(57)【要約】【課題】渦輪を発生させることで、気体を液体中に放出する場合の気体の液体への溶解効率を向上させ、又、視覚的印象を強める。【解決手段】上部が上向きの開口部８を有する上部空間１２と、気体供給口７を有する上部空間１１に分割されていて下部が接続している空間を形成し、開口部８と気体供給口７を除くと閉鎖された空間を液体中に形成する構造であり、上部空間１１内に気体を保持した状態で気体供給口７から瞬間的に気体を供給し開口部８から放出させて液体中に気体の渦輪を発生させる。【選択図】図１
2005319364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に気体を放出する装置において、上部が上向きの開口部を有する上部空間と、気体供給口を有する上部空間に分割されていて下部が接続している空間を形成し、開口部と気体供給口を除くと閉鎖された空間を液体中に形成する構造であり、開口部の大きさが気体供給口をふさいで液体中に保持し開口部を有する上部空間内の気体圧力と開口部外側の液体圧力とがつりあっている場合に気体が放出されない大きさである供給された気体を開口部から放出させて液体中に気体の渦輪を発生させる装置。
【請求項２】
請求項１記載の液体中に気体を放出する装置において、上向きの開口部を有する上部空間内の開口部下の位置に、上方向に先端を向けた錐体を有する液体中に気体の渦輪を発生させる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に気体を放出する装置に関し、より詳細には、気泡を観賞するインテリア水槽、気液混合装置、空気を水中に放出して遊ぶ玩具等で液体中に気体を放出するときに用いる液体中に気体の渦輪を発生させる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体中に気体を放出する場合は、加圧した気体を液体中に導管で導き放出する。しかし、気体は液体中に放出されると表面張力の働きにより、全ての形状の中で表面積が最も少ない形状である球形になろうとする。球形は、視覚的印象は弱く、また、気体を液体に接触させて溶解させるにも効率が悪い。
【０００３】
液体中を気泡が上昇していく様子を見せるインテリア水槽では通常の気泡は形状が画一的（球形または扁平球形）であり視覚的印象が弱いため、１個の気泡を用いるのではなく、気泡を多数発生させて観賞用に用いている。また、風呂場等で使用する空気を水中に放出して遊ぶ玩具を考えた場合、単に球形の気泡が発生するだけでは子供の興味を引くことは無く成り立たない。
【０００４】
従来より、溶解させる目的で液体中に気体を放出する場合、形成される気泡を小さくして体積に対する表面積を増加させて効率を向上させる方法が用いられている。気体放出口を多孔質の材料で被う方法や、気体放出口直近に撹拌器を設けて気泡を拡散する方法等である。しかし、多孔質の材料には目詰まりを起し易いという問題点があり、また、撹拌器を使用する場合は攪拌器用の動力を必要とするという問題点があった。
【０００５】
上記の問題点は、気泡の形状をリング状にすることで改善できる。リング状の気泡は渦輪と呼ばれる現象であり、渦輪は液体中に一定量の気体を上方向に向けて瞬間的に周囲の圧力よりわずかに高い圧力で放出すると形成されることが実験により確認されている。なお、液体中に気体で形成される渦輪は内側から外側に向かってポロイダル方向に回転しており、接している液体も回転する。
【０００６】
気体の液体への溶解効率の向上と気泡の視覚的印象の向上の一方または両方を目的として、「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特許文献１、特許文献２参照）、「リング状気泡発生装置」（特許文献３参照）、「発泡装飾水槽」（特許文献４参照）、「APPARATUS
FOR PRODUCING TOROIDAL BUBBLES AND METHOD」（特許文献５参照）、および「APPARATUS FOR CREATING
VORTEX RINGS IN A FLUID MEDIUM」（特許文献６参照）で渦輪を発生させる装置が提案されている。
【０００７】
