(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を加圧溶解させた加圧液を対象液中に噴出することにより、前記対象液中に前記気体の微細気泡を生成する微細気泡生成ノズルであって、
ノズル流路の中心軸を中心とする円錐面の一部である内面を有し、加圧液の流れる方向に向かって流路面積が漸次減少するテーパ部と、
略円筒面状の内面を有し、前記対象液に向かって開口する噴出口と前記テーパ部とを連絡し、ノズル流路において流路面積が最も小さい喉部と、
前記噴出口の周囲を前記噴出口から離間して囲むことにより、前記噴出口と前記対象液との間における加圧液の流路面積を拡大する拡大部と、
を備え、
前記テーパ部、前記喉部および前記拡大部が、前記中心軸上に連続して設けられ、
前記拡大部の内面が、
前記噴出口を中心とする円環状の噴出口端面と、
前記中心軸を中心とする略円筒面状であり、前記噴出口端面と前記拡大部の端部に設けられた拡大部開口との間の外部流路を形成する内側面と、
を備え、
前記中心軸を含む断面において、前記テーパ部の前記内面の成す角度が、９０°以下であり、
前記喉部の長さが、前記喉部の直径の１．１倍以上１０倍以下であることを特徴とする微細気泡生成ノズル。
【請求項２】
請求項１に記載の微細気泡生成ノズルであって、
前記噴出口の中心を通り、前記拡大部開口に接する接線と、前記中心軸との成す角度が、１４．３°以上であることを特徴とする微細気泡生成ノズル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微細気泡生成ノズルであって、
前記噴出口端面と前記中心軸との成す角度が９０°であることを特徴とする微細気泡生成ノズル。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の微細気泡生成ノズルであって、
加圧液を前記ノズル流路ともう１つのノズル流路に分岐させる分岐部と、
前記テーパ部および前記喉部と同様の構造を有し、前記もう１つのノズル流路を形成するもう１組のテーパ部および喉部と、
前記拡大部と同様の構造を有し、前記もう１つのノズル流路に連続するもう１つの外部流路を形成するもう１つの拡大部と、
をさらに備えることを特徴とする微細気泡生成ノズル。
【請求項５】
微細気泡生成装置であって、
請求項１ないし４のいずれかに記載の微細気泡生成ノズルと、
加圧液を生成して前記微細気泡生成ノズルに供給する加圧液生成部と、
を備えることを特徴とする微細気泡生成装置。
【請求項６】
請求項５に記載の微細気泡生成装置であって、
前記加圧液生成部が、
前記気体と液体とを混合して噴出する混合ノズルと、
前記混合ノズルから噴出された後の混合流体が加圧環境下にて流れるとともに、前記混合流体に前記混合ノズルから噴出された直後の混合流体が衝突する第１流路と、
前記第１流路の下方に位置し、前記第１流路から落下した前記混合流体が加圧環境下にて流れる第２流路と、
を備えることを特徴とする微細気泡生成装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の微細気泡生成装置であって、
前記加圧液生成部と前記微細気泡生成ノズルとを接続する接続配管と、
前記接続配管に設けられて前記接続配管内の加圧液の圧力を調整する調整弁と、
前記加圧液生成部内の圧力を測定する圧力センサと、
前記圧力センサからの出力に基づいて前記調整弁を制御する弁制御部と、
をさらに備えることを特徴とする微細気泡生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体を加圧溶解させた加圧液を対象液中に噴出することにより、対象液中に気体の微細気泡を生成する微細気泡生成ノズル、および、当該微細気泡生成ノズルを備える微細気泡生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直径が１ｍｍ以下の微細な気泡を含む液体が多様な分野で利用されており、液体中に微細気泡を発生させる様々な装置が提案されている。例えば、特許文献１の微細気泡発生装置では、流体旋回室内において気体と液体とが混合された混合流体を高速に旋回させ、旋回流に発生する剪断力により気泡が微細化される。そして、微細化された気泡が液体と共に供給される。
【０００３】
また、特許文献２の気液溶解混合装置では、管路を流れる混合流体が、ベンチュリ管を有する再分配器を通過した後、端面に複数のノズル孔が設けられたノズル部から噴出される。再分配器では、液体と管路の上部に集まった気泡とが、ベンチュリ管の喉部にて加速される。また、当該液体と気泡とは、ノズル部のダクト内において混合された後、気泡が液体内に分布した状態で、複数のノズル孔から噴出される。ノズル孔は、ダクトに比べて小さいため、ノズル孔を通過する液体は加速されて静圧が低くなる。このため、液体中に溶解している気体が微小気泡として析出する。また、液体に溶解していない気泡も、ノズル孔で加速される際の流れの乱れ等により細分化される。特許文献２によれば、再分配器の喉部の断面積は、複数のノズル孔の総断面積の約１．５倍であることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１２９２９０号公報
