本文摘要

  • 喷嘴类型介绍:涵盖了水幕型、螺旋和二流体喷嘴的原理、结构和应用。
  • 水幕型喷嘴:利用曲面引导液体,形成稳定的水幕,适用于消泡,可提高液体通行能力,能够提高异物通过能力,但在操作压力高时可能导致液体溢出。
  • 螺旋喷嘴:借助螺旋结构,可在烟雾控制和废气处理中产生持续均匀的多层面螺旋状喷射,清洗效果显着。在特定应用中表现出色,但由于复杂结构,制造成本较高。
  • 二流体喷嘴:通过高速空气击碎液体,生成小粒径、高流速的喷射,适用于特殊制程,如PCB湿法制程。

本文目录


一、什麽是喷嘴?

-喷嘴的喷雾实景-

喷嘴在众多产业和应用领域中广泛使用,其作用是将流体分解成喷雾模式,可以分为单流体和双流体两大类。单流体喷嘴通常由一个喷嘴孔和一个流体进口组成,流体通过喷嘴孔喷出,形成各种不同的喷雾型式。而双流体喷嘴则需要两种不同的流体,通过它们的混合来实现更多变化丰富的喷雾效果。喷雾型式方面,常见的有扇形、空心圆锥、实心圆锥、螺旋喷雾以及圆柱形喷雾等五种类型。每种型式都有其特定的应用场景和优缺点,用于不同的喷洒需求,像是洗车业会使用高压水流、大面积喷洒的扇形喷嘴,而电镀设备水洗製程为避免破坏电路基板,需使用低压水流并能均匀喷洒的喷嘴等等,欲了解更多关于喷雾型状的知识,请查看「喷嘴的喷雾形状介绍」。

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二、喷嘴分为一流体喷嘴与二流体喷嘴

-一流体与二流体喷嘴原理示意-

一流体喷嘴和二流体喷嘴,又称单流体与双流体喷嘴,都是常见的喷嘴类型。一流体喷嘴通常由一个通道组成,液体通过这个通道,从而形成一个单一的喷流。这种喷嘴常用于喷洒水雾、涂层、清洗等应用中。它是一种液体加压式喷嘴,仅使用泵浦将液体加压至所需压力,然后通过喷嘴喷出。相较于二流体种类的喷嘴,一流体喷嘴产生的平均喷雾粒径较粗,且无法调节。 二流体喷嘴则由两个通道组成,一个是气体通道,另一个是液体通道。当气体和液体通过这两个通道时,它们会在喷嘴内部混合在一起,形成一个较为细小的、均匀的喷流。这种喷嘴通常用于喷洒药液、涂料、燃料等应用中。在双流体喷嘴内部,气体与液体充分混合,这样可以更好地控制喷雾的粒径和均匀性。然而,如果使用含有化学物质的药液进行双流体喷洒,它可能与空气产生氧化反应,加速药液的衰退速度,因此需要根据经验判断并关注药液的使用量。 一流体喷嘴和二流体喷嘴的主要差异在于内部结构。一流体喷嘴只有一个流道,而二流体喷嘴则有两个分别为气体和液体的流道。这种差异影响了两者的功能和应用。由于双流体喷嘴需要考虑气密性和液体密封性的问题,通常採用多件式设计,这也使得二流体喷嘴的成本较高。

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三、喷嘴的喷雾形状

- 三种喷雾型状示意 -

喷嘴的喷雾形状是指从加压源释放出来的液体形状。这是一个重要的因素,因为喷雾形状决定了液体涂层的均匀程度,对于许多应用来说,均匀的喷雾形状是至关重要的,特别是在涂层、清洗和喷洒等工艺中。一个好的喷雾形状可以确保涂层的均匀分佈,从而提供更好的防腐蚀效果和质量。 不同的喷嘴可以产生各种不同的喷雾形状,常见的包括锥形、扇形、圆形和直线等。每种喷雾形状都有其适用的场合和特点。例如,锥形喷雾形状通常用于广泛的喷洒应用,它可以在一个相对较大的范围内均匀地喷洒液体。扇形喷雾形状则适用于需要在一个特定的方向上均匀喷洒的场合,比如清洗和冷却应用。圆形喷雾形状则常用于需要均匀复盖整个表面的应用,如涂层和涂复。直线形状则通常用于需要精确定点喷洒的场合,比如局部涂装和细微喷雾。 了解不同的喷雾形状以及它们的适用场合,可以帮助我们选择合适的喷嘴来达到所需的效果。在应用中,我们应该根据具体的需求和工艺要求来选择合适的喷雾形状,确保液体能够均匀地被喷洒到目标表面,从而达到最佳的效果。

