200_090-021AP-TW

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200_090-021AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書
	※申請案號：
	※申請日期：　　　　　　　　　　※ＩＰＣ分類：

一、發明名稱： (中文/英文)
	內混式縫隙型噴嘴裝置(全文下載) / Slot Type Internally-Mixing Nozzle System
二、申請人：共人
	指定為應受送達人

三、發明人：

◎專利代理人：


四、聲明事項

	□主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
	□主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
	□ 主張專利法第二十六條微生物：
□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存

五、中文發明摘要：
	本發明為一種應用於金屬粉末製造、金屬噴覆成型、化工製程、機械製程、燃燒與能源工業等之縫隙型噴嘴裝置，本噴嘴裝置為液體強制式噴嘴並具有氣助式操作能力,其基本架構由主噴嘴、口罩噴嘴、加熱爐、噴嘴加熱器、工作流體供應及控制系統、排氣系統等主件所組成,具有以主噴嘴和口罩氣體噴嘴單獨操作及聯合操作之功能。主噴嘴內有一中心導管，導管出口有液體分配器以確保液體在噴口處之均勻分布，霧化氣體由噴嘴兩側進入並與上述液體在噴嘴內混合。噴嘴出口特徵為一長方形或其它縫隙形狀，噴嘴出口流道可隨應用上之需要，分別設計成平行出口，或漸縮/漸闊出口之形狀。主噴嘴出口可附加一個口罩噴嘴，沿著主噴嘴出口兩側，有兩排噴氣出口，每一排各有若干個側向噴口。液體及氣體流量均可加以調整，以提供所需要之氣/液質量比。本發明所述噴嘴裝置，可用在霧化融熔金屬、水、油等液態介質之霧化，對黏性很高的液態金屬尤具特殊效果，根據實測結果，光只使用主噴嘴即可將融熔金屬霧化至平均粒徑13微米以下，適合於工業上之實際應用。

六、英文發明摘要：
	This new invention is an internally-mixing slot-type nozzle system and is designed for the applications of metal powder production, spray forming technology, chemical and mechanical manufacturing processes, as well as combustion and energy production, etc. It is a forced type operation with the air-assisted capability. The structure of this invention consists a primary nozzle, a mouthpiece nozzle, furnace, heaters, working media supplying and controlling systems as well as exhaust system, etc. It has multiple function capabilities, i.e., it can be operated with the primary nozzle or the mouthpiece nozzle alone or with both pieces together. There is a runner tube inside the primary nozzle. The nozzle could be heated above the molten point of the working medium to avoid the solidification of the molten metal in the runner. A distributor device is designed at the outlet of the runner to ensure the uniform distribution ol the liquid matter before atomization. The nozzle outlet cross section is rectangular or other geometric shapes. The atomization gases are introduced into the nozzle from the two sides of the nozzle. The gas is mixed with the liquid matter discharged from the runner. The flow path can be designed as the parallel or convergent/divergent profiles depending on the atomization gas speed required. The flow rates of the liquid matter and the atomization gas can be adjusted to provide the required gas/liquid flow ratios. It is simple in fabrication as well as maintenance. It can be used in wide applications for atomization of the high-viscosity oil, spray forming, land power production. Mean droplet size as small as IS@m has been achieved with the gas-liquid mass flow ratio low down to the tenth of the conventional nozzle.