【特許文献２】特公平６−９３９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、直径が１μｍ未満の微細気泡（いわゆる、ナノバブル）を含む液体が、多様な分野において注目されており、微細気泡を安定して大量に生成し、微細気泡を含む液体を様々な流量で供給する技術が求められている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置では、旋回流を発生させる構造が複雑で設計パラメータが多いため、供給流量を変更した場合、微細気泡を安定的に生成するための設計に多大な時間を要する。また、供給流量を増大させる場合、水槽等に気泡と液体とを供給するためのノズルに加わる力が大きくなってしまう。ノズルに加わる力を軽減するために、生成された気泡を複数のノズルに分配することが考えられるが、特許文献１の装置では、装置の僅かな傾きによっても、生成された気泡が一方に偏ってしまい、複数のノズルにより均等に安定して気泡を供給することができない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、微細気泡を安定して生成することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、気体を加圧溶解させた加圧液を対象液中に噴出することにより、前記対象液中に前記気体の微細気泡を生成する微細気泡生成ノズルであって、ノズル流路の中心軸を中心とする円錐面の一部である内面を有し、加圧液の流れる方向に向かって流路面積が漸次減少するテーパ部と、略円筒面状の内面を有し、前記対象液に向かって開口する噴出口と前記テーパ部とを連絡し、ノズル流路において流路面積が最も小さい喉部と、前記噴出口の周囲を前記噴出口から離間して囲むことにより、前記噴出口と前記対象液との間における加圧液の流路面積を拡大する拡大部と、を備え、前記テーパ部、前記喉部および前記拡大部が、前記中心軸上に連続して設けられ、前記拡大部の内面が、前記噴出口を中心とする円環状の噴出口端面と、前記中心軸を中心とする略円筒面状であり、前記噴出口端面と前記拡大部の端部に設けられた拡大部開口との間の外部流路を形成する内側面とを備え、前記中心軸を含む断面において、前記テーパ部の前記内面の成す角度が、９０°以下であり、前記喉部の長さが、前記喉部の直径の１．１倍以上１０倍以下である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の微細気泡生成ノズルであって、前記噴出口の中心を通り、前記拡大部開口に接する接線と、前記中心軸との成す角度が、１４．３°以上である。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の微細気泡生成ノズルであって、前記噴出口端面と前記中心軸との成す角度が９０°である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の微細気泡生成ノズルであって、加圧液を前記ノズル流路ともう１つのノズル流路に分岐させる分岐部と、前記テーパ部および前記喉部と同様の構造を有し、前記もう１つのノズル流路を形成するもう１組のテーパ部および喉部と、前記拡大部と同様の構造を有し、前記もう１つのノズル流路に連続するもう１つの外部流路を形成するもう１つの拡大部とをさらに備える。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、微細気泡生成装置であって、請求項１ないし４のいずれかに記載の微細気泡生成ノズルと、加圧液を生成して前記微細気泡生成ノズルに供給する加圧液生成部とを備える。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の微細気泡生成装置であって、前記加圧液生成部が、前記気体と液体とを混合して噴出する混合ノズルと、前記混合ノズルから噴出された後の混合流体が加圧環境下にて流れるとともに、前記混合流体に前記混合ノズルから噴出された直後の混合流体が衝突する第１流路と、前記第１流路の下方に位置し、前記第１流路から落下した前記混合流体が加圧環境下にて流れる第２流路とを備える。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の微細気泡生成装置であって、前記加圧液生成部と前記微細気泡生成ノズルとを接続する接続配管と、前記接続配管に設けられて前記接続配管内の加圧液の圧力を調整する調整弁と、前記加圧液生成部内の圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサからの出力に基づいて前記調整弁を制御する弁制御部とをさらに備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、微細気泡を安定して生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態に係る微細気泡生成装置の断面図である。
【図２】混合ノズルの拡大断面図である。
【図３】微細気泡生成ノズルの拡大断面図である。
【図４】他の微細気泡生成装置の断面図である。
【図５】他の微細気泡生成ノズルの拡大断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係る微細気泡生成ノズルの断面図である。
【図７】他の微細気泡生成装置の一部を示す断面図である。
【図８】第３の実施の形態に係る微細気泡生成ノズルの断面図である。
【図９】微細気泡生成ノズルの正面図である。
【図１０】微細気泡生成ノズルの背面図である。
【図１１】第４の実施の形態に係る微細気泡生成ノズルの平面図である。
【図１２】微細気泡生成ノズルの正面図である。
