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技術 キャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システム

出願人 エルソン株式会社
発明者 畑中武史
出願日 2016年8月1日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2016-160878
公開日 2018年2月8日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2018-020304
状態 未査定
技術分野 回転撹拌具形混合機 破砕・粉砕(1) 溶解、混合、フローミキサー
主要キーワード 混合流動体 供給インレット 異種原料 環状カバー 償却期間 極微細気泡 異種液体 せん断ピン
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

解決手段

インペラーに複数の放射方向高速噴流と複数の周方向高速噴流を同時に生成する複数の複合高速噴流発生ブレード316と、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階衝突・剪断させて1次マルチ剪断噴流を生成する複数のキャビテーション剪断チャンバ320と、前記1次マルチ剪断噴流をさらに剪断衝突させて2次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材326と、前記2次マルチせん断噴流をインペラー12の外周に隣接して存在している前記被処理流動体中に剪断しながら噴出・混合させる複数の放射方向剪断ノズル340とを備え、前記キャビテーションせん断装置によって前記被処理流動体に遠心力を作用させながら前記放射方向高速噴流と前記周方向高速噴流を生成し、被処理流動体を混合するキャビテーション剪断装置

概要

背景

従来、炭酸水酸素水水素水等の飲料水において、炭酸ガス酸素ガス水素ガス等の気体液体に溶解させる技術や異種の流体(例えば、液体と液体、或いは、固体としての粒体粉体等と液体)を混合・撹拌して混合流動体を均一に極微細化又は乳化する技術に注目が高まっている。一方、各種の食品の製造には、液体(含ゲル状や粘性液体)と異種液体との均一混合の工程が必須用件となっており、効率的な攪拌、混合、混練等が可溶化や乳化の技術に注目が集まっている。一方、機械加工分野では、地球環境保護の観点から塩素フリーやオゾンフリー切削油剤クーラント液)が求められた結果、塩素やオゾンが使えなくなり、クーラント液が腐食して悪臭が発生する新たな環境問題が多発している。その有効な対策として、大気から分離した窒素を利用してこれを水に溶解させて生成した殺菌効果の高い安全な窒素ナノバブル水の利用が注目されている。

例えば、特許文献1にはハニカム状の開口部を有する第1混合エレメントと、ハニカム状の開口部を有する第2混合エレメントとを対向配置して蛇行しながら放射方向に流動する攪拌混合流路を形成して被処理流動体(ここでは、燃料油と水)を蛇行させながら分流と混合を繰り返しながら流出させるようにした回転式攪拌混合器が開示されている。

特許文献2には一対の撹拌体対抗配置して両撹拌体の間に形成した撹拌流路を介して流入口から流入した流体を放射線方向に通過させながら混合する撹拌装置が開示されている。

概要

キャビテーションせん断装置混合システムの提供。インペラーに複数の放射方向高速噴流と複数の周方向高速噴流を同時に生成する複数の複合高速噴流発生ブレード316と、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階衝突・剪断させて1次マルチ剪断噴流を生成する複数のキャビテーション剪断チャンバ320と、前記1次マルチ剪断噴流をさらに剪断衝突させて2次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材326と、前記2次マルチせん断噴流をインペラー12の外周に隣接して存在している前記被処理流動体中に剪断しながら噴出・混合させる複数の放射方向剪断ノズル340とを備え、前記キャビテーションせん断装置によって前記被処理流動体に遠心力を作用させながら前記放射方向高速噴流と前記周方向高速噴流を生成し、被処理流動体を混合するキャビテーション剪断装置

目的

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、低消費電力で被処理流動体の大量処理化が可能なキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

