JP4019154B2 - マイクロバブル発生装置、マイクロバブル発生装置用渦崩壊用ノズル、マイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体、マイクロバブル発生方法およびマイクロバブル応用装置 - Google Patents
マイクロバブル発生装置、マイクロバブル発生装置用渦崩壊用ノズル、マイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体、マイクロバブル発生方法およびマイクロバブル応用装置 Download PDFInfo
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Description
［技術分野］
この発明は、マイクロバブル発生装置、マイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズル、マイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体、マイクロバブル発生方法およびマイクロバブル応用装置に関し、例えば、マイクロバブルを利用した水質浄化に適用して好適なものである。
［背景技術］
マイクロバブルは、発生時において気泡径が１０〜数１０μｍである微細気泡であり、水中で普通に発生する直径数ｍｍ程度の気泡と比べると極めて小さい。マイクロバブルは、このように極端に小さいため、微細なゴミを吸着して水面に浮上させる性質を持ち、水産物の洗浄や水質浄化などに応用されている。
従来、このマイクロバブルの発生装置としては、国際公開第００／６９５５０号パンフレットに、有底円筒形のスペースを有する容器本体と、同スペース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、前記円筒形のスペース底部に開設された気体導入孔と、前記円筒形のスペース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が開示されている。
また、特開２００３−２０５２２８号公報には、円錐形のスペースを有する容器本体と、同スペース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、前記スペース底部に開設された気体導入孔と、前記スペースの頂部に開設された旋回気液導出口とから構成された旋回式微細気泡発生装置が開示されている。
さらに、特開２０００−４４７号公報には、円形収容室へ水液流を付勢旋回導入する構造と、その上部の漸拡形状の有蓋円筒体内の周辺部分に旋回上昇流を形成する構造と、この周辺部分の内側の部分に形成される旋回下降流形成構造と、遠向心分離作用により、その中心部分に形成される負圧の旋回空洞部と、この負圧の旋回空洞部に形成され、伸長、先細りさせながら旋回下降する気体渦管の形成構造と、その気体渦管が中央還流口に突入および流出するとき渦管が強制的に切断され、微細気泡を発生するように形成された微細気泡発生構造とにより構成された旋回式微細気泡発生装置が開示されている。
しかしながら、上述の従来のマイクロバブル発生装置は、その構成要素が直線状配列になっていないことから、装置の小型化および大型化が困難であり、現有設備に直結することが困難である。また、発生する気泡の大きさは液体に導入される気体の量に左右されるが、給気の調節は勘に頼るしかなく、気泡の大きさを正確に設定することは困難であった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、装置の小型化および大型化が可能であり、現有設備に容易に直結することが可能なマイクロバブル発生装置ならびにこのマイクロバブル発生装置に適用して好適なマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズルおよびマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体ならびにマイクロバブル発生方法ならびにこのマイクロバブル発生装置を用いたマイクロバブル応用装置を提供することである。
上記課題および他の課題は、本明細書の以下の記述によって明らかとなるであろう。
［発明の開示］
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その概要を説明すると次のとおりである。
本発明者らは、実験的および理論的検討の結果、上記課題を解決するためには、渦崩壊現象を利用してマイクロバブルを発生させることが最も有効であることを見出し、渦崩壊を利用したマイクロバブル発生装置を構築した。このマイクロバブル発生装置では、高速旋回流が不安定となる流速場を生成させることにより渦崩壊を起こさせ、この渦崩壊部に気泡を混入し破壊することでマイクロバブルを生成する。
このマイクロバブル発生装置の開発に際しては、種々の技術的課題の解決が必要であった。具体的には、気泡径を制御したマイクロバブルの生成、ノズルが大型であると小型であるとを問わないマイクロバブルの生成、様々な環境下（例えば、水深、水質など）におけるマイクロバブルの生成法などである。そして、これらの技術的課題の解決のためには、詳細は後述するが、縮流部と渦崩壊部とを有する渦崩壊用ノズルを用いること、旋回流発生用ノズルとして翼型のものを用いること、渦崩壊用ノズルの圧力の検出結果に基づいて旋回流に給気する気体の量を自動調整することなどが有効であることを見出し、この発明を案出するに至った。
すなわち、第１の発明は、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに有し、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたことを特徴とするものである。
ここで、渦崩壊とは、渦の構造が急激に変化する現象であり、スパイラル型（デルタ翼の場合などに発生する型）、バブル型（円管内流れの場合などに発生する型）の二つの顕著な型を有する。
渦崩壊用ノズルにおいては、典型的には、縮流部は渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており（あるいは、縮流部は渦崩壊部に向かってすぼまっており）、渦崩壊部との境界部（あるいは接続部）において渦崩壊部と同一の断面形状を有する。渦崩壊部の形状は、必要に応じて選ばれるが、具体的には、円筒形状や、出口に向かって断面積が徐々に増加する形状や、円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とがなす角度をθ０としたとき、０度＜θ０＜１８０度である形状などである。渦崩壊部が円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有する場合、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とは滑らかに繋がっていることが望ましい。こうすることで、渦崩壊用ノズルの噴き出し面である第２の部分の端面に旋回流を付着させることができる。
液体の旋回流は、基本的にはどのような方法を用いて発生させてもよく、従来公知の各種のものを用いることができるが、好適には、渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルを用いて発生させる。この場合、旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより旋回流を発生させる。この旋回流発生用翼型ノズルは、典型的には、旋回流発生用翼体を例えば円筒形状の管（パイプ）の内部に収容したもの（あるいは、旋回流発生用翼体の外側を管により覆ったもの）である。旋回流発生用翼体は、典型的には、円柱状の本体の一端部を流線形（典型的には、この本体の中心軸を回転軸とする回転体状（例えば、半球状））に成形し、本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものである。典型的には、旋回流発生用翼体は、本体の外周面に設けられた給気孔と本体の他端部に設けられた噴射孔とを有し、それらの給気孔と噴射孔とは本体内に設けられた通路を介して互いに連通している。旋回流発生用翼体を収容する管は一様な径を有するものであってもよいが、この管の一端から供給される液体を旋回流発生用翼型ノズルにより効率的に旋回流に変換し、この旋回流発生用翼型ノズルによる縮流の影響を小さくし、液体のエネルギー損失の減少を図る観点より、好適には、管は第１の部分とこの第１の部分よりも太い第２の部分とを有し、第２の部分に旋回流発生用翼体が収容される。
マイクロバブル発生装置は、典型的には、旋回流発生用翼体の給気孔に供給する気体の量を調整する給気装置をさらに有する。この給気装置は、好適には、断面積を制御可能な通気孔を有し、この通気孔の断面積を制御することにより旋回流発生用翼型ノズルの給気孔に供給する気体の量を調整するように構成される。典型的には、給気装置の通気孔と旋回流発生用翼体の給気孔とは給気管により接続され、この給気管を介して給気装置の通気孔から旋回流発生用翼体の給気孔に気体が給気される。典型的には、渦崩壊部の圧力の検出結果に応じて、あるいは必要に応じて渦崩壊部の外部の圧力の検出結果を併用して、通気孔の断面積を制御する。こうすることで、旋回流への給気を自動的に行うことができる。
旋回流への給気は、渦崩壊部において渦崩壊に伴って発生する特有の音（ｖｏｒｔｅｘ ｗｈｉｓｔｌｅ）の検出結果に応じて旋回流発生用翼型ノズルの給気孔に供給する気体の量を調整することによっても、自動的に行うことができる。
マイクロバブルを発生させる液体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、水、セルロースなどの増粘剤を入れた水、各種の環境水（湖沼水、河川水、汚染水など）、建設汚泥などの各種の汚泥、各種の有機溶剤（アルコール、アセトン、トルエンなど）、石油、ガソリンなどの液体燃料などである。
旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、水素、アルゴンなどである。
このマイクロバブル発生装置の典型的な一実施形態においては、円柱状の本体の前方を半球状に成形し、この本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が湾曲するように設け、背面に噴射孔を設けた旋回流発生用翼体と、この旋回流発生用翼体の外側を管状に覆い、テーパー状に成形した縮流部に管状の渦崩壊部を連接した渦崩壊用ノズルを先端部に配置した内部に液体が流れるパイプと、渦崩壊用ノズルの圧力差を検出し、上記パイプにより外側が覆われた旋回流発生用翼体からなる翼型ノズル（旋回流発生用翼体の外形がタービン翼に似ていることからタービン翼型ノズルということもできる）に供給する気体の量を調整する給気装置とからなり、翼型ノズルにより液体流を円周方向に向けるとともに気柱を噴出させ、渦崩壊用ノズルで縮流して渦崩壊させる。
第２の発明は、
円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けた旋回流発生用翼体を管の内部に収容したことを特徴とするマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズルである。
第３の発明は、
円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたことを特徴とするマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体である。
第４の発明は、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを用い、上記縮流部に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生方法であって、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに用い、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたことを特徴とするものである。
第５の発明は、
少なくとも一つのマイクロバブル発生装置を有するマイクロバブル応用装置であって、
少なくとも一つの上記マイクロバブル発生装置が、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに有し、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたものであることを特徴とするものである。
このマイクロバブル応用装置は、マイクロバブルを液体中に発生させて各種の処理を行うものである限り、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、水質浄化装置、洗浄装置などである。
第２〜第５の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
この発明によれば、以下の効果を得ることができる。すなわち、旋回流発生用翼型ノズルなどにより発生され、中心に気体が導入された液体の旋回流を渦崩壊用ノズルに供給するだけで簡便にマイクロバブルを発生させることができるだけでなく、渦崩壊用ノズルや旋回流発生用翼型ノズルなどの装置の構成要素を直線状配列にすることができるので、装置の小型化および大型化とも容易であり、マイクロバブル発生装置を現有設備に容易に直結することができる。マイクロバブル発生装置の小型化により、例えば、機器の一部にこのマイクロバブル発生装置を容易に組み込むことができる。また、マイクロバブル発生装置の大型化により、例えば、水域の浄化のような大規模事業にも対応することが可能となる。
さらに、例えば、液体の旋回流の中心への気体の導入を渦崩壊用ノズルの渦崩壊部の圧力の検出結果に応じて給気装置により行うことにより、給気の調節を自動的に行うことができるので、勘に頼らずマイクロバブルの大きさを正確に設定することができる。
また、液体の供給に用いるポンプの性能に応じて旋回流発生用翼型ノズルの溝深さおよび噴き出し角を調整することができるので、マイクロバブル発生装置の最適設計を容易に行うことができる。
マイクロバブルは、水質浄化や建設汚泥のリサイクルなどの際に用いる自然共生型技術にとって有用である。マイクロバブルは固有の物理化学的性質を有し、種々の工業的利用が可能であり、工業的に重要である。多孔体材料は材料の軽量化に資するが、マイクロバブルはこの多孔体材料の作製に有効である。液中に所望の気体をマイクロバブルの形で注入することで、気体と液体との接触面積の増加およびマイクロバブルの浮上時間遅延による気体と液体との接触時間の増加により、液中への気体溶解量を増加させることができる。マイクロバブルの吸着・凝縮効果およびマイクロバブルによる浮上効果により、液中懸濁物質を除去することができる。マイクロバブルの剥離効果およびマイクロバブルの崩壊時のエネルギーは洗浄に効果的に利用することができる。また、マイクロバブルは、砂層地盤の液状化対策など、土木分野における新技術の開発にも有効である。
そして、このマイクロバブル発生装置あるいはマイクロバブル応用装置によれば、例えば、各種の水域の浄化（湖沼、河川、貯水池などの水質浄化）、干潟の再生、カキやホタテの養殖、船舶の抵抗低減、鉛管内のスケールの除去、超音波洗浄、農水産業や医療分野、健康分野への応用など様々な用途に対してマイクロバブルを効果的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の本体を示す斜視図、第２図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す斜視図、第３図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す正面図、第４図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す縦断面図、第５図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の形状を示す略線図、第６図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図、第７図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の給気装置を示す縦断面図、第８図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの縮流部におけるサーキュレーション数を説明するための略線図、第９図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの臨界ノズル半径を説明するための略線図、第１０図Ａおよび第１０図Ｂは、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる渦崩壊を示す略線図、第１１図は、Ｈｉｎｚｅスケールを説明するための略線図、第１２図、第１３図および第１４図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数がそれぞれ２、３および４のときにマイクロバブルをＨｉｎｚｅスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図、第１５図、第１６図および第１７図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数がそれぞれ２、３および４のときにマイクロバブルをＨｉｎｚｅスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図、第１８図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの実施例を説明するための表、第１９図Ａ、第１９図Ｂおよび第１９図Ｃは、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの形状、渦崩壊用ノズルの形状およびタービン翼型ノズルから渦崩壊用ノズルまでの間隔の実施例を説明するための略線図、第２０図は、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図、第２１図Ａ、第２１図Ｂおよび第２１図Ｃは、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を他の例と比較した略線図、第２２図Ａおよび第２２図Ｂは、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置における二種類の渦崩壊の様子を示す略線図、第２３図は、この発明の第３の実施形態によるマイクロバブル発生装置を示す縦断面図、第２４図は、この発明の第４の実施形態によるマイクロバブル発生装置を示す縦断面図、第２５図は、この発明の第５の実施形態によるマイクロバブル発生装置の本体を示す縦断面図、第２６図は、この発明の第６の実施形態によるマイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルを示す略線図、第２７図は、この発明の第６の実施形態によるマイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した画像のスペクトルを示す略線図、第２８図Ａは、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図、第２８図Ｂは、第２８図Ａに示す渦崩壊用ノズルの出口のエッジの拡大図、第２９図は、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる超臨界渦崩壊を示す略線図、第３０図は、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる亜臨界渦崩壊を示す略線図、第３１図Ａ、第３１図Ｂおよび第３１図Ｃは、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの形状の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ マイクロバブル発生装置
