JP5573879B2 - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中に微細気泡を発生することが可能な微細気泡発生装置に関する。

一般に、水中に微細気泡を発生する手段としては、ベンチュリー式、キャビテーション式、加圧溶解式、旋回流式などが知られている。ベンチュリー式は、水の流路にくびれ部分（絞り）を設けるもので、このくびれ部分で流速が上昇することにより外部から空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気は、くびれが広がる部分で圧力が上昇することにより微細化される。キャビテーション式は、ポンプ内に気液混合体を送り、例えば超音波振動を与えることによりキャビテーションを利用して気泡を発生させる。また、加圧溶解式は、水が流れる配管内に導入した外気を、ポンプ等により加圧して水中に溶解するもので、装置が大型化するものの、大量の外気を溶解させることが可能である。

また、旋回流式は、特許文献１に記載されているように、水の旋回流を形成し、この旋回流を空気と合流させるもので、旋回流により空気がせん断破砕されて微細化される。旋回流式は、流路内を流通する水の流量が小さくても、より微細な気泡を生成することができるので、上記各方式の中でも優れた方式である。旋回流式による微細気泡の生成量を増大させるためには、空気の導入量を増加すること、旋回流を高速化して空気のせん断力を増加すること、及び旋回流と空気との接触面積を増加させることが重要となる。

特許４５２５８９０号公報

しかしながら、上記旋回流式の装置においては、水流を形成するポンプの仕様が制限されると、流路内を流通する水の流量、揚程、水圧等が限定されてしまう。水の旋回力は、流量及び水圧に大きく依存するので、上記制限の存在下で空気の導入量を増加させると、導入された空気の全てがせん断されずに下流に流れることになり、小さな気泡だけでなく、大きな気泡も生成されるという問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、流路の圧力損失を抑制しつつ、微細気泡の生成量を増加させることが可能な微細気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る微細気泡発生装置は、気液の流入口と流出口とを有し、流入口から流入した気液を旋回流状態で流出口から流出させることにより、液体中に微細化した気泡を生成する微細気泡生成通路と、微細気泡生成通路の流入口に液体を供給する液体供給手段と、微細気泡生成通路の流入口に気体を供給する気体供給手段と、微細気泡生成通路の流出口に接続され、流出口から流出した気液の旋回流を維持する旋回流維持通路と、多孔質材料またはメッシュ材料により形成されて旋回流維持通路に設けられ、旋回流状態の気泡と接触して当該気泡を更に微細化する微細化促進部材と、を備え、旋回流維持通路は、一端側が微細気泡生成通路の流出口に接続されて一端側から他端側に向けて拡径した略円錐状の拡径部と、拡径部の他端側に接続された円筒状の等径部と、を備え、微細化促進部材は、旋回流維持通路内で旋回流の旋回方向に延在して旋回流の少なくとも一部を内周側と外周側とに分離する形状を有し、かつ、旋回流維持通路の拡径部と等径部とにわたって軸方向に延在する構成としたものである。

本発明によれば、微細気泡生成通路により液体中に微細な気泡を生成することができ、更に微細気泡生成通路で微細化し切れなかった大きな気泡を微細化促進部材により再微細化することができる。これにより、流路の圧力損失を増加させなくても、多量の微細気泡を安定的に生成することができ、微細気泡発生装置の性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１による微細気泡発生装置を模式的に示す断面図である。 図１中の旋回流維持通路及び微細化促進部材の一部を拡大して示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２による微細気泡発生装置を模式的に示す断面図である。 図３中の旋回流維持通路及び微細化促進部材を軸方向の端部からみた端面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態１及び２に限定されるものではない。また、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１による微細気泡発生装置を模式的に示す構成図である。微細気泡発生装置１は、微細気泡生成通路２、気液供給配管５、ポンプ６、空気導入口７、旋回流維持通路８、微細化促進部材１１等を備えている。微細気泡生成通路２は、基端部（底部）から先端部に向けて徐々に縮径する円錐状に形成されている。また、微細気泡生成通路２は、円形状をなす基端部の外周に設けられた流入口３と、先端部に設けられた円形状の流出口４とを備えている。そして、微細気泡生成通路２は、流入口３から流入した液体及び気体（気液）を旋回流状態で流出口４から流出させることにより、液体中に微細化した気泡を生成する。このため、微細気泡生成通路２の内壁は、高密度で円滑な壁面として形成され、旋回流の圧力損失を抑制しつつ、流速を高めるように構成されている。

