JP4636420B2 - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は主に、水槽や浴槽、養殖池等の水中又は気液反応槽の液中に微細な気泡を多量に発生させる微細気泡発生装置に関する。

近年、微細な気泡を水中に発生させる事により、水の浄化、浄化の補助、水中への溶存酸素増加手段、又は、気液反応槽の反応速度、反応効率を向上させたり、ペットや人の浴槽に微細な気泡を発生させマッサージ効果や温熱効果や洗浄効果を得たり、部品等の汚れを取り除く等の研究、開発、商品化が行われているが、多量に微細な気泡を発生させるには、高い供給圧力が必要であった。

従来の微細気泡発生装置の旋回室の形状として例えば、特開２０００−０００４４７号公報には、「円錐形、円錐台形、徳利形状又はワインボトル形状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」が開示されている。

特許３６８２２８６号公報には「略回転対称に形成され回転対称軸の軸方向の一方又は双方に向かって縮径した中空部を有する器体と、前記器体の周壁部に接線方向に開口された気液導入孔と」が開示されている。

特開２００４−１９５３９３号公報には「内部に円形の液室を形成した短い筒体の一端を端壁で閉じ、他端は液室に連通する所定径の開口を設け、断面を略鈎形コ字状とした混合筒から成り、この混合筒には液室の外周の接線方向に液室と連通するように設けた外部から水を導入するための導水管と」が開示されている。

特開２００６−１４２３００号公報には「円筒状のケーシング内部に形成された気液の旋回可能な空間である気液旋回室と（途中省略）液体導入口は、この二重円筒構造部分の液体供給円筒の周壁面の上方に設けられ、前記二重円筒構造部分のケーシングと液体供給円筒との間に形成される空間が、前記液体導入口から導入された液体によって発生する旋回流を整流する予備旋回部を構成し」が開示されている。

特開２００６−０１５３１２号公報には「液体の流入のための第１の入口と、気体の流入のための第２の入口と、気体を混合させた液体を旋回せしめるハウジング（ハウジングの内周はインボリュート様曲線に沿った形状をなしている）と」が開示されている。

特開２００７−２３７１５５号公報には「円筒型の胴に円形凹レンズ様の内室を有し、内壁円周部の接線方向に乱れなく沿って、旋回流が形成するよう内室円周部に、胴と平行に、細隙を開け、加圧した液体の導入口とし」が開示されている。

特開２００７−１１１６１６号公報には「旋回流が生じ得る空間（空間は、円柱または円錐状）を有する容器と、前記空間内に旋回流を生じさせる加圧液体を前記容器内へ導くように前記容器の側面に設けられた加圧液体導入口と」が開示されている。

特開２０００−０００４４７号公報 特許３６８２２８６号公報 特開２００４−１９５３９３号公報 特開２００６−１４２３００号公報 特開２００６−０１５３１２号公報 特開２００７−２３７１５５号公報 特開２００７−１１１６１６号公報

しかしながら、上記従来のものは以下の課題を有している。
図１５に示すように、特許文献４を除く従来技術では、加圧流体が旋回流を起こす旋回室に突入する導入口の流速は２ｍ／秒前後であることと、外周の低速域６００では摩擦抵抗もあることや、特許文献４では、導入方向と旋回方向に角度があり運動エネルギーの無駄と乱流を起こす、また、殆んどのものが旋回室の径に対して、突入流の径の割合が大のため、旋回角速度が増速される増速域６０１の実質的な径が少なくなり、旋回流の導出口での旋回速度が低くなっている、これを解消するために、加圧流体の供給圧力を高くする必要があった。

また、旋回室の形状も、円柱状、円錐形、円錐台形、徳利形状、ワインボトル形状、球状、砲弾状、半球状、短筒状、外周がインボリュート形状、凹レンズ状と様々あるが、導入口から旋回室に入り旋回運動をする液体は、壁面の摩擦抵抗以外にも、減速、加速による加速度が発生する形状となっており、より多くのエネルギーが必要となり、上記と同様に加圧流体の供給圧力を高くする必要があった。

さらに、多くのタイプで歪んだ旋回流で不必要な乱流発生と気泡のせん断による振動、騒音が大きいという問題があった。

また、一例として、牛乳風呂の様な浴槽用高濃度の発生装置として商品化されている機器の微細気泡発生器への供給圧力は、低圧のものでも０．２６ＭＰａ程度とエネルギーを多く消費し、ポンプ等の周辺装置が高出力となり、大型、高価となっていた。

