JP6344841B2 - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、分散相としての気体と連続相としての液体を混合して気液混合相となすとともに、分散された気泡を微細化かつ均一化させることが可能な微細気泡発生装置に関する。

従来、微細気泡発生装置の一形態として、特許文献１に開示されたものがある。すなわち、特許文献１には、一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、ケーシング体の周壁に開口した吸気孔から気体を導入して液体と混合させる気液混合部と、気液混合部から導出口側へ漸次拡径する拡径流路形成部と、拡径流路形成部の終端部に接続して気液混合相を旋回流となす旋回流形成部と、旋回流形成部で形成された旋回流を一時的に滞留させる一時滞留部とを備えたマイクロバブル発生装置が開示されている。

上記したマイクロバブル発生装置では、次のようにしてマイクロバブルが形成される。すなわち、導入口から導入した液体と吸気孔から導入した気体とを気液混合部で混合して気液混合相となし、拡径流路形成部を通して気液混合相を減速させながら気液混合流となす。そして、気液混合流を旋回流形成部に案内して旋回流となす。この際、気液混合流を形成する気体は微細な気泡となって分散される。さらに、旋回流は一時滞留部で一時的に流動しながら滞留されて、比較的大きな気泡は粉砕される。その後、微細な気泡（マイクロバブル）を含有する旋回流は導出口から導出される。

特開２００７−２１３４３

ところが、前記したマイクロバブル発生装置では、生成される気泡はマイクロレベル（数十〜数百μｍ）であり、さらに微細化かつ均一化されたナノレベル（１μｍ未満）の気泡は殆ど生成されない。そのため、かかるマイクロバブル発生装置は、ナノレベルの気泡が求められる産業分野では活用できないという不具合がある。

そこで、本発明は、ナノレベルに微細化されるとともに均一化された気泡を含有する気液混合相を、安価にかつ堅実に生成することができる構造簡易な微細気泡発生装置を提供することを目的とする。

この発明のうち第１の態様に係る微細気泡発生装置は、ポンプの吸入口部側に、連続相としての液体と分散相としての気体とを混合して気液混合相となす第１微細気泡発生器を接続する一方、ポンプの吐出口部側に、第１微細気泡発生器により生成された気液混合相中の気泡をさらに微細化する第２微細気泡発生器を接続して構成したことを特徴とする。

上記した微細気泡発生装置では、ポンプの吸入口部側に接続した第１微細気泡発生器により連続相としての液体と分散相としての気体とを混合して気液混合相となすことができる。続いて、ポンプの吐出口部側に接続した第２微細気泡発生器により、第１微細気泡発生器によって生成された気液混合相中の気泡をさらに微細化することができる。つまり、ポンプの吸入口部側と吐出口部側とにおいて、二段階にわたって気液混合相中の気体を微細化することで、ナノレベルの気泡となすことができる。その結果、ナノレベルに微細化されるとともに均一化された気泡を含有する気液混合相を、安価にかつ堅実に生成することができる構造簡易な微細気泡発生装置を提供することができる。

また、この発明のうち第２の態様に係る微細気泡発生装置は、第１の態様に係る微細気泡発生装置であって、第２微細気泡発生器は、ポンプの吐出口部から吐出された気液混合相の大部分を流動させる主流路と、残余の気液混合相を主流路の外周側で流動させる副流路とを具備し、副流路の中途部には主流路と連通する連通路を形成するとともに、連通路では、主流路内を流動する気液混合相を旋回流となす一方、副流路から主流路に流入する気液混合相に渦流を生起させて、主流路内で旋回流となって流動する気液混合相中の気泡が渦流によりさらに微細化されるように構成したことを特徴とする。

上記した微細気泡発生装置では、ポンプの吐出口部から吐出された気液混合相の大部分を流動させる主流路と、残余の気液混合相を主流路の外周側で流動させる副流路と、主・幅流路を連通して副流路の中途部から主流路内に気液混合相を流入可能とした連通路を具備して、連通路では、主流路内を流動する気液混合相を旋回流となす一方、副流路から主流路に流入する気液混合相に渦流を生起させるようにしている。そのため、主流路内で旋回流となって流動する気液混合相中の気泡が液相の遠心力により主流路の周縁部側に移動されて、周縁部側に移動された気泡が渦流に衝突してさらに微細化される。その結果、気液混合相中の気体は堅実にナノレベルの気泡に微細化される。

この発明のうち第３の態様に係る微細気泡発生装置は、第２の態様に係る微細気泡発生装置であって、第２微細気泡発生器は、筒状に形成した内周形成体と外周形成体を同芯円的に内外に配置して、内周形成体内に主流路を形成する一方、内周形成体の外周面と外周形成体の内周面との間に副流路を形成し、内周形成体の中途部には主流路と副流路とを連通する連通口を形成するとともに、連通口の一側縁部から円周方向へかつ漸次主流路側へ延出させて形成した流れ形成用の機能フィンを設けて、機能フィンの主流路側面に沿って主流路内を流動する気液混合相を旋回流となす一方、機能フィンの副流路側面に沿って副流路から主流路に流入する気液混合相には渦流を生起させて、主流路内で旋回となって流動する気液混合相中の気泡を渦流によりさらに微細化するように構成したことを特徴とする。

上記した微細気泡発生装置では、連通口の一側縁部から円周方向へかつ漸次主流路側へ延出させて形成した流れ形成用の機能フィンを設けて、機能フィンの主流路側面に沿って主流路内を流動する気液混合相を旋回流となす一方、機能フィンの副流路側面に沿って副流路から主流路に流入する気液混合相には渦流を生起させるようにしているため、主流路内で旋回流となって流動する気液混合相中の気泡が液相の遠心力により主流路の周縁部側に移動されて、周縁部側に移動された気泡が渦流に衝突してさらに微細化される。その結果、気液混合相中の気泡は堅実にナノレベルの気泡に微細化される。

