JP2008023515A - 微細気泡発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】配管系の中に設けて使用することが可能であり、かつ、液体の流れを形成するポンプの消費エネルギー量を低減することができる微細気泡発生器を提供する。
【解決手段】微細気泡発生器１００は、相対的に大きな径の円柱状の大径流路１ａを形成する大管径部１を備えている。大管径部１は、小管径部２に接続されている。小管径部２は、大径流路１ａに連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路２ａを形成している。小管径部２は、円錐状管径部７に接続されている。円錐状管径部７は、小径流路２ａに連通しておりかつ小径流路２ａから徐々に径が大きくなる円錐状流路７ａを形成している。小管径部２の端面２ｂと小管径部２の内周面２ｃとは、微細気泡発生器１００の縦断面において、角部３を構成する。また、小管径部２の端面２ｂが大径流路１ａに接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部を通過する液体のキャビテーションを利用して微細気泡を発生させる微細気泡発生器に関するものである。

一般的な微細気泡発生器は、大別して、次のような２種のものに分類される。
その一つは特開２００３−１１７３６８号公報等に代表されるような旋回流型の微細気泡発生器である。旋回流型の微細気泡発生器においては、液体が接線方向に沿って旋回部へ導入される。それにより、旋回部の中心部が負圧部になる。また、気体は、底面の中心部に設けた気体導入孔から旋回部へ導入される。その結果、気泡を含む液体が旋回部の吐出口から吐き出される。旋回流型の微細気泡発生器は、主に、静止している液体中に設置され、静止している液体中の溶存ガスの濃度を増加させるために利用される。

他の一つは特開２００４−２２３４４１号公報、特開２００５−８７９８５号公報、および特開２００６−８１９８２号公報に示されるようなベンチュリー型の微細気泡発生器である。ベンチュリー型の微細気泡発生器においては、管径が徐々に変化する円錐状管径部が、小管径部の入口部および出口部の双方に接続させている。この構成によれば、ベルヌーイの定理から分かるように、小管径部内の液体に関しては、その流速が増加し、その静圧が減少する。その結果、液体の静圧が負圧になる。それにより、キャビテーションを利用して、液中に溶存している気体の圧力が低減される。その結果、気体の沸騰によって、微細気泡が発生する。
特開２００３−１１７３６８号公報 特開２００４−２２３４４１号公報 特開２００５−８７９８５号公報 特開２００６−８１９８２号公報

上記の旋回流型の微細気泡発生器が配管に接続される場合には、旋回部の径が配管の内径の２倍以上大きいことが必要である。また、旋回流型の微細気泡発生器の小型化のためには、配管の内径を小さくすることが必要である。そのため、配管の内径を小さくすると、配管内を流れる液体の圧力損失が増加してしまう。したがって、配管系の中に旋回流型の微細気泡発生器を設けて使用することは困難である。

また、ベンチュリー型の微細気泡発生器においては、液体が第１円錐状管径部から小管径部を介して第２円錐状管径部へ流れるときに、境界層が第１円錐状管径部から小管径部を通じて第２円錐状管径部へ連続的に延びるように形成される。そのため、液体の流れに剥離が生じ難い。したがって、液体の流速をかなり大きくしなければ、負圧部が形成され難い。その結果、液体の流れを形成するためのポンプの消費エネルギー量が大きくなってしまうという問題が発生する。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、配管系の中に設けて使用することが可能であり、かつ、液体の流れを形成するポンプの消費エネルギー量を低減することができる微細気泡発生器を提供することである。

本発明の微細気泡発生器は、相対的に大きな径の円柱状の大径流路を形成する大管径部と、大径流路に連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路を形成する小管径部と、小径流路に連通しておりかつ小径流路から徐々に径が大きくなる円錐状流路を形成する円錐状管径部とを備えている。小管径部の端面と小管径部の内周面とが微細気泡発生器の縦断面において角部を構成する。小管径部の端面が大径流路に接触している。

上記の構成によれば、微細気泡発生器が配管系の中に設けられて使用されても、液体の流れを形成するポンプの消費エネルギー量を低減することができる。

また、円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が１．５°〜９°である円錐状の空間であることが望ましい。これによれば、極めて小さい流量で負圧部を発生させることができる。

また、円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が３°〜８°である円錐状の空間であることが望ましい。これによれば、円錐状流路の長さが微細気泡発生器の小型化を図ることができる１５ｍｍ以上６０ｍｍ以下という範囲内のうちのいずれの値であっても、極めて小さい流量で負圧部を発生させることができる。

また、円錐状流路の長さが、１５ｍｍ以上かつ２００ｍｍ以下であることが望ましい。
また、小径流路の長さが、１ｍｍ以上かつ１５ｍｍ以下であることが望ましい。これによれば、極めて小さい流量で負圧部を発生させることができる。

また、大径流路の内径が小径流路の内径よりも２ｍｍ以上大きいことが望ましい。これによれば、角部の近傍における流れの剥離を促進することができる。その結果、極めて小さい流量で負圧部を発生させることができる。

また、小径流路の内径が小径流路における流体の平均速度が１１ｍ／ｓ以上になるように設定されていることが望ましい。これによれば、キャビテーションを確実に発生させることができる。

また、小径流路の内径が１ｍｍ以上であることが望ましい。なぜならば、小径流路の内径が１ｍｍよりも小さければ、流体の流動抵抗が極端に増加したり、異物によって流路が閉塞されてしまったりしてしまうためである。

また、小径流路を構成する円柱状の空間が大径流路を構成する円柱状の空間に入り込むように、角部が、大径流路を構成する円柱状の空間内において延びており、微細気泡発生器の縦断面において、角部の外周面と液体が流れる方向とがなす角度は１０°以上であることが望ましい。

前述のように、微細気泡発生器は角部を有するために、キャビテーションを容易に発生させることができる。しかしながら、この角部の角度が１０°以下である場合には、角部の長さに対する角部の根元の厚さの比が１／５以下であるため、角部の強度が極めて小さくなる。したがって、角部の角度は１０°以上であることが望ましい。

