JP2005169286A - 気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管を介して離れた個所の液中に気泡を供給することを可能にする。
【解決手段】 気液混合体の旋回流を形成する容器１と、容器１から旋回流を導出する導出管１１と、導出管１１に介在され、旋回流の旋回を抑制して旋回流にせん断力を作用させる気泡発生手段３と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、貯水、河川等の水質浄化のために適用して有効な気泡発生装置に関するものである。

図１４には、従来の気泡発生装置の一例が示されている。この気泡発生装置は、
有底円筒形のスペース１を有する容器本体と、同スペース１の内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口２と、円筒形スペース１の底部３に開設された気体導入孔４と、円筒形スペース１の先部に開設された旋回気液混合体導出口５とから構成されている。なお、図１５は図１４のＸ−Ｘ視断面図である。

この気泡発生装置においては、装置本体または少なくとも旋回気液混合体導出口５を液体中に没した状態で、加圧液体導入口２から円筒形スペース１内に加圧液体が圧送される。これにより、その内部に旋回流が生成されて、円筒管軸上付近に負圧部分が形成されるので、この負圧によって気体導入孔４から気体が吸い込まれる。吸い込まれた気体は、圧力が最も低い管軸上付近を通過し、その結果、細い紐状の旋回気体空洞部Ｖが形成される。

円筒形スペース１では、その底部３から加圧液体導入口２の間において旋回気液混合体流が上記旋回気体空洞部Ｖと共に形成される。この旋回気液混合体流は、縮径されて先細りになった後、ちぎられて微細気泡を生成し、その後、旋回気液混合体導出口５へ向かって大きく旋回しながら進行した後、この混合体導出口５から放出される。

上記のように旋回気液混合体流が旋回すると、液体と気体の比重差から、液体には遠心力、気体には向心力が同時に作用する。このため、気体は円筒形スペース１の中心線部の加圧液体導入口２付近まで紐状に続き、かつ、１００で示した部分の前後での大きな旋回速度差の発生によって連続的に切断されるので、大量の微細気泡Ｍｂが旋回気液混合体導出口５付近で発生して、器外の液体中に放出される。（例えば、特許文献１）
ＷＯ００／６９５５０

上記従来の気泡発生装置は、離れた個所の液中に気泡を供給すべく出口に配管を接続した場合に、発生した気泡がその配管中で旋回流により集合させられて、再び気泡塊になるという欠点を有するので、適用範囲が限定されることになる。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、配管を介して離れた個所の液中に気泡を供給する場合においても有効に適用することが可能な気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、気液混合体の旋回流を形成する容器と、前記容器から前記旋回流を導出する導出管と、前記導出管に介在され、前記旋回流の旋回を抑制して該旋回流にせん断力を作用させる気泡発生手段と、を備えている。

前記気泡発生手段は、所定の長さを有する複数の板状部材を前記導出管の軸線方向に沿うように、かつ互いの面が交差するように配設した構成を有するができる。この場合、前記板状部材は、例えば、格子を構成するように配設される。そして、上記各板状部材の長さは、前記格子の間隔の３倍以上に設定することが望ましい。

前記板状部材は、十字を構成するように配設しても良い。また、前記板状部材は、前記旋回流が流入してくる側の端部にナイフエッジを形成し、このナイフエッジによって前記旋回流に渦を発生させるようにしても良い。

前記気泡発生手段は、前記導出管１１の軸線に対して直交するように配設されたメッシュ板あるいは多孔板を備えることができる。また、前記容器から前記気泡発生手段にいたる距離は、例えば前記導出管１１の内径の２倍以内に設定される。さらに、前記容器と前記導出管の境界部にオリフィスを設けても良い。

前記容器は、サイクロン構造をしても良い。また、前記気泡発生手段は、加圧液体を導入して、前記容器から導出された気液混合体の旋回流に対して逆方向の旋回力を作用させる容器を備えることができる。

