JP3890076B1 - 気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で微細な気泡を発生することができる気泡発生装置を提供すること。
【解決手段】 円筒状内面３ａと円形状内面５ａ，７ａとによって円柱状の内部空間が形成される装置本体９と、円筒状内面３ａから離間して内部空間内に配置される少なくとも１つの内部円筒部材２１と、円筒状内面３ａと内部円筒部材２１との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部３１と、円形状内面５ａ，７ａに設けられる気体導入口４１及び気液体排出口５１とからなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気泡発生装置に係り、特に簡易な構造で液体内に微細な気泡を発生させることができる気泡発生装置に関する。

従来から、液体内に微細な気泡を発生させる装置は様々な分野における利用が期待されている。具体的には、例えば、水（水道水、海水、河川水、湖沼水、浄化用水など）やその他の液体に、大気やその他の気体（酸素、二酸化炭素、窒素など）を効率良く溶解させ、液体の特性変化、水質浄化、水環境の蘇生などに利用される。この他、養殖産業や一般家庭（風呂、キッチン、トイレなど）での利用も予想される。

このような微細な気泡を発生させる気泡発生装置としては様々なものが提案されている。具体的には、有底円筒形又はメガホン形状のスペースを有する容器本体と、この容器本体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と、容器本体の底部に開設された気体導入孔と、容器本体の先部に開設された旋回気液混合体導出口とから構成された旋回式微細気泡発生装置である（特許文献１参照。）。

上記従来の気泡発生装置では、以下のように説明されている。即ち、加圧液体導入口から加圧液体を圧送することにより、その内部に旋回流が発生し、円筒管軸上付近に負圧部分が形成される。この負圧によって気体導入孔から気体が吸込まれ、圧力が最も低い管軸上付近を気体が通過することによって、細い紐状の旋回気体空洞部が形成される。そして、旋回気体空洞部は加圧液体導入口からの加圧液体によってちぎられ、そのときに微細な気泡が発生するようになっている。
国際公開第ＷＯ００／６９５５０号パンフレット（第１図）

しかしながら、上記従来例には以下のようの問題点があった。すなわち、微細な気泡を発生させるためには、容器本体のスペース内の液体の流れを安定化させる必要がある。このため、容器本体の各部の寸法、加圧液体の導入圧力、更には気泡発生装置が設置される液体内の背圧などの条件を全て整えなければならない。これに対して、従来の気泡発生装置においては、容器本体内のスペースが単純な円筒形状或いはメガホン形状であるため、何れかの条件が満たされない場合には、スペース内の液体の流れが安定せず、気泡が発生しないか或いは発生したとしても微細な気泡が発生しないという事態が起こり得る。このように、従来の気泡発生装置では、微細な気泡が発生するための条件の許容範囲が狭く、気泡発生装置の設置や条件設定が煩雑であるという問題があった。

また、容器本体内のスペースが単純な円筒形状やメガホン形状の場合には、気泡発生装置を大型化するに従って微細な気泡が発生しなくなる。このため、従来の気泡発生装置の構造では大型の装置を実現することができない。更に、スペースが単純な形状であるがゆえ、加圧液体導入口と気体導入孔及び旋回気液混合体導出口のそれぞれの位置関係も固定されてしまい、設計の自由度も低いという問題がある。

本発明は、上記各問題点を解消する気泡発生装置を提供することを目的とし、円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、前記円筒状内面から離間して前記内部空間内に配置される少なくとも１つの内部円筒部材と、前記円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、前記円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とを備える、という構成を採っている。

また、前記内部円筒部材は、前記円柱状の内部空間の中心軸と同心状で前記円形状内面に固定されている、という構成を採っている。
また、直径の異なる少なくとも２つの前記内部円筒部材が配置され、直径の大きさに応じて順に一方の円形状内面及び他方の円形状内面に交互に固定される、という構成を採っている。

また、前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離および各内部円筒部材間の離間距離は全て等しい、という構成を採っている。
また、前記離間距離は、円筒状内面の半径を２の倍数又は３の倍数で徐した値である、という構成を採っている。

また、前記気体導入口は、前記円形状内面の中心領域に形成されている、という構成を採っている。
また、前記気液体排出口は、前記円形状内面の中心領域に形成されている、という構成を採っている。

