JP2021194585A - 積層ベンチュリノズル及びその製作方法並びにマイクロバブル液生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡径及び気泡径分布が小さなマイクロバブルを得る積層ベンチュリノズルを提供する。【解決手段】積層ベンチュリノズル１０は、２本の平行な溝状のベンチュリ流路及びそれに連通するＹ溝状の２分岐流路が左右対称になるように形成された溝有りブロックと、溝有りブロックと同じ大きさに形成された溝無しブロックと、溝有りブロックと溝無しブロックとが所定合計枚数積層された積層ブロックを連結する連結手段と、積層ブロックに気体を加圧溶解により混合した気体混合液を供給するための１本の供給流路を有する供給ブロックと、を有し、積層ブロックは、溝状のベンチュリ流路及び溝状の２分岐流路が管状流路になるように溝有りブロックと溝無しブロックとが積層されることにより複数本の管状流路が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は積層ベンチュリノズル及びその製作方法並びにマイクロバブル液生成装置に係り、特にベンチュリ構造によってマイクロバブルを発生させるための技術に関する。

近年、容器等に貯留された水等の液体中にマイクロバブル（直径1〜１００μｍの気泡）を吹き込んでマイクロバブル液を得るマイクロバブル液生成装置は、工業、化学、医療、農業、水産等の色々な分野で用いられている。

例えば、マイクロバブルは油汚れ等を強力に落とし、浮上分離させることができる洗浄作用があることから、半導体分野でのフォトレジスト除去、半導体ウエハの洗浄や廃水処理分野での油水分離等に使用されている。また、マイクロバブルは細菌やウイルスを強力に分解する殺菌作用があることから、医療や福祉分野での除菌、殺菌、マイクロバブル浴槽等に利用されている。

更に、マイクロバブルの持つ生理活性作用により、魚介類が大きく美味しく育ったり、水耕栽培での植物の成長促進に役立つことから、農業や水産分野では水産養殖、水耕栽培、微生物の活性化等に利用されている。

しかし、既存のマイクロバブル液の発生装置は高額であり、農業や水産分野あるいは廃水処理分野への適用が難しい。

マイクロバブル液生成装置において、マイクロバブルを発生させる方法としては、加圧溶解方式、剪断流方式、多孔質板方式、微細ニードル方式、ベンチュリ管方式等がある。これらの方式は一長一短があるが、ベンチュリ管方式は比較的簡単な構造であり、ベンチュリ管内に駆動部を必要としないでマイクロバブルを生成可能であることから、装置コスト的に低価格が可能であるという利点を有している(例えば特許文献１)。

ベンチュリ管方式でマイクロバブルを発生する原理は、ベンチュリ管の最も細いスロート部（のど部とも言う）に気体（例えば空気、オゾン）を混入させた液体（例えば水）を音速に達する速度で通過させる。これにより、衝撃波が発生して気泡崩壊が起こりスロート部の下流側に微細気泡を得る方法である。

そして、マイクロバブル液生成装置で得られたマイクロバブル液の上記した洗浄作用、殺菌作用、生理活性作用はマイクロバブルの気泡径が小さいほど且つマイクロバブル液中のマイクロバブル濃度が大きいほど作用効果も大きくなる傾向にある。また、マイクロバブルの気泡径分布のバラツキが小さいほど作用効果が大きくなる傾向にある。

特開２０１６−７３９３９号公報

ところで、ベンチュリ管方式でマイクロバブルを発生する場合、ベンチュリ管のスロート部の流路断面積が小さいほど気泡崩壊現象等を効果的に行い気泡径の小さなマイクロバブルを得ることができる。

しかしながら、ベンチュリ管における気泡微細化メカニズムは十分に解明されていない。即ち、気泡径が小さく且つ気泡径分布のバラツキの小さなマイクロバブルを多量に発生するには、ベンチュリ管をどのように設計するのが良いかに関して十分に解明されていないのが実情である。

例えば、単独のベンチュリ管でスロート部の流路断面積を小さくすると、小さい気泡径のマイクロバブルを得ることはできるが、気泡発生量が少なくなる。したがって、単独のベンチュリ管でマイクロバブル液生成装置を構成すると、マイクロバブル液中のマイクロバブル濃度を十分に得ることができない。

逆に、スロート部の流路断面積を大きくした単独のベンチュリ管でマイクロバブル液生成装置を構成すると気泡発生量は大きくなるが、小さい気泡径のマイクロバブルを得ることができない。

即ち、単独のベンチュリ管の場合には、気泡径の小さなマイクロバブルを得ることと、気泡発生量を大きくすることとの両方を満足できないという問題がある。
この問題の解決策として、ベンチュリ管の本数を増やすことで対応することが考えられるが、次の問題がある。

（１）ベンチュリ管の流路形状は流路断面積が次第に縮小する流路縮小部と流路断面積が次第に拡大する流路拡大部との間に流路断面積が最も小さいスロート部を有する形状である。したがって、複数本のベンチュリ管を全く同じ形状及び同じ流路断面積に高精度で製作することが難しい。複数本のベンチュリ管の形状や流路断面積にバラツキがあると、マイクロバブルの気泡径、気泡径分布、及び気泡発生量においてベンチュリ管ごとにバラツキが発生し易い。

（２）複数本のベンチュリ管の本数に見合った複数のポンプを設けるか、１つのポンプの場合にはベンチュリ管の本数に見合った分岐数の分岐管が必要になる。しかし、複数のポンプの性能のバラツキ、分岐管を流れる流量のバラツキ等によって、マイクロバブルの気泡径、気泡径分布、及び気泡発生量においてベンチュリ管ごとにバラツキが発生し易い。

したがって、ベンチュリ管の本数を増やす対応策は、上記の洗浄作用等の効果が十分に得られていないというのが実情である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、装置コスト的に低価格が可能なベンチュリ構造を用いて、気泡径及び気泡径分布が小さなマイクロバブルを大きな気泡発生量で得ることができる積層ベンチュリノズル及びその製作方法並びにマイクロバブル液発生装置を提供することを目的とする。

本発明の積層ベンチュリノズルは、マイクロバブルを発生するためのベンチュリ構造のノズルにおいて、両面が平坦で四角形な板状のブロックの表面に、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部と流路断面積が次第に拡大する流路拡大部との間に流路断面積が最も小さいスロート部を有する２本の平行な溝状のベンチュリ流路及び２本のベンチュリ流路の流路縮小部の入口にそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路が左右対称になるように形成された溝有りブロックと、溝有りブロックと同じ大きさに形成されると共に両面が平坦で四角形な板状の溝無しブロックと、溝有りブロックと溝無しブロックとが所定合計枚数積層された積層ブロックを連結する連結手段と、積層ブロックにマイクロバブルを発生するための液体と液体に混合する気体とを供給する気液供給手段と、を有し、積層ブロックは、溝状のベンチュリ流路及び溝状の２分岐流路が管状流路になるように溝有りブロックと溝無しブロックとが積層されることにより、複数本の管状流路が形成されると共に管状流路を構成するベンチュリ流路の流体噴出口と２分岐流路の流体供給口とが形成されることを特徴とする。

ここで、所定合計枚数とは、積層ブロックを構成する溝有りブロックの枚数と溝無しブロックの枚数の合計枚数を言い、積層ベンチュリノズルの気泡発生量に応じて溝有りブロックの必要枚数と溝無しブロックの必要枚数を適宜決定する。
また、溝有りブロックと溝無しブロックは、形状は四角形が好ましいが、四角形に限定されるものでない。溝有りブロックと溝無しブロックとを連結する連結手段は、着脱自在に連結されるものが好ましいが、着脱自在に限定されず、一度固定されたら着脱できない固定手段を採用することもできる。

本発明の積層ベンチュリノズルによれば、２本の平行な溝状のベンチュリ流路及び２本のベンチュリ流路の流路縮小部の入口にそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路が左右対称になるように形成された溝有りブロックと、溝無しブロックとを所定合計枚数積層させて管状のベンチュリ流路及び２分岐流路とする構成を採用した。

これにより、流路形成に高精度加工を行い易い切削加工法を使用できる。したがって、ブロックの材質に依存しないので、製作コストが低価格になるだけでなく、ベンチュリ流路の本数をマルチ化しても形状やスロート部の流路断面積等にバラツキが生じ難くなる。

また、溝有りブロックに形成される２本のベンチュリと１つの２分岐流路は対称軸を挟んで左右対称になるように形成されている。

また、積層ブロックを構成する溝有りブロックと溝無しブロックとを連結手段で着脱自在に連結できるようにしたので、積層ブロックに形成するベンチュリ流路の本数、換言すると気泡発生量を簡単に変えることができる。

