(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部を有し、
上記旋回流発生用翼体は、上流側の先端を半球状に形成した円柱部を中心に有し、この円柱部から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼を設けたもの、または、上記管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼が設けられ、中心部が上記複数の翼の交差部からなるものであり、
上記渦崩壊用ノズル部は縮流部および渦崩壊部を有し、上記縮流部は上記渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており、上記渦崩壊部との境界部において上記渦崩壊部と同一の断面形状を有し、
上記渦崩壊部は、円筒状の第１の部分と下流側に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ0 としたとき、９０度≦θ0 ＜１８０度であり、
上記旋回流発生用翼体の半径をＲ、上記第１の部分の内半径をｒe 、上記旋回流発生用翼体の中心軸に平行な方向と上記複数の翼の下流側の終端部とがなす角度をθf （ただし、θf は６５度以下）、上記管路に流される液体の流量、密度および表面張力係数をそれぞれＱ、ρおよびσとしたとき、
【数６】
0005935969.tif 000007
かつ
【数７】
0005935969.tif 000008
を満足することを特徴とするスタティックミキサー。
【請求項２】
上記旋回流発生用翼体の上記複数の翼の枚数が２枚以上であることを特徴とする請求項１記載のスタティックミキサー。
【請求項３】
上記複数の翼は上記管路の中心軸の方向に投影したときに隙間が現れないように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のスタティックミキサー。
【請求項４】
上記第１の部分の直径をＤe 、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面との間のエッジ部の曲率半径をδe としたとき、δe ≧Ｄe ／２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
【請求項５】
第１の管路と、
上記第１の管路内に上記第１の管路を閉塞するように設けられた閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた円筒状の第２の管路と、
上記第２の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記第２の管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部とを有し、
上記旋回流発生用翼体は、上流側の先端を半球状に形成した円柱部を中心に有し、この円柱部から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼を設けたもの、または、上記第２の管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼が設けられ、中心部が上記複数の翼の交差部からなるものであり、
上記渦崩壊用ノズル部は縮流部および渦崩壊部を有し、上記縮流部は上記渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており、上記渦崩壊部との境界部において上記渦崩壊部と同一の断面形状を有し、
上記渦崩壊部は、円筒状の第１の部分と下流側に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ0 としたとき、９０度≦θ0 ＜１８０度であり、
上記旋回流発生用翼体の半径をＲ、上記第１の部分の内半径をｒe 、上記旋回流発生用翼体の中心軸に平行な方向と上記複数の翼の下流側の終端部とがなす角度をθf （ただし、θf は６５度以下）、上記第１の管路に流される液体の流量、密度および表面張力係数をそれぞれＱ、ρおよびσとしたとき、
【数６】
0005935969.tif 000009
かつ
【数７】
0005935969.tif 000010
を満足することを特徴とするスタティックミキサー。
【請求項６】
上記旋回流発生用翼体の上記複数の翼の枚数が２枚以上であることを特徴とする請求項５記載のスタティックミキサー。
【請求項７】
上記複数の翼は上記第２の管路の中心軸の方向に投影したときに隙間が現れないように構成されていることを特徴とする請求項５または６記載のスタティックミキサー。
【請求項８】
上記第１の部分の直径をＤe 、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面との間のエッジ部の曲率半径をδe としたとき、δe ≧Ｄe ／２であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
【請求項９】
上記複数の上記第２の管路内の上記渦崩壊用ノズル部から発生される旋回流のサーキュレーションの総和が０であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
【請求項１０】
上記閉塞部材の上流側の部分の上記第１の管路内に旋回流型マイクロバブル発生ノズルが設けられていることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はスタティックミキサーに関し、例えば、低粘性の混相流体を混合するのに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
スタティックミキサーは駆動部のない静止型流体混合器であり、通常は管路内に固定して使用するため、プロセスの省力化・省スペース化・省エネルギー化を実現する機器として重要な位置を占めている。流体混合としては、液−液混合、気−液混合、混合するものが溶解性か非溶解性か、あるいは高粘性か低粘性かなど、様々な場合がある。
【０００３】
最も一般的なスタティックミキサーは、曲面板（エレメント）を管路に挿入することによって構成される。代表的な曲面板としては、らせん要素（spiral element）（特許文献１参照。）、ねじれた翼形混合エレメント（twisted wing-shaped mixing element）（特許文献２参照。）、ねじれ羽根状撹拌体（特許文献３参照。）、波状板（特許文献４、５参照。）がある。
【０００４】
特に、特許文献４に提案されたスタティックミキサーは、積層した波状板から多数の剥離渦を生成することで気泡を微粒化するもので、気−液混合に関して効率が高いことが知られている。このスタティックミキサーの圧力損失は、１エレメント当たり液体の運動エネルギーの１０倍程度（抵抗係数が１０）、混入気体量は液流量の１０％程度である。より詳細には、このスタティックミキサーは波状板を積層した構造体であり、波状板の山を通過した気泡が、その背面の剥離渦によりせん断破壊されることで微粒化される。微粒化された気泡は谷に集積し、管路下流方向に輸送される。波状板の形状として特に重要な要素としては、剥離が起こる程度に山の曲率が大きいこと、および、剥離渦の中心軸が管路の軸に対して４５度程度傾斜していることが挙げられる。この結果、集積した気泡は管路の下流方向に移流して管路断面内で混合され、剥離渦内に滞留せず気泡の合体が低減される。また、波状板には表と裏が存在することから、剥離渦が管路内に多数発生するため、気泡が微粒化される箇所が多くなる。
【０００５】
また、管内壁に、渦を発生させる突起を有するスタティックミキサーも提案されている（特許文献６、７参照。）。このスタティックミキサーは剥離渦で気泡を微粒化し、しかも管路内部を閉塞しないため圧力損失が小さい。
【０００６】
一方、マイクロバブルは、発生時において気泡径が一般に１０〜数１０μｍである微細気泡であり、水中で普通に発生する直径数ｍｍ程度の気泡と比べると極めて小さい。マイクロバブルは、このように極端に小さいため、微細なゴミを吸着して水面に浮上させる性質を持ち、水産物の洗浄や水質浄化などの多方面に応用されている。このマイクロバブルを発生させる機器（ノズル）としては、旋回流型マイクロバブル発生装置（特許文献８参照。）およびベンチュリー型マイクロバブル発生器（特許文献９参照。）が挙げられる。これらの機器はいずれも、低圧状態の気泡を高圧部に移流させることで、気泡を圧壊させることによりマイクロバブルを生成する。
【０００７】