なお、旋回式の微細気泡発生装置の特性として、液体の導出口での旋回速度を早めると、気泡のサイズが小さくなり、供給気体の量を増やすと、気泡のサイズが大きくなる、という特性がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、より少ない動力で、より多くの、より有効な５０ミクロン前後の径の、微細気泡を発生させ、かつ、振動、騒音の発生を抑制した、微細気泡発生装置を開発し、微細気泡発生システム全体を、コンパクト化し、低価格で、提供することである。

本発明の微細気泡発生装置は、単位体積当りの液中に微細気泡を増加させるために考案されたもので、これを達成するには、限られた動力で、旋回した液体の導出口での旋回速度をより高速とし、せん断力を高める必要がある。

その為には、液体導入口より供給された液体の運動エネルギー、圧力エネルギーを有効に使う様、液体が高速運動をしている旋回室での摩擦抵抗の削減、減速によるエネルギーロスの削減、旋回流に余分な加速度を発生させない旋回室の形状、流れ方向を滑らかにする事により、可能となる。本発明者は、次の方策を発明した。

本発明の請求項１に記載の微細気泡発生装置は、図１、図２に示すように、液体を導入する導入口（１０６）と、前記導入口（１０６）につながり前記液体を旋回流とする予旋回室（１０５）と、前記予旋回室（１０５）に対して旋回流の旋回中心側に位置し、旋回軸方向に対向する前壁（１０１）と後壁（１０２）を備えた主旋回室（１００）と、前記主 旋回室（１００）外周に等配に設置され前記主旋回室（１００）外周の接線方向に向け薄 い帯板状の噴流を発生する１０箇所前後のベーン状ノズル（１０４）と、前記主旋回室（ １００）の前記前壁（１０１）の中央部に旋回軸方向に開口する導出口（１０３）と、から構成され、前記主旋回室（１００）の外周の幅は前記ベーン状ノズル（１０４）の幅と同一とし、前記主旋回室（１００）を形成する前記前壁（１０１）、前記後壁（１０２） の間隔である幅が、前記ベーン状ノズル（１０４）から前記導出口（１０３）までの領域 に於いて、旋回流１周分の周長と前記主旋回室（１００）の幅を乗じた面積がそれぞれの位置で同じになる様成形され、前記主旋回室（１００）の空間の形状は、高さの違う富士 山の輪郭を二重に重ねて出来る中間の空間様となっている。

なお、従来のものでは様々な旋回室の形状があるが、旋回流速度に加速度が付き、結果的に抵抗となり、供給圧力を高める必要がある。

また前壁の頂部に当る位置の旋回中心線上に高速旋回する液体の導出口を穿孔し、旋回室から開放端までの寸法を１ｍｍ前後と極力短くし、最高回転となる液体とケースとの間で発生する摩擦抵抗を少なくしている。

なお、従来のものではこれが、数ｍｍから約１０ｍｍと長く、放出するまで、旋回角速度が減速されていた。

また主旋回室の外周に、その接線方向に向け薄い帯板状の噴流を発生する一定速または、流入部より流出部の面積を序々に減少させ、噴流を増速させる機能を備えた１０箇所前後 のベーン状ノズルが取り付けられている。これにより、主旋回室での旋回が乱れる事無く旋回角速度が増速され高速となる。また導出口における旋回角速度にあわせた、旋回室外周での初期流速を任意に決めることが出来る為、流量に合わせた設計が可能となる。

なお、従来のものでは、その殆んどが、処理水量に依り決まる導入口のサイズに合わせた内径のまま、旋回室に噴出されており、旋回室の外周部は、広い接触面で発生する摩擦抵抗もあり、流速が一旦、減速され、その後、小径の範囲で、旋回角速度の増速がおこなわれ、結果的に、旋回角速度が、高くなりにくい物であった。

また、その外周に液体導入口よりベーン状ノズルへ滑らかに且つ均等に液体が導かれる様成型された予旋回室を備えている。この液体導入口の内径は同一径もしくは、先細りとさせ流速を早くさせる構造としてもよい。

また、従来のものでは、ノズル周辺の外周との摩擦抵抗で旋回速度が低減されていたが、本発明では、旋回室外周部の幅Ｗ１をベーン状ノズルの幅と同じ寸法にする事で、噴流の速度が有効に旋回運動のために使われる。

