JP5133556B2 - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、液体中に微細気泡を発生させる装置に関するものである。

下水処理・水産養殖などにおいて、水処理用のバクテリアを活性化したり、水棲生物を育成・活性化するために、水中に気泡を拡散させて酸素を溶存させること（エアレーション）が有効であることが知られている。又、工業分野などにおいても、気液反応を促進するために、液中に気泡を拡散させることが有効であることが広く知られている。
これらの目的のためには、気泡の浮力を小さくして液中により長く滞留させ、かつ液体と接触する表面積をより大きくして反応効率を上げるように、気泡のサイズはできるだけ微細にすることが望ましい。

水中に気泡を拡散させるための方法として、従来は、例えばコンプレッサーからの圧縮空気を水中の散気管などの細孔から放出する方法や、水中で羽根車を回転させて混合撹拌する方法が最も一般的であった。
しかし、これらの方法においては、設備のコストが嵩みメンテナンスも面倒であるのみならず、単に細孔から放出したり水中で混合撹拌した程度では、微細化作用が不十分で発生気泡は比較的大きいままであり、微細気泡の発生は困難であるという欠点があった。

そこで微細気泡の発生を目的として、近年、下記のような各種の提案がなされている。
（１）液体と気体を混合して加圧し、液体中に気体を溶解させたのち、その気液混合体を減圧することにより微細気泡を発生させる。（例えば特許文献１参照）
（２）ノズルから液体を急速に噴出させつつ気体を混入することにより微細気泡を発生させる。（例えば特許文献２参照）
（３）容器内で液体の旋回流を発生させて、混入気体を撹拌・剪断することにより微細気泡を発生させる。（例えば特許文献３参照）
（４）静止型ミキサーを設置して、その邪魔板や衝突突起に気液混合体を衝突させ撹拌することにより微細気泡を発生させる。（例えば特許文献４参照）

特開平１１−２０７１６２号公報 特開２００１−５８１４２号公報 特開平１０−２３０１５０号公報 特開２００２−８５９４９号公報

しかし、これら従来技術（１）〜（４）には次のような問題がある。
（１）は、加圧タンクなどの設備そのものが大規模になってコスト高となる上、加圧に時間もかかり不経済である。
（２）は、液体と気体をノズルから噴出させているだけなので、微妙な調節を要し、微細気泡を短時間に大量に発生させることは難しい。
（３）は、微細気泡の安定的発生のためには微妙な調節を要し、無人の長時間運転は難しい。又、渦巻き状の流入路を備えたサイクロン式の旋回機構が用いられており、液体自身の運動エネルギーによる旋回力に頼ったものであるために、エネルギー不足により十分な旋回力が得られない場合があり、微細気泡を短時間に大量に発生させることは難しい。
（４）は、単純な衝突に頼るので微細化作用が十分でない。又、静止型ミキサーの抵抗によるエネルギーロスが大きく、それだけ気液混合体を送り込むための動力を必要とする。

又、（１）〜（４）のいずれにおいても、液中に気体を混合して気液混合体を生成したり、その液体や気液混合体を気泡発生装置に押し込むという役割は、別途に設置した加圧ポンプに担わせているため、気泡発生装置とポンプなどの二重の設備が必要であり、コストが嵩む問題もあるし、気泡発生装置の性能がポンプの方の性能に相当依存せざるを得ないという問題もある。
更には、食品や高純度液を取り扱うプロセスに適用する場合に、洗浄が容易でないという問題がある。通常このような目的に使用される装置は、「サニタリー仕様」として、接液表面が平滑に仕上げされるのみならず、定置洗浄（分解しないまま内部洗浄）、分解洗浄及び再組立が簡単に行える構造となっていることが必須であるが、従来技術の装置では、複雑な構造であったり流路中に隘路があったりするため、分解作業は煩雑であり、定置洗浄により接液部を影なく洗浄することも困難である。又、目詰まりも起こりやすい。
このように、上記の従来技術のいずれも、コストと性能という両面での限界があるという課題があった。

そこで本発明は、簡潔な構成により液中に微細気泡を短時間で大量にかつ安定的・効率的に発生させることができ、又、構造が簡単で、装置が小型でも大型でも安価に製造でき、サニタリー仕様を満足できる定置洗浄や分解洗浄が容易に行えて、多様な用途や液質にも適用できる、高性能で取扱い容易な微細気泡発生装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明に係る装置は、
流体が出入りする第１の開口と第２の開口を有するケーシング内に、回転して流体に旋回エネルギーを与える羽根車を備え、該ケーシングは、該羽根車の外縁部を取巻くように形成された羽根車収容部と、該羽根車収容部から徐々に縮径して流体の旋回を高速化させる縮径部とからなり、該縮径部の先端近傍に第１の開口が設けられ、該羽根車収容部の近傍に第２の開口が設けられ、流体の流れ方向が第１の開口から第２の開口に向かう方向、又は第２の開口から第１の開口に向かう方向のいずれに設定される場合においても、該流体は該羽根車の回転によって強制的に旋回力を与えられることを主な特徴としている。

