(57)【要約】【課題】微細な気泡を効率よく大量に発生させることで、省エネルギー化を図ることが可能な気泡発生ノズルを提供する。【解決手段】気泡発生装置１は、加圧水とオゾンとを混合させて気泡を発生させる第２本体部２３の第２気体混合室２３ｂと、気泡が混合した加圧水を旋回流とする角ばね２７と、旋回流となった加圧水に、更に気体を混合して、第２気体混合室２３ｂからの気泡を衝突させて分裂させることで微細気泡を含む気泡混合水を生成する第１気体混合室２２ｂと、気泡混合水を旋回流とする円錐コイルばね２６と、気泡混合水を加圧するために内周壁面が流水方向に向かうに従って縮径する加圧部２５と、加圧された気泡混合水を減圧するために、内周壁面が流水方向に向かうに従って拡径するノズル先端部２１とを備えている。加圧水が加圧部２５からノズル先端部２１を通過することでキャビテーション作用により微細気泡が発生する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧水に気体を混合させて気泡を発生させる第１気体混合部と、
前記気泡が混合した加圧水に更に気体を混合させ気泡混合水を生成する第２気体混合部と、
前記気泡混合水を加圧する縮径部と、
前記縮径部の下流側に接続され、加圧された気泡混合水を減圧する拡径部とを備えた気泡発生ノズル。
【請求項２】
前記第１気体混合部から前記第２混合部への加圧水を旋回流とする水流旋回手段が設けられた請求項１記載の気泡発生ノズル。
【請求項３】
前記縮径部に、前記気泡混合水を旋回流とする水流旋回手段が設けられた請求項１記載の気泡発生ノズル。
【請求項４】
前記水流旋回手段は、内周壁面に沿って設けられた螺旋状に形成されたコイルばねである請求項２または３記載の気泡発生ノズル。
【請求項５】
前記コイルばねは、管内で軸線を中心として回転自在に設けられている請求項４記載の気泡発生ノズル。
【請求項６】
前記水流旋回手段は、内周壁面に沿って螺旋状に形成された溝である請求項２または３記載の気泡発生ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な気泡を効率よく大量に発生することが可能な気泡発生ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロバブルまたはナノバブルなどと呼ばれる微細な気泡は、様々な分野で用いられている。例えば、オゾンでマイクロバブルを生成することにより水中のウイルスや雑菌などの殺菌を行って、溜池や貯水池、養殖水槽の浄化を行ったり、船体の船首付近から船尾に向かって空気のマイクロバブルを流すことにより、船体と海水との摩擦抵抗を減少させて燃料の節約を図ったりするなど、多種多様な活用例が知られている。
【０００３】
このような微細な気泡を発生させる従来の気泡発生ノズルが特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載のループ流式バブル発生ノズルは、気体を流入させるための気体流入孔を側部に有する筒状部材と、筒状部材の一端を塞ぐように設けられ、中央に噴出孔を有する一方の円盤部材と、筒状部材の内部途中を塞ぐように設けられ、中央に加圧液体を供給するための液体供給孔を有する他方の円盤部材とを備え、筒状部材、一組の円盤部材で囲まれてなる略円柱型の空間が気液ループ流式攪拌混合室として設けられているものである。
【０００４】
この従来の気泡発生ノズルは、気体流入孔から流入してきた気体が、気液ループ流式攪拌混合室の高速ループ流れにより撹拌、剪断されると共に、液体供給孔から供給された加圧液体と衝突した際に発生した乱流により細分化され、更に、噴出孔において流入してきた外部気体および外部液体と衝突して微細化されて、マイクロバブルを含む混合流体として噴出孔から噴出される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１９６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この従来の気泡発生ノズルでは、主に気体流入孔からマイクロバブルとなる気体を流入させている。しかし、微細な気泡の発生量を増加させるためには、気体流入孔から流入させる気体量を増加させる必要があるが、単に気体流入孔の口径を大きくしたり、液体供給孔への液体の流入量を増加したりするだけでは難しい面がある。
【０００７】
