噴嘴是一種在眾多產業和應用領域中廣泛使用的裝置，其作用是將流體分解成噴霧模式。噴嘴的設計和功能十分多樣，可以分為單流體和雙流體兩大類。單流體噴嘴通常由一個噴嘴孔和一個流體進口組成，流體通過噴嘴孔噴出，形成各種不同的噴霧型式。而雙流體噴嘴則需要兩種不同的流體，通過它們的混合來實現更多變化豐富的噴霧效果。
噴霧型式方面，常見的有扇形、空心圓錐、實心圓錐、螺旋噴霧以及圓柱形噴霧等五種類型。每種型式都有其特定的應用場景和優缺點，用於不同的噴灑需求。
本文將介紹噴嘴的基本概念，深入探討其噴灑原理、優缺點以及應用範圍。這將為擬使用噴嘴的讀者提供一個基礎知識，幫助他們在噴嘴選擇上做出明智的決策。
透過深度評論性的觀點，我們將提供教育性的內容，使讀者能夠更好地理解噴嘴的原理和選擇依據。無論是工業製造業灌溉還是空氣清潔，這些資訊將為各種應用場景的使用者提供寶貴的參考
什麼是噴嘴
-噴嘴的噴霧實景-
噴嘴是一個將流體加速並增加其動能的裝置。它通常由一個狹窄的通道和一個擴張段組成。在狹窄的通道中，流體受到限制，因此速度增加，而在擴張段中，流體又被擴張，因此速度進一步增加。噴嘴可以用於許多不同的應用中，例如火箭發動機、噴氣式發動機、水管、火焰噴射器等。[1]
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噴嘴分為一流體噴嘴與二流體噴嘴
-一流體與二流體噴嘴原理示意-
一流體噴嘴和二流體噴嘴，又稱單流體與雙流體噴嘴，都是常見的噴嘴類型。一流體噴嘴通常由一個通道組成，液體通過這個通道，從而形成一個單一的噴流。這種噴嘴常用於噴灑水霧、塗層、清洗等應用中。它是一種液體加壓式噴嘴，僅使用泵浦將液體加壓至所需壓力，然後通過噴嘴噴出。相較於二流體種類的噴嘴，一流體噴嘴產生的平均噴霧粒徑較粗，且無法調節。
二流體噴嘴則由兩個通道組成，一個是氣體通道，另一個是液體通道。當氣體和液體通過這兩個通道時，它們會在噴嘴內部混合在一起，形成一個較為細小的、均勻的噴流。這種噴嘴通常用於噴灑藥液、塗料、燃料等應用中。在雙流體噴嘴內部，氣體與液體充分混合，這樣可以更好地控制噴霧的粒徑和均勻性。然而，如果使用含有化學物質的藥液進行雙流體噴灑，它可能與空氣產生氧化反應，加速藥液的衰退速度，因此需要根據經驗判斷並關注藥液的使用量。
一流體噴嘴和二流體噴嘴的主要差異在於內部結構。一流體噴嘴只有一個流道，而二流體噴嘴則有兩個分別為氣體和液體的流道。這種差異影響了兩者的功能和應用。由於雙流體噴嘴需要考慮氣密性和液體密封性的問題，通常採用多件式設計，這也使得二流體噴嘴的成本較高。[2] [3]
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噴嘴的噴霧形狀
- 三種噴霧型狀示意 -
噴嘴的噴霧形狀是指從加壓源釋放出來的液體形狀。這是一個重要的因素，因為噴霧形狀決定了液體塗層的均勻程度，對於許多應用來說，均勻的噴霧形狀是至關重要的，特別是在塗層、清洗和噴灑等工藝中。一個好的噴霧形狀可以確保塗層的均勻分佈，從而提供更好的防腐蝕效果和質量。
不同的噴嘴可以產生各種不同的噴霧形狀，常見的包括錐形、扇形、圓形和直線等。每種噴霧形狀都有其適用的場合和特點。例如，錐形噴霧形狀通常用於廣泛的噴灑應用，它可以在一個相對較大的範圍內均勻地噴灑液體。扇形噴霧形狀則適用於需要在一個特定的方向上均勻噴灑的場合，比如清洗和冷卻應用。圓形噴霧形狀則常用於需要均勻覆蓋整個表面的應用，如塗層和涂覆。直線形狀則通常用於需要精確定點噴灑的場合，比如局部塗裝和細微噴霧。
了解不同的噴霧形狀以及它們的適用場合，可以幫助我們選擇合適的噴嘴來達到所需的效果。在應用中，我們應該根據具體的需求和工藝要求來選擇合適的噴霧形狀，確保液體能夠均勻地被噴灑到目標表面，從而達到最佳的效果。[4]
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常見噴灑形式噴嘴之原理、優缺點、與應用
- 扇形噴嘴原理、優缺點、與應用
原理
扇形噴嘴是一種常見的噴嘴類型，其工作原理是液體從管內，利用壓力進入噴嘴後，流經噴口時，透過橢圓狀 (或稱眼睛狀) 的噴口設計，液體在噴口被擠壓，擠壓後，因壓力無法宣洩，而使得液體往分別兩邊走，因此使得液體噴出時的形狀有如扇子一般，而被稱之為扇型噴灑。 [5]
