JP5814185B2

JP5814185B2 - 微細気泡発生用ノズル

Info

Publication number: JP5814185B2
Application number: JP2012126383A
Authority: JP
Inventors: 良一澁谷
Original assignee: 株式会社Ｒｓテクノロジー
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: JP2013248585A

Description

本発明は、微細気泡混合液を発生させるために、改良された微細気泡発生用ノズルに関するものである。

マイクロバブルは直径が５０μｍ以下の微細な気泡に関する呼称であり、さらにその縮小過程において発生する小径の１μｍのものはナノバブルと呼ばれている。マイクロバブルを得る方法として、加圧減圧法と気液せん断法が知られている。マイクロバブル発生のために、最後の過程において微細気泡発生用ノズルが使用される。このノズルは、微細気泡をマイクロバブルとするために用いられるものであり、特開２００６−０４３６４２号に見られるようにその基本的構成はほぼ定まっている。

しかし、従来のノズルによって得られるマイクロバブルの質と量にはばらつきがあったため、本発明者は安定した質と量のマイクロバブルが得られるノズルの開発に力を注ぎ、幾つかの発明を完成した。その結果、安定した質と量のマイクロバブルを含む微細気泡を発生することが可能な微細気泡発生用ノズルを開発することに成功した（特開２０１０−１２５４２７号）。同号の発明のノズルは申し分のない性能を発揮するが、特に、ノズルを使用する装置の構造に合わせて改造する必要があり、また、生産性についても問題があった。

特開２００６−０４３６４２号特開２０１０−１２５４２７号

本発明は前記の点に着目してなされたもので、その課題は、安定した質と量のマイクロバブルを含む微細気泡を発生するとともに、根本的な改造をしなくても各種の装置にノズルを使用できるようにすることである。また、本発明の他の課題は、膨張収縮攪拌部をノズルケースの中に配置して、ノズルケースを流体供給側と結合することで、所期の水密シールが完成し、かつ、膨張収縮攪拌部を最適の状態に設置できるようにすることである。

前記の課題を解決するため、本発明は、一端に気液混合流体が流入する流入口を有し、他端に上記流体が衝突する端面を有する中空なノズルケースと、中空なノズルケースの流入口から壁面に至る内部に、移動する流体に抵抗を及ぼすとともに、攪拌するために設置した膨張収縮攪拌部と、端面に衝突後の流体を外部へ噴出させるために、流体の流れ方向から外方へ向けて、上記端面を取り囲むように周面に形成したノズル孔を具備し、上記ノズルケースは流体供給側との結合手段を流入口側の外周面に有し、また、流体供給側との結合時に、流体供給側に対して上記膨張収縮攪拌部の一部が加圧されるように構成され、膨張収縮攪拌部は中央部にて流体の流れ方向へ突出した形状を有し、かつ、弾性材料より成るフィルター部材を有し、上記フィルター部材とスペーサーリングとの間に、流体を衝突させた後に通過させる小孔を有する衝突板を配置した構成を有するという手段を講じたものである。

上記の構成において、ノズルケースは、一端に気液混合流体が流入する流入口を有し、他端に上記流体が衝突する端面を有する中空な形態を有しているものとする。ノズルケースは一端が流入口として開口し、他端は端面となって閉じているが、他端の閉じた端面側には後述するようにノズル孔が設けられる。従って、気液混合流体はノズルケースの一端の流入口から中空な内部に流入し、膨張収縮攪拌部により微細気泡化された上でノズル孔から外部へ噴射される。気液混合流体は、一般の水も酸素を初めとして気体が溶け込んでいるので、気液混合流体と呼び得る。原水には上水道から供給される引用可能な水を使用することが可能であり、また、特別に精製した浄水、或いはそれらの上水、浄水に薬剤成分を含有したもの等を使用することもある。また、水に混合させる気体としてオゾンやフッ素、或いは炭酸ガスや窒素ガスなどの気体を用い、マイクロバブルを作ることも可能である。

本発明のノズルは、中空なノズルケースの流入口から壁面に至る内部に、移動する流体に抵抗を与えるとともに膨張と収縮作用を及ぼし、また、攪拌するために設置した、膨張収縮攪拌部を有している。気液混合流体は、ノズルケースの内部の軸方向を流路とし、この流路に設置した膨張収縮攪拌部において減圧し、さらに、衝突、攪拌、そして流れの方向を半径方向外方へほぼ直角に向きを変える作用を行わせるために設けられている。