駆動源により回転駆動されて被処理流動体せん断しながら攪拌混合するインペラーと、前記インペラーの中央部から径方向外側に延びていて、前記被処理流動体に遠心力を作用させながら複数の放射方向高速噴流を生成するとともに、前記複数の放射方向高速噴流の一部をそれぞれ周方向噴出させて複数の周方向高速噴流を生成する複数の複合高速噴流発生ブレードと、前記複数の複合高速噴流発生ブレードの間に区画されていて複数のキャビテーションキャビテーションせん断ピンを有し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階でキャビテーションと同時に衝突・せん断させて1次マルチせん断噴流を生成する複数のキャビテーションせん断チャンバと、前記複数のキャビテーションせん断チャンバの外縁部において前記インペラーに形成されていて前記1次マルチせん断噴流をさらにせん断衝突させて2次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材と、前記環状せん断壁部材の周方向に所定間隔で径方向に形成されていて、前記2次マルチせん断噴流を前記インペラーの外周に隣接して存在している前記被処理流動体中にせん断しながら噴出・混合させる複数の放射方向せん断ノズルと、を備えることを特徴とするキャビテーションせん断装置。

請求項2

前記環状せん断壁部材が、前記複数の複合高速噴流発生ブレードの外周縁に形成された第1せん断環状壁部と、前記インペラーの外周縁に形成された第2せん断環状壁部と、前記第1せん断環状壁部と前記第2せん断環状壁部との間に形成されていて、前記1次多段せん断処理噴流を周方向に高速移動させながらせん断する環状せん断チャンバとを備えることを特徴とする請求項1に記載のキャビテーションせん断装置。

請求項3

前記第1せん断環状壁部が、周方向に分離形成されていて前記環状せん断チャンバに開口する複数の径方向噴射せん断ノズルと、前記複数の径方向噴射せん断ノズルに隣接した位置において前記第1せん断環状壁部の外周に形成された複数のせん断突起を備え、前記第2せん断環状壁部が周方向に分離形成されていて前記環状せん断チャンバに開口する複数の径方向噴射せん断ノズルと、前記複数の径方向噴射せん断ノズルに隣接した位置において前記第2せん断環状壁部の内周に形成された複数のせん断突起を備えることを特徴とする請求項2に記載のキャビテーションせん断装置。

請求項4

請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のキャビテーションせん断装置と、被処理流体被処理原料との被処理流動体を前記キャビテーションせん断装置に供給する被処理流動体供給部と、を備え、前記キャビテーションせん断装置が前記被処理流動体に遠心力を作用させながら放射方向高速噴流を生成するとともに、前記放射方向高速噴流の一部を周方向に噴出させて周方向高速噴流を生成し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階に衝突・せん断させて前記被処理流動体を混合攪拌することを特徴とするキャビテーションせん断混合システム

--

技術分野

0001

本発明はキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムに関する。

背景技術

0002

従来、炭酸水酸素水水素水等の飲料水において、炭酸ガス酸素ガス水素ガス等の気体液体に溶解させる技術や異種の流体(例えば、液体と液体、或いは、固体としての粒体粉体等と液体)を混合・撹拌して混合流動体を均一に極微細化又は乳化する技術に注目が高まっている。一方、各種の食品の製造には、液体(含ゲル状や粘性液体)と異種液体との均一混合の工程が必須用件となっており、効率的な攪拌、混合、混練等が可溶化や乳化の技術に注目が集まっている。一方、機械加工分野では、地球環境保護の観点から塩素フリーやオゾンフリー切削油剤クーラント液)が求められた結果、塩素やオゾンが使えなくなり、クーラント液が腐食して悪臭が発生する新たな環境問題が多発している。その有効な対策として、大気から分離した窒素を利用してこれを水に溶解させて生成した殺菌効果の高い安全な窒素ナノバブル水の利用が注目されている。

0003

例えば、特許文献1にはハニカム状の開口部を有する第1混合エレメントと、ハニカム状の開口部を有する第2混合エレメントとを対向配置して蛇行しながら放射方向に流動する攪拌混合流路を形成して被処理流動体(ここでは、燃料油と水)を蛇行させながら分流と混合を繰り返しながら流出させるようにした回転式攪拌混合器が開示されている。

