多相ジェットの特性を変更する装置及び方法

专利摘要:
本発明は、多相ジェットと１つ以上の作動ジェットとの間の流体相互作用によって方向及び／又は広がりが可変な多相ジェットを注入するための装置及び方法に関する。
公开号:JP2011509183A
申请号:JP2010541831
申请日:2009-01-09
公开日:2011-03-24
发明作者:グエゼンヌ、ニコラ；ポワンソ、ティエリー；ラベゴール、ベルナール
申请人:アンスティテュ・ナスィヨナル・ポリテクニーク・ドゥ・トゥールーズ；サントル・ナショナル・ドゥ・ラ・レシェルシュ・サイエンティフィーク−セ・エン・エール・エス−；レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード；
IPC主号:B05B7-08

专利说明:

[0064] 図１ａ、ｂ及びｃは本発明に係る装置の２つの態様を概略的に図示したものであり、図１ａは前記装置の長手方向の断面を図示しており、図１ｂは多相ジェットの方向を変更するためのノズルの断面を図示したものであり、図１ｃは多相ジェットの広がりを変更するためのノズルの断面を図示したものである。
図２は、本発明に係る装置によって偏向された２相ジェットの図を示している。
図３は、作動ジェットの流量と霧化ガスのジェットの流量との比の、装置を離れる多相ジェットの偏向への影響を示している。
図４は、作動ジェットの流量と霧化ガスのジェットの流量との比の、装置を離れる多相ジェットの偏向への影響を示している。
図５は、作動ジェットの流量と霧化ガスのジェットの流量との比が有する、装置を離れる多相ジェットの拡大の度合いへの影響を示している。
図６は、作動ジェットの流量と霧化ガスのジェットの流量との比が有する、装置を離れる多相ジェットの拡大の度合いへの影響を示している。
図７は、作動ジェットの流量と霧化ガスのジェットの流量との比の、多相ジェット中の液体粒子の平均粒径への影響を示している。] 図１ａ 図１ｂ 図１ｃ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７
[0065] 本発明は、ガス状ジェット（作動ジェットとして知られる）を、噴射デバイス（液体／気体多相ジェットの場合にはしばしばアトマイザとして知られる）によって作り出される多相ジェットの方向（方向）及び／又は広がりを制御するために使用する。]
[0066] 図１は、ガスアシスト式のアトマイザ１１とノズル１５とを具備した、本発明に係る装置を示している。] 図１
[0067] アトマイザ１１は、噴射される液体を供給するための中央管１２と、この中央管１２を囲む、霧化ガスを供給するための環状管１３とを具備している。中央管１２及び環状管１３はアトマイザ１１の主開口部１４に通じている。これにより、液体ジェットは主開口部１４の中央に注入され、この主開口部において環状のガス状霧化ジェットに囲まれる。高速の環状ジェットの運動エネルギーは液体ジェットを霧化し、主開口部１４の下流において主方向Ｘ−Ｘに液体／気体２相ジェットをもたらし、アトマイザのちょうど出口に液体／気体の分散体が現れる。]
[0068] ２相ジェット中の液滴の典型的な大きさは、数１０ミクロン程度である。]
[0069] 本発明によれば、前記装置はガス状作動ジェットの注入のための流路１６を具備している。前記流路１６に対応した副開口部１７は、アトマイザ１１の主開口部１３の下流でノズル１５内に位置している。これら副開口部１７は２相ジェットの主軸Ｘ−Ｘに垂直な平面（それぞれ図１ｂ及び１ｃの平面）に位置している。] 図１ｂ
[0070] ４つの作動ジェットの配置について説明する、流路及び対応する副開口部の２つの異なる配置がある。]
[0071] 図１ｂは作動ジェットの放射レイアウトを示している。即ち、この図において、流路１６及び副開口部１７は、副開口部１７から出る作動ジェットが２相ジェットの主方向Ｘ−Ｘに交差する副方向（矢印で示している）をもつように位置している。本発明のこの態様は、ノズル１５の出口開口部１８を離れる多相ジェットの方向を変更することを可能にする。] 図１ｂ
[0072] 図１ｃは副開口部１７から出る作動ジェットの接線方向レイアウトを示している。この図において、流路１６及び副開口部１７は、副開口部１７から出る作動ジェットの副方向（直線の矢印で示している）が主方向Ｘ−Ｘと共平面ではないが、全てが主方向の周りの１つの同一の回転方向（２つの曲線の矢印で示している）を向くように位置している。１つ以上の作動ジェットがノズル内部で多相ジェットに衝突したとき、このことは出口開口部１８から出る２相ジェットの広がりの拡張をもたらす。] 図１ｃ
[0073] 以下の寸法が、図１に示されている：
−同軸アトマイザの寸法：
