JP6046078B2 - 液膜ノズル装置、注射針、注射器、注射器型液膜生成装置、液体の殺菌装置、液体スクリーンの形成装置、液膜ノズル装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を表面が平坦な板状の液膜に変換することを実現可能とするための、液膜ノズル装置、注射針、注射器、注射器型液膜生成装置、液体の殺菌装置、液体スクリーンの形成装置、液膜ノズル装置の製造方法に関する。

電磁波はその波長により紫外線、赤外線、マイクロ波、テラヘルツ波などと呼ばれている。肉眼で感じる波長の電磁波は可視光線あるいは単に光と呼ばれている。電磁波を用いて物質の種々の特性を計測する技術は一般的に分光計測もしくは分光と呼ばれ、その計測装置は分光装置と呼ばれている。

分光計測では被計測物質に電磁波を入射させ、通過中あるは反射中に電磁波と物質が相互作用することによって生じる電磁波の変化から被計測物質の物理的あるいは化学的性質を測定する。

精度の高い計測を行うには、被計測対象として配置する物質の厚さは電磁波が透過する程度に薄く形成する必要があり、また、被計測物質以外の不純物が混入しないように設置しなければならない。

分光計測の対象となる被計測物質には、ガス状、固体状、液体状などの形態がある。それぞれの形態に応じて、電磁波が適切に透過するように被計測物質の設置方法が工夫されている。

液体状試料の計測では、一般的には溶液セルと呼ばれるガラスなどの電磁波を透過する材料で作られた容器に試料を挟みこみ、溶液セルの外部から電磁波を入射し、溶液セルを透過した電磁波を計測している。

たとえば、水溶液試料をテラヘルツ波で分光計測する場合には、水分子による電磁波の吸収効果が強いため検知しようとする計測信号のSN比が悪化したり、溶液セルは50ミクロンより薄くする課題が生じたりするため、下記の特許文献３に開示されているような液膜ノズル装置を利用する手段が提案されている。

特許文献１や特許文献３に示された手段により、液体試料を用いる分光装置において、液体試料の厚さの課題や液体の膜面に起因する干渉の課題など従来から指摘されていた分光計測に関わる課題を克服した装置は提案されているが、不純物の混入というあらたな課題が浮上している。

実開平２―１２９７５５ 特開平９―２７５２３５ 特開２０１１―１２７９５０

従来の液膜ノズル装置は、液体を膜状にして噴出させる機能を持つノズルチップ部と、ノズルチップ部に液体を導く管とを接合することで構成されていた。ノズルチップ部の製造では、棒状の金属片に放電加工およびワイヤカット加工などの微細加工を施すことにより、液体を膜状に変換するための流体力学に基づく立体的な形を成形していた。次に、このノズルチップ部と液体を導く管とを銀ロウ付け、あるいは接着剤を用いて、一体化することにより、液膜ノズル装置として作製していた。

この液膜ノズル製造方法では、ノズルチップ部と液体を導く管とを個別に作製した後に結合することが不可欠であり、この結合過程において、銀ロウ付け作業あるいは接着剤を使用するため、ノズルチップを装着した管の内部に微量な化学物質が残留していた。そして、その化学物質を完全に洗浄することは容易ではなかった。

さらに、産業上利用される一般的な配管径と放電加工やワイヤカット加工の加工限界から決まる条件により、ノズルチップの直径は約2ミリメートル程度が最小限界値であり、その直径より小さいノズルチップ部を成形することはきわめて困難であった。

したがって、注射針のような直径（例えば、直径0.8ミリメートル）の管には上述のノズルチップ部を埋め込む事は不可能であった。

また、高度に純粋な液体の膜を形成する必要が生じた場合には、ノズルチップ部と管を結合した液膜ノズル装置においては、内部に残留する化学物質が課題となっていた。

以上のような製造上および構造上の課題は、高い精度の計測を目的とした分光計測において、液体試料を測定する場合に適している液膜ノズル装置の応用範囲を著しく限定する要因となっていた。