また、小管径部は、小径流路へ気体を導くように、小径流路と外部空間とを連通させる気体導入孔を有していることが望ましい。これによれば、従来技術の微細気泡発生器に比較して、小さいエネルギーで微細気泡発生器の機能を発揮させることができる。その結果、エネルギー消費量を低減することができる。

また、気体導入孔が小管径部の端面と小管径部の端面から下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置に接続されていることが望ましい。これによれば、より小さい流量で気体を小径流路へ導くことができるため、エネルギー消費量を低減させることができる。

また、気体導入孔の径が小管径部から外部空間に向かって段階的に大きくなっていることが望ましい。これによれば、比較的大きな外径を有する配管を気体導入孔に接続することが可能であるため、配管の流路抵抗を低減しながら、気体導入孔と配管との接合強度を増加させることができる。

また、気体導入孔の内径が小管径部から外部空間に向かって徐々に大きくなっていることが望ましい。この構成によっても、前述の構成と同様に、配管抵抗の低減および接合強度の増加という効果を得ることができる。

また、気体導入孔には、気体吸入用の配管が接続されており、配管には、気体を通過させる開状態および気体を通過させない閉状態のいずれかに変化し得る開閉弁が設けられていることが望ましい。これによれば、小径流路において生じるキャビテーションを利用して微細気泡を発生させる方法および外部空間から小径流路へ気体を導く方法のいずれを用いるのかを、開閉弁の開閉動作によって選択することができる。

また、気体導入孔には、気体吸入用の配管が接続されており、配管には、通過する気体の量を制御することが可能な流量調整弁が設けられていてもよい。これによれば、前述の開閉弁によって得られる効果に加えて、外部空間から小径流路へ導かれる気体の量を調節することができる。

また、微細気泡発生器は、小径流路以外に大径流路と円錐状流路とを連通させる連通管をさらに備えていることが望ましい。これによれば、ポンプによって与えられた圧力エネルギーを有する液体が、大径流路から円錐状流路へ直接的に流れるため、連通管を有しない場合に比較して、円錐状流路の圧力が増加する。その結果、より微細な気泡を多量に発生させることができる。

また、連通管の内径が０．１ｍｍ〜２ｍｍであれば、多量の液体は連通管内を流れないが、大径流路における液体の圧力よりも低い圧力が円錐状流路における液体に作用する。その結果、小径流路における液体の流れが停止してしまうことが防止される。

また、微細気泡発生器は、連通管とは異なる他の１または２以上の連通管をさらに備えていることが望ましい。これによれば、微細気泡発生器の液体の流れ方向に垂直な横断面における液体の圧力分布の偏りを低減することができるため、多量の微細気泡の径の均一化を図ることができる。

また、連通管とその連通管とは異なる１または２以上の他の連通管とが小管径部が介在する状態で対向するように設けられていることが望ましい。これによれば、前述の圧力分布の偏りの低減効果を向上させることができる。その結果、多量の微細気泡の径をより一層均一にすることができる。

また、連通管に弁が設けられていれば、弁の開度を調整することによって、連通管の配管抵抗を調整することができる。その結果、微細気泡発生器内の液体の圧力勾配を調整することができる。したがって、微細気泡の直径を制御することができる。

また、他の連通管に弁が設けられていても、前述のように、微細気泡の直径を制御することができる。

また、微細気泡発生器が、円錐状管径部から所定の距離をおいた位置に設けられた遮蔽部材をさらに備えていれば、円錐状流路の最下流の位置の流体の圧力を増加させることができる。そのため、円錐状流路における圧力勾配を急峻にすることができる。その結果、微細気泡をより微細化することができる。

また、微細気泡発生器が、貫通孔を有し、円錐状管径部の下流に設けられた遮蔽部材をさらに備えていれば、円錐状流路の最下流の位置の流体の圧力を増加させることができるとともに、貫通孔を通じて流体の流れ方向に沿って微細気泡を吐出することができる。

また、小管径部がその内周面に突起を有していれば、小径流路において突起に沿った流れが生じる。その結果、突起の周辺での流体の流れの剥離が促進される。したがって、キャビテーションの発生のために必要な液体の流量をさらに低減することができる。

また、大管径部、小管径部、および円錐状管径部のうちの少なくともいずれか１つの部分が他の部分から分離され得ることが望ましい。これによれば、仮に、壊食の発生等によって、大管径部、小管径部、および円錐状管径部のいずれかが損傷されてしまっても、破壊された部分のみを同一の構造を有する新たな部分に交換しさえすれば、再び微細気泡発生器を形成することができる。

また、大管径部、小管径部、および円錐状管径部のうちの少なくともいずれか１つの部分の材料が、他の部分の材料とは異なっていてもよい。たとえば、壊食によって削られ易い部分である円錐状管径部が、壊食に対して強い樹脂または金属(ステンレス材等)で形成されていれば、壊食による微細気泡発生器の変形を抑制することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の微細気泡発生器が説明される。
図１は、本発明の実施の形態の気体導入孔が設けられていない微細気泡発生器の一例を示している。

図１に示される微細気泡発生器１００は、ホース等の配管系に接続されている。図１において、矢印６は、微細気泡発生器１００に流入する液体の流れを示し、矢印１６は、微細気泡発生器１００から流出する液体の流れを示している。液体は、図示されていないポンプ等の加圧機器によって加圧されて、矢印６および１６で示すように流れる。

本実施の形態の微細気泡発生器１００は、図１に示されるように、相対的に大きな径の円柱状の大径流路１ａを形成する大管径部１を備えている。大管径部１は、小管径部２に接続されている。小管径部２は、大径流路１ａに連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路２ａを形成している。小管径部２は、円錐状管径部７に接続されている。円錐状管径部７は、小径流路２ａに連通しておりかつ小径流路２ａから徐々に径が大きくなる円錐状流路７ａを形成している。

