JP2000167547A

JP2000167547A - 水中ウォータージェット噴出方法及び装置

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Publication number: JP2000167547A
Application number: JP10349060A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Ikohagi; 利明井小萩; Jiro Higuchi; 二郎樋口; Naoki Tsuma; 直樹津間; Kazunori Sato; 一教佐藤; Tadaaki Mizoguchi; 忠昭溝口; Kazunori Fujita; 一紀藤田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2000-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで、また、システムを過度に複雑に
することなくキャビテーション作用の有効領域を拡大し
て水系環境浄化効率を向上させることが可能な水中ウォ
ータージェット噴出方法及び装置を提供する。【解決手段】水中に水を高速で噴射させるウォーター
ジェットによって生じるキャビテーションを利用して水
中に溶解している有害化学物質を分解し、あるいは、水
中に浮遊する細菌やプランクトンを死滅させて水系環境
を浄化する水中ウォータージェット噴出方法において、
複数の噴流３同士を水中で衝突させてキャビテーション
を伴う衝突噴流９を生成し、この衝突噴流９によって水
系環境を浄化する。なお、噴流３の衝突は正面からでも
所定の角度を持って行ってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウォータージェッ
トに発生するキャビテーションを利用して汚濁水域や排
水の浄化を行う水中ウォータージェット噴出方法及び噴
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速のジェット噴流として水中で水を吹
き出す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。キャビテーションは、おびただしい数の
小さな気泡が成長と圧縮・崩壊を短時間で繰り返す現象
であって、特に気泡の崩壊時には、断熱圧縮されること
によって以下のような特異な作用を生じる。

【０００３】断熱圧縮によって高温、高圧状態が現出
し、熱分解作用が生じる。

【０００４】局所的に生じる高温によって、ラジカル
や過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）が発生し、これによって強い酸
化作用を生じる。

【０００５】気泡崩壊時に強力な衝撃圧が発生する。

【０００６】このうち及びの作用によれば、ダイオ
キシン、ＰＣＢ及び農薬などの環境ホルモン、あるいは
トリクロロエチレンなどの発ガン性の洗浄剤の原液もし
くは前記洗浄剤が溶けだした水に対して前記各物質の分
解処理を行うことができる。また、前記ないしの作
用によれば、大腸菌や耐塩素性原虫のような病原性菌や
アオコなどのプランクトンを死滅させることができるの
で、これらの病原菌に汚染された水源や、アオコなどの
プランクトンが異常繁殖した水域の浄化を行うことが可
能なる。特に、前記環境ホルモンと病原菌などの両者に
汚染された水に対して両者ともに同時に作用するが、そ
の際、例えば凝集剤などのような特殊な薬剤は不要であ
る。

【０００７】このような事象はすでに知られており、こ
れを利用して例えば図１３に示すように水中でノズル１
から高速ウォータージェット（水中水噴流）３を噴出さ
せ、ノズル１から吹き出る噴流にキャビテーションを発
生させて、化学反応を促進させようとした試みも知られ
ている（Steven Ley & Carolin Low［超音波有機合成−
基礎から応用まで−Spring-Verlag, Tokyo, (1991) 岩
崎・小川訳）。なお、図中符号２は高圧水、４は噴流の
外郭、５は処理すべき周囲水をそれぞれ示す。

【０００８】このような噴流３によって生じたキャビテ
ーションの挙動を図１４に示す。同図において、ノズル
１から噴出する噴流３の液芯部２６が符号２６’に示す
ように断続的に分裂し、キャビテーションクラウド２４
となって分裂するとともに、渦流１５や渦キャビテーシ
ョン２５を生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１３に示すように、
水中の高速ウォータージェットは細長い円錐形を呈し、
強力な分解作用を有するにしても、分解作用を行なうに
足る有効領域が狭いことは否めない。そこで、特殊なノ
ズル移動機構にノズルを設け、そのノズルを移動させる
ことによって有効領域を広げることはできるが、システ
ムが複雑になるとともに、コストも高くなる。

