CN101022882A - 在液体中产生微气泡的方法及气泡产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生气泡的方法及装置，其能够在液体中产生大量直径小于15μm特别是小于10μm的微气泡。该装置包括在一端具有封闭端14在另一端具有开口端15的管2、以及安装在管2内并与管2同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮3。旋转叶轮3具有一个或多个叶片4。叶片4的表面基本平行于旋转叶轮的转轴5的轴线。管2的在靠近封闭端14侧的内部与外部气体之间的通风阻力等于或大于通风口7的通风阻力，通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.36倍，长度是3mm。至少将管2的开口端15和旋转叶轮3浸入液体20中，并且旋转叶轮3以5.8米/秒或更高的周向速度旋转。

Description

在液体中产生微气泡的方法及气泡产生装置
技术领域
本发明涉及一种在液体中产生微气泡的方法及气泡产生装置。更具体地，本发明涉及产生大量直径小于15μm的微气泡的方法以及气泡产生装置。
背景技术
已知一种在液体中产生大量微气泡的方法，以在液体如水中有效地溶解气体如空气。通过在液体中产生直径为10-50μm的气泡，气泡因浮力而上升的速度大大地降低。所以，气泡在液体中保留更长的时间，气体以更高的效率溶解在液体中。
专利文献1公开了一种液-气搅拌混合装置，其包括具有线性圆筒形的外壳件以及具有线性柱形的驱动件，该驱动件同轴插入该外壳件内并高速旋转，其中，外壳件和驱动件之间的间隙设置为，当驱动件高速旋转时，使液体进入该间隙的范围内的可能的最小值。更具体为，液体和气体进入外壳件和驱动件之间的间隙，驱动件高速旋转引起液体强烈的涡流运动，因此它们被彼此搅拌并混合。含有大量因搅拌和混合产生的微气泡的液体通过外壳件底端的开口被强力释放，因此使大量非常细小的气泡在液体中悬浮很长时间。
在专利文献1公开的装置中，需要将驱动件外周面的圆周速度设置为大约12米/秒，并且驱动件需以该高速旋转。而且，因为需要将液体和气体搅拌与混合不短于一定的时间，外壳件和驱动件的长度必须不短于一定值，并且它们需要具有高尺寸精度，以防止高速旋转的驱动件振动。
专利文献2和3均公开了一种液-气搅拌混合装置，其包括具有线性圆筒形的外管，同轴插入该外管内并高速旋转的转轴，以及带有正叶片及反叶片的搅拌叶轮，正叶片及反叶片沿轴向以一定间隔固定到转轴上。转轴与装在外管内的液体一起旋转，因液体的涡流产生的抽吸动作使气体沿转轴被抽吸。通过搅拌叶轮的各个叶片对液体和气体混合物施加的强烈的切断动作，以及通过在正叶片提供的正向流动和反叶片提供的反向流动之间的碰撞产生的混合动作，实现了液体和气体的搅拌及混合动作。
在专利文献2和3公开的装置中，液体和气体之间的搅拌和混合不仅通过因转轴的旋转动作引起的涡流运动实现，而且还通过安装到转轴的搅拌叶轮的切断动作以及在正向气泡涡流和反向气泡涡流之间的碰撞动作实现。所以，可以强力有效地实现气泡的细分，由此可获得充分细分的气泡。与专利文献1公开的装置相比，转速值低，并且充分减小旋转部分的总重，由此，形成这些部件所需的尺寸精度级别不会非常高。
专利文献2和3公开的液-气搅拌混合装置在商业上制造，并能够在液体中产生直径为10-50μm的微气泡。因此，气体可以有效地溶解在液体中。
在专利文献4公开的涡流微气泡产生装置中，在构成该装置的容器内形成圆锥形空间，通过在与该空间的内壁限定的内周面相切的方向上提供加压液体，在该空间内产生涡流。另一方面，气体通过形成在圆锥形空间底部中央部分的气体入口被抽吸，并沿压力最小处的空间轴线穿过，由此产生薄的涡流气体空腔。该空间的截面区域逐渐变小，并且随着涡流从入口前行到出口，涡流的速度增大。气体以条的形式连续流向出口。在与气体通过出口排出的同时，涡流运动因周围的静止液体而突然减弱，并且条状气腔被稳定地连续切断。因此，大量直径例如为10-20μm的微气泡在出口附近产生，并释放到容器外的液体。
非专利文献1描述了测量通过使用气泡产生装置所产生的气泡数量的结果，该气泡产生装置基于与专利文献4公开的装置相同的原理而工作。在该气泡产生装置中，通过泵供给容器的水沿容器的壁上升，并且在撞击顶壁之后，水沿涡流的中心流向低处的出口。由于水的涡流产生的负压，气体被自动通过气体入口抽吸，并且沿涡流轴线形成的气柱与水涡流一起被强力通过出口释放，由此产生微气泡。水箱的容量是35公升。将作为产生水合物的催化剂的1％-TFH(四氢呋喃)加入水箱内的蒸馏水。利用水的光学粒度分布仪(LiQuilaz-E20，美国制造)不断测量气泡的直径分布。该测量基于光学-动力散射测量方法，并在气泡直径为2μm-125μm的范围内进行。参照非专利文献1的图2，以5μm气泡直径的间距测量液体中的气泡数量。在40μm的气泡直径附近气泡数量最大，并且以大约60个气泡/mL的密度产生气泡直径范围在5μm内的气泡。另一方面，在气泡直径小于15μm的区域内，以大约20个气泡/mL的密度产生气泡直径范围在5μm内的气泡。应注意到，与使用不含有任何添加剂的蒸馏水(作为液体)的情况相比，在使用添加有TFH或其它类似物质的蒸馏水的情况下，所产生的气泡数量增大。
专利文献1：特公昭61-36448号公报
专利文献2：特开平5-220364号公报
专利文献3：特开平6-91146号公报
专利文献4：特开平2000-447号公报
非专利文献1：“Effect of Shrinking Microbubble on Gas HydrateFormation”，The Journal of Physical Chemistry，Vol.107，No.10,2003，pp 2171-2173
发明内容
本发明要解决的技术问题
利用在上面引用的专利文献中所述的发明，可在液体中产生直径为10-20μm或10-50μm的微气泡，并且气体能够充分溶解在液体中。然而，利用这些已知方法仍不能实现在液体中产生大量直径小于15μm特别是小于10μm的微气泡。例如，在气泡直径小于15μm的区域，以大约20个气泡/mL的密度在5μm的气泡直径范围内产生气泡，并且已知方法仍未能成功地以40个气泡/mL或更大的高密度产生微气泡。
液体中气泡的直径越小，作用于气-液界面上的表面张力越大，并且气泡内压力上升的效果越强。所以，当微气泡的直径小于15μm时，例如，气体可在非常高的压力下溶解在液体中。而且，气泡的直径越小，每单位体积气体的气-液界面的表面积越大，并且气泡能够停留在液体中而不上浮脱离液面的时间越长。因此，若除了细小气泡能在产生大量直径小于15μm特别是小于10μm的微气泡，这将可能在各种领域实现许多优点，包括过去不可能获得的产生气体水合物。
本发明的目的是提供气泡产生方法及气泡产生装置，能在液体中产生大量直径小于15μm特别是小于10μm的微气泡。
本发明的技术方案
本发明的要点如下：
(1)在液体中产生微气泡的方法，其中，该方法包括步骤：准备在一端具有封闭端14在另一端具有开口端15的管2、以及安装在管2内并与管2同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮3，旋转叶轮3具有一个或多个叶片4，叶片4的表面基本平行于旋转叶轮的转轴5的轴线，至少将管2的开口端15和旋转叶轮3浸入液体20中，并且以5.8米/秒或更高的周向速度使旋转叶轮3旋转。
(2)根据上述(1)在液体中产生微气泡的方法，其中，当叶片4的平均宽度d被限定为是从转轴5的中心沿旋转的径向方向到每个叶片4的外围的宽度的两倍时，管的在靠近管2封闭端14侧的内部与外部气体之间的通风阻力等于或大于通风口7的通风阻力，通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.36倍，长度是3mm。
