JP5405135B2 - 混合ノズル及び被混合物の混合方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の被混合物を混合して噴射する混合ノズルと、該混合ノズルを用いた被混合物の混合方法に関する。

直径が数十μm以下の気泡は、マイクロバブルと呼ばれ、直径が数mm程度の大きな気泡では見られない生理活性効果や除菌・殺菌効果を奏することで知られている。現在、マイクロバブルを発生するためのマイクロバブル発生装置は、浴槽や水槽など、家庭用途だけでなく、排水処理施設や水産養殖施設や水耕栽培施設など、産業用途にも用いられている。マイクロバブル発生装置は、今後もその需要が高まっていくと考えられており、それに使用するマイクロバブル発生ノズルも各種のものが提案されている。

例えば、特許文献1には、互いの先端側（径の小さな端部側）が対向するように所定間隔を隔てて配された一対の円錐状パイプからなるベンチュリ管状部を有し、そのベンチュリ管状部で液体の流れを絞って流速を増加させることにより、ベンチュリ管状部を通過する液体の圧力を低下させ、その圧力が低下した部分に気体が自然吸入されるようにした、ベンチュリ式のマイクロバブル発生ノズルが提案されている。特許文献1のマイクロバブル発生ノズルにおいて、気体は、一対の円錐状パイプの先端間の微細な隙間から液体中へ吸入されるようになっている。

また、特許文献2には、液体を流すための管内に設けたオリフィスで液体の流れを絞って流速を増加させることにより、オリフィスを通過する液体の圧力を低下させ、その圧力が低下した部分に気体が自然吸入されるようにした、オリフィス式のマイクロバブル発生ノズルが記載されている。特許文献2のマイクロバブル発生ノズルにおいて、気体は、オリフィスの下流側に配した管状の多孔質材料又は多孔質膜を通じて液体中へと吸入されるようになっている。

しかし、特許文献1や特許文献2のマイクロバブル発生ノズルは、ベンチュリ管状部又はオリフィスよりも下流側に設ける流路（混合部）をある程度長く形成しておかないと、気体と液体とが十分に混ざらず、気泡が発生しなくなるという欠点があった。このため、マイクロバブル発生ノズルを浴槽の内壁面などから突出しないように取り付けることが困難であるなどの欠点があった。また、特許文献1や特許文献2のマイクロバブル発生ノズルは、流体（液体又は気体）以外の被混合物を混合するものとしては適しておらず、その用途も限られていた。

特開２００８−１１４０９８号公報 特開２００８−１７３６３１号公報

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、用途に応じてその寸法を小さくすることが容易であるにもかかわらず、被混合物を十分に混合することができ、マイクロバブルを発生するためのマイクロバブル発生ノズルとしても好適に用いることのできる混合ノズルを提供するものである。また、粉体を混合するのにも適した混合ノズルを提供することも本発明の目的である。さらに、この混合ノズルを用いて好適に行うことのできる被混合物の混合方法を提供することも本発明の目的である。

上記課題は、
少なくとも、流体又は粉体からなる第一の被混合物と、流体又は粉体からなる第二の被混合物とを混合して噴射するための混合ノズルであって、
第一の被混合物と第二の被混合物とを混合するための混合室を備え、
混合室の内面には、第一の被混合物を混合室内へ導入するための第一の被混合物導入口と、第二の被混合物を混合室内へ導入するための第二の被混合物導入口と、第一の被混合物導入口に対向する位置に配されて第一の被混合物と第二の被混合物とが混合された混合物を混合室外へ噴射するための混合物噴射口とが設けられ、
混合物噴射口の開口面積が、混合室の断面積よりも狭く、かつ第一の被混合物導入口の開口面積よりも広く設定されたことを特徴とする混合ノズル
を提供することによって解決される。

このように、混合ノズル内に混合室を設けて、混合物噴射口の開口面積を、混合室の断面積よりも小さく、かつ混合物噴射口に対向するように設けられた第一の被混合物導入口の開口面積よりも広くすることにより、混合ノズルの周囲にある流体が混合物噴射口から混合室内へ流れ込まないようにして、気泡を発生するのに有利に作用する渦流が混合室内に発生しやすくすることが可能になる。このため、混合室の寸法を小さくしても、第一の被混合物と第二の被混合物とを混合室内で混合することが可能になる。したがって、混合ノズルを小型化することも容易である。また、流体以外の被混合物を混合することも可能になる。

