JP2010201400A - 散気装置及び気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】界面活性剤等の薬剤を添加することなく、直径が略１００μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下の微細な気泡を、動力を大幅に低減させつつ大量に発生させることができ、かつ容易に製造できるようにする。
【解決手段】散気装置１２は、気体室１６と、該気体室１６へ気体を流入させる気体流入管１８と、流入した気体を気体室１６から外部の流動液体中へ気泡として散気して流出させる散気部２４とを備え、散気部２４には、平面状の散気部表面から外方に突出し内部に軸方向に貫通する散気孔２８ａを有する複数の散気管２８が設けられ、散気管２８の前記散気部表面から先端部までの突出長さＬは、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、水等の液体中に空気等の気体を微細な数多くの気泡にして分散させる気泡発生装置及び該気泡発生装置に使用される散気装置に関する。本発明の気泡発生装置は、例えば水処理槽、河川、湖沼または養殖用水槽等で使用することにより、水中の溶存酸素量を高めて水質を改善し、種々の有用な生物が繁殖しやすくしたり、有益な気体を溶解させた液体を製造したり、また、液体中に混合している浮遊物に微細な気泡を付着させ浮遊物を浮上させて分離するのに用いられる。

液体中に微細気泡を発生させる気泡発生装置として、例えば、液体をポンプで気体溶解装置に供給して加圧するとともに、気体を液体に混入して溶解させた後に、吐出ノズルに設けた多孔質部材や多孔板によって、液体を急激に減圧させて微細気泡を発生させるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。これは、非常に微細な気泡を大量に発生させることが可能な方法である。しかし、気体を混入した液体を高圧にするために、非常に大きな動力が必要になる。

また、液体をポンプで気泡発生装置に供給して該気泡発生装置のケーシング内で高速の旋回流を作り、上記液体旋回流の中に気体を導入し、旋回流の中心で気体を剪断して、微細気泡を発生させるようにしたものも提案されている（特許文献２参照）。これは、微細気泡が混在する液体を得るために、液体の旋回流により気体を剪断して気泡を微細化するという技術である。この方法によれば、微細気泡が混在した液体を直接的に得ることができる。しかし、気体を液体に混入して溶解させた後に急減圧して気泡を発生させる前述の方法より、微細気泡の発生量が少ない。また、液体に高速な旋回流を発生させるために、液体をかなり加圧しているため、大きな動力が必要になる。

また、液体用管路中に突起を設け、気泡を混入した液体を突起に衝突させ、その際発生する剪断流によって気泡を剪断して、微細気泡を発生させるようにした気泡発生装置も提案されている（特許文献３参照）。この方法も、微細気泡が混在した液体を直接的に得ることができる。しかし、気体を液体に混入して溶解させた後に急減圧して気泡を発生させる前述の方法より、微細気泡の発生量が少ない。また、水路中の突起物に気泡を混入した液体を衝突させる際に大きな損失が発生するため、液体をかなり加圧する必要があり、大きな動力が必要になる。

また、液体中に微細気泡を発生させるための気泡発生装置として、中空で、少なくとも一面に微細な散気孔を有する多孔質散気板、微細な散気孔の開いた散気板、または微細な散気孔の開いた散気膜等を取付けた散気装置（散気部）を備え、この散気部を散気槽（処理槽）内の液体中へ浸漬させて配置したり、液体用管路の液体中に浸漬させて該流体の流れ方向に沿って配置したりした構造にして、散気装置の内部に導入した気体を微細な散気孔から流れのある液体に気泡として散気させるようにしたものが一般に知られている（特許文献４、特許文献５及び特許文献６参照）。これらは、散気孔から吐出される気体を、気泡の浮力と液体の流れにより剪断することで、微細気泡を発生させる方法である。これらの方法では、液体が通る流路に大きな損失を起させる構造があまり無いため、他の方法より液体を高圧にする必要がなく、他の方法よりもより少ないエネルギーで気泡を発生させることができる。

しかし、上記の方法のうち、多孔質散気板から吐出した気体を液体の流れで剪断して微細気泡を発生させる方法では、多孔質散気板から気体が吐出される際に気泡同士が合体してしまうため、そのままでは大きな気泡になってしまう。従って、この場合には、例えば液体中に界面活性剤を添加する等の処置をしないと、微細気泡を発生させることが極めて困難となる。

一方、多孔質散気板に代えて、多数の散気孔の開いた散気板や散気膜の該散気孔から気体を吐出す方法で非常に微細な気泡を発生させるためには、散気孔の孔径を非常に小さくする必要がある。孔径が非常に小さな多数の散気孔の開いた散気板を用いる場合、非常に多くの微細な散気孔の加工は容易ではなく、しかも散気孔の目詰まりの発生が問題となる。

