JP2008055369A - 微生物殺滅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションの崩壊時の衝撃圧により有害な微生物や細菌を殺滅する装置でキャビテーションを発生させるに必要な動力を低減するとともに、殺滅効果を高める。
【解決手段】渦巻き室１で自由渦を発生させ、その中心圧を飽和蒸気圧以下に低下させて渦キャビテーションを発生させ、その渦キャビテーションと旋回方向が逆で、対向する渦キャビテーションを発生させ、両渦キャビテーションを対向衝突させて急激にキャビテーションを崩壊させ、その時発生する衝撃圧を利用して有害な微生物を殺滅する。
【選択図】図１

Description

本発明は微生物殺滅装置に係り、温泉や風呂の湯水に繁殖する有害細菌の殺滅、船のバラスト水中のプランクトン等の有害微生物の殺滅等に適用可能な微生物殺滅装置に関する。

有害細菌や微生物の殺滅に関しては、高速のキャビテーションジェットを用いる特許文献１の液質改質装置および液質改質方法、特許文献２の液質改質装置、特許文献３の殺菌装置などがある。これらの技術は、高圧（５０ＭＰａ）のプランジャポンプにより水を加圧して水中に設けられたノズルへ供給して水中のウォタージェットを噴出させ、ジェットの周りにキャビテーションを発生させたキャビテーションジェットを形成し、そのジェットを水中に設けた固体壁に衝突させ、キャビテーションの崩壊時発生する強力な衝撃圧を用いて細菌や微生物を殺滅している。

一方、キャビテーションを超音波振動子により発生させる超音波キャビテーションを用いる技術としては、特許文献４の超音波装置等がある。特許文献４の場合、キャビテーションは周波数が２０ｋＨｚ位の磁歪式や圧電式の超音波振動子により静止流中にも容易に発生させることができ、取り扱いが容易である。

特開２０００−０００５６３号公報 特開２００３−１３５９４６号公報 特開２００１−０１７９５６号公報 特開２００４−２７５８５０号公報

上記のキャビテーションジェットを用いる方法は、次のような課題がある。すなわち、キャビテーションを発生させる高速水中ジェットを得るには高圧のポンプが必要なため装置が高価となり、また駆動動力が大きくなる。さらに高圧のプランジャポンプの場合、水中に固形粒子を含有する水には事前に粒子を取り除くフイルタなどの装置を設置し、粒子を除去しなければ摺動部の磨耗や噛み込みが生じポンプの信頼性が損なわれる。また、キャビテーションが生ずる場所はジェットと外側の静止水との間の激しい剪断層であり、ジェット内部の大部分にはキャビテーションが生じないためキャビテーションの崩壊による衝撃圧を利用して微生物や細菌の殺滅に利用できる割合は低く、微生物や細菌を含む大部分の水は衝撃圧を受けずに装置を通過し、微生物や細菌の殺滅率が低くなる。

一方、超音波キャビテーションによる方法では、超音波振動子の表面にキャビテーションが発生し表面付近で崩壊するから振動子の表面はキャビテーション崩壊による衝撃圧を常時受けるため振動子の表面がキャビテーション損傷を受ける。このキャビテーションは強力なため振動子段面の材料を耐食性の大なるチタンを適用しても損傷を皆無にすることはできない。また、上記のキャビテーションジェットと同様に振動子表面付近のみが衝撃圧に晒される。しかし、そこから少し離れた領域を通過する流れは衝撃圧に晒されない、または晒されても衝撃圧が減衰し、微生物や細菌の殺滅率が低下する。
本発明の目的は、安価で、且つ少ない動力で微生物を殺滅可能なキャビテーションを発生する方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、キャビテーションを発生させるのに自由渦流れを用いて渦流キャビテーションを発生させる。自由渦流れは渦巻きケーシングなどで容易に発生させることができる。自由渦流れの中心圧は外周側より低下し、その水温における飽和蒸気圧以下にまで低下すると中心部は蒸気すなわちキャビテーション空洞となる。自由渦流れに基づく渦流キャビテーションは、高圧ポンプを用いなくとも容易に発生させることが可能である。従って、キャビテーションを発生させるに大きな動力を必要としない。

また、上記目的は、液体中に生息する微生物を殺滅するために、液体を高速回転させ、生成した旋回渦流キャビテーションの崩壊現象を用いて、微生物を殺滅する微生物殺滅装置により、達成できる。

