CN109475828A - 纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置 - Google Patents

纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种紧凑且能够以较高的效率来生成纳米气泡的纳米气泡生成喷嘴。本发明利用纳米气泡生成喷嘴(1)和包括该纳米气泡生成喷嘴的纳米气泡生成装置来解决课题，该纳米气泡生成喷嘴(1)包括：导入部(11)，其将液体和气体的混合流体导入内部；喷出部(35)，其送出包含有气体的纳米气泡在内的混合流体；以及纳米气泡生成构造部(5)，其用于在导入部(11)与喷出部(35)之间生成气体的纳米气泡，其中，纳米气泡生成构造部(5)在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上配置有供液体和气体的混合流体流通的、截面积不同的多个流路(15、28、36)。

Description

纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置
技术领域
本发明涉及纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置。进一步详细而言，本发明涉及用于得到包含作为微细的气泡的纳米气泡的液体的纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置。
背景技术
包含被称作纳米气泡的微细(也称作“微小”。)的气泡的液体被期待应用在各种工业领域中。近年来，正在研究用于生成各种纳米气泡的手段。纳米气泡通常指的是直径小于1μm的气泡。喷嘴构造被作为用于生成纳米气泡的代表性的手段而进行研究。以往提出了用于生成纳米气泡的各种喷嘴。
在专利文献1中，提出了用于从使气体加压溶解而成的加压液得到包含微细气泡的液体的喷嘴。该喷嘴包括上游侧的锥部、上游侧的喉部、扩大部、下游侧的锥部以及下游侧的喉部。
上游侧的锥部从被供给加压液的喷嘴流路的上游朝向下游使流路的面积逐渐减少。上游侧的喉部与上游侧的锥部的靠下游侧的端部相连接。上游侧的喉部使从上游侧的锥部流动过来的流体从上游侧的喷出口喷出。扩大部与上游侧的喷出口相连接。扩大部使流路面积扩大。下游侧的锥部与扩大部的下游端相连接。下游侧的锥部从上游朝向下游使流路的面积逐渐减少。下游侧的喉部与下游侧的锥部的下游端相连接。下游侧的喉部使从下游侧的锥部流动过来的流体从下游喷出口喷出。即，该喷嘴构成为多个喷嘴串联连接而成的结构。在该喷嘴中，使流路的面积逐渐减少的构造对包含有气体的液体进行加压而使气体溶解于液体中。另一方面，流路的面积被扩大了的构造通过喷出包含有气体的液体而使溶解于液体中的气体释放。微细气泡、即纳米气泡是通过这样的作用而生成的。
另外，在专利文献2中，提出一种环流式的气泡产生喷嘴。该喷嘴具有气液环流式搅拌混合室、液体供给孔、气体流入孔、气体供给室、第1喷出孔、以及第2喷出孔，至少1个缺口部形成于锥部的靠气液环流式搅拌混合室侧的端部。
气液环流式搅拌混合室是利用环状的流动对液体和气体进行搅拌混合而形成混合流体的部位。液体供给孔设于气液环流式搅拌混合室的一端。该液体供给孔将加压后的液体向气液环流式搅拌混合室供给。气体流入孔是供气体流入的部位。气体供给室设于气液环流式搅拌混合室的另一端侧。该气体供给室一边使从气体流入孔流入的气体绕液体供给孔的中心轴线旋转，一边从周向的全部或一部分部位朝向气液环流式搅拌混合室的上述一端地向气液环流式搅拌混合室供给气体。第1喷出孔设于气液环流式搅拌混合室的另一端。第1喷出孔的位置与液体供给孔的中心轴线一致，且第1喷出孔的孔径大于上述液体供给孔的孔径。该第1喷出孔使混合流体从气液环流式搅拌混合室喷出。而且，第2喷出孔被设置成从第1喷出孔向气液环流式搅拌混合室的方向连续地扩径。该环流式气泡产生喷嘴的目的在于，即使使用包含杂质的液体也不会使气泡产生效率降低，另外，与以往相比还能够提高气泡产生效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-104441号公报
专利文献2：日本特开2015-202437号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1中提出的微细气泡生成喷嘴需要将多个喷嘴部串联地连结而构成。因此，该微细气泡生成喷嘴的全长变长，极难以使长度较短的方式构成。
另一方面，在专利文献2中提出的环流式气泡产生喷嘴的目的在于，即使在使用包含杂质的液体的情况下也不会使气泡产生效率降低。特别是，环流式气泡产生喷嘴的目的在于，抑制因包含杂质的污泥、氧化皮析出或附着而使从气体供给室供给的气体的供给量减少的情况。因此，在使用不包含杂质的液体来生成纳米气泡的情况下，能否提高纳米气泡的生成效率尚不明确。
本发明是为了解决上述课题而做出的，其目的在于，提供能够以全长较短的紧凑的构造生成纳米气泡的纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置。
用于解决问题的方案
(1)用于解决上述课题的本发明的纳米气泡生成喷嘴包括：导入部，其将液体和气体的混合流体导入内部；喷出部，其送出包含有所述气体的纳米气泡在内的混合流体；以及纳米气泡生成构造部，其用于在所述导入部与所述喷出部之间生成所述气体的纳米气泡，该纳米气泡生成喷嘴的特征在于，所述纳米气泡生成构造部是在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上配置截面积不同的多个流路而成的。
