JP2018015715A - ナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンパクトで、高い効率でナノバブルを生成することができるナノバブル生成ノズルを提供する。【解決手段】液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部１１と、気体のナノバブルが含有された混合流体を送り出す噴出部３５と、導入部１１と噴出部３５との間に、気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部５とを備えたナノバブル生成ノズルであって、ナノバブル生成構造部５は、このナノバブル生成ノズルの軸方向に、液体と気体との混合流体が通される断面積が異なる複数の流路１５，２８，３６を備えているナノバブル生成ノズル１及びこのナノバブル生成ノズルを備えたナノバブル生成装置により課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、ナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置に関し、さらに詳しくは、微細な気泡であるナノバブルが含まれた液体を得るためのナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置に関する。
ナノバブルと呼ばれる微細（「微小」ともいう。）な気泡を含む液体は、様々な産業分野で利用されることが期待されており、近年、種々のナノバブル生成手段が研究されている。ナノバブルとは、一般に、直径が１μｍ未満の気泡のことを意味するとされている。ナノバブルを生成するための代表的な手段として、ノズル構造が研究されている。これまでに、ナノバブルを生成するための様々なノズルが提案されている。
特許文献１で提案されているノズルは、気体を加圧溶解させた加圧液から微細気泡を含む液体を得るための微細気泡生成ノズルである。この微細気泡生成ノズルは、上流テーパ部、上流喉部、拡大部、下流テーパ部及び下流喉部を備えている。
上流テーパ部は、加圧液が供給されるノズル流路の上流から下流に向かって流路面積を漸次減少させている。上流喉部は、上流テーパ部の下流端に接続されており、上流テーパ部からの流体を上流噴出口から噴出させている。拡大部は、上流噴出口に接続されており、流路面積を拡大させている。下流テーパ部は、拡大部の下流端に接続されており、上流から下流に向かって流路面積を漸次減少させている。そして、下流喉部は、下流テーパ部の下流端に接続されていて、下流テーパ部からの流体を下流噴出口から噴出させている。すなわち、この微細気泡生成ノズルは、複数のノズルが直列に接続された構成をなしている。こうした構造の微細気泡生成ノズルにおいて、流路面積を漸次減少させる構造は気体が含まれる液体を加圧して液体に気体を溶解する一方で、流路面積が拡大された構造は気体が含まれる液体を噴出させることにより、液体に溶解された気体が解放される。微細気泡、すなわち、ナノバブルは、このような作用により生成される。
また、特許文献２で提案されているノズルはループ流式バブル発生ノズルであり、気液ループ流式撹拌混合室、液体供給孔、気体流入孔、気体供給室、第１の噴出孔、及び第２の噴出孔を有し、テーパ部の気液ループ流式撹拌混合室側の端部に少なくとも１つの切欠き部が形成されている。
気液ループ流式撹拌混合室は、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部位である。液体供給孔は、気液ループ流式撹拌混合室の一端に設けられ、加圧された液体を気液ループ流式撹拌混合室に供給している。気体流入孔は、気体が流入する部位である。気体供給室は、気液ループ流式撹拌混合室の他端側に設けられている。この気体供給室は、気体流入孔から流入した気体を液体供給孔の中心軸を中心に周回させながら、周方向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に供給している。第１の噴出孔は、液体供給孔の中心軸と一致するように気液ループ流式撹拌混合室の他端に設けられている。この第１の噴出孔は、上記の液体供給孔の孔径よりも大きな孔径を有し、混合流体を気液ループ流式撹拌混合室から噴出させている。そして、第２の噴出孔は、第１の噴出孔から気液ループ流式撹拌混合室の方向に向かって連続的に拡径するように設けられている。このループ流式バブル発生ノズルは、不純物を含む液体を用いてもバブル発生効率を低下させることなく、また、バブル発生効率を従来よりも向上することを可能にすることを目的としている。
特開２０１４-１０４４４１号公報 特開２０１５-２０２４３７号公報
特許文献１で提案されている微細気泡生成ノズルは、複数のノズル部を直列に連結して構成することが必要である。そのため、この微細気泡生成ノズルは、全長を形成することが必要になり、長さを短くコンパクトに構成することがきわめて困難である。
一方、特許文献２で提案されているループ流式バブル発生ノズルは、不純物を含む液体を用いてもバブル発生効率を低下させることがないループ流式バブル発生ノズルを提供することが目的である。とりわけ、不純物からなるスラッジやスケールが析出したり付着したりすることによって気体供給室から供給される気体の供給量が減少することを抑制することを主目的としている。そのため、不純物を含まない液体を用いてナノバブルを生成する場合に、ナノバブルの生成効率を向上させることできるか否かは不明確である。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、全長が短いコンパクトな構造で、ナノバブルを生成することができるナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置を提供することにある。
（１）上記課題を解決するための本発明に係るナノバブル生成ノズルは、液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部と、前記気体のナノバブルが含まれた混合流体を送り出す噴出部と、前記導入部と前記噴出部との間に、前記気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部とを備えたナノバブル生成ノズルであって、前記ナノバブル生成構造部は、当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に断面積の異なる複数の流路が配置されてなることを特徴とする。
この発明によれば、ナノバブル生成ノズルの軸方向に断面積が異なる複数の流路を備えているので、加圧溶解法の原理により、気泡を含む液体が各流路を通過するたびに気泡が加圧されて液体に溶解し、流路を通過した後に流路から流出した液体が解放されることにより、液体に含まれた気泡を微細化させることによりナノバブルを生成することができる。また、気泡を加圧して液体に溶解させるための流路を１つのノズルの内部に、ナノバブル生成ノズルの軸方向の複数の位置に設けるので、複数のノズルを直列に接続することが不要であり、コンパクトに構成することができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に隣り合う前記流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の異なった位置に設けられている。
この発明によれば、各流路が上記のように半径方向の異なる位置に配置されているので、各流路同士を、ナノバブル生成ノズルの内部で接続される。ナノバブル生成ノズルの内部で接続された流路は、流路ごとに液体に含まれる気泡を加圧して液体に溶解させ、その後に流出させて解放する作用を独立して与えることができ、流路ごとにナノバブルを生成させることができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、複数の前記流路は、断面積が異なる３つの流路として当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に配置され、上流側の第１流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心に配置され、中間位置の第２流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心よりも外側に配置され、下流側の第３流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心に配置されている。