七、指定代表圖：
（一）本案指定代表圖為：
（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：


八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：


九、發明說明：
	[發明內容] 5-1目前之技術水平目前國內尚未有噴覆成型或金屬粉末產業，而國外在這方面研發膨勃發展，根據資料顯示，新的材料其抗拉、抗壓等相關材料特性皆倍於傳統材料，綜觀國外噴覆成型或金屬粉末噴嘴霧化方式，無論圓型或平面型噴嘴，仍止於等金屬流出後再衝擊霧化，一般稱為為氣衝式噴嘴，換言之，金屬沿中心流下後，再以環繞四周的氣孔，噴出霧化氣體或水衝擊霧化，屬於外部霧化 (External Atomization)，因此較浪費氣源，霧化效果較差，噴覆錐角較小，成型面積狹小等問題，而水則因內部含氧，使金屬氧化，甚至產生一些雜質，限制使用範圍。本發明噴嘴則令霧化氣體和液體直接在噴嘴內部混合霧化，再噴出至工作艙或大氣中霧化，屬內混式霧化(Internal Atomization)。高黏滯係數流體的噴嘴，其應用方面非常廣，例如：在發電廠重油霧化燃燒、橡膠廠碳粉原料燃燒、粉末冶金的液態金屬霧化、近年來的液態金屬噴覆成型等，所面臨的困難為霧化困難，燃燒不完全，造成環境污染，能源損失，而金屬噴霧在粉末冶金的應用方面，往往需要粒子小至20μm以下，一般使用氣衝式噴嘴霧化法、或是改用水噴霧法、另有用電弧熔解旋轉離心法、抽真空噴霧法、雷射熔解旋轉離心法等，但有大量的霧化氣體、金屬容易氧化、成本過高相關等問題，而目前仍以氣衝式噴嘴霧化法最為常見，所以若能一改以前噴霧模式，相關問題即可解決。 5-2本發明所欲解決之問題一般金屬霧化噴嘴皆為氣衝式，屬外界衝擊霧化，故需要大量霧化氣體，氣液質量比範圍在1.0~16.8之間 (1)，且無法霧化得很好，粒子大小通常在100μm以上，且噴霧錐角隨氣體增加而減小，使霧化分佈更加集中；但一般基於成本考量，要求霧化氣體要少，錐角不可太小，金屬粉末甚至要求粒子小至20μm，本發明之噴嘴，利用霧化氣體直接導入主噴嘴，和加壓金屬在主噴嘴內部混合，再藉高壓能量噴出噴嘴出口，屬內混式霧化，氣液質量比範圍約只須0.04~0.17，即可霧化至20μm，達到以少量霧化氣體霧化金屬液體，而所得效果更好；且基於霧化機構考量，採用長方形出口的平面噴嘴，比較圓形噴嘴，其幾何形狀對於平板的噴覆成型較為恰當，且噴霧錐角也可較一般氣衝型噴嘴加大，可達35°，對噴霧特性有較佳的擴散性和可控制性。 5-3技術範疇本噴嘴發明為另外尋找一種霧化機構，使能夠達到低氣液質量比，噴霧錐角大，粒子小的目的；一般傳統金屬噴嘴，由一漏斗及下面連接一導管組成，導管四周環繞霧化氣體的出口，由於金屬噴霧操作時，液態金屬受過熱控制不當，容易在導管或在漏斗出口堵塞，所以傳統噴嘴皆採用外界氣體衝擊方式，本噴嘴採用氣液內部混合方式，其最大困難在於過熱液態金屬在噴嘴內部受常溫霧化氣體衝擊，很可能馬上產生液態金屬局部凝固，而無法流出，或是噴嘴出口受霧化氣體衝擊冷卻，當液態金屬流至出口時產生阻塞，但本噴嘴在噴嘴外圍有一加熱裝置，預熱噴嘴，經由實驗結果證實堵塞的技術問題已被克服。高黏滯係數流體的噴嘴，其應用方面非常廣，例如：在發電廠重油霧化燃燒、橡膠廠碳粉原料燃燒、粉末冶金的液態金屬霧化、近年來的液態金屬噴覆成型等，所面臨的困難為霧化困難，燃燒不完全，造成環境污染，能源損失，而金屬噴霧在粉末冶金的應用方面，往往需要粒子小至20μm，一般使用氣衝式噴嘴霧化法、或是改用水噴霧法、另有用電弧熔解旋轉離心法、抽真空噴霧法、雷射熔解旋轉離心法等，但有大量的霧化氣體、金屬容易氧化、成本過高相關等問題，而目前仍以氣衝式噴嘴霧化法最為常見，所以若能一改以前噴霧模式，相關問題即可解決。 