分光計測技術の分野からは、不純物の混入の懸念がなく、かつ可能な限り少量の液体にも適用できるような新しい液膜ノズル装置の構造および製造方法が望まれていた。

上述の課題は、管とノズルチップ部の二つの部品を接合するという手法を改め、管を直接加工する技術を提供することで、接合という過程を根本的に取り除くことにより解決できる。

液体の膜が生成する基本的な原理は、特許文献１によれば、流体の衝突と衝突場所に開ける噴出口の空間的配置である。

従来の手法で使われているノズルチップ部の構造には、管から流れ込む流体を圧縮するための断面がV字状の傾斜部分（一般的にV溝と呼ぶ）が形成されている。

本発明においては、このV溝に対応する部分は、管を先端に向かって傾斜状に潰すことで形成する。さらに、先端部の一部分は管の内壁が隙間なく密着し、平坦となるように潰す。

この平坦に潰した管の部分を後述するように追加工することにより、従来の液膜ノズル装置と同様に、流体が衝突する部分に噴出口を配置することが可能となる。

内壁と外壁が十分に洗浄された管を後述するように潰し、さらに非接触加工ができるレーザー加工機を用いて開口部（噴出口）の加工を施すことにより、不純物の混入を防ぐ加工プロセスを実現でき、結果として不純物の混入の少ない液膜ノズル装置を実現できる。

管を潰すだけで、従来のような寸法に制限のあるノズルチップ部を結合する必要がないため、管の直径は自由に設定可能であるため、直径1ミリメートル以下の管に対しても、同様の液膜ノズル機能を形成することが可能となる。

また、不純物を完全に取り除いて製造された注射針の先端に、本発明による加工手法を適用して製作された液膜ノズル針を、不純物を取り除いて製造された注射器（シリンジと呼ばれることもある）と組み合わせることにより、不純物の混入がない液体の薄膜形成を実現できる。

さらに、注射針と注射器を利用できることにより、可能な限り最小限の量による液膜を発生させることが可能となり、試料として準備できる液体の総量が少量であっても分光計測を実施できる。

本発明は、分光計測において液状の物質の高感度分析を実施する際に必要とされる液膜の形成において、分析に影響を与える不純物の混入要因を取り除いた液膜ノズル生成装置を提供することができ、液体の分析精度を向上させることができる。

また、液体を導く管だけに加工を加えることで液膜形成を実現できるため、管の直径に対する制約がなくなるため、直径数センチメートルの管から、注射針のような1ミリメートル以下の直径の管に対しても液膜を形成する加工を施すことができるため、液膜形状のサイズを容易に変更ことが可能となった。

その結果、液膜ノズル装置の製造において、単純に管の直径を変えるだけで、種々の粘性をもつ液体に柔軟に対応することが可能となり、学術上および産業上において液膜ノズル装置の対象となる液体の粘性の範囲が広がった。

ノズル部の全体形状図である。 ノズル部の製造に使用する管の形状図。 ノズル部の先端を加工する説明図。 先端を潰したノズル部の断面図。 ノズル部の先端部の拡大断面図。 ノズル部の先端部の断面図（１）および上面図（２）。 ノズル部の全体を示す斜視図。 ノズル部の内部の空間および寸法を説明する図。 ノズル部が生成する液膜の形態を説明する図。 液膜の生成に使用する注射器の例を説明する図。 テラヘルツ波分光装置で使用する注射器型液膜装置を説明する図。 テラヘルツ波分光装置で使用する注射器型液膜装置を説明する図。 テラヘルツ波分光装置で使用する自動制御注射器型液膜装置を説明する図。 テラヘルツ波分光装置に自動制御注射器型液膜装置を設置した例を示す図。 ノズル部が生成する液膜の別の形態を説明する図。 液膜生成ノズルを液体の殺菌に応用した例を説明する図。 液膜生成ノズルを液体スクリーンに応用した例を説明する図。

