JP2014033999A - バブル発生ノズル、及び、ループ流式バブル発生ノズル - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成で気泡の発生効率を向上させることができ、気泡の発生を従来よりも促進可能なバブル発生ノズル及びループ流式バブル発生ノズルを提供する。
【解決手段】バブル発生ノズル10は、液体及び気体を流入可能な流入孔8aを一端に有し、混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔8bを他端に有し、流入孔8aから噴出孔8bに向かって連続的に拡径された撹拌混合室8と、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔5と、第1液体供給孔5の他端から撹拌混合室8の一端側に向かって延在する第2液体供給孔6と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔4と、撹拌混合室8の一端側に設けられ、気体流入孔4から流入した気体を第1及び第2液体供給孔5、6の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から撹拌混合室8の一端側に向かって撹拌混合室8に供給する気体供給室3と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、マイクロバブルを含んだバブルを発生させるバブル発生ノズル及びループ流式バブル発生ノズルに関する。
従来から、下記特許文献1、2に開示されているように、バブルを発生させることができるノズルとしてエジェクターノズルがある。なお、特許文献1のエジェクターノズルにおいては、気泡群の80%以上が直径10〜200[μm]で、全気泡群の平均直径が100〜150[μm]程度の気泡を供給することができるものである(下記特許文献1の段落0053参照)。
特開平6−292822号公報 特開2000−166789号公報
しかしながら、特許文献1に記載のエジェクターノズルにおいては、気泡の発生効率を簡易な構成で向上させることができるものではない。また、特許文献2に記載のエジェクターノズルにおいても同様であると考えられる。
そこで、本発明の目的は、簡易な構成で気泡の発生効率を向上させることができ、気泡の発生を従来よりも促進可能なバブル発生ノズル及びループ流式バブル発生ノズルを提供することである。
(1) 本発明のバブル発生ノズルは、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、前記液体及び気体を流入可能な流入孔を一端に有し、前記流入孔の中心軸と一致するように前記混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔を他端に有し、前記流入孔から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された撹拌混合室と、加圧された液体を前記撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、加圧された液体を前記撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、前記第1液体供給孔の他端から前記撹拌混合室の一端側に向かって延在する第2液体供給孔と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔と、前記撹拌混合室の一端側、又は、前記第2液体供給孔の途中に設けられ、前記気体流入孔から流入した気体を前記第1及び第2液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から前記撹拌混合室の一端側に向かって前記撹拌混合室に供給する気体供給室と、を備えることを特徴とする。
上記(1)の構成によれば、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、前記第1液体供給孔の他端から前記撹拌混合室の一端側に向かって延在する第2液体供給孔と、前記流入孔から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された撹拌混合室と、によって、所謂ベンチュリー型のバブル発生ノズルを構成することができる。このベンチュリー効果を利用すれば、第1液体供給孔と撹拌混合室との間に設けられた第2液体供給孔内において液体を高速で通過させることによって、第2液体供給孔内に大気圧よりも小さい負圧を発生させることができる。この負圧の発生により、気体流入孔から流入してきた気体を撹拌混合室に容易に供給することができる。その結果、気体流入孔から流入してきた気体を、撹拌混合室で発生している乱流によって細分化することで、気泡の発生効率を容易に向上させることができる。
また、気体流入孔から流入してきた気体は、気体供給室において第1及び第2液体供給孔の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から撹拌混合室の一端側に向かって撹拌混合室内に供給される。このことにより、撹拌混合室内の真空度が向上されるため、気体流入孔から流入してくる気体の量をさらに増加させることができ、気泡の発生をより促進することができる。
また、従来品よりも簡易な構成でありながら、平均直径が100[μm]未満のバブル、特に、平均直径が20[μm]前後のマイクロバブルを容易に発生させることができる。また、従来品よりも簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
(2) 上記(1)のバブル発生ノズルにおいては、前記撹拌混合室を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材と、前記第2液体供給孔を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材と、を備え、前記第1の管状部材が、前記撹拌混合室の前記流入孔から前記第2の管状部材の外側に向かって連続的に拡径された第1の内壁を有し、前記気体供給室が、前記第1の管状部材の前記第1の内壁と、前記第2の管状部材の外壁とで囲まれた空間を有し、前記第2の管状部材の前記外壁が、前記第1の管状部材の前記第1の内壁と平行な方向に傾斜していることが好ましい。
上記(2)の構成によれば、気体供給室が、第1の管状部材の第1の内壁と平行な方向に傾斜しているので、気体流入孔から流入してきた気体を第1の内壁と平行な方向(流入孔の中心軸に対して傾斜した方向)に液体と衝突させることができるので、流入孔の中心軸に沿う方向に衝突させた場合よりも気泡の発生効率を向上させることができる。
(3) 上記(2)のバブル発生ノズルにおいては、前記第1の管状部材が、前記流入孔を取り囲むように前記流入孔の径方向外側に設けられた第2の内壁と、前記第2の内壁の径方向外側の端部から前記流入孔の中心軸に沿って前記撹拌混合室の他端側に向けて延在する第3の内壁と、前記第3の内壁の前記流入孔と反対側の端部から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された第4の内壁と、を備えることが好ましい。
上記(3)の構成によれば、流入孔を取り囲む第2の内壁と、第2の内壁の径方向外側の端部から流入孔の中心軸に沿って延在する第3の内壁と、を設けることによって、気体を含んだ液体のループ状の流れ(液体供給孔から噴出孔へ向う液体の流れに沿って流れた後、途中で反転して、第3の内壁及び第2の内壁に沿って流れ、再び、液体供給孔から供給された液体の流れに沿って流れるという一連の流れ)を発生させることができる。なお、上記「ループ状の流れ」を「ループ流れ」又は「ループ流」と表現することがある。なお、発生するループ流れの速度は、液体又は気体の供給量及び圧力によって、低速から高速まで、ある程度コントロールすることが可能である。したがって、液体又は気体の供給量及び圧力を調整し、さらにループ流れの速度を増加させることで、高速ループ流れを形成することも可能である。
さらに、第2の内壁に沿う流れにより、気体流入孔から流入してきた気体が剪断されることによって細分化されるので、気泡の発生効率を向上させることができる。
(4) 本発明のループ流式バブル発生ノズルは、液体及び気体をループ状の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、前記液体及び気体を流入可能な流入孔を一端に有し、前記流入孔の中心軸と一致するように前記混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔を他端に有する気液ループ流式撹拌混合室と、加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、前記第1液体供給孔の他端から前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって延在する第2液体供給孔と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔と、前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に設けられ、前記気体流入孔から流入した気体を前記第1及び第2液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって前記気液ループ流式撹拌混合室に供給する気体供給室と、前記気液ループ流式撹拌混合室を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材と、を備え、前記第1の管状部材が、前記流入孔から前記噴出孔の側に向かって前記流入孔の中心軸に沿って延在する第1の内壁と、前記第1の内壁の前記流入孔と反対側の端部から前記噴出孔の側に向かって連続的に拡径された第2の内壁と、前記第2の内壁の前記第1の内壁と反対側の端部から前記噴出孔に向かって前記流入孔の中心軸に沿って延在する第3の内壁と、を備えることを特徴とする。
上記(4)の構成によれば、第1の内壁の流入孔と反対側の端部から連続的に拡径された第2の内壁と、第2の内壁の第1の内壁と反対側の端部から延在する第3の内壁と、を設けることによって、ループ流れ(液体供給孔から噴出孔へ向う液体の流れに沿って流れた後、途中で反転して、第3の内壁及び第2の内壁に沿って流れ、再び、液体供給孔から供給された液体の流れに沿って流れるという一連の流れ)を発生させることができる。なお、発生するループ流れの速度は、液体又は気体の供給量及び圧力によって、低速から高速まで、ある程度コントロールすることが可能である。したがって、液体又は気体の供給量及び圧力を調整し、さらにループ流れの速度を増加させることで、高速ループ流れを形成することも可能である。
また、第2の内壁が、第1の内壁の流入孔と反対側の端部から噴出孔の側に向かって連続的に拡径した傾斜壁(液体供給孔から噴出孔へ向う方向に対して傾斜した壁)として形成されているので、第2の内壁に沿うループ流れの力のうち、噴出孔から流入孔に向かう成分の持つ力と、流入孔から噴出孔の側に向かって気体供給室内を流れる気体の持つ力とを正面衝突させることができる。この衝突エネルギーにより、気体の細分化が促進され、気泡の発生をより一層促進することできる。
また、気体流入孔から流入してきた気体は、気体供給室において第1及び第2液体供給孔の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室内に供給される。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室内の真空度が向上されるため、気体流入孔から流入してくる気体の量をさらに増加させることができ、気泡の発生をより促進することができる。
また、従来品よりも簡易な構成でありながら、平均直径が100[μm]未満のバブル、特に、平均直径が20[μm]前後のマイクロバブルを容易に発生させることができる。また、従来品よりも簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
(5) 上記(4)のループ流式バブル発生ノズルにおいては、前記第2液体供給孔を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材を備え、前記第1の管状部材の前記第1の内壁が、前記第2の内壁から前記流入孔に向かって連続的に拡径しており、前記気体供給室が、前記第1の管状部材の前記第1の内壁と、前記第2の管状部材の外壁とで囲まれた空間を有し、前記第2の管状部材の前記外壁が、前記第1の管状部材の前記第1の内壁と平行な方向に傾斜していることが好ましい。
上記(5)の構成によれば、第1の管状部材の第1の内壁が、第2の内壁から流入孔に向かって連続的に拡径した傾斜壁として形成されているとともに、第2の管状部材の外壁が、第1の管状部材の前記第1の内壁と平行な方向に傾斜しているので、第2の内壁に沿うループ流れの力のうち、噴出孔から流入孔に向かう成分の持つ力と、第2の管状部材の外壁に沿って気体供給室内を流れる気体の持つ力のうち、流入孔から噴出孔の側に向かって流れる成分の持つ力とを正面衝突させることができる。このことにより、気体供給室の出口で、液体と気体の流れが剪み込まれるように合流して、気液混合が大幅に促進される。
さらに、第1の管状部材の第1の内壁が、第2の内壁から流入孔に向かって連続的に拡径した傾斜壁として形成されているので、第1の管状部材の第1及び第2の内壁のなす角度を、気体流入孔から流入してきた気体の流れをループ流によって剪断し易く、気体の流れに衝撃を与え易い角度に設定できる。このことにより、気体の細分化が促進され、気泡の発生をより一層促進することできる。