上記ノズル孔は、端面に衝突後の流体を外部へ噴出させるために、流体の流れ方向から外方へ向けて、上記端面を取り囲むように周面に形成されている。本発明におけるノズル孔は、特に、上記端面を取り囲むように端面近くに設けられており、端面に衝突後の微細気泡を直ちにノズル孔から外部に噴射させることができる。なお、ノズル孔の長さとその口径は、微細気泡を噴出させる際の到達距離と噴出量に対して影響を有する。

膨張収縮攪拌部は、流路を遮断する板面を有し、かつ板面に上記の微細気泡混合水を通す細孔を形成した圧縮膨張部材を有する。圧縮膨張部材はその細孔を微細気泡混合水が通過する際に圧縮作用し、微細気泡混合水が細孔を通過後流路に至ることによって膨張作用し、気液混合流体をマイクロバブルとして気泡化する最初の過程を担う。上記圧縮膨張部材とノズル孔との間には、それぞれ間隔をあけて配置した集合フィルターを備えている。この集合フィルターによっても、気液混合流体がマイクロバブルの形で気泡化される。そして、ノズルケースの周面のノズル孔から外部へ噴出したときに、最終的な気泡化が行われる。従って、本発明では圧縮膨張部材、集合フィルター及びノズル孔において３段階に亘ってマイクロバブルが発生することになり、このことが従来の微細気泡発生用ノズルに比較してより多量のマイクロバブルを安定に発生させることを可能にする原因になっていると考えられる。

膨張収縮攪拌部はノズルケースの流入口側に配置する弾性材料より成るスペーサーリングを有し、ノズルケースと流体供給側との結合手段はネジ結合とし、ノズルケースと流体供給側とをネジ結合により結合したときにスペーサーリングが弾性変形し、膨張収縮攪拌部の固定と、水密シールが完成するように構成される。つまり、膨張収縮攪拌部は全体としてノズルケースの中空内部に設置され、ノズルケースと流体供給側とをネジ結合することでスペーサーリングを弾性変形させ、そのために水密シールがより完全になる。

また、膨張収縮攪拌部は中央部にて流体の流れ方向へ突出した形状を有し、かつ、弾性材料より成るフィルター部材を有し、上記フィルター部材とスペーサーリングとの間に、流体を衝突させた後に通過させる小孔を有する衝突板を配置した構成を取る。上記弾性材料より成るフィルター部材は、前記スペーサーリングとともに一種のばねと見做すことができる。このため、スペーサーリングとフィルター部材を併用するときには、スペーサーリングのばね定数をｋ_１、ｋ_２、フィルター部材のばね定数をｋ_３とすると、フックの法則から次式（１）が成り立つ。
１／ｋ＝１／ｋ_１＋１／ｋ_２＋１／ｋ_３（１）
故に、目的のばね定数ｋに合わせて、ばね定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３として任意の値を選択することができ、スペーサーリングとフィルター部材の材料の選択の幅も広がる。

なお、マイクロバブルは、例えば気体溶解の過飽和現象として説明されており、その大きさについては分野により様々な定義がなされているが、直径１ｍｍ以上を含まないことでは一致しており、また直径１μｍ未満のものはナノバブルと称されるので、これらの間の直径を有するものと定義することができる。直径が５０〜１μｍの範囲は、マイクロバブル発生時であるから、消滅時にはナノレベルになっている気泡も含まれる。

本発明は以上のように構成されかつ作用するものであるから、安定した質と量のマイクロバブルを含む微細気泡を発生するとともに、ノズルケースは流体供給側との結合手段を流入口の外周面に有するので、根本的な改造をしなくても各種の装置にノズルを使用できるという効果を奏する。また、本発明によれば、膨張収縮攪拌部をノズルケースの中に配置し、ノズルケースを流体供給側と結合することで、所期の水密シールが完成し、かつ、膨張収縮攪拌部を最適の状態に設置することができる。

以下図示の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図１は、本発明に係る微細気泡発生用ノズル１０の例１を示しており、ノズルケース１１は一端に気液混合流体が流入する流入口１２を有し、他端に上記流体が衝突する端面１３を有する（図２参照）。上記ノズルケース１１は中空な円筒構造を有するので、その開放した一端が流入口１２となり、閉じた他端が端面１３となり、気液混合流体は流入口１２から流入し、中空な円筒構造の内部を流路として、後述のノズル孔１６から外部へ流出する。ノズルケース１１は横断面形状が円形の筒状であり、従って、内部の流路は円筒形の中心軸と平行し、ノズル孔１７へ向かう流れは円筒形の中心軸とほぼ直交する位置関係になる。