本发明在纳米气泡生成喷嘴的轴向上包括截面积不同的多个流路。因此，能够通过加压溶解法的原理来反复进行气泡的加压和释放。具体而言，在包含气泡的液体每次经过各流路时，气泡被加压而溶解于液体。另外，将在经过流路之后从流路流出的液体释放，从而使包含在液体中的气泡微细化。反复利用该作用而生成纳米气泡。另外，由于用于对气泡进行加压而使其溶解于液体的流路在1个喷嘴的内部设于纳米气泡生成喷嘴的轴向上的多个位置，因此，不需要将多个喷嘴串联连接。因此，能够使喷嘴紧凑地构成。
在本发明的纳米气泡生成喷嘴中，在所述纳米气泡生成喷嘴的轴向上相邻的所述流路设于所述纳米气泡生成喷嘴的径向上的不同的位置。
采用本发明，由于各流路如上述那样配置在径向上的不同位置，因此各流路彼此能够在纳米气泡生成喷嘴的内部相连接。对于在纳米气泡生成喷嘴的内部相连接的流路，在每个流路中对液体中包含的气泡进行加压而使其溶解于液体。另外，在溶解之后，使溶解有气体的液体从流路流出并释放。在本发明中，能够独立地赋予这些作用，从而能够在每个流路中生成纳米气泡。
在本发明的纳米气泡生成喷嘴中，多个所述流路作为截面积不同的3个流路而配置在所述纳米气泡生成喷嘴的轴向上，上游侧的第1流路配置在所述纳米气泡生成喷嘴的径向的中心，中间位置的第2流路配置在比所述纳米气泡生成喷嘴的径向的中心靠外侧的位置，下游侧的第3流路配置在所述纳米气泡生成喷嘴的径向的中心。
采用本发明，能够在第1流路～第3流路的每个流路中均生成纳米气泡。
在本发明的纳米气泡生成喷嘴中，在多个所述流路彼此之间的至少一处具有使所述混合流体的流动成为紊流的紊流形成部。
采用本发明，由于如上述那样设有紊流形成部，且紊流形成部使包含气泡的液体的流动成为紊流，因此，使剪切力作用于包含气泡的液体。因而，在紊流形成部流动的液体中包含的气泡被微小化而生成纳米气泡。
在本发明的纳米气泡生成喷嘴中，所述紊流形成部在比所述第1流路的出口靠下游侧的位置具有扩散部，所述扩散部使从该第1流路流出的所述混合流体朝向该纳米气泡生成喷嘴的径向外侧呈放射状扩散，所述第2流路的入口配置于借助所述扩散部扩散后的所述混合流体在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上返回所述第1流路侧所到达的位置。
采用本发明，由于紊流形成部如上述那样构成，因此，利用上述扩散部使从第1流路流出的液体向径向外侧扩散。之后，使该液体在暂时返回第1流路侧、即上游侧之后流入第2流路。因此，能够使液体在返回上游侧的过程中形成紊流。因而，通过在第1流路与第2流路之间使剪切力作用于包含气泡的液体，能够使气泡微小化。
(2)用于解决上述课题的本发明的纳米气泡生成装置的特征在于，该纳米气泡生成装置包括：气体导入部，其向供液体流动的流通部导入气体；泵，其送出在所述流通部的内部流动的所述气体和所述液体的混合流体；纳米气泡生成喷嘴，将由所述泵送出的所述混合流体导入所述纳米气泡生成喷嘴，能够得到包含所述气体的纳米气泡的混合流体；储液槽，其储存包含所述纳米气泡的混合流体；以及返回通路，其使在所述储液槽储存的包含所述纳米气泡的混合流体返回所述流通部，所述纳米气泡生成喷嘴包括：导入部，其将液体和气体的混合流体导入内部；喷出部，其送出包含有所述气体的纳米气泡在内的混合流体；以及纳米气泡生成构造部，其用于在所述导入部与所述喷出部之间生成所述气体的纳米气泡，所述纳米气泡生成构造部在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上包括截面积不同的多个流路。
采用本发明，由于如上述那样构成了纳米气泡生成装置，因此，能够使供液体流动的回路为闭环回路。由于在该闭环回路中包含的上述纳米气泡生成喷嘴生成包含纳米气泡的液体，因此能够反复地生成纳米气泡并将包含纳米气泡的液体储存于储液槽。
在本发明的纳米气泡生成装置中，在所述泵与纳米气泡生成喷嘴之间设有阀和旁通流路，该阀用于使将所述泵和纳米气泡生成喷嘴连接起来的流路分支，该旁通流路将该阀和所述储液槽直接连接起来。
采用本发明，由于如上述那样包括旁通流路，因此，通过使混合流体在旁通流路中流动，从而防止泵与纳米气泡生成喷嘴之间的压力不必要地上升。其结果，使在闭环回路中流动的混合流体的流量增大，能够将气体充分地引入闭环回路。另一方面，在生成纳米气泡之际在纳米气泡生成喷嘴处需要压力的情况下，关闭旁通流路而提高泵的送出压力，能够将混合流体送出至纳米气泡生成喷嘴。其结果，能够由在混合流体中包含的气泡生成纳米气泡。
发明的效果
采用本发明，不需要如以往那样将多个喷嘴串联连接，仅利用1个喷嘴就能够构成纳米气泡生成喷嘴。因此，能够使纳米气泡生成喷嘴紧凑。另外，由于使用该纳米气泡生成喷嘴来构成纳米气泡生成装置，因此能够简化装置的构造。
附图说明
图1是表示本发明的纳米气泡生成喷嘴的一个实施方式的纵剖视图。
图2是用于说明图1所示的纳米气泡生成喷嘴的作用的说明图。
图3是将本发明的纳米气泡生成装置的一个实施方式的结构模型化地示出的结构图。
图4是用于说明纳米气泡生成喷嘴的安装方式的说明图。
图5是表示由未使用旁通回路的纳米气泡生成装置生成的纳米气泡的直径与生成的纳米气泡的数量之间的关系的图表。
图6是表示由使用旁通回路的纳米气泡生成装置生成的纳米气泡的直径与生成的纳米气泡的数量之间的关系的图表。
图7是将本发明的纳米气泡生成喷嘴的一个变形例模型化地示出的概要图。
图8是将本发明的纳米气泡生成喷嘴的另一个变形例模型化地示出的概要图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，以下说明的实施方式是本发明的技术思想的一个例子，本发明的技术范围并不仅限定于以下的记载、附图，而包含相同的技术思想的发明。