Ｄ1：液体を供給するための中央管の径
Ｄgi：環状の霧化ガス管の内径
Ｄge：環状の霧化ガス管の外径
−制御システムの寸法：
Ｄ0：装置の出口開口部の径
Ｈ：主方向Ｘ−Ｘに対して直角で測定した、出口開口部と主開口部との間の距離
ｄ1：流路の第１の固有寸法
ｄ2：流路の第２の固有寸法
ｄ＝√（ｄ12＋ｄ22）
Ｌ1：副開口部の中心点と主平面との間の距離
Ｌ2：副開口部の軸の中心点と出口平面との間の距離。] 図１
[0074] 典型的には、主軸Ｘ−Ｘに平行に測定された、副開口部１７の中心点と、主開口部１３の平面及び出口開口部１８の平面のそれぞれとの間の距離Ｌ１及びＬ２は、副開口部１７の断面積の平方根の１乃至１０倍である。副開口部１７の断面積の平方根は、この副開口部における作動ジェットの断面積に対応する。副開口部１７の断面積の平方根／この副開口部１７の出口における作動ジェットの断面積の平方根は、以下、作動ジェットの固有寸法ｄとして知られる。]
[0075] 作動ジェットの固有寸法は、対応する流路１６における所定の流体流量に対する、作動ジェットの運動量を決定する。]
[0076] 多相ジェットの方向の大きな偏向を達成するためには（図１ｂを参照のこと）、実際には流路の固有寸法は一般に製造上の制約を受けるという事実を踏まえつつ、ノズル１５に注入される作動ジェットの運動量と主開口部１３を離れる多相ジェットの運動量との間の比を最大にすることが望ましいであろう。] 図１ｂ
[0077] 多相ジェットに作用する副ジェットの数は典型的には４つに限定されるであろう。副ジェットの数をより多くしても、装置及び方法の性能をそれほど改善させるわけではなく、組み立ての困難及びより高い製造コストをもたらす可能性があるためである。更に、アクチュエータは、主開口部１３及び出口開口部１８の近くの領域に位置しているので、これは、空間的な理由で、それらの数を制限する。]
[0078] 以下の例は、多相ジェットの方向又は広がりを変更するための本発明に係る装置及び方法の使用に関するものである。]
[0079] 多相ジェットの方向を変更するための装置（例１乃至３）は、本質的には図１ａ及び１ｂに図示されたものと同様であるが、主方向に交差する副方向を有するただ１つの作動ジェットがノズルに注入される。] 図１ａ
[0080] 多相ジェットの広がりを変更するための装置（例４乃至６）は、本質的には図１ａ及び１ｃに図示されたものと同様であるが、４つの作動ジェットが注入される。] 図１ａ
[0081] 図３乃至６において、ｚは装置の出口開口部の下流の距離（主方向で測定）であり、ここで偏角アルファ（α）及び拡張（Ｌ−Ｌ0）／Ｌ0がそれぞれ測定される。したがって、ｚ＝０での測定は出口開口部のまさに出口での測定であり、Ｌ0は多相ジェットのｚ＝０、即ち出口開口部での幅である。] 図３
[0082] 制御パラメータ
本発明に係る装置及び方法のための操作パラメータは、例においては（一定の作動ジェット固有寸法の場合）、それぞれ、作動ジェットとして流路を通るガスと環状霧化ジェットを通るガスとの流量の比である。]
[0083] 本文において説明した全ての結果について、アクチュエータと霧化ジェットとを通るガスの総流量は一定のままであった。]
[0084] 多相ジェットの偏向
例１乃至３：多相ジェットの偏向
例１：
多相ジェットの偏向は、ノズルの出口開口部１８を離れる多相ジェットの方向と、アトマイザの主開口部を離れる多相ジェットの主方向Ｘ−Ｘとの間の角度として定義される。]
[0085] この角度は、オンブロスコピーを使用して、制御チャンバの出口における多相ジェットの包絡線から測定することができる（図２参照）。] 図２
[0086] 図２は、多相ジェットの方向を変更するために、前記装置によって作動ガスの作用を受けた空気アシスト式のアトマイザから生じた水の２相ジェット又は「スプレー」の平均の処理画像を示している。この例の注入条件は：水流量が約６ｇ／ｓ、環状霧化ジェットのガス流量が約１．３ｇ／ｓ、アクチュエータのガス流量が０．７ｇ／ｓである。２相ジェットが偏向される観察角は約３０°である。] 図２
[0087] 例２：
図３は、多相ジェットの方向を変更するための装置（図１ａ及びｂ）における多相ジェットの偏向に関する制御パラメータの影響を示しており、ここではＤ0＝７．５ｍｍ、ｄ1＝３．０ｍｍである。] 図１ａ 図３
[0088] 最初に、この図において、液体ジェットの偏向角はインジェクタからの距離が増加するにつれて減少していることに気づくであろう。この結果は、重力の影響を受ける液滴の弾道学的特性によって説明することができる（ここでは、前記インジェクタは下向き垂直位置に位置決めされている）。]