これらの構成により、装置コスト的に低価格が可能なベンチュリ構造を用いて、気泡径及び気泡径分布が小さなマイクロバブルを大きな気泡発生量で得ることができる積層ベンチュリノズルを提供できる。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、気液供給手段は、積層ブロックに気体を液体に加圧溶解により混合した気体混合液を供給するための1本の供給流路を有する供給ブロックであることが好ましい。
このように、積層ブロックに形成された複数本のベンチュリ流路に、気体を液体に加圧溶解した気体混合液を供給することで、ベンチュリ流路ごとの気液体積流量比（β）にバラツキが生じにくくなる。

また、積層ブロックには、１本の供給流路を有する供給ブロックから気体混合液が供給されるようにしたので、複数本のベンチュリ流路の入口流量（入口圧力）にバラツキが生じ難くなる。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、積層ブロックに形成された管状のベンチュリ流路及び２分岐流路の流路断面形状は正方形又は長方形の矩形であることが好ましい。これにより、切削加工によって溝有りブロックに溝を形成する際に、例えば半円等の他の溝形状に比べて高精度に切削加工し易い。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、積層ブロックに形成された複数本の管状流路は、供給ブロックの供給流路の軸芯を中心とした円周上に略位置するように形成されていることが好ましい。

これにより、積層ブロックに形成された複数本の管状流路は、供給ブロックの１本の供給流路の軸芯に対してシンメトリックな位置関係にあるので、供給流路から複数の２分岐流路を介して複数本のベンチュリ流路に気体混合液を供給する際に、気体混合液を一層均等に供給することができる。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、積層ブロックの所定合計枚数における溝有りブロックと溝無しブロックとのそれぞれの枚数はベンチュリ流路の形成本数によって設定されることが好ましい。これにより、積層ブロックを構成する溝有りブロックの枚数と溝無しブロックの枚数を変えるだけで簡単に気泡発生量を変えることができる。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、積層ブロックの流体供給口が形成された側のブロック辺には、積層ブロックに供給ブロックを嵌合して接続するための嵌合用切り欠きが形成されることが好ましい。

これにより、積層ブロックと供給ブロックとの正確な位置決め接続が可能となる。したがって、積層ブロックに形成された複数本の管状流路が、供給ブロックの１本の供給流路の軸芯を中心とした円周上に略位置するための位置決めを高精度に行うことができる。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、積層ブロックを構成する溝有りブロックと溝無しブロックとの積層において、溝有りブロック同士の表面と裏面又は溝有りブロックの表面と溝無しブロックとを重ね合わせる場合と、溝有りブロック同士の表面同士を重ね合わせる場合とにより管状流路の流路断面積を可変可能である。

これにより、同じ積層数の積層ブロックでありながら、ベンチュリ流路の本数や、ベンチュリ流路の流路断面積、特にスロート部の流路断面積を必要に応じて変えることができる。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、積層ブロックの所定合計枚数は４枚であって、ベンチュリ流路が６流路になるように３枚の溝有りブロックと１枚の溝無しブロックとが積層されている。これは、ベンチュリ流路のマルチ化の流路数として、マルチ化によるバラツキ等を考慮すると最大６流路が現実的だからである。

本発明の積層ベンチュリノズルの態様によれば、ベンチュリ流路において、スロート部の矩形な縦幅及び横幅は１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であると共に長さは１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。

スロート部の幅を１．０ｍｍ未満にすることは切削加工的に難しいだけでなくゴミ等の異物がスロート部に詰まり易くなる。また、スロート部の幅が５．０ｍｍを超えると、気体混合液の流量との兼ね合いもあるが、流速が音速を超えるようなチョーク流れが起きにくくなる。

また、スロート部の長さは可能な限り短い方が良いが１．０ｍｍ未満にすることは切削加工的に難しい。また、５．０ｍｍを超えると流路拡大部における圧力回復（圧力上昇）が起きにくくなり、気泡崩壊しづらくなる。

本発明の積層ベンチュリノズルの製作方法は、マイクロバブルを発生するためのベンチュリ構造のノズルの製作方法において、両面が平坦で四角形な板状のブロックの表面に、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部に続いて流路断面積が次第に拡大する流路拡大部を有する２本の溝状のベンチュリ流路及び２本のベンチュリ流路の前記流路縮小部の入口にそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路が左右対称になるように形成された溝有りブロックを形成する溝有りブロック形成工程と、溝有りブロックと同じ大きさに形成されると共に両面が平坦で四角形な板状の溝無しブロックを形成する溝無しブロック形成工程と、溝状のベンチュリ流路及び溝状の２分岐流路が管状流路になるように溝有りブロックと溝無しブロックとを積層させて、複数本の管状流路を形成すると共に管状流路を構成するベンチュリ流路の流体噴出口と２分岐流路の流体供給口とを形成する積層ブロック形成工程と、積層ブロックの溝有りブロックと溝無しブロックとを着脱自在に連結する連結工程と、積層ブロックに形成された複数の流体供給口に気体を加圧溶解した気体混合液を供給するための１本の供給流路を有する供給ブロックを接続する供給ブロック接続工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の積層ベンチュリノズルの製作方法を実施することによって、上記した積層ベンチュリノズルを製作することができる。

本発明の積層ベンチュリノズルの製作方法の態様によれば、溝有りブロック形成工程では、溝状のベンチュリ流路及び溝状の２分岐流路を切削加工によって形成することが好ましい。

切削加工によって形成することで、ブロックの材質に関係なく高精度にベンチュリ流路や２分岐流路の溝を形成できる。

本発明のマイクロバブル液生成装置は、液体にマイクロバブルを吹き込んだマイクロバブル液を生成するマイクロバブル液生成装置において、液体を貯留する容器と、容器の液体を抜き出して再び容器に戻す循環配管と、循環配管に設けられた循環ポンプと、循環配管の循環ポンプの上流側に設けられ、循環配管を流れる液体に気体を加圧溶解する加圧溶解装置と、加圧溶解装置に気体供給配管を介して気体を供給する空気供給装置と、循環配管の戻し位置に接続された上記積層ベンチュリノズルと、を備えたことを特徴とする。

本発明のマイクロバブル液生成装置によれば、本発明の積層ベンチュリノズルを用いるようにしたので、気泡径及び気泡径分布が小さなマイクロバブルを液体に多量に吹き込んだマイクロバブル液を生成できる。

本発明の積層ベンチュリノズル及びその製作方法によれば、装置コスト的に低価格が可能なベンチュリ構造で気泡径が小さく且つ気泡径分布のバラツキの小さなマイクロバブルを大きな気泡発生量で得ることができる。

また、本発明のマイクロバブル液生成装置によれば、気泡径及び気泡径分布が小さなマイクロバブルを液体に多量に吹き込んだマイクロバブル液を生成できる。

本発明の積層ベンチュリノズルの全体構成を説明する説明図 溝有りブロックの斜視図 溝無しブロックの斜視図 供給ブロックの斜視図 積層ブロックの組み立て図 積層ブロックに供給ブロックを接続する斜視図 本発明の積層ベンチュリノズルの別態様で４本のベンチュリ流路の説明図 本発明の積層ベンチュリノズルの別態様で２本のベンチュリ流路の説明図 本発明の積層ベンチュリノズルの別態様でスロート部の流路断面積を拡げた場合の説明図 ベンチュリ構造でマイクロバブルを発生させるメカニズムの説明図 スロート部の適切な流路断面積を試験した積層ベンチュリノズルの説明図 立証試験１のコントロール1に使用した積層ベンチュリノズルの説明図 立証試験１の気液体積流量比が０．０２の場合の試験結果を示すグラフ 立証試験１の気液体積流量比が０．００７の場合の試験結果を示すグラフ 立証試験１の気泡径の個数分布の表図 立証試験２の気液体積流量比が０．０１３の場合の試験結果を示すグラフ 立証試験２の気液体積流量比が０．００４の場合の試験結果を示すグラフ 立証試験２の気泡径の個数分布の表図 スロート部の流路断面積と気体混合液の流量との関係が気泡径に及ぼす影響を調べたグラフ マイクロバブル液生成装置の全体構成を説明する説明図

以下添付図面に従って、本発明に係る積層ベンチュリノズル及びその製作方法並びにマイクロバブル液生成装置の好ましい実施の形態について詳述する。

[積層ベンチュリノズル]
図１の（Ａ）は本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズルを上から見た平面図であり、（Ｂ）は積層ベンチュリノズルを前側（流体を噴出する側）から見た正面図である。
また、図２は溝有りブロックの斜視図であり、図３は溝無しブロックの斜視図である。図４は供給ブロックの斜視図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０は、主として溝有りブロック１２と、溝無しブロック１４と、溝有りブロック１２と溝無しブロック１４とが所定合計枚数積層された積層ブロック１６と、積層ブロック１６を着脱自在に連結する連結手段１７と、積層ブロック１６にマイクロバブルを発生するための液体と該液体に混合する気体とを供給する気液供給手段とで、構成される。
そして、本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０では、気液供給手段として、積層ブロック１６に気体を液体に加圧溶解により混合した気体混合液を供給するための1本の供給流路を有する供給ブロック１８の場合で以下に説明する。