特許文献８の旋回流型マイクロバブル発生装置は、円柱状の本体の前方を半球状に成形し、その外周面の長手方向に複数の翼（ベーン）をそれらの後方が湾曲するように設けた旋回流発生用翼体の翼により強い旋回流を発生させ、渦崩壊用ノズルにより旋回流中心の集中渦をスパイラル状に崩壊させることで、旋回流中心に存在する気柱を破砕し微粒化する。この旋回流型マイクロバブル発生装置による微粒化は、渦崩壊用ノズル前面のせん断流による気泡の伸長破壊、および、渦崩壊用ノズル内部の低圧部の気泡が外部に放出されることによる圧壊によって引き起こされる。マイクロバブルを発生させるためには、この圧壊が必要であり、渦崩壊用ノズル内部が低圧となるためには渦崩壊用ノズルのテーパー部が重要な役割を果たす。一方で、この低圧部の存在はノズルの抵抗を増大させる（抵抗係数が４００程度）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５３０７８６７号明細書
【特許文献２】米国特許第５４２５５８１号明細書
【特許文献３】特開２００９−２７９５０６号公報
【特許文献４】米国特許第５３８００８８号明細書
【特許文献５】特開２０１０−９４９９９号公報
【特許文献６】米国特許第４９２９０８８号明細書
【特許文献７】米国特許第６５９５６８２号明細書
【特許文献８】特許第６５９５６８２号明細書
【特許文献９】米国特許第４９３１２２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、特許文献４のスタティックミキサーは、低抵抗で気−液混合の効率も高いが、気泡を圧壊させる機構がないため、マイクロバブルを生成することができない。また、特許文献８の旋回流型マイクロバブル発生装置は、旋回流発生用翼体の下流に気柱が一つしか発生しないため、給気量が少なく、管路断面内の混合効果が小さく、また抵抗が大きくなる。また、旋回流発生用翼体の円柱状の中心部に後流が発生するため、渦崩壊用ノズル中心部の圧力が低下する。このため、給気量が多くなると渦崩壊用ノズルの下流側の端面でコアンダ効果（Coanda effect)が発現せず、結果的に大きな気泡が離脱し、効率的な微粒化が起こらない。また、特許文献９のベンチュリー型マイクロバブル発生器は、給気量が多い場合には、大きな気泡がマイクロバブル発生ノズルから離脱するという問題点がある。さらに、特許文献１のスタティックミキサーでは、断面内の混合が促進されないという欠点がある。
【００１０】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、管路の中心軸に垂直な断面内の気体または液体と液体との混合を良好に、かつ効率よく行うことができ、給気量が多い場合には積層した波状板を管路に挿入した従来のスタティックミキサーと同程度の優れた混合性能を有し、給気量が少ないときには液体中にマイクロバブルを効率的に発生させることが可能なスタティックミキサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明は、
円筒状の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部を有し、
上記旋回流発生用翼体が、上記管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられた板状の複数の翼からなることを特徴とするスタティックミキサーである。
【００１２】
この発明において、旋回流発生用翼体の中心部は、典型的には、板状の複数の翼の交差部からなる。この交差部は、必要に応じて、管路内の流路をあまり閉塞しない程度の直径を有する円柱状に構成してもよい。この場合、板状の複数の翼は、この円柱部から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられる。このように板状の複数の翼の交差部を円柱状に構成することは、例えば、気−液混合を行う場合において給気量が少ないとき（例えば、液流量の１％以下のとき）には、気柱の圧力を低下させるので、マイクロバブルの発生に有効である。旋回流発生用翼体の翼の枚数は最低限２枚以上あれば足りるが、好適には３枚または４枚以上、一般的には例えば８枚以下に選ばれる。また、これらの複数の翼は、好適には、管路の中心軸の方向に投影したときに隙間が現れないように構成される。旋回流発生用翼体の中心軸に平行な方向と複数の翼の終端部とがなす角度θf は好適には６５度以下であり、一般的には４０度以上である。旋回流発生用翼体は、管路と別体に構成して管路内に挿入固定してもよいし、管路と一体に構成してもよい。複数の翼の上流側（管路内を流れる液体が当たる側）の端部は、液体に対する抵抗を減少するために、好適には流線形、例えば半円柱状に形成される。管路内に流される液体には、典型的には予め気体が注入される。言い換えると、典型的には管路の上流から気液混相流が供給される。必要に応じて、旋回流発生用翼体において液体に気体を注入するようにしてもよい。この場合、例えば、旋回流発生用翼体の翼の、管路の内壁に面する面から始まり、この翼の内部を通って旋回流発生用翼体の中心部に到達する通路を設け、さらにこの中心部内にこの中心部の後端に到達する通路を設け、上記の翼に対向する部分の管路の内壁に通気孔を設け、外部よりこの通気孔を通して取り入れた気体を上記の通路を通して中心部の後端から噴出することにより液体に注入するようにしてもよい。
【００１３】
円筒状の管路は、管（パイプ）を用いて形成してもよいし、ブロックに形成された断面形状が円形の貫通孔であってもよい。
【００１４】
渦崩壊（Vortex breakdown) とは渦の構造が急激に変化する現象であり、スパイラル型（デルタ翼の場合などに発生する型）、バブル型（円管内流れの場合などに発生する型）の二つの顕著な型を有する。渦崩壊用ノズル部は、典型的には縮流部および渦崩壊部を有し、縮流部は渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており（あるいは、縮流部は渦崩壊部に向かってすぼまっており）、渦崩壊部との境界部において渦崩壊部と同一の断面形状を有する。渦崩壊部の形状は、必要に応じて選ばれるが、具体的には、円筒形状や、出口に向かって断面積が徐々に増加する形状や、円筒状の第１の部分と下流側に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面とがなす角度をθ0 としたとき、９０度≦θ0 ＜１８０度である形状などである。渦崩壊部が円筒状の第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有する場合、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とは滑らかに繋がっていることが望ましい。こうすることで、コアンダ効果により、渦崩壊用ノズル部の噴き出し面である第２の部分の端面に旋回流を付着させることができる。第１の部分の直径をＤe 、上記第１の部分の内周面と上記第２の部分の端面との間のエッジ部の曲率半径をδe としたとき、好適にはδe ≧Ｄe ／２である。
【００１５】
また、この発明は、
第１の管路と、
上記第１の管路内に上記第１の管路を閉塞するように設けられた閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた円筒状の第２の管路と、
上記第２の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記第２の管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部を有し、
上記旋回流発生用翼体が、上記第２の管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられた板状の複数の翼からなることを特徴とするスタティックミキサーである。
【００１６】
このスタティックミキサーは、上記のスタティックミキサーを第１の管路内に設けられた閉塞部材の複数箇所にこの閉塞部材を貫通するように設けたものに相当し、第２の管路が上記の管路に相当する。このスタティックミキサーは、好適には、複数の第２の管路内の渦崩壊用ノズル部から発生される旋回流のサーキュレーション（旋回流速×２π×半径で定義される）の総和が０となるように構成される。このスタティックミキサーにより気−液混合を行う場合、閉塞部材の複数箇所に設けられた複数の旋回流発生用翼体のそれぞれに気体が均一に供給されるようにする観点より、好適には、閉塞部材の上流側（前方）の部分の第１の管路内に、例えば特許文献８の旋回流型マイクロバブル発生装置が設けられる。このスタティックミキサーの上記以外のことは、上記のスタティックミキサーに関連して説明したことが成立する。
【００１７】
