CN101491749B - 微小气泡发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以大量且高效地产生直径均等的微小气泡的微小气泡发生装置。本发明提供的微小气泡发生装置是用于产生成微小气泡的微小气泡发生装置，其特征在于包括：供给部，用于供给由气体和液体构成的混合流体；主体，其包括空心部，上述空心部将从上述供给部供给的混合流体分成气体和液体，形成各自的旋转流；以及，吐出部，以形成为旋转流的上述气体为气泡，与液体一同吐出，其中，上述主体包括涡流状内侧壁面以及至少一个导向部，上述导向部沿着上述涡流状内侧壁面设置，且将上述混合流体分成多个涡流状流路，引导至上述空心部中，上述涡流状内侧壁面用于使从上述供给部供给的上述混合流体以涡流面垂直于上述吐出部方向的涡流状流动，相对上述供给部，上述涡流状流路具有瓶颈结构。

Description

微小气泡发生装置

技术领域

本发明涉及混合液体和气体后放入生成器中，在对象液体中产生成微小气泡的微小气泡发生装置。

背景技术

从前开始，研究有多种使气体(例如，氧气、臭氧、碳酸气等)溶解于液体(例如，水、海水、乙醇等)中的供给气泡的技术，并广泛应用于净化水质、养鱼贝类、健康器械等领域。在供给气泡技术中，为了在液体中溶解大量的气体，需要使气体处于气泡状态，且使气泡的直径较小，增加气体与液体的接触面积。

现有的气泡发生装置例如有混合液体和气体之后进行加压，在使气体溶解于液体中之后对气液混合流体进行急速减压，从而产生气泡的加压减压式气泡发生装置。此外，比该气泡发生装置更加强调微小气泡本身的有效性的装置，例如有旋转式微小气泡发生装置(专利文献1和专利文献2)。通过该旋转式微小气泡发生装置产生的直径小于等于50μm的微小气泡广泛应用于生活用水的杀菌，或排水处理等。

但是，现有的气泡发生装置中存在如下问题：在专利文献1和专利文献2中记载的旋转式微小气泡生成装置中，液体和气体在圆锥型的狭窄空间中被混合，因此，气泡直径的偏差较大，且容易生成直径较大的气泡。其结果，无法将所有供给的气泡作为微小气泡溶解于需处理的液体中，且为了将上述供给气体的接触溶解率确保在接近100％的水平上，只能降低孔隙率。

【专利文献1】WO00/69550

【专利文献2】日本专利公开第2006-116365号

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的目的在于提供一种可大量且高效率地产生直径均等的微小气泡的微小气泡发生装置。

为了解决上述问题，本发明的发明者对微小气泡发生装置进行了研究。其结果发现通过下面的结构，可以达到上述目的。

本发明涉及的微小气泡发生装置是用于产生微小气泡的微小气泡发生装置，其特征在于包括：供给部，用于供给由气体和液体构成的混合流体；主体，其包括空心部，上述空心部将从上述供给部供给的混合流体分成气体和液体，形成各自的旋转流；以及，吐出部，以形成为旋转流的上述气体为气泡，与液体一同吐出，其中，上述主体包括涡流状内侧壁面以及至少一个导向部，上述导向部沿着上述涡流状内侧壁面设置，且将上述混合流体分成多个涡流状流路，引导至上述空心部中，上述涡流状内侧壁面用于使从上述供给部供给的上述混合流体以涡流面垂直于上述吐出部方向的涡流状流动，相对上述供给部，上述涡流状流路具有瓶颈结构。

根据上述结构，在由涡流状内侧壁面和导向部形成的多个涡流状流路中，使从供给部供给的混合流体圆心旋转并流动，因此可以降低壁面上的流动阻力。并且，相对供给部，涡流状流路具有瓶颈结构，因此，混合流体被压缩，其结果，可以使混合流体的流动变为高速流。并且，主体的内侧壁面形成为涡流状，因此，可以降低混合流体与内侧壁面的流动阻力或者可以降低生成滞留。从而，可以使混合流体的流动变为高速流。

