(57)【要約】【課題】ウォータージェットにおけるキャビテーションを効果的に促進することのできるキャビテーションリアクター用ノズルを提供する。【解決手段】有害化合物を含む処理すべき高圧水２をリアクター１９内の周囲水中にキャビテーションを伴う水中水噴流７として噴出孔５から噴出するノズルにおいて、噴出孔５の先端部に拡大空洞部１０を形成し、拡大空洞部１０の内側にキャビテーション核供給部１１を設けたことを特徴とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲水が満たされたリアクターと、有害化合物を含む処理すべき水を高圧水にするポンプと、その高圧水を前記リアクター内の周囲水中に噴出するキャビテーションノズルを備え、
前記処理すべき高圧水をそのキャビテーションノズルからキャビテーションを伴う水中水噴流として噴出して、そのウォータージェットに発生するキャビテーションにより前記有害化合物を浄化処理する水質浄化装置において、
前記キャビテーションノズルの噴出孔の先端部に噴出孔よりも径大の拡大空洞部を形成し、その拡大空洞部の内側にキャビテーション核供給部を設けたことを特徴とする水質浄化装置。
【請求項２】
請求項１記載の水質浄化装置において、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面から内側に向けて突出した突出型キャビテータであることを特徴とする水質浄化装置。
【請求項３】
請求項１記載の水質浄化装置において、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面に窪み状に形成された窪み型キャビテータであることを特徴とする水質浄化装置。
【請求項４】
有害化合物を含む処理すべき高圧水をリアクター内の周囲水中にキャビテーションを伴う水中水噴流として噴出孔から噴出して、そのウォータージェットに発生するキャビテーションにより前記有害化合物を浄化処理するキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、
前記噴出孔の先端部に噴出孔よりも径大の拡大空洞部を形成し、その拡大空洞部の内側にキャビテーション核供給部を設けたことを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項５】
請求項４記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面から内側に向けて突出した突出型キャビテータであることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項６】
請求項５記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記突出型キャビテータの拡大空洞部内面からの突出長さが前記噴出孔の中心軸まで到達しない長さであることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記突出型キャビテータが拡大空洞部の周方向に沿って複数設けられていることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項８】
請求項７記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記拡大空洞部内面からの突出長さが異なる複数の突出型キャビテータが設けられていることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項９】
請求項８記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記突出長さが異なる突出型キャビテータが交互に設けられていることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項１０】
請求項４記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面に窪み状に形成された窪み型キャビテータであることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項１１】
請求項１０記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記窪み型キャビテータが前記拡大空洞部の周方向に沿って延びていることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【請求項１２】
