WO2019043970A1 - 水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法 - Google Patents

水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法 Download PDF

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WO2019043970A1
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flow
flow rate
oxygen
pipe
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隆浩 安原
大内　光徳
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安原環境テクノロジー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for dissolving oxygen in water and a method for dissolving oxygen in water using the same, and more particularly, a combination of a plurality of fluids generates a change in cavity and pressure, and uses the change in cavity and pressure And a method for dissolving oxygen in water in which the concentration of oxygen dissolved in water is increased by taking a gas into a fluid, and a method for dissolving oxygen in water using the same.
  • a technique for increasing the concentration of oxygen dissolved in water has been used for the purpose of improving the water quality in closed areas such as purification facilities, lakes, reservoirs, dams and the like.
  • the one utilizing "air bubbles" is typical.
  • This includes, for example, a method of supplying compressed air to a porous aeration tube, a method of forming a shear flow by rotation of a rotating blade or a gas jet and supplying air therein, or generating micro bubbles or nano bubbles. Methods are being implemented.
  • a large-scale compressor for gas compression is required, so the apparatus becomes large.
  • FIGS. 8 (a) and 8 (b) are a plan view and a longitudinal cross-sectional view for explaining the action of the fluid injected into the inside of the cylindrical tank constituting the underwater oxygen dissolving apparatus according to the prior art, respectively.
  • air is drawn from the periphery of the vortex into the fluid 10 via the plurality of intake holes 6 etc., and the cylindrical down tube 5 in which air bubbles are formed in the fluid 10
  • a box type in which the fluid 10 having the bubbles formed therein is dropped and stored A reservoir (not shown) and an ultrasonic oscillator (not shown) which is immersed inside the reservoir and the bubbles are broken by emitting ultrasonic waves toward
  • Patent No. 5936168 gazette
  • the present invention has been made to cope with such conventional circumstances, and while the energy consumption can be suppressed, the formation efficiency of the bubbles in the fluid is good, and the oxygen contained in the bubbles is It is an object of the present invention to provide an oxygen dissolving apparatus in water which can be dissolved in a large amount of fluid in a short time and a method of dissolving oxygen in water using the same.
  • a peripheral wall having a flow changing portion for changing a flow direction of a part of the first fluid, a bottom portion surrounded by the peripheral wall, and a drop hole provided in the bottom portion It communicates with a box type tank, a first injection pipe for injecting a first fluid into the box tank, a second injection pipe for injecting a second fluid into the box tank, and a drop hole.
  • the first inlet tube has its first opening open above the inside of the flow change section, and the second inlet tube has its second opening above the drop hole
  • the downturn pipe is formed with a cavity having the drop hole as the upper open end. Air around the cavity is drawn into the first fluid and the second fluid through the cavity, the first fluid and the second fluid Body, characterized in that the bubbles are formed.
  • the “upper inside” of the flow change portion in which the first opening of the first injection pipe opens is not limited to one point as long as it is above the vicinity near the inner side of the flow change portion.
  • the “upper” of the drop hole where the second opening of the second injection pipe opens is also not limited to one as long as it is above the vicinity of the drop hole.
  • the first fluid injected into the inside of the box-type tank collides with the bottom to change the direction of the flow, and tries to diffuse radially.
  • the first fluid which is intended to diffuse radially, roughly flows that does not collide with the inner side of the peripheral wall, and collides with the inner side of the peripheral wall to change the direction of the flow, so that the flow traveling along the inner side of the peripheral wall Form.
  • a part of the peripheral wall which can change the flow direction of a part of the first fluid to a direction different from the original direction is a flow change portion.
  • the flow which does not collide inside the peripheral wall tends to flow into the drop hole along the bottom.
  • the flows which collide with the inside of the peripheral wall and change the direction of the flow collide with each other as a result of traveling along the inside of the peripheral wall.
  • the flow direction of the latter flow changes in the direction in which the drop hole exists due to the collision.
  • the second injection pipe has its second opening opened above the drop hole, so that the flow of the latter is interrupted by the second fluid injected from the second injection pipe. become.
  • the latter flow forms a pair of bifurcated flows that travel along the perimeter of the second fluid.
  • the pair of branched flows try to merge with each other at a position slightly separated from the second fluid.
  • the flow of the former is also interrupted by the pair of branched flows.
  • an area where no flow exists will appear on the side of the second fluid.
  • a region where this flow does not exist is a cavity, and this cavity is formed to pass through the downfalling pipe, with the vicinity of the height of the drop hole as the upper open end.
  • the pressure in the vicinity of the portion in contact with the second fluid in the cavity becomes low because the flow velocity of the vertical component of the second fluid is high. . Therefore, a strong negative pressure region is formed in the vicinity of the portion of the cavity in contact with the second fluid. Therefore, ambient air is drawn into the first fluid and the second fluid through the negative pressure region, and bubbles are formed in the first fluid and the second fluid.
  • the peripheral wall has a plurality of flow change portions, the bottom portion is provided with a plurality of the drop holes around the central portion thereof,
  • the first injection pipe and the second injection pipe are provided in the same number as the plurality of fall holes, and the plurality of second injection pipes are provided at the centers of the plurality of fall holes. It is characterized in that it opens on the opposite side of the plurality of first injection tubes with the axis interposed therebetween.
  • the plurality of second injection tubes respectively open on the opposite side of the plurality of first injection tubes with the central axis of the plurality of falling holes interposed therebetween.
  • the second fluid injected from the second injection pipe is formed on the central axis side of the drop hole.
  • one cavity is formed for one drop hole. That is, since the same number of cavities as the drop holes are formed, ambient air is drawn into the first fluid and the second fluid through the respective cavities.
  • the peripheral wall has a plurality of flow changing portions, the bottom portion is provided with one drop hole at its center portion, and the falling pipe is one drop
  • One of the first injection pipe and the second injection pipe is provided in communication with the hole, and each of the first injection pipe and the second injection pipe extends along the circumferential direction of the fall hole so as to form a first angle with respect to the central axis of the fall hole.
  • the plurality of second injection tubes are disposed in different phases with respect to the plurality of first injection tubes, respectively, about the central axis. In the invention of such a configuration, a plurality of cavities are formed for one drop hole.
  • the plurality of cavities are arranged in the same phase as the second injection tube around the central axis of the drop hole.
  • a plurality of cavities are formed for one drop hole, so that the surrounding air is the first fluid and the second via the respective cavities. Aspirated into the fluid.
  • the first flow rate per unit time of the first fluid passing through the first opening is a second flow rate A flow rate for adjusting at least one of the first flow rate and the second flow rate to be equal to or higher than a second flow rate that is a flow rate per unit time of the second fluid passing through the opening. It is characterized in that it comprises rate adjustment means. Also in the invention of such a configuration, as described above, the pair of branched flows is attributable to the first fluid injected from the first opening. Therefore, in the invention of the above configuration, in addition to the action of any one of the first to third inventions, the first flow rate is adjusted by the flow rate adjusting means to be equal to or higher than the second flow rate. As a result, the flow rate of the pair of branch flows can be maintained at a certain level or more. Therefore, a cavity will be formed reliably.
  • a peripheral wall having a flow changing portion for changing the flow direction of the first fluid, a bottom portion surrounded by the peripheral wall, and a box-shaped tank provided with a drop hole provided in the bottom portion.
  • a cavity having the drop hole as an upper open end is formed, so that the air around the cavity passes through the cavity to form the first fluid.
  • a second fluid wherein the first injection tube has a first opening at an inner side of the flow change portion. Opening upward, the second injection tube has its second opening open above the drop hole And wherein the door.
  • it has the same function as the function of the first invention.
  • the sixth aspect of the invention is the method according to the second aspect, wherein the flow rate per unit time of the first fluid passing through the first opening passes through the second opening before the injecting step before the injecting step. Adjusting at least one of the flow rate per unit time of the first fluid and the flow rate per unit time of the second fluid to be equal to or higher than the flow rate per unit time of the fluid It is characterized by having.
  • the flow rate per unit time of the first fluid passing through the first opening is the second opening
  • the flow rate adjustment step is performed as a preparatory step to realize the bubble formation step.
  • the first aspect of the invention it is possible to form one hollow penetrating the downfalling pipe by the box type tank provided with the falling hole, the first and second injection pipes, and the downfalling pipe.
  • This cavity has a strong negative pressure area, so that the efficiency of bubble formation in the fluid is good.
  • the first aspect of the invention is the action that the fluid descends the downfalling tube while filling the entire cross-section of the downside of the downed tube while maintaining the state of the vortex. Not have.
  • the disadvantage that the bubble formation efficiency is reduced does not occur. That is, according to the first invention, even when the flow rates of the first fluid and the second fluid are increased respectively, the cavity can be formed reliably. Therefore, a large amount of air can be drawn into the first fluid and the second fluid through the cavity to generate many bubbles, and oxygen contained in the bubbles can be dissolved in a short time. Moreover, according to the first aspect of the invention, since it is not necessary to use a device that consumes power, it is possible to realize the above-described oxygen dissolving effect while being able to suppress energy consumption.
  • the second invention in addition to the effects of the first invention, it is desirable to increase the number of the drop holes and the number of the first injection pipe and the number of the second injection pipes, or to increase the number of the drop holes etc. It can be arranged at a position. Thereby, a plurality of cavities can be formed, and a large amount of air can be sucked into the first fluid and the second fluid through these cavities. Therefore, the number of bubbles formed per unit time can be significantly increased.
  • a desired number of first injection pipes and second injection pipes can be installed around one drop hole.
  • the number of cavities formed in a single downcomer can be increased, and hence the number of bubbles formed per unit time can be increased.
  • the flow rate adjusting means can ensure the flow rate of the pair of branch flows at a certain level or more, so that the cavity can be assured It can be formed into Therefore, the bubble formation efficiency can be maintained high in the first and second fluids.
  • FIG. 1 is a block diagram of an underwater oxygen dissolving apparatus according to a first embodiment.
  • A is a plan view of the box-type tank
  • (b) is a cross-sectional view taken along the line AA in (a).
  • FIG. 2 is an enlarged view of a cross section taken along line BB in FIG. 1 of the downcomer constituting the underwater oxygen dissolving apparatus according to Embodiment 1. It is the result which compared the melt
  • FIG. 10 is a plan view of a box-type tank that constitutes the underwater oxygen dissolving apparatus according to the first modified example of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a process diagram of the method for dissolving oxygen in water according to Example 2.
  • (A) And (b) is the top view and longitudinal cross-sectional view for demonstrating the effect
  • FIG. 1 is a block diagram of the underwater oxygen dissolving apparatus according to the first embodiment.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1 according to the present embodiment includes a peripheral wall 2, a bottom portion 3 surrounded by the peripheral wall 2, and a falling hole 4 having a circular shape in a plan view provided on the bottom portion 3.
  • the first injection pipe 6 for injecting the first fluid 50 into the interior 5 a of the box-type tank 5, and the second for injecting the second fluid 51 into the interior 5 a of the box-type tank 5.
  • An injection pipe 7 and a straight pipe type down pipe 8 communicating with the drop hole 4 are provided.
  • the first fluid 50 and the second fluid 51 for example, water stored in a purification facility, a lake, a reservoir, a reservoir, a dam or the like is targeted, but other fluids may be targeted.
  • the peripheral wall 2 has a circular outer shape centering on the center point x2 of the circular falling hole 4 in a plan view (see FIG. 2A), and part of the first fluid 50 It has the flow change part 2a which changes a flow direction.
  • the first injection pipe 6 is a cylinder whose first opening 6a opens above the inside of the flow change portion 2a, and the second injection pipe 7 is dropped by the second opening 7a. It is a cylinder that opens above the hole 4.