２ パイプ
２ａ 渦流部
３ タービン翼型ノズル
３ａ 本体
３ｂ 翼
３ｅ 給気孔
３ｆ 噴射孔
４ 渦崩壊用ノズル
４ａ 縮流部
４ｂ 渦崩壊部
４ｃ 圧力検出器
４ｄ 圧力検出器
５ 給気装置
５ｆ 通気孔
５ｊ 高圧力部
５ｋ 低圧力部
５ｌ 気体
６ 液体
６ａ 液体流
６ｂ 気柱
６ｃ 旋回流
６ｄ マイクロバブル
１１ 拡大管
【発明を実施するための最良の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
このマイクロバブル発生装置においては、マイクロバブルを発生させるために、パイプ中心部を閉塞させ円周方向の流速を大きくすることでパイプ内を流れる水などの液体から強い旋回流を発生するタービン翼型ノズルと、主流に比べて循環が卓越する流れを小さい流れに遷移させる渦崩壊用ノズルとを直列に配置した。また、マイクロバブルの径を調整するために、渦崩壊用ノズル内の圧力差を検出して旋回流に導入する気体の量を自動的に調節できるようにし、渦崩壊用ノズル内部で安定して渦崩壊が起きるようにした。
第１図はこのマイクロバブル発生装置の本体、第２図〜第４図はこのマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体、第５図はこのタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の展開図、第６図はこのマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル、第７図はこのマイクロバブル発生装置の給気装置を示す。
第１図〜第７図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４を有する円筒状のパイプ２と給気装置５とからなる。タービン翼型ノズル３は、円柱状の本体３ａの前方ａを半球状に成形し、この本体３ａの外周面ｂの長手方向に複数の翼３ｂをそれらの後方ｃが彎曲するように設け、背面ｄに噴射孔３ｆを設けた翼体の外側をパイプ２により管状に覆ったものである。渦崩壊用ノズル４は、パイプ２の先端部ｅに配置されている。渦崩壊用ノズル４は、テーパー状に成形した縮流部４ａに管状の渦崩壊部４ｂを連接したものである。給気装置５は、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力差を検出し、タービン翼型ノズル３に供給する気体５ｌの量を調整するものである。パイプ２においては、入口２ａ、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂ、渦崩壊用ノズル４の順に液体６が流れる。パイプ２は既存の設備に接続できるように様々なサイズに対応可能である。
このマイクロバブル発生装置１では、パイプ２の入口２ａに、マイクロバブルを発生させようとする水などの液体６を流し、タービン翼型ノズル３により水流などの液体流６ａを円周方向ｆに向けるとともに気柱６ｂを噴出させ、渦崩壊用ノズル４で縮流して渦崩壊させることを特徴とする。より詳細には、パイプ２の入口２ａから入った液体６は、タービン翼型ノズル３によって中心部が閉塞されるため、流速の増した液体流６ａとなる。液体流６ａは、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに存在する溝３ｄに沿って流れ、タービン翼型ノズル３の円周方向ｆに向きを変えられることにより旋回流６ｃとなって渦流部２ｂを進む。渦流部２ｂでは、タービン翼型ノズル３の噴射孔３ｆから放出された気柱６ｂが旋回流６ｃとともに螺旋状に流れる。渦崩壊用ノズル４に入ると、旋回流６ｃは縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブル６ｄとなって渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。ここで、渦崩壊用ノズル４の最小断面、すなわち渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転周波数ｆｅは、縮流部４ａにおいて循環が保存されるとすると、渦流部２ｂにおける旋回流６ｃの回転周波数をｆ、パイプ２の内径をＤ、渦崩壊部４ｂの内径をＤｅとしたとき、ｆｅ＝（Ｄ／Ｄｅ）２ｆとなる。
タービン翼型ノズル３は、水流などの液体流６ａを螺旋状の旋回流６ｃに変換するとともに気柱６ｂを放出する器具であり、パイプ２の内部に、本体３ａの外周面ｂ上に複数の翼３ｂを設けた翼体が固定されている。タービン翼型ノズル３は回転させる必要はなく、動力は不要である。なお、気柱６ｂとは、空気などの気体５ｌを勢い良く柱状に噴射させた気泡のことである。
本体３ａは円柱状（断面は長方形状）であり、前方ａは半球状部３ｃ（断面は半円状）と連接しており、背面ｄの中央に噴射孔３ｆを有する。
翼３ｂは、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａの背面端３ｖにかけて、本体３ａの外周面ｂ上を縦断するように設けた部材であり、液体流６ａの向きを本体３ａの円周方向ｆに変えるために、背面端３ｖに向かうにつれて湾曲している。半球状部３ｃにおける翼３ｂも全体としては半球状に成形される。ただし、半球状部３ｃにおける翼３ｂは必要に応じて省略することが可能である。翼３ｂは本体３ａから突起状に出ているため、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在する。
半球状部３ｃは、パイプ２の入口２ａから入ってきた液体６がスムーズに溝３ｄに流れ込むように丸めてある箇所である。パイプ２は、タービン翼型ノズル３から放出される円周方向ｆの噴流から角運動量の大きな流体を生成するために必要である。
溝３ｄは、翼３ｂにより仕切られた液体６の流れる通路である。翼３ｂが湾曲していることから、水平方向（パイプ２の中心軸方向）に流れていた液体流６ａが、徐々に垂直方向に曲げられ、螺旋状の旋回流６ａとなってタービン翼型ノズル３から出ていく。
噴射孔３ｆは、マイクロバブルの基となる気柱６ｂを放出する孔である。気柱６ｂは、本体３ａの外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから気体５ｌを供給することにより生成される。噴射孔３ｆから出た気柱６ｂは、旋回流６ｃとともに流れていく。
翼３ｂは、液体６の流れを等分に分割するため、同じ形状のものを等間隔に配置する。翼間隔３ｇは翼３ｂを配置する間隔であり、この場合、翼数が６枚であるので翼間隔３ｇは６０度であるが、これに限定されるものではない。
翼角３ｈは半球状部３ｃにおける翼３ｂの大きさを決めるもので、中心から一定の角度を持って延びていき、本体３ａに至ってからは、同じ幅を維持して延びる。なお、翼角３ｈは、大き過ぎると液体６の通り道が狭くなるので、例えば１５度程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
液体６の通り道となる溝３ｄの溝深さ３ｎは溝３ｄの深さであり、翼３ｂの高さでもある。なお、溝深さ３ｎは、タービン翼型ノズル３のサイズにより適切な深さに調整することができる。
ノズル長３ｉはタービン翼型ノズル３の全体の長さであり、本体３ａの長さである翼長３ｋと半球状部３ｃの半径である外半径３ｌとの和に等しい。なお、タービン翼型ノズル３の大きさは、パイプ２の大きさが異なれば、適切な大きさも異なる。
ノズル径３ｊは、タービン翼型ノズル３の直径である。ノズル径３ｊは、翼３ｂの部分を含めた本体３ａの直径でもあり、また、本体３ａに連接することから、半球状部３ｃの直径でもある。
翼３ｂは後方ｃが湾曲しているため、翼３ｂ自体の長さは翼長３ｋよりも長くなる。また、半球状部３ｃにおける翼３ｂに関しては、翼長３ｋには含めないものとする。
外半径３ｌは半球状部３ｃの翼３ｂの部分を含めた全体の半径であり、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａまで垂直に下りた長さでもある。なお、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在するため、外半径３ｌは、溝３ｄを埋めたものと考えた場合の半径を意味する。
内半径３ｍは、半球状部３ｃの翼３ｂを除いた本体３ａと連接される部分の半径である。内半径３ｍは、外半径３ｌとの差である溝深さ３ｎの分だけ出た位置から球状にしているため、内半径３ｍの頂部３ｕは外半径３ｌの頂部３ｕと一致する。
孔距離３ｏは、噴射孔３ｆのあるタービン翼型ノズル３の背面端３ｖから給気孔３ｅの位置までの距離であり、例えば、翼長３ｋの半分の位置が好ましいが、これに限定されるものではない。また、給気孔３ｅは、液体６が通らない翼３ｂ上に設けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
給気孔３ｅと噴射孔３ｆとはタービン翼型ノズル３の内部で繋がっており、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから供給された気体５ｌが、タービン翼型ノズル３の背面ｄの中央に設けられた噴射孔３ｆから放出される。
孔内径３ｐは、給気孔３ｅおよび噴射孔３ｆの直径である。孔内径３ｐの大きさは、噴射孔３ｆから出る気柱６ｂの量に影響を与えるため、適切なサイズに調整する必要があり、供給する気体５ｌの流量に応じて決められる。一例を挙げると、孔内径３ｐは２ｍｍ程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
第５図は、タービン翼型ノズル３の一つの翼３ｂの形状を示す展開図であり、翼３ｂを湾曲させた様子をグラフ上で示したものである。グラフの横軸は翼端（翼の先端）からの流れ方向にとった距離、縦軸は周方向の距離を示す。翼３ｂが描く曲線は、０から翼長３ｋまでの範囲に存在する。なお、距離３ｑは、翼端からの距離が０と翼長３ｋとの間の任意の値とし、距離３ｒは、翼端からの距離が翼長３ｋの場合の値とする。
勾配３ｓは距離３ｑにおける傾きであり、距離３ｑが０の場合は勾配３ｓも０度であるが、距離３ｑが増えるにつれて勾配３ｓも大きくなっていく。翼３ｂの勾配３ｓは、距離３ｑが０では液体流６ａが流れに沿うこと、距離３ｒでは液体流６ａを円周方向ｆに向かわせることが必要であるため付けたものである。勾配３ｓにより液体流６ａを旋回流６ｃにすることができるが、翼３ｂにより円周方向ｆの流れが主流方向の流れに比べて大きくなり、結果として渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで渦崩壊を引き起こすためには、翼３ｂの終端における勾配３ｔが、およそ５５〜６０度より大きくなる必要がある。具体的には、例えば、翼３ｂが本体３ａの円周方向ｆとなす角度は５〜９度（あるいは５〜６度）、すなわち、距離３ｒにおける勾配３ｔは８１〜８５度（あるいは８４〜８５度）であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
渦崩壊用ノズル４は、旋回流６ｃとともにパイプ２の渦流部２ｂを流れてきた気柱６ｂを渦崩壊させてマイクロバブル６ｄを発生させる器具であり、パイプ２の端に一体的に連接する。渦崩壊用ノズル４は縮流部４ａと渦崩壊部４ｂとからなる。縮流部４ａは、テーパー状に細くなる管であり、広い側はパイプ２の渦流部２ｂに連接され、狭い側は渦崩壊部４ｂに連接される。縮流部４ａの細くなる角度（テーパー角）４ｅは、パイプ２などの大きさに依存し、必要に応じて選ばれる。この角度４ｅの一例を挙げると約２０度であるが、これに限定されるものではない。渦崩壊部４ｂは、パイプ２の渦流部２ｂよりも細い円筒状の管であり、一端は縮流部４ａの狭い側に連接され、他端が出口となる。渦崩壊部４ｂの内径４ｆもパイプ２の大きさなどに依存し、必要に応じて選ばれる。この内径４ｆは例えば０．５〜１．５ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
パイプ２内を流れる液体６は、渦流部２ｂから縮流部４ａの広い側に入り、縮流部４ａの径が細くなっていくことで流速を増しながら渦崩壊部４ｂへと至る。液体６とともに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて細かくされ、マイクロバブル６ｄとして渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。
渦崩壊用ノズル４の渦崩壊が発生するノズル径の最小値、すなわち臨界ノズル径は次のようにして求められる。
詳細は省略するが、タービン翼型ノズル３の翼３ｂによって生成される旋回流６ｃの回転周波数ｆはＣａｓｓｉｄｙ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．，Ｖ．４１，ｐｐ．７２７−７３６，１９７０による方法により求められ、ｆとｆｅとの間にはｆｅ＝（Ｄ／Ｄｅ）２ｆの関係が成り立つから、
と表される。ここで、Ｒ＝Ｄ／２（＝第４図に示す外半径３ｌ）、Ｑはパイプ２に供給される液体６の流量、ρは液体６の密度、ε＝ｒｅ／Ｒ（ただし、ｒｅ＝Ｄｅ／２）、δ＝ｈ／Ｒ（ｈは第４図に示す溝深さ３ｎと等しい）、κ＝ＮｖΔθ／２π（ただし、Ｎｖは翼３ｂの枚数、Δθ（ｒａｄ．）は溝３ｄの角度（溝角））、θｆは第５図に示す勾配３ｔと等しく、α０、α１は定数でα０＝０．４、α１＝１である。
渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａにおけるサーキュレーション数Γｅは
である。ただし、ｕｅは渦崩壊用ノズル４の出口における流速、ωｅは渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転角周波数である。この（２）式に（１）式のｆｅを代入すると、Γｅは
と求められる（Ｃａｓｓｉｄｙ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．，Ｖ．４１，ｐｐ．７２７−７３６，１９７０を参照。）。
第８図に、ε＝１．５／４．０であるときの渦崩壊前のサーキュレーション数Γｅのθｆに対する変化をδを０．４／２、０．９／２と変えて求めた結果を示す。ただし、第８図におけるΓｃｒは臨界サーキュレーション数でΓｃｒＰ＝２．０である（本マイクロバブル発生装置ではΓｃｒ≒２．０、より一般的な旋回流発生装置の場合の平均的な値はΓｃｒ≒１／０．６５（例えば、Ｓｐａｌｌ ｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｆｌｕｉｄ，３０（１１），ｐｐ．３４３４−３４４０，１９８７）。第８図に示すように、溝３ｄの深さ、すなわち溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなるにしたがって、軸方向運動量に対する円周方向の運動量が相対的に小さくなり、結果として溝深さ３ｎ＝ｈ、したがってδが大きいほどサーキュレーション数Γｅは減少する。このため、溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなると渦崩壊は起こりにくくなる。
溝深さ３ｎ＝ｈおよびθｆを与えたとき、渦崩壊が発生するノズル半径の最小値、すなわち臨界ノズル半径εｃｒ（臨界半径をｒｅｃｒとするとεｃｒ＝ｒｅｃｒ／Ｒ）は、Γｅ＝Γｃｒとおくことにより下記のように得られる。したがって、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４をε＞εｃｒを満たすように設計することにより、渦崩壊用ノズル４で渦崩壊を起こさせることができる。
