(57)【要約】【課題】渦輪を形成させることで、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、視覚的効果を強める。【解決手段】液体中の上下端が開いている柱状空間４に、柱状空間４内で気泡を形成した時に柱状空間４の水平断面より大きい水平断面を持つ気泡が形成される量の気体を供給し、柱状空間４内を浮上させることで、周囲と同じ圧力の形状の安定した気泡を形成させ、柱状空間４上端の上に間隙３を介して支持される下から上に向かって断面積が徐々に減少していく形状の空間に、形成した気泡を下から供給し、狭い開口部１から放出させることで放出速度を速くして渦輪を発生させる。【選択図】図１
2005103456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡を通過させる上下端が開いている柱状空間と、下側開口部から柱状空間水平断面より小さい面積の上側開口部に向かって断面積が徐々に減少していく形状の空間とを、柱状空間を下側にして間隙を開けて上下に配置して形成する構造と、柱状空間内で気泡を形成した時に柱状空間水平断面より大きい水平断面を持つ気泡が形成される量の気体を柱状空間に供給する構造と、からなる液体中で気体の渦輪を発生させる装置。
【請求項２】
液体中に気体を放出する方法において、上下端が開いている柱状空間と、下側開口部から柱状空間水平断面より小さい面積の上側開口部に向かって断面積が徐々に減少していく形状の空間とを、柱状空間を下側にして間隙を開けて上下に配置し、柱状空間水平断面より大きい水平断面を持つ気泡を柱状空間内に形成し、柱状空間とその上に配置した空間とを連続して通過させ、気泡を柱状空間水平断面より小さい開口部から放出することを特徴とする液体中で気体の渦輪を発生させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中で気体の渦輪を発生させる装置に関し、より詳細には、水生動植物の飼育水槽、気泡を観賞するインテリア水槽、気液混合装置などで液体中に気体を放出するときに用いる液体中で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】
観賞魚などの水生生物飼育水槽などでは水中酸素濃度を一定以上に保つために、水槽内に設置したノズルなどから加圧した空気あるいは酸素を放出し、発生した気泡中の酸素を水中に溶け込ませる方法が行われている。しかし、単に気体を液体中に放出する方法では、発生した気泡は表面張力により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、気体を液体中に溶解させるには効率が良くない。
【０００３】
従来より、気体を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溶解効率を向上させる方法が用いられている。気体放出口をエアーストーンなどの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。
【０００４】
液体中に観賞用として気泡を発生させる場合、従来の方法で発生する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個の気泡を観賞用に用いるのではなく、気泡を多数発生させて観賞用に用いている。
【０００５】
上記の問題点は気泡の形状に起因しており、気泡の形状をリング状にすることで改善できる。リング状の気泡は一部のイルカが海中で噴気孔から空気を吐いて作ることが知られている。渦輪と呼ばれる現象であり、渦輪は条件（放出量、圧力、放出時間、放出口の形状等）を調整した上で、気体を液体中で上方向に向けて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。
【０００６】
液体中に気体で形成される渦輪は、水平方向に伸びた渦の先端と終端がつながって輪になったものと考えることができる。海に発生する渦が海面から海底へとつながり安定するように、渦は端が気体と液体の境界面か固体の表面に存在することで安定する。端が接地できない渦が輪になることで安定したものが渦輪と言える。目に見えるリング状の気泡部分は渦の中心であり、それを取り巻く液体も内側から外側に向かってポロイダル方向に回転している。
【０００７】
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とを目的として、「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特公昭６３−０５６８１７号、特公昭６３−０６６２７９号）、および「リング状気泡発生装置」（特許３２１６９２４号）で渦輪を発生させる装置が提案されている。
【０００８】