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四、常见喷洒形式喷嘴之原理、优缺点与应用

1. 扇形喷嘴

原理
 
扇形喷嘴
扇形喷嘴是一种常见的喷嘴类型,其工作原理是液体从管内,利用压力进入喷嘴后,流经喷口时,透过椭圆状 (或称眼睛状) 的喷口设计,液体在喷口被挤压,挤压后,因压力无法宣洩,而使得液体往分别两边走,因此使得液体喷出时的形状有如扇子一般,而被称之为扇型喷洒。
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优点
 
  • 入门且最为泛用的喷洒元件选择
  • 结构单纯以最简易的方式实现对喷嘴控制的基础元件
  • 不易阻塞
  • 在所有喷嘴类型中,可提供最佳的冲击力
缺点
 

扇形喷嘴喷形为一狭窄柱状型,相比实心圆锥喷嘴的圆形喷形,在不移动的状况下,同样面积的喷洒,需要更多喷嘴的配置,因此扇形喷嘴的喷雾效率不如其他型式的喷嘴来得高。

应用-洗车机
洗车机

扇形喷嘴时常应用于清洗,举例来说,洗车机即是典型的扇形喷嘴应用之一,我们都知道洗车机藉由机器的前后移动,将高压清水与清洁剂喷涂到车体,并利用电动洗车刷刷洗车身而达到去除车身汙垢的效果,其中高压清水的喷洒,大多洗车机使用扇形喷嘴来执行。由于扇形喷嘴价格相对低廉合理,大量安置与维护成本低廉,即便喷洒效率不如实心圆锥喷嘴,然洗车机的前后运行可弥补此缺点,仍可提供完整的车体高压清水喷洒的清洁作用。因此使用者在思考喷嘴的选择与应用时,在某些喷嘴消耗量大的产业,价格会是很重要的考虑点,而其他的缺点,可利用设备的设计或其他技术来弥补,而仍可达到最初设定的喷洒目的。(看更多应用

 

2. 空心圆锥喷嘴

原理
 
空心圆锥喷嘴
空心圆锥喷嘴,也称为旋涡型喷雾喷嘴,其原理是通过空腔结构在内部形成龙捲风状的漩涡流动。当液体进入空心圆锥喷嘴的空腔后,透过喷嘴开口的曲面设计,液体被引导向外喷出,形成空心圆锥状的喷洒形状。空心圆锥喷嘴的典型分佈是在外圈位置,但透过喷嘴结构的调整,也可以在中间区域实现液体分佈。这种喷嘴的典型应用是空心圆锥喷洒,其喷雾粒径与扇形喷雾相近甚至更小。空心圆锥喷嘴的特点是液体贴着喷嘴内部表面流动,因此喷嘴的内部壁面相对容易磨耗。与实心圆锥喷嘴相比,它的通道径较大,不易被异物阻塞。由于空心圆锥喷嘴不需要压缩机或压缩空气,因此可以喷洒细微的雾化效果。这在一些不需要压缩机安装且需要细雾喷洒的应用中非常有用,可以使安装过程更简便,同时节省能源和成本。
优点
 
  • 可产生较小的粒径的喷流,并且能在低压下使用。
  • 可以提供均匀的喷雾分佈。
  • 喷嘴流道无複杂结构,异物通过径大,有效避免异物阻塞。
缺点
 
  • 高压下使用时可能会产生喷雾不均匀的问题。
  • 喷洒效率圆形外围,中心侧没有被复盖。
应用-钢铁业
钢铁业
钢铁业的洗涤塔中含尘气体是由塔下部流入而,塔上方安装空心圆锥喷嘴,喷洒水雾,使水雾与含尘气体形成向流接触。在洗涤塔中,由于是藉着在充填物表面所形成的水膜与含尘气体之间的惯性冲突,以及粉尘的扩散附着来进行粉尘的捕集。钢铁业製程中的液体经常充满杂质,流道结构简单的空心圆锥喷嘴,有着异物通过径大不易阻塞的优点,另外,空心圆锥喷嘴低压即可提供均匀的喷雾分佈,这些优点使得钢铁业使用者在气体洗涤中,常选用空心圆锥喷嘴作为喷洒水雾之用。(看更多应用)