気液供給配管５は、微細気泡生成通路２に気液を供給するもので、微細気泡生成通路２の基端部の外周に対して接線方向に傾斜した状態で流入口３に接続されている。また、流入口３は、気液供給配管５よりも縮径した絞り部として形成されている。このため、気液供給配管５から微細気泡生成通路２に流入する気液は、流入口３により流速を高められた状態で微細気泡生成通路２の内壁に沿って旋回し、旋回流を容易に生じさせる。また、気液供給配管５には、微細気泡生成通路２の流入口３に液体（例えば、水）を供給する液体供給手段としてのポンプ６と、流入口３に気体（例えば、空気）を供給する気体供給手段としての空気導入口７とが設けられている。

ポンプ６は、気液が混在した状態でも正常に作動する必要があるので、気体及び液体の吐出が可能な渦流式ポンプ等により構成するのが好ましい。また、ポンプ６は、ポンプの回転翼に異物が絡まるのを防止する異物トラップ機構を備えている。一方、空気導入口７は、ポンプ６の吐出側で気液供給配管５に接続されると共に、例えば気液供給配管５の一部を縮径させて形成した絞り部（図示せず）の近傍に配置されている。これにより、空気導入口７は、絞り部で液体の流速が増加することにより生じる負圧を利用して、気液供給配管５内に空気を吸込むように構成されている。なお、空気導入口７の下流側に生じる圧損が大きい場合には、空気の吸込動作が阻害されるので、気体供給手段として送気ポンプ等を採用し、空気導入口７から気液供給配管５に空気を強制的に供給してもよい。この場合には、送気ポンプと空気導入口７との間に逆止弁が接続される。

次に、本実施の形態の特徴事項である旋回流維持通路８及び微細化促進部材１１について説明する。旋回流維持通路８は、微細気泡生成通路２の流出口４から流出した気液の旋回流を維持しつつ、気液を旋回流の軸線方向に進行させるものである。なお、以下の説明では、円筒状をなす旋回流維持通路８の周方向及び軸方向を、それぞれ旋回流の旋回方向及び軸線方向と称するものとする。旋回流維持通路８は、流出口４よりも大径な略円筒状に形成され、微細気泡生成通路２と同軸に配置されている。また、旋回流維持通路８は、一端側が流出口４に接続され、一端側から他端側に向けて徐々に拡径した略円錐状の拡径部９と、拡径部９の他端側に接続された円筒状の等径部１０とを備えている。旋回流維持通路８の内壁は、微細気泡生成通路２と同様に、高密度で円滑な壁面として形成され、旋回流の圧力損失を抑制しつつ、流速を高めるように構成されている。

微細化促進部材１１は、旋回流維持通路８内で旋回する気泡と接触して当該気泡を更に微細化するものである。微細化促進部材１１は、図１及び図２に示すように、多孔質材料またはメッシュ材料により円筒状に形成され、例えば１μm以下の微細な孔径を有する多数の通気孔１１ａを有している。なお、図２は、図１中の旋回流維持通路及び微細化促進部材の一部を拡大して示す拡大断面図である。また、微細化促進部材１１は、旋回流維持通路８の内部に同軸（同心円状）に配置されている。これにより、旋回流維持通路８内の空間は、微細化促進部材１１の内周側に位置する円柱状の内周空間１２と、微細化促進部材１１の外周側に位置する環状の外周空間１３とに分離され、これらの空間１２，１３は多数の通気孔１１ａを介して互いに連通している。