0004

特許文献2には一対の撹拌体対抗配置して両撹拌体の間に形成した撹拌流路を介して流入口から流入した流体を放射線方向に通過させながら混合する撹拌装置が開示されている。

先行技術

0005

日本特許第4533969号公報日本特許第5243341号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、特許文献1及び2で開示された混合撹拌装置では、特許文献6の静止型流体混合装置では、第1混合エレメントと第2混合エレメントに形成した撹拌流路又は流路形成用空間をなす多数の小室気液混合流が通過する流路断面積が極めて小さい構造となり、しかも、ジグザグ通路が互い違いに直角の流路からなっているため、撹拌流路又は流路形成用空間の流路抵抗が大きくなり、気液混合流の流量を増大させることが困難となり、大量の気体溶解水を効率的に製造することが困難であった。例えば、特許文献1の混合撹拌装置を利用して酸素ガスを被処理水に溶解して酸素ナノバブル水を生成してうなぎ養殖池DO溶存酸素量)を改善させる試みがなされたが、大量処理が困難なことから、DO(溶存酸素量)を増加させることができなかった。この問題を解消するためには、装置全体が必然的に大型構造とならざるを得ず、そのため、装置の生産コスト下げることができず、設備費の償却期間が長いものとなり、消費電力も増大し、経済的なメリットが小さくなり、産業界に広く普及させることは困難であった。

0007

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、低消費電力で被処理流動体の大量処理化が可能なキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために、本発明の第1局面によるキャビテーションせん断装置は、駆動源により回転駆動されて被処理流動体をせん断しながら攪拌混合するインペラーと、前記インペラーの中央部から径方向外側に延びていて、前記被処理流動体に遠心力を作用させながら複数の放射方向高速噴流を生成するとともに、前記複数の放射方向高速噴流の一部をそれぞれ周方向噴出させて複数の周方向高速噴流を生成する複数の複合高速噴流発生ブレードと、前記複数の複合高速噴流発生ブレードの間に区画されていて複数のキャビテーションせん断ピンを有し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階でキャビテーションと同時に衝突・せん断させて1次マルチせん断噴流を生成する複数のキャビテーションせん断チャンバと、前記複数のキャビテーションせん断チャンバの外縁部において前記インペラーに形成されていて前記1次マルチせん断噴流をさらにせん断衝突させて2次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材と、前記環状せん断壁部材の周方向に所定間隔で径方向に形成されていて、前記2次マルチせん断噴流を前記インペラーの外周に隣接して存在している前記被処理流動体中にせん断しながら噴出・混合させる複数の放射方向せん断ノズルとを備えることを特徴とする。

0009

本発明の第2局面によるキャビテーションせん断混合システムは、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のキャビテーションせん断装置と、被処理流体被処理原料との被処理流動体を前記キャビテーションせん断装置に供給する被処理流動体供給部と、を備え、前記キャビテーションせん断装置が前記被処理流動体に遠心力を作用させながら放射方向高速噴流を生成するとともに、前記放射方向高速噴流の一部を周方向に噴出させて周方向高速噴流を生成し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階に衝突・せん断させて前記被処理流動体を混合攪拌することを特徴とする。

発明の効果

0010

発明によれば、簡単な構造で、低消費電力で被処理流動体の大量処理化が可能なキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムを提供することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0011

図1は、本発明のキャビテーションせん断装置を利用したキャビテーションせん断混合システムの概略断面図を示す。図1において、キャビテーションせん断混合システムは、例えば、炭酸ガス、酸素ガス、水素ガス及び窒素ガス等の気体のうち、少なくとも1つの気体Gを被処理水にナノバブル状態で溶解して炭酸ナノバブル水、酸素ナノバブル水又は窒素ナノバブル水を生成するものとして記載されるが、本発明はこれら用途に限定されるものではなく、他にも多くの用途がある。例えば、食品、飲料、化粧品医薬品、衛生材料等の製造や、淡水浄化・排水浄化等の環境分野及び農業水産養殖の用途等における液体への気体の分散、溶解および可溶化、液体への異種液体の分散、溶解、可溶化及び乳化(エマルジョン化)のための処理装置として利用可能である。また、各種食品の製造にも有効であり、液体(含ゲル状や粘性液体)と異種液体との均一混合の工程において、効率的な攪拌、混練等が可溶化や乳化する際にも有用である。ここで、ナノバブル状態で溶解する気体溶解水(ナノバブル水)とは、極微小気泡(ナノバブル)の直径が10nm以上1μm以下、好ましくは、50nm以上500nm以下で、ナノバブルの平均直径が、好ましくは、100nm以上200nm以下の範囲に属し、ナノバブル数が1mL当たり1億個以上含む気体溶解水のことを意味する。気体のナノバブルの直径および直径分布については、英国Nanosight社製NANOSIGHTで測定することができる。