(基本结构)
如图1所示，本发明的纳米气泡生成喷嘴1包括：导入部11，其将液体和气体的混合流体导入内部；以及喷出部35，其送出包含微细的气泡(纳米气泡)的混合流体。另外，在导入部11与喷出部35之间设有用于生成纳米气泡的纳米气泡生成构造部5。纳米气泡生成构造部5包括在纳米气泡生成喷嘴1的轴向上供液体和气体的混合流体通过的截面积不同的多个流路15、28、36。换言之，多个流路15、28、36在纳米气泡生成喷嘴1的轴向上分为多个等级地配置，流路15、28、36的截面积根据等级而不同。
在该说明书中，气体指的是物质的一种状态，不具有规定的形状和体积，是自由地流动且体积容易因压力的增减而变化的状态。气体是变化为后述的气泡之前的物质。气泡指的是成为在液体中包含的球状的物质，且是体积比上述气体的体积小的物质。纳米气泡指的是气泡中的、球的直径极小的微细(微小)的物质。
具体而言，纳米气泡指的是气泡的直径小于1μm的气泡。纳米气泡能长期(数个月左右)维持被包含在液体中的状态。在该点上，纳米气泡与气泡的直径为1μm以上且1mm以下的、随时间经过而从液体中消失的微米气泡不同。
如图3所示，本发明的纳米气泡生成装置100包括气体导入部120、泵130、纳米气泡生成喷嘴1、储液槽150、以及返回通路160。气体导入部120是将气体导入供液体流动的流通部170的构成要件。泵130送出从流通部170的内部流过来的气体和液体的混合流体。向纳米气泡生成喷嘴1导入由泵130送出的混合流体，得到包含纳米气泡的混合流体。储液槽150储存包含纳米气泡的混合流体。并且，返回通路160使储存在储液槽150中的混合流体返回流通部170。在纳米气泡生成装置100中使用的纳米气泡生成喷嘴1是上述的图1所示的喷嘴。
采用本发明的纳米气泡生成喷嘴1，不需要如以往那样使多个喷嘴串联连接，能够仅利用1个喷嘴来构成纳米气泡生成喷嘴。因此，能够使纳米气泡生成喷嘴紧凑。另外，由于使用该纳米气泡生成喷嘴来构成纳米气泡生成装置100，因此，能够简化装置的构造。
以下，说明纳米气泡生成喷嘴1和纳米气泡生成装置100的具体结构。
(纳米气泡生成喷嘴)
图1示出纳米气泡生成喷嘴1的结构的一个例子。图1所示的例子的纳米气泡生成喷嘴1主要由3个构成要件构成。具体而言，纳米气泡生成喷嘴1由导入部结构体10、中间部结构体20以及喷出部结构体30构成。导入部结构体10在内部包括将液体和气体的混合流体导入的导入口。喷出部结构体30包括将包含纳米气泡的混合流体喷出的喷出口。中间部结构体20被所述两个结构体10、30夹持。
对于纳米气泡生成喷嘴1，通过使所述3个构成要件相组合而在纳米气泡生成喷嘴1的轴向上配置横截面的截面积互不相同的多个流路15、28、36。另外，在各流路15、28、36中，在轴向上相邻的流路15、28、36分别形成在纳米气泡生成喷嘴1中的径向上的不同的位置。
在图1所例示的纳米气泡生成喷嘴1中，具体而言，流路15、28、36被分开配置在纳米气泡生成喷嘴1的轴向上的不同的3个部位。并且，上游侧的第1流路15形成于纳米气泡生成喷嘴1的径向的中心，中间位置的第2流路28形成于比纳米气泡生成喷嘴1的径向的中心靠外侧的位置，下游侧的第3流路36形成于纳米气泡生成喷嘴1的径向的中心。另外，这些流路15、28、36的横截面的截面积互不相同。
另外，在纳米气泡生成喷嘴1中，在流路15、28、36彼此之间的至少一处设有使液体和气体的混合流体的流动成为紊流的紊流形成部70。
〈导入部结构体〉
导入部结构体10是处于纳米气泡生成喷嘴1的上游侧的构成要件。导入部结构体10在其内部包括将液体和气体的混合流体导入的导入口。导入部结构体10由主体部12和从主体部12的端面突出的导入部11构成。主体部12构成为将直径不同的两个圆柱状的部位沿轴向码放而成的外形。直径较小的部位13处于上游侧，直径较大的部位14处于下游侧。在主体部12的内部形成有第1流路15和成为紊流形成部70的一部分且具有锥状的内表面的部位16。另外，在直径较大的部位14的靠下游侧的部分形成有嵌入部17。该嵌入部17是用于将中间部结构体20嵌入直径较大的部位14的内侧的部位。导入部11形成得直径比直径较小的部位13的直径还小，且从直径较小的部位13的端面朝向外侧突出。
(导入部)
导入部11是用于将由泵130送出的液体和气体的混合流体导入纳米气泡生成喷嘴1的内部的部位。导入部11构成为筒状，且从直径较小的部位13的端面沿纳米气泡生成喷嘴1的轴向突出。在导入部11的内部形成有导入通路11a，从而将混合流体导入内部。在该导入部11连接有与泵130相连的配管或软管140。
(直径较小的部位)
在直径较小的部位13的内部形成有第1流路15。第1流路15在直径较小的部位13的径向的中心沿轴向延伸。该第1流路15形成得内径比导入通路11a的内径小。流路15的内径形成为5mm以上且10mm以下则较佳。在图1所示的例子的纳米气泡生成喷嘴1中，第1流路15的内径形成为5mm。
该第1流路15具有以下功能，即，通过使液体和气体的混合流体在内部经过，从而使气体变化为较小的气泡(纳米气泡)，使纳米气泡包含在液体中。即，第1流路15在混合流体经过第1流路15之际对在混合流体中包含的气体进行加压而使其溶解于液体，使混合流体在经过第1流路而从第1流路流出时得到释放。第1流路15利用该作用使在混合流体中包含的气体变化为微小的气泡即纳米气泡。
(直径较大的部位)
在直径较大的部位14形成有从导入部结构体10的靠中间部结构体20侧(下游侧)的端面朝向导入部11凹陷的凹部。凹部的内表面由嵌入部17和锥部分16构成。嵌入部17与轴向平行地笔直延伸。锥部分16构成为从中间部结构体20侧(下游侧)越朝向第1流路15侧(上游侧)顶端越细的锥状。
