JP2001259624A - ウォータージェット式反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応効率が高く、かつメンテナンスが向上し
た優れた性能のウォータージェット式反応装置を提供す
る。 【解決手段】 本発明の反応容器18はＶ字型下向反応管
20の上部ノズル1から供試水がキャビテーションを伴う
水中水噴流8として噴出する。噴流8は底部21で衝突し衝
突噴流22は上昇管19内を上昇して排出する。高速ジェッ
ト8同士が底部で衝突すると衝撃で水中の気泡核が連鎖
的に励起されキャビテーションが促進する。底部に衝突
板を設けると衝突効果はより向上する。大量の気泡も合
体して浮上し逃がし弁から放出される。反応後と反応進
行中とでジェットが分離しており、発生気泡のクッショ
ン作用でキャビテーション反応が妨害されることはな
い。Ｖ字型リアクタではノズル部を引抜くだけでメンテ
ナンスが容易にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はウォータージェット
式反応装置に係り、特に、水中に噴射した高速ウォータ
ージェットに発生するキャビテーションを利用して、水
中の有害な溶解物質を分解したり細菌類を破壊するウォ
ータージェットの噴射方法と反応装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】水中に溶解している有害な有機塩素化合
物、例えば、代表的な発ガン性地下水汚染物質であるト
リクロロエチレンやテトラクロロエチレンは、キャビテ
ーションの作用で、無害な物質に分解することができ
る。また、キャビテーションを利用すると、水中の病原
性大腸菌や、耐塩素性の病原体であるクリプトスポリジ
ウム（原虫の一種）なども細胞を破壊でき、水を無害化
することができる。

【０００３】キャビテーションを発生させる代表的な手
段のひとつは超音波法であるが、エネルギ効率が高くな
いというきらいがある。また、撹拌羽根のようなロータ
を水中で旋回させる方法もあるが、超高速で旋回させな
ければならないという問題がある。

【０００４】最も容易に連続的に、しかも、著しく激し
いキャビテーションを発生させることができるのは、水
中に高速のウォータージェットを噴き出す方法である。
ノズルから高圧水を水中に噴き込むと、水中ウォーター
ジェットには激しいキャビテーションが発生する。

【０００５】キャビテーションの強さ（インテンシテ
ィ）や処理量は、ノズルの噴出孔や高圧ポンプ（プラン
ジャポンプや遠心ポンプを用いる）における吐出圧によ
って容易に調整することができる。

【０００６】以下、水中ウォータージェットの先行技術
を説明する。円筒形をした水平置き反応容器の一端にノ
ズルを設置し、ここから高圧（２０〜７０ＭＰａ程度の
条件が多い）の供試汚染水を噴き出し、キャビテーショ
ンを伴う水中水噴流を反応容器内の水中に作り出して水
を浄化する方法である。

【０００７】また、他の例としては、キャビテーション
を伴う水中水噴流の潜在的なポテンシャル（未励起の気
泡核）を有効に活用するために、また処理水量を増やす
ために、向かい合わせに設けた同じ仕様のノズルから噴
き出す２つの噴流同士を正面衝突させる方法がある。

【０００８】噴流は衝突し合うことによって、きわめて
激しいキャビテーションを発生する。これは、激しい圧
力変動が生じ、これがトリガとなって水中に残っている
気泡核が一勢に励起され、２つの噴流同士の衝突では、
強い速度勾配によって渦キャビテーションが連鎖的に次
々と発生するからである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウォー
タージェットに発生するキャビテーションを利用する上
記先行技術には、以下のような問題があった。

【００１０】 ジェットやキャビテーションの潜在ポ
テンシャル（未励起の気泡核など）をうまく活用し切っ
ていないために、反応効率が高くない。 キャビテーションによって液中から析出した（脱
気）気体が合体して、大気泡になって反応器内にたま
り、クッション作用となってキャビテーションの衝撃を
やわらげるため、反応効率が低下する。 ノズル交換時に、大半の供試水を反応器から抜き出
さなければならないなど、メンテナンスが困難な装置構
造となっている。

【００１１】本発明の目的は、上記課題を解決し、新規
な構成を採用して、反応効率が高く、かつメンテナンス
が向上した優れた性能のウォータージェット式反応装置
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は以下のような手段を採用した。まず、反応
装置の構造を、Ｖ字型の対（つい）となる２本以上の下
降流のための流路と、これらの中心に上昇流を通す流路
から成るものとする。これにより、斜降してキャビテー
ション反応が進行中のジェットと、衝突が済んで上昇す
るジェットとが分離し、キャビテーション反応が妨げら
れることはない。