また、主旋回室の後壁の中心付近に富士山様の凸部を設け、中心に向かった旋回流を、導出口へ、滑らかに、方向変換させる様にしている。

上記、構造とする事で、旋回中心部の旋回角速度が十分に高速度となり、遠心力、向心力が働き、旋回中心線上に、負圧の気柱軸が発生する。旋回流が導出口で最高回転となり外部に放出される。この時、粘性で気柱軸の気体を引き千切り、巻き込んで磨り潰し、気泡をせん断し、微細気泡を多量に発生させることができる様にした微細気泡発生装置である。

本発明の請求項２に記載の微細気泡発生装置は、図３に示すように、液体を導入する導入口（１０６）と、前記導入口（１０６）につながり前記液体を旋回流とする予旋回室（１ ０５）と、前記予旋回室（１０５）に対して旋回流の旋回中心側に位置し、旋回軸方向に対向する前壁（１０１）と後壁（１０２）を備え、前記後壁（１０２）の形状は前記前壁（１０１）と対称形とした主旋回室（１００）と、前記主旋回室（１００）外周に等配に 設置され前記主旋回室（１００）外周の接線方向に向け薄い帯板状の噴流を発生する１０ 箇所前後のベーン状ノズル（１０４）と、前記主旋回室（１００）の前記前壁（１０１）と前記後壁（１０２）の中央部に旋回軸方向に開口する導出口（１０３）と、から構成され、前記主旋回室（１００）の外周の幅は前記ベーン状ノズル（１０４）の幅と同一とし、前記主旋回室（１００）を形成する前記前壁（１０１）、前記後壁（１０２）の間隔である幅が、前記ベーン状ノズル（１０４）から前記導出口（１０３）までの領域に於いて 、旋回流１周分の周長と前記主旋回室（１００）の幅を乗じた面積がそれぞれの位置で同じになる様成形され、前記主旋回室（１００）の空間の形状は、富士山の輪郭を裾で対称 に配置して出来る中間の空間様としている。また、導出口は２箇所となり、２倍の流量の処理が可能となる、微細気泡発生装置である。

本発明の請求項３に記載の微細気泡発生装置は、図４、図５、図６、図７に示すように、前記液体導入口（１０６）と前記予旋回室（１０５）の間に、液体の流れ方向を変えて予 旋回室の液体に予旋回を与えるための、案内ベーン（３００または３０１）を備え、前記ベーン状ノズル（１０４）へ液体がより滑らかに且つ均等に液体が導かれ、また、旋回している液体の運動エネルギーが有効に活かされる様にした請求項１または２に記載の微細気泡発生装置である。

本発明の請求項４に記載の微細気泡発生装置は、図８、図９に示すように、前記主旋回室（１００）の前記後壁（１０２）の頂部の旋回中心線上の位置に、気体導入口（４００）を設け、外部より気体を吸入出来る様に流路を備えた、請求項１に記載の微細気泡発生装置である。

なお、従来のものでは、液体導入口が直接、接線方向で旋回室に、流入する為、高速旋回する液体の旋回中心軸が、供給圧力によって僅かに変動する。その為に、設計圧力より離れた圧力で供給した場合、旋回中心線上に発生した気柱軸が、気体導入口の位置とずれ、吸気不良や、これによる気柱軸の高真空でキャビテーションが発生し、気体導入口付近が侵食されることがある。

本発明の請求項５に記載の微細気泡発生装置は、排水、汚水処理等で使用する場合、ス
トレーナで完全に捕捉し難い繊維状の異物が、ベーン状ノズルに引っ掛るという問題点を解決するもので、図１０、図１１に示すように、前記前壁（１０１）と前記後壁（１０２ ）の間隔を保ったまま、前記ベーン状ノズル（１０４または５１０）の幅を減少させ、前 記前壁（１０１）側または前記後壁（１０２）側あるいは中間に隙間を設けた、請求項１、２、３、４のいずれかに記載の微細気泡発生装置である。

従来技術での高効率な微細気泡発生装置に比べ約半分のエネルギーで同等で良好な微細気泡を多量に発生させる事ができる為、微細気泡発生システム全体のコンパクト化や低コスト化が可能となる。