【００１０】一方、噴出孔径の大きなノズルを用いて噴
射圧力を高めれば、キャビテーションの有効領域が大き
くなった水中ウォータージェットが生成されるが、高圧
ポンプを大容量化する必要があるとともに、使用電力も
多大となり、設備コスト及び運用コストが高くなる。

【００１１】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、低コストで、また、
システムを過度に複雑にすることなくキャビテーション
作用の有効領域を拡大して水系環境浄化効率を向上させ
ることが可能な水中ウォータージェット噴出方法及びそ
の方法を実施するための装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を解決するた
め、第１の手段は、水中に水を高速で噴射させるウォー
タージェットによって生じるキャビテーションを利用し
て水中に溶解している有害化学物質を分解し、あるい
は、水中に浮遊する細菌やプランクトンを死滅させて水
系環境を浄化する水中ウォータージェット噴出方法にお
いて、複数のウォータージェット同士を水中で衝突させ
てキャビテーションを伴う衝突噴流を生成し、この衝突
噴流によって水系環境を浄化することを特徴とする。

【００１３】第２の手段は、第１の手段において、前記
複数のウォータージェットの衝突角度が１０度以上１８
０度以下の角度に設定されていることを特徴とする。

【００１４】第３の手段は、第１または第２の手段にお
いて、前記複数のウォータージェットの中心軸の交点
が、中心軸方向の衝撃圧分布の最初のピーク領域に設定
されていることを特徴とする。

【００１５】第４の手段は、第１または第２の手段にお
いて、前記前記複数のウォータージェットの中心軸の交
点が、中心軸方向の衝撃圧分布の２番目のピーク領域に
設定されていることを特徴とする。

【００１６】第５の手段は、第１ないし第４の手段にお
いて、前記ウォータージェットを噴出させるノズルが同
一構造であって、同一噴射条件で噴出させることを特徴
とする。

【００１７】第６の手段は、水中に水を高速で噴射させ
るウォータージェットによって生じるキャビテーション
を利用して水中に溶解している有害化学物質を分解し、
あるいは、水中に浮遊する細菌やプランクトンを死滅さ
せて水系環境を浄化する水系環境浄化に使用される水中
ウォータージェット噴出装置において、処理対象水中に
浸漬され、噴出孔から噴出したウォータージェットが互
いに衝突する位置に配置された複数のノズルと、ノズル
に高圧の処理対象水を供給する高圧水供給手段と、前記
処理対象水を循環させて高圧水供給手段に導く処理対象
水循環手段とを備えていることを特徴とする。

【００１８】第７の手段は、第６の手段において、前記
ノズルの位置を処理対象水中で移動させる移動手段をさ
らに備えていることを特徴とする。

【００１９】このように構成すると、まず、自由噴流同
士の衝突によって衝突後の噴流が放射状に広がる。した
がって、キャビテーションの領域も同様にして放射状に
拡大する。このような放射状に広がる領域が自由噴流に
対して新たに生成されるキャビテーション反応域にな
る。次いで、衝突による衝撃がトリガとなって、水中に
無数に懸濁する気泡核が、次々と連鎖的に励起され、キ
ャビテーションが活性化する。その結果としてキャビテ
ーションが活発になる。

【００２０】水中自由噴流同士の衝突により水中の高速
自由噴流における中心軸上の衝撃分布は２つのピークを
有する形状となり、これらのピークを示す領域において
流体力学的な変動、すなわち、圧力変更や渦生成が最も
激しく、キャビテーションの生成及び成長が活発にな
る。そこで、ノズルに近い最初のピークを第１ピーク、
それよりも下流に生じる２番目のピークを第２ピークと
呼ぶが、これらのピーク相当する位置（以下、「スタン
ドオフ距離」と称す。）において自由噴流同士を衝突さ
せ、放射状に広がる衝突噴流を生成する。前記第１ピー
クの領域では液芯の断続的分裂が生じ、第２ピークの領
域では渦キャビテーションの成長が最も活発な領域であ
る。いずれにしても、流れの変動が最も激しくなる領域
であることがわかっている。そこで、噴流の衝突による
キャビテーションの促進には、前記第１ピークまたは第
２ピークのいずれかの領域で噴流同士を衝突させるとよ
い。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態について説明する。なお、以下の説明において、
同一と見なせる各部には同一の参照符号を付し、重複す
る説明は適宜省略する。