5.4發明或創作目的研發一種適合霧化高黏滯係數流體的噴嘴，設計一新的霧化機構，超越目前霧化的品質，又能大幅減少霧化氣體，節省成本，在燃燒方面，提高燃燒效率，提升發電量，或碳煙等相關產品品質；在金屬粉末製造，減少產品的雜質，避免金屬被氧化的問題；金屬噴覆成型方面，將液態金屬霧化得更小粒子，粒徑更均勻，避免衝擊氣體使用量過大，導至粒子結晶速度差異太大，成型組織不均勻，影響材料品質之缺點。 5.5技術內容本發明為一種內混式縫隙型噴嘴，運用於高溫液態金屬霧化、金屬粉末製造、金屬噴覆成型、高黏滯性液體霧化等目的。其中主噴嘴(1)內流體可以加熱(2)提高溫度，增加其霧化性能並防止冷卻固化現象發生(參見第一圖)。工作流體先在加熱爐(30)中以爐體加熱(31)提高至操作溫度(參見圖式8)，再經過轉接頭(37)，從噴嘴液體入口(10)進入主噴嘴中心流道(8)，進入主噴嘴(1)(參見第二圖)。在噴嘴內，液體出了中心流道(8)後，經工作流體分配器(3)產生預膜 (prefilming)現象，並與霧化氣體導引流道(5)所引進之氣體在混合腔(9)內發生混合作用，旋即經噴口(7)衝出主噴嘴 (1)。其特徵在於藉高溫之工作流體在噴嘴內部與霧化氣體混合時，快速提高霧化氣體溫度，利用此霧化氣體在混合腔(9) 內瞬間膨脹之作用，經此縫隙型噴嘴(1)之微小縫隙出口釋出，達到微小霧化之目的。為了達到冷卻或進一步霧化之目的，本發明另外設計一種口罩式噴嘴(4)，在主噴嘴(1)外面以固定螺絲(13)將此口罩式噴嘴(4)固定於主噴嘴(1)上，亦將霧化氣體(12)導引入口罩式噴嘴(4)中，對主噴嘴(1)所噴出之噴霧提供二次霧化及冷卻的功能，並利用此裝置來控制噴霧之錐角，如第三圖所示。此種口罩式噴嘴(4)亦可以加掛於現存之噴嘴外面，包括現存之壓力式噴嘴、氣助式噴嘴及氣衝式噴嘴上，其特徵為加入口罩式噴嘴(4)之霧化空氣量為主噴嘴(1)之10%至 1000%，以此方法對主噴嘴(1)所噴出之噴霧產生作用，但不必動到原噴嘴系統之設計。此種設計可以改善原噴嘴系統在低操作點之霧化特性，提昇最高操作點與最低操作點間之比率倍數，如第四圖所示。本發明中所稱之縫細型噴嘴，其截面形狀(7)為長方形、橢圓形、菱形或其它長條狀之噴口，其特徵為可以製造各種形狀之噴霧分佈，如第五圖所示。本發明中所稱之噴嘴內部液體分配器(3)為圓錐形、角錐形，契形或平板形等結構，其特性為提供初步霧化之機構。此部分之流體再經噴嘴內部之混合腔(9)，以形成進一步霧化之效果，如第六圖所示。本發明之加熱爐(30)及噴嘴本體(1)的加熱器(2，31)連接至溫度控制箱(18)，噴嘴本體(1)連接絕氧噴霧艙(19)，絕氧噴霧艙(19)再連接排氣系統(20)，噴嘴所需之霧化氣體及冷卻氣體由液態氮儲槽(26)連接至蒸發器(27)，再經過調壓閥(28)及流量計(29)送至噴嘴及口罩式噴嘴，其特徵為隔絕空氣之接觸，並過濾流體中之顆粒。顆粒之粒子大小以粒子分析儀(24)量測，溫度由熱影像分析儀(25)量測，並連同溫度控制箱(18)、調壓閥(28)及流量計(29)之訊號送至至電腦系統(21)，如第七圖所示。本發明之加熱爐(30)以爐體加熱器(31)籠罩於外，加熱爐(30)內部設計攪拌葉片(34)固定於中心軸(32)上，中心軸 (32)上端連接至把手(33)，下端連接至轉接頭(37)，中央流道(35)連接至清理氣體小管(41)，其特徵為中心軸(32)與爐體接觸面(36)為一種氣密式設計，當把手(33)轉動時，中心軸(32)會下降，清理氣體(38)經小管(41)及中央流道(35)清除轉接頭(37)內殘留之工作流體。中心軸(32)上端與爐體接觸部份以O－形環(42)作密封並以空氣管(40)作冷卻。爐蓋上裝有進料口(43)，爐蓋下為壓縮氣體(39)，其特徵為可提供高壓操作，而且在操作過程若需維修及加料，可以提供清理之功能，如第八圖所示。 5.6特點及功效以主噴嘴的霧化情形為例，噴嘴出口長度為12mm，出口寬度1mm，工作液體介質分別為沙拉油、純鉛、與 35%錫+65%鉛合金等三種，實際量測其霧化的功效與特點，量測項目包括噴霧液體與霧化氣體的壓力關係、噴霧錐角、粒子大小等。 