スタティックミキサーの管路あるいは第１の管路内に流す液体は、基本的にはどのようなものであってもよく、必要に応じて選ばれるが、具体的には、例えば、水、セルロースなどの増粘剤を入れた水、各種の環境水（湖沼水、河川水、汚染水など）、建設汚泥などの各種の汚泥、各種の有機溶剤（アルコール、アセトン、トルエンなど）、石油、ガソリンなどの液体燃料などである。このスタティックミキサーにより気−液混合を行う場合、液体に混合する気体は、基本的にはどのようなものであってもよく、必要に応じて選ばれるが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、二酸化炭素、水素、アルゴンなどである。このスタティックミキサーにより液−液混合を行う場合、混合する液体は、基本的にはどのようなものであってもよく、必要に応じて選ばれる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、旋回流発生用翼体が、管路あるいは第２の管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられた板状の複数の翼からなるため、管路あるいは第２の管路の中央部が閉塞される度合いが小さく、管路あるいは第２の管路に流される液体が旋回流発生用翼体を通った後に後流が発生するのを抑制することができることにより、圧損が小さい。また、給気量を増加させても気体が流路を閉塞するように滞留するのを防止することができるので、気泡の微粒化が容易に起きる。さらに、給気量が多い場合においても、コアンダ効果により、大きな気泡が渦崩壊用ノズル部の前面から離脱するのを防止することができる。また、このスタティックミキサーは、抵抗係数（抵抗係数をｆ、圧力損失をΔＰ、液体の密度をρ、流速をＵとしたとき、ΔＰ＝ｆ×ρＵ2 ／２で定義される）を例えば１０程度とすることができるため、給気量が液流量の５〜１０％でも気体の微粒化が可能である。また、給気量が少ないときには、マイクロバブルを効率的に発生させることが可能である。また、スタティックミキサーのパラメータの設計により、生成させる気泡の径を広い範囲で制御することができる。さらに、渦崩壊用ノズル部の前面に沿う流れが生成されるため、管路あるいは第２の管路の中心軸に垂直な断面内の混合が促進される。
【００１９】
以上により、管路あるいは第２の管路の中心軸に垂直な断面内の気体または液体と液体との混合を良好に、かつ効率よく行うことができ、給気量が多い場合には積層した波状板を管路に挿入した従来のスタティックミキサーと同程度の優れた混合性能を有し、給気量が少ないときには液体中にマイクロバブルを効率的に発生させることが可能なスタティックミキサーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーを示す縦断面図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの旋回流発生用翼体を示す斜視図および正面図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの旋回流発生用翼体の翼の形状を示す展開図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの渦崩壊用ノズルを示す縦断面図およびこの渦崩壊用ノズルの出口のエッジの拡大図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの旋回流発生用翼体の設計方法を説明するための略線図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの旋回流発生用翼体の設計方法を説明するための略線図である。
【図７】板状の複数の翼からなる旋回流発生用翼体の直径に対する中心部の直径の比と正規化した気泡径、スワール数および抵抗係数との関係を示す略線図である。
【図８】板状の複数の翼からなる旋回流発生用翼体の直径に対する翼の厚さの比と正規化した気泡径、スワール数および抵抗係数との関係を示す略線図である。
【図９】正規化した抵抗係数と正規化した気泡径との関係を示す略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの渦崩壊用ノズルの出口のエッジの曲率半径の大小の影響を説明するための断面図および図面代用写真である。
【図１１】この発明の第１の実施の形態によるスタティックミキサーの渦崩壊用ノズルの出口のエッジの曲率半径の大小の影響を説明するための断面図および図面代用写真である。
【図１２】この発明の第２の実施の形態によるスタティックミキサーを示す縦断面図および正面図である。
【図１３】実施例１のスタティックミキサーを示す斜視図である。
【図１４】図１３に示すスタティックミキサーの平面図、正面図および断面図である。
【図１５】図１３に示すスタティックミキサーを用いて行った実験の結果を示す図面代用写真である。
【図１６】図１３に示すスタティックミキサーを用いて行った実験の結果を示す図面代用写真である。
【図１７】実施例２のスタティックミキサーを示す斜視図である。
【図１８】図１７に示すスタティックミキサーの正面図および断面図である。
【図１９】この発明の第２の実施の形態によるスタティックミキサーの製造方法を説明するための略線図である。
【図２０】この発明の第３の実施の形態による旋回流型マイクロバブル発生装置付きスタティックミキサーを示す縦断面図である。
【図２１】実施例３の実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図２２】実施例３の実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図２３】実施例４の実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図２４】実施例４の実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図２５】この発明の第４の実施の形態においてスタティックミキサーの気泡微細化性能の検証に用いた実験装置を示す略線図である。
【図２６】この発明の第４の実施の形態において用いられるスタティックミキサーの幾何学的形状を示す略線図である。
【図２７】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図２８】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図２９】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３０】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３１】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３２】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３３】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３４】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３５】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３６】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３７】この発明の第４の実施の形態において行った実験の結果を説明するための図面代用写真である。
【図３８】この発明の第５の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための縦断面図である。
【図３９】この発明の第５の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための縦断面図である。
【図４０】この発明の第５の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための略線図である。
【図４１】この発明の第５の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための略線図である。
【図４２】この発明の第５の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための略線図である。
【図４３】この発明の第５の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための略線図である。
【図４４】従来の加圧式マイクロバブル発生装置の一例を示す略線図である。