本実施の形態による微細気泡発生装置１は上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。まず、ポンプ６が作動すると、気液供給配管５から微細気泡生成通路２に液体が供給されると共に、液体の流れで生じる負圧により空気導入口７から気液供給配管５に気体が吸い込まれる。これらの気液は、微細気泡生成通路２の流入口３から基端部の外周に導入され、図１に示すように、微細気泡生成通路２の内壁に沿って旋回することにより、旋回流を生じさせる。

また、微細気泡生成通路２は円錐状に形成されているので、基端部で発生した気液の旋回流は、流出口４に向けて軸方向（旋回流の軸線方向）に進行しつつ、旋回半径が徐々に縮径して流速（旋回速度）及び圧力が増加する。これにより、円錐形の頂上部に位置する流出口４では、高速の旋回流により気液が分離され、気泡は旋回中心の近傍に集まった状態となる。この結果、気液が旋回流を維持しつつ流出口４から流出すると、圧力開放された液体中の気泡が旋回流の内周側で膨張する。この気泡は、旋回流の内周と接触することにより細かくせん断され、微細化した気泡が生成される。このように、微細気泡生成通路２によれば、基端部から先端部に向けて縮径する円錐状の通路を利用して、気液の旋回流を高速・高圧化し、この気液を先端部の流出口４から放出して圧力開放することにより、液体中に微細な気泡を生成することができる。

ここで、流出口４から気液が流出するときには、液体中に混在する気体の量が多いほど、旋回流によりせん断される気体の量が増加し、多量の気泡が生成される。しかし、気体の導入量が多くした場合には、微細気泡生成通路２内に生じる旋回流が弱くなるので、旋回流によりせん断し切れなかった気体が大きな気泡となって残留し易い。このため、本実施の形態では、微細気泡生成通路２の流出口４に旋回流維持通路８及び微細化促進部材１１を配置している。

この構成によれば、流出口４から旋回流維持通路８に流出した気液の旋回流は、小径な流出口４から大径な旋回流維持通路８に開放されることにより、一定の旋回中心を保持した状態で、旋回流維持通路８の拡径部９に沿って徐々に拡径し、最終的には等径部１０の内壁に沿って旋回するようになる。このとき、拡径部９は、気液の旋回流を乱すことなく、旋回半径を等径部１０の内径位置まで徐々に拡径させることができる。微細気泡生成通路２から流出した気液が旋回流維持通路８内で旋回すると、図２に示すように、微細気泡生成通路２により微細化された気泡Ｂ１と、微細化されなかった大きな気泡Ｂ２とは、微細化促進部材１１により個別の流路に分離される。

詳しく述べると、一般に２００μm以下の外径を有する微細な気泡は旋回流の外周側に集まり、２００μｍ以上の外径を有する大きな気泡は旋回流の中心（内周側）に集まる傾向がある。このため、気液の旋回流が維持されている状態では、微細な気泡Ｂ１が微細化促進部材１１の外周空間１３に滞留する。一方、大きな気泡Ｂ２は、旋回流の作用により微細化促進部材１１の通気孔１１ａを通って内周空間１２に移動するので、通気孔１１ａを通るときに微細化され、微細な気泡Ｂ１となる。

このように、本実施の形態によれば、微細気泡生成通路２により液体中に微細な気泡を生成することができ、更に微細気泡生成通路２で微細化し切れなかった大きな気泡が微細化促進部材１１を通過することにより、大きな気泡を再微細化することができる。従って、流路の圧力損失を増加させなくても、多量の微細気泡を安定的に生成することができ、微細気泡発生装置１の性能を向上させることができる。また、微細化促進部材１１を多孔質材料またはメッシュ材料により構成したので、その通気孔１１ａを用いて大きな気泡を容易に微細化することでき、簡単な構成で微細な気泡を効率よく生成することができる。

