JP2000000563A

JP2000000563A - 液質改質装置及び液質改質方法

Info

Publication number: JP2000000563A
Application number: JP11104122A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Sanekata; 勝哉真方; Teruo Masumoto; 輝男増本; Hidenori Okuma; 英則大隈; Mamoru Tanaka; 守田中
Original assignee: YBM Co Ltd
Current assignee: YBM Co Ltd
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-01-07
Anticipated expiration: 2019-04-12
Also published as: JP3494587B2

Abstract

(57)【要約】【目的】キャビテーション泡の発生と、その作用、効果
を効率化する。【構成】一定容積の箱の中でジェット流を起こし噴流核
の周囲にキャビテーションを発生させる。更に、キャビ
テーション流を渦流とすることにより、キャビテーショ
ンの発生量を増大させる。その作用、効果は、キャビテ
ーションとその渦流によって、脱気、混合、攪拌、殺
菌、殺虫、分解、乳化等を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、キャビテーション
を利用して液体の脱気、混合、攪拌、殺菌、殺虫、分
解、乳化等を行う液質改質装置及び液質改質方法に関す
る。更に詳しくは、液体を噴出させて積極的にキャビテ
ーションを起こし、そのキャビテーション・エロージョ
ンの作用による生物細胞の破壊、液中の有害な塩素ガス
等の溶存気体の脱気、液体への物質の混合・攪拌、液中
の菌の殺菌、寄生虫の殺虫、有機物の分解、油の乳化
等、その液質を改質するための液質改質装置及び液質改
質方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体中のガス、雑菌などを分離・破壊し
てそのガス、雑菌等の特有の効果を減殺する技術、例え
ば湖水中のアオコ、飲料水・浴槽の水中のレジオネラ属
菌の細胞活性を消失させること、水道水中に溶存する塩
素を除去する等の有効な技術が求められている。これら
の土壌、池・沼、湖、河川などの淡水に生息する自然環
境中のレジオネラ属菌に加えて、空調用冷却塔水、ため
水、切削油、家庭・業務用の給湯器中の水、公園の噴
水、超音波・蒸留式加湿器中の水、循環式渦流浴（通称
２４時間風呂）用水、歯科治療用スプレー水、病院内の
多種用途の水の中で増殖する人工的環境中のレジオネラ
属菌の生理・細胞活性の無効化が特に要求されている。

【０００３】１９９６年現在で４０種以上も知られてい
るこのようなレジオネラ属菌は、（０．３〜０．７）・
（２〜５）ミクロンのグラム陰性菌であるが、好気性で
あるため大気に触れる水の中で容易に増殖し人体に悪影
響を与えるだけでなく、半導体製造用の超純水中で増殖
して半導体製造の歩留まりを悪くしている。レジオネラ
属菌は、培養時間が大腸菌に比べてきわめて長く、その
存在の確認に手間取り有効な対処が遅れがちである。緑
藻類などと共生し細胞外代謝産物を炭素源、エネルギー
源として利用し、生体中のマクロファージや同一環境で
生息しているアメーバのような原生動物の細胞内でも増
殖するため通性細胞内増殖細菌ともいわれるレジオネラ
属菌の有効な退治が特に求められている。

【０００４】一方、アオコなどの破壊のために、ジェッ
ト・キャビテーションを利用することが提案されてい
る。ジェット流を衝撃板にぶつける際の衝撃でアオコ、
淡水赤潮と呼ばれる有害植物プランクトンの無効化装置
の実用化もされているが、一般に生物活性の無効化技術
は、緒についたばかりである。キャビテーションによる
物理的活性は、キャビテーション・エロージョンといわ
れる一連の物理的・技術的熟語に示されるように、古く
から知られている。

【０００５】イケス、魚養殖装置等の海水又は水には、
各種の空気中の成分を主とする気体が含まれている。酸
素、窒素、二酸化炭素等の常温で気体である空気中の各
種成分が含まれている。更に魚類が排出する有害なアン
モニアが微生物等の作用によって変わった亜硝酸（ＨＮ
Ｏ₂）、亜硝酸塩、硝酸塩等の成分となることが知られ
ている。又、深層海水は、植物の成長に必要な無機栄養
塩類、燐酸塩、珪酸塩に富んでいる。水道水等の真水の
場合、消毒のために塩素等も含んだものである。

【０００６】これらのものは、水中の生物には、概ね有
害なものとなるので、可能な限り除去するか生物に影響
のない安定した塩類に変えることが望ましい。しかしな
がら、これらの有害物質を化学薬品で中和等により安定
化、又は選択的に吸着させることは限られた容量である
魚養殖装置では事実上不可能である。

【０００７】すなわち、微量でも除去のための薬品が残
留すると生物で濃縮され、悪影響を残す。こうした問題
から、陸上の養殖装置は、大量の海水を汲み上げてリサ
イクルすることなく短期で廃棄されている。このために
エネルギーの消費と共に近海の海水を汚染する原因とも
なっている。

【０００８】また、キャビテーションは、タービン・ブ
レードの金属表面を壊食することから知られているよう
に、物体を破壊する能力を有している。このようなキャ
ビテーションの破壊作用は嫌われているが、これを利用
しようとする技術は例外的に知られているだけであり、
一般的ではない。そのため、その研究も遅れている。ま
た、キャビテーション、高速ジェット流体の渦流は、複
雑系の力学により解析されるものであり、学問的にも未
熟であるから、試行錯誤的研究の成果をも取り入れつ
つ、理論的成果がすでに確定している研究結果とあわせ
て、工学的・実用的開発を進めることが好ましい。

【０００９】このような研究に基づく技術が先行して存
在する。同一発明者に係る特願平１０−３１６０２０号
に示されるその先行技術は、空気導入を重要な技術事項
としている。しかし、そのような空気の積極的導入は、
細胞破壊、気液分離を目的とする場合はむしろ不適切で
あることが、その後の実証実験により明らかになってき
た。なお、本明細書において、キャビテーション、キャ
ビテーション泡、キャビテーション気泡は同義で用い
る。また、キャビテーション流、渦流も、同義で用い
る。更に、エロージョン、壊食も、同義で用いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような技
術的背景に基づいてなされたものであり、下記のような
目的を達成する。本発明の目的は、キャビテーション泡
を積極的に利用して細胞破壊又は細胞活性の無効化を効
率的に行う液質改質装置及び液質改質方法を提供するこ
とにある。本発明の他の目的は、キャビテーション泡を
積極的に利用して液中に溶存している気体の分離を効率
的に行う液質改質装置及び液質改質方法を提供すること
にある。