(3)根据上述(1)或(2)在液体中产生微气泡的方法，其中，当将蒸馏水用作液体20时，从管2的开口端15排出的液体中含有的直径不小于10μm并小于15μm的气泡的数量是40个气泡/mL或更大。
(4)用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，该装置包括在一端具有封闭端14在另一端具有开口端15的管2、以及安装在管2内并与管2同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮3，旋转叶轮3具有一个或多个叶片4，叶片4的表面基本平行于旋转叶轮的转轴5的轴线，当将管2的开口端15和旋转叶轮3浸入液体20中时，如果叶片的平均宽度d被限定为是从转轴5的中心沿旋转的径向方向到每个叶片4的外围的宽度的两倍，旋转叶轮3能够以5.8米/秒或更高的周向速度旋转。
(5)根据上述(4)用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，管的在靠近管封闭端14侧的内部与外部气体之间的通风阻力等于或大于通风口7的通风阻力，通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.36倍，长度是3mm。
(6)根据上述(4)或(5)用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，从管2的开口端15到旋转叶轮3的距离L3是叶片平均宽度d的0.5倍或更大。
(7)根据上述(4)至(6)任一个的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，管的内径D在是叶片平均宽度d的1.1-2.5倍的范围内。
(8)根据上述(4)至(7)任一个的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，叶片沿转轴轴向的长度L2是叶片平均宽度d的0.2倍或更大。
(9)根据上述(4)至(8)任一个的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，叶片4由板形成，该板在其表面形成有一个或多个孔12。
(10)根据上述(4)至(9)任一个的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，具有大量开口的局部开口板16设置在管的开口端，或设置在管的开口端15和旋转叶轮3之间。
(11)根据上述(4)至(10)任一个的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，当将蒸馏水用作液体20并且通过至少将管2的开口端15和旋转叶轮3浸入液体中产生气泡时，从管的开口端15排出的液体中含有的直径不小于10μm并小于15μm的气泡的数量是40个气泡/mL或更大。
(12)根据上述(1)至(3)任一个的在液体中产生微气泡的方法，其中，从管2的开口端15到旋转叶轮3的距离L3是叶片平均宽度d的0.5倍或更大。
(13)根据上述(1)至(3)和(12)任一个的在液体中产生微气泡的方法，其中，管2的内径D在是叶片平均宽度d的1.1-2.5倍的范围内。
(14)根据上述(1)至(3)和(12)至(13)任一个的在液体中产生微气泡的方法，其中，叶片沿转轴轴向的长度L2是叶片平均宽度d的0.2倍或更大。
(15)根据上述(1)至(3)和(12)至(14)任一个的在液体中产生微气泡的方法，其中，叶片4由板形成，该板在其表面形成有一个或多个孔12。
本发明的优点
根据本发明，提供产生微气泡的方法和微气泡的产生装置，其中，通过使用在一端具有封闭端在另一端具有开口端的管、以及安装在管内并与管同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮，并且通过将管的开口端和旋转叶轮浸入液体中来产生气泡。旋转叶轮具有一个或多个叶片，叶片的表面基本平行于旋转叶轮的转轴的轴线。通过高速旋转旋转叶轮同时减少从封闭端侧供应的外部气体的量，可在从管的开口端排出的液体中产生大量直径小于15μm的微气泡。
附图简略说明
图1示出了根据本发明的气泡产生装置，其中：图1(a)是截面图，图1(b)是沿线A-A并从箭头方向看去的截面图，图1(c)是沿线B-B并从箭头方向看去的截面图，图1(d)是沿线C-C并从箭头方向看去的截面图，以及图1(e)是示出旋转叶轮形状的透视图。
图2示出了本发明中旋转叶轮的形状，其中：图2(a1)、2(b1)、2(c)及2(d)均是正视图，图2(a2)是从下面看图2(a1)的旋转叶轮的仰视图，及图2(b2)是沿线A-A并从箭头方向看去的视图。
图3示出了本发明中旋转叶轮的形状，其中：图3(a1)和3(b)均是正视图，图3(a2)是从下面看图3(a1)的旋转叶轮的仰视图，及图3(c)-3(e)是从底面看三种旋转叶轮的仰视图，该三种叶轮具有与图3(b)相同的正视图，但具有不同数量的叶片。
图4示出了本发明中旋转叶轮的形状，其中：图4(a1)和4(b)均是正视图，图4(a2)是从下面看图4(a1)的旋转叶轮的仰视图。
图5是本发明中旋转叶轮的透视图。
图6是示出根据本发明的气泡产生装置的截面图。
图7是示出根据本发明的气泡产生装置的截面图，该装置包括局部开口板。
图8示出了根据本发明的气泡产生装置，其中：图8(a)是截面图，图8(b)是沿线A-A并从箭头方向看去的截面图，图8(c)是沿线B-B并从箭头方向看去的截面图，图8(d)是沿线C-C并从箭头方向看去的截面图。
图9是示出已知的旋转叶轮形状的视图。
附图标记
2管
3旋转叶轮
4叶片
5转轴
6电机
7通风口
8液体流通口
9轴承
10支撑件
11管
12孔
13肩部
14封闭端
15开口端
16局部开口板
20液体
21液面
22液面
31叶片表面的法线
32垂直于旋转轴线的平面
33旋转圆周方向
D管内径
d叶片平均宽度
实施本发明的最佳方式
在本发明中，如图1所示，通过使用在一端具有封闭端14而在另一端具有开口端15的管2、以及安装在管2内并与管2同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮3来产生微气泡。管2的开口端15和旋转叶轮3浸入液体20中，并且旋转叶轮3旋转，由此可在液体中产生大量直径小于15μm的微气泡。
管2可例如是圆筒形、六角形或八角形管，但优选使用圆筒形管。
表述“与管2同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮3”是指，旋转叶轮3的转轴与该管同轴，或在微小的一定范围内偏离该管2的中心轴线。容许的偏心度是，旋转叶轮3的转轴在0.2×d的范围内偏离管2的中心轴线。而且，容许在15°内旋转叶轮3的转轴偏离管2的中心轴线。
本发明使得在液体中产生大量直径小于15μm的微气泡，其主要特征在于，(1)旋转叶轮3的叶片4的形状，(2)旋转叶轮3的足够大的周向转速，(3)适当调整作为气泡源供应的气体的量，以及(4)适当设定管2的开口端15和旋转叶轮3之间的距离L3。下面将一个一个地描述那些特征。
下面将描述本发明的第一个特征，即，旋转叶轮3的叶片4的形状。