【図４５】この発明の第６の実施の形態によるスタティックミキサーの給気方法を説明するための略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」という。）について図面を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
［スタティックミキサー］
図１に、第１の実施の形態によるスタティックミキサーを示す。図１に示すように、このスタティックミキサーにおいては、円筒状の管路１１の内部に、旋回流発生用翼体１２および渦崩壊用ノズル１３が互いに同軸に固定して設けられている。管路１１の上流側の一端１１ａから液体が流入し、下流側の他端１１ｂから液体が出てゆく。渦崩壊用ノズル１３は旋回流発生用翼体１２の下流側に設けられている。旋回流発生用翼体１２と渦崩壊用ノズル１３とは、典型的には所定の間隔をおいて互いに離れて設けられるが、必要に応じて両者を接触させてもよい。
【００２２】
旋回流発生用翼体１２は、管路１１の中心軸、したがってこの旋回流発生用翼体１２の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられた板状の複数の翼からなる。これらの翼は、旋回流発生用翼体１２の円周方向に等間隔に設けられている。これらの翼の枚数は、２枚以上、好適には３枚または４枚以上であり、一般的には８枚以下である。旋回流発生用翼体１２の中心軸と翼の後端部とのなす角度θF は６５度以下、好適には６０度以下、より好適には５７度以下、また、好適には４０度以上であり、例えば５６度である。スタティックミキサーを低抵抗にするためには、好適には、θF を渦崩壊が発生する範囲で小さくし、流路面積が大きくなるように翼の厚さを小さくする。下流側から上流側への液体の逆流を防止するために、好適には、これらの翼は、管路１１の中心軸の方向に投影した時にそれらの間に隙間が生じないように構成されている。
【００２３】
図２ＡおよびＢに、一例として翼１２ａの枚数が４枚の旋回流発生用翼体１２を示す。ここで、図２Ａは旋回流発生用翼体１２の斜視図、図２Ｂは旋回流発生用翼体１２を中心軸方向から見た正面図である。この例では、旋回流発生用翼体１２の上流側の端部では、４枚の薄い板状の翼１２ａが全体として十字形状をなすように互いに９０度離れて設けられており、上流側から下流側に向かってこれらの翼１２ａが同様に湾曲し、旋回流発生用翼体１２の下流側の端部では、同様に４枚の薄い板状の翼１２ａが全体として十字形状をなすように互いに９０度離れてかつ上流側の端部に比べて９０度ずれて設けられている。旋回流発生用翼体１２の中心部は、これらの４枚の薄い板状の翼１２ａの交差部１２ｂからなる。各翼１２ａの前部は、液体に対する抵抗の低減を図るために、好適には流線形状を有し、例えば半円柱状に形成される。
【００２４】
図３は、４枚の薄い板状の翼１２ａからなる旋回流発生用翼体１２の外周面の周方向の展開図であり、４枚の翼１２ａの形状および大きさの一例が示されている。この例では、旋回流発生用翼体１２の中心軸方向の長さ（翼長）は１４．５ｍｍである。旋回流発生用翼体１２の中心軸と翼１２ａの後端部とのなす角度θF は５６度である。
【００２５】
例えば、給気量が少なく（例えば、液流量の１％程度以下）、圧損が問題にならないような場合には、板状の翼１２ａの交差部１２ｂをこの交差部１２ｂよりも大きな直径を有する円柱部で置き換えてもよく、こうすることでより微細な気泡を発生させることができる。
【００２６】
図４Ａに渦崩壊用ノズル１３を示す。図４Ａに示すように、渦崩壊用ノズル１３は、テーパー状に成形した縮流部１３ａと管状の渦崩壊部１３ｂとが連接されたものである。縮流部１３ａは、渦崩壊部１３ｂに向かって断面積が徐々に減少しており、渦崩壊部１３ｂとの境界部において渦崩壊部１３ｂと同一の断面形状を有する。渦崩壊部１３ｂは、円筒状の第１の部分ｂ１と下流側に向かって広がったテーパー形状の第２の部分ｂ２とからなる。第１の部分ｂ１の内周面と第２の部分ｂ２の端面とがなす角度θ0 は９０度≦θ0 ≦１８０度、好適には１００度≦θ0 ≦１５０度、より好適には１１０度≦θ0 ≦１２０度であるが、これに限定されるものではない。この場合、渦崩壊部１３ｂを通過した気柱は、テーパー形状の第２の部分ｂ２の端面において、コアンダ効果により気泡となって張り付く。こうして第２の部分ｂ２の端面に張り付いた気泡は、縮流部１３ａから続く旋回流により剪断または破砕され、マイクロバブルが発生する。このように第２の部分ｂ２の端面に張り付くことにより、気泡が剪断を受ける時間が長くなり、気泡の微粒化が促進される。
【００２７】
図４Ｂは渦崩壊用ノズル１３の出口のエッジ１３ｃの拡大図である。板状の翼１２ａからなる旋回流発生用翼体１２を用いた場合においても、給気量を増やすと、旋回流中心部に気柱が発生する。この気柱が存在する場合にもコアンダ効果を発現させるためには、好適には、渦崩壊用ノズル１３の出口のエッジ１３ｃを滑らかにする。言い換えると、エッジ１３ｃの曲率半径をρe とすると、ρe を大きくする。好適には、これに加えて、θ0 を大きくする。こうすることで、給気量が多い場合にも、スパイラル型の渦崩壊が発生し、気泡が剪断破壊される。ここで、ρe が大きく、θ0 が小さい場合には、スワール数（旋回流速／軸方向流速）が１程度であってもコアンダ効果が発現する。気柱が渦崩壊用ノズル１３の前面に張り付くためには、旋回流による遠心力が主流方向の遠心力より大きくなる必要がある。このため、
ρe 〜（ｕe ／ｖe ）2 ｒe ＝Γe -2ｒe 
以上とする必要がある。ただし、ｖe は渦崩壊用ノズル１３の出口における旋回流の周方向速度である。すなわち、
ρe ≧Γe -2ｒe 
とする。
【００２８】
渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内周面と第２の部分ｂ２の端面とがなす角度θ0 は、渦崩壊用ノズル１３の出口からのマイクロバブルの噴き出し方向を決定する。
【００２９】
このスタティックミキサーを低抵抗とするためには、θf を小さくし、具体的には６５度以下、例えば５６度とし、渦崩壊部１３ｂの内径Ｄe を大きくする。ただし、θf およびＤe はコアンダ効果による渦崩壊発生条件（渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１におけるスワール数が臨界値１程度以上であること）を満たす必要がある。結果的に、θf を小さくすると、Ｄe は大きくなる。また、板状の翼１２ａからなる旋回流発生用翼体１２は後流の断面積が小さいため、抗力も小さくなり、結果的にスタティックミキサーの低抵抗化に寄与する。
【００３０】
［スタティックミキサーの動作］
このスタティックミキサーの動作について説明する。
図１に示すように、管路１１の一端１１ａから、予め気体が混合された液体が供給される。この液体は、まず旋回流発生用翼体１２に到達し、この旋回流発生用翼体１２の翼１２ａと翼１２ａとの間の空間を流れ、翼１２ａが下流側に向かって湾曲していることにより旋回流発生用翼体１２の円周方向に向きを変えられることにより旋回流となって、旋回流発生用翼体１２と渦崩壊用ノズル１３との間の渦流部を進む。この際、旋回流発生用翼体１２に到達した液体は、この旋回流発生用翼体１２の中心部が複数の翼１２ａの交差部からなり、中心部の径が小さいことにより、ほとんど閉塞されないため、旋回流発生用翼体１２の出口に後流がほとんど発生しない。旋回流発生用翼体１２を出た液体が、渦流部を通って渦崩壊用ノズル１３に入ると、旋回流は縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブルとなって渦崩壊用ノズル１３の出口から放出される。こうして、マイクロバブルが入った液体が管路１１の他端１１ｂから出てゆく。ここで、渦崩壊用ノズル１３の最小断面、すなわち渦崩壊部１３ｂの断面における旋回流の回転周波数ｆe は、縮流部１３ａにおいて循環が保存されるとすると、渦流部における旋回流の回転周波数をｆ、管路１１の内径をＤ、渦崩壊部１３ｂの内径をＤe としたとき、ｆe ＝（Ｄ／Ｄe ）2 ｆとなる。
【００３１】
［旋回流発生用翼体１２の設計］
旋回流発生用翼体１２によって発生する旋回流は、翼１２ａによって生成される角運動量フラックスから見積もることができる。ただし、二次流の影響を無視し、翼１２ａから吐き出される液体の流速は管路１１の断面内の半径方向に変化しないと仮定する。
【００３２】
図５Ａは、上流側の先端を半球状に形成した円柱部１２ｃを中心に有し、この円柱部１２ｃから放射状に複数の板状の翼１２を設けた旋回流発生用翼体１２を示す。円柱部１２ｃの半径はＲI 、翼１２ａの半径はＲ、厚さは０とする（ケースＡ）。図５Ｂは、旋回流発生用翼体１２が、複数の板状の翼１２ａからなり、中心部がこれらの翼１２ａの交差部１２ｂからなるものである。翼１２ａの半径はＲ、厚さはｄである（ケースＢ）。
