(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に微細気泡を発生させるための微細気泡発生器であって、
一端に液体の流入口を有し、他端に微細気泡を含有する液体の流出口を有する本体部と、
前記本体部に設けられ、前記流入口から流入した液体による旋回流を形成する旋回流形成部と、
前記本体部に設けられ、流路面積を絞ることにより、前記旋回流形成部により形成された旋回流の流速を増速させる流速増速部と、
前記本体部に設けられ、前記流入口から流入する液体の流路に連通する気体の導入路を形成する気体導入部と、を備え、
前記旋回流形成部および該旋回流形成部に対応する前記流速増速部の組合せである旋回増速部が、前記本体部の中心軸方向視で複数箇所となるように並列的に設けられており、
複数の前記旋回増速部は、それぞれの前記流速増速部の下流側の開口を前記流出口に臨ませて前記流出口にて合流し、しかも、それぞれの前記流速増速部の下流側の開口同士の間に間隔を隔てており、
前記旋回増速部として、前記中心軸方向視で、前記旋回増速部の中心軸の位置が前記本体部の中心軸の位置に一致するように設けられた一つの前記旋回増速部と、該一つの前記旋回増速部の周辺に設けられ、前記旋回増速部の中心軸の位置が前記本体部の中心軸の位置を中心とする所定の円周上にて該円周の周方向に等間隔に位置しかつ隣り合うように配設された複数の前記旋回増速部と、を有し、
前記気体導入部は、前記気体の導入路として、各前記流速増速部の下流側の開口に連通するとともに前記開口と同心円的に伸延する円筒状の通路である軸方向通路と、全ての前記流速増速部に対応する前記軸方向通路の上流側が連通する空気室と、下流側を前記空気室に連通させるとともに上流側を前記本体部の外周面に開口させた径方向通路と、を有するものであり、
全ての前記旋回増速部の前記旋回流形成部により形成される旋回流の旋回方向を共通とするとともに、前記円周の周方向に隣り合う前記旋回増速部同士、および前記円周の径方向に隣り合う前記旋回増速部同士を互いに近接した位置に設けることにより、互いに隣接する前記旋回増速部間で、各前記旋回増速部による隣接旋回流間における相反する向きの流れによる剪断作用を持つ流れの層が形成されるように構成した、
微細気泡発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に微細気泡を発生させるための微細気泡発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、液体中にマイクロバブル等の微細気泡を発生させる方式として、加圧溶解方式と旋回剪断方式の２種類に大別される方式が存在する。
【０００３】
加圧溶解方式は、圧力の増加にともなって液体に溶解する気体の量が増加するという特性を利用したものである。概略的には、加圧溶解方式は、ポンプやコンプレッサ等によって圧力容器内の液体と気体を加圧することで十分な量の気体を液体中に溶解させて飽和状態を形成した後、圧力を解放することで過飽和の状態を形成し、液体中に大量の微細気泡を発生させるというものである。
【０００４】
一方、旋回剪断方式は、静翼や動翼（回転翼）等により液体について旋回流（渦流）を発生させ、その旋回流の中に気体を巻き込み、旋回流による剪断作用によって気体を分断させて微細気泡を発生させるものである（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、長手方向の両端にそれぞれ一端開口及び他端開口を開放したケーシングと、ケーシングに気体を導入させる気液混合手段と、ケーシングに内装された整流筒体と、整流筒体の外側および内側のそれぞれに固定されたプロペラ形翼列とを備えたマイクロバブル発生装置が開示されている。
【０００５】
上述した２つの方式のうち、加圧溶解方式によれば、微細気泡の発生量が比較的多いという利点があるものの、微細気泡を発生させるための装置構成が比較的複雑であり、その分、駆動部分が多く、装置において破損が生じる可能性が高いという問題がある。また、加圧溶解方式のデメリットとしては、水圧の高圧力化が必要であるため圧力容器やポンプ等の装置が比較的大がかりなものとなることや、液体としては清水以外には適さないということや、必要な電力等との関係からランニングコストが比較的高いこと等が挙げられる。
【０００６】
これに対し、旋回剪断方式によれば、装置構成が比較的簡単であることから、駆動部分が少ないため、破損が生じる可能性が比較的低く、また、装置をコンパクトにしやすいという利点がある。しかしながら、旋回剪断方式は、微細気泡の発生量が比較的少なく、用途等によっては必要な量の微細気泡を得ることが困難となる場合がある。特に、特許文献１に記載されているような従来の微細気泡発生装置では、生成される微細気泡はマイクロレベル（数十〜数百μｍ）であり、ナノレベル（１μｍ未満）の微細気泡は生成されない。そのため、ナノレベルの微細気泡が求められる産業分野では利用できないという不具合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２１３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造によって、微細気泡の微細化を促進させることができるとともに、微細気泡の発生量を向上させることができる微細気泡発生器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る微細気泡発生器は、液体中に微細気泡を発生させるための微細気泡発生器であって、一端に液体の流入口を有し、他端に微細気泡を含有する液体の流出口を有する本体部と、前記本体部に設けられ、前記流入口から流入した液体による旋回流を形成する旋回流形成部と、前記本体部に設けられ、流路面積を絞ることにより、前記旋回流形成部により形成された旋回流の流速を増速させる流速増速部と、前記本体部に設けられ、前記流入口から流入する液体の流路に連通する気体の導入路を形成する気体導入部と、を備え、前記旋回流形成部および該旋回流形成部に対応する前記流速増速部の組合せである旋回増速部が、前記本体部の中心軸方向視で複数箇所となるように並列的に設けられており、複数の前記旋回増速部は、それぞれの前記流速増速部の下流側の開口を前記流出口に臨ませて前記流出口にて合流し、しかも、それぞれの前記流速増速部の下流側の開口同士の間に間隔を隔てており、前記旋回増速部として、前記中心軸方向視で、前記旋回増速部の中心軸の位置が前記本体部の中心軸の位置に一致するように設けられた一つの前記旋回増速部と、該一つの前記旋回増速部の周辺に設けられ、前記旋回増速部の中心軸の位置が前記本体部の中心軸の位置を中心とする所定の円周上にて該円周の周方向に等間隔に位置しかつ隣り合うように配設された複数の前記旋回増速部と、を有し、前記気体導入部は、前記気体の導入路として、各前記流速増速部の下流側の開口に連通するとともに前記開口と同心円的に伸延する円筒状の通路である軸方向通路と、全ての前記流速増速部に対応する前記軸方向通路の上流側が連通する空気室と、下流側を前記空気室に連通させるとともに上流側を前記本体部の外周面に開口させた径方向通路と、を有するものであり、全ての前記旋回増速部の前記旋回流形成部により形成される旋回流の旋回方向を共通とするとともに、前記円周の周方向に隣り合う前記旋回増速部同士、および前記円周の径方向に隣り合う前記旋回増速部同士を互いに近接した位置に設けることにより、互いに隣接する前記旋回増速部間で、各前記旋回増速部による隣接旋回流間における相反する向きの流れによる剪断作用を持つ流れの層が形成されるように構成したものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構造によって、微細気泡の微細化を促進させることができるとともに、微細気泡の発生量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生器の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生器の構造を示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生器の構造を示す縦断面分解図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生器の構造を示す分解斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る静翼体を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る絞り部材を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る気体導入部を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生器についてのシミュレーション画像を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る微細気泡発生器における作用についての説明図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る微細気泡発生器の外観を示す斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る微細気泡発生器の構造を示す縦断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る微細気泡発生器の構造を示す縦断面分解図である。
【図１４】本発明の他の実施形態に係る微細気泡発生器の構造を示す分解斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に係る微細気泡発生器における作用についての説明図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係る微細気泡発生器における作用についての説明図である。
【図１７】本発明の実施例としての溶存酸素量の測定結果を示す図である。
【図１８】本発明の実施例としての酸素溶解効率の算出結果を示す図である。
【図１９】本発明の実施例としての微細気泡の粒子径の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、旋回剪断方式によって液体中に微細気泡を発生させるための微細気泡発生器において、旋回流を形成する旋回流形成部およびこれに対応する流速増速部の組合せを並列的に複数設けることにより、複数の旋回流形成部と同数の気液二相旋回流による相乗的な剪断作用を得ることで、微細気泡の効率的な微細化および微細気泡の発生量の向上を図ろうとするものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る微細気泡発生器１は、微細気泡発生装置１０の構成要素であり、液体中に微細気泡を発生させるためのものである。微細気泡発生装置１０は、連続相としての液体と、分散相としての気体とを混合するとともに、気体を超微細かつ均一な気泡として、気液混合相としての混合流体を生成する装置である。本実施形態では、液体は水Ｆ１であり、気体は空気Ｆ２である。したがって、混合流体は、超微細な気泡混じりの水（微細気泡含有水）Ｆ３である。
【００１９】