[0089] 特に、２相ジェットの偏向角は、制御パラメータとともに実質的に直線的に増加することに気づくであろう。この現象は、高いダイナミックレンジ（制御レベル及びジェットが偏向され得る角度における大きな振幅）を示し、したがって制御パラメータは、それぞれのガス状ジェットの運動量又は流量を調節する制御設備を使用して、多相ジェットの方向に対して良好な制御を与える。]
[0090] 加えて、この第１の配置の場合に得られる最大値は、周知の非機械的システム、例えば欧州特許公開第０５４５３５７号のシステムを用いて得られる値よりも大きい。]
[0091] 例３：
図４は、多相ジェットの方向を変更するための装置（図１ａ及びｂ）における２相ジェットの偏向に関する制御パラメータの影響を示しており、ここではＤ0＝５．５ｍｍであることを除いて、寸法及び動作条件は図３と同じである。したがってこの場合、作動ジェットの副開口部は主開口部からそれほど離れていない（Ｈの値が低い）。] 図１ａ 図３ 図４
[0092] この図は、制御レベルによるジェットの偏向角における、閾値効果とその後の非常に大きな増加を示している。更に、偏向の最大振幅は、前の場合よりも遥かに大きい。]
[0093] このように、ジェットの偏向の幅及び制御システムのダイナミックレンジ（制御パラメータと得られるジェットの偏向との比）を、距離Ｈの適切な選択によって調節することができる。]
[0094] 例えば５０°又は６０°程度の非常に大きな振幅を得るために、作動ジェットの固有寸法の０．５乃至１．５０倍の範囲の距離Ｈが使用されるであろう。それに反して、閾値効果なしの実質的な偏向（３０°）のみ（制御パラメータと得られるジェットの偏向との間の実質的に直線的な関係）が望まれる場合には、０乃至０．２×ｄの距離が選択されるであろう。]
[0095] 例４及び５：２相ジェットの広がり
出口開口部から出る多相ジェットの広がりは、２相ジェットの包絡線に基づいて定義され、この包絡線は上で述べたように決定される。実際、ジェットの拡張レベルは、インジェクタの下流の所定距離における２相ジェットの幅の相対変化として決定される。]
[0096] 例４：
図５は、Ｈ＝８０ｍｍ及びｄ1＝３ｍｍで接線方向に配置された４つの作動ジェットの制御パラメータに依存する、「スプレー」の拡張レベルにおける変化を示している。同様に非常に高いダイナミックレンジを示す、制御パラメータ＝５までの連続的で直線的な展開が見られる。] 図５
[0097] 例５：
図６に示すように、接線方向に位置するアクチュエータについては、流路の径ｄ1と、したがって同じｄ2、更に流路の寸法ｄは、制御の効果をさほど変化させない。この図では、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ５は異なり、ＳＷ２ではｄ1＝２ｍｍ、ＳＷ３ではｄ1＝３ｍｍ、ＳＷ５ではｄ1＝５ｍｍである。] 図６
[0098] 例６：２相ジェットにおける粒径分布
既に見てきたように、作動ジェットは２相ジェットの方向又はその広がりを変更することを可能にするが、粒径分布を変更することも可能にする、即ち液滴の粒径分布を変更することを可能にする。この例８では、マルバーン光学技術（粒子による光の散乱）を用いて平均粒径（ザウター平均径）を測定する。]
[0099] 図７は、接線方向に設置された４つの作動ジェットについての平均ザウター径（Ｄ３２）の変化を示している。より大きい寸法ｄ1で（したがって、一定のｄ2で、寸法ｄで）、平均ザウター径に連続的な増加があることがわかる。これに反して、ｄ1がより小さい場合（したがって、一定のｄ2と、ｄの場合）、粒径の増加は急速に制限される。流路の寸法、したがって副開口部の寸法、および結果として対応する副開口部の出口における作動ジェットの断面積の選択は、例えば、粒径の著しい変更を伴って又は伴わずにスプレーをより幅広く拡げることを可能にするであろう。] 図７

权利要求:

請求項1
方向が可変であり及び／又は広がりが可変な多相ジェットを注入するための装置であって、前記装置は、・運動量が調節された多相ジェットを主方向に注入するための主開口部を有する噴射デバイスであって、前記主開口部は主平面に位置し断面積Ｓｐを有する噴射デバイスと、・ノズルであって、前記噴射デバイスの前記主開口部がそこに通じており、出口平面で前記注入開口部と反対側に位置する、前記多相ジェットのための出口開口部を有するノズルと、・少なくとも１つの流路であって、副方向において運動量が調節されたガスの作動ジェットを前記ノズルに注入するための副開口部を有し、前記作動ジェットが前記ノズルの内部で前記多相ジェットに衝突するようにし、前記副開口部は断面積Ｓｓを有し、前記副方向は前記主方向に垂直な平面と角度θを成し、前記θは９０°未満で０°以上であり、好ましくは０°≦θ≦８０°であり、より好ましくは０°≦θ≦３０°である流路とを具備した装置。