变为高度流的混合流体流入空心部内，并且在空心部进行旋转。这时，由于液体和气体的比重差异，对混合流体中的液体作用有离心力，对气体作用有向心力。其结果，液体变为高速流，同时气体被收集在中心轴，形成负压气体轴。并且，变为高速流的液体与由于负压汇集在吐出部附近的外部液体相互推压。此时，汇集在负压气体轴的气体通过由外部液体和高速旋转的液体形成的缝隙，并被切断，变为微小气泡，与液体一同被大量吐出。即，与现有的气泡生成装置相比，具有上述结构的微小气泡发生装置可以大量产生直径较小的微小气泡。

在上述的结构中，在上述导向部与涡流状内侧壁面之间、导向部之间形成有用于向上述空心部引导混合流体的导入口，所有导入口的开口面积之合与上述供给部的开口面积的比率优选在7：10～9：10的范围内。

通过将所有导入口的截面面积之合与供给部的截面面积的比率设定在上述的数值范围内，从而可以在从供给部供给的混合流体流过涡流状流路的期间，通过瓶颈效果来提高流动速度。其结果，例如与上述的比率为10：10的情况相比，可以将旋转在空心部内的气体和液体的高速旋转流的速度提高10～20％。由此可更加高效地生成微小气泡。

在上述的结构中，优选形成在上述导向部与涡流状内侧壁面之间的导入口朝涡流状内侧壁面的涡流面上的接线方向开口，优选形成在上述导向部之间的导入口朝导向部的壁面的涡流面上的接线方向开口。

由此，流过涡流状流路的混合流体流入空心部内时，可以最大限度地抑制阻力。其结果，可以以高速流体供给空心部内，更加高效地生成微小气泡。

在上述的结构中，在上述涡流状内侧壁面与导向部之间形成有与涡流状流路分开并使混合流体循环的循环流路，该循环流路的开口部位于上述供给部的附近，并且其开口面积优选小于上述导入口的开口面积。

在上述结构中，由于循环流路的开口部的开口面积小于导入口的开口面积，从而从该开口部流出的混合流体具有分射力。并且，开口部位于混合流体的供给部的附近，因此，从该供给部供给的混合流体的流动压力对流过循环流路的混合流体作用牵引力。其结果，可以进一步加快流动的混合流体的流动速度，可以更加高效地产生微小气泡。

在上述结构中，优选在上述开口部的附近设置用于供给上述气体的供给部。

随着液体流过上述流路，沿着其流动方向，作用有吸引气体的牵引力，因此，在上述供给气体的位置变为负压。由此，可以自然而然地向流动的液体吸入气体并混合。并且，通过设置气体供给部，从而可以同时使用例如利用空气泵等强行输送气体的装置。

在上述的机构中，优选上述导入口的截面形状为直四角形。与截面为圆形的情况相比，截面为直四角形时，可以以最大限度地随着空心部的内侧壁面的状态向空心部供给混合流体。由此可以进一步提高空心部内的气体和液体的高速旋转流的速度，可更加高效地产生微小气泡。

本发明具有如上所述的结构，因此具有如下效果：根据本发明，形成多个涡流状流路，并且相对供给部，上述流路具有瓶颈结构，因此，可以使混合流体变为高速流后供给空心部。由此，可以提高旋转在空心部内的气体和液体的高速旋转流的速度，可以高效地产生微小气泡。