この発明によれば、第１流路から第３流路の流路ごとにナノバブルを生成することができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、複数の前記流路同士の間の少なくとも１箇所には、前記混合流体の流れを乱流にする乱流形成部を有している。
この発明によれば、上記のように乱流形成部が設けられているので、乱流形成部が気泡を含む液体の流れを乱流として、気泡を含む液体に剪断力を作用させる。そのため、乱流形成部を流れる液体に含まれる気泡を微小にしてナノバブルを生成することができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、前記乱流形成部は、前記第１流路の出口よりも下流側に、当該第１流路から流出された前記混合流体を当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の外側に向けて放射状に拡散させる拡散部を有し、前記第２流路の入り口は、前拡散部により拡散された前記混合流体が当該ナノバブル生成ノズルの軸方向において前記第１流路側に戻される位置に配置されている。
この発明によれば、乱流形成部が上記のように構成されているので、第１流路から流出した液体を上記の拡散部で半径方向の外側に拡散した後に、その液体を第１流路側、すなわち、上流側に一旦戻してから第２流路に流入させるので、液体を上流側に戻す過程で乱流を形成させることができる。そのため、第１流路と第２流路との間で気泡を含む液体に剪断力を作用させることにより、気泡を微小にすることができる。
（２）上記課題を解決するための本発明に係るナノバブル生成装置は、液体を流すための流通部に気体を導入する気体導入部と、前記流通部の内部を流れた前記気体と前記液体との混合流体を送り出すポンプと、前記ポンプによって送り出された前記混合流体を導入し、前記気体のナノバブルを含む混合流体を得るためのナノバブル生成ノズルと、前記ナノバブルを含む混合流体を貯める液貯め槽と、前記液貯め槽に貯められた前記ナノバブルを含む混合流体を前記流通部に戻す戻し路とを備え、前記ナノバブル生成ノズルは、液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部と、前記気体のナノバブルが含まれた混合流体を送り出す噴出部と、前記導入部と前記噴出部との間に、前記気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部とを備え、前記ナノバブル生成構造部は、当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に断面積が異なる複数の流路を備えていることを特徴とする。
この発明によれば、上記のようにナノバブル生成装置が構成されているので、液体が流れる回路を閉ループ回路とすることができる。この閉ループ回路に含まれる上記のナノバブル生成ノズルは、ナノバブルを含む液体を生成させるため、繰り返しナノバブルを生成して液貯め槽にナノバブルを含む液体を貯めることができる。
本発明に係るナノバブル生成装置において、前記ポンプとナノバブル生成ノズルとの間には、前記ポンプとナノバブル生成ノズルとをつなぐ流路を分岐するためのバルブと当該バルブと前記液貯め槽をと直に連絡するバイパス流路が設けられている。
この発明によれば、上記のようにバイパス流路を備えているので、バイパス流路に混合流体を流すことにより、ポンプとナノバブル生成ノズルとの間の圧力が不必要に上昇することを防止して閉ループ回路を流れる混合流体の流量を増大させ、閉ループ回路に気体を十分に取り込ませることができる。その一方で、ナノバブルを生成する際に、ナノバブル生成ノズルで圧力を必要とする場合にはバイパス流路を閉じて、ポンプの送り出しの圧力を高めて混合流体をナノバブル生成ノズルに送り出すことができる。その結果、混合流体に含まれる気泡からナノバブルを生成することができる。
本発明によれば、従来のように、複数のノズルを直列につなぐことが不要になり、１つのノズルだけでナノバブル生成ノズルを構成することできるため、ナノバブル生成ノズルをコンパクトにすることができる。また、このナノバブル生成ノズルを用いてナノバブル生成装置を構成するので、装置の構造を簡素にすることができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズルの一実施形態を示す縦断面図である。 図１に示したナノバブル生成ノズルの作用を説明するための説明図である。 本発明に係るナノバブル生成装置の一実施形態の構成をモデル化して示した構成図である。 ナノバブル生成ノズルの取り付け態様を説明するための説明図である。 バイパス回路を用いないナノバブル生成装置により生成されたナノバブルの直径と、生成されたナノバブルの数との関係を表すグラフである。 バイパス回路を用いたナノバブル生成装置により生成されたナノバブルの直径と、生成されたナノバブルの数との関係を表すグラフである。 本発明のナノバブル生成ノズルの変形例の１つをモデル化して示した概要図である。 本発明のナノバブル生成ノズルの別の変形例をモデル化して示した概要図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の技術的思想の一例であり、本発明の技術的範囲は、以下の記載や図面だけに限定されるものではなく、同様の技術的思想の発明を含んでいる。
［基本構成］
本発明に係るナノバブル生成ノズル１は、図１に示すように、液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部１１と、微細な気泡（ナノバブル）が含まれた混合流体を送り出す噴出部３５と、を備えている。また、導入部１１と噴出部３５との間には、ナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部５が設けられている。ナノバブル生成構造部５は、ナノバブル生成ノズル１の軸方向に液体及び気体の混合流体が通される断面積の異なる複数の流路１５，２８，３６を備えている。言い換えると、複数の流路１５，２８，３６は、ナノバブル生成ノズル１の軸方向に複数段階に分けて配置されており、流路１５，２８，３６の断面積は、段階ごとに異なっている。
この明細書において、気体とは、物質の状態のひとつであって、一定の形と体積を持たず、自由に流動し圧力の増減で体積が容易に変化する状態のことを意味し、後述の気泡に変化する前の物質である。気泡とは、液体の中に含まれた球状になったものを意味し、上記の気体よりも体積が小さな物質である。ナノバブルとは、気泡のうち、球の直径がきわめて小さな微細（微小）なものを意味する
ナノバブルは、具体的に、気泡の直径が１μｍよりも小さい気泡を意味する。ナノバブルは、長期間（数ヶ月程度）にわたって液体の中に含まれた状態が維持される。この点で、ナノバブルは、気泡の直径が１μｍ以上、１ｍｍ以下であって、時間が経過すると液体中から消滅するマイクロバブルとは相違する。
本発明に係るナノバブル生成装置１００は、図３に示すように、気体導入部１２０、ポンプ１３０、ナノバブル生成ノズル１、液貯め槽１５０、及び戻し路１６０を備えている。気体導入部１２０は、液体を流すための流通部１７０に気体を導入する構成要素である。ポンプ１３０は、流通部１７０の内部から流れてきた気体と液体との混合流体を送り出している。ナノバブル生成ノズル１は、ポンプ１３０によって送り出された混合流体を導入し、ナノバブルを含む混合流体を得ている。液貯め槽１５０は、ナノバブルを含む混合流体を貯めている。そして、戻し路１６０は、液貯め槽１５０に貯められた混合流体を流通部１７０に戻している。ナノバブル生成装置１００に用いられているナノバブル生成ノズルは、上述した図１に示したものである。
本発明に係るナノバブル生成ノズル１によれば、従来のように、複数のノズルを直列につなぐことが不要になり、１つのノズルだけでナノバブル生成ノズルを構成することできるため、ナノバブル生成ノズルをコンパクトにすることができる。また、このナノバブル生成ノズルを用いてナノバブル生成装置を構成するので、装置の構造を簡素にすることができる。