この発明のうち第４の態様に係る微細気泡発生装置は、第３の態様に係る微細気泡発生装置であって、内・外周形成体は、それぞれ先端先細り状に漸次縮径させた円筒状に形成し、内周形成体の外周面には、軸線方向に伸延する複数の間隔保持片を円周方向に間隔をあけて突設して、外周形成体中に内周形成体を配置するとともに、外周形成体の内周面に各間隔保持片を当接させることで、内・外周形成体間に副流路を形成し、内周形成体の周壁には、内周形成体の基端側から内周形成体の先端側に向かって漸次縮幅状に開口する連通口を複数個形成するとともに、各連通口は単一仮想螺旋に沿わせてかつその伸延方向に間隔を開けて配置し、各連通口には一側縁部から円周方向へかつ漸次主流路側へ延出させて円弧状に形成した機能フィンを設けたことを特徴とする。

上記した微細気泡発生装置では、先端先細り状に漸次縮径させた円筒状に形成した内・外周形成体間に副流路を形成し、内周形成体の周壁には、内周形成体の基端側から内周形成体の先端側に向かって漸次縮幅状に開口する連通口を複数個形成するとともに、各連通口は単一仮想螺旋に沿わせてかつその伸延方向に間隔を開けて配置し、各連通口には一側縁部から円周方向へかつ漸次主流路側へ延出させて円弧状に形成した機能フィンを設けることで、機能フィンの主流路側面に沿って内周形成体内に形成される主流路内を流動する気液混合相を旋回流となす一方、機能フィンの副流路側面に沿って副流路から主流路に流入する気液混合相には渦流を生起させるようにしているため、主流路内で旋回流となって流動する気液混合相中の気泡が液相の遠心力により主流路の周縁部側に移動されて、周縁部側に移動された気泡が渦流に衝突してさらに微細化される。その結果、気液混合相中の気泡は堅実にナノレベルの気泡に微細化される。

この発明のうち第５の態様に係る微細気泡発生装置は、第３又は第４の態様に係る微細気泡発生装置であって、内周形成体内の基端部には、内周形成体内に流入する流体を旋回流となす旋回手段を配設したことを特徴とする。

上記した微細気泡発生装置では、内周形成体内の基端部に旋回手段を配設しているため、内周形成体内に流入する流体を旋回流となして下流側に流動させることができる。そのため、内周形成体内の下流側に形成された機能フィンに先だって流体を旋回流となすことができる。その結果、旋回手段と機能フィンとの相乗効果により堅実に旋回流を形成して、気泡のナノレベルの微細化と均一化を良好に確保することができる。

本発明は次のような効果を奏する。すなわち、本発明に係る微細気泡発生装置は、ポンプの吸入口部側と吐出口部側とにおいて、二段階にわたって気液混合相中の気体を微細化するようにしているため、微細化かつ均一化されたナノレベル（１μｍ未満）の気泡を短時間にかつ堅実に大量生成して安定提供することができる。そして、微細気泡発生装置は、構造簡易で安価に提供することができるとともに、ナノレベルの気泡が求められる産業分野において幅広く活用することができるため、産業上の利用分野を大幅に拡大させることができる。

微細気泡発生装置の説明図。 第１実施形態としての第２微細気泡発生器の正面説明図。 第１実施形態としての第２微細気泡発生器の正面断面図。 図３のI-I線断面図。 図３のII-II線断面図。 外周形成体の正面図。 内周形成体の正面図（ａ）、平面図（ｂ）、及び斜視図（ｃ）。 内周形成体の展開説明図。 第１実施形態としての第２微細気泡発生器の断面側面説明図。 第２実施形態としての第２微細気泡発生器の正面説明図。 旋回手段の取付斜視説明図。 旋回手段の上流側斜視図（ａ）、下流側斜視図（ｂ）、正面図（ｃ）、上流側側面図（ｄ）、下流側側面図（ｅ）。 他の旋回手段の取付斜視説明図。 他の旋回手段の上流側斜視図（ａ）、下流側斜視図（ｂ）、正面図（ｃ）、上流側側面図（ｄ）、下流側側面図（ｅ）。 第１微細気泡発生器の正面断面図。 第１微細気泡発生器の分解斜視説明図。 第１微細気泡発生器の下流側半部の断面正面説明図。 第１微細気泡発生器の下流側半部の流れ状態の断面正面説明図。 第１微細気泡発生器の変形例として脈動抑制体を収容配置した吸気パイプの断面説明図。 比較形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布図。 第１実施形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布図。 第２実施形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布図。 比較形態装置と第１・第２実施形態装置のそれぞれにより生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布対比図。

以下に、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示す１は本実施形態としての微細気泡発生装置であり、微細気泡発生装置１は、図１に示すように、連続相としての液体Ｆ１と分散相として気体Ｆ２を混合するとともに、気体Ｆ２を微細かつ均一な気泡となして、気液混合相としての初期混合流体Ｆ３を生成し、その後に連続して気液混合相としての終期混合流体Ｆ４を生成する装置である。ここで、本実施形態では、液体Ｆ１は水であり、気体Ｆ２は空気である。そして、初期混合流体Ｆ３は微細な気泡混じりの水（微細気泡含有水）であり、終期混合流体Ｆ４はさらに微細な気泡混じりの水（微細気泡含有水）である。

微細気泡発生装置１は、図１に示すように、ポンプＰの吸入口部Ｐａに、吸入側接続管４を介して、連続相としての液体Ｆ１と分散相としての気体Ｆ２とを混合して気液混合相としての初期混合流体Ｆ３となす第１微細気泡発生器２を接続する一方、ポンプＰの吐出口部Ｐｂに、吐出側接続管５を介して、第１微細気泡発生器２により生成された初期混合流体Ｆ３中の気泡をさらに微細化して気液混合相としての終期混合流体Ｆ４を生成する第２微細気泡発生器３を接続して構成している。

このように構成した微細気泡発生装置１では、ポンプＰの吸入口部Ｐａ側に接続した第１微細気泡発生器２により連続相としての液体Ｆ１と分散相としての気体Ｆ２とを混合して気液混合相としての初期混合流体Ｆ３を生成することができる。この初期混合流体Ｆ３中の気泡はマイクロレベルに微細化されている。続いて、ポンプＰの吐出口部Ｐｂ側に接続した第２微細気泡発生器３により、第１微細気泡発生器２によって生成された初期混合流体Ｆ３中の気泡をナノレベルに微細化して終期混合流体Ｆ４を生成することができる。つまり、ポンプＰの吸入口部Ｐａ側におけるマイクロレベルの気泡の微細化と、吐出口部Ｐｂ側におけるナノレベルの気泡の微細化が、連続的に二段階にわたって微細化処理される。その結果、微細気泡発生装置１は、ナノレベルに微細化されるとともに均一化された気泡を含有する終期混合流体Ｆ４を、安価にかつ堅実に生成することができる簡易な構造となすことができる。