そこで、針等で散気孔となる孔を開けた樹脂膜製の酸化膜の該孔（散気孔）から気体を液体中に散気する方法が多く採用されている。即ち、一定の弾性を有しかつ金属板などと比較して加工も容易な樹脂膜を使用し、これに針等で孔（散気孔）を開けることにより、多数の孔を容易に開けることが可能になるうえ、気体に圧力を印加していないときの孔径を小さくして実質的に孔を塞ぐことができる。従って、気体に必要な圧力を印加して散気するときにだけ孔（散気孔）が開き、散気を中止すべく気体の圧力を下げると孔が塞がるため、孔（散気孔）の目詰りの発生が少なくなる。そのため樹脂膜に針等で散気孔となる孔を開けて散気膜を形成する方法は広く採用されている。しかし、従来の散気膜を使用した気泡発生装置では、発生する気泡の径を十分に小さくすることができなかった。

更に、液体中に突出した注射針の孔から気体を吐出させ、液体に超音波を掛けて微細気泡を発生させる方法が知られている（特許文献７及び非特許文献１参照）。この方法によっても、微細気泡を発生させることが可能である。しかし、超音波を発生させる機構が必要で構造的に複雑になるばかりでなく、超音波を発生させるための動力が必要となって効率が悪い。

特開２００３−２６５９３８号公報 特開２００３−１８１２５８号公報 特開平９−１５００４４号公報 特開２０００−２０５２００号公報 特開平８−２３０７６２号公報 特開平８−２２５０９４号公報 特開２００２−１１３３４０号公報

ECO INDUSTRY, Vol.11, No.3, (2006), 31-35

微細気泡は、例えば下水処理槽や河川水、湖沼水の浄化用水槽、養殖用水槽等において、空気を水に溶解して水を浄化するために利用されたり、液体中に含まれる浮遊物に微細気泡を付けて、浮遊物を浮上させて分離したりするために利用されるが、この場合に用いられる微細気泡は、その直径が１００μｍ以下、好ましくは５０〜６０μｍ以下であることが効果的である。

微細気泡による所望の効果を好適に得るためには、微細気泡直径の最大値を一定限度以下に抑えることができる技術が開発できればそれで十分といえる。即ち、微細気泡の直径の下限値をある一定寸法以上にする技術をわざわざ開発しなくても良い。なぜなら、相対的に小動力で簡素な構成の気泡発生装置では、大径の気泡は製造し易い一方で、小径の気泡は一般に製造困難であり、しかも小径の気泡が自然に集合して大径の気泡になることはあっても、大径の気泡が自然に小径の気泡になることはないからである。即ち、小径の気泡が製造できればそれよりも大きい気泡の製造は容易である。

気体を含む液体を加圧して気体を液体に溶解させた後に、吐出ノズルに設けた多孔質部材や多孔板によって液体を急激に減圧させて微細気泡を発生させる方法や、液体に旋回流を作り、上記液体旋回流の中に気体を導入し、旋回流の中心で気体を剪断して微細気泡を発生させる方法、更には、気泡を混入した液体を突起に衝突させて、その際発生する剪断流によって気泡を剪断して微細気泡を発生させる方法は、いずれも大きな動力を必要とする。また多孔質散気板から気体を吐出して液体の流れで微細気泡を発生させる方法では、気泡が合体して大きい気泡になってしまう。

一方、微細な孔加工がなされた散気板や散気膜等の孔（散気孔）から気体を吐出し、液体の流れによって気体を剪断して微細気泡を発生させる方法は、上記の方法と比較して気泡発生の動力が少なくて済む。しかし、微細な散気孔から気泡を発生するとき、発生する気泡を小さくするためには、散気孔の孔径を十分に小さく加工する必要がある。

従来の散気膜を使用した気泡発生装置では、気泡発生に必要な動力が少なく、しかも気泡を発生させないときは気泡を発生させる孔（散気孔）が殆ど塞がり、目詰まりを起しにくいうえ、細い針などで孔を開けることができるので、散気膜の製作が容易であるという長所がある。

