(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底円筒形のスペースを有する容器本体と、同スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記円筒形のスペース底部に開設された気体導入孔と、前記円筒形のスペース底部の反対側の円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口とから微細気泡発生装置を構成し、前記円筒形スペース内で自吸気体を伸長、先細りさせながら旋回導出する旋回気体空洞部の形成を第１過程とし、その旋回気体空洞部の間で旋回速度差を発生させ、強制的に旋回気体空洞部を切断及び粉砕させることによる微細気泡の発生を第２過程とすることを特徴とする旋回式微細気泡発生方法。
【請求項２】
容器本体の入口部、すなわち細口部が閉塞されたメガホン形状のスペースを有する容器本体と、同メガホン形状のスペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記メガホン形状のスペース入口部に開設された気体導入孔、前記メガホン形状のスペース入口部の反対側のメガホン形状のスペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口とから微細気泡発生装置を構成し、前記メガホン形状のスペース内で自吸気体を伸長、先細りさせながら旋回導出する旋回気体空洞部の形成を第１過程とし、その旋回気体空洞部の間で旋回速度差を発生させ、強制的に旋回気体空洞部を切断及び粉砕させることによる微細気泡の発生を第２過程とし、この旋回切断部及び粉砕部を過ぎた流体は、旋回しながら円錐状に急激に拡大し、この円錐状に広がる旋回流体が安定して形成されるため、さらに前記円錐状の拡がり角度が大きいことで、第２過程の旋回切断部及び粉砕部との間での旋回速度差が相対的に大きくなり、前記メガホン形状のスペース内の旋回気体空洞部の切断及び粉砕が常に連続して行なわれることを第３過程とすることを特徴とする旋回式微細気泡発生方法。
【請求項３】
請求項１に記載の旋回式微細気泡発生方法を実施するための装置であって、有底円筒形のスペースを有する容器本体と、同スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記円筒形のスペース底部に開設された気体導入孔と、前記円筒形のスペース底部の反対側の円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口とから構成されてなることを特徴とする旋回式微細気泡発生装置。
【請求項４】
請求項２に記載の旋回式微細気泡発生方法を実施するための装置であって、容器本体の入口部、すなわち細口部が閉塞されたメガホン形状のスペースを有する容器本体と、同スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記メガホン形状のスペース入口部に開設された気体導入孔と、前記メガホン形状のスペース入口部の反対側のメガホン形状のスペース先部に開設された旋回気液混合体導出口とから構成されてなることを特徴とする旋回式微細気泡発生装置。
【請求項５】
スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口が、内壁円周上に間隔を置いて複数個設けられてなることを特徴とする請求項３又は４に記載の旋回式微細気泡発生装置。
【請求項６】
加圧液体導入口が、前記スペースの先部付近の内壁円周面の一部に開設されてなることを特徴とする請求項３又は４に記載の旋回式微細気泡発生装置。
【請求項７】
加圧液体導入口が、前記スペースの中腹部付近の内壁円周面の一部に開設されてなることを特徴とする請求項３又は４に記載の旋回式微細気泡発生装置。
【請求項８】
円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口の直後部にバッフルを配設してなることを特徴とする請求項３、５〜７のいずれか１項に記載の旋回式微細気泡発生装置。
【請求項９】