(6) 上記(5)のループ流式バブル発生ノズルにおいては、前記第1の管状部材が、前記第3の内壁の前記第2の内壁と反対側の端部から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された第4の内壁を備えることが好ましい。
上記(6)の構成によれば、第3の内壁の第2の内壁と反対側の端部から噴出孔に向かって連続的に拡径された第4の内壁を設けることによって、ループ流れ(液体供給孔から噴出孔へ向う液体の流れに沿って流れた後、途中で反転して、第3の内壁及び第2の内壁に沿って流れ、再び、液体供給孔から供給された液体の流れに沿って流れるという一連の流れ)を発生させることができる。
さらに、第2の内壁に沿うループ流れの力のうち、噴出孔から流入孔に向かう成分の持つ力と、第2の管状部材の外壁に沿って気体供給室内を流れる気体の持つ力のうち、流入孔から噴出孔の側に向かって流れる成分の持つ力とを正面衝突させることができる。このことにより、気体供給室の出口で、液体と気体の流れが剪み込まれるように合流して、気液混合が大幅に促進される。
(7) 本発明のループ流式バブル発生ノズルは、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、前記液体及び気体を流入可能な流入孔を一端に有し、前記流入孔の中心軸と一致するように前記混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔を他端に有する気液ループ流式撹拌混合室を内部に備えた第1の管状部材と、加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に拡径された第2液体供給孔と、加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、前記第1液体供給孔の他端、及び、第2液体供給孔の一端を接続する第3液体供給孔と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔と、前記第2液体供給孔の他端よりも前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に設けられた空間を有し、前記気体流入孔から流入した気体を前記第1〜第3液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって前記気液ループ流式撹拌混合室に供給する気体供給室と、を備えることを特徴とする。
上記(7)の構成によれば、第1液体供給孔、第3液体供給孔97、及び、第2液体供給孔をこの順に通って、液体が気液ループ流式撹拌混合室に供給されるとともに、気体供給室を介して気体が気液ループ流式撹拌混合室に供給される。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室内の混合流体が噴出孔から噴出されると、気液ループ流式撹拌混合室内において、気体を含んだ液体のループ状の流れが発生される。
ここで、気体供給室から気液ループ流式撹拌混合室内に供給された気体は、(a)第2液体供給孔において乱流が発生している箇所への衝突により細分化され、(b)テーパ状に形成された第2液体供給孔によって加速された高速ループ流れにおいて撹拌、剪断され、(c)気液ループ流式撹拌混合室の内壁の凹凸形状と衝突し、(d)途中で一部が第3液体供給孔から供給された加圧液体と衝突した際に発生した乱流によりさらに細分化され、(e)噴出孔において、流入してきた外部気体及び/又は外部液体と衝突して、さらに微細化され、バブル又は/及びマイクロバブルを含む混合流体として噴出孔から噴出される。これらの(a)〜(e)の工程で微細化される気泡発生のメカニズムが、ループ流式バブル発生ノズル90の特徴であり、他のノズルにない優れた点である。
さらに、(f)気体流入孔から流入してきた気体は、気体供給室において第1〜第3液体供給孔の中心軸を中心に周回されながら、周の全部または一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室内に供給される。この(f)の工程によって、気液ループ流式撹拌混合室内の真空度が向上されるため、気体流入孔から流入してくる気体の量を更に増加させることができて、気泡の発生が促進される。
したがって、従来品よりも簡易な構成でありながら、平均直径が100[μm]未満のバブル、特に、平均直径が20[μm]前後のマイクロバブルを発生させることができる。また、従来品よりも簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、テーパ状に形成された第2液体供給孔によって、高速ループ流れが加速されるため、気液ループ流式撹拌混合室内の気体を更に細分化することができる。
上記の構成のループ流式バブル発生ノズルによれば、従来品よりも簡易な構成でありながら、従来と同等以下(20[μm]前後)の径のマイクロバブルを発生させることができる。
(8) 上記(7)のループ流式バブル発生ノズルにおいては、前記第1〜第3液体供給孔を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材を備え、前記第2の管状部材が、前記第2液体供給孔の他端から前記噴出孔の側に向かって前記流入孔の中心軸に沿って延在する第1の内壁と、前記第1の内壁の前記第2液体供給孔と反対側の端部から前記噴出孔の側に向かって連続的に拡径された第2の内壁と、を備え、前記気体供給室が、前記第1の管状部材の外壁と、前記第2の管状部材の前記第2の内壁とで囲まれた空間を有し、前記第1の管状部材の前記外壁が、前記第2の管状部材の前記第2の内壁と平行な方向に傾斜していることが好ましい。
上記(8)の構成によれば、上記(7)のループ流式バブル発生ノズルと同様の効果を得ることができる。
(a)が第1の実施の形態に係るバブル発生ノズルを示す概略断面図、(b)が(a)のI−I矢視断面図、(c)が(a)のII−II矢視断面図である。 バブル発生ノズルの動作説明図である。 第1の実施の形態の変形例に係るバブル発生ノズルを示す概略断面図である。 第2の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図である。 (a)が第3の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図、(b)が第3の実施の形態の変形例に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図である。 ループ流式バブル発生ノズルの動作説明図である。 (a)が第4の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図、(b)が第4の実施の形態の変形例に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図である。 第5の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図である。 第6の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図である。 ループ流式バブル発生ノズルの動作説明図である。 第7の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズルを示す概略断面図である。
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態を図1及び図2に基づいて以下に説明する。図1(a)は、第1の実施の形態に係るバブル発生ノズル10を示す概略断面図、図1(b)は、図1(a)のI−I矢視断面図、図1(c)は、図1(a)のII−II矢視断面図である。
(バブル発生ノズル10の構成)
図1(a)に示すように、バブル発生ノズル10は、筒状部材1と、筒状部材1の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材2と、を有している。第1の管状部材2は、撹拌混合室8を取り囲む位置に設けられている。
筒状部材1は、その側部に、バブル発生ノズル10の外部と内部とが連通されて、気体が流入される1つの気体流入孔4を有している。なお、気体流入孔4の数は2つ以上であってもよい。また、筒状部材1は、その一端側の外周にネジ部(不図示)を有している。そして、例えば、ネジ部にはホース(不図示)の先端が螺合によって接続される。
筒状部材1は、その中央に、外部から加圧された液体(圧力が少しでも加えられている状態の液体。以下では、「加圧液体」とすることがある。)が供給される第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6を有している。外部から供給された加圧液体は、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6を通って、撹拌混合室8に供給される。第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の各中心軸は、撹拌混合室8の流入孔8aの中心軸と一致している。なお、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の各中心軸は、流入孔8aの中心軸から多少ずれていてもよい。さらに、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の各中心軸は、気体流入孔4の中心軸と交差されている。なお、気体流入孔4の中心軸は、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の中心軸と交差されていなくてもよい。第1液体供給孔5は、その一端から他端に向かって連続的に縮径されたテーパ状に形成されている。第2液体供給孔6は、第1液体供給孔5の他端から撹拌混合室8の一端側に向かって延在した形状を有している。第2液体供給孔6は、第1液体供給孔5から流入してくる加圧液体の流れを安定させる役割を果たしている。第1液体供給孔5にホースが接続され、ホースから加圧された液体が供給される場合には、第2液体供給孔6の軸長を第2液体供給孔6の孔径の3〜4倍程度にすればよい。第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6は、撹拌混合室8とともに、ベンチュリー効果を応用したベンチュリー管を構成し、第2液体供給孔6内における加圧液体の流れを加速させて、第2液体供給孔6内に大気圧よりも小さい負圧を発生させる役割を果たしている。
筒状部材1は、第2液体供給孔6を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材7を有している。第2の管状部材7の外壁7aの先端部分7b(外壁7aの第1液体供給孔5と反対側の端部)は、筒状部材1に第1の管状部材2が嵌め込まれた場合に、第1の管状部材2の第1の内壁2aの内側に配置されている。外壁7aの先端部分7bは、先細り形状を有している。より具体的に、外壁7aの先端部分7bは、第2液体供給孔6から径方向に遠ざかるに連れて第1液体供給孔5に近づくように傾斜したテーパ形状を有している。
第1の管状部材2は、その中央に、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室8を有している。撹拌混合室8は、液体及び気体を流入可能な流入孔8aを一端に有し、流入孔8aの中心軸(第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の各中心軸)と一致するように混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔8bを他端に有している。なお、噴出孔8bの中心軸は、流入孔8aの中心軸(第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の各中心軸)から多少ずれていてもよい。また、第1の管状部材2は、その他端側の外周にネジ部(不図示)を有している。そして、例えば、ネジ部にはシャワーヘッド(不図示)の根元が螺合によって接続される。
また、撹拌混合室8は、流入孔8aから噴出孔8bに向かって連続的に拡径されたテーパ状に形成されている。このことにより、噴出孔8bの孔径は、流入孔8aの孔径より大きくされている。なお、噴出孔8bの孔径と流入孔8aの孔径との比は、液体の圧力、粘度、流入孔から噴出孔までの距離(撹拌部の容積)、又は、噴出孔から噴出する液体の運動状態(直線運動と旋回運動)などを考慮して決定される。撹拌混合室8は、流入孔8aから撹拌混合室8内に流入してくる外部気体及び/又は外部液体の量を調節するとともに、噴出孔8bの外部側周辺の流れ(噴出孔8bからの混合流体の噴出、並びに、外部気体又は/及び外部液体の流入)を安定させる役割を果たしている。さらに、撹拌混合室8は、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6とともに、上記ベンチュリー管を構成し、第2液体供給孔6内に大気圧よりも小さい負圧を発生させる役割を果たしている。
また、第1の管状部材2は、撹拌混合室8の流入孔8aから、第2の管状部材7の外壁7aを径方向外側において取り囲む孔3cに向かって連続的に拡径されたテーパ状の第1の内壁2aを有している。この第1の内壁2aは、外壁7aの先端部分7bと平行な方向に傾斜している。本実施の形態では、第2の管状部材7を取り囲むリング状の空間3aと、第1の内壁2a及び外壁7aで囲まれた空間3b(気体供給路)と、によって気体供給室3が形成されている。第1の内壁2aと先端部分7bとで囲まれた空間が、空間3bの一部を構成している。