「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特公昭６３−０５６８１７号）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と、放出口の先端に取り付ける弾性体のノズル（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）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。
【０００９】
「液体中で気体の渦輪を作る装置」（特公昭６３−０６６２７９号）は特公昭６３−０５６８１７号広報記載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。
【００１０】
「リング状気泡発生装置」（特許３２１６９２４号）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（リング状気泡）を発生させる装置である。
【００１１】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、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。
【００１３】
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、気体放出口をエアーストーンなどの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。
【００１４】
渦輪を発生させる上記の技術提案は次の課題を有している。特公昭６３−０５６８１７号公報記載の装置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という問題点がある。特公昭６３−０６６２７９号公報記載の装置及び特許３２１６９２４号公報記載の装置は電磁開閉弁等の電気的な装置を必要とする。
【００１５】
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】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明は、上下端が開いている柱状空間と、下側開口部から柱状空間水平断面より小さい面積の上側開口部に向かって断面積が徐々に減少していく形状の空間（以下、本空間を形成する構造部分を気泡変形部と記する）とを、柱状空間を下側にして間隙を開けて上下に配置し、柱状空間内で気泡を形成した時に柱状空間水平断面より大きい水平断面を持つ気泡が形成される量の気体を柱状空間に供給し、柱状空間とその上に配置した空間とを連続して通過させ、気泡を柱状空間水平断面より小さい開口部から放出して液体中で気体の渦輪を発生させることを特徴とする。
【００１７】
液体中の柱状空間に気体を供給して気泡を発生させ、気泡側面を柱状空間を構成する部材に接触させながら浮上させることで、気泡の形状を安定させ、更に浮上する気泡の蛇行を防止する（液体中で気泡を自由に浮上させると蛇行しながら浮上する）。また、柱状空間上端と気泡変形部間に間隙を設けることで、気泡の浮上に伴い押し上げられる柱状空間内の液体が間隙から排出されるために、気泡は気泡変形部が無い場合とほぼ同じ速度で浮上する。
【００１８】
気泡が気泡変形部に達すると、開口部からの放出と気泡変形部内側に沿って広がる動きが同時に始まるが、気泡変形部の上側開口部に向かって断面積が徐々に減少していく形状と、柱状空間上端と気泡変形部との間に発生する表面張力により、気泡の広がりは抑制され、押し戻されて広がった部分も開口部から放出される。
【００１９】
気泡は気泡変形部上側の狭い開口部から放出されることで、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。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明の液体中で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】
【００２１】
液体中に渦輪を形成し、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】
【００２２】
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２と図３は実施例１の上面図と側面図であり、図１は図２のＡ−Ａ断面図である。図４は気体が液体中の柱状空間４内に供給されてから渦輪が形成されるまでの過程を横方向から撮影した連続写真であり、図５は気泡が放出される瞬間及び直前直後を斜め上方向から撮影した２回分の写真である（図４、図５とも撮影間隔は１／１５秒）。図５のａ１、ｂ１、ｃ１とａ２、ｂ２、ｃ２の状態は発生順に並べると、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２となる。また、図４のａ、ｂ、ｃ、と図５のａ１、ｂ１、ｃ１はほぼ同じ状態である。