本発明の混合ノズルにおいて、混合物噴射口の周囲から混合物の噴射方向（混合ノズルの外方）へ突出する第一のスリーブを形成することも好ましい。このとき、第一のスリーブの周壁に、第一のスリーブを内外に貫通する貫通孔を形成することも好ましい。また、第一の被混合物導入口の周囲から混合室の中心（混合ノズルの内方）へ向かって突出する第二のスリーブを形成することも好ましい。これらの構成を採用することにより、第一の被混合物と第二の被混合物とをより混合しやすくしることが可能になる。

また、上記課題は、
少なくとも、流体又は粉体からなる第一の被混合物と、流体又は粉体からなる第二の被混合物とを、混合ノズルにおける混合室内で混合して噴射する被混合物の混合方法であって、
混合室の内面に設けられた第一の被混合物導入口と第二の被混合物導入口から混合室内へ第一の被混合物と第二の被混合物をそれぞれ導入し、
第一の被混合物と第二の被混合物とが混合された混合物を、混合室の内面における第一の被混合物導入口に対向する位置に設けられた、混合室の断面積よりも狭くかつ第一の被混合物導入口の開口面積よりも広い開口面積を有する混合物噴射口から混合室外へ噴射することを特徴とする被混合物の混合方法
を提供することによっても解決される。

本発明の被混合物の混合方法において、第一の被混合物や第二の被混合物は、流体（気体又は液体）や粉体であれば特に限定されないが、第一の被混合物を液体とし、第二の被混合物を気体とすると好ましい。これにより、本発明の混合ノズルで液体中に気泡を発生させることが可能になり、本発明の混合ノズルをマイクロバブル発生装置などに使用することも可能になる。

また、混合室の内面に第三の被混合物導入口を設け、この第三の被混合物導入口から混合室内へ第三の被混合物を導入し、第一の被混合物と第二の被混合物と第三の混合物とが混合された混合物を混合物噴射口から混合室外へ噴射することも好ましい。これにより、より多種の被混合物を混合することが可能になり、混合ノズルの用途をさらに拡大することが可能になる。例えば、第一の被混合物を気体とし、第二の被混合物を液体とし、第三の被混合物を粉体（固体）とするなど、異なる3つの物質状態の被混合物を混合することも可能になる。

以上のように、本発明によって、用途に応じてその寸法を小さくすることが容易であるにもかかわらず、被混合物を十分に混合することができ、マイクロバブルを発生するためのマイクロバブル発生ノズルとしても好適に用いることのできる混合ノズルを提供することが可能になる。また、粉体を混合するのにも適し、幅広い用途に使用することのできる混合ノズルを提供することも可能になる。さらに、この混合ノズルを用いて好適に行うことのできる被混合物の混合方法を提供することも可能になる。

本発明の混合ノズルを分解した状態を示した斜視図である。 本発明の混合ノズルをその中心軸を含む面で切断した状態を示した断面図である。 図2の混合ノズルにおける混合室の周辺を拡大した状態を示した断面図である。 他の実施態様の混合ノズルにおける混合室の周辺を拡大した状態を示した断面図である。 実験に使用した、第一部材、第二部材及び第三部材を撮影した写真である。 混合物噴射口OUTの直径D_OUTを4mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを4mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。 混合物噴射口OUTの直径D_OUTを5mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを6mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。 混合物噴射口OUTの直径D_OUTを5mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを100mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。 混合物噴射口OUTの直径D_OUTを6mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを8mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。

本発明の混合ノズルの好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図1は、本発明の混合ノズル10を分解した状態を示した斜視図である。図2は、本発明の混合ノズル10をその中心軸を含む面で切断した状態を示した断面図である。図3は、図2の混合ノズル10における混合室Rの周辺を拡大した状態を示した断面図である。

本実施態様の混合ノズル10は、図2に示すように、円筒形状に形成された混合室Rにおける内面（後端面、前端面又は内周面）に、第一の被混合物導入口IN₁と、第二の被混合物導入口IN₂と、混合物噴射口OUTとを設けたものとなっている。第一の被混合物導入口IN₁は、流体又は粉体からなる第一の被混合物C₁を混合室R内へ導入するためのものとなっている。また、第二の被混合物導入口IN₂は、流体又は粉体からなる第二の被混合物C₂を混合室R内へ導入するためのものとなっている。被混合物導入口IN₁，IN₂から混合室R内へ導入された被混合物C₁，C₂は、混合室R内で混合されて混合物Cとなり、混合物噴射口OUTから混合室R外へと噴射される。