以下では、ナノバブル生成ノズル１及びナノバブル生成装置１００の具体的な構成について説明する。
［ナノバブル生成ノズル］
図１はナノバブル生成ノズル１の構成の一例を示している。図１に示した例のナノバブル生成ノズル１は、主として、３つの構成要素で構成されている。具体的に、ナノバブル生成ノズル１は、内部に液体と気体との混合流体を導入する導入口を備えた導入部構成体１０、ナノバブルが含まれた混合流体を噴出する噴出口を備えた噴出部構成体３０、及びこれら二つの構成体１０，３０によって挟み込まれる中間部構成体２０により構成されている。
ナノバブル生成ノズル１は、これら３つの構成要素が組み合わされることによって、横断面の断面積が相互に異なる複数の流路１５，２８，３６がナノバブル生成ノズル１の軸方向に配置される。また、各流路１５，２８，３６において、軸方向に隣り合う流路１５，２８，３６は、ナノバブル生成ノズル１における異なった半径方向の位置にそれぞれ形成されている。
図１に例示したナノバブル生成ノズル１では、具体的に、流路１５，２８，３６がナノバブル生成ノズル１の軸方向の異なる位置に３箇所に分けて配置されている。そして、上流側の第１流路１５は、ナノバブル生成ノズル１の半径方向の中心に形成され、中間位置の第２流路２８は、ナノバブル生成ノズル１の半径方向の中心よりも外側に形成され、下流側の第３流路３６は、ナノバブル生成ノズル１の半径方向の中心に形成されている。また、これらの流路１５，２８，３６の横断面の断面積は相互に異なっている。
また、ナノバブル生成ノズル１には、流路１５，２８，３６同士の間の少なくとも１箇所に、液体と気体との混合流体の流れを乱流にする乱流形成部７０が設けられている。
〈導入部構成体〉
導入部構成体１０は、内部に液体と気体との混合流体を導入する導入口を備え、ナノバブル生成ノズル１の上流側をなす構成要素である。導入部構成体１０は、本体部１２と、本体部１２の端面から突出する導入部１１とにより構成されている。本体部１２は、直径が異なる２つの円柱状の部位を軸方向に積み重ねた外形をなしている。直径の小さな部位１３が上流側をなし、直径の大きな部位１４が下流側をなす。本体部１２の内部には、第１流路１５と、乱流形成部７０の一部をなすテーパ状の内面を有する部位１６とが形成されている。また、直径の大きな部位１４の下流側の部分には、はめ込み部１７が形成されている。このはめ込み部１７は、中間部構成体２０を内側にはめ込むための部位である。導入部１１は、直径が小さな部位１３よりもさらに直径が小さく形成されており、直径の小さな部位１３の端面から外側に向かって突出している。
（導入部）
導入部１１は、ポンプ１３０によって送り出された液体と気体との混合流体をナノバブル生成ノズル１の内部に導入するための部位である。導入部１１は、筒状をなしており、直径の小さな部位１３の端面から、ナノバブル生成ノズル１の軸方向に突出している。導入部１１の内部には、導入通路１１ａが形成されており、混合流体を内部に導いている。この導入部１１には、ポンプ１３０につながれた配管又はホース１４０が接続される。
（直径の小さな部位）
直径の小さな部位１３の内部には、第１流路１５が形成されている。第１流路１５は、直径の小さな部位１３の半径方向の中心で軸方向に延びている。この第１流路１５は、導入通路１１ａよりも内径が小さく形成されている。流路１５の内径は、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に形成するとよい。図１に示した例のナノバブル生成ノズル１では、第１流路１５の内径が５ｍｍに形成されている。
この第１流路１５は、液体と気体との混合流体が内部を通過することによって、気体を小さな気泡（ナノバブル）に変化させ、液体にナノバブルを含ませる機能を有している。すなわち、混合流体が第１流路１５を通過する際に、混合流体に含まれる気体を加圧して液体に溶解させ、第１流路を通過して第１流路から流出させたときに混合流体を解放させることにより、混合流体に含まれる気体が微小な気泡のナノバブルに変化される。
（直径の大きな部位）
直径の大きな部位１４には、導入部構成体１０の中間部構成体２０側（下流側）の端面から導入部１１に向かって窪んだ凹部が形成されている。凹部の内面は、軸方向と平行をなしてストレートに延びるはめ込み部１７と、中間部構成体２０側（下流側）から第１流路１５側（上流側）に向かって先細りのテーパ状をなしたテーパ部分１６とにより構成されている。
はめ込み部１７は、凹部における中間部構成体２０側（下流側）を占める領域に形成されている。このはめ込み部１７は、３つの構成体を組み合わせる際に、中間部構成体２０にはめ合わせるための部位である。
テーパ部分１６は、凹部の奥の部分、すなわち、第１流路１５側（上流側）に形成されている。このテーパ部分１６は、上記のように、中間部構成体２０側（下流側）から第１流路１５側（上流側）に向かって先細り状に形成されている。言い換えると、テーパ部分１６は、第１流路１５側（上流側）から下流側に向かうにしたがって、径方向の外側に向かって広がる形状をなしている。そして、テーパ部分１６の最も奥の位置、すなわち、第１流路１５に最も近い部分で、テーパ部分１６は第１流路１５につながれている。そのため、第１流路１５から流出した混合流体は、中心か半径方向の外側に向かって流れることができるように構成されている。
〈中間部構成体〉
中間部構成体２０は、上記の導入部構成体１０と後述する噴出部構成体３０とにより挟み込まれており、全体の形状が円盤形状又は略円盤状をなす構成要素である。中間部構成体２０の半径方向の中央部には、厚さ方向の両面に円錐状の突出部２１，２９がそれぞれ形成されている。導入部構成体１０側（上流側）に形成された円錐状の第１突出部２１は、乱流形成部７０の一部をしている。これに対し、噴出部構成体３０側（下流側）に形成された円錐状の第２突出部２９は、混合流体を第３の流路３６に案内する案内通路の機能を有している。
一方、半径方向の外側の部位には、導入部構成体１０側（上流側）に向かって突出するリング状突出部２２が形成されている。このリング状突出部２２は、中間部構成体２０の全周にわたって形成され、リング状をなしている。第２流路２８は、リング状突出部２２に形成されている。
（第１突出部）
第１突出部２１は、乱流形成部７０の一部を構成している。この第１突出部２１は、円錐状に形成されており、先端の位置が第１流路１５の中心に対応している。第１突出部２１は、第１流路１５から流出した混合流体を半径方向の中心から外側に向けて放射状に流している。すなわち、第１流路１５から流出した混合流体を第２流路２８が配置された方向に向かって流す機能を有している。
（第２流路）
第２流路２８は、上述したようにリング状突出部２２の位置に形成されている。第２流路２８は、このリング状突出部２２の位置にて周方向に等間隔をなして複数形成されている。
第２流路２８の内径は、第１流路１５の内径よりも小さくそれぞれ形成されている。また、複数の第２流路２８の横断面の断面積の合計は、第１流路１５の横断面の断面積よりも小さくなるように形成されている。なお、第２流路２８の内径は、第２流路２８の数に応じて設定される。すなわち、第２流路２８の数を多く形成した場合、第２流路２８の内径は小さく形成され、数を少なく形成した場合、第２流路２８の内径は大きく形成される。たとえば、第２流路２８は、周方向の４箇所から１６箇所に形成し、その場合、内径を１ｍｍ以上、２ｍｍ以下に形成するとよい。図１に示した例のナノバブル生成ノズル１の場合、第２流路２８は、周方向の１６箇所にて、内径が１ｍｍとなるようにそれぞれ形成されている。
この第２流路２８はリング状突出部２２に形成されているため、図１に示すように、入り口が、端面２３よりも導入部構成体１０側（上流側）に位置している。そのため、第１流路１５から流出され、第１突出部２１によって放射状に広がるようにして流れる混合流体は、リング状突出部２２の内壁にぶつかって、一旦、上流側に向かって逆流して流れる。混合流体は、その際に乱流となる。そして、乱流となって流れる混合流体は、端面２３よりも導入部構成体１０側（上流側）に位置する第２流路２８の入り口から内部に流入する。
第２流路２８は、その内部を流れる混合流体に含まれる気体や径の大きな気泡をさらに小さな気泡にする機能を有している。すなわち、第１流路１５で形成された大きな径の気泡や気泡に変化されていない気体は、この第２流路２８を通過することで、さらに加圧されて液体に溶解し、通過した後に流出して解放されることにより径のより小さな気泡に変化される。