本発明においては、前記羽根車には、流体の撹拌を行う撹拌羽根部と流体に吐出圧力を与える吐出羽根部とが一体的に形成されてもよい。
又、前記ケーシングが、一体的で仕切り壁や狭隘部のない１つの室空間を形成してもよい。
又、前記第１の開口の近傍の流体流路中に、流体を所定方向に捻転させるためのガイド、流体を絞るためのオリフィス、前記羽根車の回転によって発生する竜巻状空洞の尾底部を受け止めるための空洞受け、流体を撹拌するための凹凸部もしくは凹凸部材、のうちの少なくとも一つを備えてもよい。
又、前記羽根車は、その羽根上の少なくとも一部において、回転中に衝突する流体粒子の反射方向が回転接線方向よりも回転中心寄りとなって、その回転により乱流を発生させる形状に形成されてもよい。
又、前記ケーシングの内壁部と前記羽根車の少なくとも一方には、流体を撹拌するための凹凸部もしくは凹凸部材を備えてもよい。

又、前記羽根車の回転中心線の近傍に通気口が設けられ、該通気口は、真空装置、気体注入装置、大気開放口のいずれかに連通されてもよい。
又、前記第１の開口から第２の開口に向け、又は第２の開口から第１の開口に向けて流体を圧送するポンプ作用を備えてもよい。
又、流体を吸い上げる自吸ポンプ作用を備えてもよい。

この構成によって、本発明の装置においては、内蔵の羽根車が流体に強力な旋回エネルギーを与え、ケーシングの縮径部がその旋回を高速化させて、急激な渦流・乱流を生み出し、気液を強力に撹拌・剪断して、微細気泡を短時間で大量にかつ安定的・効率的に発生させることができる。又、羽根車の形状などが生み出す渦流・乱流による撹拌・剪断やキャビテーションによって、更なる微細気泡の発生が促進される。
本装置は、気液混合・気泡の微細化を併せて行い、微細気泡を発生させるのみならず、ポンプ作用により流体に吐出圧力を与えることも、自吸することもできる。又、構造が簡単で、装置が小型でも大型でも安価に製造でき、サニタリー仕様を満足できる定置洗浄や分解洗浄が容易に行えて、多様な用途や液質にも適用できる。

以下、各図にわたって共通の部分には同じ符号を付すものとし、本発明の各実施例について詳細を説明する。

図１は本発明の第１実施例を示したものであり、図２は図１におけるＩ−Ｉ断面、図３は図１におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す。
流体の入口と出口となる２つの開口を備えたケーシングは、１ａと１ｂとに分割可能で、且つそれらが接合されたときには略円筒状の１つの室を構成するように形成され、このケーシング１ａ；１ｂの中には、適宜の枚数の羽根を備えた羽根車２が設けられている。
羽根車２は、ねじ込み式あるいは図に例示したような羽根車ナットにより回転軸３に装着される。回転軸３は、軸受部５に支持され、軸封部４によりケーシング１ｂを密封的に貫通しており、図示しない原動機によって回転駆動される。
羽根車２には、その回転周辺部全域にわたって撹拌作用を行う撹拌羽根部２ｍが形成されているが、特に片方の軸方向端部（図１中の左側の端面）２ｒの近傍の部位は揚液に吐出力（吐出圧力）を与えるよう拡径されて吐出羽根部２ｄが形成されている。

ケーシング１ａは、羽根車２の外縁部を取巻くように形成された羽根車収容部１ｘと、その羽根車収容部１ｘから離れるに従って徐々に縮径して行くように形成された縮径部１ｙとからなり、縮径部１ｙの先端の近傍には第１の開口ａが設けられ、一方、羽根車収容部１ｘの近傍の吐出羽根部２ｄに相対する部位には第２の開口ｂが設けられている。
本実施例においては、第１の開口ａが流体入口となり、第２の開口ｂが流体出口となる。第１の開口ａ（流体入口）の側には、本装置への揚液の流入量を調節する入口弁６と、揚液の流れに伴って混入される気体の量を調節するための気体注入弁７が設けられ、第２の開口ｂ（流体出口）の側には、本装置からの流出量を調節する出口弁８が設けられている。
なお、回転軸３が貫通するケーシング１ｂの軸封部４の近傍には、本装置を分解しないままで内部洗浄できるよう、空洞部が形成され、洗浄液注入口ｃが設けられている。