また、微細化促進部材１１を円筒状に形成したので、微細化促進部材１１の壁面を旋回流の旋回方向及び軸線方向（気液の流れ方向）に延在させることができる。これにより、旋回流が微細化促進部材１１と接触することで生じる圧力損失を抑制し、ポンプ６の運転効率を高めることができ、また、微細気泡の生成量を向上させることができる。また、円筒状の微細化促進部材１１を用いることにより、大きな気泡と微細な気泡を微細化促進部材１１の内周空間１２と外周空間１３に分離することができ、微細な気泡が大きな気泡と合体して消失するのを抑制することができる。さらに、微細気泡生成通路２、旋回流維持通路８及び微細化促進部材１１を同軸に配置したので、これらの中心軸線に沿って流路を直線的に構成することができ、流路の圧力損失をより低減させることができる。

実施の形態２．
次に、図３及び図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明の実施の形態２による微細気泡発生装置を模式的に示す断面図であり、図４は、図３中の旋回流維持通路及び微細化促進部材を軸方向の端部からみた端面図である。本実施の形態の微細気泡発生装置１は、実施の形態１とほぼ同様に構成されているものの、旋回流維持通路８の内部には、放射状の微細化促進部材２０が配置されている。微細化促進部材２０は、例えば多孔質材料またはメッシュ材料により形成された複数の板材２１を組立てることにより形成され、１μm以下の微細な孔径を有する多数の通気孔２０ａが全体にわたって開口している。

また、微細化促進部材２０は、図３及び図４に示すように、旋回流の軸線方向からみた形状（旋回流の軸線方向と垂直な平面で破断した横断面形状）が放射状に形成され、かつ、軸線方向に延在するように構成されている。これにより、微細化促進部材２０を構成する個々の板材２１は、旋回流の軸線方向及び径方向に延在し、旋回流と衝突するように配置されている。また、旋回流維持通路８内の空間は、旋回流の軸線方向に沿って並列に延在する複数の並列通路２２に分割され、これらの並列通路２２は、微細化促進部材２０の通気孔２０ａを介して互いに連通している。

本実施の形態による微細気泡発生装置１は上述の如き構成を有するもので、次に、その基本的作動は実施の形態１の場合と同様である。しかし、本実施の形態では、図４に示すように、旋回流維持通路８を流れる旋回流が微細化促進部材２０の各板材２１を通過しながら旋回する。この結果、微細気泡生成通路２で微細化し切れなかった大きな気泡Ｂ２は、旋回流と共に板材２１（通気孔２０ａ）を通過するときに微細化され、微細な気泡Ｂ１となる。また、微細気泡生成通路２で既に微細化されていた気泡Ｂ１は、１μｍ以下の外径をもつので、微細化促進部材２０に影響されることなく、並列通路２２に沿って下流側に流通する。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、微細化促進部材２０を、横断面形状が放射状となるように形成し、旋回流の軸線方向（気液の流れ方向）に延在させる構成としたので、圧力損失を増加させることなく、大きな気泡を再微細化することができ、微細気泡の生成量を向上することができる。また、微細化促進部材２０を旋回流維持通路８（旋回流）の径方向に延在させることにより、旋回流維持通路８の空間を旋回方向に対して複数の並列通路２２に分割することができる。これにより、旋回流と共に流れる大きな気泡を板材２１に正面から衝突させて微細化を促進することができる。また、旋回流を複数の板材２１により分断することができるので、旋回流による気泡同士の合体を抑制し、一旦微細化した気泡を安定的に保持することができる。

なお、前記実施の形態１，２では、円錐状に縮径する微細気泡生成通路２を用いる場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば微細気泡生成通路２の底部に対して接線方向から気液を流入する構成に代えて、翼形状の旋回流形成部等を備える構成としてもよい。また、実施の形態では、液体と気体の混合物（気液）を１つの流入口３から微細気泡生成通路２に供給する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、微細気泡生成通路２の底部には、液体の流入口と気体の流入口とを個別に設ける構成としてもよい。