１ 筒状の管、
２ V字状の切断形状、
３ 管１の他方の端、
４ 筒状の管、
５ 立方体状の治具、
６ 加圧の方向、
７ 管の端、
８ 密着した内面、
９ 管の内面、
１０ 接合線、
１１ 中心基準面、
１２ 内面９の延長線、
１３ 側面切断面、
１４ 開口切断面、
１５ 管の中心軸、
１６ 側面切断面の延長線、
１７ 終端面、
１８ 管の内面、
１９ 管の内面、
２０ 第１液膜面、
２１ 紐状の流体柱、
２２ 流体柱集合点、
２３ 第２液膜面、
２４ 流体柱集合点、
２５ 第３液膜面、
２６ 一般的な注射器本体、
２７ 注射針、
２８ 注射針の先端部分、
２９ 液膜、
３０ ピストン、
３１ 真空フランジ、
３２ 注射器径変換アダプター、
３３ テラヘルツ波、
３４ 液体試料の液膜、
３５ 遮蔽容器、
３６ 液体ダンパー、
３７ 配管、
３８ 液体収集タンク、
３９ 液体飛散防止シャッター、
４０ ビーム通過穴、
４１ 回転レバー、
４２ 配管、
４３ シリンジ駆動ホルダー、
４４ シリンジ駆動ユニット、
４５ 支持溝、
４６ フランジ挿入口、
４７ 注射器の端、
４８ 駆動シャフト、
４９ 接続ピン、
５０ 制御装置、
５１ 真空容器、
５２ 液膜部、
５３ 液膜境界部、
５４ 霧状部、
５５ 溶液タンク、
５６ 配管、
５７ 加圧ポンプ、
５８ 大型ノズル部、
５９ 容器、
６０ 照射窓部、
６１ 紫外線光源、
６２ 紫外線、
６３ 霧状部、
６４ 液膜生成ノズル、
６５ 液体、
６６ パイプ、
６７ 可変バルブ、
６８ 液膜、
６９ 液体スクリーン、

添付図を参照しながら本発明の詳細を説明する。本発明は、液体を膜状に形成する機能を作り出す形状を持つノズル部分、およびそのノズル部分を含む液体の循環や噴射を担う液体駆動部の二つの部分から構成される。
なお、各図は、この発明が理解できる程度に各構成要素の形状、大きさ及びそれらの位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。

図１に本発明による液膜ノズル装置におけるノズル部の全体形状を示す。内部が中空の筒状の管１の一方の端に圧力を加えて潰し、その後、V字状の切断形状２を加工することにより液膜を生成するノズル部を製作する。管１の他方の端３は、用途に応じて種々の液体駆動部に接続する。その構成とノズル部の加工手段の詳細を以下で説明する。

図2にノズル部に使用する適当な長さに切断した加工前の両端ともに中空の筒状の管４を示す。基本的には金属の管に限定した訳では無く、不純物を含まないテフロン(登録商標）などの材質の管であればよいが、後述する加工を施すことが可能な材料や寸法に限られる。

図3には管４の端を平坦な面を有する管より高い硬度の立方体状の治具５で挟み、加圧の方向６に向かい上下から圧力を加えることにより、管の端７のような形状に成形する。金属管であれば、一般的に万力と呼ばれる工具を使用すればこのような成形加工を行うことができる。十分に平坦な面を有する治具５を用いる理由は、潰した管の端７の表面を平坦にするためである。さらに、管の端７の内壁面も均一かつ平坦に密着させるためである。

図4に管４を図3で説明した方法で潰した場合の断面図を示す。管の端７の密着した内面８は平坦に隙間無く密着している必要がある。平坦に密着している部分８に至る近傍の内面９は、なめらかな傾斜で密着部８に至る必要がある。このような加工結果をもたらすためには、管４の内面は鏡面状になっていることが望ましい。

図5に管の端７部分の断面の拡大図を示す。管の内面９は、なだらかな傾きで密着部８と、接合線１０で接触する。密着部８を含む管の内部の中心基準面１１の両側に管の内面９は基準面１１に対して対称に形成されるように図3で示した方法で管を潰す。それぞれの内面９の延長線１２と中心基準面１１がなす角度をθとする。θについては後述する。

図6に管の端7部分の断面図（１）および上面図（２）を示す。断面図（１）は、図５と同等であり各部を対応させて上面図（２）が描かれている。管の内部の空間は接合線１０で終端している。接合線１０より管の先端に向かう部分は密着部８で占められていて管の内面は閉じており、液体も気体も通過できる隙間はない。

