JP7492140B2 - 詰まり防止装置及び詰まり防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、詰まり防止装置及び詰まり防止方法に関する。

各種の工業製品を製造するに際して、製造物に対して冷却水を噴射して、製造物を冷却することは広く行われている。一般に、冷却に用いられる冷却水の循環系統には、各種の異物、析出物、カルシウム（Ｃａ）やマグネシウム（Ｍｇ）を主体とする水垢等の付着によって、配管詰まりが発生することがある。このような詰まりは、特に、冷却水を噴射するためのノズルのヘッダ部分、混合部、ノズルチップ、配管中のフィルタ等に顕著に発生する。

更に、各種の鉄鋼製品を製造する際の冷却工程においては、鋼からのスケールの飛び散りや、高温環境下での使用による乾燥が起きる可能性が高く、スプレーノズル部の詰まりや、異物等の固着が発生しやすい環境にある。

そのため、従来、冷却スプレーノズルの詰まりを防止するための技術が各種提案されている。例えば以下の特許文献１には、冷却水に氷片を混入させた上で冷却スプレーノズルに冷却水を供給することで、冷却スプレーノズルの詰まりを防止する技術が提案されている。また、以下の特許文献２には、一端側がコンプレッサに接続され、他端側が閉塞されている多孔質セラミック製の直管を用いてマイクロバブルを発生させることで、流路閉塞を防止する技術が提案されている。

特開２０１１－１６１４９号公報 国際公開第２０１８／０２１２５４号

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術の場合、氷片の維持管理にコストを要してしまう。また、氷片そのものが詰まりの原因になることを防止するために、氷片を微細化して大きさを制御することが求められるが、特に高温環境下における氷片のサイズの制御には、困難が伴うことがある。このように、上記特許文献１に開示されている技術を用いる場合、ユーザの利便性という観点において、未だ改善の余地がある。

また、上記特許文献２に開示されている技術では、多孔質セラミックを用いてマイクロバブルを発生させ、かかるマイクロバブルにより詰まりを防止する技術であるが、多孔質セラミックは、その気孔径を小さくしたとしても、表面張力の影響でマイクロバブルの微細化が困難であるため、マイクロバブルによる異物等の除去が十分に実施できない可能性がある。また、乾燥したり、水が張った状態が継続したりすると、多孔質セラミック自体にバイオフィルムや結晶が発生し、多孔質セラミック自体に詰まりが生じる可能性もある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ユーザの利便性を維持しつつ、冷却に用いられるスプレーノズルの詰まりをより確実に防止することが可能な、詰まり防止装置及び詰まり防止方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、特定の帯電状態となっているファインバブルを冷却用スプレーノズルの配管内に供給することで、詰まりの原因である異物やスケール等を配管内に留めず、更に析出物や水垢の発生を防止することが可能となり、配管内の清浄性を維持可能であることを知見した。
以下で詳述する本発明は、かかる知見に基づき完成されたものであり、その要旨は、以下の通りである。

（１）対象物を冷却する冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズルの詰まりを防止する防止装置であって、前記冷却用スプレーノズルに設けられる冷却水の循環配管に対して、前記冷却用スプレーノズルから離隔した位置に設けられており、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させる気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生ノズルと、前記ファインバブル発生ノズルに、０．０５ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ以下の圧力で冷却水を供給する循環ポンプと、を備える、詰まり防止装置。
（２）前記ファインバブル発生ノズルは、当該ファインバブル発生ノズルに設けられている絞りと前記冷却用スプレーノズルに設けられている絞りとの間の距離Ｌが１．０ｍ以上１０．０ｍ以下の範囲内となるように、前記循環配管に設けられる、（１）に記載の詰まり防止装置。
（３）前記ファインバブル発生ノズルに設けられている絞りは、前記冷却用スプレーノズルに設けられている絞りの最小断面積をＤｓとし、前記ファインバブル発生ノズルに設けられている絞りの最小断面積をＤｆとしたときに、断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）が０．９以上３．０以下の範囲内となる、（１）又は（２）に記載の詰まり防止装置。
（４）前記ファインバブル発生ノズルに供給される空気の流量を制御する流量調整機構を更に備え、前記流量調整機構は、前記ファインバブル発生ノズルに供給される冷却水の流量をＱｌとし、前記ファインバブル発生ノズルに供給される空気の流量をＱａとしたときに、流量比（Ｑａ／Ｑｌ）が０．００２以上０．３００以下となるように、空気の流量を調整する、（１）～（３）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（５）前記冷却水の流れ方向に沿って前記ファインバブル発生ノズルの直後に、内径が前記循環配管の内径よりも大きな膨張室を更に備える、（１）～（４）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（６）前記膨張室の最大内径は、前記循環配管の最大内径の１．３倍以上５．０倍以下である、（５）に記載の詰まり防止装置。
（７）前記循環配管を流れる前記冷却水の流速は、０．５ｍ／ｓ以上１０．０ｍ／ｓ以下である、（１）～（６）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（８）前記ファインバブル発生ノズルは、当該ファインバブル発生ノズルのノズル軸と、前記冷却用スプレーノズルのノズル軸とのなす角θが０度以上６０度以下の範囲内となるように、前記循環配管に設置される、（１）～（７）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（９）前記冷却用スプレーノズルは、空気を主流とするスプレーノズルであり、前記ファインバブル発生ノズルは、当該ファインバブル発生ノズルのノズル軸と、前記冷却用スプレーノズルのノズル軸とのなす角θが５度以上９０度以下の範囲内となるように、前記循環配管に設置される、（１）～（７）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１０）前記冷却水のｐＨは、６以上９以下である、（１）～（９）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１１）前記ファインバブル発生ノズルにより生成されるファインバブルの平均気泡径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下である、（１）～（１０）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１２）前記循環配管内におけるファインバブルの個数密度は、０．６×１０^３個／ｍＬ以上である、（１）～（１１）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１３）前記冷却水は、Ｃａの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下であり、ＦｅＯの含有量が０．０５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｓｉの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下である、（１）～（１２）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１４）前記ファインバブル発生ノズルは、間欠的に駆動される、（１）～（１３）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１５）前記冷却水を保持するタンクの内部に、第２のファインバブル発生ノズルが更に設置される、（１）～（１４）の何れか１つに記載の詰まり防止装置。
（１６）対象物を冷却する冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズルの詰まりを防止する防止方法であって、前記冷却用スプレーノズルに設けられる冷却水の循環配管に対して、前記冷却用スプレーノズルから離隔した位置に、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させる気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生ノズルを設置し、前記ファインバブル発生ノズルに、０．０５ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ以下の圧力で冷却水を供給する、詰まり防止方法。
（１７）前記冷却水のｐＨを、６以上９以下とする、（１６）に記載の詰まり防止方法。
（１８）前記冷却水は、Ｃａの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下であり、ＦｅＯの含有量が０．０５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｓｉの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下である、（１６）又は（１７）に記載の詰まり防止方法。