そして、第１微細気泡発生器２は、ポンプＰの吸入口部Ｐａに吸入側接続管４を介して接続する一方、第２微細気泡発生器３はポンプＰの吐出口部Ｐｂに吐出側接続管５を介して接続するとともに、吸入側接続管４と吐出側接続管５を所望の配管長（例えば、２０ｍ）となした場合にも、吐出側接続管５の終端部に第２微細気泡発生器３を接続しているため、第２微細気泡発生器３からは、ナノレベルに微細化された気泡を大量に含有する終期混合流体Ｆ４が放出される。

この際、第１微細気泡発生器２で微細化された気泡は、吸入・吐出側接続管４,５内において、合泡することなく第２微細気泡発生器３まで搬送されるため、第２微細気泡発生器３において気泡が堅実にナノレベルに微細化される。その結果、吸入・吐出側接続管４,５を長尺化することで、第１・第２微細気泡発生器２,３を所望の位置に配置することができる。つまり、第１・第２微細気泡発生器２,３の配設位置の自由度を増大させることができる。そのため、微細気泡発生装置１の産業上の利用分野を増大させることができる。

以下に、第１・第２実施形態としての第１微細気泡発生器２と第２微細気泡発生器３のそれぞれの構成について説明するが、説明の便宜上、まず、第１実施形態としての第２微細気泡発生器３の構成について、図２〜図９を参照しながら説明し、その後に、第２実施形態としての第２微細気泡発生器３の構成について、図１０〜図１４を参照しながら説明し、さらにその後に、第１微細気泡発生器２の構成について、図１５〜図１９を参照しながら説明する。

［第１実施形態としての第２微細気泡発生器の構成の説明］
第１実施形態としての第２微細気泡発生器３は、図２〜図９に示すように、ポンプＰの吐出口部Ｐｂから吐出された初期混合流体Ｆ３の大部分を流動させる主流路１０と、残余の初期混合流体Ｆ３を主流路１０の外周側で流動させる副流路１１とを具備している。副流路１１の中途部には主流路１０と連通する連通路１２（図９参照）を形成している。連通路１２では、主流路１０内を流動する初期混合流体Ｆ３を旋回流Ｓとなす一方、副流路１１から主流路１０に流入する初期混合流体Ｆ３に渦流の一種であるカルマン渦Ｋを生起させて、主流路１０内で旋回流Ｓとなって流動する初期混合流体Ｆ３中の気泡がカルマン渦Ｋによりさらに微細化されるように構成している。

上記した微細気泡発生装置１では、ポンプＰの吐出口部Ｐｂから吐出された初期混合流体Ｆ３の大部分を流動させる主流路１０と、残余の初期混合流体Ｆ３を主流路１０の外周側で流動させる副流路１１と、主・幅流路１０,１１を連通して副流路１１の中途部から主流路１０内に初期混合流体Ｆ３を流入可能とした連通路１２を具備して、連通路１２では、主流路１０内を流動する初期混合流体Ｆ３を旋回流Ｓとなす一方、副流路１１から主流路１０内に流入する初期混合流体Ｆ３にカルマン渦Ｋを生起させるようにしている。そのため、主流路１０内で旋回流Ｓとなって流動する初期混合流体Ｆ３中の気泡が液相の遠心力により主流路１０の周縁部側に移動されて、周縁部側に移動された気泡がカルマン渦Ｋに衝突してさらに微細化される。その結果、初期混合流体Ｆ３中の気泡は堅実にナノレベルの気泡に微細化される。

具体的に説明すると、第１実施形態としての第２微細気泡発生器３は、筒状に形成した内周形成体２０と外周形成体２１を同芯円的に内外に配置して、内周形成体２０内に主流路１０を形成する一方、内周形成体２０の外周面と外周形成体２１の内周面との間に副流路１１を形成している。内周形成体２０の中途部には主流路１０と副流路１１とを連通する連通口２２を形成している。連通口２２の一側縁部（本実施形態では左側端部）から円周方向（右側方）へかつ漸次主流路１０側へ延出させて形成した流れ形成用の機能フィン２３を設けている。そして、機能フィン２３の主流路側面２３ａは、その面に沿って主流路１０内を流動する初期混合流体Ｆ３を旋回流Ｓとなす機能を有する一方、機能フィン２３の副流路側面２３ｂは、その面に沿って副流路１１から主流路１０に流入する初期混合流体Ｆ３にカルマン渦Ｋを生起させる機能を有する。そして、主流路１０内で旋回となって流動する初期混合流体Ｆ３中の気泡がカルマン渦Ｋによりさらに微細化されるようにしている。

さらに具体的に説明すると、内・外周形成体２０,２１は、それぞれ先端先細り状に漸次縮径させた円筒状に形成しており、内周形成体２０は外周形成体２１よりも筒長を短幅に形成している。本実施形態では、内周形成体２０は外周形成体２１の略半分の筒長に形成している。内周形成体２０の外周面には、軸線方向に伸延する複数（本実施形態では８個）の間隔保持片２４を円周方向に間隔をあけて突設して、外周形成体２１中に内周形成体２０を配置している。外周形成体２１の内周面には各間隔保持片２４の先端面を当接させることで、内・外周形成体２０,２１間に副流路１１を形成・保持し、内周形成体２０の周壁には、内周形成体２０の基端側から内周形成体２０の先端側に向かって漸次縮幅状に開口する連通口２２を複数個（本実施形態では４個）形成している。各連通口２２は単一仮想螺旋Ｒに沿わせてかつその伸延方向に間隔を開けて配置し、各連通口２２には左側縁部から円周方向である右側方へかつ漸次主流路１０側へ延出させて円弧状に形成した機能フィン２３を設けている。

単一仮想螺旋Ｒは、図８に示すように、内周形成体２０を展開させた状態では仮想直線を描いており、この仮想直線に沿わせて一定の間隔を開けてスリット状の連通口２２を形成している。そして、円筒状に屈曲させて形成した本来の内周形成体２０において、この仮想直線が単一仮想螺旋Ｒを描いている。

