JP2012045537A - 噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 噴出される流体の噴流により発振現象を励起させる噴射ノズルを提供する。
【解決手段】
筒状の通路管内に螺旋状の羽根体を内設し、通路管の一方端から加圧された流体を供給する供給部を設け、他方端に流体を排出する流体噴出部を設けて形成されている。流体噴出部から噴出される流体（例えば気体の場合）の速度は１０〜１２０ｍ／ｓの範囲であり、気体圧力は０．１〜３．０ＭＰａＧである。噴射ノズル内を高速度で通流する流体は螺旋状の羽根体に沿って流れる螺旋流と中心部を流れる直進流による渦流を生成し、流体噴出部から噴流となって噴出して気体圧力の急減と、噴出速度の減少により流体に発振現象を励起させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、噴出する流体の噴流により発振（自励振動）現象を励起させる噴射ノズルに関し、マイクロバブル発生器として使用されて、気液反応装置（バイオリアクター）、気体の溶解・吸収装置、浮上分離装置、排水処理装置、重油・天然ガスなどの燃料および内燃機関の燃焼装置などに利用される。

従来数十〜百μｍ程度のマイクロバブルの発生方法は、液体を噴射する噴射ノズル内に負圧を生じさせて、この負圧により空気を吸引し、噴射管内で加圧液体と気体とを攪拌・混合してマイクロバブルを発生させる発生装置がある。

特開２００８−８６９８６号公報

しかしながら、噴射ノズル内に吸引できる空気量は加圧された液体の圧力に左右され、圧力ポンプの消費電力費が高価になり、マイクロバブルを多量に発生させるには、発生装置は大型化になるなどの問題がある。

本発明は、構造が簡易で、大容量のマイクロバブルを容易に発生できる。一体成型法により、製造コストを安価にできる、噴射ノズルを提供することを目的とする。

上記の課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の噴射ノズルは、筒状の通路管内に螺旋状の左捻り又は右捻りの羽根体を内設し、通路管の一方端（上流側）に加圧された流体を供給する供給部を設け、他方端（下流側）に流体を墳出する噴出部を設けて形成されている。本発明の噴射ノズルから噴射される流体（例えば気体の場合）の速度は、１０〜１２０ｍ／ｓの範囲であり、好ましくは２０〜１００ｍ／ｓの範囲で使用される。以下本発明に係る噴射ノズルの実施の形態について、図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る噴射ノズル１の平面図を示したものである。図１に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル１は、筒状の通路管２と、９０°右捻りの螺旋状の羽根体３及び４と、流体が通流する流体通路５及び６と、羽根体３，４の全長に亘って形成される開口部７とを、有している。また、流体通路５及び６は羽根体３及び４の全長に亘って連通している。

図２は、本発明の第１実施形態に係る噴射ノズル１の中央縦断面斜視図を示したものである。図２に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル１は、筒状の通路管２と、螺旋状の羽根体３，４と、加圧流体を供給する流体供給部８と、螺旋状の羽根体３，４に沿って通流する螺旋流と開口部７を直進して通流する直進流と、外部に噴出する流体噴出部９とを、有している。

流体に気体を使用する場合は、噴射ノズル１に設けられる流体噴出部９から液体中に高速で噴出される気体は、右捻りの螺旋状の２枚の羽根体３，４に沿って旋回する螺旋流と、２枚の羽根体３，４の内側（中心部）を直進する直進流となって通流する。そこに発振現象が生起される。この発振現象は、（ａ）加圧気体の液体中への高速噴流により発生する乱流渦の崩壊現象、（ｂ）加圧気体の自励振動による周波数２００〜１０００Ｈｚ程度の音波の発生、（ｃ）気体噴出部から液体中への噴流に伴う急減によるキャビテーションの発生による振動、（ｄ）噴射ノズル１に内設されている羽根体を通流する気体の速度差から発生する乱流による剪断などの作用等、によって励起される気体の振動現象をいう。この発振現象が生起されることにより気体の微細化が加速される。

なお、気体噴出部９から噴出される加圧気体の噴出速度は、１０〜１５０ｍ／ｓの範囲があればよいが、より好ましくは２０〜１００ｍ／ｓの範囲である。また、羽根体３，４の旋回方向および数量は用途に応じて適宜選択可能である。さらに、噴射ノズル１に気体を供給する流体供給部８の内径は、少なくとも３ｍｍを超えることが望ましい。これにより低圧力の加圧気体で運転が可能となり、送風機などの給気装置の所用動力は低減される。また、羽根体３，４と通路管２とを一体物に成形できる。製作費は安価になる。流体供給部８は流体の供給配管（不図示）などに溶着、溶接などにより接合して使用される。