また、大径流路１ａ、小径流路２ａ、および円錐状流路７ａは、共通の中心軸Ｘを有しており、大管径部１の外周面、小管径部２の外周面、および円錐状管径部７の外周面は、中心軸Ｘとする１つの円柱の周面内に含まれている。

小管径部２の端面２ｂと小管径部２の内周面２ｃとは、図１に示されるように、微細気泡発生器１００の縦断面において、角部３を構成する。また、小管径部２の端面２ｂが大径流路１ａに接触している。

矢印６で示されるように、配管から大径流路１ａへ導入された液体は、小径流路２ａへ到る。大径流路１ａから小径流路２ａへかけて、流路断面積が急激に小さくなる。それにより、液体の流速が急激に上昇する。

また、大管径部１の内径がＤ１であり、小管径部２の内径がＤ２であり、小径流路２ａの長さがＬ２であり、円錐状流路７ａの長さがＬ３であり、中心軸Ｘと母線７ｂとがなす角度がθであり、角部３がなす角度、すなわち、縦断面において小径流路２ａの内周面と小管径部２の端面２ｂとのなす角度がαであるものとする。

本実施の形態においては、小管径部２は、角度αが９０°である角部３を有している。そのため、大径流路１ａを流れる液体は、小管径部２の端面２ｂに衝突する。その結果、液体の圧力は、角部３の近傍の小径流路２ａ内の位置４で最も低くなる。それは、角部３の近傍の位置４で生じる液体の流れの剥離に起因して渦が発生するためである。すなわち、位置４での液体の圧力は、局所的に発生する渦によって、他の位置での液体の圧力よりも低くなっている。

したがって、位置４での液体の圧力が飽和蒸気圧以下になると、液中に溶け込んでいた気体および水蒸気が、沸騰現象によって、気泡として出現する。出現した気泡は、小管径部２内で膨張し、円錐状管径部７に至る。

小径流路２ａでは、液体の流速が上昇することに起因して、静圧が低下する。したがって、小さい動力でキャビテーションを発生させることができる。円錐状流路７ａでは、急激に圧力が上昇する。そのため、膨張した気体は、円錐状流路７ａで生じている乱流と前述の急激な圧力上昇とによって粉砕され、微細な気泡へ変化し、矢印１６で示されるように、円錐状管径部７から円錐状管径部７に接続された配管内へ排出される。

また、円錐状流路７ａの断面積は、小径流路２ａから下流に向かって徐々に大きくなる。そのため、本実施の形態の微細気泡発生器によれば、小径流路２ａから円錐状流路７ａに向かって断面積が急激に大きくなる微細気泡発生器に比較して、液体の圧力損失が小さい。

一般に、液体が高速で流れると、その静圧が低下する。それにより、液体の一部の圧力が飽和蒸気圧以下の圧力になる。このとき、液体は、その内部に含まれている微少な気泡およびごみを核として沸騰する。それにより、その液体と同一組成の気体からなる気泡が液体中に発生する。これが、キャビテーションである。また、液体は、流路の横断面の面積が最も小さい部分を流れるときに、静圧が最も小さくなる。前述の作用を利用して、従来の微細気泡発生器１００は、気泡を発生させている。

一方、前述の本発明の微細気泡発生器１００においては、図１に示されるように、小管径部２の端面２ｂと小管径部２の内周面２ｃとが縦断面において角部３を構成している。また、小管径部２の端面２ｂが大径流路１ａに接触している。そのため、角部３の近傍の小径流路２ａにおいて、境界層流れの剥離が生じ易くなっている。矢印６および１６で示されるように、液体の流れの中で剥離が生じると、その下流において渦が発生する。この渦の中心部は、小径流路を流れる液体のうちの他の部分よりも圧力が小さい、すなわち負圧部である。したがって、渦の中心部は、キャビテーションが発生し易い部分である。その結果、微細気泡が発生し易い。この微細気泡は、成長し、その体積が大きくなる。その結果、所望の大きさを有する気泡が得られる。つまり、本実施の形態の微細気泡発生器１００は、小径流路２ａ内でキャビテーションが発生し易い構造を有している。

なお、次のような理由により、前述の角部３の角度αは、微細気泡発生器１００の縦断面において９０°以下であることが望ましい。

角部３の角度αが鈍角であれば、小管径部２の内周面２ｃに沿って速度境界層が形成されてしまう。角部３の角度αが鈍角である場合には、小管径部２の端面２ｂから小管径部２の内周面２ｃへ向かって連続的に生じるため、この速度境界層は安定している。そのため、角部３の下流における境界層の剥離が生じ難くなる。

ただし、角部３の角度αは必ずしも９０°以下である必要はない。角部３の角度αが１００°程度であっても、角部３の角度αが９０°以下である場合と同様に、境界層は、大径流路１ａにおける液体の流れから分離された状態で、角部３から下流へ向かって延びる。したがって、角部３の角度αは１００°以下であればよい。

また、本実施の形態の微細気泡発生器１００は、小径流路２ａの終端から除々に断面積が大きくなる円錐状流路７ａを有している。そのため、小径流路２ａの終端の近傍において生じる圧力損失を低減することができる。圧力損失が小さいということは、液体が流れ易いということであり、液体の流速が従来の微細気泡発生器に比較して大きいことを意味する。つまり、ベルヌーイの定理を考慮すると、本実施の形態の微細気泡発生器１００は、液体の静圧が下がり易い構造を有している。

以上のことをまとめると、次のようになる。
本実施の形態の微細気泡発生器１００においては、角部３が小管径部２の端面２ｂと小管径部２の内周面２ｃとによって構成されている。そのため、小管径部２における液体の流れに剥離が生じ易い。また、小径流路２ａの終端から除々に断面積が大きくなる円錐状流路７ａが設けられている。そのため、微細気泡発生器１００内で発生する圧力損失が小さい。したがって、小径流路２ａにおける液体の流速が大きいので、液体の静圧が低下し易い。この２つの構造的な特徴によって、キャビテーションが発生し易くなっている。