第９図に、渦崩壊の閾値をΓｃｒ＝２．０としたときの渦崩壊用ノズル４のε＝ｒｅ／Ｒのδ＝ｈ／Ｒに対する変化を、θｆを５０度、６０度、７０度、８０度、８４度と変えて求めた結果を示す。ただし、κ＝３／４とした。第９図中の○、×はそれぞれ、θｆ＝８４度として実験を行ったときに渦崩壊が生じた場合、生じなかった場合を示す。
詳細は省略するが、旋回流６ｃによる分級効果によって、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで放出されるマイクロバブル６ｄの径ｄは
と表される。ただし、νｗは液体６の動粘性率である。この式においてΓｅ＝Ｏ（１）であるから、νｗが小さく、ｆｅが大きいほど微細なマイクロバブル６ｄが生成されることが分かる。
パイプ２に液体６を供給するために用いるポンプのパワーを一定としたとき、ｆｅは
となる。したがって、ｆｅを大きくすることでマイクロバブル６ｄを生成するには高揚程ポンプ（Ｒが小さい）が有利である。
給気装置５は、マイクロバブル発生装置１に気体５ｌを供給する装置であり、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに連結され、噴射孔３ｆから気柱６ｂを放出する。圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄは渦崩壊部４ｂ内の圧力を検出する器具であり、圧力検出器４ｃは縮流部４ａに連接する側に設けられ、圧力検出器４ｄは出口側に設けられている。これらの圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄにより圧力差を検知し、気体５ｌの供給量を自動的に調節する。
給気装置５は、シリンダ５ａおよびピストン５ｂなどの部材から構成される。この給気装置５とタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４との接続は、給気孔３ｅと通気孔５ｆ、圧力検出器４ｃと高圧力部５ｊ、圧力検出器４ｄと低圧力部５ｋとを繋ぐことで行う。シリンダ５ａは給気装置５の外枠であり、内部に中空部分を有するほぼ円柱状の形状である。なお、シリンダ５ａのサイズの一例を挙げると、長さ約７．０ｃｍ、直径約２．６ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
シリンダ５ａの先頭側には、シリンダ５ａの側面を貫通する通気孔５ｆがあり、この通気孔５ｆの一端は、給気管５ｉにより給気孔３ｅに接続され、他端は、開放することで気体５ｌを取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
また、シリンダ５ａ内の中空部分は、ピストン５ｂおよびダイアフラム５ｍにより高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとに分けられる。先頭側の高圧力部５ｊは、圧力検出器４ｃで検知した圧力となり、背後側の低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｄで検知した圧力となる。
なお、高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋには、それぞれ空気孔５ｇおよび空気孔５ｈが設けられる。空気孔５ｇおよび空気孔５ｈは、通常は閉じておくが、開放することにより内部の空気を抜くことができる。
ピストン５ｂは、シリンダ５ａの内部を往復移動する部材であり、可動部５ｃ、バネ５ｄおよびストッパー５ｅなどからなる。ピストン５ｂが移動することにより、給気孔３ｅへ供給する気体５ｌの量を調節する。可動部５ｃは、シリンダ５ａ内を前後に動く部分であり、給気孔３ｅの開閉を行う杭状の前半部と、シリンダ５ａ内の高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとを仕切る円柱状の後半部とからなる。可動部５ｃが最も前に移動した場合は、先端が通気孔５ｆを突き抜けて気体５ｌが通らないように塞いでしまい、可動部５ｃが最も後に移動した場合は、先端が通気孔５ｆから離れて気体５ｌを通す。
バネ５ｄは、伸び縮みすることで可動部５ｃの移動を制御するもので、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差と連動して可動部５ｃの位置を調整する。高圧力部５ｊの圧力が増せばバネ５ｄが縮んで可動部５ｃを後方に移動させ、低圧力部５ｋの圧力が増せばバネ５ｄが伸びて可動部５ｃを前方に移動させる。
ストッパー５ｅは、ピストン５ｂの端をシリンダ５ａの後背部に固定することで、ピストン５ｂを支えている部材である。ストッパー５ｅで押さえることで、ピストン５ｂがシリンダ５ａ内で安定し、バネ５ｄの伸縮も有効に働き、可動部５ｃを移動させることができる。
可動部５ｃとストッパー５ｅとはバネ５ｄにより接続されるが、バネ５ｄの内側で可動部５ｃとストッパー５ｅとをスライド構造にすることにより、バネ５ｄの部分の安定性を保つとともに、可動範囲を制御する。
給気装置５は、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差を利用してピストン５ｂを移動させることにより、気体５ｌの供給を制御する。高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄと管５ｎ、５ｏで接続され、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力を反映させる。具体的には、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しているときは、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が増大し、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差がバネ５ｄの反力よりも大きくなると、ピストン５ｂが右に移動して通気孔５ｆが開く。
なお、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しない場合は、給気孔３ｅへの給気量が多く、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が小さい場合であり、給気量を制御するために、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力が均衡した際のピストン５ｂの位置を、通気孔５ｆが閉まる位置にしておく。
第１０図Ａおよび第１０図Ｂは渦崩壊用ノズル４での渦崩壊を示す図であり、渦崩壊ありの場合（第１０図Ａ）の渦崩壊用ノズル４および渦崩壊なしの場合（第１０図Ｂ）の渦崩壊用ノズル４の状態を示したものであ。第１０図Ａに示すように、渦崩壊ありの場合には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂの中間付近で渦崩壊し、マイクロバブル６ｄとなって出て行くため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力よりも小さくなる。
圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差があれば、正常に渦崩壊が起きており、このまま給気を行う。
渦崩壊なしの場合（第１０図Ｂ）には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂ内では渦崩壊せず、マイクロバブル６ｄとならないため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力とほとんど変わらない。このとき、圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差がなければ、給気を抑制し、渦崩壊が起きるように調整する。
このように、給気量が適正でなければ、気柱６ｂは渦崩壊せずマイクロバブル６ｄが得られないので、この第１の実施形態では、渦崩壊しているかどうかを渦崩壊部４ｂの圧力差によって確認し、さらに上述のようにこの圧力差を利用して自動的に給気量を調整することができる。
次に、気体５ｌの給気量（気体流量）Ｑａとマイクロバブル６ｄの径ｄとの関係について説明する。
渦崩壊用ノズル４の前面に張り付いた気柱６ｂが受ける剪断によって発生する気泡径をＨｉｎｚｅスケール（圧力による分断作用と表面張力とが釣り合った平衡状態における径ｄＨ）に従って算定すると第１１図に示すようになる。詳細は省略するが、マイクロバブル６ｄがＨｉｎｚｅスケールｄＨまで微粒化されるときの気体５ｌの給気量Ｑａは
で与えられる。ここで、ｄ０は次の式（８）〜（１０）から算定される。
ただし、
である。ここで、γは気体５ｌと液体６との界面張力係数である。
第１２図、第１３図および第１４図は、Γｅがそれぞれ＝２、３および４のときの給気量Ｑａを示す。
Ｈｉｎｚｅスケールのマイクロバブル６ｄを生成するときの給気量Ｑａと液体６の流量Ｑｗとの比は次式で表される。
第１５図、第１６図および第１７図は、Γｅがそれぞれ２、３および４のときの給気量Ｑａと液体６の流量Ｑｗとの比をプロットしたものである。第１５図、第１６図および第１７図より、ｆｅ＞１００Ｈｚおよびｒｅ＜２ｃｍの範囲内では、Ｑａ／Ｑｗはｆｅおよびｒｅにあまり依存しない。このときのＱａ／Ｑｗを漸近的に計算すると次式のようになる。
この式はΓｅ〜２．５の実験における値Ｑａ／Ｑｗ〜０．００５により検証されている（山田ら、流体力学会年会２００５、ＡＭ０５−２４−００２）。
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジでは旋回流６ｃの剥がれによって音が発生するが、この音は、例えば、このエッジに微細な繊維（例えば、綿状のもの）を貼ったり、渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａの入り口にその直径方向に針金（例えば、数ｍｍ径のもの）を張り渡して上流の気柱６ｂを乱したりすることで消音することが可能である。
タービン翼型ノズル３の実施例について説明する。第１８図は、タービン翼型ノズル３の実施例１〜３を示し、タービン翼型ノズル３の形状を示す。翼３ｂの枚数を６枚とし、翼３ｂを等間隔に配置することから翼間隔３ｇは６０度となり、翼角３ｈを１５度とすること、勾配３ｓを８４度とすることは実施例１〜３で共通する。
実施例１は、半球状部３ｃの外半径３ｌを０．８５ｃｍ、翼長３ｋを２．０３ｃｍ、溝深さ３ｎを０．３ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから２．８８ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから０．５５ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが０．８５ｃｍであることから５．３４ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．２２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから０．８９ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、６７．４×（−０．０３６９＋０．７８０／（２．１１−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は６３．２度となる。
実施例２は、半球状部３ｃの外半径３ｌを１．６ｃｍ、翼長３ｋを３．８２ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから５．４２ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．１ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが１．６ｃｍであることから１０．０５ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．４２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから１．６８ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、３５．８×（−０．０６９５＋０．２７６／（３．９８−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５９．３度となる。
実施例３は、半球状部３ｃの外半径３ｌを２．１ｃｍ、翼長３ｋを５．００ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから７．１０ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．６ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが２．１ｃｍであることから１３．１９ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．５５ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから２．２０ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、２７．３×（−０．０９１２＋０．４７６／（５．２２−位置））の式で表すことができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は−３．３度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５６．６度となる。
第１９図Ａ、第１９図Ｂおよび第１９図Ｃは、タービン翼型ノズル３の形状、渦崩壊用ノズル４の形状およびタービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間隔の実施例４〜６を示す。タービン翼型ノズル３については、実施例４では実施例１と同様、実施例５では実施例２と同様、実施例６では実施例３と同様である。
実施例４（第１９図Ａ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約０．８５ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は２．８８ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約０．８５ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約０．８５ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約１．７ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約２．６ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約７．１８ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを０．５ｃｍとすると、入口側の径が０．８５ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
実施例５（第１９図Ｂ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約１．６ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は５．４２ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約１．６ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約１．６ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約３．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約５．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１３．６２ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．０ｃｍとすると、入口側の径が約１．６ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
実施例６（第１９図Ｃ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約２．１ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は７．１０ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約２．１ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約２．１ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約４．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約７．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１８．３ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．５ｃｍとすると、入口側の径が約２．１ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
実施例４〜６におけるパイプ２の寸法は、マイクロバブル６ｄを発生させるのに好ましい数値の例であり、パイプ２の大きさに応じて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４の大きさも調整する必要がある。