【００１１】本発明の更に他の目的は、キャビテーショ
ン泡の渦流を形成させて前記目的をより効果的に達成す
る液質改質装置及び液質改質方法を提供することにあ
る。本発明の更に他の目的は、キャビテーション泡の渦
流を移動させて前記目的をより効果的に達成する液質改
質装置及び液質改質方法を提供することにある。本発明
の更に他の目的は、キャビテーションされた後の液体
に、空気等の気体を混入させて効率的に液中の不要な気
体の脱気を行う液質改質装置及び液質改質方法を提供す
ることにある。

【００１２】本発明の更に他の目的は、キャビテーショ
ン効果を高めるための理論的・実験的な数学的条件を明
確にして技術の利用を容易化し効率的な細胞活性の無効
化、不純物の除去、液中の気体の脱気等を行う液質改質
装置及び液質改質方法を提供することにある。本発明の
更に他の目的は、以下に、実施の形態を通じてより具体
的に明らかにされるはずである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による液質改質装
置及び液質改質方法は、既述の課題を解決するために次
のような手段が採用する。長方体状の箱本体、円筒空間
等のように閉鎖された空間に液体のジェット流を形成
し、そのジェット流の中に渦流を発生させ、その渦流の
中に動的渦流を発生させる。動的とは、その渦流の中心
領域が運動することである。

【００１４】その中心領域の運動は、幾何学的運動であ
るが、物理的運動ではない。渦流を形成する水分子は、
激しい渦状の運動をするが、中心領域の運動と水分子の
運動とは、実質的には、全く関係がない。このような中
心領域の運動は、台風の移動に似ている。これらの閉じ
られた空間での運動は、本発明では乱流発生部又は乱流
発生手段ともいう。

【００１５】このようなキャビテーション泡の渦流中心
の運動は、箱又は筒等の閉鎖空間の内面を境界条件とす
る複雑な運動方程式により記述されるが、その厳密解を
求めることができない複雑系を形成している。微小な無
数の泡は、その泡の境界面は例えば球面の近傍の圧力・
応力勾配は極めて大きく、且つ、それは時間的に急激に
変化する。このような時間的変化を示す圧力・応力勾配
を持つ液体に触れる細胞は、その細胞活性を瞬時に失
う。また、その圧力勾配は、新たな泡の発生の種を生成
しながら、液中の気体の気化を促進し、その結果、気液
分離を促進する。

【００１６】箱本体又は円筒等の容器に設けられている
入口から出口に向かって全体としての渦流は進むが、こ
のように進む途中で渦流を形成する。この渦流は、１つ
の出口について原則的に１つが発生し巨視的である。微
視的には、渦の発生初期では無数の渦が観測されるが、
全水分子のそれぞれの角運動量の合計が、１つの角運動
量となって現れる。このような渦流の中心領域は、２次
的にも動的であり、閉じた系即ち既述の境界条件下で、
周期的な閉じた運動を行う。

【００１７】このような渦運動を起こさせるジェット流
の入射速度などの初期条件、噴流核を適正に分布させる
ノズル形状、既述の境界条件は、同時に渦流にせん断応
力が働き、キャビテーションが発生する条件にもなって
いる。即ち、泡の渦流の発生は、細胞破壊に適正なキャ
ビテーションの発生を規定しているということができ
る。

【００１８】ノズルは、少なくともキャビテーションの
発生には水、又は海水等の液体のみを導入するようにシ
ングルノズルとして形成し空気を積極的に導入しない方
が、キャビテーションを発生させるには効果的であり、
細胞破壊、気体の脱気、混合等のためにはすぐれてい
る。しかしながら、目的によってはそのノズルは、水、
又は海水等の液体を導入するための第１ノズルと空気等
の気体、又は液体を導入するための第２ノズルを持つダ
ブルノズルとして形成することもできる。

【００１９】この場合、キャビテーションの発生を優先
するためには、その第２ノズルの機能を喪失させるため
に、栓をし、又は流量制御が可能で、かつ完全遮断も可
能なバルブで栓をすればよい。その栓を着脱自在にする
ことにより、その箱、筒等は他の用途にも利用すること
ができる。ノズルへの供給の吐出圧力は、用途、効果に
より２Kg/mm²以上の範囲から選択して選ぶ。望ましく
は、水道水の塩素の脱気は２Kg/mm²以下で良く、攪拌・
混合、分離、殺菌は１０Kg/mm²以下で良く、脱気、殺菌
は３０Kg/mm²以下で良く、トリクロロエチレン、ダイオ
キシン等の有機物の分解は１００Kg/mm²以上の範囲が望
ましい。

【００２０】乱流発生部の境界条件として望ましくは、
内部空間が扁平であることである。扁平であることは、
ある角運動量を持つ渦を立体的に回転させない条件であ
り（ベクトルである角運動量は平面に直交する回転中心
軸心線の向きを持つ）、この条件は渦流を安定させる。
渦流を円滑に運動させるためには、運動の方向に乱流発
生部の空間には曲面を備えたものが効果的である。この
ような渦流は、強力なせん断応力を有し泡の崩壊を促進
し、泡の崩壊は衝撃波を液中に発生させる。

【００２１】内部空間の概ねの高さをＨで、それの概ね
の幅をＷで表し、そのノズルの開口の有効直径をＤ１で
表すと、ジェット流は長さ方向に向いてその内部空間の
概ねの中心線の方向に射出される。好適な渦流の発生の
条件は、Ｄ１＜Ｈ、且つ、Ｗ／Ｈ＞４．で表現される。これは、実験式であるが理論的根拠を有
している。

【００２２】ノズルは下流側流路と上流側流路とからな
る。即ち狭い通路から急に広い通路に出る液体には、キ
ャビテーションが発生する。下流側流路の有効直径をＤ
１で上流側流路の有効直径をＤ２で表し、その下流側流
路の有効長さをＬで表すと、好適な渦流の発生条件は、Ｌ／Ｄ２≧５、且つ、Ｄ１／Ｄ２≧２．で表現される。これは、実験式であるが理論的根拠を有
している。より好ましくは、次式で表される。Ｌ／Ｄ２≧８、且つ、４≧Ｄ１／Ｄ２≧３．出口を形成するノズルの噴射口は、その開口形状又はそ
の断面形状が円であることが好ましいが、必ずしも円形
である必要はなく、楕円的、多角形的であってもよい。
本発明における流体は、その流線がいわゆる流線形であ
る必要はなく、即ち整流ではなく、キャビテーションを
発生させるためのものであり、局所的に徹底した渦流・
渦流が大域的に合成されたものであればよからである。
有効直径Ｄは、断面積をＳで表せば、概ね、Ｓ＝π（Ｄ
の２乗）／４の関係で表現される。