在专利文献1公开的液-气搅拌混合装置中，具有线性柱形的驱动件同轴插入具有线性圆筒形的外壳件内，并且该驱动件高速旋转，以使已进入外壳件和驱动件之间的间隙的液体被强力搅拌，并且含有大量微气泡的液体通过外壳件底端的开口排出。另一方面，在专利文献2和3公开的液-气搅拌混合装置中，气泡被安装到转轴的搅拌叶轮的切断动作所切断，并且该搅拌叶轮由正向叶片和反向叶片组合构成，以引起正向气泡涡流与反向气泡涡流之间的碰撞动作，由此实现气泡的细分。利用专利文献1-3所述的方法，可在液体中产生大量直径为10-20μm的气泡，但是，那些方法仍没有实现产生大量直径小于15μm的气泡。
如图1(a)和1(e)所示，本发明中旋转叶轮3的特征在于，其具有一个或多个叶片4，并且每个叶片4的表面基本平行于旋转叶轮3的转轴5的轴线。表述“每个叶片4的表面基本平行于旋转叶轮3的转轴5的轴线”是指，叶片4表面的法线没有沿着转轴5的轴线向上或向下的分量，旋转叶轮3的旋转不会产生驱动力使液体沿转轴移动。换句话说，如图5所示，叶片4表面的法线31基本平行于垂直于转轴5的轴线延伸的平面32。在图4(a1)和4(a2)所示的例子中，叶片4的表面是曲面，但是叶片4表面的法线在叶片4表面的任何位置都平行于垂直于转轴5的轴线延伸的平面。因此，该例子也落入本发明的保护范围。
更优选地，如图5所示，叶片表面的法线31基本朝向旋转叶轮旋转的圆周方向33。利用该种结构，仅通过施加给液体的离心力提供沿转轴5的径向驱动液体的力，并且叶片自身不提供沿转轴的径向驱动液体的力。
构成旋转叶轮3的叶片4的形状也可以被认为是板的形式。由于叶片是板的形式并且板面的法线31被如上朝向的结构，叶片旋转产生的能量仅被搅拌管内的液体所消耗。而且，因为用于沿转轴驱动液体的力不带来旋转叶轮3自身的旋转，管2内的液体20不平行于转轴运动，并且能在旋转叶轮附近停留足够长的时间，在该时间内，液体中的气泡被细分为直径小于15μm的气泡。
在专利文献2和3公开的装置中，为获得利用搅拌叶轮切割气泡的效果并且产生用于沿转轴在正向和反向上驱动液体的力(通过正向叶片和反向叶片的动作)，如图9(a)所示，叶片被成形以使每个叶片4的表面基本垂直于转轴5延伸。最终，使用在垂直于旋转的圆周方向的截面内具有小的截面面积的叶片。在本发明中，改变了叶片结构的观念，以使叶片表面基本平行于转轴5。因此，叶片的表面积自身提供了在垂直于旋转的圆周方向33的截面内的截面面积，并且使用在该截面内具有大的截面面积的叶片。
因此，在本发明中，通过以上述方式使用叶片4并且设置叶片4以使叶片4的表面基本平行于转轴5的轴线，可以对管内的液体施加非常大的搅拌力，旋转叶轮在该液体内旋转，并且通过如此强力地搅拌液体，在液体中产生大量直径小于15μm的微气泡。
这里，表述“叶片4的表面基本平行于旋转叶轮的转轴5的轴线”是指，即使当叶片4的表面偏离平行于旋转叶轮的转轴5的轴线的位置时，该偏差最大也会保持在±15°。更优选地，该偏差保持在±10°内。在图2(a)所示的旋转叶轮3中，叶片4的表面基本平行于旋转叶轮的转轴5的轴线。在图4(b)所示的旋转叶轮3中，叶片4的表面与平行于旋转叶轮的转轴5的轴线的位置偏离15°。当该偏差被保持在如此大小的角度时，可以充分提供本发明的优点。
而且，在叶片表面更优选的朝向中，叶片表面的法线基本朝向旋转叶轮的旋转圆周方向。在该情况下，上述表述是指，即使当叶片表面的法线31方向偏离旋转叶轮的旋转圆周方向33时，该偏差最大也会保持在±15°。更优选地，该偏差保持在±10°内。在图2(a)所示的旋转叶轮3中，叶片表面的法线指向旋转叶轮的旋转圆周方向。在图4(a)所示的旋转叶轮3中，叶片4的表面是曲面，叶片表面的法线不朝向特定的一个方向。然而，叶片表面的法线方向与旋转叶轮的旋转圆周方向大约偏离15°。当该偏差被保持在如此大小的角度时，可以充分提供本发明的优点。
在下面的描述中，如图1所示，叶片的平均宽度d被限定为是从转轴中心沿旋转的径向方向到叶片外围的宽度的两倍。
对于在管2的内径D和旋转叶轮3的叶片平均宽度d之间的关系还有一优选范围。这里，当管2是圆筒形管时，内径D代表圆筒形管的内径。当管2不是圆筒形管时，比如六角形管，内径D代表与管的内部形状对应的最小的一个直径。若与叶片平均宽度d相比管内径D过大，液体不能在管内充分搅拌，最终减少了产生的直径小于15μm的微气泡的量。在本发明中，管内径D优选是叶片平均宽度d的2.5倍或更小。它们之间的比例更优选是2.3或更小，甚至更优选是2.0或更小。
另一方面，若管内径D太接近叶片平均宽度d，液体20与叶片4一起旋转并且不能充分搅拌，由此最终减少了产生的直径小于15μm的微气泡的量。在本发明中，管内径D优选是叶片平均宽度d的1.1倍或更大。它们之间的比例更优选是1.2或更大。
在本发明中，旋转叶轮3具有一个或多个叶片。叶片的数量不限于一个特定的数，但是特别优选大约3-6个的数量。对于叶片具有如图3(b)所示的形状的旋转叶轮来说，图3(c)示出了具有三个叶片4的情况，图3(d)示出了具有六个叶片4的情况，并且图3(e)示出了具有八个叶片4的情况。当叶片4的数量是四个并且该四个叶片4沿图2(a1)所示的旋转方向等间隔设置时，在沿转轴5的轴向看去时，该四个叶片4具有十字形，如图2(a2)所示。
从根据本发明在液体中产生足够量的直径小于15μm的微气泡的角度来看，对于旋转叶轮3的叶片4沿转轴5的轴向的长度L2具有一优选范围。当本发明中的旋转叶轮3具有多个沿转轴的轴向彼此间隔的叶片(4a，4b)时，如图2(c)所示，长度L2代表所有沿转轴的轴向彼此间隔的叶片的总长度。在图2(c)的情况下，通过L2＝L2a+L2b给出长度L2。若与叶片宽度d相比，沿转轴轴向的叶片长度L2太短，液体不能在管2内充分搅拌，最终减少了产生的直径小于15μm的微气泡的量。在本发明中，沿转轴轴向的叶片长度L2优选是叶片平均宽度d的0.2倍或更大。它们之间的比例更优选是0.5或更大，甚至更优选是1.0或更大。
旋转叶轮3的叶片4的形状不限于图2(a)-2(c)所示的四边形如矩形或正方形，其可以被设置为任一形状如图2(d)所示的椭圆形。当叶片4不是四边形时，叶片平均宽度d可被限定为是从转轴中心沿旋转的径向方向到叶片最外围的宽度的两倍，如图2(d)所示。而且，沿转轴轴向的叶片长度L2可被限定为如图2(d)所示。
如图3(a1)和3(a2)所示，本发明中的旋转叶轮3可被成形为，使用具有较大直径的轴作为中心轴5，并且叶片4环绕中心轴5设置。
如图2(b)所示，可通过在表面内形成一个或多个孔的板构造本发明中的叶片4。形成在板面内的孔12的存在在产生微气泡方面是有利的，因为当旋转叶轮3旋转时减小了流体阻力，并且当旋转叶轮被具有同一输出功率的电机旋转时增大了转速。此外，孔12的存在可使液体20的流动更加复杂化，以增强搅拌效果。
本发明中旋转叶轮3的叶片4可由任何材料制成，以使其可成形为板状形状并能持久承受液体中的高速旋转。在各种材料中，金属和增强塑料是优选的，因为通过使用该种材料可将叶片成形为厚度小的板。
下面将描述本发明的第二个特征，即，旋转叶轮3的周向转速。术语“旋转叶轮3的周向转速”是指，当旋转叶轮3旋转时，叶片4的最外围部分沿旋转圆周方向的速度。
通过保证优选的周向速度作为旋转叶轮3的周向转速，就在液体中产生大量直径小于15μm的微气泡而言，可实现本发明的该特征。理由在于，当旋转叶轮3的周向转速增大时，用于搅拌管内液体的力增大，并且进行气泡的细分。通过将管2的开口端15以及旋转叶轮3浸入液体中，并且以5.8米/秒或更高的周向速度使旋转叶轮3旋转，可以产生微气泡。例如，当叶片平均宽度d是22mm时，旋转叶轮3的转速被设置为5037rpm或更高。旋转叶轮的周向转速更优选是7米/秒或更高，并且甚至更优选是9米/秒或更高。
下面将描述本发明的第三特征，即，供应气体作为气泡源。