【００２３】
実施例１は、請求項１の液体中で気体の渦輪を発生させる装置において、柱状空間内で気泡を形成した時に柱状空間水平断面より大きい水平断面を持つ気泡が形成される量の気体を柱状空間に供給する構造が、供給される加圧気体を溜める空間を液体中に形成し、その空間から気体が溢れたときに柱状空間に流入する構造である液体中で気体の渦輪を発生させる装置である。
【００２４】
実施例１は、液体中に設置し、コンプレッサー等で加圧気体を瞬間的にではなく徐々に供給していくと、一定の間隔で渦輪が発生する構造であり、ベース板１０、気体室６、柱状空間４を構成する構造部４ａ、気泡変形部２と、これらの位置関係を保つための支持部材からなる。
【００２５】
ベース板１０は本発明を液体中に安定して保持できるだけの重量、または設置場所に固定するための構造を持つ。気体室６は上面と外周部分により下側が開放された空間として形成され、気体供給口８を柱状空間４の下端より高い位置に持つ。柱状空間４の下端は、気体室６から気体を流入させるために気体室６外周部分の底面より高い位置になるように構成される。また、柱状空間４はほぼ垂直に配置され、供給された気体が気泡となって内部を浮上する間に気泡の上側が放物形となり形状が安定するだけの長さを持つ。気泡変形部２は柱状空間４上端の上に間隙３を設けて支持され、気泡の流入口となる下側開口部から放出口となる上側開口部１に向かって断面積が徐々に減少していく形状の空間を形成する。
【００２６】
柱状空間４は水平断面の形状が円形の場合がもっとも安定した渦輪が形成されるが、楕円でも渦輪は形成される。気泡変形部２は支持柱５に固定して取り付けても渦輪は形成されるが、固定して取り付けた場合は弾性体１５とバネ１６で挟んで支持した場合に比べて形成される渦輪に振動が発生する場合が多く、気泡変形部２の支持方法はクッション性を持たせる方法が好ましい。
【００２７】
実施例１の渦輪発生の過程を説明する。気体供給口８から気体を徐々に供給すると、気体は気体室６内の液面を押し下げながら溜まっていく。気体室６内の液面は表面張力により凹面のメニスカスを形成する。気体を供給し続けると気体室６内の液面の最も低い位置が柱状空間４を形成する部材の下端を越える。更に表面張力で保持される限界を越えると、気体が瞬間的に柱状空間４の中に流入する。このとき柱状空間４の中に流入する気体の量は、液体の特性にも影響されるが、気体室６の下向きの開口部分の形状と面積により決まるものであり、気体室６の形状を変えることで調整できる。また、気体室６への気体の供給速度を調節することで、気体が柱状空間４の中に流入する間隔を変え、渦輪を放出する間隔を調整することができる。
【００２８】
液体中の柱状空間４内に流入した気体は気泡となり、柱状空間４内を浮上する間に気泡上部が放物形に形成される（図４のａ、図５のａ１）。気泡の浮上に伴い柱状空間４内の気泡より上の部分を満たしている液体は、気泡変形部２と柱状空間４上端間の間隙３から排出されるため、気泡は気泡変形部２が無い場合とほぼ同じ速度で柱状空間４内を浮上する。浮上する気泡は水平断面が柱状空間４水平断面より大きいため、柱状空間４内を蛇行せずに浮上する。通常、液体中で気泡を自由に浮上させると蛇行しながら浮上する。なお、柱状空間４内の気泡より下の部分へはベース板１０との間隙９を通して外部の液体が供給される。
【００２９】
実施例１では、気体室６から周期的に溢れる気体が柱状空間４に供給されて柱状空間４内を浮上する。そのため、一定量の形状の安定した気泡が一定の間隔で柱状空間４から放出される。このとき放出される気泡の内圧は、コンプレッサー等から供給する圧力に係わらず、放出される深度の液体の圧力と同じになる。
【００３０】
柱状空間４から放出される気泡は間隙３を通過して気泡変形部２に達する。間隙３が狭い場合は、気泡の浮上により押し上げられる柱状空間４内の液体が排出されるときの抵抗が大きくなり、柱状空間４内での気泡の浮上速度が遅くなり、渦輪も形成されない。間隙３が無い状態から少しずつ広げていくと急に気泡の浮上速度が速くなり、渦輪も形成されるようになる間隔がある。その間隔が間隙３の最小間隔となる。更に間隙３を広げていくと渦輪が形成される確率が急に低くなる。その状態は気泡が気泡変形部２に達したときに、気泡によって気泡変形部２と柱状空間４上端をつなぐことができなくなった状態であり、その状態になる直前の間隔が間隙３の最大間隔となる。
【００３１】