また、前記気体導入口と気液体排出口とは、それぞれ異なる前記円形状内面に形成されている、という構成を採っている。
また、前記気液体排出口は気体導入口を兼ねて一方の前記円形状内面に形成され、前記気液体排出口の近傍に気体を導入するための気体導入管の端部を配置する、という構成を採っている。

また、前記気液体排出口は、装置本体の円形状内面側に形成された円柱状開口と、装置本体の外部側に向かって拡がる円錐台状開口の組合せからなる、という構成を採っている。

また、前記装置本体の外側であって前記気液体排出口の周囲には管状の気液体排出管が備えられている、という構成を採っている。
また、前記液体注入部は、前記円筒状内面若しくは円形状内面の何れか一方に設けられている、という構成を採っている。

更に、前記液体注入部は円形断面であり、その内径は前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離に等しい、という構成を採っている。

本発明では、気泡発生装置は多重管構造となっているため、装置本体の円筒状内面と内部円筒部材との間で安定した旋回エネルギを得ることができ、注入する液体の圧力や流速が低くても安定して微細な気泡を発生させることが可能である。同時に、小型から大型の気泡発生装置（10リットル／分〜300リットル／分）を容易に構成することができる。また、液体の旋回によって気体を吸い込む構造であるため、気体を導入するための複雑な機構等を省略することができる。更に、微細気泡を発生する条件の許容範囲が広いので、構成する材料の公差が大きくても十分に気泡を発生させることができる。このため、大量生産も可能である。

［全体概要］
本発明に係る気泡発生装置は、円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、円筒状内面から離間して内部空間内に配置される少なくとも１つの内部円筒部材と、円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とから構成されている。 以下、図面を参照しながら本発明に係る各実施形態について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
先ず、本発明の第１の実施形態及びその変形例について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。
［装置本体］
本実施形態に係る気体発生装置１は、円筒状内面３ａを有する側面壁３と、円形状内面５ａ，７ａを有する端面壁５，７によって円柱状の内部空間が形成される装置本体９を備えている。装置本体９の端面はそれぞれ円形の端面壁５，７によって概ね閉鎖されている。しかし、各円形状内面５ａ，７ａには、それぞれ気体導入口４１と気液体排出口５１が形成されている。これら気体導入口４１と気液体排出口５１についての詳細は後述する。

本実施形態に係る装置本体９は有底円筒状の部材から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、単に内部空間が実質的に円柱状であれば良いので、外形は立方体形状やその他の形状であってもよい。また、各端面壁５，７も必ずしも円形である必要はなく、装置本体９の外形に合わせて矩形形状やその他の形状であってもよい。

また、本実施形態に係る装置本体９は、円筒状の側面壁３と円形状の各端面壁５，７とが一体的に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれを別個の部材として製造し、その後接合するようにしてもよい。あるいは、側面壁３と一方の端面壁５とを一体的に構成し、他方の端面壁７を事後的に接合するようにしてもよい。

装置本体９の材質は様々なものが考えられるが、例えば、アクリル樹脂や金属など、液体との接触によって強度や特性が変化しないものであれば、どのようなものも使用することができる。具体的に、透明なアクリル樹脂などを用いることで、装置本体９内での気泡の発生状況を観察することができる。一方、装置本体９を金属で構成した場合でも、所定箇所に透明な窓を設けることで、アクリル樹脂の場合と同様に内部を観察できるようになる。

また、装置本体９の強度については、後述する液体注入部３１から注入される液体の圧力に耐えるものであればよく、この圧力に基づいて装置本体９の側面壁３や各端面壁５，７の厚さが設定される。尚、図１（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る装置本体９では、各部の厚さが実質的に同等に示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、側面壁３の厚さを各端面壁５，７の厚さより薄くしたり、またその逆にしてもよい。さらに、各端面壁５，７の厚さを相互に異なるように設定してもよい。尚、装置本体９について「円柱状」の内部空間という表現を採っているが、これは厳密な意味での円柱を意味するものではなく、実質的に円柱と同一視できるものも含む趣旨である。

