二重ピッチ螺旋ノズルにおける噴霧形態の実験的調査

大きな散水が重要な理由

倉庫や工場で火災が起きたとき、短時間で大量の水を効率よく広い範囲に届けることが求められます。遮断弁とともに設置されるデルージシステムの特殊ノズルは、加圧水を広いスプレーに変えてまさにこれを実現します。しかし、一般的な設計の一つである螺旋ノズルについては、圧力が上がるにつれて噴霧がどのように形成・変化するかの詳細なデータが意外に不足しています。本研究は二重ピッチの螺旋ノズルを実験的に綿密に調べ、その給水量と噴霧形状の変化を明らかにし、消火・冷却やその他産業用途への直接的な示唆を提供します。

ねじれた金属部品を詳しく見る

螺旋ノズルはコンパクトな一体成形の金属部品で、先端がヘリックス（らせん形）に整形されています。水が螺旋部を通過する際、単純な連続射流ではなく複数の噴霧円錐に分かれて破砕します。これらのノズルは非常に高い流量—分速で数千リットルに達することも—を扱えつつ、目詰まりに強いため、硬水や汚れた水を使う場面で重要です。燃焼ガスの洗浄、スプレードライ、蒸留塔、特に短時間で大量放水が必要となるデルージ消火システムで既に用いられています。それにもかかわらず、これまでの多くの研究は外側に見える最外層の円錐だけを測定するにとどまり、内部構造や詳細な圧力—流量の関係は十分に解明されていません。

噴霧の隠れた構造を探る

研究者らは二重の螺旋ピッチを持つノズルに着目しました。これは自然に複数の噴霧を同時に作る特性を持ちます。精密に制御された試験装置を用い、入口圧力を0.2〜3.4バールに変化させてノズルを通過する水量と各噴霧円錐の広がりを測定しました。明るいLEDのバックライトと高画質デジタルカメラで暗背景に対する噴霧形状を撮影し、得られた画像はエッジ検出技術で処理して噴霧境界を特定、外側噴霧（Spray 1）と内側噴霧（Spray 2）の円錐角を算出しました。質量流量は収集した水を時間で秤量して求め、測定の不確かさと再現性にも注意を払いました。

圧力上昇で現れる三つの段階

ノズルの挙動は自然に三つの領域に分かれました。非常に低い圧力（約0.2バール）では水は大きく粗い滴として滴下するだけで、ほとんど噴霧とは言えません。0.2〜1バールの間では流量が緩やかに増加し、霧状ではなく連続した射流となりました。約1.3バール付近で射流は真の微粒化に先立つ遷移段階に入りました。入口圧力が約1.6バールに達すると特徴的なパターンが現れ、外側の円錐とより狭い内側の円錐という二つの明確な噴霧が出現しました。圧力が1.6から3バールに上がるにつれて、総質量流量は10倍以上に急増しました。しかし3バールを超えると流量の増加は頭打ちとなり、これは内部形状による水理的な飽和点に近づいていることを示しています。

二つの噴霧、二つの異なる挙動

二重噴霧構造は明確な二面性を示しました。外側の噴霧円錐（Spray 1）は圧力に敏感で、角度は1.6バールで約64度から3.4バールで約121度まで拡大し、被濡面積を大きく広げました。これに対し内側の噴霧（Spray 2）は同じ圧力範囲でも約30度前後で非常に安定しており、ほとんど変化しませんでした。最高圧力域では主噴霧の近傍に微弱な二次噴霧が現れ、全ての噴霧の縁がより「粉っぽく」なって細かい液滴の雲により境界が判別しづらくなりました。両方の噴霧ともに3バール以上で角度の飽和傾向を示し、それ以上の圧力上昇ではほとんど変化が見られず、ノズル形状が挙動を制限していることを再確認させます。

実用システムへの含意

非専門家向けの結論は明快です。螺旋ノズルの散水の広がりは一定の点までは圧力に強く依存しますが、その後は形状によって制限されます。低めの圧力ではほとんど噴霧しませんが、消火用の一般的な動作圧力域では突然二つの円錐に開き、外側円錐は圧力上昇に伴って大きく広がる一方、内側円錐は狭く安定しています。最終的には流量と円錐角ともに追加の圧力にほとんど反応しなくなります。これらの精密な測定は、より安全な消火・冷却システム設計のための信頼できる数値をエンジニアに提供するとともに、この種のノズルが過酷な条件下でどのように振る舞うかを予測しようとする数値シミュレーションの重要な現実検証となります。

引用: Khani Aminjan, K., Strasser, W., Marami Milani, S. et al. Experimental investigation on spray morphology in dual pitch spiral nozzle. Sci Rep 16, 8577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39550-z

キーワード: 螺旋ノズル, 噴霧形態, 消火, 微粒化, 噴霧円錐角