以上説明したように本発明によれば、ユーザの利便性を維持しつつ、冷却に用いられるスプレーノズルの詰まりをより確実に防止することが可能となる。

本発明の実施形態に係る詰まり防止装置について説明するための模式図である。 同実施形態に係る詰まり防止装置について説明するための模式図である。 同実施形態に係る詰まり防止装置について説明するための模式図である。 同実施形態に係る詰まり防止装置について説明するための模式図である。 同実施形態に係る詰まり防止装置について説明するための模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（詰まり防止装置について）
以下では、図１～図４を参照しながら、本発明の実施形態に係る詰まり防止装置について、詳細に説明する。図１～図４は、本実施形態に係る詰まり防止装置にについて説明するための模式図である。

＜詰まり防止装置が設置される冷却工程について＞
本実施形態に係る詰まり防止装置は、対象物を冷却する冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズルの詰まりを防止するものである。ここで、本実施形態に係る詰まり防止装置が設置される冷却工程については、特に限定されるものではなく、溶鋼、鋳片、鋼材等の各種の鉄鋼材料の熱処理に際して、鉄鋼材料を冷却するための冷却工程であってもよいし、その他の工業製品を製造する際に設置される冷却工程であってもよい。すなわち、本実施形態に係る詰まり防止装置は、スプレーノズルを用いた冷却を実施している各種の冷却工程に適用することが可能である。

このような冷却工程では、図１に模式的に示したように、冷却水を対象物Ｓに噴射するための冷却用スプレーノズル１と、冷却水を保持するタンク３と、冷却用スプレーノズル１とタンク３とに接続されており、冷却水を循環させるための循環配管５と、を有していることが多い。また、冷却用スプレーノズル１が、冷却水だけでなく空気も混合して用いるタイプのものであれば、冷却用スプレーノズル１には、空気を供給するための空気供給配管７が接続されており、空気供給配管７を介して供給される空気の流量が、空気量調整バルブ９によって制御される。

ここで、冷却用スプレーノズル１については、特に限定されるものではなく、冷却水を噴射可能なものや、空気と混合された冷却水をミストの状態で噴射可能なものであれば、公知の各種の冷却用スプレーノズルを使用することが可能である。

また、空気配給配管７からは、空気が供給されてもよいし、窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給されてもよい。

更に、タンク３、循環配管５、空気供給配管７及び空気量調整バルブ９についても、特に限定されるものではなく、公知の各種のものを使用することが可能である。

な、図１では、冷却工程に冷却用スプレーノズル１が１つだけ設置されている場合を図示しているが、冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズル１の個数については、特に限定されるものではなく、複数の冷却用スプレーノズル１が、例えば対象物Ｓの搬送方向に沿って配置されていてもよい。また、図１では、循環配管５や空気供給配管７の設置状態については、簡略化して図示しているが、具体的な設置状態については、特に限定されるものではない。すなわち、本実施形態に係る詰まり防止装置が設けられる冷却工程については、特に限定されるものではなく、既設の冷却設備で構成されているものであってもよい。

＜詰まり防止装置の構成について＞
本実施形態に係る詰まり防止装置１００は、図１に示したように、ファインバブル（以下、「ＦＢ」と略記することがある。）発生ノズル１０１と、循環ポンプ１０３と、を有している。

