説明

微細気泡生成ノズル

【課題】液体が低流速の場合であっても、キャビテーションが確実に発生し、液体を搬送するポンプなどの液体供給系の出力を抑えることができ、しかも構造が簡易である微細気泡生成ノズルを提供すること。
【解決手段】気体が加圧下で溶解した液体2の流路3が内部に形成され、その流路の入口6側を形成する流入部7と、出口8側を形成する吐出部9とを備え、これらの流入部と吐出部の間に、流路において最も小さい流路断面積を有する気泡生成部5が設けられ、この気泡生成部に、その外側から気泡生成部を加熱可能とした加熱手段12が設けられている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気泡径が0.1-1000μm程度である微細気泡を液体中に生成させ、微細気泡を含んだ液体を生成し、吐出する微細気泡生成ノズルに関する。
【背景技術】
【0002】
空気などの気体を水などの溶媒に加圧下で溶解させた液体をベンチュリ管などの微細気泡生成ノズルに供給し、通過させると、流速が増加する際の減圧にともない、液体の流れの中で圧力が、液体の飽和蒸気圧より低くなり、キャビテーションが発生する。このキャビテーションによって溶存気体が遊離し、気泡径が0.1-1000μm程度である微細気泡が液体中に生成する。この微細気泡は、洗浄効果をはじめ、肌の保湿効果や温熱効果などの入浴の効能をもたらすものなどとして注目されている。
【0003】
液体に含まれる微細気泡と溶存気体のそれぞれの比率は、微細気泡を含んだ液体の用途などに応じて最適なものに調整されることが望ましく、一般的には、微細気泡生成ノズルの大きさや形状の変更によって対応している。
【0004】
一方、本出願人は、下記特許文献1において、十分な量の微細気泡を発生させ、ノズルの簡略化および小型化による省スペース化および省エネ化を図った微細気泡発生ノズルを提案している。
【0005】
この微細気泡発生ノズルでは、液体の流れと交差するように熱線が設けられている。この熱線により液体を加熱することによって溶存気体を析出させ、また、熱線によって液体の流れに剥離による渦やキャビテーションを発生させ、十分な量の微細気泡を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2006−297345号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献1に記載した微細気泡発生ノズルでは、熱線が、流路の内部に設けられ、流路を流れる液体の流れと交差するように配置されているため、発生した微細気泡は熱線に付着しやすい。熱線に付着する微細気泡は、熱線から引き離さなければならないが、小さい気泡とするためには液体の流速を速くする必要がある。
【0008】
したがって、特許文献1に記載した微細気泡発生ノズルでは、十分な量の微細気泡を発生させるために、液体を搬送するポンプへの負荷が大きくなりやすいという面がある。また、熱線の配設のために流路の水密性を確保する必要があるという構造的な側面も見出される。
【0009】
本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、液体が低流速の場合であっても、キャビテーションが確実に発生し、液体を搬送するポンプなどの液体供給系の出力を抑えることができ、しかも構造が簡易である微細気泡生成ノズルを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の課題を解決するために、本発明の微細気泡生成ノズルは、気体が加圧下で溶解した液体の流路が内部に形成され、その流路の入口側を形成する流入部と、出口側を形成する吐出部とを備え、これらの流入部と吐出部の間に、流路において最も小さい流路断面積を有する気泡生成部が設けられ、この気泡生成部に、その外側から気泡生成部を加熱可能とした加熱手段が設けられていることを特徴とする。
【0011】
この微細気泡生成ノズルにおいては、加熱手段は、気泡生成部において液体の流速が最も速い部分に設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明の微細気泡生成ノズルによれば、液体が低流速の場合であっても、キャビテーションが確実に発生し、液体を搬送するポンプなどの液体供給系の出力を抑えることができ、しかも構造が簡易となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の微細気泡生成ノズルの一実施形態を示した断面図と、微細気泡生成ノズルを液体が通過するときの液体の圧力および流速の変化を模式的に示したグラフである。
【図2】図1に示した微細気泡生成ノズルの斜視図である。