【００２３】

【発明の実施の形態】［液質改質装置の実施の形態１］
次に、本発明による液質改質装置の実施の形態１につい
て具体的に説明する。図１は、本発明による液質改質装
置の実施の形態を示している。液質改質装置１は、乱流
発生箱２と複式ノズル３とから構成されている。複式ノ
ズル３は、キャビテーション発生部５と気液導入部６と
から構成されている。キャビテーション発生部５は、詳
しくは後述するように、乱流発生箱２そのもに形成され
ている。

【００２４】気液導入部６は、図２に示すように、液体
導入部７と気体導入部８とから形成されている。気液導
入部６は、乱流発生箱２に固定されている。その固定の
ための固定手段は、例えば、ボルト穴１１（図１参照）
とボルト（図示せず）により固定されている。気体導入
部８は、液体導入部７に固定されている。

【００２５】その固定手段は、例えば、液体導入部７に
形成されているボルト穴１２と気体導入部８に形成され
ているボルト１３とから構成されている。着脱自在であ
る液体導入部７と気体導入部８との間からの液漏れを防
止するために、液体導入部７と気体導入部８との間に
は、パッキン又はＯリング１０が介設されている。

【００２６】気体導入部８を取り除いてそれの代わりに
栓（図示せず）を液体導入部７のボルト穴１２にねじ込
めば、複式ノズル３をシングルノズルに簡単に変更する
ことができる。図示の通りの気液導入部６は複式ノズル
３を形成しているが、液体のみを噴射させる単式ノズル
に改変することができる。また、気体導入部８は、空
気、酸素等の常温で気体は勿論、液体である界面活性
剤、油剤等、食品等の微小粉体、気体と液体の混合剤等
を導入するためのものである。従って、ここでいう気体
導入部８は、気体のみの導入を意味するものではない。

【００２７】乱流発生箱２の中の内部空間Ｖは、概ね、
扁平な直方体である。扁平の物理的・幾何学的意義は、
後に詳述される。内部空間Ｖの中心点を通る長手方向中
心線ＣＬを軸心線とする乱流発生箱２は、外見も概ね直
方体形状であり、６面壁を備える。乱流発生箱２の側壁
に、直径がＤ１である噴流穴１４が開けられている。噴
流穴１４は、キャビテーション発生部５に一致してい
る。キャビテーション発生部５である噴流穴１４の軸心
線は長手方向中心線ＣＬに一致している。

【００２８】液体導入部７には、軸方向液体導入孔１５
と半径方向液体導入孔１６が開けられている。軸方向液
体導入孔１５と半径方向液体導入孔１６は、軸心部で接
続されている。ボルト穴１２の外側開口には、高圧液体
導入管（図示せず）が接続される。軸方向液体導入孔１
５が後方側へ延長されて形成されている延長部に既述の
ボルト穴１２が形成されている。気体導入部８は、軸心
線として長手方向中心線ＣＬを共有して、軸方向液体導
入孔１５とその延長部に挿入されている。

【００２９】気体導入部８は、中心線として長手方向中
心線ＣＬを共有する軸方向気体導入孔１８を有してい
る。軸方向液体導入孔１５及び軸方向気体導入孔１８
は、同一開口面を有して噴流穴１４の後端で開放され噴
流穴１４に接続している。内部空間Ｖは、その幅が図１
に示すＷであり、その高さが図に示すＨであり、その長
さは特には規定されていない。内部空間Ｖの長さ方向
は、噴流穴１４の軸心線方向として定義される。

【００３０】内部空間Ｖの高さＨ、幅Ｗ、噴流穴１４の
直径Ｄ１、軸方向液体導入孔１８の直径Ｄ２が、図３，
４に概念化されて規定されている。噴流穴１４と軸方向
液体導入孔１５とでキャビテーション発生用ノズルが形
成されている。内部空間Ｖは、ノズルに相当する入口と
排出口１９（図１参照）とで部分的に開放されている
が、高圧流体が導入される内部空間は実質的に閉じられ
た空間として扱うことができる。即ち、直方体状の内部
空間Ｖを形成する６面壁は、境界条件を規定している。

【００３１】キャビテーションの発生条件は、一般的に
知られているように、特に液体が水であれば、Ｌ／Ｄ２
≧５、で表現できる。Ｌは、噴流穴１４の軸方向長さで
ある。この関係は、液体の粘性抵抗にあまり影響されな
い。このような関係は、従来、キャビテーションの発生
を抑制するために研究されてきた関係（逆関係）であ
る。積極的にキャビテーションを発生させるためには、
好ましくは、Ｌ／Ｄ２≧８、である。

【００３２】更に、キャビテーション発生条件は、次の
関係を充足しなければならない。Ｄ１／Ｄ２≧２。この
関係も従来はキャビテーション発生抑制のため研究され
てきた関係（逆関係）である。積極的にキャビテーショ
ンを発生させるためには、好ましくは、４≧Ｄ１／Ｄ２
≧３。キャビテーション発生の条件を定性的にいうと、
狭いところから広い所に急激に高速高圧流体が流れるこ
とである。ベルヌーイの定理が成立するところでは、キ
ャビテーションは当然発生しない。

【００３３】キャビテーション流は、更に、台風のよう
に流体が渦流化する場合に広域で生じる。噴流穴１４の
出口を出たところの噴流核の近傍で誕生した無数の気泡
（キャビテーション）は、やがて消滅する。渦流が生じ
ておれば、気泡の誕生が持続する。渦のせん断力により
気泡が他の気泡を生むための種になる。即ち、ノズルか
ら発生する気泡が種になって渦中で気泡を再生産する。

【００３４】渦の発生条件は、知られているように、乱
流発生部を構成する空間の大きさがＤ１＜Ｈ、且つ、Ｗ
／Ｈ＞４、である。即ち、高さＨが大きいと、渦はそれ
が一旦発生しても持続せずすぐに破壊されて消滅する。
角運動量を有する渦は、立体空間では安定せず平面内で
安定するからである。このような渦の中心領域は、後述
するように、高さ方向に直交する平面内で概ね内部空間
の全体で上下２面壁を除く４面壁に沿うように周回運動
する。即ち、内部空間内の液体全体は、その一部が排出
口から排出されながら、渦中心の回転速度に比べてゆっ
くりした速度の角運動量を持つ。