また、本実施形態に係る詰まり防止装置１００は、上記ＦＢ発生ノズル１０１及びポンプ１０３に加えて、更に、循環経路５を流れる冷却水の流量を計測する流量計１０５と、循環経路５を流れる冷却水の流量を調整する流量調整バルブ１０７と、を有していることが好ましい。

本実施形態に係る詰まり防止装置１００は、冷却用スプレーノズル１の詰まりの原因である、異物やスケール等を配管内に留めず、また、析出物や水垢を発生させないようにするために、冷却用スプレーノズル１に供給される冷却水に対して、ゼータ電位が特定範囲内の負の値を示す状態にあるファインバブルを供給する。このようなゼータ電位を示すファインバブルは、冷却水中に存在するＣａイオンやＭｇイオンと共に水中を流れやすくし、異物やスケールを吸着しながらスプレーノズルから排出される。これにより、異物やスケールを配管内に留めさせずに、清浄な状態を保持することが可能となる。

また、本実施形態に係る詰まり防止装置１００で供給されるファインバブルは、特定の発生機構により発生されることで、ファインバブルの収縮・圧壊がより進行しやすい状態にあるために、冷却用スプレーノズル１の配管の表面に付着し始めた析出物や水垢の剥離を、より一層促進することが可能である。また、このような作用により、配管内や冷却用スプレーノズル１の配管内に固着しやすい成分を、異物やスケール等とともに排出させることで、たとえ配管内が乾燥したとしても、詰まりの発生を防止することが可能となる。

また、上記のような作用は、冷却水をミストとして噴射するスプレーノズル１においても、同様に発現させることが可能である。

以上のような作用により、以下で詳述する詰まり防止装置１００では、ユーザの利便性を維持しつつ、冷却に用いられるスプレーノズルの詰まりをより確実に防止することが可能となる。
以下、本実施形態に係る詰まり防止装置１００の各構成について、詳細に説明する。

本実施形態に係るＦＢ発生ノズル１０１は、図１に示したように、冷却用スプレーノズルに設けられる冷却水の循環配管５に対して、冷却用スプレーノズル１から離隔した位置に設けられる。かかるＦＢ発生ノズル１０１は、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させるものであり、気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生ノズルが用いられる。

気液二相流旋回せん断方式のＦＢ発生ノズル１は、気体がノズル内を通過するときに摩擦によって気泡を微細化させ、その表面をマイナスの電位に帯電させる。また、気泡の微細化が機械的旋回・せん断により実現されるため、ファインバブル内の内圧は高まらず、収縮しやすい状態となっている。これにより、ファインバブルの収縮・圧壊をより生じやすくすることが可能となり、圧壊により発生する衝撃エネルギーを、異物等の剥離に効果的に利用することが可能となる。その結果、冷却用スプレーノズル１の詰まりを防止することが可能となる。

本実施形態に係る詰まり防止装置１００では、気液二相流旋回せん断方式のＦＢ発生ノズル１を用い、以下で説明するように、ポンプ１０３によりＦＢ発生ノズル１に供給される冷却水の圧力を特定の範囲内とすることで、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させる。

ここで、ＦＢ発生ノズルには、本実施形態で着目する気液二相流旋回せん断方式のＦＢ発生ノズルの他に、加圧式のＦＢ発生ノズルや、細孔式のＦＢ発生ノズルが存在する。しかしながら、加圧式や細孔式のＦＢ発生ノズルを用いる場合には、ＦＢの平均気泡径が大きくなりすぎて、ＦＢの個数密度が以下で詳述するような範囲内に保持されないため、発生するＦＢのゼータ電位は、－３０ｍＶ以下とはならない。

ファインバブルのゼータ電位が－３０ｍＶ超過である場合には、スケールの主成分である酸化鉄を吸着できず、冷却用スプレーノズル１から排出することが困難となる。なお、ファインバブルのゼータ電位は、低ければ低いほどよく、－４０ｍＶ以下であることが好ましく、－６０ｍＶ以下であることがより好ましい。また、ゼータ電位の下限値は特に規定するものではないが、－１５０ｍＶ以下のゼータ電位を得ようとする場合には、ＦＢ発生ノズル１側の出力エネルギー（圧力）を更に高めることが求められることから、－１５０ｍＶが実質的な下限となる。

なお、上記のようなファインバブルのゼータ電位は、ファインバブルを顕微鏡で観察し、ファインバブルの電気泳動を画像観察することにより、測定することが可能である。このような観察を実現可能な装置として、例えば、株式会社マイクロテック・ニチオン製のゼータ電位測定装置ＺＥＥＣＯＭを挙げることができる。

また、上記のようなゼータ電位をより確実に実現させるために、循環配管５内を流れる冷却水のｐＨを、６以上９以下とすることが好ましい。ｐＨを６以上とすることで、－３０ｍＶ以下というゼータ電位をより確実に実現することが可能となる。冷却水のｐＨは、より好ましくは７以上である。一方、冷却水のｐＨが９を超える場合には、ゼータ電位の変化が緩やかになり、ゼータ電位の調整に伴うコストの増大や設備への悪影響が生じる可能性がある。そのため、冷却水のｐＨを９以下とすることで、－３０ｍＶ以下というゼータ電位を、利便性を損なうことなくより確実に実現することが可能となる。冷却水のｐＨは、より好ましくは８以下である。