嵌入部17形成于凹部中的占据中间部结构体20侧(下游侧)的区域。该嵌入部17是用于在将3个结构体组合之际嵌合于中间部结构体20的部位。
锥部分16形成于凹部的进深部分、即第1流路15侧(上游侧)。该锥部分16如上述那样形成为从中间部结构体20侧(下游侧)越朝向第1流路15侧(上游侧)顶端越细的形状。换言之，锥部分16构成为随着从第1流路15侧(上游侧)朝向下游侧去而朝向径向外侧扩展的形状。并且，在锥部分16的最靠里的位置、即锥部分16的最接近第1流路15的部分处，锥部分16连接于第1流路15。因此，构成为从第1流路15流出的混合流体能够从中心朝向径向外侧流动。
〈中间部结构体〉
中间部结构体20是整体形状呈圆盘形状或大致圆盘状的构成要件。中间部结构体20被上述导入部结构体10和后述的喷出部结构体30夹持。在中间部结构体20的径向的中央部且是厚度方向上的两个面分别形成有圆锥状的突出部21、29。形成于导入部结构体10侧(上游侧)的圆锥状的第1突出部21构成紊流形成部70的一部分。与此相对，形成于喷出部结构体30侧(下游侧)的圆锥状的第2突出部29具有将混合流体引导至第3流路36的引导通路的功能。
另一方面，在中间部结构体20的靠径向外侧的部位，形成有朝向导入部结构体10侧(上游侧)突出的环状突出部22。该环状突出部22遍布中间部结构体20的整周地形成，且构成为环状。第2流路28形成于环状突出部22。
(第1突出部)
第1突出部21构成紊流形成部70的一部分。该第1突出部21形成为圆锥状，该第1突出部21的顶端的位置与第1流路15的中心相对应。第1突出部21使从第1流路15流出的混合流体自径向的中心朝向外侧呈放射状流动。即，具有使从第1流路15流出的混合流体朝向配置有第2流路28的方向流动的功能。
(第2流路)
第2流路28如上述那样形成于环状突出部22的所在位置。第2流路28在该环状突出部22的所在位置处在周向上等间隔地形成有多个。
第2流路28的内径分别形成得比第1流路15的内径小。另外，多个第2流路28的横截面的截面积的合计面积形成得比第1流路15的横截面的截面积小。此外，第2流路28的内径根据第2流路28的数量相应地设定。即，在使第2流路28的数量形成得较多的情况下，第2流路28的内径形成得较小，在使第2流路28的数量形成得较少的情况下，第2流路28的内径形成得较大。例如，第2流路28形成于周向上的4处～16处，在该情况下，使第2流路28的内径形成为1mm以上且2mm以下则较佳。在图1所示的例子的纳米气泡生成喷嘴1中，将内径为1mm的第2流路28设于周向上的16处。
由于该第2流路28形成于环状突出部22，因此，如图1所示，该第2流路28的入口位于比端面23靠导入部结构体10侧(上游侧)的位置。因此，混合流体从第1流路15流出并借助第1突出部21呈放射状扩展地流动。然后，混合流体碰撞环状突出部22的内壁，暂时朝向上游侧逆流。混合流体此时成为紊流。然后，成为紊流并流动的混合流体从位于比端面23靠导入部结构体10侧(上游侧)的位置的第2流路28的入口流入内部。
第2流路28具有使在其内部流动的混合流体中包含的气体、直径较大的气泡进一步成为较小的气泡的功能。即，在第1流路15中形成的较大的直径的气泡、未变化为气泡的气体在经过该第2流路28时被进一步加压而溶解于液体。另外，溶解有气体的液体在经过第2流路28之后从第2流路28流出而被释放，从而变化为直径较小的气泡。
(第2突出部)
第2突出部29形成为越朝向喷出部结构体30去顶端越细的圆锥状。该第2突出部29具有将从第2流路28流出的混合流体引导至第3流路36的流通路径的功能。
(外周部)
在中间部结构体20的外周部且是轴向上的中央形成有朝向外侧伸出的凸缘部分27。并且，在外周部的将凸缘部分27夹在中间的两侧部分遍布整周地形成有密封槽24。在该密封槽24嵌入有O形密封圈50。
〈喷出部结构体〉
喷出部结构体30是用于使包含有纳米气泡的混合流体从纳米气泡生成喷嘴1向外部喷出的结构体。喷出部结构体30包括使包含有纳米气泡的混合流体喷出的喷出口。该喷出部结构体30包括主体部31和凸缘部32。另外，喷出部结构体30包括第3流路36。
(主体部)
主体部31是外形呈圆柱状或大致圆柱状的部位。该主体部31具有从轴向上的一端侧朝向另一端侧凹陷的凹部。凹部具有用于使喷出部结构体30嵌合于中间部结构体20的部位33和用于形成供包含纳米气泡的混合流体流动的流通路径的部位34。
具体而言，凹部由嵌入部33和锥部分34构成。嵌入部33从一端侧的端部朝向另一端侧笔直地延伸。锥部分34构成为从嵌入部33的最靠里侧的位置越朝向另一端侧顶端越细的形状。嵌入部33是用于使喷出部结构体30嵌合于中间部结构体20的部位，锥部分34是用于形成供液体流动的流路的部位。
另外，在喷出部结构体30的比凹部靠下游侧的部位设有形成于径向的中心部的第3流路36。第3流路36将构成凹部的锥部分34的最靠里的位置和喷出部结构体30本身的端面37连接起来。
第3流路36的内径形成为3mm以上且4mm以下。尤其是，第3流路36的内径的下限值很重要，在第3流路36的内径形成得小于3mm的情况下，液体的压力会不必要地上升，存在阻碍纳米气泡的生成的风险。因此，第3流路36的内径期望为3mm以上。
在此，说明第1流路、第2流路以及第3流路的截面积的比率。在该纳米气泡生成喷嘴中，各流路的截面积的比率形成为(第1流路的截面积)：(第2流路的截面积)：(第3流路的截面积)＝3：2：1左右。通过形成为该比率，能够极为有效地生成纳米气泡。
(凸缘部)