5.6.1沙拉油之霧化特性 5.6.1.1沙拉油噴霧錐角第九圖為沙拉油噴霧之實際照相圖，圖中顯示液體噴射壓力1~4 kg/cm²，配合氣體噴射壓力1~4 kg/cm²下之噴霧圖。當液體噴射壓力維持在1 kg/cm²時，隨著氣體噴射壓力由1kg/cm²增至2 kg/cm²時，其噴霧錐角的變化並不明顯；當液體壓力為2 kg/cm²時，氣體壓力在 1~2.5 kg/cm²之間時噴霧錐角變化不大，但當氣體壓力提昇至3.0~3.5 kg/cm²時，噴霧錐角有變小的趨勢。當液體壓力維持在3 kg/cm²時，隨霧化氣體壓力從1提昇至 4 kg/cm²，噴霧錐角的變化影響不大。 5.6.1.2沙拉油噴霧之SMD 第十圖顯示氣/液質量比()對SMD之關係，大致而言，在液體壓力為P_L=1~4kg/cm²時，SMD 從=0.35之225μm下降至087116322-02=5之20μm，氣/液質量比的增加有助於SMD的減小而提高霧化的品質，但一旦超過5左右後，再增加氣/液質量比並沒有顯著效果。 5.6.2液態鉛及鉛錫合金(35%Pb+65%Sn)之霧化 5.6.2.1噴霧錐角第十一圖為本噴嘴在液態金屬壓力1~3kg/cm²，霧化氮氣壓力為2~4kg/cm²之下，所產生的液態金屬噴霧照相圖，圖中顯示，當液態金屬為純鉛時，液態金屬噴霧大致呈雙層噴霧錐角之結構，內層為主要的噴霧流場，另外為和外界環境作用所產生的剪力層(shear layer)，在剪力層內存在霧化密度較低且顆粒小的粒子群，使外圍衍生更大的外層噴霧錐角，亦使噴覆的含蓋面因此變大。隨著液態金屬壓力從1kg/cm²增加至3kg/cm²(配合霧化氣體壓力的增加)，噴霧的霧化錐角維持在約35°左右，在此壓力範圍內並無明顯的變化。當金屬選用鉛錫合金時，噴霧霧化錐角的變化與金屬選用純鉛時雷同，不會隨著液態金屬壓力的增加而有所改變。 5.6.2.2液態金屬噴霧之SMD 第十二圖顯示，以Malvern雷射繞射粒徑儀對液態金屬霧化顆粒SMD的量測結果，當金屬為純鉛時，液態金屬壓力從1kg/cm²增加至3kg/cm²(配合氣體壓力的增加)，則SMD由27μm降至13μm，產生相當細小的金屬霧化粒子。當液態金屬為鉛錫合金時，與純鉛的狀況雷同，隨著液態金屬壓力從1kg/cm²增加至3kg/cm²(配合氣體壓力的增加)，SMD由37μm降至23μm。將兩者的結果作比較，發現當Pmetal=1kg/cm²，PN2=2 kg/cm²的狀態時，若所採用金屬為純鉛，則SMD為27μm，若採用鉛錫合金，則所產生的金屬顆拉SMD為37μm，明顯的金屬顆粒會比較大；當Pmetal=2kg/cm²，PN2=3kg/cm²時與 Pmetal=3kg/cm²，PN2=4kg/cm²，所得到的結果亦為類同。綜合以上沙拉油和液態金屬噴霧實驗可得到以下之結論，其中傳統金屬噴霧資料取自參考文獻(1)：顯然本發明之內混式縫隙型氣助噴嘴在霧化性能及所需霧化氣體方面具有傳統氣衝式噴嘴所不及之優點。 [圖式簡單說明] 第一圖係本創作主噴嘴、加熱器與工作流體示意圖第二圖係本創作主噴嘴內工作流體之流道示意圖第三圖係本創作主噴嘴附加口罩式噴嘴示意圖第四圖係本創作口罩式噴嘴掛於現存噴嘴示意圖第五圖係本創作噴嘴裝置出口截面形狀示意圖第五圖(a)為長方形實施例第五圖(b)為橢圓形實施例第五圖(c)為啞鈴形實施例第五圖(d)為菱形實施例第六圖係本創作液體分配器結構示意圖第六圖(a)為圓錐形實施例第六圖(b)為方形板實施例第六圖(c)為圓碟形實施例第六圖(d)為契形實施例第七圖係本創作工作介質供應系統示意圖第八圖係本創作加熱爐與噴嘴關係示意圖第九圖係本創作運用於沙拉油噴霧實施例第十圖係本創作運用於沙拉油噴霧之粒度分布第十一圖係本創作運用於液態金屬噴霧實施例第十二圖係本創作運用於液態金屬噴霧之粒度分布