内周形成体２０には、その長手方向に伸延する軸線Ａｘとの間に一定の鋭角θ（例えば、15°〜75°の範囲）をなして伸延する螺旋方向切欠部２５を切欠して形成するとともに、軸線Ａｘと略直交する周方向に伸延する周方向切欠部２６を切欠して形成して、先端先細りＶ字状の切欠片２７を切欠して形成している。そして、切欠片２７を内方へ屈曲させて配置することで、内周形成体２０に切欠片２７と同形状の連通口２２を形成するとともに、内方へ屈曲させた切欠片２７を機能フィン２３となしている。各連通口２２は、内周形成体２０の周壁に描いた単一仮想螺旋Ｒに沿わせて配置するとともに、単一仮想螺旋Ｒの伸延方向に一定の間隔を開けて配置している。本実施形態では、図７に示すように、内周形成体２０の先端部側の周壁に２個の連通口２２を同一円周上において相互に１８０°変位させた点対称となる位置に形成するとともに、内周形成体２０の中央部側の周壁に２個の連通口２２を同一円周上において相互に１８０°変位させた点対称となる位置に形成している。その結果として、先端部側と中央部側の連通口２２は同一軸線廻りに相互に９０°変位した位置に形成される。２０ａは本片形成片、２０ｂは先端部形成片、２０ｃは基端部形成片である。

上記した４つの各機能フィン２３は、図９に示すように、連通口２２の一側縁部（本実施形態では左側縁部）から円周方向へかつ漸次主流路１０側へ延出させて形成している。各機能フィン２３の主流路側面２３ａは上方へ凹状の湾曲面に形成して、主流路側面２３ａに沿って主流路１０内を流動する初期混合流体Ｆ３が旋回流Ｓとなって流動するようにしている。一方、機能フィン２３の副流路側面２３ｂは上方へ凸状の湾曲面に形成して、副流路側面２３ｂに沿って副流路１１から主流路１０に連通口２２を通して流入する初期混合流体Ｆ３にカルマン渦Ｋを生起するようにしている。

すなわち、機能フィン２３の先端縁部２３ｃの背後には初期混合流体Ｆ３が静止した陰の部分である止水領域２８ができ、初期混合流体Ｆ３の流れはその表面を滑って流れようとする。そのとき止水領域２８と機能フィン２３の副流路側面２３ｂに沿って流れる初期混合流体Ｆ３の流れの境界面Ｂｓに沿って連続的な渦シート（渦層）が生じる。その連続的な渦シートから離散的な渦点の連なりが生じて、渦点が流れ去る初期混合流体Ｆ３を追いかけるようにして個々に分裂した渦の列となる。これがカルマン渦Ｋである。

図３において、３０は内周形成体２０の基端開口部に形成した流入口、３１は内周形成体２０の先端開口部に形成した流出口、３２は外周形成体２１の基端開口部に形成した導入口、３３は外周形成体２１の先端開口部に形成した導出口である。そして、内周形成体２０は、流入口３０を外周形成体２１内の中央部に配置するとともに、流出口３１を外周形成体２１内の先端部、つまり、外周形成体２１の導出口３３のやや上流側に配置している。

上記したように、外周形成体２１内に内周形成体２０を配置することで、外周形成体２１の導入口３２から導入した初期混合流体Ｆ３を、外周形成体２１内の中央部において、内周形成体２０の流入口３０から主流路１０内に流入する初期混合流体Ｆ３と副流路１１内に流入する残余の初期混合流体Ｆ３とに分流させるようにしている。そして、主流路１０内に流入した初期混合流体Ｆ３は、機能フィン２３の主流路側面２３ａに案内されて旋回流Ｓとなって流動し、副流路１１内から連通孔２２を通して主流路内１０に流入する初期混合流体Ｆ３が機能フィン２３の副流路側面２３ｂに沿って流れる初期混合流体Ｆ３内にカルマン渦Ｋが生起される。そのため、主流路１０内で旋回流Ｓとなって流動する初期混合流体Ｆ３中の気泡が液相の遠心力により主流路１０の周縁部側に移動されて、周縁部側に移動された気泡がカルマン渦Ｋに衝突してさらに微細化される。つまり、ナノレベルの気泡に微細化される。ナノレベルに微細化された終期混合流体Ｆ４は内周形成体２０の流出口３１さらには外周形成体２１の導出口３３から第２微細気泡発生器３の外部に導出（放出）される。

［第２実施形態としての第２微細気泡発生器の構成の説明］
図１０は、第２実施形態としての第２微細気泡発生器３を示している。この第２実施形態としての第２微細気泡発生器３は、図１０に示すように、前記した第１実施形態としての第２微細気泡発生器３と基本的な構成を同一となしているが、内周形成体２０内の基端部に旋回手段を配設している点で異なる。つまり、内周形成体２０内の基端部に旋回手段を配設することで、主流路１０内に流入した初期混合流体Ｆ３を、旋回手段により予備的に旋回流となすとともに、その下流側に形成された機能フィン２３によりさらに旋回流となすことで、主流路１０内では堅実に旋回流が形成されるようにしている。そのため、旋回手段と機能フィン２３との相乗効果により堅実に旋回流を形成することができて、気泡のナノレベルの微細化と均一化を良好に確保することができる。ここで、旋回手段としては流体を旋回流となす機能を有していればよいものであり、例えば、図１１及び図１２に示す旋回手段４０、図１３及び図１４に示す旋回手段５０、ないしは図１６に示す旋回手段１６１を適宜採用することができる。次に、旋回手段４０,５０の各構成について具体的に説明する。

（旋回手段４０の説明）
図１１及び図１２は、旋回手段４０を示している。旋回手段４０は、図１１及び図１２に示すように、直状に伸延する棒状の軸芯部４１と、軸芯部４１の周面から半径方向（放射線方向）に突設した複数（本実施形態では４片）の板状の旋回流形成案内片４２とを、合成樹脂（例えば、ＡＢＳ樹脂）により一体に積層製作している。すなわち、旋回手段４０は、断面正八角形の棒状の軸芯部４１の周面から均一肉厚の四角形板状の４つの案内本片４３を軸芯部４１の一つおきの各片から延設して断面十字状に形成している。