【００３３】
いま、図６に示すように、スタティックミキサーの中心軸をｚ軸方向にとる。旋回流発生用翼体１２の中心軸の上流側の端面をｚ＝０とする。スタティックミキサーの中心軸から半径方向にｒ軸をとる。
【００３４】
旋回流発生用翼体１２が生成する角運動量フラックスは、
【数１】
0005935969.tif 000002
で与えられ、この値が大きいほど強い旋回流を発生させることができる。ここで、Ａは旋回流発生用翼体１２の下流側の端部の断面積、ｖz 、ｖθ（θは添字）はそれぞれ軸方向流速および周方向流速である。上式から、流体の回転半径ｒが大きいところの流速が角運動量フラックスに大きく寄与することが分かる。
【００３５】
角運動量フラックスの保存則から、渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１でほぼ剛体回転する旋回流の角速度ωe を次式のように求めることができる。
【数２】
0005935969.tif 000003
ここで、Ｑは流量、ｒe は渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内径、θf は旋回流発生用翼体１２の翼１２ｂの下流側の終端部とｚ軸とがなす角度、ｎは旋回流発生用翼体１２の翼１２ａの枚数である。
【００３６】
また、渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１のスワール数（旋回流速／平均流速）は次式で与えられる。
【数３】
0005935969.tif 000004
【００３７】
気泡の微粒化を効率的に行うことができる条件は、Ｓe ＞１．５〜２である。
さらに、渦崩壊部１３ｂで生成される気泡径は、Hinze スケールＤc 程度であり、
【数４】
0005935969.tif 000005
となる。ここで、ρは液体の密度、σは表面張力係数、εはエネルギー散逸率である。
【００３８】
一方で、旋回流発生用翼体１２の抗力はｖz の二乗に比例する。したがって、低抵抗の旋回流発生用翼体１２は、半径Ｒに比べて翼１２ａの厚さｄおよび円柱部１２ｃの半径ＲI を無視することができる程度に小さくすればよい。このとき、
【数５】
0005935969.tif 000006
である。
【００３９】
要約すると、旋回流発生用翼体１２でマイクロバブルを発生させるには、上式でＳe ＞１．５〜２、Ｄc ＜５０μｍとなるように設計すればよい。すなわち、旋回流発生用翼体１２の中心部に円柱部がなく、翼１２ａの厚さが無限小でも、上記の条件を満たすように設計すれば、マイクロバブルの生成が可能である。また、翼１２ａの厚さがＯ（ｄ／Ｒ＜＜１）のとき、旋回流発生用翼体１２の後流領域が小さくなり、気泡の滞留が起こりにくいため、後流領域における気泡の合体を低減することができる。
【００４０】
図７および図８に、それぞれケースＡおよびケースＢの場合の旋回流発生用翼体１２の値で正規化した気泡径、スワール数および抵抗係数の値を示す。また、図９に、正規化した抵抗係数と正規化した生成気泡径との関係を示す。図９より、旋回流発生用翼体１２の中心部に円柱部を設ける方が、翼１２ａの厚さを大きくするよりも、気泡生成のエネルギー効率が高いことが分かる。
【００４１】
ここで、渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内周面と第２の部分ｂ２の端面とのエッジ１３ｃの曲率半径ρe による影響について説明する。板状の翼１２ａにより構成された旋回流発生用翼体１２を用いた場合は、旋回流が弱くなるため、曲率半径ρe を大きくする必要がある。
【００４２】
図１０Ａに、エッジ１３ｃの曲率半径ρe をＤe ／４（Ｄe は渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内径）とした場合を示す。これは、給気量／液流量が１％以下である場合に好適である。図５Ｂに、管路１１の内径Ｄを７．５ｍｍ、渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内径Ｄe を６．５ｍｍとした場合に、渦崩壊用ノズル１３の先端から水中にマイクロバブル水を放出した場合の写真を示す。この渦崩壊用ノズル１３の抵抗係数は約７である。図１０Ｂに示すように、この場合、コアンダ効果による渦崩壊は起きていない。
【００４３】
図１１Ａに、エッジ１３ｃの曲率半径ρe をＤe とした場合を示す。これは、給気量／液流量が５〜１０％程度以下である場合に好適である。図１１Ｂに、管路１１の内径Ｄを７．５ｍｍ、渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内径Ｄe を６．５ｍｍとした場合に、渦崩壊用ノズル１３の先端から水中にマイクロバブル水を放出した場合の写真を示す。この渦崩壊用ノズル１３の抵抗係数は約７である。図１０Ｂに示すように、この場合、給気量は４５０ｃｃ／ｍｉｎ程度、流量は５Ｌ／ｍｉｎ程度で、給気量１０％程度と多いにもかかわらず、コアンダ効果による渦崩壊を起こさせることができることが分かる。
【００４４】
［スタティックミキサーの製造方法］
第１の製造方法では、旋回流発生用翼体１２および渦崩壊用ノズル１３をそれぞれ単体として製作し、これらの旋回流発生用翼体１２および渦崩壊用ノズル１３を管路１１内に挿入することによりスタティックミキサーを製造する。
【００４５】
第２の製造方法では、旋回流発生用翼体１２は単体として製作するとともに、渦崩壊用ノズル１３は管路１１と一体に製作し、旋回流発生用翼体１２を渦崩壊用ノズル１３と反対側から管路１１内に挿入することによりスタティックミキサーを製造する。
【００４６】
この第１の実施の形態によるスタティックミキサーによれば、次のような種々の利点を得ることができる。すなわち、板状の複数の翼１２ａからなる旋回流発生用翼体１２を用いるので、後流の発生および発達を低減することができることから、スタティックミキサーの抵抗を小さくすることができ、また、気泡の残留を抑えることができることにより微粒化することができる気体量を増やすことができる。また、渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内周面と第２の部分ｂ２の端面とのエッジ１３ｃの曲率半径ρe をＤe ／２以上と大きくすることにより、給気量が液流量の５〜１０％であってもコアンダ効果による渦崩壊を発生させることができ、気体を微粒化することができる。さらに、このスタティックミキサーでは、給気量が例えば１％以下であれば、マイクロバブルを発生させることができ、給気量が５〜１０％でも気体を微粒化することができる。また、このスタティックミキサーにより気体を微粒化した後に、合泡により気泡径が大きくなってしまう場合には、このスタティックミキサーの後段にもう一つのスタティックミキサーを配置し、この後段のスタティックミキサーにより再度微粒化すればよい。また、このスタティックミキサーでは、渦崩壊用ノズル１３の下流側の端面に付着した旋回流が生成されるため、各種の流体においても管路１１の中心軸に垂直な断面内の混合が促進され、例えば、互いに密度差を有し混合しない流体の乳化に有効である。
【００４７】
〈第２の実施の形態〉
［スタティックミキサー］
図１２ＡおよびＢに、第２の実施の形態によるスタティックミキサーを示す。ここで、図１２Ａは縦断面図、図１２Ｂは正面図である。図１２ＡおよびＢに示すように、このスタティックミキサーにおいては、円筒状の管路２１の内部にこの管路２１を閉塞する閉塞部材２２が設けられている。この閉塞部材２２に、管路２１よりも径が小さい複数の管路２３がこの閉塞部材２２を貫通して所定の配置で設けられている。各管路２３の内部に、旋回流発生用翼体１２および渦崩壊用ノズル１３が互いに同軸に固定して設けられている。渦崩壊用ノズル１３は旋回流発生用翼体１２の下流側に設けられている。旋回流発生用翼体１２と渦崩壊用ノズル１３とは、典型的には所定の間隔をおいて互いに離れて設けられるが、両者を接触させてもよい。この場合、管路２１の一端２１ａから液体が流入し、各管路２３を通って、管路２１の他端２１ｂから液体が出てくる。このスタティックミキサーは、管路２１内に第１の実施の形態によるスタティックミキサーを複数配置したものに相当する。
【００４８】
