JP5859879B2

JP5859879B2 - 採水用ノズル及びこれを備えた純水装置

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Publication number: JP5859879B2
Application number: JP2012048031A
Authority: JP
Inventors: 川口　修; 修川口
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: JP2013180285A

Description

本発明は、採水用ノズルに関し、特に、微量分析等で用いられる純水の採水用ノズル、および該採水用ノズルを備えた純水装置に関する。

微量分析、半導体製造工程など様々な場面で高純度の純水が使用されている。特に、微量分析等を行う研究所では、卓上の純水製造装置、または、これに接続されたディスペンサ等の採水装置、などを含む純水装置が要求される（例えば、非特許文献１参照）。

こうした純水装置の採水口に取り付けられるノズルは単純な円筒型のものが一般的である。当該ノズルより流量1L/min以上で純水を採水する場合は、ノズル出口からの純水の飛散りや、ノズルから容器へ採水している純水への気泡の巻き込みを防止するために、ノズル内径がφ6mm以上（ノズル流路の流れ方向に直角な断面の面積（以下、流路断面積と称す。）が28mm²以上）のものが使われることが多い。この値よりノズル内径が小さいと、純水の飛散りが起こりやすくなる他、気泡の巻き込みにより純水に空気中に浮遊する不純物を取り込んでしまうため、水の純度を低下させてしまい、望ましくないからである。

一方、内径がφ6mm以上（流路断面積が28mm²以上）の円筒型ノズルでは、純水を滴下採水するとノズルからの水滴が大きくなるため（φ6mmの場合、0.09mL）、メスフラスコ等の標線合わせ（メスアップ）など微量な調整を行うには適さない。現状は、一旦、先端径の小さい洗ビンに純水を入れ、この洗ビンからメスフラスコ等へ小さな水滴（0.05mL）を出すことでメスアップをしている。洗ビンに純水を入れることは、洗ビン内の純水に洗ビンからの溶出物が溶け込むことで純度を低下させてしまうため、望ましくない。

つまり、従来の純水装置の採水口に取り付けられている円筒型ノズルでは、異なる流量の採水を行うと水の純度が犠牲になってしまうこと、また、洗ビンなど、一旦別の容器に水を移すなど、手間がかかっていた。

意匠登録第１３４５５３２号公報

上で述べたように、微量の滴下採水を行う場合はノズル内径が小さいものが求められ、大流量採水を行う場合にはノズル内径が大きなものが求められており、現状の円筒型のノズル形状ではこれら相反する両方の要求を満足させることは困難であった。

また、本発明者らの実験によれば、円筒型ノズルに流す純水の流量を大きくしていくと、ある流量から純水の飛散りが発生すると共に純水への気泡の巻き込みが多くなることが確認されている。これは、ノズルから出る水の線流速が増加することが要因である。さらに、円筒型ノズルから水を滴下する場合、該ノズルの内径（出口径または開口面積）を大きくしていくと、該ノズルからの一滴の量が増えることも分かっている。

例えば内径4mm程度の単純な円筒型ノズルで2L/minのような大流量採水と一滴0.05mLの滴下採水の両方を可能にすることは難しく、水の純度低下を防止するのに限界があった。

そこで本発明は、上述したような実情に鑑み、大流量採水と滴下採水の両方を可能とする採水用ノズル、および該採水用ノズルを備えた純水装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、純水の採水に用いられる採水用ノズルに係るものである。このノズルは、ノズル本体とノズル端部を有しており、ノズル端部は第一水路と第二水路を有している。ノズル本体は内側に空間を有する。ノズル端部はノズル本体の端部に在って、先端に行くほど細くなるように形成されたもので、最先端部を有している。第一水路は、ノズル端部の最先端部からノズル本体の内側空間に向けて形成されており、所定の流路幅を有する。第二水路は、ノズル端部の最先端部の側から見て第一水路を中心に側方へ延び、かつ最先端部の周辺からノズル本体の内側空間に向けて形成されている。さらに、該第二水路は、第一水路の流路幅以下でかつ最大２ｍｍの流路幅を有することを特徴とする。

