JP2023013580A - ナノバブル発生用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造であっても高性能で、かつメンテナンス性及び経済性に優れたナノバブル発生用ノズルを提供すること。【解決手段】ナノバブル発生用ノズルは、内部に流体の流通路を有する筒状のノズル本体部と、前記ノズル本体部の上流側に設けられ、前記流体を前記流通路に導く整流板と、前記ノズル本体部の下流側に設けられ、前記流体を前記流通路から排出させる筒状体と、前記整流板と前記筒状体との間に設けられ、前記流体の流れに対する障壁となる障壁体と、を備え、前記障壁体は、中央部分から外方へ延びる複数の凹部と、前記複数の凹部と連通する貫通孔と、を有する第１の障壁体と、前記第１の障壁体の前記複数の凹部に嵌め込まれる延出部を有する第２の障壁体と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ナノバブル発生用ノズルに関する。

直径が数μｍ～数十μｍのいわゆるマイクロバブルの効果が従来から注目されている。上記の微細なマイクロバブルを水中や溶液中に分散させることで、例えば、ダム貯水池などの閉鎖性水域に対する水質浄化、機械部品の洗浄、養殖魚介類あるいは水耕栽培野菜類の成長促進、生物に対する殺菌・浄化、さらには、気体（例えば、炭酸水を生成するための二酸化炭素や香り（フレーバー）付けのための気体）の溶解効率の向上など種々の効果が明らかになっている。

しかしながら、直径が数μｍ～数十μｍのいわゆるマイクロバブルを水中や溶液中に分散にさせても短時間のうちに水面又は溶液面に移動して消滅したり、マイクロバブル同士が結合して大きな泡となり、短時間で体積に対する表面積の割合が小さくなったりするため、その効果が限定的になるという問題がある。

このため、近年では、直径が１μｍ以下のナノバブルが注目を集めている。ナノバブルは直径が１μｍ以下の微細な気泡であり、極小のため生成させても通常の気泡と違い水中ですぐに破裂せず長期に存在する。このため、マイクロバブル（直径が数μｍ～数十μｍ）よりも液相の中での滞留時間が長く、洗浄や殺菌や脱臭の効果が向上すると言われている。ナノ粒子である気体の気泡が水中にゆっくりと溶存し続けることで、気体の性質が液体の性質としてその効果を持続できる利点がある。

このようなナノバブルの性質を利用して、酸化力を高めて化学物質を使わずに油汚れを吸着・剥離させたり、オゾンなど他の気体を溶存させることで殺菌効果を向上させたりする技術的利用がある。例えば、半導体製造の分野や農業分野での栽培や洗浄・消毒の利用としてアグリ・バイオ分野産業での利用例がある。このようなナノバブルを液相中に発生させるナノバブル発生装置については、様々な技術が提案されている。

一般的なナノバブル発生装置は、流路における液体の流れにおいて、液の圧力を水蒸気圧以下に低くすることで、液中に気泡を発生させるキャビテーションの発生現象を利用している。ナノバブルを発生させる場合には、乱流及びキャビテーションを効率良く発生させる必要がある。キャビテーションを生成させる構造の一つに、流体の流路において凹凸のある物体に衝突し離脱する境界近傍で乱流が発生することを利用したものがある。

特許文献１、２には、このキャビテーション方式に類した形で、微細気泡を発生させる液体処理ノズルにおいて、１又は複数のコアエレメントの液体流路の内側から各々突出する衝突部（ネジ状に山部と谷部が交互に形成）で減圧作用によりキャビテーションを発生させることが開示されている。

国際公開第２０１６／１７８４３６号 特開２０１８－１４４０１８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示される発明の構成では、特殊なネジの使用や部品点数が多く、タップ加工コスト削減や耐食性材料とのトレードオフにも制約が多い。例えば、特許文献１及び２に開示される発明では、１又は複数のコアエレメントの液体流路の内側から各々突出する衝突部（ネジ）による部品構成を備えており、コアエレメントに複数のメネジを有する必要がある。

また、特許文献１及び２には、コアエレメントの材質としてプラスチック樹脂、金属、セラミックスが適宜に選択されると記載されている。しかし実質的には、セラミックスの適用は加工及びコスト面で非常に実現性が困難であり、必然的に雌ネジの加工ではタップ加工方法が限定され耐食性のあるステンレス鋼などの金属類、同様にネジ自体の材質も耐食性のある金属でダイス又は転造加工される範囲に限定される。