  • the inside diameter size of the first injection pipe 6 and the inside diameter size of the second injection pipe 7 are equal.
  • the flow rate of the first fluid 50 passing through the first opening 6a and the flow rate of the second fluid 51 passing through the second opening 7a are controlled by the flow rate adjusting means 9 and 10 described below. The rate can be adjusted accordingly.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1 has the first flow rate FR 1 which is the flow rate per unit time of the first fluid 50 passing through the first opening 6 a is the second flow rate FR 1
  • the first flow rate FR 1 and the second flow rate FR 2 are adjusted so as to be equal to or higher than the second flow rate FR 2 which is the flow rate per unit time of the second fluid 51 passing through the opening 7 a of Flow rate adjusting means 9 and 10 are provided.
  • the flow rate adjusting means 9 and 10 are manual on-off valves provided in the middle of the first injection pipe 6 and the second injection pipe 7, respectively. Also, the flow rate of the first fluid 50 and the flow rate of the second fluid 51 are both expressed by volume or weight. Therefore, in the underwater oxygen dissolving apparatus 1, the first fluid 50 whose flow rate is adjusted by the flow rate adjusting means 9 spontaneously drops into the inside 5a of the box-shaped tank 5 through the first opening 6a. . In addition, the second fluid 51 whose flow rate has been adjusted by the flow rate adjustment means 10 naturally drops into the interior 5 a of the box tank 5 through the second opening 7 a.
  • the downfalling pipe 8 is provided with an inner pipe 12 whose upper end 12a communicates with the falling hole 4 and a plurality of intake holes 11 are bored in its side wall 12b, and an inner pipe 12 provided around the inner pipe 12 And an outer tube 13 provided with an air inlet means 15 for forming an enclosed space 14 and for introducing air into the enclosed space 14.
  • the inner pipe 12 and the outer pipe 13 are both cylindrical straight pipes.
  • a plurality of intake holes 11 are provided in a plurality of stages along the longitudinal direction of the inner pipe 12 with a predetermined interval.
  • the number of stages is not particularly limited.
  • the air inflow means 15 for example, an air inflow adjustment valve is used, and the inflow of air into the closed space 14 can be freely adjusted.
  • the surrounding air becomes the first fluid 50 and the second fluid through the air inflow means 15 and the plurality of intake holes 11. It is sucked to 51. Furthermore, as described later, when the first fluid 50 and the second fluid 51 injected into the interior 5a of the box-shaped tank 5 flow into the drop hole 4, the drop tube 8 raises the drop hole 4 as described later.
  • a cavity 52 see FIG. 3 having an open end 52a, air around the cavity 52 is sucked into the first fluid 50 and the second fluid 51 via the cavity 52, and the first air Air bubbles are formed in the fluid 50 and the second fluid 51.
  • FIG. 2 (a) is a plan view of the box type tank
  • FIG. 2 (b) is a sectional view taken along the line AA in (a).
  • symbol is attached
  • FIG.2 (b) illustration of an air inflow means is abbreviate
  • the first axis through the first injection pipe 6 (see FIG. 1) is projected to the bottom 3 through the point x1 and the point x1 to the first
  • a straight line connecting an intersection of a plane orthogonal to the central axis of the injection tube 6 and the central axis of the drop hole 4 (hereinafter referred to as the central point x2) is X
  • the straight line X and the central axis of the drop hole 4 Let Y be a straight line that is orthogonal to both and passes through the center point x2. As shown in FIGS.
  • the first fluid 50 injected into the interior 5a of the box-type tank 5 through the first injection pipe 6 collides with the bottom 3 and The direction of the flow is changed to radially diffuse around the point x1 along the horizontal direction H.
  • the first injection pipe 6 and the second injection pipe 7 are installed such that their central axes are parallel to the vertical direction V. However, since the first opening 6a (see FIG.
  • the first fluid 50 to be diffused radially is roughly includes a flow f 1 that does not impinge on the inner side of the peripheral wall 2, it collides with the inner peripheral wall 2 by changing the direction of the flow, as an example, the flow f 2 traveling across a straight line Y along the inside of the peripheral wall 2 is It is formed.
  • a part of the peripheral wall 2 which can change the flow direction of a part of the first fluid 50 in a direction different from the original direction is the flow change part 2a.
  • the flow changing portion 2a has a smoothly curved shape in plan view, but may have a polygonal shape as long as the flow direction of a part of the first fluid 50 can be changed.
  • the flow direction of the flow f 1 the flow f 2 relates linearly X, respectively become symmetrical. Accordingly, the flows f 1 and f 1 try to flow into the drop hole 4 along the bottom 3 while being symmetrical with respect to the straight line X.
  • the flows f 2 and f 2 travel along the inner side of the peripheral wall 2 across the straight line Y, and as a result, collide with each other on the straight line X to cause a second change in the flow direction.
  • the flow directions of the flows f 2 and f 2 change so as to be directed to the drop holes 4 and become flows f 3 and f 3 . Thereafter, the flows f 3 and f 3 try to flow into the drop hole 4.
  • the second fluid 51 is in the vertical direction V on the straight line X. Flowing down along. Thus, the second fluid 51 blocks the progress of the flows f 3 and f 3 . Therefore, as shown in FIG. 2A, the flows f 3 and f 3 are along the periphery of the second fluid 51 from the side where the flows f 2 and f 2 change their flow direction for the second time.
  • a pair of branched flows f 4 and f 4 (open arrows) are formed so as to move around.
  • the pair of branched flows f 4 and f 4 are attributable to the first fluid 50 injected from the first opening 6 a.
  • the flow rate adjusting means 9, 10 the first flow rate FR 1 is by being adjusted second flow rate FR 2 or more and so as the flow rate of the pair of branch flow f 4, f 4 constant The above can be secured.
  • the pair of branched flows f 4 and f 4 are symmetrical with respect to a straight line X ′ connecting the point x 3 on which the central axis of the second injection pipe 7 is projected to the bottom 3 and the central point x 2 of the falling hole 4.
  • the straight line X ′ is a straight line that coincides with the straight line X.
  • the flows f 1 and f 1 which are a part of the first fluid 50 injected from the first injection pipe 6 try to flow into the drop hole 4 along the bottom 3, but the second fluid 51 And the pair of branched flows f 4 and f 4 interrupt the progress.
  • the second fluid 51 or the like blocks the progress of the flows f 1 and f 1
  • the pair of branched flows f 4 and f 4 are slightly separated from the second fluid 51 in the direction of the point x 1
  • FIG. 3 is an enlarged view of a cross section taken along line B-B in FIG. 1 of the downcomer constituting the underwater oxygen dissolving apparatus according to the first embodiment.
  • symbol is attached
  • illustration of the air inflow means is omitted.
  • a region where no flow exists is a cavity 52.
  • the hollow 52 is formed in an elongated shape so as to penetrate the inner pipe 12 of the downfalling pipe 8 with an upper open end 52 a near the height at which the drop hole 4 is provided.
  • spaces (hatched portions) other than the cavity 52 are filled with the first fluid 50 and the second fluid 51 flowing down the inner pipe 12.
  • the first fluid 50 injected by the first injection pipe 6 has part of the flows f 1 and f 1 flowing along the bottom 3 into the drop hole 4 and remaining
  • the flows f 2 and f 2 are changed to the flows f 3 and f 3 to be changed to a pair of branched flows f 4 and f 4 , and then flow into the drop hole 4.
  • most of the second fluid 51 injected by the second injection pipe 7 directly flows into the drop hole 4. Therefore, as shown in FIG. 2 (b), the first fluid 50 and the second fluid 51 flow into the drop hole 4, flow down around the cavity 52 and pass through the inner pipe 12 of the down pipe 8.
  • the flow velocity v 2 of the vertical direction V component of the second fluid 51 is large. as shown in the graph of the negative pressure P of), the pressure P 2 in the vicinity of a position where the second fluid 51 is in contact is low, the air is sucked more strongly near this portion.
  • the flow velocity v 1 of the vertical V component of the first fluid 50 first infusion tube 6 is injected is smaller than the flow velocity v 2, of the cavity 52, around a position where the second injection tubes 7 are in contact with the pressure P 2 of, becomes lower than the pressure P 1.
  • the inner tube 12 of the drop tube 8 is a hollow having the drop hole 4 as the upper open end 52a.
  • 52 see FIG. 3
  • ambient air is drawn into the first fluid 50 and the second fluid 51 through the cavity 52 and bubbles are generated in the first fluid 50 and the second fluid 51. Will be formed.
  • the first fluid 50 and the second fluid 51 in which the air bubbles are formed diffuse in the mixed fluid formed by complete mixing of the first fluid 50 and the second fluid 51 after falling through the inner pipe 12.
  • the bubbles gradually disappear as they diffuse, and the oxygen contained in the bubbles dissolves in the mixed fluid.
  • the mixed fluid may be introduced directly into a lake, a water channel or the like in addition to being introduced into a storage tank having a fixed volume.
  • the bubbles may be irradiated with ultrasonic waves to crush the bubbles.
  • FIG. 4 is the result of having compared the dissolved oxygen concentration of the oxygen dissolving apparatus in water based on Example 1 with a prior art.
  • FIG. 4 shows the oxygen saturation (%) as a function of time when using the apparatus for dissolving oxygen in water according to Example 1 and the apparatus according to the prior art (hereinafter referred to as apparatus ⁇ ) to tap water. It is a graph which shows the result measured after that, Comprising: A horizontal axis is elapsed time T (minutes) from the start of use, and a vertical axis is saturation (%).
  • the circle in the graph indicates the results of the apparatus for dissolving oxygen in water 1 according to the first embodiment, and the square indicates the result of the apparatus ⁇ according to the related art.
  • saturation degree (%) is calculated by [ ⁇ oxygen concentration at the time of measurement (mg / L) / saturated oxygen concentration (mg / L) ⁇ x 100], and the quantity of the tap water used is the oxygen dissolution apparatus in water Both 1 and device ⁇ are 20 (L).
  • amendment to the oxygen concentration (mg / L) which the dissolved oxygen meter measured as oxygen concentration (mg / L) at the time of measurement was used.
  • the dissolution apparatus 1 had an elapsed time T 1 of 10 (minutes).
  • the oxygen dissolving apparatus 1 in water it has a result of exhibiting remarkable superiority as compared with the apparatus ⁇ in that the ability to dissolve oxygen in tap water per unit time is extremely high.
  • the box type tank 5 provided with the falling hole 4, the first injection pipe 6, the second injection pipe 7, and the descending pipe 8.
  • the hollow 52 passing through the inner pipe 12 of the downcomer pipe 8 with the drop hole 4 as the upper open end 52a. Since a strong negative pressure region is formed in the vicinity of the portion in contact with the second fluid 51 in the cavity 52, the efficiency of bubble formation in at least the second fluid 51 is good.
  • ambient air is sucked into the first fluid 50 and the second fluid 51 via the air inflow means 15 and the plurality of air intake holes 11, so the air drops through the inner pipe 12. A large amount of air bubbles can be generated in the mixed fluid in which the first fluid 50 and the second fluid 51 are mixed.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1 of the present embodiment descends the downfalling pipe while filling the entire cross section of the inner pipe of the downfalling pipe while maintaining the state of the vortex It does not have the effect of Therefore, in the underwater oxygen dissolving apparatus 1 of the present embodiment, the inner diameter of the inner pipe 12 is increased in order to increase the flow rates of the first fluid 50 and the second fluid 51 flowing down the inner pipe 12 of the downfalling pipe 8. Even in the first fluid 50 and the second fluid 51 flowing down the inner pipe 12, a plurality of cavities are randomly generated to form no negative pressure region, and as a result, air is not drawn. There is no profit.