図示のノズルケース１１は、大小二室１４、１５から成る中空な円筒構造に形成されている。上記小室１５の端面１３に衝突後の流体を外部へ噴出させるために、流体の流れ方向から外方へ向けて、端面１３を取り囲むノズル孔１６が形成されている。ノズル孔１６は、円筒構造の中心から半径方向外方へ放射状に、かつ、複数個均等な間隔で設けられている。ノズルケース１１は望ましくはステンレス鋼材より成る金属塊の削り出しにより肉厚に形成されているが、上記のような金属材料に限らず、例えば、耐薬品性を有する樹脂等を使用することも可能である。これにより、ノズル孔１６の形態は孔径よりも孔の長さの方が大きく、流体をより遠くまで噴出させることができる。

上記ノズルケース１１において、大室１４には、移動する流体に抵抗を及ぼすとともに攪拌するために設置した膨張収縮攪拌部２０が設置されている。膨張収縮攪拌部２０は、最も流入口側（上流側）に配置された衝突板１７と、その直後（下流側）に配置されたフィルター部材１８と、最も下流側に位置して流入側が大径、かつ、流出側が小径に形成された円筒部材１９の内部に複数個のフィルター要素を配置した集合フィルター２１とを具備している。

衝突板１７は、流路を遮断する板面を有し、かつ板面に上記流体を通す小孔１７ａを数個形成したもので、上記遮断により流体を衝突させ、小孔１７ａの通過により流体に圧縮的な作用を行わせる。フィルター部材１８は弾性材料より成り、中央部にて流体の流れ方向へ突出した形状を有しており、全面に形成した微小孔１８ａを有し、直前の衝突板１７の後面に接触する配置を取る。円筒部材１９は、流入口側に複数個の細孔１９ａを分散形成した前板１９ｂと、流出口側に配置した前後数段のフィルター要素１９ｃとを具備しており、また、スリット１９ｄを周面に有している。

図示の例における膨張収縮攪拌部２０において、衝突板１７の小孔１７ａは前板１９ｂの細孔１９ａよりも大径であり、それらの間の微小孔１８ａは細孔１９ａよりも小径として、大小の孔が繰り返される構成である。また、数段のフィルター要素１９ｃはメッシュが粗密異なる数種の組み合わせからなっている。流体はスリット１９ｄにおいて大室１４の内壁との隙間１４ａに流出し得るが、ここは行き止まりであり、一端外方へ向かう流体の流線は、再度内方へ戻ることになる。

また、膨張収縮攪拌部２０はノズルケース１１の流入口側に配置する弾性材料より成るスペーサーリング２２、２３を有し、ノズルケース１１と流体供給側との結合手段２４はネジ結合として、ノズルケース１１と流体供給側とをネジ結合により結合したときにスペーサーリング２２、２３が弾性変形し、膨張収縮攪拌部２０の固定と、水密シールが完成するように構成されている。上記スペーサーリング２２、２３は円形リングから成り、円筒部材１９の側のフランジ１９ｅに受け止められ、流体に対して液密に作用して微細気泡化率の向上に寄与する。また、スペーサーリング２２、２３を弾性変形させ、水密シールをより完全にするために、スペーサーリング２２は、胴周部２５の前端部２５ａよりも僅かな寸法ｓだけ出るように設定する。

上記のように、膨張収縮攪拌部２０は中央部にて流体の流れ方向へ突出した形状を有するとともに、弾性材料より成るフィルター部材１８を有する。故に、上記スペーサーリング２２、２３のばね定数をｋ_１、ｋ_２とし、フィルター部材のばね定数をｋ_３として、膨張収縮攪拌部２０の固定と流体に対する液密性を得るために、最適の値を有する材料を選択することができる。このように、本発明に係る微細気泡発生用ノズル１０は、上記スペーサーリング２２から円筒部材１９までの膨張収縮攪拌部２０が、ノズルケース１１の内部に組み込まれ、全部が一体として扱える構成になっている。