図6上面図（２）に示すように、側面切断面１３および開口切断面１４からなるV字状の切断加工を管の端７に施す。側面切断面１３は、管の中心軸１５に対して側面切断面１３の延長線１６とのなす角度φの傾きで、接合線１０を超えて管の内部の空間が存在する部分まで切り込む。上面図（２）に示す切断面１３の終端面１７と接合線１０の距離をdとする。終端面１７に沿って加工される開口切断面１４は接合線１０に対して平行であり、その幅をWとする。幅W、角度φと距離dに関しては後述する。

上面図（２）における管の内面１８は、断面図（１）に示す管の内面９とは異なる。また、管を潰す加工の影響が出ない管の内面１９は、断面図（１）、側面図（２）どちらからも同じ円筒状であるとする。

図7に中空の筒状の管１に図2から図6で説明した潰す加工およびV字状の切断形状２を施して製造されるノズル部の斜視図を示す。管の端３から液体が流入し、図６に示す開口切断面１４から液体は噴出する。この図には開口切断面１４は示されていない。

液膜の生成機能に関わる加工寸法を図８のノズル部の内部の空間を使って説明する。図6の上面図（２）に示すように、管の内部に残された空間は、管の内面１９，管の内面１８，管の内面９、および接合線１０で構成されている。

図8において、各部の寸法を定義する。内面が円筒状となる管を潰して生じる接合線１０の長さをLとする。この長さLは、管の内面の半径をrとすると、管が伸縮なく潰れた場合には、
L=πx r （数式１）
と表すことができる。また、中心線１５に対して角度φの傾きで切断する側面切断面１３は、接合線１０からの距離dで終端面１７に達する。終端面１７には、開口切断面１４が形成される。側面切断面１３と開口切断面１４が交わる間隔の長さを幅Wとする。開口切断面１４は、管の内部の液体が通過する開口部（液体の噴出口）となるが、その幅をaとする。適切な液膜を生成するための、関係式は以下のようになる。
L:W = 20:1 （数式２）
a:W = 1:3 （数式３）

角度θは、図５で説明した内面９の延長線１２と中心基準面１１がなす角である。

適切な液膜は上記の数式１から数式３で規定される寸法条件で生成できる。ただし、管を潰す加工を施すときに、管の材料の伸縮が起こることは避けられないため、数式１で示すLには数％の加工公差が含まれる。その他の数値も同様に、数％の加工公差によるばらつきが含まれる。実験で得られている適切な液膜を生成する、角度φは、約20度であり、角度θは、約15度から約25度の範囲となる。管の内径rを決定し、上記の角度の範囲に入るように数式１から数式３を用いると、加工に必要な寸法を決定することができる。液膜の厚さは、aおよびWの寸法を大きくすると厚くなり、小さくすると薄くなる。膜の厚さは数ミクロンから数百ミクロンまで、この加工寸法で調整することができる。同一の加工寸法でも、ノズル部に流入する液体の圧力が高い場合には、液膜の厚さは薄くなり、低い場合には厚くなる。

図9によりノズル部が生成する液膜の空間的な配置を説明する。空間を定義する3次元座標軸をx-y-zで示す。管１から作られたノズル部の中心軸１５は、y軸方向に向いているとする。y軸と直交するx軸と、接合線１０は平行である。開口切断面１４は、管の内部の液体が通過する開口部となるが、開口部より噴出した液体が作り出す液膜を図9に示す。第1液膜面２０は、接合線１０に垂直な面となる。すなわち、x軸に垂直なz-y平面に平行である。

第1液膜面２０は、特許文献１に示されているように、ノズル部の開口部から噴出した液体で、z-y平面内に流れる二本の紐状の流体柱２１の間に液体の表面張力により形成される。紐状の流体柱２１はなめらかな弧を描きながら流体柱集合点２２で衝突し、第2液膜面２３を形成する。第2液膜面２３は、第1液膜面２０に対して垂直である。すなわち、第2液膜面２３は、x-y平面と平行である。第2液膜面２３も第1液膜面２０同様に2本の流体柱で形成され、その流体柱は次の流体柱集合点２４で衝突し、次の第3の液膜面２５を形成する。第3の液膜面２５は、上記と同様に、第2液膜面２３に対して垂直である。