  • the cavity 52 can be reliably formed even when the flow rates of the first fluid 50 and the second fluid 51 flowing down the inner pipe 12 are respectively increased. it can. Therefore, a large amount of air can be sucked into the first fluid 50 and the second fluid 51 through the cavity 52 to generate many air bubbles. These bubbles gradually disappear as they diffuse in the mixed fluid of the first fluid 50 and the second fluid 51, and the oxygen contained in the bubbles dissolves in the mixed fluid. It is possible to dissolve oxygen into the fluid 50 and the second fluid 51 in a very short time.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1 it is not necessary to use an apparatus that consumes power, such as an ultrasonic oscillator or a compressor, so it is possible to realize the above oxygen dissolving effect while being able to suppress energy consumption. It is.
  • the flow rates of the pair of branched flows f 4 and f 4 can be maintained at a certain level or more by the flow rate adjusting means 9 and 10, the cavity 52 can be formed reliably. Therefore, the bubble formation efficiency in the first fluid 50 and the second fluid 51 can be maintained high. Further, even when the flow rates of the first injection pipe 6 and the second injection pipe 7 to be water-flowed temporally fluctuate, it is possible to maintain the amount of dissolved oxygen at a certain level or more.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1 as shown in FIG. 4, it is possible to significantly improve the dissolution efficiency of oxygen in water as compared with the prior art while having a simple configuration. is there.
  • FIG. 5 is a plan view of a box-type tank constituting the underwater oxygen dissolving apparatus according to the first modification of the first embodiment.
  • the components shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals in FIG. 5 and the description thereof is omitted.
  • the peripheral wall 17 of the box-shaped tank 16 has an oval outer shape in plan view, and both major axis ends of the oval
  • the bottom portion 18 is provided with drop holes 19 and 19 'at symmetrical positions with respect to the central portion 18a on both sides of the central portion 18a. Further, the downfalling pipes 8 are provided in total in communication with the plurality of falling holes 19 and 19 'respectively. That is, one downfalling pipe 8 is provided for each of the drop holes 19 and 19 '.
  • first injection pipe 6 and the second injection pipe 7 are respectively installed in the same number as the plurality of drop holes 19 and 19 '. That is, one first injection pipe 6 and one second injection pipe 7 are provided for each drop hole 19, 19 '.
  • the second injection pipes 7, 7 open on the opposite side of the first injection pipes 6, 6 across the central axes of the falling holes 19, 19 'when the bottom 18 is viewed in plan. Therefore, the first fluid 50 and the second fluid 51 are injected into the interior 16 a of the box-shaped tank 16 across the central axis of the drop hole 19 and across the central axis of the drop hole 19 ′.
  • the fluid 50 and the second fluid 51 are injected into the interior 16 a of the box tank 16.
  • the other configuration of the oxygen dissolving apparatus in water 1a is the same as the configuration of the oxygen dissolving apparatus in water 1 of the first embodiment.
  • the central axes of the first injection pipes 6, 6 pass through the points x3 and x3 'and the points x3 and x3', respectively.
  • a straight line connecting the points (hereinafter referred to as center points x 4 and x 4 ′) between the plane orthogonal to the center axes of the first injection pipes 6 and 6 and the center axes of the falling holes 19 and 19 ′ is X a perpendicular to both the central axis of the drop hole 19,19' the straight line X a, and a straight line passing through the center portion 18a of the bottom 18 and Y a.
  • the second opening 7a of the second injection tubes 7, 7, 7a are respectively open above the dropping hole 19,19', by a second fluid 51 flowing down on a straight line Y a, The flows m 4 and m 4 and the flows n 4 and n 4 are interrupted. Therefore, the flow m 4, m 4 is formed from a straight line Y a, a pair of branch flow m 5 which proceeds in such a way as to wrap around along the periphery of the second fluid 51, m 5 (white unplug arrows). Similarly, for the flows n 4 and n 4 , a pair of branched flows n 5 and n 5 (open arrows) are formed.
  • a pair of branch flow m 5, m 5 relates linearly X a, has a symmetrical flow, a little from the second fluid 51 in the direction of the point x3 It tries to join each other at remote locations.
  • n 5 of the linear Y a is formed in the left side region and boundary Similarly, in a slightly spaced position in the direction of the point x3' from the second fluid 51, converging to each other try to.
  • most of the second fluid 51, 51 directly flows into the drop holes 19, 19 'respectively.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1a having such a configuration, a plurality of cavities 53, 53 'can be formed, and a large amount of air can be supplied to the first fluid 50, 50 and the first fluid 50 through the cavities 53, 53'. It can be sucked into the two fluids 51,51. Therefore, the number of bubbles formed per unit time can be significantly increased.
  • the other functions and effects of the in-water oxygen dissolving apparatus 1a are the same as the functions and effects of the in-water oxygen dissolving apparatus 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view of a box-type tank constituting the underwater oxygen dissolving apparatus according to the second modification of the first embodiment.
  • the components shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals in FIG. 6 and the description thereof is omitted.
  • the peripheral wall 21 of the box type tank 20 has a cruciform shape with four circles in plan view.
  • the flow changing portions 21a 1 to 21a 4 are respectively provided at positions corresponding to four cross-shaped end portions.
  • the bottom portion 22 is provided with a single circular drop hole 23 around the central portion 22a.
  • one downfalling pipe 8 is provided in communication with one downfalling hole 23.
  • the fall holes are formed such that the central axis 23a of the fall hole 23, ie, the central portion 22a, forms an angle ⁇ with each other.
  • a total of four are arranged along the 23 circumferential directions.
  • the four central points of the four first injection pipes 6 projected onto the bottom 22 are x5 to x8, respectively.
  • a total of four second injection pipes 7 are disposed in the same manner as the first injection pipes 6.
  • a total of four second injection tubes 7 are arranged in a phase different from the total of four first injection tubes 6 around the central axis 23a when the bottom 22 is viewed in plan view.
  • the absolute value of the difference ⁇ is half of the magnitude of the first angle ⁇ .
  • the four points where the central axes of the four second injection pipes 7 in total are projected onto the bottom portion 22 are respectively x9 to x12.
  • water oxygen dissolution apparatus 1b In water oxygen dissolution apparatus 1b.
  • the other configuration of the oxygen dissolving apparatus in water 1b is the same as that of the oxygen dissolving apparatus in water 1 of the first embodiment.
  • a straight line connecting a point perpendicular to the central axis 23a of the falling hole 23 passing through the points x5 and x7 and the point x5 and x7 is Xb.
  • a straight line passing through the center axis 23a and Y b is straight lines obtained by rotating the straight lines X b and Y b 45 degrees clockwise about the central axis 23 a.
  • the right regions bounded by linear Y b similarly to the water dissolved oxygen apparatus 1 of Example 1, the flow q 1 which does not impinge on the inner side of the peripheral wall 21, impinge on the inside of the flow change unit 21a 1 flow q 2 proceed by changing the direction of the flow is formed by.
  • the flow r 1 similarly in the left region of the straight line Y b and the boundary, the flow r 1 does not collide with the inner peripheral wall 21, to change the direction of the flow collides with the inside of the flow change unit 21a 3
  • the forward flow r 2 is formed. Note that the flow direction of the r 1 flows flow q 1 are symmetrical to each other about the line Y b. Also, a symmetrical to each other with respect to even the flow direction of the flow q 2 and flow r 2 linear Y b.
  • the internal 20a in the upper regions bounded by linear X b, similarly to the water dissolved oxygen apparatus 1 of Example 1, the flow s 1 that it does not impinge on the inner side of the peripheral wall 21, the inside of the flow change unit 21a 4 flow s 2 proceeding by changing the direction of the flow is formed by colliding with the.
  • the change of the internal 16a similarly the lower regions bounded by straight lines X a, the flow t 1 which does not collide with the inner peripheral wall 21, the direction of the flow collides with the inside of the flow change unit 21a 2 flow t 2 that travels by is formed.
  • the flow directions of the flow s 1 and the flow t 1 are symmetrical to each other with respect to the straight line X b .
  • a symmetrical to each other with respect to even the flow direction of the flow s 2 with stream t 2 linear X b is also divided by the straight line X b and the straight line Y b.
  • a region located in the upper right and S 1 the region located in the lower right and S 2.
  • a region located in the lower left and S 3 a region located in the upper left and S 4.
  • the flow q 1 , the flow r 1 , the flow s 1 and the flow t 1 try to directly flow into the drop hole 23 respectively.
  • the flow q 2 and the flow s 2 collide with each other on the straight line Y c and change toward the drop hole 23.
  • the cavity 54 which is a region where there is no flow exists on the side near the point x 6 of the second fluid 51. Appear. That is, since four cavities 54 are formed for one drop hole 23, ambient air is drawn into the first fluid 50 and the second fluid 51 via the respective cavities 54.
  • the underwater oxygen dissolving apparatus 1b having such a configuration, a desired number of first injection pipes 6 and second injection pipes 7 can be installed around one falling hole 23.
  • the number of cavities 54 formed in one downcomer 8 can be increased, so that the number of air bubbles formed per unit time can be increased.
  • the box tank 20 can be easily manufactured.
  • the other functions and effects of the oxygen dissolving apparatus in water 1b are the same as the functions and effects of the oxygen dissolving apparatus in water 1 of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a process diagram of the method for dissolving oxygen in water according to the second embodiment.
  • the components shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals in FIG. 7 and the description thereof is omitted.
  • the method for dissolving oxygen in water 24 according to the second embodiment includes a flow rate adjustment step of step S1, an injection step of step S2, and a bubble forming step of step S3.
  • the in-water oxygen dissolution method 24 is applicable, for example, when using the in-water oxygen dissolution apparatus 1 of the first embodiment. Therefore, the symbols shown in the present embodiment use the symbols shown in FIG. 1 to FIG.
  • the first flow rate FR 1 is the flow rate of the first unit per time of the injection tube 6 of which passes through the first opening 6a, passes through the second opening 7a
  • the first flow rate FR 1 and the second flow rate FR 2 are adjusted so as to be equal to or higher than a second flow rate FR 2 which is a flow rate per unit time of the second injection pipe 7. Therefore, in the present process, the flow rate of the pair of branched flows f 4 and f 4 is secured in the inside 5 a of the box-type tank 5, and the cavity 52 is reliably formed. Therefore, it can contribute to the formation of a large amount of bubbles in the bubble forming step of step S3.
  • the water oxygen dissolving apparatus 1 is provided with the flow rate adjusting means 9 and 10, the size of the cross sectional area of the first opening 6a and the second opening 7a can be adjusted. It is.
  • the first fluid 50 and the second fluid 51 are injected into the interior 5a of the box-shaped tank 5 through the first injection pipe 6 and the second injection pipe 7, respectively.
  • the injection of the first fluid 50 and the second fluid 51 forms a pair of branched flows f 4 and f 4 , and thus, the second fluid 51 A cavity 52 can be formed around the periphery, which is a strong negative pressure region.
  • step S3 the air around the cavity 52 is drawn into the first fluid 50 and the second fluid 51 through the cavity 52 by forming the cavity 52, and the first fluid 50 is formed. And air bubbles are formed in the second fluid 51. Therefore, in the mixed fluid formed by complete mixing of the first fluid 50 and the second fluid 51 after passing through the inner pipe 12, the bubbles are diffused and disappear, so that they are contained in the bubbles. Oxygen is dissolved in the mixed fluid, and the dissolved concentration of oxygen can be dramatically increased. As described above, according to the method for dissolving oxygen in water according to the second embodiment, the same effect as the device for dissolving oxygen in water 1 of the first embodiment can be exhibited.