【００２２】図１は本発明の第１の実施形態に係る水中
ウォータージェット噴出方法を実行したときの噴流の状
態を示す説明図である。同図において、この方法では、
汚染水域１０の水中でノズル１を互いに対向させて配置
し、真正面からキャビテーションを伴う水中噴流３を衝
突させる。これにより、両ノズル１から噴出される噴流
３が同軸（１８０度）で衝突することになる。すなわ
ち、噴流中心軸１３が一致した状態で衝突する。なお、
この例では、衝突点までのスタンドオフ距離、すなわ
ち、各ノズル１の出口からノズル同士の中間点までの距
離は、水中水噴流３に発生する衝撃圧力分布の第１ピー
ク１１となる領域に相当する距離に設定した。正面衝突
したキャビテーションを伴う水中水噴流３は、跳ね返っ
て噴流中心軸１３方向から見たときに円形に広がる衝突
放射状噴流９となる。このように第１ピーク１１の領域
で衝突させる場合には、衝突するまでにキャビテーショ
ンの気泡核が十分に励起されていないので、衝突後の衝
突放射状噴流９中の乱れが激しく、キャビテーションの
発生が顕著になる。

【００２３】なお、図１において、ノズル１の下方に示
したグラフは、各ノズル１についてスタンドオフ距離と
衝撃圧との関係を示し、スタンドオフ距離が短い方のピ
ークが第１ピーク１１、長いほうのピークが第２ピーク
１２である。

【００２４】図２は第２ピーク１２の領域に衝突点が位
置するようにノズル１を対向させて噴流３を衝突させた
例である。自由噴流において第２ピーク１２に相当する
領域は、噴流３中のキャビテーションも広がり、また、
図１４に示す渦キャビテーション２５も生成するため、
衝突噴流９の放射状の広がりも大きく、渦キャビテーシ
ョン２５もこの衝突噴流９内で増幅される。

【００２５】図３は、図１及び図２に示したノズル１を
備えたシステム全体を示す説明図である。図３におい
て、汚染水域（浄化対象水域）１０の原水は送水ポンプ
２２から原水汲み上げホース２３を介して汲み上げら
れ、フィードタンク２１内に一度貯えられた後、プラン
ジャポンプ２０への供給される。そして、プランジャポ
ンプ２０によって昇圧され、三方切替弁１９で所定の圧
力（例えば５００ｋｇｆ／ｃｍ²）に調整され、高圧ホ
ース１８を通って高圧水２として汚染水域１０に設置さ
れた２つのノズル１に送られる。これらのノズル１は同
一構造であって、ノズルサポート１６によって図１及び
図２に示すように向かいあわせに配置され、第１ピーク
１１または第２ピーク１２に衝突点がくるような距離に
保持される。ノズルサポート１６には、移動機構１７が
設けられており、ノズル１が汚染水域をゆっくりと移動
し、所望の位置で停止させることができるようになって
いる。なお、ここには図示していないが、ノズルサポー
ト１６に上下方向の移動機構もしくは長さ調整機構を設
け、深さ方向の位置を変更することができるように構成
することができることはいうまでもない。

【００２６】図４はノズル１の詳細な構成を示すもの
で、激しいキャビテーションを伴う水中水噴流３を生成
するためのノズルの一例である。高圧水２は、高圧水供
給流路６を通じて導かれ、径収縮部において急速に減圧
加速され、噴出孔７から汚染水域１０の水中に噴出す
る。この噴出孔７の先端には円錐形の拡大空胴部８が設
置されている。この拡大空胴部１０の中には、不安定な
渦流が生成されるため、水中水噴流３のキャビテーショ
ンが促成される。