また本発明の他の態様は、上記態様の採水用ノズルを備えた純水装置に係る。この装置は、該採水用ノズルを、そのノズル端部の最先端部が一番下に在る状態にして取付け可能であり、採水時に該ノズルから出る純水の線流速が１．８m/s以下になるように純水を該ノズルより供給する装置であることを特徴とする。

上記の態様の採水用ノズルを、そのノズル端部の最先端部が一番下に在る状態にして純水装置に取付け、ノズル端部からメスフラスコ等の採水容器に純水を滴下する場合には、ノズル本体の内側空間に微流量で純水が供給される。この場合、ノズル本体の内側空間に供給された純水は、ノズル端部の第一水路および第二水路に進入するが、最先端部に位置する第一水路の流路幅を第二水路の流路幅以上に大きくしてあるので、最終的には純水が第一水路に集中し、最下に位置する最先端部から落下する。この時の一滴の量は、最先端部における第一水路の流路断面積に応じた液量になる。

他方、上述した態様の採水用ノズルに純水を大流量で供給して、該採水用ノズルから容器に純水を採水する場合には、ノズル本体の内側空間に供給された純水は第一水路および第二水路に進入し、ノズル端部の下方へ第一流路と第二流路の両方を通って流れ出る。この時の液出量は、第一水路と第二水路の流路断面積を合計した総断面積に応じたものとなる。

つまり、微流量での滴下採水時は最先端部のみから液出されるが、大流量採水のためにノズルへの給水流量を増していくと、最先端部に対応する第一水路だけでなく第二水路からも液出される。これにより、第一水路だけから液出するときの水の線流速と比べて、その線流速は低く抑えられるので、液出された純水への気泡の巻き込みは少なくなる。またノズルからの水の飛散りも発生しなくなる。

本発明によれば、様々な流量において、純水の純度低下が防止でき、かつ手間のかからない採水が可能になる。つまり、純水の採水において、大流量採水と滴下採水を両立させることが可能である。

本発明による採水用ノズルの一つの実施例（ノズルＡ）を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は該ノズルの先端部を水の出口側から見た図、（ｃ）は（ｂ）におけるＸ−Ｘ’断面図である。図１の採水用ノズルのノズル先端部の変形例（ノズルＢ）を示す側面図である。図１の採水用ノズルのノズル先端部の変形例（ノズルＣ）を示し、該ノズルの先端部を水の出口側から見た図である。図１の採水用ノズルのノズル先端部の変形例（ノズルＤ）を示し、該ノズルの先端部を水の出口側から見た図である。図１の採水用ノズルのノズル先端部の変形例（ノズルＥ）を示す側面図である。図１の採水用ノズルのノズル先端部の変形例（ノズルＦ）を示し、該ノズルの先端部を水の出口側から見た図である。図１の採水用ノズルのノズル先端部の変形例（ノズルＧ）を示し、該ノズルの先端部を水の出口側から見た図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による採水用ノズルの一つの実施例（ノズルＡ）を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は該ノズルの先端部を水の出口側から見た図、（ｃ）は（ｂ）におけるＸ−Ｘ’断面図である。図２〜図７は該ノズル先端部の形状の変形例（ノズルＢ、ノズルＣ、ノズルＤ、ノズルＥ、ノズルＦ、ノズルＧ）を示している。

本発明による採水用ノズルの基本形状は、図１（ａ）に示すように、吐出側となるノズル端部１が先端に行くほど細くなり、ノズルから滴下を行う際に一番下となる最先端部２を有している。そして、最先端部２からノズル本体３の内側部（空間）３ａに向けて第一水路４が形成されている。さらに、図１（ｃ）に示すように、ノズル端部１の最先端部２を含んで水の流れ方向に平行な断面で見て、その最先端部２の位置から該断面の外側の輪郭を描くように延びる２つの外形線２ａ，２ｂによってノズル本体３の側に形成される角度αが、所定の角度（ノズルＡの例では９０°）となっている。