ノズル部に流入する液体の流量、圧力および粘性が適当にバランスすると、図９に示すように第1液膜面、第2液膜面、第3液膜面と互いに直行した面を生成する。各液膜面は中心軸１５を面内に含んで発生し、また、流体柱集合点２２，点２４は中心軸１５の軸上に存在する。この特性を利用することにより、ノズル部の加工が適切に行われたかどうかを確認することができる。加工が不適切な場合は、中心軸１５に対して対称性の無い液膜が発生する。

第４液膜面も原理的には可能であるが、通常の水のような粘性をもつ液体では第３液膜面まで観測され、その後は直線上の流体柱となる。ノズル部に流入する液体の圧力が低い場合には、第１液膜面だけが生成し、逆に、圧力が高い場合には、後述するように、紐状の流体柱が衝突する集合点はなくなり液膜は扇状に広がり発散する。

図１０に一般的な注射器（シリンジ）に使われる注射針の先端に上述のノズル部の加工を施した場合の例を示す。一般的な注射器本体２６に接続した注射針２７の先端部分２８に、上述のノズル部の加工を施す。この時の加工は、一般的な注射針がそうであるように、清浄な加工過程で行うことが望まれる。注射器２６の内部に入れた液体をピストン３０で押すことに液膜２９を生成することができる。液膜に要求される大きさや厚さに応じて、注射針２７の直径や、ピストン３０を押し出す力や速度を制御することにより、目的とする液膜を発生させることができる。

注射針の先端のように、管の直径が1ミリメートル以下のように細い場合には、熱による影響のないフェムト秒レーザー加工を用いることにより、切断面にバリやドロスなどの通常のレーザー加工で発生しやすい不具合を回避することができる。さらに、潰した管の密着部８（図５）の隙間が広がるなどの熱的影響を少なくすることができる。

図１１に注射器２６を用いて、液体試料を一般の分光装置や特にテラヘルツ波分光装置で計測する場合の注射器型液膜生成装置の例を示す。後述するようにテラヘルツ波分光装置は真空容器内に試料を配置する必要があり、図１１（１）に示すように接続用の真空フランジ３１を利用する。注射器２６は試料の液量によって寸法が異なる場合があり、フランジ３１と注射器２６の間には、注射器径変換アダプター３２を配置する。

フランジ３１の真空容器側には、テラヘルツ波３３が伝播しており、注射器およびノズル機能を施した注射針から生成された液体試料の液膜３４はそのテラヘルツ波を横切るように配置される。液体が注射針の先端から最初に噴出するときには、気泡が混ざるため、液体が散乱し周辺に飛び散る現象が生じる。また、容器内の真空領域と隔離するためにも、液膜３４の周囲は、テラヘルツ波３３に対して透明な材料で作られた遮蔽容器３５で覆われている。遮蔽容器３５の材料としては、ポリプロピレンや、ポリエチレンや、ガラスなどが使用される。

遮蔽容器３５の先端には、真空を破らないように接合された、液体ダンパー３６を付加する。液膜３４は、膜の先端部分で紐状の流体柱に収斂する。この流体柱は流速があり、そのまま周囲の容器の壁に衝突すると液体が飛散して、計測装置を汚す可能性が高い。そこで、液膜３４の軸上に配置される液体ダンパー３６により、紐状の流体柱になる部分を減速しながら受け取り、液体の飛散を防ぐ。

液体ダンパーで減速された液体は配管３７を経て、液体収集タンク３８に導かれる。配管３７および液体収集タンク３８は真空容器内に配置できる程度に十分小型である。
次に、液体飛散防止シャッター３９に関して説明する。液膜３４が最初に噴出する際、また試料となる液体が全て噴出することにより最終的に液膜３４が終了するとき、液体が周辺に飛散する可能性が高い。テラヘルツ波３３が横切る軸上に液体が飛散すると、計測できなくため、遮蔽容器３５の内側も液体の飛散から保護しなければならない。

