JP2020189274A - 液体処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一端に液体入口を、他端に液体出口を有する単一の液体流路が形成されるとともに、該液体流路の一部区間がキャビテーション処理部として定められたノズル本体と、キャビテーション処理部にてノズル本体に脚部先端側が流路内側に突出するように組付けられる複数のねじ部材とを備え、気体が溶存した液体を液体入口から液体出口に向けて流通させ、キャビテーション処理部にてねじ部材の脚部外周面に形成されたねじ谷に液体を増速しつつ接触させることにより、該液体に溶存ガスの減圧析出に基づくキャビテーション処理を行なうようにした液体処理ノズルと、
一端に流入口、他端に流出口が形成される中空の外筒部材と、外筒部材の内側に設けられ、流入口と流出口とをつなぐ螺旋状流路を、該螺旋状流路の螺旋軸線が外筒部材の中心軸線に沿うように形成する流路形成部材とを備え、螺旋状流路が液体処理ノズルの液体流路に連通するように、液体処理ノズルの液体入口側に設けられる気液ミキサーと、
気液ミキサーの流入口に、気体と液体との混相流を供給する混相流供給部とを備え、
混相流中の気泡を、気液ミキサーの螺旋状流路内を流通させることにより微粉砕しつつ液体処理ノズルに供給し、キャビテーション処理部に生ずる乱流域に微粉砕された気体を巻き込ませて溶解させるようにしたことを特徴とする。
・総数にて8以上のねじ部材が各ねじ配置面に対し2つ以上分配される形で配置される(以下、1つのねじ配置面に配置されたねじ部材のグループのことを「面ねじ組」ともいう)。
・各ねじ配置面において、液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が40%以上に確保され、液体流路の液体流通領域の面積が3.8mm2以上確保される。
・中心軸線と直交する平面への投影にて液体流路の断面中心から該液体流路の半径の70%以内の領域に位置する谷点の全ねじ配置面間で合計した総数を、液体流路の断面積で除した70%谷点面積密度と定義したとき、70%谷点面積密度の値が2.0個/mm2以上に確保される。
・中心軸線方向に互いに隣接するねじ配置面の間隔が公称ねじ径以上に確保される。
ねじ部材のねじ山ピッチ及びねじ谷深さの数値範囲を上記のように設定するとよい理由については、以下の通りである。まず、ねじ谷の深さが0.2mm未満ではねじ谷におけるキャビテーション効果(溶存気体の減圧による気泡析出効果)が顕著でなくなり、ねじ谷深さが0.40mm以上ではキャビテーション効果の向上は頭打ちとなる。また、ねじ山ピッチが0.40mm以上に増大すると、ねじ脚部の単位長当たりのねじ谷数が減じるので、70%谷点の面積密度を向上できなくなる。よって、ねじ山ピッチ及びねじ谷深さは0.20mm以上0.40mm以下に設定するのがよい。また、ねじ部材の強度確保と、流路断面がねじ部材により過度に占有されないようにすること、ひいては水道圧程度の通常の送液圧でも液体流通量を十分確保できるようにする観点から、ねじ部材の公称ねじ径は1.0mm以上2.0mm以下に設定するのがよい。この公称ねじ径の値の範囲は、上記のねじ山ピッチ及びねじ谷深さをカバーするJIS並目ピッチねじの公称ねじ径の範囲とほぼ一致する。そして、上記のねじ部材は液体流路内に総数にて8以上配置するのがよい。この8以上のねじ部材を1つのねじ配置面内に密集させて配置するのではなく、複数(2以上)の面ねじ組に区分して複数のねじ配置面に分散配置することにより、70%谷点密度の増加を図ることができる。
図1Aは、本発明の一実施形態をなす液体処理装置の一例を使用形態とともに示す概念図である。液体処理装置300は、液体流通方向(矢印)において下流側から液体処理ノズル1、気液ミキサー150及び混相流供給部165をこの順序に直列連通形態に配置したものであり、液体貯留部250(タンク、貯留槽、池など)に貯留された液体を循環させる循環配管180上に設けられている。処理対象となる液体は、例えば水(あるいは必要に応じて所望の溶質成分を溶かし込んだ水溶液)であるが、水以外の液体(例えば、アルコール等の有機溶媒、ガソリンや軽油などの化石燃料、食用油など)を用いてもよい。
a=S1−S2 (単位:mm2)
