液体処理装置及びそれを用いた液体処理システム
【課題】
液体資源の品質を維持して殺菌処理し再利用可能にする液体処理技術の提供。
【解決手段】
気体を注入した液体で超音速流を形成し、該超音速流により該液体中の気泡を破壊して微小気泡を生成し、該微小気泡に超音波を照射して該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊し、該キャビテーション圧壊時の高温や高圧で液体中の細菌類を死滅させる。
液体資源の品質を維持して殺菌処理し再利用可能にする液体処理技術の提供。
【解決手段】
気体を注入した液体で超音速流を形成し、該超音速流により該液体中の気泡を破壊して微小気泡を生成し、該微小気泡に超音波を照射して該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊し、該キャビテーション圧壊時の高温や高圧で液体中の細菌類を死滅させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温泉水等の液体中のレジオネラ菌等を殺菌処理する技術に係り、特に、循環式温泉システム等液体を循環させて再利用する処理システムにおける殺菌処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体の殺菌処理技術としては、塩素などの殺菌剤を用いるものや、超音波を利用するものがある。超音波を利用するものでは、対象液体に超音波を照射し、キャビテーションによる衝撃波圧力により殺菌・除菌を行うようにしている。また、本発明に関連した文献記載技術としては、例えば、特開２００３−２３０８２４号公報（以下、特許文献１という）に記載された技術や、超音波技術便覧、実吉純一編、日刊工業新聞社（以下、非特許文献１という）に記載された技術や、キャビテーション 基礎と最近の進歩、加藤洋治編、槙書店（以下、非特許文献２という）に記載された技術がある。特許文献１には、微小気泡生成部において生成された多数の微小気泡が合体するのを抑制するために、液体中に界面活性剤を含ませるとした技術が記載され、非特許文献１には、液体中で発生した気泡の作用と超音波との関係について記載され、非特許文献２には、液体中で発生する気泡の密度や作用について記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３０８２４号公報
【非特許文献１】超音波技術便覧、実吉純一編、日刊工業新聞社
【非特許文献２】キャビテーション 基礎と最近の進歩、加藤洋治編、槙書店
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波を液体に照射して殺菌処理を行う上記従来技術では、液体品質は維持できるものの、細菌数に比べて液体中のキャビテーション核の数が少ないために殺菌率が低く、３％程度が限界である。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、液体中の殺菌処理を行う液体処理技術において、殺菌剤は使用せずに、殺菌率のさらに大幅な向上を可能にすることである。
本発明の目的は、上記課題点を解決し、液体資源を品質を変えずに高効率で殺菌処理し再利用可能にする液体処理技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題点を解決するために、本発明では、液体を殺菌処理する液体処理装置として、液体流路上で、気体を注入された液体で超音速流を形成し、該超音速流により該液体中の気泡を破壊して微小気泡を生成し、該微小気泡に超音波を照射して該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊（膨張、収縮の体積変化に基づき気泡を破壊すること）する構成を備え、該キャビテーション圧壊時に発生するエネルギーで液体の殺菌処理を行う。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、液体資源の品質を変えずに液体中の細菌類を効率的に駆除することができる。液体の再利用化などによる運転コストの低減化も図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明の実施例の説明図である。図１は、本発明の液体処理システムの実施例としての循環式温泉水処理システムの構成例を示す図、図２は、本発明の一実施例としての液体処理装置の構成例図、図３は、図２の液体処理装置を構成する微小気泡発生部の構成例図、図４は、液体中の気泡含有率と音速との関係を示す特性図である。
【０００８】
図１において、１は浴槽、２は温泉水、３は、温泉水２中の毛髪などを捕捉するための集毛器、４は、温泉水２を強制循環させるためのポンプ、５は、温泉水中の有機物のごみを微生物活動により分解除去することによって温泉水の清浄度を上げる濾過機、６は、濾過された温泉水２等の液体を殺菌処理するための本発明の液体処理装置、７は、温泉水の温度を上昇させるための加熱器である。
【０００９】