ここで、所定合計枚数とは、積層ブロック１６を構成する溝有りブロック１２の枚数と溝無しブロック１４の枚数の合計枚数を言い、積層ベンチュリノズル１０の気泡発生量（即ちベンチュリ流路の本数）に応じて溝有りブロック１２の必要枚数と溝無しブロック１４の必要枚数を適宜決定する。

そして、本実施の形態の積層ベンチュリノズル１０では、図１の（Ｂ）に示すように、積層ブロック１６の所定合計枚数としてブロック４枚の４層構造の場合で説明する。なお、積層ブロック１６の所定合計枚数は４枚に限定するものではなく、積層ベンチュリノズル１０によって発生させるマイクロバブルの発生量の大小に応じて変えることができる。

また、本実施の形態では、連結手段１７としてはボルト１７Ａとナット１７Ｂ（図５参照）の例で説明する。また、以下の説明でブロックや流路の前側及び後側とは、気体混合液の流れ方向から見た下流側を前側とし、上流側を後側と言うことにする。

図２に示すように、溝有りブロック１２は、両面が平坦で四角形な板状のブロック表面に、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部２０Ａと流路断面積が次第に拡大する流路拡大部２０Ｂとの間に流路断面積が最も小さいスロート部２０Ｃを有する２本の平行な溝状のベンチュリ流路２０，２０が形成される。また、２本のベンチュリ流路２０の流路縮小部２０Ａの入口２０Ｅ（ベンチュリ流路２０の入口と同義）にそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路２２が形成される。

溝有りブロック１２に形成する溝状のベンチュリ流路２０の溝形状としては、正方形又は長方形の矩形であることが好ましい。切削加工によってベンチュリ流路２０を形成する際に、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部２０Ａと流路断面積が次第に拡大する流路拡大部２０Ｂとの間に流路断面積が最も小さいスロート部２０Ｃを有するベンチュリ流路２０を、矩形以外の他の溝形状に形成するよりも矩形で溝形状に形成する方が高精度に切削加工できる。

また、ベンチュリ流路２０の前側端は溝有りブロック１２の前側辺１２Ａに開口して流体噴出口２０Ｄを形成すると共に２分岐流路２２の後側端は溝有りブロック１２の後側辺１２Ｂに開口して流体供給口２２Ａを形成している。

そして、図１に示すように、２本の平行なベンチュリ流路２０及びこれらに連通する１つの２分岐流路２２は対称軸Ｎに対して左右対称なシンメトリックになるように形成される。

また、図２に示すように、溝有りブロック１２の３か所にボルト孔２４，２４…が形成されると共に溝有りブロック１２の裏面側には供給ブロック１８を積層ブロック１６に固定するためのネジ孔２６(雌ネジが刻設された貫通しない孔)が形成される。更に、溝有りブロック１２の後側端のブロック幅方向の中央部には、供給ブロック１８が嵌合する嵌合用切り欠き２８が形成される。

図３に示すように、溝無しブロック１４は、溝有りブロック１２と同じ大きさに形成されると共に両面が平坦で四角形な板状に形成される。また、溝無しブロック１４の３か所には、溝有りブロック１２と同じ位置にボルト孔２４が形成される。即ち、積層ブロック１６を形成したときに溝有りブロック１２と溝無しブロック１４とのボルト孔２４同士が連通する。また、溝無しブロック１４の片面側には、溝有りブロック１２と同様に供給ブロック１８を積層ブロック１６に固定するためのネジ孔２６(雌ネジが刻設された貫通しない孔)が形成される。更に、溝無しブロック１４の後側端のブロック幅方向の中央部には、溝有りブロック１２と同様に供給ブロック１８が嵌合する嵌合用切り欠き２８が形成される。即ち、積層ブロック１６を形成したときに、溝有りブロック１２と溝無しブロック１４との嵌合用切り欠き２８は合致する。

図４に示すように、供給ブロック１８は、内部に１本の円管状の供給流路１８Ａが貫通した略四角形状のブロックの上下位置に積層ブロック１６の上面と下面とに嵌合する一対の張り出し部３０が張り出したコ字形状に形成される。上側の張り出し部を上側張り出し部３０Ａと言い、下側の張り出し部を下側張り出し部３０Ｂと言うことにする。また、上側張り出し部３０Ａと下側張り出し部３０Ｂとには、上記したネジ孔２６に螺合するネジ３２，３２…が貫通する貫通孔３４，３４…が形成される。更に、供給ブロック１８の幅Ｐは上記した嵌合用切り欠き２８に嵌合する幅に形成される。

次に、積層ベンチュリノズル１０の製作方法について説明する。

[積層ベンチュリノズルの製作方法]
積層ベンチュリノズル１０の製作方法は、主として溝有りブロック形成工程と、溝無しブロック形成工程と、積層ブロック形成工程と、連結工程と、供給ブロック接続工程とで構成される。

溝有りブロック形成工程では、図２に示した溝有りブロック１２を切削加工により製作する。例えばマシニングセンタを用いて、両面が平坦で四角形な板状のブロックの表面に上記した溝状のベンチュリ流路２０とＹ溝状の２分岐流路２２とが左右対称になるように切削加工する。また、上記した嵌合用切り欠き２８やボルト孔２４等を形成する。

溝無しブロック形成工程では、図３に示した溝無しブロック１４を切削加工により製作する。例えばマシニングセンタを用いて、溝有りブロック１２と同じ大きさに形成する。

積層ブロック形成工程では、図５に示すように、溝有りブロック１２と溝無しブロック１４とを所定合計枚数積層させる。即ち、１番下に位置する溝有りブロック１２の溝が形成された表面と、下から２番目に位置する溝有りブロック１２の溝が形成されていない裏面とが重ね合わされる。次に、下から２番目に位置する溝有りブロック１２の溝が形成された表面と、下から３番目に位置する溝有りブロック１２の溝が形成されていない裏面とが重ね合わされる。最後に、下から３番目に位置する溝有りブロック１２の溝が形成された表面と、溝無しブロック１４とが重ね合わされる。

これにより、図１に示したように、管状流路の両端に２分岐流路２２への流体供給口２２Ａ（３個）とベンチュリ流路２０からの流体噴出口２０Ｄ（６個）が開口された４層構造の積層ブロック１６が形成される。したがって、溝有りブロック１２と溝無しブロック１４とを単に積層するという単純な構成でベンチュリ流路２０のマルチ化を達成することができる。

連結工程では、形成された積層ブロック１６をボルト１７Ａとナット１７Ｂで着脱自在に連結する。即ち、図５に示すように、積層ブロック１６を構成する３枚の溝有りブロック１２と１枚の溝無しブロック１４とのボルト孔２４、２４…にボルト１７Ａを挿入し、ボルト先端部に形成された雄ネジにナット１７Ｂの雌ネジを螺合することで積層ブロック１６を着脱自在に固定する。

供給ブロック接続工程では、図６に示すように、積層ブロック１６の後側端に供給ブロック１８を接続する。即ち、積層ブロック１６に供給ブロック１８を接続するには、供給ブロック１８の上側張り出し部３０Ａと下側張り出し部３０Ｂとが積層ブロック１６の上面と下面とを挟み込むように、供給ブロック１８を積層ブロック１６の嵌合用切り欠き２８に挿入する。これにより、供給ブロック１８を積層ブロック１６に嵌合させる。この状態で供給ブロック１８の貫通孔３４を介して４本のネジ３２を積層ブロック１６のネジ孔２６に螺合する。これにより、積層ブロック１６に対して供給ブロック１８を正確な位置決めを行った状態で接続固定することができる。

したがって、積層ブロック１６に供給ブロック１８を接続したときに、積層ブロック１６に形成された複数本の管状流路（６本のベンチュリ流路とそれに連通する３個の２分岐流路）が、供給ブロック１８の供給流路１８Ａの軸芯Ｍを中心とした円周上に略位置するように予め設計しておけば、供給流路１８Ａの軸芯Ｍに対して複数本の管状流路がシンメトリックになるように配置することができる。

図１の（Ｂ）は、供給流路１８Ａの軸芯Ｍを中心とした円周上に６個のベンチュリ流路の流体噴出口２０Ｄが配置されることにより、６個の流体噴出口２０Ｄが軸芯Ｍを中心に略等距離Ｆに配置されていることを示したものである。

これにより、供給ブロック１８の１本の供給流路１８Ａから積層ブロック１６の６個のベンチュリ流路２０に気体混合液を供給する際に、気体混合液を一層均等に供給することができる。したがって、ベンチュリ流路２０をマルチ化したときに、それぞれのベンチュリ流路２０に気体混合液を均等に安定供給することができる。