本実施形態の装置本体９の寸法の一例について説明すると、側面壁３の外径が56ｍｍ程度であり、円筒状内面３ａの直径が50ｍｍ程度である。このため、側面壁３の厚さは３ｍｍ程度である、また、各端面壁５，７の厚さも３ｍｍ程度に設定されている。また、装置本体９の外形の長さは81ｍｍ程度であり、内部空間の長さは75ｍｍ程度である。但し、これらの寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
［内部円筒部材］
次に、内部円筒部材２１について説明する。内部円筒部材２１は、円柱状の内部空間と略同心状に配置されている。換言すると、装置本体９の内部空間を円柱と見なした場合の円形断面の中心を通る中心軸Ｘ（図１（Ｂ）参照）の位置と、内部円筒部材２１の中心軸の位置とが一致しているということである。そして、内部円筒部材２１の一端２３は一方の端面壁５の内壁面５ａに固定され、内部円筒部材２１の他端２５が他方の端面壁７に向かって延びている。但し、内部円筒部材２１の他端２５は装置本体９の他方の端面壁７までは到達していない。このため、他方の端面壁７の円形状内面７ａと内部円筒部材２１の他端２５との間には所定の隙間が設けられている。

本実施形態に係る内部円筒部材２１は装置本体９と別個の部材で作られ、その後相互に結合されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、装置本体９と一体的に構成してもよい。また、装置本体９と同じ材質で構成しても良いし、別の材質で構成してもよい。尚、内部円筒部材２１について「円筒状」という表現を使用しているが、これは厳密な意味での円筒を意味するものではなく、実質的に円筒と同一視できるものも含む趣旨であることは言うまでもない。

以上のように、装置本体９の内部に同心状に内部円筒部材２１を配置することで、装置本体９の円筒状内面３ａと内部円筒部材２１の外周面との間に管状空間が形成され、内部円筒部材２１の内部に円柱状空間が形成される。そして、これら管状空間と円柱状空間とが端面壁７の円形状内面７ａの近傍において連通することとなる。

内部円筒部材２１の寸法の一例について説明すると、外径が30ｍｍ程度であり、内径が26ｍｍ程度である。このため、円筒状内壁２１の厚さは２ｍｍ程度である、また、内部円筒部材２１の長さは65ｍｍ程度である。このため、内部円筒部材２１の他端部２５から他方の端面壁７までは10ｍｍ程度離間している。但し、これらの寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
［液体注入部］
次に、液体注入部３１について説明する。液体注入部３１は装置本体９の内部空間に加圧液体を注入するためのものである。本実施形態に係る液体注入部３１は装置本体９の側面壁３の所定箇所に形成された開口部である。この開口部には液体注入管３３が装着されており、この液体注入管３３に図示しない加圧液体供給源（例えば、加圧ポンプなど）が接続されている。

液体注入部３１の位置は、装置本体９の側面壁３と内部円筒部材２１との間の管状空間内に液体が注入された場合に、この管状空間の円周方向に沿って一方向の流れができるように設定されている。本実施形態の場合には、液体注入部３１が装置本体９の側面壁３及び内部円筒部材２１の接線方向に沿って方向付けられている。但し、完全な接線方向に限定されるものではなく、少なくとも液体が装置本体９の内部で一定の円周方向に回転する方向であればよい。また、気泡発生装置１を側面から見た場合の液体注入部３１及び液体注入管３３の位置は、図１（Ｃ）に示すように円形断面の左方に偏っているが、これは、液体注入部３１の中心が管状空間の中心に位置するように設定されているからである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、液体注入部３１からの液体の流れが、装置本体９の中心軸Ｘから見て何れかの側に偏っていればよい。

また、液体注入部３１及び液体注入管３３の内径は様々な設定が可能であるが、本実施形態の場合は、側面壁３の円筒状内面３ａと内部円筒部材２１の外周面との間の隙間と略等しい直径となっている。これは、装置本体９の内部において液体に円周方向の流れを付与するのに必要十分な寸法だからである。但し、完全に一致する必要はなく、隙間より小さな直径であっても良いし、隙間より大きな直径であってもよい。

