(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属が流される管路に上記管路を閉塞するように設けられる閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた複数の旋回流型マイクロバブル発生器とを有する液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項２】
上記複数の旋回流型マイクロバブル発生器により発生される旋回流の旋回方向が互いに逆である請求項１記載の液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項３】
上記複数の旋回流型マイクロバブル発生器により発生される旋回流の旋回方向が互いに同じである請求項１記載の液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項４】
上記複数の旋回流型マイクロバブル発生器が互いに大きさが同一の一種類の旋回流型マイクロバブル発生器からなる請求項１〜３のいずれか一項記載の液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項５】
上記複数の旋回流型マイクロバブル発生器が互いに大きさが異なる二種類以上の旋回流型マイクロバブル発生器からなる請求項１〜３のいずれか一項記載の液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項６】
上記管路の断面形状および上記閉塞部材の形状が矩形である請求項１〜５のいずれか一項記載の液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項７】
液体が流される一本の管路と、
上記管路の途中に上記管路を閉塞するように設けられる閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた複数の旋回流型マイクロバブル発生器とを有し、
上記複数の旋回流型マイクロバブル発生器により、上記複数の旋回流型マイクロバブル発生器の下流における上記管路内を流れる上記液体中にマイクロバブルを発生させるようにした流体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置および流体装置に関し、特に、液体金属ターゲットの管路に流される液体水銀などの液体金属中にマイクロバブルを発生させる場合に用いて好適な液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置および管路に流される各種の液体中にマイクロバブルを発生させる場合に用いて好適な流体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、中性子線利用研究の重要性が急速に増加しつつあり、数ＭＷ級の陽子ビームを用いた次世代核破砕中性子源の建設が日本、米国、ＥＵでそれぞれ進められ、日本、米国では運転が開始された。日本では、日本原子力研究開発機構と高エネルギー加速器研究機構との共同組織であるＪ−ＰＡＲＣ（Japan Proton Accelerator Research Complex)センターによりこの次世代核破砕中性子源がすでに茨城県の東海村に建設され、低出力での運転が開始された。
【０００３】
この次世代核破砕中性子源では、大強度の中性子束を得るために、数ＭＷ級の陽子ビームをターゲットに入射させる予定で、そのときの陽子ビームのエネルギーは１〜３ＧｅＶである。一般に数ＭＷ級の陽子ビームをターゲットに入射させると、ターゲット内の発熱量のピークが数百ＭＷ／ｍ3 に達するため、この次世代核破砕中性子源では、固体金属を水冷する従来の方式の代わりに、冷却材としての機能を併用することができる液体水銀をターゲットに用いる方式が採用されている。
【０００４】
図１５に液体水銀ターゲットが陽子ビームに曝される状況を模式的に示す。図１５に示すように、この液体水銀ターゲットにおいては、水銀容器１０１内を循環するように液体水銀１０２が流され、水銀容器１０１の先端部にＭＷ級で周波数が２５Ｈｚのパルス陽子ビーム１０３が照射され、水銀容器１０１の壁を通って液体水銀１０２に入射する。こうして、陽子が水銀原子の原子核と衝突して原子核を破砕し、原子核を構成していた中性子が高速で水銀容器１０１の外部に放出される。こうして放出された中性子はベリリウムや鉄などからなる反射体で反射され、超臨界水素からなるモデレーターに集められる。中性子はこのモデレーター内の水素と衝突を繰り返して次第に減速され、最終的に所望の中性子ビームが取り出される。
【０００５】