上記図１の構成において、例えば、浴槽１で入浴により使用された温泉水２は、浴槽１の排水口から排出され、集毛器３で毛髪などを除去され、ポンプ４を経て水圧を増大化されて濾過機５側に送られる。濾過機５で有機物のごみを分解除去された後、さらに、液体処理装置６に供給される。液体処理装置６では、温泉水２中のレジオネラ菌などの細菌が存在するときは、該細菌が、微小気泡のキャビテーション圧壊で発生する高温や高圧によって駆除される。殺菌処理された温泉水２は、加熱器７により、温度を所定の温度に上げられ、適宜、浴槽１に供給される。このように、本図１の循環式温泉水処理システムでは、温泉水２が、浴槽１、集毛器３、ポンプ４、濾過機５、液体処理装置６、加熱器７で形成された循環系を、殺菌処理を施されながら循環され、再利用される。
【００１０】
図２は、本発明の実施例としての液体処理装置６の構成例図である。
図２において、１０は、温泉水等の液体の殺菌処理を行う液体処理装置６の構成要素であって、温泉水等の液体中において微小気泡を生成する微小気泡生成部、１１は、同じく液体処理装置６の構成要素であって、上記生成された微小気泡をキャビテーション圧壊させるために超音波を照射する超音波照射部、１３は、微小気泡生成部１０が微小気泡を発生可能なように、該微小気泡生成部１０に気体を強制的に注入する気体注入部である。なお、気体注入部１３を液体処理装置６内に含ませず、これを液体処理装置６とは別個の構成要素として設けてもよい。微小気泡生成部１０では、温泉水等の液体に空気等の気体を注入し、該液体に気泡が発生した状態とした後、該液体を超音速流の状態にして、例えば直径が１×１０−６ｍ程度の微小気泡を生成する。超音波照射部１１は、生成された微小気泡に超音波を照射することで、該微小気泡を、その気泡核が互いに合体する前に個々独立にキャビテーション圧壊する。すなわち、超音波により該微小気泡のそれぞれは、膨張と収縮の大きな体積変化を起こし、該体積変化の過程で破壊する。該キャビテーション圧壊時には、破壊される各微小気泡が高温と高圧を発生する。温泉水等の液体中に存在するレジオネラ菌などの細菌類は、該キャビテーション圧壊時の高温、高圧のいずれかまたは両方によって死滅する。
【００１１】
図３は、図２の液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０の構成例を示す図である。
図３において、（ａ）は、微小気泡発生部１０の断面図、（ｂ）は、（ａ）の微小気泡発生部１０の流路方向の液体中の流速ｖの分布特性例を示す図、（ｃ）は、同液体中の圧力ｐの分布特性例を示す図、（ｄ）は、同液体中の気泡の含有率（以下、気泡含有率という）Ｖの特性例を示す図、（ｅ）は、同液体中の音速ｃの分布特性例を示す図、（ｆ）は、上記（ｂ）の流速ｖの分布特性と上記（ｅ）の音速ｃの分布特性とをまとめて示す図である。
【００１２】
図３（ａ）において、２３は、液体が導入される液体導入口、１４は、気体を液体中に注入する気体注入口、２１は、気体が液体中に注入される第１の部分としての本体部、２８は、本体部２１に対する流路断面積の大幅な縮小化により、液体の流速を液体中の音速よりも増大させ気泡の含有率を増大させる第２の部分としての絞り部、２２は、絞り部２８に連続して形成され、該絞り部２８で発生した上記超音速流の突入により、液体中の気泡を破壊し微小気泡を生成する第３の部分としての末広ノズル部、２９は、末広ノズル部２２の軸方向の先端部である。本体部２１は円柱状流路を形成し、該円柱状流路内において、液体中に、気体注入口１４から注入された空気などの気体による気泡が生成される。絞り部２８は、本体部２１に対し１／１０以下の流路断面積とされる。本体部２１の円柱状流路から絞り部２８の縮小流路に対しては、上記気泡を含んだ液体が強制的に流入される。末広ノズル部２２の先端部２９は、処理した液体を放出する。該先端部２９の開角を４０゜未満とした場合には、該末広ノズル部２２を流動する液体の流速分布特性や圧力分布特性などを安定なものとすることができる。
【００１３】
図３（ａ）〜（ｆ）において、本体部２１に液体が導入されると、該液体に対し気体注入口１４から気体が注入され、該液体中に気泡が形成される。該気泡を含む液体は本体部２１から絞り部２８に強制流入され、該絞り部２８においては、ベルヌーイの定理からも明らかなように、液体の流速ｖが増大し始め（図３（ｂ））、圧力ｐが減少し始める（図３（ｃ））。圧力ｐが減少することで液体中の含有気泡が膨張し気泡含有率Ｖが増大し（図３（ｄ））、さらに、該気泡含有率Ｖが増大することにより液体中の音速ｃは減少する（図３（ｅ））。絞り部２８の位置を過ぎた末広ノズル部２２内の領域Ａ、Ｂ（図３（ａ））の位置でこの傾向が著しい。液体中の音速ｃは、例えば液体中の気泡含有率Ｖが増大して約５０％になったとき最低値となり約２３．９ｍ／ｓとなる（図４）。液体が領域Ａに流入する時点から、液体の流速ｖは該液体中の音速ｃを超え、超音速流となる。該超音速流は、末広ノズル部２２の流路径拡大構造により加速される。該超音速流における圧力ｐの減少分は例えば数気圧に達する。本体部２１の流速が例えば１ｍ／ｓであり、絞り部２８における流路断面積の減少率が１／３０であるとすると、領域Ａにおける３０ｍ／ｓとなる。
【００１４】