優點
- 入門且最為泛用的噴灑元件選擇
- 結構單純以最簡易的方式實現對噴嘴控制的基礎元件
- 不易阻塞
- 在所有噴嘴類型中，可提供最佳的衝擊力
缺點
扇形噴嘴噴形為一狹窄柱狀型，相比實心圓錐噴嘴的圓形噴形，在不移動的狀況下，同樣面積的噴灑，需要更多噴嘴的配置，因此扇形噴嘴的噴霧效率不如其他型式的噴嘴來得高。
應用
扇形噴嘴時常應用於清洗，舉例來說，洗車機即是典型的扇形噴嘴應用之一，我們都知道洗車機藉由機器的前後移動，將高壓清水與清潔劑噴塗到車體，並利用電動洗車刷刷洗車身而達到去除車身污垢的效果，其中高壓清水的噴灑，大多洗車機使用扇形噴嘴來執行。由於扇形噴嘴價格相對低廉合理，大量安置與維護成本低廉，即便噴灑效率不如實心圓錐噴嘴，然洗車機的前後運行可彌補此缺點，仍可提供完整的車體高壓清水噴灑的清潔作用。因此使用者在思考噴嘴的選擇與應用時，在某些噴嘴消耗量大的產業，價格會是很重要的考慮點，而其他的缺點，可利用設備的設計或其他技術來彌補，而仍可達到最初設定的噴灑目的。(看更多應用)
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- 空心圓錐噴嘴原理、優缺點、與應用
原理
空心圓錐噴嘴，也稱為旋渦型噴霧噴嘴，其原理是通過空腔結構在內部形成龍捲風狀的漩渦流動。當液體進入空心圓錐噴嘴的空腔後，透過噴嘴開口的曲面設計，液體被引導向外噴出，形成空心圓錐狀的噴灑形狀。空心圓錐噴嘴的典型分佈是在外圈位置，但透過噴嘴結構的調整，也可以在中間區域實現液體分佈。這種噴嘴的典型應用是空心圓錐噴灑，其噴霧粒徑與扇形噴霧相近甚至更小。
空心圓錐噴嘴的特點是液體貼著噴嘴內部表面流動，因此噴嘴的內部壁面相對容易磨耗。與實心圓錐噴嘴相比，它的通道徑較大，不易被異物阻塞。由於空心圓錐噴嘴不需要壓縮機或壓縮空氣，因此可以噴灑細微的霧化效果。這在一些不需要壓縮機安裝且需要細霧噴灑的應用中非常有用，可以使安裝過程更簡便，同時節省能源和成本。
優點
- 可產生較小的粒徑的噴流，並且能在低壓下使用。
- 可以提供均勻的噴霧分佈。
- 噴嘴流道無複雜結構，異物通過徑大，有效避免異物阻塞。
缺點
- 高壓下使用時可能會產生噴霧不均勻的問題。
- 噴灑效率圓形外圍，中心側沒有被覆蓋。
應用
鋼鐵業的洗滌塔中含塵氣體是由塔下部流入而，塔上方安裝空心圓錐噴嘴，噴灑水霧，使水霧與含塵氣體形成向流接觸。在洗滌塔中，由於是藉著在充填物表面所形成的水膜與含塵氣體之間的慣性衝突，以及粉塵的擴散附著來進行粉塵的捕集。鋼鐵業製程中的液體經常充滿雜質，流道結構簡單的空心圓錐噴嘴，有著異物通過徑大不易阻塞的優點，另外，空心圓錐噴嘴低壓即可提供均勻的噴霧分佈，這些優點使得鋼鐵業使用者在氣體洗滌中，常選用空心圓錐噴嘴作為噴灑水霧之用。(看更多應用)
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- 實心圓錐噴嘴原理、優缺點、與應用
原理
實心圓錐噴嘴是一種噴霧設備，其內部結構經過加工，具有曲面形狀。這種噴嘴在內部設有多孔式或是 X 形的中心葉片，以形成一個完整的實心圓錐噴嘴。當液體通過管線進入噴嘴時，它會經過多孔式或是 X 形的中心葉片（也稱為擾流片），形成兩條或多條的液體流，同時產生旋轉效應。液體再通過噴口的曲面結構時，因離心力的作用而被甩出，從而呈現出實心圓錐狀的噴灑形狀。
根據不同的結構設計，通過調整中心葉片和噴口曲面的流體結構和尺寸，可以調整流量、噴灑角度和分佈。液體通過中心葉片的擾流片結構被分離後，在噴嘴內部形成旋轉，然後以一定的角度噴出。實心圓錐噴嘴噴出的液體會迅速形成霧狀，由於其結構和原理的關係，噴出的顆粒粒徑通常比扇形噴霧更大，但可以在整個面積上均勻分佈。
優點
實心圓錐噴嘴可以產生高度集中的流體運動，並且可以在較低的壓力下工作。此外，它們還可以產生較大的粒徑，以將液體均勻地分佈在表面上。
缺點
- 由於液體流動的限制，它們可能無法產生非常細小粒徑的噴灑。
- 實心圓錐噴嘴由於內含擾流機構，而容易導致阻塞。
應用