そのため、本実施の形態の微細気泡発生器１００によれば、従来技術のような高圧かつ大流量の液体を吐出するポンプを用いなくても、キャビテーションを発生させることができる。その結果、ポンプ等の加圧機器の消費電力量が低下する。したがって、エネルギー消費量を低減させることができる。

つまり、本実施の形態の微細気泡発生器１００は、配管系の中に設けられた状態で使用されても、液体の流れを形成するポンプの消費エネルギー量を低減することができる。

図２は、本願の発明者らが行なったシミュレーション結果であって、中心軸Ｘと母線７ｂとがなす角度θと角部３の近傍の小径流路２ａの位置４における圧力との関係を示す。なお、本シミュレーションにおいては、Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝４ｍｍ、Ｌ２＝５ｍｍ、Ｌ３＝６０ｍｍである。

図２から、本実施の形態の微細気泡発生装置によれば、１．５°≦θ≦９°という広い範囲で、位置４における液体の圧力を負圧にすることができ、キャビテーションを発生させることが可能であることが分かる。なお、前述の角度αが３０°程度であっても、負圧部が位置４において形成され得る。

ここで、図２の圧力は絶対圧で表記されている。絶対圧が負の値になっているのは、熱流体解析シミュレーションにおいて、気液混相モデルではなく、単相モデルが使用されているためである。そのことが以下に説明される。

実際の液体、たとえば水においては、剥離が発生した位置における液体の圧力がベルヌーイの法則に従って低下する。このとき、実際には、水が蒸発するため、飽和蒸気圧が３．５３×１０³Ｐａ以下の値まで低下することはない。しかしながら、単相モデルのシミュレーションにおいては、水の蒸発が考慮されていないため、流速が増加するにつれて、すなわちキャビテーションが発生し易くなるにつれて、剥離が生じている位置の圧力が飽和蒸気圧以下の値まで低下してしまう。液体の速度が大きく、流れの剥離の程度が大きく、そのために、キャビテーションがより発生し易い状態においては、真空領域の負圧部が形成される。この場合、絶対圧が負の値になる。

本願の発明者らが行なった検討によれば、実際にキャビテーションが発生する位置と数値計算で絶対圧力が負になる位置とは一致することが確認された。したがって、本願の発明者らは、単相モデルで絶対圧が負の値になる場合にキャビテーションが発生し易いという仮定の上で、本実施の形態の微細気泡発生装置の設計を行なった。

さらに、図３は、本願の発明者らが行なったシミュレーション結果であって、円錐状流路７ａの長さＬ３を変更した場合の角度θと位置４における圧力との関係を示す。本シミュレーションでにおいては、Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝４ｍｍ、Ｌ２＝５ｍｍである。図３に示される結果から、円錐状流路７ａの長さＬ３が大きくなるにつれて、負圧部が形成される角度θの範囲が小さくなることが分かる。また、図３から、円錐状流路７ａの長さＬ３の範囲である１５ｍｍ≦Ｌ３≦２００ｍｍのすべてにおいて負圧部が形成されることが分かる。いくつかの角度θといくつかの円錐状管径部７の長さＬ３との組み合わせのそれぞれのキャビテーションの発生の有無が表１に示されている。

表１においては、キャビテーションが発生した角度θと円錐状管径部７の長さＬ３との組み合わせには○が付され、キャビテーションが発生しなかった角度θと円錐状管径部７の長さＬ３との組み合わせには×が付されている。表１から、角度θおよび円錐状管径部７の長さＬ３の望ましい組み合わせは、次の３つの組み合わせであることが分かる。

（１）２°≦θ≦９°、かつ、３０ｍｍ≦Ｌ３≦６０ｍｍ
（２）３°≦θ≦８°、かつ、１５ｍｍ≦Ｌ３≦１５０ｍｍ
（３）４°≦θ≦７°、かつ、１５ｍｍ≦Ｌ３≦２００ｍｍ
つまり、表１から、上記の３つの組み合わせ（１）〜（３）によれば、位置４において負圧部が形成されることが分かる。また、表１から、角度θが３°〜８°であれば、微細気泡発生器の小型化を図ることができる円錐状管径部７の長さＬ３の範囲である１５ｍｍ≦Ｌ３≦６０ｍｍのすべてにおいて負圧部が形成されることが分かる。

また、図４は、本願の発明者らが行なったシミュレーション結果の一例であって、小径流路２ａの長さＬ２と位置４における圧力との関係を示す。

本シミュレーションでは、Ｄ１＝２０ｍｍ、Ｄ２＝４ｍｍ、Ｌ３＝４０ｍｍ、θ＝４°である。図４から、小径流路２ａの長さＬ２が１ｍｍ≦Ｌ２≦１５ｍｍである場合に、負圧部が形成されることが分かる。

また、角度θと円錐状流路７ａの長さＬ３との組み合わせが３°≦θ≦８°かつ１５ｍｍ≦Ｌ３≦６０ｍｍである場合においても、小径流路２ａの長さＬ２が１ｍｍ≦Ｌ２≦１５ｍｍであれば、負圧部が形成されることが確認された。

また、表２は、本願の発明者らが行なった実験の結果である。

本実験においては、Ｌ２＝５ｍｍ、θ＝４°、Ｌ３＝４０ｍｍであり、日本電産シバウラ製ポンプ（型番ＦＰＭＰ−Ａ００５ＷＲＥＺ、吐出圧力０．０５ＭＰａ）が用いられ、微細気泡発生器に液体が送り込まれた。

表２は、大管径部１の内径Ｄ１が４ｍｍ〜２０ｍｍであり、大管径部１の内径Ｄ２が４ｍｍ〜６ｍｍであるときの内径Ｄ１および内径Ｄ２の組み合わせのそれぞれのキャビテーションの発生の有無を示している。表２においては、キャビテーションが発生したＤ１およびＤ２の組み合わせには○が付され、キャビテーションが発生しなかった内径Ｄ１および内径Ｄ２の組み合わせには×が付されている。

