(57)【要約】【課題】簡略な構造により低圧水流を用いてマイクロメーターサイズの微細気泡を発生させる微細気泡発生ノズルを提供すること。【解決手段】液体流路中に横穴を有する絞り部を設けてベンチュリ効果を利用して、液体流に気体を吸引させることにより液体流体中に気体の泡を発生させて、その泡を含む液体流を線状体及び／又は細長い形状の薄片体を絡み合わせた構造体を充填した流路を通過させる構造によりマイクロメーターサイズの微細気泡を発生させることができる微細気泡発生ノズルを提供する。【選択図】 図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体流路中に横穴を有する絞り部を設けてベンチュリ効果を利用して、液体流に気体を吸引させるノズルであって、前記液体流路の絞り部の下流液体流路内に、線状体及び／又は細長い形状の薄片体を絡み合わせた構造体を充填したことを特徴とする微細気泡発生ノズル。
【請求項２】
前記液体流路の絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積が、液体流路の絞り部の上流液体流路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生ノズル。
【請求項３】
前記絡み合わせた構造体が、金属、合成樹脂（プラスチック）又は焼成体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微細気泡発生ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に気体を簡易に混入させ、かつ、液体中に微細気泡を発生させる微細気泡発生ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水流を利用した気泡発生方法として、水流の流路途中を絞った構造としてベンチュリ効果を引き出す構造としたベンチュリ管が利用されている。すなわち、流路の絞り部分に空気供給の管を接続して泡を発生させる。圧力の損失も少なく、水道圧よりも低い圧力でも泡を発生させることができる。
しかし、この方法では、ミリメートルサイズの大きな泡が発生して、数十マイクロメートルの微細な気泡を発生することが難しい。
【０００３】
微細な気泡を発生させる方法として、密閉容器内に充填した水に加圧した空気を注入し溶解させたあと、圧力開放して微細気泡を発生させる方法が開示されている。（特許文献１）
上述の方法では、装置構成が複雑であるとともに、圧力開放する出口部分の流路を狭く絞った構造としているため、水流を送る圧力を要し、水道圧程度では作動しないことや、狭く絞った部分に、ごみなどの不溶成分がたまり、閉塞を起こすなどの問題があった。
【０００４】
また、高圧ポンプや加圧タンクを用いずにエゼクタを用いてマイクロバブル発生方法が開示されている。（特許文献２）
この方法では、循環ポンプを用いて循環させながらエゼクタ部分で液体流と液体と気体の混合流を合流させて、循環ポンプによりマイクロバブル発生ノズルに導く構造として、マイクロバブルの径を小さくして、２０マイクロメータから４０マイクロメータの微細気泡を発生させている。しかし、エゼクタとマイクロバブル発生ノズルとの組み合わせが必要であり、全体の構成が複雑である。
【０００５】
また、水流だけで微細気泡を発生させる方法としては、水流をノズル内で旋廻させて、旋廻のせん断効果で気泡を微細化する方法が開示されている。（特許文献３）
旋廻流で微細気泡を発生させるためには、水道圧を超える水圧が必要であることや、水流を旋廻させると、高周波の音が発生し、ノズル全体が振動する問題がある。また、水流を旋廻させるためには、ノズル全体のサイズが、人のこぶし大程度と、大きく、ノズルを小型にすることが難しい。
【０００６】
さらに、他の発生方法として、数十マイクロメートルの気泡を発生する方法として、回転羽根の剪断力を利用する方法が開示されているが、羽の回転動力が必要であり、また、装置構成が複雑で、サイズを小さくすることが難しい。また、泡を羽で裁断するために、羽が泡と接する空間は狭く設定する必要があり、ごみなどによる羽回転空間の閉塞や、ごみによる羽の損傷が問題となる。（特許文献４）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２８３７７２号公報
【特許文献２】特開２００６−１６７６１３号公報
【特許文献３】特開２００３−２０５２２８号公報
【特許文献４】特開２００８−１３２４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、液体への気体加圧注入と圧力開放を行う方法や回転羽を利用する方法では、装置構成が複雑であり発生機構を小型にすることが難しく、また、ごみのつまりの課題があり、一方、液体流による旋廻流を利用する方法では、同様に小型化が難しく、また、液体の送液圧力が必要である。
【０００９】