末広ノズル部２２の軸方向の先端部２９の位置では、液体は略静止状態にあり、圧力はほぼ大気圧の一定値ｐｂである。該先端部２９に近い末広ノズル部２２内の領域Ｃでも、液体は略静止状態にあり、該液体の圧力は該一定値ｐｂに近い静圧状態にある。このため、該領域Ｃに隣接した領域Ｂ内の上記位置ｘ１（図３（ａ））では、上記領域Ａ側からの上記超音速流の液体と、略静止状態の液体との衝突が起こり、衝撃波が発生する。該位置ｘ１またはその近傍までは、液体は、流速ｖの増大（図３（ｂ））、圧力ｐの減少（図３（ｃ））、気泡含有率Ｖの増大（図３（ｄ））及び音速ｃの減少（図３（ｅ））が続き、超音速流状態は維持されるが、上記衝突後は、該位置ｘ１またはその近傍では液体の圧力が急激に回復し、これによって、領域Ｂ、Ｃ内の液体中の気泡は大幅に縮小され、気泡含有率Ｖが低下する。このため、液体中の音速ｃは、約１４００ｍ／ｓにまで上昇する。上記位置ｘ１またはその近傍では、上記のように、略静止状態の液体に超音速流の液体が突入することで、膨張気泡が破壊されてさらに多数の微小気泡が生成される。すなわち、領域Ｂでは、該超音速流によって該液体中の気泡が破壊され、微小気泡が生成される。
【００１５】
超音波照射部１１（図２）は、上記領域Ｂで生成された微小気泡に対し超音波を照射し、該微小気泡をそれぞれ独立にキャビテーション圧壊する。すなわち、超音波が照射された時、核となる微小気泡が超音波の負圧期間に膨張してキャビテーション気泡を生成する。該膨張したキャビテーション気泡は、超音波の正圧期間に収縮する過程で圧壊する。圧壊時には、その圧壊点位置を中心として球面拡散する強力な衝撃波や、高温や、高圧を発生する。液体中のレジオネラ菌などの細菌類は、該キャビテーション圧壊時に発生する温度や圧力に基づくエネルギーによって死滅することになる。超音波照射部１１から微小気泡に照射される超音波の周波数を、例えば１５ｋＨｚとした場合、これによって１５０００回／ｓのキャビテーション圧壊が発生する。該キャビテーション圧壊によっては、例えば１００００個／ｍ−３の微小気泡が発生し、液体中の細菌数以上とすることができる。また、該キャビテーション圧壊時に発生する温度は数千゜Ｃ、圧力は数万Ｐａにまで達する。該温度、圧力のいずれか一方または両方によるエネルギーで、上記微小気泡の個々に対応して細菌類は死滅することとなる。
【００１６】
図５〜図８は、液体処理装置の他の実施例図である。図５〜図８の説明において用いる上記図１〜図４の構成要素には、該図１〜図４の場合と同じ符合を付して用いる。
【００１７】
図５は、液体処理装置６として、液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０と超音波照射部１１とを重ねて配する構成、すなわち微小気泡発生部１０の末広ノズル部２２の中に超音波照射部１１を挿入状態で配した場合の構成例である。微小気泡発生部１０の基本的構成・作用は上記図３の構成の場合と同じである。図５において、３０は、超音波照射部１１を構成する超音波振動子である。領域Ｂで超音速流によって生成された微小気泡に対し、超音波振動子３０から超音波を照射して、該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊する。該キャビテーション圧壊によって液体中の細菌類を死滅させる。
【００１８】
図６も、液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０と超音波照射部１１とを重ねて配する構成である。本図６の構成では、微小気泡発生部１０の末広ノズル部２２の領域Ｂの部分をはさんで、超音波照射部１１としての超音波振動子と対向する対向面を設けた場合の例である。微小気泡発生部１０の基本的構成・作用は上記図３の構成の場合と同じである。図６において、３１は、超音波照射部１１を構成する超音波振動子、３３は対向面である。超音波振動子３１と対向面３３との間の間隔Ｄは、超音波の１／４波長の略整数倍にされている。かかる構成とすることで、領域Ｂで超音速流によって生成された微小気泡を、超音波振動子３１からの超音波が高い効率でキャビテーション圧壊する。
【００１９】
図７も、液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０と超音波照射部１１とを重ねて配する構成である。本図７の構成では、微小気泡発生部１０の末広ノズル部２２の領域Ｂの部分の周囲を、超音波照射部１１としての超音波振動子で囲んだ場合の例である。微小気泡発生部１０の基本的構成・作用は上記図３の構成の場合と同じである。図７において、３２は、超音波照射部１１を構成する円筒状の超音波振動子である。超音波振動子３２は、領域Ｂに対しその周囲から超音波を照射し、微小気泡を高効率状態でキャビテーション圧壊する。
【００２０】