円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口の直後部に、一部開口部を残して前記導出口を塞ぐ仕切板を取着してなることを特徴とする請求項３、５〜７のいずれか１項に記載の旋回式微細気泡発生装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、空気、酸素ガス等の気体を水道水、河川水、その他液体等に効率的に溶解して、例えば汚染水の水質を浄化し、水環境を蘇生するために有効な微細気泡発生装置に関する。
背景技術
従来のエアレーション、例えば水生生物成育装置に設置された微細気泡発生装置によるエアレーションのほとんどは、成育槽内に設置された管状や板状の微細気泡発生装置細孔から空気を成育用水中に加圧して噴き出すことによって気泡を細分化する方式であるか、又は回転羽根や気泡噴流などにより、せん断力が形成された成育用水流内に空気を入れて、それを細分化するかあるいは加圧された水の急減圧によって水中に溶解していた空気を気化させて気泡を発生させる方式である。
そして、それらの機能を有する微細気泡発生装置によるエアレーションでは、基本的には空気の送給量やそれぞれの微細気泡発生装置の設備個数等によって必要な調節が行われているが、空気、炭酸ガス等の気体を水中に高効率で溶解させ、さらには水の循環を促進する必要がある。
しかしながら、従来の微細気泡発生装置によるエアレーション方式は、例えば噴き出しによる散気方式では、そこにいかに微細な細孔を設けても、気泡が細孔から加圧状態で噴出されて体積膨張し、またその際の気泡の表面張力によって、結果的に数ｍｍ程度の径を有する大きな気泡が発生してしまい、それよりも小さな気泡を発生させることが困難であり、そして、その長時間運転に伴って発生する目詰まりと動力費の増大の問題が存在した。
また、回転羽根や気泡噴流などにより、せん断力が形成された水流内に、空気を入れてそれを細分化する方式では、キャビテーションを発生させるのに高速の回転数が要求され、その動力費の問題やキャビテーション発生に伴って急激に進行する羽根の腐食や振動問題があり、さらに、微細気泡の生成率が少ないという問題もあった。
そしてまた、その他の回転羽根や突起に気液二相流が衝突する方式においては、例えば湖沼、魚類水槽内等においては魚類や水生小生物が破壊されてしまい、水生生物の成育に必要な環境の形成、維持に支障を来した。
さらに、加圧方式では、装置が大型でかつ高価、さらには運転費も多額を必要としていた。
そして、上記いずれの従来技術によっても、例えば直径２０μｍ以下といった微細気泡を工業規模で発生させることは不可能であった。
発明の開示
本発明者は鋭意研究の結果、下記構成の発明によって、直径２０μｍ以下の微細気泡を工業規模で発生させることを可能とした。
すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
（１）  有底円筒形のスペースを有する容器本体と、同スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記円筒形のスペース底部に開設された気体導入孔と、前記円筒形のスペース底部の反対側の円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口とから微細気泡発生装置を構成し、前記円筒形スペース内で自吸気体を伸長、先細りさせながら旋回導出する旋回気体空洞部の形成を第１過程とし、その旋回気体空洞部の間で旋回速度差を発生させ、強制的に旋回気体空洞部を切断及び粉砕させることによる微細気泡の発生を第２過程とすることを特徴とする旋回式微細気泡発生方法。
（２）  容器本体の入口部、すなわち細口部が閉塞されたメガホン形状のスペースを有する容器本体と、同メガホン形状のスペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記メガホン形状のスペース入口部（細口部）に開設された気体導入孔と、前記メガホン形状のスペース入口部の反対側のメガホン形状のスペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口とから微細気泡発生装置を構成し、前記メガホン形状のスペース内で自吸気体を伸長、先細りさせながら旋回導出する旋回気体空洞部の形成を第１過程とし、その旋回気体空洞部の間で旋回速度差を発生させ、強制的に旋回気体空洞部を切断及び粉砕させることによる微細気泡の発生を第２過程とし、この旋回切断部及び粉砕部を過ぎた流体は、旋回しながら円錐状に急激に拡大し、（この場合、円錐状に広がる旋回流体の内部は外から流入したマイクロバブルを含まない流体である。）この円錐状に広がる旋回流体が安定して形成されるため、さらに前記円錐状の拡がり角度が大きいこと（９０度前後）で、第２過程の旋回切断部及び粉砕部との間での旋回速度差が相対的に大きくなり、前記メガホン形状のスペース内の旋回気体空洞部の切断及び粉砕が常に連続して行なわれることを第３過程とすることを特徴とする旋回式微細気泡発生方法。