図1(a)に示すように、気体流入孔4と空間3bとは、空間3aによって連通されている。気体流入孔4から流入した気体は、気体供給室3において、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から空間3bを通過して、撹拌混合室8の一端側に向かって撹拌混合室8に供給されることとなる。このことにより、撹拌混合室8の内壁に沿って、気体の膜及び気泡が発生する。そして、撹拌混合室8で発生している乱流によって、気体の膜及び気泡が細分化され、マイクロバブルが発生する。
なお、筒状部材1及び第1の管状部材2には、SUS304、SUS316などの金属、樹脂、木、ガラス、セラミック、陶磁器などを用いることができるが、固体材料であればどのようなものを用いてもよい。また、部品毎に、適材適所の素材を選択してもよい。なお、樹脂、ガラス、セラミックスなどを選択すれば、腐食に強いので、バブル発生ノズル10を長寿命化することができる。
(バブル発生ノズル10の動作)
次に、図2を用いて、バブル発生ノズル10の動作について説明する。図2は、図1のバブル発生ノズル10と、バブル発生ノズル10の筒状部材1の一端側に接続されたホース11と、バブル発生ノズル10の第1の管状部材2の他端側に接続されたシャワーヘッド12と、バブル発生ノズル10の筒状部材1の気体流入孔4に接続された気体用供給管13と、気体用供給管13への外部気体の流入量を調整する絞り弁14と、を示した図である。図中の矢印は加圧液体の流れを示している。なお、簡便のため、バブル発生ノズル10のみ概略断面図で示している。また、気体用供給管13の一端は外気を取り込めるようになっており、気体用供給管13の内部には、バブルを安定して発生させることができるように、逆止弁13aが設けられている。
まず、ホース11から第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6を介して、加圧液体を撹拌混合室8に供給する。この際、加圧液体は、図2の第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6と、流入孔8a及び噴出孔8bとを結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔8bから拡がりながら噴出する。なお、加圧液体の圧力値が0.10[MPa]以上の場合、撹拌混合室8内に大きな気泡を発生させることができる。この大きな気泡は、加圧液体の流れの中で圧力差により短時間に発生及び消滅する。このことにより、激しいキャビテーションが発生し、気泡の圧壊によって、気泡の微細化が促進される。なお、上述した加圧液体の圧力値は、0.15[MPa]が最適値とされている。
また、上記ベンチュリー管の構成によって、第2液体供給孔6内は、大気圧よりも小さい負圧となっているので、気体用供給管13から気体流入孔4及び気体供給室3を介して、撹拌混合室8内に気体が流入してくる。この負圧の発生により、気体流入孔4から流入してくる気体の量を増加させることができる。このことにより、気体流入孔4から流入してきた大量の気体を、撹拌混合室8で発生している乱流によって細分化することができて、気泡の発生効率が向上される。
さらに、気体流入孔4から流入してきた気体は、気体供給室3において第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から撹拌混合室8の一端側に向かって撹拌混合室内に供給される。このことにより、撹拌混合室8内の真空度が向上されるため、気体流入孔4から流入してくる気体の量をさらに増加させることができて、気泡の発生が促進される。
これらのような一連の動作によって、バブル又は/及びマイクロバブルが、次から次へと連続的に発生する。
ここで、撹拌混合室8によって、流入孔8aから撹拌混合室8内に流入してくる外部気体及び/又は外部液体の量が調節されているとともに、噴出孔8bの外部側周辺の流れ(噴出孔8bからの混合流体の噴出、並びに、外部気体又は/及び外部液体の流入)が安定されている。
なお、マイクロバブルの径及び発生量は、第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6から供給される液体圧と、気体流入孔4から流入する気体量で決まるが、20[μm]前後のマイクロバブルが必要な場合は、流入する気体量を極力少なくするかゼロにすればよい。
上記の構成のバブル発生ノズル10によれば、上記したような動作が行われるので、従来品よりも簡易な構成でありながら、従来と同等以下(20[μm]前後)の径のマイクロバブルを発生させることができる。また、筒状部材1の他端側に第1の管状部材2が嵌め込まれる簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
なお、上記したバブル発生ノズル10の動作では、加圧液体を第1液体供給孔5及び第2液体供給孔6から撹拌混合室8に供給した場合について説明したが、これに限られず、海水又は水道水を供給しても、マイクロバブルを発生させることができる。
[第1の実施の形態の変形例]
次に、本発明の第1の実施の形態の変形例に係るバブル発生ノズルについて説明する。図3は、第1の実施の形態の変形例に係るバブル発生ノズル20を示す概略断面図である。なお、第1実施の形態の部位1、2、4〜6、8と、本実施の形態の部位21、22、24〜26、28とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(バブル発生ノズル20の構成)
図3に示すように、バブル発生ノズル20は、筒状部材21と、筒状部材21の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材22と、を有している。第1の管状部材22は、撹拌混合室28を取り囲む位置に設けられている。
筒状部材21は、第2液体供給孔26の一部を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材27を有している。第2液体供給孔26は、該第2液体供給孔26の一端と流入孔28aとで両端が閉じられた略円柱状の空間として形成されている。そして、気体供給室23の空間23bは、第2液体供給孔26の途中部分(本実施形態では中央部分)に設けられている。このことにより、気体供給室23の空間23bは、第2液体供給孔2の中央部分と連通している。なお、空間23bは、該中央部分よりも第2液体供給孔26の一端側に多少ずれていてもよく、該中央部分よりも流入孔28a側に多少ずれていてもよい。
その他の構成及び動作は、第1の実施の形態と同じであるため、その説明を省略する。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のバブル発生ノズル10、20は、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、液体及び気体を流入可能な流入孔8a、28aを一端に有し、流入孔8a、28aの中心軸と一致するように混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔8b、28bを他端に有し、流入孔8a、28aから噴出孔8b、28bに向かって連続的に拡径された撹拌混合室8、28と、加圧された液体を撹拌混合室8、28に供給可能に流入孔8a、28aの中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔5、25と、加圧された液体を撹拌混合室8、28に供給可能に流入孔8a、28aの中心軸と一致するように設けられ、第1液体供給孔5、25の他端から撹拌混合室8、28の一端側に向かって延在する第2液体供給孔6、26と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔4、24と、撹拌混合室8の一端側、又は、第2液体供給孔26の途中に設けられ、気体流入孔4、24から流入した気体を第1液体供給孔5、25及び第2液体供給孔6、26の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から撹拌混合室8、28の一端側に向かって撹拌混合室8、28に供給する気体供給室3、23と、を有する構成にされている。
上記構成によれば、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔5、25と、第1液体供給孔5、25の他端から撹拌混合室8、28の一端側に向かって延在する第2液体供給孔6、26と、流入孔8a、28aから噴出孔8b、28bに向かって連続的に拡径された撹拌混合室8、28と、によって、所謂ベンチュリー型のバブル発生ノズル10、20を構成することができる。このベンチュリー効果を利用すれば、第1液体供給孔5、25と撹拌混合室8、28との間に設けられた第2液体供給孔6、26内において液体を高速で通過させることによって、第2液体供給孔6、26内に大気圧よりも小さい負圧を発生させることができる。この負圧の発生により、気体流入孔4、24から流入してきた気体を撹拌混合室8、28に容易に供給することができる。その結果、気体流入孔4、24から流入してきた気体を、撹拌混合室8、28で発生している乱流によって細分化することで、気泡の発生効率を容易に向上させることができる。
また、気体流入孔4、24から流入してきた気体は、気体供給室3、23において第1液体供給孔5、25及び第2液体供給孔6、26の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から撹拌混合室8、28の一端側に向かって撹拌混合室8、28内に供給される。このことにより、撹拌混合室8、28内の真空度が向上されるため、気体流入孔4、24から流入してくる気体の量をさらに増加させることができ、気泡の発生をより促進することができる。
また、従来品よりも簡易な構成でありながら、平均直径が100[μm]未満のバブル、特に、平均直径が20[μm]前後のマイクロバブルを容易に発生させることができる。また、従来品よりも簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、本実施の形態のバブル発生ノズル10、20においては、撹拌混合室8、28を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材2、22と、第2液体供給孔6、26を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材7、27と、を備え、第1の管状部材2、22が、撹拌混合室8、28の流入孔8a、28aから第2の管状部材7、27の外側に向かって連続的に拡径された第1の内壁2a、22aを有し、気体供給室3、23が、第1の管状部材2、22の第1の内壁2a、22aと、第2の管状部材7、27の外壁7a、27aとで囲まれた空間を有し、第2の管状部材7、27の外壁7a、27aが、第1の管状部材2、22の第1の内壁2a、22aと平行な方向に傾斜している構成にされている。
上記構成によれば、気体供給室3、23が、第1の管状部材2、22の第1の内壁2a、22aと平行な方向に傾斜しているので、気体流入孔4、24から流入してきた気体を第1の内壁2a、22aと平行な方向(流入孔8a、28aの中心軸に対して傾斜した方向)に液体と衝突させることができるので、流入孔8a、28aの中心軸に沿う方向に衝突させた場合よりも気泡の発生効率を向上させることができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態を図4に基づいて以下に説明する。図4は、第2の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズル30を示す概略断面図である。なお、第1実施の形態の部位1、3〜7と、本実施の形態の部位31、33〜37とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(ループ流式バブル発生ノズル30の構成)
図4に示すように、ループ流式バブル発生ノズル30は、筒状部材31と、筒状部材31の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材32と、を有している。第1の管状部材32は、気液ループ流式撹拌混合室38を取り囲む位置に設けられている。
第1の管状部材32は、気液ループ流式撹拌混合室38の流入孔38aから、第2の管状部材37の外壁37aを径方向外側において取り囲む孔33cに向かって連続的に拡径されたテーパ状の第1の内壁32aと、流入孔38aを取り囲むように流入孔38aの径方向外側に設けられた第2の内壁32bと、を有している。さらに、第1の管状部材32は、第2の内壁32bの径方向外側の端部から流入孔38aの中心軸に沿って気液ループ流式撹拌混合室38の他端側に向けて延在する第3の内壁32cと、第3の内壁32cの流入孔38aと反対側の端部から噴出孔38bに向かって連続的に拡径された第4の内壁32dと、を有している。
(ループ流式バブル発生ノズル30の動作)