【００２７】このようなノズル１、例えば噴出孔径１ｍ
ｍφのノズル１を用いて噴射圧力をＰj＝５００ｋｇｆ
／ｃｍ²とする場合、原水の処理量は２０ｔｏｎ／日で
ある。第１ピーク１１に相当する領域で噴流同士を衝突
させる場合、第１ピーク１１のスタンドオフ距離は約１
６ｍｍであるので、２つの同じ構造のノズル１を３０ｍ
ｍ離して設置する。また、第２ピーク１２に相当する領
域で衝突させる場合、第２ピーク１２のスタンドオフ距
離が１００〜１２０ｍｍであるので、２つの同じ構造の
ノズル１を２００〜２４０ｍｍ離して設置する。

【００２８】図５は第１ピーク１１の領域で２つの向か
いあう自由噴流同士を衝突させた場合における衝突噴流
の衝撃圧の圧力分布を示すものである。比較のために自
由噴流における圧力分布も図の下側に示した。このよう
な衝撃圧力分布は感圧フィルム法によって測定すること
ができ、この測定により、衝突噴流においても自由噴流
と同様の衝撃圧力が発生していることが分かる。なお、
衝突噴流の半径方向に対し衝撃圧が増加した後、減少す
る特性がみられるが、このように増加するのは、第１ピ
ーク１１の領域で衝突させたため、未だ励起されない気
泡核が、衝突噴流３においてキャビテーションとして爆
発的に生成されたものと考えられる。

【００２９】図６は第２ピーク１２の領域で噴流３同士
を正面衝突させた場合における衝突噴流の半径方向の衝
撃圧分布を示す図である。第２ピーク１２の領域では、
キャビテーション核の多くが励起されていることもあっ
て、第１ピーク１１の領域で衝突させた場合とは異な
り、半径方向の衝撃圧分布には増加傾向はみられないも
のの、自由噴流と同様に高い衝撃圧が生じていることが
分かる。

【００３０】以上のように放射状に広がる衝突噴流にお
いても、キャビテーションが十分に発達していることが
確認される。これによって、キャビテーションの威力が
半径方向にも広がるので、自由噴流のみの場合に比べて
分解処理領域が著しく拡大することが分かる。

【００３１】図７は自由噴流を用いた図１３に示した従
来例と本実施形態（図２ないし図４）における処理水量
とを比較したものである。ここで、縦軸における処理水
量Ｑは図１３における処理水量Ｑ*を基準とするため
に、この処理水量Ｑ*で割って無次元化した。この無次
元数で比較すると、図１３における処理能力はＱ／Ｑ*
＝１．０であるが、図２ないし図４の例では、Ｑ／Ｑ*
＝３．２５となっており、処理能力が格段に高くなって
いる。これは、衝突噴流９の発生に起因している。

【００３２】図１４を参照して説明したように、キャビ
テーションを伴う水中水噴流３は非定常性が強い。キャ
ビテーションクラウド２４と呼ばれすキャビテーション
気泡の塊が周期的に伸長、収縮したり、分裂するもの
の、２つのノズル１から吹き出すキャビテーションを伴
う水中水噴流３における前記変動位相の影響が衝突噴流
に表れる。

【００３３】図８は図２の構成で衝突噴流を生成させた
ときの状態を示す図で、この衝突噴流９のキャビテーシ
ョンクラウドには、くびれ状振動１４が発生する。この
くびれ状振動１４によって渦流１５が発生するが、この
渦流１５はキャビテーション気泡の衝突噴流９内への供
給や渦キャビテーションの生成などキャビテーションの
促進に関して決定的に重要な役割を果たす。

【００３４】図９は２つの噴流の変動位相がずれた場合
の様相を模式的に示したものである。衝突噴流９，９’
は水中において噴流全体が「旗を振る」かのように激し
く振動する。この振動はフラップ状振動２７とも称され
るが、このような振動が発生すると、キャビテーション
の及ぶ範囲が水中において著しく拡大する。

【００３５】このような同位相や位相のずれによって生
じる現象は特に第２ピーク１２の領域で噴流同士を衝突
させた場合に顕著であるが、いずれかに固定して生じる
わけではなく、互いに切り替わりながら前記振動が継続
される。なお、図８において、Ｘs2で示した距離は第２
ピーク１２に対応するスタンドオフ距離である。