本発明は、微細気泡を発生させるためのノズルとして、簡易な構造のノズルにより、ノズルサイズを小型にすること目的としている。
更には、本発明は、微細気泡を発生させるためのノズルとして、液体流の送液に高い圧力を必要とせず、かつ、ノズルサイズを小型にすること、かつ、微細気泡発生部分での、ごみの閉塞の課題を回避することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の微細気泡発生ノズルは、以下の技術的手段から構成される。
【００１１】
〔１〕液体流路中に横穴を有する絞り部を設けてベンチュリ効果を利用して、液体流に気体を吸引させるノズルであって、前記液体流路の絞り部の下流液体流路内に、線状体及び／又は細長い形状の薄片体を絡み合わせた構造体を充填したことを特徴とする微細気泡発生ノズル。
〔２〕前記液体流路の絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積が、液体流路の絞り部の上流液体流路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生ノズル。
〔３〕前記絡み合わせた構造体が、金属、合成樹脂（プラスチック）又は焼成体であることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の微細気泡発生ノズル。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な構造のノズルを用いて、ナノメーター領域に近い一桁のマイクロメーターサイズの微細気泡を発生させることができる。
更に、本発明によれば低圧の水流を用いて、ナノメーター領域に近い一桁のマイクロメーターサイズの微細気泡を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るノズルの断面構成図
【図２】本発明のより好ましい実施形態に係るノズルの断面構成図
【図３】本発明のノズルを用いたマイクロバブル発生装置の構成図
【図４】図２の構造を持つ試作ノズルにより水中に発生させた空気の微細気泡の粒度分布
【図５】絡み合い構造を除外したノズルで発生させた気泡の粒度分布（比較例）
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明にかかる微細気泡発生ノズルは、ベンチュリ効果を利用して、低圧の液体流に、気体を引き込み、泡を形成させるとともに、ベンチュリ効果を引き出す部分（絞り部）よりも下流液体流路内に線状体及び／又は細長い形状の薄片体を絡み合わせた構造体を充填することにより、泡を微細化する。
【００１５】
本発明にかかる微細気泡発生ノズルは、液体流路中に横穴を有する絞り部を設けてあり、ベン中リー効果により横穴から気体が供給されるような構造になっており、前記液体流路は、通常、管形状になっており、その前記絡み合わせた構造体を充填する絞り部の下流液体流路の内径は、流路抵抗を大幅に増加させない限りにおいては、絞り部の内径より大きく、絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積合計が、液体流路の絞り部の断面積よりも大きくなるような内径であればよい。
好ましくは、絞り部の下流液体流路の内径は、絞り部の上流液体流路の内径と一致させてよく、より好ましくは、下流液体流路の内径を絞り部の上流液体流路の内径より大きくして、前記絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積が、液体流路の絞り部の上流部の断面積よりも大きくするほうが良い。
【００１６】
本発明のノズルの材質については特に限定されるものでなく、ベンチュリー構造部分や網状物保持空間部分の材質は、塩化ビニルなどの可塑性樹脂や、ステンレス・鋳鉄・アルミニウム・銅・チタンなどの金属や、石英・ガラス・陶器などのセラミックスが例示される。
【００１７】
絞り部の上流液体流路と下流液体流路の内径が同一で、絞り部の下流液体流路に線状体及び／又は細長い形状の薄片体を絡み合わせた構造体を充填した絞り部の下流液体流路から構成される微細気泡発生ノズルの例を断面構造で図１に示す。図１において、ベンチュリ効果を引き出すための流路形状部分１（絞り部）において、液体流４により、ベンチュリ効果が発揮され、気体を供給する管２から、気体５が供給され、泡を液体中に発生させ、泡を含んだ液体流が、前記絡み合い構造体３の中を通過することにより、微細気泡を発生させる。
【００１８】
絞り部の上流液体流路よりも下流液体流路の内径を大きくし、絞り部の下流流路に線状体及び／又は細長い形状の薄片体を絡み合わせた構造体を充填した絞り部の下流液体流路から構成される微細気泡発生ノズルの例を断面構造で図２に示す。本構成の微細気泡発生ノズルは、前記絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積が、液体流路の絞り部の上流部の断面積よりも大きくなっている。図２においても、ベンチュリ効果を引き出すための流路形状部分１（絞り部）において、液体流４により、ベンチュリ効果が発揮され、気体を供給する管２から、気体５が供給され、泡を液体中に発生させ、泡を含んだ液体流が、絡み合い構造体３の中を通過することにより、微細気泡を発生させる。