図１に示すように、微細気泡発生装置１０は、微細気泡発生器１と、微細気泡発生器１に供給する水Ｆ１を収容する液体収容部２と、微細気泡発生器１により生成された微細気泡含有水Ｆ３を収容する混合流体収容部３と、微細気泡発生器１を含む水Ｆ１の経路において水Ｆ１の流れを形成するためのポンプ４とを備える。
【００２０】
微細気泡発生器１の一端側（上流側）には、第１連通路としての第１連通配管５の一端側（下流側）が連通接続されている。また、微細気泡発生器１の他端側（下流側）には、第２連通路としての第２連通配管６の一端側（上流側）が連通接続されている。つまり、微細気泡発生器１は、第１連通配管５側を上流側、第２連通配管６側を下流側とする配管構成において、第１連通配管５と第２連通配管６との間に介装された状態で設けられている。
【００２１】
微細気泡発生器１に対しては、液体収容部２に収容されている水Ｆ１が、ポンプ４によって圧送される。ポンプ４の吸込口４ａには、液体収容部２に収容された水Ｆ１を吸い込むための第３連通路としての第３連通配管７の一端側（下流側）が連通接続されている。第３連通配管７の他端側（上流側）は、液体収容部２内の水Ｆ１内に開口している。つまり、ポンプ４の吸込口４ａには、第３連通配管７を介して液体収容部２が連通連結されている。
【００２２】
ポンプ４の吐出口４ｂには、微細気泡発生器１の上流側に一端側が接続された第１連通配管５の他端側（上流側）が連通接続されている。つまり、微細気泡発生器１の上流側には、第１連通配管５を介してポンプ４の吐出口４ｂが連通連結されている。微細気泡発生器１の下流側に一端が接続された第２連通配管６は、その他端側が微細気泡含有水Ｆ３を収容する混合流体収容部３の内部に連通するように配されている。つまり、微細気泡発生器１の下流側には、第２連通配管６を介して混合流体収容部３が連通連結されている。
【００２３】
以上のような構成において、ポンプ４を作動させることにより、液体収容部２内の水Ｆ１が、第３連通配管７を通してポンプ４の吸込口４ａから吸い込まれるとともに、ポンプ４の吐出口４ｂから微細気泡発生器１に対して吐出される。そして、微細気泡発生器１内には、ポンプ４によって加圧された水Ｆ１が導入される一方、所定の気体導入経路から供給される空気Ｆ２が導入され、微細気泡発生器１内において水Ｆ１と空気Ｆ２とが混合されて、微細気泡含有水Ｆ３が生成される。微細気泡発生器１により生成された微細気泡含有水Ｆ３は、第２連通配管６を通して混合流体収容部３に吐出されて収容される。
【００２４】
（微細気泡発生器の構成）
本実施形態に係る微細気泡発生器１について、図２から図１０を用いて説明する。微細気泡発生器１は、微細気泡発生器１の基体部分である本体部１１と、本体部１１に設けられる旋回流形成部１２と、同じく本体部１１に設けられる流速増速部１３と、同じく本体部１１に設けられる気体導入部１４とを備える。
【００２５】
本体部１１は、上流側端である一端に水Ｆ１の流入口１５を有し、下流側端である他端に微細気泡を含有する液体、つまり混合流体である微細気泡含有水Ｆ３の流出口１６を有する。すなわち、微細気泡発生器１においては、ポンプ４等によって供給される水Ｆ１が流入口１５から本体部１１内に流入して流出口１６から本体部１１外に流出するまでの過程において、水Ｆ１についての旋回流形成部１２による旋回流の形成および流速増速部１３の絞り作用による流速の増速を経て、気体導入部１４によって導入される空気Ｆ２が水Ｆ１に混合することで微細気泡含有水Ｆ３が生成され、その微細気泡含有水Ｆ３が流出口１６から流出する。
【００２６】
図２に示すように、本体部１１は、全体として円筒状（円柱状）の外形をなすように構成されている。具体的には、本体部１１は、上流側（流入口１５側）から下流側（流出口１６側）にかけて順に配置される構成部材として、入口フランジ２１、スクリューホルダ２２、絞りホルダ２３、および出口フランジ２４を有する。これらの本体部１１の構成部材は、同一あるいは略同一の（共通の）外径寸法を有する円板状ないし円筒状の外形をなす部材であり、同心配置されるとともに中心軸方向（筒軸方向）に重ねられた態様で一体的な円筒形状をなす。
【００２７】
したがって、本体部１１においては、入口フランジ２１、スクリューホルダ２２、絞りホルダ２３、および出口フランジ２４の各部材の外周面によって連続的な円柱面である外周面が形成される（図３から図５参照）。そして、本体部１１においては、一体的な円筒状の外形における中心軸方向に沿う方向が、水Ｆ１あるいは微細気泡含有水Ｆ３の大局的な流れの方向となる。
【００２８】
入口フランジ２１は、円板状の部材であり、本体部１１において流入口１５を形成する部分である。入口フランジ２１は、流入口１５を形成する孔部２１ａを有する。孔部２１ａは、入口フランジ２１の円板状の外形における中央部において所定の内周面２１ｂによって形成された貫通孔を形成する部分である。
【００２９】
本実施形態では、流入口１５を構成する孔部２１ａの内周面２１ｂは、入口フランジ２１の中心軸方向、つまり本体部１１の中心軸方向（図３における左右方向、以下単に「中心軸方向」ともいう。）について下流側（同図における右側）から上流側（同図における左側）にかけて徐々に縮径するテーパ形状（截頭円錐形状）に形成されている。ただし、孔部２１ａの形状、特に孔径による形状は、本体部１１の上流側に接続される第１連通配管５の管径等に応じて適宜調整されるものであり、直線的な形状（上流側から下流側にかけて同径の形状）であったり、本実施形態とは逆方向に上流側から下流側にかけて縮径するテーパ形状であったりしてもよい。
【００３０】
また、入口フランジ２１においては、孔部２１ａの周囲に、本体部１１に第１連通配管５を接続するためのネジ孔２１ｃが複数設けられている。本実施形態では、４箇所のネジ孔２１ｃが中心軸方向の軸回りの周方向に略等間隔（等角度間隔）で設けられている。図１に示すように、第１連通配管５は、配管フランジ８を介して本体部１１に接続される。すなわち、第１連通配管５の本体部１１に対する接続側の端部には、配管フランジ８が取り付けられ、配管フランジ８が本体部１１に固定されることにより、第１連通配管５が本体部１１に接続される。ネジ孔２１ｃには、配管フランジ８の鍔部８ａを貫通するフランジ取付ネジ８ｂがねじ込まれる。
【００３１】
スクリューホルダ２２は、円板状ないし円筒状の部材であり、円板状の入口フランジ２１に対して、同心配置されるとともに、上流側の端面２２ｘを、入口フランジ２１の下流側の板面２１ｙに密着させた状態で設けられる。スクリューホルダ２２は、本体部１１において旋回流形成部１２が設けられる部分である。本実施形態では、旋回流形成部１２は、並列的に、つまり中心軸方向について共通の位置（同じ位置）に４箇所設けられている。４箇所の旋回流形成部１２は、中心軸方向視で所定の位置関係となるように配置されている。旋回流形成部１２の位置関係については後述する。
【００３２】
旋回流形成部１２は、流入口１５から流入した水Ｆ１による旋回流を形成する部分である。すなわち、旋回流形成部１２は、中心軸方向に沿う所定の軸線を中心に捩じれた流路を形成する部分であり、流入口１５を介して上流側から流れ込む水Ｆ１について、中心軸方向に沿う方向を軸線方向とする螺旋状の流れを形成する。４箇所の旋回流形成部１２により形成される旋回流の旋回方向は、統一された（共通の）方向である。本実施形態では、本体部１１の上流側から下流側に向かう中心軸方向視で右回り（時計方向）である（図１０、矢印Ｓ１参照）。特に、本実施形態では、４箇所の旋回流形成部１２は、形状・構造・寸法等を互いに同じ（共通）とする。
【００３３】
旋回流形成部１２は、スクリューホルダ２２においては、上流側の端面２２ｘおよび下流側の端面２２ｙに開口する螺旋状の旋回流路を形成する。旋回流形成部１２に対して上流側から流入した水Ｆ１は、旋回流形成部１２の旋回流路によって捩じれ作用を受けて旋回流を形成しながら下流側へと流れ出る。
【００３４】
４箇所の旋回流形成部１２は、中心軸方向視で、入口フランジ２１において下流側の板面２１ｙに開口する孔部２１ａ（流入口１５）の開口範囲内に設けられている。すなわち、４箇所の旋回流形成部１２の上流側の開口は、流入口１５内に臨み、流入口１５により形成される水Ｆ１の流路が、４箇所の旋回流形成部１２による互いに平行な４つの螺旋流路に分岐する。
【００３５】
互いに密着した状態となる入口フランジ２１とスクリューホルダ２２との間には、流入口１５と旋回流形成部１２との連通部分を囲むように位置するＯリング２５が介装される（図３参照）。本実施形態では、Ｏリング２５は、スクリューホルダ２２の上流側の端面２２ｘにおいて旋回流形成部１２が設けられる範囲の外側に設けられた円環状の嵌合溝２２ｐに嵌め込まれることで位置決めされる。
【００３６】
旋回流形成部１２は、本体部１１とは別体の静翼体であるスクリュー体４０により構成されている。つまり、本実施形態では、本体部１１を構成するスクリューホルダ２２とは別体の部材であるスクリュー体４０により、旋回流形成部１２が構成されている。このため、スクリューホルダ２２には、スクリュー体４０を嵌め込むためのスクリュー用孔部２２ａが設けられている。このスクリュー用孔部２２ａにスクリュー体４０が嵌め込まれることにより、本体部１１において旋回流形成部１２が構成される。
【００３７】
スクリュー体４０について、図６を用いて説明する。なお、図６（ａ）はスクリュー体４０の上流側から見た図（背面図）であり、同図（ｂ）はスクリュー体４０の下流側から見た図（正面図）であり、同図（ｃ）はスクリュー体４０の側面図であり、同図（ｄ）は下流側からの斜視図であり、同図（ｅ）は上流側からの斜視図である。
【００３８】
図６の各図に示すように、スクリュー体４０は、全体として略円筒状に沿う外形を有し、その中心軸部分を構成するとともにスクリュー体４０の軸線方向に伸延する直線状の部分である芯部４１と、芯部４１の周面部からスクリュー体４０の径方向の外側に向けて突設された複数の羽根部４２とを有する。なお、スクリュー体４０の軸線方向は、旋回流形成部１２によって形成される旋回流の中心線方向となり、本体部１１の中心軸方向と一致する。
【００３９】
本実施形態のスクリュー体４０は、芯部４１の軸線回りに等間隔（等角度間隔）に設けられた４つの羽根部４２を有する。したがって、スクリュー体４０は、その横断面形状として、中央部の芯部４１と、芯部４１の周囲から径方向の外側に向けて、つまり放射状に突出する４箇所の羽根部４２とによって略十字形状をなす。
【００４０】
スクリュー体４０において互いに隣り合う羽根部４２間には、各羽根部４２の一側の側面を形成するとともに連続的な凹曲面４３ａをなす溝部４３が形成されている。つまり、互いに隣り合う羽根部４２は、互いに対向させる側面を羽根部４２の基端側で連続させて凹曲面４３ａを形成する。すなわち、羽根部４２の板厚方向の両側の面（側面）は、凹曲面４３ａの一部であり、各羽根部４２は、板厚方向の両側から凹曲面状にえぐられたような形状を有する。したがって、羽根部４２は、凹曲面４３ａの曲面形状により、基端側（芯部４１側）からスクリュー体４０の径方向の外側にかけて、板厚を一端徐々に薄くしてからまた徐々に厚くするような形状を有する。詳細には、羽根部４２は、スクリュー体４０の径方向の中途部が最小肉厚で外側（先端側）が最大肉厚となるような形状を有する。また、羽根部４２の外周側（先端側）の端面４２ａは、スクリュー体４０が全体として沿う略円筒状の外形における外周面（円柱面）に沿う曲面となる。一方、溝部４３を形成する凹曲面４３ａは、スクリュー体４０の横断面視において略円弧状をなすような形状を有する。
