプレー