JP2018202375A - 気液混合ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】液体に対する気体の溶解効率が高く、ナノメートルあるいはマイクロメートルのレベルを超える大きな粒径の気泡の混在が極めて少ない気液混合ノズルを提供する。【解決手段】気液混合ノズル１００は、外部から液体導入経路１を経由して導入する液体Ｒによって液体旋回流Ｆ１を発生させる第一旋回室１０と、第一旋回室１０内の液体旋回流Ｆ１を流入させ外部から気体導入経路５０を経由して導入した気体Ｇと混合させて微細気泡ＡＢ混じりの気液旋回流Ｆ２を発生させる第二旋回室２０と、第二旋回室２０内の気液旋回流Ｆ２を流入させて乱流化する気液混合室３０と、気液混合室３０内の微細気泡ＡＢ混じりの気液混合流体Ｆ３を外部へ排出するため底板４１に開設された口径２ｍｍの複数の排出孔４０と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、粒径がナノメートルレベルの気泡（ナノバブル）を大量に含む液体を発生する機能を有する気液混合ノズルに関する。

水中あるいはその他の液体中にマイクロバブルやナノバブルとも呼称される微細気泡を発生させる機能を有する器具や装置については、従来、様々な形状、構造を有するものが提案されているが、本発明に関連するものとして、例えば、特許文献１に記載された「微細気泡発生装置」あるいは特許文献２に記載された「高濃度気体溶解液の製造装置」などがある。

特許文献１に記載された「微細気泡発生装置」は、円筒形の第一の円筒状密閉容器と、気液混合流体の旋回可能な空間を有する円筒形第二の円筒状開放容器と、第一の円筒状密閉容器の内側面の接線方向に沿って気液混合流体を導入する導入口と、エジェクター導入口を備えた気液導入口と、第一の円筒状密閉容器のエジェクター導入口が配設された面と直交する底面壁と、その壁面と対向し、導入口の近くに位置する天井壁と、円筒形第二の円筒状開放容器の中心軸線に位置し、天井壁を貫通した気液吐出口を備えた第二の円筒状開放容器により構成され、気液混合流体に旋回力を加え、剪断力により気泡を微細化する機能を有している。

特許文献２に記載された「高濃度気体溶解液の製造装置」は、円筒形の内側スペースを有する容器本体の一端側が壁体で閉口され、他端側がその中央部に前記円筒形の内側スペースの内径より小さな径の開口を有する壁体で覆われてなる容器本体と、前記一端側の壁体に開設された被溶解気体導入孔と、前記容器本体の円筒部の内壁面の一部に円周の接線方向に開設された加圧液体導入口とからなる旋回式気体溶解装置の前記他端側の壁体の中央部の開口に、一端部と他端部に開口部を有する壁体を備えた液体を貯留した別容器の一端部を結合して構成され、前記別容器他端部の開口部から高濃度気体溶解液を導出する機能を有する。

特開２０１５−２０１６５号公報 特開２０１３−５２３１９号公報

特許文献１に記載された「微細気泡発生装置」は、粒径がマイクロメートルオーダーの気泡を効率的に発生させることができるという長所を有するが、マイクロメートルのレベルを超える大きな粒径の気泡が混在することがある。

一方、特許文献２に記載された「高濃度気体溶解液の製造装置」は、液体中に気体を高効率で溶解することができるという長所を有するが、前述と同様、マイクロメートルのレベルを超える大きな粒径の気泡が混在することがある。また、この「高濃度気体溶解液の製造装置」は、特許文献２の［発明を実施するための形態］に記載されているように、加圧液体導入口に０．３ＭＰａの加圧水を導入した場合、高濃度気体溶解液粒放出口から放出される高濃度気体溶解液流は水勢が強すぎて、空気中でシャワーなどとして利用することが困難となることがある。

本発明の属する技術分野においては、液体に対する気体の溶解効率を高めること、及び、ナノメートルあるいはマイクロメートルのレベルを超える大きな粒径の気泡の混在を抑制することは、常に要請され続ける重要な解決課題である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、液体に対する気体の溶解効率が高く、ナノメートルあるいはマイクロメートルのレベルを超える大きな粒径の気泡の混在が極めて少ない気液混合ノズルを提供することにある。