凸缘部32在主体部12的一端侧从主体部31朝向径向外侧伸出。该凸缘部32是在使作为3个结构体的导入部结构体10、中间部结构体20以及喷出部结构体30组合之际使用的部位。具体而言，3个结构体是使用螺栓60组合起来的。在凸缘部32形成有多个孔，通过使螺栓60穿过这些孔，从而使3个结构体组合起来。
(支架)
图1所示的例子的纳米气泡生成喷嘴1除了包括上述的导入部结构体10、中间部结构体20以及喷出部结构体30之外，还包括支架40。该支架40是使3个结构体组合时使用的构件。
支架40构成为圆环状且在周向上的多处形成有孔。孔的数量与在喷出部结构体30的凸缘部32形成的孔的数量相同。螺栓60能够穿过该孔。
〈3个结构体的组装〉
如以上说明那样，纳米气泡生成喷嘴1由导入部结构体10、中间部结构体20、喷出部结构体30以及支架40构成。纳米气泡生成喷嘴1如下那样组装。
首先，将导入部结构体10的笔直部分17嵌入中间部结构体20的比形成于外周面的凸缘部分27靠上游侧的外周面的部位25。另外，将喷出部结构体30的笔直部分33嵌入中间部结构体20的比形成于外周面的凸缘部分靠下游侧的外周面的部位26。
在中间部结构体20的外周面形成有密封槽24，在该密封槽24内嵌入有O形密封圈50。因此，在将导入部结构体10的笔直部分17和喷出部结构体30的笔直部分33分别嵌入中间部结构体20的外周面的部位25、26时，中间部结构体20与导入部结构体10之间的配合面和中间部结构体20与喷出部结构体30之间的配合面被O形密封圈50密封。其结果，能够防止当液体在纳米气泡生成喷嘴1的内部流动时内部的液体从各个配合面漏出。
接着，将支架40嵌入导入部结构体10中的直径较小的部位13。被嵌入的支架40的靠下游侧的面抵接于直径较小的圆柱状的部位13的端面。
接着，使螺栓60穿过在支架40形成的孔和在喷出部结构体30的凸缘部32形成的孔。在形成于凸缘部32的孔中形成有内螺纹，将螺栓60的顶端旋紧于该内螺纹。
经过以上说明的步骤，纳米气泡生成喷嘴1被组装起来。
〈纳米气泡生成喷嘴的作用〉
接下来，参照图2说明纳米气泡生成喷嘴1的作用。
导入部11将液体和气体的混合流体导入纳米气泡生成喷嘴1的内部。具体而言，导入部11使由与其相连接的软管、配管供给过来的混合流体经过导入部11的导入通路11a并将混合流体引导至第1流路15。
第1流路15对在流入到其内部的混合流体中包含的气体进行加压而使其溶解于液体，且使从第1流路15流出的混合流体释放。因此，第1流路15使流入到其内部的气体变化为较小的气泡。然后，第1流路15使包含较小的气泡的混合流体向紊流形成部70流出。
紊流形成部70使流入的混合流体在第1突出部21处从径向的中心朝向外侧呈放射状扩散。具体而言，构成为圆锥状的第1突出部21使从其顶端侧流入的混合流体沿着周面流动，从径向的中心侧朝向外侧地改变流动的方向。第1突出部21使沿着其周面流动的混合流体进一步朝向外侧流动。
形成于环状突出部22的第2流路28的入口形成于比中间部结构体20的端面23靠导入部结构体10侧(上游侧)的位置。因此，在中间部结构体20的端面23流动的混合流体被阻止直接流入第2流路28。其结果，环状突出部22的内壁面与沿着第1突出部21的周面和端面23的周面流动的混合流体相碰撞，而将液体的流动方向变更为朝向第1流路15侧。并且，由导入部结构体10的锥部分16和中间部结构体20围成的空间部分使混合流体的流动紊乱而产生紊流。由于该紊流形成部70使包含有气泡的混合流体的流动成为紊流，因此，使剪切力作用于在混合流体中包含的气体、直径较大的气泡。因而，在该紊流形成部70，也生成直径较小的气泡。
形成于环状突出部22的第2流路28供在由导入部结构体10的锥部分16和中间部结构体20围成的空间部分中成为紊流的混合流体流入。流入第2流路28后的混合流体经过第2流路28向喷出部结构体30侧(下游侧)流出。在包含气体和直径较大的气泡的混合流体在第2流路28的内部流动的期间内，第2流路28对气体和直径较大的气泡进行加压而使它们溶解于液体。并且，该第2流路28形成为各个第2流路28的内径均比第1流路15的内径小，且形成为第2流路28的横截面的截面积的合计面积比第1流路15的横截面的截面积小。由于溶解有气体的液体在经过这样的截面积较小的第2流路28之后流出而被释放，因此，生成直径比第1流路的直径小的气泡。
由喷出部结构体30的锥部分34和中间部结构体20形成的空间部分作为用于将从第2流路28流出的混合流体引导至第3流路36的流路发挥功能。即，从第2流路28流出的混合流体沿着由中间部结构体20的第2突出部的周面和喷出部结构体30的锥部分34的内表面形成的流路流动，并被引导至位于径向的中心的第3流路36的入口。
第3流路36作为使包含气体、直径较大的气泡的混合流体经过并向纳米气泡生成喷嘴1的外部喷出的喷出部35发挥功能。与第1流路15、第2流路28同样地，该第3流路36对气体、直径较大的气泡进行加压而使它们溶解于液体，混合流体在经过第3流路之后从纳米气泡生成喷嘴1喷出而被释放。因此，第3流路36生成微小的直径的气泡即纳米气泡。并且，该第3流路36的横截面的截面积小于第2流路28的横截面的截面积的合计面积。因此，第3流路36对经过内部的混合流体适当地进行加压而使所经过的混合流体的压力上升。其结果，对在混合流体中包含的气体、直径较大的气泡适当地进行加压而使它们溶解于液体。另外，由于第3流路36使混合流体的压力上升，因此能使混合流体具有适度的流速而使混合流体以预定的流速从纳米气泡生成喷嘴1喷出。