図８は、微小気泡発生部１０の本体部２１中に予め、液体の旋回流を形成し、渦キャビテーションを発生させるようにした場合である。図８において、３４は、本体部２１中に設けられ旋回流発生機構、３５は、該旋回流発生機構３４により発生される渦キャビテーションである。旋回流発生機構３４は、液体導入口２３からの層流を旋回する渦流に変換する。渦流の発生により該渦の軸上に、溶存気体による渦キャビテーション３５が発生し、該渦キャビテーション３５は絞り部２８によりさらに大きな気泡に膨張する。このため、領域Ｂにおいては、より一層多くの微小気泡が形成されることになり、該形成された微小気泡は高効率にキャビテーション圧壊される。本構成では、気体の含有量が少ない場合にも、渦の軸上には気泡（渦キャビテーション３５）が形成される。また、気体を外部（気体注入部１３）から強制的に導入することによって、気液割合を任意に設定したり、調整したり、または、液体における気体の割合を高くすることが可能となる。液体と気体の流量比は、例えば、２０％程度までは可能な見通しである。該流量比を制御することで、生成される微小気泡の大きさを制御することも可能である。
【００２１】
上記図１〜図８で説明した本発明の実施例によれば、温泉水などの液体の品質を変えずに該液体中の細菌類を効率的に駆除することができ、循環式の液体処理が可能となる。液体の再利用化などによる運転コストの低減化も図られる。
【００２２】
なお、上記図１〜図８の実施例では、循環式温泉水処理システムに用いる液体処理装置につき説明したが、本発明はこれに限定されない。システムは循環式でなくともよいし、液体処理装置は、温泉水処理システム以外に用いられてもよいし、殺菌処理する液体も、例えば、海水、河川水、湖沼水、ダムの水、下水、汚水槽の水、養殖槽の水、水生生物の飼育用の水槽の水、バイオリアクターの液体、水耕栽培用の水など、温泉水以外の液体であってもよい。また、液体処理装置は、上記図３〜図８に示す構成のものに限定されない。例えば、本体部２１と末広ノズル部２２は、別体状の構成であってもよいし、一体状の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例としての循環式温泉水処理システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施例としての液体処理装置の構成例図である。
【図３】図２の液体処理装置を構成する微小気泡発生部の構成例図である。
【図４】液体中の気泡含有率と音速との関係を示す特性図である。
【図５】液体処理装置の他の実施例図である。
【図６】液体処理装置の他の実施例図である。
【図７】液体処理装置の他の実施例図である。
【図８】液体処理装置の他の実施例図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…浴槽、
２…温泉水、
３…集毛器、
４…ポンプ、
５…濾過機、
６…液体処理装置、
７…加熱器、
１０…微小気泡生成部、
１１…超音波照射部、
１３…気体注入部、
２３…液体導入口、
１４…気体注入口、
２１…本体部、
２８…絞り部、
２２…末広ノズル部、
２９…先端部、
３０、３１、３２…超音波振動子、
３３…対向面、
３４…旋回流発生機構、
３５…渦キャビテーション。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温泉水等の液体中のレジオネラ菌等を殺菌処理する技術に係り、特に、循環式温泉システム等液体を循環させて再利用する処理システムにおける殺菌処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体の殺菌処理技術としては、塩素などの殺菌剤を用いるものや、超音波を利用するものがある。超音波を利用するものでは、対象液体に超音波を照射し、キャビテーションによる衝撃波圧力により殺菌・除菌を行うようにしている。また、本発明に関連した文献記載技術としては、例えば、特開２００３−２３０８２４号公報（以下、特許文献１という）に記載された技術や、超音波技術便覧、実吉純一編、日刊工業新聞社（以下、非特許文献１という）に記載された技術や、キャビテーション 基礎と最近の進歩、加藤洋治編、槙書店（以下、非特許文献２という）に記載された技術がある。特許文献１には、微小気泡生成部において生成された多数の微小気泡が合体するのを抑制するために、液体中に界面活性剤を含ませるとした技術が記載され、非特許文献１には、液体中で発生した気泡の作用と超音波との関係について記載され、非特許文献２には、液体中で発生する気泡の密度や作用について記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３０８２４号公報
【非特許文献１】超音波技術便覧、実吉純一編、日刊工業新聞社
【非特許文献２】キャビテーション 基礎と最近の進歩、加藤洋治編、槙書店
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波を液体に照射して殺菌処理を行う上記従来技術では、液体品質は維持できるものの、細菌数に比べて液体中のキャビテーション核の数が少ないために殺菌率が低く、３％程度が限界である。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、液体中の殺菌処理を行う液体処理技術において、殺菌剤は使用せずに、殺菌率のさらに大幅な向上を可能にすることである。