本実施例の装置を作動させると、吐出羽根部２ｄのポンプ作用によって揚液は開口ａから開口ｂへと導かれ、又、気体が気体注入弁７経由で吸い込まれて来て（あるいは送気元から押し込まれて来て）、混合され、揚液と気体とからなる流体（気液混合体）が生成される。
この流体は羽根車２によって強制的に旋回させられ、しかも羽根車２から強力な旋回エネルギーを与えられ続けるので旋回エネルギー不足となることもなく、単なるサイクロン式等に比べるとはるかに強力な旋回力が発生する。
このとき、開口ｂ側の出口弁８を所定量絞っておけば、流体の内の一部はケーシング内に所定時間滞留し、旋回を続けるのであるが、その旋回速度は縮径部１ｙの中で旋回半径が縮小するに従って高速となり、先端の開口ａ付近では極めて高速な旋回流となっている。そこで、開口ａから流体を続いて流入させれば、この流体は縮径部１ｙに流入した瞬間に高速旋回流に曝され、無旋回状態から高速旋回状態への急激な変化によって強烈な渦流・乱流と化し、この流体中の気泡は撹拌・剪断され、微細化される。

それに加えて流体には、羽根車２との接触による撹拌・剪断や、ケーシング内壁との粘性摩擦による撹拌・剪断が作用し、更には、主としてケーシング縮径部１ｙ付近において、渦流・乱流がキャビテーションをも発生させ、それによって更なる気泡の破壊と微細気泡の発生が促進される。これらが相まって、気泡の微細化が極めて強力に行われるのである。

本装置は、サニタリー仕様を満足できる定置洗浄や分解洗浄が容易に行える構造も備えており、多様な用途や液質にも適用できる。
本装置を定置洗浄する場合には、ケーシング１ａ；１ｂが、一体的で仕切り壁や狭隘部のないわずか１つの室空間を形成しているため、簡単にしかも隅々までくまなく洗浄することができる。具体的には、ケーシング１ａ側の内部の洗浄は、本装置を運転しながら開口ａから洗浄液を注入して開口ｂ；ドレン口ｄから排出させればよく、ケーシング１ｂ側の内部の洗浄は、洗浄液注入口ｃから洗浄液を注入して、開口ｂ；ドレン口ｄから排出させればよい。このようにして接液部を影なく洗浄することができる。なお、洗浄液注入口ｃ及びドレン口ｄには洗浄液注入弁１３；ドレン弁１４を付設して、洗浄時以外は閉めておくようにすれば操作上便利である。

又、本装置を分解洗浄する場合には、ケーシングが１ａと１ｂに簡単にしかも引っ掛かりなく分割でき、分割時には羽根車２が全て露出するので、ケーシング１ａ側の接液部を影なく洗浄することができ、更に、一体的に形成された羽根車２は何ら他の部材に邪魔されることなく簡単に回転軸３から引き抜くことができるので、ケーシング１ｂ側の接液部を洗浄することも容易であり、再組立も容易である。このケーシングの設置方法については、１ｂ側を固定して１ａ側を取り外し可能としてもよいし、逆に１ａ側を固定して回転体部分を含めた１ｂ側を取り外し可能（いわゆるバックプルアウト方式）としてもよい。

本装置の用途は、気泡の微細化により、水、食品、油、化学品等の液体中に、空気、酸素、オゾン等の気体を効率よく溶解させるなどの一般的用途のほかにも、気体を溶解させぬまま微粒化しておく用途、例えば泡状クリームの製造など、広い分野にわたる。

図４は第２実施例を示したものであり、図５は図４におけるＩ−Ｉ断面、図６は図４におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す。
本実施例においては、まずケーシング縮径部１ｙの構造について、第１の開口ａの近傍の流体流路中に、流体を所定方向に捻転させるためのガイド１５を設けてある。特に、図示のように羽根車２の回転方向と逆の方向に流体を捻るようにしておけば、流体に対する撹拌・剪断の度合を更に強めることができるという効果がある。
縮径部１ｙの形状については、第１実施例のような単純なコーン（円錐）状の代わりに膨らみのある形状など適宜に設計してよいことを例示した。この縮径部１ｙの働きによって、羽根車２から旋回力を与えられた流体が高速旋回流となり、開口ａからの流入前の無旋回状態から高速旋回状態への急激な変化によって瞬時に撹拌・剪断されて微細気泡を発生することは、第１実施例と同様である。

又、羽根車２については、装置の撹拌・剪断能力を更に高めるために、回転により乱流を発生させる羽根形状としたものである。即ち、本実施例の羽根車２は、一般のポンプ羽根車のようなポンプ効率を考慮した抵抗・損失の少ない流線型の遠心羽根とは正反対に、意図的に効率を下げ、抵抗を増やし、乱流を生むように形成したもので、その具体的な例として、羽根に衝突する流体粒子の反射方向Ａが回転接線方向Ｂよりも回転中心寄りとなるようにしてある。このため、羽根車２から運動エネルギーを与えられる流体には、回転の外側に向って流れようとする遠心力Ｃが働く一方では、回転の内側に向って流れようとする回転中心寄りの作用力も働く。又、流体そのものの比重によっても、重い液体は外側に向かおうとする一方、軽い気体は内側に向かおうとする。これらの相反する方向の動きが強力な渦流・乱流を生み出し、それによって更に気泡を撹拌・剪断するものである。