しかし、発生する気泡を小さくするために、散気孔となる孔の径を小さく製作すると、気体吐出し時の圧力損失が大きくなって、気体側の吐出圧を大きくする必要があり、必要動力が増加してしまう。更に、気泡を発生させるために、単に気体の圧力を上昇させただけでは、この上昇する圧力によって、樹脂膜等からなる散気膜が大きく引き伸ばされて、孔（散気孔）が所望の大きさよりも大きくなる。このため、発生する気泡の半径を、例えば５０μｍ以下（直径１００μｍ以下）にすることが極めて困難であり、結果として上記の望ましい大きさの気泡を十分な量だけ発生させることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、界面活性剤等の薬剤を添加することなく、直径が略１００μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下の微細な気泡を大量に発生させることができ、同程度の大きさの気泡を発生させる従来方式の気泡発生装置より気泡発生動力を大幅に低減でき、かつ容易に製造できる気泡発生装置及び該気泡発生装置に用いられる散気装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、気体室と、該気体室へ気体を流入させる気体流入管と、流入した気体を気体室から外部の流動液体中へ気泡として散気して流出させる散気部とを備えた散気装置であって、前記散気部には、平面状の散気部表面から外方に突出し内部に散気孔を有する複数の散気管が設けられ、前記散気管の前記散気部表面から先端部までの突出長さは、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする散気装置である。

散気部表面から先端部までの突出長さが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で、内部に散気孔を有する複数の散気管を備え、散気孔の孔径を、好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下とすることで、気体流入管から気体室に導入された気体を、散気管の散気孔を経由させて、散気装置の外部の流動流体中に、直径１００μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下の気泡として散気させることができる。散気管は、散気孔の長さに対して内径（散気孔の孔径）が非常に小さいため、例えば樹脂または金属を引き伸ばすことによって製作することが好ましい。また散気管から出た微細気泡が互いに合体しないようにするため、散気管を相互に間隔を空けて配置することが好ましい。

請求項２に記載の発明は、前記散気管は、前記散気部表面を形成する表面板よりも縦弾性係数が小さい材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の散気装置である。

散気管内部に微細な孔径の散気孔が形成されるが、散気管を、表面板とは別の材料であって表面板よりも縦弾性係数が小さい材料、更に好ましくは加工が容易な材料、例えば延性・展性に優れた金属や樹脂を用いて引抜加工などで形成することにより、内部に散気孔を備えた散気管の製作が容易になる。また、表面板の材料として、縦弾性係数の大きい材料を用いることができ、これによって、散気のために気体室内圧が高くなっても当該圧力による表面板平面の垂直方向の変形量を小さい値に抑えることができる。

請求項３に記載の発明は、前記散気管は、前記気体室側端部において、前記表面板と押え部材との間に挟持して固定されていることを特徴とする請求項２に記載の散気装置である。

このように、散気管を表面板とは別の材料を用いて製作した場合であっても、例えば散気管の気体室側の端部外径を表面板に形成された貫通孔の内径よりも大きく形成し、前記散気管の端部を表面板と押え部材（例えば押え板）との間で挟持して散気管を固定することで、散気管と表面板とを接着剤等で固着する必要がなくなり、散気管を機械的に確実に支持、固定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項1乃至３のいずれか一項に記載の散気装置を複数備え、前記散気装置の散気部を互いに平行にして該散気装置を液体通路中に設置したことを特徴とする気泡発生装置である。

前記散気部の平面部即ち多孔板を、縦弾性係数の大きい材料で形成することにより、散気のための圧力が気体室に印加しても、散気部の多孔板面と垂直方向の変位を小さい値に抑えることができるから、複数の散気装置を液体の流路中に配設して、気泡発生装置を構成する際に、それぞれの散気部が互いに平行に、換言すればそれぞれの散気部の平面部即ち多孔板が互いに平行になるように配置し、かつ各散気装置の散気部の相互間隔を狭めて配置しても、互いの散気部が接触する恐れが無くなる。従って、流動する液体の流路である例えば、液体用管路内や散気室内に散気装置を多数設置することが可能になり、狭い空間に気泡発生孔を大量に設けることが可能になるため、コンパクトな気泡発生装置で大量の微細な気泡を発生することが可能になる。

請求項５に記載の発明は、散気槽内の液体中に浸漬させて配置された請求項１乃至３のいずれか一項に記載の散気装置と、前記散気装置の散気部表面に沿って前記散気槽内の液体の流れを形成する液体流形成装置とを備えたことを特徴とする気泡発生装置である。

このように、散気槽内に散気装置を配置し、液体流形成装置を用いて散気装置の近傍においてのみ所要の液体流速が得られるように気泡発生装置を構成することにより、所望の気泡直径の微細気泡を発生させることができ、しかも散気槽内を周回する全体的な液体の流れの速度を低く抑えて、低い動力により微細気泡を発生させながら散気槽全体に微細気泡を行き渡らせることができる。