さらに、図１（ｂ）に示すようにノズル端部１には、最先端部２を中心として放射状に均等に同形のスリット状切れ目５が入れられていて、それぞれのスリット状切れ目５は、最先端部２の周辺からノズル本体３の内側部３ａに向けて連通する第二水路６を形成している。これにより、各々のスリット状切れ目５が形成している第二水路６は、第一水路４にも繋がっていて、最先端部２の側から見て第一水路４を中心に側方へ延びている。

第一水路４の流路断面積（流れ方向に直角な断面の面積）については、液を一滴ずつ落とせるように、ある程度小さくする必要があるが、純水の滴下採水時に水の流れが第一水路４に集中しやすいように第一水路４の流路幅が第二水路６の流路幅以上に大きく設定されている。ここで、流路の断面で見て流路内に円を置いた場合に、置く事のできる円の最大直径を「流路幅」という事とする。

上述した形状を有するノズルは、最先端部２が下向きにされた状態で、卓上の純水製造装置もしくは、これに接続されたディスペンサ等の採水装置、などを含む純水装置に取り付けて使用されるものとする。採水用ノズルをそのノズル端部の最先端部２が一番下に在る状態にして装置に取り付けられるように、例えばノズル端部１と反対側の端部の外周にネジを切っておくとよい。

なお、図１に示したノズル形状の他、図３及び図４に示すようにスリット状切れ目５の本数を変更したノズルや、図６に示すようにスリット状切れ目５の形状を変更したノズル、また、図２及び図５に示すように最先端部２における上記の角度αを変更したノズルも本発明に含まれる。

次に上述したノズルの作用および効果について述べる。

上述したノズルに微流量で純水を供給して、該ノズルからメスフラスコ等の採水容器に純水を滴下する場合、ノズル本体３の内側部３ａに供給された純水は、ノズル端部の第一水路４および第二水路６に進入するが、第一水路４の流路幅を第二水路６の流路幅以上に大きくしてあるので、最終的には第一水路４に集中し、最下に位置する最先端部２から落下する。この時の一滴の量は、最先端部２における第一水路４の流路断面積に応じた液量になる。

他方、上述したノズルに純水を大流量で供給して、該ノズルから容器に純水を採水する場合は、ノズル本体３の内側部３ａに供給された純水は、ノズル端部の第一水路４および第二水路６に進入し、ノズル端部１の下方へ第一流路４と第二流路６の両方を通って流れ出る。この時の液出量は、第一水路４と第二水路６の流路断面積を合計した総断面積に応じたものとなる。

つまり、微流量での滴下採水時は最先端部２のみから液出されるが、大流量採水のためにノズルへの給水流量を増していくと、最先端部２に対応する第一水路４だけでなく最先端部２の周辺の第二水路６からも液出される。これにより、第一水路４だけから液出するときの水の線流速と比べて、その線流速は低く抑えられるので、液出された純水への気泡の巻き込みは少なくなる。またノズルからの水の飛散りも発生しなくなる。

「実験例」
以下、本発明のノズルについて効果の検証を行った結果を示す。

本発明者らは、図１に示したノズル（ノズルＡ）とこれを基本に形状変更した複数のノズル（図２〜図７に示したノズルＢ、ノズルＣ、ノズルＤ、ノズルＥ、ノズルＦ、ノズルＧ）を用意し、純水製造装置に接続されたディスペンサ等の採水装置から各々のノズルに平均流量3mL/minで純水を流通させ、滴下採水を試みた。

ノズルＡ〜Ｇのノズル本体３の内側部３ａはφ9mmの円柱穴（円筒）からなる。

ノズルＡは、最先端部２における上記の角度αを90°にし、最先端部２の側から見て長さ4.5mm，幅1.1mmのスリット状切れ目５をノズル端部１に最先端部２を中心とした均等な放射状の８方向に入れて、第一水路４と第二水路６を形成したものである。なお、最先端部２における第一水路４は、その横断面の形状を円と仮定すると、流路断面の直径は2.9mm、流路断面積は6.5mm²である。滴下の結果、水滴体積が0.05mL以下であり、良好な結果を得られた。