【図１３】微細気泡生成ノズルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微細気泡生成装置１を示す断面図である。微細気泡生成装置１は、微細気泡生成ノズル２、加圧液生成部３および接続配管４を備える。接続配管４は、微細気泡生成ノズル２と加圧液生成部３とを接続する。加圧液生成部３は、気体を加圧溶解させた加圧液７１を生成し、接続配管４を介して微細気泡生成ノズル２に供給する。微細気泡生成ノズル２は、加圧液７１を水槽９１中の対象液９２中に噴出することにより、対象液９２中に上記気体の微細気泡を生成する。本実施の形態に係る微細気泡生成装置１では、水に空気を加圧溶解させた加圧液７１を、水である対象液９２中に噴出することにより、直径が１μｍ未満の空気の微細気泡（いわゆる、ナノバブル）を対象液９２中に生成する。図１では、図の理解を容易にするために、対象液９２等の流体に破線にて平行斜線を付す（図４および図７においても同様）。
【００２０】
加圧液生成部３は、混合ノズル３１および加圧液生成容器３２を備える。加圧液生成部３では、図示省略のポンプにより混合ノズル３１に圧送された液体（本実施の形態では、水）と、外部から吸引された気体（本実施の形態では、空気）とが、混合ノズル３１により混合され、加圧液生成容器３２内に向けて噴出される。加圧液生成容器３２内は加圧されて大気圧よりも圧力が高い状態（以下、「加圧環境」という。）となっており、混合ノズル３１から噴出された液体と気体とが混合された流体（以下、「混合流体７２」という。）が、加圧液生成容器３２内を加圧環境下にて流れる間に、気体が液体に加圧溶解して加圧液７１が生成される。
【００２１】
図２は、混合ノズル３１を拡大して示す断面図である。混合ノズル３１は、上述のポンプにより圧送された液体が流入する液体流入口３１１、気体が流入する気体流入口３１９、並びに、液体流入口３１１から流入した液体および気体流入口３１９から流入した気体が混合された混合流体７２（図１参照）を噴出する混合流体噴出口３１２を備える。液体流入口３１１、気体流入口３１９および混合流体噴出口３１２はそれぞれ略円形である。液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かうノズル流路３１０の流路断面、および、気体流入口３１９からノズル流路３１０に向かう気体流路３１９１の流路断面も略円形である。流路断面とは、ノズル流路３１０や気体流路３１９１等の流路の中心軸に垂直な断面、すなわち、流路を流れる流体の流れに垂直な断面を意味する。また、以下の説明では、流路断面の面積を「流路面積」という。ノズル流路３１０は、流路面積が流路の中間部で小さくなるベンチュリ管状である。
【００２２】
混合ノズル３１は、液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かって順に連続して配置される導入部３１３、第１テーパ部３１４、喉部３１５、気体混合部３１６、第２テーパ部３１７および導出部３１８を備える。混合ノズル３１は、また、内部に気体流路３１９１が設けられた気体供給部３１９２を備える。
【００２３】
導入部３１３では、流路面積は、ノズル流路３１０の中心軸Ｊ１方向の各位置においてほぼ一定である。第１テーパ部３１４では、液体の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。喉部３１５では、流路面積はほぼ一定である。喉部３１５の流路面積は、ノズル流路３１０において最も小さい。なお、ノズル流路３１０では、喉部３１５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部３１５と捉えられる。気体混合部３１６では、流路面積はほぼ一定であり、喉部３１５の流路面積よりも少し大きい。第２テーパ部３１７では、下流側に向かって流路面積が漸次増大する。導出部３１８では、流路面積はほぼ一定である。気体流路３１９１の流路面積もほぼ一定であり、気体流路３１９１は、ノズル流路３１０の気体混合部３１６に接続される。
【００２４】
混合ノズル３１では、液体流入口３１１からノズル流路３１０に流入した液体が、喉部３１５で加速されて静圧が低下し、喉部３１５および気体混合部３１６において、ノズル流路３１０内の圧力が大気圧よりも低くなる。これにより、気体流入口３１９から気体が吸引され、気体流路３１９１を通過して気体混合部３１６に流入し、液体と混合されて混合流体７２（図１参照）が生成される。混合流体７２は、第２テーパ部３１７および導出部３１８において減速されて静圧が増大し、混合流体噴出口３１２を介して加圧液生成容器３２内に噴出される。
【００２５】
図１に示すように、加圧液生成容器３２は、上下方向に積層される第１流路３２１、第２流路３２２、第３流路３２３、第４流路３２４および第５流路３２５を備える。以下の説明では、第１流路３２１、第２流路３２２、第３流路３２３、第４流路３２４および第５流路３２５をまとめて指す場合、「流路３２１〜３２５」と呼ぶ。流路３２１〜３２５は、水平方向に延びる管路であり、流路３２１〜３２５の長手方向に垂直な断面は略矩形である。本実施の形態では、流路３２１〜３２５の幅は、約４０ｍｍである。
【００２６】