本発明によれば、微細気泡を低い動力で大量に発生させることができ、コンパクトで製作が容易な気泡発生装置及び該気泡発生装置に用いられる散気装置を提供できる。

本発明の実施形態の気泡発生装置の概要図である。 図１に示す気泡発生装置に備えられている散気装置の横断平面図である。 本発明の他の実施形態の気泡発生装置の概要図である。 本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す横断平面図である。 本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す横断平面図である。 本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す横断平面図である。 本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す横断平面図である。 散気孔を有する散気管を表面板の表面から１．２ｍｍ突き出した状態で等間隔で取付け、水路内の水の平均流速を４ｍ／ｓとし、散気孔から吐出す１本当たりの空気の流量を変化させたときに、水路内に分散している気泡の気泡直径分布の実験結果を示すグラフである。 散気孔を有する散気管を表面板の表面から１．２ｍｍ突き出した状態で等間隔で取付け、水路内の水の平均流速を５ｍ／ｓとし、散気孔から吐出す１本当たりの空気の流量を変化させたときに、水路内に分散している気泡の気泡直径分布の実験結果を示すグラフである。 微細気泡を生成させるための原理の説明に付する気泡発生装置の概要図である。 図１０に示す散気板の散気孔における気泡発生の力の釣合いの説明図である。 散気孔の内径及び散気管の散気部表面から先端部までの突出長さを変えたときの気泡直径と水路平均流速の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の各例において、同一部材または相当する部材には同一符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態の気泡発生装置の概要図で、図２は、図１に示す気泡発生装置に備えられている散気装置の横断平面図である。図１に示すように、気泡発生装置は、液体通路（液体用管路）１０の内部を流れる液体に浸漬させ、該液体の流れ方向に沿って互いに並列に配置された複数（図示では２つ）の散気装置１２を備えている。各散気装置１２は、断面形状が略翼形の散気部本体１４と、図示しないブロア等に接続され、散気部本体１４の内部に設けられた気体室１６（図２参照）に気体を流入させる気体流入管１８とを備えている。

散気部本体１４は、両側面に矩形状の開口部２０を備えたボックス状で、断面形状が略翼形の外殻２２を有し、この各開口部２０に散気部２４を取り付けることで、図２に示すように、内部に気体流入管１８の下端と連通する気体室１６が形成されている。散気装置１２は、図１に示すように、散気装置１２の散気部２４が互いに平行となるように、液体通路１０の内部に配置されている。

図２に示すように、各散気部２４は、縦弾性係数が大きく、印加される流体の圧力による変形量が小さな材料、例えばステンレス鋼板からなり、表面が平坦な表面板２６の内部に散気管２８を散点状に設けて構成されている。散気管２８は、縦弾性係数が表面板２６より小さく、更に好ましくは加工が容易な材料、例えば延性・展性に優れた金属や樹脂を用いて引抜加工等で製作され、散気管２８の内部には、軸方向に貫通する散気孔２８ａが設けられている。

このように、散気管２８を、表面板２６とは別の材料であって表面板２６よりも縦弾性係数が小さい材料、更に好ましくは加工が容易な材料、例えば延性・展性に優れた金属や樹脂を用いて引抜加工などで形成することにより、内部に散気孔２８ａを備えた散気管２８の製作が容易になる。また、表面板２６の材料として、縦弾性係数の大きい材料を用いることができ、これによって、散気のために気体室１６の内圧が高くなっても当該圧力による表面板２６の平面に垂直方向の変形量を小さい値に抑えることができる。

表面板２６の所定の位置には多数の貫通孔が設けられており、散気管２８は、表面板２６の貫通孔内に基部を位置させ、両者の間の隙間から気体が漏れないように、両者の間に接着剤３０を介在させて、散気管２８の一部が表面板２６の外方に突出するように表面板２６に固定され、これによって、散気部２４が構成されている。散気管２８の表面板２６の表面、つまり散気部２４の表面から先端までの突出長さＬは、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定されている。

液体流中に微細な散気孔から気体を排出して半径が５０μｍ以下の気泡を発生させる場合には、液体の流速が例えば数ｍ／ｓ程度とすると、散気孔２８ａの孔径を１０μｍ程度にする必要がある。このため、散気孔２８ａの孔径は、好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下である。

散気部２４は、外殻２２の開口部２０を塞ぐ位置に、散気部２４の周縁部と外殻２２の開口部２０の周囲に位置する部位との間に散気部２４と外殻２２との隙間から気体が漏れ出すのを防止する矩形枠状のシートパッキン３２を介装させつつ、外殻２２に取り付けられている。気体室１６と表面板２６とを一体構造にして、気体が漏れ出さないようにしてもよい。

これにより、気体流入管１８から気体室１６に導入された気体を、散気管２８の散気孔２８ａを経由させて、散気装置１２の外部の流動流体中に、直径１００μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下の気泡として散気させることができる。