（第２突出部）
第２突出部２９は、噴出部構成体３０に向かって先細りとなる円錐状に形成されている。この第２突出部２９は、第２流路２８から流出した混合流体を第３流路３６に案内する流通路の機能を有している。
（外周部）
中間部構成体２０の外周部には、軸方向の中央に、外側に向かって張り出すフランジ部分２７が形成されている。そして、外周部には、フランジ部分２７を間に挟んだ両側の部分にシール溝２４が全周に渡って形成されている。このシール溝２４には、Ｏリング５０がはめ込まれる。
〈噴出部構成体〉
噴出部構成体３０は、ナノバブルが含まれた混合流体を噴出する噴出口を備え、ナノバブルが含まれた混合流体をナノバブル生成ノズル１から外部に噴出させるための構成体である。この噴出部構成体３０は、本体部３１とフランジ部３２とから構成されている。また、噴出部構成体３０は、第３流路３６を備えている。
（本体部）
本体部３１は、外形が円柱状又は略円柱状をなした部位である。この本体部３１は軸方向の一端側から他端側に向かって窪んだ凹部を有している。凹部は、噴出部構成体３０を中間部構成体２０にはめ合わせるための部位３３とナノバブルを含んだ混合流体が流れる流通路を形成するための部位３４とを有している。
具体的に、凹部は、一端側の端部から他端側に向かってストレートに延びているはめ込み部３３と、はめ込み部３３の最も奥側の位置から、他端側に向かって先細り状をなすテーパ部分３４とにより構成されている。はめ込み部３３は、噴出部構成体３０を中間部構成体２０にはめ合わせるための部位であり、テーパ部分３４は、液体流れる流路を形成するための部位である。
また、凹部よりも下流側の部位には、径方向の中心部に形成された第３流路３６が設けられている。第３流路３６は、凹部をなすテーパ部分３４の最も奥の位置と噴出部構成体３０自体の端面３７とを連絡している。
第３流路３６は、内径が３ｍｍ以上、４ｍｍ以下に形成されている。とりわけ、第３流路３６の内径の下限値は重要であり、３ｍｍよりも小さく形成した場合、液体の圧力が不必要に上昇してしまい、ナノバブルの生成を阻害するおそれがある。そのため、第３流路３６の内径は、３ｍｍ以上にすることが望ましい。
ここで、第１流路、第２流路及び第３流路の断面積の比率について説明する。このナノバブル生成ノズルにおいて、各流路の断面積の比率は、（第１流路の断面積）：（第２流路の断面積）：（第３流路の断面積）＝３：２：１程度に形成されている。この比率に形成することによって、ナノバブルをきわめて効果的に生成することができる。
（フランジ部）
フランジ部３２は、本体部１２の一端側にて、本体部３１から径方向の外側に向かって張り出している。このフランジ部３２は、３つの構成体である導入部構成体１０、中間部構成体２０及び噴出部構成体３０を組み合わせる際に用いられる部位である。具体的に、３つの構成体は、ボルト６０を用いて組み合わされる。フランジ部３２には、複数の穴が形成されており、ボルト６０がこれらの穴に通されることによって、３つの構成体が組み合わされる。
（ホルダ）
図１に示した例のナノバブル生成ノズル１は、上述した導入部構成体１０、中間部構成体２０及び噴出部構成体３０の他に、ホルダ４０を備えている。このホルダ４０は、３つの構成体を組み合わせるときに用いられる部材である。
ホルダ４０は、円環状をなしており、周方向の複数の箇所に穴が形成されている。穴の数は、噴出部構成体３０のフランジ部３２に形成された穴の数と同じである。この穴には、ボルト６０が通される。
〈３つの構成体の組み立て〉
以上に説明した導入部構成体１０、中間部構成体２０、噴出部構成体３０及びホルダ４０により構成されたナノバブル生成ノズル１は、次のようにして組み立てられる。
まず、中間部構成体２０の外周面に形成されたフランジ部分２７よりも上流側の外周面の部位２５に、導入部構成体１０のストレート部分１７がはめ込まれる。また、中間部構成体２０の外周面に形成されたフランジ部分よりも下流側の外周面の部位２６に、噴出部構成体３０のストレート部分３３がはめ込まれる。
中間部構成体２０の外周面には、シール溝２４が形成されており、このシール溝２４にＯリング５０がはめ込まれているので、中間部構成体２０の外周面の部位２５，２６に導入部構成体１０のストレート部分１７及び噴出部構成体３０のストレート部分３３がそれぞれはめ込まれたとき、中間部構成体２０と導入部構成体１０との合わせ面、及び、中間部構成体２０と噴出部構成体３０との合わせ面は、Ｏリング５０によってシールされる。そのため、ナノバブル生成ノズル１の内部に液体が流れたときに、内部の液体がそれぞれの合わせ面から漏れ出すことが防止される。
次いで、ホルダ４０が、導入部構成体１０における直径の小さな部位１３にはめ込まれる。はめ込まれたホルダ４０は、その下流側の面が、直径の小さな円柱状の部位１３の端面に突き当てられる。
次いで、ボルト６０が、ホルダ４０に形成された穴と、噴出部構成体３０のフランジ部３２形成された穴とに通される。フランジ部３２に形成された穴には、雌ねじが形成されており、ボルト６０の先端がこの雌ねじに締め込まれる。
以上に説明した手順を経てナノバブル生成ノズル１は組み立てられる。
〈ナノバブル生成ノズルの作用〉
次に、図２を参照して、ナノバブル生成ノズル１の作用について説明する。
導入部１１は、液体と気体との混合流体をナノバブル生成ノズル１の内部に導入させている。具体的に、導入部１１は、そこに接続されたホースや配管により供給された混合流体を導入部１１の導入通路１１ａを通し、混合流体を第１流路１５に導く。
第１流路１５は、その内部に流入した混合流体に含まれる気体を加圧して液体に溶解させ、第１流路１５から流出した混合流体を解放させる。そのため、第１流路１５は、その内部に流入した気体が小さな気泡に変化する。そして、第１流路１５は、小さな気泡を含む混合流体を乱流形成部７０に流出する。
乱流形成部７０は、流入した混合流体を第１突出部２１で径方向の中心から外側に向けて放射状に拡散する。具体的に、円錐状をなす第１突出部２１は、その先端側から流入した混合流体を周面に沿わせて流し、半径方向の中心側から外側に向けて流れの方向を変更する。第１突出部２１は、その周面に沿って流れた混合流体をさらに外側に向けて流す。
リング状突出部２２に形成された第２流路２８の入り口は、中間部構成体２０の端面２３よりも導入部構成体１０側（上流側）に形成されている。そのため、中間部構成体２０の端面２３を流れる混合流体は、第２流路２８に直接流入することが阻止される。その結果、リング状突出部２２の内壁面が、第１突出部２１の周面及び端面２３の周面に沿って流れた混合流体を衝突させて、液体の流れの方向を第１流路１５側に変更する。そして、導入部構成体１０のテーパ部分１６と中間部構成体２０とで囲まれた空間部分は、混合流体の流れをかき乱し、乱流を発生させる。この乱流形成部７０は、気泡が含まれた混合流体の流れを乱流とするので、混合流体に含まれた気体や径の大きな気泡には剪断力が作用する。そのため、この乱流形成部７０においても、径の小さい気泡を生成することができる。
リング状突出部２２に形成された第２流路２８は、導入部構成体１０のテーパ部分１６と中間部構成体２０とで囲まれた空間部分で乱流となった混合流体を流入させる。第２流路２８に流入した混合流体は、第２流路２８を通り、噴出部構成体３０側（下流側）に流出する。第２流路２８は、その内部に気体及び径の大きな気泡を含む混合流体が流れる間、気体及び径の大きな気泡を加圧し液体に溶解させる。しかも、この第２流路２８は、１つ１つの内径が第１流路１５の内径よりも小さく形成され、かつ、第２流路２８の横断面の断面積の合計が第１流路１５の横断面の断面積よりも小さく形成されている。このような断面積の小さな第２流路２８通過した後に流出されて解放されるので、第１流路よりも径が小さい気泡を生成する。
噴出部構成体３０のテーパ部分３４と中間部構成体２０とが形成する空間部分は、第２流路２８から流出した混合流体を第３流路３６に導くための流路として機能する。すなわち、第２流路２８から流出した混合流体は、中間部構成体２０の第２突出部の周面と噴出部構成体３０のテーパ部分３４の内面とによって形成された流路に沿って流れ、半径方向の中心に位置する第３流路３６の入り口まで案内される。