在该纳米气泡生成喷嘴中，第1流路和第2流路形成于纳米气泡生成喷嘴的径向上的不同的位置。同样地，第2流路和第3流路也配置于径向上的不同的位置。如此，在形成有各流路的位置在径向上错开的情况下，流路彼此通过纳米气泡生成喷嘴的内部空间相连接。因此，各流路对于在液体中包含的气体、直径较大的气泡在每个流路中进行加压而使它们溶解于液体。另外，由于液体在经过流路之后流出而被释放，因此能够在每个流路中可靠地形成纳米气泡。
在如本实施方式的纳米气泡生成喷嘴1那样使各流路形成于径向上的不同位置的情况下，与使各流路形成于径向上的相同位置的情况相比，能够缩短轴向的尺寸。其结果，存在能够使纳米气泡生成喷嘴1紧凑地形成这样的优点。在该情况下，如本实施方式的纳米气泡生成喷嘴那样，位于上游侧的第1流路的内径和位于下游侧的第3流路的内径形成得比位于中间部的第2流路的内径大。并且，第1流路和第3流路均由1个孔构成，第2流路由多个孔构成。
通过以上说明的作用，纳米气泡生成喷嘴1通过对液体和气体的混合流体进行加压之后使混合流体喷出并释放，从而可靠地生成纳米气泡。
(纳米气泡生成装置)
如图3所示，纳米气泡生成装置100包括使包含气体的纳米气泡的混合流体循环的闭环回路。闭环回路包括气体导入部120、泵130、纳米气泡生成喷嘴1、储液槽150、以及返回通路160。气体导入部120是用于将气体导入供液体流动的流通部170的构成要件。泵130送出气体和液体的混合流体并使混合流体朝向接下来的纳米气泡生成喷嘴1流动。向纳米气泡生成喷嘴1导入由泵130送出的混合流体，生成包含有气体的纳米气泡的混合流体。储液槽150是用于将包含纳米气泡的混合流体储存的结构部。返回通路160使储存于储液槽150的混合流体返回上述流通部170。
对于上述纳米气泡生成喷嘴1，能够使用之前说明的本发明的纳米气泡生成喷嘴1。关于纳米气泡生成喷嘴1的结构已经进行了说明，因此，在此省略其说明。
另外，如图3所示，纳米气泡生成装置100包括旁通流路180，该旁通流路180从软管或配管140分支且连接于储液槽150。
以下，说明纳米气泡生成装置100的各结构。此外，在闭环回路中，将返回通路160与泵130之间的区间称作“流通部170”地进行说明。
(气体导入部)
气体导入部120是用于将气体导入闭环回路的流通部170的构成要件。在图3所示的纳米气泡生成装置100的例子中，气体导入部120设于返回通路160与泵130之间的流通部170的所在位置。
作为气体导入部120，能够使用例如喷射器。喷射器是具有供液体流动的主管线和吸入气体的吸气口而成的构成要件。在喷射器的主管线上设有喷嘴和扩散器。喷射器使气体在喷嘴的出口的位置混合于主管线内的液体。并且，喷射器成为利用扩散器将混合后的液体和气体送向下游侧的构造。
此外，喷射器和喷嘴是使流体的运动能量减少、使运动能量增加的结构部，扩散器是将流体所具有的运动能量转换为压力能量的结构部。
在吸气口连接有软管或配管125。该软管或配管125为了将气体送入喷射器而连接于吸气口。另外，在软管或配管125的顶端设有开闭阀126。该开闭阀126将气体的供给源和软管或配管125连接起来或切断。此外，气体的供给源并未在附图中特别示出，能够使用期望的气瓶、例如氧气瓶。
在该实施方式的纳米气泡生成装置100中，在使用喷射器作为气体导入部120的情况下，能够在不使在流通部170中流动的混合流体的压力在流通部170中的喷射器的前后发生变化的情况下使气体高效地混合于混合流体。
(泵)
泵130使闭环回路内的混合流体在该闭环回路内循环。在图3所示的例子的纳米气泡生成装置100中，使用旋涡泵130作为泵。该旋涡泵被作为动力源的马达131驱动。此外，在图3所示的例子中，使用旋涡泵作为泵，但所使用的泵130的种类并未特别限定。在该实施方式的纳米气泡生成装置100中，所使用的泵130的种类不被限定这点是一个特征点。但是，优选的是，泵130根据液体的种类和气体的种类而使用适当的泵。
(纳米气泡生成喷嘴)
对于纳米气泡生成喷嘴1，例如能够使用图1所示的形态的喷嘴。即，喷嘴在其内部包括上述纳米气泡生成构造部5。该纳米气泡生成构造部5包括供混合流体流通的、截面积互不相同的多个流路15、28、36。具体而言，纳米气泡生成构造部5在纳米气泡生成喷嘴1的轴向上包括截面积不同的多个流路15、28、36。此外，由于已经参照图1和图2说明了纳米气泡生成喷嘴1的详细情况，因此在此省略其说明。
(储液槽)
储液槽150是用于储存由纳米气泡生成喷嘴1生成的包含纳米气泡的混合流体的结构部。对于该储液槽150，能够使用与包含纳米气泡的混合流体的需要量相应的大小的储液槽。上述泵130和储液槽150通过配管或软管140相连接。由此，构成闭环回路的一部分。
(纳米气泡生成喷嘴的安装方式)
图4示出纳米气泡生成喷嘴1的安装方式的一个例子。在该图4所示的安装方式中，纳米气泡生成喷嘴1配置于储液槽150的内部并固定于储液槽150的周壁面。
具体而言，纳米气泡生成喷嘴1如下那样安装于储液槽150的周壁面。使导入部11穿过在储液槽150的周壁面形成的孔。此时，形成于喷出部结构体30的第3流路(未图示)朝向储液槽150的内部。然后，使支架40的端面和直径较小的部位13的端面抵接于储液槽150的周壁面的内表面。
另外，在储液槽150的周壁面的外侧配置圆环状的支架45。向在支架45的中央形成的空间部分插入纳米气泡生成喷嘴1的导入部11。然后，使支架45的厚度方向的一端抵接于储液槽150的周壁面的外表面。在该支架45上形成有沿其厚度方向贯穿该支架45的多个孔，构成为螺栓能穿过该孔。
使螺栓60穿过在周壁面的外侧配置的支架45的孔、在周壁面的内侧配置的支架40的孔、以及凸缘部32的孔。然后，将螺母61旋紧于螺栓60的顶端，利用支架40和纳米气泡生成喷嘴1来夹持周壁面，从而纳米气泡生成喷嘴1被固定于储液槽150的周壁面。