【００３５】乱流発生部を構成する内部空間は、概ね扁
平であれば効果的である。単式（シングル）ノズルを複
式ノズルに変えて、気体導入部８により液中に空気泡を
導入し、キャビテーション流の中にその空気泡を混入さ
せてもよい。キャビテーションが生じている状況では、
気泡の周辺領域で圧力勾配は空間的に非常に大きくな
り、キャビテーション泡の近傍で液中に溶解している物
質の分解・分離、混合・乳化・攪拌、気体の分離、逆に
酸素等の気体の溶解等もをさせることもできる。

【００３６】本発明による液質改質装置は、高圧ポンプ
と併用される。出口付近の圧力を高くすることができる
ように、高圧ポンプとしてプランジャ式ポンプが適切で
ある。ノズルへの供給圧力は、用途、効果により２Kg/m
m²以上の範囲から選択して選ぶ。望ましくは、水道水の
塩素の脱気は２Kg/mm²以下で良く、攪拌・混合、分離、
殺菌は１０Kg/mm²以下で良く、脱気、殺菌は３０Kg/mm²
以下で良く、トリクロロエチレン、ダイオキシン等の有
機物の分解は１００Kg/mm²以上の範囲が望ましい。

【００３７】液質改質装置１は、例えばその内部空間の
幅が７ｃｍ程度、長さが１５ｃｍ程度、高さが２ｃｍ程
度のものとして設計することにより、キャビテーション
渦流を形成させることができる。図２１は、乱流発生箱
２内でキャビテーションが発生した噴流層を高速度カメ
ラで撮影した写真を抽象化した抽象図である。渦流の回
転方向は、ノズルの向きの僅かな非対称性による初期条
件により定められ、そのスピン軸の向きは全系の角運動
量保存則により保存される。渦流は、中心部３１を有す
る。中心部３１は、一定方向に向きつけられ閉じた軌跡
線３２上を運動する。例えば、２秒間で軌跡線３２上を
１周する。

【００３８】図２２は、図２１中に示す軌跡線３２上を
渦流の中心部３１が運動して約半周した状態を示してい
る。キャビテーション泡も収縮膨張して特に膨張して崩
壊するまでにその渦流中にある。このような泡の物理的
活性（圧力断層）は、液中の細菌の細胞膜の破壊、物質
の分解、混合、微細化等の作用を行う。また、急速な泡
の膨張に誘導され液中の溶存ガス例えばメタンその他の
有機溶媒、塩素などの不純ガスは、圧力断層に湧出し泡
中に蒸発し、排出口１９から放出され圧力が低下した状
態で大気中に放出される。内部空間Ｖの中で周回する渦
中心部の周囲では激しい渦流が生じ、その渦流はその空
間内で万遍なく液体を攪拌する。

【００３９】次に、キャビテーションの細胞破壊の理解
を容易にするために、参考までに理論的背景を説明す
る。噴流は、せん断応力（レイノルズ応力）に基づく運
動方程式により記述されることが古来より知られてい
る。具体的な理論展開が、本発明者により行われている
（公表ずみ）。

【００４０】図５は、ノズルから真空中に放出される自
由渦流噴流を解析するための平面断面図である。仮想的
なノズル５１（仮想化するため噴出口の近くは円錐面に
形成されている）の中心線に一致させてｘ軸を設定す
る。噴流の広がり方向即ち噴流中心の進行方向に直交す
る方向にｙ軸を設定する。従って、座標系ｘ−ｙは、直
交座標系である。ノズル５１の円錐面を延長して面が交
わるあたりに円錐状のジェット流コア５２の先端が生じ
る。ジェット流コア５２から十分に離れた位置Ｘにおけ
る噴流の広がりをｂで示す。実験式として、ｂ＝ｋ＃ｊ・ｘ………（１）本明細書で、下付右添字はその前（左側）に＃をつけ
る。ｋ＃ｊは、噴流広がり係数と呼ばれ、噴流特性の重
要な基本因子である。

【００４１】渦流特性を持つ場合には、ｂ＝２４ｋ・ｘ………（２）定数ｋは、渦流特性を表す係数である。せん断応力τを
次の展開式即ち多項式で表す。

【００４２】

【数１】係数Ｃ＃ｎは、運動方程式の境界条件に対するせん断応
力から定まる。レイノルズ応力に関するPrandtlの仮定
を適用すると、４次までの近似式では速度分布は次式で
表される。

【００４３】

【数２】せん断応力の条件より導かれている式（３−１）は、自
由噴流、拘束噴流の２次元、３次元流のいずれにも適用
可能である。式（３−１）の右辺が０となるηの値は１
であるから、ある距離だけｘ軸から離れた位置で噴流速
度は零になる。

【００４４】直径Ｄの有限出口断面積のノズル５１から
液体が無限空間に放出されると、圧力勾配がない場合に
即ち中心軸上における噴流の速度減衰は、運動量保存則
から、

【数３】

【００４５】中心軸上でノズル出口の速度は零であるか
ら、出口以降で速度は急に増大して、図５に矢で示すよ
うに、距離ｘ離れた位置でｙ軸方向に等距離両側に離れ
た位置での速度ベクトルは対称に現れる。噴流は、噴流
核の長さＸ＃ｃまでの範囲即ち初期領域５３とそれより
後流側の範囲、即ち主領域５４とに分かれる。参考まで
に計算すると、噴流核の長さは、

【数４】

【００４６】式（４，５）は、Albertsonの実験結果を
フォローしている。式（４，５）から噴流核の長さＸ＃
ｃが求められ、式（６）から式（１）の噴流広がり係数
ｋ＃ｊが求められ、従って、式（２）の係数ｋも求める
ことができる。実験的には、噴流中心上速度ｕ＃ｍの測
定によって噴流核長さＸ＃ｃが求まり、噴流幅ｂ、噴流
広がり係数ｋ＃ｊが得られる。

【００４７】水中高速水噴流におけるキャビテーション
現象が、上記解析のもとで考察することができる。Rous
eによる気流ジェットの渦流特性観点から次のように見
積もることができる。自由噴流の渦動粘性係数εは、 ε＝ｋｂｕ＃ｍ.………（７）渦流特性に係わる係数ｋは、Prandtleの仮定から、

【数５】

【００４８】式（８，９）により、ｂがｘに比例しｕ＃
ｍがｘに逆比例する（式（４）の関係）３次元流と、ｂ
がｘに比例しｕ＃ｍがｘの平方根に逆比例する（式
（５）の関係）２次元流の各噴流について、式（３−
１）が得られる。エネルギー方程式から係数ｋを計算に
より求めることができる。