羽根車２は、流体を撹拌するための凹凸部もしくは凹凸部材を備えることが好ましく、本実施例においてはその一例として、適宜個数の孔を設けた多孔形状の凹凸部２ｕを備えている。又、ケーシング１ａの内壁部についても、流体を撹拌するための凹凸部もしくは凹凸部材を備えることが好ましく、本実施例においてはその一例として、茸状の凹凸部材１ｕを該内壁に沿って配置してある。そして、羽根車２と凹凸部材１ｕとの間隙は小さく設定されている。
従って、凹凸部２ｕ及び凹凸部材１ｕによる撹拌・剪断効果に加え、羽根車２と凹凸部材１ｕとの間隙が小さいことによる両部材間での剪断も強力に働き、更には、渦流・乱流によるキャビテーションの発生も相まって、気泡の微細化が極めて強力に行われるものである。

羽根車２の中央部近傍に臨んだ箇所、即ち羽根車２の回転中心線の近傍には通気口ｅが設けられ（本実施例においては、この通気口ｅを洗浄液注入口ｃと兼用としている）、該通気口ｅは、通気路ｆによって真空装置９、気体注入装置１０、大気開放口ｇのいずれかに連通されている。本実施例においては、説明の簡易のため、その全てを図示してあるが、現地の仕様に応じていずれかを選択すればよいことは勿論である。

万一、気泡の中に微細化しきれなかった大きめなものがある場合には、羽根車２の回転により羽根車２の中央部近傍に集積して竜巻状空洞を形成するが、その空洞気体を本装置の系外に排出するためには通気口ｅを真空装置９に連絡させればよい。又、自吸ポンプ作用をさせたい場合にもこの真空装置９への連絡が有効である。一方、開口ａより以前の段階で気体を導入する代わりにここで気体を導入したい場合には、通気口ｅを気体注入装置１０に連絡させればよい。運転状況によっては、通気口ｅを大気開放口ｇに連絡させるのみで気体の排出・導入ができる場合もある。

図中の１１は、通気路ｆを通過する気体中に揚液が混入した場合に、その揚液の通過を阻止して気体のみを通過させる保護手段で、これによって真空装置９や気体注入装置１０への揚液の侵入を防いで、装置の安全を期すことができる。この保護手段１１は例えば、容器の上部に入口と出口とを備え、通気路ｆ経由で侵入した揚液が容器底部に滞留し気体分のみが通過できるよう形成された液溜槽形式のものや、通気路ｆ中の液面が上昇した場合に通気路ｆを強制的に閉鎖するフロート弁形式のものなど、周知の形式のものでよい。
真空装置９は、液封式真空ポンプでもよいし、その他の形式の真空ポンプでも負圧発生装置でもよく、気体注入装置１０は、コンプレッサーでもよいし、その他の形式の圧力発生装置でもよい。

なお、本実施例の装置は、装置自体でポンプ作用も発揮するが、このようなポンプ作用に留まらず、流体を吸い上げる自吸ポンプ作用をも付与したい場合には、前述のように通気口ｅを真空装置９に連絡させる方法があるほか、羽根車２の吐出羽根部およびこれに対応するケーシング部（渦室）の構造について、特公昭５０−２１６８２号公報などの自吸式ポンプの技術を適用する方法もある。

又、本実施例においては、羽根車２自体が乱流によるキャビテーションを発生しやすいように形成されているのであるが、その発生を更に促進するために、揚液流路中の適宜の箇所にキャビテーション発生手段を追加設置してもよい（図示は省略）。キャビテーションを発生させることによって、揚液中の溶存気体の析出・気泡化・微細化を促進して微細気泡の発生効率を上げ得るほか、そのキャビテーションの崩壊時の衝撃を利用することによって、装置内部にこびり付いた異物の除去、滅菌、脱臭、含有粒子の微粒化、混入不純物の組成破壊、水クラスター分解などの作用効果が期待できる。キャビテーションを発生させる方法としては、超音波発振式や回転プロペラ式などがあり、適宜に選択してよい。
本実施例のその他の構成及び作用は第１実施例と同様である。

図７は第３実施例を示したものであり、図８は図７におけるＩ−Ｉ断面、図９は図７におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す。
本実施例においては、まずケーシング縮径部１ｙの構造について、第１の開口ａの近傍の流体流路中に、流体を絞るためのオリフィス１６を設けてある。これによって、オリフィス通過時の乱流の発生を促進し、流体に対する撹拌・剪断の度合を更に強めることができるという効果がある。
又、開口ａの部分には、羽根車２の回転によって竜巻状空洞が発生する場合にその竜巻状空洞の尾底部を受け止めるための空洞受け１７を設け、揚液はその横から流入させる形式のものを例示した。揚液は羽根車２によって強制的に旋回させられるので、開口ａの流路形状や流入角度については適宜に選択して差し支えない。本図中には、開口ａの流路が羽根車２の回転方向に沿って巻き込まれる形状に形成されたものが例示されているが、逆に回転の反対方向に沿って巻き込まれる形状に形成した方が、乱流発生の促進に役立つ場合もある。
縮径部１ｙの形状については、単純なコーン状の代わりにラッパ状など適宜に設計してよいことを例示した。