本発明の微細気泡発生用ノズル１０は、ノズルケース１１の外周を取り囲む大径の胴周部２５を有しており、この部分は微細気泡発生用ノズル１０の取り扱い時に持つ部分となる。また、この胴周部２５の前端部２５ａ、２５ｂは、上記の微細気泡発生用ノズル１０を他部材と組み合わせる際に、位置決め面となる部分でもある。図３は本発明の微細気泡発生用ノズル１０を流水に適用し、野菜等の食材を殺菌、洗浄するノズル装置３０の一例を示している。ノズルケース１１と流体供給側２６の結合手段２４、２７とはネジ結合されており、水密シールが完成するように構成された前端部２５ａは流体供給側２６の結合面２６ａと当接し、また、端部２５ｂは対応する結合面２６ｂと当接し、締め付けにより上記僅かな寸法ｓだけスペーサーリング２２、２３等が圧迫され、水密シールが完成す
る。

気液混合流体は、本発明の微細気泡発生用ノズル１０に流入口１２から流入し、流路に配置されている衝突板１７、フィルター部材１８、集合フィルター２１を順次通過する。気液混合流体は衝突板１７の板面に衝突しつつ細孔１７ａを通過し、その際に最高度に圧縮され、下流の空間に脱出した際には膨張に転じ、この圧縮、膨張によって、混合、溶解している微細気泡の何割かがまずマイクロバブルとして気泡化する。マイクロバブルを含む気液混合流体の流れは、集合フィルター２１を通過することによって擾乱を起こし、混合、溶解している微細気泡のさらに何割かがマイクロバブルとして気泡化するが、その際に、集合フィルター２１の間の円筒部材１９にスリット１９ｄが設けてあり、流れの一部はここを通過して外周の隙間１４ａに至り、元の流路へ戻るので、擾乱とともに膨張、圧縮作用が起こって気泡化が促進される。さらに端面１３に衝突するとその衝突エネルギーによってマイクロバブルとして気泡化がなされ、行き場を失い、圧縮傾向となった上記水流はノズル孔１６から外部へ噴出し、残る微細気泡のマイクロバブル化がなされる。マイクロバブルＭＢはノズル孔１６から噴出しより遠方まで到達するので、孔の長さの短いノズルを用いた場合に比較して、例えば、貯溜容器の全体に、より早く行き渡る。

図３に示した例２のノズル装置３０は、液体供給側２６と組み合わされて微細気泡発生用ノズル１０を内部に設置するケーシング２８を有しており、ケーシング２８の内部空所２９にマイクロバブルＭＢから成る流体が満たされるようになっている。液体供給側２６には、例えば、飲用可能な水から成る次亜塩素酸水を供給する、ホース３１をコネクター２６ｃに接続し、ケーシング２８のマイクロバブルＭＢの噴出側２８ｃには洗浄用のホース３２が接続される（図４参照）。図４において、３３は気液混合流体発生装置を示しており、この内部には空気、炭酸ガス、窒素ガスの気体取り入れ部と飲用可能な水、殺菌料としての薬剤の取り入れ部、内蔵のポンプ及び混合タンクが具備され、殺菌料を含む流体を生成し、上記ホース３１により本発明のノズル装置３０に供給することができる。

図４に示したように、本発明の微細気泡発生用ノズル１０を含む上記ノズル装置３０を使用することにより、微細気泡として直径が５０〜１μｍの範囲のマイクロバブルＭＢを生成し、それを野菜等の食材に掛け流すようにして殺菌、洗浄することが可能である。また、微細気泡含有の微酸性次亜塩素酸水を含む殺菌料は、炭酸ガス、窒素ガスを微細気泡内に含有された状態で容器３４に貯溜することも可能であり、密閉保存状態であれば、数十日間は殺菌、洗浄能力を維持しているので、長期間の保存も可能である。

図５に示した例３のノズル装置３５は、液体供給側３６と組み合わせる部分と、微細気泡発生用ノズル１０を囲んで取り付けたケーシング３７を有しており、ケーシング３７はフード状のもので、その後方の開口部３８から下流方向へマイクロバブルＭＢを噴射できるようになっている。なお、ノズルケース１１と流体供給側３６の結合手段２４、２７とはネジ結合されており、水密シールが完成するように構成された前端部２５ａは流体供給側３６の結合面３６ａと当接し、また、端部２５ｂが対応する結合面２６ｂと当接する点は、図３に示した例と同一である。