【００１９】
図１及び図２では、絞り部前後の形状が、ほぼ直角である形状のものが示してあるが、絞り部前後をテーパー状にして水流を導いても良い。
【００２０】
絞り部の下流液体流路内の絡み合い構造体が充填される部分は、下流液体流路の直管の部分であっても良いし、下流液体流路をテーパー状に広げたテーパー状部分であっても良いし、下流液体流路の直管部分を更に拡管した部分であっても良い。
【００２１】
前記絡み合い構造体３は、線状体及び／又は細長い形状の薄片体を不規則に、空間部を有するように絡み合わせて充填したもの、あるいは、規則的に線状体及び／又は細長い形状の薄片体を配置するように充填したものであって、液体流の流路抵抗を大きく生じさせないものであればよい。
前記絡み合い構造体３の絡み合いの隙間間隔スケールは、ミリスケールでよく、液体流の流路抵抗が大きくならない程度として、マイクロスケールの間隔でもよい。
【００２２】
そして、絡み合い構造体３の充填量や充填密度は、流路抵抗を大幅に増加させない限りにおいては、制限されることはなく、液体流路の絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積合計が、液体流路の絞り部の断面積よりも大きければよい。
好ましくは、絞り部の下流液体流路の管内径を大きくして、絞り部の下流液体流路内の前記絡み合わせた構造体を充填した部分の断面における液体が通過できる面の面積が、絞り部の上流液体流路の断面積よりも大きくするほうが良い。
【００２３】
絡み合い構造体３の材質は、特に限定されるものではないが、金属、合成樹脂（プラスチック）又は焼成体であることが好ましい。
前記材質は、ステンレス・銅・アルミニウム・鉄などの金属や、合成樹脂（プラスチック）として塩化ビニル、ナイロン、アクリルなどの各種有機ポリマーや、焼成体としてガラス、炭素材料、セラミックスまたは石英などを用いることができる。
【００２４】
絡み合い構造体３の線状体及び／又は細長い形状の薄片体を空間部を有するように不規則に充填するものとして、例えば、金属たわしの様な形状の充填物や、毛玉状の充填物や、金属や木材の切削くずなどの形状のものなどが挙げられる。
また、例えば、金属の網を、不規則に折りたたんで充填してもよく、あるいは、金属の網を巻き重ねて円筒状にし、巻いた状態から長軸に沿って、ねじって不規則な状態として充填してもよい。
あるいは、金網のメッシュのピッチを崩さないように重ねて巻き上げ、円筒状にした金網の巻きあげの中心線を、液体流の流れ方向線に一致させて充填して、下流部の流路内に規則的に、空間配置してもよい。
また、線状体及び／又は細長い形状の薄片体からなる網状体を不規則に変形して、微細気泡発生ノズルの絞り部の下流部の流路部分に充填できるようなものであっても良い。
具体的には、線状体として各種金属性針金及び／又は繊維状、細い紐状若しくは針金状の炭素材料又は合成樹脂（プラスチック）を空間部を有するように不規則に絡み合わせて円筒形状に成型したもの、金属たわしに用いられている材料を円筒形状に成型したもの並びに線状体により作られている網を巻いて又は折り畳んで円筒形状に成型したものなどを挙げることができる。
【００２５】
流路内の絡み合い構造体を充填する絞り部の下流液体流路の長さは、目的とする微細気泡の発生状態を導くことができる長さでよく、特に、限定されることはない。
【００２６】
気泡の微細化は、泡を含んだ液体流が、流路内の絡み合い構造体を通過する途中で引き起こされる。液体流の中の液体中の泡の一部が、流路内の絡み合い構造体の固体表面に接触し、気体・液体の界面部分と固体・気体の界面部分が、ひとつの泡の局所部分として発生し、液体の流れの中で気泡として流れる部分と、絡み合い構造体に引き付けられる気泡部分が生じ、絡み合い構造体に引き付けされた気泡部分も、液体流によりノズル出口方向に流されることにより、結果として、泡の微細化が進行する。
【００２７】
本発明による微細気泡を発生させるための液体流の流量と、微細気泡の気体体積の関係は、液体の体積中の気体体積の比率である、ボイド率として、０．０１％〜３０％であることが好ましく、０．１％〜１０％であることが更に好ましい。
【００２８】
本発明による微細気泡発生のためのノズルを用いてマイクロバブルを発生させるための装置構成の一例を図３を用いて説明する。
本発明による微細気泡発生のためのノズル６には、気体を供給する配管７から気体が供給され、気体流量は、絞り８により調製される。本発明による微細気泡発生のためのノズル６は、液体を満たした槽９に浸漬されており、液体を満たした槽９から液体流通の配管１０を経由して、液体ポンプ１１により引き出され、液体流として、配管１２を通過して、本発明による微細気泡発生のためのノズル６に液体流が供給される。そして、ノズル６を通過した液体流は、微細気泡を含んだ液体流となって、槽９に充填されている液体中に流れ出る。