在专利文献1-4描述的已知气-液搅拌装置中，外部气体被主动放入搅拌装置内以在液体中混合，由此在液体中产生大量微气泡。然而，当如同已知装置那样将外部气体放入液体中时，在液体中产生大量微气泡，增大了液体的总体积。最终，产生微气泡的条件不尽人意，理由是液体在搅拌区域被如此快速地移位，在管上部的基本封闭的空间内的降压效果被减弱。因此，在液体中产生的气泡的直径不能被充分减小到微小的尺寸。
在本发明中，管2在一端具有封闭端14，在另一端具有开口端15，该管被用作容纳旋转叶轮3的管4。在图1所示的实施例中，支撑件10a具有支撑轴承9a的功能，轴承9a又支撑转轴5，支撑件10a还具有的功能是封闭管的一端形成封闭端14。管2的开口端15浸入液体20中，因此气体不从开口端15进入管中。此外，在本发明中，管2在靠近封闭端14侧的内部与外部气体之间的通风阻力被增大，以抑制从封闭端供给的气体量。结果，由于抑制了每单位时间在液体中产生的气泡的量，管内搅拌的液体能够靠近旋转叶轮3停留在管内足够长的时间，可以在液体中产生足够量的微气泡。
管在靠近封闭端侧的内部与外部气体之间的通风阻力被设置为等于或大于通风口7的通风阻力，通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.36倍，宽度是3mm。通常，靠近管的封闭端14钻具有小直径的通风口7，并且设置管2以使在管表面上钻有通风口7的位置暴露到外部气体(即，不浸入液体中)。气-液界面22在管内靠近封闭端形成气相与液相之间的边界。随着液相的搅拌，气相连续进入液相以产生气泡。结果，气-液界面22在管内升高，并且相对于外部气体的压力，气相的压力变成负值。相应地，通过通风口7使所需量的外部气体供给到管的内部。
管的内部和外部气体之间不仅通过通风口7彼此连通，而且通过电机6的转轴5和轴承9之间的缝隙彼此连通。在估计通风阻力时，还应该考虑到电机6的转轴5和轴承9之间的缝隙。此外，若电机6的转轴5和轴承9之间的缝隙用作满足用于产生大量微气泡的必需及足够的条件的通风口，则不必单独形成额外的通风口。
即使当将该装置设计成不形成通风口7，并且通过电机的转轴5和轴承9之间的缝隙进入圆筒形管内的外部气体量是零，仍可以通过利用本发明在液体中产生微气泡。可能该结果归功于这一事实，即，当管内的液体20由旋转叶轮3旋转时，在旋转叶轮3的后侧上局部产生降压区域，并且溶解在液体中的气体分量在该降压区域内气化变成气泡，气泡的尺寸随着搅拌减小至微小级别。
在本发明中，管2在靠近封闭端14侧上的内部和外部气体之间的通风阻力优选设置为等于或大于通风口7的通风阻力，该通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.16倍，长度是3mm。更优选地，通风阻力设置为等于或大于通风口7的通风阻力，该通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.1倍，长度是3mm。甚至更优选地，通风阻力设置为等于或大于通风口7的通风阻力，该通风口7的内径是叶片平均宽度d的0.06倍，长度是3mm。
在本发明中，管的开口端15用作主要的液体通道，管内含有足够量微气泡的液体通过该通道排出该管，相反地，新鲜的液体通过该通道供给该管。在管内利用旋转叶轮3的旋转而搅拌的液体通过由该旋转引起的离心力的作用压靠在管2的内周面上，并且一部分液体沿着管2的内周面通过开口端15排到管2的外部。同时，液体通过开口端15引入管的内部，该引入主要通过靠近管2的轴线的路径以基本与排到管外部的液体相同的量实现。
下面将描述本发明的第四个特征，即，从管的开口端15到旋转叶轮3的距离L3。
引入到管内部的液体需要靠近旋转叶轮3停留在管内搅拌充分的时间，以使液体含有大量微气泡。在本发明中，液体在管内的停留时间可通过调整从管的开口端15到旋转叶轮3的距离L3来控制。更具体为，从抑制引入管内部的液体过快地排出管，以及使液体由旋转叶轮3搅拌直至液体含有足够量的微气泡的角度来看，从管的开口端15到旋转叶轮3的距离L3优选设置为叶片平均宽度d的0.5倍或更大。从管的开口端15到旋转叶轮3的距离L3更优选设置为叶片平均宽度d的1.0倍或更大，甚至更优选设置为叶片平均宽度d的2.0倍或更大。
如上所述，管内径D的优选范围可表示为相对于叶片平均宽度d的比例。这里，“管内径D”是指管2在设置旋转叶轮3的管部分的内径。另一方面，从管的开口端15到旋转叶轮3的距离L3还具有如上所述的优选范围。管在从旋转叶轮3到管的开口端15的区域的内部形状可以设置为，与对应于上述优选范围在设置旋转叶轮3的管部分的内部形状具有相同的内径，如图1所示。另一方面，管2在从旋转叶轮3到管的开口端15的区域的内部形状可以改变为圆锥形向下散开的形状，例如，如图6(a)所示。该种变形也可提供本发明的优点。当然，该区域的管内部形状也可改变为圆锥形向下集中的形状。
在本发明中，如图7所示，具有大量开口的局部开口板16优选设置在管的开口端15，或设置在管的开口端15和旋转叶轮3之间，因为，设置该局部开口板16有助于增大在液体中产生的微气泡的量。具有大量开口的局部开口板16可例如由网格板、冲孔金属板或栅格板形成。在网格板的情况下，其可通过将直径大约为0.5mm的金属细线编织成方形线网形成，以形成无数大约1mm×1mm的开口。作为选择，通过使用由编织合成树脂线成网的局部开口板16也可获得同样的优点，该网中以7.5mm间距的高密度排列了大约5mmφ的开口。通过设置如此形成的局部开口板16以盖住管的开口端15，或通过将其安装于在管的开口端15和旋转叶轮3之间的液体路径内，可以增大从开口端流出的液体中含有的微气泡的数量。另外，通过提供如上所述的局部开口板16，还可以预防操作员的手指被旋转叶片夹住的风险。
允许液体20在管2的内部和外部之间运动的入/出口不限于仅是管的开口端15，并且液体连通口8可形成在靠近封闭端侧的管内，如图1所示，以使管的内部和外部通过开口端15和液体连通口8彼此连通。
在本发明中，通过恰当选择旋转叶轮的叶片平均宽度d，具有取决于预期用途的尺寸和能力的气泡产生装置可被构造为覆盖小到大型的气泡产生装置。旋转叶轮3的叶片平均宽度d优选是5-50mm，因为，当叶片平均宽度d在该范围内时，能够获得产生微气泡的能力并且能够构造紧凑的微气泡产生装置。更优选地，旋转叶轮3的叶片平均宽度d是15-30mm。
当通过使用本发明的气泡产生装置在液体中产生微气泡时，至少管2的开口端15和旋转叶轮3被浸入液体中。那时，气泡产生装置的转轴5的轴线的方向优选朝向垂直方向。然而，即使转轴5的轴线稍微偏离垂直方向，也能够提供本发明的优点。更具体为，当转轴5的方向和垂直方向之间的角度是大约30°或更小时，可以提供本发明的优点。在气泡产生装置具有通风口7和液体连通口8中的一个或两个的情况下，液面21可低于通风口7的位置而高于液体连通口8的位置。
由于在管2内利用旋转叶轮3的旋转搅拌液体20，管2内气-液界面22的高度在更靠近转轴5的位置逐渐降低，如图1所示。这里，表述“旋转叶轮3浸入液体中”不仅指叶片4完全浸入液体20中的情况，而且指气-液界面22的一部分低于叶片4上端的情况。
当通过将本发明的气泡产生装置浸入液体中产生微气泡时，从在液体中产生足够量的微气泡的角度来看，有利的是在盛放液体的容器底部和管2的开口端15之间留有一定的距离。假设管2的内径是D，容器底部和管2的开口端15之间的距离优选设置为D/4或更大。通过这样设置，从管的开口端15释放的液体可不用承受大的流动阻力而散到容器内。
在气泡产生装置中容纳电机6的部分可形成为防水结构，以使本发明的气泡产生装置可完全浸入液体中。在该情况下，管2的封闭侧必须能够以预定的通风阻力与外部气体相通。为此，通风口必须布置在液面的高度，并且通过通风管连接到管2的封闭端。若气体压力不足以供应气体到管内，则在气体压力增大后可供应气体。