上記各工程により、本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０を製作することができる。製作された積層ベンチュリノズル１０の供給ブロック１８には、気体混合液を供給ブロック１８に供給する配管３６が接続される。配管３６の先端部には雄ネジ３６Ａが刻設されると共に供給ブロック１８の円管状の供給流路１８Ａの内面には配管３６の雄ネジ３６Ａに螺合する雌ネジ１８Ｂが刻設される。

図７〜図９は、４層構造の積層ブロック１６に形成するベンチュリ流路２０の本数やベンチュリ流路２０の流路断面積を変えた積層ベンチュリノズル１０の別態様を示したものである。
なお、図７〜図９の（Ｂ）は、（Ａ）のベンチュリ流路２０との対応関係を合わせるために横向きに図示しているが、（Ａ）の上側が（Ｂ）の右側で下側が左側になる。したがって、溝有りブロック１２及び溝無しブロック１４を左側（下側）から右側（上側）に積層させた場合で説明している。図１、図１１、図１２についても同様である。

図７は、積層ブロック１６に図１と同じ流路断面積のベンチュリ流路２０を４本形成した場合である。図７の（Ａ）は積層ベンチュリノズル１０を上から見た平面図であり、（Ｂ）は積層ベンチュリノズル１０を前側から見た正面図である。

図７の（Ｂ）に示すように、４本のベンチュリ流路２０を有する積層ブロック１６は、左側（下側）から溝無しブロック１４、溝有りブロック１２、溝無しブロック１４、溝有りブロック１２の順に積層されることにより形成される。即ち、４本のベンチュリ流路２０を有する積層ブロック１６は、所定合計枚数が図１と同じ４枚ではあるが、２個の溝有りブロック１２と２個の溝無しブロック１４とで構成される。

図８は、積層ブロック１６に図１と同じ流路断面積のベンチュリ流路２０を２本形成した場合である。図８の（Ａ）は積層ベンチュリノズル１０を上から見た平面図であり、（Ｂ）は積層ベンチュリノズル１０を前側から見た正面図である。

図８の（Ｂ）に示すように、２本のベンチュリ流路２０を有する積層ブロック１６は、左側（下側）から溝無しブロック１４、溝無しブロック１４、溝有りブロック１２、溝無しブロック１４の順に積層されることにより形成される。即ち、２本のベンチュリ流路２０を有する積層ブロック１６は、所定合計枚数が図１と同じ４枚ではあるが、１個の溝有りブロック１２と３個の溝無しブロック１４とで構成される。

図９は２本のベンチュリ流路２０を有する４層構造の積層ベンチュリノズル１０ではあるが、図８よりもベンチュリ流路２０の流路断面積を大きくしたい場合である。
図９の（Ｂ）に示すように、図８よりも流路断面積が大きな２本のベンチュリ流路２０を有する積層ブロック１６は、左側（下側）から溝無しブロック１４、溝有りブロック１２、溝有りブロック１２、溝無しブロック１４の順に積層されると共に２枚の溝有りブロック１２の溝が形成された表面同士を重ね合わせることで形成できる。

図７〜図９で示したように、積層ブロック１６を構成する溝有りブロック１２と溝無しブロック１４の積層において、溝有りブロック１２同士の表面と裏面又は溝有りブロック１２の表面と溝無しブロック１４とを重ね合わせる場合と、溝有りブロック１２同士の表面同士を重ね合わせる場合とにより積層ブロック１６に形成するベンチュリ流路２０の本数や流路断面積を可変可能である。

このように、積層ブロック１６を構成する溝有りブロック１２と溝無しブロック１４との組み合わせ方法を変えてベンチュリ流路２０の流路断面積を変えることによって、マイクロバブルの発生に大きな影響を有するスロート部２０Ｃの流路断面積を簡単に変えることができる。

また、図７〜図９の積層ベンチュリノズル１０の場合にも、積層ブロック１６の層数を変えずに４層構造にすることで、供給ブロック１８を積層ブロックに位置決めした状態で嵌合させることができる。これにより、供給ブロック１８の１本の供給流路１８Ａから積層ブロック１６の複数本のベンチュリ流路２０に気体混合液を供給する際に、気体混合液を一層均等に供給することができる。

なお、本実施の形態は、積層ブロック１６を４層構造にすることで説明したが、この場合には６本のベンチュリ流路２０が最大本数になる。したがって、さらにベンチュリ流路２０の本数を増加させたい場合には、積層数を増加させる必要がある。この場合にも、複数本の管状流路（ベンチュリ流路２０とそれに連通する２分岐流路２２）が、供給ブロック１８の供給流路１８Ａの軸芯Ｍを中心とした円周上に略位置するようにすることが好ましい。したがって、供給ブロック１８に形成する供給流路１８Ａの直径、上側張り出し部３０Ａと下側張り出し部３０Ｂとの間隔、溝有りブロック１２に形成する平行な２本のベンチュリ流路２０の間隔等も適宜調整する必要がある。

上記の如く構成した本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０は、次の構成Ａ〜構成Ｅを有している。

（構成Ａ）ベンチュリ流路２０は、両面が平坦で四角形な板状のブロックの表面に溝を形成し、別のブロックを積層させて溝の開口面を塞ぐことで管状流路（ベンチュリ流路２０及び２分岐流路２２）になるように構成した。即ち、高精度な加工が可能な平面加工によってベンチュリ流路２０及び２分岐流路２２となる溝を形成し、ブロックの積層という簡単な方法で複数本のベンチュリ流路２０及び２分岐流路２２を有する立体構造を形成するようにした。

このように、ベンチュリ流路２０及び２分岐流路２２の形成において、ブロック表面に溝を形成する方法を採用することで、切削加工でベンチュリ流路２０及び２分岐流路２２を形成できる。これにより、ブロックの材質に依存しないので樹脂系材料や金属系材料等の各種材質の材料を使用でき、製作コストを安価にできる。また、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂を材料とすれば、強酸や強アルカリの気体混合液も取り扱うことができる。

更には、切削加工でベンチュリ流路２０及び２分岐流路２２を形成することで、例えば金属板を巻回して管状にしたベンチュリ管やブロックに流路孔を穿設して形成したベンチュリ流路に比べて流路の形状や流路断面積を高精度に形成できる。特に、ブロック表面の切削加工をマシニングセンタのようなＮＣ（Numerical Control）切削加工機械で行えば、複数本の均等なベンチュリ流路を高精度に形成できる。これにより、気泡径の小さなマイクロバブルを生成するためにスロート部２０Ｃの流路断面積が小さなベンチュリ流路２０を複数本製作しても、ベンチュリ流路２０ごとの形状や流路断面積のバラツキを防止できる。この結果、マイクロバブルの気泡径を小さくでき、しかもベンチュリ流路２０ごとの気泡径分布や気泡発生量にバラツキが生じ難いと考察される。

（構成Ｂ）溝有りブロック１２の表面に形成する溝状流路は２本とし、２本の平行な溝状のベンチュリ流路２０及び２本のベンチュリ流路２０の流路縮小部２０Ａの入口２０Ｅにそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路２２が左右対称のシンメトリックになるように構成した。これにより、２本のベンチュリ流路２０を流れる気体混合液の流量や流速等が均等化される。この結果、マイクロバブルの気泡径を小さくでき、しかもベンチュリ流路ごとの気泡径分布や気泡発生量にバラツキが生じ難いと考察される。この場合、ブロック表面に形成する流路本数が多いほどシンメトリックにすることが難しくなり、流路を流れる気体混合液の流量や流速等が均等化され難くなることから、溝有りブロック１２には２本のベンチュリ流路２０を形成することが適当であると考察される。

（構成Ｃ）溝有りブロック１２と溝無しブロック１４とを所定合計枚数積層させて積層ブロック１６を形成することによってベンチュリ流路２０の本数を可変できるようにした。換言すると、積層ブロック１６の積層数を変えるだけで簡単に気泡発生量を可変できる。これにより、本発明の積層ベンチュリノズル１０は、マイクロバブルの発生量を小流量から大流量まで対応できるので、マイクロバブルの発生を効率的に行うことができる。

（構成Ｄ）積層ブロック１６に形成された複数の２分岐流路２２の流体供給口２２Ａに気体混合液を１本の供給流路１８Ａで供給するように構成する。これにより、気体混合液は１本の供給流路１８Ａから積層ブロック１６に導入された後、シンメトリックな２分岐流路２２を有する積層ブロック１６の内部において均等に分流される。したがって、複数本のベンチュリ流路２０ごとの入口流量（入口圧力）にバラツキが生じ難くなる。この結果、マイクロバブルの気泡径を小さくでき、しかもベンチュリ流路２０ごとの気泡径分布や気泡発生量にバラツキが生じ難いと考察される。