【００４１】
そして、スクリュー体４０を構成する４つの羽根部４２は、スクリュー体４０の上流側の端面４０ｘから下流側の端面４０ｙにかけて、一定の角度θの捩じれ角をもって捩じられた形状を有する。つまり、羽根部４２は、上流側から下流側にかけてスクリュー体４０の中心軸の位置を中心として角度θ捩じれて伸延するように形成されている。言い換えると、スクリュー体４０は、上流側の端面４０ｘから下流側の端面４０ｙにかけて、上記のとおり略十字形状の横断面形状がその形状を維持しながら中心軸の位置を中心として角度θ回転するような形状を有する。このように旋回状に捩じれた羽根部４２間に形成される溝部４３が、旋回流形成部１２において水Ｆ１が流れる旋回形成流路１２ａを形成する部分となる。なお、捩じれ角の角度θは、例えば４５〜９０°である。
【００４２】
スクリュー体４０は、樹脂等を材料とする一体の部材であり、樹脂成形や切削加工によって形成される。本実施形態では、４つの羽根部４２および溝部４３が螺旋状にほぼ平行に形成される。なお、スクリュー体４０の樹脂成形や切削加工においては、水Ｆ１との間の摩擦抵抗が極力少なくなるように、できるだけ表面を滑らかにすることが好ましい。
【００４３】
また、スクリュー体４０においては、各羽根部４２の上流側の端部に、スクリュー体４０のスクリューホルダ２２に対する位置決め用の突部４４が形成されている。突部４４は、スクリュー体４０が全体として沿う略円筒状の外形における拡径部分（鍔状の部分）が溝部４３によって分断され各羽根部４２に対応する部分に残されたような態様を有する。
【００４４】
このようなスクリュー体４０の突部４４に対応して、スクリューホルダ２２においては、スクリュー用孔部２２ａの上流側の端部に段差部２２ｃが形成されている。段差部２２ｃは、スクリュー用孔部２２ａの孔径の拡径部分によって形成され、スクリュー用孔部２２ａの内周面２２ｄにおいて段差面を形成する部分である。スクリュー体４０は、スクリューホルダ２２に対してスクリュー用孔部２２ａの上流側の開口から、突部４４側を後側（上流側）とする向きで差し込まれる。これにより、突部４４が段差部２２ｃに接触して係止される態様で、スクリュー体４０が中心軸方向についてスクリューホルダ２２に対して下流側への相対的な移動が規制される。
【００４５】
スクリュー体４０は、その突部４４およびスクリューホルダ２２側の段差部２２ｃによる中心軸方向の相対的な移動の規制を含み、スクリューホルダ２２に対して中心軸方向および中心軸回りの周方向に位置決めされた状態で設けられる。つまり、スクリュー体４０は、スクリューホルダ２２に対して固定された状態で設けられ、本体部１１における固定翼となる。
【００４６】
スクリュー体４０をスクリューホルダ２２に対して固定ないし位置決めするための方法・構造としては、本体部１１内における水圧等に応じて次のような手法が適宜採用される。例えば、ネジ等の締結具を用いてスクリュー体４０をスクリューホルダ２２に固定する手法がある。この場合、スクリューホルダ２２においてその外周面およびスクリュー用孔部２２ａに開口するネジ孔（雌ネジ）が形成され、スクリュー用孔部２２ａ内に嵌め込まれたスクリュー体４０に対して、羽根部４２の端面４２ａに当接するようにスクリューホルダ２２の外周側から締結具がねじ込まれる。つまりこの場合、締結具による押圧作用によってスクリュー体４０がスクリュー用孔部２２ａ内で固定されることになる。また、スクリュー体４０は、スクリュー用孔部２２ａに対して圧入されることにより、スクリューホルダ２２に固定されてもよい。また、スクリュー体４０は、スクリュー用孔部２２ａに対する所定の嵌合形状部分同士による嵌合によってスクリューホルダ２２に固定されてもよい。圧入や嵌合による手法の場合、ネジ等の締結具が不要となる。
【００４７】
以上のような構造により、スクリュー体４０がスクリューホルダ２２のスクリュー用孔部２２ａに嵌め込まれた状態において、上述したように円柱面に沿う羽根部４２の端面４２ａがスクリュー用孔部２２ａの内周面２２ｄに密着するとともに、隣り合う羽根部４２間の溝部４３の外周側の開放部分がスクリュー用孔部２２ａの内周面２２ｄによって塞がれることで、旋回形成流路１２ａが形成される。したがって、流入口１５から旋回流形成部１２に流入した水Ｆ１は、旋回形成流路１２ａに沿って上流側から下流側に流れることで、確実に旋回流を形成する。
【００４８】
以上のように、本実施形態の本体部１１においては、スクリューホルダ２２にスクリュー体４０が挿嵌されることで、本体部１１において旋回形成流路１２ａを形成する旋回流形成部１２が構成される。なお、本実施形態では、旋回流形成部１２は、本体部１１とは別体のスクリュー体４０により構成されているが、本体部１１を構成する部材の一部として一体的に成形された部分であってもよい。
【００４９】
絞りホルダ２３は、円板状ないし円筒状の部材であり、スクリューホルダ２２に対して、同心配置されるとともに、上流側の端面２３ｘを、スクリューホルダ２２の下流側の端面２２ｙに密着させた状態で設けられる。絞りホルダ２３は、本体部１１において流速増速部１３が設けられる部分である。流速増速部１３は、４箇所の旋回流形成部１２のそれぞれに対して下流側に連続するように設けられ、旋回流形成部１２の中心軸線と同軸的に伸延する流路を形成する部分である。したがって、本実施形態では、流速増速部１３は、旋回流形成部１２の配置にならって並列的に４箇所に設けられている。
【００５０】
流速増速部１３は、流路面積を絞ることにより、旋回流形成部１２により形成された旋回流の流速を増速させる部分である。すなわち、流速増速部１３は、旋回流形成部１２から連続する流路の面積を減少させる部分であり、上流側の旋回流形成部１２から流入する水Ｆ１の旋回流について、その流路面積を徐々に減少（縮径）させる絞り部分を形成する。本実施形態では、４箇所の流速増速部１３は、形状・構造・寸法等を互いに同じ（共通）とする。
【００５１】
流速増速部１３は、絞りホルダ２３においては、上流側の端面２３ｘおよび下流側の端面２３ｙに開口する増速流路１３ａを形成する。流速増速部１３における上流側の端面２３ｘ側の開口面積は、旋回流形成部１２におけるスクリュー用孔部２２ａの下流側の開口面積と略同じであり、旋回流形成部１２とその下流側に位置する流速増速部１３は、スクリューホルダ２２と絞りホルダ２３との合わせ面部において互いの開口を対向させて連続する流路を形成する。
【００５２】
流速増速部１３は、その上流側の部分を構成する絞り部１３ｂと、下流側の部分を構成する直線部１３ｃとを有する。絞り部１３ｂは、流速増速部１３の上流側の開口端から下流側にかけて中心軸方向に沿う所定の軸線を中心に徐々に縮径するテーパ形状（截頭円錐形状）に沿うテーパ状内周面１３ｄによる縮径流路を形成する部分である。直線部１３ｃは、絞り部１３ｂの下流側端に連続して絞り部１３ｂと同軸的に下流側に向けて直線状に伸びる円筒状内周面１３ｅによる直線流路を形成する部分である。
【００５３】
流速増速部１３は、４箇所の各旋回流形成部１２に対応して同軸的に連続する流路を形成する部分であることから、４箇所の流速増速部１３の配置は、本体部１１において、中心軸方向視で、４箇所の旋回流形成部１２と重なる配置となる。したがって、上述のとおり流入口１５から４箇所の旋回流形成部１２に分岐した水Ｆ１の流れは、各旋回流形成部１２に対応して設けられた４箇所の流速増速部１３による互いに平行な４つの増速流路１３ａによって分岐状態を維持する。
【００５４】
互いに密着した状態となるスクリューホルダ２２と絞りホルダ２３の間には、４箇所の旋回流形成部１２と流速増速部１３との連通部分を囲むように位置するＯリング２６が介装される（図３参照）。本実施形態では、Ｏリング２６は、スクリューホルダ２２の下流側の端面２２ｙにおいて旋回流形成部１２が設けられる範囲の外側に設けられた円環状の嵌合溝２２ｑに嵌め込まれることで位置決めされる。
【００５５】
また、絞りホルダ２３の上流側の端面２３ｘには、Ｏリング２６の内側の部分であって４箇所の流速増速部１３が設けられる範囲を含む部分に、絞りホルダ２３の円板状ないし円筒状の外形に対して同心の円形状にわずかに突出する位置決め用の嵌合突部２３ｇが設けられている。これに対応するように、スクリューホルダ２２の下流側の端面２２ｙには、円形状にわずかに窪む位置決め用の嵌合凹部２２ｇが設けられている。嵌合凹部２２ｇと嵌合突部２３ｇとが互いに嵌合することで、スクリューホルダ２２と絞りホルダ２３とが中心軸方向に対して垂直な方向について互いに位置決めされ、旋回流形成部１２と流速増速部１３との流路の連続状態が確保される。
【００５６】
流速増速部１３は、本体部１１とは別体の絞り部材である絞り体５０により構成されている。つまり、本実施形態では、本体部１１を構成する絞りホルダ２３とは別体の部材である絞り体５０により、流速増速部１３が構成されている。このため、絞りホルダ２３には、絞り体５０を嵌め込むための絞り用孔部２３ａが設けられている。この絞り用孔部２３ａに絞り体５０が嵌め込まれることにより、本体部１１において流速増速部１３が構成される。
【００５７】
絞り体５０について、図７を用いて説明する。なお、図７（ａ）は絞り体５０の斜視図であり、同図（ｂ）は絞り体５０の縦断面図である。図７に示すように、本実施形態に係る絞り体５０は、全体として略円筒状の外形を有する筒状部材であり、その内部空間によって流速増速部１３における増速流路１３ａを形成する。絞り体５０は、上流側となる筒軸方向の一側の部分であって流速増速部１３の絞り部１３ｂを構成するテーパ部５１と、下流側となる筒軸方向の他側の部分であって流速増速部１３の直線部１３ｃを構成する円筒状の伸延部５２とを有する。すなわち、テーパ部５１の内周面５１ａにより、流速増速部１３のテーパ状内周面１３ｄが形成され、伸延部５２の内周面５２ａにより、流速増速部１３の円筒状内周面１３ｅが形成される。
【００５８】
このように絞り体５０によって構成される流速増速部１３においては、増速流路１３ａによる流路面積の絞りの程度、つまり絞り体５０のテーパ部５１のテーパ角度や、絞り体５０の軸線方向に沿って伸延する増速流路１３ａの流路長さ等によって、水Ｆ１の流速の増速の程度が調整される。
【００５９】
絞り体５０は、樹脂等を材料とする一体の部材であり、樹脂成形や切削加工等によって形成される。なお、絞り体５０の樹脂成形や切削加工においては、水Ｆ１や空気Ｆ２との間の摩擦抵抗が極力少なくなるように、できるだけ表面を滑らかにすることが好ましい。
【００６０】
絞り体５０の略円筒状の外形について、テーパ部５１および伸延部５２の各部の内部空間として形成される増速流路１３ａの形状にならって、伸延部５２は、テーパ部５１に対して相対的に外径が小さい縮径部分である。絞り体５０の外周面部においては、テーパ部５１と伸延部５２との略境界部分に、中心軸方向の下流側（図７（ｂ）において右側）を向く段差面５３が形成されている。円筒状の伸延部５２は、段差面５３から垂直方向に突出する態様で設けられている。
【００６１】
このような外形形状を有する絞り体５０に対応して、絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａは、絞り体５０が嵌り込むような孔形状を有する。すなわち、絞り用孔部２３ａは、絞り体５０の伸延部５２が差し込まれる縮径部２３ｂと、伸延部５２に対して相対的な拡径部分であるテーパ部５１が嵌り込む拡径部２３ｃとを有する。