【００４９】

【数６】キャビテーション現象と密接に関連するレイノルズ応力
τは、

【数７】渦流拡散係数χが大きいと、キャビテーション効果をも
たらすエネルギーの拡散をひきおこしやすい。噴流広が
り係数ｋ＃ｊが式（１０，１１）に線形にもろに現れる
ように、キャビテーション効果の促進に直接に影響す
る。このことは、ノズル周辺に壁があって噴流が拘束さ
れると、噴流広がり係数ｋ＃ｊの大きさに変化が生じ
る。

【００５０】拘束されたジェット流を起こすモデルとし
て、ホーン型側壁を有する噴流モデルが知られている。
図６に示すように、点線で示す円錐面状の側壁即ち拘束
壁５５が設けられている場合の噴流広がり係数ｋ＃ｊを
計算すると、３次元で、

【数８】これは、２次元の場合でも同様である。式（１２）の意
義は、噴流広がり係数ｋ＃ｊと側壁角θ＃wとの関係が
得られることである。扁平な直方体状の箱の中の２次元
流と円筒形の箱の中の３次元流では、噴流の最大流速ｕ
＃ｍは、ｘの平方根で減衰するかｘに比例して減衰する
かの相違があり、本発明ではその減衰が少ないように扁
平形状の箱の中に形成される２次元流が用いられてい
る。しかも、２次元流は、既述の通り安定性がよい。

【００５１】式（１０）と式（１２）とからキャビテー
ション初生係数σ＃ｉをグラフで示すと、図７に示され
るように、θ＃ｗが３０度の付近で最大になる。このグ
ラフは、沼知の実験報告から引用したものである（速研
報告、第１６巻、１９６０−１９６１、第１５８号、第
１５９号）。この明細書で上記のように抜粋引用した理
論解析（”噴流の基本特性について”、噴流工学 Vol.
１２、No.２、１９９５、２３−３２）により柳井田
（真下）が明らかにしたものであり、理論と実験のよい
一致を示している。

【００５２】図８は、その図中に示すＤとｄの比とキャ
ビテーション初生係数σ＃ｉの関係を示している。即
ち、キャビテーション初生係数σ＃ｉは、比（Ｄ／ｄ）
（これは、図３においてＤ１／Ｄ２）が３のあたりで最
大になる。したがって、Ｄ１を単位長さの３倍とすると
Ｌは単位長さの８倍であることが好ましい。複式ノズル
では、次のように設定することが経験則的に好ましい。

【００５３】

【数９】ここで、ｄ１とｄ２は、複数ノズルの内側直径と外側直
径である（図２参照）。ｄ２が零であれば、このような
場合、例えば、次式で表されることが好ましい。

【００５４】

【数１０】横幅Ｂ、縦幅Ａについては、当然に、

【数１１】ここで、Ａは図１においてＷに一致している。これらの
条件は、レイノルズ数が２３００以上であることが前提
である。これらの式から、それらの値の絶対値の範囲が
定められる。キャビテーション効果のみを考えれば、値
Ｗ，Ｂ，Ｈは小さくてよいが、渦流の運動と浄化効率を
考えて、箱の容積はある程度に大きいサイズが必要であ
る。

【００５５】噴流の付着距離Ｘ＃Ｒは、図９中のｄ、噴
流広がり係数ｋ＃ｊ及び側壁角θ＃ｗを用いて、次式で
表される。

【数１２】なお参考のために計算結果を示すと、

【数１３】

【００５６】図９，１０は、キャビテーションエロージ
ョンを示す実験結果（”Hydraulicsof Pipelines”、J.
Paul Tullis、JOHN WILEY & SONS、１９８９、P１７
０）からの引用である。Ｘ＃ｃｐは、キャビテーション
エロージョンの発生領域即ちキャビテーション・ピッチ
ング・ゾーンの中間のｘ座標を示している。図１０は、
超音波最大発生位置の座標と側壁角θ＃ｗとの関係を示
している。この両実験結果から、キャビテーションエロ
ージョンが起こる特定領域の存在は、超音波発生の特定
領域の存在と概ね一致していることが傍証されている。

【００５７】図９，１０に、真方の研究によるコア長さ
Ｘ＃ｃが併記されている。図１０に示されるように、キ
ャビテーション超音波の最大位置は、真方のコア長さに
概ね一致している。図９に示されるように、急拡大に相
当するオリフィス・キャビテーションの崩壊実験も真方
の研究に概ね一致している。せん断応力τ、渦流拡散係
数χと噴流コア長さが密接に関係するキャビテーション
効果は、ノズル形状、箱の形状に適切なディメンジョン
を与えることにより促進される。

【００５８】ノズルの形状は、図１１〜図１４に示すよ
うにタイプ分けされるが、本発明はこのようなノズルの
タイプの種類とは原理的に無関係である。円筒面容器の
軸直角側壁面で小径噴流穴が開口する図１４に図示した
もので最も原理的なノズル２３、図１４のノズル２３の
前記軸直角壁面が円錐面に代わった図１３に図示のノズ
ル２２、図１３のものと図１４のものの折衷案であり軸
直角壁面に続いて円錐面が形成されている図１１図示の
ノズル２０、噴流穴自体が円錐面を形成する図１２図示
のノズル２１の４タイプに分類されうる。

【００５９】以上に、コア核を単位とする座標系上で記
述される運動量分布に基づくせん断応力の運動方程式か
ら、キャビテーション発生領域、その度合い等をグロー
バルに解析することができ、その解析はシンプルである
ことが示された。次に、キャビテーション泡１個に関す
るローカルな検討も必要である。

【００６０】空気含有率とキャビテーション初生係数の
関係にも注目すべき報告がある。第１２回国際 Towing
Tank 会議（ ITTC ）で発表された実験報告によると、
実験水に含まれるキャビテーション核の状態が異なれ
ば、キャビテーションの発生状態が著しく変わるという
ことである。図１５（ R.Oba等、Cavitation-Nuclei Me
asurements by a Newly Made Coulter-Counter without
Adding Salt in Water,Rep. Inst. High Speed Mech.,
Tohoku University, Sendai, 43-340(1981),173 ）
は、水道水中の水中核（空気核、塩素核など）の直径と
核の数との関係を示している。採取直後から２４時間後
の核径とその数の分布が大きく変化している。このよう
に水道水中のキャビテーション核の存在は安定している
のではない。