被混合物導入口IN₁，IN₂から導入する被混合物C₁，C₂の種類は、混合ノズル10の用途などに応じて異なるため特に限定されず、各種の流体（気体又は液体）や粉体を採用することができる。例えば、被混合物C₁を水などの液体、被混合物C₂を空気などの気体とすると、本発明の混合ノズル10をバブル発生装置として利用することが可能である。後述するような調整を行えば、発生する気泡の寸法を小さくして、マイクロバブルを発生させることも可能である。また、被混合物C₁を水などの液体、被混合物C₂を油などの液体とすると、本発明の混合ノズル10をエマルジョン燃料の攪拌装置として利用することも可能である。本発明の混合ノズル10は、浴槽や水槽など、家庭用途だけでなく、排水処理施設や水産養殖施設や水耕栽培施設など、産業用途でも使用することができる。

本実施態様の混合ノズル10において、被混合物導入口IN₁は、混合室Rの後端面（後述する第一部材11の前面）に設けられており、被混合物導入口IN₂は、混合室Rの側周面（後述する第二部材12の内周面）に設けられている。被混合物導入口IN₂は、混合室Rにおける後端面や前端面における被混合物導入口IN₁や混合物噴射口OUTが設けられていない位置に設けてもよい。混合物噴射口OUTは、混合室Rの前端面（被混合物導入口IN₁が設けられた後端面に対向する面。後述する第三部材13の背面。）に設けられている。このため、被混合物C₁の導入方向と被混合物C₂の導入方向とが直交し、被混合物C₁の導入方向と混合物Cの噴射方向とが同一線上で平行となるようになっている。

混合ノズル10は、全体が一体的に形成されたものであってもよいが、この場合には、その成形が困難になる。このため、本実施態様の混合ノズル10は、図１に示すように、第一の被混合物導入口IN₁が前面に形成された第一部材11と、第二の被混合物導入口IN₂が内周面に形成されて混合室Rが内部に形成された第二部材12と、混合物噴射口OUTが背面に形成された第三部材13とに分解可能な構造としている。これにより、射出成形や切削加工など、一般的な方法で混合ノズル10を容易に成形することができるようになる。また、第一部材11、第二部材12又は第三部材13を切り替えるだけで、直径D_IN1や直径D_IN2や直径D_OUTや直径D_Rを切り替えることが可能になり、混合ノズル10の用途などに応じて混合ノズル10の仕様を容易に変えることも可能になる。さらに、混合ノズル10に痛みが生じたような場合などには、各部ごとに交換することもできるなど、混合ノズル10のメンテナンスを容易に行うことも可能になる。

混合ノズル10の構造についてより具体的に説明する。第一部材11の前面には、図1に示すように、円形をした凹部が2段に形成されている。図2に示すように、小さな方の凹部には第二部材12が嵌め込まれ、大きな方の凹部には第三部材13が嵌め込まれるようになっている。第三部材13の外周面には螺子溝が形成されており、該螺子溝を第一部材11の大きな方の凹部の内周面に形成された螺子溝に螺合することができるようになっている。これにより、第一部材11と第二部材12と第三部材13とをその中心軸方向にしっかりと密着させ、混合室Rに導入された第一の被混合物C₁や第二の被混合物C₂などが各部の隙間から漏れ出るのを防ぐことができるようになっている。

被混合物導入口IN₁，IN₂及び混合物噴射口OUTの開口形状は、特に限定されず、非円形であってもよいが、本実施態様の混合ノズル10においては、図1に示すように、いずれも円形としている。混合室Rの断面形状（円筒形状の混合室Rの中心軸に垂直な断面の形状）も特に限定されないが、本実施態様の混合ノズル10においては、円形としている。混合物噴射口OUTの開口面積は、混合室Rの断面積よりも狭く、かつ被混合物導入口IN₁の開口面積よりも広く設定されている。換言すると、混合物噴射口OUTの直径D_OUT（図3）は、混合室Rの断面の直径D_R（図3）よりも小さく、かつ被混合物導入口IN₁の直径D_IN1よりも大きく設定されている。被混合物導入口IN₂の開口面積（被混合物導入口IN₂の直径D_IN2（図3））は、被混合物C₁，C₂の所望の混合比などに応じて適宜決定される。