気泡発生ノズルは、気泡がより細かく、かつ大量に発生できるものが望まれている。それは、気泡が微細であれば、水中での滞留時間が長く、水に溶解させやすいからである。特に、気泡発生ノズルの使用目的がオゾンを使用した殺菌や浄化などの水質改善であれば、オゾンは水に対しては難溶解性であるので、気泡が微細であれば気体がオゾンでも大量の気泡を発生させることで水への溶解量を増加させることができる。
【０００８】
気泡発生ノズルは、従来のものより微細な気泡が大量に発生できれば、同じ気泡量としたときには流量を減らすことができるので、ポンプなどの動力源の電力を減少させることができ、省エネルギー化を図ることができる。
【０００９】
そこで本発明は、微細な気泡を効率よく大量に発生させることで、省エネルギー化を図ることが可能な気泡発生ノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の気泡発生ノズルは、加圧水に気体を混合させて気泡を発生させる第１気体混合部と、前記気泡が混合した加圧水に更に気体を混合させ気泡混合水を生成する第２気体混合部と、前記気泡混合水を加圧する縮径部と、前記縮径部の下流側に接続され、加圧された気泡混合水を減圧する拡径部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の気泡発生ノズルは、第１気泡混合部と第２気泡混合部との２つの気泡混合部を備えている。まず、第１気体混合部にて加圧水に気体が混合される。更に第２気泡混合部にて気泡混合水として気体が混合される。混合されたこれらの気体の一部は、加圧水に溶解する。気泡混合水は、縮径部にて更に加圧され、拡径部にて一気に減圧される。そうすることで、キャビテーションの作用により微細気泡が発生すると共に、発生した微細気泡が第１気泡混合部により混合された気泡に衝撃を与え破壊することで、微細気泡となる。従って、第２気体混合部の上流側に位置する第１気泡混合部により混合された気泡も微細気泡とすることができるので、大量の微細気泡を発生させることができる。
【００１２】
前記第１気体混合部から前記第２混合部への加圧水を旋回流とする水流旋回手段が設けられていると、第１気体混合部から第２混合部へ流れる間に水流が旋回流となるので、気泡同士の衝突により衝撃を更に大きなものとすることができる。
【００１３】
前記縮径部に、前記気泡混合水を旋回流とする水流旋回手段が設けられていると、気泡混合水を加圧しながら旋回させることで、更なる気泡同士の衝突の機会を増加させることができる。
【００１４】
前記水流旋回手段は、内周壁面に沿って螺旋状に形成されたコイルばねとすることができる。コイルばねであれば容易に調達することができるだけでなく、水流を旋回流とすることができると共に、軸線上に流れる水流と旋回流とが混合して乱流となるので、気泡同士の衝突による衝撃を更に増加させることができる。
【００１５】
前記コイルばねは、管内で軸線を中心として回転自在に設けられているのが望ましい。コイルばねが、管内で軸線を中心として回転自在に設けられていると、水流の勢いでコイルばねが回転するので、乱流の複雑さを増すことができる。
【００１６】
また、前記水流旋回手段を、内周壁面に沿って螺旋状に形成された溝とすることも可能である。水流旋回手段を螺旋状の溝とすることで、コイルばねなどを準備する必要がないので、部品点数を減らせることができる。従って、部品コストを抑制することができると共に、容易に作製することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の気泡発生ノズルは、第２気体混合部の上流側に位置する第１気泡混合部により混合された気泡も微細気泡とすることで、大量の微細気泡を発生させることができるので、省エネルギー化を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態に係る気泡発生装置を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る気泡発生装置を示す概略図である。図２は、図１に示す気泡発生ノズルの断面図である。図３は、図１に示す気泡発生ノズルの分解図である。
【００１９】
図１に示すように、気泡発生装置１は、オゾンの微細気泡を発生させて、浄水場の下水の浄化を図るものである。この気泡発生装置１は、マイクロバブルやナノバブルなどを噴射する気泡発生ノズル２と、気泡発生装置１へオゾンを供給するオゾン発生装置３と、取水して加圧水を気泡発生装置１へ送水するポンプ４とを備えている。
【００２０】
気泡発生ノズル２は、図２および図３に示すようにノズル先端部２１と、第１本体部２２と、第２本体部２３とを備えている。