又、羽根車２については、乱流を発生させる羽根形状の一例として、撹拌羽根部２ｍは第２実施例と同様に、羽根に衝突する流体粒子の反射方向が回転接線方向よりも回転中心寄りとなるよう形成する一方、吐出羽根部２ｄは通常のポンプ羽根車と同様に、羽根に衝突する流体粒子の反射方向が回転接線方向よりも外向きとなるよう形成することによって、流体中に相反する方向の動きをあえて生み出すようにしたものである。

流体を撹拌するための凹凸部（凹凸部材）の一例として、撹拌羽根部２ｍには櫛歯状の凹凸部２ｕを備え、ケーシング１ａの内壁部には茸状の凹凸部材１ｕを該内壁に沿って配置してあり、そして、剪断効果を高めるために、羽根車収容部１ｘにおける羽根車２と凹凸部材１ｕとの間隙は小さく設定されている。

一方、羽根車２の片方の軸方向端部（図７中の左側の端面）２ｒはケーシング１ｂの内壁に対してなるべく小さい所定間隙を保ちつつ滑動するよう形成されている。又、この滑動する羽根車端部２ｒに相対するケーシング１ｂの中央部近傍、即ち羽根車２の回転中心線の近傍には、羽根車２の回転により発生する空洞気体を排出したり逆に気体を導入したりするための通気口ｅが設けられ、該通気口ｅは、第２実施例と同様に、通気路ｆによって真空装置９、気体注入装置１０、大気開放口ｇのいずれかに連通されている。

本実施例においては、第２実施例における保護手段１１に代わるものとして、羽根車端部２ｒがケーシング１ｂの内壁に対してなるべく小さい所定間隙を保ちつつ滑動するという構成となっているもので、この構成によって、気体の通過は許容し揚液の通過は阻止して、真空装置９や気体注入装置１０への揚液の侵入を防ぐ役割を果たしている。即ち、通気口ｅに揚液が侵入しようとしても、気体より質量の大きい液分は羽根車端部２ｒの遠心力によって周辺に振り飛ばされ、又、羽根車端部２ｒのケーシング１ｂとの滑動間隙が小さいので、ここから液分が侵入することもできず、従って、この運転中は通気口ｅ側には揚液が行かないので、真空装置９や気体注入装置１０は安全である。

そして、念のために回転軸３付近の揚液が通気口ｅに直進的に侵入することをも阻止する邪魔部材２ｐを、羽根車端部２ｒ近傍に付設したものを例示した。この邪魔部材２ｐについては、板状、塊状などの適宜の形状が可能であるが、本実施例においては板状部材を採用し、前面側と背面側とを連通する適宜の個数の孔やスリット付きの側板（シュラウド）の形状にしたものを例示した。これによって、液分が通気口ｅに向かって直進的に侵入しようとすると邪魔部材２ｐによって振り切られて通過を阻止され、孔やスリットを通してのみ気体が通過できるので、より確実に保護手段としての役割を果たせる。
本実施例のその他の構成及び作用は第２実施例と同様である。

図１０は第４実施例を示したものであり、図１１は図１０におけるＩ−Ｉ断面、図１２は図１０におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す。
本実施例においては、まずケーシング縮径部１ｙの内壁に、流体を撹拌するための凹凸部１ｕを設けてある。これによって乱流の発生を促進し、流体に対する撹拌・剪断の度合を更に強めることができるという効果がある。該凹凸部は、図示のディンプル（くぼみ）形状のほか適宜の形状を選択してよく、又、凹凸部材の装着によってもよい。

羽根車２については、乱流を発生させる羽根形状の一例として、吐出羽根部２ｄは、羽根に衝突する流体粒子の反射方向が回転接線方向よりも回転中心寄りとなるよう形成する一方、撹拌羽根部２ｍは、単純な放射羽根の形状としたものである。この羽根車２は、流体を撹拌するための多孔形状の凹凸部２ｕを備えている。
更に、吐出羽根部２ｄについては、吐出圧力の得やすい側板（シュラウド）付きとし、又、側板付きの場合でも、その側板の周縁部に適宜の形状、個数の切り欠きを形成し、側板前後を連通させることによって、定置洗浄の際に洗浄液注入口ｃから注入される洗浄液が滞留することなくスムーズにドレン口ｄに向かって流れて行けるよう配慮したものを例示した。