第１流路３２１の上流側の端部（すなわち、図１中の左側の端部）には、混合ノズル３１が取り付けられており、混合ノズル３１から噴出された後の混合流体７２は、加圧環境下にて図１中の右側に向かって流れる。本実施の形態では、混合ノズル３１から噴出された直後の混合流体７２は、第１流路３２１内の混合流体７２の液面よりも上方から噴出し、第１流路３２１の下流側の壁面（すなわち、図１中の右側の壁面）に衝突する前に、上記液面に直接衝突する。混合ノズル３１から噴出された混合流体７２を液面に直接衝突させるためには、第１流路３２１の長さを、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２（図２参照）の中心と第１流路３２１の下面との間の上下方向の距離の７．５倍よりも大きくすることが好ましい。
【００２７】
加圧液生成部３では、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２の一部または全体が、第１流路３２１内の混合流体７２の液面よりも下側に位置してもよい。これにより、上述と同様に、第１流路３２１内において、混合ノズル３１から噴出された直後の混合流体７２が、第１流路３２１内を流れる混合流体７２に直接衝突する。
【００２８】
第１流路３２１の下流側の端部の下面には、略円形の開口３２１ａが設けられており、第１流路３２１を流れる混合流体７２は、第１流路３２１の下方に位置する第２流路３２２へと開口３２１ａを介して落下する。第２流路３２２では、第１流路３２１から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の右側から左側へと流れ、第２流路３２２の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２２ａを介して、第２流路３２２の下方に位置する第３流路３２３へと落下する。第３流路３２３では、第２流路３２２から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の左側から右側へと流れ、第３流路３２３の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２３ａを介して、第３流路３２３の下方に位置する第４流路３２４へと落下する。図１に示すように、第１流路３２１〜第４流路３２４では、混合流体７２は、気泡を含む液体の層と、その上方に位置する気体の層に分かれている。
【００２９】
第４流路３２４では、第３流路３２３から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の右側から左側へと流れ、第４流路３２４の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２４ａを介して、第４流路３２４の下方に位置する第５流路３２５へと流入（すなわち、落下）する。第５流路３２５では、第１流路３２１〜第４流路３２４とは異なり、気体の層は存在しておらず、第５流路３２５内に充満する液体内において、第５流路３２５の上面近傍に気泡が僅かに存在する状態となっている。第５流路３２５では、第４流路３２４から流入した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の左側から右側へと流れる。
【００３０】
加圧液生成部３では、加圧液生成容器３２の流路３２１〜３２５を、段階的に緩急を繰り返しつつ上から下に流れ落ちる（すなわち、水平方向への流れと下方向への流れとを交互に繰り返しつつ流れる）混合流体７２において、気体が液体に徐々に加圧溶解する。第５流路３２５においては、液体中に溶解している気体の濃度は、加圧環境下における当該気体の（飽和）溶解度の６０％〜９０％にほぼ等しい。そして、液体に溶解しなかった余剰な気体が、第５流路３２５内において、視認可能な大きさの気泡として存在している。
【００３１】
加圧液生成容器３２は、第５流路３２５の下流側の上面から上方へと延びる余剰気体分離部３２６をさらに備え、余剰気体分離部３２６には混合流体７２が充満している。余剰気体分離部３２６の上下方向に垂直な断面は略矩形であり、余剰気体分離部３２６の上端部は、圧力調整用の絞り部３２７を介して大気開放されている。第５流路３２５を流れる混合流体７２の気泡は、余剰気体分離部３２６内を上昇して大気中に放出される。このように、混合流体７２から余剰な気体が分離されることにより、少なくとも容易に視認できる大きさの気泡を実質的に含まない加圧液７１が生成され、第５流路３２５の下流側の端部（ずなわち、図１中の右側の端部）に接続された接続配管４へと送出される。本実施の形態では、加圧液７１には、大気圧下における気体の（飽和）溶解度の約２倍以上の気体が溶解している。加圧液生成容器３２において流路３２１〜３２５を流れる混合流体７２の液体は、生成途上の加圧液７１と捉えることもできる。
【００３２】
微細気泡生成装置１は、調整弁５１、圧力センサ５２および弁制御部５３をさらに備える。調整弁５１は、接続配管４に設けられて接続配管４内の加圧液７１の圧力を調整する。圧力センサ５２は、第１流路３２１の上方に配置され、加圧液生成部３の加圧液生成容器３２内の圧力を測定する。第１流路３２１の上方には、排気弁６１も設けられる。微細気泡生成装置１では、圧力センサ５２から出力された加圧液生成容器３２内の圧力の測定値が、予め定められた所定の圧力（好ましくは、０．１ＭＰａ〜０．４５ＭＰａ）となるように、弁制御部５３により調整弁５１が制御される。換言すれば、弁制御部５３は、圧力センサ５２からの出力に基づいて調整弁５１を制御する。接続配管４を通過した加圧液７１は、微細気泡生成ノズル２に流入する。
【００３３】