【００２１】
ノズル先端部２１は、第１本体部２２の下流側の先端部装着孔２２ａに挿入される。このノズル先端部２１の管路２１ａが、水が流れる方向に向かうに従って徐々に直径が大きくなる拡径管となっていることで、拡径部として機能する。
【００２２】
第１本体部２２には、下流側の一方の端部にノズル先端部２１が装着される先端部装着孔２２ａと、オゾンと水とが混合する第１気体混合室２２ｂ（第２気体混合部）と、第１気体混合室２２ｂへ水流を案内する導入路２２ｃとが設けられている。この第１気体混合室２２ｂと先端部装着孔２２ａとは、それぞれの内径より小さい接続路２２ｄで連通している。
【００２３】
また、第１気体混合室２２ｂには、オゾンを混入するための第１吸入孔２２ｅが内周壁面に設けられ、第１吸入孔２２ｅは、オゾン発生装置３からのホースを接続するための第１接続部２４を装着する第１接続部装着孔２２ｆと連通している。
【００２４】
第１気体混合室２２ｂには、接続路２２ｄと直径が略同じ大きさに形成された噴射孔２５ａが下流側に設けられた加圧部２５が内装されている。加圧部２５は、入口側から噴射孔２５ａとなる出口側へ向かうに従って徐々に直径が小さくなる縮径管とすることで縮径部として機能する。
【００２５】
そして、加圧部２５には、水流旋回手段として機能する、入口側から出口側に向かって直径が小さくなる円錐コイルばね２６が配置されている。
また、導入路２２ｃにも、水流旋回手段として機能する断面形状が矩形のコイルばねである角ばね２７が、円錐コイルばね２６との間に小径Ｏリング２８を介在させて配置されている。
【００２６】
第１本体部２２の他方の端部は、第２本体部２３の下流側である一方の端部に設けられた本体部接続孔２３ａに挿入される。第１本体部２２を第２本体部２３へ挿入するときには、第１本体部２２は角ばね２７との間に大径Ｏリング２９を介在させて第２本体部２３へ装着される。
【００２７】
第２本体部２３には、オゾンと水とが混合する第２気体混合室２３ｂ（第１気体混合部）が設けられている。第２気体混合室２３ｂには、オゾンを混入するための第２吸入孔２３ｃが内周壁面に設けられ、第２吸入孔２３ｃは、オゾン発生装置３からのホースを接続するための第２接続部３０を装着する第２接続部装着孔２３ｄと連通している。そして、第２本体部２３の他方の端部には、ポンプ４からのホースを接続するための第３接続部３１（図３では図示せず）を装着するための第３接続部装着孔２３ｅが設けられている。
本実施の形態では、第２吸入孔２３ｃが、第１吸入孔２２ｅより小さく形成されている。これは第２吸入孔２３ｃからのオゾンの吸入量が過多とならないためであるが、不足する場合には同サイズまたは大きくしてもよい。
【００２８】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る気泡発生装置の使用状態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、まずオゾン発生装置３と共にポンプ４を始動させる。ポンプ４からの加圧水は、第３接続部３１から第２本体部２３の第２気体混合室２３ｂへ流れ込む。
第２気体混合室２３ｂでは、流入する加圧水により第２吸入孔２３ｃに対する負圧が発生することと、オゾン発生装置３からのオゾンの送気により第２接続部３０を介してオゾンが気泡となって混入する。
【００２９】
第２接続部３０を介し、第２吸入孔２３ｃから第２気体混合室２３ｂへ入ってきたオゾンの気泡は、加圧水により第１本体部２２の導入路２２ｃへ搬送される。加圧水は、第２気体混合室２３ｂより内径が小さい角ばね２７内に進行することで加速される。そして、加圧水は、角ばね２７の軸線上の流れと、角ばね２７の螺旋に沿って流れることで発生する旋回流とで乱流となって加圧部２５が位置する第１気体混合室２２ｂへ流れる。また、オゾンの気泡も角ばね２７を流れる乱流に搬送される。
角ばね２７は断面形状が矩形なので、加圧水を旋回流へ誘導させやすい。従って、角ばね２７の軸線に沿った流れと合流することで変化の度合いが大きな乱流とすることできる。このとき、角ばね２７が、第２本体部２３の管内で軸線を中心として回転自在に設けられていると、水流の勢いで角ばね２７が回転するので、乱流の複雑さを増すことができる。
【００３０】
第１気体混合室２２ｂでは、流入する加圧水により第１吸入孔２２ｅに対する負圧が発生することと、オゾン発生装置３からのオゾンの送気により第１接続部２４を介してオゾンが加圧部２５へ混入して気泡となる。
【００３１】