なお、洗浄液注入口ｃが開口する軸封部４近傍の空洞部の形状については、要するに洗浄液が滞留しにくい形状であればよいのであるが、本実施例においてはその一例として、コーン状にしたものが例示されている。この空洞の縮径部近辺に洗浄液注入口ｃを設ければ、注入洗浄液は縮径部から拡径部を経てドレン口ｄに液切れよく排出される。又、この洗浄液注入口ｃを該空洞に接線方向から巻き込まれる流路形状に形成しておけば、注入洗浄液が該空洞内を舐めるようにくまなく洗浄した上で排出されるので、洗浄効果を更に向上させることができる。
本実施例のその他の構成及び作用は第１実施例と同様である。

図１３は第５実施例を示したものであり、図１４は図１３におけるＩ−Ｉ断面、図１５は図１３におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す。
本実施例は、羽根車２について、吐出羽根部を取り去って撹拌羽根部２ｍのみとし、ポンプ作用は別途のポンプ１２に担わせたものである。本図においてはポンプ１２は第２の開口ｂの側に介設しているが、第１の開口ａの側に介設してもよい。
図中では、流れ方向が開口ｂから開口ａに向かうようにしたものが例示してあり、それに伴って、入口弁６及び気体注入弁７は開口ｂの側、出口弁８は開口ａの側に設けてある。これは、ポンプ１２の送液方向を逆にして、流れ方向が開口ａから開口ｂに向かうようにしてもよく、その場合には勿論、入口弁６及び気体注入弁７は開口ａの側、出口弁８は開口ｂの側に設けることとなる。

羽根車２については、乱流を発生させる羽根形状の一例として、羽根に衝突する流体粒子の反射方向が回転接線方向よりも回転中心寄りとなる羽根と、反射方向が回転接線方向よりも外向きとなる羽根とを、交互に配置して併存させたものを例示した。
羽根車２の中央部近傍に臨んだ箇所、即ち羽根車２の回転中心線の近傍には、羽根車２の回転により発生する空洞気体を排出したり逆に気体を導入したりするための通気口ｅが設けられ、該通気口ｅは、第２実施例〜第３実施例と同様に、通気路ｆによって真空装置、気体注入装置、大気開放口（図示は省略）のいずれかに連通されている。
なお、流体を撹拌するための凹凸部（凹凸部材）の一例として、ケーシングの開口ａの近傍の流体流路中に鋲頭状の凹凸部材１８を設けたり、羽根車２に多孔形状の凹凸部２ｕを設けたりしてもよいことも示した。

気泡の微細化のプロセスは第１実施例と同様である。即ち、揚液と気泡からなる流体は、羽根車２の回転によって強制的かつ持続的に旋回力を与えられ、そして、ケーシング縮径部１ｙの働きによって高速旋回流となっている。このため、流体が開口ａから続いて流入する場合は、無旋回状態から高速旋回状態への急激な変化によって瞬時に撹拌・剪断されて微細気泡を発生する。又、逆に、図示のように開口ｂから流入して開口ａから流出する場合には、高速旋回状態から無旋回状態（もしくは旋回抑制状態）への急激な変化によって撹拌・剪断されて微細気泡を発生する。
それに加えて、羽根車２の形状により発生する渦流・乱流による撹拌・剪断、そして、開口ａ近傍の凹凸部材１８や羽根車２の凹凸部２ｕなどによる撹拌・剪断、更には、渦流・乱流によるキャビテーションの発生も相まって、気泡の微細化が極めて強力に行われるものである。

なお、ケーシング内に流体が出入りする箇所、すなわち開口ａや開口ｂについては、その流路形状や流入角度は適宜に選択してよく、例えば開口ｂがケーシング１ｂ内に接線方向から巻き込まれる流路形状に形成されることなく単純に開口したものでもよいことが例示されている。
本実施例のその他の構成及び作用は第１実施例と同様である。

図１６は第６実施例を示したものであり、図１７は図１６におけるＩ−Ｉ断面、図１８は図１６におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す。
本実施例は、羽根車２について、吐出羽根部２ｄとして適宜の枚数、形状の軸流羽根を採用して回転軸方向に推力を発生させることによって、第５実施例のポンプ１２を不要とし、又、通気口ｅまわりの構成も省略して、装置全体を第５実施例よりもコンパクトにまとめたものである。
図中では、流れ方向が開口ｂから開口ａに向かうようにしたものが例示してあり、それに伴って、入口弁６及び気体注入弁７は開口ｂの側、出口弁８は開口ａの側に設けてある。これは、回転軸３の回転を逆にして、流れ方向が開口ａから開口ｂに向かうようにしてもよく、その場合には勿論、入口弁６及び気体注入弁７は開口ａの側、出口弁８は開口ｂの側に設けることとなる。

羽根車２の撹拌羽根部２ｍについては、乱流を発生させる羽根形状の一例として、単純な放射羽根の形状としたものを例示した。
なお、流体を撹拌するための凹凸部（凹凸部材）の一例として、ケーシングの開口ａの近傍の流体流路中に杭状の凹凸部材１８を設けたり、羽根車２に多孔形状や櫛歯状の凹凸部２ｕを設けたりしてもよいことも示した。
本実施例のその他の構成及び作用は第５実施例と同様である。