そこで、図１１（２）に示すような液体飛散防止シャッター３９を、遮蔽容器３５の内部に配置する。シャッター３９には、テラヘルツ波３３の通過を妨げない大きさのビーム通過穴４０が開けてある。シャッター３９を９０度回転させることにより、液膜３４の生成および終了のタイミングで、テラヘルツ波３３が通過する遮蔽容器３５の内側を液体の飛散から保護することができる。シャッター３９の回転は、磁石による結合機構など既知の技術を利用して、フランジ３１の外部の回転レバー４１により、真空を破ること無く操作できるものとする。

図１２に、試料となる液膜を真空容器内に配置するための別の形態を示す。ほとんどの部分は図１１で説明した装置と同様である。液体ダンパー３６により集められた液体は、配管４２により、フランジ３１の外に導かれ排出される。このような構造により、試料となる液体の量が多い場合などにおいて、真空容器内部に液体収集タンクを配置する必要が無く計測できる。また、試料となる液体が連続している場合のテラヘルツ波分光計測が可能となる。

図１３に注射器２６を用いて、液体試料を一般の分光装置や特にテラヘルツ波分光装置において、電子制御により注射器のピストン３０を一定速度で一定時間のあいだ押す機能を実現する装置の形態を説明する。フランジ３１の内側（真空容器内部側）には図１１において説明した遮蔽容器３５などが用途に応じて取り付けられているものとする。フランジ３１の外側には、注射器２６本体およびシリンジ駆動ユニット４４を取り付けるためのシリンジ駆動ホルダー４３が取り付けてある。

シリンジ駆動ホルダー４３には、各種サイズの注射器２６を配置できるような支持溝４５があり、また各サイズに応じたフランジ挿入口４６が用意されている。注射器２６を設置後に注射器の端４７をフランジ挿入口４６に押し込む。フランジ挿入口４６には、接合部分にオーリングなどを用いて、注射器２６の直径と密着することにより、フランジ３１の内側の真空度を保つように工夫されている。

シリンジ駆動ユニット４４は、その内部に組み込んだ減速ギヤ付モーターにより、駆動シャフト４８を前進あるいは後進させる機能を持つ。この駆動ユニット４４は、シリンジ駆動ホルダー４３と、接続ピン４９により容易に着脱できる構造を有する。シリンジ駆動ホルダー４３とシリンジ駆動ユニット４４が接続されると、駆動シャフト４８は一定速度で一定時間のあいだ注射器のピストン３０を押すことができる。

駆動シャフト４８の押し出し時間や押し出し速度の制御は、駆動ユニット４４に接続された電子制御装置５０により、液体試料の粘性やテラヘルツ波の吸収率などに応じて適切に設定できる。

図１４にテラヘルツ波分光装置の一部分である真空容器５１にシリンジ駆動ホルダー４３を接続した例を示す。

図１５を用いて本ノズル装置が生成する液膜の利用に関して別の形態を説明する。図９において説明したように、ノズル部が生成する液膜は、ノズル部に送り込まれる液体の圧力と、図８において定義されるノズル開口部の寸法aおよびWに依存して形は多様に変化する。たとえば、同一のaおよびWの寸法においても、ノズル部に送り込む液体の圧力が高くなると、図９に示すような形態から図１５に示すような形態となる。

図１５に示すように液体の圧力が高くなると、z-y平面内に流れる二本の紐状の流体柱２１は、一点に集まること無く広がる。二本の紐状の流体柱２１の間には、液膜部５２、液膜境界部５３、および霧状部５４の３種の形態が現れる。流体柱２１の間に生じる液膜は、流体柱２１の間に生じる表面張力によって形成されている。液体の圧力が高くなると表面張力による膜状態を維持することができなくなり、膜が崩壊する。液膜境界部５３は、膜がちょうど破壊している部分であり、破壊した結果、液体が霧状に変化した部分が霧状部５４である。