【００６１】図１６（沼知の研究）は、水中核数(数密
度分布)と核径に関係する空気含有量と初生キャビテー
ション係数Ｋとの関係を示している。温度変化に係わら
ず空気含有量は、初生キャビテーション係数（その定義
は、小林陵二：キャビテーション、ウオータージェッ
ト、１−２（１９８４、１−１３）に詳しく説明されて
いる）に著しく影響することが明瞭に示されている。空
気含有量α／α＃ｓの分子は現実の空気含有量であり、
α＃ｓは飽和空気含有量を示す。

【００６２】キャビテーションは肉眼で観察すると白い
雲状に見えるが、高速度写真と瞬間写真で見ると、運動
する気泡群と固体表面に固定された空洞から形成されて
いることがわかる。気泡の時間的変動を見ると、気泡に
は一生涯があり、成長期と消滅期とがあり、消滅後にレ
バウンド過程を伴う場合がある。 Rayleighの理論（１
９１７）によると、１個の球状の蒸気泡が十分に広い静
止空間にあるとすれば、その気泡が初期半径Ｒ＃０から
半径Ｒになって消滅したときに気泡近傍に発生する圧力
の最大値ｐ＃ｍａｘは、次式で示される。

【００６３】

【数１４】ｐ＃∞は、周囲空間の圧力である。気泡半径Ｒが初期半
径の１／２０になったとすると、最大圧力は周囲空間の
圧力の１２８０倍になる。ガスを僅かながら含んでいる
１つの蒸気泡が消滅してレバウンドする際の半径方向の
圧力分布ｐ（ｒ）とその時間変化の理論値は、レバウン
ド期に衝撃波と見られる急激な圧力上昇が現れる。

【００６４】これは、シュリーレン写真撮影により確認
されている。このような気泡の消滅・レバウンド期に発
生する衝撃圧が、キャビテーション・エロージョンを記
述するメカニズムの重要な原因であると認められるよう
になった。その原因の１つは、消滅するキャビテーショ
ン気泡の内部に形成されるマイクロジェットであるとす
るマイクロジェット説が有力である。

【００６５】図１７は、固体表面上にある球状気泡の消
滅過程の数値シュミレーションを示し、気泡内に形成さ
れたマイクロジェットが固体表面をヒットする様子を示
している。このような現象は、実験によっても確認され
ている。

【００６６】キャビテーションの研究は、従来、材料損
傷、固体表面の洗浄などの観点で行われてきたが、キャ
ビテーションの崩壊時の衝撃的圧力変動を積極的空気の
導入によるキャビテーション効果と組み合わせて、有効
な破壊浄化、分離という技術手段のために行われたこと
はない。均質に分散・拡散させたキャビテーション泡の
衝撃的圧力は、細胞を有効に破壊し、気液を有効に分離
することができる。

【００６７】噴流核は回転翼の回転によっても生じる。
この場合は、空気は空洞化された回転翼の一部に開けた
孔から回転翼表面から発生するジェット流に空気を引き
込むことができる。細胞破壊の有効性は、空気導入には
あまり影響されない。キャビテーションの発生及びその
消滅の過程における空間的・時間的な圧力勾配（dP/dx.
・dP/dt）に大きく依存する。キャビテーションは、ノズ
ルの噴出口から下流側に形成される既述のコアの周辺で
発生する。キャビテーションの発生量とコアの形状・分
布は、直接には関係しない。キャビテーションの発生量
は、直径が小さい口からその口の直径よりも大きい直径
の噴出孔に流体が高速で流れ出る場合に増大する。

【００６８】図１８は、定常ウオータジェットノズルの
公知の代表例を示している。これは、ノズル縮流部の角
度（１０゜〜１４゜）、出口の円管部長さと出口直径
（ｄ0）の比（４倍）に注意され設計されたノズルであ
り、キャビテーション発生を防止するように配慮されて
いる。図１９，２０は、逆に、キャビテーション発生を
促すように設計されたノズルである。

【００６９】図１９は、ロッド８１と開口８２とで狭く
形成された噴出口から急激に広いところへ出る時にキャ
ビテーションを大量に発生させるノズルを示している。
図２０は、狭い噴出口で流れを拘束され輪状（トーラス
状）のキャビテーション泡が発生する様子を示してい
る。図１９，２０のノズルに示されるように、むしろ、
噴流核（コア）が明白に存在しない方がキャビテーショ
ン発生のためには、有利である。

【００７０】キャビテーションは、既述の数学的解析に
見られる噴流核より後方に発生するノズル依存型のもの
以外に、渦流中にその中のせん断応力によって発生する
渦依存型のものの両方が検討される必要がある。脱気、
混合、殺菌、分解等のためには、後者が有効であること
が実験により判明してきた。前者が後者の発生に大きく
影響しているものと推定される。渦流のせん断応力はキ
ャビテーションと関係なしに細胞破壊に大きく影響して
いるのかもしれない。このように、噴流核依存キャビテ
ーションと渦流依存キャビテーションが生ずること、又
は、これらを生じさせる条件が、細胞破壊にとって重要
な因子であることは否定できない。

【００７１】［液質改質装置の実施の形態２］前記実施
の形態１では、液質改質装置１の乱流発生箱２は、扁平
で箱形のもので内部の空間は長方体状の空間を有するも
のであった。この形状は前述したように効率的にキュビ
テーションを発生させるものであったが、必ずしもこの
形状でなければならないことはない。図２３に示すもの
は、液質改質装置の実施の形態２を示し、乱流発生部の
内部空間を円筒状にした例である。円筒本体３０の両端
には、円板状のフランジ２９が配置されこの端面に形成
された溝３３に円筒本体３０が挿入されている。

【００７２】２個のフランジ２９と円筒本体３０は、ボ
ルト３４とナット３５により連結され互いに固定されて
いる。一方のフランジ２９の側面には、前述した実施の
形態１と同一形状の複式ノズル３が配置固定されてい
る。一方のフランジ２９には、円筒の貫通孔であるキャ
ビテーション発生部５が形成されている。また、気液導
入部６は、図２３に示すように、液体導入部７と気体導
入部８とから形成されているが、これらの原理、機能は
前述した実施の形態１と実質的に同一であるからその説
明は省略する。ただし、前記した実施の形態１と同様
に、気体導入部８は閉じて使用しなくても良い。

【００７３】他のフランジ２９の中心には、貫通孔であ
る排出口３６が形成されている。更に、他のフランジ２
９の側面には、排出案内筒３６ａの一端が固定されてい
る。円筒本体３０内の筒状の空間である乱流発生室３７
は、キャビテーション気泡の崩壊、及び渦流等の乱流が
発生するための空間を形成する。乱流発生室３７は、殺
菌、殺虫、脱気、乳化、混合等の物理的、化学的作用を
行う。

