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Bobby Brown
Post 2023-10-06
ノズルスプレー原理とその利点・欠点のクイックガイド

目次


1. ノズルとは

ノズル
ノズルはさまざまな産業で液体を分解してスプレー形状を形成するために使用されます。ノズルは一流体ノズルと二流体ノズルの2種類に分類されます。一流体ノズルはノズル孔と流体入口で構成されており、ノズル孔を通じてさまざまなスプレー形状を生成します。
二流体ノズルは2種類の流体を混合することで、より多様なスプレー効果を実現します。主なスプレー形状には扇形、空心円錐、実心円錐、螺旋、円柱形があり、それぞれ特定の用途に応じて使用されます。例えば、高圧扇形ノズルは洗車に使用され、低圧で均一なスプレーを提供するノズルは電鍍設備で一般的に使用されます。
 
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2. 単流体ノズルと二流体ノズル

単流体ノズルと二流体ノズル
  • 単流体(シングルフェーズ)ノズルと二流体(デュアルフェーズ)ノズルは、一般的なノズルの種類です。単流体ノズルは、液体専用のチャンネルを使用して単一の噴流を生成し、ミスト化、コーティング、洗浄といった用途に最適です。これらは液体圧のみで作動し、圧縮空気を必要とせず、平均的に粗めのスプレー粒子サイズを生成します。
  • 一方、二流体ノズルはガスと液体の両方のチャンネルを備え、ノズル内で混合することで細かく均一な噴流を生成します。これらは医薬品、塗料、燃料の噴霧に使用されます。ただし、化学薬品を使用する二流体噴霧では、空気との酸化反応による劣化が加速する可能性があり、慎重な投与管理が求められます。
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3. 一般的なノズルのスプレーパターン

スプレーパターン(形状:扇形、フルコーン、中空コーン)

スプレーパターンとは、加圧された液体が噴出される際に形成される形状のことで、均一な液体コーティングを実現する上で重要な要素です。ノズルの種類によって、円錐形、扇形、円形、直線形など、さまざまな形状のスプレーが生成され、それぞれの用途に適したシナリオで使用されます。適切なスプレーパターンを理解し選択することは、最適な結果を得るために不可欠です。

スプレーパターンの詳細については、''ノズルスプレーパターン: 産業におけるコスト削減と効率性の鍵''をご覧ください。

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4. ノズルスプレーの原理と利点・欠点

1 ) 扇形ノズル

原理

扇形ノズル
扇形ノズルは一般的なノズルの一種で、楕円形の出口を通して液体に圧力をかけることで動作します。圧力が均一に解放されないため、扇形のスプレーが生成されることからその名が付けられています。 利点
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利点

  • 広く使用され、初心者にも扱いやすい
  • 基本的なノズル制御に適したシンプルな構造
  • 詰まりにくい設計
  • ノズルタイプの中で最も高い衝撃力を提供

欠点

  • ソリッドコーンノズルと比較すると、扇形ノズルは固定位置で同じ面積をカバーするためにより多くのユニットが必要となるため、効率が低いです。

用途: 車の洗浄

車の洗浄
扇形ノズルは洗浄用途、特に車の洗浄に広く使用されています。ソリッドコーンノズルに比べて効率は低いものの、低コストでメンテナンスが簡単である点と、洗車機の移動によりこれらの欠点が補われるため、徹底的な洗浄作業には実用的な選択肢となっています。

2 ) 中空コーンノズル

原理

中空コーンノズル
渦巻き型スプレーノズルとして知られる中空コーンノズルは、空洞構造を通じて内部で竜巻のような渦流を生成します。液体はノズルの曲線状の開口部を通じて外側に向けられ、中空の円錐形のスプレー形状を形成します。このノズルは、コンプレッサーを必要とせずに細かなミストを生成する必要がある用途に最適で、簡単な設置とコスト削減を実現します。

利点

  • 細かいスプレー粒子を生成し、低圧で使用可能
  • 均一なスプレー分布を確保
  • シンプルなチャンネル設計により異物による詰まりを最小化

欠点

  • 高圧ではスプレーが不均一になる可能性がある
  • 高圧ではスプレーが不均一になる可能性がある

用途:製鉄業界

製鉄業界
スクラビングタワーで使用され、水ミストと粉塵を含むガスを混合することで、慣性衝突や拡散付着により、パッキング材表面に形成された水膜上で粉塵を捕捉します。そのシンプルな構造と広い通路設計により、不純物を含む流体が多い製鉄業界に最適です。

3 ) ソリッドコーンノズル

原理

ソリッドコーンノズル
ソリッドコーンノズルは、内部に加工された曲線形状や複数のX字型の中央ベーンを持つことで、完全なソリッドコーンスプレーを生成します。これらのベーンによって分割された液体は回転し、ソリッドコーン形状で噴出され、広い面積に均一に分布します。扇形スプレーよりも大きな粒子サイズを生成するものの、広範囲にわたる均一な分布が可能です。