しかしながら、この液体水銀ターゲットにおいては、水銀容器１０１にパルス陽子ビーム１０３が照射されると、液体水銀１０２の水銀原子の原子核の破砕に伴う急激な発熱が生じ、これに伴い液体水銀１０２が急激に熱膨張する。この急激な熱膨張により液体水銀１０２内に圧力波１０４が発生する。この圧力波１０４は液体水銀１０２中を音速で伝播し、水銀容器１０１の内壁面に到達して衝撃を加える結果、水銀容器１０１が損傷を受ける。
【０００６】
以上のような理由により、液体水銀ターゲットにおいては、パルス陽子ビーム１０３の入射により液体水銀１０２内に発生する圧力波１０４の低減を図ることが重要であり、種々の方策が考えられてきた。その中で、１９９０年台より、液体水銀１０２中にマイクロバブルを発生させ、このマイクロバブルにより圧力波１０４を吸収することで圧力波１０４の低減を図ることができることが予見され（非特許文献１参照。）、水中において、その有効性が確認されている。
【０００７】
従来、液体水銀１０２中にマイクロバブルを発生させるために、焼結によって拡散または揮発する、焼結金属の融点未満の融点の中空用素材を焼結金属粉体中でプレスし、その中空用素材を焼結によって除去し、２個以上の中空穴をプレス、焼結の過程で形成することにより得られる中空金属焼結体をバブラーとして、水銀容器１０１中の所定位置に設置することが提案されている（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２０９４３７号公報
【特許文献２】国際公開第０６／０７５４５２号パンフレット
【特許文献３】特許第４０１９１５４号明細書
【特許文献４】特開２００９−２４７９５０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】K.Skala and G. Bauer, "ON THE PRESSURE WAVE PROBLEM IN LIQUID METAL TARGETS FOR PULSED SPALLATION NEUTRON SOURCES", PSI Proceedings 95-02, Vol.II, pp.559-571(1995cc)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１で提案されたバブラーでは、水銀容器１０１内の液体水銀１０２中にバブル径が十分に小さいマイクロバブルを発生させることは困難であり、圧力波１０４の低減の効果は不十分であった。
【００１１】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、液体金属ターゲットの液体水銀などの液体金属が流される容器内の液体金属中に所望の大きさのマイクロバブルを所望の濃度でしかも効率的に発生させることができ、パルス陽子ビームの入射により容器内の液体金属中に発生する圧力波の大幅な低減を図ることができる液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置を提供することである。
【００１２】
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、液体が流される管路内の液体中にバブル径が十分に小さいマイクロバブルを効率的に発生させることができる流体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決すべく理論的研究および実験的研究を鋭意行った結果、液体金属ターゲットに液体金属を供給するための管路に複数の旋回流型マイクロバブル発生器を並列に設けることにより、液体金属中に所望の大きさのマイクロバブルを所望の濃度で効率的に発生させることができることを見出し、この発明を案出するに至った。また、管路に複数の旋回流型マイクロバブル発生器を並列に設ける技術は、液体金属ターゲットに限られることではなく、より一般的には液体が流される管路に所望の大きさのマイクロバブルを所望の濃度で効率的に発生させる場合全般に有効である。
【００１４】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
液体金属が流される管路に上記管路を閉塞するように設けられる閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた複数の旋回流型マイクロバブル発生器とを有する液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置である。
【００１５】