（３）  前項（１）に記載の旋回式微細気泡発生方法を実施するための装置であって、有底円筒形のスペースを有する容器本体と、同スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記円筒形のスペース底部に開設された気体導入孔と、前記円筒形のスペース底部の反対側の円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口とから構成されてなることを特徴とする旋回式微細気泡発生装置。
（４）  前項（２）に記載の旋回式微細気泡発生方法を実施するための装置であって、容器本体の入口部、すなわち細口部が閉塞されたメガホン形状のスペースを有する容器本体と、同スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口と、前記メガホン形状のスペース入口部に開設された気体導入孔と、前記メガホン形状のスペース入口部の反対側のメガホン形状のスペース先部に開設された旋回気液混合体導出口とから構成されてなることを特徴とする旋回式微細気泡発生装置。
（５）  スペースの内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口が、内壁円周上に間隔を置いて複数個設けられてなることを特徴とする前項（３）又は（４）に記載の旋回式微細気泡発生装置。
（６）  加圧液体導入口が、前記スペースの先部付近の内壁円周面の一部に開設されてなることを特徴とする前項（３）又は（４）に記載の旋回式微細気泡発生装置。
（７）  加圧液体導入口が、前記スペースの中腹部付近の内壁円周面の一部に開設されてなることを特徴とする前項（３）又は（４）に記載の旋回式微細気泡発生装置。
（８）  円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口の直後部にバッフルを配設してなることを特徴とする前項（３）、（５）〜（７）のいずれか１項に記載の旋回式微細気泡発生装置。
（９）  円筒形スペースの先部に開設された旋回気液混合体導出口の直後部に、一部開口部を残して前記導出口を塞ぐ仕切板を取着してなることを特徴とする前項（３）、（５）〜（７）のいずれか１項に記載の旋回式微細気泡発生装置。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施の形態を、以下に図面に基づいて説明する。
本発明の要点は、図１に本発明装置の原理説明図を示すごとく、まず装置容器内に有底円筒形のスペース１を設け、また同スペース１の内壁円周面の一部にその接線方向に加圧液体導入口２を開設し、また前記円筒形スペースの底部３の中央部に気体導入孔４を開設し、さらに前記円筒形スペース１の先部付近には旋回気液混合体導出口５を設けて微細気泡発生装置を構成する。
なお、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は（ａ）図のＸ−Ｘ視断面図である。
そこで、前記装置本体を又は少なくとも旋回気液混合体導出口５を液体中に埋設させ、前記加圧液体導入口２から円筒形スペース１内に加圧液体を圧送することにより、その内部に旋回流が生成し、円筒管軸上付近に負圧部分が形成される。
この負圧によって、前記気体導入孔４から気体が吸い込まれ、圧力が最も低い管軸上付近を気体が通過することによって、細い紐状の旋回気体空洞部Ｖが形成される。
この円筒形スペース１では旋回気液混合体流がスペース底部３から加圧液体導入口２の間において前記紐状の旋回気体空洞部Ｖと共に形成され、縮径されて先細りとなってちぎられて微細気泡が生成され、その後旋回気液混合体導出口５へ向かって大きく旋回しながら放出される。
また、この旋回に伴って、液体と気体の比重差から、液体には遠心力、気体には向心力が同時に働き、そのために液体部と気体部の分離が可能となり、気体が紐状で円筒形スペース１の中心線部の加圧液体導入口２付近まで続き、その後その旋回が急激に弱められ、そしてその後、その旋回が加圧液体導入口２から導入された旋回流によって強められ、さらにはその下流の開設部における円錐状の旋回流の形成で、この部分の旋回速度が急激に、今度は弱められる。