(返回通路)
返回通路160由配管构成。返回通路160构成闭环回路的一部分。具体而言，返回通路160将储液槽150和流通部170连接起来。该返回通路160使被储存于储液槽150的包含纳米气泡的混合流体再次返回流通部170。另外，返回通路160利用设于流通部170的喷射器将气体再次导入。
该实施方式的纳米气泡生成装置100通过使包含纳米气泡的液体循环来使在液体中包含的纳米气泡所占的比例增大。
(旁通流路)
旁通流路180将配管或软管140的长度方向上的中途的部分和储液槽150连接起来。具体而言，在配管或软管140的长度方向上的中途的部分设有用于使在配管或软管140的内部流动的混合流体的流动分支的阀145。该阀145使配管或软管140分支为主流路141和旁通流路180。
阀145以使被分支到旁通流路180中的液体的流量少于在主流路141中流动的混合液体的流量的方式调整流量。利用阀145分支出的旁通流路180将在闭环回路中流动的纳米气泡从配管或软管140直接引导至储液槽150。
由于该纳米气泡生成装置100使包含纳米气泡的液体在闭环回路中循环，因此，能够使大量的纳米气泡包含于液体。另外，由于纳米气泡生成装置100包括旁通流路180，因此能抑制闭环回路内的压力不必要地上升。其结果，气体不会全部溶入液体，能适当地生成纳米气泡。
在以上说明的纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置中，作为所使用的液体，例如，能够举出水、使水中包含水以外的液体而成的液体、以及水以外的液体等。作为被包含在水中的液体，例如，能够举出乙醇等非挥发性的液体。另外，作为水以外的液体，例如，能够举出乙醇等。另一方面，作为气体，能够举出空气、氮气、臭氧、氧气、以及二氧化碳等。
(确认试验)
利用使用有本实施方式的纳米气泡生成喷嘴的纳米气泡生成装置来生成纳米气泡，针对纳米气泡的每个直径来测量所生成的纳米气泡的数量。
对于利用未使用旁通流路180的纳米气泡生成装置100(第1形态的装置)来生成纳米气泡的情况和利用使用有旁通流路180的纳米气泡生成装置100(第2形态的装置)来生成纳米气泡的情况这两个形态的装置，均进行了确认试验。具体而言，在第1形态的纳米气泡生成装置100中，使用氧气作为气体，使用水作为液体，生成了纳米气泡。另一方面，在第2形态的纳米气泡生成装置100中，使用臭氧作为气体，使用水作为液体，生成了纳米气泡。对于在试验中使用的纳米气泡生成喷嘴1，使用了图1所示的喷嘴。对于纳米气泡生成装置100，使用了图3所示的结构的装置。在第1形态的装置中，使纳米气泡生成装置运转规定的时间，使水和氧气的混合流体循环而生成纳米气泡，在第2形态的装置中，使水和臭氧的混合流体循环而生成纳米气泡。
纳米气泡的确认是通过以下方式进行的，即，使用Malvern公司的LM10型测量器，利用纳米颗粒跟踪分析法对每1毫升中包含的气泡的数量和大小进行测量。
图5示出在利用未使用旁通流路180的纳米气泡生成装置100且使用氧气作为气体的情况下的测量结果。图6示出在利用使用有旁通流路180的纳米气泡生成装置100且使用臭氧作为气体的情况下的测量结果。在图5和图6中，横轴表示气泡的直径，纵轴表示在每1毫升中包含的纳米气泡的个数。
在未使用旁通流路180且使用氧气作为气体来生成纳米气泡的情况下，如图5所示，直径约为120nm的纳米气泡生成得最多。确认了其数量是每1毫升中生成了大约3亿个纳米气泡。另一方面，在使用旁通流路180且使用臭氧作为气体来生成纳米气泡的情况下，如图6所示，直径约为100nm的纳米气泡生成得最多。确认了其数量是每1毫升中生成了大约不到4亿个纳米气泡。
(变形例)
〈变形例1〉
参照图1和图2说明的本实施方式的纳米气泡生成喷嘴1A的第1流路15形成于喷嘴的径向的中心部分。与此相对，图7所示的变形例1的纳米气泡生成喷嘴1A的第1流路15形成于纳米气泡生成喷嘴1A的径向外侧的部位。参照图7说明变形例1的纳米气泡生成喷嘴1A的概要。此外，在图7所示的变形例1的纳米气泡生成喷嘴1A中，对于与图1和图2所示的纳米气泡生成喷嘴1相对应的结构部，标注相同的附图标记并进行说明。
与参照图1和图2说明的本实施方式的纳米气泡生成喷嘴1同样地，变形例1的纳米气泡生成喷嘴1A是将导入部结构体10、中间部结构体20以及喷出部结构体30组合起来而构成的。另外，在紊流形成部70设于由导入部结构体10和中间部结构体20形成的空间部分这点上也是相同的。
另一方面，在导入部结构体10的导入部11的后方且是紧跟着导入部11的部位，设有用于使导入的混合流体从径向的中心部朝向外侧扩散的液体扩散部18。另外，第1流路15形成于比液体扩散部18靠径向外侧的位置。并且，形成于中间部结构体20的第2流路28在径向上形成于比第1流路15靠内侧的位置。
紊流形成部70是在中间部结构体20的靠上游侧的端面设置朝向导入部结构体10侧突出的突出部80而构成的。突出部80在径向上形成在第1流路15与第2流路28之间的位置。
该紊流形成部70使从第1流路15流出的液体与中间部结构体20的端面暂时碰撞。与端面碰撞后的液体在从径向外侧朝向内侧去的中途因突出部80而一度返回上游侧。液体经过该过程而成为紊流。
此外，由于图7所示的纳米气泡生成喷嘴1A中的、比第2流路28靠下游侧的结构和作用与图1和图2所示的纳米气泡生成喷嘴1相同，因此，在此省略其说明。
〈变形例2〉
图8示出变形例2的纳米气泡生成喷嘴1B的概要。变形例2的纳米气泡生成喷嘴1B是紊流形成部70设于第2流路28与第3流路36之间的形态。