図３は、微細気泡生成ノズル２を拡大して示す断面図である。微細気泡生成ノズル２は、接続配管４から加圧液７１が流入する加圧液流入口２１、および、対象液９２に向かって開口する加圧液噴出口２２を備える。加圧液流入口２１および加圧液噴出口２２はそれぞれ略円形であり、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かうノズル流路２０の流路断面も略円形である。
【００３４】
微細気泡生成ノズル２は、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かって順に連続して配置される導入部２３、テーパ部２４および喉部２５を備える。導入部２３では、流路面積は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２方向の各位置においてほぼ一定である。テーパ部２４では、加圧液７１（図１参照）の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。テーパ部２４の内面は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする略円錐面の一部である。当該中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αは、１０°以上９０°以下であることが好ましい。
【００３５】
喉部２５は、テーパ部２４と加圧液噴出口２２とを連絡する。喉部２５の内面は略円筒面であり、喉部２５では、流路面積はほぼ一定である。喉部２５における流路断面の直径は、ノズル流路２０において最も小さく、喉部２５の流路面積は、ノズル流路２０において最も小さい。喉部２５の長さは、好ましくは、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下であり、より好ましくは、１．５倍以上２倍以下である。なお、ノズル流路２０では、喉部２５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部２５と捉えられる。
【００３６】
微細気泡生成ノズル２は、また、喉部２５に連続して設けられ、加圧液噴出口２２の周囲を加圧液噴出口２２から離間して囲む拡大部２７、および、拡大部２７の端部に設けられた拡大部開口２８を備える。加圧液噴出口２２と拡大部開口２８との間の流路２９は、加圧液噴出口２２の外部に設けられた流路であり、以下、「外部流路２９」という。外部流路２９の流路断面および拡大部開口２８は略円形であり、外部流路２９の流路面積はほぼ一定である。外部流路２９の直径は、喉部２５の直径（すなわち、加圧液噴出口２２の直径）よりも大きい。以下の説明では、拡大部２７の内周面の加圧液噴出口２２側のエッジと加圧液噴出口２２のエッジとの間の円環状の面を、「噴出口端面２２１」という。本実施の形態では、ノズル流路２０および外部流路２９の中心軸Ｊ２と噴出口端面２２１との成す角度は約９０°である。また、外部流路２９の直径は１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外部流路２９の長さは、外部流路２９の直径におよそ等しい。微細気泡生成ノズル２では、加圧液流入口２１とは反対側の端部に、凹部である外部流路２９が形成され、当該凹部の底部に、当該底部よりも小さい開口である加圧液噴出口２２が形成されている、と捉えられる。拡大部２７では、加圧液噴出口２２と水槽９１内の対象液９２との間における加圧液７１の流路面積が拡大される。
【００３７】
微細気泡生成ノズル２では、加圧液流入口２１からノズル流路２０に流入した加圧液７１が、テーパ部２４において徐々に加速されつつ喉部２５へと流れ、喉部２５を通過して加圧液噴出口２２から噴流として噴出される。喉部２５における加圧液７１の流速は、好ましくは秒速１０ｍ〜３０ｍであり、本実施の形態では、秒速約２０ｍである。喉部２５では、加圧液７１の静圧が低下するため、加圧液７１中の気体が過飽和となって微細気泡として液中に析出する。微細気泡は、加圧液７１と共に拡大部２７の外部流路２９を通過して、水槽９１中の対象液９２中へと拡散する。微細気泡生成ノズル２では、加圧液７１が外部流路２９を通過する間にも、微細気泡の析出が生じる。微細気泡生成ノズル２にて生成される微細気泡は、直径が１μｍ未満のいわゆるナノバブルである。なお、微細気泡生成ノズル２からの液体および微細気泡の噴出が停止されている場合、外部流路２９は対象液９２により満たされる。
【００３８】
以上に説明したように、微細気泡生成ノズル２では、加圧液７１の流れる方向に向かって流路面積が漸次減少するテーパ部２４、および、ノズル流路２０において流路面積が最も小さい喉部２５が設けられることにより、微細気泡、特に、直径が１μｍ未満の微細気泡（ナノバブル）を安定して大量に生成することができる。日本カンタム・デザイン株式会社のナノサイトによる計測では、微細気泡生成ノズル２により、直径が約１００ｎｍを中心として１μｍ未満の範囲に分布するナノバブルが、１ｃｍ３の対象液９２中に１億〜２億個程度生成される。以下の説明では、微細気泡生成ノズル２により生成されたナノバブルの１ｃｍ３の対象液９２中における個数を、「ナノバブルの生成密度」という。
【００３９】
微細気泡生成ノズル２では、加圧液噴出口２２の周囲を囲む拡大部２７が設けられることにより、水槽９１内における対象液９２の流れが、加圧液噴出口２２から噴出された直後の加圧液７１に対して影響を与えることを抑制することができる。これにより、加圧液噴出口２２からの噴出直後の加圧液７１においても、ナノバブルの析出が安定して行われるため、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。