0012

キャビテーションせん断混合システム200は、被処理水(被処理流体)Wを一時的に貯蔵する被処理水(被処理流体)保持タンク202と、給水(被処理流体供給)ポンプ204と、給水管(被処理流体供給配管)274と、気体(被処理原料)流量調整弁275と、気体(被処理原料)供給管276と、被処理水(被処理流体)Woと気体(被処理原料)Gとの被処理流動体(被処理流動体)Wgを生成して供給する被処理流動体(被処理流動体)供給部286と、被処理流動体(被処理流動体)供給配管272と、キャビテーションせん断装置400と、吐出パイプ268と、処理水処理流動体)Wnを貯留するリサーバータンク350と、余剰ガスGeを排出するガス排出管352と、処理水(処理流動体)流量調整弁354と、処理水(処理流動体)吐出管356とを備える。処理水(処理流動体)吐出管356は利用目的に応じて各種の利用施設に接続される。

0013

キャビテーションせん断混合システム200の作用において、給水ポンプ204とモータMが起動されると、被処理水Woが給水管274を通過しながら、気体Gを気体供給管276から吸引し、被処理流動体生成部280で被処理水Woと気体Gとの被処理流動体Wgが生成される。この時、被処理流動体Wgは被処理流動体供給配管276を介してキャビテーションせん断装置400に導入される。後述のごとく、キャビテーションせん断装置400は、被処理流動体としての被処理流動体Wgに遠心力を作用させながら放射方向高速噴流を生成するとともに、周方向高速噴流を生成しながら被処理流動体Wgを多段階でせん断・衝突・気泡破裂(乳化)することにより極微小気泡を有する気体溶解水を生成する。

0014

図2はキャビテーションせん断装置400の断面図を示す。図2において、キャビテーションせん断装置400はキャビテーションせん断ユニット300を収納する断面C−型環状ハウジング250と、環状ハウジング250を密閉する円形蓋部材252とを有し、円形蓋部材252はボルト等の固定手段254により環状ハウジング250に固定支持される。キャビテーションせん断ユニット300のボス部312aはモータの駆動軸212aに連結されていて、駆動軸212aはベアリング260、262により回転支持される。

0015

環状ハウジング250は流動体混合部256として機能する流動体混合室258を有する。環状ハウジング250の内周にはキャビテーションせん断ユニット300の外周に近接して環状ショルダー250aが形成され、流動体混合室258に流入した被処理流動体(被処理流動体)Wgを吸引部258を介してインペラー312の複数の吸引口312b及びカバー314の吸引口314a(図4参照)に案内している。環状ショルダー250aの中央部には環状通路264が形成されている。環状ハウジング250の上端部には処理水(処理流動体)Wnを吐出するためのアウトレット266が形成され、吐出パイプ268を介して処理水の利用施設(図示せず)に供給される。

0016

環状ハウジング250の下端部には被処理流動体(被処理流動体)供給インレット270が形成され、これら被処理流動体供インレット270の上流側は配管272を介して被処理水Wの供給パイプ274に接続され、被処理水供給パイプ274に気体(被処理原料)供給ポート276が接続される。配管272の合流地点で被処理水Woと気体Gとの被処理流動体(被処理流動体)Wgを生成する被処理流動体(被処理流動体)生成部280が形成される。