として定義する。この実施形態では、主流通領域21と液体流通ギャップ15との合計面積が全流通断面積aに相当する。図1Cに示すごとく、液体入口4及び液体出口5の開口径は、絞り部9の内径よりも大きい。すなわち、液体入口4及び液体出口5の開口断面積は全流通断面積aよりも大きく設定されている。また、流入室6及び流出室7の絞り部9に連なる内周面はそれぞれテーパ部13、14とされている。液体出口5側のテーパ部14と液体入口4側のテーパ部13とは絞り比は同じであるが、区間長はテーパ部14の方が大きく設定されている。そして、各ねじ配置面LP1、LP2において、全流通断面積aは3.8mm2以上確保され、液体流路の全断面積S1に占める液体流通領域の割合(すなわち、a/S1×100(%))として定められる面内流通面積率は40%以上に確保されている。
図4は、図1Cの液体処理ノズル1のキャビテーション処理部CVを、図2に示すレイアウトの面ねじ組を中心軸線Oの方向に4組配置した構成を示す。具体的には、中心軸線Oの向きに4つのねじ配置面LP1〜LP4が、図1Cと同じ面間隔dpにて配置され、図2の十字状の面ねじ組が互いに重なるように(すなわち、同相に)配置されている。この場合、16本のねじ部材10が4つのねじ配置面LP1〜LP4に分配されることとなる。また、図5は、図2の面ねじ組を8つのねじ配置面LP1〜LP8に対し同相に配置したキャビテーション処理部CVの例を示す。この場合、32本のねじ部材10が8つのねじ配置面LP1〜LP8に分配されることとなる。各キャビテーション処理部CVの70%谷点面積密度は、図2の構成と比較して、図4の構成では2倍に、図5の構成では4倍に増加させることができる。
試験用の液体処理ノズル(以下、「試験ノズル」と称する)として、図1Cに示す形状のものを種々作成した。図21に図1Cの各部の寸法関係を図示している。ノズル本体2の材質はABS樹脂であり、液体入口4と液体出口5の内径はφ20mm、流入室6及び流出室7の流れ方向の長さはそれぞれ15mm及び45mmである。また、キャビテーション処理部において絞り部9の長さは12mm(面ねじ組数4まで)ないし17mm(面ねじ組数8)、絞り部9の内径Dはφ3.8〜φ11.5mmの種々の値に設定した。
(1)通水テスト
図22に示す試験装置を構築し、各試験ノズルを組み込んで通水テストを行なった。具体的には、水温20℃、溶存酸素濃度5ppmの水道水を容量50Lの貯留タンクに注水した。配管系は内径20mmのPVC管を用いて作成した。吸引配管は一端をベーンポンプの吸引側に接続し、他端側を貯留タンクに挿入した。一方、ポンプ吐出側の配管は試験ノズルを装着する試験配管と、試験ノズルを経由しない逃がし配管とに分岐し、逃がし配管を通る水は貯留タンクに戻される。試験配管の先端には試験ノズルを含む本発明の液体処理装置が装着され、その上流に動水圧計と流量計とが挿入される。この状態でベーンポンプを駆動することにより、試験ノズルを開放通水したときの動水圧と流量とが読み取り可能である。また、試験ノズルを通過した処理水は回収タンクに回収される。逃がし配管上には流量調整弁が設けられ、その開度を調整することで、ノズルに付加される動水圧及び流量が任意の値に無段階に設定可能である。
図10の液体処理装置300が構築されるように、気液ミキサー150(表5の番号503のもの)と試験ノズルとを組み込み、表5に結果を示した試験と同様に溶存酸素量を1ppmまで低減させた試験用脱酸素水を用い、空気混合しない場合の水流量を基準に体積比にてその15%の空気を導入しつつ、液体処理装置300を1パスだけ通過させる形で回収した水の溶存酸素濃度を測定した。
バイオフィルムに類似したぬめり汚れのモデルとしてひきわり納豆を用い、図19の装置200を用いて、各試験ノズルを含む液体処理装置を通水させた水道水(初期酸素濃度:5ppm)を試験水として、その洗浄力評価を行なった。装置200の要部をなす散水ノズル201は、内径20mmのPVC管の先端をキャップで封止するとともに、管軸線方向に5mm間隔で管壁部を貫通するノズル孔を複数ドリル孔設したものである。この散水ノズルを水平に支持するとともに、基端側に試験水を供給することで各ノズル孔から下向きに噴射される。
・試験水については、回収タンクに回収後、10分間静置状態で放置したのち、試験に供した。10分放置後の試験水は、レーザー回折式粒度計(島津製作所製:SALD2200)により微細気泡が計測されるか否かを確認したが、いずれの試験ノズルによる試験水も、通常水である水道水とともに測定結果は検出限界以下となった。