従来技術品に比較し、エネルギー消費が少ないため、ランニングコストも低減される。

また、導入された液体の流路での流れが滑らかとなる為、低振動となる。

また、供給液体流量に合わせて、高効率な微細気泡発生装置を設計することが、容易に出来る。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１、図２は本発明の請求項１に記載の微細気泡発生装置の一例である。なお、図１は側面の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。液体の導入口１０６より加圧された液体、気泡混じりの液体、気体が溶解された液体は、予旋回室１０５に向けられ導入され、ベーン状ノズル１０４の外周より滑らかに且つ均等に流れ込む。流れ込んだ液体は薄い帯板状の噴流となり、主旋回室１００の外周の接線方向に向け噴出される。噴出された液体は、流速に不必要な減速、加速による加速度が発生し難い断面を持った主旋回室１００の外周より旋回軸側内周にある導出口１０３に向かって、旋回が乱れる事無く、旋回角速度を増速させ、導出口１０３より放出する。また、主旋回室１００の旋回中心線上に、旋回流の遠心力、向心力により気柱軸が発生し、放出時、粘性で気柱軸の気体を引き千切り、巻き込んで磨り潰し、気泡をせん断し、微細気泡を多量に発生させることができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の請求項２に記載の微細気泡発生装置の一例である。なお、図３は側面の断面図である。液体導入口１０６より加圧された気泡混じりの液体、気体が溶解された液体は、予旋回室１０５に向けられ導入され、適切な幅を持った、ベーン状ノズル１０４の外周より滑らかに且つ均等に流れ込む。流れ込んだ液体は薄い帯板状の噴流となり、主旋回室１００の外周の接線方向に向け噴出される。噴出された液体は、流速に不必要な減速、加速による加速度が発生し難い断面を持った主旋回室１００の外周より旋回軸側内周の両側にある導出口１０３に向かって、旋回が乱れる事無く、旋回角速度を増速させ、２箇所の導出口１０３より放出する。また、主旋回室１００の旋回中心線上に、旋回流の遠心力、向心力により気柱軸が発生し、放出時、粘性で気柱軸の気体を引き千切り、巻き込んで磨り潰し、気泡をせん断し、微細気泡を多量に発生させることができる。

（実施の形態３）
図４、図５、図６、図７、は本発明の請求項３に記載の微細気泡発生装置の一例である。なお、図４は側面の断面図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図、図６は側面の断面図、図７は図６のＣ−Ｃ線断面図である。図４のように、流入方向と放出方向が一直線状の場合や図 ７のように、流入方向と放出方向が直角で図２の様に偏芯していない場合は、液体導入口１０６より導入された液体、気泡混じりの液体、気体が溶解された液体を予旋回室１０５に向け、方向変更や、予旋回を与える、案内ベーン３００、３０１を設け、ベーン状ノズル１０４へ液体がより滑らかに且つ均等に液体が導かれる様にする。

（実施の形態４）
図８、図９は本発明の請求項４に記載の微細気泡発生装置の一例である。なお、図８、図 ９は側面の断面図である。主旋回室１００の後壁１０２の頂部の中心線上の位置に、気体導入口４００を設け、外部より気体を吸入出来る様に気体導入接続口４０１を備えており、図１３で示す微細気泡発生システム等で使用する。

（実施の形態５）
図１０、図１１は本発明の請求項５に記載の微細気泡発生装置の一例である。ストレーナで捕捉できず通過した繊維状の異物が流入しても、閉塞せずに通過させるもので、性能を低下させる事を抑え、微細気泡を発生できる様にしたものである。導入された液体の流路幅Ｗ１を保ったまま、ベーン状ノズル５１０の幅を減少させ、流入側の形状を先の方を中心側に斜めにし、引っ掛かった異物が移動し、通過する様にしている。また、幅を減少させたベーン状ノズル５１０は前壁側または後壁側に付けることができる。さらに、幅を減少させたベーン状ノズル５１０を前壁側と後壁側の両方に付け、中央に通過する隙間を設けることができる。この場合、前壁側と後壁側のベーン状ノズル５１０の回転方向の位置関係を３６０度／２ｎ（ｎはベーン状ノズルの数）ずらし、前壁側と後壁側が交互とすることが好ましい。

また、図８、図９の方式は図１３に示すシステム等で使用し、その他の方式は図１２、図 １４に示すシステム等で使用できる。

実施形態１の微細気泡発生装置の側面の断面図 図１におけるＡ−Ａ線断面図 実施形態２の微細気泡発生装置の側面の断面図 実施形態３の微細気泡発生装置の側面の断面図 図４におけるＢ−Ｂ線断面図 実施形態３の微細気泡発生装置の側面の断面図 図６におけるＣ−Ｃ線断面図 実施形態４の微細気泡発生装置の側面の断面図 実施形態４の微細気泡発生装置の側面の断面図 実施形態５の微細気泡発生装置の側面の断面図 実施形態５の微細気泡発生装置の側面の断面図 ポンプ吸込側より気体を導入する微細気泡発生システム 微細気泡発生装置より気体を導入する微細気泡発生システム 気体溶解装置を備えた高濃度微細気泡発生システム 従来技術の微細気泡発生装置の正面の断面図