「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特許文献１参照）は、圧力容器にダイヤフラムとバネにより内圧が周囲圧よりわずかに高くなった時に開く弁を持つ放出口を取り付け、更に放出口の先端に弾性体の非作動状態では水圧により閉じていて気体が供給されると押し広げられ開放するノズルを取り付けたものであり、液体中に設置して圧力容器に加圧気体を供給することで作動する液体中に気体の渦輪を発生させる装置である。しかし、構造が複雑であり、作動圧力及び気体放出量が使用するバネ特性に影響されるという問題点がある。
【０００８】
「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特許文献２参照）は「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特許文献１参照）の装置のダイヤフラムとバネにより機械的に作動する弁機構部分を、電気的な弁操作装置と電磁開閉弁に置き換えた液体中に気体の渦輪を発生させる装置である。しかし、電磁開閉弁等の電気的な装置を必要とするという問題点がある。
【０００９】
「リング状気泡発生装置」（特許文献３参照）は、流量調整弁と圧力調整弁とで流量と圧力を制御した気体を、電磁開閉弁を用いて所定時間だけ擂鉢状傾斜壁をもつノズルから放出させて渦輪を発生させる装置である。しかし、電磁開閉弁等の電気的な装置を必要とするという問題点がある。
【００１０】
「発泡装飾水槽」（特許文献４参照）は、一縁を支点にして支持された下面開放の空気溜めに空気を溜めていき、空気の浮力で空気溜めが動いたときに空気溜めに設けた放出口が開き、空気を放出させて渦輪を発生させる装置である。しかし、空気溜めの動きが液体中に乱れを生じさせるという問題点がある。
【００１１】
「APPARATUS FOR PRODUCING TOROIDAL BUBBLES AND METHOD」（特許文献５参照）は、圧力を加えると隙間が開くポペット弁等の開閉機構を持つ筒または容器に瞬間的に気体を供給し、開いた隙間から気体を放出させて液体中に気体の渦輪を発生させる装置である。しかし、圧力を受けたときに開閉機構の全周に渡って均等に隙間が発生するように設定する必要がある。
【００１２】
「APPARATUS FOR CREATING VORTEX RINGS IN A FLUID MEDIUM」（特許文献６参照）は、ガスが溜まっていないときは下がっている側に放出口があり、中間の位置の支点で支持されている下面開放のガス溜めにガスを溜めていき、ガスの浮力でガス溜めが動いたときに、溜まっていたガスが一塊となって放出口のある側に移動し放出されることで渦輪を発生させる装置である。しかし、ガス溜めの動きが液体中に乱れを生じさせるという問題点がある。
【００１３】
【特許文献１】特公昭６３−０５６８１７号公報
【特許文献２】特公昭６３−０６６２７９号公報
【特許文献３】特許３２１６９２４号公報
【特許文献４】特開２００３−０３９８９６号公報
【特許文献５】米国特許第５９４７７８４号明細書
【特許文献６】米国特許第６４８８２７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
加圧した気体を液体中に設置したノズルなどから放出する方法は、発生した気泡が表面張力により体積に対する表面積が最も少ない形状である球形になろうとするために、気体を液体に接触させて溶解させるには効率が悪いという問題点があった。観賞用に用いるには、気泡の形状が画一的であり視覚的印象が弱いという問題点があった。
【００１５】
従来より、気泡の体積に対する表面積を増加させて溶解効率を上げるために、気体放出口を多孔質の材料で被う方法や、気体放出口直近に撹拌器を設けて気泡を拡散する方法等の気泡の大きさを小さくする方法が行なわれている。しかし、多孔質の材料には目詰まりを起し易いという問題点があり、また、撹拌器を使用する方法は攪拌器用の動力を必要とするという問題点がある。
【００１６】
渦輪を発生させる前述の技術提案には、構造が複雑であり作動圧力及び気体放出量が使用するバネ特性に影響される、電磁開閉弁等の電気的な装置を必要とする、部品の動きが液体中に不要な乱れを生じさせる、正確な設定を必要とする等の問題点がある。