  • the structure of the oxygen dissolving apparatus in water 1 to 1b of the present invention is not limited to that shown in the examples.
  • a tubular body having a polygonal cross-section in addition to a cylinder may be used as the first injection pipe 6 and the second injection pipe 7, a tubular body having a polygonal cross-section in addition to a cylinder may be used.
  • the flow rate adjusting means 9 and 10 can adjust the flow rates of the first fluid 50 and the second fluid 51.
  • the ratio of the inner diameter size to the inner diameter size of the second injection pipe 7 is not particularly limited.
  • the cavity 52 can be formed by adjusting the ratio of the inner diameter size of the first injection pipe 6 to the inner diameter size of the second injection pipe 7, the volume of the box type tanks 5, 16, 20, etc.
  • the flow rate adjusting step of step S1 of the method for dissolving oxygen in water 24 of the second embodiment is omitted.
  • the intake holes 11 provided in the downcomer pipe 8 may be omitted.
  • the shape of the bottom portion 18 is formed into a polygonal shape such as a triangular shape or a quadrangular shape other than an elliptical shape, and the flow changing portion 17a etc. It may be provided to correspond to the shape of the bottom 18.
  • the shape of the bottom 22 is formed into a polygonal shape such as an elliptical shape or a triangular shape, and the flow changing portion 21 a 1 or the like is the bottom 22. It may be prepared to correspond to the shape.
  • the flow changing portions 21a 1 ⁇ 21a 4 may be the without an asymmetrical shape with respect to the straight line X b or linear Y b, respectively, at this time, the absolute value of the difference in phase ⁇ is the first angle ⁇ size It may not be 1/2 of.
  • the oxygen-in-water dissolution method 24 of the second embodiment is also applicable to the case of using the oxygen-in-water dissolution apparatuses 1a and 1b according to the first and second modifications of the first embodiment.
  • the present invention is intended to increase the concentration of dissolved oxygen in water for the purpose of breeding aquatic aquatic animals for research and culture of research and commercial organisms, or for the purpose of improving the water quality in closed areas such as purification facilities and lakes. It can also be used as an oxygen dissolution apparatus in water and a method for oxygen dissolution in water used therefor.

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Abstract

消費エネルギーを抑制可能でありながら、流体中での気泡の形成効率が良好であって、この気泡に含まれる酸素を大量の流体の中へ短時間に溶解させることが可能な水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法を提供する。　水中酸素溶解装置は、第１の流体の一部の流れ方向を変化させる流れ変化部を有する周壁と、周壁で囲まれる底部と、底部に設けられる落下孔を備える箱型タンクと、第１の流体を箱型タンクの内部に注入する第１の注入管と、第２の流体を内部に注入する第２の注入管と、落下孔に連通する下降管を備え、第１の注入管は、第１の開口部が流れ変化部の内側の上方に開口し、第２の注入管は、第２の開口部が落下の上方に開口する。

Description

水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法
　本発明は、水質改善のための水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法に係り、特に、複数の流体の組み合わせによって空洞と圧力の変化を発生させ、この空洞と圧力の変化を利用して流体中へ気体を取り込むことにより、水中に溶解した酸素の濃度を増加させる水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法に関する。
　従来、浄化設備や湖沼、ため池、ダム等の閉塞域における水質改善を目的に、水中に溶解する酸素の濃度を増加させる技術が利用されている。このような技術としては、「気泡」を利用したものが代表的である。これは、例えば、多孔質の散気管に圧縮空気を送気する方法や、回転羽根や気体噴流の回転によるせん断流を形成しその中に空気を送気する方法、あるいはマイクロバブルやナノバブルを発生させる方法が実施されている。
  しかし、上記のような技術では、例えば、気体圧縮用の大型コンプレッサー等を必要とするため、装置が大掛かりになる。その結果、消費電力量やメンテナンスの手間が膨大なものになるという課題や、多孔質の散気管に備えられる細孔が水中の微粒子や不純物によって閉塞され気泡の発生効率が低下する等の課題があった。
  そこで、このような課題を解決する目的で、近年、簡易な構成で消費電力量等を抑制可能でありながら、気泡を効率良く発生させることが可能な気泡発生装置に関する技術が開発されており、それに関して既に発明が開示されている。
　本願出願人によって出願された特許文献１には、「水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法」という名称で、自然流下によって形成される渦に空気が吸引されて気泡が発生し、超音波発振器でこの気泡を圧壊させる水中酸素溶解装置等に関する発明が開示されている。
　以下、特許文献１に開示された発明について、図８を参照しながら特許文献１中に開示される符号をそのまま用いて説明する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ従来技術に係る水中酸素溶解装置を構成する円筒タンクの内部に注入された流体の作用を説明するための平面図及び縦断面図である。
　図８（ａ）に示すように、水中酸素溶解装置１は、その内部に自然落下によって注入される流体１０が、底部２ｂに設けられる落下孔２ａの上方で周回しつつこの落下孔２ａに流入し、渦１１となって形成される円筒タンク２と、その上端３ａが落下孔２ａに連通するとともにその側壁３ｂに複数の吸気孔６が穿設される直管型の内管３と、この内管３の周囲に設けられ内管３との間で閉鎖空間１３を形成するとともにこの閉鎖空間１３へ空気を流入する空気流入手段７が設けられる外管４と、からなり、内管３を通過する際に複数の吸気孔６等を介し、空気が渦の周囲から流体１０へ吸引され、この流体１０に気泡が形成される円筒型の下降管５と、この下降管５の鉛直下方に配置され、気泡が形成された流体１０が落下し貯留される箱型の貯留槽（図示せず）と、貯留槽の内部に浸漬され、貯留槽に貯留された流体１０へ向かって超音波を発射することで気泡が圧壊される超音波発振器（図示せず）と、を備える。
　このような水中酸素溶解装置１によれば、円筒タンク２と下降管５により、流体１０の自然流下によって、流体１０の内部に多くの気泡を形成することができる。すなわち、従来技術のような多孔質管やコンプレッサー等が不要であることから、装置が大掛かりになることを防止可能である。そのため、安価に製造可能であるとともに、消費エネルギーを抑制可能である。
　しかしながら、特許文献１に記載の発明では、円筒タンク２の内部で渦１１を形成するには、円筒タンク２に投入する流体１０の量と、円筒タンク２に貯留された流体１０の水位（すなわち、円筒タンク２の直径）及び円筒タンク２の落下孔２ａに連通する内管３の直径、の三者の条件をバランスさせる必要がある。そのため、酸素を大量の流体１０の中へ短時間に溶解させようとして円筒タンク２に投入する流体１０の量を増加する場合には、円筒タンク２の直径と、内管３の直径も増大させなければならない。これとともに、超音波振動子と発振器も大型化させる必要が出てくるため、超音波発振器を駆動するための電力量が増加する。その結果、消費エネルギーを抑制可能でありながら効率的に酸素を溶解するという課題が解決困難となるおそれがある。
　また、内管３の直径を増大させると、流体１０が渦１１の状態を維持しつつ内管３の横断面全体を満たしながら内管３を下降することが困難となる。これは、図８（ｂ）に示すように、内管３を流下する流体１０中には、複数の空洞（斜線部）がランダムに発生して負圧が形成されない部分が発生していることによるものと考えられる。このような場合では、流体１０が内管３を流下する際に、流体１０中へ空気が吸引され難くなり、気泡の形成効率が低下してしまうという課題が発生する。
特許第５９３６１６８号公報
