JP2009247950A - 旋回流型マイクロバブル発生装置および圧力遮断用ノズル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル4の渦崩壊部4bの下流側の端面P1側に、この渦崩壊用ノズル4と同軸に、かつ渦崩壊部4bと対向して圧力遮断用ノズル21を設置する。渦崩壊部4bは噴出口Qを有する。渦崩壊部4bの端面P1と圧力遮断用ノズル21の端面P2との間に間隙22を形成し、この間隙22の間隔を渦崩壊用ノズル4および圧力遮断用ノズル21の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加させる。圧力遮断用ノズル21のうちの噴出口Qと対向する部分は、この噴出口Qから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル21の下流側と遮断し、かつ渦崩壊部4bに貫入しないようにする。
【選択図】図32
Description
なお、渦崩壊現象を利用した旋回流型マイクロバブル発生装置が提案されている(例えば、特許文献4参照。)
そこで、この発明が解決しようとする課題は、音波の発生に伴う騒音、水中放出時の放出流体の再吸い込み、旋回流中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などを有効に防止することができる旋回流型マイクロバブル発生装置およびこれに用いて好適な圧力遮断ノズルを提供することである。
マイクロバブルの噴出口を有する第1のノズルの下流側の端面側にこの第1のノズルと対向し、かつ同軸に設けられた圧力遮断用の第2のノズルを有し、
上記第1のノズルの下流側の端面と上記第2のノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記第1のノズルおよび上記第2のノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記第2のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第2のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記第2のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入していないことを特徴とする旋回流型マイクロバブル発生装置である。
旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、水素、アルゴンなどである。
旋回流型マイクロバブル発生装置のマイクロバブルの噴出口を有するノズルの下流側の端面側にこのノズルと対向し、かつ同軸に設けられる圧力遮断用ノズルであって、
上記噴出口を有する上記ノズルの下流側の端面と上記圧力遮断用ノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記噴出口を有する上記ノズルおよび上記圧力遮断用ノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第2のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入しないように構成されていることを特徴とするものである。
この第2の発明においては、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
まず、この実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の基礎となる旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する(特許文献4参照。)。
第1の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においては、マイクロバブルを発生させるために、パイプ中心部を閉塞させ円周方向の流速を大きくすることでパイプ内を流れる水などの液体から強い旋回流を発生するタービン翼型ノズルと、主流に比べて循環が卓越する流れを小さい流れに遷移させる渦崩壊用ノズルとを直列に配置する。
本体3aは円柱状(縦断面は長方形状)であり、前方aは半球状部3c(縦断面は半円状)と連接しており、背面dの中央に噴射孔3fを有する。
溝3dは、翼3bにより仕切られた液体6の流れる通路である。翼3bが湾曲していることから、水平方向(パイプ2の中心軸方向)に流れていた液体流6aが、徐々に垂直方向に曲げられ、螺旋状の旋回流6aとなってタービン翼型ノズル3から出ていく。