0017

キャビテーションせん断装置400の作用において、被処理水供給パイプ274を介して被処理水Woが供給され、一方、気体供給ポート276から気体Gが供給され、被処理流動体生成部280で被処理流動体Wgが生成される。被処理流動体Wgは配管272から被処理流動体供給インレット270に流入して気液(被処理流動体)混合室258に導入される。この時、被処理流動体Wgはキャビテーションせん断ユニット300の内部に案内され、前述したように、複合高速噴流発生ブレード316(図4参照)の遠心作用を受けて高速化され、マルチ段階でせん断、衝撃及び気泡破裂が繰り返し実行され、極微小気泡のナノバブル処理水Wnが生成される。ナノバブル処理水Wnは吐出パイプ268を介してナノバブル処理水の利用装置(図示せず)に供給される。

0018

図3及び図4において、キャビテーションせん断ユニット300は、駆動源212の出力軸212aにより支持されたボス部312aと被処理流動体Wgを吸引する複数の吸引口312bを有するインペラー312と、インペラー312の上面をカバーしていて中央部に被処理流動体Wgを吸引する吸引口314aを有する環状カバー314とを備える。インペラー312はボス部312aの回転軸とほぼ垂直な平面においてから径方向外側に延びていて被処理流動体Wgに遠心力を作用させる複数の複合高速噴流発生ブレード316を有する。複数の複合高速噴流発生ブレード316は吸引口314aに隣接した位置においてインペラー312の中央部付近においてインペラー312の中央部から径方向に向けて略直線状に延びる直行ラジアル壁部316aと、直行ラジアル壁部316aの外周端部から径方向に後退傾斜する斜向ラジアル壁部316bとを有る。直行ラジアル壁部316aが径方向に延びていることにより、インペラー312の回転に伴い被処理流動体Wgを吸引口312B、314aから掻込み易くして被処理流動体Wgの吸い込みを的確に行わせることができる。斜向ラジアル壁部316bは、インペラー312内において被処理流動体Wgに効果的に遠心力を作用させながら、あたかも被処理流動体Wgをキックさせるように押し出し付勢することができ、被処理流動体Wgの放射方向への加圧送出を行なう。

0019

図4より明らかなように、キャビテーションせん断ユニット300は、さらに、複数の複合高速噴流発生ブレード316の間にそれぞれ周方向に等間隔で区画されたキャビテーションせん断チャンバ320を有する。キャビテーションせん断チャンバ320は複合高速噴流発生ブレード316による遠心力の作用により被処理流動体Wgを強力な加圧下で放射方向に移動させて被処理流動体Wgから複数の放射方向高速噴流Wjを生成する。複数の斜向ラジアル壁部316bには径方向に等間隔で周方向に開口するように複数の周方向噴射ノズル322がそれぞれ形成されている。インペラー312が時計方向Cwに回転する際に、周方向噴射ノズル322を介して放射方向高速噴流Wjの一部が一方のキャビテーションせん断チャンバ320から他方のキャビテーションせん断チャンバ320に周方向高速噴流Wsとして噴出する。周方向高速噴流Wsは放射方向高速噴流Wjと衝突するため、これら高速噴流Ws、Wjの気泡が衝突・破裂・せん断されて微細化される。

0020

キャビテーションせん断チャンバ320にはそれぞれ多数のキャビテーションせん断ピン324が軸方向に立設されており、多数のキャビテーションせん断ピン324に対して放射方向高速噴流Wj及び周方向高速噴流Wsが衝突してせん断され、さらに、吸引口から流入する被処理流動体Wgと放射方向高速噴流Wj及び周方向高速噴流Wsが多段にわたって衝突せん断される。このように、キャビテーションせん断チャンバ320は被処理流動体Wgと放射方向高速噴流Wj及び周方向高速噴流Wsを多段にわたって衝突・せん断・気泡破裂させることで気泡を極微小気泡(ナノバブル)とする。被処理流動体が異種の液体からなる場合は、被処理流動体は効果的に乳化(エマルジョン化)される。