この発明においては、複数の旋回流型マイクロバブル発生器により発生される旋回流の旋回方向は互いに逆であっても互いに同じであってもよく、管路の断面形状などを考慮して必要に応じて選ばれる。複数の旋回流型マイクロバブル発生器により発生される旋回流の旋回方向を互いに逆にすることにより、管路内全体で見た場合に渦の消失が可能となるので、各旋回流型マイクロバブル発生器から噴出される液体金属中のマイクロバブル同士が合体してマイクロバブルの径が増大してしまうのを防止することができ、ひいてはバブル径が極めて小さいマイクロバブルを発生させることができる。また、複数の旋回流型マイクロバブル発生器により発生される旋回流の旋回方向を互いに同じにすることにより、これらの旋回流型マイクロバブル発生器のうちの互いに隣接する旋回流型マイクロバブル発生器同士でこれらの旋回流型マイクロバブル発生器から噴出される旋回流による流れを互いに打ち消すことができ、それによってマイクロバブルの合体を防止することができ、バブル径が極めて小さいマイクロバブルを発生させることができる。典型的には、これらの旋回流型マイクロバブル発生器は互いに大きさが同一の一種類の旋回流型マイクロバブル発生器からなるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、これらの旋回流型マイクロバブル発生器が互いに大きさが異なる二種類以上の旋回流型マイクロバブル発生器からなるようにしてもよい。
【００１６】
旋回流型マイクロバブル発生器としては、渦崩壊を利用してマイクロバブルを発生させる旋回流型マイクロバブル発生器が用いられる。この旋回流型マイクロバブル発生器の構成および動作の詳細は特許文献２、３に開示されている。この旋回流型マイクロバブル発生器の概要を説明すると、この旋回流型マイクロバブル発生器は、旋回流発生用翼体を管の内部に収容した旋回流発生用翼型ノズルと、この旋回流発生用翼型ノズルと同軸に結合された、縮流部と渦崩壊部とを有する渦崩壊用ノズルとを有し、上記の縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記の渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるものである。旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、ヘリウム、アルゴンなどである。
【００１７】
液体金属ターゲットは、典型的には、外部から液体金属が供給される第１の管路および液体金属を外部に排出する第２の管路を有し、内部に液体金属が流される容器と、上記第１の管路に上記第１の管路を閉塞するように設けられる閉塞部材と、上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた複数の旋回流型マイクロバブル発生器とを有する。第１の管路および第２の管路の断面形状は特に限定されるものではなく、必要に応じて選ばれるが、典型的には、第１の管路の断面形状は矩形に選ばれ、このときこの第１の管路を閉塞する閉塞部材の形状も矩形である。液体金属としては各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、例えば、液体水銀や液体鉛−ビスマスなどを用いることができる。
【００１８】
また、この発明は、
液体が流される管路と、
上記管路に上記管路を閉塞するように設けられる閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた複数の旋回流型マイクロバブル発生器とを有する流体装置である。
【００１９】
この流体装置においては、管路に流され、マイクロバブルを発生させる液体は、基本的にはどのようなものであってもよく、具体的には、例えば、水（温水を含む）、各種の有機溶剤（アルコール、アセトン、トルエンなど）、石油、ガソリンなどの液体燃料などである。旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、水素、ヘリウム、アルゴンなどである。
【００２０】
この流体装置は、マイクロバブルを利用する装置であれば基本的にはどのようなものであってもよく、液体金属ターゲットも含む。