閉塞部材２２に設けられる管路２３の数および配置は必要に応じて選ばれる。これらの管路２３のそれぞれの旋回流発生用翼体１２は、好適には、各管路２３で発生する旋回流が、流下に伴って互いに打ち消し合うように互いに旋回方向が異なるように構成される。より厳密には、各管路２３で発生する旋回流のサーキュレーションの総和が０となるように構成される。こうすることで、旋回流がスタティックミキサーの下流に移流し、微粒化した気泡が旋回流の中心に集まり合体するのを防止することができる。
【００４９】
また、このスタティックミキサーにより従来のスタティックミキサーと同等の微細気泡を発生させたい場合は、好適には、閉塞部材２２に複数の管路２３を最密に配置する。この場合、好適には、例えば、θf は５０〜５６度程度、Ｄe は管路２３の内径Ｄの０．８〜０．９倍とする。ここで、このスタティックミキサーでは、気泡が圧壊するため、微細気泡に混じってマイクロバブルが発生する。
【００５０】
また、各管路２３の渦崩壊用ノズル１３の前面に沿う流れの管路２３の管壁への衝突、および、互いに近接する管路２３からの流れの衝突があると、管路２３の吐出口の圧力が増加し、それによってタンク内で微細気泡を発生させる場合に比べて抵抗が大きくなるが、この圧力を低減するために、θ0 を小さくすることで管軸方向の流速が大きくなるようにする。
【００５１】
［スタティックミキサーの動作］
このスタティックミキサーの動作について説明する。
図１２に示すように、管路２１の一端２１ａから、予め気体が混合された液体が供給される。この液体は、閉塞部材２２を貫通して設けられた管路２３の入口から入って旋回流発生用翼体１２に到達し、この旋回流発生用翼体１２の翼１２ａと翼１２ａとの間の空間を流れ、翼１２ａが下流側に向かって湾曲していることにより旋回流発生用翼体１２の円周方向に向きを変えられることにより旋回流となって渦流部を進む。この際、旋回流発生用翼体１２に到達した液体は、この旋回流発生用翼体１２の中心部が複数の翼１２ａの交差部からなり、中心部の径が小さいことにより、ほとんど閉塞されないため、旋回流発生用翼体１２の出口に後流がほとんど発生しない。旋回流発生用翼体１２を出た液体が、渦流部を通って渦崩壊用ノズル１３に入ると、旋回流は縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブルとなって渦崩壊用ノズル１３の出口から放出される。こうして、管路２１の他端２１ｂからマイクロバブルが入った液体が出てゆく。ここで、渦崩壊用ノズル１３の最小断面、すなわち渦崩壊部１３ｂの断面における旋回流の回転周波数ｆe は、縮流部１３ｂにおいて循環が保存されるとすると、渦流部における旋回流の回転周波数をｆ、管路２３の内径をＤ、渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内径をＤe としたとき、ｆe ＝（Ｄ／Ｄe ）2 ｆとなる。
【００５２】
このスタティックミキサーの実施例について説明する。
［実施例１］
図１３は実施例１のスタティックミキサーの斜視図である。図１４Ａはこのスタティックミキサーの平面図、図１４Ｂは正面図、図１４Ｃは断面図（図１４ＢのＡ−Ａ線に沿っての断面図）である。図１４Ａ、ＢおよびＣに各部の寸法を示す。
【００５３】
このスタティックミキサーでは、閉塞部材２２を貫通して１９本の管路２３が最密配置で設けられているが、完全な円筒状の管路２３は中央部の７本のみであり、他の１２本の管路２３は円筒状の管路２３の一部が切除された形状を有する。
【００５４】
図１５は、この実施例１によるスタティックミキサーを内径２２．３ｍｍの水平な透明な円筒状の管路２１内に挿入し、ポンプ吸込み口から給気し、管路２１の入口から水を流量Ｑw ＝３２Ｌ／ｍｉｎ、空気を流量Ｑa ＝１Ｌ／ｍｉｎ、圧力Ｐ＝４８ｋＰａ、給気量３％で流したときの管路２１内の水の様子を外部から撮影した写真である。
【００５５】
また、図１６は、この実施例１によるスタティックミキサーを内径２２．３ｍｍの水平な透明な円筒状の管路２１内に挿入し、ポンプ吸込み口から給気し、管路２１の入口から水を流量Ｑw ＝３２Ｌ／ｍｉｎ、空気を流量Ｑa ＝２Ｌ／ｍｉｎ、圧力Ｐ＝４８ｋＰａ、給気量６％で流したときの管路２１内の水の様子を外部から撮影した写真である。
【００５６】
図１５および図１６より、気泡が管路２１内の上部を移動するため、主として水の上部にマイクロバブルが発生していることが分かる。
【００５７】
［実施例２］
図１７は実施例２のスタティックミキサーの斜視図である。図１８Ａはこのスタティックミキサーの正面図、図１８Ｂは断面図（図１８ＡのＡ−Ａ線に沿っての断面図）である。図１８Ａおよび図１８Ｂに各部の寸法を示す。
【００５８】
このスタティックミキサーでは、閉塞部材２２を貫通して４本の円筒状の管路２３が最密配置で設けられている。
【００５９】
［スタティックミキサーの製造方法］
図１９に示すように、円柱状の閉塞部材２２に軸対称の円柱状の孔２２ａを形成する。この孔２２ａの下流部には渦崩壊用ノズル１３が一体的に形成されている。旋回流発生用翼体１２は別途、単体で製作する。そして、この旋回流発生用翼体１２を、閉塞部材２２に形成された各孔２２ａに、渦崩壊用ノズル１３と反対側から挿入することによりスタティックミキサーを製造する。
【００６０】
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、複数の管路２３内の旋回流発生用翼体１２により発生される旋回流のサーキュレーションの総和が０となるように設計することにより、スタティックミキサーの下流における気泡の合体を抑えることができる。
【００６１】
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態においては、第２の実施の形態によるスタティックミキサーの上流側に旋回流型マイクロバブル発生装置が設けられる。
【００６２】
すなわち、図２０に示すように、水平な管路２１内に設けられたスタティックミキサー３１の上流側に、互いに同軸に結合された旋回流発生用翼体３２および渦崩壊用ノズル３３からなる旋回流型マイクロバブル発生装置が設けられている。この旋回流型マイクロバブル発生装置の詳細は特許文献８に記載されている。
【００６３】
水平な管路２１では、気泡の浮力により気泡が管路２１内の液体の上部に集積するように移動する。この気液混相流をスタティックミキサー３１に通過させると、閉塞部材２２に設けられた複数の管路２３のうちの上部に位置する管路２３内をボイド率の大きな流体が通過するため、微粒化の効率が低下する。これに対し、この第３の実施の形態においては、スタティックミキサー３１の上流側に設けられた旋回流型マイクロバブル発生装置により気泡を管路２１の全断面に分散させることができるので、各管路２３内に気体を均一に供給することができる。すなわち、図２０に示すように、旋回流型マイクロバブル発生装置に入る気泡３４はこの旋回流型マイクロバブル発生装置により微粒化されるが、この微粒化された気泡３４は管路２１の全断面に分布し、スタティックミキサー３１に供給され、このスタティックミキサー３１からマイクロバブル３５が発生する。ここで、この旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗係数は、好適には、スタティックミキサー３１の抵抗係数に比べて十分小さくなるように、具体的には例えば１／１０程度になるように設計する。
【００６４】
管路２１が鉛直方向に配置される場合において、各管路２３内を気泡３４が均一に通過しないときには、上記と同様に、スタティックミキサー３１の上流側に旋回流型マイクロバブル発生装置、もしくは、特許文献１のスタティックミキサーを設けることにより、各管路２３内を気泡３４が均一に通過するようになる。
【００６５】
［実施例３］
スタティックミキサー３１として実施例１のスタティックミキサーを用いた。旋回流型マイクロバブル発生装置として抵抗係数が１〜２程度のものを用いた。この程度の抵抗係数はスタティックミキサー３１の抵抗係数に比べて無視することができる。
【００６６】
図２１は、Ｑw ＝３３Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝２Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝４２ｋＰａ、給気量６％のときの管路２１内の水の様子を外部から撮影した写真である。また、図２２は、Ｑw ＝４６Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝２Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝８６ｋＰａ、給気量４％のときの管路２１内の水の様子を外部から撮影した写真である。図２１および図２２より、スタティックミキサーから微細気泡が効率的に発生していることが分かる。
【００６７】
［実施例４］