図３は、本発明の第２実施形態に係る噴射ノズル１０の平面図を示したものである。図３に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル１０は、筒状の通路管１１と、９０°左捻りの螺旋状の羽根体１２，１３と流体が通流する流体通路１４，１５と、開口部１６と、通路管１１の外側に支持部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを介して筒状の外筒管１７とを有している。通路管１１と外筒管１７の中間部に流体を導入する流体導入通路１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが形成されている。

図４は、本発明の第２実施形態に係る噴射ノズル１０の側面図を示したものである。図４に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル１０は、筒状の外筒管１７と、筒状の通路管１１（不図示）と外筒管１７を支持固定するための支持部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ（不図示）と、流体の供給配管などにオスネジなどで係止される係止部２０とを有している。

図５は、本発明の第２実施形態に係る噴射ノズル１０の中央縦断面斜視図を示したものである。図５に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル１０は、図３，図４と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。供給される流体の流れに乱流を発生させるために、外筒管１７の円周面に凹部２１を形成している。この凹部２１は、発振現象（たとえばキャビテーション）を向上させる機能を有している。

図６は、本発明の第２実施形態に係る噴射ノズル１０の液体内に配置した場合の使用状態を示す参考図を示したものである。図６に示すように、噴射ノズル１０の下部の係止部２０を介して加圧された気体を筒状の通路管１１に供給し、ガス速度１０〜１５０ｍ／ｓで供給される気体は螺旋状の羽根体に沿って通流する螺旋流と開口部を通流する直進流とを形成しながら、上方に噴出して、発振現象が励起される。また、気体の圧力は解放され、急減し、噴出速度は減少する。噴出する気体のエアリフト効果により流体導入通路から液体が導入される。導入された液体と供給された気体とは噴出気体の発振現象の励起により、微細な気泡が生成される。さらに、凹部の機能により気泡はより微細化される。

図７は、本発明の第３実施形態に係る噴射ノズル２２の側面図を示したものである。図７に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル２２は、本発明の第２実施形態とほぼ同一形態であるが、筒状の外筒管２３の板厚方向に穿設した４個の孔２５を有している。この孔２５を設けることで、流体の導入量の向上と、発振現象の強力化に寄与している。

図８は、本発明の第３実施形態に係る噴射ノズル２２の中央縦断面斜視図を示したものである。図８に示すように、孔２５は外筒管２３に設けられている凹部３０の下方に、隣り合う４個の支持部材３１の中間部に位置し、外筒管２３の厚さ方向に穿設されている。

図９は、本発明の第３実施形態に係る噴射ノズル２２の液体内に配置した場合の使用状態を示す参考図を示したものである。本発明の第２実施形態とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。図９に示すように、噴射ノズル２２に導入される液体は、外筒管２３の下方から４個の流体導入通路３１と外筒管２３の側面に設けられた４個の孔２５とから導入され、加圧気体と並流で接触しながら、気液２相噴流となって、外筒管２３の上部から外部（液体中）へ高速度で噴出される。その結果、発振現象が励起される。

図１０および図１１は、本発明の第４実施形態に係る噴射ノズル３３の平面図および縦断面斜視図を示したものである。図１０よび図１１に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル３３は、筒状の通路管３４と、１２０°右捻りの螺旋状の羽根体３５ａ，３５ｂ，３５ｃと、羽根体３５ａ，３５ｂ，３５ｃの全長に亘って開口している開口部３６と、螺旋状の流体通路３６と、加圧気体の供給管などに接続するためにオスネジで形成される係止部３８、とを有してる。羽根体３５ａ，３５ｂ，３５ｃは多数の空孔３７を有する多孔体で形成されている。羽根体３５ａ，３５ｂ，３５ｃは多孔体でなくてもよい。多孔体を使用することで、発振現象をより向上されることが可能となる。羽根体３５の回転角度（捻り角度）、回転方向、枚数、羽根体３５の開口率、および長手方向での異種類の羽根体の組み合わせなどは適宜選択使用できる。