この流体装置の発明においては、その性質に反しない限り、上記の液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置の発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、液体金属あるいは液体が流される管路を閉塞する閉塞部材の複数箇所に複数の旋回流型マイクロバブル発生器を設けることにより、単一の旋回流型マイクロバブル発生器を設ける場合に比べて、この管路内における液体金属あるいは液体の流路断面積を大きくすることができ、液体金属あるいは液体の流量を大きくすることができる。また、バブル径が極めて小さいマイクロバブルを発生させることができる。また、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を設けることにより、単一の旋回流型マイクロバブル発生器を設ける場合に比べて、各旋回流型マイクロバブル発生器の長さを小さくすることができ、旋回流型マイクロバブル発生器での圧力損失を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の第１の実施の形態によるＪ−ＰＡＲＣ次世代核破砕中性子源の液体水銀ターゲットを示す斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態によるＪ−ＰＡＲＣ次世代核破砕中性子源の液体水銀ターゲットを示す平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態によるＪ−ＰＡＲＣ次世代核破砕中性子源の液体水銀ターゲットにおいて用いられる複数並列配置の旋回流型マイクロバブル発生器の一例および比較例としての単一の旋回流型マイクロバブル発生器を用いた例を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態によるＪ−ＰＡＲＣ次世代核破砕中性子源の液体水銀ターゲットにおいて用いられる複数並列配置の旋回流型マイクロバブル発生器の一例を示す断面図である。
【図６】液体水銀ターゲットの液体水銀中にバブルを注入する場合のバブル半径およびボイド率αと液体水銀ターゲットへのパルス陽子ビームの入射により液体水銀中に発生する圧力波との関係を数値解析により求めた結果を示す略線図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態によるＪ−ＰＡＲＣ次世代核破砕中性子源の液体水銀ターゲットの評価のために作製された容器を示す平面図である。
【図８】図７に示す容器を用いて行った実験により得られた結果を示す略線図である。
【図９】図７に示す容器を用いて行った実験により得られた結果を示す図面代用写真である。
【図１０】図７に示す容器を用いて行った実験により得られた結果を示す略線図である。
【図１１】図７に示す容器を用いて行った実験により得られた結果を示す略線図である。
【図１２】図７に示す容器を用いて行った実験により得られた結果を示す略線図である。
【図１３】図７に示す容器を用いて行った実験により得られた結果を示す略線図である。
【図１４】この発明の第２の実施の形態による旋回流型マイクロバブル発生装置を示す縦断面図および横断面図である。
【図１５】次世代核破砕中性子源にパルス陽子ビームが照射される場合の問題点を説明するための略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」という。）について説明する。
図１〜図３はこの発明の第１の実施の形態によるＪ−ＰＡＲＣ次世代核破砕中性子源の液体水銀ターゲットを示し、図１は斜視図、図２は平面図、図３は図２のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。
【００２４】
図１〜図３に示すように、液体水銀ターゲットは前半部１０と後半部２０とからなる。前半部１０は平たく、前端に向かって先すぼまりの平面形状を有する中空容器からなる。前半部１０の中心軸に対して垂直な断面形状は矩形である。前半部１０の後端には前半部１０の中心軸に対して対称な位置に往路の管路１２および復路の管路１３が設けられている。管路１２は後半部２０の管路２２と接続され、管路１３は後半部２０の管路２３と接続されている。そして、外部から後半部２０の管路２２を通って前半部１０の管路１２に液体水銀が供給され、前半部１０の内部を通った後、前半部１０の管路１３および後半部２０の管路２３を通って外部に液体水銀が排出されるようになっている。前半部１０の管路１２の下流部には前半部１０の側壁にほぼ平行に三枚の整流板１４〜１６が設けられている。また、前半部１０の管路１３には前半部１０の側壁にほぼ平行に三枚の整流板１７〜１９が設けられている。整流板１４〜１６と整流板１７〜１９とは前半部１０の中心軸に対して対称に設けられている。整流板１４〜１９は液体水銀の流れを整流し、管路１２から前半部１０に供給され、管路１３から外部に排出される液体水銀の流れを安定的に生成するためのものである。
【００２５】