スタティックミキサー３１として実施例２のスタティックミキサーを用いた。旋回流型マイクロバブル発生装置として抵抗係数が１〜２程度のものを用いた。
【００６８】
図２３は、Ｑw ＝３６．４Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝１７．１ｋＰａ、給気量３％のときの管路２１内の水の様子を外部から撮影した写真である。また、図２４は、Ｑw ＝３６．４Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝２Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝１７．１ｋＰａ、給気量６％のときの管路２１内の水の様子を外部から撮影した写真である。図２３および図２４より、スタティックミキサーから微細気泡が効率的に発生していることが分かる。
【００６９】
以上のように、第３の実施の形態によれば、スタティックミキサー３１の上流側に旋回流型マイクロバブル発生装置を設けていることにより、スタティックミキサー３１から微細気泡を効率的に発生させることができる。
【００７０】
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態においては、スタティックミキサーの気泡微粒化性能を検証する。
【００７１】
すなわち、スタティックミキサーの気泡微粒化性能を調べるために、図２５Ａに示すように、内径１９ｍｍの管路４１内に、Kenicsタイプの従来のスタティックミキサー（Ｋ−ＳＴと略称、１エレメントの抵抗係数が１．２５）４２を１２個直列接続配置した全長５００ｍｍの実験装置Ａ（全抵抗係数ｆ＝１４）と、図２５Ｂに示すように、内径１９ｍｍの管路４１内に、第４の実施の形態によるスタティックミキサー４３（θF ＝６５度、口径（＝渦崩壊用ノズル１３の渦崩壊部１３ｂの第１の部分ｂ１の内径）６．５ｍｍ、抵抗係数１４のものと、θF ＝６０度、口径７．０ｍｍ、抵抗係数９のものとの二種類を用いた）を１個、Ｋ−ＳＴ４２を４個、直列接続配置した実験装置Ｂ（全抵抗係数ｆ＝１９および１３）とを製作して気泡微粒化性能を比較する実験を行った。実験装置Ｂでは、スタティックミキサー４３に気泡が均一に流入するように上流に４個のＫ−ＳＴ４２を配置した。
【００７２】
図２６Ａに、実験装置Ｂで用いたスタティックミキサー４３の幾何学的形状を示す。このスタティックミキサー４３は、実施例２のものと同様に、閉塞部材２２に四つのスタティックミキサーが最密配置で設けられたものであるが、流水断面積を大きくするために、旋回流発生用翼体１２の翼１２ａの形状は、図２６Ｂに示すように１枚の平板を捩じった形状とした。また、サーキュレーションが０となるように、各旋回流の旋回方向が互いに逆になるようにした。
【００７３】
図２７は実験装置Ａにおいて、Ｑw ＝３８Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝４０ｋＰａ、ｆ＝１４の条件で実験を行った結果を示す写真である。また、図２８は実験装置Ｂにおいて、Ｑw ＝３８Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝４４ｋＰａ、ｆ＝１９の条件で実験を行った結果を示す写真である。
【００７４】
図２９は実験装置Ｂにおいて、θF ＝６５度、口径６．５ｍｍ、ｆ＝１４のスタティックミキサーを用い、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝０．２Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。また、図３０は実験装置Ｂにおいて、θF ＝６０度、口径７．０ｍｍ、ｆ＝９のスタティックミキサーを用い、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝０．２Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。図３１は実験装置Ｂにおいて、θF ＝６５度、口径６．５ｍｍ、ｆ＝１４のスタティックミキサーを用い、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝０．５Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。また、図３２は実験装置Ｂにおいて、θF ＝６０度、口径７．０ｍｍ、ｆ＝９のスタティックミキサーを用い、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝０．５Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。
【００７５】
図３３は実験装置Ａにおいて、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝０．５Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。
【００７６】
図３４は実験装置Ｂにおいて、θF ＝６５度、口径６．５ｍｍ、ｆ＝１４のスタティックミキサーを用い、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１．０Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。また、図３５は実験装置Ｂにおいて、θF ＝６０度、口径７．０ｍｍ、ｆ＝９のスタティックミキサーを用い、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１．０Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。
【００７７】
図３６は実験装置Ａにおいて、Ｑw ＝３７Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１．０Ｌ／ｍｉｎの条件で実験を行った結果を示す写真である。
【００７８】
以上の結果を総合すると、従来のＫ−ＳＴと同程度の抵抗を持つ低抵抗のスタティックミキサーの設計が可能であり、このスタティックミキサーは気泡の微粒化を効率的に行うことができる。具体的には、同抵抗を有するＫ−ＳＴで生成される気泡に比べて、気泡の直径は数分の１であり、気泡数では１０〜１００倍となることが分かる。
【００７９】
次に、管路４１内における気泡の合体について調べた結果について説明する。
図３７は、Ｑw ＝３８Ｌ／ｍｉｎ、Ｑa ＝１Ｌ／ｍｉｎ、Ｐ＝４４ｋＰａ、ｆ＝１９の条件で実験を行った結果を示す写真である。
【００８０】
スタティックミキサー４３で気泡を微粒化しても、管路４１内では気泡の接触による合体が頻繁に発生するため、結果的に気泡径は大きくなる。
一方で、Ｋ−ＳＴ４２の場合には、配置された箇所で、合体した気泡も絶えず微粒化されるため、特に給気量が多い場合に有利となる。
したがって、このスタティックミキサー４３は、管路４１内において気泡の合体が抑制できるように界面活性剤などを混入した液体中への気泡の分散、もしくは、前記実験のようにタンク内への気泡の分散などで使用する場合に効果的である。
【００８１】
〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態においては、スタティックミキサーへの気体供給方法について説明する。
【００８２】
マイクロバブルを生成する際にスタティックミキサーの上流に気体を供給することは、気体の加圧溶解の促進および再気泡化による細粒化において大きな利点を有する。例えば、微粒化することができる気体の量は吐き出し部の圧力がＮ気圧のときＮ倍程度となり、また再気泡化によるマイクロバブルの径は１０μｍ程度と小さい。また、スタティックミキサーには一般に気体を供給する機能が付加されていない。
【００８３】
ポンプを利用して液体を吐き出させる場合には、吸い込み部から気体を自給することができる。ただし、ポンプの動翼を気体が通過することによるインペラー（羽根車）の損傷やエアーロックが起こる危険性がある。
【００８４】
水道の蛇口にスタティックミキサーを取り付けると、上流の圧力は大気圧よりも大きくなるため、気体を自給させることができない。給気するにはコンプレッサーなどを使用する必要がある。
【００８５】
スタティックミキサーの上流にベンチュリー管などを設けて低圧部を作り吸気させることは、ベンチュリー管などの圧損により吸気部の圧力が低下していることを意味し、スタティックミキサーの上流部における加圧効果などを期待することができない。
【００８６】