第３流路３６は、気体や径の大きな気泡を含む混合流体を通し、ナノバブル生成ノズル１の外部に噴出する噴出部３５として機能する。この第３流路３６は、第１，２流路１５，２８と同様に、気体や径の大きな気泡を加圧して液体に溶解させ、第３流路を通過した後にナノバブル生成ノズル１から噴出して解放するので、微小な径の気泡であるナノバブルを生成する。しかも、この第３流路３６の横断面の断面積は、第２流路２８の横断面の断面積の合計よりも小さい。そのため、第３流路３６は、内部を通過する混合流体を適切に加圧し、通過する混合流体の圧力を上昇させる。その結果、混合流体に含まれる気体や径の大きな気泡を適切に加圧して液体に溶解させる。また、混合流体の圧力を上昇させるので、混合流体に適度な流速を与えてナノバブル生成ノズル１から混合流体を所定の流速で噴出させる。
また、ナノバブル生成ノズルでは、第１流路と第２流路とがナノバブル生成ノズルの半径方向の異なる位置に形成されている。同様に、第２流路と第３流路とについても、半径方向の異なる位置に配置されている。このように、各流路が形成されている位置が、半径方向にずれている場合、流路同士は、ナノバブル生成ノズルの内部空間で接続される。そのため、液体に含まれる気体や径の大きな気泡に対し、流路ごとに加圧して液体に溶解させ。流路を通過した後に流出させて解放させることができ、流路ごとにナノバブルを確実に形成させることができる。
本実施形態のナノバブル生成ノズル１のように、各流路を半径方向の異なる位置に形成した場合、各流路を半径方向の同じ位置に形成した場合に比べ、軸方向の寸法を短くすることができ、ナノバブル生成ノズル１をコンパクトに形成することができるというメリットがある。この場合、本実施形態のナノバブル生成ノズルのように、上流側に位置する第１流路及び下流側に位置する第３流路は、内径が相対的に大きな穴とし、中間部に位置する第２流路は、内径が相対的に小さな穴とする。そして、第１流路及び第３流路は、１つの穴で構成し、第２流は、複数の穴で構成する。
以上に説明した作用によって、ナノバブル生成ノズル１は、液体と気体との混合流体を加圧した後に混合流体を噴出させて解放させることによって、ナノバブルを確実に生成させる。
［ナノバブル生成装置］
ナノバブル生成装置１００は、図３に示すように、気体のナノバブルを含む混合流体を循環させる閉ループ回路を備えている。閉ループ回路は、気体導入部１２０、ポンプ１３０、ナノバブル生成ノズル１、液貯め槽１５０、及び戻し路１６０を備えている。気体導入部１２０は、液体が流れる流通部１７０に気体を導入するための構成要素である。ポンプ１３０は、気体と液体との混合流体を送り出し、次のナノバブル生成ノズル１に向かわせている。ナノバブル生成ノズル１は、ポンプ１３０によって送り出された混合流体を導入し、気体のナノバブルが含まれた混合流体を生成する。液貯め槽１５０は、ナノバブルを含む混合流体を貯めるための構成部である。戻し路１６０は、液貯め槽１５０に貯められた混合流体を上述した流通部１７０に戻している。
上記のナノバブル生成ノズル１は、これまでに説明した本発明に係るナノバブル生成ノズル１が用いられる。ナノバブル生成ノズル１の構成は、既に説明したので、ここではその説明を省略する。
また、ナノバブル生成装置１００は、図３に示すように、ホース又は配管１４０から分岐して、液貯め槽１５０に接続されたバイパス流路１８０が設けられている。
以下、ナノバブル生成装置１００の各構成について説明する。なお、閉ループ回路において、戻し路１６０とポンプ１３０との間の区間を「流通部１７０」と呼んで説明する。
（気体導入部）
気体導入部１２０は、閉ループ回路の流通部１７０に気体を導入させるための構成要素である。図３に示したナノバブル生成装置１００の例では、気体導入部１２０は、戻し路１６０とポンプ１３０との間の流通部１７０の位置に設けられている。
気体導入部１２０としては、例えば、エジェクターが用いられる。エジェクターは、液体が流れるメインライン及び気体を吸い込む吸気口を有してなる構成要素である。エジェクターのメインラインには、ノズルとディフューザとが設けられている。エジェクターは、気体がノズルの出口の位置でメインライン内の液体に混ぜ合わされ、混ざり合った液体と気体とがディフューザにより下流側に送られる構造になっている。
なお、エジェクターにおけるノズルは、流体の運動エネルギーを減少させ運動エネルギーを増加させる構成部であり、ディフューザは流体のもつ運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する構成部である。
吸気口には、ホース又は配管１２５が接続されている。このホース又は配管１２５は、気体をエジェクターに送り込むために接続されている。また、ホース又は配管１２５の先端には、開閉バルブ１２６が設けられている。この開閉バブル１２６は、気体の供給源とホース又は配管１２５とをつないだり、閉じたりしている。なお、気体の供給源は、特に図面には示していないが、所望のボンベ、例えば、酸素ボンベが用いられる。
この実施形態のナノバブル生成装置１００において、気体導入部１２０としてエジェクターを用いた場合、流通部１７０におけるエジェクターの前後で流通部１７０を流れる混合流体の圧力を変化させることなく混合流体に気体を効率的に混ぜ合わせることができる。
（ポンプ）
ポンプ１３０は、閉ループ回路内の混合流体を、この閉ループ回路内で循環させる機動力を与えている。図３に示した例のナノバブル生成装置１００では、ポンプとして渦巻きポンプ１３０が使用されている。この渦巻きポンプは、動力源としてのモータ１３１により駆動される。なお、図３に示した例では、ポンプとして渦巻きポンプを使用しているが、使用するポンプ１３０の種類は特に限定されない。この実施形態のナノバブル生成装置１００は、使用するポンプ１３０の種類が限定されない点が特徴点の１つである。ただし、ポンプ１３０は、液体の種類及び気体の種類に応じて適切なものを用いることが好ましい。
（ナノバブル生成ノズル）
ナノバブル生成ノズル１は、例えば、図１に示した形態のノズルが用いられる。すなわち、ノズルは、その内部に上述したナノバブル生成構造部５を備えている。具体的に、ナノバブル生成構造部５は、混合流体が通される相互に断面積が異なる複数の流路１５，２８，３６を備え、ナノバブル生成ノズル１の軸方向に断面積が異なる複数の流路１５，２８，３６が設けられている。なお、ナノバブル生成ノズル１の詳細については、図１及び図２を参照して既に説明したので、ここではその説明を省略する。
（液貯め槽）
液貯め槽１５０は、ナノバブル生成ノズル１によって生成されたナノバブルを含む混合流体を貯めるための構成部である。この液貯め槽１５０は、ナノバブルを含む混合流体の必要量に応じた大きさのものが用いられる。上述したポンプ１３０と液貯め槽１５０とは、配管又はホース１４０で接続される。これにより、閉ループ回路の一部が構成される。
（ナノバブル生成ノズルの取り付け態様）
図４は、ナノバブル生成ノズル１の取り付け態様の一例を示している。この図４に示す取り付け態様では、ナノバブル生成ノズル１は、液貯め槽１５０の内部に配置され、液貯め槽１５０の周壁面に固定されている。
具体的に、ナノバブル生成ノズル１は、次のようにして液貯め槽１５０の周壁面に取り付けられる。導入部１１が液貯め槽１５０の周壁面に形成された穴に通され、噴出部構成体３０に形成された第３流路（図示せず）が液貯め槽１５０の内部に向けられる。そして、ホルダ４０の端面と直径の小さな部位１３の端面とが液貯め槽１５０の周壁面の内面に突き当てられる。
また、液貯め槽１５０の周壁面の外側には円環状のホルダ４５が配置される。ホルダ４５の中央に形成された空間部分には、ナノバブル生成ノズル１の導入部１１が挿入され、ホルダ４５の厚さ方向の一端が液貯め槽１５０の周壁面の外面に突き当てられる。このホルダ４５には、その厚さ方向を貫通する複数の穴が形成されており、ボルトが通されるように構成されている。
周壁面の外側に配置されたホルダ４５の穴、周壁面の内側に配置されたホルダ４０の穴、及びフランジ部３２の穴にはボルト６０が通される。そして、ボルト６０の先端にはナット６１が締め込まれ、ホルダ４０とナノバブル生成ノズル１とで周壁面を挟み込むことにより、ナノバブル生成ノズル１は液貯め槽１５０の周壁面に固定される。
（戻し路）