【００６２】
絞り体５０は、絞りホルダ２３に対して絞り用孔部２３ａの上流側の開口から、テーパ部５１側を後側（上流側）とする向きで差し込まれる。このように絞り用孔部２３ａに差し込まれる絞り体５０と絞りホルダ２３との間には、Ｏリング２７が介装される（図３参照）。詳細には、Ｏリング２７は、絞り用孔部２３ａにおける縮径部２３ｂと拡径部２３ｃとの間の段差面２３ｄと、この段差面２３ｄに対向する絞り体５０の段差面５３との間に挟まれる。Ｏリング２７は、絞り体５０の段差面５３において伸延部５２が突出する部分を囲むように形成された円環状の嵌合溝５３ａに嵌め込まれることで位置決めされる。絞り体５０は、段差面５３を絞りホルダ２３の段差面２３ｄに接触させて係止される態様で、中心軸方向について絞りホルダ２３に対して下流側への相対的な移動が規制される。
【００６３】
絞り体５０は、その段差面５３および絞りホルダ２３側の段差面２３ｄ（図４、図８参照）による中心軸方向の相対的な移動の規制を含み、絞りホルダ２３に対して中心軸方向および中心軸回りの周方向に位置決めされた状態で設けられる。つまり、絞り体５０は、絞りホルダ２３に対して固定された状態で設けられる。絞り体５０を絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａに対して固定ないし位置決めするための方法・構造としては、スクリュー体４０のスクリューホルダ２２に対する固定ないし位置決めの場合と同様に、本体部１１内における水圧等に応じて、ネジ等の締結具を用いた手法や、圧入あるいは嵌合による手法等が適宜採用される。
【００６４】
図８に示すように、絞り体５０が絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａに差し込まれた状態においては、伸延部５２の外周面５２ｂと、絞り用孔部２３ａの縮径部２３ｂの内周面２３ｆとの間に、隙間（符号Ｗ１参照）が存在する。すなわち、伸延部５２の外径寸法は、絞り用孔部２３ａの縮径部２３ｂの内径寸法に対してわずかに小さく、縮径部２３ｂに対して伸延部５２が同心に位置することで、伸延部５２の周囲に、伸延部５２の外径の半径と縮径部２３ｂの内径の半径との差分を厚さ方向の寸法（符号Ｗ１参照）とする円筒状の空間が形成される。この円筒状の空間の上流側は、上述したように絞り体５０と絞りホルダ２３との間に介装されるＯリング２７によって密閉される。
【００６５】
以上のような構造により、絞り体５０が絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａに嵌め込まれた状態において、テーパ部５１の内周面５１ａおよび伸延部５２の内周面５２ａによって、増速流路１３ａが形成される。すなわち、旋回流形成部１２から流速増速部１３に流入した水Ｆ１による旋回流の速度は、絞り体５０により構成される増速流路１３ａによって増速される。流速増速部１３は、絞り部１３ｂの上流側の開口から直線部１３ｃへの流路径の縮径により、流路断面積を例えば１／４〜１／５程度に絞る。
【００６６】
以上のように、本実施形態の本体部１１においては、絞りホルダ２３に絞り体５０が挿嵌されることで、本体部１１において増速流路１３ａを形成する流速増速部１３が構成される。なお、本実施形態では、流速増速部１３は、本体部１１とは別体の絞り体５０により構成されているが、本体部１１を構成する部材の一部として一体的に成形された部分であってもよい。
【００６７】
上述したように絞り体５０によって構成される流速増速部１３が設けられる絞りホルダ２３は、本体部１１において気体導入部１４が設けられる部分でもある。
【００６８】
気体導入部１４は、流入口１５から流入する水Ｆ１の流路に連通する空気Ｆ２の導入路を形成する部分である。すなわち、気体導入部１４は、本体部１１の外部から本体部１１の内部における水Ｆ１の流路に連通する空気通路を形成する部分であり、流速増速部１３を経た水Ｆ１に対して空気Ｆ２を混合させる。気体導入部１４は、流速増速部１３にて増速された水流による圧力降下によって大気圧に対して真空圧となった本体部１１内に、ベンチュリ効果によって外部から空気Ｆ２を吸引させる。
【００６９】
気体導入部１４は、本体部１１において４箇所に存在する流速増速部１３のそれぞれに対して設けられる。気体導入部１４は、円板状ないし円筒状の絞りホルダ２３において、その径方向に沿う径方向通路２３ｈと、径方向通路２３ｈに連通して中心軸方向に沿って伸延する軸方向通路２３ｉとを有する。
【００７０】
径方向通路２３ｈは、絞りホルダ２３の径方向に沿って直線状に穿設された孔部であり、絞りホルダ２３において、中心軸方向について、絞り体５０の伸延部５２が差し込まれる絞り用孔部２３ａの縮径部２３ｂの中間部の位置に設けられる。したがって、径方向通路２３ｈの上流側は、絞りホルダ２３の外周面２３ｒに開口し、径方向通路２３ｈの下流側は、絞り用孔部２３ａの縮径部２３ｂを形成する内周面２３ｆに臨んで開口する。４箇所の流速増速部１３に対して設けられた径方向通路２３ｈは、中心軸方向視で４方向に十字状（放射状）に配された態様となる。
【００７１】
軸方向通路２３ｉは、上述したように絞り用孔部２３ａ内において絞り体５０の伸延部５２の周囲に形成される円筒状の空間である。すなわち、軸方向通路２３ｉは、伸延部５２の外周面５２ｂと、絞り用孔部２３ａの縮径部２３ｂの内周面２３ｆとの間のわずかな隙間（符号Ｗ１参照）として形成され、絞り体５０と同心円的に伸延する円筒状の通路である。軸方向通路２３ｉに対しては、径方向通路２３ｈは、絞り用孔部２３ａの縮径部２３ｂの内周面２３ｆに下流側端を開口させることで連通する。
【００７２】
気体導入部１４は、絞り体５０の伸延部５２の先端（開口端）の下流側にて流速増速部１３と合流する。本実施形態では、絞り体５０の伸延部５２の先端は、絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａの下流側の開口端、つまり下流側の端面２３ｙよりもわずかに手前側（上流側）に位置し、伸延部５２の外周面５２ｂと縮径部２３ｂの内周面２３ｆとによって形成される軸方向通路２３ｉは、縮径部２３ｂ内において、伸延部５２の開口端の位置で途切れる。このため、軸方向通路２３ｉによって下流側の部分をなす気体導入部１４は、縮径部２３ｂ内において伸延部５２が途切れた絞り用孔部２３ａの下流側の端部にて流速増速部１３と合流することになる。
【００７３】
このような気体導入部１４によれば、流速増速部１３において絞り体５０の伸延部５２の先端開口から流れ出る水Ｆ１に対して、径方向通路２３ｈおよび軸方向通路２３ｉを経た空気Ｆ２が、流路の横断面視で径方向の外側の全周から一様に合流する。このような水Ｆ１と空気Ｆ２との合流作用により、微細気泡含有水Ｆ３が生成される。なお、本実施形態では、絞り体５０の伸延部５２の先端が、絞り用孔部２３ａの下流側の開口端（下流側の端面２３ｙ）よりも手前側に位置するが、伸延部５２の先端は、中心軸方向について絞り用孔部２３ａの下流側の開口端と同じ位置に位置したり、絞り用孔部２３ａから突出したりしてもよい。これらの場合、絞り用孔部２３ａよりも下流側の位置となる流出口１６内の位置にて、流速増速部１３を経た水Ｆ１と気体導入部１４を経た空気Ｆ２とが合流することになる。また、気体導入部１４を構成する軸方向通路２３ｉの上流側については、上記のとおり絞り体５０と絞りホルダ２３との間に介装されるＯリング２７によって密閉されることから、径方向通路２３ｈから軸方向通路２３ｉに導入された空気Ｆ２は、効率的に下流側へと流れる。
【００７４】
以上のような構造の気体導入部１４によれば、所定の空気供給経路により供給される空気Ｆ２が、気体導入部１４を構成する径方向通路２３ｈの外側の開口部を吸入口として導入される。このため、径方向通路２３ｈには、空気導入用配管１７が接続される（図８参照）。本実施形態では、径方向通路２３ｈの上流側（外周面２３ｒ側）の端部に、空気導入用配管１７を固定するための雌ネジ部２３ｊが形成されている。空気導入用配管１７には、継手等を介して所定の空気供給用の配管が接続される。気体導入部１４による空気Ｆ２の導入量は、例えば、流速増速部１３を流れる水の流量の数パーセントに設定される。
【００７５】
気体導入部１４による空気Ｆ２の導入に関しては、本実施形態では、流速増速部１３にて増速された水流による圧力降下にともなって空気Ｆ２を自吸する構成を採用しているが、押込みによる空気の導入を行う構成を適宜採用してもよい。この場合、例えば、気体導入部１４に接続される空気供給用の経路においてポンプ等が配置され、空気導入用配管１７に対して空気が圧送されることになる。かかる構成を採用することにより、例えば気体導入部１４における空気Ｆ２の導入経路の長さが長くなることに起因する圧力損失による空気Ｆ２の自吸作用の低下を補うことができ、十分な量の空気Ｆ２を確実に供給することが可能となる。また、気体導入部１４に接続される空気供給用の経路において、空気の流量を調節するための弁を設けることにより、空気Ｆ２の吸入量を可変とすることができる。
【００７６】
出口フランジ２４は、円板状の部材であり、絞りホルダ２３に対して、同心配置されるとともに、上流側の板面２４ｘを、絞りホルダ２３の下流側の端面２３ｙに密着させた状態で設けられる。出口フランジ２４は、本体部１１において流出口１６を形成する部分である。出口フランジ２４は、流出口１６を形成する孔部２４ａを有する。孔部２４ａは、出口フランジ２４の円板状の外形における中央部において所定の内周面２４ｂによって形成された貫通孔を形成する部分である。
【００７７】
本実施形態では、流出口１６を構成する孔部２４ａの内周面２４ｂは、中心軸方向について上流側から下流側にかけて徐々に縮径するテーパ形状（截頭円錐形状）に形成されている。このように、本体部１１の流出口１６には、出口フランジ２４の孔部２４ａによって流路面積を絞る絞り部が形成されている。ただし、孔部２４ａの形状、特に孔径による形状は、本体部１１の下流側に接続される第２連通配管６の管径等に応じて適宜調整されるものであり、直線的な形状（上流側から下流側にかけて同径の形状）であったり、本実施形態とは逆方向に下流側から上流側にかけて縮径するテーパ形状であったりしてもよい。
【００７８】
また、出口フランジ２４においては、孔部２４ａの周囲に、本体部１１に第２連通配管６を接続するためのネジ孔２４ｃが複数設けられている。本実施形態では、４箇所のネジ孔２４ｃが中心軸方向の軸回りの周方向に略等間隔（等角度間隔）で設けられている。図１に示すように、第２連通配管６は、配管フランジ９を介して本体部１１に接続される。すなわち、第２連通配管６の本体部１１に対する接続側の端部には、配管フランジ９が取り付けられ、配管フランジ９が本体部１１に固定されることにより、第２連通配管６が本体部１１に接続される。ネジ孔２４ｃには、配管フランジ９の鍔部９ａを貫通するフランジ取付ネジ９ｂがねじ込まれる。
【００７９】
また、流出口１６を構成する孔部２４ａは、中心軸方向視で、上流側の開口の範囲内に、絞りホルダ２３において下流側の端面２３ｙに臨む４箇所の絞り用孔部２３ａの下流側の開口を含むように設けられる。すなわち、４箇所の流速増速部１３の下流側の開口は、全て流出口１６内に臨み、４つの増速流路１３ａが流出口１６において合流する。したがって、４箇所の流速増速部１３のそれぞれの下流側の部分において水Ｆ１と空気Ｆ２との合流作用によって生成された微細気泡含有水Ｆ３は、流出口１６に流れ込んで合流することになる。