本発明の気液混合ノズルは、外部から液体導入経路を経由して導入する液体によって液体旋回流を発生させる第一旋回室と、前記第一旋回室内の液体旋回流を流入させ外部から導入した気体と混合させて微細気泡混じりの気液旋回流を発生させる第二旋回室と、前記第二旋回室内の気液旋回流を流入させて乱流化する気液混合室と、前記気液混合室内の微細気泡混じりの気液混合流体を外部へ排出する所定口径の排出孔と、を備えたことを特徴とする。

また、前記気液混合ノズルにおいては、
前記第一旋回室が、両方の端部に隔壁を有する第一筒状体と、一方の前記隔壁を貫通して前記第一筒状体内に向かって挿入された筒状の液体導入経路と、前記液体導入経路の軸心と捩れの位置をなす方向に沿って当該液体導入経路の周壁に開設された液体流出孔と、を備え、
前記第二旋回室が、両方の端部に隔壁を有し、少なくとも一方の端部側が前記第一筒状体内に収容保持された第二筒状体と、前記第一筒状体内に位置する前記第二筒状体の周壁にその軸心と捩れの位置をなす方向に沿って開設された液体導入孔と、前記第二筒状体内に気体を流入させる気体導入経路と、前記第二筒状体の他方の端部の隔壁に開設された貫通孔と、を備え、
前記気液混合室が、前記貫通孔を経由して前記第二筒状体内と連通する混合容器と、前記混合容器の隔壁に開設された複数の前記排出孔と、を備えたものとすることができる。

さらに、前記気液混合ノズルにおいては、
複数の前記排出孔を、前記混合容器の前記貫通孔と対向する隔壁面に仮想される複数の放射曲線に沿って並んだ状態に配列することができる。

本発明により、液体に対する気体の溶解効率が高く、ナノメートルあるいはマイクロメートルのレベルを超える大きな粒径の気泡の混在が極めて少ない気液混合ノズルを提供することができる。

本発明の実施形態である気液混合ノズルを示す斜視図である。 図１中のＳ−Ｓ線における断面図である。 図２中のＴ−Ｔ線における断面図である。 図２中のＵ−Ｕ線における断面図である。 図２中の矢線Ｖ方向から見た気液混合ノズルの底面図である。 図１に示す気液混合ノズルの使用事例を示す図である。

以下、図１〜図６に基づいて、本発明の実施形態である気液混合ノズル１００について説明する。図１〜図４に示すように、本実施形態の気液混合ノズル１００は、外部から液体導入経路１を経由して導入する液体Ｒによって液体旋回流Ｆ１を発生させる第一旋回室１０と、第一旋回室１０内の液体旋回流Ｆ１を流入させ外部から気体導入経路５０を経由して導入した気体Ｇと混合させて微細気泡ＡＢ混じりの気液旋回流Ｆ２を発生させる第二旋回室２０と、第二旋回室２０内の気液旋回流Ｆ２を流入させて乱流化する気液混合室３０と、気液混合室３０内の微細気泡ＡＢ混じりの気液混合流体Ｆ３を外部へ排出する所定口径の複数の排出孔４０と、を備えている。

図２，図３に示すように、第一旋回室１０は、両方の端部に隔壁１１ａ，１１ｂを有する円筒状の第一筒状体１１と、一方の隔壁１１ａを貫通して第一筒状体１１内に向かって挿入された円筒状の液体導入経路１と、液体導入経路１の軸心１ｃと捩れの位置をなす方向に沿って液体導入経路１の周壁に開設された複数の液体流出孔２と、を備えている。第一筒状体１１内に位置する液体導入経路１の先端部は蓋体３で閉塞されている。円管状の気体導入経路５０は、液体導入経路１の筒状周壁を貫通し、軸心１ｃと同軸をなすように配管され、蓋体３を貫通して第二旋回室２０内に連通している。本実施形態においては、液体導入経路１の液体流出孔２は軸心１ｃの周りに６０度間隔で６個開設しているが、これに限定するものではない。

図２，図４に示すように、第二旋回室２０は、両方の端部に隔壁２１ａ，２１ｂを有し、一方の端部側（隔壁２１ａ側）が第一筒状体１１内に収容保持された円筒状の第二筒状体２１と、第一筒状体１１内に位置する第二筒状体２１の周壁にその軸心２１ｃと捩れの位置をなす方向に沿って開設された複数の液体導入孔２２と、第二筒状体２１内に気体Ｇを流入させる気体導入経路５０と、第二筒状体２１の他方の端部の隔壁２１ｂの中心部（軸心２１ｃを含む位置）に開設された円形の貫通孔２３と、を備えている。