請求項2
請求項１に記載の装置であって、前記少なくとも１つの流路の前記副開口部は、前記主平面から離れた距離Ｌ１且つ前記出口平面から離れた距離Ｌ２に位置する中心点を有し、Ｌ１、Ｌ２≦１０×√Ｓｓである装置。
請求項3
請求項１又は２に記載の装置であって、前記ノズルは金属製である装置。
請求項4
請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置であって、０．２５≦√Ｓｐ／√Ｓｓ≦１０．０である装置。
請求項5
方向が可変な多相ジェットを注入するための請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置であって、少なくとも１つの流路であって、対応する副開口部から出る前記作動ジェットの前記副方向が、前記主開口部から出る前記多相ジェットの前記主方向に交差する又はほぼ交差するような流路を具備した装置。
請求項6
請求項５に記載の装置であって、少なくとも２つの流路であって、対応する副開口部から出る前記作動ジェットの前記副方向が前記主開口部から出る前記多相ジェットの前記主方向に交差又はほぼ交差するように向いている流路を具備した装置。
請求項7
広がりが可変な多相ジェットを注入するための請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置であって、少なくとも１つの流路であって、対応する副開口部から出る前記作動ジェットの前記副方向が前記主開口部から出る前記主ジェットの前記主方向と実質的に共平面ではないような流路を具備した装置。
請求項8
請求項７に記載の装置であって、少なくとも２つの流路であって、対応する副開口部から出る前記作動ジェットの前記副方向が、前記主開口部から出る前記多相ジェットの前記主方向と実質的に共平面ではなく、且つ対応する副開口部から出る前記副ジェットが前記主方向の周りで１つの同じ回転方向に向くように、向いている流路を具備した装置。
請求項9
多相ジェットの方向及び／又は広がりを、請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置を用いて変更する方法であって、・前記多相ジェットが前記噴射デバイスにより前記噴射デバイスの前記主開口部を通して前記ノズルに注入され、前記多相ジェットは主方向に且つ調節された運動量で注入され、・少なくとも１つの作動ジェットが流路の前記副開口部を通して前記ノズルに注入され、各々の作動ジェットは調節された運動量で且つ副方向に、前記副ジェットがノズルの内部で前記多相ジェットと衝突するように注入され、前記副方向は前記主方向に垂直な平面と角度θを成し、この角度θは９０°未満で０°以上であり、好ましくは０°≦θ≦８０°であり、より好ましくは０°≦θ≦３０°であり、前記ノズルの前記出口開口部を離れる前記多相ジェットの前記方向及び／又は前記広がりは、少なくとも１つの作動ジェットの前記調節された運動量を変えることによって変更される方法。
請求項10
多相ジェットの方向を変更するための請求項９に記載の方法であって、前記ノズルに注入される少なくとも１つの作動ジェットの前記副方向は前記主開口部から出る前記多相ジェットの前記主方向に交差又はほぼ交差し、前記ノズルの前記出口開口部を離れる前記多相ジェットの前記広がりは、その副方向が前記主方向に交差又はほぼ交差する前記少なくとも１つの作動ジェットの前記調節された運動量を変えることによって変更される方法。
請求項11
多相ジェットの広がりを変更するための請求項９又は１０に記載の方法であって、前記ノズルに注入される少なくとも１つの作動ジェットの前記副方向は、前記主開口部から出る前記多相ジェットの前記主方向と実質的に共平面ではなく、前記ノズルの前記出口開口部を離れる前記多相ジェットの広がりは、副方向が前記主方向と実質的に共平面ではない前記少なくとも１つの作動ジェットの前記調節された運動量を変えることによって変更される方法。
請求項12
請求項９乃至１１の何れか１項に記載の方法であって、前記多相ジェットは液体／気体２相ジェット又は固体／気体２相ジェットである方法。
請求項13
請求項９乃至１２の何れか１項に記載の方法であって、前記多相ジェットは液体窒素の分散体を含んでいる方法。
請求項14
請求項９乃至１２の何れか１項に記載の方法であって、前記多相ジェットは液体燃料及び／又は固体燃料の分散体を含んでいる方法。
請求項15
請求項１４に記載の方法であって、前記多相ジェットはガス状酸化剤中の分散体である方法。
請求項16
請求項１５に記載の方法であって、前記ガス状酸化剤は酸素含有量が少なくとも４０体積％であり、好ましくは少なくとも５０体積％であり、より好ましくは９０体積％である方法。