本発明の混合ノズル10において、被混合物導入口IN₁の直径D_IN1（図3）を具体的にどの程度に設定するのかは、混合ノズル10の用途などによっても異なり、特に限定されない。しかし、混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとする場合には、直径D_IN1は、通常、30mm以下とされる。直径D_IN1は、20mm以下であると好ましく、15mm以下であるとより好ましく、10mm以下であるとさらに好ましい。直径D_IN1は、通常、1mm以上、好ましくは、2mm以上とされる。被混合物導入口IN₁の上流側は、ストレートに形成しても（直径D_IN1よりも大きな内径を有するストレート状の管路としても）よいが、本実施態様の混合ノズル10においては、図3に示すように、テーパー状に形成しており、被混合物導入口IN₁に近づくにつれて被混合物C₁の流速が徐々に速くなるようにしている。

また、被混合物導入口IN₂の直径D_IN2（図3）は、既に述べた通り、被混合物C₁，C₂の所望の混合比などに応じて適宜決定されるため、特に限定されない。しかし、混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとし、被混合物導入口IN₁の直径D_IN1を上記の範囲程度とする場合には、直径D_IN2は、通常、30mm以下とされる。直径D_IN2は、20mm以下であると好ましく、10mm以下であるとより好ましく、5mm以下であるとさらに好ましい。直径D_IN2は、通常、0.5mm以上、好ましくは、1mm以上とされる。

さらに、混合物噴射口OUTの直径D_OUT（図3）は、被混合物導入口IN₁の直径D_IN1よりも大きく、混合室Rの直径D_Rよりも小さければ特に限定されない。しかし、混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとし、被混合物導入口IN₁，IN₂の直径D_IN1，D_IN2を上記の範囲程度とする場合には、直径D_OUTは、通常、直径D_IN1よりも0.5mm以上大きく設定される。直径D_OUTは、直径D_IN1よりも1mm以上大きくすると好ましく、1.5mm以上大きくすると好ましい。一方、直径D_OUTは、通常、混合室Rの直径D_Rよりも0.5mm以上、好ましくは1mm以上小さく設定される。

さらにまた、混合室Rの直径D_R（図3）は、混合物噴射口OUTの直径D_OUTよりも大きければ特に限定されない。特に、直径D_Rの上限に特に制限はない。しかし、混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとし、被混合物導入口IN₁，IN₂の直径D_IN1，D_IN2や混合物噴射口OUTの直径D_OUTを上記の範囲程度とする場合には、直径D_Rは、通常、50mm以下、好ましくは40mm以下、より好ましくは30mm以下とされる。

そして、円筒形状の混合室Rの中心軸に沿った方向の長さL_R（図3）も、混合ノズル10の用途や、直径D_IN1，D_IN2，D_OUT，D_Rなどとの兼ね合いによって異なり、特に限定されない。しかし、長さL_Rを短くしすぎると、混合室Rで渦流が発生しにくくなり、被混合物C₁，C₂が混合室R内で十分に混合しにくくなるおそれがある。このため、混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとし、被混合物導入口IN₁，IN₂の直径D_IN1，D_IN2や混合物噴射口OUTの直径D_OUTや混合室Rの直径D_Rを上記の範囲程度とする場合には、長さL_Rは、通常、0.5mm以上とされる。混合室Rの長さL_Rは、1mm以上であると好ましく、2mm以上であるとより好ましい。一方、混合室Rの長さL_Rを長くすると、混合室Rで渦流が発生しやすくなり、被混合物C₁，C₂が混合しやすくなるものの、混合ノズル10の寸法が大きくなり、本発明の構成を採用する意義が低下してしまう。このため、長さL_Rは、通常、30mm以下とされる。混合室Rの長さL_Rは、20mm以下であると好ましく、10mm以下であるとより好ましい。

ところで、図1〜3の混合ノズル10は、2つの被混合物導入口IN₁，IN₂が設けられ、2種の被混合物C₁，C₂を混合するものとなっていたが、本発明の混合ノズル10には、3個以上の被混合物導入口を設けることも可能である。これにより、混合ノズル10で3種以上の被混合物を混合することが可能になる。