以上のように、この第１の実施形態によれば、マイクロバブル発生装置１の構成要素であるタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４が直線的に配列しているため、装置の小型化および大型化とも可能であり、現有設備に容易に直結することができる。また、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅへの気体５ｌの給気を給気装置５により行っているため、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂにおける圧力変動に応じて給気量を自動的に調節することができ、渦崩壊を安定的に起こさせてマイクロバブル６ｄを発生させることができる。また、マイクロバブル６ｄの発生メカニズムが明瞭なため、パイプ２への液体６の供給に用いるポンプの性能に応じてマイクロバブル発生装置１の設計を容易に行うことができる。
次に、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２０図に示すように、このマイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈを設けて、出口をテーパー状に広げたことを特徴とする。すなわち、第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの先端である出口の角度４ｉが０度であるのに対し、この第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの出口の角度（テーパー角）４ｉを十分に大きくしたテーパー部４ｈを設けている。この角度４ｉは、具体的には、例えば６０度または８０度程度にするが、これに限定されるものではない。
第１の実施形態の渦崩壊用ノズル４の場合は、渦流部２ｂで旋回流６ｃの中心付近に生じた気柱６ｂが、縮流部４ａで流速が増され、渦崩壊部４ｂで細かく潰されることにより、マイクロバブル６ｄが発生するのに対して、この第２の実施形態の渦崩壊用ノズル４の場合は、気柱６ｂは渦崩壊部４ｂを通過し、テーパー部４ｈにおいて、コアンダ効果により気泡となって張り付く。テーパー部４ｈに張り付いた気泡は、渦流部２ｂから続く旋回流６ｃにより剪断または破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。このようにテーパー部４ｈに張り付くことにより、気泡が剪断を受ける時間が長くなり、気泡の微粒化が促進される。
なお、コアンダ効果とは、流れの中に物体を置いたときに、置いた物体に沿って流れの向きが変わる流体の性質のことで、旋回流６ｃが渦崩壊部４ｂからテーパー部４ｈに入ってテーパー状に広がることで気柱６ｂも広がり、気泡がテーパー部４ｈに張り付く。
この第２の実施形態の渦崩壊用ノズル４の寸法は、縮流部４ａの入口の内径（＝パイプ２の内径２ｄ）、縮流部４ａの角度４ｅおよび渦崩壊部４ｂの内径４ｆは、第１の実施形態の渦崩壊用ノズル４と同様であるが、円筒状の渦崩壊部４ｂの長さ４ｇについては、内径４ｆと同程度である。
第２１図Ａ、第２１図Ｂおよび第２１図Ｃは、渦崩壊部４ｂの形状を変えた場合のマイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を比較した図である。
第２１図Ａに示すように、第１の実施形態の渦崩壊用ノズル４の場合、パイプ２の渦流部２ｂから縮流部４ａに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて渦崩壊してマイクロバブル６ｄが発生するが、直線状の狭い範囲にしか広がらない。
第２１図Ｂに示す渦崩壊用ノズル４は、渦崩壊部４ｂの全体をテーパー部とした場合であるが、このテーパー部において発生したマイクロバブル６ｄは、第２１図Ａの場合に比べて僅かに範囲が広がる程度である。
第２１図Ｃに示す渦崩壊用ノズル４の場合、テーパー部４ｈに張り付いた気泡を剪断または破砕することによりマイクロバブル６ｄが発生するので、マイクロバブル６ｄはテーパー状に非常に広い範囲に広がる。
第２２図Ａおよび第２２図Ｂは二種類の渦崩壊の様子を示す。いずれも渦崩壊用ノズル４の出口のテーパー部４ｈの急拡部の存在により渦は不安定となり渦崩壊が生じるが、第２２図Ａに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの最小断面で流れが超臨界（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ）となり擾乱が上流に伝播できないのに対し、第２２図Ｂに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の全領域で亜臨界（ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ）となり擾乱は上流に伝播する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈが設けられていることにより、旋回流６ｃはこのテーパー部４ｈに張り付く。このため、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるとともに、テーパー部４ｈの角度４ｉの選定によりマイクロバブル６ｄの噴き出し方向の制御を容易に行うことができる。
次に、この発明の第３の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２３図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、このマイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の通気孔５ｆとタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを、給気装置５の高圧力部５ｊと渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの入口側の圧力検出器４ｃとを接続し、給気装置５の低圧力部５ｋと渦崩壊用ノズル４の外側に設けた圧力検出器４ｄとを接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、渦崩壊用ノズル４において内部を通過する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。
なお、給気装置５の通気孔５ｆの一端とタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを給気管５ｉで繋ぐことは第１の実施形態と同様である。また、通気孔５ｆの他端は開放して気体５ｌを取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第４の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２４図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、このマイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の高圧力部５ｊは、渦崩壊用ノズル４の出口周辺の静水圧に開放した圧力検出器４ｄに接続し、給気装置５の低圧力部５ｋは、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに設けた圧力検出器４ｃと接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、タービン翼型ノズル３において発生する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。このマイクロバブル発生装置１の接続方法は、渦崩壊用ノズル４に圧力検出器を設置する必要がなく簡便である。
圧力検出器４ｃで検出した内部の気柱６ｂの圧力と圧力検出器４ｄで検出した外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きいときは、マイクロバブル６ｂが効率よく発生している状態であり、圧力差が小さいときは、空気量が多過ぎてマイクロバブル６ｄの発生が少ない状態である。
内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きい場合は、給気装置５のピストン５ｂを右に移動させて通気孔５ｆを開放し、給気孔３ｅに気体５ｌを供給する。
逆に、内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｄの圧力との圧力差が小さい場合は、給気装置５のピストン５ｂを左に移動させて通気孔５ｆを塞いでいき、給気孔３ｅに供給する気体５ｌの量を抑制する。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第５の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２５図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、パイプ２を入口２ａの内径２ｄを細くした拡大管１１に替えたことが第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１と異なる。拡大管１１は、入口２ａ側の細管部１１ａの内径１１ｄが小さく、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４のある太管部１１ｃの内径１１ｅが大きい形状を有する。
細管部１１ａから太管部１１ｃに至る拡大部１１ｂについては、第２５図に示す二つの点線の円のように、円弧状に滑らかに内径が拡大していき、拡大部１１ｂの後部は、タービン翼型ノズル３の半球状部３ｃに沿う形となっている。拡大部１１ｂを滑らかに広げることにより、拡大管１１に液体６が流れる際に、流水断面積が急増加しないので、タービン翼型ノズル３で液体流６ａを拡大管１１の軸方向から円周方向ｆに効果的に変換することができる。
このマイクロバブル発生装置１においては、送水ポンプなどの送液ポンプなどから拡大管１１の入口２ａに供給された直線的な液体流６ａが効率的に螺旋状の旋回流６ｃに変換され、また、タービン翼型ノズル３による縮流の影響も小さくなり、エネルギー損失が減少する。
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
次に、この発明の第６の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２６図および第２７図はそれぞれ、マイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルおよび画像のスペクトルを示す。これは、渦崩壊が生じるときに発生する音（ｖｏｒｔｅｘ ｗｈｉｓｔｌｅ）を測定することで、旋回流６ｃの回転周波数を予測することができることを示したものである。
第２６図に示す音波のスペクトルは、液中を伝搬する音を受信することができるハイドロホーンにより旋回流６ｃが発する音の振動数を測定したグラフであり、第２７図に示す画像のスペクトルは、高速ビデオ映像により旋回流６ｃの回転周波数を測定したグラフである。ただし、タービン翼型ノズル３のノズル径３ｊは４ｃｍ、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの内径４ｆは１ｃｍ、液体６として用いた水の流量は７００ｃｃ／ｓである。
第２６図および第２７図に示すように、音波のスペクトルにおける振動数と画像のスペクトルにおける周波数とは、ともに約４６０Ｈｚにおいてパワースペクトルの値に特徴が見られる。また、第２６図に示す音波のスペクトルにおいて、約４６０Ｈｚの右隣の５２０Ｈｚ付近に現れるピークがマイクロバブル６ｄの発生状況を示している。なお、パワースペクトルとは、振動する量の二乗平均値を振動数成分の分布として表したものである。
この第６の実施形態によれば、マイクロバブル６ｄが効率良く発生しているかどうかを直接マイクロバブル６ｄの映像を観ることなく、水中音を測定することで確認することができるため、第１〜第５の実施形態のように渦崩壊用ノズル４の圧力を検出するのではなく、給気孔３ｅへの気体５ｌの給気量を音波の計測のみで調整することが可能となる。また、液体６が不透明である場合にも、マイクロバブル６ｄの発生状況を容易に把握することができる。
次に、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
このマイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の出口のエッジを滑らかにすることを特徴とする。
第２８図Ａは渦崩壊用ノズル４、第２８図Ｂはこの渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの拡大図である。
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋを滑らかにすることにより、気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付き（コアンダ効果）、その旋回流６ｃによる剪断で気柱６ｂが破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。また、マイクロバブル６ｄは渦崩壊用ノズル４の前面の広い範囲に分散する。気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付くには、旋回流６ｃによる遠心力が主流方向の遠心力より大きくなる必要がある。このため、エッジ４ｋの曲率半径をρｅとすると、
ρｅ〜（ｕｅ／ｖｅ）２ｒｅ＝Γｅ −２ｒｅ （１４）
以上とする必要がある。ただし、ｖｅは渦崩壊用ノズル４の出口における旋回流６ｃの周方向速度である。すなわち、
ρｅ≧Γｅ −２ｒｅ （１５）
とする。
渦崩壊用ノズル４の管状の渦崩壊部４ｂとデーパー部４ｈの前面とのなす角度θ０は、渦崩壊用ノズル４の出口からのマイクロバブル６ｄの噴き出し方向を決定する。
第２９図は超臨界渦崩壊の場合を示し、Γｅ〜Γｃｒである。また、第３０図は亜臨界渦崩壊の場合を示し、Γｅ＞Γｃｒである。
第３１図Ａ、第３１図Ｂおよび第３１図Ｃはそれぞれ、θ０〜８０度、θ０〜９０度、θ０〜１３０度の場合であり、いずれの例でも渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの曲率により旋回流６ｃが渦崩壊用ノズル４の前面に付着し、この前面の接線方向に流れる。
この第７の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
以上、この発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、配置などを用いてもよい。
また、必要に応じて、第１〜第７の実施形態のうちの二つ以上の実施形態を組み合わせてもよい。
この発明は、マイクロバブル発生装置、マイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズル、マイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体、マイクロバブル発生方法およびマイクロバブル応用装置に関し、例えば、マイクロバブルを利用した水質浄化に適用して好適なものである。
［背景技術］
マイクロバブルは、発生時において気泡径が１０〜数１０μｍである微細気泡であり、水中で普通に発生する直径数ｍｍ程度の気泡と比べると極めて小さい。マイクロバブルは、このように極端に小さいため、微細なゴミを吸着して水面に浮上させる性質を持ち、水産物の洗浄や水質浄化などに応用されている。
従来、このマイクロバブルの発生装置としては、国際公開第００／６９５５０号パンフレットに、有底円筒形のスペースを有する容器本体と、同スペース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、前記円筒形のスペース底部に開設された気体導入孔と、前記円筒形のスペース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が開示されている。
また、特開２００３−２０５２２８号公報には、円錐形のスペースを有する容器本体と、同スペース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、前記スペース底部に開設された気体導入孔と、前記スペースの頂部に開設された旋回気液導出口とから構成された旋回式微細気泡発生装置が開示されている。
さらに、特開２０００−４４７号公報には、円形収容室へ水液流を付勢旋回導入する構造と、その上部の漸拡形状の有蓋円筒体内の周辺部分に旋回上昇流を形成する構造と、この周辺部分の内側の部分に形成される旋回下降流形成構造と、遠向心分離作用により、その中心部分に形成される負圧の旋回空洞部と、この負圧の旋回空洞部に形成され、伸長、先細りさせながら旋回下降する気体渦管の形成構造と、その気体渦管が中央還流口に突入および流出するとき渦管が強制的に切断され、微細気泡を発生するように形成された微細気泡発生構造とにより構成された旋回式微細気泡発生装置が開示されている。
しかしながら、上述の従来のマイクロバブル発生装置は、その構成要素が直線状配列になっていないことから、装置の小型化および大型化が困難であり、現有設備に直結することが困難である。また、発生する気泡の大きさは液体に導入される気体の量に左右されるが、給気の調節は勘に頼るしかなく、気泡の大きさを正確に設定することは困難であった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、装置の小型化および大型化が可能であり、現有設備に容易に直結することが可能なマイクロバブル発生装置ならびにこのマイクロバブル発生装置に適用して好適なマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズルおよびマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体ならびにマイクロバブル発生方法ならびにこのマイクロバブル発生装置を用いたマイクロバブル応用装置を提供することである。