また、ＦＢバブル発生ノズル１へのガス（空気）の供給は、図１に示したように、空気供給配管１０９を接続してコンプレッサ（図示せず。）等により実現してもよいし、自然吸気としてもよい。ただし、自然吸気とすることで、ファインバブル内圧力の上昇をより確実に抑制可能であることから、自然吸気とすることが好ましい。

ここで、ＦＢ発生ノズル１０１へのガス（空気）と液体（冷却水）の混合比を制御することで、旋回・せん断によるファインバブルの負の帯電をより効率的に生じさせることが可能となるため、空気の流量を制御する流量調整機構の一例としての空気量調整バルブ１１１による空気量の調整や、流量調整バルブ１０７による冷却水量の調整を行うことが好ましい。

より詳細には、ＦＢ発生ノズル１０１に供給される冷却水の流量をＱｌ（単位：Ｌ／ｍｉｎ）とし、ＦＢ発生ノズル１０１に供給される空気の流量をＱａ（単位：Ｌ／ｍｉｎ）としたときに、空気量調整バルブ１１１により、流量比（Ｑａ／Ｑｌ）が０．００２以上０．３００以下となるように、空気量を調整することが好ましい。流量比（Ｑａ／Ｑｌ）が０．００２未満となる場合には、せん断を繰り返し行うための空気の流量が乏しくなり、ファインバブルの発生が少なくなる可能性があるとともに、ファインバブルの帯電効果が小さくなる可能性がある。流量比（Ｑａ／Ｑｌ）を０．００２以上とすることで、適切に帯電されたファインバブルを適切な量発生させることが可能となる。流量比（Ｑａ／Ｑｌ）は、より好ましくは０．００３以上であり、更に好ましくは０．００５以上である。

一方、流量比（Ｑａ／Ｑｌ）が０．３００超過となる場合には、ガス（空気）の割合が高くなりすぎて旋回時の液体とガスとの混合が偏ってしまい、帯電するための摩擦が非効率となるだけでなく、せん断が効率的に行われない可能性がある。流量比（Ｑａ／Ｑｌ）を０．３００以下とすることで、ファインバブルをより確実に所望の状態に帯電させることが可能となる。流量比（Ｑａ／Ｑｌ）は、より好ましくは０．２５０以下であり、更に好ましくは０．２００以下である。

また、冷却用スプレーノズル１や、ＦＢ発生ノズル１０１には、図２に模式的に示したように、その機構内に、流路の内径を調整するための絞りＡｐが設けられていることが一般的である。本実施形態に係る詰まり防止装置１００において、ＦＢ発生ノズル１０１は、ＦＢ発生ノズル１０１に設けられている絞りＡｐと冷却用スプレーノズル１に設けられている絞りＡｐとの間の距離Ｌが１ｍ以上１０ｍ以下の範囲内となるように、循環配管５に設けられることが好ましい。

冷却工程においては、冷却設備が高温環境下に曝される可能性があり、特に、鉄鋼業においては、その可能性は極めて高い。そのため、冷却用スプレーノズル１の先端部のみならず、高温に曝される部分の詰まりには、十分に注意することが重要である。図２に示した距離Ｌが１．０ｍ未満である場合には、ＦＢ発生ノズル１０１自体が高温に曝されてしまい、ファインバブルが発生する環境下にない部分において、析出物が発生してしまう可能性がある。そのため、距離Ｌは、１．０ｍ以上とすることが好ましい。距離Ｌは、より好ましくは１．５ｍ以上であり、更に好ましくは２．０ｍ以上である。一方、距離Ｌが１０．０ｍを超える場合には、発生させたファインバブルを安定して保持することが困難となり、詰まりを効果的に防止できない可能性があるため、距離Ｌは１０．０ｍ以下とすることが好ましい。距離Ｌは、より好ましくは８．０ｍ以下であり、更に好ましくは５．０ｍ以下である。なお、かかる距離Ｌは、ＦＢ発生ノズル１０１に設けられている絞りＡｐと冷却用スプレーノズル１に設けられている絞りＡｐとの間の幾何学的な最短距離を意味するのではなく、循環配管５に沿った道なりの距離を意味している。

また、図２に示したようなＦＢ発生ノズル１０１に設けられている絞りＡｐについて、冷却用スプレーノズル１に設けられている絞りの最小断面積をＤｓとし、ＦＢ発生ノズル１０１に設けられている絞りＡｐの最小断面積をＤｆとしたときに、断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）が０．９以上３．０以下の範囲内となるように調整することが好ましい。絞りの断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）が０．９未満である場合には、ＦＢ発生ノズル１０１での圧力が高くなりすぎる結果旋回・せん断能力が低下し、ファインバブルが発生しなくなってしまう可能性がある。絞りの断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）を０．９以上とすることで、より確実にファインバブルを発生させることが可能となる。絞りの断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）は、より好ましくは１．２以上であり、更に好ましくは１．５以上である。一方、絞りの断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）が３．０を超える場合には、冷却用スプレーノズル１の先端径が十分に大きくなる条件を作り出すことができ、詰まり自体が生じにくくなる条件となるため、ファインバブルによる詰まり防止効果を享受しにくくなる。絞りの断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）を３．０以下とすることで、先端径の大きな冷却用スプレーノズル１を用いることなく、ファインバブルの効果により、冷却用スプレーノズル１の詰まりをより確実に防止することが可能となる。絞りの断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）は、より好ましくは２．５以下であり、更に好ましくは２．０以下である。また、冷却用スプレーノズル１の先端径は、０．５ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下であることが好ましい。