この図（ａ）の１００の部分の前後に大きな旋回速度差の発生によって、紐状の気体空洞部Ｖが連続的に安定して切断され、その結果として大量の微細気泡Ｍｂ、例えば直径１０〜２０μｍの微細気泡が旋回気液混合体導出口５付近で発生し、器外の液体中へ放出されるのである。
なお、前述のとおり、通常、本発明装置本体又は少なくとも旋回気液混合体導出口５は液体中に埋没して設置される。
図２は本発明の原理的説明図兼実施例装置説明図であり、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は（ａ）図のＸ−Ｘ視断面図である。
気体導入孔４の先端に気体を導入する気体導入管８が接続されており、加圧液体導入口２へ加圧液体（例えば圧力水）などを供給する加圧液体導入管７が備えられている。
また、円筒形スペース１の内壁円周面の接線方向に加圧液体導入口２が開設されている。
また、別の態様によれば、図３に示すごとく、メガホン形状のスペース１０を有するものが提案される。
入口部（すなわち細口部）３０が閉口されたメガホン形状のスペース１０を有する容器本体と、同スペース１０の内壁円周面の一部にその接線方向に開設された加圧液体導入口２０と、前記メガホン形状のスペース入口部（閉口部）３０に開設された気体導入孔４０と、前記メガホン形状のスペース１０の先部に開設された旋回気液混合体導出口５０とから構成されてなる。
本発明の装置本体は、液体中に埋没して設置される場合と、水槽に外接して設置される場合と、水道の蛇口などに設置される場合がある。
本発明においては、通常、液体としては水が、気体としては空気が採用されるが、液体としてはその他トルエン、アセトン、アルコール等の溶剤、石油、ガソリン等の燃料、食用油脂、バター、アイスクリーム、ビール等の食品・飲料、ドリンク剤等の薬品、浴水等の健康用品、湖沼水、浄化槽汚染水等の環境水等が採用でき、気体としてはその他水素、アルゴン、ラドン等の不活性気体、酸素、オゾン等の酸化剤、炭酸ガス、塩化水素、亜硫酸ガス、酸化窒素、硫化水素ガス等の酸性ガス、アンモニア等アルカリ性ガス等が採用できる。
前記気体導入孔４から気体が自動的に吸い込まれ（自吸）、気体は旋回気液混合流体中に紐状の旋回気体空洞部Ｖとなって取り込まれる。
こうして、中心部の紐状の細い旋回気体空洞部Ｖとその周辺の液体旋回流体が導出口５から噴出されるが、その噴出と同時に周囲の静液体によって、その旋回が急激に弱められ、その前後で、急激な旋回速度差が発生する。この旋回速度差の発生によって、旋回流中心部の紐状の気体空洞部Ｖが連続的に安定して切断され、その結果として大量の微小気泡、例えば直径１０〜２０μｍの微細気泡が導出口５付近で発生する。
図１において、旋回気液混合体導出口５の口径ｄ１，気体導入孔４の孔径ｄ２，加圧液体導入管７の口径ｄ３、旋回気液混合体導出口５〜円筒形スペース底部３間の距離Ｌの好ましい相関関係は、 Ｌ≒０．５〜３．０×ｄ１であり、機種の違いによる各関係数値範囲は以下の表１に示す通りである。
【表１】
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なお、中型の場合、例えばポンプはモータ２００〜４００ｗ，吐出量４０リットル／分，揚程１５ｍのものであり、これを使用して、大量に微細気泡を発生させることができ、５ｍ3容積の水槽の水面全体に約１ｃｍの厚さの微細泡が運転中堆積した。この装置は容積２０００ｍ3以上の池の水質浄化に適用できた。
また、小型の場合、例えばポンプはモータ３０ｗ，吐出量２０リットル／分のものであり、これを使用して容積５リットル〜１ｍ3程度の水槽内で使用できた。
なお、海水に適用した場合は、微細気泡（マイクロバブル）が非常に発生し易いので更に使用条件を拡大することが可能である。
図４は、図１の本発明の中型装置を水中に埋没させ、気体として空気を採用して微細気泡を発生させた結果の、気泡の直径とそれらの発生頻度分布を示したグラフ図である。なお、気体導入孔４からの空気吸込量を調節して行った場合の結果も示した。図中、空気の吸込量を０ｃｍ3／ｓとした場合でも、直径１０〜２０μｍの気泡が発生しているのは、水中に溶存していた空気が分離して発生したものと推測される。よって本発明装置は溶存気体の脱気装置としても使用できるものである。