しかも、旋回手段４０の上流側の端面と下流側の端面は、一定のねじれ角θ１（例えば、θ１＝４５°〜１８０°）を形成するように配置し、案内本片４３の上流側半部は上流側から下流側への伸延方向を軸芯部４１の軸線方向と平行に配置するとともに、案内本片４３の下流側半部は上流側から下流側への伸延方向を軸芯部４１の軸線方向とねじれの位置に配置している。つまり、軸芯部４１の軸線方向とねじれの位置に配置した４つの旋回流形成案内片４２は、「へ」の字状に屈曲させて形成して、案内本片４３の上流側半部が軸芯部４１の軸線とほぼ並行させて配置されるとともに、案内本片１０２の下流側半部が軸芯部４１の軸線廻りに捩れ状にほぼ並行させて配置されて、隣接する旋回流形成案内片４２間に案内本片４３の中途部が屈曲された旋回流形成案内路４４が４本形成されるようにしている。

各案内本片４３の半径方向の先端部の上流側部には係合用位置決め用の膨出部４５を形成している。また、内周形成体２０の内周面の上流側端部には膨出部４５と整合して、膨出部４５が係合自在の係合凹部４６を周面周りに４つ形成している。

上記のように構成して、内周形成体２０内にその流入口３０から旋回手段４０を下流側に挿入するとともに、各係合凹部４６に膨出部４５を挿入して係合させて位置決めすることで、旋回手段４０が軸線方向ないしは周面周りに移動するのを規制することができる。この際、旋回流形成案内片４２の先端面は、内周形成体２０の内周面に密着状に面接触している。そのため、内周形成体２０内に流入した流体は、内周形成体２０内に配置された旋回流形成案内路４４に沿って上流側から下流側へ流動されることで、堅実に旋回流となされる。

（旋回手段５０の説明）
図１３及び図１４は、旋回手段５０を示している。旋回手段５０は、図１３及び図１４に示すように、直状に伸延する棒状の軸芯部５１と、軸芯部５１の周面から半径方向（放射線方向）に突設した複数（本実施形態では４片）の板状の旋回流形成案内片５２とを、合成樹脂（例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ））を削出加工して、表面を滑らかに（液体Ｆ１である水との摩擦が少ないように）成形している。すなわち、旋回手段５０は、棒状の軸芯部５１の周面から肉厚板状の４つの案内本片５３を一定の間隔をあけて延設して断面十字状に形成し、各案内本片５３の両側面には基端部から先端部にかけて円弧状凹面５４を形成するとともに、隣接する案内本片５３同士の円弧状凹面５４の基端縁部が連続する円弧面となしている。そして、各案内本片５３の中途部が最小肉厚で、各案内本片５３の先端部が最大肉厚となるように形成している。

しかも、旋回手段５０の上流側の端面と下流側の端面は、一定のねじれ角θ２（例えば、θ２＝４５°〜１８０°）を形成するように、旋回流形成案内片５２の上流側から下流側への伸延方向を軸芯部５１の軸線方向とねじれの位置に配置している。軸芯部５１の軸線方向とねじれの位置に配置した４つの旋回流形成案内片５２は、ほぼ並行させて配置されるとともに、隣接する旋回流形成案内片５２間に軸芯部５１の軸線廻りに捩れ状の旋回流形成案内路５５が４本形成されるようにしている。

各案内本片５３の半径方向の先端部の上流側部には係合用位置決め用の膨出部５６を形成している。また、内周形成体２０の内周面の上流側端部には膨出部５６と整合して、膨出部５６が係合自在の係合凹部５７を周面周りに４つ形成している。

上記のように構成して、内周形成体２０内にその流入口３０から旋回手段５０を下流側に挿入するとともに、各係合凹部５７に膨出部５６を挿入して係合させて位置決めすることで、旋回手段５０が軸線方向ないしは周面周りに移動するのを規制することができる。この際、旋回流形成案内片５２の先端面は、内周形成体２０の内周面に密着状に面接触している。そのため、内周形成体２０内に流入した流体は、内周形成体２０内に配置された旋回流形成案内路５５に沿って上流側から下流側へ流動されることで、堅実に旋回流となされる。

以下に、第１微細気泡発生器の構成について説明する。
［第１微細気泡発生器の構成の説明］
第１微細気泡発生器２は、図１に示すように、図示しない液体源（本実施形態では水源）に第１連通路としての連通パイプ６を介して一端部（基端部）を連通連結するとともに、ポンプＰの吸入口部Ｐａに吸入側接続管４を介して他端部（先端部）を連通連結している。そして、ポンプＰを作動させて、その吸込口部Ｐａに連通パイプ６を通して液体Ｆ１を吸引することで、第１微細気泡発生器２内に液体Ｆ１を導入する一方、第１微細気泡発生器２内には別途気体Ｆ２がベンチュリ効果により吸入されて、第１微細気泡発生器２内で液体Ｆ１と気体Ｆ２とが混合されて初期混合流体Ｆ３が生成されるようにしている。初期混合流体Ｆ３は、吸入側接続管４を介してポンプＰの吸入口部Ｐａに吸引されて、ポンプＰの吐出口部Ｐｂから第２微細気泡発生器３に吐出されるようにしている。

第１微細気泡発生器２は、図１５〜図１８に示すように、接続体１１０と気泡発生器本体１２０を、同一軸線上に直状に配置するとともに連通連結して形成している。

接続体１１０は、連通パイプ６に気泡発生器本体１２０を連通状態に接続するためのものである。すなわち、接続体１１０は、第１接続片１１１と第２接続片１１２と第３接続片１１３とから構成している。

第１接続片１１１は、円筒状の第１接続本片１１１ａと、第１接続本片１１１ａの外周面中途部に外方へ張り出し鍔状に形成した第１係止用鍔片１１１ｂとを合成樹脂により一体成形している。第１接続本片１１１ａの基端部は、可撓性樹脂により成形した連通パイプ６の先端部に着脱自在に嵌入させて接続可能としている。第１接続片１１１は、第１係止用鍔片１１１ｂが後述する第２接続本片１１２ａの基端側端面に当接して係止される。