本発明の目的は、上記課題点を解決し、液体資源を品質を変えずに高効率で殺菌処理し再利用可能にする液体処理技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題点を解決するために、本発明では、液体を殺菌処理する液体処理装置として、液体流路上で、気体を注入された液体で超音速流を形成し、該超音速流により該液体中の気泡を破壊して微小気泡を生成し、該微小気泡に超音波を照射して該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊（膨張、収縮の体積変化に基づき気泡を破壊すること）する構成を備え、該キャビテーション圧壊時に発生するエネルギーで液体の殺菌処理を行う。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、液体資源の品質を変えずに液体中の細菌類を効率的に駆除することができる。液体の再利用化などによる運転コストの低減化も図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明の実施例の説明図である。図１は、本発明の液体処理システムの実施例としての循環式温泉水処理システムの構成例を示す図、図２は、本発明の一実施例としての液体処理装置の構成例図、図３は、図２の液体処理装置を構成する微小気泡発生部の構成例図、図４は、液体中の気泡含有率と音速との関係を示す特性図である。
【０００８】
図１において、１は浴槽、２は温泉水、３は、温泉水２中の毛髪などを捕捉するための集毛器、４は、温泉水２を強制循環させるためのポンプ、５は、温泉水中の有機物のごみを微生物活動により分解除去することによって温泉水の清浄度を上げる濾過機、６は、濾過された温泉水２等の液体を殺菌処理するための本発明の液体処理装置、７は、温泉水の温度を上昇させるための加熱器である。
【０００９】
上記図１の構成において、例えば、浴槽１で入浴により使用された温泉水２は、浴槽１の排水口から排出され、集毛器３で毛髪などを除去され、ポンプ４を経て水圧を増大化されて濾過機５側に送られる。濾過機５で有機物のごみを分解除去された後、さらに、液体処理装置６に供給される。液体処理装置６では、温泉水２中のレジオネラ菌などの細菌が存在するときは、該細菌が、微小気泡のキャビテーション圧壊で発生する高温や高圧によって駆除される。殺菌処理された温泉水２は、加熱器７により、温度を所定の温度に上げられ、適宜、浴槽１に供給される。このように、本図１の循環式温泉水処理システムでは、温泉水２が、浴槽１、集毛器３、ポンプ４、濾過機５、液体処理装置６、加熱器７で形成された循環系を、殺菌処理を施されながら循環され、再利用される。
【００１０】
図２は、本発明の実施例としての液体処理装置６の構成例図である。
図２において、１０は、温泉水等の液体の殺菌処理を行う液体処理装置６の構成要素であって、温泉水等の液体中において微小気泡を生成する微小気泡生成部、１１は、同じく液体処理装置６の構成要素であって、上記生成された微小気泡をキャビテーション圧壊させるために超音波を照射する超音波照射部、１３は、微小気泡生成部１０が微小気泡を発生可能なように、該微小気泡生成部１０に気体を強制的に注入する気体注入部である。なお、気体注入部１３を液体処理装置６内に含ませず、これを液体処理装置６とは別個の構成要素として設けてもよい。微小気泡生成部１０では、温泉水等の液体に空気等の気体を注入し、該液体に気泡が発生した状態とした後、該液体を超音速流の状態にして、例えば直径が１×１０−６ｍ程度の微小気泡を生成する。超音波照射部１１は、生成された微小気泡に超音波を照射することで、該微小気泡を、その気泡核が互いに合体する前に個々独立にキャビテーション圧壊する。すなわち、超音波により該微小気泡のそれぞれは、膨張と収縮の大きな体積変化を起こし、該体積変化の過程で破壊する。該キャビテーション圧壊時には、破壊される各微小気泡が高温と高圧を発生する。温泉水等の液体中に存在するレジオネラ菌などの細菌類は、該キャビテーション圧壊時の高温、高圧のいずれかまたは両方によって死滅する。
【００１１】
図３は、図２の液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０の構成例を示す図である。
図３において、（ａ）は、微小気泡発生部１０の断面図、（ｂ）は、（ａ）の微小気泡発生部１０の流路方向の液体中の流速ｖの分布特性例を示す図、（ｃ）は、同液体中の圧力ｐの分布特性例を示す図、（ｄ）は、同液体中の気泡の含有率（以下、気泡含有率という）Ｖの特性例を示す図、（ｅ）は、同液体中の音速ｃの分布特性例を示す図、（ｆ）は、上記（ｂ）の流速ｖの分布特性と上記（ｅ）の音速ｃの分布特性とをまとめて示す図である。
【００１２】