また、ノズルＢ、ノズルＣ、ノズルＤは、どれも最先端部２における上記の角度αが60°で、スリット状切れ目５の長さ4.5mmである。しかし、ノズルＢは、スリット状切れ目５が幅1.1mmで均等な放射状の８方向に入れてある。ノズルＣは、スリット状切れ目５が幅1.5mmで均等な放射状の６方向に入れてある。ノズルＤは、スリット状切れ目５が幅1.6mmで均等な放射状の５方向に入れてある。ノズルＢ、ノズルＣ、ノズルＤのそれぞれにおいて、最先端部２における第一水路４は、その横断面の形状を円と仮定すると、流路断面の直径は、2.9mm、3.0mm、2.7mm、流路断面積は6.5mm²、7.1mm²、5.8mm²である。いずれのノズルも、滴下の水滴体積は、0.05mL以下で良好であった。なお、ノズルＣのスリット状切れ目５の幅を若干大きくして、少なくとも最先端部２における第一水路４の流路断面積を10mm²程度にしたノズルでも滴下の水滴体積は、0.05mL以下であった。

一方、ノズルＡの最先端部２における上記の角度αのみを120°に変えたノズルＥでは、滴下の水滴の体積が0.08mLとなり、他の水滴体積よりも大きくなった。

ノズルＦとノズルＧは、ノズルＣのスリット状切れ目５を幅1.0mmとし、各スリット状切れ目５の、最先端部２側の端部とは反対の端部に円状くり抜きを入れたものあり、ノズルＦ、ノズルＧの円状くり抜き部７の流路断面の直径は各々2.0mm、2.5mmである。ノズルＦでの滴下の水滴体積は0.05mL以下で良好であったが、ノズルＧでは円状くり抜き部７の水が盛り上りやすく、最先端部２からではなく、円状くり抜き部７の複数箇所から水滴がランダムに滴り落ちてきたため、水滴体積は0.1mL以上となった。なお、ノズルＤ（放射状の５方向にスリット状切れ目５を入れたもの）に関して、ノズルＦとノズルＧのように、各スリット状切れ目５の、最先端部２側の端部とは反対の端部に円状くり抜きを入れた場合も、第二水路６の円状くり抜き部７の流路断面の直径が最先端部２における第一水路４の流路断面の直径より大きな形状であると、最先端部２からの滴下は出来なかった。

また、ノズルＡ〜Ｇをそれぞれ指ではじき、衝撃を与えると、幅1.6mmのスリット状切れ目５を有するノズルＤや、円状くり抜き部７の流路断面の直径が2.0mmであるノズルＦと2.5mmのノズルＧでは、ノズル先端部１から水がドボドボと落ちてしまい、水の保持性に若干問題が観測された。

以下の表１は、上記したノズルＡ〜Ｇの滴下採水試験のデータをまとめたものである。表１から、メスアップ等の微量な調整を可能にする一滴の体積0.05mL以下にするには、最先端部２における上記の角度αを90°以下にし、かつ、最先端部２に対応する第一水路４の流路断面積を10mm²以下にすることが望ましいと言える。なお、最先端部２における上記の角度αの下限値は30°以上であることが、ノズル製作の観点で望ましい。

また、上記ノズルＡ〜Ｇに、2.5L/minと3.5L/minの流量で純水を流通させ、水の飛散りと純水への気泡の巻き込みについて確認を行った。以下の表２に示すように、線流速が1.8m/sを超えた採水条件（3.5L/minでのノズルＤ及びノズルＦ）以外は、どのノズルも純水の飛散りはなく、純水への気泡の巻き込みも少なく、良好な結果が得られた。

したがって、表２から、上記ノズルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの各種形状によれば、ノズルＡ〜Ｇのいずれかを備えた純水装置において、該ノズルから出る水の線流速が1.8m/s以下になる流量で該ノズルより採水を行うことが望ましいと言える。