【００４０】
上述のように、微細気泡生成ノズル２では、テーパ部２４の内面が、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする円錐面の一部であり、中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αが９０°以下である。これにより、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。また、微細気泡生成ノズル２の導入部２３および喉部２５の直径を維持しつつ微細気泡生成ノズル２の長さを短くするという観点からは、テーパ部２４の内面の成す角度αが１０°以上であることが好ましい。
【００４１】
微細気泡生成ノズル２では、喉部２５の長さが、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下である。喉部２５の長さが直径の１．１倍以上であることにより、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。例えば、喉部２５の長さが直径の０．５３倍である場合のナノバブルの生成密度は約５６００万個であるのに対し、喉部２５の長さが直径の１．５７倍である場合のナノバブルの生成密度は約１１０００万個である。また、喉部２５の長さが直径の１０倍以下であることにより、喉部２５において加圧液７１に生じる抵抗が過剰に大きくなることを防止することができるとともに、喉部２５の高精度な形成を容易とすることもできる。ナノバブルをより一層安定して大量に生成するという観点からは、喉部２５の長さが直径の１．５倍以上２倍以下であることが、さらに好ましい。
【００４２】
図１に示す微細気泡生成装置１では、微細気泡の生成を停止する際には、加圧液生成部３の混合ノズル３１に液体を圧送するポンプの駆動が停止される。そして、当該ポンプから混合ノズル３１への液体の流れが停止するまでの間に排気弁６１が開放される。これにより、加圧液生成容器３２内の加圧された気体が、排気弁６１を介して外部へと放出される。その結果、加圧液生成容器３２内の気体の膨張により液体が混合ノズル３１およびポンプへと逆流することを防止することができる。
【００４３】
図４は、接続配管４に設けられる調整弁５１の他の好ましい配置を示す図である。微細気泡生成装置１では、接続配管４が、加圧液生成容器３２と微細気泡生成ノズル２とを接続する主管４１、および、主管４１に接続される支管４２を備え、調整弁５１は、接続配管４の支管４２に設けられる。この場合も、上述と同様に、弁制御部５３により、調整弁５１が圧力センサ５２からの出力に基づいて制御されることにより、加圧液生成容器３２内の圧力が、予め定められた所定の圧力となる。
【００４４】
上述の微細気泡生成ノズル２では、拡大部２７の内側面は、外部流路２９の中心軸Ｊ２を中心とする略円筒面であるが、本発明に関連する技術では、他の形状とされてもよい。図５は、関連技術に係る微細気泡生成ノズル２を示す断面図であり、上述の図３に対応する。図５に示すように、微細気泡生成ノズル２では、拡大部２７の内側面が、外部流路２９の中心軸Ｊ２を中心とする略円錐面の一部であり、外部流路２９の流路面積が加圧液噴出口２２から離れるに従って漸次増大する。図５に示す例では、外部流路２９の中心軸Ｊ２を含む断面において、加圧液噴出口２２の中心を通って拡大部２７に接する接線２７２と、当該中心軸Ｊ２との成す角度βは、およそ４５°である。
【００４５】
外部流路２９の内側面は、略円筒面や略円錐面以外の形状であってもよい。ただし、上述の角度βは、１４．３°以上であることが好ましい。これにより、加圧液噴出口２２から噴出される加圧液７１の噴流に対して、外部流路２９の内側面が与える影響を低減することができ、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る微細気泡生成装置について説明する。第２の実施の形態に係る微細気泡生成装置では、図３に示す微細気泡生成ノズル２に代えて、図６に示す微細気泡生成ノズル２ａが設けられる。その他の構成は、図１に示す微細気泡生成装置１と同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
【００４７】
図６に示すように、微細気泡生成ノズル２ａは、導入部２３、分岐部２３１、並びに、２組のテーパ部２４、喉部２５および拡大部２７を備える。２組のテーパ部２４、喉部２５および拡大部２７は、互いに同様の構造を有する。微細気泡生成ノズル２ａでは、１組のテーパ部２４および喉部２５により１つのノズル流路２０が形成され、もう１組のテーパ部２４および喉部２５により、上記ノズル流路２０に平行に延びるもう１つのノズル流路２０が形成される。また、１つの拡大部２７により外部流路２９が形成され、もう１つの拡大部２７によりもう１つの外部流路２９が形成される。各ノズル流路２０および各外部流路２９の形状は、第１の実施の形態と同様である。
【００４８】
微細気泡生成ノズル２ａでは、接続配管４から流入した加圧液７１（図１参照）は、導入部２３の共通流路２３２を通過し、微細気泡生成ノズル２ａの中心軸Ｊ３上に設けられた分岐部２３１により２つのノズル流路２０に分岐する。各ノズル流路２０では、喉部２５において加圧液７１から微細気泡が析出し、加圧液７１と共に各ノズル流路２０の加圧液噴出口２２から噴出される。そして、拡大部２７の外部流路２９を通過して対象液９２（図１参照）中へと拡散する。微細気泡生成ノズル２ａでは、２つの加圧液噴出口２２から同じ方向に向けて加圧液７１が噴出される。