噴射孔3fは、マイクロバブルの基となる気柱6bを放出する孔である。気柱6bは、本体3aの外周面bに設けられた給気孔3eから気体5lを供給することにより生成される。噴射孔3fから出た気柱6bは、旋回流6cとともに流れていく。
翼角3hは半球状部3cにおける翼3bの大きさを決めるもので、中心から一定の角度を持って延びていき、本体3aに至ってからは、同じ幅を維持して延びる。なお、翼角3hは、大き過ぎると液体6の通り道が狭くなるので、例えば15度程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
液体6の通り道となる溝3dの溝深さ3nは溝3dの深さであり、翼3bの高さでもある。なお、溝深さ3nは、タービン翼型ノズル3のサイズにより適切な深さに調整することができる。
ノズル径3jは、タービン翼型ノズル3の直径である。ノズル径3jは、翼3bの部分を含めた本体3aの直径でもあり、また、本体3aに連接することから、半球状部3cの直径でもある。
外半径3lは半球状部3cの翼3bの部分を含めた全体の半径であり、半球状部3cの頂部3uから本体3aまで垂直に下りた長さでもある。なお、隣り合う翼3bと翼3bとの間には溝3dが存在するため、外半径3lは、溝3dを埋めたものと考えた場合の半径を意味する。
孔距離3oは、噴射孔3fのあるタービン翼型ノズル3の背面端3vから給気孔3eの位置までの距離であり、例えば、翼長3kの半分の位置が好ましいが、これに限定されるものではない。また、給気孔3eは、液体6が通らない翼3b上に設けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
孔内径3pは、給気孔3eおよび噴射孔3fの直径である。孔内径3pの大きさは、噴射孔3fから出る気柱6bの量に影響を与えるため、適切なサイズに調整する必要があり、供給する気体5lの流量に応じて決められる。一例を挙げると、孔内径3pは2mm程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
渦崩壊用ノズル4の渦崩壊が発生するノズル径の最小値、すなわち臨界ノズル径は次のようにして求められる。
。
また、シリンダ5a内の中空部分は、ピストン5bおよびダイアフラム5mにより高圧力部5jと低圧力部5kとに分けられる。先頭側の高圧力部5jは、圧力検出器4cで検知した圧力となり、背後側の低圧力部5kは、圧力検出器4dで検知した圧力となる。
なお、高圧力部5jおよび低圧力部5kには、それぞれ空気孔5gおよび空気孔5hが設けられる。空気孔5gおよび空気孔5hは、通常は閉じておくが、開放することにより内部の空気を抜くことができる。
ストッパー5eは、ピストン5bの端をシリンダ5aの後背部に固定することで、ピストン5bを支えている部材である。ストッパー5eで押さえることで、ピストン5bがシリンダ5a内で安定し、バネ5dの伸縮も有効に働き、可動部5cを移動させることができる。
可動部5cとストッパー5eとはバネ5dにより接続されるが、バネ5dの内側で可動部5cとストッパー5eとをスライド構造にすることにより、バネ5dの部分の安定性を保つとともに、可動範囲を制御する。
圧力検出器4cにより渦崩壊部4bの入口の圧力を検出し、圧力検出器4dにより渦崩壊部4bの出口の圧力を検出して、渦崩壊部4b内に圧力差があれば、正常に渦崩壊が起きており、このまま給気を行う。
このように、給気量が適正でなければ、気柱6bは渦崩壊せずマイクロバブル6dが得られないので、この第1の実施形態では、渦崩壊しているかどうかを渦崩壊部4bの圧力差によって確認し、さらに上述のようにこの圧力差を利用して自動的に給気量を調整することができる。
渦崩壊用ノズル4の前面に張り付いた気柱6bが受ける剪断によって発生する気泡径を Hinzeスケール(圧力による分断作用と表面張力とが釣り合った平衡状態における径dH )に従って算定すると図11に示すようになる。詳細は省略するが、マイクロバブル6dが HinzeスケールdH まで微粒化されるときの気体5lの給気量Qa は
Hinzeスケールのマイクロバブル6dを生成するときの給気量Qa と液体6の流量Qw との比は次式で表される。
タービン翼型ノズル3の具体例について説明する。図18は、タービン翼型ノズル3の具体例1〜3を示し、タービン翼型ノズル3の形状を示す。翼3bの枚数を6枚とし、翼3bを等間隔に配置することから翼間隔3gは60度となり、翼角3hを15度とすること、勾配3sを84度とすることは具体例1〜3で共通する。