附图说明

图1是本发明实施方式涉及的微小气泡发生装置的示意图，图1(a)是微小气泡生成装置的内部示意图，图1(b)是涡流状流路的示意图。

图2是在上述微小气泡发生装置内部中的混合流体的动作以及微小气泡发生原理的模拟示意图。

图3是本发明另一实施方式涉及的微小气泡发生装置的内部示意图。

图4是本发明另一实施方式涉及的微小气泡发生装置的内部示意图。

附图标记

10微小气泡发生装置         11供给部

12导向部                   13主体

14导向部                   15空心部

16流路                    17吐出部

18a流入                   18b流入口

19涡流状内侧壁面          20a导入口

20b导入口                 21负压气体轴

23高速旋转流              31缝隙

40微小气泡发生装置        41开口部

41a导入口                 41c开口部

42导向部                  43气体供给部

44导向部                  46流路

47循环流路                51吐出部

52主体

具体实施方式

(实施方式1)

下面，参照附图说明本发明的实施方式。但是，在附图中省略了进行说明时不需要的部分，并且为了便于说明，对某些部分进行了扩大或缩小。图1是本发明实施方式涉及的微小气泡发生装置的示意图，图1(a)是微小气泡发生装置的内部示意图，图1(b)是涡流状流路的示意图。图2是上述微小气泡发生装置内部中的混合流体的动作和微小气泡的产生原理的模拟说明图。

如图1(a)和1(b)所示，本发明实施方式涉及的微小气泡发生装置10至少包括供给混合流体的供给部11、具有空心部15的主体13、以及，与液体一起吐出气泡的吐出部17。

本发明中使用的混合流体是混合了气体(气状)和液体(液状)的流体。在本发明中使用混合流体，且设置用于供给上述混合流体的上述供给部11是因为如下原因。即，在现有的气泡发生装置中，不使用混合流体，而是将液体和气体分别供给空心部。并且，例如通过在空心部的中心轴下部形成气体导入口的方式供给气体。在如上所述的现有气泡发生装置中，为了产生微小气泡，需要对空心部内部进行加压。但是，对空心部内部过渡加压，则液体逆流到气体导入口，从而降低操作性。在本发明中，使用由气体和液体构成的混合流体，仅通过供给部11向空心部进行供给，因此，可以避免发生上述的问题。

并且，作为混合流体中的气体例如有空气、氢气、氩气或者氡气等惰性气体、氧气或者臭气等氧化剂、碳酸气、氯化氢、亚硫酸气、氧化氮或者硫化氢气等的酸性气体、氨等碱性气体。并且，作为液体例如有水或者粘性高于水的液体。作为上述的粘性高于水的液体例如有甲苯、丙酮、乙醇等溶剂、石油、汽油等燃料、食用油脂、啤酒等食品·饮料、酒类等药品、浴水等的健康用品、湖沼水、化粪池污水等的环境水等。

对于在液体中混合气体的方法并没有特别的限定。例如，在液体用泵的吸入侧(负压液)形成自然吸入气体导入口，在该自然吸入气体导入口连接小径管(塑料、塑胶或者金属等构成)。接着，固定小径管，使其具有螺旋状，并且在小径管上设置吸入气体量调节器(阀等)。通过设置吸入气体量调节器，从而可以将气体的供给量设定在符合泵的功能的最佳状态。

通过上述方法，混合在液体中的气体通过液体用泵的吸入机构(叶片)被打碎成直径为数毫米的程度。液体用泵通过供给部11和排管连接，混合流体通过该排管被供给至微小气泡发生装置10中。

作为构成上述主体13的材料没有特别的限定，例如可以是丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物(ABS)树脂，或者SUS-304等。

上述主体13具有涡流状内侧壁面19，涡流状内侧壁面19使从供给部11供给的混合流体以涡流面垂直于吐出部17方向的涡流状流动。并且，沿着涡流状内侧壁面19设置有导向部12、14。通过涡流状内侧壁面19和导向部12、14形成使混合流体以多个涡流状流动的流路16。

在多个涡流状流路16中，使混合流体以分散流流动，从而可以降低来自壁面的流动阻力，其结果可以变为高速流。被引导至涡流状流路16中的混合流体由于其压力和流动速度，圆心旋转并沿着涡流状流路16流动。此时，液体和气体更加激烈的混合，变的更加均匀。