図4は、他の実施態様の混合ノズル10における混合室Rの周辺を拡大した状態を示した断面図である。図4の混合ノズル10は、円筒形状に形成された混合室Rにおける各面に、第一の被混合物導入口IN₁と、第二の被混合物導入口IN₂と、第三の被混合物導入口IN₃と、混合物噴射口OUTとを設けたものとなっている。被混合物導入口IN₃は、混合室Rの側周面（第二部材12の内周面）に設けられており、流体又は粉体からなる第三の被混合物C₃を混合室R内へ導入するためのものとなっている。被混合物導入口IN₃は、混合室Rにおける後端面や前端面における被混合物導入口IN₁や混合物噴射口OUTが設けられていない位置に設けてもよい。被混合物導入口IN₁，IN₂のように、混合室Rの内面に複数の被混合物導入口を設ける場合には、該複数の被混合物導入口を混合室Rの中心軸に対して回転対称に配すると好ましい。図4の混合ノズル10においても、被混合物導入口IN₁，IN₂は、混合室Rの中心軸に対して回転対称に配している。被混合物導入口IN₃の直径は、特に限定されないが、通常、被混合物導入口IN₂と同程度とされる。

図4の混合ノズル10において、被混合物導入口IN₁，IN₂，IN₃から導入する被混合物C₁，C₂，C₃の種類は、混合ノズル10の用途などに応じて異なるため特に限定されず、各種の流体（気体又は液体）や粉体を採用することができる。例えば、被混合物C₁を空気、被混合物C₂を水、被混合物C₃を油とすることなども可能である。このように、被混合物C₁，C₂，C₃を空気、水、油とした場合には、混合ノズル10の混合物噴射口OUTから空気と水と油の混合物Cが霧状に噴射されるようになり、混合物噴射口に火をつることができるようになるので、混合ノズル10をバーナーとして利用することもできるようになる。この場合において、混合室Rに、さらに第四の被混合物導入口（図示省略）や第五の被混合物導入口（図示省略）を設けて、それらの混合物導入口からチタニウムや銅などの金属粉末を混合するようにすれば、炎の色を調節することもできるようになる。したがって、混合ノズル10で様々な色の炎を燃やすことができるようになる。本発明の混合ノズル10は、店舗やイベント会場などで炎を燃やすためのバーナーとしての用途も期待される。

図4の混合ノズル10についてさらに詳しく説明する。図4の混合ノズル10は、第三部材13の前面における混合物噴射口OUTの周囲から混合物Cの噴射方向へ突出する第一のスリーブ13aが形成されたものとなっている。このようなスリーブ13aを設けることによって、被混合物C₁，C₂，C₃の流速を遅くした場合であっても、被混合物C₁，C₂，C₃が十分に混合されるようになることを確認した。スリーブ13aの突出長さは、特に限定されないが、短すぎると、スリーブ13aを設ける意義が低下するし、長すぎると、混合ノズル10の小型化が困難になる。このため、スリーブ13aの長さは、通常、0.5〜30mm、好ましくは、1〜10mmとされる。

また、図4の混合ノズル10においては、第一のスリーブ13aの周壁に、該周壁を内外に貫通する貫通孔Hを形成している。この貫通孔Hを設けることにより、混合物Cがスリーブ13aを通り抜ける際に、スリーブ13aの外周部に存在する流体がスリーブ13a内に吸い込まれるようになり、混合物Cをより確実に混合することが可能になる。貫通孔Hの個数や配置は、特に限定されないが、通常、2〜10個程度の貫通孔Hをスリーブ13aの中心軸に対して回転対称となるように配する。

さらに、図4の混合ノズル10においては、第一部材11の前面における第一の被混合物導入口IN₁の周囲から混合室Rの中心へ向かって突出する第二のスリーブ11aが形成されている。このようなスリーブ11aを設けることによって、被混合物C₁，C₂，C₃の流速を遅くした場合であっても、被混合物C₁，C₂，C₃が十分に混合されるようになることを確認した。スリーブ11aの突出長さは、混合室Rの寸法などによっても異なり、特に限定されないが、短すぎると、スリーブ11aを設ける意義が低下するし、長すぎると、混合室Rがスリーブ11aによって分断された状態となり、被混合物C₁，C₂，C₃を十分に混合することができなくなるおそれがある。このため、スリーブ11aの長さは、通常、0.5mm以上、好ましくは、1mm以上の範囲で、スリーブ11aの前端（先端）が混合室Rの側周面に設けられた被混合物導入口IN₂，IN₃よりも後方（混合室Rから見て被混合物導入口IN₁側）となるように設定すると好ましい。