本実施形態の液体注入管３３は、装置本体９と別個に作られた管状の部材であり、この液体注入管３３が装置本体９の側面壁３に接合されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、装置本体９と一体的に構成してもよい。また、液体注入管３３の材質は装置本体９の材質と同じ物でも良いし、異なる材質でもよい。液体注入部３１の内径寸法は、一例として10ｍｍ程度に設定されている。但し、この寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
［気体導入口］
次に、気体導入口４１について説明する。気体導入口４１は上記したように装置本体９の一方の端面壁５における円形状内面５ａに形成されている。そして、本実施形態においては、円形状内面５ａの中心領域に配置されている。気体導入口４１は装置本体９の中心軸Ｘと同心状に配置されているため、円形状内面５ａから端面壁５を貫通して装置本体９の内部空間と外部とを連通している。但し、装置本体９の中心軸Ｘと同心状に形成する必要は無く、中心軸Ｘと所定の角度を持つような方向に形成してもよい。尚、本実施形態の気体導入口４１の直径は１ｍｍ程度に設定されているが、必要に応じてそれよりも小さな直径にしても良いし、或いは１ｍｍより大きな直径としてもよい。

また、一方の端面壁５の外側であって気体導入口４１の周囲には、所定の長さを有する管状アダプタ４３が設けられている。この管状アダプタ４３には気体を導入するための配管（図示略）が接続される。但し、気泡発生装置１を気体雰囲気中で使用する場合には管状アダプタ４３も配管も不要となる。
［気液体排出口］
次に、気液体排出口５１について、図２に基づいて説明する。図２（Ａ）は気泡発生装置１の全体を示す断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）における領域Ｐの拡大図である。気液体排出口５１は装置本体９の他方の端面壁７の円形状内面７ａにおける中心領域に形成され、装置本体９の内部と外部とを連通させている。気液体排出口５１の具体的な形状は、図２（Ｂ）に示すように、他方の端面壁７の円形状内面７ａから所定の範囲（例えば、端面壁７の厚さの半分程度）までは一定の直径の円柱状の開口で、そこから外に向かって円錐台状に拡がる円錐台形状の開口を有している。円錐台状の傾斜の角度は約30°程度に設定されている。気液体排出口５１における内部空間側の内径は５ｍｍ程度に設定されている。但し、この寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。例えば、装置本体９の側面壁３の直径に応じて大きさを変化させてもよく、本実施形態では直径の1/12程度の大きさに設定している。その他、液体導入管３３の内径の1/2程度にしてもよい。

また、他方の端面壁７の外側であって気液体排出口５１の周囲には、所定の長さを有する気液体排出管５３が設けられている。この気液体排出管５３は、後述するように気泡を更に微細にするために取り付けられている。しかし、この気液体排出管５３が無くても微細な気泡は発生するので、本発明に必須のものではない。
［作用］
次に、本実施形態に係る気泡発生装置１の具体的作用について図３に基づいて説明する。先ず、液体注入管３３を介して液体注入部３１から所定の液体が注入される。そして、装置本体９の内部空間が液体で満たされると、内部空間の管状空間では図３（Ｂ）に示すように、一方の端面壁５の側から見て時計周りに液体が旋回する。このとき、液体には旋回による遠心力Ｆが働く。そして、液体は旋回しながら他方の端面壁７の方向に向かって流れる。他方の端面壁７の側に流れてきた液体は、旋回運動を維持したまま内部円筒部材２１の内部に流れ込む。内部円筒部材２１の内部に流れ込んだ液体にも旋回による遠心力Ｆが働き、液体は内部円筒部材２１の内周面に沿って一方の端面壁５の側に戻る。更に、一方の端面壁５の近傍に到達した液体は、内部円筒部材２１の中心領域に沿って他方の端面壁７に向かって流れる。このとき、旋回により液体には遠心力Ｆが働いており、内部円筒部材の中心部が圧力の低い状態となり、外部がその圧力よりも高ければ気体導入口４１から気体が導入される。そして、導入された気体は液体内で気体渦流６１となって、旋回しながら他方の端面壁７に向かって流れる液体によって、他方の端面壁７の側に到達する。

このとき、液体と気体渦流６１は気液体排出口５１において急激に不安定となり、気体渦流６１が強制的に切断されて微細な気泡が大量に発生することとなる。加えて、気液体内の気泡は気液体排出管５３内においてより微細な気泡に切断される。更に、気液体が気液体排出管５３から外部に出る際に、外部環境（大気、液体など）との質量差により、気泡が更に微細に切断され、結果として超微細な気泡を大量に発生させることができるようになる。
［各部寸法による気泡発生特性の変化］
次に、気泡発生装置１の各部の寸法の変化に起因する気泡発生特性の変化について、図４及び図５に基づいて説明する。出願人は、以下に説明するような様々な寸法の気泡発生装置１を作成した上で、適切に気泡を発生させることができる条件を見出した。