本発明によれば、小さな動力で高速に旋回する渦キャビテーションを発生させることができ、液体中に存在する微生物を能率よく殺滅することができる。

以下本発明の実施形態について、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

実施例１を、図１ないし図６を参照して説明する。ここで、図１は微生物殺滅装置の縦断面図である。図２は微生物殺滅装置の第１の渦巻き室の側面図である。図３は微生物殺滅装置の第２の渦巻き室の側面図である。図４は渦の内部の速度分布を説明する図である。図５は渦の内部の静圧分布を説明する図である。図６は微生物殺滅装置の拡大断面図である。

図１において、微生物殺滅装置１００Ａは、一対の渦巻き室１ａと１ｂが渦管３ａと３ｂおよび衝突室５を介して設置されている。渦巻き室１ａと１ｂを軸方向から見た形状は、図２および図３に示すような形状をしている。図２および図３は、図１のＡ−Ａ’視であり、渦巻きの方向が互いに逆方向に形成されるように設定されている。本装置には入口２ａと２ｂからそれぞれの渦巻き室に微生物が混入している水が矢印ＡとＢの方向に流入される。

図１で左側の渦巻き室１ａの中では、図２に示すように、流入された水は流線７ａ１、７ａ２等に示すように流れ、渦巻き室１ａの中心の出口に向かい、大きな周方向の旋回成分を持つ渦流れとして出口から出て渦管３ａに流入する。一方、図１右側の渦巻き室２ａの中では、図３に示すように、流入された水は流線７ｂ１、７ｂ２等に示すように流れ、渦巻き室の中心の出口に向かい、左側の渦管３ａと逆方向の大きな周方向の旋回成分を持つ渦流れとして出口から出て渦管３ｂに流入する。これらの渦管３の中は、図４に示すように、中心付近では強制渦で、半径の大なるところでは自由渦のフローパタンを呈する。

このため、図５に示すように、渦管３の中心付近の圧力は大きく低下する。このとき、旋回速度大きくなると、水のその温度における飽和蒸気圧より低くなる。その結果、蒸気圧以下の領域は液体状態では存在することができず、蒸気の状態、すなわち、水の渦流れの中心部に空洞の渦キャビテーション９ａが発生する。

図１で対向する渦巻き室１ｂ、渦管３ｂにも同様に渦キャビテーション９ｂが発生する。この一対の渦キャビテーション９ａと９ｂは、対向し互いに逆方向に回転している。図６において、これらの渦は衝突して境界面１０を形成する。軸方向に流れる渦流れの衝突時の衝撃と、互いに反転している流れの境界面１０に生ずる激しい剪断流れにより、連続した円筒状の渦キャビテーションは、微細なキャビテーション１１に分断され崩壊する。

一方、激しく強いキャビテーションは、崩壊するとき数千気圧にも及ぶ大きな衝撃圧を発生することが知られている。流入された水の中には、有害な微生物が混入しており、これらの微生物がキャビテーションの衝撃圧に晒されることになる。また、両方向からの渦流れが衝突する境界面には激しい剪断流れ領域が形成される。この剪断流れは微生物を引き千切る剪断作用を及ぼす。従って、これらの衝撃圧と剪断作用により水中の微生物は、高確立で殺滅される。微生物の殺滅が終了した水は、装置出口６から排出される。

渦流れの衝突後に生ずる微細なキャビテーションの崩壊は、衝突室５の壁面から離れた衝突面１０付近で生ずるから、キャビテーションの崩壊時に生ずる衝撃圧により固体壁面が損傷を受けることは無い。

キャビテーションの崩壊に伴う衝撃圧は流速の５〜６乗に比例して増大することが知られている。自由渦では式１の関係が成り立つから、渦巻き室では数ｍ/ｓの流速でも、図２または図３の渦巻き室１と渦巻き室出口の半径比を１０にとれば、容易に渦管の中心付近の流速は容易に１０倍に増速することができ、強力なキャビテーションを発生させることができる。

（半径）×（周方向速度）＝一定 …（式１）
上述した実施例では、一対の渦巻き室を有する微生物殺滅装置を説明したが、渦巻き室が一つの微生物殺滅装置であっても良い。また、一対の渦巻き室を有する微生物殺滅装置でも、渦巻き室に流す流速を調整して片方の渦管でのみ渦キャビテーションを発生させても良い。渦巻き室の形状として、円形を説明したが、渦巻き型（ボリュート型）であっても良い。上述した変形実施例は、本明細書の他の実施例にも適用できる。

なお、本明細書において、微生物とは微小な生物の意味であり、レジオネラに代表される細菌、藻類、原生生物、菌類、粘菌、ウィルス、動物プランクトンおよびミジンコのような小型動物、植物プランクトンを含み、それらに限られない。