第２接続片１１２は、円筒状に形成した第２接続本片１１２ａと、第２接続本片１１２ａの外周面基端部に外方張り出し鍔状に形成した第２係止用鍔片１１２ｂとを弾性ゴム素材により一体成形している。第２接続本片１１２ａには、第１接続本片１１１ａの先端部を着脱自在に嵌入させて接続可能としている。第２接続片１１２は、第２係止用鍔片１１２ｂが後述する第３接続片１１３の基端部側半部１１３ａ端面に当接して係止される。

第３接続片１１３は、合成樹脂により円筒状に形成するとともに、基端部側半部１１３ａの内径を第２接続本片１１２ａの外径と略同一に形成する一方、先端部側半部１１３ｂを基端部側半部１１３ａよりもやや小径に縮径させて形成している。基端部側半部１１３ａには、第２接続本片１１２ａの先端部を着脱自在に嵌入させて接続可能としている。先端部側半部１１３ｂには、後述する気泡発生器本体１２０の第１分割片１５１を着脱自在に嵌入させて接続可能としている。

気泡発生器本体１２０は、一端に液体Ｆ１を導入する導入口１３０を有するとともに、他端に初期混合流体Ｆ３を導出する導出口１４０を有する直状かつ円筒状のケーシング体１５０内に、導入口１３０から導出口１４０に向けて順次、旋回流形成部１６０と流速増速部１７０と気体吸引部１８０と微細気泡含有液体生成部１９０とを備えている。

ケーシング体１５０は、円筒状の第１分割片１５１と、第１分割片１５１の外周面先端部に嵌合する円筒状の第２分割片１５２と、第２分割片１５２の内周面先端部に嵌合する円筒状の第３分割片１５３と、第３分割片１５３の外周面先端部に嵌合する円筒状の第４分割片１５４と、第４分割片１５４の内周面先端部に嵌合する円筒状の第５分割片１５５とを具備している。そして、第４分割片１５４は、中途部の縮径部１５６を介して基端部側よりも先端部側を縮径させて形成している。

旋回流形成部１６０は、導入口１３０から導入した液体Ｆ１を旋回流となすようにしており、通過する液体Ｆ１を旋回流となす旋回手段１６１と、旋回手段１６１の下流側にケーシング体１５０の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路１６２とを具備している。旋回流案内流路１６２はケーシング体１５０の一部を形成する第３分割片１５３の内周面に沿って直状に形成されている。

旋回手段１６１は、第２分割片１５２の内周面中途部に嵌合する略円筒状の支持片１６３と、支持片１６３の先端縁部から軸線方向に向けて捩れ状に対向させて形成した一対の旋回流形成片１６４,１６４とを具備している。支持片１６３は、第２分割片１５２内で第１分割片１５１と第３分割片１５３とにより軸線方向で挟持されて位置決めされる。液体Ｆ１は、捩れ状に対向する一対の旋回流形成片１６４,１６４間を通過する際に、旋回流形成片１６４,１６４から捩れ作用を受けて旋回流となる。そして、旋回流は旋回流案内流路１６２を通して下流側の流速増速部１７０に案内されるようにしている。

流速増速部１７０は、ケーシング体１５０内に導入された液流を増速させるようにしており、ケーシング体１５０内の流路断面よりも小さい流路断面となして、ケーシング体１５０の軸線と同軸的に伸延する流速増速流路１７１を具備している。

流速増速流路１７１は、第４分割片１５４内に増速流路形成体１７２を配置して形成している。すなわち、増速流路形成体１７２は、第４分割片１５４の先端部側の内径よりも外径が小径で円筒状の流路形成片１７３と、流路形成片１７３の外周面基端部から下流側に張り出し状に形成した傘状支持片１７４とを具備している。そして、傘状支持片１７４の先端周縁部を第４分割片１５４の縮径部１５６に当接させるとともに、流路形成片１７３の先端部を第４分割片１５４の先端部内に同心円的に配置している。流路形成片１７３の先端部は、上流側から下流側に漸次縮径させて、内周テーパー面１９２と外周テーパー面１９３を形成している。

図１７中、Ｌ１は流路形成片１７３の長手幅（筒長）、Ｌ２は円筒状に形成された気体吸引流路１８２の筒長、つまり、吸気孔１８１の中心位置から流路形成片１７３の先端開口部までの一定幅、Ｗ１は流路形成片１７３の基端開口部の内径、Ｗ２は流路形成片１７３の先端開口部の内径、Ｗ３は第５分割片１５５の内径、Ｗ４は第５分割片１５５の外径、Ｗ５は流路形成片１７３の外周面と第５分割片１５５の内周面との最小間隔、Ｗ６は流路形成片１７３の外周テーパー面１９３と第５分割片１５５の内周面との間に形成される最大間隔である。

気体吸引部１８０は、流速増速部１７０にて増速された液流により圧力降下された（大気圧に対して真空圧となる）ケーシング体１５０内に、外部から気体Ｆ２をベンチュリ効果で吸引するようにしている。すなわち、気体吸引部１８０は、ケーシング体１５０の周壁の中途部に開口した吸気孔１８１と、吸気孔１８１に基端部が連通して流速増速流路１７１の外周に同心円的に伸延する円筒状の気体吸引流路１８２と、吸気孔１８１に連通連結して立設した吸気接続パイプ１８３と、吸気接続パイプ１８３の上端部に接続して上端開口部から外気である空気を吸引することができる吸気パイプ１８４とを具備している。ここで、気体Ｆ２の吸入量は、連通パイプ６中を流れる液体Ｆ１の流量の２％〜４％、望ましくは３％前後（STP；０℃、１気圧）に設定することができる。また、吸気パイプ１８４には流量調節弁（図示せず）を取り付けることで気体Ｆ２の吸入量を可変可能とすることができる。

気体吸引流路１８２は、流路形成片１７３の外周面と第４分割片１５４の先端部の内周面との間に形成される間隙、そして、流路形成片１７３の外周面と第５分割片１５５の先端部の内周面との間に形成される間隙であり、気体吸引流路１８２は、流速増速流路１７１の先端部側の外周に円筒状に形成されている。つまり、気体吸引流路１８２は、円筒状に形成された筒長Ｌ２（吸気孔１８１の中心位置から流路形成片１７３の先端開口部までの一定幅）を有している。ここで、一定幅である筒長Ｌ２は第５分割片１５５の内径Ｗ３よりも幅広（本実施形態では内径Ｗ３の略４倍）に形成している。