【００４９】
微細気泡生成ノズル２ａでは、複数のノズル流路２０および複数の加圧液噴出口２２を設けることにより、各加圧液噴出口２２の直径を大きくすることなく、あるいは、直径の増大を抑制しつつ、対象液９２に対する加圧液７１の供給量を増大させることができる。これにより、加圧液７１の噴出により微細気泡生成ノズル２ａに加わる力の増大を抑制することができる。また、水槽９１（図１参照）および微細気泡生成装置の大型化を抑制することができる。このように、微細気泡生成ノズル２ａを利用することにより、加圧液７１の流量の変更、すなわち、微細気泡の供給量の変更に容易に対応することができる。
【００５０】
微細気泡生成ノズル２ａでは、分岐部２３１よりも上流側において気体は加圧液７１中に溶解しており、加圧液７１中に均等に存在している。したがって、分岐部２３１により複数のノズル流路２０に分岐する際に、気体がいずれかのノズル流路２０に偏ってしまうことが防止される。その結果、複数の加圧液噴出口２２から噴出される微細気泡の量を均等とすることができる。
【００５１】
図７は、微細気泡生成ノズル２ａが２つ設けられた微細気泡生成装置１ａの一部を示す断面図である。図７に示すように、微細気泡生成装置１ａでは、接続配管４が２つの配管４３に分岐され、各配管４３の先端に微細気泡生成ノズル２ａが設けられる。微細気泡生成装置１ａでは、接続配管４内において気体は加圧液７１中に溶解しており、加圧液７１中に均等に存在している。したがって、複数の配管４３に分岐する際に、気体がいずれかの配管４３に偏ってしまうことが防止される。その結果、複数の微細気泡生成ノズル２ａから噴出される微細気泡の量を均等とすることができる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る微細気泡生成装置について説明する。図８は、第３の実施の形態に係る微細気泡生成装置の微細気泡生成ノズル２ｂの断面図である。図９は、微細気泡生成ノズル２ｂを拡大部開口２８側から見た正面図であり、図１０は、微細気泡生成ノズル２ｂを加圧液流入口２１側から見た背面図である。第３の実施の形態に係る微細気泡生成装置では、図３に示す微細気泡生成ノズル２に代えて、図８ないし図１０に示す微細気泡生成ノズル２ｂが設けられる。その他の構成は、図１に示す微細気泡生成装置１と同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
【００５３】
図８ないし図１０に示すように、微細気泡生成ノズル２ｂは、導入部２３、分岐部２３１、並びに、６組のテーパ部２４、喉部２５および拡大部２７を備える。６組のテーパ部２４、喉部２５および拡大部２７は、同様の構造を有する。微細気泡生成ノズル２ｂでは、６組のテーパ部２４および喉部２５により、互いに平行に延びる６つのノズル流路２０が形成され、６つの拡大部２７により６つの外部流路２９が形成される。分岐部２３１は、微細気泡生成ノズル２ｂの中心軸Ｊ４を中心とする円錐状であり、頂点が加圧液流入口２１を向く。６組のノズル流路２０および外部流路２９は、微細気泡生成ノズル２ｂの中心軸Ｊ４を中心として円周状に、例えば、等間隔に配置される。各ノズル流路２０および各外部流路２９の形状は、第１の実施の形態と同様である。
【００５４】
微細気泡生成ノズル２ｂでは、接続配管４から流入した加圧液７１は、導入部２３の共通流路２３２を通過し、分岐部２３１により６つのノズル流路２０に分岐する。各ノズル流路２０では、喉部２５において加圧液７１から微細気泡が析出し、加圧液７１と共に各ノズル流路２０の加圧液噴出口２２から噴出される。そして、拡大部２７の外部流路２９を通過して対象液９２中へと拡散する。微細気泡生成ノズル２ｂでは、６つの加圧液噴出口２２から同じ方向に向けて加圧液７１が噴出される。
【００５５】
微細気泡生成ノズル２ｂでは、複数のノズル流路２０および複数の加圧液噴出口２２を設けることにより、微細気泡生成ノズル２ａ（図６参照）と同様に、加圧液７１の流量の変更、すなわち、微細気泡の供給量の変更に容易に対応することができる。また、複数の加圧液噴出口２２から噴出される微細気泡の量を均等とすることができる。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る微細気泡生成装置について説明する。図１１および図１２はそれぞれ、第４の実施の形態に係る微細気泡生成装置の微細気泡生成ノズル２ｃの平面図および正面図である。図１３は、微細気泡生成ノズル２ｃを図１２中のＡ−Ａの位置にて切断した断面図である。第４の実施の形態に係る微細気泡生成装置では、図３に示す微細気泡生成ノズル２に代えて、図１１ないし図１３に示す微細気泡生成ノズル２ｃが設けられる。また、加圧液７１を供給する接続配管４が微細気泡生成ノズル２ｃの上端に接続された状態で、微細気泡生成ノズル２ｃが水槽９１の上部開口から対象液９２中に沈められる。その他の構成は、図１に示す微細気泡生成装置１と同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
【００５７】