本実施例に拠れば、大きな動力を必要とせず、強力なキャビテーションを発生でき、その結果、水中に含まれる微生物を容易に殺滅することができる。また、キャビテーションの崩壊は流路壁面から離れたところで生ずるため、壁面がキャビテーションの崩壊による損傷は受けることはなく、長寿命の信頼性の高い微生物殺滅装置を得ることができる。また、キャビテーションの発生には高価な超音波振動子を必要としないため、微生物殺滅装置の製作費を低くできる。

実施例２について図７を用いて説明する。ここで、図７は微生物殺滅装置の拡大断面図である。
実施例２の基本的な構成は実施例１と同じである。図７に示すオリフィス１２が新たに渦管３にそれぞれ付け加えられている。オリフィスの内径Ｄ１は、それが挿入されている渦管３の内径Ｄ２より小さく、Ｄ１はＤ２の１/３に設定する。このように設定されるとオリフィスの断面積Ａ１は渦管の流路断面積Ａ２の１/９となり、オリフィスから流出する流速は、渦管の軸方向の流速の９倍に増速される。キャビテーションの強さは流速の５〜６乗に比例して増大するから、９倍に増速されたキャビテーションの強さは、９＾５.５＝１．７７×１０＾５と非常に強力なキャビテーションとなる（＾は、べき乗を示す）。

従って、実施例２に示すように渦管出口にオリフィスを設けるとより強力なキャビテーションを発生させることができ、微生物の殺滅効果を大幅に向上させることができる。なお、オリフィスの代わりに、渦管出口を内径が漸減するように形成しても同様な効果が得られる。

実施例３について図８を用いて説明する。ここで、図８は微生物殺滅装置の第１の渦巻き室の側面図である。
実施例３の基本的な構成は実施例１と同じである。違いは、渦巻き室１ａに円形翼列の配列をなす案内羽根８ａが配設されている点である。円形翼列の構成要素である羽根８ａ１、８ａ２等は、図８に示すような平板や翼型にて形成されている。上述の構成は渦巻き室１ｂに対しても同様な案内羽根８ｂが設置されている。このように渦巻き室１が構成されると、渦巻き室１の入口２から流入した流れは、案内羽根８ａにより導かれ旋回角が一定の旋回流れとなって渦管３ａに流入する。旋回角が一定に保たれるのでより安定したキャビテーション渦流れが生成される。その結果、より安定したキャビテーションの崩壊が生じ、安定した殺滅効果を得ることができる。

実施例４について図９を用いて説明する。ここで、図９は微生物殺滅装置の縦断面図である。
実施例４の微生物殺滅装置１００Ｃは、実施例１の微生物殺滅装置１００Ｃに対して、新たに渦巻き室１ｃと渦管３ｃとからなる渦キャビテーション発生装置を上部に、さらに渦巻き室１ｄと渦管３ｄとからなる渦キャビテーション発生装置を下部に設置し、隣接する装置から噴出される渦キャビテーションの中心線が、直交するように配設されるように構成されている。このように構成された４本の渦キャビテーションは、対向する２本の場合より、より激しい複雑な衝突を生じ、その結果、より大きな衝突圧や、剪断力が発生する。その結果、微生物に対する殺滅効果はより向上する。

実施例５について図１０を用いて説明する。ここで、図１０は微生物殺滅装置の拡大断面図である。
実施例５において、微生物殺滅装置１００Ｄは、実施例２（図７）の微生物殺滅装置１００Ｂの、左側の渦巻き室と渦管の中心線１３ａと、右側の渦巻き室と渦管の中心線１３ｂとを、Δｒだけ食い違うように設定している。

このように構成すると、左から噴出した渦キャビテーション９ａは、衝突室５において右側からの渦キャビテーション９ｂと直接衝突せず、衝突室５の水と衝突する。流体同士が衝突するときその界面は、弾性の大きな気体（キャビテーション）と気体（キャビテーション）が衝突するよりも気体（キャビテーション）と弾性が小さく剛性の大きな液体(水)とが衝突する方が衝突面の圧力は高くなる。従って、本実施例では気体（キャビテーション）と液体（水）が衝突するため、気体（キャビテーション）同士が衝突する実施例１より、 衝突面にはより大きな衝撃力が発生する。その結果、キャビテーションの崩壊時発生する衝撃圧も大きくなり、微生物の殺滅率もより高くなる。

なお、弾性の大きな気体（キャビテーション）と弾性が小さく剛性の大きな液体(水)とを衝突させている実施例５は、Δｒのオフセットがあるので、左側の渦キャビテーション９ａと右側の渦キャビテーション９ｂとは、同一の回転方向であっても良い。