该纳米气泡生成喷嘴1在第1流路15的后方且是紧跟着第1流路15的部位设置了顶端朝向第1流路15突出的突出部19。该突出部19使从第1流路15流出的混合流体从径向的中心向外侧扩散。第2流路28形成于比突出部19的根部靠径向外侧的位置。因此，利用突出部19扩散后的混合流体直接流入第2流路28。
第3流路36形成于纳米气泡生成喷嘴1的最下游侧的径向的中心。紊流形成部70设于该第3流路36与形成在比该第3流路36靠上游侧的位置的第2流路28之间。
紊流形成部70是通过设置用于使从第2流路28流出的混合流体的流动的朝向暂时朝向上游侧的突出部而构成的。具体而言，在径向上的第2流路28与第3流路36之间，设有从下游侧朝向上游侧突出的突出部38。该突出部38在从第2流路28流出的混合流体直到流入第3流路36为止的期间内使混合流体的流动的朝向暂时朝向上游侧。紊流形成部70通过使混合流体的流动的朝向变化而形成紊流。
采用以上说明的纳米气泡生成喷嘴，能够使纳米气泡生成喷嘴紧凑，能够以较高的效率来生成纳米气泡。另外，对于使用有该纳米气泡生成喷嘴的纳米气泡生成装置，也能够以较高的效率来生成纳米气泡。因此，能够将纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置应用于各种工业领域。
例如，该纳米气泡生成喷嘴和纳米气泡生成装置能够使用于饮料和食品的领域、药品的领域、医疗的领域、化妆品的领域、植物栽培的领域、太阳能电池的领域、二次电池的领域、半导体装置的领域、电子设备的领域、清洗装置的领域、功能材料的领域等工业领域。作为清洗装置的领域，具体而言，能够使用于纤维的清洗、金属模具的清洗、机械零件的清洗、硅晶圆的清洗等。
附图标记说明
1、纳米气泡生成喷嘴；5、纳米气泡生成构造部；10、导入部结构体；11、导入部；11a、导入通路；12、主体部；13、直径较小的部位；14、直径较大的部位；15、第1流路；16、锥部分；17、嵌入部；18，19、突出部；20、中间部结构体；21、第1突出部；22、环状突出部；23、端面；24、密封槽；25、上游侧的外周面的部位；26、下游侧的外周面的部位；27、凸缘部分；28、第2流路；29、第2突出部；30、喷出部结构体；31、主体部；32、凸缘部；33、嵌入部；34、锥部分；35、喷出部；36、第3流路；37、端面；38、突出部；40、45、支架；50、O形密封圈；60、螺栓；61、螺母；70、紊流形成部；80、突出部；100、纳米气泡生成装置；110、过滤器；120、气体导入部；125、软管或配管；126、开闭阀；130、马达；131、驱动源；140、软管或配管；141、主流路；145、阀；150、储液槽；160、返回通路；170、流通部；180、旁通流路。

Claims (7)

1.一种纳米气泡生成喷嘴，该纳米气泡生成喷嘴包括：导入部，其将液体和气体的混合流体导入内部；喷出部，其送出包含有所述气体的纳米气泡在内的混合流体；以及纳米气泡生成构造部，其用于在所述导入部与所述喷出部之间生成所述气体的纳米气泡，该纳米气泡生成喷嘴的特征在于，
所述纳米气泡生成构造部是在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上配置截面积不同的多个流路而成的。
2.根据权利要求1所述的纳米气泡生成喷嘴，其中，
在所述纳米气泡生成喷嘴的轴向上相邻的所述流路设于所述纳米气泡生成喷嘴的径向上的不同的位置。
3.根据权利要求1或2所述的纳米气泡生成喷嘴，其中，
多个所述流路作为截面积不同的3个流路而配置在所述纳米气泡生成喷嘴的轴向上，
上游侧的第1流路配置在所述纳米气泡生成喷嘴的径向的中心，中间位置的第2流路配置在比所述纳米气泡生成喷嘴的径向的中心靠外侧的位置，下游侧的第3流路配置在所述纳米气泡生成喷嘴的径向的中心。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的纳米气泡生成喷嘴，其中，
在多个所述流路彼此之间的至少一处具有使所述混合流体的流动成为紊流的紊流形成部。
5.根据权利要求4所述的纳米气泡生成喷嘴，其中，
所述紊流形成部在比所述第1流路的出口靠下游侧的位置具有扩散部，所述扩散部使从该第1流路流出的所述混合流体朝向该纳米气泡生成喷嘴的径向外侧呈放射状扩散，
所述第2流路的入口配置于借助所述扩散部扩散后的所述混合流体在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上返回所述第1流路侧所到达的位置。
6.一种纳米气泡生成装置，其特征在于，
该纳米气泡生成装置包括：
气体导入部，其向供液体流动的流通部导入气体；
泵，其送出在所述流通部的内部流动的所述气体和所述液体的混合流体；
纳米气泡生成喷嘴，将由所述泵送出的所述混合流体导入所述纳米气泡生成喷嘴，能够得到包含所述气体的纳米气泡的混合流体；
储液槽，其储存包含所述纳米气泡的混合流体；以及
返回通路，其使在所述储液槽储存的包含所述纳米气泡的混合流体返回所述流通部，
所述纳米气泡生成喷嘴包括：
导入部，其将液体和气体的混合流体导入内部；
喷出部，其送出包含有所述气体的纳米气泡在内的混合流体；以及
纳米气泡生成构造部，其用于在所述导入部与所述喷出部之间生成所述气体的纳米气泡，
所述纳米气泡生成构造部在该纳米气泡生成喷嘴的轴向上包括截面积不同的多个流路。
7.根据权利要求6所述的纳米气泡生成装置，其中，
在所述泵与所述储液槽之间设有阀和旁通流路，该阀用于使将所述泵和所述储液槽连接起来的流路分支，该旁通流路将该阀和所述储液槽直接连接起来。
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