表２から、大管径部１は、Ｄ１≧Ｄ２＋２ｍｍという関係が成立するものであることが望ましいことが分かる。これは、大管径部１と小管径部２との間の段差の影響によって液体の流れに剥離が生じる効果が顕著になり、キャビテーションが発生し易くなるためである。したがって、大管径部１がＤ１≧Ｄ２＋２ｍｍという条件を満足させるものであれば、キャビテーションの発生のために必要なポンプ動力を低減することができる。

そのため、大管径部１の内径Ｄ１の下限値および小管径部２の内径Ｄ２の上限値は、Ｄ１≧Ｄ２＋２ｍｍという関係が成立するように設定されている。

また、角度θと円錐状流路７ａの長さＬ３との組み合わせが３°≦θ≦８°および１５ｍｍ≦Ｌ３≦６０ｍｍである場合においても、大管径部１がＤ１≧Ｄ２＋２ｍｍという条件を満足させる形状であれば、キャビテーションが発生し易くなることが確認された。

また、ポンプの吐出圧が一定であるという条件の下では、小径流路２ａの内径Ｄ２が小さいほど、小径流路２ａ内の流体の平均速度が大きくなり、キャビテーションが発生し易くなる。小径流路２ａの内径Ｄ２を大きくすると、大径流路１ａと小径流路２ａとの界面に位置する角部３の近傍の流体抵抗および小径流路２ａでの流体抵抗が低下する。そのため、流路全体の液体の流速が上昇する。しかしながら、小径流路２ａの断面積が大きくなることにより、小径流路２ａ内の液体の流速は低下する。

また、Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｌ２＝５ｍｍ、Ｌ３＝４０ｍｍ、θ＝４°という条件の下で、民生機器へ搭載可能な性能のポンプである前述の日本電産シバウラ製ポンプが用いられ、大管径部１の内径Ｄ２の上限値が実験によって求められた。その結果が、表３に示されている。

表３は、小径流路２ａにおける流体の平均速度ｖとキャビテーションの発生との関係を示している。キャビテーションが発生する液体の平均速度ｖには○が付され、キャビテーションが発生しない液体の平均速度ｖには×が付されている。

表３から、液体の平均速度が１１ｍ／ｓ以上であれば、キャビテーションが発生することが分かる。したがって、大管径部１の内径Ｄ１の上限値は、小径流路２ａにおける液体の平均速度が１１ｍ／ｓ以上になるように設定されていることが望ましい。これにより、キャビテーション発生を促進することができる。

また、角度θと円錐状流路７ａの長さＬ３との組み合わせが３°≦θ≦８°かつ１５ｍｍ≦Ｌ３≦６０ｍｍである場合にも、大管径部１の内径Ｄ１の上限値は、小径流路２ａにおける液体の平均速度が１１ｍ／ｓ以上になるように設定されていれば、キャビテーションは発生し易いことが確認された。

また、小管径部２の内径Ｄ２が１ｍｍ以上であることが望ましい。なぜならば、小径流路２ａの径があまり小さいと、流体抵抗の増加に起因して流体の速度が低下してしまうために、キャビテーションが発生しなくなったり、異物が流路に詰まったりするためである。

また、角度θと円錐状流路７ａの長さＬ３との組み合わせが３°≦θ≦８°かつ１５ｍｍ≦Ｌ３≦６０ｍｍである場合においても、小管径部２の内径Ｄ２が１ｍｍ以上であれば、キャビテーションが発生しなくなったり、異物が小管径部２に詰まったりすることを防止することができることが確認された。

また、図５に示されるように、小径流路２ａを構成する円柱状の空間が大径流路１ａを構成する円柱状の空間に入り込むように、角部３が、大径流路１ａを構成する円柱状の空間内において延びており、微細気泡発生器１００の縦断面において、角部３の外周面と液体が流れる方向とがなす角度は１０°以上であってもよい。

前述のように、微細気泡発生器１００は角部３を有するために、キャビテーションを容易に発生させることができる。しかしながら、この角部３の角度αが１０°以下である場合には、角部３の長さｌに対する角部３の根元の厚さｔの比が１／５以下であるため、角部３の強度が極めて小さくなる。したがって、角部３の角度αは１０°〜９０°であることが望ましい。

また、図６に示されるように、小管径部２は、小径流路２ａへ気体を導くように、小径流路２ａと外部空間とを連通させる気体導入孔３５を有していることが望ましい。

前述のように、気泡は、キャビテーションに起因して発生し、その下流において、膨張して、その体積が増加する。つまり、小径流路２ａにおける液体は、負圧状態になっている。そのため、気体導入孔３５によって外部空間と小径流路２ａとを連通させれば、小径流路２ａにおける液体の圧力は、算術平均において従来技術の微細気泡発生器１００内の圧力よりも小さくなるため、外部空間から小径流路２ａへ気体を容易に導くことができる。したがって、小径流路２ａを流れる液体の流量が小さくても、液体中に気体を導くことができる。その結果、従来技術の微細気泡発生器１００に比較して、小さいエネルギーで微細気泡発生器１００の機能を発揮させることができる。

また、図７〜図１０、および図１２に示されるように、気体導入孔４５および５５のいずれもが、小管径部２の端面２ｂと小管径部２の端面２ｂから下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間に位置に接続されている。角部３の近傍の角部３の下流においては、負圧部が形成されている。そのため、前述の構成によれば、より小さい流量で気体を小径流路２ａへ導くことができる。したがって、エネルギー消費量を低減させることができる。

また、気体導入孔５５の径が大き過ぎると、必要以上に多量の気体が小径流路２ａへ導かれてしまうため、液体中において、微細気泡が発生せずに、大気泡が発生してしまう。そのため、気体導入孔５５の径は、ある程度小さいことが必要である。しかしながら、数ｍ以上離れた位置から配管５６を通じて気体が気体導入孔５５に導かれる場合には、気体導入孔５５の径が小さければ、配管５６の内径も小さいために配管５６の流路抵抗が大きくなり、その結果、十分な気体が小径流路２ａ内へ導かれない。そのため、図８に示されるように、気体導入孔５５の径が、小管径部２から外部空間に向かって段階的に大きくなっていることが望ましい。つまり、気体導入孔５５は、相対的に小さい径を有し小径流路２ａに連通する部分と、相対的の大きな径を有し外部空間に連通し得る部分とを有していることが望ましい。この場合、外部空間に連通し得る部分に比較的大きな径を有する配管５６が挿入される。その結果、気体導入孔５５の径が０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度で軸方向に沿って同一径であっても、配管５６内の流路抵抗が小さくなるため、十分な量の気体が小径流路２ａへ導かれる。