在导向部12与涡流状内侧壁面19之间形成有流入口18a。并且，在导向部12与导向部14之间形成流入口18b。对于流入口18a、18b的截面形状没有特别的限定，但是优选为直四角形。并且，优选每个开口的面积相同。通过将开口面积设定为相同，可以使每个流路16上的混合流体的供给量均匀。

在导向部12与涡流状内侧壁面19之间形成导入口20a。并且，在导向部12与导向部14之间形成导入口20b。优选导入口20a、20b朝涡流状内侧壁面的涡流面上的接线方向开口。由此，可以最大限度地抑制经由涡流状流路16的混合流体流入空心部15内时受到阻力。

并且，导入口20a、20b的截面形状没有特别的限定，但是优选为直四角形。并且，优选每个开口的面积相同。通过将每个开口的面积设定为相同，可以使供给空心部15的混合流体的供给量均等。并且，考虑到制造费用和制造工程的难度，优选形成2～3个导入口。

在本发明中，相对供给部，涡流状流路需要具有瓶颈结构。为了使其具有瓶颈结构，在本实施方式中，优选将导入口20a和导入口20b的开口面积之合与供给部11的开口面积的比率设定为7：10～9：10，更加优选为8.5：10～9：10。由此，在从供给部供给的混合流体流过涡流状流路的期间，通过瓶颈效应和圆周旋转运动带来的离心力来将其流动速度和流体压力连续增大。其结果，例如与所有导入口的截面面积之合与供给部的截面面积的比率为10：10的情况相比，可以将在空心部内部旋转的气体和液体的旋转速度提高10～20％。该现象例如与用手指头按压软管的入口，则液体喷向更远处的原理相同。如果在上述的数值范围之外，则高速旋转所需要的流量本身减少，因此，并不理想。

从导入口20a和导入口20b供给的混合流体在空心部15内变为高速旋转流(参照图2)。这时，由于液体和气体的比重差异，对于液体作用有离心力，对于气体作用有向心力。其结果，被分为气体和液体，气体集中在中心轴，形成负压气体轴21。液体变为高速旋转流23，流过负压气体轴21的周围。

空心部15具有截面形状为圆形，且离吐出部17越近，直径变得越小的瓶颈形状。对于该形状，只要具有圆周，则并不特别限定，例如，圆锥形、半圆形、球形等。因此，高速旋转流23随着进行旋转并接近吐出部17，旋转速度变得更快，且压力变得更大。此外，在吐出部17的附近，气体和液体再次被混合，成为旋转速度和压力最大的混合流体。该混合流体成为与外部负压液体相互推压的状态，通过外部负压液体和高速旋转的混合流体形成缝隙31。外部负压液体的旋转速度低于高速旋转的混合流体的旋转速度。由于该二者的旋转速度差异和液体强行排到主体13的外部的作用力，气体被激烈地剪断。其结果，可以生成直径小于等于50μm，甚至小于等于10μm的微小气泡。并且，外部负压液体是指外部液体中的、在吐出部17的附近由于负压气体轴21的形成而处于接近真空状态，从而被拉进的外部液体。并且，气泡的直径是通过数码相机测量仪测量的数值。

本实施方式涉及的微小气泡发生装置10和40下沉于液体中设置使用。具体的，例如可以使用于池塘、湖(包括坝塘)、海水等水深较深的地方(例如，水深超过5m等)。并且，微小气泡发生装置40的使用不受液体泵的种类的限制。并且，例如，可以解决在一台液体泵上通过排管等连接多个时有可能发生的气体的不均匀性。