当利用本发明在液体中产生微气泡时，除了水之外可使用各种材料作为液体。例如，可使用海水、油、汽油、酒精及各种医用流体。此外，除了空气之外，也可使用各种气体作为用作气泡源的气体。例如，可使用N2、O2、O3、Ar、H2、Sox、Nox、He、碳氢化合物及天然气。
当将水用作该液体并且使用本发明的气泡产生装置在水中产生微气泡时，根据水是地下水还是自来水，水是通过过滤该种水还是蒸馏水获得的过滤水，以及水是否是添加表面活性剂如乙醇的蒸馏水，所产生的微气泡的量不同。通常认为，当使用蒸馏水时，所产生的微气泡的量最小。然而，通过利用本发明，即使将蒸馏水用作液体，也能确定产生大量微气泡，超过1000个气泡/mL，气泡的直径范围不小于10μm并且小于15μm。在本发明中，在液体中产生的微气泡的数量基于当将蒸馏水用作液体时产生的微气泡的数量来限定。
使用He-Ne激光的“光散式液体中颗粒计数器”(美国PMS公司制造的LIQILAZ-E20P)可用作测量在液体中出现的直径小于15μm的气泡的直径的测量装置。通过使用该装置，可测量2μm或更大的气泡的密度，同时气泡直径按大约5μm的间隔分类。在本发明中，通过举例的方式进行测量，取样软管的末端从容量为5公升的圆筒形水箱的顶部沿水箱管状壁垂下，达到距水箱底部50mm的高度，并且含有气泡的水通过计量泵经软管输送至测量装置的检测段用于测量。取样流速是80cc/min。
本发明的特征在于，可产生大量直径小于15μm的微气泡。更具体为，当通过将蒸馏水作为液体并将至少管的开口端和旋转叶轮浸入液体中而在液体中产生气泡时，可在从管的开口端排出的液体中以40个气泡/mL或更大的数量获得直径不小于10μm并小于15μm的气泡。40个气泡/mL或更大的数量超过了利用已知方法产生的气泡的数量，并且给出了满意的结果。另外，可以以优选100个气泡/mL或更大的数量并且更优选200个气泡/mL或更大的数量来产生气泡。
本发明进一步的特征在于，可产生大量直径小于10μm微气泡。更具体为，当通过将蒸馏水作为液体并将至少管的开口端和旋转叶轮浸入液体中而在液体中产生气泡时，可在从管的开口端排出的液体中以40个气泡/mL或更大的数量获得直径不小于5μm并小于10μm的气泡。40个气泡/mL或更大的数量超过了利用已知方法产生的气泡的数量，并且给出了满意的结果。另外，可以以优选100个气泡/mL或更大的数量并且更优选200个气泡/mL或更大的数量来产生气泡。
而且，在本发明中，当通过将蒸馏水作为液体并将至少管的开口端和旋转叶轮浸入液体中而在液体中产生气泡时，可在从管的开口端排出的液体中以80个气泡/mL或更大的数量获得直径不小于5μm并小于10μm的气泡。另外，可以以优选200个气泡/mL或更大的数量并且更优选400个气泡/mL或更大的数量来产生那些气泡。
此外，在本发明中，不仅可以以上述各自的数量产生直径不小于10μm并小于15μm、直径不小于5μm并小于10μm、以及直径不小于5μm并小于15μm的微气泡，而且能同时以20个气泡/mL的数量产生直径不小于20μm并小于25μm的微气泡。
如图1所示，本发明中管2的形状可形成为，使得管在包括旋转叶轮3的部分的内径设为在上述优选范围内的内径D，而管在包括封闭端14侧的部分由另一具有较小内径的管11构成。管在此处管内径改变的部分称作肩部12。从肩部12到旋转叶轮3的距离L1通常以满意的结果设为叶片平均宽度d的0.25倍。当然，如图6(b)所示，管2的内径可设为从管2的开口端15到封闭端14保持不变。
在本发明的气泡产生装置中，电机6布置在与管的封闭端14的同一侧，用于使旋转叶轮3旋转。为防止在旋转叶轮3的旋转过程中转轴5引起振动，转轴5的轴承9优选布置的尽可能靠近旋转叶轮3。如图1所示，当管具有肩部12，并且管内径在管包括封闭端14的一侧上改变时，轴承9优选在靠近肩部12的位置布置在具有较小内径的管部分内。在图1中，轴承9b代表如上所述布置的轴承9。如图1(c)所示，在轴承9和管2之间可形成支撑件10b，其为横梁结构以使液体沿垂直方向自由流动穿过该支撑件10b。同样，如图1(b)所示，可以平面结构形成支撑件10a，以使在支撑件10a之上和之下的区域之间切断液体。通过将旋转叶轮3布置在不是非常远离轴承9的位置，可防止转轴5的振动。轴承9和旋转叶轮3之间的距离优选设为是叶片平均宽度d的大约0.5倍。
用于靠近旋转叶轮3支撑转轴的装置可从如图1所示仅在旋转叶轮3和电机6之间以悬臂式支撑转轴5，以及如图8所示不仅在上述位置还在旋转叶轮3的与电机6相反侧的位置以两端支撑方式支撑转轴5中选择。如图8所示，在两端支撑方式下，用于支撑轴承9c的支撑件10c必须布置在管2的开口端15和旋转叶轮3之间的位置处，而设置该支撑件10c影响了液体流过开口端15。为此，悬臂式可给出更满意的结果。
本发明的气泡产生装置包括，作为驱动部的只有通过转轴彼此连接的电机和旋转叶轮3。由于气泡产生装置在其本体内不需要连接到外部的装置，如泵和软管，简化了该部分结构。而且，由于用于驱动电机的能量通过转轴直接转换成叶片的周向速度而无需另一能量转换，该气泡产生装置进一步的特征在于能量转换效率高。本发明的上述特征有助于降低产品成本并节省能量，在推动民用及工业领域的广泛应用方面它们是非常有利的。
实施例1
利用具有如图1所示结构的本发明的气泡产生装置在液体中产生微气泡。将蒸馏水用作产生气泡的液体。为了对比，还对使用含有乙醇的蒸馏水的情况进行了测试。
如图2(b1)和2(b2)所示，此处使用的旋转叶轮3具有四个叶片4。每个叶片3具有板状形状，并由0.8mm厚的钢板形成。叶片4的平均宽度d是22mm，沿转轴轴向的叶片长度L2是30mm。
用于使旋转叶轮3旋转的转轴5由直径为3mm的钢制柱形成，并能够在由电机6驱动时在6000-10000rpm的范围内旋转旋转叶轮。在该实施例中，转数设为10000rpm。旋转叶轮3的周向速度是11.5米/秒。
使用圆筒形管作为管2，并且圆筒形管2从包含旋转叶轮3的部分到开口端15的区域上形成相同的直径。圆筒形管2的内径D设为25mm(D/d＝1.14)。从圆筒形管2的开口端15到旋转叶轮3的距离L3设为45mm(L3/d＝2.05)。
圆筒形管2的形状使得肩部13形成在旋转叶轮3的上方，并且肩部13上方的圆筒形管部的内径为20mm，该圆筒形管部称作圆筒形管11。包括用于转轴5的轴承9b的支撑件10b刚好布置在肩部13上方，并且包括轴承9a的支撑件10a布置在支撑件10b上方间隔35mm的位置处。支撑件10a还用于形成圆筒形管2的封闭端14。下支撑件10b和旋转叶轮3上端之间的距离(L1)设为7mm。
通风口7形成在圆筒形管11上刚好靠近封闭端14的位置。圆筒形管11的壁厚是3mm，通风孔7的内径dG设为1.2mm(dG/d＝0.055)。此外，直径为4mm的液体连通口8刚好形成在支撑件10b上方。
使用蒸馏水作为液体20，用于通过使用本发明的气泡产生装置产生气泡。将5公升的蒸馏水倒入直径为170mm、高270mm的圆筒形水箱内，并且将气泡产生装置从水箱内水面的中央区域上方浸入水中。还对使用通过将5cc的乙醇添加入5公升的蒸馏水中制备的液体的情况进行实验。此外，还对使用过滤水的情况进行实验。通过泵取地下水并利用使用活性炭和中空纤维膜过滤器的自来水净化装置过滤地下水来制备过滤水。
当产生微气泡时，气泡产生装置浸入液体中，圆筒形管2的开口端15朝下。气泡产生装置沿垂直方向的位置被设为，旋转叶轮3的上端距液面21的位置向下20mm。
使用He-Ne激光的“光散式液体中颗粒计数器”(美国PMS公司制造的LIQILAZ-E20P)被用来测量在液体中产生的气泡的数量。取水位置被设为沿水箱侧壁距水箱底部高为50mm的位置。取样软管的末端从水箱顶部垂下到达取水位置，并且水箱内的液体通过计量泵经软管输送至测量装置的检测段，用于测量液体中气泡的数量。取样流速是80cc/分钟。