【００８０】
互いに密着した状態となる絞りホルダ２３と出口フランジ２４との間には、流速増速部１３と流出口１６との連通部分を囲むように位置するＯリング２８が介装される（図３参照）。本実施形態では、Ｏリング２８は、絞りホルダ２３の下流側の端面２３ｙにおいて流速増速部１３が設けられる範囲の外側に設けられた円環状の嵌合溝２３ｐに嵌め込まれることで位置決めされる。
【００８１】
以上のように、本実施形態の微細気泡発生器１は、本体部１１を構成する部材として、流入口１５を構成する入口フランジ２１と、スクリュー体４０によって旋回流形成部１２を構成するスクリューホルダ２２と、絞り体５０によって流速増速部１３を構成するとともに気体導入部１４が設けられる絞りホルダ２３と、流出口１６を構成する出口フランジ２４とを備える。これらの構成部材は、本体部１１として一体的な構造体をなすように、所定の方法・構造によって互いに固定される。
【００８２】
本実施形態では、スクリューホルダ２２と絞りホルダ２３とは、本体部１１の中心軸上に位置する固定ネジ（図示略）により互いに固定される。この固定ネジは、絞りホルダ２３の中心を軸心方向に貫通する貫通孔２３ｋに対して絞りホルダ２３の下流側の端面２３ｙ側から差し込まれるとともに、スクリューホルダ２２の中心位置において下流側の端面２２ｙに開口するように形成されたネジ孔２２ｋにねじ込まれることで、スクリューホルダ２２と絞りホルダ２３とを互いに固定する。また、入口フランジ２１とスクリューホルダ２２、および絞りホルダ２３と出口フランジ２４とは、それぞれ図示せぬ所定の係止用の形状部分によって互いに固定される。このような構造により、本体部１１を構成する４つの部材が互いに固定される。
【００８３】
なお、本体部１１の構成部材を固定するための方法・構造としては、本体部１１の外形の寸法等に応じて適宜の手法が用いられる。例えば、本体部１１の構成部材に対して中心軸方向に沿って貫通ないし螺挿されるネジ等の締結具を用いて本体部１１の構成部材をまとめて固定する手法がある。この場合、例えば、本体部１１の４つの構成部材のうち上流側または下流側の３つの構成部材を貫通するとともに残りの１の構成部材に螺挿される固定ネジが複数用いられ、本体部１１の構成部材がまとめて互いに固定される。ただし、これらの固定ネジは、本体部１１内における水Ｆ１および空気Ｆ２の流路や本体部１１に配管を接続するための固定部分に干渉しないように配設される。また、他の手法としては、本体部１１の中心軸方向の両側に固定される配管フランジ８，９の鍔部８ａ，９ａを本体部１１に対する拡径部分として本体部１１の外周側に鍔状に突出させ、この両側の鍔部の突出部分間において中心軸方向に沿うボルトを架設した態様で設け、このボルトの締結によって両側の配管フランジ間に本体部１１を挟み込むことで互いに位置決めされた状態の本体部１１の構成部材を互いに固定する手法が挙げられる。かかる手法によれば、例えば、本体部１１の両側の配管フランジ間に架設された状態となる複数のボルトは、本体部１１の外周側において本体部１１の周方向に所定の間隔を隔てて配設されることになる。
【００８４】
以上のような構成を備える本実施形態の微細気泡発生器１によれば、次のような作用が得られる。すなわち、微細気泡発生器１においては、まず、ポンプ４により圧送されて第１連通配管５から流入口１５に流れ込んだ水Ｆ１は、旋回流形成部１２により旋回流を形成する。ここで、旋回流形成部１２は、スクリューホルダ２２に組み込まれるスクリュー体４０とスクリュー用孔部２２ａの周壁とによって形成される螺旋流路である旋回形成流路１２ａに水Ｆ１を通過させることで、旋回流を形成する。
【００８５】
旋回流形成部１２により形成された水Ｆ１の旋回流は、流速増速部１３により増速される。ここで、流速増速部１３は、絞り体５０によって形成する増速流路１３ａにより、旋回流形成部１２から連続する流路の断面積を１／４程度に絞り、水Ｆ１の液流の流速を増大させる。流速増速部１３においては、上述のとおり増速流路１３ａによる流路面積の絞りの程度や増速流路１３ａの流路長さ等によって流速の増速の程度が調整されることから、例えば、旋回流形成部１２から緩い速度で流速増速部１３に流入する水Ｆ１の旋回流についても、増速流路１３ａによる流速の調整により、所望の流速の液流を形成することができる。
【００８６】
流速増速部１３によって増速された旋回流により、流速増速部１３および流速増速部１３の下流側近傍における圧力が降下する。この流速増速部１３による旋回流の増速にともなう圧力降下により、気体導入部１４では、ベンチュリ効果によって、空気導入用配管１７から径方向通路２３ｈおよび軸方向通路２３ｉを通じて本体部１１の外部から空気Ｆ２が吸入される（図８、破線矢印Ｖ１参照）。気体導入部１４により吸入された空気Ｆ２は、絞り体５０の伸延部５２の外周側に形成された円筒状の空間としての軸方向通路２３ｉに沿って流れ、増速流路１３ａの下流側の部分、つまり絞り体５０の先端側の部分で、伸延部５２の先端開口から流出する水Ｆ１に対して全周的に一様に合流する。
【００８７】
気体導入部１４により導入された空気Ｆ２は、流速増速部１３により増速された水Ｆ１の旋回流による剪断作用を受けて、超微細気泡として水Ｆ１に含有されることになる。つまり、微細気泡含有水Ｆ３が生成される。流速増速部１３により増速旋回流となっている水Ｆ１の外周は、気体導入部１４により導入された空気Ｆ２により円筒状に囲繞される。水Ｆ１の外周を円筒状に囲繞する空気Ｆ２には、その内方から、水Ｆ１の増速旋回流において比較的旋回力の強い外周部分からの高い剪断力が広範囲に作用する。すなわち、水Ｆ１の増速旋回流において旋回力が比較的弱い中心部分ではなくそれよりも旋回力が強い外周部分によって、水Ｆ１の増速旋回流をその外周側から囲繞している円筒状の空気Ｆ２の内周側に対して強い剪断力が全面的に作用する。これにより、微細気泡発生器１においては、気体導入部１４により導入された空気Ｆ２が、旋回流形成部１２および流速増速部１３を経た旋回状態の水Ｆ１に対して効率よく均一的に超微細化される。結果として、超微細化かつ均一化された大量の気泡混じりの微細気泡含有水Ｆ３が生成され、流出口１６から第２連通配管６へと微細気泡含有水Ｆ３が流出される。
【００８８】
すなわち、本実施形態の微細気泡発生器１においては、空気流の流動方向と増速水流の流動方向が同一方向で同心円上にて隣接・平行しているため、空気流の内周面と増速水流の外周面とが全周面的に面接触して、その接触面積が剪断面積として大きく確保される。具体的には、空気流は増速流路１３ａを筒状に囲繞する軸方向通路２３ｉに沿って流動して、水流の外周を一定幅だけ助走することになり、その結果、空気流の流れが安定化（整流化）する。そして、その後に、安定化（整流化）された空気流の内周面と増速された水流の外周面とが全面的に面接触するために、空気流の内周面が水流の外周面から大きな剪断力を受けることになる。したがって、本実施形態の微細気泡発生器１によれば、空気流動の安定化が堅実になされて、その後に空気・水流が相互に面接触した際に生起される高剪断力により空気が堅実に超微細な気泡に微細化される。その結果、超微細かつ均一な気泡の大量生成が効率良くなされる。
【００８９】
以上のような本実施形態の微細気泡発生器１により得られる作用についてのシミュレーション画像を、図９に示す。図９に示す画像は、微細気泡発生器１の中心軸の位置を通る縦断面を切断面とする断面位置の画像であり、図１０におけるＡ−Ａ矢視断面での縦断面を表す。また、図９に示す画像において、矢印は水Ｆ１あるいは空気Ｆ２の流れを示し、矢印の色（濃淡）は圧力を示す。
【００９０】
図９に示すシミュレーション画像から、微細気泡発生器１における次のような流体の流れが確認できる。すなわち、流入口１５から流入した水Ｆ１は、４箇所の旋回流形成部１２に分岐して流れ込むとともに各旋回流形成部１２において旋回形成流路１２ａにより旋回流とされる。旋回流形成部１２により形成された旋回流は、その旋回状態を保ったまま流速増速部１３において増速されている。そして、流速増速部１３により得られた旋回状の液流は、気体導入部１４によって空気Ｆ２を引き込み、その勢いを保ちながら微細気泡含有水Ｆ３として流出口１６に流出され、徐々に旋回状態を緩和させながら第２連通配管６内を流れ進む。
【００９１】
また、図９に示すシミュレーション画像から、微細気泡発生器１における次のような圧力の変化（分布）が確認できる。すなわち、流入口１５から流入して旋回流形成部１２に流れ込む水Ｆ１については、大気圧よりも高圧となっており、その水圧が流速増速部１３における絞りの作用によって急激に大気圧よりも低圧（負圧）となっている。一方、気体導入部１４から導入される空気Ｆ２については、本体部１１内への導入の当初は大気圧と同程度の圧力で、流速増速部１３から流出する水Ｆ１と合流するまでの過程で徐々に圧力を低下させる。そして、水Ｆ１と空気Ｆ２が合流した後、流出口１６から第２連通配管６にかけて、負圧状態から徐々に大気圧へと戻る。
【００９２】
以上のようにして水Ｆ１と空気Ｆ２とを混合して微細気泡含有水Ｆ３を生成する本実施形態の微細気泡発生器１においては、旋回流形成部１２およびこの旋回流形成部１２に対応する流速増速部１３の組合せが、中心軸方向視で複数箇所となるように並列的に設けられている。すなわち、本実施形態の微細気泡発生器１においては、旋回流形成部１２およびこれに対応する流速増速部１３の組合せが、本体部１１の中心軸回りに４箇所に並列的に設けられている。
【００９３】
以下の説明では、旋回流形成部１２およびこの旋回流形成部１２に対応する流速増速部１３の組合せを旋回増速部２０とする。つまり、旋回増速部２０は、互いに同軸心配置された旋回流形成部１２および流速増速部１３の組合せであり、微細気泡発生器１において、４つの（４組の）旋回増速部２０は、流入口１５と流出口１６との間において４つの並列的な分岐流路を構成する部分となる。言い換えると、４つの旋回増速部２０は、上流側については共通の流入口１５に臨んで開口するとともに、下流側については共通の流出口１６に臨んで開口する並列的な流路を構成する。
【００９４】
微細気泡発生器１が備える４つの旋回増速部２０の配置について、図１０を用いて詳細に説明する。図１０は、微細気泡発生器１の上流側からの中心軸方向視における水Ｆ１および空気Ｆ２の２相流の流れを模式的に示す図である。なお、図１０においては、スクリュー体４０や絞り体５０の図示を省略しており、旋回増速部２０をその開口範囲に相当する円で示している。
【００９５】
図１０に示すように、微細気泡発生器１が備える４つの旋回増速部２０は、中心軸方向視で、旋回増速部２０の中心軸の位置である旋回中心点Ｃ１が所定の円周Ｃ２上にてこの円周Ｃ２の周方向に等間隔に（９０°間隔で）位置するように配設されている。
【００９６】
言い換えると、４つの旋回増速部２０は、中心軸方向視において、各旋回増速部２０の旋回中心点Ｃ１を所定の正方形の４つの頂点に対応する位置に位置させるように設けられている。したがって、図１０に示すように、中心軸方向視においては、４つの旋回増速部２０の各旋回中心点Ｃ１に対して等距離となる中心点Ｏ１が仮想され、この中心点Ｏ１を中心とする円周Ｃ２上において、旋回中心点Ｃ１の位置が等間隔（等角度間隔）となるように、４つの旋回増速部２０が設けられている。本実施形態では、４つの旋回増速部２０の各旋回中心点Ｃ１が位置する円周Ｃ２の中心点Ｏ１は、本体部１１の中心軸の位置に一致する。