本実施形態において、第二筒状体２１の複数の液体導入孔２２は口径３ｍｍであり、これらの液体導入孔２２を、軸心２１ｃの周りに約７０度の間隔をおいて、且つ、軸心２１ｃ方向に沿って所定距離ずつ変位させて配置している。これにより、複数の液体導入孔２２は、軸心２１ｃを中心とする螺旋に沿って所定間隔ごとに並ぶように配列されているが、これに限定するものではない。

図１，図２に示すように、気液混合室３０は、貫通孔２３を経由して第二筒状体２１内と連通する円筒状の混合容器３１と、第二筒状体２１の隔壁２１ｂと対向する位置にある、混合容器３１の隔壁（底板４１）に開設された複数の排出孔４０と、を備えている。図５に示すように、複数の排出孔４０は、底板４１面に仮想される複数の放射曲線Ｌに沿って並んだ状態に配列されている。本実施形態では、５本の放射曲線Ｌに沿って、口径２ｍｍの排出孔４０を２１個開設しているが、これに限定するものではない。

図１，図２に示すように、気液混合ノズル１００においては、一本の円筒部材５内に、貫通孔２３を有する円板部材４を、当該円筒部材５内を横断する状態で固着することにより、第一旋回室１０及び気液混合室３０を区画形成している。また、第一筒状体１１内において、第二筒状体２１の下端開口部２１ｄを円板部材４に固着して第二旋回室２０を形成したことにより、円板部材４は、第一旋回室１０の隔壁１１ｂ及び第二旋回室２０の隔壁２１ｂの機能を兼備している。なお、前述した構造は一例であり、これに限定するものではない。

次に、図６に基づいて、図１に示す気液混合ノズル１００の使い方及び機能などについて説明する。図６に示すように、水槽６０内に貯留された水Ｗの中に気液混合ノズル１００が浸漬され、気液混合ノズル１００の液体導入経路１とポンプＰとが送水管６２で接続されている。また、ポンプＰから水槽６０内の水Ｗの中に向かって吸水管６１が配管されている。気液混合ノズル１００の気体導入経路５０の上流側（気体送給側）は水面Ｗ１から突出して水槽６０外に配設されている。

気液混合ノズル１００及びポンプＰを図６に示すようにセットした後、ポンプＰを稼働させると、水槽６０内の水Ｗが吸水管６１及び送水管６２を経由して、気液混合ノズル１００の液体導入経路１へ供給される。これと並行して、気液混合ノズル１００に対し、気体導入経路５０を経由して空気が供給される。この場合、空気体導入経路５０を経由して供給される空気は、後述するように、第二旋回室２０（図２参照）の内部に生じる減圧に基づく吸気圧によって自吸される。

液体導入経路１を経由して気液混合ノズル１００に供給された水Ｗは、図２に示すように、液体導入経路１の蓋体３に向かって流動した後、複数の液体流出孔２から第一旋回室１０内へ流出する。図３に示すように、複数の液体流出孔２はそれぞれ軸心１ｃに対して捩れの位置をなす方向（本実施形態では、前記方向の一つである液体導入経路１の周壁の接線方向）に沿って開設されているので、複数の液体流出孔２から流出する水流により、第一旋回室１０内には液体旋回流Ｆ１が形成される。

この後、第一旋回室１０内に形成される液体旋回流Ｆ１は、図２，図４に示すように、第二旋回室２０の周囲を旋回しながら、複数の液体導入孔２２を通過して第二旋回室２０内へ流入する。図４に示すように、複数の液体導入孔２２はそれぞれ軸心２１ｃに対して捩れの位置をなす方向（本実施形態では、前記方向の一つである液筒状体２１の周壁の接線方向）に沿って開設されているので、複数の液体導入孔２２から流入する水流によって第二旋回室２０内に軸心２１ｃ周りの旋回水流が発生するとともに、気体導入経路５０から導入される空気と混合した気液旋回流Ｆ２が形成される。

第二旋回室２０内に形成される気液旋回流Ｆ２は軸心２１ｃの周りを高速回転するので、気液旋回流Ｆ２の中心付近（軸心２１ｃを含む領域）には減圧空洞部Ｘが発生する。気体導入経路５０を経由して第二旋回室２０内へ導入された空気は減圧空洞部Ｘ内へ流入し、高速回転する気液旋回流Ｆ２によって細かく剪断されるので、気液旋回流Ｆ２内には大量の微細気泡ＡＢが発生する。