また、実施の形態１，２では、円筒状の微細化促進部材１１や放射状の微細化促進部材２０を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、微細化促進部材としては、旋回流維持通路８内で旋回流の旋回方向及び軸線方向に延在し、旋回流の少なくとも一部を内周側と外周側とに分離する任意の部材を採用することができる。即ち、本発明では、例えば微細化促進部材１１の一部に相当する円弧状の微細化促進部材や、平板状の微細化促進部材を用いてもよい。また、本発明の微細化促進部材としては、旋回流維持通路８内で旋回流の軸線方向及び径方向に延在し、旋回流と衝突するように構成された任意の部材を採用することができる。即ち、例えば微細化促進部材２０の一部（１枚の板材２１や板材２１の一部）のみを用いて、微細化促進部材を構成してもよい。

また、実施の形態１，２では、円筒状の微細化促進部材１１や放射状の微細化促進部材２０について個別に例示した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば微細化促進部材１１の一部または全体と、微細化促進部材２０の一部または全体とを組合わせた形状をもつ微細化促進部材を採用してもよい。

また、実施の形態１，２では、液体供給手段としてポンプ６を採用したが、本発明はこれに限らず、例えば液体を加圧状態で貯留したタンク等の容器や、市水等の給水源を液体供給手段として使用してもよい。また、実施の形態では、水に空気の気泡を混入させる場合を例示したが、本発明はこれに限らず、水と空気以外の任意の液体及び気体にも広く適用することができる。さらに、本発明の微細気泡発生装置１は、温浴効果が得られる風呂装置、工場の製造工程における部品洗浄装置、生体活性化を目的とした溶存酸素富化装置などに用いることができる。

１ 微細気泡発生装置
２ 微細気泡生成通路
３ 流入口
４ 流出口
５ 気液供給配管
６ ポンプ（液体供給手段）
７ 空気導入口（気体供給手段）
８ 旋回流維持通路
９ 拡径部
１０ 等径部
１１，２０ 微細化促進部材
１１ａ，２０ａ 通気孔
１２ 内周空間
１３ 外周空間
２１ 板材
２２ 並列通路

Claims (6)

1. 気液の流入口と流出口とを有し、前記流入口から流入した気液を旋回流状態で前記流出口から流出させることにより、液体中に微細化した気泡を生成する微細気泡生成通路と、
   前記微細気泡生成通路の流入口に液体を供給する液体供給手段と、
   前記微細気泡生成通路の流入口に気体を供給する気体供給手段と、
   前記微細気泡生成通路の流出口に接続され、前記流出口から流出した気液の旋回流を維持する旋回流維持通路と、
   多孔質材料またはメッシュ材料により形成されて前記旋回流維持通路に設けられ、旋回流状態の気泡と接触して当該気泡を更に微細化する微細化促進部材と、を備え、
   前記旋回流維持通路は、一端側が前記微細気泡生成通路の流出口に接続されて前記一端側から他端側に向けて拡径した略円錐状の拡径部と、前記拡径部の他端側に接続された円筒状の等径部と、を備え、
   前記微細化促進部材は、前記旋回流維持通路内で旋回流の旋回方向に延在して旋回流の少なくとも一部を内周側と外周側とに分離する形状を有し、かつ、前記旋回流維持通路の拡径部と等径部とにわたって軸方向に延在する構成とした微細気泡発生装置。
2. 前記微細化促進部材は、前記旋回流維持通路内の旋回流を内周側と外周側とに分離する筒状体により構成してなる請求項１に記載の微細気泡発生装置。
3. 前記微細化促進部材は、前記旋回流維持通路内で旋回流の軸線方向及び径方向に延在し、旋回流と衝突する部位を備えてなる請求項１または２に記載の微細気泡発生装置。
4. 前記微細化促進部材は、前記旋回流維持通路内の空間を旋回流の軸線方向に沿って並列に延在する複数の通路に分割する部位を備えてなる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の微細気泡発生装置。
5. 前記微細化促進部材は、旋回流の軸線方向からみて放射状に形成され、かつ、当該軸線方向に延在する部位を備えてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の微細気泡発生装置。
6. 前記微細気泡生成通路は、前記流入口から前記流出口に向けて縮径する円錐状に形成し、前記旋回流維持通路は、前記微細気泡生成通路の流出口よりも大径な円筒状に形成して前記微細気泡生成通路と同軸に配置する構成としてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の微細気泡発生装置。

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