　本発明は、このような従来の事情に対処してなされたものであり、消費エネルギーを抑制可能でありながら、流体中での気泡の形成効率が良好であって、この気泡に含まれる酸素を大量の流体の中へ短時間に溶解させることが可能な水中酸素溶解装置およびこれを用いた水中酸素溶解方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、第１の発明は、第１の流体の一部の流れ方向を変化させる流れ変化部を有する周壁と、この周壁で囲まれる底部と、この底部に設けられる落下孔を備える箱型タンクと、第１の流体を箱型タンクの内部に注入する第１の注入管と、第２の流体を箱型タンクの内部に注入する第２の注入管と、落下孔に連通する下降管を備え、第１の注入管は、その第１の開口部が流れ変化部の内側の上方に開口し、第２の注入管は、その第２の開口部が落下孔の上方に開口し、下降管は、箱型タンクの内部に注入された第１の流体及び第２の流体が落下孔に流入する際に、この落下孔を上方開口端とする空洞が形成されることで、この空洞の周囲の空気が空洞を介して第１の流体及び第２の流体へ吸引され、第１の流体及び第２の流体に気泡が形成されることを特徴とする。
　このような構成の発明において、第１の注入管の第１の開口部が開口する流れ変化部の「内側の上方」は、流れ変化部の内側付近の上方であれば、一箇所に限定されない。第２の注入管の第２の開口部が開口する落下孔の「上方」も、落下孔付近の上方であれば、一箇所に限定されない。
　上記構成の発明においては、箱型タンクの内部に注入された第１の流体は、底部に衝突してその流れの方向を変え、放射状に拡散しようとする。
　この放射状に拡散しようとする第１の流体は、大まかには、周壁の内側に衝突しない流れと、周壁の内側に衝突してその流れの方向を変化させ、周壁の内側に沿って進む流れを形成する。なお、第１の流体の一部の流れ方向を元の方向と異なる方向に変化させることが可能な、周壁の一部分が流れ変化部である。
　周壁の内側に衝突しない流れは、底部に沿って落下孔に流入しようとする。また、周壁の内側に衝突してその流れの方向を変化させた流れは、周壁の内側に沿って進んだ結果、互いに衝突する。後者の流れの流れ方向は、この衝突により、落下孔が存在する方向に変化する。
　また、第２の注入管は、その第２の開口部が落下孔の上方に開口することから、第２の注入管から注入された第２の流体によって、後者の流れの進行が遮られることになる。そのため、後者の流れは、第２の流体の周囲に沿って回り込むように進行する一対の分岐流を形成する。
　そして、一対の分岐流は、第２の流体からやや離隔した位置において、互いに合流しようとする。
　また、前者の流れも、一対の分岐流によって、その進行が遮られる。これにより、第２の流体の側方には、いずれの流れも存在しない領域が出現することとなる。この流れが存在しない領域が空洞であって、この空洞は、落下孔の高さ付近を上方開口端とし、下降管を貫通するように形成されることとなる。
　第１の流体と第２の流体が落下孔に流入した以降は、第２の流体の鉛直方向成分の流速が大きいことから、空洞のうち、第２の流体が接する部分付近の圧力が低くなる。
　したがって、空洞のうち、第２の流体が接する部分付近に強い負圧領域が形成される。そのため、この負圧領域を介して、周囲の空気が第１の流体及び第２の流体へ吸引され、この第１の流体及び第２の流体に気泡が形成される。
　次に、第２の発明は、第１の発明において、周壁は、複数の流れ変化部を有し、底部は、その中心部の周辺に複数の前記落下孔が設けられ、下降管は、複数の落下孔とそれぞれ連通して複数設けられ、第１の注入管及び第２の注入管は、それぞれ複数の落下孔と同数設置され、複数の第２の注入管は、複数の落下孔の中心軸を挟んで、複数の第１の注入管の反対側にそれぞれ開口することを特徴とする。
　このような構成の発明においては、複数の第２の注入管は、それぞれ、複数の落下孔の中心軸を挟んで、複数の第１の注入管の反対側に開口するため、空洞は、第２の注入管から注入された第２の流体毎に、その落下孔の中心軸側にそれぞれ形成される。
　上記構成の発明においては、第１の発明の作用に加えて、１個の落下孔について１個の空洞が形成される。すなわち、落下孔と同数の空洞が形成されるので、それぞれの空洞を介して周囲の空気が第１の流体及び第２の流体中に吸引される。
　さらに、第３の発明は、第１の発明において、周壁は、複数の流れ変化部を有し、底部は、その中心部に１個の落下孔が設けられ、下降管は、１個の落下孔と連通して１個設けられ、第１の注入管及び第２の注入管は、それぞれ落下孔の中心軸を中心として互いにそれぞれ第１の角度をなすように落下孔の周方向に沿って複数配置され、複数の第２の注入管は、それぞれ中心軸を中心として複数の第１の注入管と異なる位相に配置されることを特徴とする。
　このような構成の発明においては、１個の落下孔について複数の空洞が形成される。そして、複数の空洞は、落下孔の中心軸を中心として第２の注入管と同じ位相に配置される。
　上記構成の発明においては、第１の発明の作用に加えて、１個の落下孔について複数の空洞が形成されるので、それぞれの空洞を介して周囲の空気が第１の流体及び第２の流体中に吸引される。
　そして、第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、第１の開口部を通過する第１の流体の単位時間当たりの流量である第１の流量率が、第２の開口部を通過する第２の流体の単位時間当たりの流量である第２の流量率以上となるように、第１の流量率及び第２の流量率のうち、少なくともいずれか一方を調節する流量率調節手段を備えることを特徴とする。
　このような構成の発明においても、前述したように、一対の分岐流は、第１の開口部から注入される第１の流体に起因したものである。
　よって、上記構成の発明においては、第１乃至第３のいずれかの発明の作用に加えて、流量率調節手段によって、第１の流量率が、第２の流量率以上となるよう調節されることにより、一対の分岐流の流量を一定以上に確保することができる。そのため、空洞が確実に形成されることになる。
　そして、第５の発明は、第１の流体の流れ方向を変化させる流れ変化部を有する周壁と、この周壁で囲まれる底部と、この底部に設けられる落下孔を備える箱型タンクの内部に、第１の流体、及び第２の流体を第１の注入管及び第２の注入管を介してそれぞれ注入する注入工程と、落下孔に連通する下降管において、箱型タンクの内部に注入された第１の流体及び第２の流体が落下孔に流入する際に、この落下孔を上方開口端とする空洞が形成されることで、この空洞の周囲の空気が空洞を介して第１の流体及び第２の流体へ吸引され、第１の流体及び第２の流体に気泡が形成される気泡形成工程を備え、第１の注入管は、その第１の開口部が流れ変化部の内側の上方に開口し、第２の注入管は、その第２の開口部が落下孔の上方に開口することを特徴とする。
　このような構成の発明においては、第１の発明の作用と同様の作用を有する。
　そして、第６の発明は、注入工程の前に、注入工程の前に、第１の開口部を通過する第１の流体の単位時間当たりの流量が、第２の開口部を通過する第２の流体の単位時間当たりの流量以上となるように、第１の流体の単位時間当たりの流量及び第２の流体の単位時間当たりの流量のうち、少なくともいずれか一方を調節する流量率調節工程を備えることを特徴とする。
　このような構成の発明においては、第１の発明の作用に加えて、流量率調節工程において、第１の開口部を通過する第１の流体の単位時間当たりの流量が、第２の開口部を通過する第２の流体の単位時間当たりの流量以上となるように調節することで、一対の分岐流の流量が確保され、空洞が確実に形成される。すなわち、流量率調節工程は、気泡形成工程を実現するための準備段階として実施される。
　第１の発明によれば、落下孔が設けられる箱型タンクと、第１及び第２の注入管と、下降管によって、下降管を貫通する１つの空洞を形成することができる。この空洞は、強い負圧領域を有することから、流体中での気泡の形成効率が良好である。
　より詳細には、第１の発明は、特許文献１に係る従来技術のように、流体が渦の状態を維持しつつ下降管の内管の横断面全体を満たしながら下降管を下降するという作用を有するものではない。よって、下降管の内径を大きくした場合であっても、前述したような、第１の流体及び第２の流体が下降管を流下する際に、これらの流体中へ空気が吸引され難くなり、気泡の形成効率が低下してしまうという不利益が発生しない。
　すなわち、第１の発明によれば、第１の流体及び第２の流体の流量をそれぞれ増加させた場合であっても、空洞を確実に形成することができる。そのため、空洞を介して第１の流体及び第２の流体中に、空気を大量に吸引し多くの気泡を発生させ、気泡に含まれていた酸素を短時間に溶解させることが可能である。
　しかも、第１の発明によれば、電力を消費する機器を使用する必要がないため、消費エネルギーを抑制可能でありながら、上記の酸素溶解効果を実現させることが可能である。
　第２の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、落下孔と、第１の注入管及び第２の注入管の数をそれぞれ増加させたり、増加させた落下孔等を所望の位置に配設したりすることができる。これにより、複数の空洞を形成可能であり、これらの空洞を介して大量の空気を第１の流体及び第２の流体中に吸引することができる。したがって、単位時間当たりに形成される気泡の数を大幅に増加させることができる。
　第３の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、１個の落下孔の周辺に所望する数の第１の注入管及び第２の注入管を設置することができる。これにより、１本の下降管に形成される空洞の数を増加させることができるため、単位時間当たりに形成される気泡の数を増加させることが可能である。
　第４の発明によれば、第１乃至第３のいずれかの発明の効果に加えて、流量率調節手段によって、一対の分岐流の流量を一定以上に確保することができるので、空洞を確実に形成可能である。したがって、第１及び第２の流体中に気泡の形成効率を高い状態に維持することができる。
　第５の発明によれば、第１の発明の効果と同様の効果を発揮可能である。
　第６の発明によれば、第５の発明の効果に加えて、第４の発明の効果と同様の効果を発揮可能である。
実施例１に係る水中酸素溶解装置の構成図である。 （ａ）は箱型タンクの平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ線断面図である。 実施例１に係る水中酸素溶解装置を構成する下降管の図１におけるＢ－Ｂ線矢視断面の拡大図である。 実施例１に係る水中酸素溶解装置の溶解酸素濃度を従来技術と比較した結果である。 実施例１の第１の変形例に係る水中酸素溶解装置を構成する箱型タンクの平面図である。 実施例１の第２の変形例に係る水中酸素溶解装置を構成する箱型タンクの平面図である。 実施例２に係る水中酸素溶解方法の工程図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ従来技術に係る水中酸素溶解装置を構成する円筒タンクの内部に注入された流体の作用を説明するための平面図及び縦断面図である。
　本発明の実施の形態に係る実施例１の水中酸素溶解装置について、図１乃至図６を用いて詳細に説明する。図１は、実施例１に係る水中酸素溶解装置の構成図である。
　図１に示すように、本実施例に係る水中酸素溶解装置１は、周壁２と、この周壁２で囲まれる底部３と、この底部３に設けられる平面視で円形状をなす落下孔４を備える箱型タンク５と、第１の流体５０を箱型タンク５の内部５ａに注入する第１の注入管６と、第２の流体５１を箱型タンク５の内部５ａに注入する第２の注入管７と、落下孔４に連通する直管型の下降管８を備える。なお、第１の流体５０及び第２の流体５１として、例えば、浄化設備や湖沼、ため池、ダム等に貯留された水が対象にされるが、これ以外の流体が対象とされても良い。
　このうち、周壁２は、平面視で円形状の落下孔４の中心点ｘ２を中心としてその外形が円形状をなしており（図２（ａ）参照）、第１の流体５０の一部の流れ方向を変化させる流れ変化部２ａを有する。