（構成Ｅ）ベンチュリ構造のマイクロバブル発生では、ベンチュリ流路２０を流れる液体に対してスロート部（「のど部」とも言う）で気体を混合することもできる。しかし、本発明のように、加圧溶解で液体に気体を予め溶解混合した気体混合液を積層ブロック１６に供給することで、複数本のベンチュリ流路２０ごとの気液体積流量比(β)にバラツキが生じ難くなる。この結果、マイクロバブルの気泡径を小さくでき、しかもベンチュリ流路２０ごとの気泡径分布や気泡発生量にバラツキが生じ難いと考察される。なお、気液体積流量比(β)については後述する。

[積層ベンチュリノズルの課題解決の立証実験]
次に、上記の如く構成した本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０について、上記した本発明の課題を解決できるか否かの立証実験を説明する。

図１０の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ベンチュリ構造でマイクロバブルを発生させる原理は、ベンチュリ流路２０の入口２０Ｅから導入された気体混合液は、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部２０Ａを進むにつれて徐々に圧力が低くなり流速が大きくなる。そして、ベンチュリ流路２０の断面積が最も小さいスロート部２０Ｃにおいて、音速を超える程度までに流速が大きくなる。その後、気体混合液は流路断面積が次第に大きくなる流路拡大部２０Ｂを進むにつれて圧力が回復して徐々に大きくなる。

このように、スロート部２０Ｃの断面積が小さいことで気体混合液にチョーク流れが発生して流量が制限され、音速を超える程度までに流速が大きくなると、図１０の（Ａ）に示すようにスロート部２０Ｃを出た直後に気泡Ｋは一旦膨張するが、その後に急激な気泡Ｋの収縮・分裂・崩壊を引き起こし、マイクロバブルが発生する。

即ち、マイクロバブルの発生において、チョーク流れを発生させるために必要なスロート部２０Ｃの流路断面積をどのように設計するかが気泡崩壊現象を含めて重要なポイントになる。このため、立証試験の前にスロート部２０Ｃの流路断面における適切な寸法について調べた。

図１１の（Ａ）は試験用の積層ベンチュリノズル１０の平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は（Ａ）の丸で囲んだ部分の拡大図である。
図１１に示すように、スロート部２０Ｃの流路断面の適切な寸法を調べるためのベンチュリ構造のノズルとして、流路断面形状が正方形な１本のベンチュリ流路２０を有する４層構造の積層ブロック１６を上記説明した如く組み立てた。そして、組み立てた積層ブロック１６に供給ブロック１８を接続することで試験用の積層ベンチュリノズル１０とした。
なお、図１１の試験用の溝有りブロック１２は１本のベンチュリ流路２０を有するものであり、２本のベンチュリ流路２０を有するものではないが、符号は同じ１２で示した。

試験用の積層ベンチュリノズル１０で使用した溝有りブロック１２及び溝無しブロック１４は、幅Ｗが５０ｍｍ、長さＬが９０ｍｍの板状の両面が平坦なブロックとした。また、ベンチュリ流路２０における流路縮小部２０Ａの入口２０Ｅの横幅Ｄ１を１０ｍｍとし、流路拡大部２０Ｂの出口である流体噴出口２０Ｄの横幅Ｄ２を７ｍｍとした。また、流路拡大部２０Ｂの開き角度θは６°とした。

また、スロート部２０Ｃは流路断面の横幅Ｄ３と縦幅Ｄ３とが同じ正方形な形状とし、幅Ｄ３とスロート部２０Ｃの長さＴを変えた複数の試験用の積層ベンチュリノズルを製作して、スロート部２０Ｃの適切な寸法について調べた。この場合、流路縮小部２０Ａの入口２０Ｅの縦幅と流路拡大部２０Ｂの流体噴出口２０Ｄの縦幅はスロート部の幅Ｄ３と同じになる。

その結果、スロート部２０Ｃの幅（正方形）Ｄ３は１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下が好ましいことが分かった。スロート部２０Ｃの幅（正方形）Ｄ３を１．０ｍｍ未満にすることは切削加工的に難しいだけでなくゴミ等の異物がスロート部２０Ｃに詰まり易くなる。また、スロート部２０Ｃの幅（正方形）Ｄ３が５．０ｍｍを超えると、気体混合液の流量との兼ね合いもあるが、流速が音速を超えるようなチョーク流れが起きにくくなる。

また、スロート部２０Ｃの長さＴは１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下が好ましい。スロート部２０Ｃの長さＴは可能な限り短い方が良いが１．０ｍｍ未満にすることは切削加工的に難しい。また、５．０ｍｍを超えると流路拡大部２０Ｂにおける圧力回復（圧力上昇）が起きにくくなり、気泡崩壊し難くなる。

なお、スロート部２０Ｃの適切な寸法を調べる上記試験では、スロート部２０Ｃの流路断面形状を正方形にした。しかし、流路断面形状が長方形の場合であっても、縦幅と横幅が上記の好ましい寸法範囲内の１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下であれば長方形にすることも可能である。

（立証試験１）
次に、スロート部２０Ｃの流路断面積（複数本のベンチュリ流路２０の場合は合計流路断面積）を同じにして、ベンチュリ流路２０の本数が２本の積層ベンチュリノズル（サンプル１）と、ベンチュリ流路の本数が１本の積層ベンチュリノズル（コントロール１）とで気泡径分布がどのようになるかを調べた。

サンプル１の積層ベンチュリノズルは、図８に示したものを使用し、スロート部２０Ｃの幅Ｄ３を１．５ｍｍの正方形とした。即ち、サンプル１の積層ベンチュリノズルのスロート部２０Ｃにおける流路断面積は、１．５ｍｍ*１．５ｍｍ＝２．２５ｍｍ^２になり、２本のベンチュリ流路２０におけるスロート部２０Ｃの合計流路断面積は４．５ｍｍ^２になる。

また、コントロール１の積層ベンチュリノズル１０は、図１２に示すように、１本のベンチュリ流路２０であってスロート部２０Ｃの流路断面積がサンプル１と同じになるようにしたものを使用した。

即ち、図１２の（Ｂ）に示すように、コントロール１の積層ベンチュリノズル１０は、左側（下側）から溝無しブロック１４、溝有りブロック１２、溝有りブロック１２、溝無しブロック１４の順に積層して積層ブロック１６を形成すると共に２枚の溝有りブロック１２の溝が形成された表面同士を重ね合わせることにより形成した。コントロール１の積層ベンチュリノズル１０は、スロート部２０Ｃの横幅は１．５ｍｍで縦幅は３．０ｍｍの長方形になる。

上記したサンプル１及びコントロール１のそれぞれの積層ベンチュリノズル１０に空気を水に混合した気体混合液を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。そして、積層ベンチュリノズル１０から噴出した気体混合液を島津製作所製のレーザー回析式粒子径分布測定装置であるＳＡＬＤ−２３００のフローセルに通すことによって、サンプル１とコントロール１における気泡径分布を測定した。

測定結果を図１３及び図１４のグラフに示す。
図１３は、（Ａ）に示すスロート部２０Ｃの合計流路断面積が同じ４．５ｍｍ^２のコントロール１（１本のベンチュリ流路）と、（Ｂ）に示すサンプル1（２本のベンチュリ流路）とについて、気液体積流量比（β）が０．０２の場合の気泡径分布を測定したものである。

また、図１４は、（Ａ）に示すスロート部２０Ｃの合計流路断面積が同じコントロール１（１本のベンチュリ流路）と（Ｂ）に示すサンプル1（２本のベンチュリ流路）とについて、気液体積流量比（β）が０．００７の場合の気泡径分布を測定したものである。即ち、図１４は、図１３に比べて気体混合液中の気体量が少ない場合である。

ここで、気液体積流量比（β）とは、気体(例えば空気)と液体(例えば水)の総体積流量に対する気体の体積流量の比（％）であり、液体に含有される気体の比率を示す。
図１３及び図１４において、横軸は気泡の粒子径（μｍ）を示す。また、左側の縦軸は相対粒子量(積算％)であり曲線Ａで示し、右側の縦軸は相対粒子量（頻度％）であり棒グラフＢで示す。

また、図１５の表は、図１３及び図１４のグラフに示した測定結果に基づいて気泡径をメジアン径（頻度の累積が５０％になる粒子径）、モード径（最頻度粒子径）、平均径（算術平均径）の３種類で示すと共に気泡径分布を標準偏差で示したものである。

（立証試験１の結果）
その結果、図１５の表から分かるように、気体混合液１０Ｌ／ｍｉｎをスロート部２０Ｃの流路断面積４．５ｍｍ^２のベンチュリ流路２０に通すことにより、３０μｍ近辺の気泡径のマイクロバブルを生じさせることができる。