そのため、吸気孔１８１から気体吸引流路１８２内に吸入された気体Ｆ２は、流路形成片１７３の先端開口部に至るまで、つまり、少なくとも筒長Ｌ２の長さ分は流路形成片１７３の外周面に沿って流動して、堅実にかつ安定して円筒状に形成される。そして、流路形成片１７３の先端開口部において、棒状に流出される液体Ｆ１の外周面を安定して円筒状に形成された気体Ｆ２が覆うように面接触する。したがって、液体Ｆ１とその外周面を覆う気体Ｆ２との接触面積、つまり、せん断面積が大きく確保されて、分散相としての気体Ｆ２が連続相としての液体Ｆ１により効果的にせん断される。その結果、微細気泡含有液体生成流路１９１において、気体Ｆ２は均一に超微細化されて、超微細気泡混じりの液体、つまり、初期混合流体Ｆ３が生成される。

微細気泡含有液体生成部１９０は、気体吸引部１８０にて吸引された気体Ｆ２が流速増速部１７０にて増速された液流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体、つまり初期混合流体Ｆ３が生成されるようにしており、気体吸引流路１８２の先端部と流速増速流路１７１の先端部とが連通して、導出口１４０に向けて伸延する微細気泡含有液体生成流路１９１を具備している。

上記のように構成した第１微細気泡発生器２では、導入口１３０から導入した液体Ｆ１を旋回流形成部１６０により旋回流となすことができる。この際、旋回流形成部１６０の旋回手段１６１が通過する液体Ｆ１を旋回流となして、旋回手段１６１の下流側においてケーシング体１５０の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路１６２が旋回流を下流側へ案内する。

旋回流形成部１６０にて形成された旋回流は、流速増速部１７０により増速される。すなわち、流速増速部１７０が具備する流速増速流路１７１は、旋回流案内流路１６２の流路断面の略四分の一である小さい流路断面となして、ケーシング体１５０の軸線と同軸的に伸延させているため、旋回流の流速を堅実に増大させることができる。ここで、旋回流の流速の調整は、流速増速流路１７１の流路断面を適宜調整することで行うことができる。したがって、緩速的な流速で導入された液体Ｆ１の液流であっても、液流を旋回流となし、さらには、旋回流を適宜増速させることができる。

そして、流速増速部１７０にて増速された旋回流により、ケーシング体１５０内の流速増速部１７０における圧力はより一層降下される。そのため、気体吸引部１８０では吸気孔１８１を通してベンチュリ効果により外部から外気である気体Ｆ２を吸入するとともに、気体吸引流路１８２を通して流速増速流路１７１の外周に同心円的に円筒状の気体Ｆ２を流入させることができる。

さらには、微細気泡含有液体生成部１９０において、気体吸引部１８０にて吸引された気体Ｆ２が流速増速部１７０にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される。すなわち、微細気泡含有液体生成流路１９１において、増速旋回流となっている液体Ｆ１の外周は、吸引された気体により円筒状に囲繞される。そして、囲繞している円筒状の気体Ｆ２にはその内方から旋回力の強い旋回流の外周部が高せん断力を及ぼす。つまり、旋回流の中心側ではなく、それよりも比較的旋回力の強い外周側において、その外周を囲繞している円筒状の気体Ｆ２の全内周面に高せん断力を全面的に作用させることができる。そのため、微細気泡含有液体生成流路１９１では、吸引された気体Ｆ２が効率良く超微細化かつ均一化される。その結果、微細気泡含有液体生成流路１９１では微細化かつ均一化された気泡混じりの液体（初期混合流体Ｆ３）が堅実に生成されて、導出口１４０から初期混合流体Ｆ３が導出される。

［第１微細気泡発生器の変形例の構成の説明］
第１微細気泡発生器２の変形例は、図１９に示すように、気体吸引部１８０の吸気パイプ１８４内に、吸引される気体Ｆ２の脈動を抑制する脈動抑制体１８５を配設して構成している。すなわち、脈動抑制体１８５は、外形状を吸気パイプ１８４内に挿入可能な円柱状に形成して、ケーシング体１５０の第４分割片１５４に接続される気体吸引部１８０の基端部近傍、つまり、吸気接続パイプ１８３の先端部（上端部）に下端面を当接させて可及的に吸気孔１８１の近傍位置に配設している。

脈動抑制体１８５は気体Ｆ２が吸引される方向（吸気パイプ１８４を通して吸気孔１８１から気体吸引流路１８２内に吸引される方向）に連通する連通流路１８６を有している。そして、連通流路１８６を通して気体Ｆ２がケーシング体１５０の気体吸引流路１８２内に吸引されるようにしている。ここで、脈動抑制体１８５は多孔質部材により成形することで、屈曲した細管状の連通流路１８６を保持させることができる。多孔質部材としては、例えば、スポンジ、軽石、セラミックス、陶器がある。また、脈動抑制体１８５はセルロース繊維やガラス繊維等を絡み合わせて形成することもでき、吸気パイプ１８４の基端部内に詰め込むことで充填・配置することができる。

このように構成して、吸引される気体Ｆ２の脈動を脈動抑制体１８５により抑制するようにしているため、気体Ｆ２の脈動を低減（抑制）して、超微細気泡の安定的生成と振動又は騒音の低減を実現することができる。この際、脈動抑制体１８５は第４分割片１５４に接続される吸気孔１８１の近傍位置に配設しているため、気体Ｆ２の脈動を堅実に低減（抑制）することができる。その結果、超微細気泡の安定的生成と振動又は騒音の低減を堅実に実現することができる。

しかも、気体Ｆ２は吸引される方向に連通する脈動抑制体１８５の連通流路１８６を通してケーシング体１５０の気体吸引流路１８２内に吸引されるようにしているため、気体Ｆ２が脈動していても連通流路１８６を通過する際に気体Ｆ２の脈動が堅実に低減（抑制）される。そのため、超微細気泡の安定的生成と振動又は騒音の低減を堅実に実現することができる。また、脈動抑制体１８５は多孔質部材、例えば、スポンジ、軽石、セラミックス、陶器により成形しているため、軽量かつ安価に連通流路１８６を有する脈動抑制体１８５を成形することができる。