具体例4(図19A)は、タービン翼型ノズル3の外半径3lが約0.85cmの場合であり、タービン翼型ノズル3のノズル長は2.88cmである。タービン翼型ノズル3はパイプ2にぴったり収まることから、パイプ2の内径も約0.85cmとなり、渦崩壊用ノズル4の入口側の径も同様に約0.85cmとなる。タービン翼型ノズル3から渦崩壊用ノズル4までの間である渦流部2bの長さを約1.7cmとし、渦崩壊用ノズル4の長さを約2.6cmとすると、タービン翼型ノズル3、渦流部2bおよび渦崩壊用ノズル4の全体の長さは約7.18cmとなる。なお、渦崩壊用ノズル4の形状は、縮流部4aにおける角度4eを20度、出口側の内径4fを0.5cmとすると、入口側の径が0.85cmであることから、渦崩壊部4bなどの長さが定まる。
具体例4〜6におけるパイプ2の寸法は、マイクロバブル6dを発生させるのに好ましい数値の例であり、パイプ2の大きさに応じて、タービン翼型ノズル3および渦崩壊用ノズル4の大きさも調整する必要がある。
図20に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置1においては、渦崩壊用ノズル4の渦崩壊部4bの先端にテーパー部4hを設けて、出口をテーパー状に広げたことを特徴とする。すなわち、第1の例によるマイクロバブル発生装置1の渦崩壊用ノズル4では、渦崩壊部4bの先端である出口の角度4iが0度であるのに対し、この第2の例によるマイクロバブル発生装置1の渦崩壊用ノズル4では、渦崩壊部4bの出口の角度(テーパー角)4iを十分に大きくしたテーパー部4hを設けている。この角度4iは、具体的には、例えば60度または80度程度にするが、これに限定されるものではない。
なお、コアンダ効果とは、流れの中に物体を置いたときに、置いた物体に沿って流れの向きが変わる流体の性質のことで、旋回流6cが渦崩壊部4bからテーパー部4hに入ってテーパー状に広がることで気柱6bも広がり、気泡がテーパー部4hに張り付く。
図21A、BおよびCは、渦崩壊部4bの形状を変えた場合の旋回流型マイクロバブル発生装置1のマイクロバブル6dの発生状況を比較した図である。
図21Bに示す渦崩壊用ノズル4は、渦崩壊部4bの全体をテーパー部とした場合であるが、このテーパー部において発生したマイクロバブル6dは、図21Aの場合に比べて僅かに範囲が広がる程度である。
図21Cに示す渦崩壊用ノズル4の場合、テーパー部4hに張り付いた気泡を剪断または破砕することによりマイクロバブル6dが発生するので、マイクロバブル6dはテーパー状に非常に広い範囲に広がる。
図23に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置1は、第1の例による旋回流型マイクロバブル発生装置1と比べて、タービン翼型ノズル3および渦崩壊用ノズル4と給気装置5との接続方法が異なる。具体的には、この旋回流型マイクロバブル発生装置1においては、給気装置5の通気孔5fとタービン翼型ノズル3の給気孔3eとを、給気装置5の高圧力部5jと渦崩壊用ノズル4の渦崩壊部4bの入口側の圧力検出器4cとを接続し、給気装置5の低圧力部5kと渦崩壊用ノズル4の外側に設けた圧力検出器4dとを接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器4cは、渦崩壊用ノズル4において内部を通過する気柱6bの圧力を検出し、圧力検出器4dは、パイプ2の外部でマイクロバブル6dの圧力を検出する。
なお、給気装置5の通気孔5fの一端とタービン翼型ノズル3の給気孔3eとを給気管5iで繋ぐことは第1の例と同様である。また、通気孔5fの他端は開放して気体51を取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
図24に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置1は、第1の例による旋回流型マイクロバブル発生装置1と比べて、タービン翼型ノズル3および渦崩壊用ノズル4と給気装置5との接続方法が異なる。具体的には、この旋回流型マイクロバブル発生装置1においては、給気装置5の高圧力部5jは、渦崩壊用ノズル4の出口周辺の静水圧に開放した圧力検出器4dに接続し、給気装置5の低圧力部5kは、タービン翼型ノズル3の給気孔3eに設けた圧力検出器4cと接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器4cは、タービン翼型ノズル3において発生する気柱6bの圧力を検出し、圧力検出器4dは、パイプ2の外部でマイクロバブル6dの圧力を検出する。この旋回流型マイクロバブル発生装置1の接続方法は、渦崩壊用ノズル4に圧力検出器を設置する必要がなく簡便である。