次に、図4を用いて、ループ流式バブル発生ノズル30の動作について説明する。図中の矢印は、筒状部材31の一端側にホース(不図示)を接続し、第1の管状部材32の他端側にシャワーヘッド(不図示)を接続し、気体流入孔34に気体用供給管(不図示)を接続した場合の液体の流れを示している。まず、ホース(不図示)から第1液体供給孔35及び第2液体供給孔36を介して、加圧液体が気液ループ流式撹拌混合室38に供給される。この際、加圧液体は、図4の第1液体供給孔35及び第2液体供給孔36と、流入孔38a及び噴出孔38bとを結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔38bから拡がりながら噴出するとともに、その一部が高速ループ流れ(図4の気液ループ流式撹拌混合室38内の略楕円状部分)を形成する。この際、加圧液体の一部によって、高速ループ流れの速度が更に増加される。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のループ流式バブル発生ノズル30において、流入孔38aを取り囲む第2の内壁32bと、第2の内壁32bの径方向外側の端部から流入孔38aの中心軸に沿って延在する第3の内壁32cと、を設けることによって、気体を含んだ液体のループ流れ(第1液体供給孔35及び第2液体供給孔36から噴出孔38bへ向う液体の流れに沿って流れた後、途中で反転して、第3の内壁32c及び第2の内壁32bに沿って流れ、再び、第1液体供給孔35及び第2液体供給孔36から供給された液体の流れに沿って流れるという一連の流れ)を発生させることができる。この際、上記ループ流れによって、気体流入孔34から流入してくる気体が気液ループ流式撹拌混合室38内に引っ張り込まれる。このことにより、気体流入孔34から流入してくる気体を気液ループ流式撹拌混合室38内に効率的に引き込むことができる。なお、発生するループ流れの速度は、液体又は気体の供給量及び圧力によって、低速から高速まで、ある程度コントロールすることが可能である。したがって、液体又は気体の供給量及び圧力を調整し、さらにループ流れの速度を増加させることで、高速ループ流れを形成することも可能である。
さらに、第2の内壁32bに沿う流れにより、気体流入孔34から流入してきた気体が剪断されることによって細分化されるので、気泡の発生効率を向上させることができる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態を図5(a)に基づいて以下に説明する。図5(a)は、第3の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズル40を示す概略断面図である。
(ループ流式バブル発生ノズル40の構成)
図5(a)に示すように、ループ流式バブル発生ノズル40は、筒状部材41と、筒状部材41の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材42と、を有している。第1の管状部材42は、気液ループ流式撹拌混合室48を取り囲む位置に設けられている。
筒状部材41は、その側部に、ループ流式バブル発生ノズル40の外部と内部とが連通されて、気体が流入される1つの気体流入孔44を有している。なお、気体流入孔44の数は2つ以上であってもよい。また、筒状部材41は、その一端側の外周にネジ部(不図示)を有している。そして、例えば、ネジ部にはホース(不図示)の先端が螺合によって接続される。
筒状部材41は、その中央に、加圧液体が供給される第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46を有している。外部から供給された加圧液体は、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46を通って、気液ループ流式撹拌混合室48に供給される。第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の各中心軸は、気液ループ流式撹拌混合室48の流入孔48aの中心軸と一致している。なお、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の各中心軸は、流入孔48aの中心軸から多少ずれていてもよい。さらに、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の各中心軸は、気体流入孔44の中心軸と交差されている。なお、気体流入孔44の中心軸は、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の中心軸と交差されていなくてもよい。第1液体供給孔45は、その一端から他端に向かって連続的に縮径されたテーパ状に形成されている。第2液体供給孔46は、第1液体供給孔45の他端から気液ループ流式撹拌混合室48の一端側に向かって延在した形状を有している。第2液体供給孔46は、第1液体供給孔45から流入してくる加圧液体の流れを安定させる役割を果たしている。
筒状部材41は、第2液体供給孔46を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材47を有している。第2の管状部材47の外壁47aの先端部分47b(外壁47aの第1液体供給孔45と反対側の端部)は、筒状部材41に第1の管状部材42が嵌め込まれた場合に、第1の管状部材42の第1の内壁42aの内側に配置されている。
第1の管状部材42は、その中央に、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする気液ループ流式撹拌混合室48を有している。気液ループ流式撹拌混合室48は、液体及び気体を流入可能な流入孔48aを一端に有し、流入孔48aの中心軸(第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の各中心軸)と一致するように混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔48bを他端に有している。なお、噴出孔48bの中心軸は、流入孔48aの中心軸(第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の各中心軸)から多少ずれていてもよい。また、第1の管状部材42は、その他端側の外周にネジ部(不図示)を有している。そして、例えば、ネジ部にはシャワーヘッド(不図示)の根元が螺合によって接続される。
また、第1の管状部材42は、流入孔48aから噴出孔48bの側に向かって流入孔48aの中心軸に沿って延在する第1の内壁42aと、第1の内壁42aの流入孔48aと反対側の端部から噴出孔48bの側に向かって連続的に拡径された第2の内壁42bと、第2の内壁42bの第1の内壁42aと反対側の端部から噴出孔48bに向かって流入孔48aの中心軸に沿って延在する第3の内壁42cと、を有している。本実施の形態では、第2の管状部材47を取り囲むリング状の空間43aと、第1の内壁42a及び外壁47aで囲まれた空間43bと、によって気体供給室43が形成されている。
図5(a)に示すように、気体流入孔44と空間43bとは、空間43aによって連通されている。気体流入孔44から流入した気体は、気体供給室43において、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から空間43bを通過して、気液ループ流式撹拌混合室48の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室48に供給されることとなる。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室48の内壁に、気体の膜及び気泡、マイクロバブルが発生されるとともに、高速ループ流れが加速される。
なお、筒状部材41及び第1の管状部材42には、SUS304、SUS316などの金属、樹脂、木、ガラス、セラミック、陶磁器などを用いることができるが、固体材料であればどのようなものを用いてもよい。また、部品毎に、適材適所の素材を選択してもよい。なお、樹脂、ガラス、セラミックスなどを選択すれば、腐食に強いので、ループ流式バブル発生ノズル40を長寿命化することができる。
なお、気液ループ流式撹拌混合室48の内壁には、凹凸形状(例えば、いわゆる鮫肌又はセラミックの溶射肌と同様のもの、又は、単なる突起形状など)が形成されているが、内壁全体に施されている必要はなく、一部に形成されているだけでもよい。この凹凸形状は、高速ループ流れを加速させ、気液ループ流式撹拌混合室48内の真空度を高くする役割を果たしている。実際の実験においても、気液ループ流式撹拌混合室48の内壁にセラミックの溶射肌を施すと、真空度が高くなった。
(ループ流式バブル発生ノズル40の動作)
次に、図6を用いて、ループ流式バブル発生ノズル40の動作について説明する。図6は、図5(a)のループ流式バブル発生ノズル40と、ループ流式バブル発生ノズル40の筒状部材41の一端側に接続されたホース111と、ループ流式バブル発生ノズル40の第1の管状部材42の他端側に接続されたシャワーヘッド112と、ループ流式バブル発生ノズル40の筒状部材41の気体流入孔44に接続された気体用供給管113と、気体用供給管113への外部気体の流入量を調整する絞り弁114と、を示した図である。図中の矢印は加圧液体の流れを示している。なお、簡便のため、ループ流式バブル発生ノズル40のみ概略断面図で示している。また、気体用供給管113の一端は外気を取り込めるようになっており、気体用供給管113の内部には、バブルを安定して発生させることができるように、逆止弁113aが設けられている。
まず、ホース111から第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46を介して、加圧液体を気液ループ流式撹拌混合室48に供給する。この際、加圧液体は、図6の第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46と、流入孔48a及び噴出孔48bと、を結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔48bから拡がりながら噴出するとともに、その一部が途中で反転して、第3の内壁42c及び第2の内壁42bに沿って流れ、再び、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46から供給された液体の流れに沿って流れるという高速ループ流れ(図6の気液ループ流式撹拌混合室48内の略楕円状部分)を形成する。この際、加圧液体の一部によって、高速ループ流れの速度がさらに増加される。このことにより、高速ループ流れによって、気体流入孔34から流入してくる気体が剪断され、気泡の発生が促進される。
また、気液ループ流式撹拌混合室48内は負圧となっているので、気体用供給管113から気体供給室43を介して、気液ループ流式撹拌混合室48内に気体が流入してくる。
また、第2の内壁42bが、第1の内壁42aの流入孔48aと反対側の端部から噴出孔48bの側に向かって連続的に拡径した傾斜壁(第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46から噴出孔48bへ向う方向に対して傾斜した壁)として形成されているので、第2の内壁42bにおいて該傾斜方向を持ったベクトル成分のうち、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46から噴出孔48bへ向う方向のベクトル成分の持つ力と、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46から噴出孔48bへ向う方向に相反して第3の内壁42cに沿う流れの力と、を正面衝突させることができる。この衝突エネルギーにより、気体の細分化が促進され、気泡の発生をより一層促進することできる。
また、気体流入孔44から流入してきた気体は、気体供給室43において第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室48の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室48内に供給される。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室48内の真空度が向上されるため、気体流入孔44から流入してくる気体の量をさらに増加させることができ、気泡の発生をより促進することができる。
これらのような一連の動作によって、バブル又は/及びマイクロバブルが、次から次へと連続的に発生する。
ここで、気液ループ流式撹拌混合室48によって、流入孔48aから気液ループ流式撹拌混合室48内に流入してくる外部気体及び/又は外部液体の量が調節されているとともに、噴出孔48bの外部側周辺の流れ(噴出孔48bからの混合流体の噴出、並びに、外部気体又は/及び外部液体の流入)が安定されている。
なお、マイクロバブルの径及び発生量は、第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46から供給される液体圧と、気体流入孔44から流入する気体量で決まるが、20[μm]前後のマイクロバブルが必要な場合は、流入する気体量を極力少なくするかゼロにすればよい。
上記の構成のループ流式バブル発生ノズル40によれば、上記したような動作が行われるので、従来品よりも簡易な構成でありながら、従来と同等以下(20[μm]前後)の径のマイクロバブルを発生させることができる。また、筒状部材41の他端側に第1の管状部材42が嵌め込まれる簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、気液ループ流式撹拌混合室48が略円柱型の空間であるので、高速ループ流れを容易に形成することができ、上記の動作を容易に得ることができる。
また、気液ループ流式撹拌混合室48の内壁に凹凸形状が形成されているので、高速ループ流れをしている液体と気体との混合流体が凹凸形状に衝突することによって、気液ループ流式撹拌混合室48内の気体をさらに細分化することができるとともに、高速ループ流れを加速させ、気液ループ流式撹拌混合室48内の真空度を高くすることができる。