一方、本発明に係る気泡発生装置は、貯水を水面からの落差を利用して吸い込む水吸い込み管と、前記貯水の吸い込みに伴って、前記水吸い込み管内に空気を取り込む空気取り込み管と、前記水吸い込み管を流下する前記水と空気の混合体を導入して該混合体の旋回流を形成する容器を有し、前記旋回流を利用して前記混合体中の空気塊を微細気泡に変換する手段と、を備えている。

前記容器は、サイクロン構造を有することができる。また、前記空気塊を微細気泡に変換する手段は、前記容器から導出した前記旋回流の旋回を抑制して、該旋回流にせん断力を作用させるように構成することができる。

本発明によれば、旋回流を導出する導出管に、この旋回流の旋回を抑制して該旋回流にせん断力を作用させる気泡発生手段備えているので、配管を介して離れた個所の液中に気泡を供給する場合においても有効に適用することが可能である。したがって、適用範囲の拡大を図ることができる。

第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る気泡発生装置の概略図である。また、図２および図３は、それぞれ図２のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図である。この気泡発生装置は、円筒形の容器１と、気泡発生器３とを備えている。容器１は、その後壁１ｂの中央部に気体導入孔５が設けられ、また、上記後壁１ｂ側に寄った容器１の周面に加圧液体導入口７が設けられている。さらに容器１は、その前壁１ａの中央部に気液混合体導出口９が設けられ、この気液混合体導出口９に導出管１１が連結されている。

上記気体導入孔５には気体供給管１３が連接され、また、加圧液体導入口７には、容器１の接線方向に沿う液体供給管１５が連接されている。
気泡発生器３は、図３に示すように、上記導出管１１の内径ｄと同一の内径を有する筒体３ａと、該筒体３ａ内に縦横（格子状）に配した複数枚の板状部材３ｂとを備え、導出管１１の途中に配設されている。上記各板状部材３ｂは、筒体３ａの長手方向長Ｘと同じ長さを有し、該筒体の軸線に沿う方向に間隔Ｌで縦横に配列している。したがって、筒体３ａ内には、各板状部材３ｂによって多数の流路３ｃが形成されている。

気泡発生器３の長手方向長Ｘと、該気泡発生器３と上記容器１の前壁１ａとのなす距離Ｙは、実験結果や流体力学等に基づいて気泡の発生効率がより高められるように設定される。上記長さＸは、例えば、上記各板状部材３ｂの配列間隔Ｌの３倍程度あるいは３倍以上に設定することが望ましく、また上記距離Ｙは、導出管１１の内径ｄの２倍以内に設定することが望ましい。なお、この実施の形態では、上記距離Ｙが０．５〜１倍程度に設定されている。

上記のような構成を有するこの実施の形態に係る気泡発生装置は、上記導出管１１の先端を液体中に没した状態で、液体供給管１５および加圧液体導入口７を介して容器１内に水等の加圧液体が圧送される。この加圧液体は、図２に示すように、容器１の内部において旋回するので、該容器１の軸線周辺に負圧部分が形成され、その結果、気体供給管１３および気体導入孔４を介して容器１内に空気等の気体が吸い込まれる。吸い込まれた気体は、液体とともに旋回しながら容器１の前壁１ａ側に進行するので、気液混合体導出口９を介して導出管１１内に気液混合体が流入する。

導出管１１の径は、容器１のそれよりも小さいので、この導出管１１内において気液混合体の旋回速度が加速される。したがって、気液混合体は、急激な旋回速度変化により生じたせん断作用のために気泡を生じて白濁する。その後、気泡発生器３内に流入した気液混合体は、前記各板状部材３ｂによりその旋回が抑制されるので、強いせん断作用を受けてその内部に含まれた気体塊が分散される。この結果、気泡発生器３では、大量の微細気泡が発生し、この気泡は導出管１１を通って図示していない液中に放出される。

この第１の実施形態に係る気泡発生装置は、このように動作するので、上記気液混合体が水と空気もしくは水と酸素の混合体である場合には、上記空気もしくは酸素を微細気泡化して水道水、河川水等に効率良く溶解させること、つまり、その水質を効果的に浄化することができる。