内部の気柱6bの圧力と外部のマイクロバブル6bの圧力との圧力差が大きい場合は、給気装置5のピストン5bを右に移動させて通気孔5fを開放し、給気孔3eに気体51を供給する。
逆に、内部の気柱6bの圧力と外部のマイクロバブル6dの圧力との圧力差が小さい場合は、給気装置5のピストン5bを左に移動させて通気孔5fを塞いでいき、給気孔3eに供給する気体5lの量を抑制する。
図25に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置1は、パイプ2を入口2aの内径2dを細くした拡大管11に替えたことが第1の例による旋回流型マイクロバブル発生装置1と異なる。拡大管11は、入口2a側の細管部11aの内径11dが小さく、タービン翼型ノズル3および渦崩壊用ノズル4のある太管部11cの内径11eが大きい形状を有する。
この旋回流型マイクロバブル発生装置1においては、送水ポンプなどの送液ポンプなどから拡大管11の入口2aに供給された直線的な液体流6aが効率的に螺旋状の旋回流6cに変換され、また、タービン翼型ノズル3による縮流の影響も小さくなり、エネルギー損失が減少する。
この第5の例によれば、第1の例と同様な利点に加えて、マイクロバブル6dの発生効率の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
図26および図27はそれぞれ、旋回流型マイクロバブル発生装置1のマイクロバブル6dの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルおよび画像のスペクトルを示す。これは、渦崩壊が生じるときに発生する音(vortex whistle) を測定することで、旋回流6cの回転周波数を予測することができることを示したものである。
この旋回流型マイクロバブル発生装置1においては、渦崩壊用ノズル4の出口のエッジを滑らかにすることを特徴とする。
図28Aは渦崩壊用ノズル4、図28Bはこの渦崩壊用ノズル4の出口のエッジ4kの拡大図である。
ρe 〜(ue /ve )2 re =Γe -2re (14)
以上とする必要がある。ただし、ve は渦崩壊用ノズル4の出口における旋回流6cの周方向速度である。すなわち、
ρe ≧Γe -2re (15)
とする。
渦崩壊用ノズル4の管状の渦崩壊部4bとテーパー部4hの前面とのなす角度θ0 は、渦崩壊用ノズル4の出口からのマイクロバブル6dの噴き出し方向を決定する。
図31A、BおよびCはそれぞれ、θ0 〜100度、θ0 〜90度、θ0 〜45度の場合であり、いずれの例でも渦崩壊用ノズル4の出口のエッジ4kの曲率により旋回流6cが渦崩壊用ノズル4の前面に付着し、この前面の接線方向に流れる。
図32A、BおよびCは、この一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置における圧力遮断用ノズルの三つの設置形態を示す。
圧力遮断用ノズル21の外周面に溝21aを形成する代わりに、この圧力遮断用ノズル21の内部の外周面に近接する部分に、この圧力遮断用ノズル21の中心軸に平行な複数の孔21bを、典型的には円周方向に等間隔に設けてもよい。この場合、孔21bの内径をd、孔21bの長さをhとしたとき、これらの孔21bのアスペクト比h/d>1である。
(a)音波の発生に伴う騒音を低減することができる。
音波の発生は、旋回流型マイクロバブル発生装置を民生品もしくは水質改善に使用する際の騒音問題を引き起こし、また、旋回流型マイクロバブル発生装置から発せられる音波は旋回周波数と装置内部に形成される気柱の固有周波数との2種類の周波数の振動が存在する。タイプA〜Cによれば、圧力遮断用ノズル21を渦崩壊用ノズル4の下流側に設置しているので、渦崩壊をスパイラル型からバブル型に遷移させることができる。バブル型の渦崩壊は気柱を伸縮させる外力が小さいため、気柱音が小さくなる。また、圧力遮断用ノズル21は渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1側に固定しているため、旋回流6cの乱れが小さくなり、上述の旋回音および気柱音が軽減される。
マイクロバブルによるフロックの泡沫浮上分離時に放出流体を再吸い込みすることでフロックが破壊され、液中に分散されることを阻止することができる。すなわち、タイプA〜Cによれば、圧力遮断用ノズル21により放出されたマイクロバブル水は再吸い込みされない。