戻し路１６０は、配管により構成されている。戻し路１６０は、液貯め槽１５０と流通部１７０とを接続しており、閉ループ回路の一部を構成している。この戻し路１６０は、液貯め槽１５０に貯められたナノバブルを含む混合流体を流通部１７０に再び戻し、流通部１７０に設けられたエジェクターにより気体を再度導入させるために設けられている。
この実施形態のナノバブル生成装置１００は、ナノバブルを含む液体を循環させることにより、液体に含まれるナノバブルが占める割合を増大させている。
（バイパス流路）
バイパス流路１８０は、配管又はホース１４０の長手方向の途中の部分と液貯め槽１５０とを連絡している。具体的に、配管又はホース１４０の長手方向の途中の部分には、配管又はホース１４０の内部を流れる混合流体の流れを分岐するためのバブル１４５が設けられている。このバブル１４５が、本流路１４１とバイパス流路１８０とに配管又はホース１４０を分岐させている。
バルブ１４５は、本流路１４１を流れる混合液体の流量よりもバイパス流路１８０に分岐される液体の流量が少なくなるように流量を調整している。バルブ１４５によって分岐されたバイパス流路１８０は、閉ループ回路を流れるナノバブルを配管又はホース１４０から直接液貯め槽１５０に導いている。
このナノバブル生成装置１００は、ナノバブルを含む液体を閉ループ回路にて循環させるので、多くのナノバブルを液体に含ませることができる。また、ナノバブル生成装置１００は、バイパス流路１８０を備えているので、閉ループ回路内の圧力が不必要に上昇してしまうことを抑制する。その結果、気体が液体に溶け込んでしまうことなく、ナノバブルが適切に生成される。
以上に説明したナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置において、用いられる液体としては、例えば、水、水に水以外の液体を含ませた液体、水以外の液体等を挙げることができる。水に含ませる液体としては、例えば、エチルアルコール等の不揮発性の液体を挙げることができる。また、水以外の液体としては、例えば、エチルアルコール等を挙げることができる。一方、気体としては、空気、窒素、オゾン、酸素、及び二酸化炭素等を挙げることができる。
［確認テスト］
本実施形態のナノバブル生成ノズルを用いたナノバブル生成装置でナノバブルを生成し、生成されたナノバブルの数をナノバブルの直径毎に測定した。
確認テストは、バイパス流路を用いないナノバブル生成装置（第１形態の装置）でナノバブルを生成した場合と、バイパス流路を用いたナノバブル生成装置（第２形態の装置）でナノバブルを生成した場合との２形態の装置について行った。具体的に、第１形態のナノバブル生成装置では、気体として酸素を用い、液体として水を用いてナノバブルを生成し、第２形態のナノバブル生成装置では、気体としてオゾンを用い、液体として水を用いてナノバブルを生成した。テストに用いたナノバブル生成ノズルは、図１に示したものを使用し、ナノバブル生成装置は、図３に示した構成の装置を使用した。ナノバブルの生成は、第１に、ナノバブル生成装置を一定の時間作動させ、水と酸素の混合流体を循環させて行い、第２に、水とオゾンの混合流体を循環させて行った。
ナノバブルの確認は、マルバーン社のＬＭ１０型の計測器を用い、ナノ粒子トラッキング解析法によって、１ミリリットルあたりに含まれる気泡の数と大きさを測定することにより行った。
図５は、パイパス流路を用いないナノバブル生成装置を使用し、気体として酸素を用いた場合の測定結果を示し、図６は、パイパス流路を用いたナノバブル生成装置を使用し、気体としてオゾンを用いた場合の測定結果を示したものである。図５及び図６において、横軸は、気泡の直径を表し、縦軸は、１ミリリットルあたりに含まれるナノバブルの個数を表している。
バイパス流路を用いないで、気体として酸素を用いてナノバブルを生成した場合、図５に示すように、約１２０ｎｍの直径のナノバブルが最も多く生成され、その数は、１ミリリットルあたり、約３億個のナノバブルが生成されていることを確認することができた。一方、バイパス流路を用い、気体としてオゾンを用いてナノバブルを生成した場合、図６に示すように、約１００ｎｍの直径のナノバブルが最も多く生成され、その数は、１ミリリットルあたり、約４億個弱のナノバブルが生成されていることを確認することができた。
［変形例］
〈変形例１〉
図１及び図２を参照して説明した本実施形態のナノバブル生成ノズル１Ａは、第１流路１５が、ノズルの半径方向の中心部分に形成されている。これに対し、図７に示した変形例１のナノバブル生成ノズル１Ａは、第１流路１５が、ナノバブル生成ノズル１Ａの半径方向の外側の部位に形成されている。図７を参照して、変形例１のナノバブル生成ノズル１Ａの概要を説明する。なお、図７に示した変形例１のナノバブル生成ノズル１Ａにおいて、図１及び図２に示したナノバブル生成ノズル１に対応する構成部については、同一の符号を付して説明する。
変形例１のナノバブル生成ノズル１Ａは、図１及び図２を参照して説明した本実施形態のナノバブル生成ノズル１と同様に、導入部構成体１０、中間部構成体２０及び噴出部構成体３０の３つ構成体を組み合わせて構成されている。また、乱流形成部７０が導入部構成体１０と中間部構成体２０とにより形成される空間部分に設けられている点も同様である。
一方、導入部構成体１０には、導入部１１の直後に、導入した混合流体を半径方向の中心部から外側に向けて拡散するための液体拡散部１８が設けられている。また、第１流路１５が、液体拡散部１８よりも半径方向の外側に形成されている。さらに、中間部構成体２０に形成された第２流路２８は、半径方向において、第１流路１５よりも内側に形成されている。
乱流形成部７０は、中間部構成体２０の上流側の端面に、導入部構成体１０側に向けて突出する突出部８０を設けることにより構成されている。突出部８０は、半径方向において、第１流路１５と第２流路２８との間の位置に形成されている。
この乱流形成部７０は、第１流路１５から流出した液体を中間部構成体２０の端面に一旦衝突させる。端面に衝突した液体は、半径方向の外側から内側に向かう途中で突出部８０により上流側に一度戻される。液体は、この過程を経ることにより乱流になる。
なお、図７に示したナノバブル生成ノズル１Ａにおける、第２流路２８よりも下流側の構成及び作用は、図１及び図２に示したナノバブル生成ノズル１と同様なので、その説明は、ここでは省略する。
〈変形例２〉
図８は、変形例２のナノバブル生成ノズル１Ｂの概要を示している。変形例２のナノバブル生成ノズル１Ｂは、乱流形成部７０が第２流路２８と第３流路３６との間に設けられた形態である。
このナノバブル生成ノズル１は、第１流路１５の直後に、先端が第１流路１５に向かって突出する突出部１９を設けている。この突出部１９は、第１流路１５から流出した混合流体を半径方向の中心から外側に拡散する。第２流路２８は、突出部１９の根元よりも半径方向の外側の位置に形成されている。そのため、突出部１９により拡散された混合流体は、第２流路２８に直接流入する。
第３流路３６は、ナノバブル生成ノズル１の最も下流側にて、半径方向の中心に形成されている。乱流形成部７０は、この第３流路３６と、この第３流路３６よりも上流側に形成されている第２流路２８との間に設けられている。
乱流形成部７０は、第２流路２８から流出した混合流体の流れの向きを一旦上流側に向けるための突出部を設けることにより構成されている。具体的に、半径方向において、第２流路２８と、第３流路３６との間に、下流側から上流側に向かって突出する突出部３８が設けられている。この突出部３８は、第２流路２８から流出した混合流体が、第３流路３６に流入するまでの間に、混合流体の流れの向きを一旦上流側に向けている。乱流形成部７０は、混合流体の流れの向きを変化させることにより乱流を形成させている。
以上に説明したナノバブル生成ノズルよれば、ナノバブル生成ノズルをコンパクトにすることができ、高い効率でナノバブルを生成することができる。また、このナノバブル生成ノズルを用いたナノバブル生成装置に関しても、高い効率でナノバブルを生成することができる。そのため、ナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置を様々な産業分野で利用することができる。
