(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから反応容器内の水中に噴出する処理対象水のウォータージェットによって、キャビテーションを発生するキャビテーション・ジェット・リアクタにおいて、前記反応容器は、内部が加圧状態に保持されるとともに、前記ウォータージェットの噴出方向に、細長い円筒形もしくは角筒形に形成され、等価直径Ｄｒが、ノズル孔径をＤｊとすると、Ｄｒ＝（１６〜４２）×Ｄｊ、の範囲から選定されてなることを特徴とするキャビテーション・ジェット・リアクタ。
【請求項２】
前記反応容器の有効長さＬｒが、ノズル孔径をＤｊとすると、Ｌｒ＝（３００〜１６００）×Ｄｊ、の範囲から選定されてなる請求項１に記載のキャビテーション・ジェット・リアクタ。
【請求項３】
前記ノズルにおける噴射圧力Ｐｊが、Ｐｊ＝１１０〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ２
、の範囲から選定されてなる請求項１又は２に記載のキャビテーション・ジェット・リアクタ。
【請求項４】
前記反応容器の内圧Ｐｒが、Ｐｒ＝０.６〜５.０ｋｇｆ／ｃｍ２、の範囲から選定されてなる請求項１乃至３のうちいずれかに記載のキャビテーション・ジェット・リアクタ。
【請求項５】
前記ノズルは、高圧水供給部から噴出孔にかけての収縮部における両振りしぼり角度θが、１０度以上１２０度未満である請求項１乃至４のうちいずれかに記載のキャビテーション・ジェット・リアクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中で激しいキャビテーションを伴う高速ウォータージェットによって、水中の有害物質の分解や病原性菌の殺菌処理を行わせる反応装置（リアクタ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中に溶解している有害な有機化合物、例えば代表的な発ガン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徴生物であるクリプトスポリジウム（原虫の一種）も、細胞が破壊され、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夕を水中で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噴出する方法である。
【０００４】
高圧水をノズルから水中に噴き込むと、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。−方、ノズルにおけるキャビテーションの生成が良好であっても、リアクタ（反応容器）の寸法などの構造や、リアクタ内における流動条件に問題がある場合は、キャビテーションを効率良く利用できない。
【０００６】
したがって、キャビテーションを利用するウオー夕ージェット・リアクタにおいては、ノズルのみがキー・デバイスではなく、キャビテーションによる反応を行わせるリアクタも軽視することのできない重要な要素であるといえる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術においては、有効なキャビテーション反応領域に比べて、反応容器の内径や長さが、はるかに大きな円筒型リアクタが用いられている。この構造のリアクタには、次のような問題がある。
【０００８】
▲１▼キャビテーション反応領域が十分に大きくない。
▲２▼円筒型リアクタの内部の周囲水と混合し、キャビテーションを伴う水中水噴流が希釈されてしまい、結果的にキャビテーション反応効率を高められない。
【０００９】
従来のノズルは、噴出孔における強烈な縮流の作用によって、噴出孔の出口においてキャビテーションを発達させようとするものである。このようなノズルを用いた際に生じるキャビテーションは、ノズル近傍においてはパワフルであるものの、キャビテーション領域は大きくない、という問題がある。要するに、先行技術においては、キャビテーション領域を拡大し、有効に活用しようという工夫に欠けるきらいがあった。
【００１０】
本発明の目的は、上記した問題点を解決し、キャビテーションの有効な反応領域が十分に大きく、反応効率が高い新規なキャビテーション・ジェット・リアクタを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、次のような手段を採用した。まず、ノズルから、処理対象の供試汚染水を高速ウォータージェットとして噴き込むキャビテーション・ジェット・リアクタを細長い形状とし、さらにリアクタ内を加圧状態にする。
【００１２】
そして、ノズルの噴出孔径をＤｊとする場合、上記リアクタの内径Ｄｒを、
Ｄｒ＝（１６〜４２）×Ｄｊ   ………………………………………（１）
の範囲から選定する。
【００１３】
また、上記リアクタの長さＬｒを、
Ｌｒ＝（３００〜１６００）×Ｄｊ   ………………………………（２）
の範囲から選定する。
【００１４】