(c)旋回流の中心における低圧部の生成による溶解気体の再気泡化を防止することができる。
旋回流型マイクロバブル発生装置では旋回流中心部の圧力が低下し、この気体圧力の低下は、生成気泡径の縮小と同時に、溶存気体が気体として析出することを意味する。タイプA〜Cによれば、圧力遮断用ノズル21の設置により縮流部を設けることで、渦崩壊部4bの噴出口Qにおける圧力を高くすることができる。
(d)空中に放出する場合の空気の吸い込みによる微細気泡の不生成を防止することができる。
これは、マイクロバブル入りの空中放射ウオータージェット用ノズルの実現に重要である。渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1が大気と接していると、中心部の負圧のために大気中の空気を吸い込み液膜シートが生成される。タイプB、Cによれば、渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1の流れの低圧部を圧力遮断用ノズル21で遮蔽することができ、また、圧力遮断用ノズル21の溝21aを渦崩壊用ノズル4の中心軸から半径方向に離れた位置に設けることにより、微細気泡の生成およびジェットの生成を行うことができる。
渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1側にこの渦崩壊用ノズル4の外径程度の広さの空間しか取れない場合には、微細気泡の発生効率が低下するため工夫を必要とする。すなわち、旋回流型マイクロバブル発生装置を通過した流れが管路内の全体的な旋回流を励起し、旋回流型マイクロバブル発生装置による旋回流のエネルギーがこの旋回流の生成に使用される。また、旋回流型マイクロバブル発生装置の下流における渦の生成は、気泡を管路内に滞留させるとともに、微細気泡の合体を引き起こす。タイプB、Cによれば、圧力遮断用ノズル21により旋回流型マイクロバブル発生装置の下流における渦の発生および旋回流の生成を阻止することができる。
この圧力遮断用ノズル21の形状は以下の条件1〜4を満たす。
<条件1>
圧力遮断用ノズル21の渦崩壊用ノズル4側の端面P2は、渦崩壊用ノズル4の渦崩壊部4bの端面P1の形状に依存し、図33Aに示す、渦崩壊用ノズル4および圧力遮断用ノズル21の中心軸に平行な方向の間隙22の間隔がこの中心軸から放射方向に(外向きに)直線的に徐々に増加している。
圧力遮断用ノズル21のうちの渦崩壊用ノズル4の噴出口Qに対向する部分には貫通孔を設けない。
<条件3>
圧力遮断用ノズル21の上流側の端面P2は渦崩壊用ノズル4の渦崩壊部4b、より詳細には噴出口Qに貫入しない。
<条件4>
圧力遮断用ノズル21の溝21aのアスペクト比h/d>1である。
θSU≦θVB、t≒De /4 (16)
ここで、θVBは渦崩壊用ノズル4の渦崩壊部4bの下流側の端面P1の頂角、De は噴出口Qの直径である。間隙22の間隔は渦崩壊用ノズル4および圧力遮断用ノズル21の中心軸から放射方向に増加するが、こうすることで、渦崩壊部4bの噴出口Qにおける流れ中の低圧位置が上流に移動して流れの吸出し効果が得られることが知られている(ディフューザーの原理)。
図34は、渦崩壊用ノズル4と圧力遮断用ノズル21との間隔tと気柱内圧力(吸い込み圧力)、発生音圧およびノズル抵抗との定性的な関係を模式的に示したものである。
図34中のS1〜S4はそれぞれ図35A〜Dに対応する。図35Aに示すS1の状態では、渦崩壊用ノズル4と圧力遮断用ノズル21との間隔tが極めて小さく、流体が間隙22を通過する際の圧力欠損が旋回流による圧力増加よりも大きくなる。この間隔tは、後に詳細に説明するように、およそ
t<De /4 (18)
が挙げられる。一方で、間隔tは間隙22の抵抗が旋回流型マイクロバブル発生装置1の抵抗に比べて無視することができるように、旋回流型マイクロバブル発生装置1の出口の最小断面積と同オーダー程度となっている。これは、πDe 2 /4≒t・πDe から分かる。この間隔tの最適値(気柱内圧力が最小となる位置)は
t≒De /4 (19)
である。この場合には、上記の(a)、(b)、(d)、(e)の効果を得ることができる。このS2の状態では気泡の圧壊が促進される。
De /2<t<De (20)
である。この場合、気柱内圧力は低下せず、微細気泡発生効率は低下する。この場合には、上記の(a)、(b)、(d)、(e)の効果を得ることができる。
t>2De (21)
この場合には、上記の(b)、(d)、(e)の効果を得ることができる。旋回流型マイクロバブル発生装置の発生音が問題とならない場合には、この配置で気泡の発生効率は低下しない。