散気管２８は、散気孔２８ａの長さに対して内径（散気孔２８ａの孔径）が非常に小さいため、例えば樹脂または金属を引き伸ばすことによって製作することが好ましい。また散気管２８から出た微細気泡が互いに合体しないようにするため、散気管２８を相互に間隔を空けて配置することが好ましい。このため、例えば表面板２６に適宜な間隔で多数の貫通孔を形成し、その貫通孔の位置に散気管２８を該貫通孔との間に隙間が生じないように組込んで散気部２４を構成すればよい。

この気泡発生装置によれば、例えばブロア等によって、気体流入管１８を通して、散気部本体１４内の気体室１６の内部に空気等の気体を供給する。すると、気体室１６内に導入された気体は、散気管２８の散気孔２８ａを通過した後、液体通路１０を流れる液体の力を受け、液体通路１０に沿って流れる液体中に気泡となって散気される。

この例のように、散気装置１２を複数個用意し、液体通路１０中に散気部２４が互いに平行になるように散気装置１２を設置して気泡発生装置を構成すれば、ある一つの散気部が他の散気部と接触する恐れがない。従って、液体通路１０中に散気装置１２を相互の間隔を狭めて複数個設置することが可能になり、狭い液体通路空間においても気泡発生孔を多数設けることが可能になるため、コンパクトな気泡発生装置で大量の微細な気泡を発生させることが可能になる。

また、散気装置１２の散気部２４の表面を、液体通路１０中に間隔を狭めてほぼ平行に並べることによって、散気部２４の表面に沿った液体の流れ状態をほぼ一定にすることができるため、気泡直径分布が広がりにくくなり、ほぼ一定の気泡直径の気泡を液体中に発生させることができ、大きな気泡の発生を抑えることが可能になる。

図３は、本発明の他の実施形態の気泡発生装置を示す。この例の気泡発生装置には、内部に液体（処理液）を溜めた散気槽４０の内部に該液体に浸漬させて配置された散気装置１２を備えている。散気装置１２は、散気部２４（図２参照）の表面が鉛直面に沿って拡がるように縦置きに設置され、散気装置１２の上端に、散気装置１２の内部の気体室１６に気体を流入させる気体流入管１８が接続されている。

気泡発生装置は、ポンプ４２、液体用配管４４及びノズル４６を有し、ポンプ４２の駆動に伴って、散気装置１２の散気部表面に沿って散気槽４０内の流体の流れを形成する液体流形成装置４８を備えている。この例では、ノズル４６は、散気装置１２のやや上方に位置して鉛直方向下方に向けて配置され、ポンプ４２の駆動に伴って、散気装置１２の散気部表面に沿った液体の下向きの流れが形成される。

この例によれば、ポンプ４２を駆動して、散気装置１２の散気部表面に沿った液体の下向きの流れが形成しながら、例えばブロア等によって、気体流入管１８を通して、散気部本体１４内の気体室１６の内部に空気等の気体を供給する。すると、気体室１６内に導入された気体は、前述と同様に、散気管２８の散気孔２８ａを通過した後、散気装置１２の散気部表面に沿って流れる液体の抗力を受け、散気槽４０内の液体中に気泡となって散気される。このように、散気孔２８ａから吐出された気体は、液体流から抗力を受けて気泡直径が小さいうちに散気孔２８ａから離脱するため、微細気泡を発生させることができる。

散気部２４の表面に沿う散気部２４近傍の液体流の流速は、３ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓ程度にすることが好ましい。また、例えば上記液体流形成装置４８により形成される液体流が散気槽４０内を循環するように構成することで、散気槽４０内の液体全体として気体の溶解量を大きくすることができる。

図４は、本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す。この例の気泡発生装置は、図２に示す散気装置１２と、図２に示す散気装置１２を半割状に分割した他の２つの散気装置１２ａ，１２ａを備えている。散気装置１２，１２ａ，１２ａは、液体通路（液体用配管）１０の内部に該流体通路１０に沿って流れる液体の流れ方向に沿って互いに並列に配置されている。

各散気装置１２ａは、断面形状が半翼形状で、開口部２０ａを有する外殻２２ａを備えた散気部本体１４ａを有しており、この開口部２０ａに散気部２４が取り付けられている。そして、外殻２２ａの半割面を液体通路１０の測壁面に密着させて、散気装置１２ａを流体通路１０内に設置することで、外殻２２ａと液体通路１０の測壁面との間に、外部から延びる気体流入管１８（図１参照）に連通する気体室１６ａが形成されている。

この例によれば、幅の狭い流体通路内に散気装置を効果的に配置して、気泡発生孔を多数設けることが可能になるため、コンパクトな気泡発生装置で大量の微細な気泡を発生させることが可能になる。