さらに、衝突部でネジを想定する場合、金属材料として材質が転造や切削により加工できるものに実質的に限定される。そしてこのネジ部材は、標準品である場合、キャビテーション発生に対する能力を、逆に限定してしまうことになる。

すなわち、キャビテーション腐食に対して、耐久性において限界を内在しているとともに、このネジ部材の衝突部は有る程度、設計的に自由度があるにも関わらず、この部品構成で機能が限定されることで、逆に複雑な構造になるばかりでなく、耐久性、メンテナンス性及び、経済性の両立に課題がある。

一般に、キャビテーション発生方式においては、金属材料の表面が腐食される壊食というキャビテーション腐食（エロージョン）が問題となる。主に、ナノバブル生成ノズルにおいては、その製作及びコスト上の理由から耐食性のあるステンレス鋼が用いられることが多い。

しかしながら、この材料もキャビテーション腐食について強靭とはいえない。特許文献１及び２では、その構造及び製作方法から実質上、金属を想定するものであることから、耐腐食性の向上においては材料により限定されてしまう。

一方で、部品交換等のメンテナンス性の上でも、より部品点数が少なく単純な構造が望ましい。さらに、製作方法においても、既存の機械加工である切削、研磨、転造等に限られており、より安価で大量生産が見込まれる金型等による成形の適用が望ましいが困難といえる。

さらに、特許文献１及び２に開示される発明では、衝突部は、流体の流路穴の外周から中心部の向かって突出するもので、いわゆる片持ち梁構造である。一般に、キャビテーションの発生に伴い、液体中には超音波や自励振動が発生するため、部材はこれによる振動を受け、部材の固定部の緩みや、疲労破壊を起こす懸念がある。すなわち、キャビテーション腐食に対する性能向上に必要な材質変更のための構造的な汎用性やコスト削減のためには、かかる構造は複雑で発展性に欠け、メンテナンス性と経済性に限界がある。

また、ナノバブル生成量の向上においてさらに単純な構造で高いポテンシャルを有する構造にするためにも、より単純で低コストのナノバブル発生用ノズルが望まれる。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、単純な構造であっても高性能で、かつメンテナンス性及び経済性に優れたナノバブル発生用ノズルを提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明に係るナノバブル発生用ノズルは、内部に流体の流通路を有する筒状のノズル本体部と、前記ノズル本体部の上流側に設けられ、前記流体を前記流通路に導く整流板と、前記ノズル本体部の下流側に設けられ、前記流体を前記流通路から排出させる筒状体と、前記整流板と前記筒状体との間に設けられ、前記流体の流れに対する障壁となる障壁体と、を備え、前記障壁体は、中央部分から外方へ延びる複数の凹部と、前記複数の凹部と連通する貫通孔と、を有する第１の障壁体と、前記第１の障壁体の前記複数の凹部に嵌め込まれる延出部を有する第２の障壁体と、を有することを特徴とする。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、整流板から流通路に導かれた流体を筒状体から排出させる間に、流体の流れに対する障壁体が設けられており、この障壁体によって微小気泡（以下、ナノバブル）を発生させることができる。この障壁体が、中央部分から外方へ延びる複数の凹部と、複数の凹部と連通する貫通孔とを有する第１障壁体と、第１の障壁体の複数の凹部に嵌め込まれる延出部を有する第２の障壁体とを有しているため、ナノバブルを効率よく連続的・安定的に生成することができる。また、構造が簡易であるため、取り扱いが容易で製造コストを低減することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記第２の障壁体の前記延出部の延出方向にみた断面形状は矩形である。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、第２の障壁体の延出部の延出方向にみた断面形状が矩形であるため、第２の障壁体の構造を簡素化できるとともに、凹部に延出部が嵌め込まれた構造部分に流体を衝突させてナノバブルを効率よく生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記第２の障壁体の前記延出部の延出方向にみた断面形状は凹凸形状を含む。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、第２の障壁体の延出部の延出方向にみた断面形状が凹凸形状を含むため、凹部に延出部が嵌め込まれた構造の凹凸形状の部分に流体が衝突することでナノバブルを効率良く生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記第２の障壁体の前記延出部は略円筒型である。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、第２の障壁体の延出部分が略円筒型になっているため、第２の障壁体の構造を簡素化できるとともに、凹部に延出部が嵌め込まれた構造部分に流体を衝突させてナノバブルを効率よく生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記延出部の表面の少なくとも一部に溝が設けられている。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、第２の障壁体の延出部の表面の少なくとも一部に溝が設けられているため、凹部に延出部が嵌め込まれた構造の溝の部分に流体が衝突することでナノバブルを効率良く生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルの前記第２の障壁体は、前記第１の障壁体の前記整流板側に配置されている。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、第２の障壁体が第１の障壁体の整流板側に配置されているため、整流板で整流された流体を第２の障壁体に衝突させてナノバブルを生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルの前記第２の障壁体は十字状に形成されている。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、第２の障壁体が十字状に形成されているため、第２の障壁体の構造を簡素化できるとともに、第２の障壁体の延出部について中心部分が支持された放射状に設けることができ、流体の衝突に対して十分な強度を得ることができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルの前記障壁体は、前記流通路の延びる方向に連続して配置される複数の前記第１の障壁体と、複数の前記第２の障壁体とを有する。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、障壁体として複数の第１の障壁体と複数の第２の障壁体とを連続して配置した構造にしているため、複数の第１の障壁体と複数の第２の障壁体とによって非常に効率よくナノバブルを連続的・安定的に生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルの前記筒状体は、前記流体の流入側から流出側にかけて内径が広くなる形状を有する。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、筒状体が流体の流入側から流出側にかけて内径が広くなる形状を有しているため、流体の圧力変化が最適化されることで液中に気泡が析出して、ナノバブルを効率よく生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記筒状体の流路断面は、前記流体の流入側から流出側にかけて指数関数的に拡大するホーン形状である。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、筒状体の流路端面が流体の流入側から流出側にかけて指数関数的に拡大するホーン（horn）形状であるため、流体の圧力変化が最適化されることで液中に気泡が析出してナノバブルを極めて効率よく生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルの前記ノズル本体部には、外周面から前記障壁体まで貫通し、前記流通路を流れる前記流体に気体を取り込むための貫通孔が形成されていてもよい。