【００１３】各下降流路の頂部にはノズルを設け、この
ノズルから供試液を、斜め下方に向けて水中高速水噴流
として噴き出し、激しいキャビテーションを発生させて
反応を行わせる各ノズルの出口と、各ノズルの中心軸の
交点との距離Ｘｓ（いわゆるスタンドオフ距離）は、噴
流衝撃圧の第２ピーク領域相当のものとする。

【００１４】この第２ピーク相当域で、２本（あるいは
それ以上）の噴流を衝突させるが、この位置に、衝突の
効果をさらに拡大させるための衝突板（ターゲットプレ
ート）を設けた。衝突させる複数本の噴流の両振り衝突
角度は、６０度〜１５０度の範囲から選定するが、より
望ましくは９０度程度が良い。

【００１５】ノズルは閉塞したときに洗浄したり、ある
いは損傷した際には新品に交換するが、このようなメン
テナンス作業は、Ｖ字型下降流路の頂部の取り付け座か
らノズルをはすすことで容易に行える。

【００１６】反応の終了した衝突噴流は、Ｖ字型下降流
路の中央に設けた上昇流路の中を上昇させる。この上昇
流の中には、供試液中から析出した溶解気体あるいは分
解反応によって生じたＣＯ_２等の気体が気泡として多量
に含まれるが、これらの気泡の中でも大きなものを、上
昇流路の頂部に設けた逃がし弁から系外へ排出する。大
きな気泡は、浮力によってあるいは衝突流による慣性力
によって上昇し、上昇流路の頂部に集積するので、逃が
し弁から除去するのは容易である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。図１は、本発明を具体化した反
応装置の構成を、断面図として描いたものである。

【００１８】この反応装置の主体となる反応容器１８
は、Ｖ字型となる２本の下向き反応管２０と、それらの
中央に直立する１本の上昇管（ライザー）１９から成っ
ていて、いずれも円筒型である。

【００１９】下向き反応管２０は、２本共に、上部にノ
ズル１を装着していて、このノズル１を通じて、供試水
がキャビテーションを伴う水中水噴流８として噴き出す
ようになっている。ノズル１は、高圧水２を送給する高
圧ホース１２が接続するノズルマウント１３の先端に取
り付けてある。

【００２０】共に斜め下向きに噴き出す噴流８は、３本
の反応管の基部でもある反応容器１８の底部２１で衝突
し合流する。２本の噴流中心軸２３の両振り角度が衝突
角度θであるが、６０°以上１５０°未満の範囲から設
定する。さらに、より望ましくは９０°程度に設定す
る。

【００２１】衝突したあとの噴流は、衝突噴流２２とし
て、上昇管（ライザー）１９内を上昇し、オーバーフロ
ーライン１５を通じて排出される。上昇管軸心２４がほ
ぼ鉛直な上昇管（ライザー）１９の頂部には脱気ライン
２５を設けている。後述するように、反応容器１８内に
滞留する気体は反応の妨げになるので、この脱気ライン
２５から排出するようになっている。

【００２２】このような構成で、斜め下方に高速で噴き
出したジェット同士が、リアクタの底部で衝突すると、
衝突による衝撃で水中の気泡核が連鎖的に励起され、キ
ャビテーションが促進する。このような衝突の効果は、
ジェット同士が衝突する反応領域の底部に衝突板（ター
ゲットプレート）を設けることでさらに向上する。

【００２３】衝突することでキャビテーションが再発生
するが、このキャビテーション反応が済んだあとの液体
は、中央部の上昇管（ライザー）を通して上昇する。こ
の際、水中から脱気（溶存気体の析出）した大量の気泡
も合体しながら浮上する。合体して大きくなった気泡
は、上昇管（ライザー）の頂部にある逃がし弁（ベン
ト）から系外へ放出される。

【００２４】本発明では、このように、衝突の済んだジ
ェットを上昇管（ライザー）の方へ流し、キャビテーシ
ョン反応が進行中のジェットとは分離する方式としてい
るので、析出・合体して生じた大気泡によるクッション
作用でキャビテーション反応が妨げられることはない。