前半部１０の管路１２に、この管路１２を閉塞する閉塞部材３１に、複数の旋回流型マイクロバブル発生器３２をこの閉塞部材３１を貫通して並列配置で設けた旋回流型マイクロバブル発生装置３３が設けられている。閉塞部材３１に設けられる旋回流型マイクロバブル発生器３２の数および配置は必要に応じて選ばれるが、図３においては、一例として、閉塞部材３１に旋回流型マイクロバブル発生器３２が上下二段かつ左右に三列、計６個設けられている例が示されている。これらの旋回流型マイクロバブル発生器３２は、これらの旋回流型マイクロバブル発生器３２により発生される旋回流の旋回方向が互いに同じ、あるいは互いに逆になるように設計される。これらの旋回流型マイクロバブル発生器３２により発生される旋回流の旋回方向を互いに同じにすることで、これらの旋回流型マイクロバブル発生器３２のうちの互いに隣接する一対の旋回流型マイクロバブル発生器３２の間の領域では旋回流による流れが互いに打ち消しあうため、マイクロバブルの合体を抑制することができ、マイクロバブルの径を小さくすることができる。一方、これらの旋回流型マイクロバブル発生器３２により発生される旋回流の旋回方向を互いに逆にすることで、管路１２の内部の外周に沿う循環が０となり、旋回流型マイクロバブル発生器３２の下流において、マイクロバブルの合体を抑制することができ、マイクロバブルの径を小さくすることができる。図４Ａに、閉塞部材３１に６個の旋回流型マイクロバブル発生器３２が上下二段、左右に三列、上下方向および左右方向に等間隔に設けられた例が示されている。図４Ｂに比較例として、閉塞部材３１の中心に単一の旋回流型マイクロバブル発生器３２が設けられた例が示されている。
【００２６】
閉塞部材３１に複数の旋回流型マイクロバブル発生器３２を設けた場合には、閉塞部材３１に単一の旋回流型マイクロバブル発生器３２を設けた場合に比べて種々の利点を得ることができる。例えば、液体水銀が通る流路の断面積を効率的に確保することができる。具体的には、例えば、外径が７６ｍｍの単一の旋回流型マイクロバブル発生器３２を設けた場合の流路の断面積（タービン翼型ノズルのリング状の流路の断面積。翼の断面積は無視。以下同様。）は３４０２ｍｍ2 であるのに対し、外径が３２ｍｍの旋回流型マイクロバブル発生器３２を６個設けた場合の流路の合計の断面積は３６１９ｍｍ2 と大きくなる。また、１個の旋回流型マイクロバブル発生器３２を小口径化することができるとともに、長さを短くすることができる。例えば、外径が７６ｍｍの単一の旋回流型マイクロバブル発生器３２を設けた場合の旋回流型マイクロバブル発生器３２の長さは２４０ｍｍであるのに対し、外径が３２ｍｍの旋回流型マイクロバブル発生器３２を６個設けた場合の各旋回流型マイクロバブル発生器３２の長さは６０ｍｍと小さくすることができる。また、このように旋回流型マイクロバブル発生器３２を小口径化することができることにより、この旋回流型マイクロバブル発生器３２において旋回流の中心に入れる気柱の半径を小さくすることができるため、この旋回流型マイクロバブル発生器３２により発生されるマイクロバブルの径を小さくすることができる。また、旋回流型マイクロバブル発生器３２の長さを短くすることができるため、液体水銀が通る流路における旋回流型マイクロバブル発生器３２での圧力損失の低減を図ることができる。また、流路の断面における旋回流型マイクロバブル発生器３２の設置位置の自由度を高くすることができる。
【００２７】
図５は閉塞部材３１に設けられた複数の旋回流型マイクロバブル発生器３２の断面形状を示す。図５に示すように、旋回流型マイクロバブル発生器３２は、タービン翼型ノズル３４および渦崩壊用ノズル３５からなる。タービン翼型ノズル３４は、円柱状の本体の前方（上流側）を半球状に成形し、この本体の外周面の長手方向に複数の、例えば３枚の翼３４ａをそれらの後方（下流側）が彎曲するように設け、背面に気体の噴射孔３４ｂを設けたものである。渦崩壊用ノズル３５は、テーパー状に成形した縮流部３５ａに管状の渦崩壊部３５ｂを連接したものである。この旋回流型マイクロバブル発生器３２においては、上流から流れてくる液体水銀をタービン翼型ノズル３４による円周方向に向けて旋回流を形成するとともに旋回流の中心に気柱を噴出させ、この旋回流を渦崩壊用ノズル３５で縮流して渦崩壊させる。より詳細には、上流から流れてくる液体水銀は、タービン翼型ノズル３４によって中心部が閉塞されるため、流速の増した液体水銀流となる。この液体水銀流は、タービン翼型ノズル３４の外周面に存在する溝に沿って流れ、タービン翼型ノズル３４の円周方向に向きを変えられることにより旋回流となって渦流部３５ｃを進む。渦流部３５ｃでは、タービン翼型ノズル３４の噴射孔３４ｂから放出された気柱が旋回流とともに螺旋状に流れる。渦崩壊用ノズル３５に入ると、旋回流は縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブルとなって渦崩壊用ノズル３５の出口から放出される。噴射孔３４ｂはタービン翼型ノズル３４の本体、翼３４ａおよび前半部１０の上部の壁に設けられた通路３６を通って給気孔３７と連通している。旋回流型マイクロバブル発生器３２の下流に旋回流抑止ノズル３８が設置されることもある。旋回流抑止ノズル３８としては、特許文献４に開示された圧力遮断用ノズル（例えば、同文献の図４７に示すもの。）を用いることができる。