半導體濕式化學清洗製程中，因晶圓尺寸的關係，為使每一塊晶圓可被藥液均勻地處理，而機台設計也必須同時靠慮到噴灑效率因素，通常上以單一噴嘴噴灑一片晶圓的方式來作為機台的噴灑設計。實心圓錐噴嘴單一噴灑效率與覆蓋面積大，其產生較大的粒徑，可將液體均勻地分佈在表面上，在噴霧距離與噴灑角度的適當安排下，每一片晶圓可均勻被藥液塗布產生反應。雖然實心圓錐噴嘴有著容易阻塞的缺點，然半導體製程環境要求高，完善的過濾設備可確保噴嘴不致阻塞。(看更多應用)
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- 水幕型噴嘴原理、優缺點、與應用
原理
水幕型噴嘴 (Flood type)，又有水簾噴嘴、水幕噴嘴、低壓廣角扇形噴嘴、廣角扇形噴嘴等稱呼。液體從管內經由壓力進入噴嘴後，液體衝擊噴嘴的曲面結構，透過曲面來導引液體往與液體流向成一定角度的方向前進，因液體的表面張力，使液體離開噴嘴後，仍持續同個方向往更外面噴出。 水幕型噴嘴的特徵為其結構一定會有轉角設計，液體進入的方向與噴灑的方向會呈現一個角度，因為要引導液體流向，以及利用阻擋液體流向與其表面張力，液體除了往設計的方向噴出外，並持續在呈現一個噴灑面，向外噴灑。
優點
利用噴孔外的反射面達成噴霧設計，提升異物通過能力，有效避免阻塞。
缺點
操作壓力大於4Kg/cm²時，可能會導致液體未經造霧而溢流的狀態。
應用
消泡 (Foam control)，環境中，泡沫通常產生於大面積範圍桶槽或水池上，因此在消泡作業裡，首要的應用思考就是如何能盡量擴大噴灑面積，另外，泡沫有著低壓沖洗即可消散的特性，環境無需添購高成本加壓設備，並減少能耗，在這些思考下，具有低壓廣角扇形噴灑特性的水幕型噴嘴，就是消泡應用噴嘴的最好選擇。(看更多應用)
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- 螺旋噴嘴原理、優缺點、與應用
原理
液體從管內經由壓力進入噴嘴後，液體衝擊噴嘴的螺旋結構，透過螺旋曲面來導引液體向外以一定角度的方向前進噴出，液體會隨著螺旋結構持續因液體的表面張力，使液體離開噴嘴後，仍持續同個方向往更外面噴出，而持續呈現螺旋形狀噴灑。一般來說，因噴嘴螺旋結構的長度，有一、二、三層之分，角度分別為 60-90度、120度廣角、170廣角三層噴灑角度。
優點
- 螺旋噴嘴的結構和組成與傳統噴嘴不同，因此它非常適合在特定應用中使用，例如在煙霧控制和空氣淨化方面。
- 螺旋結構分層，複數的噴灑角度，可創造單一噴嘴噴灑出更大的噴灑面積，試想一般噴嘴僅針對一個平面做噴灑，而螺旋噴嘴有最多高達三層的複數平面同時噴灑，造成出超過平面的空間型噴灑方式，使可接觸的範圍從一個面擴展到一個空間。設計來作為處理廢氣應用上，用以增加藥液與廢氣的接觸面積，提高效能，達成各種化學反應。
- 大幅提升清洗效果
- 不易阻塞
缺點
- 因結構複雜，加工繁複，螺旋噴嘴通常比其他工業噴嘴更為昂貴。仿間廉價螺旋噴嘴，以低成本開模射出方式生產，製造商沒有理解分層設計概念下，每層角度一樣，而難以達到螺旋噴嘴應有噴灑效果。
- 螺旋噴嘴需要更多的壓力才能正常工作，這可能會導致一些問題，例如需要更大的泵來提供足夠的壓力。
應用
半導體廠區中，常利用廢氣處理塔處理製程中所產生的廢氣，其原理利用噴霧讓水與廢氣有害粒子結合，形成較易處理的廢水。以填充物延長氣體與水接觸時間，增加氣體與水的接觸表面積，使氣體溶於水的比例更高。因螺旋噴嘴具有簡單的流道，不易阻塞，且相較空心圓錐噴嘴，螺旋噴嘴的設計三層噴灑結構，可加大液體與氣體的接觸面積，提高廢氣處理效率，而使螺旋噴嘴成為廢氣處理塔內噴嘴的最佳選擇。(看更多應用)
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- 二流體噴嘴原理、優缺點、與應用
原理
二流體噴嘴的基礎原理即是透過高速空氣去擊碎液體，使液體粒徑變得更小，造成更小粒徑更高流速的液體噴出，擁有較好的清洗效果。二流體噴出的藥液，粒徑小，接觸面較大，可使得藥液噴灑後的反應效率變得更快與充分使用。相對來說，若使用其他種類噴嘴，將藥液噴灑在同一表面上，因粒徑大，可能有部分藥液浮在其他藥液之上而無法接觸到噴灑表面，導致有部分藥液無法被反應。因此使用二流體噴嘴來噴灑藥液，可能只需其他種類噴嘴一半或是1/3的藥液噴灑量即可發揮同樣功效。