【００２５】Ｖ字型で対（つい）になっているリアクタ
では、ノズル部を上方へ引き抜き上げることで、リアク
タ内にある残液の処理をすることなく、ノズルのメンテ
ナンス（閉塞した際のクリーニングや損耗時の交換）を
行うことが可能になる。

【００２６】図２に示す実施形態は、反応容器１８の底
部に衝突板（ターゲットプレート）２６を設けたもので
ある。キャビテーションを伴う水中水噴流８同士の衝突
と、固体面への衝突という２種類の衝突効果を狙ったも
のである。他の構成は、図１に示した実施形態と同様で
ある。

【００２７】図３は、反応装置の全体系統を示したもの
である。清浄化処理対象の汚染水を、供試水３３とし
て、バッファタンク２８に貯える。このバッファタンク
２８は、フィードタンクの役割もあり、ここからプラン
ジャポンプ２９へ、供試水が送給される。

【００２８】プランジャポンプ２９では、所定の圧力
（例えば５０ＭＰａ）まで供試水を加圧し、高圧ホース
１２を通じて高圧水２として、両下向き反応管２０へと
送給する。高圧ホース１２は途中で分岐しており、同量
の供試水が２本の下向き反応管２０へと供給される。

【００２９】反応処理の済んだ水は、規制値をクリアす
る条件になれば、処理済水２７として系外へ搬出され
る。一方、分解反応が不十分であれば、供試水は再びバ
ッファタンク２８へと戻り、規制基準に到達するまで循
環処理される。

【００３０】図４は、キャビテーションを伴う水中水噴
流８を作り出すために使用するノズル１の構造の一例
を、その軸方向断面図として描いたものである。高圧水
２は、高圧水供給流路３を通じて供給され、径収縮部４
において減圧・加速された後に、噴出孔５から周囲水７
中へ噴き出して、キャビテーションを伴う水中水噴流８
となる。

【００３１】このノズル１では、キャビテーションを活
性化するために、噴出孔５の出口に、釣り鐘形や、ある
いはドーム状の拡大空洞部６を設けている。この拡大空
洞部６の内部では、噴出孔５から噴き出したばかりの噴
流のまわりに、循環渦９が生じる。

【００３２】この循環渦９は、圧力変動の起源として、
水中水噴流８に強い乱れを与える。またこの循環渦９
は、周囲水７中の気泡核（Ｎｕｃｌｅｉ）を噴流中へ連
続的に供給する。このような作用によって、キャビテー
ションは著しく活発になり、結局、反応装置の性能が向
上する。使用するノズルは、この例に限らない。他の例
については後述する。

【００３３】図６は、本発明を具体化した反応装置内に
生じる現象を模式的に示したものである。下向き反応管
２０の上端に取り付けたノズル１から噴き出すウォータ
ージェットの界面には、渦キャビテーション３６が生成
し、下流へ行くにしたがって発達し、第２ピーク相当領
域で最も活発になる。

【００３４】キャビテーションを伴う水中水噴流８同士
は、この第２ピーク相当の領域で衝突し、さらに反応装
置の底部２１に設けた衝突板（ターゲットプレート）２
６にも衝突する。

【００３５】このジェット同士の衝突と、さらにターゲ
ットプレートとの衝突が複合する複合衝突部では、噴流
に急激な速度高配３８が生じて、キャビテーションを伴
う水中水噴流８は急に方向を変え、衝突噴流２２として
上昇管（ライザー）１９内を上昇する。

【００３６】急峻な速度高配がきっかけとなって渦が発
生し、キャビテーションが再び発生する。したがって、
上昇管（ライザー）１９内を上昇する衝突噴流２２にお
いても、キャビテーション再発域３７として、キャビテ
ーションによる反応が再発したりあるいは続行する。

【００３７】キャビテーションが発生すると、水中に溶
解していた気体が急速に析出し、供試水は脱気状態とな
る。析出した気体は、はじめは小さな気泡状であるが、
それらが次第に合体して大きな気泡になって反応装置内
に溜まってくると、クッション（緩衝）作用によってキ
ャビテーションの威力が低下する。