【００２８】
液体水銀ターゲットの液体水銀中にバブルを注入する場合のバブル半径およびボイド率αと液体水銀ターゲットへのパルス陽子ビームの入射により液体水銀中に発生する圧力波との関係を数値解析により求めた結果を図６に示す。図６中、ボイド率αは液体水銀の体積に占めるバブルの全体積の割合（％）、単相は液体水銀にバブルが含まれない場合を示す。図６の横軸はバブル半径、縦軸は規格化ピーク圧力（液体水銀にマイクロバブルが含まれる場合の圧力波のピーク値ＰV を液体水銀にマイクロバブルが含まれない場合の圧力波のピーク値ＰS で除した値（ＰV ／ＰS ））である。図６より明らかなように、バブルの直径Ｄb ＜１００μｍ、ボイド率α＞０．１％とすることにより、圧力波を１／１０以下に低減することができる。
【００２９】
図１〜図３に示す液体水銀ターゲットの前半部１０とほぼ同様な形状を有し、上面が透明アクリル板により構成された実験用の容器（液体水銀ターゲットの実機と同サイズの水銀容器（Target Test Facility, ＴＴＦ））を作製した。図７にこの容器４０を示す。この容器４０の全長は約１０００ｍｍ、幅は約５００ｍｍ、内部の空間の高さは８０ｍｍである。容器４０の内部には図１に示す液体水銀ターゲットの前半部１０の整流板１４〜１９と同様な整流板４１〜４６が設けられている。この容器４０の入口には導入管４７が設けられ、出口には排出管４８が設けられている。導入管４７の途中に、閉塞部材に複数の旋回流型マイクロバブル発生器が設けられた旋回流型マイクロバブル発生装置４９が設置されている。旋回流型マイクロバブル発生装置４９としては、６個の旋回流型マイクロバブル発生器を有するものを用意した。旋回流型マイクロバブル発生装置４９とは別に、閉塞部材に単一の旋回流型マイクロバブル発生器を設けたものも用意した。また、旋回流型マイクロバブル発生装置４９の各旋回流型マイクロバブル発生器の前面に旋回流抑止ノズルを設けたものと設けないものとの二種類を用意した。同様に、閉塞部材に単一の旋回流型マイクロバブル発生器を設けたものの前面に旋回流抑止ノズルを設けたものと設けないものとの二種類を用意した。
【００３０】
導入管４７から旋回流型マイクロバブル発生装置４９を通して容器４０内に水を流し、容器４０の先端付近の位置Ａの水中に発生するバブルの半径Ｒb （Ｄb ／２）を容器４０の内部の底面からの高さｚの関数として測定した。その結果を図８に示す。水の流量ＱH2O ＝５Ｌ／ｓである。図８中、●、■はバブル半径Ｒb の測定値の平均値を示す。図８より、単一の旋回流型マイクロバブル発生器を用いた場合には旋回流抑止ノズルを用いないとマイクロバブルの径を小さくすることができないのに対し、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９では、旋回流抑止ノズルを用いないでもバブルの径を小さくすることができることが分かる。これは、旋回流によるバブルの合体を防止することができるためである。
【００３１】
複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９で旋回流抑止ノズルを用いない場合に、図７の位置Ｂにおいて水中に発生するバブルの様子を観察した。その結果を図９Ａに示す。図９Ａに示すように、旋回流抑止ノズルを用いた場合と同様な径および濃度のマイクロバブルが発生していることが分かる。比較のために、単一の旋回流型マイクロバブル発生器において旋回流抑止ノズルを用いない場合に、図７の位置Ｂにおいて水中に発生するバブルの様子を観察した結果を図９Ｂに示す。図９Ｂに示すように、旋回流によりバブルが合体することにより、バブルの径が大きく、かつ濃度が小さいことが分かる。
【００３２】