例えば、このナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置は、飲食品の分野、薬品の分野、医療の分野、化粧品の分野、植物栽培の分野、太陽電池の分野、二次電池の分野、半導体装置の分野、電子機器の分野、洗浄装置の分野、機能材料の分野等の産業分野で用いることができる。洗浄装置の分野としては、具体的に、繊維の洗浄、金属金型の洗浄、機械部品の洗浄、シリコンウエハーの洗浄等に用いることができる。
１ ナノバブル生成ノズル
５ ナノバブル生成構造部
１０ 導入部構成体
１１ 導入部
１１ａ 導入通路
１２ 本体部
１３ 直径の小さな部位
１４ 直径の大きな部位
１５ 第１流路
１６ テーパ部分
１７ はめ込み部
１８，１９ 突出部
２０ 中間部構成体
２１ 第１突出部
２２ リング状突出部
２３ 端面
２４ シール溝
２５ 上流側の外周面の部位
２６ 下流側の外周面の部位
２７ フランジ部分
２８ 第２流路
２９ 第２突出部
３０ 噴出部構成体
３１ 本体部
３２ フランジ部
３３ はめ込み部
３４ テーパ部分
３５ 噴出部
３６ 第３流路
３７ 端面
３８ 突出部
４０，４５ ホルダ
５０ Ｏリング
６０ ボルト
６１ ナット
７０ 乱流形成部
８０ 突出部
１００ ナノバブル生成装置
１１０ ストレーナ
１２０ 気体導入部
１２５ ホース又は配管
１２６ 開閉バルブ
１３０ モータ
１３１ 駆動源
１４０ ホース又は配管
１４１ 本流路
１４５ バルブ
１５０ 液貯め槽
１６０ 戻し路
１７０ 流通部
１８０ パイパス流路
（１）上記課題を解決するための本発明に係るナノバブル生成ノズルは、液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部と、前記気体のナノバブルが含まれた混合流体を送り出す噴出部と、前記導入部と前記噴出部との間に、前記気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部とを備えたナノバブル生成ノズルであって、前記ナノバブル生成構造部は、断面積の異なる複数の流路が前記ナノバブル生成ノズルの軸方向に複数段階に分けて配置されてなり、前記流路が加圧溶解の原理を利用してナノバブルを生成することを特徴とする。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、前記ナノバブル生成ノズルの軸方向に隣り合う前記流路は、前記ナノバブル生成ノズルの半径方向の異なった位置に設けられている。
この発明によれば、各流路が上記のように半径方向の異なる位置に配置されているので、各流路同士が、ナノバブル生成ノズルの内部で接続される。ナノバブル生成ノズルの内部で接続された流路は、流路ごとに液体に含まれる気泡を加圧して液体に溶解させ、その後に流出させて解放する作用を独立して与えることができ、流路ごとにナノバブルを生成させることができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、複数の前記流路は、断面積が異なる３つの流路として前記ナノバブル生成ノズルの軸方向に配置され、上流側の第１流路は、前記ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心に配置され、中間位置の第２流路は、前記ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心よりも外側に配置され、下流側の第３流路は、前記ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心に配置されている。
本発明に係るナノバブル生成ノズルにおいて、複数の前記流路同士の間の少なくとも１箇所には、前記混合流体の流れを乱流にする乱流形成部を有し、前記乱流形成部は、前記第１流路の出口よりも下流側に、当該第１流路から流出された前記混合流体を前記ナノバブル生成ノズルの半径方向の外側に向けて放射状に拡散させる拡散部を有し、前記第２流路の入り口は、前記拡散部により拡散された前記混合流体が前記ナノバブル生成ノズルの軸方向において前記第１流路側に戻される位置に配置されている。
（２）上記課題を解決するための本発明に係るナノバブル生成装置は、液体を流すための流通部に気体を導入する気体導入部と、前記流通部の内部を流れた前記気体と前記液体との混合流体を送り出すポンプと、前記ポンプによって送り出された前記気体と前記液体との混合流体を導入し、前記気体のナノバブルを含む混合流体を得るためのナノバブル生成ノズルと、前記気体のナノバブルを含む混合流体を貯める液貯め槽と、前記液貯め槽に貯められた前記気体のナノバブルを含む混合流体を前記流通部に戻す戻し路と、を備え、前記ナノバブル生成ノズルは、前記気体と前記液体との混合流体を内部に導入させる導入部と、前記気体のナノバブルを含む混合流体を送り出す噴出部と、前記導入部と前記噴出部との間に、前記気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部とを備え、前記ナノバブル生成構造部は、断面積の異なる複数の流路が当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に複数段階に分けて配置されてなり、
前記流路が加圧溶解の原理を利用してナノバブルを生成することを特徴とする。
本発明に係るナノバブル生成装置において、前記ポンプと前記液貯め槽との間には、前記ポンプと前記液貯め槽とをつなぐ流路を分岐するためのバルブと当該バルブと前記液貯め槽とを直に連絡するバイパス流路が設けられている。
本発明によれば、従来のように、複数のノズルを直列につなぐことが不要になり、１つのノズルだけでナノバブル生成ノズルを構成することができるため、ナノバブル生成ノズルをコンパクトにすることができる。また、このナノバブル生成ノズルを用いてナノバブル生成装置を構成するので、装置の構造を簡素にすることができる。
本発明に係るナノバブル生成ノズル１によれば、従来のように、複数のノズルを直列につなぐことが不要になり、１つのノズルだけでナノバブル生成ノズルを構成することができるため、ナノバブル生成ノズルをコンパクトにすることができる。また、このナノバブル生成ノズルを用いてナノバブル生成装置を構成するので、装置の構造を簡素にすることができる。
図１に例示したナノバブル生成ノズル１では、具体的に、流路１５，２８，３６がナノバブル生成ノズル１の軸方向の異なる位置の３箇所に分けて配置されている。そして、上流側の第１流路１５は、ナノバブル生成ノズル１の半径方向の中心に形成され、中間位置の第２流路２８は、ナノバブル生成ノズル１の半径方向の中心よりも外側に形成され、下流側の第３流路３６は、ナノバブル生成ノズル１の半径方向の中心に形成されている。また、これらの流路１５，２８，３６の横断面の断面積は相互に異なっている。
テーパ部分１６は、凹部の奥の部分、すなわち、第１流路１５側（上流側）に形成されている。このテーパ部分１６は、上記のように、中間部構成体２０側（下流側）から第１流路１５側（上流側）に向かって先細り状に形成されている。言い換えると、テーパ部分１６は、第１流路１５側（上流側）から下流側に向かうにしたがって、径方向の外側に向かって広がる形状をなしている。そして、テーパ部分１６の最も奥の位置、すなわち、第１流路１５に最も近い部分で、テーパ部分１６は第１流路１５につながれている。そのため、第１流路１５から流出した混合流体は、中心から半径方向の外側に向かって流れることができるように構成されている。
〈中間部構成体〉
中間部構成体２０は、上記の導入部構成体１０と後述する噴出部構成体３０とにより挟み込まれており、全体の形状が円盤形状又は略円盤状をなす構成要素である。中間部構成体２０の半径方向の中央部には、厚さ方向の両面に円錐状の突出部２１，２９がそれぞれ形成されている。導入部構成体１０側（上流側）に形成された円錐状の第１突出部２１は、乱流形成部７０の一部をなしている。これに対し、噴出部構成体３０側（下流側）に形成された円錐状の第２突出部２９は、混合流体を第３の流路３６に案内する案内通路の機能を有している。
具体的に、凹部は、一端側の端部から他端側に向かってストレートに延びているはめ込み部３３と、はめ込み部３３の最も奥側の位置から、他端側に向かって先細り状をなすテーパ部分３４とにより構成されている。はめ込み部３３は、噴出部構成体３０を中間部構成体２０にはめ合わせるための部位であり、テーパ部分３４は、液体が流れる流路を形成するための部位である。