ところで、上記気泡発生器３は、板状部材３ｂの配置形態として、たとえば、図４に示すような十字状の配置形態を採用しても良い。要するに、板状部材３ｂは、気液混合体に含まれる気体塊を効率良く分散できるものであれば、種々の配置形態をとりうる。

また、上記気泡発生器３は、図５に示すように、気液混合体が流入する側における板状部材３ｂの端部にナイフエッジ３ｄを形成しても良い。このナイフエッジ３ｄは、気液混合体の旋回方向下流側に刃先が位置するように形成されているので、このナイフエッジ３ｄによる渦流の発生によって気泡発生器３の気泡発生機能が一層向上する。

第２の実施形態
図６は、平板形状の気泡発生器２１を有した本発明の第２の実施形態に係る気泡発生装置を示している。上記気泡発生器２１は、たとえば、図６のＣ−Ｃ断面図である図７もしくは図８に示すようなメッシュ板２１ａもしくは多孔板２１ｂを用いて構成することができ、前記導出管１１の軸線に対して直交するように配設される。

この気泡発生装置においては、気泡発生器２１のメッシュ板２１ａもしくは多孔板２１ｂが気液混合体の旋回運動を抑制するので、この抑制に伴って生じるせん断力によって該気液混合体に含まれた気体塊が分散される。したがって、この第２の実施形態に係る気泡発生装置気泡発生器２１によっても多数の微細気泡を発生することができる。

上記メッシュ板２１ａのメッシュ形状は、図示のようなハニカム形状に限定されず、気液混合体の旋回運動を抑制する機能を有するものであれば、種々の形状を採用することができる。また、上記平板形状の気泡発生器２１は、導出管１１の長手方向に所定の間隔を置いて多段配置することも可能である。

第３の実施形態
図９は、本発明の第３の実施形態に係る気泡発生装置を示している。この気泡発生装置の気泡発生器２３は、前記導出管１１の途中に配設した円筒状容器２５を有する。この容器２５は、前記容器１の液体供給管１５とは逆の方向に突出する液体供給管２７をその接線に沿って設け、この液体供給管２７を介して加圧液体を導入する。したがって、容器２５に導入された加圧液体は、容器１内における加圧液体の旋回方向とは逆の方向に旋回することになる。

この実施形態に係る気泡発生装置によれば、容器１で形成された気液混合体の旋回流が容器２５に流入した際、該容器２５内の液体の旋回流が気液混合体の旋回を抑制するように作用するので、その作用によって生じたせん断力によって気液混合体に含まれた気体塊が分散されて、多量の微細気泡が発生する。なお、容器２５の径や容積は、容器１の径や容積等を勘案して適宜設定される。

ところで、例えば図１に示す導出管１１が途中で曲がっている場合には、図１０に示すように、気液混合体の流れに対して上記曲がり部よりも下流側の位置に気泡発生器３を設けることが好ましい。なぜなら、上記曲がり部においては、２次的な流れ（主流とは異なる方向の流れ）が発生するため、気泡発生器３で形成された微細気泡が集合して気体のコアが再形成されるという現象を発生することが多いからである。
もちろん、図６、図９に示した実施の形態においても、導出管１１が途中で曲がっている場合には、その曲がり部よりも下流側の位置に気泡発生器を設けることが好ましい。

一方、上記各実施の形態においては、図１１に示すように、容器１の気液混合体導出口９、つまり、容器１と導出管１１の境界部に、オリフィス１７を設けることができる。このオリフィス１７は、気液混合体導出口９の開口面積を縮小するので、該導出口９の前後における気液混合体の旋回速度差をより大きくして、この速度差に基づいて生じる前記せん断作用を強める作用をなす。
また、オリフィス１７を設ければ、該オリフィス１７を通過した気液混合体の旋回流がコーン状に拡がりながら進行するので、そのコーン状のエリアの気液混合体とその周辺のエリアの気液混合体との境界部に生じたせん断力によって上記旋回流に含まれた気体塊が分散されることになる。したがって、上記オリフィス１７は、気泡発生効率を向上する手段として有効である。