１００ 主旋回室
１０１ 前壁
１０２ 後壁
１０３ 導出口
１０４ ベーン状ノズル
１０５ 予旋回室
１０６ 導入口
３００ 案内ベーン
３０１ 案内ベーン（破線部）
４００ 気体導入口
４０１ 気体導入接続口
５１０ 幅を減少させたベーン状ノズル
６００ 低速域
６０１ 増速域
７００ 微細気泡発生装置
７０１ 吸込管路
７０２ ポンプ
７０３ 気体導入調節弁
７０４ 気体溶解装置
７０５ 吐出配管
７１１ 液体槽

Claims (5)

1. 液体を導入する導入口（１０６）と、前記導入口（１０６）につながり前記液体を旋回流とする予旋回室（１０５）と、前記予旋回室（１０５）に対して旋回流の旋回中心側に位置し、旋回軸方向に対向する前壁（１０１）と後壁（１０２）を備えた主旋回室（１０ ０）と、前記主旋回室（１００）外周に等配に設置され前記主旋回室（１００）外周の接 線方向に向け薄い帯板状の噴流を発生する１０箇所前後のベーン状ノズル（１０４）と、前記主旋回室（１００）の前記前壁（１０１）の中央部に旋回軸方向に開口する導出口（ １０３）と、から構成され、前記主旋回室（１００）の外周の幅は前記ベーン状ノズル（ １０４）の幅と同一とし、前記主旋回室（１００）を形成する前記前壁（１０１）、前記 後壁（１０２）の間隔である幅が、前記ベーン状ノズル（１０４）から前記導出口（１０ ３）までの領域に於いて、旋回流１周分の周長と前記主旋回室（１００）の幅を乗じた面積がそれぞれの位置で同じになる様成形され、前記主旋回室（１００）の空間の形状は、 高さの違う富士山の輪郭を二重に重ねて出来る中間の空間様とした事を特徴とする微細気泡発生装置。
2. 液体を導入する導入口（１０６）と、前記導入口（１０６）につながり前記液体を旋回流とする予旋回室（１０５）と、前記予旋回室（１０５）に対して旋回流の旋回中心側に位置し、旋回軸方向に対向する前壁（１０１）と後壁（１０２）を備え、前記後壁（１０ ２）の形状は前記前壁（１０１）と対称形とした主旋回室（１００）と、前記主旋回室（ １００）外周に等配に設置され前記主旋回室（１００）外周の接線方向に向け薄い帯板状 の噴流を発生する１０箇所前後のベーン状ノズル（１０４）と、前記主旋回室（１００）の前記前壁（１０１）と前記後壁（１０２）の中央部に旋回軸方向に開口する導出口（１ ０３）と、から構成され、前記主旋回室（１００）の外周の幅は前記ベーン状ノズル（１ ０４）の幅と同一とし、前記主旋回室（１００）を形成する前記前壁（１０１）、前記後 壁（１０２）の間隔である幅が、前記ベーン状ノズル（１０４）から前記導出口（１０３ ）までの領域に於いて、旋回流１周分の周長と前記主旋回室（１００）の幅を乗じた面積がそれぞれの位置で同じになる様成形され、前記主旋回室（１００）の空間の形状は、富 士山の輪郭を裾で対称に配置して出来る中間の空間様とした事を特徴とする微細気泡発生装置。
3. 前記液体導入口（１０６）と前記予旋回室（１０５）の間に、液体の流れ方向を変えて予 旋回室の液体に予旋回を与えるための、案内ベーン（３００または３０１）を備えた、請 求項１または２に記載の微細気泡発生装置。
4. 前記主旋回室（１００）の前記後壁（１０２）の頂部の旋回中心線上の位置に、気体導入口（４００）を設け、外部より気体を吸入出来る様に流路を備えた、請求項１に記載の微細気泡発生装置。
5. 前記前壁（１０１）と前記後壁（１０２）の間隔を保ったまま、前記ベーン状ノズル（１ ０４または５１０）の幅を減少させ、前記前壁（１０１）側または前記後壁（１０２）側あるいは中間に隙間を設けた、請求項１、２、３、４のいずれかに記載の微細気泡発生装置。

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