・洗浄性の評価は、複数の試験ノズルの試験水間で通水時間の絶対値を横断的に比較するのではなく、同条件にて作成したサンプルタイルを用いたときの、キャビテーション処理を行わない通常水(ブランク水)と試験水との通水時間比(除去率:50%)で比較するようにした。以上の試験結果を、表1〜表4にまとめて示している。
図15は、ねじ配置面を1面のみとし、ねじ配置面の全流通断面積(液体流通領域の面積)を種々に変更した試験ノズルにより、動水圧を通常水道圧領域の0.077MPaに固定設定したときの、流通断面積aと流量ρの関係を調べた結果を示すグラフである。このグラフから明らかな通り、ねじ配置面における流通断面積aが5.0mm2以上となる領域では、該面積aの増加に伴い流量ρがaの一次関数:
ρ=1.75a+2.93・・・(I)
に従って直線的に増加する傾向を示していることがわかる。一方、流通断面積aが5.0mm2となる領域では、流量ρは上記直線的な関係から下方に外れ、全流通断面積aの縮小に伴って、該面積aの対数に依存する関数:
ρ=9.28×ln(a)−3.37・・・(II)
に従い、流量ρが急速に減少していることがわかる。これは、通常の水道圧領域による流通条件では、全流通断面積aが5.0mm2未満となったとき、ノズル内の面ねじ組の挿入数が1つ増えるごとに増加する圧損が急激に大きくなり、流通断面積に見合った流量が得られなくなることを意味している。全流通断面積aが5.0mm2となる具体的な条件は、例えば、絞り部9の内径を4.2mmに設定し、M1.4のねじ部材を図2のレイアウトに従い4本配置した場合に相当する。
2 ノズル本体
3 液体流路
5 液体出口
4 液体入口
9 絞り孔
10 ねじ部材
150 気液ミキサー
151 外筒部材
155 流路形成部材
156 螺旋区間
157 第一螺旋状流路
158 第二螺旋状流路
159 流入口
160 流出口
300 液体処理装置
LP1〜LP4 ねじ配置面
CV キャビテーション処理部
Claims (17)
- 一端に液体入口を、他端に液体出口を有する単一の液体流路が形成されるとともに、該液体流路の一部区間がキャビテーション処理部として定められたノズル本体と、前記キャビテーション処理部にて前記ノズル本体に脚部先端側が流路内側に突出するように組付けられる複数のねじ部材とを備え、気体が溶存した液体を前記液体入口から前記液体出口に向けて流通させ、前記キャビテーション処理部にて前記ねじ部材の脚部外周面に形成されたねじ谷に前記液体を増速しつつ接触させることにより、該液体に前記溶存ガスの減圧析出に基づくキャビテーション処理を行なうようにした液体処理ノズルと、
一端に流入口、他端に流出口が形成される中空の外筒部材と、前記外筒部材の内側に設けられ、前記流入口と前記流出口とをつなぐ螺旋状流路を、該螺旋状流路の螺旋軸線が前記外筒部材の中心軸線に沿うように形成する流路形成部材とを備え、前記螺旋状流路が前記液体処理ノズルの前記液体流路に連通するように、前記液体処理ノズルの前記液体入口側に設けられる気液ミキサーと、
前記気液ミキサーの前記流入口に、前記気体と前記液体との混相流を供給する混相流供給部とを備え、
前記混相流中の気泡を、前記気液ミキサーの前記螺旋状流路内を流通させることにより微粉砕しつつ前記液体処理ノズルに供給し、前記キャビテーション処理部に生ずる乱流域に前記微粉砕された気体を巻き込ませて溶解させるようにしたことを特徴とする液体処理装置。 - 前記気液ミキサーは、前記ねじ部材のねじピッチをh(mm)として前記気泡を、1.5h以下の気泡径に微粉砕するものである請求項1記載の液体処理装置。
- 前記気液ミキサーの前記流路形成部材は、帯状の金属板の幅方向の中心軸線を前記螺旋軸線とする形で該金属板をねじり加工したねじり板部材として構成され、前記螺旋状流路として、前記ねじり板部材の第一主面と前記外筒部材の円筒状の内周面との間の空間がなす第一螺旋状流路と、前記ねじり板部材の第二主面と前記外筒部材の円筒状の内周面との間の空間がなす第二螺旋状流路とからなる請求項1又は請求項2に記載の液体処理装置。
- 前記外筒部材は、前記螺旋流路が1.5周期以上の螺旋区間を含むように全長が定められている請求項3記載の液体処理装置。
- 前記外筒部材の円筒状の内周面の内径をDx(mm)、前記ねじり板部材の螺旋周期長をλ(mm)として、λ/Dxが1.5以上4以下に設定されている請求項3又は請求項4に記載の液体処理装置。