3. 实心圆锥喷嘴

原理
 
实心圆锥喷嘴
实心圆锥喷嘴是一种喷雾设备,其内部结构经过加工,具有曲面形状。这种喷嘴在内部设有多孔式或是 X 形的中心叶片,以形成一个完整的实心圆锥喷嘴。当液体通过管线进入喷嘴时,它会经过多孔式或是 X 形的中心叶片(也称为扰流片),形成两条或多条的液体流,同时产生旋转效应。液体再通过喷口的曲面结构时,因离心力的作用而被甩出,从而呈现出实心圆锥状的喷洒形状。根据不同的结构设计,通过调整中心叶片和喷口曲面的流体结构和尺寸,可以调整流量、喷洒角度和分佈。液体通过中心叶片的扰流片结构被分离后,在喷嘴内部形成旋转,然后以一定的角度喷出。实心圆锥喷嘴喷出的液体会迅速形成雾状,由于其结构和原理的关係,喷出的颗粒粒径通常比扇形喷雾更大,但可以在整个面积上均匀分佈。
优点

实心圆锥喷嘴可以产生高度集中的流体运动,并且可以在较低的压力下工作。此外,它们还可以产生较大的粒径,以将液体均匀地分佈在表面上。

缺点
 
  • 由于液体流动的限制,它们可能无法产生非常细小粒径的喷洒。
  • 实心圆锥喷嘴由于内含扰流机构,而容易导致阻塞。
应用-半导体湿式化学清洗
半导体湿式化学清洗
半导体湿式化学清洗製程中,因晶圆尺寸的关係,为使每一块晶圆可被药液均匀地处理,而机台设计也必须同时靠虑到喷洒效率因素,通常上以单一喷嘴喷洒一片晶圆的方式来作为机台的喷洒设计。实心圆锥喷嘴单一喷洒效率与复盖面积大,其产生较大的粒径,可将液体均匀地分佈在表面上,在喷雾距离与喷洒角度的适当安排下,每一片晶圆可均匀被药液涂布产生反应。虽然实心圆锥喷嘴有着容易阻塞的缺点,然半导体製程环境要求高,完善的过滤设备可确保喷嘴不致阻塞。(看更多应用

4. 水幕型喷嘴

原理
 
水幕型喷嘴 (Flood type)
水幕型喷嘴 (Flood type),又有水帘喷嘴、水幕喷嘴、低压广角扇形喷嘴、广角扇形喷嘴等称呼。液体从管内经由压力进入喷嘴后,液体冲击喷嘴的曲面结构,透过曲面来导引液体往与液体流向成一定角度的方向前进,因液体的表面张力,使液体离开喷嘴后,仍持续同个方向往更外面喷出。 水幕型喷嘴的特徵为其结构一定会有转角设计,液体进入的方向与喷洒的方向会呈现一个角度,因为要引导液体流向,以及利用阻挡液体流向与其表面张力,液体除了往设计的方向喷出外,并持续在呈现一个喷洒面,向外喷洒。
优点
 

利用喷孔外的反射面达成喷雾设计,提升异物通过能力,有效避免阻塞。

缺点
 

操作压力大于4Kg/cm²时,可能会导致液体未经造雾而溢流的状态。

应用-消泡应用
 
消泡应用
消泡 (Foam control),环境中,泡沫通常产生于大面积范围桶槽或水池上,因此在消泡作业里,首要的应用思考就是如何能尽量扩大喷洒面积,另外,泡沫有着低压冲洗即可消散的特性,环境无需添购高成本加压设备,并减少能耗,在这些思考下,具有低压广角扇形喷洒特性的水幕型喷嘴,就是消泡应用喷嘴的最好选择。(看更多应用

5. 螺旋喷嘴

原理
 
螺旋喷嘴
液体从管内经由压力进入喷嘴后,液体冲击喷嘴的螺旋结构,透过螺旋曲面来导引液体向外以一定角度的方向前进喷出,液体会随着螺旋结构持续因液体的表面张力,使液体离开喷嘴后,仍持续同个方向往更外面喷出,而持续呈现螺旋形状喷洒。一般来说,因喷嘴螺旋结构的长度,有一、二、三层之分,角度分别为 60-90度、120度广角、170广角三层喷洒角度。
优点
 