請求項４記載のキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記拡大空洞部が釣り鐘型、円錐型あるいは円筒型のいずれかの形状をしていることを特徴とするキャビテーションリアクター用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォータージェットで発生するキャビテーションを利用してリアクター内で化学反応による有害化合物の分解や殺菌などの浄化処理を行なう水質浄化装置に係り、特にウォータージェット用のノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中に溶解している有害な有機化合物、例えば代表的な発癌性地下水汚染物質であるトリクロロエチレンやテトラクロロエチレンは、キャビテーションの作用で無害な物質へと分解することができる。またキャビテーションを利用すると、病原性大腸菌や耐塩素性の病原性微生物であるクリプトスポリジウム（原虫の一種）も、細胞破壊によって水を無害化することができる。
【０００３】
キャビテーションを発生させる手段の一つに超音波法があるが、エネルギー効率が高くないというきらいがある。この他に、攪拌羽根のようなロータを水中が高速旋回させる方法もあるが、最も容易に連続的にしかも著しく激しいキャビテーションを発生させることができるのは、水中にウォータージェットを高速で吹き出す方法である。
【０００４】
高圧水をノズルから水中に噴出すると、水中ウォータージェットには激しいキャビテーションが発生する。キャビテーションの強さや浄化水処理量は、ノズルの噴出孔径や高圧ポンプ（プランジャポンプや遠心ポンプを用いる）における吐出圧力によって容易に調整することができる。
【０００５】
この技術において重要なポイントは、ウォータージェットにおいていかに激しいキャビテーションを作り出すかである。そのキー・デバイスは言うまでもなくノズルである。図１１から図１４に従来のキャビテーションリアクター用ノズルを示す。これらのノズルはいずれも、ウォータージェットにキャビテーションを発生させるために提案されたものである。
【０００６】
図１１に示す第１のノズル１は、高圧水供給流路３から噴出孔５にかけて径が徐々に小さくなった径収縮部４を形成した構造になっている。図中の２は高圧水である。
【０００７】
図１２に示す第２のノズル１’は、高圧水供給流路３から噴出孔５にかけて急激に径が小さくなっており、噴出孔５の入口に強い縮流を作り出し、そこに生じるはく離泡８からキャビテーションの気泡核をキャビテーションを伴う水中水噴流７の中へ供給させようとするタイプである。図中の６は周囲水、９は核供給である。
【０００８】
図１３に示す第３のノズル１”は、噴出孔５の出口に円錐型の空洞部１２を設け、この空洞部１２内においてキャビテーションを伴う水中水噴流７の周囲に循環渦１３を作り出し、キャビテーションを促進させようとするタイプである。
【０００９】
図１４に示す第４のノズル１”’は、前記円錐型の空洞部１２を円筒型の空洞部１４に置き換えたものであり、基本的な機能は図１３に示すノズル１”と同様である。図中の１５は循環渦である。
【００１０】
以上のように各種ノズルが提案されているが、いずれのノズルもキャビテーションの促進効果は十分でない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のノズルの問題点は、キャビテーションの威力が乏しいことにある。水中ウォータージェットに生じるキャビテーションを促進する手段はいくつかあるが、最も合理的な手段は「キャビテーション核（Ｎｕｃｌｅｉ）の供給」である。なぜなら、キャビテーションには、核無しでは非常に生じ難い、換言すれば分子欠陥のみによる均質核生成は極めて生じ難い性質が有るからである。従ってこの性質を利用して、積極的にキャビテーション核（Ｎｕｃｌｅｉ）を供給すれば、キャビテーションの大幅な促進が図れる。しかも、ノズルの圧力損失を高めたりエネルギーコストが高くならない核供給手段が好ましい。
【００１２】
本発明の目的は、このような考え方に基づき、ウォータージェットにおけるキャビテーションを効果的に促進することのできる水質浄化装置ならびにそれに用いるキャビテーションリアクター用ノズルを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１の手段は、周囲水が満たされたリアクターと、有害化合物を含む処理すべき水を高圧水にするポンプと、その高圧水を前記リアクター内の周囲水中に噴出するキャビテーションノズルを備え、前記処理すべき高圧水をそのキャビテーションノズルからキャビテーションを伴う水中水噴流として噴出して、そのウォータージェットに発生するキャビテーションにより前記有害化合物を浄化処理する水質浄化装置において、前記キャビテーションノズルの噴出孔の先端部に噴出孔よりも径大の拡大空洞部を形成し、その拡大空洞部の内側にキャビテーション核供給部を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面から内側に向けて突出した突出型キャビテータであることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面に窪み状に形成された窪み型キャビテータであることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第４の手段は、有害化合物を含む処理すべき高圧水をリアクター