上記課題および他の課題は、本明細書の以下の記述によって明らかとなるであろう。
［発明の開示］
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その概要を説明すると次のとおりである。
本発明者らは、実験的および理論的検討の結果、上記課題を解決するためには、渦崩壊現象を利用してマイクロバブルを発生させることが最も有効であることを見出し、渦崩壊を利用したマイクロバブル発生装置を構築した。このマイクロバブル発生装置では、高速旋回流が不安定となる流速場を生成させることにより渦崩壊を起こさせ、この渦崩壊部に気泡を混入し破壊することでマイクロバブルを生成する。
このマイクロバブル発生装置の開発に際しては、種々の技術的課題の解決が必要であった。具体的には、気泡径を制御したマイクロバブルの生成、ノズルが大型であると小型であるとを問わないマイクロバブルの生成、様々な環境下（例えば、水深、水質など）におけるマイクロバブルの生成法などである。そして、これらの技術的課題の解決のためには、詳細は後述するが、縮流部と渦崩壊部とを有する渦崩壊用ノズルを用いること、旋回流発生用ノズルとして翼型のものを用いること、渦崩壊用ノズルの圧力の検出結果に基づいて旋回流に給気する気体の量を自動調整することなどが有効であることを見出し、この発明を案出するに至った。
すなわち、第１の発明は、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに有し、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたことを特徴とするものである。
ここで、渦崩壊とは、渦の構造が急激に変化する現象であり、スパイラル型（デルタ翼の場合などに発生する型）、バブル型（円管内流れの場合などに発生する型）の二つの顕著な型を有する。
渦崩壊用ノズルにおいては、典型的には、縮流部は渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており（あるいは、縮流部は渦崩壊部に向かってすぼまっており）、渦崩壊部との境界部（あるいは接続部）において渦崩壊部と同一の断面形状を有する。渦崩壊部の形状は、必要に応じて選ばれるが、具体的には、円筒形状や、出口に向かって断面積が徐々に増加する形状や、円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とがなす角度をθ０としたとき、０度＜θ０＜１８０度である形状などである。渦崩壊部が円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有する場合、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とは滑らかに繋がっていることが望ましい。こうすることで、渦崩壊用ノズルの噴き出し面である第２の部分の端面に旋回流を付着させることができる。
液体の旋回流は、基本的にはどのような方法を用いて発生させてもよく、従来公知の各種のものを用いることができるが、好適には、渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルを用いて発生させる。この場合、旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより旋回流を発生させる。この旋回流発生用翼型ノズルは、典型的には、旋回流発生用翼体を例えば円筒形状の管（パイプ）の内部に収容したもの（あるいは、旋回流発生用翼体の外側を管により覆ったもの）である。旋回流発生用翼体は、典型的には、円柱状の本体の一端部を流線形（典型的には、この本体の中心軸を回転軸とする回転体状（例えば、半球状））に成形し、本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものである。典型的には、旋回流発生用翼体は、本体の外周面に設けられた給気孔と本体の他端部に設けられた噴射孔とを有し、それらの給気孔と噴射孔とは本体内に設けられた通路を介して互いに連通している。旋回流発生用翼体を収容する管は一様な径を有するものであってもよいが、この管の一端から供給される液体を旋回流発生用翼型ノズルにより効率的に旋回流に変換し、この旋回流発生用翼型ノズルによる縮流の影響を小さくし、液体のエネルギー損失の減少を図る観点より、好適には、管は第１の部分とこの第１の部分よりも太い第２の部分とを有し、第２の部分に旋回流発生用翼体が収容される。
マイクロバブル発生装置は、典型的には、旋回流発生用翼体の給気孔に供給する気体の量を調整する給気装置をさらに有する。この給気装置は、好適には、断面積を制御可能な通気孔を有し、この通気孔の断面積を制御することにより旋回流発生用翼型ノズルの給気孔に供給する気体の量を調整するように構成される。典型的には、給気装置の通気孔と旋回流発生用翼体の給気孔とは給気管により接続され、この給気管を介して給気装置の通気孔から旋回流発生用翼体の給気孔に気体が給気される。典型的には、渦崩壊部の圧力の検出結果に応じて、あるいは必要に応じて渦崩壊部の外部の圧力の検出結果を併用して、通気孔の断面積を制御する。こうすることで、旋回流への給気を自動的に行うことができる。
旋回流への給気は、渦崩壊部において渦崩壊に伴って発生する特有の音（ｖｏｒｔｅｘ ｗｈｉｓｔｌｅ）の検出結果に応じて旋回流発生用翼型ノズルの給気孔に供給する気体の量を調整することによっても、自動的に行うことができる。
マイクロバブルを発生させる液体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、水、セルロースなどの増粘剤を入れた水、各種の環境水（湖沼水、河川水、汚染水など）、建設汚泥などの各種の汚泥、各種の有機溶剤（アルコール、アセトン、トルエンなど）、石油、ガソリンなどの液体燃料などである。
旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、水素、アルゴンなどである。
このマイクロバブル発生装置の典型的な一実施形態においては、円柱状の本体の前方を半球状に成形し、この本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が湾曲するように設け、背面に噴射孔を設けた旋回流発生用翼体と、この旋回流発生用翼体の外側を管状に覆い、テーパー状に成形した縮流部に管状の渦崩壊部を連接した渦崩壊用ノズルを先端部に配置した内部に液体が流れるパイプと、渦崩壊用ノズルの圧力差を検出し、上記パイプにより外側が覆われた旋回流発生用翼体からなる翼型ノズル（旋回流発生用翼体の外形がタービン翼に似ていることからタービン翼型ノズルということもできる）に供給する気体の量を調整する給気装置とからなり、翼型ノズルにより液体流を円周方向に向けるとともに気柱を噴出させ、渦崩壊用ノズルで縮流して渦崩壊させる。
第２の発明は、
円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けた旋回流発生用翼体を管の内部に収容したことを特徴とするマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズルである。
第３の発明は、
円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたことを特徴とするマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体である。
第４の発明は、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを用い、上記縮流部に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生方法であって、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに用い、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたことを特徴とするものである。
第５の発明は、
少なくとも一つのマイクロバブル発生装置を有するマイクロバブル応用装置であって、
少なくとも一つの上記マイクロバブル発生装置が、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに有し、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の一端部を流線形に成形し、上記本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、上記本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたものであることを特徴とするものである。
このマイクロバブル応用装置は、マイクロバブルを液体中に発生させて各種の処理を行うものである限り、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、水質浄化装置、洗浄装置などである。
第２〜第５の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
この発明によれば、以下の効果を得ることができる。すなわち、旋回流発生用翼型ノズルなどにより発生され、中心に気体が導入された液体の旋回流を渦崩壊用ノズルに供給するだけで簡便にマイクロバブルを発生させることができるだけでなく、渦崩壊用ノズルや旋回流発生用翼型ノズルなどの装置の構成要素を直線状配列にすることができるので、装置の小型化および大型化とも容易であり、マイクロバブル発生装置を現有設備に容易に直結することができる。マイクロバブル発生装置の小型化により、例えば、機器の一部にこのマイクロバブル発生装置を容易に組み込むことができる。また、マイクロバブル発生装置の大型化により、例えば、水域の浄化のような大規模事業にも対応することが可能となる。
さらに、例えば、液体の旋回流の中心への気体の導入を渦崩壊用ノズルの渦崩壊部の圧力の検出結果に応じて給気装置により行うことにより、給気の調節を自動的に行うことができるので、勘に頼らずマイクロバブルの大きさを正確に設定することができる。
また、液体の供給に用いるポンプの性能に応じて旋回流発生用翼型ノズルの溝深さおよび噴き出し角を調整することができるので、マイクロバブル発生装置の最適設計を容易に行うことができる。
マイクロバブルは、水質浄化や建設汚泥のリサイクルなどの際に用いる自然共生型技術にとって有用である。マイクロバブルは固有の物理化学的性質を有し、種々の工業的利用が可能であり、工業的に重要である。多孔体材料は材料の軽量化に資するが、マイクロバブルはこの多孔体材料の作製に有効である。液中に所望の気体をマイクロバブルの形で注入することで、気体と液体との接触面積の増加およびマイクロバブルの浮上時間遅延による気体と液体との接触時間の増加により、液中への気体溶解量を増加させることができる。マイクロバブルの吸着・凝縮効果およびマイクロバブルによる浮上効果により、液中懸濁物質を除去することができる。マイクロバブルの剥離効果およびマイクロバブルの崩壊時のエネルギーは洗浄に効果的に利用することができる。また、マイクロバブルは、砂層地盤の液状化対策など、土木分野における新技術の開発にも有効である。
そして、このマイクロバブル発生装置あるいはマイクロバブル応用装置によれば、例えば、各種の水域の浄化（湖沼、河川、貯水池などの水質浄化）、干潟の再生、カキやホタテの養殖、船舶の抵抗低減、鉛管内のスケールの除去、超音波洗浄、農水産業や医療分野、健康分野への応用など様々な用途に対してマイクロバブルを効果的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の本体を示す斜視図、第２図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す斜視図、第３図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す正面図、第４図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す縦断面図、第５図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の形状を示す略線図、第６図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図、第７図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の給気装置を示す縦断面図、第８図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの縮流部におけるサーキュレーション数を説明するための略線図、第９図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの臨界ノズル半径を説明するための略線図、第１０図Ａおよび第１０図Ｂは、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる渦崩壊を示す略線図、第１１図は、Ｈｉｎｚｅスケールを説明するための略線図、第１２図、第１３図および第１４図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数がそれぞれ２、３および４のときにマイクロバブルをＨｉｎｚｅスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図、第１５図、第１６図および第１７図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数がそれぞれ２、３および４のときにマイクロバブルをＨｉｎｚｅスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図、第１８図は、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの実施例を説明するための表、第１９図Ａ、第１９図Ｂおよび第１９図Ｃは、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの形状、渦崩壊用ノズルの形状およびタービン翼型ノズルから渦崩壊用ノズルまでの間隔の実施例を説明するための略線図、第２０図は、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図、第２１図Ａ、第２１図Ｂおよび第２１図Ｃは、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を他の例と比較した略線図、第２２図Ａおよび第２２図Ｂは、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置における二種類の渦崩壊の様子を示す略線図、第２３図は、この発明の第３の実施形態によるマイクロバブル発生装置を示す縦断面図、第２４図は、この発明の第４の実施形態によるマイクロバブル発生装置を示す縦断面図、第２５図は、この発明の第５の実施形態によるマイクロバブル発生装置の本体を示す縦断面図、第２６図は、この発明の第６の実施形態によるマイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルを示す略線図、第２７図は、この発明の第６の実施形態によるマイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した画像のスペクトルを示す略線図、第２８図Ａは、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図、第２８図Ｂは、第２８図Ａに示す渦崩壊用ノズルの出口のエッジの拡大図、第２９図は、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる超臨界渦崩壊を示す略線図、第３０図は、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる亜臨界渦崩壊を示す略線図、第３１図Ａ、第３１図Ｂおよび第３１図Ｃは、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの形状の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ マイクロバブル発生装置
２ パイプ
２ａ 渦流部
３ タービン翼型ノズル
３ａ 本体
３ｂ 翼
３ｅ 給気孔
３ｆ 噴射孔
４ 渦崩壊用ノズル
４ａ 縮流部
４ｂ 渦崩壊部
４ｃ 圧力検出器
４ｄ 圧力検出器
５ 給気装置
５ｆ 通気孔
５ｊ 高圧力部
５ｋ 低圧力部
５ｌ 気体
６ 液体
６ａ 液体流
６ｂ 気柱
６ｃ 旋回流
６ｄ マイクロバブル
１１ 拡大管
【発明を実施するための最良の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、この発明の第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
このマイクロバブル発生装置においては、マイクロバブルを発生させるために、パイプ中心部を閉塞させ円周方向の流速を大きくすることでパイプ内を流れる水などの液体から強い旋回流を発生するタービン翼型ノズルと、主流に比べて循環が卓越する流れを小さい流れに遷移させる渦崩壊用ノズルとを直列に配置した。また、マイクロバブルの径を調整するために、渦崩壊用ノズル内の圧力差を検出して旋回流に導入する気体の量を自動的に調節できるようにし、渦崩壊用ノズル内部で安定して渦崩壊が起きるようにした。