角ばね２７を通過することで乱流となった加圧水は、角ばね２７の内径より更に直径が小さい加圧部２５へ流入することで、更に加速される。加圧部２５内へ流入した加圧水は、加圧部２５の内周壁面が徐々に縮径していることにより加圧されると共に、加圧部２５の内周壁面に沿って配置された円錐コイルばね２６により、更に旋回流に誘導される。
【００３２】
円錐コイルばね２６により旋回流に誘導されることで、更に変化の度合いが大きな乱流となる。この乱流と共に流れる第２気体混合室２３ｂからの気泡は、第１気体混合室２２ｂで混合された気泡と激しく衝突することで分裂することで微細気泡となる。微細気泡と第１気体混合室２２ｂで混合された気泡とを含むことで気泡混合水となった加圧水は、接続路２２ｄへ進入する。本実施の形態では、円錐コイルばね２６を断面形状が円形のものを採用しているが、矩形のものとする方が水流を旋回流へ誘導させやすいので望ましい。しかし、製造コストが上がるとか、調達の容易さを考慮すると、円錐コイルばね２６の断面形状が円形としてもよい。
【００３３】
そして、接続路２２ｄからノズル先端部２１へ流れ込み、拡径に形成された管路２１ａへ通過するときに、一気に減圧されることでキャビテーション作用により気泡混合水に溶け込んだ空気やオゾンが析出してマイクロバブルと呼ばれる微細気泡が発生する。また、第１気体混合室２２ｂで混合された気泡や、第２気体混合室２３ｂで混合され、第１気体混合室２２ｂで混合された気泡と衝突せずに粒径が大きいまま残存した気泡がキョビテーション作用による衝撃で分裂してマイクロバブルとなる。
【００３４】
このように、キャビテーション作用を利用して第１気体混合室２２ｂにて混合されたオゾンを微細気泡とするだけでなく、第２気体混合室２３ｂにて混合されたオゾンも、第１気体混合室２２ｂにて混合されたオゾンに衝突したときの衝撃により分裂させて微細気泡とすることができるので、大量の微細気泡を発生させることができる。また、第１気体混合室２２ｂを通過しても粒径が大きいまま残存した気泡をキャビテーション作用の衝撃により分裂させることができるので、より多くの微細気泡を発生させることができる。
【００３５】
オゾンの微細気泡は、粒径の大きいものと比較して水中での滞留時間を長くすることができるので溶解量が増加する。従って、難溶解性を有するオゾンでもあっても大量の微細気泡を水中に発生させることで溶解量を増大させることができる。よって、本実施の形態に係る気泡発生装置１は、従来の気泡発生装置と比較して、同じ溶解量を得ようとするのであれば、オゾン発生装置３およびポンプ４の電力量を減少させることができるので、省エネルギー化を図ることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、微細気泡としてオゾンを使用しているが、単に空気としたり、他の気体とすることも可能である。また、水を上水や汚水、海水とする以外に他の液体とすることも可能である。
【００３７】
次に、本発明の実施の形態に係る気泡発生ノズルの変形例について、図４から図６に基づいて説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る気泡発生装置に用いられる気泡発生ノズルの第１変形例を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る気泡発生装置に用いられる気泡発生ノズルの第２変形例を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態に係る気泡発生装置に用いられる気泡発生ノズルの第３変形例を示す断面図である。なお、図４から図６において、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
【００３８】
まず、第１変形例について図４に基づいて説明する。
図４に示すように第２本体部２３には、第２吸入孔２３ｃから第２気体混合室２３ｂの中心部まで延びるＬ字状管３２が設けられている。このＬ字状管３２の先端は、加圧水が最も早く流れる角ばね２７の軸線（中心）へ向かって延びている。
このようなＬ字状管３２が設けられていることで、Ｌ字状管３２からの気泡は、加圧水の流れに沿って真っ直ぐ角ばね２７および円錐コイルばね２６の軸線上を流れるので、最も加速される。従って、第１吸入孔２２ｅから混合された気泡との衝突による衝撃の度合いを増加させることができるので、衝撃による分裂を激しく誘発させることにより微細な気泡を得ることができる。
【００３９】
次に、第２変形例について図５に基づいて説明する。