間隙３は、液体が通過するときの抵抗がほとんど発生しない最小間隔以上で、かつ、気泡が気泡変形部２に達したときに、気泡によって気泡変形部２と柱状空間４上端をつなぐことができる最大間隔以内に設定する。渦輪は間隙３が最小間隔未満の場合は形成されなくなり、最大間隔を超える場合は不安定になる。なお、間隙３の最小間隔、最大間隔は変動幅を持つので、間隙３は余裕を持たせて設定する必要がある。
【００３２】
間隙３を通過して気泡変形部２に達した気泡は、気泡変形部２内側に沿って横方向に広がるが、気泡が気泡変形部２と柱状空間４上端とをつなぐ状態になると、表面張力により気泡の広がりが抑制され、広がりすぎて気泡の周辺部が分離する現象が抑えられ、また、気泡変形部２内での気泡の形状が安定する（図５のｂ１、ｂ２）。
【００３３】
気泡変形部２に達した気泡は放出口１から液体中に放出されるが、柱状空間４水平断面より狭い開口部１から放出されることで放出速度が速くなり、結果として開口部１内の周辺部と中心部の流速の差が大きくなる。開口部１通過時に発生する周辺部と中心部の流速の差によって、開口部１から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（図４）が形成される。
【００３４】
開口部１は、小さい方が気泡の放出速度が速くなり形成される渦輪も安定するが、極端に小さくすると表面張力により気泡変形部２内の気体が放出されなくなる。また、開口部１が小さく気泡変形部２に供給される気泡が大きい場合は、放出時間が長くなりすぎて開口部１から放出中に気泡が二つ以上に分かれる現象や、気泡変形部２内で気泡が広がり過ぎて気泡の周辺部が分離する現象が発生する。開口部１の大きさは気泡変形部２に供給される気泡の体積と気泡変形部２の形状（主に傾斜角）により決まる。気泡変形部２の傾斜角は気泡が広がり過ぎない程度に小さい方が良い。
【００３５】
常温での水と空気による実験では、気泡変形部２の傾斜角が１５°から２５°の間で安定した渦輪を形成することを確認した。また、傾斜角が１５°の気泡変形部２では、体積が４ｍｌの気泡に対しては開口部１が直径４ｍｍの円形、体積が８ｍｌの気泡に対しては開口部１が直径５ｍｍの円形の場合に安定した渦輪を形成することを確認した。図１０、図１１、図１２、図１３は上部の開口部１の形状を変えた気泡変形部２の例である。実験では４例とも渦輪が形成した。
【００３６】
また、実施例１では間隙３の間隔を許容範囲内で変えると、形成される渦輪の広がり方が変わることが実験により確認されている。間隙３を小さくすると広がり方が少なくなり直径の小さな太い渦輪が形成され、間隙３を大きくすると広がり方が大きくなり直径の大きな細い渦輪が形成される。本発明では、一定の範囲内ではあるが間隙３を調整することで形成される渦輪の広がり方を変えることが可能である。なお、本発明を構成する材料は使用環境において安定であれば金属でも樹脂でも良いが、気泡が接触する部分の表面については平滑で気泡が円滑に移動できる状態であることが好ましい。
【実施例２】
【００３７】
以下に、本発明の別の実施例２を説明する。図６は実施例２の気体放出部の断面図であり、図７は気体中に設置する実施例２の気体供給部の一例を示す断面図である。実施例２は、実施例１で供給される加圧気体を気体室６から溢れさせることにより行なう一定量の気体を瞬間的に供給する機能を、気体中に設置する図７の気体供給部で行なうものである。
【００３８】
実施例２は、請求項１の液体中で気体の渦輪を発生させる装置において、柱状空間内で気泡を形成した時に柱状空間水平断面より大きい水平断面を持つ気泡が形成される量の気体を柱状空間に供給する構造が、液体中の柱状空間に導管で接続した気体中の気体供給部である液体中で気体の渦輪を発生させる装置である。
【００３９】
気体供給部の一例（図７）は、加圧機構１２と逆止弁１３ａ、逆止弁１３ｂからなり、導管１４で液体中の気体放出部（図６）の気体供給口８に接続し、一定量の加圧気体を柱状空間４に供給する。気体供給部（図７）から気体放出部（図６）へは、気体放出部（図６）が設置される液体中の深度で適正になる量の加圧気体を供給する。気体供給部（図７）は吸排気の１サイクルの操作で渦輪を1回発生させるのに必要な量の気体を供給する。気体を柱状空間４に供給してからの気体放出部（図６）内の動作は、実施例１と同じであり、柱状空間４内に気泡を形成し、気体変形部２から放出して渦輪を形成する。
【００４０】
実施例２では気体供給部（図７）の給排気の１サイクルの操作で渦輪が1回発生する。渦輪を繰り返し発生させるには気体供給部（図７）を繰り返し操作する。実施例１では供給する気体の量は気体室６の形状により決まるため、変更することは難しい（スペーサ等を用いて減少させることはできる）が、実施例２では気体供給部（図７）での吸気量を変えることで自由に変更できる。また、気体の供給圧は液体中の気体放出部（図６）に供給できる圧力以上であれば良く、気体の供給圧を調整する装置等は必要としない。