【００３６】図１０は衝突噴流９の変動によって周囲水
が噴流中に吸引（エントレン）される状態２８を模式的
に示したものである。周囲水中には、多量の「未使用」
の気泡核が含まれるので、衝突噴流９に変動が生じると
いうことはキャビテーションを促進するということにつ
ながる。衝突噴流９の乱れやキャビテーションの促進は
自励振動的なことがあり、連鎖的に自己増幅する。すな
わち、衝突噴流９が乱れると、渦の生成やキャビテーシ
ョン核を含む周囲水の吸引２８によってキャビテーショ
ンが成長するが、このキャビテーションの成長が衝突噴
流９を更に激しく乱すことになる。このように衝突噴流
９が乱されるということはキャビテーションの作用の及
ぶ範囲が拡大するということを意味しており、処理範囲
が広がることになる。

【００３７】図１１及び図１２に他の実施形態を示す。
この実施形態は、噴流３同士を正面からではなく斜めに
角度θを持って衝突させるように構成した例である。こ
の実施形態では、前記第２ピーク１２に相当するスタン
ドオフ距離Ｘs2に衝突点を設定した。このように構成す
ると、衝突噴流９”は扁平に広がり、図１２に示すよう
に衝突噴流９”の横幅が広がることになる。このように
扁平に広がる場合では、噴流３の表面が広がるので、キ
ャビテーションによる作用が及ぶ範囲が拡大する。さら
に、キャビテーションの気泡核を含む周囲水が衝突噴流
９”の表面から噴流３中に流入するので、キャビテーシ
ョンはさらに促進され、同時に処理水量も増加すること
になる。このように斜めに衝突させても、正面から衝突
させる場合に劣らない効果を得ることができる。なお、
前記角度θは１０度から１８０度までの角度であれば、
十分な効果を得ることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低コス
トで、また、システムを過度に複雑にすることなくキャ
ビテーション作用の有効領域を拡大して水系環境浄化効
率を向上させることが可能になる。

【００３９】さらに具体的には、本発明によれば、複数
のウォータージェット同士を水中で衝突させてキャビテ
ーションを伴う衝突噴流を生成するので、同一のポンプ
動力及び同一の噴射推量として比較した場合、キャビテ
ーションの有効域を大幅に拡大し、処理範囲を放射上に
広くすることができる。

【００４０】また、本発明によれば、複数のウォーター
ジェットの衝突角度が１０度以上１８０度以下の角度に
設定されているので、放射状に広がる衝突噴流の乱れが
周囲水を巻き込むとともに、乱れが作り出す気泡核の再
循環作用によってキャビテーションがより活性化し、処
理効率の向上を図ることができる。

【００４１】また、本発明によれば、複数のウォーター
ジェットの中心軸の交点が、中心軸方向の衝撃圧分布の
最初のピーク領域に設定されているので、液芯の断続的
分裂が最も活発な領域で衝突させることになり、これに
よってキャビテーションの活性化を図ることができる。

【００４２】また、本発明によれば、複数のウォーター
ジェットの中心軸の交点が、中心軸方向の衝撃圧分布の
２番目のピーク領域に設定されているので、渦キャビテ
ーションの成長が最も活発な領域で衝突させることにな
り、これによってキャビテーションの活性化を図ること
ができる。

【００４３】また、本発明によれば、ウォータージェッ
トを噴出させるノズルが同一構造であって、同一噴射条
件で噴出させるので、装置の信頼性を高くすることがで
きる。

【００４４】さらに、本発明によれば、処理対象となる
水域の任意の位置で有害化学物質の分解処理及び有害菌
の殺菌処理を実行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る水中ウォータージェッ
ト噴出装置の噴流を第１ピーク領域で衝突させた状態を
示す図である。