次に、各実施例に共通の技術事項について説明する。
各実施例においては、入口弁６経由で流入する揚液と気体注入弁７経由で流入する気体とを混合して気液混合体を生成するものを例示してあるが、これに代えて、前もって気液混合体を生成したものを本装置に供給してもよいことは言うまでもなく、その場合は勿論、気体注入弁７は不要となる。
ケーシング縮径部１ｙの形状については、各実施例に例示したコーン状やラッパ状のほかにも、飲料ボトル状など適宜に設計してよい。
ケーシングの分割箇所については、各図に図示した箇所に限らず、設計上適宜の箇所を選択してよい。分割数についても、２分割に限らず、分解及び洗浄の上で問題がなければ３分割以上にしてもよい。

回転軸３の方向については、適宜に横軸型、立軸型や斜軸型を選択してよい。勿論それに伴って開口ａ、開口ｂ、洗浄液注入口ｃ、ドレン口ｄなどを洗浄液が滞留しないような適宜の位置に配設するものとする。
回転軸３の軸封部４及び軸受部５はケーシング１ｂの側に付設したものを図示したが、逆にケーシング１ａの側に付設してもよく、この場合は回転軸３が開口ａ部分を貫通するよう設計すればよい。
又、回転軸３を回転させる原動機については、使用条件に応じて適宜選択してよい。例えば、本装置を水中モーターと一体構造にしてそのモーターの回転軸を本装置の回転軸３としてそのまま用いる方法をとれば、コンパクトになる上、洗浄時のモーター防水対策も不要となり、更には、本装置をモーターと共に液中に沈めて設置することも可能となる。

羽根車２については、第１実施例〜第４実施例において吐出羽根部２ｄと撹拌羽根部２ｍを一体的に形成したものを例示したが、吐出羽根部２ｄと撹拌羽根部２ｍを分離して形成してもよい。この吐出羽根部２ｄの形式については、ノンクロッグ型、オープン型、セミオープン型、クローズド型など、種々公知の形式が適用でき、又、側板（シュラウド）付きの場合でも、適宜に前後面を連通させる連通路や切り欠きを設けるなどしてよい。又、この吐出羽根部２ｄを第６実施例のような軸流羽根や斜流羽根、スクリュー、プロペラなどに形成してもよい。更には、この吐出羽根部２ｄのポンプ作用を、第５実施例のように流路中の適宜の箇所にポンプを介設することによって代用させてもよく、その場合のポンプの形式は、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ、渦流ポンプ、ダイヤフラムポンプ、ギヤーポンプなど種々公知の形式を適宜に選択してよい。

羽根車やケーシング内壁上の凹凸部（凹凸部材）２ｕ；１ｕの形状については、各実施例においては多孔形状、ディンプル形状、櫛歯状切り欠き、茸状突起、鋲頭状突起、杭状突起を例示したが、これらに限ることなく、例えば網目状切り抜き、板状突起など、適用流体の性質に適合する形状を適宜に選択してよい。又、それら凹凸部（凹凸部材）が必要とされない仕様の場合には省略してもよい。
本装置の性能を更に向上させるために、羽根車２を多段としてもよいし、本装置を複数台連結配管して直列運転あるいは並列運転してもよい。又、真空装置や気体注入装置は、各種公知のものが適用でき、個数も１つに限らず任意の真空装置や気体注入装置を追加してもよい。

なお、本発明においては、羽根車２の回転とケーシング縮径部１ｙの形状が生み出す強力かつ高速な旋回力や、羽根車２の形状などが生み出す強力な渦流・乱流による撹拌・剪断によって、気泡の微細化が極めて強力に行われるのであるが、同時にこの渦流・乱流はキャビテーションをも発生させ、それによって更なる微細気泡の生成が促進されるようになっている。又、通気口ｅを真空装置に連絡させることによって、適宜に余剰気体分を排気できるようにもなっている。
そこで、この渦流・乱流によるキャビテーションの発生と真空装置による排気に主眼をおいた運転方法（例えば、気体注入弁７などの気体注入経路は完全に閉鎖し、入口弁６は絞り気味としておく、など）を選択すれば、揚液中の溶存気体を析出させて気泡化し、その気泡を遠心分離して収集・排出することも可能である。このことは即ち、本発明の微細気泡発生装置が「微細気泡の発生」という目的のほかに、運転方法の変更によって「脱気・脱泡」の目的に使用することも可能であることを示唆している。

その他、本発明の趣旨の範囲内で、その構成要素の個数、配置、組合わせを変更したり、従来技術手段を追加するなど、種々設計変更可能であり、更に素材材質も適宜選択可能であり、本発明を前記の各実施例に限定するものではない。