ここで、図３Ａに模式的に示したように、冷却用スプレーノズル１のノズル軸と、ＦＢ発生ノズル１０１のノズル軸とのなす角を、θと表すこととする。図３Ｂに示したように、冷却用スプレーノズル１のノズル軸とＦＢ発生ノズル１０１のノズル軸とが平行となる場合には、上記のなす角θは、０度となる。

以上説明したようなＦＢ発生ノズル１０１は、かかるＦＢ発生ノズル１０１のノズル軸と、冷却用スプレーノズル１のノズル軸とのなす角θが０度以上６０度以下の範囲内となるように、循環配管５に設置されることが好ましい。２つのノズル軸のなす角θを６０度以下とすることで、旋回のかかったファインバブルを含む冷却水を、よりスムーズに送出することが可能となり、配管等に付着しやすい成分や析出物・水垢の排出を、加速度的に無駄なく促進することが可能となる。２つのノズル軸のなす角θは、より好ましくは５度以上５０度以下であり、更に好ましくは１０度以上４５度以下である。

また、冷却用スプレーノズル１が、空気を主流とするスプレーノズル（二流体混合ノズル）である場合には、ＦＢ発生ノズル１０１のノズル軸と、冷却用スプレーノズル１のノズル軸とのなす角θが５度以上９０度以下の範囲内となるように、ＦＢ発生ノズル１を循環配管５に設置することが好ましい。主流のガスに対して旋回しながら壁面に向かってファインバブルを含む冷却水を噴射させることで、配管等に付着しやすい成分や析出物・水垢の排出を、加速度的に無駄なく促進することが可能となる。２つのノズル軸のなす角θが５度未満である場合には、冷却水の噴射方向がガスの主流に対して平行に近づき、配管等の中心軸の周囲にファインバブルが集まりやすくなる結果、配管等の壁面にファインバブルを含む冷却水が到達しにくくなる可能性がある。この場合、ファインバブルによる効果が不均一となり、逆に詰まりを誘発してしまう可能性がある。２つのノズル軸のなす角θは、１０度以上であることがより好ましく、２０度以上であることが更に好ましい。一方、２つのノズル軸のなす角θが９０度を超える場合には、冷却水に対してガスとは逆向きの力が作用しやすくなり、旋回効果を弱めるとともに、無駄なエネルギーを消費してしまう可能性がある。２つのノズル軸のなす角θは、より好ましくは８０度以下であり、更に好ましくは７０度以下である。

ＦＢ発生ノズル１０１により発生するファインバブルの平均気泡径は、０．１μｍ以上１００．０μｍ以下であることが好ましい。ファインバブルの平均気泡径が０．１μｍ未満である場合には、ファインバブルに吸着した異物等を適切に保持することが困難になる可能性がある。ファインバブルの平均気泡径は、より好ましくは５．０μｍ以上であり、更に好ましくは１０．０μｍ以上である。一方、ファインバブルの平均気泡径が１００．０μｍを超える場合には、ファインバブルが負に帯電する効果が薄れ、詰まりの防止効果が低下してしまう可能性がある。ファインバブルの平均気泡径は、より好ましくは８０．０μｍ以下であり、更に好ましくは６０．０μｍ以下である。

また、循環配管５内におけるファインバブルの個数密度は、０．６×１０^３個／ｍＬ以上であることが好ましい。個数密度が０．６×１０^３個／ｍＬ未満である場合には、ファインバブルが冷却水中に均一に行き届かない可能性がある。ファインバブルの個数密度は、より好ましくは１．０×１０^３個／ｍＬ以上であり、更に好ましくは１．５×１０^３個／ｍＬ以上である。一方、ファインバブルの個数密度の上限値は、特に規定するものではなく、多ければ多いほど良いが、実質的には５．０×１０^４個／ｍＬ程度が上限となる。

なお、ファインバブルの平均気泡径及び濃度（密度）は、測定用の分岐配管（図示せず。）で液を採取し、採取した液を液中パーティクルカウンターや、気泡径分布計測装置等といった公知の機器を用いて観察することで、測定可能である。

以上、本実施形態に係るＦＢ発生ノズル１０１について説明した。

本実施形態に係る詰まり防止装置１００において、循環ポンプ１０３は、ＦＢ発生ノズル１０１に対し、０．０５ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ以下の圧力で冷却水を供給する。これにより、気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生機構による効果と相まって、－３０ｍＶ以下という特定の値のゼータ電位を実現することが可能となる。冷却水の供給圧力が０．０５ＭＰａ未満である場合には、ＦＢ発生ノズル１０１における旋回・せん断力が小さくなる結果負の帯電が小さくなって、詰まりの防止効果を得ることができない。冷却水の供給圧力は、好ましくは０．０８ＭＰａ以上であり、より好ましくは０．１０ＭＰａ以上である。一方、冷却水の供給圧力を０．５０ＭＰａ超過とする場合には、高圧・高出力の循環ポンプが必要となってしまい、設備コストが増加することで利便性が損なわれるだけでなく、冷却用スプレーノズル１の制御が困難となる可能性がある。冷却水の供給圧力は、好ましくは０．４０ＭＰａ以下であり、より好ましくは０．３０ＭＰａ以下である。