図３（ａ）において、２３は、液体が導入される液体導入口、１４は、気体を液体中に注入する気体注入口、２１は、気体が液体中に注入される第１の部分としての本体部、２８は、本体部２１に対する流路断面積の大幅な縮小化により、液体の流速を液体中の音速よりも増大させ気泡の含有率を増大させる第２の部分としての絞り部、２２は、絞り部２８に連続して形成され、該絞り部２８で発生した上記超音速流の突入により、液体中の気泡を破壊し微小気泡を生成する第３の部分としての末広ノズル部、２９は、末広ノズル部２２の軸方向の先端部である。本体部２１は円柱状流路を形成し、該円柱状流路内において、液体中に、気体注入口１４から注入された空気などの気体による気泡が生成される。絞り部２８は、本体部２１に対し１／１０以下の流路断面積とされる。本体部２１の円柱状流路から絞り部２８の縮小流路に対しては、上記気泡を含んだ液体が強制的に流入される。末広ノズル部２２の先端部２９は、処理した液体を放出する。該先端部２９の開角を４０゜未満とした場合には、該末広ノズル部２２を流動する液体の流速分布特性や圧力分布特性などを安定なものとすることができる。
【００１３】
図３（ａ）〜（ｆ）において、本体部２１に液体が導入されると、該液体に対し気体注入口１４から気体が注入され、該液体中に気泡が形成される。該気泡を含む液体は本体部２１から絞り部２８に強制流入され、該絞り部２８においては、ベルヌーイの定理からも明らかなように、液体の流速ｖが増大し始め（図３（ｂ））、圧力ｐが減少し始める（図３（ｃ））。圧力ｐが減少することで液体中の含有気泡が膨張し気泡含有率Ｖが増大し（図３（ｄ））、さらに、該気泡含有率Ｖが増大することにより液体中の音速ｃは減少する（図３（ｅ））。絞り部２８の位置を過ぎた末広ノズル部２２内の領域Ａ、Ｂ（図３（ａ））の位置でこの傾向が著しい。液体中の音速ｃは、例えば液体中の気泡含有率Ｖが増大して約５０％になったとき最低値となり約２３．９ｍ／ｓとなる（図４）。液体が領域Ａに流入する時点から、液体の流速ｖは該液体中の音速ｃを超え、超音速流となる。該超音速流は、末広ノズル部２２の流路径拡大構造により加速される。該超音速流における圧力ｐの減少分は例えば数気圧に達する。本体部２１の流速が例えば１ｍ／ｓであり、絞り部２８における流路断面積の減少率が１／３０であるとすると、領域Ａにおける３０ｍ／ｓとなる。
【００１４】
末広ノズル部２２の軸方向の先端部２９の位置では、液体は略静止状態にあり、圧力はほぼ大気圧の一定値ｐｂである。該先端部２９に近い末広ノズル部２２内の領域Ｃでも、液体は略静止状態にあり、該液体の圧力は該一定値ｐｂに近い静圧状態にある。このため、該領域Ｃに隣接した領域Ｂ内の上記位置ｘ１（図３（ａ））では、上記領域Ａ側からの上記超音速流の液体と、略静止状態の液体との衝突が起こり、衝撃波が発生する。該位置ｘ１またはその近傍までは、液体は、流速ｖの増大（図３（ｂ））、圧力ｐの減少（図３（ｃ））、気泡含有率Ｖの増大（図３（ｄ））及び音速ｃの減少（図３（ｅ））が続き、超音速流状態は維持されるが、上記衝突後は、該位置ｘ１またはその近傍では液体の圧力が急激に回復し、これによって、領域Ｂ、Ｃ内の液体中の気泡は大幅に縮小され、気泡含有率Ｖが低下する。このため、液体中の音速ｃは、約１４００ｍ／ｓにまで上昇する。上記位置ｘ１またはその近傍では、上記のように、略静止状態の液体に超音速流の液体が突入することで、膨張気泡が破壊されてさらに多数の微小気泡が生成される。すなわち、領域Ｂでは、該超音速流によって該液体中の気泡が破壊され、微小気泡が生成される。
【００１５】
超音波照射部１１（図２）は、上記領域Ｂで生成された微小気泡に対し超音波を照射し、該微小気泡をそれぞれ独立にキャビテーション圧壊する。すなわち、超音波が照射された時、核となる微小気泡が超音波の負圧期間に膨張してキャビテーション気泡を生成する。該膨張したキャビテーション気泡は、超音波の正圧期間に収縮する過程で圧壊する。圧壊時には、その圧壊点位置を中心として球面拡散する強力な衝撃波や、高温や、高圧を発生する。液体中のレジオネラ菌などの細菌類は、該キャビテーション圧壊時に発生する温度や圧力に基づくエネルギーによって死滅することになる。超音波照射部１１から微小気泡に照射される超音波の周波数を、例えば１５ｋＨｚとした場合、これによって１５０００回／ｓのキャビテーション圧壊が発生する。該キャビテーション圧壊によっては、例えば１００００個／ｍ−３の微小気泡が発生し、液体中の細菌数以上とすることができる。また、該キャビテーション圧壊時に発生する温度は数千゜Ｃ、圧力は数万Ｐａにまで達する。該温度、圧力のいずれか一方または両方によるエネルギーで、上記微小気泡の個々に対応して細菌類は死滅することとなる。
【００１６】
図５〜図８は、液体処理装置の他の実施例図である。図５〜図８の説明において用いる上記図１〜図４の構成要素には、該図１〜図４の場合と同じ符合を付して用いる。
【００１７】
図５は、液体処理装置６として、液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０と超音波照射部１１とを重ねて配する構成、すなわち微小気泡発生部１０の末広ノズル部２２の中に超音波照射部１１を挿入状態で配した場合の構成例である。微小気泡発生部１０の基本的構成・作用は上記図３の構成の場合と同じである。図５において、３０は、超音波照射部１１を構成する超音波振動子である。領域Ｂで超音速流によって生成された微小気泡に対し、超音波振動子３０から超音波を照射して、該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊する。該キャビテーション圧壊によって液体中の細菌類を死滅させる。