図６においても、３３は気液混合流体発生装置を示しており、この装置３３により、例えば、原水に含まれる次亜塩素酸ナトリウム希釈液を導通し、気体取入口から炭酸ガスを注入することで、気液混合流体発生装置３３の内部において攪拌混合され、上記ホース３９により本発明のノズル装置３５に供給し、貯槽４０に微細気泡含有の微酸性次亜塩素酸水を貯溜することができる。例２のノズル装置３５は貯槽４０の槽壁に装着して使用し、液体供給側３６には引用可能な水から成る微酸性次亜塩素酸水を供給するホース３９がコネクター３６ｂに接続され、ケーシング３７の開口部３８は貯槽４０内に露出する（図６参照）。

従って、本発明によればノズルケース１１は流体供給側２６、３６との結合手段２４、２７を流入口１２の外周面に有するので、根本的な改造をしなくても各種の装置に本発明のノズル１０を使用することができる。また、ノズルケース１１と流体供給側２６、３６とをネジ結合により結合したときにスペーサーリング２２、２３が弾性変形し、膨張収縮攪拌部２０の固定と、水密シールが完成するように構成されているので、膨張収縮攪拌部２０を流体供給側２６、３６と結合することによって最適の取り付け状態に設定することができる。その際、ばね定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３として任意の値を選択することができ、スペーサーリング２２、２３とフィルター要素としてのフィルター部材１８、集合フィルター２１等もそれらの材料の選択の幅が大きいので最適値のものを選択することができる。

本発明に係る微細気泡発生用ノズル１０並びにノズル装置３０、３５の用途について、上記では殺菌、消毒が主体であるかのように記載したが、その想定される用途を列挙すると以下の通りである。
１．肉、魚等の生鮮食品及び野菜の殺菌、洗浄のためのマイクロバブル液の供給
２．食品用サニタリー配管の殺菌、洗浄のためのマイクロバブル液の供給
３．浄水の水質改善のためのマイクロバブル液の供給
４．廃水処理のためのマイクロバブル液の供給
５．歯科ユニット、透析装置、医療設備等の管路内へのマイクロバブル液の供給

本発明に係る微細気泡発生用ノズルの例１の側面図である。同上の微細気泡発生用ノズルの内部構造の一例の断面図である。同じく本発明の微細気泡発生用ノズル装置に関する例２の断面図である。同じく図３の装置の使用状態の斜視図である。同じく本発明の微細気泡発生用ノズル装置に関する例３の断面図である。同じく図５の装置の使用状態の斜視図である。

１０微細気泡発生用ノズル
１１ノズルケース
１２流入口
１３端面
１４大室
１５小室
１６ノズル孔
１７衝突板
１８フィルター部材
１９円筒部材
２０膨張収縮攪拌部
２１集合フィルター
２２、２３スペーサーリング
２４、２７結合手段
２５胴周部
２６、３６流体供給側
２８、３７ケーシング
２９内部空所
３０、３５本発明のノズル装置
３１、３２、３９ホース
３３気液混合流体発生装置
３４容器
３８開口部
４０貯槽

Claims

一端に気液混合流体が流入する流入口を有し、他端に上記流体が衝突する端面を有する中空なノズルケースと、
中空なノズルケースの流入口から壁面に至る内部に、移動する流体に抵抗を及ぼすとともに、攪拌するために設置した膨張収縮攪拌部と、
端面に衝突後の流体を外部へ噴出させるために、流体の流れ方向から外方へ向けて、上記端面を取り囲むように周面に形成したノズル孔を具備し、
上記ノズルケースは流体供給側との結合手段を流入口側の外周面に有し、流体供給側との結合時に、流体供給側に対して上記膨張収縮攪拌部の一部が加圧されるように構成され、
膨張収縮攪拌部は中央部にて流体の流れ方向へ突出した形状を有し、かつ、弾性材料より成るフィルター部材を有し、上記フィルター部材とスペーサーリングとの間に、流体を衝突させた後に通過させる小孔を有する衝突板を配置した構成を有することを特徴とする
微細気泡発生用ノズル。
膨張収縮攪拌部はノズルケースの流入口側に配置する弾性材料より成るスペーサーリングを有し、ノズルケースと流体供給側との結合手段はネジ結合とし、ノズルケースと流体供給側とをネジ結合により結合したときにスペーサーリングが弾性変形し、膨張収縮攪拌部の固定と、水密シールが完成するように構成された
請求項１記載の微細気泡発生用ノズル。