第１図はこのマイクロバブル発生装置の本体、第２図〜第４図はこのマイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体、第５図はこのタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の展開図、第６図はこのマイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル、第７図はこのマイクロバブル発生装置の給気装置を示す。
第１図〜第７図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４を有する円筒状のパイプ２と給気装置５とからなる。タービン翼型ノズル３は、円柱状の本体３ａの前方ａを半球状に成形し、この本体３ａの外周面ｂの長手方向に複数の翼３ｂをそれらの後方ｃが彎曲するように設け、背面ｄに噴射孔３ｆを設けた翼体の外側をパイプ２により管状に覆ったものである。渦崩壊用ノズル４は、パイプ２の先端部ｅに配置されている。渦崩壊用ノズル４は、テーパー状に成形した縮流部４ａに管状の渦崩壊部４ｂを連接したものである。給気装置５は、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力差を検出し、タービン翼型ノズル３に供給する気体５ｌの量を調整するものである。パイプ２においては、入口２ａ、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂ、渦崩壊用ノズル４の順に液体６が流れる。パイプ２は既存の設備に接続できるように様々なサイズに対応可能である。
このマイクロバブル発生装置１では、パイプ２の入口２ａに、マイクロバブルを発生させようとする水などの液体６を流し、タービン翼型ノズル３により水流などの液体流６ａを円周方向ｆに向けるとともに気柱６ｂを噴出させ、渦崩壊用ノズル４で縮流して渦崩壊させることを特徴とする。より詳細には、パイプ２の入口２ａから入った液体６は、タービン翼型ノズル３によって中心部が閉塞されるため、流速の増した液体流６ａとなる。液体流６ａは、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに存在する溝３ｄに沿って流れ、タービン翼型ノズル３の円周方向ｆに向きを変えられることにより旋回流６ｃとなって渦流部２ｂを進む。渦流部２ｂでは、タービン翼型ノズル３の噴射孔３ｆから放出された気柱６ｂが旋回流６ｃとともに螺旋状に流れる。渦崩壊用ノズル４に入ると、旋回流６ｃは縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブル６ｄとなって渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。ここで、渦崩壊用ノズル４の最小断面、すなわち渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転周波数ｆｅは、縮流部４ａにおいて循環が保存されるとすると、渦流部２ｂにおける旋回流６ｃの回転周波数をｆ、パイプ２の内径をＤ、渦崩壊部４ｂの内径をＤｅとしたとき、ｆｅ＝（Ｄ／Ｄｅ）２ｆとなる。
タービン翼型ノズル３は、水流などの液体流６ａを螺旋状の旋回流６ｃに変換するとともに気柱６ｂを放出する器具であり、パイプ２の内部に、本体３ａの外周面ｂ上に複数の翼３ｂを設けた翼体が固定されている。タービン翼型ノズル３は回転させる必要はなく、動力は不要である。なお、気柱６ｂとは、空気などの気体５ｌを勢い良く柱状に噴射させた気泡のことである。
本体３ａは円柱状（断面は長方形状）であり、前方ａは半球状部３ｃ（断面は半円状）と連接しており、背面ｄの中央に噴射孔３ｆを有する。
翼３ｂは、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａの背面端３ｖにかけて、本体３ａの外周面ｂ上を縦断するように設けた部材であり、液体流６ａの向きを本体３ａの円周方向ｆに変えるために、背面端３ｖに向かうにつれて湾曲している。半球状部３ｃにおける翼３ｂも全体としては半球状に成形される。ただし、半球状部３ｃにおける翼３ｂは必要に応じて省略することが可能である。翼３ｂは本体３ａから突起状に出ているため、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在する。
半球状部３ｃは、パイプ２の入口２ａから入ってきた液体６がスムーズに溝３ｄに流れ込むように丸めてある箇所である。パイプ２は、タービン翼型ノズル３から放出される円周方向ｆの噴流から角運動量の大きな流体を生成するために必要である。
溝３ｄは、翼３ｂにより仕切られた液体６の流れる通路である。翼３ｂが湾曲していることから、水平方向（パイプ２の中心軸方向）に流れていた液体流６ａが、徐々に垂直方向に曲げられ、螺旋状の旋回流６ａとなってタービン翼型ノズル３から出ていく。
噴射孔３ｆは、マイクロバブルの基となる気柱６ｂを放出する孔である。気柱６ｂは、本体３ａの外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから気体５ｌを供給することにより生成される。噴射孔３ｆから出た気柱６ｂは、旋回流６ｃとともに流れていく。
翼３ｂは、液体６の流れを等分に分割するため、同じ形状のものを等間隔に配置する。翼間隔３ｇは翼３ｂを配置する間隔であり、この場合、翼数が６枚であるので翼間隔３ｇは６０度であるが、これに限定されるものではない。
翼角３ｈは半球状部３ｃにおける翼３ｂの大きさを決めるもので、中心から一定の角度を持って延びていき、本体３ａに至ってからは、同じ幅を維持して延びる。なお、翼角３ｈは、大き過ぎると液体６の通り道が狭くなるので、例えば１５度程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
液体６の通り道となる溝３ｄの溝深さ３ｎは溝３ｄの深さであり、翼３ｂの高さでもある。なお、溝深さ３ｎは、タービン翼型ノズル３のサイズにより適切な深さに調整することができる。
ノズル長３ｉはタービン翼型ノズル３の全体の長さであり、本体３ａの長さである翼長３ｋと半球状部３ｃの半径である外半径３ｌとの和に等しい。なお、タービン翼型ノズル３の大きさは、パイプ２の大きさが異なれば、適切な大きさも異なる。
ノズル径３ｊは、タービン翼型ノズル３の直径である。ノズル径３ｊは、翼３ｂの部分を含めた本体３ａの直径でもあり、また、本体３ａに連接することから、半球状部３ｃの直径でもある。
翼３ｂは後方ｃが湾曲しているため、翼３ｂ自体の長さは翼長３ｋよりも長くなる。また、半球状部３ｃにおける翼３ｂに関しては、翼長３ｋには含めないものとする。
外半径３ｌは半球状部３ｃの翼３ｂの部分を含めた全体の半径であり、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａまで垂直に下りた長さでもある。なお、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在するため、外半径３ｌは、溝３ｄを埋めたものと考えた場合の半径を意味する。
内半径３ｍは、半球状部３ｃの翼３ｂを除いた本体３ａと連接される部分の半径である。内半径３ｍは、外半径３ｌとの差である溝深さ３ｎの分だけ出た位置から球状にしているため、内半径３ｍの頂部３ｕは外半径３ｌの頂部３ｕと一致する。
孔距離３ｏは、噴射孔３ｆのあるタービン翼型ノズル３の背面端３ｖから給気孔３ｅの位置までの距離であり、例えば、翼長３ｋの半分の位置が好ましいが、これに限定されるものではない。また、給気孔３ｅは、液体６が通らない翼３ｂ上に設けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
給気孔３ｅと噴射孔３ｆとはタービン翼型ノズル３の内部で繋がっており、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから供給された気体５ｌが、タービン翼型ノズル３の背面ｄの中央に設けられた噴射孔３ｆから放出される。
孔内径３ｐは、給気孔３ｅおよび噴射孔３ｆの直径である。孔内径３ｐの大きさは、噴射孔３ｆから出る気柱６ｂの量に影響を与えるため、適切なサイズに調整する必要があり、供給する気体５ｌの流量に応じて決められる。一例を挙げると、孔内径３ｐは２ｍｍ程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
第５図は、タービン翼型ノズル３の一つの翼３ｂの形状を示す展開図であり、翼３ｂを湾曲させた様子をグラフ上で示したものである。グラフの横軸は翼端（翼の先端）からの流れ方向にとった距離、縦軸は周方向の距離を示す。翼３ｂが描く曲線は、０から翼長３ｋまでの範囲に存在する。なお、距離３ｑは、翼端からの距離が０と翼長３ｋとの間の任意の値とし、距離３ｒは、翼端からの距離が翼長３ｋの場合の値とする。
勾配３ｓは距離３ｑにおける傾きであり、距離３ｑが０の場合は勾配３ｓも０度であるが、距離３ｑが増えるにつれて勾配３ｓも大きくなっていく。翼３ｂの勾配３ｓは、距離３ｑが０では液体流６ａが流れに沿うこと、距離３ｒでは液体流６ａを円周方向ｆに向かわせることが必要であるため付けたものである。勾配３ｓにより液体流６ａを旋回流６ｃにすることができるが、翼３ｂにより円周方向ｆの流れが主流方向の流れに比べて大きくなり、結果として渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで渦崩壊を引き起こすためには、翼３ｂの終端における勾配３ｔが、およそ５５〜６０度より大きくなる必要がある。具体的には、例えば、翼３ｂが本体３ａの円周方向ｆとなす角度は５〜９度（あるいは５〜６度）、すなわち、距離３ｒにおける勾配３ｔは８１〜８５度（あるいは８４〜８５度）であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
渦崩壊用ノズル４は、旋回流６ｃとともにパイプ２の渦流部２ｂを流れてきた気柱６ｂを渦崩壊させてマイクロバブル６ｄを発生させる器具であり、パイプ２の端に一体的に連接する。渦崩壊用ノズル４は縮流部４ａと渦崩壊部４ｂとからなる。縮流部４ａは、テーパー状に細くなる管であり、広い側はパイプ２の渦流部２ｂに連接され、狭い側は渦崩壊部４ｂに連接される。縮流部４ａの細くなる角度（テーパー角）４ｅは、パイプ２などの大きさに依存し、必要に応じて選ばれる。この角度４ｅの一例を挙げると約２０度であるが、これに限定されるものではない。渦崩壊部４ｂは、パイプ２の渦流部２ｂよりも細い円筒状の管であり、一端は縮流部４ａの狭い側に連接され、他端が出口となる。渦崩壊部４ｂの内径４ｆもパイプ２の大きさなどに依存し、必要に応じて選ばれる。この内径４ｆは例えば０．５〜１．５ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
パイプ２内を流れる液体６は、渦流部２ｂから縮流部４ａの広い側に入り、縮流部４ａの径が細くなっていくことで流速を増しながら渦崩壊部４ｂへと至る。液体６とともに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて細かくされ、マイクロバブル６ｄとして渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。
渦崩壊用ノズル４の渦崩壊が発生するノズル径の最小値、すなわち臨界ノズル径は次のようにして求められる。
詳細は省略するが、タービン翼型ノズル３の翼３ｂによって生成される旋回流６ｃの回転周波数ｆはＣａｓｓｉｄｙ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．，Ｖ．４１，ｐｐ．７２７−７３６，１９７０による方法により求められ、ｆとｆｅとの間にはｆｅ＝（Ｄ／Ｄｅ）２ｆの関係が成り立つから、
渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａにおけるサーキュレーション数Γｅは
第８図に、ε＝１．５／４．０であるときの渦崩壊前のサーキュレーション数Γｅのθｆに対する変化をδを０．４／２、０．９／２と変えて求めた結果を示す。ただし、第８図におけるΓｃｒは臨界サーキュレーション数でΓｃｒＰ＝２．０である（本マイクロバブル発生装置ではΓｃｒ≒２．０、より一般的な旋回流発生装置の場合の平均的な値はΓｃｒ≒１／０．６５（例えば、Ｓｐａｌｌ ｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｆｌｕｉｄ，３０（１１），ｐｐ．３４３４−３４４０，１９８７）。第８図に示すように、溝３ｄの深さ、すなわち溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなるにしたがって、軸方向運動量に対する円周方向の運動量が相対的に小さくなり、結果として溝深さ３ｎ＝ｈ、したがってδが大きいほどサーキュレーション数Γｅは減少する。このため、溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなると渦崩壊は起こりにくくなる。
溝深さ３ｎ＝ｈおよびθｆを与えたとき、渦崩壊が発生するノズル半径の最小値、すなわち臨界ノズル半径εｃｒ（臨界半径をｒｅｃｒとするとεｃｒ＝ｒｅｃｒ／Ｒ）は、Γｅ＝Γｃｒとおくことにより下記のように得られる。したがって、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４をε＞εｃｒを満たすように設計することにより、渦崩壊用ノズル４で渦崩壊を起こさせることができる。
詳細は省略するが、旋回流６ｃによる分級効果によって、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで放出されるマイクロバブル６ｄの径ｄは
パイプ２に液体６を供給するために用いるポンプのパワーを一定としたとき、ｆｅは
給気装置５は、マイクロバブル発生装置１に気体５ｌを供給する装置であり、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに連結され、噴射孔３ｆから気柱６ｂを放出する。圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄは渦崩壊部４ｂ内の圧力を検出する器具であり、圧力検出器４ｃは縮流部４ａに連接する側に設けられ、圧力検出器４ｄは出口側に設けられている。これらの圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄにより圧力差を検知し、気体５ｌの供給量を自動的に調節する。
給気装置５は、シリンダ５ａおよびピストン５ｂなどの部材から構成される。この給気装置５とタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４との接続は、給気孔３ｅと通気孔５ｆ、圧力検出器４ｃと高圧力部５ｊ、圧力検出器４ｄと低圧力部５ｋとを繋ぐことで行う。シリンダ５ａは給気装置５の外枠であり、内部に中空部分を有するほぼ円柱状の形状である。なお、シリンダ５ａのサイズの一例を挙げると、長さ約７．０ｃｍ、直径約２．６ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
シリンダ５ａの先頭側には、シリンダ５ａの側面を貫通する通気孔５ｆがあり、この通気孔５ｆの一端は、給気管５ｉにより給気孔３ｅに接続され、他端は、開放することで気体５ｌを取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
また、シリンダ５ａ内の中空部分は、ピストン５ｂおよびダイアフラム５ｍにより高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとに分けられる。先頭側の高圧力部５ｊは、圧力検出器４ｃで検知した圧力となり、背後側の低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｄで検知した圧力となる。
なお、高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋには、それぞれ空気孔５ｇおよび空気孔５ｈが設けられる。空気孔５ｇおよび空気孔５ｈは、通常は閉じておくが、開放することにより内部の空気を抜くことができる。
ピストン５ｂは、シリンダ５ａの内部を往復移動する部材であり、可動部５ｃ、バネ５ｄおよびストッパー５ｅなどからなる。ピストン５ｂが移動することにより、給気孔３ｅへ供給する気体５ｌの量を調節する。可動部５ｃは、シリンダ５ａ内を前後に動く部分であり、給気孔３ｅの開閉を行う杭状の前半部と、シリンダ５ａ内の高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとを仕切る円柱状の後半部とからなる。可動部５ｃが最も前に移動した場合は、先端が通気孔５ｆを突き抜けて気体５ｌが通らないように塞いでしまい、可動部５ｃが最も後に移動した場合は、先端が通気孔５ｆから離れて気体５ｌを通す。
バネ５ｄは、伸び縮みすることで可動部５ｃの移動を制御するもので、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差と連動して可動部５ｃの位置を調整する。高圧力部５ｊの圧力が増せばバネ５ｄが縮んで可動部５ｃを後方に移動させ、低圧力部５ｋの圧力が増せばバネ５ｄが伸びて可動部５ｃを前方に移動させる。
ストッパー５ｅは、ピストン５ｂの端をシリンダ５ａの後背部に固定することで、ピストン５ｂを支えている部材である。ストッパー５ｅで押さえることで、ピストン５ｂがシリンダ５ａ内で安定し、バネ５ｄの伸縮も有効に働き、可動部５ｃを移動させることができる。
可動部５ｃとストッパー５ｅとはバネ５ｄにより接続されるが、バネ５ｄの内側で可動部５ｃとストッパー５ｅとをスライド構造にすることにより、バネ５ｄの部分の安定性を保つとともに、可動範囲を制御する。