【図3】図1に示した微細気泡生成ノズルの気泡生成部における流路断面積の変化を、図1のA−A断面として模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図1は、本発明の微細気泡生成ノズルの一実施形態を示した断面図と、微細気泡生成ノズルを 液体が通過するときの液体の圧力および流速の変化を模式的に示したグラフである。図2は、図1に示した微細気泡生成ノズルの斜視図である。図3は、図1に示した微細気泡生成ノズルの気泡生成部における流路断面積の変化を、図1のA−A断面として模式的に示した図である。
【0015】
微細気泡生成ノズル1は、ベンチュリ管を構成することのできる、金属製、エンジニアリング・プラスティック製などの円管状の部材であり、内部に、空気などの気体が水などの溶媒に加圧下で溶解した液体2の流通を可能にした流路3が形成されている。微細気泡生成ノズル1では、流路3の途中に、流路断面積が他の部分より縮小された絞り部4を有し、絞り部4に気泡生成部5が形成されている。
【0016】
すなわち、微細気泡生成ノズル1は、液体2の入口6側を形成する円管状の流入部7と、液体2の出口8側を形成する円管状の吐出部9とを備えている。流入部7と吐出部9の流路断面積は等しくされている。そして、流入部7と吐出部9との間に絞り部4が設けられ、絞り部4に気泡生成部5が形成されている。
【0017】
流入部7では、最も絞り部4側に位置する端面7aが、流路3に対して直交方向に配置されている。気泡生成部5は、絞り部4において流入部7側に位置し、流路断面積が流入部7より小さく、また、絞り部4において最も流路断面積が小さくなっている。つまり、気泡生成部5は、微細気泡生成ノズル1に形成されている流路3において最も小さい流路断面積を有している。このような気泡生成部5は、絞り部4において微細気泡生成ノズル1の長さ方向に延びている。そして、気泡生成部5の最も吐出部9側に位置する端部から絞り部4は、吐出部9に向かって次第に流路断面積が増大し、吐出部9に連設されている。
【0018】
このような微細気泡生成ノズル1に気体が加圧下で溶解した液体2が供給され、液体2が流路3を入口6から出口8に向かって流れるとき、図1図中に実線で示したように、流入部7で一定であった液体2の流速は、流入部7から気泡生成部5に流出するとき、急激に増加する。この流速の急激な増加は、気泡生成部5の流路断面積が流入部7の流路断面積より小さくなっていることによる。液体2の流速の増加にともない、液体2の圧力は、図1図中に点線で示したように、急激に減少し、流れの中の圧力が溶存気体の飽和蒸気圧10(空気の場合、25℃、1気圧のとき、3.17kPa)以下となる。その結果、気泡生成部5においてキャビテーションが発生する。このキャビテーションにより液体2中の溶存気体が遊離し、気泡径が0.1-1000μm程度である微細気泡11が液体2中に生成する。
【0019】
液体2が、気泡生成部5を流れ、絞り部4において流路断面積が次第に増大している部分を流れると、液体2の流速は次第に遅くなり、液体2の圧力が次第に増加する。吐出部9の流路断面積は、流入部7の流路断面積と等しくされているため、出口8から吐出する液体2の流速および圧力は、入口6に流入するときとほぼ等しくなる。微細気泡生成ノズル1の出口8からは、微細気泡11を含んだ液体2が吐出される。
【0020】
また、微細気泡生成ノズル1では、気泡生成部5の外周面に加熱手段12が設けられている。加熱手段12は、たとえば、電圧の印加によって発熱するものであり、電熱線を備えたものやPTCヒータなどの面状発熱体が例示され、気泡生成部5に、その外側から加熱可能に設けられている。図1および図2に示した加熱手段12は、円環状の形状を有し、気泡生成部5の外周面に接触して取り付けられている。このような加熱手段12の加熱方式や形状などについては、気泡生成部5をその外側から加熱可能である限り、特に上記のものに制限されない。たとえば、気泡生成部5の外周面に部分的に設け、点在させることなども可能である。また、加熱手段12への電圧の印加などは、その大きさなどを制御することのできる制御手段を介して行うことができる。
【0021】
ポンプなどの液体供給系を作動させ、液体2を搬送させる際に、加熱手段12を作動させると、加熱手段12の発熱によって、気泡生成部5において加熱手段12が設けられている部位が加熱される。この熱は、流路3を流れる液体2に伝導し、液体2が加熱される。その結果、液体2の温度が上昇し、流れの中の圧力が、図1図中に一点鎖線で示したように、非加熱時よりも高くなる。しかしながら、温度の上昇にともない、溶存気体の飽和水蒸気圧13も上昇するため(空気の場合、60℃、1気圧のとき、47.36kPa)、流れの中の圧力は、加熱時の飽和水蒸気圧13以下になる。したがって、気泡生成部5では、非加熱時と同様に、キャビテーションが発生し、液体2中の溶存気体が遊離して気泡径が0.1-1000μm程度である微細気泡11が液体2中に生成する。