そして、スロート部２０Ｃの合計流路断面積及び気体混合液の流量が同じ場合、気液体積流量比（β）が０．０２と０．００７の何れにおいても、２本のベンチュリ流路２０を有するサンプル１の積層ベンチュリノズルは、１本のベンチュリ流路２０を有するコントロール１の積層ベンチュリノズルよりも気泡径分布の山が小さい側にシフトしている。このことは、図１３の（Ａ）のコントロール１における棒グラフの最大ピークの中心線Ｘ１と、（Ｂ）のサンプル１における棒グラフの最大ピークの中心線Ｘ２とのシフト量Ｓ１を見ても分かる。同様に、図１４の（Ａ）のコントロール１における棒グラフの最大ピークの中心線Ｘ３と、（Ｂ）のサンプル１における棒グラフの最大ピークの中心線Ｘ４とのシフト量Ｓ２を見ても分かる。

（立証試験２）
次に、スロート部２０Ｃの流路断面積を同じにして、ベンチュリ流路２０の本数が６本の積層ベンチュリノズル（サンプル２）と、ベンチュリ流路２０の本数が１本の積層ベンチュリノズル（コントロール２）とで気泡径分布がどのようになるかを調べた。

サンプル２の積層ベンチュリノズル１０は、図１に示したものを使用し、各ベンチュリ流路２０におけるスロート部２０Ｃの幅Ｄ３を１．５ｍｍの正方形とした。即ち、サンプル２の積層ベンチュリノズルのスロート部２０Ｃにおける流路断面積は、１．５ｍｍ*１．５ｍｍ＝２．２５ｍｍ^２になり、６本のベンチュリ流路２０におけるスロート部２０Ｃの合計流路断面積は１３．５０ｍｍ^２になる。

また、コントロール２の積層ベンチュリノズル１０は、図示しなかったが、１本のベンチュリ流路２０でサンプル２と同じスロート部２０Ｃの流路断面積となり、且つ他の条件はサンプル２と同じになるように製作した。その結果、サンプル２と全く同じ流路断面積にはならなかったが、略同等な１２．５７ｍｍ^２となった。

そして、サンプル２及びコントロール２のそれぞれについて、立証試験1と同様に、それぞれの積層ベンチュリノズル１０に空気を水に混合した気体混合液を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。そして、積層ベンチュリノズル１０から噴出した気体混合液を島津製作所製のレーザー回析式粒子径分布測定装置であるＳＡＬＤ−２３００のフローセルに通すことによって、サンプル２とコントロール２における気泡径分布を測定した。

測定結果を図１６及び図１７のグラフに示す。
図１６は、（Ａ）に示すスロート部２０Ｃの合計流路断面積が略同じコントロール２（１本のベンチュリ流路）と、（Ｂ）に示すサンプル２（６本のベンチュリ流路）とについて、気液体積流量比（β）が０．０１３の場合の気泡径分布を測定したものである。

また、図１７は、（Ａ）に示すスロート部２０Ｃの合計流路断面積が略同じコントロール２（１本のベンチュリ流路）と（Ｂ）に示すサンプル２（６本のベンチュリ流路）とについて、気液体積流量比（β）が０．００４の場合の気泡径分布を測定したものである。即ち、図１７は、図１６に比べて気体混合液中の気体量が少ない場合である。

図１６及び図１７において、立証試験1と同様に、横軸は気泡の粒子径（μｍ）を示す。また、左側の縦軸は相対粒子量(積算％)であり曲線Ａで示し、右側の縦軸は相対粒子量（頻度％）であり棒グラフＢで示す。

また、図１８の表は、図１６及び図１７のグラフに示した測定結果に基づいて気泡径をメジアン径（頻度の累積が５０％になる粒子径）、モード径（最頻度粒子径）、平均径（算術平均径）の３種類で示すと共に気泡径分布を標準偏差で示したものである。

（立証試験２の結果）
その結果、図１８の表から分かるように、気体混合液１０Ｌ／ｍｉｎをスロート部２０Ｃの流路断面積が約１３ｍｍ^２のベンチュリ流路２０に通した場合には、気泡径は５００〜７００μｍ近辺になり、マイクロバブルとして規定される１〜１００μｍよりも大きくなる。

しかし、立証試験２においても、スロート部２０Ｃの合計流路断面積及び気体混合液の流量が同じ場合、６本のベンチュリ流路２０を有するサンプル２の積層ベンチュリノズル１０は、１本のベンチュリ流路を有するコントロール２の積層ベンチュリノズル１０よりも気泡径分布が小さい側にシフトしている。このことは、図１６の（Ａ）におけるコントロール２の棒グラフの最大ピークの中心線Ｙ１と、（Ｂ）におけるサンプル２の棒グラフの最大ピークの中心線Ｙ２とのシフト量Ｓ３を見ても分かる。同様に、図１７の（Ａ）におけるコントロール２の棒グラフの最大ピークの中心線Ｙ３と、（Ｂ）におけるサンプル２の棒グラフの最大ピークの中心線Ｙ４とのシフト量Ｓ４を見ても分かる。

上記の立証試験１及び立証試験２から、スロート部２０Ｃの合計流路断面積が同じであれば、１本のベンチュリ流路２０よりもベンチュリ流路２０をマルチ化（複数のベンチュリ流路２０で構成）した方が気泡径を微細化できることが分かる。

また、図１５の表におけるサンプル１とコントロール１の標準偏差を対比すると、ベンチュリ流路２０が1本のコントロール１に比べてベンチュリ流路２０をマルチ化したサンプル１（２本）の方が僅かに大きくなっているが略同等と言える。一方、図１８の表におけるサンプル２とコントロール２の標準偏差を対比すると、気液体積流量比(β)が０．０１３の場合には、ベンチュリ流路２０が1本のコントロール２に比べてベンチュリ流路２０をマルチ化したサンプル２（６本）の方が僅かに小さくなっている。また、気液体積流量比(β)が０．００４の場合には、ベンチュリ流路２０が1本のコントロール２に比べてベンチュリ流路２０をマルチ化したサンプル２（６本）の方が僅かに大きくなっているが略同等と言える。
特に、２本のベンチュリ流路２０にマルチ化したサンプル１の積層ベンチュリノズル１０よりも６本のベンチュリ流路２０にマルチ化したサンプル２の積層ベンチュリノズル１０の方が標準偏差は小さいことは注目に値する。

一方、立証試験１と立証試験２との気泡径の対比から、気体混合液の流量が同じ場合には、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きい立証試験２は流路断面積が小さい立証試験１に比べて気泡径が大きくなることが分かる。このことは、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きくなるとチョーク流れが発生し難くなり、気泡崩壊が生じ難くなるためと考察される。

即ち、気泡径はスロート部２０Ｃの流路断面積と気体混合液の流量とに関係しており、気泡径を小さくするにはスロート部２０Ｃの流路断面積に応じて気体混合液の流量を適宜調整する必要があることが分かる。

そこで、スロート部２０Ｃの流路断面積と気体混合液の流量との関係が気泡径に及ぼす影響を均質流モデルによって調べた（以下、均質流モデル試験という）。均質流モデルは、二相流を気相と液相が同一速度であって且つ均一に混合した流れとみなすものであり、特に気泡流等では有効とされている。

（均質流モデル試験）
図１９は、均質流モデルを用いて、スロート部２０Ｃの流路断面積と気体混合液の流量との関係が気泡径に及ぼす影響を調べたグラフである。

図１９において、横軸は気液体積流量比（β）であり対数（ｌｏｇ）表示したものである。また、縦軸は気体混合液の流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示したものである。
スロート部２０Ｃの異なる流路断面積は、１本のベンチュリ流路２０において、スロート部２０Ｃの流路断面積流路が２．２５ｍｍ^２の場合（Ｎｏ１）、４．５ｍｍ^２の場合（Ｎｏ２）、及び９．０ｍｍ^２の場合（Ｎｏ３）の３水準について行った。

そして、Ｎｏ１〜Ｎｏ３のそれぞれについて、ベンチュリ流路２０の入口２０Ｅの入口圧力が０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａになるように気体混合液の流量を変えた。この場合、スロート部２０Ｃの流路断面積が異なってもベンチュリ流路２０の入口圧力が同じであれば、スロート部２０Ｃでの流速は同じと見なすことができ、気泡径が同じになると推察することができる。

そして、マイクロバブルを生じた立証試験１の気液体積混合比(β)の範囲である０．００７〜０．０２の範囲を境界線として、スロート部２０Ｃの流路断面積と気体混合液の流量との関係が気泡径に及ぼす影響を評価した。

(評価結果)
図１９には、気泡径は記載されていないが、上記したように、ベンチュリ流路２０の入口圧力が同じであれば、スロート部２０Ｃでの流速は同じと見なすことができ、気泡径が同じになると推察して評価した。
（ａ）Ｎｏ１〜Ｎｏ３の対比から、同じ気泡径を得るには、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きいほど大きな流量の気体混合液を必要とすることが分かる。
（ｂ）ベンチュリ流路２０の入口圧力０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａのそれぞれについてＮｏ１〜Ｎｏ３を対比すると、スロート部２０Ｃの流路断面積が小さいほど小さい流量の気体混合液で小さな気泡径を得ることができることが分かる。例えば、Ｎｏ３：０．３ＭＰａとＮｏ２：０．３ＭＰａとＮｏ１：０．３ＭＰａとを比較すると、同じ気泡径を得るには、Ｎｏ３：０．３ＭＰａは約１２Ｌ／ｍｉｎの流量を必要とし、Ｎｏ２：０．３ＭＰａは約６Ｌ／ｍｉｎの流量を必要とし、Ｎｏ１：０．３ＭＰａは約３Ｌ／ｍｉｎの流量を必要とする。