【００９７】
また、本実施形態では、円周Ｃ２上において互いに隣り合う旋回増速部２０間の旋回中心点Ｃ１同士を結ぶ直線に沿う方向の間隔Ｄ１の大きさは、例えば、旋回増速部２０を示す円の半径と同程度の大きさである。また、円周Ｃ２の中心点Ｏ１を介して互いに対向する旋回増速部２０間の間隔Ｄ２の大きさは、例えば、旋回増速部２０を示す円の直径と同程度の大きさである。
【００９８】
このような４つの旋回増速部２０の配置によれば、上述したような微細気泡発生器１における水Ｆ１と空気Ｆ２との混合による微細気泡含有水Ｆ３の生成の過程における作用を踏まえ、次のような作用が得られる。ポンプ４により圧送され流入口１５に流入した水Ｆ１は、上述したように円周Ｃ２上において等角度間隔に配置された４箇所の旋回増速部２０に分岐して流入することで、各旋回増速部２０の旋回流形成部１２によって旋回流を形成する（実線矢印Ｓ１参照）。つまり、旋回増速部２０（旋回流形成部１２）と同数の旋回流が並列的に形成される。したがって、本実施形態の微細気泡発生器１においては、旋回中心（旋回中心点Ｃ１）を所定の円周Ｃ２上で等角度間隔に配置させるとともに、旋回流の旋回方向を所定の方向（図１０に示す例では右回り）とする４つの旋回流が形成される。
【００９９】
４箇所の旋回増速部２０の旋回流形成部１２において形成された旋回流は、各旋回増速部２０の流速増速部１３によって流速が加速させられ、その加速により発生した負圧によって各流速増速部１３に連通する気体導入部１４から空気Ｆ２が自吸される。ここで、空気Ｆ２は、増速された水Ｆ１の旋回流の外周側を筒状に囲繞する流路（軸方向通路２３ｉ）により、水Ｆ１に対して全外周から一様に自吸される。流速増速部１３による流速の増速作用にともなって自吸された空気Ｆ２は、各流速増速部１３の出口の下流側で生じる旋回流（気液二相旋回流、破線矢印Ｓ２参照）によって剪断・破砕され、空気Ｆ２の流れとして微細な気泡流を生成する。
【０１００】
また、流速増速部１３から流出した水Ｆ１の流れ、つまり流速増速部１３の下流側で生じる気液二相旋回流（矢印Ｓ２）は、円周Ｃ２上において互いに隣り合う旋回増速部２０の流速増速部１３同士の間において、相反速度を持つ隣接旋回流間に、速度差（速度勾配）によって強い剪断層を形成する。すなわち、旋回方向を同じくする２つの旋回流が中心軸線方向を同じとして隣接することで、２つの旋回流の間に、両旋回流の干渉部分として、中心軸方向視で相反する向き、つまり互いにぶつかり合う向きの流れが形成され、この相反する向きの流れにおける流速の速度差（速度勾配）によって強い剪断作用を持つ流れの層が形成される。このように互いに隣接する旋回流間に生じる強い剪断層内で、気体導入部１４から自吸された空気Ｆ２が、効率的に破砕されて微細化される。
【０１０１】
さらに、４つの気液二相旋回流（矢印Ｓ２）は、流出口１６を介して第２連通配管６側に流れ進むに従って、合流・合成されて一つの大きな循環流としての旋回流（破線矢印Ｓ３参照）を形成する。この合成作用によって形成される一つの大きな旋回流（矢印Ｓ３）、つまり４つの旋回増速部２０が合流した後の流路における全周的な旋回流により、流出口１６の周壁である内周面２４ｂの近傍、および第２連通配管６の内周面を形成する管壁の近傍における境界層内に剪断流が形成される。かかる周壁あるいは管壁の近傍の剪断流により、空気Ｆ２の破砕・微細化が一層促進される。
【０１０２】
以上のように、所定の配置で並列的に設けられた複数の（本実施形態では４つの）旋回増速部２０によれば、各旋回増速部２０の下流側における同数の（４つの）気液二相旋回流（矢印Ｓ２）による剪断作用と、互いに隣接する気液二相旋回流（矢印Ｓ２）間における相反する向きの流れによる剪断作用とが得られる。これらの剪断作用によれば、互いに隣接する旋回流の間の部分に、剪断流の強い箇所が生成される。具体的には、本実施形態の場合、図１０において着色部分で示すように、剪断流が強い領域として、互いに隣接する気液二相旋回流（矢印Ｓ２）の間の部分、および４つの気液二相旋回流（矢印Ｓ２）に囲まれる中心部分を含む十字状の領域Ｔ１が形成される。これらの剪断作用の相乗効果により、効率的な空気Ｆ２の破砕・微細化、つまり微細気泡の生成が行われる。
【０１０３】
さらに、本実施形態の微細気泡発生器１によれば、複数の旋回増速部２０が円周Ｃ２上において等角度間隔に配置されていることから、上記のような剪断作用に加え、複数の気液二相旋回流（矢印Ｓ２）が合流した後における一つの大きな旋回流（矢印Ｓ３）による剪断作用が得られる。これにより、いわば３段階の剪断作用の相乗効果によって、極めて効率的な空気Ｆ２の破砕・微細化が実現される。
【０１０４】
以上のような本実施形態の微細気泡発生器１によれば、簡単な構造によって、微細気泡の微細化を促進させることができるとともに、微細気泡の発生量を向上させることができる。すなわち、本実施形態の微細気泡発生器１によれば、微細気泡を発生させる方式として加圧溶解方式と比べて装置構成が簡単な旋回剪断方式を採用しながら、上述したような剪断作用の相乗効果によって、空気の破砕・微細化を促進することができ、ナノレベルの超微細気泡を多量に生成することができる。
【０１０５】
なお、本実施形態の微細気泡発生器１は、並列的に設けられた４つの旋回増速部２０を備える構成であるが、これに限定されず、流速増速部１３の下流側で合流する複数の（２つ以上の）旋回増速部２０が並列的に設けられればよい。少なくとも２つの旋回増速部２０が互いに隣り合う構成によれば、上述したように各旋回増速部２０の下流側における気液二相旋回流による剪断作用と、互いに隣接する気液二相旋回流間における相反する向きの流れによる剪断作用とが得られ、これらの相乗的な作用によって、効率的な空気の破砕・微細化を行うことが可能となる。
【０１０６】
すなわち、微細気泡発生器１が備える複数の旋回増速部２０としては、気液二相旋回流間における剪断作用が得られる程度の間隔で互いに近接した位置に設けられ、各旋回増速部２０により生じた旋回流が下流側で単一の流路に合流する構成をともなうものであればよい。このように並列的に設けられる旋回増速部２０の数は、例えば本体部１１の外形寸法や本体部１１が介装される配管の管径等によって適宜設定される。
【０１０７】
また、本実施形態の微細気泡発生器１が備える４つの旋回増速部２０は、旋回中心点Ｃ１の位置が所定の円周Ｃ２上において等間隔となるように配置されているが、複数の旋回増速部２０の配置を規定する形状としては、円周形状に限らず、例えば、楕円形状や、各頂点が所定の円周上に位置しない多角形形状等であってもよい。ただし、本実施形態のように、複数の旋回増速部２０がその旋回中心点Ｃ１の位置を円周Ｃ２上において等間隔に位置させるように配置される構成によれば、上述したように複数の気液二相旋回流が合流した後における一つの大きな旋回流による剪断作用が得られることから、剪断作用の相乗効果によって空気の微細化および微細気泡の発生量の向上について極めて優れた効果が得られる。
【０１０８】
また、本実施形態の微細気泡発生器１のように、微細気泡発生器１が備える全ての旋回増速部２０が旋回中心点Ｃ１を円周Ｃ２上に位置させるように配置された構成に限らず、微細気泡発生器１が備える一部の複数の旋回増速部２０が円周Ｃ２にならって配置される構成であってもよい。つまり、微細気泡発生器１が備える複数の旋回増速部２０の少なくとも一部の複数の旋回増速部２０が、中心軸方向視で、旋回中心点Ｃ１の位置が所定の円周上にてこの円周Ｃ２の周方向に等間隔に位置するように配設されていればよい。
【０１０９】
また、本実施形態の微細気泡発生器１においては、旋回流形成部１２が、本体部１１を構成するスクリューホルダ２２とは別体のスクリュー体４０により構成されている。かかる構成によれば、旋回流形成部１２において旋回形成流路１２ａを形成する部分を容易にかつ精度良く形成することが可能となる。具体的には、本実施形態の旋回流形成部１２を構成するスクリュー体４０の場合、例えば円筒状の部材を所定の切削加工によって切削することで、旋回形成流路１２ａを形成する複数の羽根部４２および溝部４３を容易にかつ高精度に形成することができる。ただし、旋回流形成部１２は、本体部１１を構成する部材の一部として一体的に成形された部分であってもよい。かかる構成によれば、部品点数を削減することができ、装置構成を簡略化することができるという効果が得られる。
【０１１０】
また、本実施形態の微細気泡発生器１においては、流速増速部１３が、本体部１１を構成する絞りホルダ２３とは別体の絞り体５０により構成されている。かかる構成によれば、流速増速部１３において増速流路１３ａを形成する部分を容易にかつ精度良く形成することが可能となる。具体的には、本実施形態の流速増速部１３を構成する絞り体５０の場合、例えば円筒状の部材を所定の切削加工によって切削することで、増速流路１３ａを形成する絞り部１３ｂおよび直線部１３ｃを容易にかつ高精度に形成することができる。ただし、流速増速部１３は、本体部１１を構成する部材の一部として一体的に成形された部分であってもよい。かかる構成によれば、部品点数を削減することができ、装置構成を簡略化することができるという効果が得られる。
【０１１１】
また、本実施形態の微細気泡発生器１においては、流出口１６が、出口フランジ２４の孔部２４ａにより、流路面積を絞る絞り部として下流側にかけて窄むテーパ状に形成されている。かかる構成によれば、４つの旋回増速部２０により生起された４つの気液二相旋回流が、その下流側において合流した後、流出口１６の絞り作用によって圧力の低下をともなって流速を速くする。これにより、流出口１６および流出口１６の下流側の第２連通配管６において微細気泡含有水Ｆ３の流路壁面に対する速度勾配が大きくなり、強い剪断作用を得ることができる。結果として、旋回増速部２０の下流側において剪断作用を向上させることができ、効果的に微細気泡の微細化および発生量の向上を図ることができる。
【０１１２】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について、図１１から図１５を用いて説明する。なお、本発明の第１実施形態と共通する内容については同一の符号を用いる等して適宜説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態に係る微細気泡発生器６１は、第１実施形態の微細気泡発生器１が備える４つの旋回増速部２０に加え、本体部１１の中心軸に対応する中央の位置に１つの旋回増速部２０（２０Ａ）を備え、合計で５箇所に並列的に設けられた旋回増速部２０を備える（図１５参照）。つまり、本実施形態の微細気泡発生器１においては、５つの旋回増速部２０のうち一つの旋回増速部２０Ａは、旋回中心点Ｃ１の位置が円周Ｃ２の中心である中心点Ｏ１に一致するように設けられている。
【０１１４】
したがって、本実施形態の微細気泡発生器６１においては、上述のような５つの旋回増速部２０の配置に対応して、旋回流形成部１２におけるスクリュー体４０および流速増速部１３における絞り体５０が配設される。すなわち、５つの旋回増速部２０の配置に対応して、スクリューホルダ２２においては、スクリュー体４０が挿嵌されるスクリュー用孔部２２ａが５箇所に設けられ、絞りホルダ２３においては、絞り体５０が挿嵌される絞り用孔部２３ａが５箇所に設けられている。