表面張力で維持されている液体の膜が破壊する際、キャビテーションと呼ばれる現象が生じ、衝撃波が発生する。結果的に、霧状部５４における液体の粒子サイズはきわめて小さい。

図１６において、この霧状部を積極的に応用する形態を説明する。ノズル部に加える液体の圧力を高くすることにより、図１５に示すような霧状部５４が常に発生するような状態を作り出すことにより、衝撃波により生成した液体の霧状態の特性を利用する。

図１６は飲料などに用いる液体の殺菌装置の形態を示している。液体を蓄積する溶液タンク５５から、配管５６を経て、加圧ポンプ５７により大型ノズル部５８に大腸菌などで汚染された液体を導く。大型ノズル部から発生する液膜境界部を妨害しない大きさをもつ容器５９で液体を集め、再び溶液タンク５５に戻す閉回路を構成する。

容器５９の一部に紫外線を通過させる石英ガラスなどの素材を用いた照射窓部６０を設置する。窓部６０の外部から紫外線LEDなどの紫外線光源６１から発する紫外線６２を容器内部の液体の霧状部６３に照射する構造を用意する。

霧状部は液体がキャビテーションにより発生しており、その際、衝撃波が発生している。この衝撃波は、大腸菌などの細胞膜を破壊する効果があるため、溶液タンク５５の内部の液体内の生きている大腸菌などは、液体を循環させることで減少する。さらに、霧状で表面積が増大している部分に紫外線を照射することにより、紫外線による殺菌効果も加わった、２重の殺菌機能を持つ液体の殺菌装置を提供する。

図１７に液膜生成ノズルを利用して液体スクリーンを作る形態を示す。管の直径が数センチメートル以上の液膜生成ノズル６４を作製し、液体６５を導く直線状のパイプ６６に一定間隔で液膜生成ノズル６４を配置する。このときそれぞれの液膜６８がちょうど重なり、液面と液面が連なるようにノズルの設置角度を調整する。各ノズル６４には、可変バルブ６７を設けることでノズル部へ共有する液量を調整する。それぞれのバルブ６７を調整することによる、ノズルの加工公差による差異や、パイプ６６の長さに依存した液体の圧力差を補正することにより、各ノズルによる液膜６８がそれぞれ同じ程度になるように調整する。その結果、液体スクリーン６９を形成する。

本発明は、従来の液膜ノズルの製造で用いられていた複雑で汚れやすい加工手段を用いること無く、潰して切断するという単純な手段で同等の液膜を生成する事を可能にするものである。

本発明がもたらす単純な加工手段は、注射針のような細い直径の管にも、逆に直径１０センチメートル以上の管にも自在に液膜発生機能を持つ加工を簡単に施すことが可能となる。その結果、種々の大きさの液膜を低コストで簡単に生成する事が可能となり、理化学研究目的やエンターテイメント産業への応用など社会的な効果は大きい。

本発明による、潰して切断という単純な加工手段には、従来の加工方法では不可避であった加工過程や加工後の汚れを回避することが可能となるため、超高純度が要求される液膜の発生が可能となり、不純物の混入を押さえた液膜による分光計測に利用でき、本発明がもたらす産業への効果は特に大きい。

さらに、本発明による液膜ノズルは、清浄かつ低コストで製造できること、さらには大量生産にも適しているため、キャビテーション発生による殺菌機能を活用することにより、飲料目的の水に含まれる大腸菌を殺菌する装置に応用することも可能であり、飲料や食品産業上の効果は大きい。

また、本発明によるノズル加工手段は低コストで大型のノズル製造を可能にする。複数のノズルをライン状に配置することにより液膜を連続的につなぎ、動画などを映し出すことができる大型液膜スクリーンを作る事ができ、エンターテイメント産業への波及効果も期待できる。

Claims (13)