上記した各実施の形態においては、それぞれ円筒状の容器１を用いて気液混合体の旋回流を形成しているが、この容器１に代えて図１２に示すようなサイクロン構造の容器２９を使用しても良い。このサイクロン構造の容器２９を使用すれば、流体抵抗が低減されるので、より効率的に気液混合体の旋回流を形成することが可能になる。

また、上記各実施の形態における気泡発生器３、２１、２３は、組付け性やメンテナンス性を向上するために、適宜な結合手段（フランジ、ボルト等）を用いて導出管１１に着脱自在に取付けるようにすることができる。そして、図１１に示すオリフィス１７を気泡発生器３、２１、２３に併用する場合には、該気泡発生器３、２１、２３とこれらに対応するオリフィス１７とをそれぞれユニット化して、そのユニットを適宜な結合手段で導出管１１に着脱自在に取付けるようにすることも可能である。

さらに、上記各実施の形態においては、気体と加圧液体をそれぞれ容器１（または容器２９）に個別に導入しているが、加圧された気体と液体の混合体（気液２層流）を前記液体供給管１５を介して導入するように構成することも可能である。もちろん、この場合には、図１に示す気体導入孔５および気体供給管１３は不要になる。

図１３は、ダム湖３９の水の曝気に適用した気泡発生装置を示している。この気泡発生装置は、ダム湖３９中に垂設された水吸い込み管３１と、この水吸い込み管３１の上端部内方に設けた空気取り入れ管３３と、水吸い込み管３１の下端部に連結された気泡発生・分離部３５とを備え、堤体３７を備えるダム湖３９に設置されている。
水吸い込み管３１は、その上部開口端がダム湖３９の水面よりも下方に位置しているので、この開口端からダム湖３９の水を吸い込むことが可能である。空気取り入れ管３３は、その上部開口端がダム湖３９の水面よりも上方に突出するとともに、その下部部開口端がダム湖３９の水面よりも下方に位置している。

気泡発生・分離部３５は、サイクロン構造の容器３６を有し、その容器３６の後方側周面に上記水吸い込み管３１の下端部が連結されている。すなわち、水吸い込み管３１の下端部は、上記容器３６の後方周面の接線に沿う形態で該周面に連結されている。上記槽３５の先端（出口）には、放水管４１が連結され、かつ、槽３５の先端中央部には散気管４３が連結されている。放水管４１は、上記堤体３７を貫通してダム湖３９の外側まで延び、また散気管４３は、ダム湖３９の水深Ｈ２の部位にその上端開口が位置するように設けられている。

この気泡発生装置においては、水吸い込み管３１の上端部開口からダム湖３９の水が吸い込まれ、その際、水の吸引力によって空気取り入れ管３３を通してダム湖３９上の外気が水吸い込み管３１内に取り込まれる。この結果、水吸い込み管３１を介して気泡発生・分離部３５の容器３６に水と空気の混合体が流入して、容器３６内に該混合体の旋回流が生成される。

上記混合体中の空気は、該混合体の旋回に伴って、容器３６の中心側に集められる。すなわち、液体と気体の比重差から、液体には遠心力、気体には向心力が同時に作用するので、上記容器３６の軸線周辺に空気塊４５が形成される。このようにして形成された空気塊４５は、容器３６の出口中央（容器３６の軸線上）に設置した散気管４３の下端に流れ込み、該散気管４３の上端から気泡４７としてダム湖３９の水中に放出される。この結果、ダム湖３９の水が上記気泡４７によって曝気される。なお、空気が分離された水は、放水管４１を介してダム湖３９の外側に放流される。

ところで、上記水吸い込み管３１内の圧力は、静圧および動圧、圧力損失で構成される。したがって、上記静圧の区間をＨ１とすると、Ｈ１＞Ｈ２となるように散気管４３を設置する必要がある。

上記気泡発生・分離部３５に代えて、例えば、図１に示した気泡発生装置の構成を適用することも可能である。その場合には、前記容器１の液体供給管１５が上記水吸い込み管３１として適用され、かつ、気泡発生装器３が上記散気管４３の下端部内に設置される。そして、前記気体導入孔５および気体供給管１３は、不要になる。