【００１７】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。より特定すれば、本発明は渦輪を複雑な構造や電気的な装置を使用せずに発生させ、渦輪形成による気泡の体積に対する表面積の増加と、渦輪の回転運動による攪拌効果により、気体の液体への溶解効率を向上させることを課題とする。更に、本発明は液体中に気体を放出した時の視覚的印象を強めることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために本発明は、上部が上向きの開口部を有する上部空間と、気体供給口を有する上部空間に分割されていて下部が接続している空間を形成し、開口部と気体供給口を除くと閉鎖された空間を液体中に形成する構造であり、開口部の大きさが気体供給口をふさいで液体中に保持し開口部を有する上部空間内の気体圧力と開口部外側の液体圧力とがつりあっている場合に表面張力により気体が放出されない大きさであり、気体供給口から供給した気体を開口部から放出させて液体中に気体の渦輪を発生させる。
【００１９】
気体供給口に気体供給部を接続し、内部空間に気体を入れた状態で液体中に保持し、開口部からの気体の放出または液体の流入により開口部を有する上部空間内の気体圧力と開口部外側の液体圧力とがつりあい、表面張力により開口部に液面が形成された後、気体供給部から気体を瞬間的に供給し内部空間を加圧して上向きの開口部から気体を放出させることで、周囲の圧力よりわずかに高い圧力で液体中に気体を上方向に放出させ、渦輪を発生させるものである。気体が狭い開口部から放出されることで流速が増加し、開口部通過時に開口部内の周辺部と中心部の流速の差が大きくなり、放出されて液体中に形成される気泡内に内側から外側へ向かう渦が発生し、渦輪が形成される。
【００２０】
開口部を有する上部空間と気体供給口を有する上部空間の２種類の上部空間を接続している部分を液体で満たし、２種類の上部空間を液体を介して接続している状態にしてから気体供給部から気体を瞬間的に供給すると、気体が気体供給口を有する上部空間内の液面を押し下げ、その分の液体が開口部を有する上部空間内の液面を押し上げ、開口部から気体が放出される。この場合、開口部を有する上部空間へは瞬間的に供給した気体が直接流入しないので気体の流れの乱れが発生しづらくなり、より安定して渦輪が形成される。なお、２種類の上部空間を接続している部分に液体を満たさない状態で気体を瞬間的に供給しても安定性は減るが渦輪は形成される。
【００２１】
また、開口部のすぐ下に錐体を設けると、開口部を有する上部空間内の気体の流れが抑制され、かつ、開口部に形成される液面も安定するため、より安定して渦輪が形成される。開口部のすぐ下に錐体がある場合、加圧されたときに開口部に向かう気体の流れの乱れが開口部近くでは錐体によって抑制されるため、より安定して渦輪が形成される。
【００２２】
開口部のすぐ下に錐体がある場合、開口部縁と錐体との間でメニスカスが形成され、開口部に形成される液面が安定する。この現象は、液体流入により開口部の液面が下方向に向かって膨らんだときに、錐体先端が液面に接する高さに錐体が位置するときに発生する。なお、錐体先端が開口部の中心の下にあると、形成されるメニスカスが錐体先端を中心とした均等な曲面になり、この状態で加圧して気体を放出させると安定して渦輪が形成される。更に、開口部形状が円形で錐体が円錐の場合、最も安定して渦輪が形成される。
【００２３】
錐体が無い場合でも２種類の上部空間を接続している部分を液体で満たし、２種類の上部空間を液体を介して接続している状態にして気体を瞬間的に供給すると安定して渦輪が形成される。錐体を設けた場合は、２種類の上部空間を接続している部分を液体で満たさなくても安定して渦輪が形成されるが、錐体を設けて、かつ、２種類の上部空間を接続している部分を液体で満たして２種類の上部空間を液体を介して接続している状態にして気体を瞬間的に供給すると最も安定して渦輪が形成される。なお、複数の開口部を設けると、同時に複数の渦輪が発生する。また、気体の供給方法は一定量の気体を瞬間的に供給することができればいかなる方法でも良い。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明の液体中に気体の渦輪を発生させる装置は、電磁開閉弁等の電気的な装置を用いずに単純な構造で渦輪を安定して発生させ、渦輪形成による気泡の体積に対する表面積の増加と渦輪の回転運動による攪拌効果により、気体の液体への溶解効率を向上させ、同時に気泡の視覚的印象を強める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