また、循環配管５を流れる冷却水の流速は、０．５ｍ／ｓ以上１０．０ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。流速が０．５ｍ／ｓ未満である場合には、移送途中でファインバブルが消滅してしまい、十分な効果が得られない可能性がある。冷却水の流速は、より好ましくは０．８ｍ／ｓ以上であり、更に好ましくは２．０ｍ／ｓ以上である。一方、冷却水の流速を１０．０ｍ／ｓとする場合には、高圧・高出力の循環ポンプが必要となってしまい、設備コストが増加することで利便性が損なわれるだけでなく、配管等の内壁へのファインバブルの接触時間が短くなりすぎて、十分な効果が得られない可能性がある。冷却水の流速は、より好ましくは８．０ｍ／ｓ以下であり、更に好ましくは５．０ｍ／ｓ以下である。

また、本実施形態に係る詰まり防止装置１００では、図１に示したように、冷却水の流れ方向に沿ってＦＢ発生ノズル１０１の直後に、膨張室１１３を更に備えることが好ましい。かかる膨張室１１３は、図４に模式的に示したように、その内径（より詳細には、最大の内径Ｄ’）が循環配管５の内径（より詳細には、最大の内径Ｄ）よりも大きな状態となっている部分である。このような膨張室１１３を更に設けることで、発生させたファインバブルの平均気泡径をより安定させることが可能となるとともに、配管等の壁面にファインバブルをより効率的に運ぶことが可能となる。

ここで、「ＦＢ発生ノズル１０１の直後」とは、ＦＢ発生ノズル１０１に連続して膨張室１１３が設けられる場合だけでなく、ＦＢ発生ノズル１０１の出側から５ｍ以内の範囲内で離隔して膨張室１１３が設けられる場合も含むものとする。

かかる膨張室１１３の具体的な形状については、図４に模式的に示したように、徐々に内径が大きくなり開放系となるような形状であることが好ましい。このような形状とすることで、上記のような効果をより享受しやすくなる。

また、膨張室１１３の最大内径Ｄ’は、循環配管５の最大内径Ｄの１．３倍以上５．０倍以下であることがより好ましい。このような最大内径Ｄ’を有することで、上記のような効果を更に一層享受しやすくなる。

また、本実施形態に係る詰まり防止装置１００の効果をより一層高めるために、冷却水は、Ｃａの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下であり、ＦｅＯの含有量が０．０５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｓｉの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。このような成分を有する冷却水を用いることで、詰まりの発生をより確実に防止することが可能となる。

以上説明したような詰まり防止装置１００において、ＦＢ発生ノズル１０１は、間欠的に駆動されてもよい。間欠駆動を実現可能とすることで、冷却用スプレーノズル１がミスト噴霧スプレーである場合においても、ファインバブルを多く含ませた冷却水を定期的に噴射することで、乾燥時間を減らして、析出物等の剥離効果をより促進させることが可能となる。

また、本実施形態に係る詰まり防止装置１００において、冷却水を保持するタンク３の内部に、更に、第２のファインバブル発生ノズル（図示せず。）を設置してもよい。異物、スケール、析出物、水垢等が浮遊しているタンク内の冷却水に対し、第２のファインバブル発生ノズルから発生させるファインバブルを作用させることで、保持されている冷却水中の異物等にファインバブルが吸着し、水面付近まで浮遊させ異物等を除去することが可能となり、冷却用スプレーノズル１の詰まりをより確実に防止することが可能となる。

ここで、上記のような空気量調整バルブ９、ファインバブル発生ノズル１０１、流量調整バルブ１０７、空気量調整バルブ１１１は、本実施形態に係る詰まり防止装置１００が設けられる冷却工程の管理者によって手動で操作されてもよいが、図１に示したように、これらの機構を制御する制御ユニット１５１によって、自動的に操作されてもよい。制御ユニット１５１は、流量計１０５をはじめとして、詰まり防止装置１００の稼働状態を示す各種のデータや、予め設定された詰まり防止装置１００の動作条件等に基づいて、空気量調整バルブ９、ファインバブル発生ノズル１０１、流量調整バルブ１０７、空気量調整バルブ１１１の稼働状態を制御して、上記のような各種の条件を満たすように、詰まり防止装置１００の稼働状態を制御する。

このような制御ユニット１５１としては、例えば、各種のコンピュータやサーバ等に代表される各種の情報処理装置や、詰まり防止装置１００が設置される冷却設備を制御しているプロセスコンピュータ等を利用することが可能である。

以上、本実施形態に係る詰まり防止装置１００について、詳細に説明した。

（詰まり防止方法について）
以上説明したような、本実施形態に係る詰まり防止装置１００を用いることで、本実施形態に係る詰まり防止方法を実現することができる。かかる詰まり防止方法は、対象物を冷却する冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズルの詰まりを防止する防止方法である。