図５は、本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す。この図５に示す例の図４に示す例と異なる点は、図４に示す散気部２４の代わりに、内部に多数の貫通孔を有するステンレス鋼板製等の表面板５０と、例えば加工が容易な樹脂膜５２とを積層して構成した散気部５４を使用した点にある。樹脂膜５２の表面板５０に設けた貫通孔と対応する位置には、軸方向に貫通する散気孔５６ａを有する散気管５６が一体に成形され、この散気管５６が表面板５０に設けた貫通孔内を貫通して、表面板５０の外方に突出するように構成されている。樹脂膜５２は、外殻２２または２２ａと表面板５０との間の隙間から気体が漏れ出すのを防止する役割も果たす。

図６は、本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す。この図６に示す例の図５に示す例と異なる点は、図５に示す例の散気部５４の代わりに、外方に向けて徐々に縮径する多数の貫通孔を内部に有するステンレス鋼板製等の表面板６０と、例えば加工が容易な樹脂膜６２とを積層して構成した散気部６４を使用した点にある。樹脂膜６２の表面板６０に設けた貫通孔と対応する位置には、該貫通孔の形状に沿って、外方に向けて徐々に縮径する散気管６６が一体に設けられ、この散気管６６の突出端部に散気孔６６ａが設けられている。そして、散気管６６が表面板６０に設けた貫通孔に嵌合しつつ該貫通孔を貫通して、表面板６０の外方に突出するように構成されている。

図７は、本発明の更に他の実施形態の気泡発生装置を示す。この図７に示す例の図４に示す例と異なる点は、図４に示す例の散気部２４の代わりに、内部に多数の貫通孔を有するステンレス鋼板製等の表面板７０と平板状の押え部材（押え板）７２とを有し、表面板７０と押え部材７２で散気管７４の気体室側端部を挟持して固定した散気部７６を使用した点にある。

散気管７４は、例えば樹脂製で、内部に軸方向に貫通する散気孔７４ａが形成され、散気管７４の軸部の外径は、表面板７０の設けた貫通孔の内径とほぼ同じに設定され、散気管７４の気体室側端部には、軸部の外径よりも大きな外径を有する平板状の拡径部７４ｂが形成されている。そして、散気管７４の軸部を表面板７０に設けた貫通孔内を挿通させてその一部を表面板７０の表面から外方に突出させつつ、拡径部７４ｂを表面板７０と押え部材７２で挟持して、散気管７４が表面板７０から離脱することなく、かつ表面板７０の貫通孔と散気管７４との間の隙間から気体が漏れ出さないように、散気管７４を固定するようにしている。

表面板７０と押え部材７２との間には、外周縁部に位置してスペーサ７８が介装され、押え部材７２の各散気管７４の散気孔７４ａに対応する位置には貫通孔７２ａが設けられている。

図８は、散気孔の径が１０μｍの散気管を表面板の表面から１．２ｍｍ突き出した状態で、ピッチ２ｍｍの等間隔で取付け、水路内の水の平均流速を４ｍ／ｓとし、散気孔から吐出す１本当たりの空気の流量を、０．０２０ｍｍ^３／ｓ、０．０３８ｍｍ^３／ｓ、および０．１２８ｍｍ^３／ｓとしたときに、水路内に分散している気泡の気泡直径分布の実験結果を示すグラフである。

図９は、散気孔の径が１０μｍの散気管を表面板の表面から１．２ｍｍ突き出した状態で、ピッチ２ｍｍの等間隔で取付け、水路内の水の平均流速を５ｍ／ｓとし、散気孔から吐出す１本当たりの空気の流量を、０．０２０ｍｍ^３／ｓ、０．０３８ｍｍ^３／ｓ、および０．１２８ｍｍ^３／ｓとしたときに、水路内に分散している気泡の気泡直径分布の実験結果を示すグラフである。

図８及び図９から、水路内に分散している気泡直径は、概ね５０μｍ以下になっており、大部分が１０μｍから３０μｍの範囲に入っていることが判る。

次に、例えば図２に示す実施形態における散気管２８の表面板１６の表面から先端部までの突出長さＬについて説明する。先ず、微細気泡を生成させるための原理について、図１０を参照して説明する。図１０は、流体通路（流体用管路）８０の内部に、気体流入管８２により内部の気体室に導入した気体（空気）を散気板８４に設けた複数の散気孔８４ａから気泡として散気する散気装置８６を配置した状態を示している。

このとき、流動液中に散気孔８４ａから気体を出して、その流出する気体流を液体で剪断して気泡を発生させる場合の気泡直径を求める方法を以下に示す。図１１は、図１０に示す散気板８４の散気孔８４ａにおける気泡発生の力の釣合いの説明図を示す。図１１に示すように、散気孔８４ａから発生する気泡８６を球形とし、気泡８６の半径をＲ_ｂ（ｍ）（Ｒ_ｂ＝ｄ_ｂ／２）、液体の密度をρ_ｗ（ｋｇ／ｍ^３）、気泡が流水中にあるときの抗力係数をＣ_ｄ、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ^２）とし、液体に対して気体の密度は非常に小さいため無視すれば、発生する気泡８６に作用する浮力Ｆ_ｂｕ（Ｎ）は式（１）となる。