大量の微細気泡ＡＢを含む気液旋回流Ｆ２は隔壁２１ｂに向かって流動し、隔壁２１ｂの中心にある貫通孔２３を通過し、大量の微細気泡ＡＢを含む気液混合流体Ｆ３の乱流となって気液混合室３０内を拡散流動する。このとき、前記乱流の撹拌作用により、大量の微細気泡ＡＢは気液混合流体Ｆ３内に均等に分散混合された状態となる。

気液混合室３０内において撹拌混合された気液混合流体Ｆ３は、図２に示すように、底板４１に開設された複数の排出孔４０を通過して排出され、水槽６０内の水Ｗの中へ拡散流動して行く。これにより、水Ｗ中に大量の空気を溶解させることができる。

本実施形態の気液混合ノズル１００においては、排出孔４０の口径は２ｍｍに設定しているので、気液混合室３０内の気液混合流体Ｆ３中に粒径２ｍｍを超える大粒径の気泡Ｂが発生することがあっても、気液混合ノズル１００の外部（水Ｗの中）へ排出されることはない。なお、排出孔４０の口径は２ｍｍに限定するものではないので、使用状況などに応じて適切な口径に設定することができる。

また、本実施形態の気液混合ノズル１００においては、第二旋回室２０（図２参照）の内部に生じる減圧に基づく吸気圧により、空気は気体導入経路５０を経由して第二旋回室２０内へ自吸されるが、必要に応じてエアポンプ（図示せず）を用いて圧送することもできる。

本実施形態の気液混合ノズル１００においては、第一旋回室１０内に液体旋回流Ｆ１を発生させ、これを第二旋回室２０内へ流入させることにより、高速で回転する気液旋回流Ｆ２を形成するので、大量の微細気泡ＡＢを効率良く発生させることができ、気体の溶解効率が高まる。第一旋回室１０内で発生させた液体旋回流Ｆ１を第二旋回室２０内へ導入する方式としたことにより、第二旋回室２０内の気液旋回流Ｆ２の旋回流速を高めることができるため、従来に比べて小型のポンプＰでも大量の微細気泡ＡＢを発生させることができる。

また、気液混合ノズル１００においては、気液混合室３０の底板４１に開設された複数の流出孔４０を通して微細気泡ＡＢ混じりの気液混合流体Ｆ３を排出するので、排出孔４０より排出される微細気泡ＡＢ混じりの気液混合流体Ｆ３中に粒径の大きな気泡Ｂが混在するのを防止することができる。このように、気液混合ノズル１００を使用することにより、液体（例えば、水）に対する気体（例えば、空気）の溶解効率を大幅に高めることができる。

図６に示すように、気液混合ノズル１００を用いて処理した水槽６０中の水Ｗには大量の空気が溶解しているため、この水Ｗを植物栽培用水として使用すると、植物の生育状態を大幅に向上させることができる。例えば、気液混合ノズル１００を用いて処理した水Ｗをトマトの水耕栽培用水として使用したり、サツマイモ苗を水Ｗに一定時間浸漬して培地に植えたりしたところ、いずれの場合においても、収穫量を大幅に高めることができた。

なお、図６においては、気液混合ノズル１００を用いて水槽６０中の水Ｗに空気を溶解させる場合について説明しているが、気液混合ノズル１００の用途を限定するものではないので、気液混合ノズル１００は、水Ｗ以外の液体に対し、空気以外の様々な気体を溶解させる分野においても使用することができる。

本実施形態に係る気液混合ノズル１００は、外部から液体導入経路１を経由して導入する液体Ｒの圧力が０．０２ＭＰａ程度の低圧であっても、気体導入経路５０を経由する気体の自吸が始まり微細気泡の発生が可能である。従って、水道水、省電力の安価なポンプで利用できるので、利用分野が大きく広がる。

また、気液混合ノズル１００は、液体導入経路１を経由して導入する液体Ｒの圧力（水圧）が０．１ＭＰａ以下であっても使用することができるので、シャワーなどとしても、安全に使用することができる。

気液混合ノズル１００においては、第一旋回室１０を設けたことにより、第二旋回室２０への液体導入孔２２を複数設けることが可能となり、０．０２ＭＰａ程度の水圧でも、第二旋回室２０内の旋回流が乱れることなく生成される。一方、特許文献２記載の発明においては、同文献中の図１に記載されているように、加圧液体導入口４が１箇所であるため、円筒部２ａ内に旋回流を乱れることなく発生させるには、必然的に、加圧液体導入口４に供給する液体の圧力を高める必要がある。