【実施例３】
【００４１】
以下に、本発明の別の実施例３を説明する。図９は実施例３の上面図であり、図８は図９のＢ−Ｂ断面図である。実施例３は、気泡変形部２を支持板１１ｂに固定された支持柱５ａで支持し、支持板１１ｂをベース板１０に固定された支持柱５ｂにより固定させることで、気体室６と気泡変形部２の支持板１１ｂの間にスペーサ１７を挿入できるようにしたものである。
【００４２】
実施例３は実施例１の気泡変形部２を支持する構造だけを他の部分を支持する構造とは別にすることで、スペーサ１７を挿入できるようにしたものであり、気泡変形部２と柱状空間４上端の間隙３がスペーサ１７により調節できる。本発明では、間隙３の間隔により形成される渦輪の広がり方が変わることが実験により確認されている。間隙３を小さくすると広がり方が少なくなり直径の小さな太い渦輪が形成され、間隙３を大きくすると広がり方が大きくなり直径の大きな細い渦輪が形成される。実施例３は、形成される渦輪の広がり方をスペーサ１７により容易に調節することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
渦輪による気体の液体への溶解効率向上効果を用いて、水生動植物飼育水槽の気体供給方法、気液混合装置に適用でき、また、視覚的印象の強い渦輪を観賞用としてインテリア水槽に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例１の図２のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例１の上面図である。
【図３】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例１の側面図である。
【図４】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置で発生させた渦輪の形成過程を、横方向から１／１５秒間隔で連続撮影した写真である。
【図５】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置から気泡が放出される瞬間を、斜め上方向から１／１５秒間隔で連続撮影した２回分の写真である。
【図６】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例２の気体放出部の断面図である。
【図７】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例２の気体供給部の一例を示す断面図である
【図８】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例３の図９のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】本発明の液体中で気体の渦輪を発生させる装置の実施例３の上面図である。
【図１０】本発明の気泡変形部の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の気泡変形部の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明の気泡変形部の一例を示す断面図である。
【図１３】本発明の気泡変形部の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      開口部
２      気泡変形部
３      間隙
４      柱状空間
４ａ    柱状空間を構成する構造体
５      支持柱
５ａ    気泡変形部支持柱
５ｂ    気体室支持柱
６      気体室
７      気体室周縁フランジ
８      気体供給口
９      間隙
１０    ベース板
１１ａ  支持板
１１ｂ  支持板
１２    加圧機構
１３ａ  逆支弁
１３ｂ  逆支弁
１４    導管
１５    弾性体
１６    バネ
１７    スペーサ
【図１】
2005103456.tif 000003
【図２】
2005103456.tif 000004
【図３】
2005103456.tif 000005
【図４】
2005103456.tif 000006
【図５】
2005103456.tif 000007
【図６】
2005103456.tif 000008
【図７】
2005103456.tif 000009
【図８】
2005103456.tif 000010
【図９】
2005103456.tif 000011
【図１０】
2005103456.tif 000012
【図１１】
2005103456.tif 000013
【図１２】
2005103456.tif 000014
【図１３】
2005103456.tif 000015