給気装置５は、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差を利用してピストン５ｂを移動させることにより、気体５ｌの供給を制御する。高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄと管５ｎ、５ｏで接続され、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力を反映させる。具体的には、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しているときは、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が増大し、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差がバネ５ｄの反力よりも大きくなると、ピストン５ｂが右に移動して通気孔５ｆが開く。
なお、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しない場合は、給気孔３ｅへの給気量が多く、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が小さい場合であり、給気量を制御するために、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力が均衡した際のピストン５ｂの位置を、通気孔５ｆが閉まる位置にしておく。
第１０図Ａおよび第１０図Ｂは渦崩壊用ノズル４での渦崩壊を示す図であり、渦崩壊ありの場合（第１０図Ａ）の渦崩壊用ノズル４および渦崩壊なしの場合（第１０図Ｂ）の渦崩壊用ノズル４の状態を示したものであ。第１０図Ａに示すように、渦崩壊ありの場合には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂの中間付近で渦崩壊し、マイクロバブル６ｄとなって出て行くため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力よりも小さくなる。
圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差があれば、正常に渦崩壊が起きており、このまま給気を行う。
渦崩壊なしの場合（第１０図Ｂ）には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂ内では渦崩壊せず、マイクロバブル６ｄとならないため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力とほとんど変わらない。このとき、圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差がなければ、給気を抑制し、渦崩壊が起きるように調整する。
このように、給気量が適正でなければ、気柱６ｂは渦崩壊せずマイクロバブル６ｄが得られないので、この第１の実施形態では、渦崩壊しているかどうかを渦崩壊部４ｂの圧力差によって確認し、さらに上述のようにこの圧力差を利用して自動的に給気量を調整することができる。
次に、気体５ｌの給気量（気体流量）Ｑａとマイクロバブル６ｄの径ｄとの関係について説明する。
渦崩壊用ノズル４の前面に張り付いた気柱６ｂが受ける剪断によって発生する気泡径をＨｉｎｚｅスケール（圧力による分断作用と表面張力とが釣り合った平衡状態における径ｄＨ）に従って算定すると第１１図に示すようになる。詳細は省略するが、マイクロバブル６ｄがＨｉｎｚｅスケールｄＨまで微粒化されるときの気体５ｌの給気量Ｑａは
第１２図、第１３図および第１４図は、Γｅがそれぞれ＝２、３および４のときの給気量Ｑａを示す。
Ｈｉｎｚｅスケールのマイクロバブル６ｄを生成するときの給気量Ｑａと液体６の流量Ｑｗとの比は次式で表される。
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジでは旋回流６ｃの剥がれによって音が発生するが、この音は、例えば、このエッジに微細な繊維（例えば、綿状のもの）を貼ったり、渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａの入り口にその直径方向に針金（例えば、数ｍｍ径のもの）を張り渡して上流の気柱６ｂを乱したりすることで消音することが可能である。
タービン翼型ノズル３の実施例について説明する。第１８図は、タービン翼型ノズル３の実施例１〜３を示し、タービン翼型ノズル３の形状を示す。翼３ｂの枚数を６枚とし、翼３ｂを等間隔に配置することから翼間隔３ｇは６０度となり、翼角３ｈを１５度とすること、勾配３ｓを８４度とすることは実施例１〜３で共通する。
実施例１は、半球状部３ｃの外半径３ｌを０．８５ｃｍ、翼長３ｋを２．０３ｃｍ、溝深さ３ｎを０．３ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから２．８８ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから０．５５ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが０．８５ｃｍであることから５．３４ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．２２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから０．８９ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、６７．４×（−０．０３６９＋０．７８０／（２．１１−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は６３．２度となる。
実施例２は、半球状部３ｃの外半径３ｌを１．６ｃｍ、翼長３ｋを３．８２ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから５．４２ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．１ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが１．６ｃｍであることから１０．０５ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．４２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから１．６８ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、３５．８×（−０．０６９５＋０．２７６／（３．９８−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５９．３度となる。
実施例３は、半球状部３ｃの外半径３ｌを２．１ｃｍ、翼長３ｋを５．００ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから７．１０ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．６ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが２．１ｃｍであることから１３．１９ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．５５ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから２．２０ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、２７．３×（−０．０９１２＋０．４７６／（５．２２−位置））の式で表すことができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は−３．３度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５６．６度となる。
第１９図Ａ、第１９図Ｂおよび第１９図Ｃは、タービン翼型ノズル３の形状、渦崩壊用ノズル４の形状およびタービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間隔の実施例４〜６を示す。タービン翼型ノズル３については、実施例４では実施例１と同様、実施例５では実施例２と同様、実施例６では実施例３と同様である。
実施例４（第１９図Ａ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約０．８５ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は２．８８ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約０．８５ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約０．８５ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約１．７ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約２．６ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約７．１８ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを０．５ｃｍとすると、入口側の径が０．８５ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
実施例５（第１９図Ｂ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約１．６ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は５．４２ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約１．６ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約１．６ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約３．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約５．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１３．６２ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．０ｃｍとすると、入口側の径が約１．６ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
実施例６（第１９図Ｃ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約２．１ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は７．１０ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約２．１ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約２．１ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約４．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約７．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１８．３ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．５ｃｍとすると、入口側の径が約２．１ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
実施例４〜６におけるパイプ２の寸法は、マイクロバブル６ｄを発生させるのに好ましい数値の例であり、パイプ２の大きさに応じて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４の大きさも調整する必要がある。
以上のように、この第１の実施形態によれば、マイクロバブル発生装置１の構成要素であるタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４が直線的に配列しているため、装置の小型化および大型化とも可能であり、現有設備に容易に直結することができる。また、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅへの気体５ｌの給気を給気装置５により行っているため、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂにおける圧力変動に応じて給気量を自動的に調節することができ、渦崩壊を安定的に起こさせてマイクロバブル６ｄを発生させることができる。また、マイクロバブル６ｄの発生メカニズムが明瞭なため、パイプ２への液体６の供給に用いるポンプの性能に応じてマイクロバブル発生装置１の設計を容易に行うことができる。
次に、この発明の第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２０図に示すように、このマイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈを設けて、出口をテーパー状に広げたことを特徴とする。すなわち、第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの先端である出口の角度４ｉが０度であるのに対し、この第２の実施形態によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの出口の角度（テーパー角）４ｉを十分に大きくしたテーパー部４ｈを設けている。この角度４ｉは、具体的には、例えば６０度または８０度程度にするが、これに限定されるものではない。
第１の実施形態の渦崩壊用ノズル４の場合は、渦流部２ｂで旋回流６ｃの中心付近に生じた気柱６ｂが、縮流部４ａで流速が増され、渦崩壊部４ｂで細かく潰されることにより、マイクロバブル６ｄが発生するのに対して、この第２の実施形態の渦崩壊用ノズル４の場合は、気柱６ｂは渦崩壊部４ｂを通過し、テーパー部４ｈにおいて、コアンダ効果により気泡となって張り付く。テーパー部４ｈに張り付いた気泡は、渦流部２ｂから続く旋回流６ｃにより剪断または破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。このようにテーパー部４ｈに張り付くことにより、気泡が剪断を受ける時間が長くなり、気泡の微粒化が促進される。
なお、コアンダ効果とは、流れの中に物体を置いたときに、置いた物体に沿って流れの向きが変わる流体の性質のことで、旋回流６ｃが渦崩壊部４ｂからテーパー部４ｈに入ってテーパー状に広がることで気柱６ｂも広がり、気泡がテーパー部４ｈに張り付く。
この第２の実施形態の渦崩壊用ノズル４の寸法は、縮流部４ａの入口の内径（＝パイプ２の内径２ｄ）、縮流部４ａの角度４ｅおよび渦崩壊部４ｂの内径４ｆは、第１の実施形態の渦崩壊用ノズル４と同様であるが、円筒状の渦崩壊部４ｂの長さ４ｇについては、内径４ｆと同程度である。
第２１図Ａ、第２１図Ｂおよび第２１図Ｃは、渦崩壊部４ｂの形状を変えた場合のマイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を比較した図である。
第２１図Ａに示すように、第１の実施形態の渦崩壊用ノズル４の場合、パイプ２の渦流部２ｂから縮流部４ａに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて渦崩壊してマイクロバブル６ｄが発生するが、直線状の狭い範囲にしか広がらない。
第２１図Ｂに示す渦崩壊用ノズル４は、渦崩壊部４ｂの全体をテーパー部とした場合であるが、このテーパー部において発生したマイクロバブル６ｄは、第２１図Ａの場合に比べて僅かに範囲が広がる程度である。
第２１図Ｃに示す渦崩壊用ノズル４の場合、テーパー部４ｈに張り付いた気泡を剪断または破砕することによりマイクロバブル６ｄが発生するので、マイクロバブル６ｄはテーパー状に非常に広い範囲に広がる。
第２２図Ａおよび第２２図Ｂは二種類の渦崩壊の様子を示す。いずれも渦崩壊用ノズル４の出口のテーパー部４ｈの急拡部の存在により渦は不安定となり渦崩壊が生じるが、第２２図Ａに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの最小断面で流れが超臨界（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ）となり擾乱が上流に伝播できないのに対し、第２２図Ｂに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の全領域で亜臨界（ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ）となり擾乱は上流に伝播する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈが設けられていることにより、旋回流６ｃはこのテーパー部４ｈに張り付く。このため、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるとともに、テーパー部４ｈの角度４ｉの選定によりマイクロバブル６ｄの噴き出し方向の制御を容易に行うことができる。