気泡８６が流水中にあるとき、気泡８６と液体の相対速度をＵ_ｂｒ（ｍ／ｓ）とすると、気泡８６に作用する抗力Ｆ_ｂｄ（Ｎ）は式（２）となる。

通常では気液界面は固着状態になり、気泡が小さくてほぼＲｅ_ｂ＜1000の場合には、抗力係数は式（３）となる。

ここにＲｅ_ｂは気泡レイノルズ数で、液体の動粘度をν（ｍ^２／ｓ）とすると、式（４）で表される。

したがって、気泡８６が流水中にあるときに気泡８６に作用する抗力Ｆ_ｂｄ（Ｎ）は式（５）となる。ここにμ（Ｐａ・ｓ）は液体の粘度で、μ＝νρ_ｗである。

微細な円形の散気孔８４ａから液体の流路中に気体を注入し、気体を液体で剪断して微細な気泡８６を発生させる場合、気泡８６が散気孔８４ａから離れようとする力が、気泡８６が散気孔８４ａの位置に留まろうとする力より大きくなると、散気孔８４ａから気泡８６が離脱する。気泡８６が散気孔８４ａの位置に留まろうとする力は、気泡８６と散気孔８４ａをつなぐ気体の通路の気液界面に作用する表面張力に等しい。気液界面における表面張力係数をσ（Ｎ／ｍ）、散気孔径をｄ_ｈ（ｍ）とすると、気泡８６に作用する力のうち気泡８６が散気孔８４ａの位置に留まろうとする力である表面張力Ｆ_ｂｓ（Ｎ）は式（６）となる。

球形の気泡８６の半径方向の速度をＶ_ｒ（ｍ／ｓ）、散気孔８４ａを通過する気体の流量をｑ（ｍ^３／ｓ）、散気孔８４ａを通過する気体の速度をＶ_ｈ（ｍ／ｓ）、液体の密度をρ_Ｗ（ｋｇ／ｍ^３）とすると、気泡に作用する付加質量力Ｆ_ｂＭ（Ｎ）は式（７）となる。

一例として、散気孔８４ａが鉛直上向き方向に開いている場合、気泡８６が散気孔８４ａから離脱するときの気泡８６に作用する力の釣合いから、式（８）が成り立つ。

しかし、壁面近傍では境界層がある。散気孔において発生しつつある気泡は、この境界層に存在していることになるが、境界層における液体の流速は、液体用管路内の主流速度より遅くなる。図１に示す液体通路（液体用管路）１０の表面及び散気装置１２の表面板２６の表面に形成される液体流の境界層は、乱流境界層と見做すことができる。即ち、図１に示す気泡発生装置では、寸法および流速の関係から通常乱流領域になる。乱流境界層内では、壁面剪断摩擦速度をＶ_＊（ｍ／ｓ）、壁面からの距離をｙ（ｍ）とすると、境界層内の壁面に沿う方向の流速ｕの分布は式（９）となる。

（式（９）ではｕ／Ｖ_＊がＶ_＊ｙ／νを変数とする二式で表されており、両式の交点におけるＶ_＊ｙ／νが11.635になる。）

壁面剪断応力をτ_０とすると式（１０）が成り立つ。

水路（液体用管路）内の流速分布を円管の場合の流速分布で近似する。円管の場合、円管の摩擦係数をλとすれば、円管内の平均速度Ｕ_ｍと壁面剪断応力τ_０には式（１１）の関係がある。

したがって、式（１０）および式（１１）から式（１２）が成り立つ。

今、円管の摩擦係数λを概算で０．０２と仮定すると、液体用管路としての円管内の平均速度Ｕ_ｍは式（１３）となる。

そのため、式（９）で壁面剪断摩擦速度Ｖ_＊を求めれば、円管内の平均速度Ｕ_ｍが式（１３）で決まる。従って、円管内を当該円管の長手方向に流動する液体流中に、前記円管を形成する内壁面に開口された散気孔から出た気体を気泡として離脱させるために必要な気泡中心における液体の速度Ｕ_ｂｒを得るためには、水路内の平均流速をＵ_ｍ程度にする必要がある。