上記のように本発明に係るナノバブル発生用ノズルでは、ノズル本体部に外周面から障壁体まで貫通し、流通路を流れる流体に気体を取り込むための貫通孔が形成されているため、気体が貫通孔を介して障壁体を流れる流体に取り込まれる。つまり、乱流を発生させる筒状体の手前で気体を加圧溶解させるために貫通孔から取り込むようにしているので、外部からの気体を非常に効率よくナノバブル化して、連続的・安定的に生成することができる。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記第１の障壁体及び前記第２の障壁体の少なくとも一方の材料は、パーライト系のステンレス金属又はオーステナイト系のステンレス金属であるとよい。

また、本発明に係るナノバブル発生用ノズルにおいて、前記第１の障壁体及び前記第２の障壁体の少なくとも一方の材料は、セラミックス、樹脂又は金属にセラミックスが被服された材料、樹脂又は金属とセラミックスとを複合させた材料のいずれかであるとよい。

本発明によれば、単純な構造であっても高性能で、かつメンテナンス性及び経済性に優れたナノバブル発生用ノズルを提供することができる。

第１実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する分解斜視図である。 第１実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する図である。 障壁体のコアユニットを例示する斜視図である。 貫通孔の閉塞状態を示す図である。 複数のコアユニットの配置について例示する図である。 第２の障壁体の他の例（その１）を示す図である。 第２の障壁体の他の例（その２）を示す図である。 第２実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する図である。 第２実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する図である。 第２実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する図である。 第１実施例に係るグラフである。 第２実施例に係るグラフである。 比較例に係るグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
先ず、第１実施形態に係るナノバブル発生用ノズルについて説明する。
第１実施形態は、すでに液中に溶存している気体をナノバブル化させるものである。
図１は、第１実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する分解斜視図である。
図２は、第１実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する図であり、（ａ）は流出側からみた側面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は流入側からみた側面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０は、ノズル本体部１１０と、整流板１２０と、筒状体１３０と、障壁体１４０とを備える。

ノズル本体部１１０は筒状に設けられ、内部に流体の流通路１１１を有する。整流板１２０は、ノズル本体部１１０の上流側に設けられ、流体を流通路１１１に導く。例えば、整流板１２０は円形板によって構成され、円形板の中央に流体を整流して流通路１１１に導くための孔１２０ｈが設けられる。本実施形態では整流板１２０として孔１２０ｈが設けられた円形板を用いているが、流体の流入側から流出側に向かう方向（以下、「流出方向Ｄ」とも言う。）にかけて孔１２０ｈの径が狭くなる逆ホーンの形状であってもよい。