また、本発明におけるノズルのウォータージェットの噴射圧力Ｐｊは、
Ｐｊ＝１１０〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ２  ……………………………（３）
の範囲である。
【００１５】
また、上記リアクタ内の圧力Ｐｒは、
Ｐｒ＝０.６×５.０ｋｇｆ／ｃｍ２  …………………………………（４）
の範囲におさまるように調整する。この場合、リアクタの内圧Ｐｒは、リアクタ出口における圧力調整弁において設定できる。
【００１６】
本発明によれば、以下のような作用を奏する。
まず、リアクタを細長くすることで、水中の高速ウォータージェットに発生するキャビテーションが、ウォータージェットの軸方向に対して伸張する。このようにしてキャビテーションの有効反応領域が拡大し、キャビテーション反応効率が向上する。
【００１７】
次に、リアクタ内を加圧状態になるように運用すると、余分な気泡が消滅する。これによって、キャビテーション領域は小さくなるものの、キャビテーションのクッション（緩衝）作用が無くなるので、キャビテーションはいわば“少数精鋭”状態となり、キャビテーションによる反応効率が向上する。
【００１８】
以上のように、キャビテーションの有効反応領域が拡大し、反応効率が向上することにより、キャビテーションの威力が増強し、水質浄化能力が高まる。さらに、リアクタ自体の構造も、コンパクトにできるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
まず、本発明の構成を説明する。
図１は、本発明を具体化したキャビテーション・ジェット・リアクタの構造を、略断面図として描いたものである。コンパクトリアクタ１４は円筒型であって、その上流端に設けたノズル１から、処理対象水を加圧した高圧水２がキャビテーションを伴う水中水噴流１５として噴き込まれる。
【００２０】
ノズル１は、ノズルマウント１３を介して、コンパクトリアクタ１４の上流端に設置されている。このコンパクトリアクタ１４は、図１１に示す参考例の円筒型リアクタ１０に比べると、長さおよび直径ともはるかに小さい。
【００２１】
本実施形態では、リアクタの内径Ｄｒは、ノズルの噴出孔径をＤｊとすると、次式（１）の範囲から選定するようにした。
Ｄｒ＝（１６〜４２）×Ｄｊ  …………………………………………（１）
【００２２】
一方、リアクタの有効長さＬｒは、噴出孔径Ｄｊに対して、次式（２）の範囲から選定する。
Ｌｒ＝（３００〜１６００）×Ｄｊ  …………………………………（２）
【００２３】
また、ノズル１における噴射圧力Ｐｊは、本発明では、次式（３）の範囲から選定する。
Ｐｊ＝１１０〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ２   ……………………………（３）
【００２４】
本発明においては、コンパクトリアクタ１４内は加圧状態にあって、加圧周囲水８ａの圧力、すなわちリアクタ内圧Ｐｒを、次式（４）の範囲から選定するようにした。
Ｐｒ＝０.６〜５.０ｋｇｆ／ｃｍ２  …………………………………（４）
【００２５】
このリアクタ内圧Ｐｒは、排出ライン１６に設けた圧力調整弁１７で調整すると同時に、圧力計１８で監視する。コンパクトリアクタ１４を、このようにして加圧状態にすると、加圧下のキャビテーションを伴う水中水噴流１５は、その径は小さく長さも短くなって、キャビテーション領域のボリュウムも小さくなる。
【００２６】
結果的には、この現象によって、リアクタをコンパクトにできたわけである。また、キャビテーションが、コンパクトリアクタ１４の後面に衝突するというようなことも防止される。
【００２７】
本発明の実施形態によると、キャビテーション領域は小さくなるものの、余分な気泡が消滅しているので、キャビテーションの威力を減衰させる作用も減るため、ボリュウムは小さいとはいえ、キャビテーションはパワフルである。
【００２８】
図２の例は、細長くした細長円筒リアクタ１１内を加圧はしているが、しかし、図１の例に比較して、あまり内圧が加わらないようにした例である。この例では、噴出孔径Ｄｊ＝０.６〜１.６ｍｍのノズルにおいて、リアクタ内径Ｄｒ、リアクタ長さＬｒ、噴射圧力Ｐｊ、リアクタ内圧Ｐｒは、それぞれ以下の式（１ａ）〜（４ａ）による数値を採用した。
【００２９】
Ｄｒ＝１６×Ｄｊ  ……………………………………………………（１ａ）
Ｌｒ＝１６００×Ｄｊ  ………………………………………………（２ａ）
Ｐｊ＝３５０ｋｇｆ／ｃｍ２   ………………………………………（３ａ）
Ｐｒ≒０.７ｋｇｆ／ｃｍ２   ………………………………………（４ａ）
【００３０】
図２から容易に分かるように、このような細管状のリアクタでは、キャビテーションの領域が噴流１２の軸方向に対して伸張し、キャビテーションの領域が大幅に増大する。ただし、この状態では余分な気泡も多いために、必ずしもキャビテーション強度が大きいとはいえない。
【００３１】