通过操作浸入水箱内的水中的气泡产生装置，利用上述测量装置测量气泡的数量。气泡直径以5μm的间距划分为不小于2μm并小于5μm，不小于5μm并小于10μm，不小于10μm并小于15μm，不小于15μm并小于20μm，不小于20μm并小于25μm，等等直至50μm。每个范围内气泡的数量以气泡个数/mL为单位显示。
测量结果显示在表1中。从表1的1号和2号看出，当将蒸馏水用作液体时，在不小于5μm并小于10μm的区域以及在不小于10μm并小于15μm的区域均以超过1000个气泡/mL的数量产生非常大的量的气泡。而且，即使在不小于2μm并小于5μm的范围内，也以超过500个气泡/mL的数量产生大量微气泡。
表1表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 液体种类   气泡直径(μm)下限(不小于)/上限(小于)
  2/5   5/10   10/15   15/20   20/25   25/30   30/35   35/40   40/45   45/50   50/55
  1   蒸馏水   630   1175   1964   282   45   25   16   14   10   9   8
  2   蒸馏水   963   1631   2374   295   119   117   113   99   82   62   47
  3   蒸馏水+乙醇   2816   1430   2579   460   104   38   21   15   13   10   7
  4   过滤水   594   118   365   258   300   312   233   112   45   22   16
此外，从表1的3号看出，当将含有乙醇的蒸馏水用作液体时，在每个气泡直径范围内，微气泡的数量显著增加。在不小于2μm并小于5μm的区域内以及在不小于10μm并小于15μm的区域内产生的微气泡的数量均超过2000个气泡/mL。此外，在不小于5μm并小于10μm的范围内，在不小于15μm并小于20μm的范围内以及在不小于20μm并小于25μm的范围内，气泡的数量显著增加。即使在气泡直径超过25μm的范围内，气泡的数量也增大。
当像4号将过滤水用作液体时，在气泡直径不小于20μm的范围内，在过滤水的情况下产生的气泡比在蒸馏水的情况下产生的气泡数量更多。在不小于30μm并小于35μm的区域内，在过滤水的情况下产生的气泡的数量增大12倍。过去，认为蒸馏水难以产生微气泡。然而，可以说，蒸馏水的该特性表示在气泡直径不小于20μm的范围内的上述行为。
另一方面，在4号，在不小于2μm并小于5μm的区域内以及在不小于15μm并小于20μm的区域内均实现了与蒸馏水的情况下相同数量的气泡。此外，在不小于5μm并小于10μm的范围内，以及在不小于10μm并小于15μm的范围内，在蒸馏水的情况下所产生的气泡数量大于在过滤水的情况下所产生的气泡数量。
实施例2
(本发明的实施例)
如同实施例1中，使用具有图1中结构的气泡产生装置在液体中产生微气泡。作为用于产生气泡的液体，在实施例1中使用蒸馏水，而在实施例2中使用通过泵取地下水并过滤地下水制备的过滤水。
旋转叶轮3的形状基本与实施例1相同。如图2(b1)和2(b2)所示，每个叶片4具有的形状为在叶片4中形成孔12。
如同实施例1，用于使旋转叶轮3旋转的转轴5由直径为3mm的钢制柱形成，并能够在由电机6驱动时在6000-10000rpm的范围内旋转旋转叶轮。在该实施例中，转数被设为10000rpm。旋转叶轮3的周向速度是11.5米/秒。
圆筒形管2在从包含旋转叶轮3的部分到开口端15的区域上形成相同的直径。圆筒形管2的内径D选自四个值，即，25、28、36和42mm(D/d＝1.14、1.27、1.64和1.91)。从圆筒形管2的开口端15到旋转叶轮3的距离L3选自0mm至130mm的范围(L3/d＝0-5.91)。
圆筒形管2具有的形状为肩部13形成在旋转叶轮3上方，并且肩部13上方的圆筒形管部内径为20mm，该圆筒形管部称作圆筒形管11。包括用于转轴5的轴承9b的支撑件10b刚好布置在肩部13上方，并且包括轴承9a的支撑件10a布置在支撑件10b上方间隔35mm的位置处。支撑件10a还用于形成圆筒形管2的封闭端14。下支撑件10b和旋转叶轮3上端之间的距离(L1)设为7mm。这些点与实施例1中的相同。
通风孔7形成在圆筒形管11上刚好靠近封闭端14的位置。圆筒形管11的壁厚是3mm，通风孔7的内径dG设为1.2mm(dG/d＝0.055)。此外，直径为4mm的液体连通口8刚好形成在支撑件10b上方。
使用过滤水作为液体20，用于通过使用本发明的气泡产生装置产生气泡。如同实施例1，通过泵取地下水并利用使用活性炭和中空纤维膜过滤器的自来水净化装置过滤地下水来制备过滤水。将5公升的过滤水倒入直径为170mm、高270mm的圆筒形水箱内，并且将气泡产生装置从水箱内水面的中央区域上方浸入水中。
当产生微气泡时，气泡产生装置浸入液体中，圆筒形管2的开口端15朝下。气泡产生装置沿垂直方向的位置被设为，旋转叶轮3的上端距液面21的位置向下20mm。
测量在液体中产生的气泡数量的方法也与实施例1的相同。具体为，使用He-Ne激光的“光散式液体中颗粒计数器”(美国PMS公司制造的LIQILAZ-E20P)被用来测量在液体中产生的气泡的数量。取水位置被设为沿水箱侧壁距水箱底部高为50mm的位置。取样软管的末端从水箱顶部垂下到达取水位置，并且水箱内的液体通过计量泵经软管输送至测量装置的检测段，用于测量液体中气泡的数量。取样流速是80cc/分钟。
测量结果如表2所示，由5-16号说明。
表3示出了比较两种情况下的测量结果，一种情况下(17号)，将过滤水用作液体，并且过滤水的体积设为表2中的5公升，而另一种情况下(18号)，使用更大的水箱，并且将100公升过滤水注入该更大的水箱内。气泡产生装置的条件与表2中的那些类似，除了设置D＝42mm，L3＝70mm。很明显，即使当液体体积增大到100公升时，也能产生足够大的量的微气泡。
(对比例)
作为对比例，使用气泡产生装置进行测试，在该气泡产生装置中，如专利文献2和3中所述，基于由转轴的旋转操作、安装到转轴的搅拌叶轮的切割操作以及正向气泡涡流和反向气泡涡流之间的碰撞操作引起的涡流运动，搅拌液体和气体并使其彼此混合。
对比例的气泡产生装置在总体形状上与专利文献2中图1所示的装置类似。转轴安装在内径D为35mm的圆筒形管内，两个圆筒形旋转件和四个搅拌叶轮(旋转叶轮)安装到转轴。每个旋转件的直径为31mm，长度为15mm。每个旋转叶轮具有三个叶片，叶片的平均宽度d是31mm。旋转叶轮的每个叶片表面的法线方向相对于旋转叶轮的圆周旋转方向形成45度角。在四个旋转叶轮中，两个叶轮叶片的面向旋转方向的表面朝上45度角，而另两个叶轮叶片的面向旋转方向的表面朝下45度角。转轴的转数是2800rpm。
通风口形成在管的上端，并且通风口的直径是8mm，长度是12mm。而且，液体连通口形成在管的上端，并且液体连通口由四个口形成，每个口的直径是11mm。扩散叶片布置在管的下端，用于扩散在其中产生气泡的液体。
表2表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 外管内径D(mm) L3(mm)   气泡直径(μ m)下限(不小于)/上限(小于)