筒状体１３０は、ノズル本体部１１０の下流側に設けられ、流体を流通路１１１から排出させる。筒状体１３０には流通路１１１の流体を流出させる孔１３０ｈが設けられる。例えば、筒状体１３０は流出方向Ｄにかけて孔１３０ｈの内径が広くなる形状を有する。孔１３０ｈの内径は流出方向Ｄにかけて漸次的に広くなっている。なお、筒状体１３０の流路断面は、流出方向Ｄにかけて指数関数による放物線形状、つまり立体的な形状がホーン（horn）形状となっていてもよい。すなわち、筒状体１３０は、ノズル本体部１１０の長手方向に平行な向きの内周面における断面形状が、下流側に準線を設け、この準線よりも上流側の位置であり、かつ流路内でない位置に焦点を設けてなる放物線の一部となる形状のものよりなるものであってもよい。筒状体１３０の流路断面がホーン形状になっていると、流体に効果的に乱流を発生させることができ、その結果、極めて効率よくナノバブルを生成することができる。

障壁体１４０は、整流板１２０と筒状体１３０との間に設けられる。すなわち、障壁体１４０は、整流板１２０と筒状体１３０との間における流通路１１１の途中に設けられる。これにより、流通路１１１を流れる流体の障壁として機能することになる。

障壁体１４０は、第１の障壁体１４１と、第２の障壁体１４２とを有する。第１の障壁体１４１は、中央部分から外方へ延びる複数の凹部１４１１と、複数の凹部１４１１と連通する貫通孔１４１２と、を有する。第２の障壁体１４２は、第１の障壁体１４１の複数の凹部１４１１に嵌め込まれる延出部１４２１を有する。第１の障壁体１４１と第２の障壁体１４２との組（コアユニット１４５）は１つ（１組）でもよいし、複数（複数組）設けられていてもよい。

第１の障壁体１４１と第２の障壁体１４２との組（コアユニット１４５）が複数（複数組）設けられる場合には、流通路１１１の延びる方向に複数の第１の障壁体１４１と第２の障壁体１４２とが連続して配置される。図１及び図２に示す例では４組のコアユニット１４５が流通路１１１の延びる方向に配置されている。

図３は、障壁体のコアユニットを例示する斜視図であり、（ａ）には第１の障壁体１４１と第２の障壁体１４２とが組み合わされた状態が示され、（ｂ）及び（ｃ）には第１の障壁体１４１と第２の障壁体１４２とが分解された状態が示される。

第１の障壁体１４１は、流通路１１１の内径とほぼ等しい外径を有する円盤状に設けられており、一方面側に複数の凹部１４１１が設けられる。図３に示す例では全体として十字状になるよう複数の凹部１４１１が設けられる。この十字状となる複数の凹部１４１１の交差部分（中央部分）に貫通孔１４１２が設けられる。貫通孔１４１２は複数設けられていてもよい。貫通孔１４１２は、第１の障壁体１４１及び第２の障壁体１４２を障壁とした流路とともに、乱流とキャビテーションを発生させればよく、この効果を阻害しない範囲で流量調整を行う目的で、孔径や孔の個数を設定すればよい。

第２の障壁体１４２は、第１の障壁体１４１の複数の凹部１４１１に嵌め込まれる形状になっている。図３に示す例では、第２の障壁体１４２は複数の延出部１４２１が全体として十字状になるよう形成される。この十字状に形成される第２の障壁体１４２の複数の延出部１４２１が第１の障壁体１４１の十字状に形成される複数の凹部１４１１に嵌め込まれる。これにより、障壁体１４０を貫通する流体の流路の一部が閉塞され、キャビテーションを発生させる。

第１の障壁体１４１と第２の障壁体１４２とが組み合わされたコアユニット１４５は、ノズル本体部１１０の流通路１１１において整流板１２０と筒状体１３０との間に配置される。複数のコアユニット１４５を組み込む場合、流出方向Ｄに連続して重なるように整流板１２０と筒状体１３０とともにノズル本体部１１０に格納される。コアユニット１４５の数は、ナノバブル粒子数、流体の流量、及び圧力に応じて設置される。