内の周囲水中にキャビテーションを伴う水中水噴流として噴出孔から噴出して、そのウォータージェットに発生するキャビテーションにより前記有害化合物を浄化処理するキャビテーションリアクター用ノズルにおいて、前記噴出孔の先端部に噴出孔よりも径大の拡大空洞部を形成し、その拡大空洞部の内側にキャビテーション核供給部を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第５の手段は前記第４の手段において、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面から内側に向けて突出した突出型キャビテータであることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第６の手段は前記第５の手段において、前記突出型キャビテータの拡大空洞部内面からの突出長さが前記噴出孔の中心軸まで到達しない長さであることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第７の手段は前記第５の手段または第６の手段において、前記突出型キャビテータが拡大空洞部の周方向に沿って複数設けられていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第８の手段は前記第７の手段において、前記拡大空洞部内面からの突出長さが異なる複数の突出型キャビテータが設けられていることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第９の手段は前記第８の手段において、前記突出長さが異なる突出型キャビテータが交互に設けられていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第１０の手段は前記第４の手段において、前記キャビテーション核供給部が、前記拡大空洞部の内面に窪み状に形成された窪み型キャビテータであることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、前記窪み型キャビテータが前記拡大空洞部の周方向に沿って延びていることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第１２の手段は前記第４の手段において、前記拡大空洞部が釣り鐘型、円錐型あるいは円筒型のいずれかの形状をしていることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明は前述のような構成になっており、前記拡大空洞部において、水中水噴流の周囲には循環渦が生じる。前述の突出型キャビテータの先端部をこの噴流の界面に接触させたり、あるいは循環渦内に挿入すると、突出型キャビテータの後流に空洞（キャビティ）が生じる。この空洞は水中から析出した気体であって、流れの作用により次々と微細な気泡へと分裂する。これらの微細気泡が、キャビテーションの気泡核（Ｎｕｃｌｅｉ）である。気泡核は、循環渦上流に生じた場合はその流れに乗って、あるいは噴流の界面に生じた場合は噴流に巻き込まれる（エントレン）ように、噴流中に連続的に供給される。噴流中に流入した気泡核は、爆発的に成長して激しいキャビテーションとなり、噴流全体に生じるキャビテーションの威力を高める。
【００２６】
このような作用によってキャビテーション効率が高まるので、結果的に水中の有害化合物の分解や殺菌などの浄化処理が促進されることになる。なお、キャビテータは、キャビテーションの核を作り出すものであって、キャビテータには激しい壊食性のキャビテーションは生じない。従って、キャビテータの使用耐久性は特に劣ることなく、ノズル本体の耐用寿命とほぼ同等である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図とともに説明する。図１は第１実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの断面図、図２はそのノズルの正面図である。
【００２８】
高圧水２はノズル１ａの高圧水供給流路３を通じて導かれ、径収縮部（絞り）で急減圧・加速されて、噴出孔５から高速ウォータージェットとして噴出する。
噴出孔５の先端には、噴出孔５よりも径大の釣り鐘型（ドーム型）の拡大空洞部１０を設けている。拡大空洞部１０は、ノズル１ａと一体あるいは別体になっている。
【００２９】
この拡大空洞部１０の出口付近には、複数本（本実施形態では図２に示すように６本）の円柱状あるいは角柱状（本実施形態では円柱状）のキャビテータ１１が中心方向に向いて等間隔（６０度ピッチ）に設けられている。このキャビテータ１１は、長いものでも拡大空洞部１０の内面からの突出長さが噴出孔５の中心軸まで到達しない長さに設定されている。
【００３０】
この実施形態における噴出孔５の孔径（Ｄｊ）は１．０ｍｍ、拡大空洞部１０の出口径（Ｄｏ）は１６ｍｍ、突出型キャビテータ１１の拡大空洞部内面からの突出長さ（Ｌ）は４ｍｍ、突出型キャビテータ１１の径（ｄｃ）は１．６ｍｍである。