【図２】本発明の実施形態に係る水中ウォータージェッ
ト噴出装置の噴流を第２ピーク領域で衝突させた状態を
示す図である。

【図３】図１及び図２に示した装置を使用するシステム
の全体構成を示す系統図である。

【図４】図１及び図２に示したノズルの構成の一例を示
すモデル図である。

【図５】ウォータージェットを正面から第１ピークで衝
突させた場合の特性を示す図である。

【図６】ウォータージェットを正面から第２ピークで衝
突させた場合の特性を示す図である。

【図７】本実施形態と従来における処理水量を比較した
図である。

【図８】本発明の実施形態におけるウォータージェット
の衝突による現象とメカニズムを示す図である。

【図９】本発明の実施形態におけるウォータージェット
の衝突による現象とメカニズムを示す図である。

【図１０】本発明の実施形態におけるウォータージェッ
トの衝突による現象とメカニズムを示す図である。

【図１１】本発明の他の実施形態に係る水中ウォーター
ジェットを角度を持って衝突させたときの噴流の状態を
示す図である。

【図１２】図１１の例における作用を説明するための図
である。

【図１３】従来例に係るウォータージェットを使用した
例を示す図である。

【図１４】図１３におけるウォータージェットの挙動を
示す図である。

【符号の説明】

１ノズル２高圧水３水中水噴流６高圧水供給流路７噴出孔８拡大空洞部９衝突放射状噴流９’ 衝突噴流９” 衝突噴流１０汚染水域１１第１ピーク１２第２ピーク１３噴流中心軸２８周囲水の吸収（エントレン）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者津間直樹宮城県仙台市青葉区片平２丁目１の１東北大学内 (72)発明者佐藤一教広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内 (72)発明者溝口忠昭広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内 (72)発明者藤田一紀広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内Ｆターム(参考） 4D037 AA11 AB03 AB14 BA26 BB04 BB05 BB07 4D050 AA12 AB06 AB19 BB01 BC10 BD02 BD03 BD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水中に水を高速で噴射させるウォーター
ジェットによって生じるキャビテーションを利用して水
中に溶解している有害化学物質を分解し、あるいは、水
中に浮遊する細菌やプランクトンを死滅させて水系環境
を浄化する水中ウォータージェット噴出方法において、複数のウォータージェット同士を水中で衝突させてキャ
ビテーションを伴う衝突噴流を生成し、この衝突噴流に
よって水系環境を浄化することを特徴とする水中ウォー
タージェット噴出方法。
【請求項２】前記複数のウォータージェットの衝突角
度が１０度以上１８０度以下の角度に設定されているこ
とを特徴とする請求項１記載の水中ウォータージェット
噴出方法。
【請求項３】前記複数のウォータージェットの中心軸
の交点が、中心軸方向の衝撃圧分布の最初のピーク領域
に設定されていることを特徴とする請求項１または２記
載の水中ウォータージェット噴出方法。
【請求項４】前記複数のウォータージェットの中心軸
の交点が、中心軸方向の衝撃圧分布の２番目のピーク領
域に設定されていることを特徴とする請求項１または２
記載の水中ウォータージェット噴出方法。
【請求項５】前記ウォータージェットを噴出させるノ
ズルが同一構造であって、同一噴射条件で噴出させるこ
とを特徴とする請求項１ないし４記載の水中ウォーター
ジェット噴出方法。
【請求項６】水中に水を高速で噴射させるウォーター
ジェットによって生じるキャビテーションを利用して水
中に溶解している有害化学物質を分解し、あるいは、水
中に浮遊する細菌やプランクトンを死滅させて水系環境
を浄化する水系環境浄化に使用される水中ウォータージ
ェット噴出装置において、処理対象水中に浸漬され、噴出孔から噴出したウォータ
ージェットが互いに衝突する位置に配置された複数のノ
ズルと、ノズルに高圧の処理対象水を供給する高圧水供給手段
と、前記処理対象水を循環させて高圧水供給手段に導く
処理対象水循環手段と、を備えていることを特徴とする
水中ウォータージェット噴出装置。
【請求項７】前記ノズルの位置を処理対象水中で移動
させる移動手段をさらに備えていることを特徴とする請
求項６記載の水中ウォータージェット噴出装置。