0021

キャビテーションせん断ユニット300は複数のキャビテーションせん断チャンバ320の外縁部に隣接してインペラー312に形成されていて、1次放射方向高速噴流Wjをさらにせん断衝突させて極微細気泡を有する2次せん断処理気液混合噴流を生成するための環状せん断壁部材326を備える。環状せん断壁部材326は、複数の複合高速噴流発生ブレード316の外周縁に形成された第1せん断環状壁部328と、インペラー312の外周縁に形成された第2せん断環状壁部330と、第1せん断環状壁部328と第2せん断環状壁部330との間に形成され環状せん断チャンバ332とを備える。

0022

第1せん断環状壁部328の周方向に沿って所定間隔で複数の径方向噴射せん断ノズル334が形成されている。極微小気泡を有する放射方向高速噴流Wjは径方向噴射せん断ノズル334を介して環状せん断チャンバ332へ放射方向に径方向ナノバブルジェット流Wn1として噴射される。第1せん断環状壁部328の外周と第2せん断環状壁部330の内周には複数のせん断突起336,338が環状せん断チャンバ332に径方向に延びており、せん断突起336の外径はせん断突起338の外径よりもわずかに小さく設計される。第2せん断環状壁部330の周方向には所定感覚で複数の径方向噴射せん断ノズル340が形成されている。径方向ナノバブルジェット流Wn1は第2せん断環状壁部330の内周に衝突・微細化された後に、環状せん断チャンバ332を周方向に移動する際に、複数のせん断突起336,338によりさらなるせん断作用を受けて微細化されとナノバブルとなる。こうして微細化されとナノバブルを有する径方向ナノバブルジェット流Wn2が第2せん断環状壁部330の径方向噴射せん断ノズル340を介して被処理流動体中に噴射され、その際、第2せん断環状壁部330の外周によってもせん断作用を受ける。このようにして、処理流動体が少なくとも10m/秒以上の放射方向高速噴流となるため、放射方向高速噴流と周方向高速噴流が高速度で衝突し、この時生じる高速噴流同士の衝撃力による剪断作用や、それら衝撃力と剪断力による被処理水中の気体から生じる超音速キャビテーション作用によって衝撃波が発生して気泡が破裂する。その際、処理流動体は超音速度でせん断、衝撃及び気泡破裂が繰り返し実行され、処理流動体は平均直径が10nm以上1μ以下の極微小気泡(ナノバブル)を有するようになる。こうして気泡が破裂する際には、処理流動体に含まれている微生物や細菌などを微粉砕して死滅させることもできる。

0023

本発明のキャビテーションせん断混合システムは気体溶解装置としての1例が記載されたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、エマルジョン装置化学その他異種原料可溶化装置食品製造の混錬装置として利用してもよい。また、キャビテーションせん断装置において、キャビテーションせん断ユニットは1段構成のものとして記載されたが、ハウジング内に複数段のキャビテーションせん断ユニットを収納して被処理流動体を複数段のキャビテーションせん断ユニットに流入させて気泡の極微少化や原料の乳化を促進させてもてもよい。なお、キャビテーションせん断装置は単一のインペラーを有するものとして記載したが、該インペラーを軸方向に2分割して一方のエレメントステータとして固定し、他方のエレメントを一方のエレメントに対向配置してロータとして回転させてもよい。

図面の簡単な説明

0024

本発明の実施形態によるキャビテーションせん断混合システムの概略断面図である。図1に示したキャビテーションせん断装置の概略断面図である。図2に示したキャビテーションせん断ユニットの正面図である。図3に示したキャビテーションせん断ユニットの一部切り欠き上面図である。

0025

202…被処理流体保持タンク;204…被処理流体供給ポンプ;250…ハウジング;256…吸引部;276…被処理流体供給配管;280…被処理流動体生成部;300…キャビテーションせん断ユニット;312…インペラー;314…環状カバー;316…複合高速噴流発生ブレード;320…キャビテーションせん断チャンバ;322…周方向噴射ノズル;324…キャビテーションせん断ピン;326…環状せん断壁部材

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