根据所使用的泵的供给量或者扬程(压力)、连接于供给部11的排管的直径等，适当设置微小气泡发生装置10的使用条件。例如，当空心部15的截面形状为圆形时，将其最大截面面积设定为3.5cm2～50.0cm2，将内部容积设定为36.0cm3～330cm3，则供给部11的开口面积优选为0.7cm2~5，0cm2。如果开口面积小于0.7cm2，则有时很难供给充足的混合流体。另一方面，开口面积大于5.0cm2，则增加泵的成本。并且，在上述的情况下，吐出部17的开口面积优选在0.8cm2~18.0cm2的范围。开口面积小于0.7cm2，则有时无法供给充足的混合流体。另一方面，开口面积大于19cm2，则气泡直径产生差异。并且，导入口20a、20b的开口面积被设定为其之合与供给部11的开口面积的比率在7：10～9：10的范围内。

在上述的设计条件下，例如将供给混合流体的泵的压力为0.15MPa，供给量为20L/分钟时，空心部15内的旋转速度大约大于等于450Hz。并且，空心部的体积越大，旋转速度就越慢。此外，通过测量旋转涡流发出的声音和旋转涡流的旋转数来获得旋转速度。

并且，在上述的设计条件下，上述泵的压力优选在0.01MPa～0.8MPa的范围内，更加优选在0.03MPa~0.6MPa的范围内。如果供给压力超过0.8MPa，则对发生器的材料、排管等附件的材料、制造方法等有些限制，从而增加费用。另一方面，供给量小于0.03MPa，则无法获得混合流体的高速流，气泡直径发生差异。并且，在上述的设计条件下，混合流体的供给量优选在1.5L～100L/分钟的范围内，更加优选在2L～80L/分钟的范围内。如果供给量超过80L/分钟，则减少发生器主体的使用寿命。另一方面，如果供给量小于2L/分钟，则无法实现混合流体的高速流，气泡的直径也发生差异。

(实施方式2)

参照图3对本实施方式2涉及的微小气泡发生装置进行说明。图3是本实施方式涉及的微小气泡发生装置内部示意图。

本实施方式涉及的微小气泡发生装置40设置有用于引导混合流体的导向部42、44。在导向部42与涡流状内侧壁面19之间形成有涡流状流路46，并且，在向导部44与涡流状内侧壁面19之间形成有循环流路47。并且，在导向部42与导向部44之间形成有向空心部15供给混合流体的导入口41a、41b。并且，在导向部44与涡流状内侧壁面19之间形成有用于使混合流体再次循环于涡流状流路46的开口部41c。以空心部15的中心轴和通过供给部11的中心的线的交差点为中心，每隔120度形成导入口41a、41b和开口部41c。并且，优选导入口41a、41b的开口面积相同。另一方面，优选开口部41c的开口面积小于导入口41a、41b的开口面积。由此，可以通过文土里效应，使从开口部41c流出的混合流体具有分射力。导入口41a、41b的开口面积与开口部41c的开口面积的比率优选为6：10～7：10。如果超过7：10，则降低由文土里效应带来的混合流体的分射力。另一方面，如果小于6：10，则混合流体的循环流动受到阻碍。

通过形成上述的开口部41c，且在供给部11形成循环流路47，从而作用有在开口部41对混合流体的分射力和供给部11的流动引起的牵引力，加快流过涡流状流路46的混合流体的速度。其结果，可以将在空心部15内高速旋转的气体和液体的旋转速度维持在一定水平上。

并且，导入口41a、41b和开口部41c的开口面积之合与供给部11的开口面积的比率优选在7：10～9：10的范围内，更加优选在8.5：10～9：10的范围内。由此可以在从供给部供给的混合流体流过涡流状流路的期间，通过瓶颈效果和圆周旋转运动引起的离心力来连续提高流动速度和流体压力。其结果，可以将在空心部15内旋转的气体和液体的高速旋转流的速度提高10～20％。如果超过上述数值范围，则减少高速旋转所需流量本身，因此，并不理想。

并且，在本实施方式中，可以在上述开口部41c的附近设置气体供给部43。从而，由开口部41c中的混合流体的流动对被供给的气体施加牵引力。并且，由于开口部41c具有文土里结构，对气体施加负压作用，可以自己吸入气体。并且，在本实施方式中，可以在气体供给部43连接空气泵，与强制供给气体的装置一同使用。并且，可以在气体供给部43连接气体供给用管，并且在该管的陆地部分设置阀来调节气体供给量。其结果，可以调整微小气泡的发生量，同时可以根据情况停止供给气体。