  • 螺旋喷嘴的结构和组成与传统喷嘴不同,因此它非常适合在特定应用中使用,例如在烟雾控制和空气淨化方面。
  • 螺旋结构分层,複数的喷洒角度,可创造单一喷嘴喷洒出更大的喷洒面积,试想一般喷嘴仅针对一个平面做喷洒,而螺旋喷嘴有最多高达三层的複数平面同时喷洒,造成出超过平面的空间型喷洒方式,使可接触的范围从一个面扩展到一个空间。设计来作为处理废气应用上,用以增加药液与废气的接触面积,提高效能,达成各种化学反应。
  • 大幅提升清洗效果。
  • 不易阻塞。
缺点
 
  • 因结构複杂,加工繁複,螺旋喷嘴通常比其他工业喷嘴更为昂贵。彷间廉价螺旋喷嘴,以低成本开模射出方式生产,製造商没有理解分层设计概念下,每层角度一样,而难以达到螺旋喷嘴应有喷洒效果。
  • 螺旋喷嘴需要更多的压力才能正常工作,这可能会导致一些问题,例如需要更大的泵来提供足够的压力。
应用-废弃处理塔
 
废气处理塔
半导体厂区中,常利用废气处理塔处理製程中所产生的废气,其原理利用喷雾让水与废气有害粒子结合,形成较易处理的废水。以填充物延长气体与水接触时间,增加气体与水的接触表面积,使气体溶于水的比例更高。因螺旋喷嘴具有简单的流道,不易阻塞,且相较空心圆锥喷嘴,螺旋喷嘴的设计三层喷洒结构,可加大液体与气体的接触面积,提高废气处理效率,而使螺旋喷嘴成为废气处理塔内喷嘴的最佳选择。(看更多应用

6. 二流体喷嘴

原理
 
二流体喷嘴
二流体喷嘴的基础原理即是透过高速空气去击碎液体,使液体粒径变得更小,造成更小粒径更高流速的液体喷出,拥有较好的清洗效果。二流体喷出的药液,粒径小,接触面较大,可使得药液喷洒后的反应效率变得更快与充分使用。相对来说,若使用其他种类喷嘴,将药液喷洒在同一表面上,因粒径大,可能有部分药液浮在其他药液之上而无法接触到喷洒表面,导致有部分药液无法被反应。因此使用二流体喷嘴来喷洒药液,可能只需其他种类喷嘴一半或是1/3的药液喷洒量即可发挥同样功效。
优点
 
  • 可以产生较小的粒径 (小于50μm) 的喷洒。
  • 空气击碎液体,可以使用高粘度液体。
缺点
 
  • 设计複杂。
  • 需要高压气体。
  • 容易堵塞。
  • 需要高精度加工。
  • 造价昂贵。
  • 因喷洒液体粒径小,易导致气化,易使环境空气充满药液气化后的粒子,若喷洒具腐蚀性药液,空间而须做完善的隔离,也因为药液气化的关係,使得药液有更多的消耗。
应用-PCB製程
 
PCB湿製程
PCB湿製程中,在遇到面板上线宽线距小于25um的区块需蚀刻製程时,为了让化学药液能进入这极为狭窄的缝隙中,经常会利用二流体喷嘴透过高速空气去击碎液体,使液体粒径变得更小,造成更小粒径更高流速的液体喷出的特性,使药液能顺利均匀的喷洒而造成反应。此时二流体喷嘴的特性成为PCB产业在为特殊製程目的而选用的喷嘴之一。

综合以上所述,喷嘴在现代工业和应用领域中扮演着关键的角色。单流体和双流体喷嘴各具特点,可根据需要选择适当的喷雾方式。不同形状的喷嘴,如扇形、空心圆锥和实心圆锥,具有各自的原理和应用。水幕型喷嘴通过创造水幕,提供了清洁和凉爽的效果。螺旋喷嘴通过其特殊的螺旋结构,实现了持续且均匀的喷洒效果。二流体喷嘴通过高速空气击碎液体,提供了更小粒径和更高流速的喷雾效果。这些不同类型的喷嘴都具有各自的优点和应用领域,可根据具体需求进行选择。(看更多应用

参考资料

  1. ^ Nozzle - Wikipedia
  2. ^ Spray nozzle - Wikipedia
  3. ^ Two Fluid Atomization Fundamentals
  4. ^ Corrosionpedia Explains Spray Pattern
  5. ^ Spray (liquid drop)_wikipedia
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