利点

  • 高い集中度のある液体の流れを生成し、低圧でも効果的に動作します。また、大きな液滴サイズで液体を均等に分布させます。

欠点

  • 流量の制約により非常に細かい液滴を生成するのが難しく、内部の乱流メカニズムにより詰まりが発生する可能性があります。

用途:半導体の湿式化学洗浄

半導体の湿式化学洗浄
半導体プロセスでは、各ウェハを均一に処理することが重要であり、装置設計にはウェハにスプレーを行う単一ノズルの効率性が重視されます。ソリッドコーンノズルは、広いカバー範囲と適度な液滴サイズにより、化学薬品を均一に適用できることを保証します。ただし、詰まりが発生する可能性があり、高品質なろ過システムを導入することでそのリスクを軽減しています。

4 ) ウォーターカーテンノズル

原理

ウォーターカーテンノズル
ウォーターカーテンノズルは、フラッドノズル、ウォータースクリーンノズル、低圧広角扇形ノズル、または広角扇形ノズルとも呼ばれます。このノズルは曲線状の構造を通して液体を特定の方向に連続的に流すことで、表面張力を利用してその効果を実現します。独自の設計により、液体の流れを角度をつけて導き、外側に広がるスプレー面を形成します。

利点

  • ノズル開口部の外側に反射面を使用してスプレーデザインを実現し、異物の通過能力を向上させ、詰まりのリスクを軽減します。
  • 広いウォーターカーテンを生成するため、大規模な冷却や火災予防に最適です。
  • ノズル外側の反射面を利用することで、異物の処理能力を向上させ、詰まりを防止し、安定した性能と最小限のメンテナンスを実現します。

欠点

  • 4kg/cm²を超える高い動作圧力では、液体が霧化されずに溢れる可能性があります。
  • システムの連続運転には大量の水が必要であり、水資源の消費が多くなります。
  • 設備のコストが高く、使用後の廃水管理を含む頻繁なメンテナンスが必要です。

用途:フォームコントロール

フォームコントロール
広い面積をカバーすることが重要な消泡用途に最適であり、低圧洗浄によりフォームを分散させることができます。その設計により、高圧装置を必要とせず、コスト効率と省エネルギーを実現します。

5 ) スパイラルノズル

原理

スパイラルノズル
スパイラルノズルは圧力を利用して液体をスパイラル構造に導き、連続的なスパイラルスプレーを生成します。1層、2層、または3層の構造があり、それぞれスプレー角度は60~90度、120度、最大170度に対応しています。

利点

  • 独自の構造により、煙の制御や空気清浄に適しています
  • 多層スプレーによりカバー範囲が大幅に拡大
  • 洗浄に非常に効果的で、詰まりにくい設計

欠点

  • 他のノズルと比較して構造が複雑で製造コストが高い
  • 動作にはより高い圧力が必要で、大型ポンプが必要になる可能性がある

用途:廃棄物処理塔

廃棄物処理塔
半導体工場では、廃棄物処理塔にスプレーノズルを使用して、廃ガス中の有害粒子と水を結合させ、処理しやすい廃水を生成します。スパイラルノズルのシンプルな設計は詰まりを防ぎ、中空コーンノズルと比較してガスと液体の接触面積を拡大します。その3層スプレー構造により、液体とガスの界面が最大化され、廃ガス処理の効率が向上します。これにより、スパイラルノズルは廃ガス処理塔での使用に最適な選択肢となります。

6 ) 二流体ノズル

原理

二流体ノズル
二流体ノズルは、高速の空気を利用して液体を霧化し、より細かい液滴を生成することで動作します。この結果、液滴サイズが小さくなり、速度が高まり、洗浄効果が向上します。このノズルは、PCB湿式プロセスのように正確かつ効率的なスプレーが求められる工程に特に有用です。細かい液滴を生成する能力により、狭いスペースでも反応効率とカバー範囲が向上します。

利点

  • 50μm以下の細かい液滴を生成
  • 高粘度の液体にも対応可能

欠点

  • 複雑な設計
  • 高圧ガスが必要
  • 詰まりやすい
  • 高精度な製造が求められる
  • コストが高い
  • 小さな液滴は蒸発を引き起こす可能性があり、消費量が増加するため、腐食性液体には隔離が必要

用途:PCBプロセス

PCBプロセス
ライン幅および間隔が25μm以下のPCBエッチングプロセスに最適です。二流体ノズルの細かいスプレーにより、化学薬品の均一な分布と反応が保証され、特殊なPCB製造プロセスで好まれる選択肢となっています。

ノズルは現代の産業やさまざまな応用分野において重要な役割を果たしています。単流体ノズルと二流体ノズルはそれぞれ独自の特性を持ち、ニーズに応じて適切なスプレー方法を選択することが可能です。扇形、中空コーン、ソリッドコーンなどの異なるノズル形状は、それぞれの原理と用途を持っています。ウォーターカーテンノズルは洗浄や冷却効果を生み出し、スパイラルノズルは独自の構造によって連続的で均一なスプレーを実現し、二流体ノズルはより細かい液滴と高い速度を生成します。これら多様なノズルタイプは、それぞれに特有の利点と用途を持ち、特定の要件に合わせたソリューションを提供します。

参考資料

  1. ^ Nozzle - Wikipedia
  2. ^ Spray nozzle - Wikipedia
  3. ^ Two Fluid Atomization Fundamentals
  4. ^ Corrosionpedia Explains Spray Pattern
  5. ^ Spray (liquid drop)_wikipedia
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