先ず、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す気泡発生装置１ａでは、装置本体９の内部空間の長さをＬａ、内部円筒部材２１の長さをＬｂ、装置本体９の直径をＤａ、そして内部円筒部材２１の直径をＤｂとしている。また、液体注入部３１の内径をＣとしている。ここで、装置本体９の直径Ｄａ及び内部円筒部材２１の直径Ｄｂについては、それぞれの厚さの中心位置を基準に測定しているので、必ずしもそれぞれの内径もしくは外径と一致しない。しかし、装置本体９の側面壁３及び内部円筒部材２１の厚さはそれぞれの直径に比べて薄いので、気泡発生装置１ａの特性の変化に大きな影響を及ぼすものではない。

当該具体例では、直径の比については、Ｄｂ／Ｄａ＝0.70〜0.80の範囲内で、特に0.75（＝3/4)が最適との実験結果を得た。また、長さの比については、Ｌｂ／Ｌａ＝0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部３１は右方の円形状内面５ａの側に設け、その内径はＣ＝1/8・Ｄａに設定した。また、内部円筒部材２１は右方の円形状内面５ａに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。

図４（Ｃ）及び（Ｄ）は、内部円筒部材２１の直径Ｄｂを小さくした場合の気泡発生装置１ｂの例である。この具体例では、直径の比については、Ｄｂ／Ｄａ＝0.56〜0.83の範囲内で、特に0.67(＝2/3)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Ｌｂ／Ｌａ＝0.66〜0.88の範囲内で、特に0.833が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部３１は右方の円形状内面５ａの側に設け、その内径は1/6・Ｄａに設定した。また、内部円筒部材２１は右方の円形状内面５ａに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は左方から排出される。

図４（Ｅ）及び（Ｆ）は、内部円筒部材２１の直径Ｄｂを更に小さくした場合の気泡発生装置１ｃの例である。この具体例では、直径の比については、Ｄｂ／Ｄａ＝0.40〜0.55の範囲内で、特に0.50(＝2/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Ｌｂ／Ｌａ＝0.66〜0.88の範囲内で、特に0.75が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部３１の内径は1/4・Ｄａに設定した。また、内部円筒部材２１は右方の円形状内面５ａに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、内部円筒部材２１の直径Ｄｂを更に小さくした場合の気泡発生装置１ｄの例である。この具体例では、直径の比については、Ｄｂ／Ｄａ＝0.22〜0.28の範囲内で、特に0.25(＝1/4）が最適との実験結果を得た。長さの比については、Ｌｂ／Ｌａ＝0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部３１の内径は1/8・Ｄａに設定した。また、内部円筒部材２１は右方の円形状内面５ａに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。

図５（Ｃ）及び（Ｄ）は、内部円筒部材２１を左方の円形状内面７ａに固定した場合の気泡発生装置１ｅの例である。この具体例では、直径の比については、Ｄｂ／Ｄａ＝0.40〜0.55の範囲内で、特に0.50(＝2/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Ｌｂ／Ｌａ＝0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部３１の内径は1/8・Ｄａに設定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。

図５（Ｅ）及び（Ｆ）は、図５（Ｃ）及び（Ｄ）の具体例に対して、内部円筒部材２１の直径Ｄｂを小さくした場合の気泡発生装置１ｆの例である。この具体例では、直径の比については、Ｄｂ／Ｄａ＝0.30〜0.37の範囲内で、特に0.33(＝1/3)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Ｌｂ／Ｌａ＝0.66〜0.88の範囲内で、特に0.833が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部３１の内径は1/6・Ｄａに設定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は左方から排出される。

以上説明したように直径の比率に着目した場合、例えば、2/3，1/3，1/6，1/12，1/24，1/48．．．．や3/4，2/4，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64．．．．となる直径比の場合に適切に気泡が発生することが確認された。
［各部寸法による気液体の排出方向の変化］
次に、図６〜図８に基づいて、装置本体９の内部空間の直径に対する内部円筒部材２１の直径の変化に起因する、気液体の排出方向の変化について説明する。