第１の障壁体１４１の貫通孔１４１２は、第２の障壁体１４２によりある程度、流量を制限するよう塞ぐかたちで嵌め込まれるが、完全には貫通孔１４１２を閉塞する状態にはなっていない。図４は、貫通孔の閉塞状態を示す図で、（ａ）には十字交差部分を正面からみた拡大図が示され、（ｂ）には十字交差部分の拡大断面図が示される。

図４（ａ）に示すように、第２の障壁体１４２の複数の延出部１４２１で構成される十字形状の交差部分の四隅と、貫通孔１４１２との間には隙間ｄが設けられており、この隙間ｄから流体が流入して貫通孔１４１２を通過していくことになる。この際、流体が延出部１４２１及び貫通孔１４１２の壁面と固着及び剥離することで乱流が発生する。これがキャビテーション発生構造である。

図５は、複数のコアユニットの配置について例示する図である。
図５（ａ）には、複数のコアユニット１４５を正面からみて全て同じ角度で配置した例が示される。すなわち、第１の障壁体１４１の十字状の凹部１４１１および第２の障壁体１４２の十字状の延出部１４２１の十字の位置が全て揃っている。

図５（ｂ）には、複数のコアユニット１４５を正面からみて、隣接するコアユニット１４５を互いに異なる角度で配置した例が示される。すなわち、第１の障壁体１４１の十字状の凹部１４１１および第２の障壁体１４２の十字状の延出部１４２１の十字の位置が、隣接するコアユニット１４５において互いに４５度等ずれて配置されている。ずれの角度によって、流量や乱流とキャビテーションの発生の状態を調整することができる。例えば、隣接するコアユニット１４５の角度が揃っている状態に比べ、角度をずらして配置されている状態の方が乱流とキャビテーションが多く発生する一方、流量は少なくなる。

第１の障壁体１４１の凹部１４１１が設けられていない部分には位置決め用孔１４１３が設けられていてもよい。隣接する第１の障壁体１４１の位置決め用孔１４１３を合わせ、例えばピンを挿通させることで隣接するコアユニット１４５の角度を固定することができる。

第２の障壁体１４２の延出部１４２１の延出方向にみた断面形状は矩形に設けられる。このような形状によって、第２の障壁体１４２の構造を簡素化できるとともに、第１の障壁体１４１の凹部１４１１に延出部１４２１が嵌め込まれたコアユニット１４５に流体を衝突させてナノバブルを効率よく生成することができる。第２の障壁体１４２の延出部１４２１は中央部分から放射状に延出しており、複数の延出部１４２１が一体に設けられる。

このように、第２の障壁体１４２の延出部１４２１は、特許文献１及び特許文献２に開示される衝突部のように、流体の流路穴の外周から中心部に向かって突出するものや、片持ち梁構造ではないため、高耐圧及び高耐久性を得ることができる。

例えば、４つのコアユニット１４５が連続して配置されている場合、本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０では、整流板１２０を通過した流体は、１番目のコアユニット１４５に設置された第２の障壁体１４２に衝突後、連続に重ねられた２番目、３番目、４番目のコアユニット１４５のそれぞれの第２の障壁体１４２に衝突しながら乱流を発生させる。そして、第１の障壁体１４１の中央部の貫通孔１４１２と第２の障壁体１４２の十字状の延出部１４２１の表面を回りこむ流れにおいて渦を生成してキャビテーションを発生させる。

この障壁体１４０を通過する流路において、特に第２の障壁体１４２の十字状の延出部１４２１の直角の角を回りこむ際に、著しい乱流及びキャビテーションが発生する。したがって、十字状の延出部１４２１の障壁の壁面近傍には壊食といわれるキャビテーション腐食（エロージョン）が生じる可能性がある。

そこで、障壁体１４０は、ステンレス等の金属に限らず、セラミック等の耐腐食・耐薬品性のある堅牢な壊食に耐える材料で形成されることが望ましい。例えば、第１の障壁体１４１及び第２の障壁体１４２の少なくとも一方の材料は、パーライト系のステンレス金属又はオーステナイト系のステンレス金属である。また、例えば、第１の障壁体１４１及び第２の障壁体１４２の少なくとも一方の材料は、セラミックス、樹脂又は金属にセラミックスが被服された材料、樹脂又は金属とセラミックスとを複合させた材料のいずれかである。