図１１ないし図１３に示すように、微細気泡生成ノズル２ｃは、導入部２３、４つの分岐部２３１、並びに、４組のテーパ部２４、喉部２５および拡大部２７を備える。４組のテーパ部２４、喉部２５および拡大部２７は、同様の構造を有する。微細気泡生成ノズル２ｃでは、４組のテーパ部２４および喉部２５により４つのノズル流路２０が形成され、４つの拡大部２７により４つの外部流路２９が形成される。各ノズル流路２０および各外部流路２９の形状は、第１の実施の形態と同様である。４組のノズル流路２０および外部流路２９は、上下方向に延びる導入部２３の共通流路２３２の中心軸Ｊ５を中心として放射状に配置される。隣接する各２つのノズル流路２０の中心軸Ｊ２が成す角度は９０°である。４つの分岐部２３１は、共通流路２３２の中心軸Ｊ５を中心とする円周上において、隣接する各２つのテーパ部２４の間に配置される。
【００５８】
微細気泡生成ノズル２ｃでは、接続配管４から流入した加圧液７１は、導入部２３の共通流路２３２を通過し、４つの分岐部２３１により４つのノズル流路２０に分岐する。各ノズル流路２０では、喉部２５において加圧液７１から微細気泡が析出し、加圧液７１と共に各ノズル流路２０の加圧液噴出口２２から噴出される。そして、拡大部２７の外部流路２９を通過して対象液９２中へと拡散する。微細気泡生成ノズル２ｃでは、４つの加圧液噴出口２２から水平方向に向けて放射状に加圧液７１が噴出される。
【００５９】
微細気泡生成ノズル２ｃでは、複数のノズル流路２０および複数の加圧液噴出口２２を設けることにより、微細気泡生成ノズル２ａ（図６参照）と同様に、加圧液７１の流量の変更、すなわち、微細気泡の供給量の変更に容易に対応することができる。また、複数の加圧液噴出口２２から噴出される微細気泡の量を均等とすることができる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００６１】
本願発明の関連技術に係る微細気泡生成ノズルでは、テーパ部２４の内面は必ずしも略円錐面の一部である必要はなく、例えば、テーパ部２４の内面が、略円錐面よりも内側に凸状に膨らむ曲面や、略円錐面よりも外側に凹状に膨らむ曲面であってもよい。また、加圧液噴出口２２から噴出された直後の加圧液７１が、水槽９１内における対象液９２の流れの影響をあまり受けないように微細気泡生成ノズルが配置されるのであれば、微細気泡生成ノズルから拡大部２７が省略されてもよい。
【００６２】
加圧液生成部３では、混合ノズル３１から供給される気体が、接続配管４に到達するまでに全て液体に溶解するのであれば、余剰気体分離部３２６は省略されてもよい。加圧液生成容器３２では、５つの流路３２１〜３２５は、必ずしも上下方向に積層される必要はなく、各流路における混合流体の流れる方向が同じになるように、階段状に配置されてもよい。また、流路の数も５つには限定されず、様々に変更されてよい。ただし、混合ノズル３１が取り付けられる流路から落下した混合流体が流れるもう１つの流路が設けられることにより、液体に加圧溶解する気体の量を増大させることができる。
【００６３】
加圧液生成部は、上述の構造を有するものには限定されず、様々な構造を有するものが利用されてよい。例えば、加圧されたタンクの上部から液体を噴霧すると同時に気体を送り込み、タンク内にて加圧溶解が行われる加圧タンクが加圧液生成部として利用されてもよい。また、上記実施の形態では、混合ノズル３１において、気体混合部３１６におけるノズル流路３１０内の圧力が大気圧よりも低くなることにより、気体流入口３１９から気体が吸引されるが、気体流入口３１９にボンベ等が接続されることにより、気体混合部３１６におけるノズル流路３１０内の圧力が大気圧以上の状態で、気体流入口３１９を介して気体混合部３１６に気体が供給されてもよい。
【００６４】
上述の微細気泡生成装置は、直径が１μｍ以上１ｍｍ未満の微細気泡（いわゆる、マイクロバブル）の生成に利用されてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、マイクロバブルを安定して大量に生成することができる。
【００６５】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００６６】
１，１ａ    微細気泡生成装置
２，２ａ〜２ｃ    微細気泡生成ノズル
３    加圧液生成部
４    接続配管
２０    ノズル流路
２２    加圧液噴出口
２４    テーパ部
２５    喉部
２７    拡大部
３１    混合ノズル
５１    調整弁
５２    圧力センサ
５３    弁制御部
７１    加圧液
７２    混合流体
９２    対象液
２３１    分岐部
２７２    接線
３２１    第１流路
３２２    第２流路
３２３    第３流路
３２４    第４流路
３２５    第５流路
Ｊ２    中心軸
【図１】
0005825852.tif 000002
【図２】
0005825852.tif 000003
【図３】
0005825852.tif 000004
【図４】
0005825852.tif 000005
【図５】
0005825852.tif 000006
【図６】
0005825852.tif 000007
【図７】
0005825852.tif 000008
【図８】
0005825852.tif 000009
【図９】
0005825852.tif 000010
【図１０】
0005825852.tif 000011
【図１１】
0005825852.tif 000012
【図１２】
0005825852.tif 000013
【図１３】
0005825852.tif 000014