1. 液体を表面が平坦な板状の液膜に変換する液膜ノズル装置であって、
   筒状の管の一端に、内面が平坦に密着している密着部を有しており、当該管の内部空間において内面が前記密着部に至るまで傾斜しており、
   前記密着部の先端から、前記管の前記内部空間と前記密着部との境界線である接合線を超えて、前記管の内部空間に至るまで徐々に幅が狭くなるテーパ形状をなす切断形状を有しており、当該切断形状の前記内部空間側の開口切断面により、前記内部空間から前記液体が噴出される幅広の開口部が形成されている
   ことを特徴とする液膜ノズル装置。
2. 前記接合線の長さＬと、前記開口切断面の前記接合線と平行な長さＷとの比率が略２０：１であり、
   前記開口切断面の幅ａと、前記開口切断面の前記接合線と平行な長さＷとの比率が略１：３である
   ことを特徴とする請求項１に記載の液膜ノズル装置。
3. 前記管の内部の中心基準面に対する、前記管の前記内部空間において前記密着部に至る内面の傾き角度θが１５〜２０度の範囲内であり、
   前記管の中心線に対する、前記切断形状の前記テーパ形状をなす各側面切断面の傾き角度φが約２０度である
   ことを特徴とする請求項２に記載の液膜ノズル装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の液膜ノズル装置が先端に形成されていることを特徴とする注射針。
5. 注射器本体と、
   前記注射器本体に接続された請求項４に記載の注射針と
   を備えることを特徴とする注射器。
6. 真空容器と、
   請求項５に記載の注射器と、
   前記注射器から噴出された前記液体から生成された前記液膜が、前記真空容器内を横断するように伝搬するテラヘルツ波を横切るように、前記注射器を前記真空容器に接続する真空フランジと
   を備えることを特徴とする注射器型液膜生成装置。
7. 前記注射器のピストンを一定速度且つ一定時間の間押すことが可能な駆動シャフトを有するシリンジ駆動ユニットと、
   前記駆動シャフトの押し出し時間および押し出し速度を制御する電子制御装置と
   をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の注射器型液膜生成装置。
8. 前記テラヘルツ波に対して透明な材料が用いられ、前記真空容器内の真空領域において前記液膜の周囲を覆う遮蔽容器
   をさらに備えることを特徴とする請求項６または７に記載の注射器型液膜生成装置。
9. 前記遮蔽容器の内部に配置され、前記テラヘルツ波を通過させるためのビーム通過穴を有する液体飛散防止シャッターをさらに備え、
   当該液体飛散防止シャッターは、前記液膜の生成開始および生成終了のタイミングで回転することにより、前記テラヘルツ波が通過する前記遮蔽容器の内側への前記液体の飛散から保護する
   ことを特徴とする請求項８に記載の注射器型液膜生成装置。
10. 請求項１から３のいずれか一項に記載の液膜ノズル装置と、
    前記液膜ノズル装置に送り込まれる前記液体の圧力を高めることで前記液膜を崩壊させて前記液体の霧状部を生成する加圧ポンプと、
    前記霧状部に紫外線を照射する紫外線光源と
    を備えることを特徴とする液体の殺菌装置。
11. 前記液膜ノズル装置に送り込まれる前記液体を収容する溶液タンクと、
    前記霧状部の前記液体を集めて前記溶液タンクに再び戻す閉回路と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の液体の殺菌装置。
12. 請求項１から３のいずれか一項に記載の液膜ノズル装置を複数備え、当該複数の液膜ノズル装置が直線状に一列に配置され、当該複数の液膜ノズル装置によって生成された複数の前記液膜が互いに重なり合うように連結して一つの液膜面を形成することにより液体スクリーンを形成することを特徴とする液体スクリーンの形成装置。
13. 液体を表面が平坦な板状の液膜に変換する液膜ノズル装置の製造方法であって、
    筒状の管の一端を潰すことにより、当該一端に内面が平坦に密着している密着部を形成するとともに、当該管の内部空間において内面を前記密着部に至るまで傾斜させる第１の工程と、
    前記密着部の先端から、前記管の前記内部空間と前記密着部との境界線である接合線を超えて、前記管の内部空間に至るまで徐々に幅が狭くなるテーパ形状をなす切断形状を切断加工によって形成し、当該切断形状の前記内部空間側の開口切断面により、前記内部空間から前記液体が噴出される幅広の開口部を形成する第２の工程と
    を含むことを特徴とする液膜ノズル装置の製造方法。