第１の障壁体１４１の凹部１４１１や第２の障壁体１４２の延出部１４２１が複雑な形状では、加工とコストに問題が生じやすい。このため、できるだけ金型等の割り型構造と同等の、１軸方向で加工または分離できる単純で上下左右対称の形状が望ましい。また、この部材は、流体と常にさらされる消耗部材として、出来るだけ容易に交換可能な高いメンテナンス性を有することが望ましく、例えば第１の障壁体１４１の凹部１４１１に第２の障壁体１４２の延出部１４２１を挿入するだけの構造がよい。

さらに、流体の衝突部である障壁体１４０は、第１の障壁体１４１の中央部の貫通孔１４１２をブリッジする様に跨ぐ構造がよい。つまり、貫通孔１４１２の外周から突出する特許文献１及び２に開示される発明のように、衝突部は、流体の流路穴の外周から中心部の向かって突出する、いわゆる片持ち梁構造ではない。第２の障壁体１４２の延出部１４２１を自由端の両持ち梁構造にすることで、特許文献１及び２の衝突部が固定された片持ち梁構造であるものと比較して、キャビテーションの発生に伴う超音波や自励振動を起因とする固定部のゆるみや疲労破壊を防止できる。

第１の障壁体１４１も第２の障壁体１４２と同様に、金型等の割り型構造と同等の、１軸方向で加工または分離できる単純で左右対称の形状とする。これにより、キャビテーション発生量向上について、材料及び形状に関して適宜な設計を行うことが可能であるとともに、経済性をも両立できる部品構成が可能となる。

なお、第１の障壁体１４１の凹部１４１１及び第２の障壁体１４２の延出部１４２１の形状は十字状に限定されず、例えば３つの凹部１４１１及び３つの延出部１４２１が１２０度ずつずれて配置された形状であったり、２つの凹部１４１１及び２つの延出部１４２１が１８０度ずれて配置された形状であったりしてもよい。さらに、凹部１４１１及び延出部１４２１が５つ以上放射状に配置された形状であってもよい。

整流板１２０は、障壁体１４０への流体の導入流路として任意に設定できる。図示例では、整流板としているが、複数の孔による流体の整流効果や、逆ホーンの形状でもよい。

また、筒状体１３０は、ホーン形状が最適であるがナノバブルを含んだ流体をアウターフランジに導き拡大する機能をもつ部品であればよい。流体工学では、拡大管による流体の圧力変化でキャビテーション発生させる装置がある。しかし、障壁体１４０から内径が拡大する流路に対して好ましい形状は、流路の円形断面が直線的に拡大する単純形状ではなく、ベッセルホーンの様にベッセル関数曲線で拡大することが好ましい。この形状により流体の進行方向に対して、流体の圧力変化が最適化されることで液中の気泡が析出して、ナノバブルを効率よく生成することができる。

図６は、第２の障壁体の他の例（その１）を示す斜視図である。
図６に示す例において、第２の障壁体１４２の延出部１４２１は略円筒型に設けられる。また、延出部１４２１の表面の少なくとも一部に溝が設けられる。このように、第２の障壁体１４２の延出部１４２１の表面の少なくとも一部に溝が設けられていると、第１の障壁体１４１の凹部１４１１に第２の障壁体１４２の延出部１４２１が嵌め込まれた構造の溝の部分に流体が衝突することでナノバブルを効率良く生成することができる。

図７は、第２の障壁体の他の例（その１）を示す斜視図である。
図７に示す例において、第２の障壁体１４２の延出部１４２１の延出方向にみた断面形状は凹凸形状を含む。例えば、延出部１４２１の延出方向にみた断面形状は十字状になっている。このような延出部１４２１の断面形状によって、第１の障壁体１４１の凹部１４１１に第２の障壁体１４２の延出部１４２１が嵌め込まれた構造の凹凸形状の部分に流体が衝突することでナノバブルを効率良く生成することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るナノバブル発生用ノズルについて説明する。
第２実施形態は、液体に溶存している気体だけでなく、外部からの気体を取り込み加圧溶解させる機能を付加してナノバブル化させるものである。
図８～図１０は、第２実施形態に係るナノバブル発生用ノズルを例示する図である。
図８（ａ）には本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂの外観図が示され、図８（ｂ）には本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂの内部構成図が示される。
図９（ａ）には本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂの内部構成の透視図が示され、図９（ｂ）には本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂの内部の障壁体１４０が示される。
図１０（ａ）には本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂの流出側からみた側面図が示され、図１０（ｂ）には本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂの断面図が示される。