（ｃ）ベンチュリ流路２０の入口圧力が０．３ＭＰａにおけるＮｏ１〜Ｎｏ３の曲線の境界線範囲における傾き角度Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３を対比すると、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きいほど傾き角度が大きくなることが分かる。このことは、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きいほど気体混合液の流量が気泡径に及ぼす影響が大きくなると共に気液体積流量比（β）が気泡径に及ぼす影響が大きくなることを意味する。即ち、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きいほどマイクロバブルを得るための適切な気体混合液の流量範囲や適切な気液体積流量比（β）の範囲が狭くなり、気泡径分布のバラツキの原因になる。

[立証試験及び均質流モデル試験のまとめ]
立証試験１と立証試験２との結果から、ベンチュリ流路をマルチ化することで気泡径を小さくできることが立証された。また、上記構成Ａ〜構成Ｅを満足するようにベンチュリ流路２０をマルチ化することで１本のベンチュリ流路２０と同程度の標準偏差の気泡径分布にできることが立証された。

均質流モデル試験の結果から、ベンチュリ流路２０のスロート部２０Ｃの流路断面積が同じであれば、気体混合液の流量（ベンチュリ流路２０の入口圧力）が変わると気泡径も変わり、気泡径は気体混合液の流量に依存することが分かる。また、気液体積流量比（β）を小さくすると、同じ気泡径を得るには気体混合液の流量を大きくする必要があることも分かる。特に、スロート部２０Ｃの流路断面積が大きいと、気液体積流量比（β）の影響を受け易い。

したがって、ベンチュリ流路２０をマルチ化することに加えて、マルチ化した複数のスロート部２０Ｃの合計流路断面に応じて積層ベンチュリノズル１０に供給する気体混合液の流量及び気液体積流量比（β）を適切に調整することによって、気泡径が小さく且つ気泡径分布のバラツキが小さなマイクロバブルを多量に発生できる。この場合、ベンチュリ流路２０をマルチ化して１本のベンチュリ流路２０への気体混合液の流量を小さくすることによって、気液体積流量比（β）による気体混合液の流量への影響を小さくでき、気泡径が小さく且つ気泡径分布のバラツキが小さなマイクロバブルを安定的に得ることができる。

したがって、本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０のように、上記構成Ａ〜構成Ｅを満足するようにベンチュリ流路２０をマルチ化することによって、小さな流路断面積のベンチュリ流路を複数本形成することによって、装置コスト的に低価格が可能なベンチュリ構造で気泡径が小さく且つ気泡径分布のバラツキが小さな（１本のベンチュリ流路２０と同等）マイクロバブルを多量に発生できる。

次に、上記の如く構成された本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０を用いたマイクロバブル液生成装置について説明する。

[マイクロバブル液生成装置]
図２０は、液体にマイクロバブルを吹き込んだマイクロバブル液を生成するマイクロバブル液生成装置を説明する全体構成図である。なお、本実施の形態のマイクロバブル液生成装置では、液体として水を使用し、気体として空気を使用した場合で説明するが、水や空気に限定するものではない。

図２０に示すように、本発明の実施の形態のマイクロバブル液生成装置３８は、主として水を貯留する容器４０と、容器４０の水を抜き出して再び容器４０に戻す循環配管４２（図６の配管３６に相当）と、循環配管４２に設けられた循環ポンプ４４と、循環配管４２の循環ポンプ４４上流側に設けられ、水に空気を加圧溶解する加圧溶解装置４６と、加圧溶解装置４６に空気配管４８を介して空気を供給する空気供給装置５０と、循環配管４２の戻し位置に接続された本発明の積層ベンチュリノズル１０と、で構成される。

なお、図２０では、循環配管４２を実線で示すと共に空気配管４８を破線で示している。
容器４０は、例えばアクリル樹脂等の硬質な透明樹脂によって例えば円筒形状に形成され、容器４０には蓋４０Ａが被せられている。容器４０は、床５１に置かれたラック５２の上に載置されると共に、ラック５２の上面には循環配管４２や空気配管４８が貫通する複数の開口５４，５４が形成される。容器４０の底部には、容器４０内の水を外部に排出する排出配管５６が接続され、排出配管５６には開閉バルブ５８が設けられる。

循環配管４２は、容器４０の水を抜く抜き側が容器４０底部の端部位置を貫通して容器４０内に開口すると共に容器４０に水を戻す戻し側が容器４０底部の中央位置を貫通して容器４０内に開口している。循環配管４２の容器４０貫通部分はシールド部材６０、６０…によってシールドされている。循環配管４２の途中には、循環配管４２を流れる水（又は気体混合液）を送液する循環ポンプ４４、水に空気が加圧溶解された気体混合液の流量を調整する流量調整バルブ６２、気体混合液の流量を計測する流量計６４、及び積層ベンチュリノズル１０に供給する気体混合液の入口圧力を計測する圧力計６６が設けられる。

加圧溶解装置４６としては、空気を水に効率的に溶解できる装置であればどのようなものでもよいが、例えば加圧溶解タンクを使用できる。加圧溶解タンクは、耐圧性のタンク内に空気を供給しながら水をシャワーリングすることで、水に空気を加圧溶解した気体混合液を生成する。

空気供給装置５０としては、例えばコンプレッサを使用することができる。空気供給装置５０から延設された空気配管４８は気体の流量を調整する流量調整バルブ６８及び開閉バルブ７０を介して加圧溶解装置４６に接続される。

積層ベンチュリノズル１０は、上記説明した本発明の積層ベンチュリノズルが使用される。循環配管４２は、配管３６に相当する。したがって、循環配管４２の戻し側には雄ネジが刻設されており、積層ベンチュリノズル１０の供給ブロック１８の供給流路１８Ａには雌ネジが形成されている。したがって、ベンチュリ流路２０の本数やスロート部２０Ｃの合計流路断面積が異なる積層ベンチュリノズル１０を複数用意することによって、使用する積層ベンチュリノズル１０に簡単に交換できる。

次に、上記の如く構成されたマイクロバブル液生成装置３８を用いてマイクロバブル液を生成する方法を説明する。

容器４０に水を貯留したら、使用する積層ベンチュリノズル１０のベンチュリ流路２０の本数やスロート部２０Ｃの合計流路断面積は生成するマイクロバブル液の生成量やマイクロバブル濃度等に応じて決定する。

次に、循環ポンプ４４を稼働すると共に空気供給装置５０を稼働する。これにより、加圧溶解装置４６では、水に空気を加圧溶解した気体混合液が調製され、調製された気体混合液は循環配管４２を流れて積層ベンチュリノズル１０に送られる。積層ベンチュリノズルに送られた気体混合液はマイクロバブル含有の気体混合液となって流体噴出口２０Ｄから容器４０内の水中へ吹き込まれる。この場合、積層ベンチュリノズル１０のスロート部２０Ｃの合計流路断面積に応じて積層ベンチュリノズル１０で効率的にマイクロバブルが発生するように、流量調整バルブ６８を調整して水に混合する空気量を調整する。また、
流量計６４や圧力計６６を見ながら流量調整バルブ６２を調整して、積層ベンチュリノズル１０に送る気体混合液の流量を調整する。具体的には、図１９のグラフを参考にして、流量調整バルブ６８や流量調整バルブ６２を調整する。
これにより、容器４０内の水は積層ベンチュリノズル１０から吹き込まれるマイクロバブルによって白濁し、マイクロバブル液が生成される。