要するに、図１に示した例は、図２の状態からリアクタの内圧をより高め、キャビテーションの領域は縮小するものの、余分な気泡を消滅させてキャビテーションをよりパワフルにして、さらに、リアクタをコンパクトにしたものである。
【００３２】
図３は、本発明になるキャビテーション・ジェット・リアクタの全体構成を示す図である。タンク２２内に入れた供試汚染水２１は、プランジャポンプ２０へ送給され、所定の圧力まで加圧されて高圧水２となり、高圧ホース１９を通じてノズル１に送給される。
【００３３】
この高圧水２が、ノズル１からコンパクトリアクタ１４内に噴き込まれると、コンパクトリアクタ１４内も水が充満しているので、加圧下のキャビテーションを伴う水中水噴流１５となる。ここで、キャビテーションの作用によって、有害物質が分解されたり、あるいは殺菌が行われたりする。
【００３４】
処理の終了した水は、コンパクトリアクタ１４の出口に設けた排出ライン１６を通じて、処理済み水２５として系外へ排出される。一方、所定の分解レベルに達しなかった場合には、切替弁２４の操作によって、水はタンク２２へ戻り、再びコンパクトリアクタ１４ヘと送られる。
【００３５】
図４は、水中水噴流に発達したキャビテーションを起こさせるために用いるノズル構造の一例を断面図として示すものである。本例のノズル１ａは、処理対象の高圧水２は、高圧水供給流路３を通じて導かれ、しぼり部９（径収縮部）で急減圧、加速されて、噴出孔４から噴き出し、キャビテーションを伴う水中水噴流７ａとなる。
【００３６】
噴出孔４の出口には、釣り鐘状の拡大空洞部５が設けられている。噴出孔４から出た直後の噴流７ａのまわりには、循環渦６が生じる。循環渦６の作用は、周囲水８ａ中の気泡核を噴流７ａ中へ流入させ、さらに噴流７ａに圧力変動を加えることであって、いずれもキャビテーションを促進する。
【００３７】
本実施形態では、キャビテーションを伴う水中水噴流７ａにおけるキャビテーション領域を、軸方向に伸張させるために、しぼり（両振り）角度θを、１０度〜１２０度の範囲から選定する。図４に示した例では、θ＝９０度である。
【００３８】
次に、本発明例の機能を説明する。
図５は、リアクタ内径Ｄｒと、キャビテーション領域のジェット軸方向の長さＬｃａｖとの関係を示すものである。縦軸におけるキャビテーション領域の長さＬｃａｖは、Ｄｒ→∞（無限に広い自由空間）におけるキャビテーション領域（ジェット軸方向）の長さＬｃａｖ＊で割ることにより無次元化した。
【００３９】
リアクタ内径が小さくなるほど、キャビテーション領域が軸方向に伸張されて、Ｌｃａｖが増大する。本発明例では、キャビテーション領域が急増するＤｒの領域を、リアクタの寸法範囲として利用する。リアクタを細くして（Ｄｒが小さくなること）いくと、キャビテーションがリアクタの内壁に衝突するが、この条件でも、キャビテーション領域はかなり長くなる。
【００４０】
しかし、リアクタの内壁面が壊食（エロージョン）を起こすし、さらに壊食して脱落した微少な鉄粒子が、図３の系統を循環すると、ノズルの壊食（エロージョン）が著しく早くなるという問題がある。したがって、リアクタは、過度に細くするわけにはいかない。
【００４１】
図６は、図２に示すように細管型のリアクタにすることで、キャビテーション領域のボリュウムがどのように変化するかを、参考例（図１１）との比較で示したものである。縦軸におけるキャビテーション領域のボリュウムＶは、参考例（図１１）におけるキャビテーション領域のボリュウムＶ＊で割ることにより無次元化した。この結果から、リアクタを細管型にすることで、キャビテーション領域のボリュウムが４０％以上も増大することが判明した。
【００４２】
一方、図７は、図１に示すように、リアクタをさらに加圧状態にすることによるキャビテーション領域の変化を示すものである。縦軸におけるキャビテーション領域のボリュウムＶは、参考例（図１１）におけるキャビテーション領域のボリュウムＶ＊で割ることで、相対値として表している。
【００４３】
リアクタ内を加圧状態にすれば、キャビテーション領域のボリュウムが無対策時の２／５程度まで小さくなることが分かる。これは、リアクタの内圧が上昇すれば、キャビテーション噴流中の余分な（キャビテーション威力を減衰させる）気泡が消滅するためである。
【００４４】
図８は、本発明の最終的な目標になる「リアクタの細管化＋リアクタの内圧増加」の組み合わせ時におけるキャビテーション領域のボリュウムＶを、参考例（図１１）と比較したものである。縦軸におけるキャビテーション領域のボリュウムＶは、参考例（図１１）におけるキャビテーション領域のボリュウムＶ＊で割ることで無次元化した。参考例においては、Ｖ／Ｖ＊＝１となる。本発明の実施形態では、キャビテーションのボリュウムは、約２０％小さくなる。
【００４５】
以上により、本実施形態によれば、キャビテーション領域を小さくした上で、キャビテーション噴流中の、キャビテーション威力を減衰させる気泡が消滅するため、キャビテーション全体をパワフルにできることがわかる。
【００４６】