優點
- 可以產生較小的粒徑 (小於50μm) 的噴灑
- 空氣擊碎液體，可以使用高粘度液體。
缺點
- 設計複雜
- 需要高壓氣體
- 容易堵塞
- 需要高精度加工
- 造價昂貴
- 因噴灑液體粒徑小，易導致氣化，易使環境空氣充滿藥液氣化後的粒子，若噴灑具腐蝕性藥液，空間而須做完善的隔離，也因為藥液氣化的關係，使得藥液有更多的消耗。
應用
PCB濕製程中，在遇到面板上線寬線距小於25um的區塊需蝕刻製程時，為了讓化學藥液能進入這極為狹窄的縫隙中，經常會利用二流體噴嘴透過高速空氣去擊碎液體，使液體粒徑變得更小，造成更小粒徑更高流速的液體噴出的特性，使藥液能順利均勻的噴灑而造成反應。此時二流體噴嘴的特性成為PCB產業在為特殊製程目的而選用的噴嘴之一。
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綜合以上所述，噴嘴在現代工業和應用領域中扮演著關鍵的角色。單流體和雙流體噴嘴各具特點，可根據需要選擇適當的噴霧方式。不同形狀的噴嘴，如扇形、空心圓錐和實心圓錐，具有各自的原理和應用。水幕型噴嘴通過創造水幕，提供了清潔和涼爽的效果。螺旋噴嘴通過其特殊的螺旋結構，實現了持續且均勻的噴灑效果。二流體噴嘴通過高速空氣擊碎液體，提供了更小粒徑和更高流速的噴霧效果。這些不同類型的噴嘴都具有各自的優點和應用領域，可根據具體需求進行選擇。
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參考資料
1. ⌃ Nozzle - Wikipedia
2. ⌃ Spray nozzle - Wikipedia
3. ⌃ Two Fluid Atomization Fundamentals (2017-07-23)
4. ⌃ Corrosionpedia Explains Spray Pattern (2019-2-15)
5. ⌃ Spray (liquid drop)_wikipedia (2017-11-30)
7. ⌃ Design and Optimization of Fan-Shaped Nozzle Structure Based on CFD (2020-10)
8. ⌃ Wikipedia-Fluid (2022-07)
9. Different Types of Flow Meters for Gas Flow Measurement (2022-10-20)
10. What is an Ultrasonic Flow Meter : Types and Its Applications
11. Working Principle of Paddle Wheel Flow Meters (2016-05-30)
12. What are the advantages and disadvantages of Variable Area Flowmeter? (2016-03)
13. Advantages & Disadvantages of Different Flow Meters (2016-06-09)
14. Laminar Flowmeters
15. Flow Measurement (2001)
16. The Differences Between Laminar vs. Turbulent Flow
17. What are the Strengths and Weaknesses of Differential Pressure Flow Devices?
18. Part III: The pros and cons of mass flowmeters for volumetric flow measurement (2015-05-11)
19. Coriolis Flowmeter Advantages and Limitations
20. Coriolis mass flow meter advantages and disadvantages