本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０Ｂでは、ノズル本体部１１０の外周面から障壁体１４０まで貫通する貫通孔１１３が形成される。貫通孔１１３には入力口栓１１２が設けられる。入力口栓１１２が設けられた貫通孔１１３は、外部から流通路を流れる流体に気体を取り込むために設けられる。これにより、単に流体に溶存する気体をキャビテーション発生によってナノバブル化して液体に溶存させるだけではなく、積極的にノズル本体部１１０の外部から他に溶存したい気体を、貫通孔１１３を介して加圧注入して追加供給することができる。入力口栓１１２に追加供給したい気体の供給管を接続することで、加圧溶解として種々のナノバブル水を合成して生成することができる。

次に、実施例について説明する。発明者らは、蛇口から勢いよく噴出させた水道水に含まれるナノバブルを含む粒子数と、上記実施形態において説明したナノバブル発生用ノズル１０より水道水から生成したナノバブル水に含まれるナノバブルを含む粒子数とを計測した。なお、粒子数の計測には、日本カンタムデザイン株式会社製のナノ粒子解析装置（商品名：NanoSight）を用いた。

ここで、第１実施例は、ナノバブル発生用ノズル１０の障壁体１４０として、図７に示す第２の障壁体１４２（延出部１４２１の延出方向にみた断面形状が十字状に形成されたもの）が適用されている。障壁体１４０には４つのコアユニット１４５が連続して配置されている。
第２実施例は、ナノバブル発生用ノズル１０の障壁体１４０として、図３に示す第２の障壁体１４２（延出部１４２１の延出方向にみた断面形状が矩形に形成されたもの）が適用されている。障壁体１４０には４つのコアユニット１４５が連続して配置されている。
比較例は、特許文献１及び２に示されるノズルである。

図１１は、第１実施例を用いた場合のナノバブル水に含まれるナノバブルを含む粒子数を計測した結果を示すグラフである。なお、粒子数の計測は、ノズルに流入する水の水流圧力０．２ＭＰａ（メガパスカル）、１回のノズル通過（ワンパス）を行い、ナノバブル水生成３０分後に行った。図１１の横軸は、粒子の平均粒径（ｎｍ）である。また、図１１の縦軸は、粒子数（×１０^６個／ｍｌ）である。

図１２は、第２実施例を用いた場合のナノバブル水に含まれるナノバブルを含む粒子数を計測した結果を示すグラフである。粒子数の計測方法は第１実施例と同様である。また、図１２のグラフの縦軸及び横軸は図１１と同様である。

図１３は、比較例を用いた場合のノバブル水に含まれるナノバブルを含む粒子数を計測した結果を示すグラフである。粒子数の計測方法は第１実施例及び第２実施例と同様である。また、図１３のグラフの縦軸及び横軸は図１１及び図１２と同様である。

図１１～図１３のグラフに示した測定結果を表１にまとめた。

表１に示すように、第１実施例のナノバブル発生用ノズル１０により生成したナノバブル水に含まれる粒子数は、２．６７０（×１０^８個／ｍｌ）である。第２実施例のナノバブル発生用ノズル１０により生成したナノバブル水に含まれる粒子数は、２．２５０（×１０^８個／ｍｌ）である。比較例のノズルにより生成したナノバブル水に含まれる粒子数は、０．５００（×１０^８個／ｍｌ）である。通常の水道水に含まれる粒子数は、０．２７４（×１０^８個／ｍｌ）である。

このことから、第１実施例のナノバブル発生用ノズル１０では、１ｍｌ（ミリリットル）あたりのナノバブルの個数が、第２実施例のナノバブル発生用ノズル１０に比べて約０．４２億個増え、比較例のノズルに比べて約２．１７億個増え、水道水に含まれるナノバブルの個数に比べて約２．４億個増えたことがわかった。

また、第２実施例のナノバブル発生用ノズル１０では、１ｍｌあたりのナノバブルの個数が、比較例のノズルに比べて約１．７２５億個増え、水道水に含まれるナノバブルの個数に比べて約１．９５１億個増えたことがわかった。