図９は、本発明の効果を示す試験結果である。図１に示す実施形態の処理水量Ｑを、参考例（図１１）における処理水量Ｑ＊と比較した。本発明になる手段によれば、リアクタがコンパクトになるのにもかかわらず、４０％以上、処理能力を拡大できることが明らかになった。
【００４７】
次いで、本発明のキャビテーション・ジェット・リアクタに適用するノズルの他の実施形態を、図１０を用いて説明する。本例のノズル１ｂは、細長いリアクタに適用できるように、軸方向に伸張するための工夫が施されている。
【００４８】
このノズル１ｂの基本的構造は、参考例である図１２のノズル１ｃとは対極的な構造であって、高圧水供給流路３と噴出孔４の間に、ゆるやかな径収縮部（しぼり部）９を設けている。
【００４９】
このようにすると、噴出孔４から出た直後のキャビテーションは激しくはないものの、キャビテーションを伴う水中水噴流の下流へ行くに従って、キャビテーションが発達し、キャビテーションが噴流の軸方向に長く伸張する状態となる。
【００５０】
したがって、このノズルは、本発明の新しいリアクタ用に適している。また、このノズルは、図１２に示す参考例のノズルに比較して、圧力損失が小さいという特徴も有する。
【００５１】
ここで、図１１、図１２を用いて、本発明の参考例を説明する。
図１１に示すように、本参考例のリアクタは、有効なキャビテーション反応領域であるキャビテーションを伴う水中水噴流７ｂに比べて、リアクタの内径Ｄｒと長さＬｒが、はるかに大きな円筒型リアクタ１０が用いられている。
【００５２】
このような構造のリアクタでは、キャビテーション反応領域が小さく、また、キャビテーションを伴う水中水噴流７ｂが、円筒型リアクタ１０の内部の周囲水８ｂと混合して希釈されてしまう結果、キャビテーション反応効率を高められない。
【００５３】
また、図１２に示す構造のノズル１ｃは、噴出孔４における強烈な縮流の作用によって、噴出孔の出口においてキャビテーションを発達させようとするものではあるが、しかし、このノズル１ｃを用いた際に生じるキャビテーションは、ノズル近傍においてはパワフルであるものの、キャビテーション領域は必ずしも大きくない。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によって生じる効果をまとめると、以下のようになる。
（Ａ）ウォータージェットを噴き込むリアクタの流動領域を有効に使用し、また余分な気泡を除いてクッション作用を除去できるため、キャビテーション効率を高めて、キャビテーション・ジェット・リアクタの水質浄化能力を大幅に向上させることができる。
【００５５】
（Ｂ）上記（Ａ）の効果において、外部からのエネルギーをいっさい供給しないため、エネルギーコストを低減できる。
（Ｃ）リアクタは細長くなるものの、全体的にコンパクトにできる。
（Ｄ）上記（Ａ）、（Ｂ）に関連し、浄化処理水量の増大と、水質浄化工程の短縮、および処理対象物質の拡大という効果が生まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明を用いてなる全体系統を示す図である。
【図４】本発明で使用するノズルの断面図である。
【図５】本発明の根拠となる実験結果を示す図である。
【図６】本発明の根拠となる実験結果を示す図である。
【図７】本発明の根拠となる実験結果を示す図である。
【図８】本発明の実施による効果を具体的に実証する試験結果を示す図である。
【図９】本発明の実施による効果を具体的に実証する試験結果を示す図である。
【図１０】本発明で使用するノズルの他の実施形態を示す断面図である。
【図１１】本発明の参考例を示す構成図である。
【図１２】本発明の参考例におけるノズルの断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  ノズル
２  高圧水
３  高圧水供給流路
４  噴出孔
５  拡大空洞部
６  循環渦
７ａ、７ｂ  キャビテーションを伴う水中水噴流
８ａ  加圧周囲水
８ｂ  周囲水
９  径収縮部（しぼり部）
１０  円筒形リアクタ
１３  ノズルマウント
１４  コンパクトリアクタ
１５  加圧下のキャビテーションを伴う水中水噴流
１６  排出ライン
１７  圧力調整弁
１８  圧力計
１９  高圧ホース
２０  プランジャポンプ
２１  供試汚染水
２３  循環ライン
【図１】
0003831892.tif 000002
【図２】
0003831892.tif 000003
【図３】
0003831892.tif 000004
【図４】
0003831892.tif 000005
【図５】
0003831892.tif 000006
【図６】
0003831892.tif 000007
【図７】
0003831892.tif 000008
【図８】
0003831892.tif 000009
【図９】
0003831892.tif 000010
【図１０】
0003831892.tif 000011
【図１１】
0003831892.tif 000012
【図１２】
0003831892.tif 000013