【0022】
このように、加熱手段12による気泡生成部5の加熱によってキャビテーションは発生するので、液体2の流速が低速の場合であっても、キャビテーションが確実に発生する。このため、図3にモデル化して示したように、気泡生成部5における加熱時の流路断面積aは、非加熱時よりも見掛け上大きくなり、液体2中の微細気泡11の生成量を増加させることができる。気泡生成部5の流路3の断面形状は、長方形状のものとしてモデル化して考えることができ、このとき、流路断面積aは、次式(1)で示される。
【0023】
a=bh (ここで、b:短辺長、h:長辺長) (1)
【0024】
ところで、微細気泡11の生成量を増加させるためには、気泡生成部5の総辺長Lを長くする必要がある。総辺長Lは、次式(2)で示される。
【0025】
L=2(b+h) (2)
【0026】
液体2の流量を変えず、すなわち、流路断面積aの大きさを一定にしたまま、気泡生成部5でキャビテーションを発生させる液体2の流速を満足するためには、流路3の断面の総辺長Lを増加させる必要がある。式(1)よりh=a/bと示されることから、総辺長Lを増加させるためには、短辺長bを極端に小さくしなければならなくなる。
【0027】
しかしながら、短辺長bを極端に小さくすると、液体2中に異物が混入している場合には、その異物が気泡生成部5において詰まる頻度が高まり、微細気泡生成ノズル1の信頼性が低下するという問題がある。
【0028】
一方、微細気泡生成ノズル1では、上記のとおり、気泡生成部5をその外側から加熱手段12によって加熱することにより、流速が5〜20m/s程度の低流速の場合であっても、流路3の断面の総辺長Lが見かけ上大きくなり、液体2中の微細気泡11の生成量を増加させることができる。また、短辺長bを小さくする必要がなく、異物の詰まりの発生を抑えることができ、微細気泡生成ノズル1の信頼性が損なわれることを抑えることができる。
【0029】
しかも、加熱手段12は、気泡生成部5を流れる液体2を非接触で加熱することができるので、上記特許文献1に記載した微細気泡発生ノズルのように、微細気泡を生成するために、液体2の流速を速くする必要がなく、低流速でも十分に微細気泡11を生成させることができる。このため、液体2を搬送するポンプなどの液体供給系の出力を抑えることができる。また、加熱手段12は、気泡生成部5の外側から気泡生成部5を加熱するので、水密性の確保への対応が軽減され、微細気泡生成ノズル1の構造が簡易となる。
【0030】
このような微細気泡生成ノズル1では、加熱手段12は、図1に示したように、たとえば、気泡生成部5において液体2の流速が最も速い部分14に設けることができる。液体2の流速が最も速い部分14は、流れの中の圧力が最も小さい部分に対応するので、加熱手段12の発熱量をさほど大きくしなくても、流れの中の圧力は、確実に加熱時の飽和水蒸気圧13以下になる。このため、加熱手段12を発熱させるための消費電力などを低減させることができ、加熱手段12の最適な発熱量を簡便に設定することが可能となる。
【0031】
本発明は、上記のとおりの実施形態によって限定されるものではない。微細気泡生成ノズルおよび加熱手段の構成、構造、また、形状などの細部については様々な態様が可能である。液体および気体の種類についても同様である。
【符号の説明】
【0032】
1 微細気泡生成ノズル
2 液体
3 流路
5 気泡生成部
6 入口
7 流入部
8 出口
9 吐出部
12 加熱手段
14 流速が最も速い部分
a 流路断面積

【特許請求の範囲】
【請求項1】
気体が加圧下で溶解した液体の流路が内部に形成され、その流路の入口側を形成する流入部と、出口側を形成する吐出部とを備え、これらの流入部と吐出部の間に、前記流路において最も小さい流路断面積を有する気泡生成部が設けられ、
この気泡生成部に、その外側から気泡生成部を加熱可能とした加熱手段が設けられていることを特徴とする微細気泡生成ノズル。
【請求項2】
前記加熱手段は、前記気泡生成部において前記液体の流速が最も速い部分に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の微細気泡生成ノズル。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−170849(P2012−170849A)
【公開日】平成24年9月10日(2012.9.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−33452(P2011−33452)
【出願日】平成23年2月18日(2011.2.18)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】