【００７４】［液質改質装置の実施の形態３］図２４
は、液質改質装置の実施の形態３を示し、乱流発生室３
７は実施の形態３と同一であるがキャビテーション発生
のための機構が異なる。液体を導通する軸方向液体導入
孔とキャビテーション発生部を乱流発生室３７に配置し
た例である。軸方向液体導入孔３８は、加圧された液体
を通すものであり、その液体を同心に形成されたキャビ
テーション発生部３９に噴射しキャビテーションを発生
させる。このタイプのキャビテーションノズル４０は、
実施の形態１及び２と相違してシングルノズルタイプで
あり、気体は混合できない。キャビテーションノズル４
０が内部に突出しているので、全体がコンパクトになる
という特徴がある。

【００７５】［液質改質装置の実施の形態４］図２５
は、液質改質装置の実施の形態４を示し、キャビテーシ
ョンノズル４０と乱流発生室３７は実施の形態３と同一
であるが、キャビテーションノズル４０を任意の位置に
移動できる点で異なる。キャビテーションノズル４０
は、連結金具４１の一端にねじ込んで固定され、連結金
具４１の他端は位置調節管４２に連結されている。位置
調節管４２は、フランジ２９にねじ込まれた固定ビス４
３によりフランジ２９に固定されている。

【００７６】位置調節管４２は、フランジ２９の中心に
形成された挿入孔４４に摺動自在に配置されている。従
って、固定ビス４３を緩めることにより、位置調節管４
２を移動させてキャビテーションノズル４０をキャビテ
ーション発生部３９の任意の位置に固定することができ
る。乱流発生室３７は、キャビテーション気泡の崩壊、
及び渦流等の乱流が発生するための空間を形成する。乱
流は、キャビテーションノズル４０の位置によってキャ
ビテーションの発生効率が相違するので、現場でキャビ
テーションノズル４０の位置を調節できるようにするた
めのものである。

【００７７】［液質改質装置の実施の形態５］図２６
は、液質改質装置の実施の形態５を示し、陸上の魚の養
殖装置の海水の改質に適用したときの液質改質装置６０
である。乱流発生箱６１は、前述した実施の形態１と同
様の扁平の長方体状のものである。乱流発生箱６１の内
部には、乱流発生室６２が形成されている。乱流発生箱
６１は、概略は前述した形状であるがキャビテーション
が発生し渦流の流れを円滑にするために内部を湾曲部６
３を形成したものである。

【００７８】乱流発生箱６１の端面には、フランジ６４
がボルト６５により固定されている。乱流発生箱６１の
一面は実施の形態１と同様に蓋部材（図示せず）により
蓋をされている。フランジ６４には、加圧された海水を
噴射する噴射ノズル６６が固定されている。噴射ノズル
６６の噴射方向の乱流発生箱６１には、断面が円筒空間
であるキャビテーション発生部６７が形成されている。

【００７９】噴射ノズル６６が配置されている反対側の
乱流発生箱６１には、乱流発生室６２と連通する吐出口
６８が形成されている。吐出口６８には、吐出ノズル６
９の一端がねじ込んで固定配置されている。吐出ノズル
６９の他端には、連結具７０の一端が固定されている。
連結具７０には、吐出ノズル６９から吐出される海水の
吐出方向と直交する方向に空気管７１の一端がねじ込ん
である。

【００８０】空気管７１は、吐出ノズル６９から吐出さ
れる海水の負圧により空気を引き込むためのものであ
る。連結具７０の他端には、管継手７２がねじ込んであ
る。従って、管継手７２の先端から空気を含んだ海水が
吐出されることになる。以上のような構造で、液質改質
装置６０は、次のような機能がある。噴射ノズル６６か
ら噴射された海水は、キャビテーション発生部６７でキ
ャビテーションが発生し乱流発生室６２に入る。

【００８１】乱流発生室６２に入った海水は、前述した
ものと同様にキャビテーション気泡、及び渦流等の乱流
を発生させる。キャビテーション作用により、海水中の
アンモーニア、硝酸窒素、二酸化炭素、塩素、酸素等を
脱気する。更に、海水中の魚の寄生虫、寄生虫の卵、幼
虫、大腸菌等を破壊、殺菌、殺虫する。このキャビテー
ション処理された海水は、吐出ノズル６９から吐出され
るが、この吐出による負圧で空気管７１から大気中の空
気を吸い込み海水と混合される。

【００８２】空気を混合したキャビテーション処理され
た海水は、管継手７２は海水槽（図示せず）に吐出され
る。このとき、キャビテーション処理で脱気されて出て
きた微細気泡を多量の空気管７１から吸い込まれた空気
と共に空中に放出される。このために、前述した海水中
のアンモーニア、硝酸窒素、二酸化炭素、塩素、酸素等
を脱気する。しかしながら、同時に大量の空気を吸い込
むので、魚の養殖に有用な溶存酸素量は均衡し低下する
ことはない。

【００８３】また、空気の混入により上昇した海水を若
干冷却する効果もある。この空気を海水に混合すること
により、乱流発生室６２で脱気された魚に有害な気体を
効果的に大気中に放出することができる。結果として、
海水のPH値も自然の海水（８．３）に近い数値になっ
た。次の表１は、これらのデータの代表例を示すもので
ある。

【００８４】

【表１】

【発明の効果】本発明による液質改質装置及びその改質
方法は、キャビテーションとその渦流によって、脱気、
混合、攪拌、殺菌、殺虫、分解、乳化等が効果的にでき
る。また、本発明は、簡単な閉鎖空間を形成する容器と
キャビテーションノズルだけで形成することができ、極
めてコストが低い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の液質改質装置の実施の形態を
示す平面断面図である。