液体中に気体を放出するときに渦輪を発生させて、気体の液体への溶解効率の向上と気泡の視覚的印象を強めるという目的を、電磁開閉弁等の電気的な装置を用いずに単純な構造で実現した。
【実施例１】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、請求項１の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の実施例１の断面図であり、図２は実施例１に繰り返し気体を供給した場合の内部の液面の変化を表した断面図である。図１の実施例１は容器１０が円柱形であり内壁９が円筒である実施例である。また、図１の実施例１は、容器１０内の途中まで液体で満たしてから液体中に設置した状態であり、上部空間の途中までが気体で満たされ下側の残りの部分は液体で満たされている。実施例１では、加圧機構１と逆止弁２と３からなる外部の気体供給部から気体を瞬間的に供給することで、容器１０内を加圧し、容器１０の開口部８から気体を上方向に放出させて液体中に気体の渦輪を発生させる。
【００２７】
容器１０内部空間の上部は内壁９により開口部８を有する上部空間１２と、気体供給口７を有する上部空間１１に分割されている。上部空間１２に設けられている上向きの開口部８は気体供給口７をふさいで液体中に保持し上部空間１２内の気体圧力と開口部８外側の液体圧力とがつりあっている場合には表面張力により上部空間１２内の気体が放出されない大きさである。重り１５は容器１０に気体を満たした時に発生する浮力を相殺し、容器１０を液体中に保持できるだけの重量を持つ。気体供給口７は上部空間１１の上部に設ける。なお、導管６の途中に開閉機構４を設けると、容器１０内を気体で満たした状態で液体中に設置しても、設置後に開閉機構４を開いて気体を放出し開口部８から液体を流入させることで、２種類の上部空間を接続している部分を液体で満たすことができる。
【００２８】
実施例１では外部の気体供給部から気体を供給すると、気体は内壁９と容器１０内の液体に満たされた部分で仕切られた上部空間１１に供給され、上部空間１１内の液面１６ａを押し下げる。上部空間１１から押し出された液体は上部空間１２に移動し上部空間１２内の液面１６ｂを上昇させる。液面１６ｂの上昇により上部空間１２内の気体が開口部８から容器１０外部の液体中に上方向に放出され、気泡１７が形成される。
【００２９】
容器１０内への気体供給は全て瞬間的に行なう。図２ａの状態の実施例１に対して気体を供給すると、上部空間１１内の液面１６ａは下がり、上部空間１２内の液面１６ｂが上昇して気体が放出される（図２ｂ）。再び気体を供給すると上部空間１１内の液面１６ａは内壁９下端よりも下がり内壁９下端と容器１０側壁との間でメニスカスを形成する。同時に上部空間１２内の液面１６ｂが上昇して気体が放出される（図２ｃ）。
【００３０】
図２ｃの状態の実施例１に対して更に気体を供給すると、まず、上部空間１１下の液面１６ａが更に下がり、同時に上部空間１２内の液面１６ｂが上昇して上部空間１２内の気体が放出される。その後、供給された気体量、内壁９の下端を越えていた部分の気体量、及び急激な気体の流れにより上部空間１１からはみ出した気体量を加えた量の気体が一気に上部空間１２に流入する。同時に上部空間１１へは供給された量以上に流出した気体の分の液体が逆流し、上部空間１１内の液面１６ａは内壁９の下端より高い位置まで戻る。この時、上部空間１２では供給量以上に流入した気体が上部空間１２内の上部に溜まり、上部空間１２内の液面１６ｂが下がる（図２ｄ）。
【００３１】
更に気体の供給を繰り返し行なうと、容器１０内部で内壁９の下端に対して液面１６ａが上下する図２ｃと図２ｄの状態が繰り返される。そのため、気泡の放出は何度でも繰り返し行なうことができる。ただし、１回の気体供給による内部の液面の変化量は1回に供給する気体量に依存する。図２ｄの状態の実施例１に対してメニスカスが形成できない多量の気体を供給すると、図２ｃの状態にはならず、図２ｄの状態が繰り返される。
【実施例２】
【００３２】