　また、第１の注入管６は、その第１の開口部６ａが流れ変化部２ａの内側の上方に開口する円筒であり、第２の注入管７は、その第２の開口部７ａが落下孔４の上方に開口する円筒である。なお、第１の注入管６の内径サイズと、第２の注入管７の内径サイズは等しい。しかし、次に説明する流量率調節手段９，１０によって、第１の開口部６ａを通過する第１の流体５０の流量率と、第２の開口部７ａを通過する第２の流体５１の流量率は、適宜調節可能である。
　この構成に関し、より詳細に説明すると、水中酸素溶解装置１は、第１の開口部６ａを通過する第１の流体５０の単位時間当たりの流量である第１の流量率ＦＲ１が、第２の開口部７ａを通過する第２の流体５１の単位時間当たりの流量である第２の流量率ＦＲ２以上となるように、第１の流量率ＦＲ１及び第２の流量率ＦＲ２を調節する流量率調節手段９，１０を備える。具体的には、流量率調節手段９，１０は、第１の注入管６及び第２の注入管７の途中にそれぞれ備えられる手動開閉バルブである。また、第１の流体５０の流量及び第２の流体５１の流量は、いずれも体積又は重量で表される。
　したがって、水中酸素溶解装置１においては、流量率調節手段９によって流量率を調節された第１の流体５０が、第１の開口部６ａを通過して箱型タンク５の内部５ａへ自然落下する。加えて、流量率調節手段１０によって流量率を調節された第２の流体５１が、第２の開口部７ａを通過して箱型タンク５の内部５ａへ自然落下する。
　次に、下降管８は、その上端１２ａが落下孔４に連通するとともにその側壁１２ｂに複数の吸気孔１１が穿設される内管１２と、この内管１２の周囲に設けられ内管１２との間で閉鎖空間１４を形成するとともにこの閉鎖空間１４へ空気を流入する空気流入手段１５が設けられる外管１３と、からなる。なお、内管１２及び外管１３は、いずれも円筒直管である。
　このうち、複数の吸気孔１１は、内管１２の長手方向に沿って、一定間隔を空けながら複数段設けられる。ただし、この段数については、特に具体的な制限はない。また、空気流入手段１５としては、例えば、空気流入量調整バルブが用いられ、閉鎖空間１４への空気の流入量を自在に調節可能である。したがって、第１の流体５０及び第２の流体５１が内管１２を通過する際に、空気流入手段１５及び複数の吸気孔１１を介し、周囲の空気が第１の流体５０及び第２の流体５１へ吸引される。
　さらに、下降管８は、後述するように、箱型タンク５の内部５ａに注入された第１の流体５０及び第２の流体５１が落下孔４に流入する際に、この落下孔４を上方開口端５２ａとする空洞５２（図３参照）が形成されることで、この空洞５２の周囲の空気が空洞５２を介して第１の流体５０及び第２の流体５１へ吸引され、第１の流体５０及び第２の流体５１に気泡が形成される。
　次に、図２を用いて、実施例１に係る水中酸素溶解装置を構成する箱型タンクの内部に、第１の流体及び第２の流体が注入された場合の作用について説明する。図２（ａ）は箱型タンクの平面図であり、図２（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ線断面図である。なお、図１で示した構成要素については、図２においても同一の符号を付して、その説明を省略する。さらに、図２（ｂ）においては、空気流入手段の図示を省略する。
　図２（ａ）に示すように、箱型タンク５の内部５ａにおいて、第１の注入管６（図１参照）の中心軸が底部３に投影された点ｘ１と、点ｘ１を通り第１の注入管６の中心軸と直交する平面と落下孔４の中心軸との交点（以下、中心点ｘ２という。）を結ぶ直線をＸとするとともに、この直線Ｘと落下孔４の中心軸の双方に直交し、かつ中心点ｘ２を通る直線をＹとする。
　図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１の注入管６を介して箱型タンク５の内部５ａに注入された第１の流体５０は、底部３に衝突してその流れの方向を変え、水平方向Ｈに沿って点ｘ１を中心として放射状に拡散しようとする。なお、第１の注入管６及び第２の注入管７は、それぞれの中心軸が鉛直方向Ｖに対して平行となるように設置されている。
　しかし、第１の注入管６は、その第１の開口部６ａ（図１参照）が周壁２の内側の上方に開口することから、放射状に拡散しようとする第１の流体５０は、大まかには、周壁２の内側に衝突しない流れｆ１と、周壁２の内側に衝突してその流れの方向を変化させ、一例として、周壁２の内側に沿って直線Ｙを横切って進む流れｆ２が形成される。なお、第１の流体５０の一部の流れ方向を元の方向と異なる方向に変化させることが可能な、周壁２の一部分が流れ変化部２ａである。この流れ変化部２ａは、本実施例の場合、平面視で滑らかに湾曲した形状であるが、第１の流体５０の一部の流れ方向を変化させ得る限り、多角形状であっても良い。
　図２（ａ）に示すように、流れｆ１と流れｆ２の流れ方向は、直線Ｘに関し、それぞれ対称的となる。したがって、流れｆ１，ｆ１は、直線Ｘに関し対称的なまま底部３に沿って落下孔４に流入しようとする。また、流れｆ２，ｆ２は、直線Ｙを横切って周壁２の内側に沿って進んだ結果、直線Ｘ上で互いに衝突することで、二回目の流れ方向の変化を起こす。これにより、流れｆ２，ｆ２の流れ方向は、落下孔４に向かうよう変化し、流れｆ３，ｆ３となる。その後、この流れｆ３，ｆ３は、落下孔４に流入しようとする。
　また、第２の注入管７は、その第２の開口部７ａが落下孔４の上方に開口する（図１参照）ことから、直線Ｘ上には、第２の流体５１が鉛直方向Ｖに沿って流下している。よって、この第２の流体５１によって、流れｆ３，ｆ３の進行が遮られることになる。そのため、図２（ａ）に示すように、流れｆ３，ｆ３は、流れｆ２，ｆ２が二回目にその流れ方向を変化させた位置側から、第２の流体５１の周囲に沿って回り込むように進行する一対の分岐流ｆ４，ｆ４（白抜矢印）を形成する。
　このように、一対の分岐流ｆ４，ｆ４は、第１の開口部６ａから注入される第１の流体５０に起因したものである。そのため、仮に、第１の流体５０の流量率ＦＲ１が第２の流体５１の流量率ＦＲ２より低い場合には、流れｆ３，ｆ３が、第２の流体５１の周囲に沿って回り込むように進行し難くなってしまうおそれがある。したがって、流量率調節手段９，１０によって、第１の流量率ＦＲ１が、第２の流量率ＦＲ２以上となるよう調節されることにより、一対の分岐流ｆ４，ｆ４の流量を一定以上に確保することができる。
　この一対の分岐流ｆ４，ｆ４は、第２の注入管７の中心軸が底部３に投影された点ｘ３と落下孔４の中心点ｘ２を結ぶ直線Ｘ´に関し、対称的な流れとなる。なお、本実施例の場合、直線Ｘ´は直線Ｘと一致する直線である。
　そして、一対の分岐流ｆ４，ｆ４は、第２の流体５１から点ｘ１の方向にやや離隔した位置において互いに合流しようとする。一方、第２の流体５１の大部分は、直接落下孔４に流入する。
　また、第１の注入管６から注入された第１の流体５０の一部である流れｆ１，ｆ１は、底部３に沿って落下孔４に流入しようとするが、第２の流体５１と一対の分岐流ｆ４，ｆ４によって、その進行が遮られる。
　このように第２の流体５１等によって流れｆ１，ｆ１の進行が遮られることと、一対の分岐流ｆ４，ｆ４が、第２の流体５１から点ｘ１の方向にやや離隔した位置で互いに合流しようとすることによって、第２の流体５１の側方のうち、点ｘ１寄りの側方には、いずれの流れも存在しない領域が出現する。
　ここで、図３を用いて、実施例１に係る水中酸素溶解装置において形成される空洞について説明する。図３は、実施例１に係る水中酸素溶解装置を構成する下降管の図１におけるＢ－Ｂ線矢視断面の拡大図である。なお、図１及び図２で示した構成要素については、図３においても同一の符号を付して、その説明を省略する。さらに、図３においては、空気流入手段の図示を省略する。
　図３に示すように、第２の流体５１の側方において、いずれの流れも存在しない領域が空洞５２である。空洞５２は、落下孔４が設けられる高さ付近を上方開口端５２ａとし、下降管８の内管１２を貫通するように細長形状をなして形成される。なお、内管１２の内部において、空洞５２以外の空間（斜線部）は、内管１２を流下する第１の流体５０及び第２の流体５１で満たされている。
　再び、図２（ａ）に戻ると、第１の注入管６が注入した第１の流体５０は、一部の流れｆ１，ｆ１が底部３に沿って落下孔４に流入し、残りの流れｆ２，ｆ２が流れｆ３，ｆ３への変化を経て一対の分岐流ｆ４，ｆ４に変化した後に、落下孔４に流入する。また、第２の注入管７が注入した第２の流体５１は、大部分が直接落下孔４に流入する。したがって、図２（ｂ）に示すように、第１の流体５０と第２の流体５１は落下孔４に流入し、空洞５２の周囲を流下して下降管８の内管１２を通過する。
　しかし、第１の流体５０と第２の流体５１が内管１２を通過するとき、第２の流体５１の鉛直方向Ｖ成分の流速ｖ２が大きいことから、空洞５２のうち、図２（ｂ）の負圧Ｐのグラフに示すように、第２の流体５１が接する部分付近の圧力Ｐ２が低くなるので、この部分付近に空気がより強く吸引される。なお、第１の注入管６が注入した第１の流体５０の鉛直方向Ｖ成分の流速ｖ１は、流速ｖ２よりも小さいため、空洞５２のうち、第２の注入管７が接する部分付近の圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１よりも低いものとなる。
　したがって、下降管８の内管１２は、内部５ａに注入された第１の流体５０及び第２の流体５１が落下孔４に流入する際に、この落下孔４を上方開口端５２ａとする空洞５２（図３参照）が形成されることで、周囲の空気が空洞５２を介して第１の流体５０及び第２の流体５１へ吸引され、第１の流体５０及び第２の流体５１に気泡が形成されることとなる。
　そして、気泡が形成された第１の流体５０及び第２の流体５１は、内管１２を通過して落下した後に完全に混合し合うことで形成される混合流体中で、気泡が拡散する。気泡は拡散するにつれ徐々に消滅し、気泡に含まれていた酸素が混合流体中に溶解する。なお、混合流体は、一定容積を有する貯留槽に投入される他、湖沼や水路等に直接投入されても良い。また、混合流体が貯留槽等に投入された後、気泡に対して超音波を照射し、この気泡を圧壊可能な構成にしても良い。
　次に、実施例１に係る水中酸素溶解装置と従来技術との効果を比較した実験結果について、図４を用いて詳細に説明する。図４は、実施例１に係る水中酸素溶解装置の溶解酸素濃度を従来技術と比較した結果である。
　図４は、実施例１に係る水中酸素溶解装置及び従来技術にかかるばっき装置（以下、装置αという。）を水道水に対して使用した場合の、酸素の飽和度（％）を時間を追って計測した結果を示すグラフであって、横軸が使用開始からの経過時間Ｔ（分）、縦軸が飽和度（％）である。そして、グラフ中の丸印が実施例１に係る水中酸素溶解装置１、四角印が従来技術に係る装置αの結果をそれぞれ示している。なお、飽和度（％）は［｛計測時の酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）／飽和酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）｝×１００］で算出され、使用された水道水の量は、水中酸素溶解装置１及び装置αともに２０（Ｌ）である。また、計測時の酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）として、溶存酸素計が実測した酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）に水温補正を行った値を用いた。
　図４において、使用開始時点（経過時間Ｔ＝０）での飽和度４６（％）から、飽和度９５（％）までに増加するまでの経過時間Ｔに注目すると、実施例１に係る水中酸素溶解装置１は、経過時間Ｔ１は１０（分）であった。これに対し、装置αでは、経過時間Ｔ２は１６０（分）であった。すなわち、水中酸素溶解装置１では、装置αと比較して、上記の経過時間Ｔが、（Ｔ１／Ｔ２）＝１／１６に短縮された。
　このように、水中酸素溶解装置１によれば、単位時間当たりに酸素を水道水中に溶存させる能力が極めて高いという点において、装置αと比較して顕著な優位性を発揮する結果となった。