本発明は、簡潔な構成により液中に微細気泡を短時間で大量にかつ安定的・効率的に発生させることができる、高性能で取扱い容易な微細気泡発生装置を得たものである。
本装置は、気液混合・気泡の微細化を併せて行い、微細気泡を発生させるのみならず、ポンプ作用により流体に吐出圧力を与えることも、自吸することもできる。又、サニタリー仕様を満足できる定置洗浄や分解洗浄が容易に行える構造も備えて、多様な用途や液質にも適用できる。
本装置の用途は、気泡の微細化により液体中に気体を効率よく溶解させるなどの一般的用途のほかにも、気体を溶解させぬまま微粒化しておく用途、例えば泡状クリームの製造など、広い分野にわたる。
本装置は、構造が簡単で、故障が少なく耐久力があり、完全自動運転ができて管理上の手が掛からず、小型化も大型化も容易に且つ安価に実施でき、設備及び管理コストも極めて経済的であり、その実施効果は極めて大きい。

本発明の第１実施例を示す縦断面図（一部側面図）である。 図１におけるＩ−Ｉ断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の第２実施例を示す縦断面図（一部側面図）である。 図４におけるＩ−Ｉ断面図である。 図４におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の第３実施例を示す縦断面図（一部側面図）である。 図７におけるＩ−Ｉ断面図である。 図７におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の第４実施例を示す縦断面図（一部側面図）である。 図１０におけるＩ−Ｉ断面図である。 図１０におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の第５実施例を示す縦断面図（一部側面図）である。 図１３におけるＩ−Ｉ断面図である。 図１３におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の第６実施例を示す縦断面図（一部側面図）である。 図１６におけるＩ−Ｉ断面図である。 図１６におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

符号の説明

１ａ；１ｂ…ケーシング １ｕ…凹凸部（凹凸部材）
１ｘ…羽根車収容部 １ｙ…縮径部
２…羽根車
２ｒ…羽根車端部 ２ｄ…吐出羽根部 ２ｍ…撹拌羽根部
２ｐ…邪魔部材 ２ｕ…凹凸部（凹凸部材）
３…回転軸 ４…軸封部 ５…軸受部
６…入口弁 ７…気体注入弁 ８…出口弁
９…真空装置 １０…気体注入装置 １１…保護手段
１２…ポンプ １３…洗浄液注入弁 １４…ドレン弁
１５…ガイド １６…オリフィス １７…空洞受け
１８…凹凸部材
ａ…第１の開口 ｂ…第２の開口
ｃ…洗浄液注入口 ｄ…ドレン口
ｅ…通気口 ｆ…通気路 ｇ…大気開放口
Ａ…流体粒子の反射方向 Ｂ…回転接線方向 Ｃ…遠心力方向

Claims (9)

1. 流体が出入りする第１の開口と第２の開口を有するケーシング内に、回転して流体に旋回エネルギーを与える羽根車を備え、該ケーシングは、該羽根車の外縁部を取巻くように形成された羽根車収容部と、該羽根車収容部から徐々に縮径して流体の旋回を高速化させる縮径部とからなり、該縮径部の先端近傍に第１の開口が設けられ、該羽根車収容部の近傍に第２の開口が設けられ、流体の流れ方向が第１の開口から第２の開口に向かう方向、又は第２の開口から第１の開口に向かう方向のいずれに設定される場合においても、該流体は該羽根車の回転によって強制的に旋回力を与えられることを特徴とする、微細気泡発生装置。
2. 前記羽根車には、流体の撹拌を行う撹拌羽根部と流体に吐出圧力を与える吐出羽根部とが一体的に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の微細気泡発生装置。
3. 前記ケーシングが、一体的で仕切り壁や狭隘部のない１つの室空間を形成していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の微細気泡発生装置。
4. 前記第１の開口の近傍の流体流路中に、流体を所定方向に捻転させるためのガイド、流体を絞るためのオリフィス、前記羽根車の回転によって発生する竜巻状空洞の尾底部を受け止めるための空洞受け、流体を撹拌するための凹凸部もしくは凹凸部材、のうちの少なくとも一つを備えたことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
5. 前記羽根車は、その羽根上の少なくとも一部において、回転中に衝突する流体粒子の反射方向が回転接線方向よりも回転中心寄りとなって、その回転により乱流を発生させる形状に形成されたことを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
6. 前記ケーシングの内壁部と前記羽根車の少なくとも一方には、流体を撹拌するための凹凸部もしくは凹凸部材を備えたことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
7. 前記羽根車の回転中心線の近傍に通気口が設けられ、該通気口は、真空装置、気体注入装置、大気開放口のいずれかに連通されたことを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
8. 前記第１の開口から第２の開口に向け、又は第２の開口から第１の開口に向けて流体を圧送するポンプ作用を備えたことを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
9. 流体を吸い上げる自吸ポンプ作用を備えたことを特徴とする、請求項８に記載の微細気泡発生装置。

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