【００３１】
このキャビテータ１１は、具体的には例えば拡大空洞部１０の所定の位置に貫通孔を形成し、その貫通孔にキャビテータ１１の端部を挿入して溶接することにより、拡大空洞部１０の内側に設置、固定される。また拡大空洞部１０の所定の位置にネジ孔を形成し、そのネジ孔にキャビテータ１１の端部を螺挿して溶接することにより、拡大空洞部１０の内側に設置、固定することもできる。
【００３２】
図３は、第２実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの正面図である。この実施形態では同じ長さを有する４本の突出型キャビテータ１１が、拡大空洞部１０の円周方向に沿って等間隔（９０度ピッチ）に設けられている。
【００３３】
図４は、第３実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの正面図である。この実施形態では２本の長い突出型キャビテータ１１ａと２本の短い突出型キャビテータ１１ｂが交互に、拡大空洞部１０の円周方向に沿って等間隔（９０度ピッチ）に設けられている。
【００３４】
図５は、第４実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの正面図である。この実施形態では３本の長い突出型キャビテータ１１ａと３本の短い突出型キャビテータ１１ｂが交互に、拡大空洞部１０の円周方向に沿って等間隔（６０度ピッチ）に設けられている。
【００３５】
図６は、前記実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルを備えた水質浄化装置の概略構成図である。バッファタンク２４内の汚染原水である試供水２３は試供水供給ライン２５を通じてプランジャポンプ１６へ送られ、所定の圧力（１５０〜７００ｋｇｆ／ｃｍ２　）まで加圧される。このようにして加圧された高圧水２は、高圧ホース１７を通じて、リアクター１９に供給される。
【００３６】
リアクター１９の入口にはノズルマウント１８があり、この先端部にノズル１ａ（１ｂ，１ｃ，１ｄ）が取り付けられている。前記高圧水２がこのノズル１ａ（１ｂ，１ｃ，１ｄ）からキャビテーションを伴う水中水噴流７として噴出される。リアクター１９の内部には水が周囲水６として充満しているため、リアクター１９の内部では噴流７に激しいキャビテーションが発生する。このキャビテーションの作用によって、水中の有害化合物が分解されたり、あるいは病原性菌が殺菌される。
【００３７】
このようにして処理の済んだ水は、排出ライン２０を通じて処理済み水２２として系外へ送られる。処理効果が所定のレベルまで至らなかった場合は、切替弁２１の操作によってバッファタンク２４に戻され、再びリアクター１９においてキャビテーションによる処理が行なわれる。
【００３８】
図８は、本発明によるキャビテーションリアクター用ノズルにおける現象を模式的に示した図である。拡大空洞部１０の内側のキャビテーションを伴う水中水噴流７の中心を境にして、上側に短い突出型キャビテータ１１ｂが、下側に長い突出型キャビテータ１１ａが、それぞれ設置された例を示している。
【００３９】
同図に示されているように短い突出型キャビテータ１１ｂの先端部は、循環渦３１に接触する。この作用によって、短い突出型キャビテータ１１ｂの後流側（循環渦３１の流れ方向としては後流側であるが、ノズル１ａの構造上は上流側）に空洞が生じて、これが気泡核生成３２となる。この空洞から微細気泡３０が次々と分裂し、循環渦３１に乗じて、キャビテーションを伴う水中水噴流７の根元付近に流入する。これらの微細気泡３０は気泡核となり得るので、噴流７の内部で爆発的に成長し、激しいキャビテーションとなる。
【００４０】
一方、長い突出型キャビテータ１１ａは、循環渦３１を貫通し、キャビテーションを伴う水中水噴流７の界面に接触する。ここでもキャビテータ１１ａの先端部には空洞が生じて、気泡核生成３２がある。空洞は、ここでも次々と微細気泡３０へと分裂し、噴流７の内部に巻き込まれるように流入して、噴流７に爆発的なキャビテーションを発生させる。なお、空洞の生じる方向は、上側の短い突出型キャビテータ１１ｂのケースとは逆方向である。
【００４１】
図９は、本発明の図１と図２の実施形態に係るノズルと従来のノズルにおける浄化水処理量を比較した図である。縦軸の処理量Ｑは、従来のノズルの処理量Ｑ＊で割ることにより、無次元化した。従って、従来技術においてＱ／Ｑ＊＝１となる。
【００４２】
この図から明らかなように本発明のノズルは、従来のものに比較して浄化水処理量が２３％も増加している。これはキャビテータによる核の供給によって、キャビテーション効率が向上した結果の現れである。本発明ではキャビテータを噴流近傍へ突き出すため、噴流のキャビテーションによってキャビテータが損傷（エロージョン）することが危惧される。
【００４３】
図１０は、本発明の図５の実施形態に係るノズルと従来のノズルにおける使用耐久時間を比較した図である。縦軸の使用耐久時間Ｔは、従来のノズルの使用耐久時間Ｔ＊で割ることにより、無次元化した。従って、従来技術においてＴ／Ｔ＊＝１となる。