図５に示すように第２本体部２３ｘには、第２気体混合室２３ｂの内周壁面に４つの壁面吸入孔２３ｆが均等に配置されている。この壁面吸入孔２３ｆは、図２に示す角ばね２７と同じ螺旋方向に傾斜している。そして壁面吸入孔２３ｆは、第２気体混合室２３ｂの内周壁面に沿って形成された環状の通気路２３ｇと連通し、第２吸入孔２３ｃと連通することで、第２接続部３０（図２参照）からのオゾンが、第２吸入孔２３ｃ、通気路２３ｇ、壁面吸入孔２３ｆの順に通過して、第２気体混合室２３ｂへ流入される。
【００４０】
吸入されたオゾンは、壁面吸入孔２３ｆが、角ばね２７と同じ螺旋方向に傾斜していることと、内周壁面に均等に配置されていることにより、角ばね２７により旋回して乱流となる加圧水に均等に分散されやすくなる。従って、オゾンの気泡を乱流に分散させて加圧部２５へ進行させることで、第１吸入孔２２ｅから第１気体混合室２２ｂへ流入する気泡とより激しく衝突させて衝撃度を向上させると共に、一塊となってしますことを防止することで、気泡同士が衝突する機会を増やすことができる。
【００４１】
更に、第３変形例について図６に基づいて説明する。
図６に示すように第１本体部２２ｘは、第１気体混合室２２ｂを入口側から噴射孔２５ａとなる出口側へ向かうに従って徐々に直径が小さくなる縮径管とすることで、縮径部として機能する加圧部（図２参照）が省略されている。また、第１気体混合室２２ｂの内周壁面に、螺旋状に形成された溝２２ｇを設け、水流旋回手段として機能させることにより円錐コイルばね２６が省略されている。
更に、第１本体部２２ｘの導入路２２ｃの内周壁面に、螺旋状に形成された溝２２ｈを設け、水流旋回手段として機能させることにより角ばね２７が省略されている。
【００４２】
このように、水流旋回手段としてコイルばねの代わりに内周壁面に螺旋状の溝２２ｇ，２２ｈを設けても、第２本体部２３からの加圧水を螺旋状の溝２２ｇ，２２ｈに沿って流れさせることで、加圧水を旋回流へ誘導して、乱流とすることができる。
また、螺旋状の溝２２ｇ，２２ｈを内周壁面に設けることで、円錐コイルばね２６や角ばねを省略することができるので、部品点数を減らせることができる。従って、部品コストを抑制することができると共に、容易に作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、微細気泡を液体と共に大量に噴射することができるので、水中でのエアレーションに使用したり、シャワーヘッド内に実装したりすることができる。特に、オゾンの微細気泡を水中で放出することで、汚水の浄化に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係る気泡発生装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す気泡発生ノズルの断面図である。
【図３】図１に示す気泡発生ノズルの分解図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る気泡発生装置に用いられる気泡発生ノズルの第１変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る気泡発生装置に用いられる気泡発生ノズルの第２変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る気泡発生装置に用いられる気泡発生ノズルの第３変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  気泡発生装置
２  気泡発生ノズル
２１  ノズル先端部
２１ａ  管路
２２  第１本体部
２２ａ  先端部装着孔
２２ｂ  第１気体混合室
２２ｃ  導入路
２２ｄ  接続路
２２ｅ  第１吸入孔
２２ｆ  第１接続部装着孔
２２ｇ，２２ｈ  溝
２３，２３ｘ  第２本体部
２３ａ  本体部接続孔
２３ｂ  第２気体混合室
２３ｃ  第２吸入孔
２３ｄ  第２接続部装着孔
２３ｅ  第３接続部装着孔
２３ｆ  壁面吸入孔
２４  第１接続部
２５  加圧部
２５ａ  噴射孔
２６  円錐コイルばね
２７  角ばね
２８  小径Ｏリング
２９  大径Ｏリング
３０  第２接続部
３１  第３接続部
３２  Ｌ字状管
３  オゾン発生装置
４  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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