実験Iでは、圧力遮断用ノズル21の端面P2の頂角θSUおよび間隔tを変化させたときの気柱内圧力および発生音の音圧について、気柱内圧力がt≒De /4で極小値をとること、および、発生音が低減されることを示す。また、実験IIでは、間隔tを詳細に変え、確かに気柱内圧力が極小値を持つことを検証した。
図36AおよびBは使用した実験装置の概略図を示す。実験は、以下の2種類の旋回流型マイクロバブル発生装置を使用して行った。
(1)翼3bの枚数が3枚で溝3dの深さが小さい高旋回流用のタービン翼型ノズル3と端面P1の頂角θVBがθVB=240°である渦崩壊用ノズル4とを有する旋回流型マイクロバブル発生装置を使用する。
(b)翼3bの枚数が5枚で溝3dの深さが大きい中間旋回流用のタービン翼型ノズル3と端面P1の頂角θVBがθVB=180°である渦崩壊用ノズル4とを有する旋回流型マイクロバブル発生装置を使用する。
まず、無給気にして気柱内圧力を計測した。(1)においてDe =5mm、水の流量Qw =5L/min、サーキュレーション数Γe =1.9のときの結果を図37に示す。図37に示すように、吸い込み圧は間隔tが1mmより小さいある値で極大となり、間隔tが増加すると減少する。(2)においてDe =6.5mm、水の流量Qw =10L/min、サーキュレーション数Γe =2.3のときの結果を図38に示す。図38に示すように、吸い込み圧は間隔tが1mm程度の値で極大となり、間隔tが増加すると一
旦減少するがその後増加し、ある値に漸近する。(1)、(2)のいずれの場合においても
Δθ≡θVB−θSU=10°〜20° (22)
のときに吸い込み圧が極大となる間隔tが存在することが分かる。
圧力遮断用ノズル21を渦崩壊用ノズル4の下流側に設けることにより音圧を減少させることができることを示す。
旋回流型マイクロバブル発生装置からは主に2種類の音波が発せられる。図39に翼3bの枚数が5枚のタービン翼型ノズル3を用い、無給気としたときの旋回周波数および気柱の固有振動数と間隔tとの関係を示す。これらの旋回周波数および固有振動数は圧力遮断用ノズル21の位置および頂角θSUに差ほど依存しない。一方で、それぞれの音波について、そのエネルギーが間隔tによってどのように変化するかを図 に示す。間隔tが2mm以下のときの音波のエネルギーは間隔tが大きいときの値に比べて1/10程度となっていることが分かる。また、θSU=160°(Δθ=20°)の場合に音波の減衰が最も大きくなっている。さらに、間隔tが2mmのとき、気柱の振動から出る音波の遮蔽が顕著であることが分かる。この方法によって特に気柱音が低減されることが分かる。
θVB=160°、De =8mmの渦崩壊用ノズル4およびθSU=140°、直径D=40mmの圧力遮断用ノズル21を用いて実験を行った。水の流量Qw は20L/min、給気量Qa は100cc/minである。
図44は気柱内圧力(吸い込み圧)、図45は間隔tによるポンプ流量の変化を示す。図44および図45より、間隔tがおよそ2mmのとき吸い込み圧は極大となり、同時にポンプ流量がt〜2De に比べて大きいことが分かる。ポンプ流量の増大は流体抵抗が減少したことを示す。
図46に、t=2.2mm(t≒De /4)およびt=15mm(t〜2De )における発生音のスペクトルを示す。図46より、間隔t、すなわち渦崩壊用ノズル4に対する圧力遮断用ノズル21の位置によって音波のスペクトルが大きく変化すること、t≒De /4のとき、吸い込み圧が極小値をとって音圧が低減することが分かる。この音圧の低減は、渦崩壊用ノズル4の下流側の気柱形状が変化したためである。
まず、水中で上述のタイプA(図32A)を用いる場合について説明する。
渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1に十分な広がりを持ち、旋回流が放射方向に広がる場合には、圧力遮断用ノズル21に孔を設ける必要はない。このとき、流体は放射方向に流出する(図32A)。この場合、音波の音圧を小さくすることを目的として圧力遮断用ノズル21を設置する。また、音波は渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1から放射されるため、圧力遮断用ノズル21を音波を透過させない材料で製作するか、ある程度の厚みを持たせることが有効である。