なお、上記したループ流式バブル発生ノズル40の動作では、加圧液体を第1液体供給孔45及び第2液体供給孔46から気液ループ流式撹拌混合室48に供給した場合について説明したが、これに限られず、海水又は水道水を供給しても、マイクロバブルを発生させることができる。
[第3の実施の形態の変形例]
次に、本発明の第3の実施の形態の変形例に係るループ流式バブル発生ノズルについて説明する。図5(b)は、第3の実施の形態の変形例に係るループ流式バブル発生ノズル50を示す概略断面図である。なお、第3実施の形態の部位42〜48と、本実施の形態の部位52〜58とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(ループ流式バブル発生ノズル50の構成)
図5(b)に示すように、ループ流式バブル発生ノズル50は、筒状部材51と、筒状部材51の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材52と、を有している。第1の管状部材52は、気液ループ流式撹拌混合室58を取り囲む位置に設けられている。
筒状部材51は、その中央に、加圧液体が供給される第1液体供給孔55、第2液体供給孔56、及び、第3液体供給孔59を有している。外部から供給された加圧液体は、第3液体供給孔59、第1液体供給孔55、及び、第2液体供給孔56をこの順に通って、気液ループ流式撹拌混合室58に供給される。第1液体供給孔55、第2液体供給孔56、及び、第3液体供給孔59の各中心軸は、気液ループ流式撹拌混合室58の流入孔58aの中心軸と一致している。なお、第1液体供給孔55、第2液体供給孔56、及び、第3液体供給孔59の各中心軸は、流入孔58aの中心軸から多少ずれていてもよい。さらに、第1液体供給孔55、第2液体供給孔56、及び、第3液体供給孔59の各中心軸は、気体流入孔54の中心軸と交差されている。なお、気体流入孔54の中心軸は、第1液体供給孔55、第2液体供給孔56、及び、第3液体供給孔59の中心軸と交差されていなくてもよい。第1液体供給孔55は、その一端から他端に向かって連続的に縮径されたテーパ状に形成されている。第2液体供給孔56は、第1液体供給孔55の他端から気液ループ流式撹拌混合室58の一端側に向かって延在した形状を有している。
筒状部材51は、第1液体供給孔55の一端を取り囲むように第1液体供給孔55の一端の径方向外側に設けられた内壁51aを有している。第3液体供給孔59は、内壁51aの径方向外側の端部から第1液体供給孔55の中心軸に沿って第1液体供給孔55の反対側に向けて延在している。
その他の構成及び動作は、第3の実施の形態と同じであるため、その説明を省略する。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のループ流式バブル発生ノズル40、50は、液体及び気体をループ状の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、液体及び気体を流入可能な流入孔48a、58aを一端に有し、流入孔48a、58aの中心軸と一致するように混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔48b、58bを他端に有する気液ループ流式撹拌混合室48、58と、加圧された液体を気液ループ流式撹拌混合室48、58に供給可能に流入孔48a、58aの中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔45、55と、加圧された液体を気液ループ流式撹拌混合室48、58に供給可能に流入孔48a、58aの中心軸と一致するように設けられ、第1液体供給孔45、55の他端から気液ループ流式撹拌混合室48、58の一端側に向かって延在する第2液体供給孔46、56と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔44、54と、気液ループ流式撹拌混合室48、58の一端側に設けられ、気体流入孔44、54から流入した気体を第1液体供給孔45、55及び第2液体供給孔46、56の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室48、58の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室48、58に供給する気体供給室43、53と、気液ループ流式撹拌混合室48、58を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材42、52と、を備え、第1の管状部材42、52が、流入孔48a、58aから噴出孔48b、58bの側に向かって流入孔48a、58aの中心軸に沿って延在する第1の内壁42a、52aと、第1の内壁42a、52aの流入孔48a、58aと反対側の端部から噴出孔48b、58bの側に向かって連続的に拡径された第2の内壁42b、52bと、第2の内壁42b、52bの第1の内壁42a、52aと反対側の端部から噴出孔48b、58bに向かって流入孔48a、58aの中心軸に沿って延在する第3の内壁42c、52cと、を有する構成にされている。
上記構成によれば、第1の内壁42a、52aの流入孔48a、58aと反対側の端部から連続的に拡径された第2の内壁42b、52bと、第2の内壁42b、52bの第1の内壁42a、52aと反対側の端部から延在する第3の内壁42c、52cと、を設けることによって、ループ流れ(第1液体供給孔45、55及び第2液体供給孔46、56から噴出孔48b、58bへ向う液体の流れに沿って流れた後、途中で反転して、第3の内壁42c、52c及び第2の内壁42b、52bに沿って流れ、再び、第1液体供給孔45、55及び第2液体供給孔46、56から供給された液体の流れに沿って流れるという一連の流れ)を発生させることができる。なお、発生するループ流れの速度は、液体又は気体の供給量及び圧力によって、低速から高速まで、ある程度コントロールすることが可能である。したがって、液体又は気体の供給量及び圧力を調整し、さらにループ流れの速度を増加させることで、高速ループ流れを形成することも可能である。
また、第2の内壁42b、52bが、第1の内壁42a、52aの流入孔48a、58aと反対側の端部から噴出孔48b、58bの側に向かって連続的に拡径した傾斜壁(第1液体供給孔45、55及び第2液体供給孔46、56から噴出孔48b、58bへ向う方向に対して傾斜した壁)として形成されているので、第2の内壁42b、52bに沿うループ流れの力のうち、噴出孔48b、58bから流入孔48a、58aに向かう成分の持つ力(図5(a)及び図5(b)に示すY軸方向の力の成分)と、流入孔から噴出孔の側に向かって気体供給室43、53の空間43b、53b内を流れる気体の持つ力(図5(a)及び図5(b)に示すY軸方向の力の成分)と、を正面衝突させることができる。この衝突エネルギーにより、気体の細分化が促進され、気泡の発生をより一層促進することできる。
また、気体流入孔44、54から流入してきた気体は、気体供給室43、53において第1液体供給孔45、55及び第2液体供給孔46、56の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室48、58の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室48、58内に供給される。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室48、58内の真空度が向上されるため、気体流入孔44、54から流入してくる気体の量をさらに増加させることができ、気泡の発生をより促進することができる。
また、従来品よりも簡易な構成でありながら、平均直径が100[μm]未満のバブル、特に、平均直径が20[μm]前後のマイクロバブルを容易に発生させることができる。また、従来品よりも簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、第3液体供給孔59を形成することで、第3液体供給孔59を取り囲む筒状部材51の内周又は外周に、ホースの先端を螺合可能なネジ部を設けることができる。このことにより、ループ流式バブル発生ノズル50のコンパクト化を図ることができる。
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態を図7(a)に基づいて以下に説明する。図7(a)は、第4の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズル60を示す概略断面図である。なお、第3実施の形態の部位44〜46と、本実施の形態の部位64〜66とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(ループ流式バブル発生ノズル60の構成)
図7(a)に示すように、ループ流式バブル発生ノズル60は、筒状部材61と、筒状部材61の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材62と、を有している。第1の管状部材62は、気液ループ流式撹拌混合室68を取り囲む位置に設けられている。
筒状部材61は、第2液体供給孔66を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材67を有している。第2の管状部材67の外壁67aの先端部分67b(外壁67aの第1液体供給孔65と反対側の端部)は、筒状部材61に第1の管状部材62が嵌め込まれた場合に、第1の管状部材62の第1の内壁62aの内側に配置されている。外壁67aの先端部分67bは、先細り形状を有している。より具体的に、外壁67aの先端部分67bは、第2液体供給孔66から径方向に遠ざかるに連れて第1液体供給孔65に近づくように傾斜したテーパ形状を有している。
第1の管状部材62は、第1の内壁62a、第2の内壁62b、及び、第3の内壁62cを有している。第2の内壁62bは、第1の内壁62aの流入孔68aと反対側の端部から噴出孔68bの側に向かって連続的に拡径されている。第3の内壁62cは、第2の内壁62bの第1の内壁62aと反対側の端部から噴出孔68bに向かって流入孔68aの中心軸に沿って延在している。第1の内壁62aは、第2の内壁62bから流入孔68aに向かって連続的に拡径されたテーパ状に形成されている。この第1の内壁62aは、第2の管状部材67の外壁67aの先端部分67bと平行な方向に傾斜している。第2の管状部材67を取り囲むリング状の空間63aと、第1の内壁62a及び外壁67aで囲まれた空間63bと、によって気体供給室63が形成されている。そして、第1の内壁62aと先端部分67bとで囲まれた空間が、空間63bの一部を構成している。
(ループ流式バブル発生ノズル60の動作)
次に、図7(a)を用いて、ループ流式バブル発生ノズル60の動作について説明する。図中の矢印は、筒状部材61の一端側にホース(不図示)を接続し、第1の管状部材62の他端側にシャワーヘッド(不図示)を接続し、気体流入孔64に気体用供給管(不図示)を接続した場合の液体の流れを示している。まず、ホース(不図示)から第1液体供給孔65及び第2液体供給孔66を介して、加圧液体が気液ループ流式撹拌混合室68に供給される。この際、加圧液体は、図7(a)の第1液体供給孔65及び第2液体供給孔66と、流入孔68a及び噴出孔68bとを結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔68bから拡がりながら噴出するとともに、その一部が高速ループ流れ(図7(a)の気液ループ流式撹拌混合室68内の略楕円状部分)を形成する。この際、加圧液体の一部によって、高速ループ流れの速度が更に増加される。このことにより、高速ループ流れによって、気体流入孔64から流入してくる気体が剪断され、気泡の発生が促進される。
[第4の実施の形態の変形例]
次に、本発明の第4の実施の形態の変形例に係るループ流式バブル発生ノズルについて説明する。図7(b)は、第4の実施の形態の変形例に係るループ流式バブル発生ノズル70を示す概略断面図である。なお、第4実施の形態の部位62〜68と、本実施の形態の部位72〜78とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(ループ流式バブル発生ノズル70の構成)
図7(b)に示すように、ループ流式バブル発生ノズル70は、筒状部材71と、筒状部材71の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれ、気液ループ流式撹拌混合室78を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材72と、を有している。
筒状部材71は、その中央に、加圧液体が供給される第1液体供給孔75、第2液体供給孔76、及び、第3液体供給孔79を有している。外部から供給された加圧液体は、第3液体供給孔79、第1液体供給孔75、及び、第2液体供給孔76をこの順に通って、気液ループ流式撹拌混合室78に供給される。第1液体供給孔75、第2液体供給孔76、及び、第3液体供給孔79の各中心軸は、気液ループ流式撹拌混合室78の流入孔78aの中心軸と一致している。なお、第1液体供給孔75、第2液体供給孔76、及び、第3液体供給孔79の各中心軸は、流入孔78aの中心軸から多少ずれていてもよい。さらに、第1液体供給孔75、第2液体供給孔76、及び、第3液体供給孔79の各中心軸は、気体流入孔74の中心軸と交差されている。なお、気体流入孔74の中心軸は、第1液体供給孔75、第2液体供給孔76、及び、第3液体供給孔79の中心軸と交差されていなくてもよい。第1液体供給孔75は、その一端から他端に向かって連続的に縮径されたテーパ状に形成されている。第2液体供給孔76は、第1液体供給孔75の他端から気液ループ流式撹拌混合室78の一端側に向かって延在した形状を有している。