2/5 5/10 10/15 15/20 20/25 25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55
  5   25   20   477   96   111   95   105   122   108   84   71   51   35
  6   25   30   535   116   154   132   165   187   170   145   115   89   62
  7   25   45   594   118   365   258   300   312   233   112   45   22   16
  8   28   20   411   82   65   44   42   44   33   24   16   9   6
  9   28   30   1083   472   116   108   80   79   75   56   36   27   14
  10   28   40   403   101   77   50   46   46   40   24   16   8   4
  11   28   60   1083   472   116   108   80   79   75   56   36   27   14
  12   36   0   299   85   34   12   11   8   4   3   2   0   0
  13   36   30   490   100   41   28   31   36   35   25   18   12   7
  14   36   60   438   101   27   15   19   20   21   16   13   8   3
  15   36   105   489   104   37   24   27   28   28   21   16   10   5
  16   42   70   263   166   478   308   268   195   91   34   20   16   15
表3表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 液体体积(公升)   气泡直径(μm)下限(不小于)/上限(小于)
  2/5   5/10   10/15   15/20   20/25   25/30   30/35   35/40   40/45   45/50   50/55
  17   5   263   166   478   308   268   195   91   34   20   16   15
  18   100   523   752   1717   1057   769   543   231   80   29   11   4
表4表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 气泡产生装置 气泡直径(μm)下限(不小于)/上限(小于)
2/5 5/10 10/15 15/20 20/25 25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55
19 对比例 254 54 25 9 8 9 6 6 4 2 2
将10公升的过滤水注入水箱内，并且使用对比例的气泡产生装置产生气泡。测量结果如表4所示，由19号说明。
(气泡产生情况的比较)
从表4看出，即使使用对比例的气泡产生装置时，仍以预定数量产生5-10μm以及10-15μm的微气泡。比较表4所示的对比例和表2所示的本发明的实施例，在本发明的实施例中，产生的微气泡的数量明显增大。所产生的2-5μm的微气泡的数量也显著增大。进一步明显的是，在不小于15μm并小于50μm的任一范围内，与对比例相比，在本发明的实施例中增大了所产生的微气泡的数量。
从表2看出，即使当在本发明限定的范围内改变D和L3时，在D和L3为任何值时也能满意地产生微气泡。
比较表3中的17号和18号，在使用本发明的气泡产生装置的情况下，很明显，即使液体体积从5公升增大到100公升，也能充分、满意地产生气泡。
此外，在旋转叶轮3的叶片4不包含孔12(如图2(a1)和2(a2)所示)来代替叶片包含孔12(如图2(b1)和2(b2)所示)的情况下，也进行气泡产生情况的测试。结果，不管是否存在孔12，都能满意地产生微气泡。
实施例3
通过使用具有图7和1所示结构的气泡产生装置，根据是否设置具有大量开口的局部开口板16，评价了在液体中产生微气泡的能力的改变。如在实施例2中，将通过过滤泵取的地下水制备的过滤水用作用于产生气泡的液体。
旋转叶轮3的形状基本与实施例1相同。如图2(b1)和2(b2)所示，每个叶片4具有的形状为在叶片4中形成孔12。如同实施例1，用于使旋转叶轮3旋转的转轴5由直径为3mm的钢制柱形成，并且转数被设为10000rpm。
圆筒形管2在从包含旋转叶轮3的部分到开口端15的区域上形成相同的直径。圆筒形管2的内径D被设为40mm。从圆筒形管2的开口端15到旋转叶轮3的距离L3被设为40mm。通风孔7形成在圆筒形管11上刚好靠近封闭端14的位置。圆筒形管11的壁厚是3mm，通风孔7的内径dG设为1mm。此外，直径为4mm的液体连通口8刚好形成在支撑件10b上方。
局部开口板16设置在管2的开口端15，如图7所示。通过将直径为0.5mm的金属线编织成间距为1.5mm的方形线网来形成局部开口板16，以形成非常大的数量的1mm×1mm的开口。
使用过滤水作为液体20，用于通过使用本发明的气泡产生装置产生气泡。将2公升的过滤水倒入直径为130mm、高200mm的圆筒形水箱内，并且将气泡产生装置从水箱内水面的中央区域上方浸入水中。当产生微气泡时，气泡产生装置浸入液体中，圆筒形管2的开口端15朝下。气泡产生装置沿垂直方向的位置被设为，旋转叶轮3的上端距液面21的位置向下20mm。
测量在液体中产生的气泡数量的方法也与实施例1和2的相同。具体为，使用He-Ne激光的“光散式液体中颗粒计数器”(美国PMS公司制造的LIQILAZ-E20P)被用来测量在液体中产生的气泡的数量。
测量结果如表5所示，由20号和21号表示。20号代表设有局部开口板16的情况，而21号代表不设置局部开口板16的情况。
从表5看出，在不设置局部开口板的21号中，以56个气泡/mL的数量产生直径为10-15μm的气泡，而在设有局部开口板的20号中，以135个气泡/mL(即2.4倍)的数量产生那些气泡。而且，根据同一实验，已经确定，当不设置局部开口板时，以54个气泡/mL的数量产生直径为15-20μm的气泡，而当设有局部开口板时，以94个气泡/mL，即1.7倍，的数量产生那些气泡。
表5表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 设置局部开口板 气泡直径(μm)下限(不小于)/上限(小于)
2/5 5/10 10/15 15/20 20/25 25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55
20 设置 1180 223 136 94 83 82 61 43 25 11 5
21 未设置 1137 134 57 54 48 53 41 29 18 9 4
实施例4
除了以下几点，通过使用与实施例1相同的气泡产生装置以及与实施例1相同的方法产生气泡。作为与实施例1的第一个不同点，仅将过滤水用作液体。此处使用的过滤水在与实施例1相同的那些条件下制备。下面给出在表6中22-27号所示的各个不同的条件下作出的评价。