旋回流が旋回流型マイクロバブル発生装置の下流で形成されることを防ぐと同時に音波を低減する。圧力遮断用ノズル21の溝21aは旋回流が下流に形成されないようにa<h(aは溝21aの幅)とする(図47AおよびB参照)。また、溝21aの半径方向の距離、言い換えると深さdは渦崩壊用ノズル4の噴出口Qに達しない程度とする。特に、旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗に比べて溝21aの抵抗が十分小さくなるように溝21aの全体の流水断面積を大きくする。
渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1の旋回流が広がるように、圧力遮断用ノズル21の半径は大きいほうが良い。また、旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗に比べて溝21aの抵抗が十分小さくなるように溝21aの全体の流水断面積を大きくする。圧力遮断用ノズル21の厚さは適宜決定するが、厚いほうが音波の外部への放射が少なくなる。圧力遮断用ノズル21の中央付近に貫通孔を設けることはできないため(気柱内に大気が吸引される)、圧力遮断用ノズル21の厚みを付けることで圧力遮断用ノズル21の内部に孔21bからなる流路を作り、ジェットの方向をコントロールしたり、これらの孔21bからなる流路を圧力遮断用ノズル21の下流側の端面P3で合流させることでウオータージェットを生成することができる。
図48は高揚程ポンプを利用した加圧溶解型の旋回流型マイクロバブル発生装置を示す。図48に示すように、高揚程ポンプ101の吸い込み口には給気用の旋回流型マイクロバブル発生装置102を取り付ける。旋回流型マイクロバブル発生装置102の渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1に圧力遮断用ノズル21を取り付けることで、高揚程ポンプ101を通過する液体が旋回せず、給気した気体は微細化する。さらに、高揚程ポンプ101を通過した気体は高揚程ポンプ101の揚程により加圧され溶解し、高揚程ポンプ101の出口に取り付けられた旋回流型マイクロバブル発生装置103により減圧され、再気泡化する。旋回流型マイクロバブル発生装置103の渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1に取り付けた圧力遮断用ノズル21は発生音を低減する。間隔tが小さい式(17)の場合は、加圧効果が増大する一方で流れの抵抗は増大する。De /8<t<De /4では、加圧効果はないが流れの抵抗が減少するとともに再気泡化が促進される。圧力遮断用ノズル21の位置は高揚程ポンプ101の性能にしたがって決定される。
図49に示す場合(図34に示すS3、S4の状態)には、旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル4の出口前面の流れはほぼ圧力一定の条件を満たすため、流速はおよそ一定となる(ベルヌーイの定理)。渦崩壊用ノズル4の下流側の端面P1の流体層の厚さは連続の式(体積流量の保存則)から
式(35)から圧力勾配が0となるr=rcrを求めると
S1:渦崩壊用ノズル4の出口の圧力が高い方が良いため、抵抗が大きくなるように渦崩壊用ノズル4の表面は粗面の方が良い。
S2:渦崩壊用ノズル4の出口の圧力が低い方が良いため、抵抗が小さくなるように渦崩壊用ノズル4の表面は滑面の方が良い。
ここで粗面とは、表面の凹凸の高さks が
以上の主な結論をまとめると、
圧力遮断用ノズル21は、渦崩壊用ノズル4と圧力遮断用ノズル21との間隔tを変化させることで、下記の二つの異なるタイプの気泡生成を行うことができる。
減圧後の加圧によるマイクロバブル生成
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
Claims (12)
- マイクロバブルの噴出口を有する第1のノズルの下流側の端面側にこの第1のノズルと対向し、かつ同軸に設けられた圧力遮断用の第2のノズルを有し、