以上のように本発明によるノズルについていくつかの構成例を示したが、ノズル端部１における水路の形状は、最先端部２に対応する第一水路４を中心として放射状に均等に複数の第二水路６を形成したものに限定されない。例えば、最先端部２に対応する第一水路４を中心としてらせん状に一続きの水路を形成したものであってもよい。しかし、放射状の水路の方が単純な形状であるため安価に製造でき望ましい。

また、スリット状切れ目５は、水道蛇口の整流板のように、水の流れる方向に2mm以上の奥行きがあることが望ましい。

また、放射状水路を有するノズル形状においてスリット状切れ目５の本数は、最先端部２を中心として放射状に均等に３本以上あれば何本でも良いが、より望ましくは５本以上が良い。水の飛散りや気泡の巻き込みを防ぎつつ大流量での採水を可能にするには第一水路４と第二水路６の流路断面積を合わせた総断面積を大きくしなければならない。しかし、スリット状切れ目５の本数が３本でノズル径を変えずに総断面積を大きくするには第二水路６の幅を大きくすることになり、これより第一水路４の流路断面積も大きくなり、滴下時の一滴の量が多くなる。スリット状切れ目５が５本以上であれば、第一水路４の流路断面積を大きくすることなく水路の総断面積を大きくできるため、望ましい。

また、ノズルの最先端部２側の端面を見たとき、第一水路４を中心に放射状にスリット状切れ目５が延びることで複数の第二水路６が形成されている。この第二水路６を形成するスリット状切れ目５は、ノズル端部１に形成される水路の総断面積を増やせるならば、切れ目５の長さ方向において連続していても、非連続でも良い。ただし、連続している方が、水が幾筋にもならず一筋に流れるため、採水がしやすく、望ましい。

さらに、滴下採水する際は、ノズルに連続的に低流量で給水するのでも、パルス的（断続的）に水を給水するのでもよい。ただし、パルス的に給水したほうが、衝撃により水の切れがよく、水滴が落ち易いので望ましい。

以上説明した本発明の採水用ノズルは、微量分析、半導体製造工程など様々な場面で使用される高純度の純水を製造する純水製造装置もしくは、これに接続されるディスペンサ等の採水装置、などを含む純水装置の水取出し口に好適である。

Ａ〜Ｅ採水用ノズル
１ノズル端部
２最先端部
３ノズル本体
２ａ，２ｂ外形線
３ａノズル本体の内側部
４第一水路
５スリット状切れ目
６第二水路
７円状くりぬき部

Claims

純水の採水に用いられる採水用ノズルであって、
内側に空間を有するノズル本体と、
前記ノズル本体の端部に在って、先端に行くほど細くなるように形成された、最先端部を有するノズル端部と、
前記ノズル端部の前記最先端部から前記ノズル本体の内側空間に向けて形成された、所定の流路幅を有する第一水路と、
前記ノズル端部の前記最先端部の側から見て前記第一水路を中心に側方へ延び、かつ前記最先端部の周辺から前記ノズル本体の内側空間に向けて形成された、前記第一水路の流路幅以下でかつ最大２ｍｍの流路幅を有する第二水路と、
を有することを特徴とする採水用ノズル。
前記ノズル端部の前記最先端部の側から見たとき、複数の前記第二水路が前記最先端部の前記第一水路を中心に放射状に均等に延びていることを特徴とする請求項１に記載の採水用ノズル。
前記第二水路が５本以上形成されていることを特徴とする請求項２に記載の採水用ノズル。
前記ノズル端部の前記最先端部における前記第一水路の流路断面積が１０ｍｍ²以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の採水用ノズル。
前記ノズル端部の前記最先端部を含んで水の流れ方向に平行な断面で見て、該最先端部の位置から該断面の外側の輪郭を描くように延びる２つの外形線によって前記ノズル本体の側に形成される角度が、９０°以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の採水用ノズル。
請求項１から５のいずれか１項に記載の採水用ノズルを備えた純水装置であって、該採水用ノズルを、そのノズル端部の最先端部が一番下に在る状態にして取付け可能であり、採水時に該ノズルから出る純水の線流速が１．８m/s以下になるように純水を該ノズルより流出させることを特徴とする純水装置。