まず、中間部構成体２０の外周面に形成されたフランジ部分２７よりも上流側の外周面の部位２５に、導入部構成体１０のはめ込み部１７がはめ込まれる。また、中間部構成体２０の外周面に形成されたフランジ部分よりも下流側の外周面の部位２６に、噴出部構成体３０のはめ込み部３３がはめ込まれる。
中間部構成体２０の外周面には、シール溝２４が形成されており、このシール溝２４にＯリング５０がはめ込まれているので、中間部構成体２０の外周面の部位２５，２６に導入部構成体１０のはめ込み部１７及び噴出部構成体３０のはめ込み部３３がそれぞれはめ込まれたとき、中間部構成体２０と導入部構成体１０との合わせ面、及び、中間部構成体２０と噴出部構成体３０との合わせ面は、Ｏリング５０によってシールされる。そのため、ナノバブル生成ノズル１の内部に液体が流れたときに、内部の液体がそれぞれの合わせ面から漏れ出すことが防止される。
リング状突出部２２に形成された第２流路２８は、導入部構成体１０のテーパ部分１６と中間部構成体２０とで囲まれた空間部分で乱流となった混合流体を流入させる。第２流路２８に流入した混合流体は、第２流路２８を通り、噴出部構成体３０側（下流側）に流出する。第２流路２８は、その内部に気体及び径の大きな気泡を含む混合流体が流れる間、気体及び径の大きな気泡を加圧し液体に溶解させる。しかも、この第２流路２８は、１つ１つの内径が第１流路１５の内径よりも小さく形成され、かつ、第２流路２８の横断面の断面積の合計が第１流路１５の横断面の断面積よりも小さく形成されている。このような断面積の小さな第２流路２８を通過した後に流出されて解放されるので、第１流路よりも径が小さい気泡を生成する。
また、ナノバブル生成ノズルでは、第１流路と第２流路とがナノバブル生成ノズルの半径方向の異なる位置に形成されている。同様に、第２流路と第３流路とについても、半径方向の異なる位置に配置されている。このように、各流路が形成されている位置が、半径方向にずれている場合、流路同士は、ナノバブル生成ノズルの内部空間で接続される。そのため、液体に含まれる気体や径の大きな気泡に対し、流路ごとに加圧して液体に溶解させ、流路を通過した後に流出させて解放させることができ、流路ごとにナノバブルを確実に形成させることができる。
吸気口には、ホース又は配管１２５が接続されている。このホース又は配管１２５は、気体をエジェクターに送り込むために接続されている。また、ホース又は配管１２５の先端には、開閉バルブ１２６が設けられている。この開閉バルブ１２６は、気体の供給源とホース又は配管１２５とをつないだり、閉じたりしている。なお、気体の供給源は、特に図面には示していないが、所望のボンベ、例えば、酸素ボンベが用いられる。
バイパス流路１８０は、配管又はホース１４０の長手方向の途中の部分と液貯め槽１５０とを連絡している。具体的に、配管又はホース１４０の長手方向の途中の部分には、配管又はホース１４０の内部を流れる混合流体の流れを分岐するためのバルブ４５が設けられている。このバブル１４５が、本流路１４１とバイパス流路１８０とに配管又はホース１４０を分岐させている。
以上に説明したナノバブル生成ノズルによれば、ナノバブル生成ノズルをコンパクトにすることができ、高い効率でナノバブルを生成することができる。また、このナノバブル生成ノズルを用いたナノバブル生成装置に関しても、高い効率でナノバブルを生成することができる。そのため、ナノバブル生成ノズル及びナノバブル生成装置を様々な産業分野で利用することができる。
１ ナノバブル生成ノズル
５ ナノバブル生成構造部
１０ 導入部構成体
１１ 導入部
１１ａ 導入通路
１２ 本体部
１３ 直径の小さな部位
１４ 直径の大きな部位
１５ 第１流路
１６ テーパ部分
１７ はめ込み部
１８，１９ 突出部
２０ 中間部構成体
２１ 第１突出部
２２ リング状突出部
２３ 端面
２４ シール溝
２５ 上流側の外周面の部位
２６ 下流側の外周面の部位
２７ フランジ部分
２８ 第２流路
２９ 第２突出部
３０ 噴出部構成体
３１ 本体部
３２ フランジ部
３３ はめ込み部
３４ テーパ部分
３５ 噴出部
３６ 第３流路
３７ 端面
３８ 突出部
４０，４５ ホルダ
５０ Ｏリング
６０ ボルト
６１ ナット
７０ 乱流形成部
８０ 突出部
１００ ナノバブル生成装置
１２０ 気体導入部
１２５ ホース又は配管
１２６ 開閉バルブ
１３０ ポンプ
１３１ 駆動源（モータ）
１４０ ホース又は配管
１４１ 本流路
１４５ バルブ
１５０ 液貯め槽
１６０ 戻し路
１７０ 流通部
１８０ パイパス流路

Claims (7)

  1. 液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部と、
    前記気体のナノバブルが含まれた混合流体を送り出す噴出部と、
    前記導入部と前記噴出部との間に、前記気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部とを備えたナノバブル生成ノズルであって、
    前記ナノバブル生成構造部は、当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に断面積の異なる複数の流路が配置されてなることを特徴とするナノバブル生成ノズル。
  2. 当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に隣り合う前記流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の異なった位置に設けられている、請求項１に記載のナノバブル生成ノズル。
  3. 複数の前記流路は、断面積が異なる３つの流路として当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に配置され、
    上流側の第１流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心に配置され、中間位置の第２流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心よりも外側に配置され、下流側の第３流路は、当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の中心に配置されている、請求項１又は２に記載のナノバブル生成ノズル。
  4. 複数の前記流路同士の間の少なくとも１箇所には、前記混合流体の流れを乱流にする乱流形成部を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノバブル生成ノズル。
  5. 前記乱流形成部は、前記第１流路の出口よりも下流側に、当該第１流路から流出された前記混合流体を当該ナノバブル生成ノズルの半径方向の外側に向けて放射状に拡散させる拡散部を有し、
    前記第２流路の入り口は、前拡散部により拡散された前記混合流体が当該ナノバブル生成ノズルの軸方向において前記第１流路側に戻される位置に配置されている、請求項４に記載のナノバブル生成ノズル。
  6. 液体を流すための流通部に気体を導入する気体導入部と、
    前記流通部の内部を流れた前記気体と前記液体との混合流体を送り出すポンプと、
    前記ポンプによって送り出された前記混合流体を導入し、前記気体のナノバブルを含む混合流体を得るためのナノバブル生成ノズルと、
    前記ナノバブルを含む混合流体を貯める液貯め槽と、
    前記液貯め槽に貯められた前記ナノバブルを含む混合流体を前記流通部に戻す戻し路と、を備え、
    前記ナノバブル生成ノズルは、
    液体と気体との混合流体を内部に導入させる導入部と、
    前記気体のナノバブルが含まれた混合流体を送り出す噴出部と、
    前記導入部と前記噴出部との間に、前記気体のナノバブルを生成するためのナノバブル生成構造部とを備え、
    前記ナノバブル生成構造部は、当該ナノバブル生成ノズルの軸方向に断面積が異なる複数の流路を備えている、
    ことを特徴とするナノバブル生成装置。
  7. 前記ポンプと前記液貯め槽との間には、前記ポンプと前記液貯め槽とをつなぐ流路を分岐するためのバルブと当該バルブと前記液貯め槽をと直に連絡するバイパス流路が設けられている、請求項６に記載のナノバブル生成装置。
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