本発明の混合ノズル10の性能を評価するために、図1に示す混合ノズル10の第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1を4mm、第二の被混合物導入口IN₂の直径D_IN2を2mmで固定し、混合物噴射口OUTの直径D_OUT及び混合室Rの直径D_Rをそれぞれ変化させた場合における混合物噴射口OUTからの気泡の発生状態を観察する実験を行った。混合室Rの長さL_Rは、4mmで一定である。

この実験は、混合ノズル10における第一の被混合物導入口IN₁と第二の被混合物導入口IN₂のそれぞれにチューブを接続し、水槽内に溜めた水道水の中に混合ノズル10を浸漬することによって行った。被混合物導入口IN₁に接続したチューブの反対側の口は水ポンプに接続し、被混合物導入口IN₂に接続したチューブの反対側の口は水槽外の大気中へ配した。この状態で、被混合物導入口IN₁から混合室Rには被混合物C₁として水道水を、被混合物導入口IN₂から混合室Rには被混合物C₂として空気を導入した。

直径D_OUTは、図5に示すように、使用する第三部材13を切り替えることにより、3mm、4mm、5mm、6mm、7.5mm、8.5mmと変化させた。直径D_Rは、図5に示すように、使用する第二部材12を切り替えることにより、4mm、6mm、8mm、10mm、15mm、25mm（25mmの場合は第二部材12を使用しない。）と変化させた。また、第一の被混合物導入口IN₁から混合室R内に導入される第一の被混合物C₁（水道水）の流量（以下、Q₁とする。）は、200cc/s（流速で約16m/s）で一定とした。一方、第二の被混合物導入口IN₂から混合室R内に導入される第二の被混合物C₂（空気）の流量は、自然吸入によるものであるため、不明である。

気泡の発生状態は、目視により評価を行った。下記表1にこの実験結果を示す。下記表1において、「◎」印は、混合物噴射口OUTから大量の気泡が連続的に発生したことを、「○」印は、混合物噴射口OUTから大量ではないものの気泡が連続的に発生したことを、「△」印は、混合物噴射口OUTから気泡が連続的にではなく間歇的に発生したことを、「▲」印は、流量Q₁が200cc/sでは混合物噴射口OUTから気泡が殆ど又は全く発生しなかったものの流量Q₁を多くすると気泡が発生したことを、「×」印は、流量Q₁が200cc/sである場合だけでなくそれよりも多くなっても混合物噴射口OUTから気泡が殆ど又は全く発生しなかったことを意味している。「−」印は、実験そのものを行っていないことを意味している。実験を行った29種類の組み合わせ（直径D_OUTと直径D_Rの組み合わせ）のうち、下記表1において網掛けのハッチングで示した16種類の組み合わせは、本発明の混合ノズル10の技術的範囲に含まれる組み合わせである。

参考までに、実験途中の様子を撮影したものを図6〜9に示す。図6は、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを4mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを4mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。図7は、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを5mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを6mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。図8は、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを5mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを100mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。図9は、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを6mmに設定し、混合室Rの直径D_Rを8mmに設定した本発明の混合ノズルを水槽内で使用した状態を撮影した写真である。図6〜9において、水槽に貼られたテープに記載されている「D₂」は混合物噴射口OUTの直径D_OUTに相当し、「D₃」は混合室Rの直径D_Rに相当する。

上記表1の実験結果から、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを、第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1以下である3mmと4mmとした場合においては、混合室Rの直径D_Rにかかわらず、気泡が発生しないことが分かった（図6を参照。）。これは、直径D_OUTを直径D_IN1よりも小さくすると、混合室R内に導入された第一の被混合物C₁が混合物噴射口D_OUTから導出されにくくなって混合室R内の圧力が低下しにくくなり、第二の被混合物C₂が混合室R内へ吸い出されにくくなったためと推測される。実験では、混合室R内の水道水が被混合物導入口IN₂から逆流する様子も伺えた。

また、上記表1の実験結果から、混合物噴射口OUTの直径D_OUTと混合室Rの直径D_Rとを等しくした場合には、直径D_OUTを直径D_IN1（4mm）よりも大きな6mmとしても、気泡が発生しないことが分かった（上記表1における直径D_OUTが6mmで直径D_Rが6mmである欄を参照。）。これは、直径D_OUTと直径D_Rを等しくして、混合室Rから混合物噴射口OUTにかけてストレートに形成すると、気泡を発生させるような渦流が混合室R内に発生しにくくなるためと推測される。