図２に示す散気装置１２を備えた図１に示す気泡発生装置において、散気管２８の散気孔２８ａを通過する気体流速を１ｍ/ｓとし、散気孔２８ａの内径ｄ_ｈ（単位はμｍ）を５，１０，２０μｍとした時の気泡直径ｄ_ｂと水路平均流速Ｕ_ｍの関係を図１２に示す。なお、図１２は上記の式（５）〜式（９）および式（１３）に基づいてシミュレーションした結果である。各散気孔２８ａの孔径ｄ_ｈに対して、気泡として離脱させるために必要な液体の流速は、（１）●印付きの太い実線は、気泡の中心位置で気泡の離脱のために必要な流速で、（２）×印付きの太い破線は、散気孔２８ａの先端が表面板２６上にある場合に気泡の離脱のために必要な水路の平均流速で、（３）◆印付きの細かい細い破線は、散気孔２８ａの先端が表面板２６の表面から上に０．５ｍｍ突き出した所にある場合に気泡の離脱のために必要な水路の平均流速で、（４）■印付きの細い実線は、散気孔２８ａの先端が表面板２６の表面から上に１ｍｍ突き出した所にある場合に気泡の離脱のために必要な水路の平均流速で、（５）▲印付きの細い破線は、散気孔２８ａの先端が表面板２６の表面から上に１．５ｍｍ突き出した所にある場合に気泡の離脱のために必要な水路の平均流速である。

図１２に示すように、散気孔２８ａの孔径ｄ_ｈが小さいほど、発生する気泡は小さくなる。また水路平均流速が速いほど、気泡は小さくなることが分る。このことは流体通路１０内に設置された散気装置１２の散気部２４の表面板２６の板表面（即ち散気面）近傍における液体の流速が速くなるにつれて発生する気泡直径が小さくなることを意味するが、流速の増加に対する気泡直径の減少率は小さくなる。

また、図１２に示すように、散気孔２８ａの先端が表面板２６上にある場合、気泡直径が小さくなると気泡を離脱させるために必要な気泡中心の流速と水路平均流速の間に大きな差がでる。散気孔２８ａの先端が表面板２６の表面から、例えば０．５ｍｍ以上突き出すと、気泡を離脱させるために必要な水路の平均流速は、気泡離脱のために必要な気泡中心の流速に近づく。すなわち、水路の平均流速が比較的小さな値において気泡を離脱することが出来る。一方、散気孔２８ａの先端を液体側に大きく突き出すと、液体の流れの抵抗になり、損失が多くなるため、液体を流す動力が多くなることになる。

そのため、小さい気泡を発生させるためには、水路平均流速が５ｍ/ｓ以下の場合には、散気孔２８ａを有する散気管２８を表面板２６の表面から液体側に０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下突き出すことが望ましい。また、水路平均流速は０．１ｍ/ｓ以上、５ｍ/ｓ以下であることがさらに好まし い。このように構成することによって、水路平均流速が比較的低い値であっても、比較的小さい径の気泡の発生が可能となるから、液体の主流の流速を抑えることができるため、気泡発生のための動力が、比較的少なくてすむ。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１０ 液体通路（液体用管路）
１２，１２ａ 散気装置
１４，１４ａ 散気部本体
１６，１６ａ 気体室
１８ 気体流入管
２０，２０ａ 開口部
２２，２２ａ 外殻
２４，５４，６４，７６ 散気部
２６，５０，６０，７０ 表面板
２８，５６，６６，７４ 散気管
２８ａ，５６ａ，６６ａ 散気孔
３２ シートパッキン
４０ 散気槽
４２ ポンプ
４４ 流体用配管
４６ ノズル
４８ 液体流形成装置
５２，６２ 樹脂膜
７２ 押え部材（押え板）

Claims (5)

1. 気体室と、該気体室へ気体を流入させる気体流入管と、流入した気体を気体室から外部の流動液体中へ気泡として散気して流出させる散気部とを備えた散気装置であって、
   前記散気部には、平面状の散気部表面から外方に突出し内部に軸方向に貫通する散気孔を有する複数の散気管が設けられ、前記散気管の前記散気部表面から先端部までの突出長さは、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする散気装置。
2. 前記散気管は、前記散気部表面を形成する表面板よりも縦弾性係数が小さい材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の散気装置。
3. 前記散気管は、前記気体室側端部において、前記表面板と押え部材との間に挟持して固定されていることを特徴とする請求項２に記載の散気装置。
4. 請求項1乃至３のいずれか一項に記載の散気装置を複数備え、前記散気装置の散気部を互いに平行にして該散気装置を液体通路中に設置したことを特徴とする気泡発生装置。
5. 散気槽内の液体中に浸漬させて配置された請求項１乃至３のいずれか一項に記載の散気装置と、
   前記散気装置の散気部表面に沿って前記散気槽内の液体の流れを形成する液体流形成装置とを備えたことを特徴とする気泡発生装置。

Images