- 前記液体処理ノズルは、前記ねじ部材がねじピッチ及びねじ谷深さが0.20mm以上0.40mm以下、公称ねじ径Mが1.0mm以上2.0mm以下のものが使用され、前記キャビテーション処理部には、前記液体流路の中心軸線と直交する仮想的なねじ配置面が該中心軸線に沿って複数設定され、前記ねじ部材が各前記ねじ配置面に対し2つ以上分配される形で前記脚部の長手方向が該ねじ配置面に沿うように配置された構造を有してなり、総数にて8以上の前記ねじ部材が各前記ねじ配置面に対し2つ以上分配される形で配置されるとともに、前記液体流路の液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において3.8mm2以上確保され、前記液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が40%以上に確保され、前記中心軸線と直交する平面への投影にて前記液体流路の断面中心から該液体流路の半径の70%以内の領域に位置する谷点の全ねじ配置面間で合計した総数を、前記液体流路の断面積で除した70%谷点面積密度と定義したとき、前記70%谷点面積密度の値が1.6個/mm2以上に確保され、さらに、前記中心軸線方向に互いに隣接する前記ねじ配置面の間隔が前記公称ねじ径以上に確保されてなる請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の液体処理装置。
- 前記液体流路の液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において5.0mm2以上確保され、前記70%谷点面積密度の値が2.0個/mm2以上に確保されてなる請求項6記載の液体処理装置。
- 前記ねじ配置面上にて前記ねじ部材は前記液体流路の円形の軸断面の直径に前記脚部の長手方向を一致させる位置関係にて配置されてなる請求項6又は請求項7に記載の液体処理装置。
- 前記ねじ部材を3本以上含むねじ配置面が前記中心軸線方向に2面以上設定されてなる請求項3記載の液体処理装置。
- 前記ねじ配置面上の3本以上の前記ねじ部材は、各ねじの前記脚部の先端面が前記断面中心を取り囲むことにより中心ギャップを形成するように配置されてなる請求項9記載の液体処理装置。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面間で前記ねじ部材の前記脚部は、前記平面への投影において長手方向を一致させつつ互いに重なり合う位置関係にて配置されてなる請求項6ないし請求項10のいずれか1項に記載の液体処理装置。
- 前記ねじ部材は前記脚部よりも径大の頭部を有し、前記ねじ配置面の間隔が該頭部の外径よりも大きく設定されてなる請求項6記載の液体処理装置。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面のそれぞれにおいて3以上の同数の前記ねじ部材が、前記脚部が前記液体流路の断面半径方向に沿うように前記断面中心周りに等角度間隔にて配置されるとともに、前記断面中心周りにおける前記ねじ部材の配置角度位相が隣接する前記ねじ配置面間にて一致するように定められてなる請求項12記載の液体処理装置。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面間で前記ねじ部材の前記脚部は、前記平面への投影において長手方向を互いに交差させる位置関係にて配置されてなる請求項6ないし請求項10のいずれか1項に記載の液体処理装置。
- 前記中心軸線方向における前記ねじ配置面の間隔が前記ねじ部材の公称ねじ径の2.0倍以上に設定されてなる請求項10に記載の液体処理装置。
- 前記中心軸線方向における前記ねじ配置面の間隔が前記ねじ部材の公称ねじ径の4.0倍以上に設定されてなる請求項15記載の液体処理装置。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面のそれぞれにおいて3以上の同数の前記ねじ部材が、前記脚部が前記液体流路の断面半径方向に沿うように前記断面中心周りに等角度間隔にて配置されるとともに、前記断面中心周りにおける前記ねじ部材の配置角度位相が隣接する前記ねじ配置面間にて互いにずれた形で定められてなる請求項14ないし請求項16のいずれか1項に記載の液体処理装置。
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