気液混合ノズル１００においては、第二旋回室２０から気液混合室３０へ流入した気液中の気体が過剰になり気液混合室３０内で滞留すると、第二旋回室２０内の減圧空洞部Ｘと連通し、減圧が解消されると吸気圧も解消され、気体導入経路５０からの気体Ｇの供給がストップするので、気体Ｇの過剰状態が防止され、大径の気泡の発生を防止することができる。このため、気液混合ノズル１００の排出孔４０から排出される気液混合流体Ｆ３においては、大きな粒径の気泡の混在が極めて少ない。また、気液混合ノズル１００においては、気体Ｇの供給量が常に自動調整されるので、気体Ｇの供給量を調整するためのコック（開閉弁）なども不要である。

気液混合ノズル１００をシャワーなどとして使用する場合は、液体導入経路１に供給する水圧を弱め、前記機能を積極的に利用することにより、気液混合ノズル１００の排出孔４０から排出される水流（気液混合流体Ｆ３）に脈動を発生させることができるため、心地良いマッサージ効果を得ることができる。

また、図１〜図６に基づいて説明した気液混合ノズル１００及びその使い方や用途などは一例を示すものであり、本発明の気混合ノズル及びその使い方や用途などは、前述した気液混合ノズル１００に限定されない。

本発明に係る気液混合ノズルは、農作物の栽培用水、畜産動物の飲料用水、魚介類の養殖用水などとして使用するナノバブル水の製造手段として、農林水産業や畜産業などの産業分野において広く利用することができる。

１ 液体導入経路
１ｃ，２１ｃ 軸心
２ 液体流出孔
３ 蓋体
４ 円板部材
５ 円筒部材
１０ 第一旋回室
１１ 第一筒状体
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ 隔壁
２０ 第二旋回室
２１ 第二筒状体
２１ｄ 下端開口部
２２ 液体導入孔
２３ 貫通孔
３０ 気液混合室
３１ 混合容器
４０ 排出孔
４１ 底板
５０ 気体導入経路
６０ 水槽
６１ 吸水管
６２ 送水管
１００ 気液混合ノズル
ＡＢ 微細気泡
Ｂ 気泡
Ｆ１ 液体旋回流
Ｆ２ 気液旋回流
Ｆ３ 気液混合流体
Ｇ 気体
Ｌ 放射曲線
Ｐ ポンプ
Ｒ 液体
Ｗ 水
Ｗ１ 水面
Ｘ 減圧空洞部

Claims (3)

1. 外部から液体導入経路を経由して導入する液体によって液体旋回流を発生させる第一旋回室と、前記第一旋回室内の液体旋回流を流入させ外部から導入した気体と混合させて微細気泡混じりの気液旋回流を発生させる第二旋回室と、前記第二旋回室内の気液旋回流を流入させて乱流化する気液混合室と、前記気液混合室内の微細気泡混じりの気液混合流体を外部へ排出する所定口径の排出孔と、を備えた気液混合ノズル。
2. 前記第一旋回室が、両方の端部に隔壁を有する第一筒状体と、一方の前記隔壁を貫通して前記第一筒状体内に向かって挿入された筒状の液体導入経路と、前記液体導入経路の軸心と捩れの位置をなす方向に沿って当該液体導入経路の周壁に開設された液体流出孔と、を備え、
   前記第二旋回室が、両方の端部に隔壁を有し、少なくとも一方の端部側が前記第一筒状体内に収容保持された第二筒状体と、前記第一筒状体内に位置する前記第二筒状体の周壁にその軸心と捩れの位置をなす方向に沿って開設された液体導入孔と、前記第二筒状体内に気体を流入させる気体導入経路と、前記第二筒状体の他方の端部の隔壁に開設された貫通孔と、を備え、
   前記気液混合室が、前記貫通孔を経由して前記第二筒状体内と連通する混合容器と、前記混合容器の隔壁に開設された複数の前記排出孔と、を備えた請求項１記載の気液混合ノズル。
3. 複数の前記排出孔を、前記混合容器の前記貫通孔と対向する隔壁面に仮想される複数の放射曲線に沿って並んだ状態に配列した請求項２記載の気液混合ノズル。

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