図１２は、本発明の第５実施形態に係る噴射ノズル３９の平面図を示したものである。図１２に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル３９は、筒状の通路管４０内に、９０°右捻りの螺旋状の羽根体４１と、９０°左捻りの螺旋状の羽根体４４と、加圧流体の供給部（不図示）とを、有しており、羽根体４１は４ユニットを、羽根体４４は１ユニットを配置している。各々のユニットは、本発明の第１実施形態で説明したように、２枚の螺旋状の羽根体４１ａ，４１ｂ，４４ａ，４４ｂと、流体通路４１ａ，４１ｂ，４５ａ，４５ｂと、開口部４３，４６を形成している。筒状の通路管４０内に、螺旋状の羽根体を内設する複数個のユニットを配置することで、加圧流体の噴射による発振現象はより強力になり、流体の微細化は向上する。なお、羽根体の半径方向の長さ、軸方向の高さ、回転角度（捻り角度）、回転方向およびユニットの数量などは上記実施例に限定されることなく適宜選択使用できる。ここでいうユニットとは、羽根体４１および４４は２枚の羽根体で構成されている。

図１３は、本発明の第５実施形態に係る噴射ノズル３９の概略縦断面構成図を示したものである。図１３に示すように、本実施の形態に係る噴射ノズル１２は円柱状の通路管４０と、螺旋状の羽根体４１，４４で形成されたユニットと、加圧気体を供給する気体供給部４７と、気体供給配管（不図示）に接続するための係止部４８とを有している。
加圧気体は気体供給部４７と空間部４９を介して、各々の流体通路４２，４５に分流して高圧力（例えば０．１〜２ＭＰａＧ）、高速度で（例えば２０〜１５０ｍ／ｓ）で各ユニットを形成している羽根体４１，４４の下方から上方へ通流して螺旋流と直進流を形成しながら流体噴出部５０から液体中に噴出・噴流される。供給気体の圧力は急減し、噴出速度が減少した噴流により発振現象（キャビテーション）が励起されて気体は微細化される。

本発明による噴射ノズルは、簡易な構造で、安価に製造でき、加圧流体の流動エネルギーのみで、容易に流体を励起させることができる。更に、マイクロバブルの発生装置として利用でき、排水処理装置、ガス吸収・溶解装置、浮上分離装置、気液反応装置および燃料の燃焼装置などに利用可能となる。

本発明の第１実施形態に係る噴射ノズルの平面図を示したものである。 本発明の第１実施形態に係る噴射ノズルの中央縦断面斜視図を示したものである。 本発明の第２実施形態に係る噴射ノズルの平面図を示したものである。 本発明の第２実施形態に係る噴射ノズルの側面図を示したものである。 本発明の第２実施形態に係る噴射ノズルの中央縦断面斜視図を示したものである。 本発明の第２実施形態に係る噴射ノズルを液体内に配置した場合の使用状態を示す参考図を示したものである。 本発明の第３実施形態に係る噴射ノズルの側面図を示したものである。 本発明の第３実施形態に係る噴射ノズルの中央縦断面斜視図を示したものである。 本発明の第３実施形態に係る噴射ノズル２２を液体内に配置した場合の使用状態を示す参考図を示したものである。 本発明の第４実施形態に係る噴射ノズル３３の平面図を示したものである。 本発明の第４実施形態に係る噴射ノズル３３の縦断面斜視図を示したものである。 本発明の第５実施形態に係る噴射ノズル３９の平面図を示したものである。 本発明の第５実施形態に係る噴射ノズル３９の概略縦断面構成図を示したものである。

１，１０，２２，３３，３９： 噴射ノズル
２，１１，２７，３４，４０： 通路管
３，４，１２，１３，２８，２９，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ，４１ｇ，４１ｈ： 羽根体
５，６，１４，１５，３６，４２ａ，４２ｂ，４５ａ，４５ｂ： 流体通路
７，１６，３６，４３，４６： 開口部
８： 流体供給部
９，５０： 流体噴出部
１７，２３： 外筒管
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，３１： 流体導入通路
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，２４： 支持部材
２０，２６，３８，４８： 係止部
２１，３０： 凹部
２５： 孔
３７： 空孔
４９： 空間部

Claims (4)

1. 加圧手段で加圧された流体を噴出する噴射ノズルであって、前記噴射ノズル内に螺旋状の羽根体を内設し、前記噴射ノズルから噴出する噴流により流体に発振（自励振動）現象を励起させることを特徴とする噴射ノズル。
2. 前記羽根体は前記流体に螺旋流および直進流を発生させることを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル。
4. 前記流体は液体であることを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル。

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