十、申請專利範圍：
	1.一種內混式縫隙型噴嘴裝置，其中主噴嘴(1)內流體可以加熱器(2)提高溫度，增加其霧化性能並防止冷卻固化現象發生，主要結構包括加熱爐(30)、噴嘴(1)、導引工作流體進入噴嘴之流道機構(8，10，36，37)，霧化氣體導引流道(5)以及噴嘴內部工作流體之分配器(3)、工作流體與霧化氣體混合腔(9)等；其特徵在於藉高溫之工作流體在噴嘴內部與霧化氣體混合時，快速提高霧化氣體溫度，利用此霧化氣體在混合腔(9)內瞬間膨脹之作用，經此縫隙型噴嘴(1)之微小縫隙出口釋出，達到微小霧化之目的，如第一圖、第二圖所示。　　2.如申請專利範圍第1項之噴嘴裝置，其中加熱爐(30)可以用適當的加熱器(2)將溫度提高至金屬或其他工作介質之熔點以上，噴嘴亦以加熱器維持在熔點以上溫度，以避免工作流體在噴嘴內部管道中產生固化現象，其目的在進行液態金屬之霧化，以產生金屬粉末或金屬噴覆之結構。　　3.如申請專利範圍第1項之噴嘴裝置，在主噴嘴(1)外面以固定螺絲(13)將一具口罩式噴嘴(4)固定於主噴嘴(1)上，另外亦將霧化氣體(12)導引入口罩式噴嘴(4)中，其特徵在提供二次霧化及冷卻的功能，並利用此裝置來控制噴霧之錐角，如第三圖所示。　　4.如申請專利範圍第3項之噴嘴裝置，其中口罩式噴嘴(4)可以加掛於現存之噴嘴外面，包括現存之壓力式噴嘴、氣助式噴嘴及氣衝式噴嘴上，其特徵為加入口罩式噴嘴(4)之霧化空氣量為主噴嘴之10%至1000%，以此來提供二次霧化之作用，但不必動到原噴嘴系統之設計；此種設計之另外一個特徵是改善原噴嘴系統在低操作點之霧化特性，提昇最高操作點與最低操作點間之比率倍數，如第四圖所示。　　5.如申請專利範圍第1項之噴嘴裝置，其中縫細型噴嘴之截面形狀(7)為長方形、橢圓形、菱形或其它長條狀之噴口，其特徵為可以製造各種形狀之噴霧分佈，如第五圖所示。　　6.如申請專利範圍第1項之噴嘴裝置，其中噴嘴內部液體分配器(3)為圓錐形、角錐形、契形或平板形等結構，其特性為提供初步霧化之機構；此部分之流體再經噴嘴內部之混合腔(9)，以形成進一步霧化之效果，如第六圖所示。　　7.如申請專利範圍第4項之噴嘴裝置，其中口罩式噴嘴(4)連接低溫氮氣或液態氮等冷卻流體，再將其置於主噴嘴(1)出口，其特徵為可達成快速冷卻之功能。　　8.如申請專利範圍第1項之噴嘴裝置，其中加熱爐(30)及噴嘴本體(1)的加熱器(2，31)連接至溫度控制箱(18)，噴嘴本體(1)連接真空腔(19)，真空腔(19)再連接排氣系統(20)，噴嘴所需之霧化氣體及冷卻氣體由液態氮儲槽(26)連接至蒸發器(27)，再經過調壓閥(28)及流量計(29)送至噴嘴及口罩式噴嘴，其特徵為隔絕空氣之接觸，並過濾流體中之顆粒；顆粒之粒子大小以粒子分析儀(24)量測，溫度由熱影像分析儀(25)量測，並連同溫度控制箱(18)、調壓閥(28)及流量計(29)之訊號送至至電腦系統(21)，如第七圖所示。　　9.如申請專利範圍第1項之噴嘴裝置，其中加熱爐(30)以爐體加熱器(31)籠罩於外，加熱爐(30)內部設計攪拌葉片(34)固定於中心軸(32)上，中心軸(32)上端連接至把手(33)，下端連接至轉接頭(37)，中央流道(35)連接至清理氣體小管(41)，其特徵為中心軸(32)與爐體接觸面(36)為一種氣密式設計，當把手(33)轉動時，中心軸(32)會下降，清理氣體(38)經小管(41)及中央流道(35)清除轉接頭(37)內殘留之工作流體。中心軸(32)上端與爐體接觸部份以0-形環(42)作密封並以空氣管(40)作冷卻；爐蓋上裝有進料口(43)，爐蓋下為壓縮氣體(39)，其特徵為可提供高壓操作，而且在操作過程若需維修及加料，可以提供清理之功能，如第八圖所示。


十一、圖式：

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