　以上説明したように、本実施例の水中酸素溶解装置１によれば、落下孔４が設けられる箱型タンク５と、第１の注入管６と、第２の注入管７と、下降管８によって、落下孔４を上方開口端５２ａとし、下降管８の内管１２を貫通する空洞５２を形成することができる。この空洞５２のうち、第２の流体５１が接する部分付近に強い負圧領域が形成されることから、少なくとも第２の流体５１中での気泡の形成効率が良好である。加えて、内管１２では、空気流入手段１５及び複数の吸気孔１１を介し、周囲の空気が第１の流体５０及び第２の流体５１へ吸引されるので、内管１２を通過して落下した第１の流体５０及び第２の流体５１が混合された混合流体中に、大量の気泡を発生させることができる。
　また、本実施例の水中酸素溶解装置１は、特許文献１に係る従来技術のように、流体が渦の状態を維持しつつ下降管の内管の横断面全体を満たしながら下降管を下降するという作用を有するものではない。よって、本実施例の水中酸素溶解装置１において、下降管８の内管１２を流下する第１の流体５０及び第２の流体５１の流量を増加させるために内管１２の内径を大きくした場合であっても、内管１２を流下する第１の流体５０及び第２の流体５１中に、複数の空洞がランダムに発生して負圧領域が形成されず、その結果空気が吸引されないといった不利益が発生しない。
　すなわち、水中酸素溶解装置１によれば、内管１２を流下する第１の流体５０及び第２の流体５１の流量をそれぞれ増加させた場合であっても、空洞５２を確実に形成することができる。そのため、空洞５２を介して第１の流体５０及び第２の流体５１中に、空気を大量に吸引し多くの気泡を発生させることが可能である。これらの気泡は第１の流体５０と第２の流体５１の混合流体中で拡散するにつれ徐々に消滅し、気泡に含まれていた酸素が混合流体中に溶解することから、大量の第１の流体５０及び第２の流体５１の中へ酸素を極めて短時間に溶解させることが可能である。
　しかも、水中酸素溶解装置１によれば、超音波発振器やコンプレッサーといった電力を消費する機器を使用する必要がないため、消費エネルギーを抑制可能でありながら、上記の酸素溶解効果を実現させることが可能である。
　また、流量率調節手段９，１０により、一対の分岐流ｆ４，ｆ４の流量を一定以上に確保することができるので、空洞５２を確実に形成することができる。したがって、第１の流体５０及び第２の流体５１中における気泡の形成効率を高い状態に維持することができる。また、第１の注入管６及び第２の注入管７がそれぞれ注水する流量が時間的に変動した場合であっても、酸素の溶解量を一定以上に保つことができる。
　このように、水中酸素溶解装置１によれば、簡易な構成でありながら、図４に示したように、従来技術と比較して、水中に対する酸素の溶解効率を顕著に向上させることが可能である。
　次に、実施例１の第１の変形例に係る水中酸素溶解装置について、図５を用いて説明する。図５は、実施例１の第１の変形例に係る水中酸素溶解装置を構成する箱型タンクの平面図である。なお、図１乃至図４で示した構成要素については、図５においても同一の符号を付して、その説明を省略する。
　図５に示すように、実施例１の第１の変形例に係る水中酸素溶解装置１ａにおいて、箱型タンク１６の周壁１７は、その外形が平面視で楕円形状をなし、楕円の長軸両端に相当する位置にそれぞれ流れ変化部１７ａ，１７ａ´を有する。底部１８は、その中心部１８ａの周辺に、この中心部１８ａを挟んで対称的な位置に落下孔１９，１９´が設けられる。また、下降管８は、複数の落下孔１９，１９´とそれぞれ連通して合計２本設けられる。すなわち、落下孔１９，１９´毎に１本の下降管８が設けられる。
　また、第１の注入管６及び第２の注入管７（図１参照）は、それぞれ複数の落下孔１９，１９´と同数の２本設置される。すなわち、落下孔１９，１９´毎に１本の第１の注入管６と、１本の第２の注入管７が設けられる。
　第２の注入管７，７は、底部１８を平面視した場合に、落下孔１９，１９´の各中心軸を挟んで、第１の注入管６，６の反対側にそれぞれ開口する。したがって、落下孔１９の中心軸を挟んで、第１の流体５０及び第２の流体５１が箱型タンク１６の内部１６ａに注入され、かつ落下孔１９´の中心軸を挟んで、第１の流体５０及び第２の流体５１が箱型タンク１６の内部１６ａに注入される。水中酸素溶解装置１ａにおけるこの他の構成は、実施例１の水中酸素溶解装置１の構成と同様である。
　次に、水中酸素溶解装置１ａの作用について、説明する。
　図５に示すように、箱型タンク１６の内部１６ａにおいて、第１の注入管６，６の中心軸が底部１８にそれぞれ投影された点ｘ３，ｘ３´と、点ｘ３，ｘ３´を通り第１の注入管６，６の中心軸と直交する平面と落下孔１９，１９´の中心軸との交点（以下、中心点ｘ４，ｘ４´という。）を結ぶ直線をＸａとするとともに、この直線Ｘａと落下孔１９，１９´の中心軸の双方に直交し、かつ底部１８の中心部１８ａを通る直線をＹａとする。
　内部１６ａのうち、直線Ｙａを境界とした右側領域では、実施例１の水中酸素溶解装置１と同様に、周壁１７の内側に衝突しない流れｍ１と、流れ変化部１７ａの内側に衝突してその流れの方向を変化させて進む流れｍ２が形成される。
　また、内部１６ａのうち、直線Ｙａを境界とした左側領域でも同様に、周壁１７の内側に衝突しない流れｎ１と、流れ変化部１７ａ´の内側に衝突してその流れの方向を変化させて進む流れｎ２が形成される。なお、流れｍ１と流れｎ１の流れ方向は、直線Ｙａに関して互いに対称的である。また、流れｍ２と流れｎ２の流れ方向も直線Ｙａに関して互いに対称的である。
　次に、流れｍ１と流れｎ１は、それぞれ落下孔１９，１９´に直接流入しようとするが、流れｍ２と流れｎ２は、直線Ｙａ上で互いに衝突して直線Ｘａに向かうよう変化し、それぞれ流れｍ３と流れｎ３となる。
　さらに、流れｍ３と流れｎ３は、直線Ｘａに関して対称的に形成されるので、流れｍ３，ｍ３は、直線Ｘａ上で互いに衝突して落下孔１９に向かうよう変化し、流れｍ４，ｍ４となる。同様に、流れｎ３，ｎ３は、直線Ｘａ上で互いに衝突して落下孔１９´に向かうよう変化し、流れｎ４，ｎ４となる。
　また、第２の注入管７，７の第２の開口部７ａ，７ａが落下孔１９，１９´の上方にそれぞれ開口するため、直線Ｙａ上に流下する第２の流体５１，５１によって、流れｍ４，ｍ４と流れｎ４，ｎ４の進行がそれぞれ遮られることになる。そのため、流れｍ４，ｍ４は、直線Ｙａから、第２の流体５１の周囲に沿って回り込むように進行する一対の分岐流ｍ５，ｍ５（白抜矢印）を形成する。流れｎ４，ｎ４についても同様に、一対の分岐流ｎ５，ｎ５（白抜矢印）を形成する。
　そして、直線Ｙａを境界とした右側領域では、一対の分岐流ｍ５，ｍ５は、直線Ｘａに関し、対称的な流れとなっており、第２の流体５１から点ｘ３の方向にやや離隔した位置において、互いに合流しようとする。直線Ｙａを境界とした左側領域に形成された一対の分岐流ｎ５，ｎ５についても、これと同様に、第２の流体５１から点ｘ３´の方向にやや離隔した位置において、互いに合流しようとする。一方、第２の流体５１，５１の大部分は、直接落下孔１９，１９´にそれぞれ流入する。
　したがって、直線Ｙａを挟んだ両側の領域において、水中酸素溶解装置１の場合と同様に、第２の流体５１，５１の点ｘ３，ｘ３´寄りの側方に、いずれの流れも存在しない領域である空洞５３，５３´がそれぞれ出現する。すなわち、落下孔１９，１９´と同数の空洞５３，５３´が形成されるので、空洞５３を介して周囲の空気が第１の流体５０及び第２の流体５１に吸引されるとともに、空洞５３´を介して周囲の空気が第１の流体５０及び第２の流体５１に吸引される。
　このような構成の水中酸素溶解装置１ａによれば、複数の空洞５３，５３´を形成可能であり、これらの空洞５３，５３´を介して大量の空気を第１の流体５０，５０及び第２の流体５１，５１中に吸引することができる。したがって、単位時間当たりに形成される気泡の数を大幅に増加させることができる。
　水中酸素溶解装置１ａにおけるこの他の作用及び効果は、実施例１の水中酸素溶解装置１の作用及び効果と同様である。
　さらに、実施例１の第２の変形例に係る水中酸素溶解装置について、図６を用いて説明する。図６は、実施例１の第２の変形例に係る水中酸素溶解装置を構成する箱型タンクの平面図である。なお、図１乃至図５で示した構成要素については、図６においても同一の符号を付して、その説明を省略する。
　図６に示すように、実施例１の第２の変形例に係る水中酸素溶解装置１ｂにおいて、箱型タンク２０の周壁２１は、その外形が平面視で４個の円が十字形をなすように一部重複してそれぞれ組み合わされた形状であり、十字形の４箇所の端部に相当する位置にそれぞれ流れ変化部２１ａ１～２１ａ４を有する。底部２２は、その中心部２２ａを中心として１個の円形状をなす落下孔２３が設けられる。また、下降管８は、１個の落下孔２３と連通して１個設けられる。
　次に、第１の注入管６（図１参照）は、底部２２を平面視した場合に、落下孔２３の中心軸２３ａ、すなわち中心部２２ａを中心として互いにそれぞれ角度θをなすように落下孔２３の周方向に沿って合計４本配置される。なお、合計４本の第１の注入管６の中心軸が底部２２にそれぞれ投影された４箇所の点をそれぞれｘ５～ｘ８とする。
　また、第２の注入管７（図１参照）についても、第１の注入管６と同様に、合計４本配置される。ただし、合計４本の第２の注入管７は、底部２２を平面視した場合に、それぞれ中心軸２３ａを中心として合計４本の第１の注入管６と異なる位相に配置され、その位相の差φの絶対値は、第１の角度θの大きさの１／２である。なお、合計４本の第２の注入管７の中心軸が底部２２にそれぞれ投影された４箇所の点を、それぞれｘ９～ｘ１２とする。水中酸素溶解装置１ｂにおける。水中酸素溶解装置１ｂにおけるこの他の構成は、実施例１の水中酸素溶解装置１の構成と同様である。
　次に、水中酸素溶解装置１ｂの作用について、説明する。
　図６に示すように、箱型タンク２０の内部２０ａにおいて、点ｘ５，ｘ７を通り落下孔２３の中心軸２３ａと直交する平面と点ｘ５，ｘ７との交点を結ぶ直線をＸｂとするとともに、この直線Ｘｂと中心軸２３ａの双方に直交し、かつ中心軸２３ａを通る直線をＹｂとする。また、直線Ｘｂ，Ｙｂを、中心軸２３ａを中心として時計周りに４５度回動させた直線を、それぞれ直線Ｘｃ，Ｙｃとする。
　内部２０ａのうち、直線Ｙｂを境界とした右側領域では、実施例１の水中酸素溶解装置１と同様に、周壁２１の内側に衝突しない流れｑ１と、流れ変化部２１ａ１の内側に衝突してその流れの方向を変化させて進む流れｑ２が形成される。
　また、内部１６ａのうち、直線Ｙｂを境界とした左側領域でも同様に、周壁２１の内側に衝突しない流れｒ１と、流れ変化部２１ａ３の内側に衝突してその流れの方向を変化させて進む流れｒ２が形成される。なお、流れｑ１と流れｒ１の流れ方向は、直線Ｙｂに関して互いに対称的である。また、流れｑ２と流れｒ２の流れ方向も直線Ｙｂに関して互いに対称的である。
　さらに、内部２０ａのうち、直線Ｘｂを境界とした上側領域では、実施例１の水中酸素溶解装置１と同様に、周壁２１の内側に衝突しない流れｓ１と、流れ変化部２１ａ４の内側に衝突してその流れの方向を変化させて進む流れｓ２が形成される。
　また、内部１６ａのうち、直線Ｘａを境界とした下側領域でも同様に、周壁２１の内側に衝突しない流れｔ１と、流れ変化部２１ａ２の内側に衝突してその流れの方向を変化させて進む流れｔ２が形成される。なお、流れｓ１と流れｔ１の流れ方向は、直線Ｘｂに関して互いに対称的である。また、流れｓ２と流れｔ２の流れ方向も直線Ｘｂに関して互いに対称的である。
　ここで、直線Ｘｂと直線Ｙｂによって区分される４つの領域のうち、右上に位置する領域をＳ１とし、右下に位置する領域をＳ２とする。また、上記４つの領域のうち、左下に位置する領域をＳ３とし、左上に位置する領域をＳ４とする。
　次に、領域Ｓ１～Ｓ４において、流れｑ１，流れｒ１，流れｓ１及び流れｔ１は、それぞれ落下孔２３に直接流入しようとする。しかし、領域Ｓ１において、流れｑ２と流れｓ２は、直線Ｙｃ上で互いに衝突して落下孔２３へ向かうよう変化する。