【００３８】図７は、合体して生じた大気泡が上昇管
（ライザー）１９内に溜まっている様相を示した図であ
る。上昇管（ライザー）１９の頂部に、開閉バルブを備
える脱気ライン２５を設けているので、このバルブの開
閉操作によって、大気泡３５を系外へ放出することが可
能である。このような操作を随時行うことによって、キ
ャビテーションのパワーが維持され、キャビテーション
反応が持続する。

【００３９】ここで、本発明と比較するための比較例１
および２を図面を用いて説明する。図１１および図１２
は、それぞれ本発明者らの創案による比較例１および比
較例２である。

【００４０】図１１に示す比較例１では、円筒形をした
水平置き反応容器の１４の一端にノズルを設置し、ここ
から高圧（２０〜７０ＭＰａ程度の条件が多い）まで加
圧した供試汚染水を噴き出し、キャビテーションを伴う
水中水噴流８を反応容器１４内の水中に作り出し、水を
浄化する。

【００４１】図１２に示す比較例２は、キャビテーショ
ンを伴う水中水噴流８の潜在的なポテンシャル（未励起
の気泡核）を有効に活用するために、また処理水量を増
やすために、向かい合わせに設けた同じ仕様のノズル１
から噴き出す２つの噴流８同士を正面衝突させる方法で
ある。

【００４２】噴流８は衝突し合うことによって、極立っ
て激しいキャビテーションが発生する。これは、激しい
圧力変動が生じて、これがトリガとなって、水中に残っ
ている気泡核が一勢に励起にされ、２つの噴流８の衝突
では、強い速度勾配によって渦キャビテーションが連鎖
的に次々と発生するからである。

【００４３】次に、これらの比較例１および２と、本発
明の実施形態とを比較して説明する。図８は、代表的な
発ガン性の地下水汚染物質であるトリクロロエチレンの
分解速度を、図１１に示す自由ジェットによる比較例１
と、図２に示す衝突板を設けた本発明の実施形態とを比
較したものである。

【００４４】図８に示すように、縦軸におけるトリクロ
ロエチレンの分解速度Ｒは、比較例１の分析速度Ｒ^＊で
割ることにより無次元化した。比較例１が、Ｒ／Ｒ^＊＝
１ということになる。これに対して本発明を具体化した
場合には、Ｒ／Ｒ^＊＝１.４６となり、５０％近くの分
解速度の向上が認められる。

【００４５】図９は、これも同じトリクロロエチレンに
対して、図１２に示す正面衝突による比較例２と、図１
に示した衝突板無しの本実施形態との分解速度Ｃを比較
したものである。

【００４６】縦軸におけるトリクロロエチレンの分解速
度Ｃは、比較例２の正面衝突の場合の分解速度Ｃ^＊で割
ることにより無次元化した。比較例２の場合はＣ／Ｃ^＊
＝１であるのに対し、本実施形態ではＣ／Ｃ^＊＝０.９
４である。わずかな低下が認められるものの、最大限の
衝突といえる正面衝突に比べても、遜色のない性能が発
揮できていることがわかる。以上が、性能向上を実証し
た結果である。

【００４７】本発明を具体化すれば、ノズルの交換や清
掃などのメンテナンスも容易になる。図１０に、その一
実施形態を示す。同じレベルに設けた水抜きプラグ３１
を開放して、供試水３３の水面３２を上ブタフランジ３
０のところまでとし、フランジごとにノズル１およびノ
ズルマウント１３を取り外す。

【００４８】このようにすることで、わずかな供試水の
抜き取りのみで、ノズルの交換や清掃など、メンテナン
スを容易に行うことができる。以上のように、本発明を
具体化すれば、有害化合物の分解効率を高め、さらにメ
ンテナンスを簡便にすることが可能になる。

【００４９】先に実施形態として図４に示したノズル
は、噴出孔５から噴き出したキャビテーションを伴う水
中水噴流８の周りに循環渦９を作り出し、この渦９の作
用で周囲水７の中にある気泡核を、この水中水噴流８に
供給するタイプであった。

【００５０】これに対して、本発明の他の実施形態とし
て、図５に構造断面を示したノズル１ａは、噴出孔５に
おいて、キャビテーションの気泡核を強制的に作り出し
て水中水噴流８の内部へ供給するタイプである。キャビ
テーションを促進するという特徴は同様であっても、図
４のノズルとはメカニズム（作用）が基本的に異なる。