【００１８】
図６も、液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０と超音波照射部１１とを重ねて配する構成である。本図６の構成では、微小気泡発生部１０の末広ノズル部２２の領域Ｂの部分をはさんで、超音波照射部１１としての超音波振動子と対向する対向面を設けた場合の例である。微小気泡発生部１０の基本的構成・作用は上記図３の構成の場合と同じである。図６において、３１は、超音波照射部１１を構成する超音波振動子、３３は対向面である。超音波振動子３１と対向面３３との間の間隔Ｄは、超音波の１／４波長の略整数倍にされている。かかる構成とすることで、領域Ｂで超音速流によって生成された微小気泡を、超音波振動子３１からの超音波が高い効率でキャビテーション圧壊する。
【００１９】
図７も、液体処理装置６を構成する微小気泡発生部１０と超音波照射部１１とを重ねて配する構成である。本図７の構成では、微小気泡発生部１０の末広ノズル部２２の領域Ｂの部分の周囲を、超音波照射部１１としての超音波振動子で囲んだ場合の例である。微小気泡発生部１０の基本的構成・作用は上記図３の構成の場合と同じである。図７において、３２は、超音波照射部１１を構成する円筒状の超音波振動子である。超音波振動子３２は、領域Ｂに対しその周囲から超音波を照射し、微小気泡を高効率状態でキャビテーション圧壊する。
【００２０】
図８は、微小気泡発生部１０の本体部２１中に予め、液体の旋回流を形成し、渦キャビテーションを発生させるようにした場合である。図８において、３４は、本体部２１中に設けられ旋回流発生機構、３５は、該旋回流発生機構３４により発生される渦キャビテーションである。旋回流発生機構３４は、液体導入口２３からの層流を旋回する渦流に変換する。渦流の発生により該渦の軸上に、溶存気体による渦キャビテーション３５が発生し、該渦キャビテーション３５は絞り部２８によりさらに大きな気泡に膨張する。このため、領域Ｂにおいては、より一層多くの微小気泡が形成されることになり、該形成された微小気泡は高効率にキャビテーション圧壊される。本構成では、気体の含有量が少ない場合にも、渦の軸上には気泡（渦キャビテーション３５）が形成される。また、気体を外部（気体注入部１３）から強制的に導入することによって、気液割合を任意に設定したり、調整したり、または、液体における気体の割合を高くすることが可能となる。液体と気体の流量比は、例えば、２０％程度までは可能な見通しである。該流量比を制御することで、生成される微小気泡の大きさを制御することも可能である。
【００２１】
上記図１〜図８で説明した本発明の実施例によれば、温泉水などの液体の品質を変えずに該液体中の細菌類を効率的に駆除することができ、循環式の液体処理が可能となる。液体の再利用化などによる運転コストの低減化も図られる。
【００２２】
なお、上記図１〜図８の実施例では、循環式温泉水処理システムに用いる液体処理装置につき説明したが、本発明はこれに限定されない。システムは循環式でなくともよいし、液体処理装置は、温泉水処理システム以外に用いられてもよいし、殺菌処理する液体も、例えば、海水、河川水、湖沼水、ダムの水、下水、汚水槽の水、養殖槽の水、水生生物の飼育用の水槽の水、バイオリアクターの液体、水耕栽培用の水など、温泉水以外の液体であってもよい。また、液体処理装置は、上記図３〜図８に示す構成のものに限定されない。例えば、本体部２１と末広ノズル部２２は、別体状の構成であってもよいし、一体状の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例としての循環式温泉水処理システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施例としての液体処理装置の構成例図である。
【図３】図２の液体処理装置を構成する微小気泡発生部の構成例図である。
【図４】液体中の気泡含有率と音速との関係を示す特性図である。
【図５】液体処理装置の他の実施例図である。
【図６】液体処理装置の他の実施例図である。
【図７】液体処理装置の他の実施例図である。
【図８】液体処理装置の他の実施例図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…浴槽、
２…温泉水、
３…集毛器、
４…ポンプ、
５…濾過機、
６…液体処理装置、
７…加熱器、
１０…微小気泡生成部、
１１…超音波照射部、
１３…気体注入部、
２３…液体導入口、
１４…気体注入口、
２１…本体部、
２８…絞り部、
２２…末広ノズル部、
２９…先端部、
３０、３１、３２…超音波振動子、
３３…対向面、
３４…旋回流発生機構、
３５…渦キャビテーション。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を殺菌処理する液体処理装置であって、