実施例６について、図１１ないし図１３を用いて説明する。ここで、図１１は微生物殺滅装置の拡大断面図である。図１２および図１３は微生物殺滅装置の要部側面図である。

図１１において、微生物殺滅装置１００Ｅは、実施例１に示した基本構成に対して、衝突室５の左右の渦管３の出口同士が対向する部分に金属板製の板と板が直交するように設置された十文字板１４が設けられている。図１２は、図１１のＢ−Ｂ’視である。図１２において、ハッチングを省略した十文字板１４に、紙面手前からの時計回りの渦キャビテーション９ａが衝突し、微小キャビテーション１５が生成している。図１１および図１２の構成において、左右の渦管から渦キャビテーション９ａおよび９ｂが衝突室５に流入すると旋回渦キャビテーションは十文字板１４に衝突する。旋回している渦が剛性の大きな板に衝突し瞬時に角運動量がゼロとなるので、大きな衝突圧が発生する。この結果、渦キャビテーションは崩壊し、微細キャビティ１５となる。微細キャビティ１５も衝突圧により崩壊し、大きな衝撃圧を発生する。その結果、水中に含有される微生物は高い確率で殺滅される。

図１３において、発明者等は上述した十文字板１４の形状を工夫し、衝突室５の渦管３の内径より外側にキャビテーションプレート１６を配置すると更に好適なことを、実験的に見出した。渦管から渦キャビテーション９が衝突室に流入すると、渦キャビテーション周囲の高速に旋回している渦が、衝突室で外側に広がり、キャビテーションプレート１６に衝突する。旋回している渦が剛性の大きいキャビテーションプレート１６に衝突し瞬時に角運動量がゼロとなるので、大きな衝突圧が発生する。これにより、渦キャビテーションは崩壊し、微細キャビティ１５となる。微細キャビティ１５も衝突圧により崩壊し、大きな衝撃圧を発生する。その結果、水中に含有される微生物は極めて高い確率で殺滅される。

微生物殺滅装置の縦断面図である。 微生物殺滅装置の第１の渦巻き室の側面図である。 微生物殺滅装置の第２の渦巻き室の側面図である。 渦の内部の速度分布を説明する図である。 渦の内部の静圧分布を説明する図である。 微生物殺滅装置の拡大断面図である。 微生物殺滅装置の拡大断面図である。 微生物殺滅装置の第１の渦巻き室の側面図である。 微生物殺滅装置の縦断面図である。 微生物殺滅装置の拡大断面図である。 微生物殺滅装置の拡大断面図である。 微生物殺滅装置の要部側面図である。 微生物殺滅装置の要部側面図である。

符号の説明

１…渦巻き室、２…渦巻き室入口、３…渦管、５…衝突室、６…装置出口、７…渦巻き室内の流線、８…案内羽根、９…渦キャビテーション、１０…衝突境界面、１１…微細キャビティ、１３…中心線、１４…十文字板、１５…微細キャビティ、１６…キャビテーションプレート、１００…微生物殺滅装置。

Claims (9)

1. 液体中に生息する微生物を殺滅する微生物殺滅装置において、
   前記液体を高速回転させ、生成した旋回渦流キャビテーションの崩壊現象を用いて、前記微生物を殺滅する微生物殺滅装置。
2. 請求項１に記載の微生物殺滅装置であって、
   一対の旋回渦流キャビテーションを衝突させて前記旋回渦流キャビテーションを崩壊させることを特徴とする微生物殺滅装置。
3. 請求項２に記載の微生物殺滅装置であって、
   前記一対の旋回渦流キャビテーションは、互いに偏心していることを特徴とする微生物殺滅装置。
4. 請求項２に記載の微生物殺滅装置であって、
   前記一対の旋回渦流キャビテーションは、互いに逆方向に旋回していることを特徴とする微生物殺滅装置。
5. 請求項１に記載の微生物殺滅装置であって、
   旋回渦流れをボリュート形または円形の渦巻き室により生成し、この渦巻き室の中心から渦流を放出することを特徴とする微生物殺滅装置。
6. 請求項５に記載の微生物殺滅装置であって、
   前記渦巻き室は、複数枚の案内羽根を円形翼列状に配列したことを特徴とする微生物殺滅装置。
7. 請求項１に記載の微生物殺滅装置であって、
   前記旋回渦流キャビテーションを生成する渦管の出口側内径が、入口側内径より、小さいことを特徴とする微生物殺滅装置。
8. 請求項１に記載の微生物殺滅装置であって、
   一対の旋回渦流の一方にキャビテーションを発生させ、他方の旋回渦流にはキャビテーションを発生させずに、両旋回渦流を衝突させることを特徴とする微生物殺滅装置。
9. 請求項１に記載の微生物殺滅装置であって、
   前記旋回渦流キャビテーションを生成する渦管の出口の外に、渦流軸を含む面内に平板を配設したことを特徴とする微生物殺滅装置。

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