これに対し、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを、第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1（4mm）よりも1mm大きい5mmとした場合には、混合室Rの直径D_Rを6mm、8mm、10mm、15mm、25mmのいずれに設定した場合であっても、気泡が発生することが分かった（図7及び図8を参照。）。これは、直径D_OUTを直径D_IN1よりも大きくしたことによって、混合室R内の圧力が低下しやすくなり、第二の被混合物C₂が混合室R内へ吸い出されやすくなるとともに、直径D_OUTを直径D_Rよりも小さくしたことによって、気泡を発生させるような渦流が混合室R内に発生しやすくなったためと推測される。ただし、直径D_OUTを5mmとした場合において、直径D_Rを6mm、8mm、25mmに設定したときには、気泡が連続的に発生したものの、直径D_Rを10mm、15mmに設定したときには、気泡の発生が間歇的であった。このような現象が発生した理由については不明である。

また、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを、第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1（4mm）よりも2mm大きい6mmとした場合には、混合室Rの直径D_Rを8mm、10mm、15mm、25mmのいずれに設定した場合であっても、気泡が連続的に発生することが分かった（図9を参照）。直径D_OUTを6mmにしたときの気泡の発生量は、直径D_OUTを5mmにしたときの気泡の発生量よりも多かった。

さらに、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを、第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1（4mm）よりも3.5mm大きい7.5mmとした場合には、混合室Rの直径D_Rを8mm、10mm、15mm、25mmのいずれに設定した場合であっても、気泡が発生することが分かった。ただし、いずれの場合においても、気泡の発生は連続的ではなく、間歇的となった。これは、直径D_OUTが直径D_IN1よりも大きくなりすぎると、第一の被混合物導入口IN₁から導入された第一の被混合物C₁が第三部材13の内面で跳ね返りにくくなり、気泡を発生させるような渦流が混合室R内に発生しにくくなるためと推測される。しかし、直径D_OUTを7.5mmとした場合であっても、第一の被混合物C₁の流量Q₁を200cc/sよりも多くすると、気泡が連続的に発生するようになった。

さらにまた、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを、第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1（4mm）よりも4.5mm大きい8.5mmとした場合には、混合室Rの直径D_Rを10mm、15mm、25mmのいずれに設定した場合であっても、気泡が発生しなかった。しかし、直径D_OUTを8.5mmとした場合であっても、第一の被混合物C₁の流量Q₁を200cc/sよりも多くすると、気泡が連続的に発生するようになった。このような現象は、直径D_OUTを3mmや4mmに設定した場合には、見られなかった。

そして、上記表1における気泡が発生した全ての場合において、第二の被混合物導入口IN₂に接続されているチューブを細くして、第二の被混合物C₂の流量Q₂を減少させると、気泡の寸法が小さくなる現象も観察された。

以上の実験結果から、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを第一の被混合物導入口IN₁の直径よりも大きく、かつ混合室Rの直径D_Rよりも小さくすると、気泡の発生に有利であることが分かった。また、本発明の混合ノズル10が、マイクロバブルなど、寸法の小さな気泡を好適に発生できるものであることも分かった。

続いて、第一の被混合物導入口IN₁から混合室R内に導入される第一の被混合物C₁の流量Q₁が気泡の発生状態に及ぼす影響を調べるために、図1に示す混合ノズル10の第一の被混合物導入口IN₁の直径D_IN1を4mm、第二の被混合物導入口IN₂の直径D_IN2を2mm、混合物噴射口OUTの直径D_OUTを6mm、混合室Rの直径D_Rを8mmで固定し、流量Q₁を変化させた場合における混合物噴射口OUTからの気泡の発生状態を観察する実験を行った。その他の条件は、実施例1における場合と同一である。下記表2にこの実験結果を示す。下記表2における「◎」印、「○」印、「△」印の意味は、実施例1における上記表1のものと同じであり、「×」印は、混合物噴射口OUTから気泡が殆ど又は全く発生しなかったことを意味している。

上記表2の実験結果から、第一の被混合物導入口IN₁から混合室R内に導入される第一の被混合物C₁の流量Q₁を少なく（第一の被混合物C₁の流速（V₁とする。）を小さく）すると、気泡が発生しにくくなることが分かった。これは、流速V₁を小さくすると、気泡を発生させるような渦流が混合室R内に発生しにくくなるためと推測される。一方、上記表2中には示していないが、流速V₁を16m/sより速く（流量Q₁を200cc/sより多く）した場合には、実験可能な範囲では、混合物噴射口OUTから大量の気泡が連続的に発生することには変わらなかった。