図６は、液体注入部３１が右方に設けられると共に、内部円筒部材２１が右方の円形状内面５ａに固定されている場合を示している。この具体例において、装置本体９の直径Ｄａに対して、内部円筒部材２１の直径は2/4Ｄａとなっている。即ち、装置本体９の側面壁３と内部円筒部材２１との間の距離が1/4Ｄａであり、内部円筒部材２１から装置本体９および内部円筒部材２１の中心軸Ｘまでの距離も1/4Ｄａである。このような条件の下では気液体は右方から排出されることが実験で確認された。

次に、図７は、液体注入部３１が右方に設けられると共に、内部円筒部材２１が２重に設けられている具体例を示している。この具体例では、外側の内部円筒部材２１ａが右方の円形状内面５ａに固定され、内側の内部円筒部材２１ｂが左方の円形状内面７ａに固定されている。この具体例において、装置本体９の直径Ｄａに対して、外側の内部円筒部材２１ａの直径は4/6Ｄａとなっており、内側の内部円筒部材２１ｂの直径は2/6Ｄａとなっている。即ち、装置本体９の側面壁３と外側の内部円筒部材２１ａとの間の距離が1/6Ｄａであり、外側の内部円筒部材２１ａと内側の内部円筒部材２１ｂとの距離も1/6Ｄａであり、更に内側の内部円筒部材２１ｂと装置本体および内部円筒部材の中心軸Ｘまでの距離も1/6Ｄａである。このような条件の下で気液体は左方から排出されることが実験で確認された。

更に、図８は、液体注入部が右方に設けられると共に、内部円筒部材２１が３重に設けられている具体例を示している。この具体例では、外側の内部円筒部材２１ａが右方の円形状内面５ａに固定され、中間の内部円筒部材２１ｂが左方の円形状内面７ａに固定され、更に内側の内部円筒部材２１ｃが右方の円形状内面５ａに固定されている。この具体例において、装置本体９の直径Ｄａに対して、外側の内部円筒部材２１ａの直径は6/8Ｄａとなっており、中間の内部円筒部材２１ｂの直径は4/8Ｄａとなっており、更に内側の内部円筒部材２１ｃの直径は2/8Ｄａとなっている。即ち、装置本体９の側面壁３から各内部円筒部材２１を介して装置本体９の中心軸Ｘまで、それぞれ1/8Ｄａの距離となっている。このような条件の下では気液体は右方から排出されることが実験で確認された。

以上説明したように、装置本体９並びに各内部円筒部材２１の相互間距離を、装置本体９の側面壁３の直径に関して２の倍数又は３の倍数で除した値に設定することで、気液体の排出方向を自由に切替えられることが実験で確認された。このことは、液体注入部３１の位置を装置本体９の右方に設ける場合のみならず、左方に設ける場合も同様である、このことに関連し、図１の気泡発生装置１に変形を加えた場合を図９に示しており、具体的には液体注入部３１及び液体注入管３３を装置本体９の長手方向の中央部に配置した例である。内部空間内に内部円筒部材２１を設けることで、液体注入部３１を設置する位置の自由度が向上し、結果として気泡発生装置の応用に際して自由度の高い設計が可能となる。即ち、浴室のシャワーヘッドなどに応用する際に、シャワーヘッドの持手との関係で液体注入部３１及び液体注入管３３を配置できるので、従来のシャワーヘッドに対して違和感の無い設計が可能である。
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る気泡発生装置１０１について図１０に基づいて説明する。当該実施形態は、図１に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第１の実施形態と異なるのは、液体注入部１３１の構造である。本実施形態の液体注入部１３１は、Ｌ字状に曲げられた管状部材が用いられている点である。

液体注入部１３１は、装置本体９の内部空間に開口している第１の管状部１３１ａと、外部の加圧流体源に接続される第２の管状部１３１ｂとからなる。第１の管状部１３１ａは側面壁３と内部円筒部材２１の間の管状空間の円周方向に向かって開口している。また、第２の管状部１３１ｂは装置本体９の側面壁３の表面に対して概ね垂直に挿入されており、内部空間に入った位置で直角に曲げられている。液体注入部１３１をこのように構成することで、液体を装置本体９の円周方向に注入する目的は維持したまま、液体注入部１３１の設置位置の自由度が向上することとなる。
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る気泡発生装置２０１について図１１に基づいて説明する。当該実施形態は、図１に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第１の実施形態と異なるのは、液体注入部２３１の構造である、本実施形態の液体注入部２３１は、Ｌ字状に曲げられた管状部材が用いられている点である。また、本実施形態は第２の実施形態とも一部共通しているが、液体注入部２３１の設置位置が異なっている。