また、図８に示される構造において、肉厚１ｍｍの配管５６が気体導入孔５５を延長するために用いられることが考えられる。この場合、微細気泡発生器１００と配管５６との接合部７０の面積が小さい。そのため、配管５６が数ｍもの長さを有する場合には、接合部７０が損傷してしまうという問題が生じる。また、この配管５６においては、内径のみならず、外径も小さい。そのため、配管５６の曲げモーメントに対する強度は小さい。したがって、配管５６が折れ曲がってしまうという問題が生じてしまう。

そこで、図９に示されるように、気体導入孔５５の径が外部空間へ向かうにしたがって徐々に大きくなっていてもよい。この場合、気体導入孔５５は、外部空間に近い位置では、比較的大きな径を有する。そのため、外部空間に向かって徐々に大きくなる外径を有する配管５６が小径流路２ａに到達する程度にまで気体導入孔５５内に挿入される。これによれば、配管５６の外径が大きくなるため、配管５６の曲げモーメントに対する強度が大きくなるとともに、接合部７０の長さおよび面積が大きくなるため、接合部７０の強度が大きくなる。

なお、気体導入孔５５に配管５６を挿入する場合には、フレア継手等を用いれば、気体導入孔５５と配管５６とを接続することが容易になる。また、配管５６は、小管径部２に設けられた孔に挿入され、接着剤等によって小管径部２に固定されていてもよい。

また、図８または図９に示されるように、配管５６には、気体を通過させる開状態および気体を通過させない閉状態のいずれかに変化し得る開閉弁５７が設けられていることが望ましい。

上記の構成によれば、小径流路２ａにおいて生じるキャビテーションを利用して微細気泡を発生させる方法および外部空間から小径流路２ａへ気体を導く方法のいずれを用いるのかを、開閉弁５７の開閉動作によって選択することができる。すなわち、開閉弁５７が閉じられているときには、小径流路２ａにおいて生じるキャビテーションを利用して気泡を発生させることができ、一方、開閉弁５７が開かれているときには、それぞれ、外部空間から小径流路２ａへ導かれる気体を利用して気泡を発生させることができる。

また、開閉弁５７は、通過する気体の量を制御することが可能な流量調整弁として機能してもよい。これによれば、前述の開閉弁５７の開閉動作によって得られる効果に加えて、外部空間から小径流路２ａへ導かれる気体の量を調節することができる。

また、図１０および図１１に示されるように、微細気泡発生器１００は、小径流路２ａ以外の流路を形成する配管であって、大径流路１ａと円錐状流路７ａとを連通させる連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄをさらに備えていることが望ましい。

微細気泡発生器１００においては、円錐状流路７ａにおける液体の圧力勾配が大きくなるにつれて、気泡を粉砕する破壊エネルギーが大きくなるため、多量の微細気泡が発生し易くなる。

したがって、液体は、ポンプによって圧力エネルギーが与えられ、大径流路１ａから円錐状流路７ａへ直接的に流れるため、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有しない場合に比較して、円錐状流路７ａの圧力が増加する。その結果、多量の微細気泡を発生させることができる。

また、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄのそれぞれの内径は、０．１ｍｍ〜２ｍｍであることが望ましい。円錐状流路７ａと大径流路１ａとが、内径が大きな連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを通じて連通されると、大径流路１ａを流れる液体の圧力が円錐状流路７ａを流れる液体へ伝達され易くなる。そのため、大径流路１ａにおける液体の圧力が直接的に円錐状流路７ａにおける液体に加えられる。その結果、大径流路１ａにおける液体の圧力と円錐状流路７ａにおける液体の圧力とが、同一、すなわち平衡状態になる。その結果、液体が小径流路２ａを通過することができないという問題が発生する。そこで、本実施の形態の微細気泡発生器１００においては、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとして、たとえば、内径が０．１ｍｍ〜２ｍｍであるいわゆるキャピラリーチューブ等が用いられる。キャピラリーチューブの内径は小さいため、その圧力損失が大きい。したがって、多量の液体は流れないが、大径流路１ａにおける液体の圧力よりも低い圧力が円錐状流路７ａにおける液体に作用する。その結果、小径流路２ａにおける液体の
流れが停止してしまうことが防止される。

また、微細気泡発生器１００は、複数の連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを備えていれば、微細気泡発生器１００の液体の流れ方向に垂直な横断面における液体の圧力分布の偏りを低減することができる。その結果、多量の微細気泡の径の均一化を図ることができる。

ただし、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが配管系の圧力損失の少ない配管で構成されている場合には、円錐状流路７ａを流れる液体の圧力と大管径部１を流れる液体の圧力とが等しくなり、小管径部２を液体が通過しなくなってしまうという問題が生じる。

この問題を解決するために、本実施の形態においては、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの内径がφ０．１ｍｍ〜φ２ｍｍという極めて小さい値に設定されている。これによれば、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ内の液体の圧力損失が小管径部２内の液体の圧力より大きくなる。そのため、ほとんどの液体が小管径部２を通過する。つまり、連通管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、小径流路２ａを通過する液体の流れを阻害せずに、単に圧力を伝達するためだけの役割を果たす。その結果、多量の小径の気泡が生成される。図１０〜図１２には、複数の連通管を有する微細気泡発生器１００が示されているが、１本の連通管のみを有する微細気泡発生器によっても、前述の効果と同様の効果を得ることができる。ただし、図１０〜図１２に示されるように、複数の連通管を有する微細気泡発生器によれば、横断面における圧力分布の偏りを抑制することができる。