筒状部材71は、第1液体供給孔75の一端を取り囲むように第1液体供給孔75の一端の径方向外側に設けられた内壁71aを有している。第3液体供給孔79は、内壁71aの径方向外側の端部から第1液体供給孔75の中心軸に沿って第1液体供給孔75の反対側に向けて延在している。
その他の構成及び動作は、第4の実施の形態と同じであるため、その説明を省略する。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のループ流式バブル発生ノズル60、70において、第2液体供給孔66、76を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材67、77を備え、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72aが、第2の内壁62b、72bから流入孔68a、78aに向かって連続的に拡径しており、気体供給室63、73が、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72aと、第2の管状部材67、77の外壁67a、77aとで囲まれた空間を有し、第2の管状部材67、77の外壁67a、77aが、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72aと平行な方向に傾斜して構成されている。
上記構成によれば、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72aが、第2の内壁62b、72bから流入孔68a、78aに向かって連続的に拡径した傾斜壁として形成されているとともに、第2の管状部材67、77の外壁67a、77aが、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72aと平行な方向に傾斜しているので、第2の内壁62b、72bに沿うループ流れの力のうち、噴出孔68b、78bから流入孔68a、78aに向かう成分の持つ力(図7(a)及び図7(b)に示すY軸方向の力の成分)と、第2の管状部材67、77の外壁67a、77aに沿って気体供給室63、73の空間63b、73b内を流れる気体の持つ力のうち、流入孔68a、78aから噴出孔68b、78bの側に向かって流れる成分の持つ力(図7(a)及び図7(b)に示すY軸方向の力の成分)と、を正面衝突させることができる。このことにより、気体供給室63、73の空間63b、73bの出口で、液体と気体の流れが剪み込まれるように合流して、気液混合が大幅に促進される。
さらに、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72aが、第2の内壁62b、72bから流入孔68a、78aに向かって連続的に拡径した傾斜壁として形成されているので、第1の管状部材62、72の第1の内壁62a、72a及び第2の内壁62b、72bのなす角度を、気体流入孔64、74から流入してきた気体の流れをループ流によって剪断し易く、気体の流れに衝撃を与え易い角度に設定できる。このことにより、気体の細分化が促進され、気泡の発生をより一層促進することできる。なお、第1の内壁62a、72a及び第2の内壁62b、72bのなす角度は、第2の内壁62b、72bと、第2液体供給孔66、76の中心軸と、がなす角度を2等分した角度であることが好ましい。このことにより、気体流入孔64、74から流入してきた気体の流れをループ流によって最も剪断し易く、気体の流れに最も衝撃を与え易い最適な位置に、気体供給室63、73の空間63b、73bを配置できる。
さらに、第3液体供給孔79を形成することで、第3液体供給孔79を取り囲む筒状部材71の内周又は外周に、ホースの先端を螺合可能なネジ部を設けることができる。このことにより、ループ流式バブル発生ノズル70のコンパクト化を図ることができる。
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態を図8に基づいて以下に説明する。図8は、第5の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズル80を示す概略断面図である。なお、第4実施の形態の部位61、63〜46と、本実施の形態の部位81、83〜86とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(ループ流式バブル発生ノズル80の構成)
図8に示すように、ループ流式バブル発生ノズル80は、筒状部材81と、筒状部材81の他端側に螺合又は圧入によって嵌め込まれた第1の管状部材82と、を有している。第1の管状部材82は、気液ループ流式撹拌混合室88を取り囲む位置に設けられている。
第1の管状部材82は、第1の内壁82a、第2の内壁82b、第3の内壁82c、及び、第4の内壁82dを有している。第2の内壁82bは、第1の内壁82aの流入孔88aと反対側の端部から噴出孔88bの側に向かって連続的に拡径されている。第3の内壁82cは、第2の内壁82bの第1の内壁82aと反対側の端部から噴出孔88bの側に向かって流入孔88aの中心軸に沿って延在している。第4の内壁82dは、第3の内壁82cの第2の内壁82bと反対側の端部から噴出孔88bに向かって連続的に拡径されている。第1の内壁82aは、第2の管状部材87の外壁87aの先端部分87bと平行な方向に傾斜している。第2の管状部材87を取り囲むリング状の空間83aと、第1の内壁82a及び外壁87aで囲まれた空間83bと、によって気体供給室83が形成されている。そして、第1の内壁82aと先端部分87bとで囲まれた空間が、空間83bの一部を構成している。
(ループ流式バブル発生ノズル80の動作)
次に、図8を用いて、ループ流式バブル発生ノズル80の動作について説明する。図中の矢印は、筒状部材81の一端側にホース(不図示)を接続し、第1の管状部材82の他端側にシャワーヘッド(不図示)を接続し、気体流入孔84に気体用供給管(不図示)を接続した場合の液体の流れを示している。まず、ホース(不図示)から第1液体供給孔85及び第2液体供給孔86を介して、加圧液体が気液ループ流式撹拌混合室88に供給される。この際、加圧液体は、図8の第1液体供給孔85及び第2液体供給孔86と、流入孔88a及び噴出孔88bとを結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔88bから拡がりながら噴出するとともに、その一部が高速ループ流れ(図8の気液ループ流式撹拌混合室88内の略楕円状部分)を形成する。この際、加圧液体の一部によって、高速ループ流れの速度が更に増加される。このことにより、高速ループ流れによって、気体流入孔84から流入してくる気体が剪断され、気泡の発生が促進される。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のループ流式バブル発生ノズル80において、第1の管状部材82が、第3の内壁82cの第2の内壁82bと反対側の端部から噴出孔88bに向かって連続的に拡径された第4の内壁82dを有する構成にされている。
上記構成によれば、第3の内壁82cの第2の内壁82bと反対側の端部から噴出孔88bに向かって連続的に拡径された第4の内壁82dを設けることによって、ループ流れ(第1液体供給孔85及び第2液体供給孔86から噴出孔88bへ向う液体の流れに沿って流れた後、途中で反転して、第3の内壁82c及び第2の内壁82bに沿って流れ、再び、第1液体供給孔85及び第2液体供給孔86から供給された液体の流れに沿って流れるという一連の流れ)を発生させることができる。
さらに、第2の内壁82bに沿うループ流れの力のうち、噴出孔88bから流入孔88aに向かう成分の持つ力(図8に示すY軸方向の力の成分)と、第2の管状部材87の外壁87aに沿って気体供給室83の空間83b内を流れる気体の持つ力のうち、流入孔88aから噴出孔88bの側に向かって流れる成分の持つ力(図8に示すY軸方向の力の成分)と、を正面衝突させることができる。このことにより、気体供給室83の空間83b出口で、液体と気体の流れが剪み込まれるように合流して、気液混合が大幅に促進される。
[第6の実施の形態]
次に、本発明の第6の実施の形態を図9に基づいて以下に説明する。図9は、第6の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズル90を示す概略断面図である。
(ループ流式バブル発生ノズル90の構成)
図9に示すように、ループ流式バブル発生ノズル90は、第1の管状部材91と、第1の管状部材91が螺合又は圧入によって嵌め込まれた第2の管状部材92と、を有している。第2の管状部材92は、第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、第3液体供給孔97、及び、第4液体供給孔99を取り囲む位置に設けられている。
第1の管状部材91は、その内部に、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする気液ループ流式撹拌混合室98を有している。気液ループ流式撹拌混合室98は、液体及び気体を流入可能な流入孔98aを一端に有し、流入孔98aの中心軸と一致するように混合流体を噴出可能に設けられた流入孔98aを他端に有している。なお、噴出孔98bの中心軸は、流入孔98aの中心軸から多少ずれていてもよい。また、第1の管状部材91は、その他端側の外周にネジ部(不図示)を有している。そして、例えば、ネジ部にはシャワーヘッド(不図示)の根元が螺合によって接続される。
第2の管状部材92は、その中央に、加圧液体が供給される第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、第3液体供給孔97、及び、第4液体供給孔99を有している。外部から供給された加圧液体は、第4液体供給孔99、第1液体供給孔95、第3液体供給孔97、及び、第2液体供給孔96をこの順に通って、気液ループ流式撹拌混合室98に供給される。第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、第3液体供給孔97、及び、第4液体供給孔99の各中心軸は、気液ループ流式撹拌混合室98の流入孔98aの中心軸と一致している。なお、第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、第3液体供給孔97、及び、第4液体供給孔99の各中心軸は、流入孔98aの中心軸から多少ずれていてもよい。さらに、第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、第3液体供給孔97、及び、第4液体供給孔99の各中心軸は、気体流入孔94の中心軸と交差されている。なお、気体流入孔94の中心軸は、第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、第3液体供給孔97、及び、第4液体供給孔99の中心軸と交差されていなくてもよい。第1液体供給孔95は、その一端から他端に向かって連続的に縮径されたテーパ状に形成されている。第2液体供給孔96は、その一端から他端に向かって連続的に拡径されたテーパ状に形成されている。第3液体供給孔97は、第1液体供給孔95の他端、及び、第2液体供給孔96の一端を接続可能に形成されている。第4液体供給孔99は、第1液体供給孔95の一端から第1液体供給孔95の中心軸に沿って第1液体供給孔95の反対側に延在している。
また、第2の管状部材92は、その側部に、ループ流式バブル発生ノズル90の外部と内部とが連通されて、気体が流入される1つの気体流入孔94を有している。なお、気体流入孔94の数は2つ以上であってもよい。気体流入孔94は、第2液体供給孔96よりも第2の管状部材92の他端側に設けられている。
また、第2の管状部材92は、その一端側の外周にネジ部(不図示)を有している。そして、例えば、ネジ部にはホース(不図示)の先端が螺合によって接続される。なお、第2の管状部材92にホースが接続され、ホースから加圧された液体が供給される場合には、第3液体供給孔97の軸長を第3液体供給孔97の孔径の2〜3倍程度にすればよい。
ループ流式バブル発生ノズル90は、気体流入孔94に連通する気体供給室93を有している。気体供給室93は、第2液体供給孔96の他端よりも気液ループ流式撹拌混合室98の一端側に設けられた空間93aを有している。気体流入孔94から流入した気体は、気体供給室93において、第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、及び、第3液体供給孔97の中心軸を中心に周回されながら、周の全部又は一部の箇所から空間93aを通過して、気液ループ流式撹拌混合室98の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室98に供給されることとなる。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室98の内壁に、気体の膜及び気泡、マイクロバブルが発生されるとともに、高速ループ流れが加速される。