このように、図１に示した気泡発生装置の構成を適用した場合、液体供給管１５を介して水と空気の混合体（気液２層流）が上記容器１に流入する。この容器１に流入した混合体は、該容器１内を旋回しながら進行するので、この混合体中に含まれた気体塊が前記気泡発生器３により微細気泡化されて、ダム湖３９の水に放出されることになる。したがって、ダム湖３９の水は、上記微細気泡によって曝気されて浄化される。

なお、上記気泡発生・分離部３５として、図６および図９に示した気泡発生装置（図１２のサイクロン構造の容器２９を用いる気泡発生装置も含む）の構成を適用することも可能である。
上記曝気用の気泡発生装置は、ダム湖３９の曝気だけでなく、河川や貯水池等の曝気にも有効に適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る気泡発生装置の概略図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 気泡発生器の他の構成例を示す断面図である。 板状部材に形成したナイフエッジを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る気泡発生装置の概略図である。 メッシュ板の一例を示す図である。 多孔板の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る気泡発生装置の概略図である。 曲がり部を有する導出管に対する気泡発生器の配置形態を示す概略図である。 オリフィスの配設形態を示す概略図である。 サイクロン構造の容器を示す概略図である。 曝気に適用した気泡発生装置を示す概略図である。 従来の気泡発生装置を示す概略図である。 図１４のＸ−Ｘ断面図である。

符号の説明

１，２５，２９，３６ 容器
３，２１，２３ 気泡発生器
９ 気液混合体導出口
１１ 導出
１３ 気体供給管
１５，２７ 液体供給管
１７ オリフィス
２１ 板状気泡発生器
２１ａ メッシュ板
２１ｂ 多孔板
３１ 水吸い込み管
３３ 空気取り入れ管
１３ 気泡発生・分離部
４１ 放水管
４３ 散気管

Claims (15)

1. 気液混合体の旋回流を形成する容器と、
   前記容器から前記旋回流を導出する導出管と、
   前記導出管に介在され、前記旋回流の旋回を抑制して該旋回流にせん断力を作用させる気泡発生手段と、
   を備えることを特徴とする気泡発生装置。
2. 前記気泡発生手段は、所定の長さを有する複数の板状部材を前記導出管の軸線方向に沿うように、かつ互いの面が交差するように配設した構成を有することを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
3. 前記板状部材は、格子を構成するように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の気泡発生装置。
4. 上記各板状部材の長さは、前記格子の間隔の３倍以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の気泡発生装置。
5. 前記板状部材は、十字を構成するように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の気泡発生装置。
6. 前記板状部材は、前記旋回流が流入してくる側の端部にナイフエッジを形成し、このナイフエッジによって前記旋回流に渦を発生させるようにしたことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の気泡発生装置。
7. 前記気泡発生手段は、前記導出管１１の軸線に対して直交するように配設されたメッシュ板を備えることを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
8. 前記気泡発生手段は、前記導出管１１の軸線に対して直交するように配設された多孔板を備えることを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
9. 前記容器から前記気泡発生手段にいたる距離が、前記導出管１１の内径の２倍以内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
10. 前記容器と前記導出管の境界部にオリフィスを設けたことを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
11. 前記容器がサイクロン構造を有することを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
12. 前記気泡発生手段は、加圧液体を導入して、前記容器から導出された気液混合体の旋回流に対して逆方向の旋回力を作用させる容器を備えることを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
13. 貯水を水面からの落差を利用して吸い込む水吸い込み管と、
    前記貯水の吸い込みに伴って、前記水吸い込み管内に空気を取り込む空気取り込み管と、
    前記水吸い込み管を流下する前記水と空気の混合体を導入して該混合体の旋回流を形成する容器を有し、前記旋回流を利用して前記混合体中の空気塊を微細気泡に変換する手段と、
    を備えることを特徴とする気泡発生装置。
14. 前記容器がサイクロン構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の気泡発生装置。
15. 前記空気塊を微細気泡に変換する手段が、前記容器から導出した前記旋回流の旋回を抑制して、該旋回流にせん断力を作用させるように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の気泡発生装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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