上記第1のノズルの下流側の端面と上記第2のノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記第1のノズルおよび上記第2のノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記第2のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第2のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記第2のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入していないことを特徴とする旋回流型マイクロバブル発生装置。 - 上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通って外部に向かうように構成されていることを特徴とする請求項1記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルの下流側の端面の頂角をθVB、上記第2のノズルの上流側の端面の頂角をθSUとしたとき、θSU≦θVBであることを特徴とする請求項1または2記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- Δθ≡θVB−θSU=0°〜20°であることを特徴とする請求項3記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルの下流側の端面における上記噴出口の直径をDe 、上記第1のノズルおよび上記第2のノズルの中心軸上における上記第1のノズルと上記第2のノズルとの間隔をtとしたとき、tがほぼDe /4であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルおよび上記第2のノズルは管の内部に収容されており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記管と上記第2のノズルの外周面に上記第2のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の溝との間の空間を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルおよび上記第2のノズルは管の内部に収容されており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記第2のノズルの内部の上記第2のノズルの外周面に近接する部分に上記第2のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の孔を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルおよび上記第2のノズルは管の内部に収容されており、上記第2のノズルは下流側にすぼまった形状を有し、かつ上記第2のノズルの内部には上記管の内壁に隣接する部分の上記間隙と上記第2のノズルの下流側の端面との間を連通し、かつ上記第2のノズルの下流側の端面で互いに合流する複数の孔が設けられており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記第2のノズルの上記複数の孔を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルは上流側から下流側に向かって順次縮流部および渦崩壊部を有する渦崩壊用ノズルであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第1のノズルの上流側に旋回流発生用の翼型の第3のノズルを有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 上記第3のノズルの上流側の入口に液体を供給することにより旋回流を発生させるとともに、この旋回流の中心に気体を導入し、この中心に気体が導入された旋回流を上記第1のノズルの上記縮流部に供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させることを特徴とする請求項10記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
- 旋回流型マイクロバブル発生装置のマイクロバブルの噴出口を有するノズルの下流側の端面側にこのノズルと対向し、かつ同軸に設けられる圧力遮断用ノズルであって、
上記噴出口を有する上記ノズルの下流側の端面と上記圧力遮断用ノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記噴出口を有する上記ノズルおよび上記圧力遮断用ノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第2のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入しないように構成されていることを特徴とする圧力遮断用ノズル。
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