以上の実験結果から、本発明の混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとして気泡を発生しようとした場合には、第一の被混合物C₁の流速は、少なくとも4m/s以上とすればよいことが分かった。流速V₁は、5m/s以上であると好ましく、6m/s以上とするとより好ましく、7m/s以上とするとさらに好ましい。

また、本発明の混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとして気泡を連続的に発生しようとした場合には、第一の被混合物C₁の流速は、少なくとも8m/s以上とすればよいことも分かった。流速V₁は、9m/s以上であると好ましく、10m/s以上とするとより好ましい。流速V₁は、11m/s以上とするとさらに好ましい。

さらに、本発明の混合ノズル10を、浴槽や水槽に設置するマイクロバブル発生装置のノズルなど、比較的小型なものとして大量の気泡を連続的に発生しようとした場合には、第一の被混合物C₁の流速は、少なくとも16m/s以上とすればよいことも分かった。流速V₁は、20m/s以上であると好ましく、25m/s以上とするとより好ましく、30m/s以上とするとさらに好ましい。一方、流速V₁の上限に特に制限はないが、流速V ₁は、通常、200m/s以下、現実には100m/s以下とされる。

10 混合ノズル
11 第一部材
11a 第二のスリーブ
12 第二部材
13 第三部材
13a 第一のスリーブ
C 混合物
C₁ 第一の被混合物
C₂ 第二の被混合物
C₃ 第三の被混合物
D_IN1 第一の被混合物導入口の直径
D_IN2 第二の被混合物導入口の直径
D_OUT 混合物噴射口OUTの直径
D_R 混合室Rの直径
IN₁ 第一の被混合物導入口
IN₂ 第二の被混合物導入口
IN₃ 第三の被混合物導入口
L_R 混合室の長さ
OUT 混合物噴射口
R 混合室

Claims (6)

1. 少なくとも、流体又は粉体からなる第一の被混合物と、流体又は粉体からなる第二の被混合物とを混合して噴射するための混合ノズルであって、
   第一の被混合物と第二の被混合物とを混合するための混合室が内部に形成されて、第二の被混合物を混合室内へ導入するための第二の被混合物導入口が内周面に形成された第二部材と、
   第一の被混合物を混合室内へ導入するための第一の被混合物導入口が前面に形成された第一部材と、
   第一の被混合物と第二の被混合物とが混合された混合物を混合室外へ噴射するための混合物噴射口が背面に形成された第三部材と
   で構成され、
   第一部材の前面には、断面円形の凹部が２段に形成され、
   第一部材における前記２段の断面円形の凹部のうち後方に位置する径の小さな凹部に第二部材が嵌め込まれ、
   第一部材における前記２段の断面円形の凹部のうち前方に位置する径の大きな凹部に第三部材が嵌め込まれて該凹部の内周面に対して第三部材の外周面が螺合されることにより、
   混合室の内面に第一の被混合物導入口と第二の被混合物導入口が配されて、混合室の内面における第一の被混合物導入口に対向する位置に混合物噴射口が配されるとともに、
   混合物噴射口の開口面積が、混合室の断面積よりも狭く、かつ第一の被混合物導入口の開口面積よりも広く設定され、
   第三部材には、混合物噴射口の周囲から混合物の噴射方向へ突出する第一のスリーブが形成されて、第一のスリーブの周壁には、第一のスリーブを内外に貫通する貫通孔が形成されたことを特徴とする混合ノズル。
2. 第一の被混合物導入口の周囲から混合室の中心へ向かって突出する第二のスリーブが形成された請求項１記載の混合ノズル。
3. 請求項１又は２記載の混合ノズルにおける第一の被混合物導入口と第二の被混合物導入口から混合室内へ第一の被混合物と第二の被混合物をそれぞれ導入し、
   第一の被混合物と第二の被混合物とが混合された混合物を混合物噴射口から混合室外へ噴射することを特徴とする被混合物の混合方法。
4. 第一の被混合物が液体であり、第二の被混合物が気体である請求項３記載の被混合物の混合方法。
5. 混合室の内面に設けられた第三の被混合物導入口から混合室内へ第三の被混合物を導入し、第一の被混合物と第二の被混合物と第三の混合物とが混合された混合物を混合物噴射口から混合室外へ噴射する請求項３記載の被混合物の混合方法。
6. 第一の被混合物が気体であり、第二の被混合物が液体であり、第三の被混合物が粉体である請求項５記載の被混合物の混合方法。