空気式アトマイザーは、空気を用いて液体を微細な液滴に霧化し、スプレーを生成します。このタイプのアトマイザーは、塗装、コーティング、噴霧乾燥、医薬品用途で重要な役割を果たしています。これらのプロセスでは、信頼性の高いスプレースキャンにより、液滴径、液滴速度、スプレー分布、プロセス安定性を把握できます。
本研究では、空気式アトマイザーのスプレーをタイムシフト法で解析しました。この手法により、スプレー内のさまざまな位置で個々の液滴を測定しました。その結果、液滴径、液滴速度、相対液滴密度、相対体積流量の空間プロファイルを作成することが可能になりました。
Schäfer, W., Rosenkranz, S., Brinckmann, F., & Tropea, C. (2016). Analysis of pneumatic atomizer spray profiles. Particuology, 29, 80–85. https://doi.org/10.1016/j.partic.2015.12.002
空気式アトマイザーのスプレースキャン
スプレースキャンでは、測定位置をスプレー場内で移動させます。これにより、スプレープロファイルの詳細なマップが得られます。本論文では、空気式アトマイザーのスプレーをさまざまな軸方向および横方向の位置で測定しました。システムは、xz平面におけるスプレーコーンの幅広い側を解析しました。
測定により、スプレー全体で液滴径と速度がどのように変化するかが示されました。また、シェーピングエアが霧化にどのような影響を与えるかも明らかになりました。シェーピングエア圧を高くすると液滴は小さくなる一方、液滴速度は異なる空間的挙動を示しました。
液滴測定のためのタイムシフト法
タイムシフト法は、個々の液滴からの光散乱信号を利用します。液滴が整形された光ビームを通過すると、光学検出器が時間分解信号を記録します。これらの信号から、システムは液滴径と速度を算出できます。
この手法は透明な液滴と不透明な液滴の両方を測定できるため、産業用スプレーに有用です。また、後方散乱配置でも動作します。そのため、検出器と光源を測定位置の片側にまとめて配置できます。
液滴径、速度、スプレー分布
空気式アトマイザーのスプレーには、明確な空間パターンが見られました。液滴径の中央値と液滴速度の中央値は、測定位置によって変化しました。さらに、相対液滴密度と相対体積流量は、スプレーコーン全体にわたって特徴的なプロファイルを示しました。
これらの結果は、スプレープロセスの開発にとって重要です。詳細なスプレースキャンは、ノズルの比較、塗装プロセスの評価、アトマイザー性能の変化の検出に役立ちます。
スプレープロファイルを簡潔に記述するSR-Matrix
本論文では、スプレープロセスを簡潔に数学的に記述するものとしてSR-Matrixを導入しています。このマトリックスは、液滴径、速度、相対密度、相対体積流量に関する情報をまとめたものです。
SR-Matrixを用いると、より少ない測定点でスプレープロファイルを記述できます。また、異なる霧化プロセス、ノズル、塗料の比較にも役立ちます。さらに、空気式アトマイザーの製造公差を検査する手段としても活用できる可能性があります。
応用の可能性
空気式アトマイザーのスプレースキャンは、コーティング技術における研究、開発、品質管理を支援します。アトマイザーの設定がスプレーにどのような影響を与えるかを把握するのに役立ちます。重要なパラメータには、霧化エア、シェーピングエア、液体流量、ノズル形状、材料特性があります。
このアプローチは、塗料開発、スプレーガンの特性評価、コーティングプロセスの最適化、産業用スプレーモニタリングに活用できます。また、最新の光学的スプレー診断やAIを活用したスプレー解析の技術的基盤にもなります。
本研究では、液体塗料スプレー内の液滴径分布と速度分布を測定することにより、空気式塗装用アトマイザーの霧化プロセスを調べています。測定はさまざまな軸方向位置で行われ、液滴径、速度、数密度、局所質量流束がスプレー全体でどのように変化するかを詳細に解析できました。これらの測定に基づき、スプレー構造の数学的記述が提案されています。
スプレーの特性評価は、自動車塗装、噴霧乾燥、医薬品コーティングなど、多くの産業用途において重要なステップです。本実験では、空気式アトマイザーを備えたGunPainterシステム（LacTec GmbH、ドイツ）でスプレーを生成しました。このシステムでは霧化エア、シェーピングエア、液体流量を精密に制御でき、トラバース機構によりスプレーの空間分解測定が可能です。