また、図１０〜図１２に示されるように、連通管１０ａと連通管１０ｃとが、および、連通管１０ｂと連通管１０ｄとが、それぞれ、大管径部１、小管径部２、および円錐状管径部７が介在する状態で、対向するように設けられていることが望ましい。より具体的には、連通管１０ａと連通管１０ｂとが鏡面対称に設けられており、連通管１０ｃと連通管１０ｄとが鏡面対称に設けられていることが望ましい。これによれば、前述の圧力分布の偏りの低減効果を向上させることができる。その結果、多量の微細気泡の径をより一層均一にすることができる。

また、図１２に示されているように、開閉弁１００ａおよび１００ｂがそれぞれ連通管１０ａおよび１０ｂに設けられていれば、開閉弁１００ａおよび１００ｂの開度を調整することによって、連通管１０ａおよび１０ｂの配管抵抗を調整することができる。その結果、微細気泡発生器１００内の液体の圧力勾配を調整することができる。したがって、微細気泡の直径を制御することができる。

また、開閉弁１００ａおよび１００ｂは、その開度が調節され得るものであれば、連通管１０ａおよび１０ｂを通過する液体の圧力損失を調整することができる。そのため、微細気泡の径を制御することができる。

また、図１３に示されているように、円錐状管径部７から所定の距離をおいて遮蔽部材８０が設けられていてもよい。この遮蔽部材８０は、円錐状流路７ａから吐き出される液体が衝突する位置に設けられた円盤状部材である。したがって、流体の流れが遮蔽部材８０によって妨げられる。この構成によれば、円盤状の遮蔽部材８０が設けられていない場合に比較して、円錐状流路７ａの最下流の位置の液体の圧力が高くなる。その結果、小径流路２ａから円錐状流路７ａの終端までの圧力勾配が急峻になる。したがって、気泡を粉砕する破壊エネルギーが大きくなる。故に、気泡が多数の微細気泡へ細分化される。これによれば、微細気泡の径を小さくすることができる。なお、発生した微細気泡は、矢印１６で示されるように、円錐状管径部７と遮蔽部材８０との間の隙間から円錐状流路７ａの径方向に吐出される。

また、図１４に示されるように、円錐状管径部７の端面には、複数の支柱８２が接続されていていてもよい。複数の支柱８２は、液体の流れの方向に沿って延びている。この場合、複数の支柱８２のそれぞれの端面には、貫通孔８１を有する円盤状の遮蔽部材８０が取り付けられている。これによれば、遮蔽部材８０は円錐状流路７ａから所定の距離を隔てて設けられている。そのため、図１３に示される構造と同様に、流体の流れが遮蔽部材８０によって妨げられる。その結果、遮蔽部材８０が設けられていない場合に比較して、円錐状流路７ａの最下流部分の圧力が高くなる。それにより、小径流路２ａから円錐状流路７ａの終端までの圧力勾配が急峻になる。したがって、気泡を粉砕する破壊エネルギーが大きくなる。故に、気泡が多数の微細気泡へ細分化される。これによれば、微細気泡の径を小さくすることができる。

なお、発生した微細気泡は複数の支柱８２同士の間の隙間および貫通孔８１を通じて外部空間へ吐出される。また、前述の構成によれば、支柱８２同士の間の隙間の大きさを変更することにより、流体の圧力の勾配を調節することができる。その結果、微細気泡の径を制御することができる。さらに、遮蔽部材８０は貫通孔８１を有しているため、発生した微細気泡を微細気泡発生器内の液体の流れに沿って吐出することができる。なお、貫通孔８１が形成されている場合には、上記の支柱８２同士の間の隙間を設けなくても、貫通孔８１から流体を外部へ吐出することが可能である。貫通孔８１の径を調節することにより、円錐状流路７ａにおける液体の圧力勾配を調節することができる。これにより、微細気泡の径を制御することができる。

また、図１５に示されているように、小管径部２の内周面２ｃに突起８３が設けられていてもよい。これにより、小径流路２ａにおいて突起８３の表面に沿った流れが生じる。これによっても、突起８３の近傍で液体の流れの剥離が促進される。その結果、キャビテーションの発生のために必要な流体の流量を低減することができる。

また、本実施の形態の微細気泡発生器によれば、小径流路２ａにおいて発生した気泡が円錐状流路７ａにおいて微細気泡に粉砕される。このとき、気泡粉砕による壊食が発生し、大管径部１の内周面、小管径部２の内周面、および円錐状管径部７の内周面が壊食によって削られ変形する。それにより、微細気泡発生器１００に孔が開いてしまう。その結果、漏水が生じてしまう。そのため、微細気泡発生器１００内でキャビテーションが生じなくなるという問題が発生することが懸念される。

しかしながら、上記の構成によれば、仮に、壊食の発生等によって、大管径部１、小管径部２、および円錐状管径部７のいずれかが損傷してしまっても、破壊された部分のみを同一の構造を有する新たな部分に交換しさえすれば、再び微細気泡発生器１００を形成することができる。

そのため、図１および図５〜図１５に示されるように、微細気泡発生器１００は、大管径部１、小管径部２、および円錐状管径部７のうちの少なくともいずれか１つの部分が他の部分から分離され得るように構成されている。つまり、微細気泡発生器１００は、大管径部１、小管径部２、および円錐状管径部７の３つの部分からなっていれば、仮に、侵食の発生等によって、それらの形状が変化しても、侵食が発生した部分のみ、たとえば円錐状管径部７のみを交換すれば、微細気泡発生器１００全体の機能を回復させることができる。したがって、低コストで、効率的な部材交換を行なうことができる。

また、大管径部１、小管径部２、および円錐状管径部７のうちの少なくともいずれか１つの部分の材料が、他の部分の材料とは異なっていてもよい。たとえば、壊食によって削られ易い部分である円錐状管径部７が、壊食に対して強い樹脂または金属(ステンレス材
等)で形成されていれば、壊食による微細気泡発生器１００の変形を抑制することができ
る。