【００５１】高圧水供給路３から噴出孔５にかけては、
流路の径収縮の勾配がないために、噴出孔５の入口にお
いて強い縮流１０が生じる。噴出孔５の内部では強いせ
ん断作用によって、縮流１０において生じる空洞から、
気体が断続的に分裂して小さな気泡となり、これが水中
水噴流８の内部へ次々と混入する。

【００５２】この作用が、キャビテーション核の流入１
１である。キャビテーションを伴う水中水噴流８の中へ
流入した気泡核は、噴流８の渦や圧力変動が引き金とな
って励起し、キャビテーション気泡として爆発的に成長
する。このようにして、この水中水噴流８全体において
キャビテーションが増幅する。

【００５３】なお、図４のノズル１と図５のノズル１ａ
とを、噴射流量を同一として比較した場合、図５のノズ
ル１ａの方が、およそ５％だけ圧力損失が大きいという
違いがある。

【００５４】

【発明の効果】本発明を具体化することによって生じる
効果をまとめると、以下のようになる。 （１）ジェット同士の衝突、あるいはジェット同士の衝
突を固体面への衝突と組み合わせることで反応や殺菌の
効果が高まる。

【００５５】（２）キャビテーションによって水中から
脱気してさらに合体してできた大きな気泡を、反応器の
頂部から除くことができるので、反応部において大気泡
によるクッション（緩衝）作用がなくなり、キャビテー
ションの威力が高まる。

【００５６】（３）上記（１）、（２）の効果によっ
て、反応効率が向上し、工程短縮や消費動力低減が実現
する。 （４）反応器底部からの残液の排出や、上方へ引き出す
ことによるノズルの交換など、反応器のメンテナンスが
格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示す構成図である。

【図３】本発明の全体系統を示す系統図である。

【図４】本発明におけるノズルの一例を示す断面図であ
る。

【図５】本発明におけるノズルの他の例を示す断面図で
ある。

【図６】本発明における作用の一例を説明するための図
である。

【図７】本発明における作用の他の例を説明するための
図である。

【図８】本発明の効果を実証するための試験結果の一例
を示す図である。

【図９】本発明の効果を実証するための試験結果の他の
例を示す図である。

【図１０】本発明におけるメンテナンス作業を説明する
ための図である。

【図１１】本発明の一比較例を示す構成図である。

【図１２】本発明の他の比較例を示す構成図である。

【符号の説明】

１ ノズル ２ 高圧水 ５ 噴出孔 ６ 拡大空洞部 ８ キャビテーションを伴う水中水噴流 ９ 循環渦 １０ 縮流 １１ キャビテーション核の流入 １３ ノズルマウント １８ 反応容器 １９ 上昇管（ライザー） ２０ 下向き反応管 ２１ 座部 ２２ 衝突噴流 ２５ 脱気ライン ２６ 衝突板（ターゲットプレート） ２８ バッファタンク ３１ 水抜きプラグ ３２ 水面 ３３ 供試水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 一紀 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 Ｆターム(参考） 4D037 AA01 AA11 AB03 AB14 BA26 BB07 4G075 AA15 AA37 BA05 BD08 CA22 EC01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 斜め下方に噴き出すウォータージェット
   が、互いに衝突するように配置された複数本の下降管
   と、前記ウォータージェット同士が衝突して発生する衝
   突噴流を上昇させる上昇管とを備えてなるウォータージ
   ェット式反応装置。
2. 【請求項２】 前記下降管の上端部に、前記ウォーター
   ジェットを噴出するノズルを備えてなる請求項１に記載
   のウォータージェット式反応装置。
3. 【請求項３】 前記上昇管は、前記ウォータージェット
   同士の衝突部に直立して設置され、管内に滞留する気体
   を抜き出す開閉弁を備えてなる請求項１または２に記載
   のウォータージェット式反応装置。
4. 【請求項４】 前記互いに衝突するウォータージェット
   同士の中心軸間の両振り角度は、６０度以上で１５０度
   未満の範囲から選定される請求項１、２または３に記載
   のウォータージェット式反応装置。
5. 【請求項５】 前記両振り角度は、望ましくは８０度以
   上で１２０度未満の範囲から選定される請求項４に記載
   のウォータージェット式反応装置。
6. 【請求項６】 前記衝突部に、前記ウォータージェット
   が衝突する衝突板を設置してなる請求項１ないし５のう
   ちいずれかに記載のウォータージェット式反応装置。