なお、第1の管状部材91及び第2の管状部材92には、SUS304、SUS316などの金属、樹脂、木、ガラス、セラミック、陶磁器などを用いることができるが、固体材料であればどのようなものを用いてもよい。また、部品毎に、適材適所の素材を選択してもよい。なお、樹脂、ガラス、セラミックスなどを選択すれば、腐食に強いので、ループ流式バブル発生ノズル90を長寿命化することができる。
(ループ流式バブル発生ノズル90の動作)
次に、図10を用いて、ループ流式バブル発生ノズル90の動作について説明する。図10は、図9のループ流式バブル発生ノズル90と、ループ流式バブル発生ノズル90の第2の管状部材92の一端側に接続されたホース211と、ループ流式バブル発生ノズル90の第1の管状部材91の他端側に接続されたシャワーヘッド212と、ループ流式バブル発生ノズル90の第2の管状部材92の気体流入孔94に接続された気体用供給管213と、気体用供給管213への外部気体の流入量を調整する絞り弁214と、を示した図である。なお、簡便のため、ループ流式バブル発生ノズル90のみ概略断面図で示している。また、気体用供給管213の一端は外気を取り込めるようになっており、気体用供給管213の内部には、バブルを安定して発生させることができるように、逆止弁213aが設けられている。
まず、ホース211から第4液体供給孔99、第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、及び、第3液体供給孔97を介して、加圧液体を気液ループ流式撹拌混合室98に供給する。この際、加圧液体は、図9の第4液体供給孔99、第1液体供給孔95、第3液体供給孔97、及び、第2液体供給孔96と、流入孔98a及び噴出孔98bとを結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔98bから拡がりながら噴出するとともに、その一部が高速ループ流れ(図10の気液ループ流式撹拌混合室98内の略楕円状部分)を形成する。この際、加圧液体の一部によって、高速ループ流れの速度が更に増加される。
また、気液ループ流式撹拌混合室98内は負圧となっているので、気体用供給管213から気体供給室93を介して、気液ループ流式撹拌混合室98内に気体が流入してくる。
ここで、気体供給室93から気液ループ流式撹拌混合室98内に供給された気体は、(a)第2液体供給孔96において乱流が発生している箇所への衝突により細分化され、(b)テーパ状に形成された第2液体供給孔96によって加速された高速ループ流れにおいて撹拌、剪断され、(c)気液ループ流式撹拌混合室98の内壁の凹凸形状と衝突し、(d)途中で一部が第3液体供給孔97から供給された加圧液体と衝突した際に発生した乱流によりさらに細分化され、(e)噴出孔98bにおいて、流入してきた外部気体及び/又は外部液体と衝突して、さらに微細化され、バブル又は/及びマイクロバブルを含む混合流体として噴出孔98bから噴出される。
更に、(f)気体流入孔94から流入してきた気体は、気体供給室93において第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、及び、第3液体供給孔97の中心軸を中心に周回されながら、周の全部または一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室98の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室98内に供給される。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室98内の真空度が向上されるため、気体流入孔94から流入してくる気体の量を更に増加させることができて、気泡の発生が促進される。
これらのような一連の動作によって、バブル又は/及びマイクロバブルが、次から次へと連続的に発生する。
また、テーパ状に形成された第2液体供給孔96によって、高速ループ流れが加速されるため、気液ループ流式撹拌混合室98内の気体を更に細分化することができる。
なお、マイクロバブルの径及び発生量は、第4液体供給孔99、第1液体供給孔95、第3液体供給孔97、及び、第2液体供給孔96からこの順に供給される液体圧と、気体流入孔94から流入する気体量で決まるが、20[μm]前後のマイクロバブルが必要な場合は、流入する気体量を極力少なくするかゼロにすればよい。
上記の構成のループ流式バブル発生ノズル90によれば、上述したような動作が行われるので、従来品よりも簡易な構成でありながら、従来と同等以下(20[μm]前後)の径のマイクロバブルを発生させることができる。また、第1の管状部材91が螺合又は圧入によって第2の管状部材92に嵌め込まれる簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、気液ループ流式撹拌混合室98が略円柱型の空間であるので、高速ループ流れを容易に形成することができ、上述の動作を容易に得ることができる。
また、気液ループ流式撹拌混合室98の内壁に凹凸形状が形成されているので、高速ループ流れをしている液体と気体との混合流体が凹凸形状に衝突することによって、気液ループ流式撹拌混合室98内の気体を更に細分化することができるとともに、高速ループ流れを加速させ、気液ループ流式撹拌混合室98内の真空度を高くすることができる。
なお、上述したループ流式バブル発生ノズル90の動作では、加圧液体を第4液体供給孔99、第1液体供給孔95、第3液体供給孔97、及び、第2液体供給孔96からこの順に気液ループ流式撹拌混合室98に供給した場合について説明したが、これに限られず、海水又は水道水を供給しても、マイクロバブルを発生させることができる。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のループ流式バブル発生ノズル90は、液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、液体及び気体を流入可能な流入孔98aを一端に有し、流入孔98aの中心軸と一致するように混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔98bを他端に有する気液ループ流式撹拌混合室98を内部に備えた第1の管状部材91と、加圧された液体を気液ループ流式撹拌混合室98に供給可能に流入孔98aの中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔95と、加圧された液体を気液ループ流式撹拌混合室98に供給可能に流入孔98aの中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に拡径された第2液体供給孔96と、加圧された液体を気液ループ流式撹拌混合室98に供給可能に流入孔98aの中心軸と一致するように設けられ、第1液体供給孔95及び第2液体供給孔96を接続する第3液体供給孔97と、気体が流入する1つ以上の気体流入孔94と、第2液体供給孔96の他端よりも気液ループ流式撹拌混合室98の一端側に設けられた空間93aを有し、気体流入孔94から流入した気体を第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、及び、第3液体供給孔97の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室98の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室98に供給する気体供給室93と、を有する構成にされている。
上記構成によれば、第4液体供給孔99、第1液体供給孔95、第3液体供給孔97、及び、第2液体供給孔96をこの順に通って、液体が気液ループ流式撹拌混合室98に供給されるとともに、気体供給室93を介して気体が気液ループ流式撹拌混合室98に供給される。このことにより、気液ループ流式撹拌混合室98内の混合流体が噴出孔98bから噴出されると、気液ループ流式撹拌混合室98内において、気体を含んだ液体のループ状の流れが発生される。
ここで、気体供給室93から気液ループ流式撹拌混合室98内に供給された気体は、(a)第2液体供給孔96において乱流が発生している箇所への衝突により細分化され、(b)テーパ状に形成された第2液体供給孔96によって加速された高速ループ流れにおいて撹拌、剪断され、(c)気液ループ流式撹拌混合室98の内壁の凹凸形状と衝突し、(d)途中で一部が第3液体供給孔97から供給された加圧液体と衝突した際に発生した乱流によりさらに細分化され、(e)噴出孔98bにおいて、流入してきた外部気体及び/又は外部液体と衝突して、さらに微細化され、バブル又は/及びマイクロバブルを含む混合流体として噴出孔98bから噴出される。これらの(a)〜(e)の工程で微細化される気泡発生のメカニズムが、ループ流式バブル発生ノズル90の特徴であり、他のノズルにない優れた点である。
さらに、(f)気体流入孔94から流入してきた気体は、気体供給室93において第1液体供給孔95、第2液体供給孔96、及び、第3液体供給孔97の中心軸を中心に周回されながら、周の全部または一部の箇所から気液ループ流式撹拌混合室98の一端側に向かって気液ループ流式撹拌混合室98内に供給される。この(f)の工程によって、気液ループ流式撹拌混合室98内の真空度が向上されるため、気体流入孔94から流入してくる気体の量を更に増加させることができて、気泡の発生が促進される。
したがって、従来品よりも簡易な構成でありながら、平均直径が100[μm]未満のバブル、特に、平均直径が20[μm]前後のマイクロバブルを発生させることができる。また、従来品よりも簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、テーパ状に形成された第2液体供給孔96によって、高速ループ流れが加速されるため、気液ループ流式撹拌混合室98内の気体を更に細分化することができる。
上記の構成のループ流式バブル発生ノズル90によれば、上述したような動作が行われるので、従来品よりも簡易な構成でありながら、従来と同等以下(20[μm]前後)の径のマイクロバブルを発生させることができる。また、第1の管状部材91が螺合又は圧入によって第2の管状部材92に嵌め込まれる簡易な構成であるので、従来品よりも小型化することができる。
また、気液ループ流式撹拌混合室98の内壁に凹凸形状が形成されているので、高速ループ流れをしている液体と気体との混合流体が凹凸形状に衝突することによって、気液ループ流式撹拌混合室98内の気体を更に細分化することができるとともに、高速ループ流れを加速させ、気液ループ流式撹拌混合室98内の真空度を高くすることができる。
また、第4液体供給孔99を形成することで、第4液体供給孔99を取り囲む第2の管状部材92の内周又は外周に、ホースの先端を螺合可能なネジ部を設けることができる。このことにより、ループ流式バブル発生ノズル90のコンパクト化を図ることができる。
[第7の実施の形態]
次に、本発明の第7の実施の形態を図11に基づいて以下に説明する。図11は、第7の実施の形態に係るループ流式バブル発生ノズル100を示す概略断面図である。なお、第6実施の形態の部位94〜99と、本実施の形態の部位104〜109とは、順に同様のものであるので、詳細な説明を省略することがある。
(ループ流式バブル発生ノズル100の構成)
図11に示すように、ループ流式バブル発生ノズル100は、第1の管状部材101と、第1の管状部材101が螺合又は圧入によって嵌め込まれた第2の管状部材102と、を有している。第2の管状部材102は、第1液体供給孔105、第2液体供給孔106、第3液体供給孔107、及び、第4液体供給孔109を取り囲む位置に設けられている。
第2の管状部材102は、第2液体供給孔106の他端から噴出孔108bの側に向かって流入孔108aの中心軸に沿って延在する第1の内壁102aと、第1の内壁102aの第2液体供給孔106と反対側の端部から噴出孔108bの側に向かって連続的に拡径された第2の内壁102bと、を有している。
第1の管状部材101の一端側の外壁101aは、第1の管状部材101が第2の管状部材102に嵌め込まれた場合に、第2の内壁102b及び気体流入孔104の内側に配置されている。外壁101aの先端部分101bは、先細り形状を有している。より具体的に、外壁101aの先端部分101bは、噴出孔108bから流入孔108aの中心軸に沿って遠ざかるに連れて気液ループ流式撹拌混合室108に近づくように傾斜したテーパ形状を有している。この先端部分101bは、第2の管状部材102の第2の内壁102bと平行な方向に傾斜している。そして、先端部分101bと第2の内壁102bとで囲まれた空間103aが、気体供給室103の一部を構成している。
(ループ流式バブル発生ノズル100の動作)