液体流路上で、気体を注入された液体の流れを超音速流とし、該超音速流により該液体中の気泡を破壊して微小気泡を生成する微小気泡生成部と、
上記微小気泡生成部の上記微小気泡に超音波を照射し、該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊する超音波照射部と、
を備え、上記微小気泡のキャビテーション圧壊によるエネルギーで液体中の殺菌処理を行う構成としたことを特徴とする液体処理装置。
【請求項２】
液体を殺菌処理する液体処理装置であって、
液体流路上に、気体が注入される第１の部分と、流路の断面積の変化により、液体の流速を液体中の音速よりも増大させて超音速流を形成し気泡の含有率を増大させる第２の部分と、該超音速流の突入により気泡を破壊し微小気泡を生成する第３の部分とを有して成る微小気泡生成部と、
上記生成された微小気泡に超音波を照射し、該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊する超音波照射部と、
を備え、上記微小気泡のキャビテーション圧壊によるエネルギーで液体中の殺菌処理を行う構成を特徴とする液体処理装置。
【請求項３】
上記微小気泡生成部は、上記第２の部分が、流路の断面積を上記第１の部分よりも縮小させた絞り部と、液体の流れ方向に沿い該流路の断面積を該絞り部よりも次第に増大させた末広部とを有して成る構成である請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項４】
上記微小気泡生成部は、流路の下流側先端部の開角が約４０゜未満とされた構成である請求項１または請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項５】
上記微小気泡生成部は、上記第１の部分が液体の旋回流を発生する構成である請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の液体処理装置と、液体をためる槽と、該槽から上記液体処理装置に液体を供給するポンプとを備え、液体を、上記槽と上記液体処理装置の間で循環させながら殺菌処理する構成としたことを特徴とする液体処理システム。
【請求項１】
液体を殺菌処理する液体処理装置であって、
液体流路上で、気体を注入された液体の流れを超音速流とし、該超音速流により該液体中の気泡を破壊して微小気泡を生成する微小気泡生成部と、
上記微小気泡生成部の上記微小気泡に超音波を照射し、該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊する超音波照射部と、
を備え、上記微小気泡のキャビテーション圧壊によるエネルギーで液体中の殺菌処理を行う構成としたことを特徴とする液体処理装置。
【請求項２】
液体を殺菌処理する液体処理装置であって、
液体流路上に、気体が注入される第１の部分と、流路の断面積の変化により、液体の流速を液体中の音速よりも増大させて超音速流を形成し気泡の含有率を増大させる第２の部分と、該超音速流の突入により気泡を破壊し微小気泡を生成する第３の部分とを有して成る微小気泡生成部と、
上記生成された微小気泡に超音波を照射し、該微小気泡を個々独立にキャビテーション圧壊する超音波照射部と、
を備え、上記微小気泡のキャビテーション圧壊によるエネルギーで液体中の殺菌処理を行う構成を特徴とする液体処理装置。
【請求項３】
上記微小気泡生成部は、上記第２の部分が、流路の断面積を上記第１の部分よりも縮小させた絞り部と、液体の流れ方向に沿い該流路の断面積を該絞り部よりも次第に増大させた末広部とを有して成る構成である請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項４】
上記微小気泡生成部は、流路の下流側先端部の開角が約４０゜未満とされた構成である請求項１または請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項５】
上記微小気泡生成部は、上記第１の部分が液体の旋回流を発生する構成である請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の液体処理装置と、液体をためる槽と、該槽から上記液体処理装置に液体を供給するポンプとを備え、液体を、上記槽と上記液体処理装置の間で循環させながら殺菌処理する構成としたことを特徴とする液体処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１３６８１９（Ｐ２００６−１３６８１９Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２９０７５（Ｐ２００４−３２９０７５）
【出願日】平成１６年１１月１２日（２００４．１１．１２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１２日（２００４．１１．１２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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