(其他事项)

本发明涉及的微小气泡发生装置并不限定于上述的各实施方式，可以有各种变更。例如，如图4所示，可以在微小气泡发生装置的吐出部17相反侧设置另一个吐出部51。由此，可以从主体52的前面和后面生成微小气泡。

(实施例)

下面，举例说明本发明的优选实施例。但是，在没有特别限定的情况下，实施例中记载的材料或者配合量等并不是用于限定本发明，只是用于说明。

(实施例1)

在本实施例中，使用了由塑料树脂(ABS)构成的、在上述实施方式中说明的图1和图2所示的微小气泡发生装置。使该微小气泡发生装置沉入在海水中，供给由自然空气和海水(海水温度21.8℃)构成的混合流体，使其生成由自然空气构成的微小气泡。并且，测量了海水中的氧气溶解值和氧气饱和度的随时间的变化情况。在表1中示出了其结果。

并且，将上述微小气泡发生装置的供给部11的开口面积为12.6cm2，空心部15的体积为55.8cm3，吐出部17的开口面积为3.2cm2，导入口20a和导入口20b的开口面积之合与供给部11的开口面积的比率为7：1。并且，将泵的压力为0.03MPa，吐出量为5L/min，海水量为0.8m3。

(实施例2)

在本实施例中，除了使用由不锈钢(SUS304)构成的微小气泡生成装置之外，其他与上述实施例1相同地生成了微小气泡。并且，与实施例1相同地，测量了氧气溶解值和氧气饱和度的随时间的变化情况。表1中示出了其结果。

(氧气溶解值)

通过极谱仪测量法测量了氧气溶解率。

(氧气饱和度)

通过脉冲氧气浓度法测量了氧气饱和度。

表1

(泵压0.03Mpa，吐出量5L/min，海水量0.8m3)

Claims (5)

1.一种产生成微小气泡的微小气泡发生装置，其特征在于包括：供给部，用于供给由气体和液体构成的混合流体；主体，所述主体包括空心部，所述空心部用于将从所述供给部供给的混合流体分为气体和液体，且形成各自的旋转流；以及吐出部，所述空心部具有截面形状为圆形，且离吐出部越近，直径越小的瓶颈形状，所述吐出部将气体和液体旋转流再次混合成为混合流体，所述气体被剪断，生成微小气泡，与液体一同吐出；其中，所述主体包括：涡流状内侧壁面；以及大于一个导向部，沿所述涡流状内侧壁面设置，通过涡流状内侧壁面和导向部形成使所述混合流体以多个涡流状流动的流路，引导至所述空心部中，所述涡流状内侧壁面使从所述供给部供给的所述混合流体以涡流面垂直于所述吐出部的方向的涡流状流动，相对所述供给部，所述涡流状流动的流路具有瓶颈结构。

2.根据权利要求1所述的微小气泡发生装置，其特征在于，在所述导向部与涡流状内侧壁面之间以及，所述导向部之间各形成有导入口，所述导入口用于向所述空心部引导混合流体，所有导入口的开口面积之和与所述供给部的开口面积的比率为7∶10～9∶10。

3.根据权利要求2所述的微小气泡发生装置，其特征在于，在所述涡流状内侧壁面与导向部之间形成有循环流路，所述循环流路与涡流状流路分开并使混合流体循环，所述循环流路的开口部位于所述供给部的附近，并且所述循环流路的开口面积小于所述导入口的开口面积。

4.根据权利要求3所述的微小气泡发生装置，其特征在于，在所述开口部的附近设置有用于供给所述气体的气体供给部。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的微小气泡发生装置，其特征在于，所述导入口的截面形状为直四角形。

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