具体的には、液体注入部２３１は、装置本体９の内部空間に開口している第１の管状部２３１ａと、外部の加圧流体源（図示略）に接続される第２の管状部２３１ｂとからなる。第２の管状部２３１ｂは、第２の実施形態と異なり、装置本体９の端面壁５の表面から円形状内面５ａに対して概ね垂直に挿入されており、内部空間に入った位置で円周方向に向けて直角に曲げられている。このため、第２の管状部２３１ａは装置本体９と内部円筒部材２１の間の管状空間の円周方向に向かって開口することとなる。液体注入部２３１をこのように構成することで、液体を装置本体９の円周方向に注入する目的は維持したまま、液体注入部２３１の設置位置の自由度が向上することとなる。特に、液体注入部２３１を装置本体９の側面壁３に設置できない場合などに好都合となる。
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る気泡発生装置３０１ついて図１２に基づいて説明する。当該実施形態は、図１に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第１の実施形態と異なるのは、気体導入口と気液体排出口の構造である。本実施形態の気液体排出口は気体導入口を兼ねており、それぞれ別個には設けられていない。このため、以下の説明では便宜上、気液体排出口として説明する。

気液体排出口３５１の形状は図１に示したものと同様であり、特に異なる構造は有していない。しかし、当該実施形態では、気液体排出口３５１の近傍に気体導入管３４１が設置されている。具体的には、気液体排出管３５３を貫通して、先端が気液体排出口３５１の中心部まで到達している。気体導入管３２１の他端は大気やその他の気体供給源（図示略）に連通している。

次に、本実施形態に係る気泡発生装３０１の具体的作用について説明する。先ず、液体注入管３３を介して液体注入部３１から所定の液体が注入される。そして、装置本体３０９の内部空間が液体で満たされると、内部空間の管状部分では図３（Ｂ）の場合と同様に、一方の端面壁３０５の側から見て時計周りに液体が旋回する。このとき、液体には旋回による遠心力が働く。そして、液体は旋回しながら他方の端面壁７の方向に向かって流れる。他方の端面壁７の側に流れてきた液体は、旋回運動を維持したまま内部円筒部材２１の内部に流れ込む。内部円筒部材２１の内部に流れ込んだ液体にも旋回による遠心力が働き、液体は内部円筒部材２１の内周面に沿って一方の端面壁３０５の側に戻る。更に、一方の端面壁３０５の近傍に到達した液体は、内部円筒部材２１の中心部に沿って他方の端面壁７に向かって流れる。このとき、旋回により液体には遠心力が働いており、内部円筒部材２１の中心部が圧力の低い状態となり、外部がその圧力よりも高ければ気体導入管３２１から気体が導入される。そして、導入された気体は液体内で気体渦流３６１となって、一方の端面壁３０５に到達する。

このとき、液体と気体渦流３６１は気液体排出口３５１において急激に不安定となり、気体渦流が強制的に切断されて微細な気泡が大量に発生することとなる。加えて、気液体内の気泡は気液体排出管３５３内においてより微細な気泡に切断される。更に、気液体が気液体排出管３５３から外部に出る際に、外部環境（大気、液体など）との質量差により、気泡が更に微細に切断され、結果として超微細な気泡を大量に発生させることができるようになる。

以上のような構成によれば、装置本体の構造を簡略化することができ、気泡発生装置の設計の自由度が向上することとなる。尚、本実施形態では気体導入管３２１を気液体排出口３５１の中心軸に対して垂直の方向から挿入しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、気液体排出口３５１の中心軸に沿って気体導入管３２１を設置するようにしてもよい。