次に、この発明の第３の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２３図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、このマイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の通気孔５ｆとタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを、給気装置５の高圧力部５ｊと渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの入口側の圧力検出器４ｃとを接続し、給気装置５の低圧力部５ｋと渦崩壊用ノズル４の外側に設けた圧力検出器４ｄとを接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、渦崩壊用ノズル４において内部を通過する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。
なお、給気装置５の通気孔５ｆの一端とタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを給気管５ｉで繋ぐことは第１の実施形態と同様である。また、通気孔５ｆの他端は開放して気体５ｌを取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第４の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２４図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、このマイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の高圧力部５ｊは、渦崩壊用ノズル４の出口周辺の静水圧に開放した圧力検出器４ｄに接続し、給気装置５の低圧力部５ｋは、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに設けた圧力検出器４ｃと接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、タービン翼型ノズル３において発生する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。このマイクロバブル発生装置１の接続方法は、渦崩壊用ノズル４に圧力検出器を設置する必要がなく簡便である。
圧力検出器４ｃで検出した内部の気柱６ｂの圧力と圧力検出器４ｄで検出した外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きいときは、マイクロバブル６ｂが効率よく発生している状態であり、圧力差が小さいときは、空気量が多過ぎてマイクロバブル６ｄの発生が少ない状態である。
内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きい場合は、給気装置５のピストン５ｂを右に移動させて通気孔５ｆを開放し、給気孔３ｅに気体５ｌを供給する。
逆に、内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｄの圧力との圧力差が小さい場合は、給気装置５のピストン５ｂを左に移動させて通気孔５ｆを塞いでいき、給気孔３ｅに供給する気体５ｌの量を抑制する。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第５の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２５図に示すように、このマイクロバブル発生装置１は、パイプ２を入口２ａの内径２ｄを細くした拡大管１１に替えたことが第１の実施形態によるマイクロバブル発生装置１と異なる。拡大管１１は、入口２ａ側の細管部１１ａの内径１１ｄが小さく、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４のある太管部１１ｃの内径１１ｅが大きい形状を有する。
細管部１１ａから太管部１１ｃに至る拡大部１１ｂについては、第２５図に示す二つの点線の円のように、円弧状に滑らかに内径が拡大していき、拡大部１１ｂの後部は、タービン翼型ノズル３の半球状部３ｃに沿う形となっている。拡大部１１ｂを滑らかに広げることにより、拡大管１１に液体６が流れる際に、流水断面積が急増加しないので、タービン翼型ノズル３で液体流６ａを拡大管１１の軸方向から円周方向ｆに効果的に変換することができる。
このマイクロバブル発生装置１においては、送水ポンプなどの送液ポンプなどから拡大管１１の入口２ａに供給された直線的な液体流６ａが効率的に螺旋状の旋回流６ｃに変換され、また、タービン翼型ノズル３による縮流の影響も小さくなり、エネルギー損失が減少する。
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
次に、この発明の第６の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
第２６図および第２７図はそれぞれ、マイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルおよび画像のスペクトルを示す。これは、渦崩壊が生じるときに発生する音（ｖｏｒｔｅｘ ｗｈｉｓｔｌｅ）を測定することで、旋回流６ｃの回転周波数を予測することができることを示したものである。
第２６図に示す音波のスペクトルは、液中を伝搬する音を受信することができるハイドロホーンにより旋回流６ｃが発する音の振動数を測定したグラフであり、第２７図に示す画像のスペクトルは、高速ビデオ映像により旋回流６ｃの回転周波数を測定したグラフである。ただし、タービン翼型ノズル３のノズル径３ｊは４ｃｍ、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの内径４ｆは１ｃｍ、液体６として用いた水の流量は７００ｃｃ／ｓである。
第２６図および第２７図に示すように、音波のスペクトルにおける振動数と画像のスペクトルにおける周波数とは、ともに約４６０Ｈｚにおいてパワースペクトルの値に特徴が見られる。また、第２６図に示す音波のスペクトルにおいて、約４６０Ｈｚの右隣の５２０Ｈｚ付近に現れるピークがマイクロバブル６ｄの発生状況を示している。なお、パワースペクトルとは、振動する量の二乗平均値を振動数成分の分布として表したものである。
この第６の実施形態によれば、マイクロバブル６ｄが効率良く発生しているかどうかを直接マイクロバブル６ｄの映像を観ることなく、水中音を測定することで確認することができるため、第１〜第５の実施形態のように渦崩壊用ノズル４の圧力を検出するのではなく、給気孔３ｅへの気体５ｌの給気量を音波の計測のみで調整することが可能となる。また、液体６が不透明である場合にも、マイクロバブル６ｄの発生状況を容易に把握することができる。
次に、この発明の第７の実施形態によるマイクロバブル発生装置について説明する。
このマイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の出口のエッジを滑らかにすることを特徴とする。
第２８図Ａは渦崩壊用ノズル４、第２８図Ｂはこの渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの拡大図である。
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋを滑らかにすることにより、気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付き（コアンダ効果）、その旋回流６ｃによる剪断で気柱６ｂが破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。また、マイクロバブル６ｄは渦崩壊用ノズル４の前面の広い範囲に分散する。気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付くには、旋回流６ｃによる遠心力が主流方向の遠心力より大きくなる必要がある。このため、エッジ４ｋの曲率半径をρｅとすると、
ρｅ〜（ｕｅ／ｖｅ）２ｒｅ＝Γｅ −２ｒｅ （１４）
以上とする必要がある。ただし、ｖｅは渦崩壊用ノズル４の出口における旋回流６ｃの周方向速度である。すなわち、
ρｅ≧Γｅ −２ｒｅ （１５）
とする。
渦崩壊用ノズル４の管状の渦崩壊部４ｂとデーパー部４ｈの前面とのなす角度θ０は、渦崩壊用ノズル４の出口からのマイクロバブル６ｄの噴き出し方向を決定する。
第２９図は超臨界渦崩壊の場合を示し、Γｅ〜Γｃｒである。また、第３０図は亜臨界渦崩壊の場合を示し、Γｅ＞Γｃｒである。
第３１図Ａ、第３１図Ｂおよび第３１図Ｃはそれぞれ、θ０〜８０度、θ０〜９０度、θ０〜１３０度の場合であり、いずれの例でも渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの曲率により旋回流６ｃが渦崩壊用ノズル４の前面に付着し、この前面の接線方向に流れる。
この第７の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
以上、この発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、配置などを用いてもよい。
また、必要に応じて、第１〜第７の実施形態のうちの二つ以上の実施形態を組み合わせてもよい。
Claims (13)
- 縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、
上記渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ 0 としたとき、０度＜θ 0 ＜１８０度であり、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とが滑らかに繋がっており、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに有し、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の、液体の流入側の一端部を流線形に成形し、上記円柱状の本体の外周面上を縦断するように、かつ上記円柱状の本体の他端部に向かうにつれて彎曲するように複数の翼を設け、上記円柱状の本体の上記他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたことを特徴とするマイクロバブル発生装置。 - 上記縮流部は上記渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており、上記渦崩壊部との境界部において上記渦崩壊部と同一の断面形状を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記旋回流発生用翼体は上記円柱状の本体の外周面に設けられた給気孔と上記円柱状の本体の上記他端部に設けられた噴射孔とを有し、上記給気孔と上記噴射孔とは上記円柱状の本体内に設けられた通路を介して互いに連通していることを特徴とする請求項１記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記旋回流発生用翼体の上記給気孔に供給する気体の量を調整する給気装置をさらに有することを特徴とする請求項３記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記給気装置は断面積を制御可能な通気孔を有し、この通気孔の断面積を制御することにより上記旋回流発生用翼型ノズルの上記給気孔に供給する気体の量を調整することを特徴とする請求項４記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記給気装置の上記通気孔と上記旋回流発生用翼体の上記給気孔とが給気管により接続されていることを特徴とする請求項５記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記渦崩壊部の圧力の検出結果に応じて上記通気孔の断面積を制御することを特徴とする請求項５記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記渦崩壊部で発生する音の検出結果に応じて上記旋回流発生用翼体の上記給気孔に供給する気体の量を調整することを特徴とする請求項３記載のマイクロバブル発生装置。
- 上記管は第１の部分とこの第１の部分よりも太い第２の部分とを有し、上記第２の部分に上記旋回流発生用翼体が収容されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロバブル発生装置。
- 縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、上記渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ 0 としたとき、０度＜θ 0 ＜１８０度であり、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とが滑らかに繋がっているものにおいて上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合されて使用されるマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズルであって、
円柱状の本体の、液体の流入側の一端部を流線形に成形し、上記円柱状の本体の外周面上を縦断するように、かつ上記円柱状の本体の他端部に向かうにつれて彎曲するように複数の翼を設け、上記翼の終端における勾配を６０度より大きくし、上記円柱状の本体の上記他端部に気体の噴射孔を設けた旋回流発生用翼体を管の内部に収容したことを特徴とするマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼型ノズル。 - 縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、上記渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ 0 としたとき、０度＜θ 0 ＜１８０度であり、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とが滑らかに繋がっているものにおいて上記旋回流を発生させるために管の内部に収容されて使用されるマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体であって、
円柱状の本体の、液体の流入側の一端部を流線形に成形し、上記円柱状の本体の外周面上を縦断するように、かつ上記円柱状の本体の他端部に向かうにつれて彎曲するように複数の翼を設け、上記翼の終端における勾配を６０度より大きくし、上記円柱状の本体の上記他端部に気体の噴射孔を設けたことを特徴とするマイクロバブル発生装置用旋回流発生用翼体。 - 縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを用い、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生方法であって、
上記渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ 0 としたとき、０度＜θ 0 ＜１８０度であり、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とが滑らかに繋がっており、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに用い、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の、液体の流入側の一端部を流線形に成形し、上記円柱状の本体の外周面上を縦断するように、かつ上記円柱状の本体の他端部に向かうにつれて彎曲するように複数の翼を設け、上記円柱状の本体の上記他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたことを特徴とするマイクロバブル発生方法。 - 少なくとも一つのマイクロバブル発生装置を有し、水質浄化、養殖、船舶の抵抗低減、鉛管内のスケール除去、超音波洗浄、農水産業、医療分野または健康分野に利用されるマイクロバブル応用装置であって、
少なくとも一つの上記マイクロバブル発生装置が、
縮流部と渦崩壊部とを有する少なくとも一つの渦崩壊用ノズルを有し、上記縮流部に中心に気体が導入された液体の旋回流を供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させるようにしたマイクロバブル発生装置であって、
上記渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ 0 としたとき、０度＜θ 0 ＜１８０度であり、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とが滑らかに繋がっており、
上記渦崩壊用ノズルと同軸に結合された旋回流発生用翼型ノズルをさらに有し、上記旋回流発生用翼型ノズルは旋回流発生用翼体を管の内部に収容したものであり、上記旋回流発生用翼体は、円柱状の本体の、液体の流入側の一端部を流線形に成形し、上記円柱状の本体の外周面上を縦断するように、かつ上記円柱状の本体の他端部に向かうにつれて彎曲するように複数の翼を設け、上記円柱状の本体の上記他端部に気体の噴射孔を設けたものであり、上記旋回流発生用翼型ノズルの入口に液体を供給することにより上記旋回流を発生させるようにしたものであることを特徴とするマイクロバブル応用装置。
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