【０１１５】
そして、本実施形態の微細気泡発生器６１は、中央に位置する旋回増速部２０Ａに対しても本体部１１の外部からの空気Ｆ２の導入経路を確保するため、各旋回増速部２０に対する空気Ｆ２の導入経路を設けるための構成が、第１実施形態の微細気泡発生器１と異なる。以下、具体的に説明する。なお、図１１から図１４においては、本体部１１を構成する部材間および絞り体５０と絞りホルダ２３との間に介装されるＯリングの図示を省略しているが、これらのＯリングは第２実施形態の微細気泡発生器６１においても第１実施形態の場合と同様にして設けられる。
【０１１６】
図１１から図１５に示すように、本実施形態に係る微細気泡発生器６１は、本体部１１を構成する部材として、絞りホルダ２３と出口フランジ２４との間に介装される空気室フランジ７０を備える。空気室フランジ７０は、本体部１１を構成する他の部材と同一あるいは略同一の（共通の）外径寸法を有する円板状ないし円筒状の外形をなす部材であり、他の部材に対して同心配置されるとともに中心軸方向（筒軸方向）に重ねられた態様で、他の部材の外周面とともに連続的な円柱面である本体部１１の外周面を形成し、一体的な円筒形状をなす。
【０１１７】
空気室フランジ７０は、本実施形態では円板状の部材であり、上流側の板面７０ｘを、絞りホルダ２３の下流側の端面２３ｙに密着させるとともに、下流側の板面７０ｙを、出口フランジ２４の上流側の板面２４ｘに密着させた状態で設けられる。なお、図示は省略するが空気室フランジ７０と絞りホルダ２３との間、および空気室フランジ７０と出口フランジ２４との間には、本体部１１における他の部材間の場合と同様に、本体部１１内の流路の外周を囲むようにＯリングが介装される。
【０１１８】
空気室フランジ７０には、上流側の板面７０ｘにおいて５つの旋回増速部２０の下流側の開口を含む範囲で円形状に形成された浅い円筒状の凹部７１と、５つの旋回増速部２０の配置に対応して同心位置に設けられ空気室フランジ７０をその厚さ方向に貫通する絞り挿入用孔部７２とが設けられている。すなわち、空気室フランジ７０は、全体として凹部７１によって上流側を開口側とするごく浅い有底円筒形状（シャーレ形状）をなし、その底部分を貫通するように、５つの絞り挿入用孔部７２が設けられている。したがって、各絞り挿入用孔部７２の上流側は、凹部７１内に臨んで開口し、絞り挿入用孔部７２の下流側は、空気室フランジ７０の下流側の板面７０ｙに開口する。
【０１１９】
空気室フランジ７０と絞りホルダ２３とが互いに密着することで、凹部７１により、絞りホルダ２３と空気室フランジ７０との間に円板状の空間である空気室７５が形成される（図１２参照）。すなわち、空気室７５は、絞りホルダ２３の下流側の端面２３ｙと、凹部７１の内周面７１ａと、絞り挿入用孔部７２の上流側が開口する凹部７１の底面７１ｂとにより囲まれた空間となる。したがって、絞りホルダ２３における５箇所の絞り用孔部２３ａの下流側の開口は、空気室フランジ７０の凹部７１内、つまり空気室７５内に臨む。すなわち、絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａは、凹部７１により絞りホルダ２３と空気室フランジ７０との間に形成された空気室７５を介して、空気室フランジ７０の絞り挿入用孔部７２と連通した状態となる。
【０１２０】
そして、本実施形態では、絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａに対して上流側の開口から挿嵌される絞り体５０の先端側の部分、つまり伸延部５２の部分が、空気室７５を介して絞り挿入用孔部７２に挿入された状態となる。すなわち、本実施形態では、絞り体５０は、その伸延部５２を、絞りホルダ２３と空気室フランジ７０との間に架け渡した態様で設けられている。ここで、絞り体５０の伸延部５２の先端は、第１実施形態における伸延部５２と絞り用孔部２３ａとの関係と同様に、絞り挿入用孔部７２の下流側の開口端、つまり空気室フランジ７０の下流側の板面７０ｙよりもわずかに手前側（上流側）に位置する。
【０１２１】
また、本実施形態の微細気泡発生器６１では、円板状の外形を有する空気室フランジ７０において、その径方向に沿う径方向通路７３が設けられている。径方向通路７３は、空気室フランジ７０の径方向に沿って直線状に穿設された孔部であり、空気室フランジ７０において、中心軸方向について、凹部７１の内周面７１ａに開口する位置に設けられている。したがって、径方向通路７３の上流側は、空気室フランジ７０の外周面７０ｒに開口し、径方向通路７３の下流側は、凹部７１を形成する内周面７１ａに開口する。
【０１２２】
径方向通路７３は、空気室フランジ７０において１箇所に設けられている。一方、本実施形態では、第１実施形態において絞りホルダ２３の各絞り用孔部２３ａに連通するように設けられている径方向通路２３ｈが省略されている。径方向通路７３には、第１実施形態の場合における径方向通路２３ｈと同様にして、空気導入用配管１７が接続される（図８参照）。
【０１２３】
以上のような構成を備える本実施形態の微細気泡発生器６１においては、空気室フランジ７０の凹部７１による空気室７５を介して同軸状に連なる絞り用孔部２３ａと絞り挿入用孔部７２に差し込まれる絞り体５０によって、流速増速部１３が構成される。
【０１２４】
そして、微細気泡発生器６１においては、絞りホルダ２３の絞り用孔部２３ａ内における伸延部５２の周囲の円筒状の空間と、絞りホルダ２３と空気室フランジ７０との間で凹部７１によって形成される空気室７５と、空気室フランジ７０の絞り挿入用孔部７２内における伸延部５２の周囲の円筒状の空間と、径方向通路７３の内部空間とが連続した空間となる。かかる空間が、本体部１１の外部から本体部１１の内部における水Ｆ１の流路に連通する空気通路となる。
【０１２５】
したがって、本実施形態では、空気室フランジ７０の絞り挿入用孔部７２内において絞り体５０の伸延部５２の周囲に形成される円筒状の空間が、径方向通路７３と連通する軸方向通路７４となる。すなわち、軸方向通路７４は、伸延部５２の外周面５２ｂと、絞り挿入用孔部７２の内周面７２ａとの間のわずかな隙間（符号Ｗ２参照）として形成され、絞り体５０と同心円的に伸延する円筒状の通路である。軸方向通路７４は、径方向通路７３の下流側および軸方向通路７４の上流側が開口する空気室７５を介して径方向通路７３と連通する。
【０１２６】
気体導入部１４は、絞り体５０の伸延部５２の先端（開口端）の下流側にて流速増速部１３と合流する。本実施形態では、上述したように絞り体５０の伸延部５２の先端が、絞り挿入用孔部７２の下流側の開口端、つまり空気室フランジ７０の下流側の板面７０ｙよりもわずかに手前側（上流側）に位置し、伸延部５２の外周面５２ｂと絞り挿入用孔部７２の内周面７２ａとによって形成される軸方向通路７４は、絞り挿入用孔部７２内において、伸延部５２の開口端の位置で途切れる。このため、軸方向通路７４によって下流側の部分をなす気体導入部１４は、絞り挿入用孔部７２内において伸延部５２が途切れた絞り挿入用孔部７２の下流側の端部にて流速増速部１３と合流することになる。
【０１２７】
このような気体導入部１４によれば、流速増速部１３において絞り体５０の伸延部５２の先端開口から流れ出る水Ｆ１に対して、径方向通路７３、空気室７５、および軸方向通路７４を経た空気Ｆ２が、流路の横断面視で径方向の外側の全周から一様に合流する（図１２、破線矢印Ｖ２参照）。このような水Ｆ１と空気Ｆ２との合流作用により、微細気泡含有水Ｆ３が生成される。なお、本実施形態では、絞り体５０の伸延部５２の先端が、絞り挿入用孔部７２の下流側の開口端（下流側の板面７０ｙ）よりも手前側に位置するが、伸延部５２の先端は、中心軸方向について絞り挿入用孔部７２の下流側の開口端と同じ位置に位置したり、絞り挿入用孔部７２から突出したりしてもよい。これらの場合、絞り挿入用孔部７２よりも下流側の位置、本実施形態では流出口１６内の位置にて、流速増速部１３を経た水Ｆ１と気体導入部１４を経た空気Ｆ２とが合流することになる。
【０１２８】
また、空気室フランジ７０の下流側については、５箇所の絞り挿入用孔部７２の下流側の開口は、流出口１６、つまり出口フランジ２４の孔部２４ａ内に臨む。言い換えると、流出口１６を構成する孔部２４ａは、中心軸方向視で、上流側の開口の範囲内に、空気室フランジ７０において下流側の板面７０ｙに臨む５箇所の絞り挿入用孔部７２の下流側の開口を含むように設けられる。すなわち、５箇所の流速増速部１３の下流側の開口は、全て流出口１６内に臨み、５つの増速流路１３ａが流出口１６において合流する。したがって、５箇所の流速増速部１３のそれぞれの下流側の部分において水Ｆ１と空気Ｆ２との合流作用によって生成された微細気泡含有水Ｆ３は、流出口１６に流れ込んで合流することになる。
【０１２９】
また、本実施形態の微細気泡発生器６１において本体部１１を構成する入口フランジ２１、スクリューホルダ２２、絞りホルダ２３、空気室フランジ７０、および出口フランジ２４は、本体部１１として一体的な構造体をなすように、所定の方法・構造によって互いに固定される。本体部１１の構成部材を固定するための方法・構造としては、上述したように、例えば、本体部１１の構成部材に対して中心軸方向に沿って貫通ないし螺挿されるネジ等の締結具を用いた手法や、本体部１１の中心軸方向の両側に固定される配管フランジ８，９の鍔部８ａ，９ａを用いた手法等が、本体部１１の外形の寸法等に応じて適宜採用される。
【０１３０】
以上のような構成を備える本実施形態の微細気泡発生器６１によれば、第１実施形態の微細気泡発生器１と同様の作用効果が得られることに加え、次のような作用効果が得られる。すなわち、図１５に示すように、本実施形態の微細気泡発生器６１においては、４つの旋回増速部２０に加えて、その４つの旋回増速部２０の配置を規定する円周Ｃ２の中心点Ｏ１に対応する位置となる本体部１１の中心部に旋回増速部２０Ａが設けられている。かかる構成によれば、第１実施形態の場合と比べて、気液二相旋回流（矢印Ｓ２）の数が１つ増加する分、気液二相旋回流による剪断作用が向上すると考えられる。また、中心部に位置する旋回増速部２０Ａは、他の４つの旋回増速部２０のそれぞれに対して隣接するため、互いに隣接する気液二相旋回流間における相反する向きの流れによる剪断作用が向上すると考えられる。また、中心に位置する旋回増速部２０Ａの旋回流によって、複数の気液二相旋回流が合流した後における一つの大きな旋回流（矢印Ｓ３）の生成も助長され、高い剪断作用が得られると考えられる。したがって、本実施形態の微細気泡発生器６１によれば、より効果的に、剪断作用の相乗効果によって空気の微細化および微細気泡の発生量の向上を図ることができると考えられる。
【０１３１】
また、本実施形態の微細気泡発生器６１のように、絞りホルダ２３と出口フランジ２４との間に空気室フランジ７０を介装して空気室７５を設ける構成によれば、複数の旋回増速部２０の配置にかかわらず、旋回増速部２０に対する空気Ｆ２の通路、つまり気体導入部１４を形成することが可能となる。すなわち、空気室フランジ７０によって空気室７５を設ける構成によれば、旋回増速部２０の配置の自由度を向上させることができ、気体導入部１４を設ける点で旋回増速部２０の任意の配置に対応することが可能となる。
【０１３２】