たとえば、円錐状管径部７が、壊食が発生するポンプのインペラー部に用いられている樹脂材等によって形成されていれば、その侵食を抑制することができるため、微細気泡発生器１００の寿命を延ばすことができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれていることが意図される。

実施の形態１の微細気泡発生器を示す図である。 角部の流体の圧力と角度θとの関係を示すグラフである。 角度θと円錐状流路の長さＬ３と角部の近傍の流体の圧力との関係を示すグラフである。 角度θと円錐状流路の長さＬ２と角部の近傍の流体の圧力との関係を示すグラフである。 実施の形態２の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態３の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態４の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態５の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態６の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態７の微細気泡発生器を示す図である。 図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。 実施の形態８の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態９の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態１０の微細気泡発生器を示す図である。 実施の形態１１の微細気泡発生器を示す図である。

符号の説明

１ａ 大径流路、１ 大管径部、２ｃ 内周面、２ａ 小径流路、２ 小管径部、２ｂ
端面、３ 角部、４ 位置、７ａ 円錐状流路、７ 円錐状管径部、７ｂ 母線、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 連通管、３５，４５，５５ 気体導入孔、５６ 配管、５７ 開閉弁、７０ 接合部、１００ 微細気泡発生器、１００ａ，１００ｂ 開閉弁、Ｘ
中心軸、α，θ 角度、Ｄ１，Ｄ２ 内径、Ｌ２ 小管径流路の長さ、Ｌ３ 円錐状流路の長さ、８０ 遮蔽部材、８１ 貫通孔、８２ 支柱、８３ 突起。

Claims (26)

1. 相対的に大きな径の円柱状の大径流路を形成する大管径部と、
   前記大径流路に連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路を形成する小管径部と、
   前記小径流路に連通しておりかつ前記小径流路から徐々に径が大きくなる円錐状流路を形成する円錐状管径部とを備えた微細気泡発生器であって、
   前記小管径部の端面と前記小管径部の内周面とが当該微細気泡発生器の縦断面において角部を構成し、前記小管径部の端面が前記大径流路に接触している、微細気泡発生器。
2. 前記円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が１．５°〜９°である円錐状の空間である、請求項１に記載の微細気泡発生器。
3. 前記円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が３°〜８°である円錐状の空間である、請求項２に記載の微細気泡発生器。
4. 前記円錐状流路の長さが、１５ｍｍ以上かつ２００ｍｍ以下である、請求項１に記載の微細気泡発生器。
5. 前記小径流路の長さが、１ｍｍ以上かつ１５ｍｍ以下である、請求項１に記載の微細気泡発生器。
6. 前記大径流路の内径が前記小径流路の内径よりも２ｍｍ以上大きい、請求項１に記載の微細気泡発生器。
7. 前記小径流路の内径が、前記小径流路における流体の平均速度が１１ｍ／ｓ以上になるように設定されている、請求項１に記載の微細気泡発生器。
8. 前記小径流路の内径が１ｍｍ以上である、請求項１に記載の微細気泡発生器。
9. 前記小径流路を構成する円柱状の空間が前記大径流路を構成する円柱状の空間に入り込むように、前記角部が、前記大径流路を構成する円柱状の空間内において延びており、
   当該微細気泡発生器の縦断面において、前記角部の外周面と液体が流れる方向とがなす角度は１０°以上である、請求項１に記載の微細気泡発生器。
10. 前記小管径部は、前記小径流路へ気体を導くように、前記小径流路と外部空間とを連通させる気体導入孔を有している、請求項１に記載の微細気泡発生器。
11. 前記気体導入孔は、前記小管径部の端面と該小管径部の端面から下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置に接続された、請求項１０に記載の微細気泡発生器。
12. 前記気体導入孔の径が、前記小管径部から外部空間に向かって段階的に大きくなっている、請求項１１に記載の微細気泡発生器。
13. 前記気体導入孔の内径が、前記小管径部から外部空間に向かって徐々に大きくなっている、請求項１１に記載の微細気泡発生器。
14. 前記気体導入孔には、気体吸入用の配管が接続されており、
    前記配管には、気体を通過させる開状態および気体を通過させない閉状態のいずれかに変化し得る開閉弁が設けられている、請求項１２または１３に記載の微細気泡発生器。
15. 前記気体導入孔には、気体吸入用の配管が接続されており、
    前記配管には、通過する気体の量を制御することが可能な流量調整弁が設けられている、請求項１２または１３に記載の微細気泡発生器。
16. 前記小径流路以外に前記大径流路と前記円錐状流路とを連通させる連通管をさらに備えた、請求項１に記載の微細気泡発生器。
17. 前記連通管の内径は、０．１ｍｍ〜２ｍｍである、請求項１６に記載の微細気泡発生器。
18. 前記連通管とは異なる１または２以上の他の連通管をさらに備えた、請求項１６に記載の微細気泡発生器。
19. 前記連通管と該連通管とは異なる１または２以上の他の連通管とが前記小管径部が介在する状態で対向するように設けられた、請求項１６に記載の微細気泡発生器。
20. 前記連通管に弁が設けられた、請求項１６に記載の微細気泡発生器。
21. 前記他の連通管に弁が設けられた、請求項１８に記載の微細気泡発生器。
22. 前記円錐状管径部から所定の距離をおいた位置に設けられた遮蔽部材をさらに備えた、請求項１に記載の微細気泡発生器。
23. 貫通孔を有し、前記円錐状管径部の下流に設けられた遮蔽部材をさらに備えた、請求項１に記載の微細気泡発生器。
24. 前記小管径部は、その内周面に突起を有する、請求項１に記載の微細気泡発生器。
25. 前記大管径部、前記小管径部、および前記円錐状管径部のうちの少なくともいずれか１つの部分が他の部分から分離され得る、請求項１に記載の微細気泡発生器。
26. 前記大管径部、前記小管径部、および前記円錐状管径部のうちの少なくともいずれか１つの部分の材料が、他の部分の材料とは異なっている、請求項１に記載の微細気泡発生器。

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