次に、図11を用いて、ループ流式バブル発生ノズル100の動作について説明する。図中の矢印は、第2の管状部材102の一端側にホース(不図示)を接続し、第1の管状部材101の他端側にシャワーヘッド(不図示)を接続し、気体流入孔104に気体用供給管(不図示)を接続した場合の液体の流れを示している。まず、ホース(不図示)から第4液体供給孔109、第1液体供給孔105、第2液体供給孔106、及び、第3液体供給孔107を介して、加圧液体が気液ループ流式撹拌混合室108に供給される。この際、加圧液体は、図11の第4液体供給孔109、第1液体供給孔105、第2液体供給孔106、及び、第3液体供給孔107と、流入孔108a及び噴出孔108bとを結ぶ線上に沿って流れた後、その大半が噴出孔108bから拡がりながら噴出するとともに、その一部が高速ループ流れ(図11の気液ループ流式撹拌混合室108内の略楕円状部分)を形成する。この際、加圧液体の一部によって、高速ループ流れの速度が更に増加される。このことにより、高速ループ流れによって、気体流入孔104から流入してくる気体が剪断され、気泡の発生が促進される。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態のループ流式バブル発生ノズル100において、第1液体供給孔105、第2液体供給孔106、第3液体供給孔107、及び、第4液体供給孔109を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材102を備え、第2の管状部材102が、第2液体供給孔106の他端から噴出孔108bの側に向かって流入孔108aの中心軸に沿って延在する第1の内壁102aと、第1の内壁102aの第2液体供給孔106と反対側の端部から噴出孔108bの側に向かって連続的に拡径された第2の内壁102bと、を備え、気体供給室103が、第1の管状部材101の外壁101aと、第2の管状部材102の第2の内壁102bとで囲まれた空間103aを有し、第1の管状部材101の外壁101aが、第2の管状部材102の第2の内壁102bと平行な方向に傾斜している。
上記構成によれば、第6の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、第4液体供給孔109を形成することで、第4液体供給孔109を取り囲む第2の管状部材102の内周又は外周に、ホースの先端を螺合可能なネジ部を設けることができる。このことにより、ループ流式バブル発生ノズル100のコンパクト化を図ることができる。
(各実施の形態の変形例)
以上、本発明の実施の形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、各実施の形態及び各変形例において、バブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズルは、表面が樹脂で被覆された部材からなるもの、若しくは、樹脂だけで成形されたものであってもよい。このことにより、海水などの劣悪な環境中においても、部材表面が樹脂で被覆されている、若しくは、バブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズル自体が樹脂で成形されているので、腐食を防止できる。その結果として、使用寿命が長く、安価なバブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズルを提供することができる。
また、各実施の形態及び各変形例において、バブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズルは、気体流入孔を有する構成にされているが、液体供給孔から供給される液体に気体が溶け込んでいる場合には、気体流入孔を有しない構成であってもよい。この場合、液体に溶け込んだ気体は、撹拌混合室/気液ループ流式撹拌混合室内で気泡化される。
また、撹拌混合室又は気液ループ流式撹拌混合室の形状は、各実施の形態及び各変形例において示したものに限られず、略角筒型、略三角錐型、断面が五角形又は六角形などの多角形のもの、又は、断面が星形などの複雑な形状(規則的でない形状のものを含む)のものであってもよい。
本発明のバブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズルは、大型のものから小型のものまで製作することができる。大型のバブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズルについては、工業的分野、下水道などの汚水処理、河川及び海水などの浄化、アオコなどの除去、魚介類の蘇生・繁殖・養殖、水田の稲育成用及び除草作用など、小型のバブル発生ノズル/ループ流式バブル発生ノズルについては、水槽・イケスの浄化、水耕栽培の育成用、マイクロバブル風呂、洗浄機、携帯用超小型マイクロバブル発生器、温度上昇が望ましくない場合の小型の水槽内など、マイクロバブルを利用することができるもの全てに適用することができる。また、医療関係への利用も検討されている。
1、21、31、41、51、61、71、81 筒状部材
2、22、32、42、52、62、72、82、91、101 第1の管状部材
2a、32a、42a、62a、82a、102a 第1の内壁
3、23、43、63、83、93、103 気体供給室
3a、3b、23b、43a、43b、63a、63b、83a、83b、93a、103a 空間
3c、23c、33c 孔
4、34、44、54、64、74、84、94、104 気体流入孔
5、25、35、45、55、65、75、85、95、105 第1液体供給孔
6、26、36、46、56、66、76、86、96、106 第2液体供給孔
7、27、37、47、67、87、92、102 第2の管状部材
7a、37a、47a、67a、87a、101a 外壁
7b、47b、67b、87b、101b 先端部分
8、28 撹拌混合室
8a、28a、38a、48a、58a、68a、78a、88a、98a、108a 流入孔
8b、38b、48b、68b、88b、98b、108b 噴出孔
10、20 バブル発生ノズル
11、111、211 ホース
12、112、212 シャワーヘッド
13、113、213 気体用供給管
13a、113a、213a 逆止弁
14、114、214 絞り弁
30、40、50、60、70、80、90、100 ループ流式バブル発生ノズル
32b、42b、62b、82b、102b 第2の内壁
32c、42c、62c、82c 第3の内壁
32d、82d 第4の内壁
38、48、58、68、78、88、98、108 気液ループ流式撹拌混合室
51a、71a 内壁
59、79、97、107 第3液体供給孔
99、109 第4液体供給孔

Claims (8)

  1. 液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、前記液体及び気体を流入可能な流入孔を一端に有し、前記流入孔の中心軸と一致するように前記混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔を他端に有し、前記流入孔から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された撹拌混合室と、
    加圧された液体を前記撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、
    加圧された液体を前記撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、前記第1液体供給孔の他端から前記撹拌混合室の一端側に向かって延在する第2液体供給孔と、
    気体が流入する1つ以上の気体流入孔と、
    前記撹拌混合室の一端側、又は、前記第2液体供給孔の途中に設けられ、前記気体流入孔から流入した気体を前記第1及び第2液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から前記撹拌混合室の一端側に向かって前記撹拌混合室に供給する気体供給室と、
    を備えることを特徴とするバブル発生ノズル。
  2. 前記撹拌混合室を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材と、
    前記第2液体供給孔を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材と、
    を備え、
    前記第1の管状部材が、
    前記撹拌混合室の前記流入孔から前記第2の管状部材の外側に向かって連続的に拡径された第1の内壁を有し、
    前記気体供給室が、
    前記第1の管状部材の前記第1の内壁と、前記第2の管状部材の外壁とで囲まれた空間を有し、
    前記第2の管状部材の前記外壁が、
    前記第1の管状部材の前記第1の内壁と平行な方向に傾斜していることを特徴とする請求項1に記載のバブル発生ノズル。
  3. 前記第1の管状部材が、
    前記流入孔を取り囲むように前記流入孔の径方向外側に設けられた第2の内壁と、
    前記第2の内壁の径方向外側の端部から前記流入孔の中心軸に沿って前記撹拌混合室の他端側に向けて延在する第3の内壁と、
    前記第3の内壁の前記流入孔と反対側の端部から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された第4の内壁と、
    を備えることを特徴とする請求項2に記載のバブル発生ノズル。
  4. 液体及び気体をループ状の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、前記液体及び気体を流入可能な流入孔を一端に有し、前記流入孔の中心軸と一致するように前記混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔を他端に有する気液ループ流式撹拌混合室と、
    加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、
    加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、前記第1液体供給孔の他端から前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって延在する第2液体供給孔と、
    気体が流入する1つ以上の気体流入孔と、
    前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に設けられ、前記気体流入孔から流入した気体を前記第1及び第2液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって前記気液ループ流式撹拌混合室に供給する気体供給室と、
    前記気液ループ流式撹拌混合室を取り囲む位置に設けられた第1の管状部材と、
    を備え、
    前記第1の管状部材が、
    前記流入孔から前記噴出孔の側に向かって前記流入孔の中心軸に沿って延在する第1の内壁と、
    前記第1の内壁の前記流入孔と反対側の端部から前記噴出孔の側に向かって連続的に拡径された第2の内壁と、
    前記第2の内壁の前記第1の内壁と反対側の端部から前記噴出孔に向かって前記流入孔の中心軸に沿って延在する第3の内壁と、
    を備えることを特徴とするループ流式バブル発生ノズル。
  5. 前記第2液体供給孔を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材を備え、
    前記第1の管状部材の前記第1の内壁が、
    前記第2の内壁から前記流入孔に向かって連続的に拡径しており、
    前記気体供給室が、
    前記第1の管状部材の前記第1の内壁と、前記第2の管状部材の外壁とで囲まれた空間を有し、
    前記第2の管状部材の前記外壁が、
    前記第1の管状部材の前記第1の内壁と平行な方向に傾斜していることを特徴とする請求項4に記載のループ流式バブル発生ノズル。
  6. 前記第1の管状部材が、
    前記第3の内壁の前記第2の内壁と反対側の端部から前記噴出孔に向かって連続的に拡径された第4の内壁を備えることを特徴とする請求項5に記載のループ流式バブル発生ノズル。
  7. 液体及び気体の流れによって撹拌混合して混合流体とする撹拌混合室であって、前記液体及び気体を流入可能な流入孔を一端に有し、前記流入孔の中心軸と一致するように前記混合流体を噴出可能に設けられた噴出孔を他端に有する気液ループ流式撹拌混合室を内部に備えた第1の管状部材と、
    加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に縮径された第1液体供給孔と、
    加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、一端から他端に向かって連続的に拡径された第2液体供給孔と、
    加圧された液体を前記気液ループ流式撹拌混合室に供給可能に前記流入孔の中心軸と一致するように設けられ、前記第1液体供給孔の他端、及び、第2液体供給孔の一端を接続する第3液体供給孔と、
    気体が流入する1つ以上の気体流入孔と、
    前記第2液体供給孔の他端よりも前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に設けられた空間を有し、前記気体流入孔から流入した気体を前記第1〜第3液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周の全部又は一部の箇所から前記気液ループ流式撹拌混合室の一端側に向かって前記気液ループ流式撹拌混合室に供給する気体供給室と、
    を備えることを特徴とするループ流式バブル発生ノズル。
  8. 前記第1〜第3液体供給孔を取り囲む位置に設けられた第2の管状部材を備え、
    前記第2の管状部材が、
    前記第2液体供給孔の他端から前記噴出孔の側に向かって前記流入孔の中心軸に沿って延在する第1の内壁と、
    前記第1の内壁の前記第2液体供給孔と反対側の端部から前記噴出孔の側に向かって連続的に拡径された第2の内壁と、
    を備え、
    前記気体供給室が、
    前記第1の管状部材の外壁と、前記第2の管状部材の前記第2の内壁とで囲まれた空間を有し、
    前記第1の管状部材の前記外壁が、
    前記第2の管状部材の前記第2の内壁と平行な方向に傾斜していることを特徴とする請求項7に記載のループ流式バブル発生ノズル。
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