空気室フランジ７０によって空気室７５を設ける構成によって実現できる複数の旋回増速部２０の配置例としては、図１６に示すような配置が挙げられる。すなわち、この例においては、図１６に示すように、本体部１１の中心軸の位置に一致する中心点Ｏ１を中心とする円周Ｃ２上において旋回中心点Ｃ１を等角度間隔に位置させる６つの旋回増速部２０と、旋回中心点Ｃ１を円周Ｃ２の中心点Ｏ１に一致させる１つの旋回増速部２０Ａとの合計７つの旋回増速部２０が配置されている。この他にも、例えば本体部１１の外形寸法や本体部１１が介装される配管の管径等によって、旋回増速部２０の数および配置を適宜採用することができる。
【０１３３】
ただし、第１実施形態のように、所定の円周上に沿って等間隔に配置される旋回増速部２０のみを有する構成によれば、気体導入部１４を構成するに際して空気室フランジ７０が不要となるため、本体部１１を構成する部材の数を減らすことができるというメリットが得られる。つまり、少ない部品点数で効率的な微細気泡の生成が可能となる。
【０１３４】
以上説明した本発明の実施の形態では、微細気泡発生装置１０において、微細気泡発生器１の上流側にポンプ４が設けられ、微細気泡発生器１に対して水Ｆ１を圧送する構成が採用されている。この点、微細気泡発生器１（６１）に対する水Ｆ１の供給については、微細気泡発生器１（６１）の下流側（吐出側）にポンプを設け、そのポンプによる吸引作用によって微細気泡発生器１（６１）に水Ｆ１を供給する構成であってもよい。
【０１３５】
また、旋回流形成部１２における旋回形成流路１２ａの形状、本実施形態の場合スクリュー体４０の羽根部４２等の形状については、本実施形態に限定されるものではない。つまり、旋回流形成部１２において旋回形成流路１２ａを形成するための静翼体としては、流入してくる水Ｆ１について旋回流を形成することができる形状のものであればよい。
【０１３６】
また、本発明の実施の形態では、連続相としての液体が水Ｆ１であり、分散相としての気体が空気Ｆ２であるが、連続相の液体は水以外の液体であってよく、分散相の気体は空気以外の気体であってもよい。また、分散相としては、気体以外の流体、例えば液体であってもよい。すなわち、本発明に係る微細気泡発生器は、連続相としての液体と分散相としての液体とを混合して液・液混相をなすとともに、分散された液体を超微細化かつ均一化させて生成する超微細液滴発生器としても適用することができる。
【０１３７】
［実施例］
以下では、本発明の実施例について説明する。
【０１３８】
（第１実施例）
まず、本発明の第１実施例について説明する。この実施例は、微細気泡の発生量についての尺度として、（Ｉ）溶存酸素量（ＤＯ：Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）の上昇の程度、および（ＩＩ）算出される酸素溶解効率に着目したものである。微細気泡による溶存酸素量の上昇は、気泡（バブル）の溶液との接触面積の拡大や、気泡の溶液中での滞在時間に支配される。このため、同一条件下においては、微細気泡による溶存酸素量の上昇は、気泡の微細化率に対して比例関係を示す。
【０１３９】
この実施例では、本発明の実施例構造として、第１実施形態に係る微細気泡発生器１の構成を適用した多流旋回ノズルを用いた。具体的には、（１）本実施例は、管径が５０Ａ（２インチ）の配管に対して、管径サイズ（流路径）が２５Ａ（１インチ）の旋回増速部２０（旋回流形成部１２および流速増速部１３）を４つ組み込んだものである。
【０１４０】
また、（１）本実施例に対する比較のための（２）第１比較例は、管径が５０Ａの配管に対して、配管サイズが２５Ａの単流旋回ノズルを４つ並列に（別配管として）設けたものである。ここで、単流旋回ノズルとは、旋回増速部２０を単独で備える構成である。また、（３）第２比較例は、管径が５０Ａの配管に対して、配管サイズが５０Ａの単流旋回ノズルである。つまり、（３）第２比較例は、（２）第１比較例の一つの単流旋回ノズルを直径で約２倍程度にスケールアップしたものである。なお、この実施例では、水流量３００Ｌ／ｍｉｎ、空気流量５Ｌ／ｍｉｎとし、２ｔ（トン）の貯水槽にて実験を行った。
【０１４１】
図１７に、（Ｉ）溶存酸素量（ＤＯ）の上昇の程度についての実験結果を示す。図１７に示すグラフにおいて、横軸は時間（ｍｉｎ）であり、縦軸は溶存酸素量（ＤＯ）（％）である。図１７に示す実験結果からわかるように、（１）本実施例、（２）第１比較例、および（３）第２比較例のいずれの場合も、時間の経過にともなってＤＯの上昇の程度が徐々に緩やかになるように連続的な曲線沿って上昇しているが、（１）本実施例のＤＯの上昇の程度が、他の２つの比較例に比べて明らかに大きい。なお、（２）第１比較例および（３）第２比較例は、ＤＯの上昇の開始から途中までは上昇の程度を略同じとし、途中から（２）第１比較例の方が（３）第２比較例よりもＤＯの上昇の程度がわずかに大きくなっている。
【０１４２】
図１８に、（ＩＩ）算出される酸素溶解効率（Ｅａ（％））の計算結果を示す。図１８に示す計算結果は、図１７に示した（Ｉ）溶存酸素量（ＤＯ）の上昇の程度に基づいて、次式（１）により算出したものである。
【０１４３】
【数１】
0006048841.tif 000002
【０１４４】
式（１）において、ＫＬａ：物質移動容量係数（１／ｈ）、Ｃｓ：２０℃における飽和ＤＯ濃度（ｍｇ／Ｌ）、Ｖ：水容量（Ｌ）、Ｍａ：２０℃における酸素の質量流量（ｇ／ｍｉｎ）である。なお、ＫＬａは、空気中の酸素の気体から液体に対する移動（溶解）速度を表し、曝気時間とＤＯ濃度の変化から実験的に求められる。
【０１４５】
図１８に示す計算結果からわかるように、（１）本実施例の酸素溶解効率の値は、６６．１％であり、（２）第１比較例の３４．５％、および（３）第２比較例の３６．４％に比べて明らかに大きい（２倍近くである）。
【０１４６】
以上のような第１実施例の結果から、次のようなことがいえる。すなわち、（１）本実施例、（２）第１比較例、および（３）第２比較例について、（Ｉ）溶存酸素量（ＤＯ）の上昇の程度に関しては、（１）＞＞（２）≒（３）の関係が成り立つ。また、（ＩＩ）算出される酸素溶解効率に関しては、（１）＞＞（２）≒（３）の関係が成り立つ。そして、この（ＩＩ）算出される酸素溶解効率については、効果は２倍に近いという結果が得られた。以上のように、この実施例により、本発明に係る微細気泡発生器１の高い微細化挙動を確認することができた。つまり、微細気泡の発生量について、本発明に係る微細気泡発生器１の構成を採用することで、高い増量の効果が得られることを確認することができた。
【０１４７】
また、第１実施例の結果より、酸素溶解効率の値に関し、５０Ａの配管に対し、２５Ａの単流旋回ノズルを並列に４本並べた構成の場合は３４．５％であり、５０Ａの配管に合わせて５０Ａの単流旋回ノズルを１本用いた構成の場合は３６．４％であるのに対し、２５Ａの旋回増速部２０を４つ組み込んだ多流旋回ノズルを用いた構成の場合は６６．１％という高い数値が得られている。すなわち、この結果から、酸素溶解効率の値について、並列的に設けられた複数の旋回増速部２０を備えた本発明に係る微細気泡発生器１の構成によれば、所定の径の単流旋回ノズルを単純に旋回増速部２０と同数だけ並列に接続することや、単流旋回ノズルを単純にスケールアップすることによっては得られない旋回流の剪断作用についての相乗効果が得られることが確認できる。
【０１４８】
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例について説明する。この実施例は、微細気泡のサイズ（粒子径）の測定を行ったものである。この実施例は、（１）本実施例と（２）第１比較例について、単位流量当たりの微細気泡の発生量を測定したものである。この実施例では、ナノバブル数／ｍｌとして、粒子径が１μｍ以下の微細気泡を測定した。
【０１４９】
図１９に、（１）本実施例と（２）第１比較例についての粒子径の分布（数）の測定結果を示す。図１９に示すグラフにおいて、横軸は粒子径（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｉｚｅ）（ｎｍ）であり、縦軸は単位流量当たりの微細気泡の発生量、つまり微細気泡の濃度（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）（ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ）である。なお、この実施例の微細気泡の作製・測定条件等は次のとおりである。貯水量：１ｔ（トン）（溶存酸素１００％）、水流量：２５０Ｌ／ｍｉｎ（４分で１循環）、運転時間：４０分（１０循環回数）、空気流量：１Ｌ／ｍｉｎ（ボイド率０．００４）。また、粒子数の測定には、ナノサイト社のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔ  ＮＳ５００を用いた。
【０１５０】
図１９に示す測定結果から、グラフＧ２で示す（２）第１比較例の場合、粒子径が５００ｎｍ以下の範囲で比較的分散的な分布が表れていることがわかる。これに対し、グラフＧ１で示す（１）本実施例の場合、大部分の粒子が３００ｎｍ以下の粒子径であり、特に、その大半が２５０ｎｍ近傍の粒子径のものであり、１００ｎｍ近傍にも比較的低いピークが表れている。
【０１５１】
また、この実施例では、発生したナノバブル数／ｍｌ（１μｍ以下総数）の測定結果として、（１）本実施例の場合に１．１．Ｅ＋０７（１．１×１０７）、（２）第１比較例の場合に４．３．Ｅ＋０６（４．３×１０６）という値が得られた。かかる測定結果は、（１）本実施例の場合、（２）第１比較例の場合と比べて発生したナノバブル数／ｍｌが２．６２倍多いことを示す。このことから、本発明に係る微細気泡発生器１のように多流旋回方式を採用することで、気泡の微細化が促進されることが確認できた。
【０１５２】
以上の本発明の第１実施例および第２実施例から、本発明の構成を適用した多流旋回ノズルを用いることにより、単流旋回ノズル等との比較において、微細気泡の微細化を促進させることができるとともに、微細気泡の発生量を向上させることができるという効果が得られることが実証された。
【符号の説明】
【０１５３】
１    微細気泡発生器
１０  微細気泡発生装置
１１  本体部
１２  旋回流形成部
１３  流速増速部
１４  気体導入部
１５  流入口
１６  流出口
２０  旋回増速部
４０  スクリュー体（静翼体）
５０  絞り体（絞り部材）
【図１】
0006048841.tif 000003
【図２】
0006048841.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
0006048841.tif 000007
【図６】
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【図７】
0006048841.tif 000009
【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0006048841.tif 000018
【図９】
0006048841.tif 000019
【図１５】
0006048841.tif 000020
【図１９】
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