　また、領域Ｓ２において、流れｑ２と流れｔ２は、直線Ｘｃ上で互いに衝突して落下孔２３へ向かうよう変化する。
　さらに、領域Ｓ３において、流れｔ２と流れｒ２は、直線Ｙｃ上で互いに衝突して落下孔２３へ向かうよう変化する。
　そして、領域Ｓ４において、流れｒ２と流れｓ２は、直線Ｘｃ上で互いに衝突して落下孔２３へ向かうよう変化する。
　また、第２の注入管７は、落下孔２３の周方向に沿って合計４本配置されるため、直線Ｘｃ，Ｙｃ上の４箇所に流下する第２の流体５１によって、実施例１の水中酸素溶解装置１の場合と同様に、領域Ｓ１において、それぞれ第２の流体５１の周囲に沿って回り込むように落下孔２３に向かって進行する一対の分岐流ｗ１，ｗ１（白抜矢印）が形成される。領域Ｓ２～Ｓ４についても同様に、それぞれ一対の分岐流ｗ２，ｗ２～ｗ４，ｗ４（いずれも白抜矢印）が形成される。
　したがって、領域Ｓ１～Ｓ４のそれぞれにおいて、水中酸素溶解装置１の場合と同様に、第２の流体５１の点ｘ６寄りの側方に、いずれの流れも存在しない領域である空洞５４がそれぞれ出現する。すなわち、１個の落下孔２３について４個の空洞５４が形成されるので、それぞれの空洞５４を介して周囲の空気が第１の流体５０及び第２の流体５１中に吸引される。
　このような構成の水中酸素溶解装置１ｂによれば、１個の落下孔２３の周辺に所望する数の第１の注入管６及び第２の注入管７を設置することができる。これにより、１本の下降管８に形成される空洞５４の数を増加させることができるため、単位時間当たりに形成される気泡の数を増加させることが可能である。また、落下孔の数が１個で済むため、箱型タンク２０を容易に製造可能である。
　水中酸素溶解装置１ｂにおけるこの他の作用及び効果は、実施例１の水中酸素溶解装置１の作用及び効果と同様である。
　本発明の実施の形態に係る実施例２の水中酸素溶解方法について、図７を用いて詳細に説明する。図７は、実施例２に係る水中酸素溶解方法の工程図である。なお、図１乃至図６で示した構成要素については、図７においても同一の符号を付して、その説明を省略する。
　図７に示すように、実施例２に係る水中酸素溶解方法２４は、ステップＳ１の流量率調節工程、ステップＳ２の注入工程、ステップＳ３の気泡形成工程、から構成される。また、水中酸素溶解方法２４は、例えば、実施例１の水中酸素溶解装置１を使用する場合に適用可能である。そのため、本実施例中で示される符号は、それぞれ図１乃至図３で示した符号を用いている。
　ステップＳ１の流量率調節工程は、第１の開口部６ａを通過する第１の注入管６の単位時間当たりの流量である第１の流量率ＦＲ１が、第２の開口部７ａを通過する第２の注入管７の単位時間当たりの流量である第２の流量率ＦＲ２以上となるように、第１の流量率及ＦＲ１及び第２の流量率ＦＲ２を調節する。
　したがって、本工程では、箱型タンク５の内部５ａにおいて、一対の分岐流ｆ４，ｆ４の流量が確保され、空洞５２が確実に形成されることになる。よって、ステップＳ３の気泡形成工程における大量の気泡形成に寄与することができる。なお、実施例１では、水中酸素溶解装置１に流量率調節手段９，１０が設けられているので、第１の開口部６ａ及び第２の開口部７ａの横断面積の大きさをそれぞれ調節可能である。
　ステップＳ２の注入工程は、箱型タンク５の内部５ａに、第１の流体５０及び第２の流体５１を第１の注入管６及び第２の注入管７を介してそれぞれ注入する。
　本工程では、図２を用いて説明したように、第１の流体５０及び第２の流体５１の注入によって、一対の分岐流ｆ４，ｆ４が形成され、ひいては、第２の流体５１の周囲に、強い負圧領域である空洞５２を形成可能である。
　ステップＳ３の気泡形成工程は、空洞５２が形成されることで、この空洞５２の周囲の空気が空洞５２を介して第１の流体５０及び第２の流体５１へ吸引され、第１の流体５０及び第２の流体５１に気泡が形成される。
　したがって、第１の流体５０と第２の流体５１が内管１２を通過した後に完全に混合し合うことで形成される混合流体中で、気泡が拡散しながら消滅するため、気泡に含まれていた酸素が混合流体中に溶解し、酸素の溶解濃度を飛躍的に増加させることができる。
　以上説明したように、実施例２に係る水中酸素溶解方法２４によれば、実施例１の水中酸素溶解装置１と同様の効果を発揮できる。
　なお、本発明の水中酸素溶解装置１～１ｂの構造は実施例に示すものに限定されない。例えば、第１の注入管６及び第２の注入管７は、それぞれ円筒以外にも横断面が多角形状を有する管体が用いられても良い。また、流量率調節手段９，１０が備えられる場合、この流量率調節手段９，１０が第１の流体５０及び第２の流体５１の流量を調節可能であるため、第１の注入管６の内径サイズと第２の注入管７の内径サイズの比率は、特に限定されない。
　さらに、第１の注入管６の内径サイズと第２の注入管７の内径サイズの比率や箱型タンク５，１６，２０の容積等を調整することによって空洞５２を形成可能である場合には、流量率調節手段９，１０のうちのいずれか一方、又は流量率調節手段９，１０のいずれもが設けられなくても良い。なお、流量率調節手段９，１０のいずれもが設けられない場合には、実施例２の水中酸素溶解方法２４のステップＳ１の流量率調節工程は、省略される。この他、下降管８に設けられる吸気孔１１は、省略されてもよい。
　また、実施例１の第１の変形例である水中酸素溶解装置１ａでは、底部１８の形状が楕円形状以外にも三角形状や四角形状といった多角形状に形成されるとともに、流れ変化部１７ａ等が底部１８の形状に対応可能に備えられても良い。
　さらに、実施例１の第２の変形例である水中酸素溶解装置１ｂでも、底部２２の形状が楕円形状や三角形状等の多角形状に形成されるとともに、流れ変化部２１ａ１等が底部２２の形状に対応可能に備えられても良い。また、流れ変化部２１ａ１～２１ａ４は、それぞれ直線Ｘｂ又は直線Ｙｂに関して非対称な形状をなしていても良く、このとき、位相の差φの絶対値は第１の角度θの大きさの１／２とならない場合がある。
　この他、実施例２の水中酸素溶解方法２４は、実施例１の第１及び第２の変形例である水中酸素溶解装置１ａ，１ｂを使用する場合にも適用可能である。
　本発明は、観賞用水中生物の飼育や研究・商業用生物の養殖を目的に、又は浄化設備や湖沼等の閉塞域における水質改善を目的に、水中に溶解する酸素の濃度を増加させるための水中酸素溶解装置およびこれに用いる水中酸素溶解方法としても利用可能である。
１，１ａ，１ｂ…水中酸素溶解装置
２…周壁
２ａ…流れ変化部
３…底部
４…落下孔
５…箱型タンク
５ａ…内部
６…第１の注入管
６ａ…第１の開口部
７…第２の注入管
７ａ…第２の開口部
８…下降管
９，１０…流量率調節手段
１１…吸気孔
１２…内管
１２ａ…上端
１２ｂ…側壁
１３…外管
１４…閉鎖空間
１５…空気流入手段
１６…箱型タンク
１６ａ…内部
１７…周壁
１７ａ，１７ａ´…流れ変化部
１８…底部
１８ａ…中心部
１９，１９´…落下孔
２０…箱型タンク
２０ａ…内部
２１…周壁
２１ａ１～２１ａ４…流れ変化部
２２…底部
２２ａ…中心部
２３…落下孔
２３ａ…中心軸
２４…水中酸素溶解方法
５０…第１の流体
５１…第２の流体
５２…空洞
５２ａ…上方開口端
５３，５３´…空洞
５４…空洞

Claims (6)

  1. 　第１の流体（５０）の一部の流れ方向を変化させる流れ変化部（２ａ）を有する周壁（２）と、この周壁（２）で囲まれる底部（３）と、この底部（３）に設けられる落下孔（４）を備える箱型タンク（５）と、
    　前記第１の流体（５０）を前記箱型タンク（５）の内部（５ａ）に注入する第１の注入管（６）と、
    　第２の流体（５１）を前記箱型タンク（５）の前記内部（５ａ）に注入する第２の注入管（７）と、
    　前記落下孔（４）に連通する下降管（８）を備え、
    　前記第１の注入管（６）は、その第１の開口部（６ａ）が前記流れ変化部（２ａ）の内側の上方に開口し、
    　前記第２の注入管（７）は、その第２の開口部（７ａ）が前記落下孔（４）の上方に開口し、
    　前記下降管（８）は、前記箱型タンク（５）の前記内部（５ａ）に注入された前記第１の流体（５０）及び前記第２の流体（５１）が前記落下孔（４）に流入する際に、この落下孔（４）を上方開口端（５２ａ）とする空洞（５２）が形成されることで、この空洞（５２）の周囲の空気が前記空洞（５２）を介して前記第１の流体（５０）及び前記第２の流体（５１）へ吸引され、前記第１の流体（５０）及び前記第２の流体（５１）に気泡が形成されることを特徴とする水中酸素溶解装置（１）。
  2. 　前記周壁（１７）は、複数の前記流れ変化部（１７ａ，１７ａ´）を有し、
    　前記底部（１８）は、その中心部（１８ａ）の周辺に複数の前記落下孔（１９，１９´）が設けられ、
    　前記下降管（８）は、複数の前記落下孔（１９，１９´）とそれぞれ連通して複数設けられ、
    　前記第１の注入管（６）及び前記第２の注入管（７）は、それぞれ複数の前記落下孔（１９，１９´）と同数設置され、
    　複数の前記第２の注入管（７）は、複数の前記落下孔（１９，１９´）の中心軸を挟んで、複数の前記第１の注入管（６）の反対側にそれぞれ開口することを特徴とする請求項１に記載の水中酸素溶解装置（１ａ）。
  3. 　前記周壁（２１）は、複数の前記流れ変化部（２１ａ１～２１ａ４）を有し、
    　前記底部（２２）は、その中心部（２２ａ）に１個の前記落下孔（２３）が設けられ、
    　前記下降管（８）は、１個の前記落下孔（２３）と連通して１個設けられ、
    　前記第１の注入管（６）及び前記第２の注入管（７）は、それぞれ前記落下孔（２３）の中心軸（２３ａ）を中心として互いにそれぞれ第１の角度をなすように前記落下孔（２３）の周方向に沿って複数配置され、
    　複数の前記第２の注入管（７）は、それぞれ前記中心軸（２３ａ）を中心として複数の前記第１の注入管（６）と異なる位相に配置されることを特徴とする請求項１に記載の水中酸素溶解装置（１ｂ）。
  4. 　前記第１の開口部（６ａ）を通過する前記第１の流体（５０）の単位時間当たりの流量である第１の流量率が、前記第２の開口部（７ａ）を通過する前記第２の流体（５１）の単位時間当たりの流量である第２の流量率以上となるように、前記第１の流量率及び前記第２の流量率のうち、少なくともいずれか一方を調節する流量率調節手段（９，１０）を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水中酸素溶解装置（１）。
  5. 　第１の流体の流れ方向を変化させる流れ変化部を有する周壁と、この周壁で囲まれる底部と、この底部に設けられる落下孔を備える箱型タンクの内部に、前記第１の流体、及び第２の流体を第１の注入管及び第２の注入管を介してそれぞれ注入する注入工程（Ｓ２）と、
    　前記落下孔に連通する下降管において、前記箱型タンクの前記内部に注入された前記第１の流体及び前記第２の流体が前記落下孔に流入する際に、この落下孔を上方開口端とする空洞が形成されることで、この空洞の周囲の空気が前記空洞を介して前記第１の流体及び前記第２の流体へ吸引され、前記第１の流体及び前記第２の流体に気泡が形成される気泡形成工程（Ｓ３）を備え、
    　前記第１の注入管は、その第１の開口部が前記流れ変化部の内側の上方に開口し、
    　前記第２の注入管は、その第２の開口部が前記落下孔の上方に開口することを特徴とする水中酸素溶解方法（２４）。
  6. 　前記注入工程（Ｓ２）の前に、前記第１の開口部を通過する前記第１の流体の単位時間当たりの流量である第１の流量率が、前記第２の開口部を通過する前記第２の流体の単位時間当たりの流量である第２の流量率以上となるように、前記第１の流量率及び前記第２の流量率のうち、少なくともいずれか一方を調節する流量率調節工程（Ｓ１）を備えることを特徴とする請求項５に記載の水中酸素溶解方法（２４）。
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