具体的には、かかる詰まり防止方法では、冷却用スプレーノズル１に設けられる冷却水の循環配管５に対して、冷却用スプレーノズル１から離隔した位置に、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させる気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生ノズル１０１を設置し、ファインバブル発生ノズル１０１に、０．０５ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ以下の圧力で冷却水を供給する。

これにより、－３０ｍＶ以下というゼータ電位を有するファインバブルが発生し、循環配管５や冷却用スプレーノズル１の内部の配管に発生しうる詰まりを、防止することが可能となる。

ここで、ファインバブル発生ノズル１０１や循環ポンプ１０３に関する各種の条件は、先だって説明した通りであるため、以下では詳細な説明は省略する。

以下では、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る詰まり防止装置及び詰まり防止方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明に係る詰まり防止装置及び詰まり防止方法の一例にすぎず、本発明に係る詰まり防止装置及び詰まり防止方法が下記に示す例に限定されるものではない。

以下に示す実施例及び比較例では、鉄鋼材料を製造する際の連続鋳造工程において、鋳片を二次冷却するために使用される二次冷却設備に着目した。かかる二次冷却設備においても、図１に模式的に示したような冷却用スプレーノズル１、タンク３、循環経路５が設けられている。

冷却設備に設けられている冷却用スプレーノズルは、噴霧液Ｗ（液体）と気体Ｇとを混合させた霧（二流体（液気混合物））を噴霧する二流体ノズルである。噴霧液Ｗは、冷却水として使用される水である。また、気体Ｇは、空気である。また、別途、冷却用スプレーノズルとして、噴霧液Ｗ（液体）のみを噴射する一流体ノズルも準備した。

かかる冷却設備に対して、図１に示したような構成を有する詰まり防止装置を設置した。

気液二相流旋回せん断方式のＦＢ発生ノズルは、冷却用スプレーノズルとタンクとの間に、距離Ｌを変更できるようにして設置した。比較として、加圧式のＦＢ発生ノズルや細孔式のＦＢ発生ノズルを用いた場合についても、あわせて検証を行った。

なお、発生させたファインバブルのゼータ電位については、事前に各発生ノズルを用いて生成したファインバブルを、株式会社マイクロテック・ニチオン製のゼータ電位測定装置ＺＥＥＣＯＭにより測定した値を示している。また、ファインバブルの個数密度は、循環ポンプの圧力を変えることで調整を行った。また、冷却用スプレーノズル及びＦＢ発生ノズルの種類を変えることで、冷却水の流速や、絞りの断面積比を変化させた。また、ＦＢ発生ノズルにおける気液の流量比や膨張室の有無についても、あわせて検証を行った。

このような冷却設備において、乾燥と噴霧を繰り返すことで、ノズルの詰まり評価を行った。なお、用いた冷却水は、工場水を模擬した成分を混合することで、模擬液を作製した。模擬水の成分を、以下の表１に示す。なお、表１に示すｐＨ以外の各成分の単位は、（ｍｇ／Ｌ）である。また、ｐＨは、ＮａＯＨ、ＨＣｌを用いて、表１の範囲になるよう調整した。更に、一部の例では、冷却水としてろ過した水道水を用い、同様に検証を行った（実施例４１）。

また、本検証におけるその他の条件を、以下に示した。
ノズルの周辺温度 ：約２７０℃
噴霧流量 ：空気量 ５ｍ^３／ｈ（Ｎ）、水量 １０Ｌ／ｍｉｎ
噴霧圧 ：空気圧 ０．１２ＭＰａ、水圧 ０．１５ＭＰａ
噴霧時間（１回あたり）：８０秒
噴霧回数 ：３０回／１日
乾燥温度 ：約２７０℃（＝ノズル周辺温度）
乾燥時間 ：１５分
期間 ：１日３０サイクルを５日間

（詰まり評価）
冷却用スプレーノズルのノズル前圧を０．２ＭＰａに固定した上で、使用前（新品の状態）の冷却用スプレーノズルから噴射される冷却水の流量Ｑ０［単位：Ｌ／ｍｉｎ］を予め特定しておいた。その後、詰まり防止装置を使用した後に、冷却用スプレーノズルから噴射される冷却水の流量Ｑ１［単位：Ｌ／ｍｉｎ］を測定して、流量比（Ｑ１／Ｑ０）を算出した。得られた流量比を用い、以下に示す評価基準に基づき、詰まり評価を行った。

＜評価基準＞
Ａ：０．９９≦Ｑ１／Ｑ０＜１．００
Ｂ：０．９７≦Ｑ１／Ｑ０＜０．９９
Ｃ：０．９０≦Ｑ１／Ｑ０＜０．９７
Ｄ：０．７０≦Ｑ１／Ｑ０＜０．９０
Ｅ：Ｑ１／Ｑ０＜０．７０

すなわち、評点「Ａ」は、詰まり評価が非常に良好であったことを表し、評点「Ｂ」は、詰まり評価が良好であったことを表し、評点「Ｃ」は、使用可能な程度の詰まりであったことを表す。また、評点「Ｄ」は、詰まり始めであったことを表し、評点「Ｅ」は、詰まりが生じていたことを表す。評点「Ａ」～評点「Ｃ」を合格とした。