【００４４】
この図から明らかなように本発明のノズルは、Ｔ／Ｔ＊＝０．９４であって、実質的に耐エロージョン性については、従来技術に比べて遜色がないとみなせる。これはキャビテータにおいてキャビテーションを起こすわけではなく、キャビテーションの核を作り出すにすぎないからである。
【００４５】
図７は、第５実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。この実施形態ではノズル１ｅの拡大空洞部１０の内壁円周上に、断面形状が矩形のくぼみ型キャビテータ２６を連続的あるいは断続的に設けている。このくぼみ型キャビテータ２６にはトラップされた気体２７があり、循環渦２８によって生じる圧力変動などの不安定な流れによって、この気体２７がくぼみ型キャビテータ２６から分離して微細気泡３０となる。
【００４６】
これらの微細気泡３０がキャビテーションの気泡核として、循環渦２８の流れに乗ってキャビテーションを伴う水中水噴流７の中へ流入する。噴流７の中へ流入した気泡核は、先に述べた実施形態と同様に、噴流７の内部で爆発的に成長して新たなキャビテーションとなる。結果としてリアクター内におけるキャビテーション効率が高まり、水の浄化処理能力が増大する。
【００４７】
本実施形態は前記第１〜４実施形態と異なり、くぼみ型キャビテータ２６内に気体２７が残存していなければ、キャビテーション核は生成しない。トラップされた気体２７は次々と気泡核として離別するため、トラップされた気体２７が無くなった時点で気泡核供給は停止する。その際には、ノズル１ｅを水中から取り出して再び沈め、くぼみ型キャビテータ２６内に気体２７を含むようにすればよい。
【００４８】
本実施形態では釣り鐘型の拡大空洞部を設けたが、円錐型あるいは円筒型の拡大空洞部を設けても同様の作用効果を有する。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は前述のような構成になっており、拡大空洞部の内側にキャビテーション核供給部を設けることにより、そのキャビテーション核供給部と水中水噴流との作用により次々と微細なキャビテーション気泡核を生成して、それを噴流中に供給し、爆発的に成長して激しいキャビテーションとなり、噴流全体に生じるキャビテーションの威力を強め、浄化効率の高い水質浄化装置ならびにキャビテーションリアクター用ノズルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。
【図２】そのノズルの正面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの正面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの正面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの正面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るノズルを備えた水質浄化装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係るノズルの現象を模式的に示した図である。
【図９】本発明の実施形態に係るノズルと従来のノズルの処理量を比較して示す特性図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るノズルと従来のノズルの使用耐久時間を比較して示す特性図である。
【図１１】第１の従来のキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。
【図１２】第２の従来のキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。
【図１３】第３の従来のキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。
【図１４】第４の従来のキャビテーションリアクター用ノズルの断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ：キャビテーションリアクター用ノズル、２：高圧水、３：高圧水供給路、５：噴出孔、６：周囲水、７：キャビテーションを伴う水中水噴流、１０：拡大空洞部、１１：突出型キャビテータ、１１ａ：長い突出型キャビテータ、１１ｂ：短い突出型キャビテータ、１６：プランジャポンプ、１７：高圧ホース、１８：ノズルマウント、１９：リアクター、２０：排出ライン、２１：切替弁、２２：処理済み水、２３：試供水、２４：バッファタンク、２５：試供水供給ライン、２６：くぼみ型キャビテータ、２７：トラップされた気体、２８：循環渦、２９：気泡核の流入、３０：微細気泡、３１：循環渦、３２：気泡核生成。
【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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