送液中は、管内圧力が大気圧よりも高いため、管路外部から気体を自給することはできない。したがって、給気用のタンクを用意し、送液停止時にタンクに気体を供給し、送液時にはタンクと管路との差圧を利用して気体を自給する。
【００８７】
スタティックミキサーにより、加圧溶解および１０μｍ程度の気泡が生成されることにより、効率的にマイクロバブルを生成することができる。
【００８８】
水道の蛇口にスタティックミキサーを取り付けることにより、比較的高濃度のマイクロバブル水を生成することができる。
ポンプを通過させることができない特殊の気体を供給することができる。
【００８９】
図３８はスタティックミキサーを水平配置する場合、図３９はスタティックミキサーを鉛直配置する場合を示す。
図３８および図３９に示すように、管路２１のスタティックミキサー３１の上流部に縮流部５１を設け、その上流部の管路２１の外壁にタンク５２を設ける。管路２１の外壁には管路２１とタンク５２とを連通させるための排出口５３が設けられている。タンク５２と管路２１内の縮流部１１との間に給気管５４が設けられており、この給気管５４を通してタンク５２内の気体を管路２１内に供給することができるようになっている。給気管５４の途中には、気体流量調節用弁５５が取り付けられている。タンク５２にはまた、空気以外の気体を供給する場合に用いられる逆止弁５６および給気管５７が取り付けられている。
【００９０】
この第５の実施の形態の原理について説明すると次の通りである。
管路２１への送液を停止すると、重力によりタンク５２内の液体が管路２１の出口に向かって排出される。排出口５３は、液体の表面張力に比べて重力が支配的となる程度の大きさ（内径が３ｍｍ以上）とする。液体の排出が起こり難い場合や空気以外の気体を供給する場合は、逆止弁５６によりタンク５２内に気体を供給する。
【００９１】
管路２１への送液を開始すると、管路２１は液体で満たされ、タンク５２内の気体は加圧される。また、縮流部５１の圧力はタンク５２の排出口５３よりも低下するため、タンク５２の上部の給気管５４の孔と縮流部５１の孔との間には圧力差が生じ、給気管５４を通してタンク５２内の気体が縮流部５１に供給される。供給する気体の量は気体流量調節用弁５５で制御する。
【００９２】
気体を流すための差圧は、気体の密度が液体の密度に比べて極めて小さいため、非常に小さくて良く、結果的に縮流部５１の圧損はスタティックミキサー３１の圧損に比べて無視することができる程度に小さくすることができる。
【００９３】
タンク５２の排出口５３の形状は対称性を持たないものがよい。何故なら、排出口５３の対称性がない方が、タンク５２内に循環流が発生し浸入した水が抜けて空気が入り込みやすいためである。具体的には、図４０Ａ、ＢおよびＣならびに図４１ＡおよびＢに示す五つの形状のうちの図４０ＢおよびＣならびに図４１Ｂに示す形状が望ましい。
【００９４】
図４２に、水道蛇口５８にスタティックミキサー３１を取り付けてマイクロバブル水を供給する場合を示す。特に食器の洗浄などに用いる場合には、長時間の給水を必要としないため、気体用のタンク５２の容積は数１０ｃｃ程度あれば十分である。
【００９５】
図４３は、特に、水平配置された管路２１にスタティックミキサー３１が取り付けられている場合において、特殊な気体を用いる場合に好適な例を示す。図４３に示すように、給気管５４はタンク５２の上面に接続されている。また、逆止弁５６もタンク５２の上面に取り付けられている。タンク５２内に液面が位置している。
【００９６】
この例では、気体供給時には送液を停止し、気体供給が終了した時点で送液を開始し、マイクロバブル３５を発生する。このサイクルを繰り返すことで、断続的にマイクロバブル３５を生成する。特に、ポンプを通過させることができない特殊な気体をマイクロバブル化する場合に用いて好適なものである。
【００９７】
〈第６の実施の形態〉
第６の実施の形態においては、スタティックミキサーへの気体供給方法について説明する。
【００９８】
管路内で気体を微粒化するには、管路に沿って合体する気泡を絶えず撹拌し微粒化する機構が必要である。特に、気体流量が液体流量の数十％と大きい場合には、管路内部に亘って挿入されるKenicsタイプのスタティックミキサーは効果的である。一般に気体溶解のエネルギー効率は供給する気体量が多くなるにしたがって高くなる。一方で、気体量が多いときはマイクロバブルの生成は難しい。この第６の実施の形態では、従来のスタティックミキサーと第２の実施の形態によるスタティックミキサーとを組み合わせることで、高濃度のマイクロバブルを生成する方法を提供する。
【００９９】
既に述べたように、従来のスタティックミキサーでは、マイクロバブルを生成することができない。一方で、第２の実施の形態によるスタティックミキサーは、気体量が多い場合はマイクロバブルを生成することは困難である。
【０１００】
この第６の実施の形態においては、まず、従来のスタティックミキサーに液流量の数十％の気体を供給し、液体の溶存気体濃度を大きくする。次に、気体を排出する装置を下流側に設け、管路を通過する気体量を数％以下にする。また、通過した気体を管路断面内に分散させるスタティックミキサーを設置する。最後に、第２の実施の形態によるスタティックミキサーを通して、再気泡化および微粒化によりマイクロバブルを生成する。
【０１０１】
従来のスタティックミキサーと第２の実施の形態によるスタティックミキサーとを組み合わせることにより、効率的に高濃度マイクロバブルを生成することができる。
高濃度マイクロバブル発生手段として使用されている気体溶解タンクの代わりに、スタティックミキサーと気体放出装置とを使用することで装置全体の大きさが小さくなる。
【０１０２】
図４４は従来の加圧式マイクロバブル発生装置の一例を示す。
図４４に示すように、この加圧式マイクロバブル発生装置においては、管路６１に気体溶解タンク６２が取り付けられている。この気体溶解タンク６２の上面には弁６３および排出管６４が取り付けられている。気体溶解タンク６２はポンプ揚程により加圧下にあり、この気体溶解タンク６２内の気泡６５を溶解させるためのものである。ここで生成された過飽和液体が例えば細孔部６６を通過し、衝撃を与えられることで再気泡化し、マイクロバブルが生成される。
【０１０３】
この第６の実施の形態によるスタティックミキサーへの気体供給方法について説明する。
図４５に示すように、水平配置された管路２１の途中に気体供給タンク７１が設けられ、この気体供給タンク７１の上面に弁７２が取り付けられ、この弁７２に排出管７３が接続されている。管路２１の下流側に第２の実施の形態によるスタティックミキサー３１が取り付けられている。気体供給タンク７１とこのスタティックミキサー３１との間に従来のスタティックミキサー、例えば特許文献３に開示されたものやKenicsタイプのスタティックミキサー７４が４個、直列接続配置されている。また、管路２１の気体供給タンク７１の上流側には、例えば特許文献３に開示されたものやKenicsタイプのスタティックミキサー７４が６〜１２個、直列接続配置されている。
【０１０４】
上流側のスタティックミキサー７４では液体Ｌ中への気体溶解が促進される。この液体Ｌ中の気体流量は例えば数十％である。気体供給タンク７１では、管路２１を流れる液体Ｌから、内部に溶解していた気体が放出され、弁７２を通って排出管７３から外部に排出される。気体供給タンク７１の下流に配置された従来のスタティックミキサー７４では気泡３４が分散され、その後、スタティックミキサー３１においてマイクロバブル３５が生成される。液体Ｌ中の気体流量は例えば数％以下である。
【０１０５】
気体放出部は上流から移流してきた気泡３４をトラップしやすいように管路２１内に段差を設ける。また、気体放出孔には弁７２を設置し、孔を気体が主に通過するように弁７２の開閉を調節することができる。気体を排出するための弁７２の抵抗は液体が通過するときの約（ρa ／ρw ）1/2 程度である。ただし、ρa 、ρw はそれぞれ空気および水の密度である。
【０１０６】
以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１１…管路、１２…旋回流発生用翼体、１２ａ…翼、１２ｂ…交差部、１３…渦崩壊用ノズル、１３ａ…縮流部、１３ｂ…渦崩壊部、ｂ１…第１の部分、ｂ２…第２の部分、２１…管路、２２…閉塞部材、２３…管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２５】
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【図２６】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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