次に、旋回流型マイクロバブル発生装置４９を設置した場合の水中の圧力損失を測定した結果について説明する。図１０は、単一の旋回流型マイクロバブル発生器を設置した場合に、旋回流抑止ノズルを用いた場合と用いない場合とについて旋回流型マイクロバブル発生器の入口における等価速度Ｖinに対して水中の圧力損失ΔＰH20 を測定した結果を示す（図１０の左の縦軸）。図１０中、ＱＬは流量を示す。図１０には、水の代わりに液体水銀を用いた場合の液体水銀中の圧力損失ΔＰHgも併せて示す（図１０の右の縦軸）。ΔＰHgは液体水銀の比重１３．５をΔＰH20 に掛けることで得られるものである。図１０に示すように、旋回流抑止ノズルを用いた場合に比べて旋回流抑止ノズルを用いない場合の方がΔＰH20 およびΔＰHgは小さい。旋回流抑止ノズルを用いた場合の抵抗係数Ｃd ＝４７．７７４、旋回流抑止ノズルを用いない場合の抵抗係数Ｃd ＝３４．３０７である。図１１は、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９を設置した場合に、旋回流抑止ノズルを用いた場合と用いない場合とについて旋回流型マイクロバブル発生装置４９の入口における等価速度Ｖinに対して水中の圧力損失ΔＰH20 を測定した結果を示す（図１１の左の縦軸）。図１１中、ＱＬは流量を示す。図１１には、水の代わりに液体水銀を用いた場合の液体水銀中の圧力損失ΔＰHgも併せて示す（図１１の右の縦軸）。ΔＰHgは液体水銀の比重１３．５をΔＰH20 に掛けることで得られるものである。図１１に示すように、旋回流抑止ノズルを用いた場合に比べて旋回流抑止ノズルを用いない場合の方がΔＰH20 およびΔＰHgは小さいが、ΔＰH20 およびΔＰHgとも、単一の旋回流型マイクロバブル発生器を用いた場合に比べて小さくなっている。旋回流抑止ノズルを用いた場合の抵抗係数Ｃd ＝３３．０６、旋回流抑止ノズルを用いない場合の抵抗係数Ｃd ＝１６．９５６である。図１０および図１１の結果より、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９を用いた場合には、旋回流抑止ノズルを用いないでも、ΔＰH20 およびΔＰHgを十分に小さくすることができることが分かる。また、旋回流抑止ノズルを用いないでもよいので、旋回流抑止ノズルの設置位置の検討が不要である。
【００３３】
次に、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９を用いた場合において、図７の位置Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔにおける液体水銀中のバブル分布を旋回流抑止ノズルを用いた場合と用いない場合とについて調べた結果について説明する。ただし、液体水銀の流量は７．５Ｌ／ｓとし、旋回流型マイクロバブル発生器における注入ガスとしてはヘリウム（Ｈｅ）を用い、ガス注入量を０．１ｖｏｌ．％とした。図７の位置Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔにおける液体水銀中のバブル分布の測定結果を図１２Ａ〜Ｅに示す。図１２Ａ〜Ｅより、旋回流抑止ノズルを用いた場合には、容器４０の先端部よりも上流でバブルが多く浮上するのに対し、旋回流抑止ノズルを用いない場合には、容器４０の先端部でバブルが多く浮上する傾向があることが分かる。また、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９を用い、しかも各旋回流型マイクロバブル発生器により発生させる旋回流の旋回方向を同じにすることにより、旋回流型マイクロバブル発生装置４９から遠く離れた所までマイクロバブルを輸送することが可能であることが分かる。
【００３４】
図１３は旋回流型マイクロバブル発生装置４９の入口における液体水銀の速度Ｖinに対する液体水銀中の圧力損失ΔＰの変化を測定した結果を示す。図１３より、複数の旋回流型マイクロバブル発生器を有する旋回流型マイクロバブル発生装置４９を用い、しかも各旋回流型マイクロバブル発生器により発生させる旋回流の旋回方向を同じにすることにより、単一の旋回流型マイクロバブル発生器を用いる場合に比べて液体水銀中の圧力損失を小さくすることができることが分かる。また、旋回流抑止ノズルを用いた場合に比べて、旋回流抑止ノズルを用いない場合の方が液体水銀中の圧力損失を小さくすることができることも分かる。
【００３５】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、液体水銀ターゲットの前半部１０の管路１２に複数の旋回流型マイクロバブル発生器３２を有する旋回流型マイクロバブル発生装置３３が設けられていることにより、液体水銀中に、取り分けパルス陽子ビームが入射する前半部１０の先端部の液体水銀中に、十分に小さいマイクロバブルを所望の濃度でしかも効率的に発生させることができる。例えば、バブルの直径Ｄb ＜１００μｍ、ボイド率α＞０．１％とすることができる。このため、この液体水銀ターゲットを用いた次世代核破砕中性子源においては、この液体水銀ターゲットへのパルス陽子ビームの入射により液体水銀中に発生する圧力波の大幅な低減を図ることができる。具体的には、例えば圧力波を１／１０以下に低減することができる。これによって、液体水銀ターゲットの損傷を防止することができ、液体水銀ターゲットの寿命の大幅な向上を図ることができる。