在22号，旋转叶轮的转数被设为5050rpm。在该情况下，旋转叶轮3的周向速度是5.8米/秒。在23-26号，通风口的内径分别被设为1mm、3.3mm、5mm和7mm。在27号，旋转叶轮3的叶片4的数量被设为两个。在22-27号，除了由此而改变的那些点之外的条件被设置得与实施例1中的那些类似。
测量结果如表6所示。从表6看出，在22-27号的任一个中，可以满意地产生气泡。而且，从23-26号的结果看出，随着通风口的直径减小以增大通风阻力，所产生的微气泡的数量增大。
此外，除了下列几点，通过使用与实施例1相同的气泡产生装置以及与实施例1相同的方法产生气泡。将2公升的蒸馏水用作液体，并且在开始操作气泡产生装置过去3分钟后的阶段中，对气泡产生情况作出评价。容器大小与实施例3中的相同。测量结果如表7所示。27号代表不设置局部开口板的情况。28号代表将具有无数六角形开口的冲孔金属板用作局部开口板的情况，六角形的相对边均具有6mm的长度。
表6表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 与实施例1的不同点 气泡直径(μm)下限(不小于)/上限(小于)
2/5 5/10 10/15 15/20 20/25 25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55
22 转数＝5050rpm 724 113 46 26 19 22 15 8 4 2 0
23 通风口直径＝1mm 831 141 58 32 24 28 19 10 5 2 0
24 通风口直径＝3.3mm 789 123 51 34 29 31 20 12 6 1 0
25 通风口直径＝5mm 403 50 30 26 18 17 12 5 3 1 0
26 通风口直径＝7mm 385 52 30 24 18 18 12 5 3 0 0
27 叶片数量＝2个叶片 411 64 37 28 11 20 16 8 4 3 0
表7表示气泡个数的数字(个/mL)
No. 设置局部开口板 气泡直径(μm)下限(不小于)/上限(小于)
2/5 5/10 10/15 15/20 20/25 25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55
27 设置 417 40 113 116 97 120 127 110 80 57 32
28 未设置 679 179 89 66 74 52 33 16 7 3 3
在实施例1中使用蒸馏水获得的数据表明，在不小于5μm并小于10μm的范围内以及在不小于10μm并小于15μm的范围内均以超过1000个气泡/mL的数量产生气泡。另一方面，表7中列出的数据表明，在不小于5μm并小于10μm的范围内以40个气泡/mL的数量产生气泡，在不小于10μm并小于15μm的范围内以113个气泡/mL的数量产生气泡。那些数据彼此不同的原因在于，实施例1中获得的数据是在以间隔大约5分钟的周期间断地操作气泡产生装置后测量的，而实施例4获得的以及表7所示的数据是在从开始操作3分钟后测量的。根据那些数据，能理解下列几点。通过使本发明的气泡产生装置长时间运行，例如20分钟或更长，或通过以间隔大约5分钟的周期间断地使其运行，在不小于5μm并小于10μm的范围内以及在不小于10μm并小于15μm的范围内均以超过1000个气泡/mL的数量产生气泡。此外，即使使本发明的气泡产生装置短时间运行，也能在每个范围内以40个气泡/mL或更多的数量产生气泡。
工业实用性
产生微气泡的方法能够在液体中产生大量直径为10-20μm的微气泡，并且能够有效地在液体如水中溶解气体如空气。本发明也能提供类似的优点。
另外，根据本发明产生微气泡的方法能够在液体中产生大量直径小于15μm的微气泡。所以，进一步增大了由于表面张力而在气泡中产生的压力，由此能够使本发明基于微气泡更强的自我压缩能力而应用于产生气体水合物，改善鱼和贝壳的喂养，并利用微气泡的电气特性。因此，期望本发明在非常广泛的领域内以很高的实用价值具有工业实用性。

Claims (11)

1、在液体中产生微气泡的方法，该方法包括下列步骤：准备在一端具有封闭端在另一端具有开口端的管、以及安装在所述管内并与所述管同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮，所述旋转叶轮具有一个或多个叶片，所述叶片的表面基本平行于旋转叶轮的转轴的轴线；至少将所述管的开口端和所述旋转叶轮浸入液体中；并且以5.8米/秒或更高的周向速度旋转所述旋转叶轮。
2、根据权利要求1在液体中产生微气泡的方法，其中，当所述叶片的平均宽度被限定为是从所述转轴的中心沿旋转的径向方向到每个叶片的外围的宽度的两倍时，所述管的在靠近所述管封闭端侧的内部与外部气体之间的通风阻力等于或大于通风口的通风阻力，所述通风口的内径是所述叶片平均宽度的0.36倍，长度是3mm。
3、根据权利要求1或2在液体中产生微气泡的方法，其中，当将蒸馏水用作液体时，从所述管的开口端排出的液体中含有的直径不小于10μm并小于15μm的气泡的数量是40个气泡/mL或更多。
4、用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，该装置包括：在一端具有封闭端在另一端具有开口端的管、以及安装在所述管内并与所述管同轴或基本同轴旋转的旋转叶轮，所述旋转叶轮具有一个或多个叶片，所述叶片的表面基本平行于旋转叶轮的转轴的轴线，当将所述管的开口端和旋转叶轮浸入液体中时，如果叶片的平均宽度被限定为是从所述转轴的中心沿旋转的径向方向到每个叶片的外围的宽度的两倍，所述旋转叶轮能够以5.8米/秒或更高的周向速度旋转。
5、根据权利要求4用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，所述管的在靠近所述管封闭端侧的内部与外部气体之间的通风阻力等于或大于通风口的通风阻力，所述通风口的内径是叶片平均宽度的0.36倍，长度是3mm。
6、根据权利要求4或5用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，从所述管的开口端到所述旋转叶轮的距离是叶片平均宽度的0.5倍或更大。
7、根据权利要求4至6任一项的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，所述管的内径在是所述叶片平均宽度的1.1-2.5倍的范围内。
8、根据权利要求4至7任一项的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，所述叶片沿所述转轴的轴向的长度是所述叶片平均宽度的0.2倍或更大。
9、根据权利要求4至8任一项的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，所述叶片由板形成，该板在其表面形成有一个或多个孔。
10、根据权利要求4至9任一项的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，具有大量开口的局部开口板设置在所述管的开口端，或设置在所述管的开口端和所述旋转叶轮之间。
11、根据权利要求4至10任一项的用于在液体中产生微气泡的气泡产生装置，其中，当将蒸馏水用作液体并且通过至少将所述管的开口端和所述旋转叶轮浸入液体中产生气泡时，从所述管的开口端排出的液体中含有的直径不小于10μm并小于15μm的气泡的数量是40个气泡/mL或更多。
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