本発明の実施の形態のマイクロバブル液生成装置では、マイクロバブルを発生する装置として本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズルを使用したので、装置コスト的に低価格が可能なベンチュリ構造で気泡径が小さく且つ気泡径分布のバラツキの小さなマイクロバブルを多量に含んだマイクロバブル液を生成することができる。
なお、上記した本発明の実施の形態の積層ベンチュリノズル１０及びマイクロバブル液生成装置３８では、積層ブロック１６にマイクロバブルを発生するための液体と気体とを供給する気液供給手段として、積層ブロック１６に気体を液体に加圧溶解により混合した気体混合液を供給するための1本の供給流路を有する供給ブロック１８の場合で説明した。
しかし、上記した供給ブロック１８からはマイクロバブルを発生するための液体のみを積層ブロック１６に供給し、気体は積層ブロック１６に形成されたベンチュリ流路２０のスロート部２０Ｃに気体供給流路（図示せず）を介して別途供給するように気液供給手段を構成することもできる。
気体供給流路の一例を図１の溝有りブロック１２と溝無しブロック１４との４層からなる積層ブロック１６の場合で説明すると、図１の（Ａ）に示すベンチュリ流路２０のスロート部２０Ｃに直交するように、積層ブロック１６の４層を図１の表面側から裏面側に貫通する貫通孔を穿設し、これにより気体供給流路を形成する。即ち、貫通孔は３枚の溝有りブロック１２と１枚の溝無しブロック１４とに形成される。貫通孔の径方向の断面形状は、断面正方形なスロート部２０Ｃに合わせて縦横が１ｍｍ程度の正方形にすることが好ましい。
そして、この気体供給流路を介してマイクロバブルを発生するための気体をベンチュリ流路２０に供給し、供給ブロック１８を介してベンチュリ流路２０に供給された液体と混合する。
上記の如く溝有りブロック１２と溝無しブロック１４とを貫通する貫通孔として気体供給流路を形成することによって、積層ブロック１６に形成された複数本のベンチュリ流路２０に気体を一括供給することができるので、気体を各ベンチュリ流路２０に均等に供給することができる。
また、スロート部２０Ｃの長さＴ（図１１の（Ｃ）参照）において、スロート部２０Ｃへの貫通孔の貫通位置（接続位置）は流体の圧力が一番低くなる流体出口近傍であることが好ましい。
このように、圧力が一番低くなるスロート部２０Ｃ位置に気体供給流路を接続することで負圧が発生するので、エジェクター効果により気体をベンチュリ流路２０内に自動的に吸引することができる。これにより、積層ブロック１６に形成された複数本のベンチュリ流路２０に気体を一層均等に供給することができる。

１０…積層ベンチュリノズル、１２…溝有りブロック、１２Ａ…前側辺、１２Ｂ…後側辺、１４…溝無しブロック、１６…積層ブロック、１７…連結手段、１７Ａ…ボルト、１７Ｂ…ナット、１８…供給ブロック、１８Ａ…供給流路、１８Ｂ…雌ネジ、２０…ベンチュリ流路、２０Ａ…流路縮小部、２０Ｂ…流路拡大部、２０Ｃ…スロート部、２０Ｄ…流体噴出口、２０Ｅ…入口、２２…２分岐流路、２２Ａ…流体供給口、２４…ボルト孔、２６…ネジ孔、２８…嵌合用切り欠き、３０…張り出し部、３０Ａ…上側張り出し部、３０Ｂ…下側張り出し部、３２…ネジ、３４…貫通孔、３６…配管、３６Ａ…雄ネジ、３８…マイクロバブル液生成装置、４０…容器、４２…循環配管、４４…循環ポンプ、４６…加圧溶解装置、４８…空気配管、５０…空気供給装置、５１…床、５２…ラック、５４…開口、５６…排出配管、５８…開閉バルブ、６０…シールド部材、６２…流量調整バルブ、６４…流量計、６６…圧力計、６８…流量調整バルブ、７０…開閉バルブ、Ｎ…対称軸、Ｍ…軸芯、Ｋ…気泡、Ｆ…距離、Ｄ１…ベンチュリ流路の入口幅、Ｄ２…ベンチュリ流路の流体噴出口の幅、Ｄ３…スロート部の幅、Ｔ…スロート部の長さ、Ｌ…ブロックの長さ、Ｗ…ブロックの幅、Ｓ１〜Ｓ４…シフト量、Ｐ…供給ブロックの幅、Ａ…曲線、Ｂ…グラフ

Claims (12)

1. マイクロバブルを発生するためのベンチュリ構造のノズルにおいて、
   両面が平坦であるブロックの表面に、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部と流路断面積が次第に拡大する流路拡大部との間に流路断面積が最も小さいスロート部を有する２本の平行な溝状のベンチュリ流路及び前記２本のベンチュリ流路の前記流路縮小部の入口にそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路が左右対称になるように形成された溝有りブロックと、
   両面が平坦な板状の溝無しブロックと、
   前記溝有りブロックと前記溝無しブロックとが所定合計枚数積層された積層ブロックを連結する連結手段と、
   前記積層ブロックに前記マイクロバブルを発生するための液体と前記液体に混合する気体とを供給する気液供給手段と、を有し、
   前記積層ブロックは、前記溝状のベンチュリ流路及び前記Ｙ溝状の２分岐流路が管状流路になるように前記溝有りブロックと前記溝無しブロックとが積層されることにより、複数本の管状流路が形成されると共に前記管状流路を構成する前記ベンチュリ流路の流体噴出口と前記２分岐流路の流体供給口とが形成されることを特徴とする積層ベンチュリノズル。
2. 前記気液供給手段は、前記積層ブロックに前記気体を前記液体に加圧溶解により混合した気体混合液を供給するための1本の供給流路を有する供給ブロックである請求項１に記載の積層ベンチュリノズル。
3. 前記積層ブロックに形成された前記ベンチュリ流路及び前記２分岐流路の流路断面形状は正方形又は長方形である請求項１又は２に記載の積層ベンチュリノズル。
4. 前記積層ブロックに形成された前記複数本の管状流路は、前記供給ブロックの前記供給流路の軸芯を中心とした円周上に略位置するように形成されている請求項２又は３に記載の積層ベンチュリノズル。
5. 前記積層ブロックの前記所定合計枚数における前記溝有りブロックと前記溝無しブロックとのそれぞれの枚数は前記ベンチュリ流路の形成本数によって設定される請求項１から４の何れか１項に記載の積層ベンチュリノズル。
6. 前記積層ブロックの前記流体供給口が形成された側のブロック辺には、前記積層ブロックに前記供給ブロックを嵌合して接続するための嵌合用切り欠きが形成される請求項２から５の何れか１項に記載の積層ベンチュリノズル。
7. 前記積層ブロックを構成する前記溝有りブロックと前記溝無しブロックとの積層において、
   前記溝有りブロック同士の表面と裏面又は前記溝有りブロックの表面と前記溝無しブロックとを重ね合わせる場合と、前記溝有りブロック同士の表面同士を重ね合わせる場合とにより前記管状流路の流路断面積を可変可能である請求項１から６の何れか１項に記載の積層ベンチュリノズル。
8. 前記積層ブロックの前記所定合計枚数は４枚であって、前記ベンチュリ流路が６流路になるように３枚の前記溝有りブロックと１枚の前記溝無しブロックとが積層されている請求項１から７の何れか１項に記載の積層ベンチュリノズル。
9. 前記ベンチュリ流路において、前記スロート部の矩形な縦幅及び横幅は１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であると共に長さは１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である請求項２から８の何れか１項に記載の積層ベンチュリノズル。
10. マイクロバブルを発生するためのベンチュリ構造のノズルの製作方法において、
    両面が平坦であるブロックの表面に、流路断面積が次第に縮小する流路縮小部に続いて流路断面積が次第に拡大する流路拡大部を有する２本の溝状のベンチュリ流路及び前記２本のベンチュリ流路の前記流路縮小部の入口にそれぞれ連通するＹ溝状の２分岐流路が左右対称になるように形成された溝有りブロックを形成する溝有りブロック形成工程と、
    両面が平坦な板状の溝無しブロックを形成する溝無しブロック形成工程と、
    前記溝状のベンチュリ流路及び前記Ｙ溝状の２分岐流路が管状流路になるように前記溝有りブロックと前記溝無しブロックとを積層させて、複数本の管状流路を形成すると共に前記管状流路を構成する前記ベンチュリ流路の流体噴出口と前記２分岐流路の流体供給口とを形成する積層ブロック形成工程と、
    前記積層ブロックの前記溝有りブロックと前記溝無しブロックとを連結する連結工程と、
    前記積層ブロックに形成された複数の前記流体供給口に気体を加圧溶解した気体混合液を供給するための１本の供給流路を有する供給ブロックを接続する供給ブロック接続工程と、を備えたことを特徴とする積層ベンチュリノズルの製作方法。
11. 前記溝有りブロック形成工程では、前記溝状のベンチュリ流路及び前記Ｙ溝状の２分岐流路を切削加工によって形成する請求項１０に記載の積層ベンチュリノズルの製作方法。
12. 液体にマイクロバブルを吹き込んだマイクロバブル液を生成するマイクロバブル液生成装置において、
    前記液体を貯留する容器と、
    前記容器の前記液体を抜き出して再び前記容器に戻す循環配管と、
    前記循環配管に設けられた循環ポンプと、
    前記循環配管の前記循環ポンプの上流側に設けられ、前記循環配管を流れる前記液体に気体を加圧溶解する加圧溶解装置と、
    前記加圧溶解装置に気体供給配管を介して前記気体を供給する空気供給装置と、
    前記循環配管の戻し位置に接続された請求項１から９の何れか１項に記載の積層ベンチュリノズルと、を備えたことを特徴とするマイクロバブル液生成装置。

Images