【図２】図２は、図１の正面断面図である。

【図３】図３は、ある瞬間の渦流の高速度写真から抽象
化してトレースした平面図である。

【図４】図４は、図３の瞬間よりも１秒後の渦流の高速
度写真から抽象化してトレースした平面図である。

【図５】図５は、噴流解析のための座標系を示す断面図
である。

【図６】図６は、拘束噴流モデルについての噴流解析の
ための座標系を示す断面図である。

【図７】図７は、ノズルの開き形状とキャビテーション
初生係数の関係を示すグラフである。

【図８】図８は、急拡大ノズルとキャビテーション初生
係数の関係を示すグラフである。

【図９】図９は、キャビテーション壊食と噴流コア長さ
の関係を示すグラフである。

【図１０】図１０は、キャビテーション超音波最高値位
置と噴流コア長さとの関係を示すグラフである。

【図１１】図１１は、ノズル形状の例を示す断面図であ
る。

【図１２】図１２は、ノズル形状の他の例を示す断面図
である。

【図１３】図１３は、ノズル形状の更に他の例を示す断
面図である。

【図１４】図１４は、ノズル形状の更に他の例を示す断
面図である。

【図１５】図１５は、核の直径とその数の関係を示すグ
ラフである。

【図１６】図１６は、空気含有率と初生キャビテーショ
ン係数との関係を示すグラフである。

【図１７】図１７は、キャビテーションの発生・消滅を
示すグラフである。

【図１８】図１８は、定常型ジェット発生用の公知のノ
ズルを示す断面図である。

【図１９】図１９は、非定常型ジェット発生用の公知の
ノズルを示す断面図である。

【図２０】図２０は、非定常型ジェット発生用の公知の
他のノズルを示す断面図である。

【図２１】図２１は、渦流の１動態を示す平面図であ
る。

【図２２】図２２は、渦流の他の動態を示す平面図であ
る。

【図２３】図２３は、液質改質装置の実施の形態２を示
し、乱流発生部の内部空間を円筒状にした例である。

【図２４】図２４は、液質改質装置の実施の形態３を示
し、液質改質装置の実施の形態２のノズルの形状を変え
た例である。

【図２５】図２５は、液質改質装置の実施の形態４を示
し、液質改質装置の実施の形態３のノズルの形状を変え
た例である。

【図２６】図２６は、液質改質装置の実施の形態５を示
し、陸上の魚の養殖装置の海水の改質に適用したときの
液質改質装置である。

【符号の説明】

１…液質改質装置２…乱流発生箱３…複式ノズル５…キャビテーション発生部６…気液導入部７…液体導入部８…気体導入部１４…噴流穴１５…軸方向液体導入孔ＣＬ…長手方向中心線６２，３７…乱流発生室４０…キャビテーションノズル６７…キャビテーション発生部６９…吐出ノズル７１…空気管

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月２１日（１９９９．４．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１４】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１８】

【手続補正１０】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１９】

【手続補正１１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２０】

【手続補正１２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２１】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２２】

【手続補正１４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２３】

【手続補正１５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２４】

【手続補正１６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２５】

【手続補正１７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者増本輝男佐賀県唐津市原1534番地株式会社ワイビーエム内 (72)発明者大隈英則佐賀県唐津市原1534番地株式会社ワイビーエム内 (72)発明者田中守佐賀県唐津市原1534番地株式会社ワイビーエム内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧された液体を噴射してキャビテーショ
ンを発生するためのキャビテーション発生手段と、前記キャビテーション発生手段から噴射された前記液体
がジェット流として形成され、前記ジェット流が動的渦
流になるように実質的に閉鎖された空間を備えた乱流発
生手段と、前記乱流発生手段から前記液体を排出するための排出口
とを備えた液質改質装置。
【請求項２】請求項１において、前記キャビテーション発生手段は、前記液体のみを噴射
するためのノズルとして形成されていることを特徴とす
る液質改質装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記動的渦流は渦流であり前記渦流の中心領域が前記乱
流発生手段内で運動することを特徴とする液質改質装
置。
【請求項４】請求項３において、前記運動は前記空間内の周期運動であることを特徴とす
る液質改質装置。
【請求項５】請求項４において、前記乱流発生手段は、３次元の空間で扁平であり、前記空間の概ねの高さをＨで、それの概ねの幅をＷで表
し、前記ノズルの開口の有効直径をＤ１で表すと、前記ジェット流は長さ方向に向いて前記空間の概ねの中
心線の方向に射出され、前記渦流の発生条件として、Ｄ１＜Ｈ、且つ、Ｗ／Ｈ＞４であることを特徴とする液質改質装置。
【請求項６】請求項５において、前記ノズルは下流側流路と上流側流路とからなり、前記下流側流路の有効直径をＤ１で前記上流側流路の有
効直径をＤ２で表し、前記下流側流路の有効長さをＬで
表すと、前記渦流の発生条件として、Ｌ／Ｄ２≧５、且つ、Ｄ１／Ｄ２≧２であることを特徴とする液質改質装置。
【請求項７】請求項６において、前記ノズルは下流側流路と上流側流路とからなり、前記下流側流路の有効直径をＤ１で前記上流側流路の有
効直径をＤ２で表し、前記下流側流路の有効長さをＬで
表すと、前記渦流の発生条件として、Ｌ／Ｄ２≧８、且つ、４≧Ｄ１／Ｄ２≧３であることを特徴とする液質改質装置。
【請求項８】請求項７において、前記空間は扁平であり、前記ノズルは下流側流路と上流側流路とからなり、前記空間の概ねの高さをＨで、それの概ねの幅をＷで表
し、前記下流側流路の有効直径をＤ１で表し前記上流側
流路の有効直径をＤ２で表し、前記ジェット流は長さ方向に向いて前記空間の概ねの中
心線の方向に射出され、前記渦流の発生条件として、Ｄ１＜Ｈ、且つ、Ｗ／Ｈ＞４であり、前記渦流の発生条件として、Ｌ／Ｄ２≧５、且つ、Ｄ１／Ｄ２≧２であることを特徴とする液質改質装置。
【請求項９】請求項１乃至８から選択される１請求項に
おいて、前記液体中の生物細胞の破壊のために用いられることを
特徴とする液質改質装置。
【請求項１０】請求項１乃至８から選択される１請求項
において、前記液体中の溶存気体を脱気するために用いられること
を特徴とする液質改質装置。
【請求項１１】請求項１乃至８から選択される１請求項
において、前記排出口に吐出ノズルを配置し、前記吐出ノズルに前記液体の吐出による負圧により気体
を吸入するための気体吸入管を配置したことを特徴とす
る液質改質装置。
【請求項１２】請求項１１において、前記気体吸入管は、空気を吸い込むためのものであるこ
とを特徴とする液質改質装置。
【請求項１３】一定の容積の区画された空間の中にノズ
ルにより加圧された液体を噴射してジェット流を形成し
てキャビテーションを発生させて、前記ジェット流の中に渦流を発生させること、前記渦流の中に渦流を発生させること、前記渦流の中心領域を運動させることの事象を含む液質
改質方法。
【請求項１４】請求項１３において、前記運動は前記空間内の周期運動であることを特徴とす
る液質改質方法。