【００３６】
次に、この発明の第２の実施の形態による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。この旋回流型マイクロバブル発生装置は水が流される管路に取り付けられる水栓品として用いられるものである。
図１５ＡおよびＢはこの旋回流型マイクロバブル発生装置を示し、図１５Ａは縦断面図、図１５Ｂは図１５ＡのＢ−Ｂ線に沿っての横断面図である。
【００３７】
図１５ＡおよびＢに示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置においては、この旋回流型マイクロバブル発生装置が取り付けられる管路を閉塞する円柱状の閉塞部材５１にこの閉塞部材５１を貫通して４個の旋回流型マイクロバブル発生器５２が設けられている。これらの旋回流型マイクロバブル発生器５２は、閉塞部材５１の中心軸の周りの一つの円周上に９０度間隔で設けられている。
【００３８】
各旋回流型マイクロバブル発生器５２は、前半部５３ａと後半部５３ｂとからなる旋回流発生用翼体５３とこの旋回流発生用翼体５３と同軸に設けられた渦崩壊用ノズル５４とを有する。前半部５３ａは後半の半分が円筒状になっており、後半部５３ｂおよび渦崩壊用ノズル５４はこの円筒状の部分の内部に収容されている。渦崩壊用ノズル５４は、縮流部５４ａと渦崩壊部５４ｂとを有する。前半部５３ａの内部には、図１４Ｂに示す断面において閉塞部材５１の中心軸と各旋回流型マイクロバブル発生器５２の中心軸とを結ぶ直線の両側に対称的にかつ各旋回流型マイクロバブル発生器５２の中心軸の方向に延在して一対の水の通路５５ａ、５５ｂが設けられている。また、前半部５３ａの前端には通路５５ａ、５５ｂに水を案内するための凹部５６が設けられている。後半部５３ｂは１８０度間隔で設けられた２枚の翼５６ａ、５６ｂからなる。後半部５３ｂの後端には噴射孔５７が設けられている。この噴射孔５７は後半部５３ｂの中心軸に沿って設けられた通路５８と繋がっている。通路５８は前半部５３ａの中心軸およびこの中心軸に垂直な半径方向に沿って設けられたＬ字型の通路５９と繋がっている。この通路５９が前半部５３ａの外周面に抜けた所が給気孔６０である。
【００３９】
閉塞部材５１の側面には金属スペーサ６１が取り付けられている。この場合、金属スペーサ６１の外周面には雄ねじ６１ａが設けられているとともに、閉塞部材５１の側面には雌ねじ５１ａが設けられており、雌ねじ５１ａが雄ねじ６１ａにねじ込まれることにより金属スペーサ６１が閉塞部材５１の側面に取り付けられている。また、金属スペーサ６１の内周面には雌ねじ６１ｂが設けられている。そして、この金属スペーサ６１の内周面の雌ねじ６１ｂに給気用ねじ６２の雄ねじ６２ａがねじ込まれている。金属スペーサ６１の内周面の雌ねじ６１ｂと給気用ねじ６２の雄ねじ６２ａとの間には隙間があり、この隙間および給気用ねじ６２の先端部の下の空間を介して外部の空気と給気孔６０とが連通し、さらに通路５９、５８を通って噴射孔５７と連通している。閉塞部材５１と旋回流発生用翼体５３の前半部５３ａの外周面との間にはＯリング６３が挟み込まれており、このＯリング６３により、閉塞部材５１と旋回流発生用翼体５３の前半部５３ａの外周面との間の隙間から外部の空気が前半部５３ａの内部の通路５９の内部に入るのを防止することができるようになっている。
【００４０】
この旋回流型マイクロバブル発生装置は、例えば、図１４Ａにおいて一点鎖線で示すように、管７１と管７２との間に挿入されて使用される。そして、この旋回流型マイクロバブル発生装置により、これらの管７１、７２に流される水中にマイクロバブルを効率的に発生させることができる。
この第２の実施の形態によれば、管７１、７２に流される水中に十分に小さいマイクロバブルを所望の濃度でしかも効率的に発生させることができる。
【００４１】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０…前半部、１２、１３…管路、１４〜１９…整流板、２０…後半部、２２、２３…管路、３１…閉塞部材、３２…旋回流型マイクロバブル発生器、３３…旋回流型マイクロバブル発生装置、３４…旋回流発生用翼型ノズル、３５…渦崩壊用ノズル、３５ａ…縮流部、３５ｂ…渦崩壊部、３８…旋回流抑止ノズル
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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