１分あたりの流量については、第１実施例のナノバブル発生用ノズル１０では３．６Ｌ（リットル）であり、第２実施例のナノバブル発生用ノズル１０では２．４Ｌであり、比較例のノズルでは１０．８Ｌであった。

以上のように、本実施形態に係るナノバブル発生用ノズル１０、１０Ｂによれば、液体のナノバブルの生成に関し、生成ノズルの性能向上と経済性との両立問題を解決することができる。特に、第１の障壁体１４１及び第２の障壁体１４２が汎用性のある構造になっているため、キャビテーション発生効率の向上と腐食に対する性能向上及び、コスト削減を図ることが可能である。また、簡素な構造であるにも関わらず高性能で、かつ、メンテナンス性と経済性とを兼ね備えた低コストのナノバブル発生用ノズル１０、１０Ｂを提供することができる。

以上で説明したように、本発明は、簡易で構造でナノバブルを連続的・安定的に生成することができるナノバブル発生用ノズルを提供することができるので、ダム貯水池などの閉鎖性水域に対する水質浄化、機械部品の洗浄、養殖魚介類あるいは水耕栽培野菜類の成長促進、生物に対する殺菌・浄化、炭酸水や香り（フレーバー）付けされた飲料や芳香剤の製造等、種々の用途に用いることができる。

１０ ナノバブル発生用ノズル
１０Ｂ ナノバブル発生用ノズル
１１０ ノズル本体部
１１１ 流通路
１１２ 入力口栓
１１３ 貫通孔
１２０ 整流板
１２０ｈ 孔
１３０ 筒状体
１３０ｈ 孔
１４０ 障壁体
１４１ 第１の障壁体
１４２ 第２の障壁体
１４５ コアユニット
１４１１ 凹部
１４１２ 貫通孔
１４１３ 位置決め用孔
１４２１ 延出部
ｄ 隙間
Ｄ 流出方向

Claims (13)

1. 内部に流体の流通路を有する筒状のノズル本体部と、
   前記ノズル本体部の上流側に設けられ、前記流体を前記流通路に導く整流板と、
   前記ノズル本体部の下流側に設けられ、前記流体を前記流通路から排出させる筒状体と、
   前記整流板と前記筒状体との間に設けられ、前記流体の流れに対する障壁となる障壁体と、を備え、
   前記障壁体は、
   中央部分から外方へ延びる複数の凹部と、前記複数の凹部と連通する貫通孔と、を有する第１の障壁体と、
   前記第１の障壁体の前記複数の凹部に嵌め込まれる延出部を有する第２の障壁体と、を有することを特徴とするナノバブル発生用ノズル。
2. 前記第２の障壁体の前記延出部の延出方向にみた断面形状は矩形である、ことを特徴とする請求項１記載のナノバブル発生用ノズル。
3. 前記第２の障壁体の前記延出部の延出方向にみた断面形状は凹凸形状を含む、ことを特徴とする請求項１記載のナノバブル発生用ノズル。
4. 前記第２の障壁体の前記延出部は略円筒型である、ことを特徴とする請求項１記載のナノバブル発生用ノズル。
5. 前記延出部の表面の少なくとも一部に溝が設けられた、ことを特徴とする請求項４記載のナノバブル発生用ノズル。
6. 前記第２の障壁体は、前記第１の障壁体の前記整流板側に配置された、ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
7. 前記第２の障壁体は十字状に形成された、ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
8. 前記障壁体は、前記流通路の延びる方向に連続して配置される複数の前記第１の障壁体と、複数の前記第２の障壁体とを有する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
9. 前記筒状体は、前記流体の流入側から流出側にかけて内径が広くなる形状を有する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
10. 前記筒状体の流路断面は、前記流体の流入側から流出側にかけて指数関数的に拡大するホーン形状である、ことを特徴とする請求項９記載のナノバブル発生用ノズル。
11. 前記ノズル本体部には、外周面から前記障壁体まで貫通し、前記流通路を流れる前記流体に気体を取り込むための貫通孔が形成された、ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
12. 前記第１の障壁体及び前記第２の障壁体の少なくとも一方の材料は、パーライト系のステンレス金属又はオーステナイト系のステンレス金属である、ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
13. 前記第１の障壁体及び前記第２の障壁体の少なくとも一方の材料は、セラミックス、樹脂又は金属にセラミックスが被服された材料、樹脂又は金属とセラミックスとを複合させた材料のいずれかである、ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のナノバブル発生用ノズル。
    
    
    

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