前記した第１実施形態としての第２微細気泡発生器３を具備する微細気泡発生装置1（以下、「第１実施形態装置」という。）により生成した微細気泡含有水と、第２実施形態としての第２微細気泡発生器３を具備する微細気泡発生装置1（以下、「第２実施形態装置」という。）により生成した微細気泡含有水と、ポンプＰの吐出口部Ｐｂに吐出側接続管５を介して本実施形態に係る第１微細気泡発生器２を接続して構成した微細気泡発生装置（以下、「比較形態装置」という。）により生成した微細気泡含有水とを対比した。

すなわち、第１・第２実施形態装置により生成した微細気泡含有水と比較形態装置により生成した微細気泡含有水について、（株）島津製作所製のナノ粒子径分布測定装置「SALD-7100H」によりそれぞれの気泡の粒度分布（数）を測定して対比するとともに、ナノサイト社製のナノ粒子解析装置「NanoSight NS500」によりそれぞれの１μm以下（ナノレベル）の気泡総数を測定して対比した。その測定結果を図２０〜図２４に示す。

図２０は比較形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布図、図２１は第１実施形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布図、図２２は第１実施形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布図、及び図２３は比較形態装置と第１・第２実施形態装置のそれぞれにより生成した微細気泡含有水の気泡の粒度分布対比図である。これらの粒度分布図に示すように、比較形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡のメディアン径は１６０ｎｍであった。これに対して、第１実施形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡のメディアン径は１４８ｎｍであった。さらに、第２実施形態装置により生成した微細気泡含有水の気泡のメディアン径は１２２ｎｍであった。つまり、第１実施形態装置では比較形態装置に比してメディアン径が約８％縮小された。さらに、第２実施形態装置では比較形態装置に比してメディアン径が約２４％縮小された。

そして、ナノ粒子解析装置「NanoSight NS500」により測定した１μm以下（ナノレベル）の気泡総数は、比較形態装置の測定結果が０.３×１０^７個/ｍｌであるのに対して、第１実施形態装置の測定結果が１.２×１０^７個/ｍｌ、さらに、第２実施形態装置の測定結果が１.７×１０^７個/ｍｌであった。つまり、同一の空気量において、生成される気泡の数は、第１実施形態装置が比較形態装置の約４倍の割合で多く、さらに、第２実施形態装置が比較形態装置の約５.７倍の割合で多かった。

その結果として、比較形態装置よりも第１実施形態装置のほうが微細気泡含有水の気泡の微細化に優れ、さらに、第２実施形態装置のほうが微細気泡含有水の気泡の微細化に優れていることが分かった。すなわち、第１微細気泡発生器２と第２微細気泡発生器３の両方を具備する本実施形態装置のほうが、第１微細気泡発生器２のみで第２微細気泡発生器３を具備しない比較形態装置よりも微細気泡含有水の気泡の微細化に優れていることが分かった。更に付言すると、第２微細気泡発生器３が気泡の微細化に大きく寄与していることが分かった。そして、第２微細気泡発生器３には旋回手段を配設した方が気泡の微細化にさらに大きく寄与していることが分かった。

実験に際しては、液体Ｆ１として純水を使用し、気体Ｆ２としては空気を使用した。純水の水量は３５Ｌとした。つまり、ポンプＰの吸入量（吐出量）を３.５Ｌ/ｍｉｎに設定して、ポンプＰを１０分間（１パスでの処理に相当）稼動させた。そして、空気自吸流量は５ｍｌ/ｍｉｎに設定した。また、吸入側接続管４と吐出側接続管５と連通パイプ６の内径はそれぞれ１３ｍｍとした。

１ 微細気泡発生装置
２ 第１微細気泡発生器
３ 第２微細気泡発生器
４ 吸入側接続管
５ 吐出側接続管
６ 連通パイプ
１０ 主流路
１１ 副流路
１２ 連通路
２０ 内周形成体
２１ 外周形成体
２２ 連通口
２３ 機能フィン

Claims (3)

1. ポンプの吸入口部側に、連続相としての液体と分散相としての気体とを混合して気液混合相となす第１微細気泡発生器を接続する一方、
   ポンプの吐出口部側に、第１微細気泡発生器により生成された気液混合相中の気泡をさらに微細化する第２微細気泡発生器を接続して構成し、
   第２微細気泡発生器は、筒状に形成した内周形成体と外周形成体を同芯円的に内外に配置して、内周形成体内に、ポンプの吐出口部から吐出された気液混合相の大部分を流動させる主流路を形成する一方、内周形成体の外周面と外周形成体の内周面との間に、残余の気液混合相を主流路の外周側で流動させる副流路を形成し、
   内周形成体の周壁には主流路と副流路とを連通する連通口を形成するとともに、連通口の一側縁部から円周方向へかつ漸次主流路側へ延出させて円弧状に形成した流れ形成用の機能フィンを設けて、
   機能フィンの主流路側面に沿って主流路内を流動する気液混合相を旋回流となす一方、機能フィンの副流路側面に沿って副流路から主流路に流入する気液混合相に渦流を生起させて、主流路内で旋回流となって流動する気液混合相中の気泡が渦流によりさらに微細化されるように構成した
   ことを特徴とする微細気泡発生装置。
2. 内・外周形成体は、それぞれ先端先細り状に漸次縮径させた円筒状に形成し、内周形成体の外周面には、軸線方向に伸延する複数の間隔保持片を円周方向に間隔をあけて突設して、外周形成体中に内周形成体を配置するとともに、外周形成体の内周面に各間隔保持片を当接させることで、内・外周形成体間に副流路を形成し、
   前記連通口を、内周形成体の基端側から内周形成体の先端側に向かって漸次縮幅状に開口させて複数個形成するとともに、各連通口は単一仮想螺旋に沿わせてかつその伸延方向に間隔を開けて配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の微細気泡発生装置。
3. 内周形成体内の基端部には、内周形成体内に流入する流体を旋回流となす旋回手段を配設した
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の微細気泡発生装置。

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