【００２９】
液体は水であってもよく、有機溶媒であってもよい。
【００３０】
液体中に微細気泡を発生させる気体は、気体状のものであって、空気、酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気、アルゴン、ヘリウム、硫化水素、気体状のアンモニアが例示され、あるいは、それら気体にオゾンや塩素系成分などの気体成分を含有させた気体が例示される。
これらの液体と気体の組み合わせは、液体中に微細気泡を発生させる目的、すなわち溶解、反応等の目的によって適宜選択される。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
図３に示す装置を用いて、図２に示す形状のノズルを用いて微細気泡を発生させた例を実施例１として示す。
実施例１に用いるために試作したノズルのサイズを以下に示す。ノズルの液体流４が流れ込む管（絞り部の上流液体流路）は、長さ３０ｍｍ、内径４ｍｍで、ベンチュリ効果を生じさせる部分（絞り部）の内径が１．５ｍｍ、長さ５ｍｍ、絞り部の中心部の横穴の内径は、０．５ｍｍで、絞り部の下流液体流路は、内径１４ｍｍ、長さを４２ｍｍとしてノズルを試作した。
【００３２】
絞り部の下流液体流路に充填した絡み合い構造体は、１８メッシュ、線径０．３７ｍｍのステンレス製の網を重ねて巻きつけて、ねじりをいれて、メッシュ状態を不規則にしたものを試作して用いた。この場合の、絞り部の下流液体流路内に充填した絡み合わせた構造体の充填部の体積充填率は、５％であった。
【００３３】
空気のラインは、外径４ｍｍのナイロン製空圧チューブを用いて接続して、ノズル接続部分と反対のチューブ端に、ねじ式の空気調整弁を接続した。
ねじ式の空気調整弁を絞った状態で、幅２０ｃｍ、奥行き２０cm、水深２０ｃｍの水槽に貯留した４．５リットルの水道水を、ホースを介して、マグネットポンプ（イワキのマグネットポンプＭＤ−３０ＲＺＭ（１００Ｖ））に吸引し、水道圧以下でマグネットポンプ吐出側にホースを介して接続した本発明のノズルに通水して、ノズル全体は水道水貯留の水槽内の水面下に設置して、水槽内で、微細気泡を発生させた。
水流速度は毎分1．４リットルとし、ポンプ吐出側圧力０．１メガパスカルの条件で、水流ポンプから水を、本発明のマイクロバブル発生ノズルに通水し、空気の吸引速度は、毎分５ミリリットルになるように、絞りを調製し、水槽の水中に、目視で細かなマイクロバブルを発生させた。
【００３４】
マイクロバブルを発生させた水槽内から水を採取して、堀場製作所のレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置ＬＡ９１０を用いて、採取した水に分散しているマイクロバブルの気泡粒径を測定した。
水槽中の試料水をピペットにより、１０ミリリットル採取して、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置用のバッチ式セル（屈折率：０．７６−０００i）に添加して、粒度分布を測定した。
【００３５】
図４は、本発明のノズルを用いて発生させたマイクロバブルの粒度を測定した結果である。
本発明のノズルにより発生したマイクロバブルの泡径は約２マイクロメーターであることが確認され、先行例の泡径２０から４０マイクロメーターの１０分の１程度の細かな泡径を生成できた。
【００３６】
（比較例）
比較例として、実施例１で使用したノズルの絞り部の下流液体流路内から絡み合わせた構造体を除去したノズルを用いた以外は、実施例１と同じ条件でテストを行い、発生させた気泡の粒度分布を計測した。その結果を図５に示した。
絡み合い構造がないノズルでは、発生する泡の大きさが不均一であり、４０マイクロメーター、２００マイクロメーター、および、４００マイクロメーターの大きさであり、微細な泡はほとんど発生しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本技術を適用すれば、簡易なノズル構造で、水流を利用して、水道圧以下の低圧で、微細気泡を発生させることができ、水中に空気を効率よく溶解させる必要がある排水処理や、泡の効果で汚れを除去するための洗浄操作などの微細気泡を発生させて水中に利用する場面に適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  ベンチュリ効果を引き出すための流路形状部分
２  気体を供給する管
３  絡み合い構造体
４  液体流
５  気体
６  微細気泡発生のためのノズル
７  気体を供給する配管
８  絞り
９  液体を満たした槽
１０  液体流通の配管
１１  液体ポンプ
１２  配管
【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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