以下に、本発明の別の実施形態を図面に基づいて説明する。図３は、請求項２の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の実施例２の断面図である。図３の実施例２は、容器１０内の途中まで液体で満たしてから液体中に設置した状態であり、上部空間の途中までが気体で満たされ下側の残りの部分は液体で満たされている。実施例２も、加圧機構１と逆止弁２と３からなる外部の気体供給部から気体を瞬間的に供給することで、容器１０内を加圧し、容器１０の開口部８から気体を上方向に放出させて液体中に気体の渦輪を発生させる。
【００３３】
実施例２は、実施例１の容器１０内の開口部８の下の位置に錐体１３を設けたものである。錐体１３は、渦輪の形成をより安定させる効果を持つ。開口部８のすぐ下に錐体１３がある場合、加圧されたときに開口部８に向かう気体の流れの乱れが開口部８近くでは錐体１３によって抑制される。また、開口部８の縁と錐体１３との間でメニスカスが形成され、開口部８に形成される液面が安定する。実施例２の容器１０内の液面の挙動は実施例１と同じである。
【００３４】
実施例１では、容器１０内の開口部８を有する上部空間１２と気体供給口７を有する上部空間１１の２種類の上部空間を接続している部分を液体で満たし、上部空間１１と１２を液体を介して接続している状態にして気体を瞬間的に供給すると安定して渦輪が形成されるが、実施例２では、上部空間１１と１２を接続している部分を液体で満たさなくても安定して渦輪が形成される。しかし、実施例２で容器１０内の上部空間１１と１２を接続している部分を液体で満たし、上部空間１１と１２を液体を介して接続している状態にして気体を瞬間的に供給すると、更に安定して渦輪が形成される。
【実施例３】
【００３５】
以下に、本発明の別の実施形態を図面に基づいて説明する。図４は、請求項２の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の別の実施例３の断面図である。実施例３では、気体供給部として加圧機構１のみを用いており、容器１０内を気体で満たして液体中に保持し、上部空間１１内の気体を除く容器１０内の気体を使い切るまで放出させる実施方法である。実施例３は渦輪を発生させるのに必要な気体供給部が、加圧機構だけの簡単な構造で済むという利点を持つ。
【００３６】
実施例３では、加圧機構１を操作し加圧機構１内の気体を容器１０に供給して渦輪を発生させた後、次の渦輪を発生させるには、加圧機構１を操作前の状態に戻し、容器１０内部の気体を加圧機構１内部に供給する。この時、容器１０へは開口部８から開口部８外側の液体が容器１０内の気体圧力が開口部８外側の液体圧力と等しくなるまで流入する。実施例３は容器１０内に保持されている気体を供給し直すことで渦輪を発生させる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
渦輪による気体の液体への溶解効率向上効果を用いて気液混合装置に適用でき、また、渦輪の強い視覚的印象を利用してインテリア水槽や空気を水中に放出して遊ぶ玩具に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の実施例１の断面図である。
【図２】本発明の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の実施例１に繰り返し気体を供給した場合の内部の液面の変化を表した装置部分のみの断面図である。
【図３】本発明の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の実施例２の断面図である。
【図４】本発明の液体中に気体の渦輪を発生させる装置の実施例３の断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      加圧機構
２      逆止弁
３      逆止弁
４      開閉機構
５      液面
６      導管
７      気体供給口
８      開口部
９      内壁
１０    容器
１１    気体供給口を有する上部空間
１２    開口部を有する上部空間
１３    錐体
１４    錐体支持部
１５    重り
１６    容器内液面
１６ａ  容器内の内壁外側の液面
１６ｂ  容器内の開口部を有する上部空間内の液面
１７    気泡
【図１】
2005319364.tif 000003
【図２】
2005319364.tif 000004
【図３】
2005319364.tif 000005
【図４】
2005319364.tif 000006