本発明は、例えば、海、河川、湖沼の水及び汚染土壌の浄化や液体の特性変化を行う産業分野、更には漁業、医療、美容健康機器産業などの産業分野において利用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る気泡発生装置であり、図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図、図１（Ｃ）は左側面図、そして図１（Ｄ）は右側面図を示す。 図２（Ａ）は気泡発生装置の断面図を示し、図２（Ｂ）は図２（Ａ）における領域Ｐの拡大図であって気液体排出口を示す。 本発明の作用原理を説明する図であり、図３（Ａ）は図３（Ｂ）のＡ−Ａ線における断面図を示し、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図を示す。 側面壁と内部円筒部材の直径比Ｄｂ／Ｄａと気泡発生特性の関係を説明する断面図であり、図４（Ａ）及び（Ｂ）はＤｂ／Ｄａ＝3/4、図４（Ｃ）及び（Ｄ）はＤｂ／Ｄａ＝2/3、図４（Ｅ）及び（Ｆ）はＤｂ／Ｄａ＝1/2の場合の軸方向断面図及び横断方向断面図をそれぞれ示す。 側面壁と内部円筒部材の直径比Ｄｂ／Ｄａと気泡発生特性の関係を説明する断面図であり、図５（Ａ）及び（Ｂ）はＤｂ／Ｄａ＝1/4の場合であり、図５（Ｃ）及び（Ｄ）は内部円筒部材が左方の端面壁に固定されておりＤｂ／Ｄａ＝1/2の場合、図５（Ｅ）及び（Ｆ）はＤｂ／Ｄａ＝1/3の場合の軸方向断面図及び横断方向断面図をそれぞれ示す。 内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図６（Ａ）は軸方向断面図であり、図６（Ｂ）は横断方向断面図である。 内部円筒部材が二重の場合の内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図７（Ａ）は軸方向断面図であり、図７（Ｂ）は横断方向断面図である。 内部円筒部材が三重の場合の内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図８（Ａ）は軸方向断面図であり、図８（Ｂ）は横断方向断面図である。 図１に開示した気泡発生装置に対して液体注入部の位置を変化させた変形例を示す図であり、図９（Ａ）は軸方向断面図であり、図９（Ｂ）は横断方向断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図１０（Ａ）は軸方向断面図であり、図１０（Ｂ）は横断方向断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図１１（Ａ）は軸方向断面図であり、図１１（Ｂ）は横断方向断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図１２（Ａ）は軸方向断面図であり、図１２（Ｂ）は横断方向断面図である。

符号の説明

１ 気泡発生装置
３ 側面壁
５，７ 端面壁
５ａ，７ａ 円形状内壁
９ 装置本体
２１ 内部円筒部材
３１ 液体注入部
４１ 気体導入口
５１ 気液体排出口
５３ 気液体排出管
Ｘ 中心軸

Claims (12)

1. 気泡発生装置であって、
   円筒状内面と２つの円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、
   前記円筒状内面から離間して前記内部空間内に配置される少なくとも１つの内部円筒部材であって、前記円筒状内面と内部円筒部材とによって形成される管状空間及び円柱状空間内の液体の流れを安定させるための内部円筒部材と、
   前記管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、
   前記円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とからなり、
   前記装置本体の前記内部空間内には直径の異なる少なくとも２つの前記内部円筒部材が配置され、直径の大きさに応じて順に一方の円形状内面及び他方の円形状内面に交互に固定されることを特徴とする気泡発生装置。
2. 前記内部円筒部材は、前記円柱状の内部空間の中心軸と同心状で前記円形状内面に固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。
3. 前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離および各内部円筒部材間の離間距離は全て等しいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の気泡発生装置。
4. 前記離間距離は、円筒状内面の半径を２の倍数又は３の倍数で徐した値であることを特長とする、請求項３に記載の気泡発生装置。
5. 前記気体導入口は、前記円形状内面の半径方向の中心領域に形成されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の気泡発生装置。
6. 前記気液体排出口は、前記円形状内面の半径方向の中心領域に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の気泡発生装置。
7. 前記気体導入口と気液体排出口とは、それぞれ異なる前記円形状内面に形成されていることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の気泡発生装置。
8. 前記気液体排出口は気体導入口を兼ねて一方の前記円形状内面に形成され、前記気液体排出口の近傍に気体を導入するための気体導入管の端部を配置したことを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の気泡発生装置。
9. 前記気液体排出口は、装置本体の円形状内面側に形成された円柱状開口と、装置本体の外部側に向かって拡がる円錐台状開口の組合せからなることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載の気泡発生装置。
10. 前記装置本体の外側であって前記気液体排出口の周囲には管状の気液体排出管が備えられていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の気泡発生装置。
11. 前記液体注入部は、前記円筒状内面若しくは円形状内面の何れか一方に設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の気泡発生装置。
12. 前記液体注入部は円形断面であり、その内径は前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離に等しいことを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の気泡発生装置。

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