得られた結果を、以下の表２にまとめて示した。

上記表２から明らかなように、本発明の実施例に該当する試験例では、詰まり評価は合格となり、冷却に用いられるスプレーノズルの詰まりを防止することができた。一方、本発明の比較例に該当する試験例では、詰まり評価は不合格となり、冷却に用いられるスプレーノズルの詰まりを防止することができなかった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 冷却用スプレーノズル
３ タンク
５ 循環配管
７ 空気供給配管
９ 空気量調整バルブ
１００ 詰まり防止装置
１０１ ファインバブル発生ノズル
１０３ 循環ポンプ
１０５ 流量計
１０７ 流量調整バルブ
１０９ 空気供給配管
１１１ 空気量調整バルブ
１１３ 膨張室
１５１ 制御ユニット
Ｓ 対象物

Claims (18)

1. 対象物を冷却する冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズルの詰まりを防止する防止装置であって、
   前記冷却用スプレーノズルに設けられる冷却水の循環配管に対して、前記冷却用スプレーノズルから離隔した位置に設けられており、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させる気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生ノズルと、
   前記ファインバブル発生ノズルに、０．０５ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ以下の圧力で冷却水を供給する循環ポンプと、
   を備える、詰まり防止装置。
2. 前記ファインバブル発生ノズルは、当該ファインバブル発生ノズルに設けられている絞りと前記冷却用スプレーノズルに設けられている絞りとの間の距離Ｌが１．０ｍ以上１０．０ｍ以下の範囲内となるように、前記循環配管に設けられる、請求項１に記載の詰まり防止装置。
3. 前記ファインバブル発生ノズルに設けられている絞りは、前記冷却用スプレーノズルに設けられている絞りの最小断面積をＤｓとし、前記ファインバブル発生ノズルに設けられている絞りの最小断面積をＤｆとしたときに、断面積比（Ｄｓ／Ｄｆ）が０．９以上３．０以下の範囲内となる、請求項１又は２に記載の詰まり防止装置。
4. 前記ファインバブル発生ノズルに供給される空気の流量を制御する流量調整機構を更に備え、
   前記流量調整機構は、前記ファインバブル発生ノズルに供給される冷却水の流量をＱｌとし、前記ファインバブル発生ノズルに供給される空気の流量をＱａとしたときに、流量比（Ｑａ／Ｑｌ）が０．００２以上０．３００以下となるように、空気の流量を調整する、請求項１～３の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
5. 前記冷却水の流れ方向に沿って前記ファインバブル発生ノズルの直後に、内径が前記循環配管の内径よりも大きな膨張室を更に備える、請求項１～４の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
6. 前記膨張室の最大内径は、前記循環配管の最大内径の１．３倍以上５．０倍以下である、請求項５に記載の詰まり防止装置。
7. 前記循環配管を流れる前記冷却水の流速は、０．５ｍ／ｓ以上１０．０ｍ／ｓ以下である、請求項１～６の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
8. 前記ファインバブル発生ノズルは、当該ファインバブル発生ノズルのノズル軸と、前記冷却用スプレーノズルのノズル軸とのなす角θが０度以上６０度以下の範囲内となるように、前記循環配管に設置される、請求項１～７の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
9. 前記冷却用スプレーノズルは、空気を主流とするスプレーノズルであり、
   前記ファインバブル発生ノズルは、当該ファインバブル発生ノズルのノズル軸と、前記冷却用スプレーノズルのノズル軸とのなす角θが５度以上９０度以下の範囲内となるように、前記循環配管に設置される、請求項１～７の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
10. 前記冷却水のｐＨは、６以上９以下である、請求項１～９の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
11. 前記ファインバブル発生ノズルにより生成されるファインバブルの平均気泡径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１～１０の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
12. 前記循環配管内におけるファインバブルの個数密度は、０．６×１０^３個／ｍＬ以上である、請求項１～１１の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
13. 前記冷却水は、Ｃａの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下であり、ＦｅＯの含有量が０．０５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｓｉの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下である、請求項１～１２の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
14. 前記ファインバブル発生ノズルは、間欠的に駆動される、請求項１～１３の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
15. 前記冷却水を保持するタンクの内部に、第２のファインバブル発生ノズルが更に設置される、請求項１～１４の何れか１項に記載の詰まり防止装置。
16. 対象物を冷却する冷却工程に設けられる冷却用スプレーノズルの詰まりを防止する防止方法であって、
    前記冷却用スプレーノズルに設けられる冷却水の循環配管に対して、前記冷却用スプレーノズルから離隔した位置に、－３０ｍＶ以下のゼータ電位を有するファインバブルを発生させる気液二相流旋回せん断方式のファインバブル発生ノズルを設置し、
    前記ファインバブル発生ノズルに、０．０５ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ以下の圧力で冷却水を供給する、詰まり防止方法。
17. 前記冷却水のｐＨを、６以上９以下とする、請求項１６に記載の詰まり防止方法。
18. 前記冷却水は、Ｃａの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下であり、ＦｅＯの含有量が０．０５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｓｉの含有量が５ｍｇ／Ｌ以下である、請求項１６又は１７に記載の詰まり防止方法。
    

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