こうして、本発明装置を液体中に設置し、例えば揚水ポンプを介して加圧液体導入管７を経て、加圧液体導入口２から円筒形スペース１内に加圧液体（例えば圧力水）を供給し、かつ外部から気体導入管８（例えば空気管）を気体導入孔４に接続しておくだけで、液体（例えば水）中において直径１０〜２５μｍ程度の微細気泡を容易に発生・供給することができる。
なお、前記スペースは、必ずしも円筒形状のものでなくてもよく、直径が徐々に大きくなる形状のもの、例えば図３に示すごときメガホン形状のものであってもよい。
また、気泡の発生状況は、気体導入管８の先端に接続した気体流量調節用の弁６（図１）の調節で制御でき、所望する最適の微細気泡の発生を簡単に制御することができる。さらに直径１０〜２０μｍより大きい気泡も、この調節によって簡単に生成させることができる。
さらに本発明では、図５に示すごとく、円筒形スペース１の先部に開設された旋回気液混合体導出口５の直後部に小間隔Ｓをおいてバッフル９を配設することも好ましい。  図５において、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図はＸ−Ｘ線矢視断面図であり、旋回気液混合体導出口５の直後部に、好ましくは０．２〜１．０ｍｍの小間隔Ｓを隔てて円盤状バッフル９を配設したものであり、その結果、微細気泡が安定して大量に器外へ放出された。
なお、小間隔Ｓが小さくなると気泡がより微細になるが、その放出量が少なくなるので、その場合は気体導入孔４から加圧気体を供給することによって、大量に放出させることが可能となる。
また、図６に示すごとく、円筒形スペース１の先部に開設された旋回気液混合体導出口５の直後部に仕切板９ａを取着して、一部開口部５ａを残して導出口５を塞ぐように構成することも好ましい。図６において、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図は左側面図であり、旋回気液混合体導出口５の上方部に開口部５ａを残してその下方に仕切板９ａを取着したものであり、その結果、微細気泡が安定して大量に器外へ放出された。
特に、前記図５、図６に示す装置では、装置に深い水圧がかかる箇所においても、微細気泡が十分に発生する点で優れたものである。
また本発明装置の構成材料は、プラスチック、金属、ガラス等であってよく、各構成部品を接着や螺着等により一体化することが好ましい。
本発明装置により発生される微細気泡の用途分野としては、以下のようなものが挙げられる。
（１）．ダム湖、湖沼、池、河川、海等の水域の水質浄化と生息生物育成による自然環境浄化維持。
（２）．ビオトープ等の人工自然水域における浄化と蛍や水草等の生物育成。
（３）．工業的用途。
製鉄の製鋼における高温拡散化、ステンレス板及びステンレス線の酸洗浄の促進、 超純水製造工場における有機物除去、オゾンの微細気泡化による汚染水中の有機物除去、溶存酸素量増加、殺菌、合成樹脂発泡体、例えばウレタン発泡体製造、各種廃液処理、エチレンオキサイドによる殺菌・滅菌装置におけるエチレンオキサイドの水への混合促進、消泡剤のエマルジョン化、活性汚泥処理法における汚染水へのエアレーション。
（４）．農業分野
水耕栽培に使用する酸素及び溶存酸素量の向上・収穫率向上。
（５）．漁業分野
鰻の養殖、 イカ水槽生命維持、 ブリの養殖、 藻場の人工生成、 魚介類の育成、 赤潮発生防止。
（６）．医療分野
浴槽水に適用して微細泡風呂を構成、血流促進、浴槽水の保温。
産業上の利用可能性
本発明の旋回式微細気泡発生装置によれば、微細気泡を工業規模で容易に生成することができ、かつ比較的小型で簡単な装置構造のための製作が容易であり、池、湖沼、ダム、河川等の水質浄化、微生物による汚水処理、魚類、水棲動物等の養殖等に有効に貢献するところ大である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の原理的説明図兼実施例の旋回式微細気泡発生装置の説明図である。
図２は、本発明の原理的説明図兼他の実施例装置説明図である。
図３は、本発明の他の改善された実施例装置の説明図である。
図４は、本発明の中型装置を水中に埋没させ、気体として空気を採用して微細気泡を発生させた結果の、気泡の直径とそれらの発生頻度分布を示したグラフ図である。
図５は、本発明の他のさらに改善された実施例装置の説明図である。
図６は、本発明の他のさらに改善された実施例装置の説明図である。
符号の説明
１ 円筒形スペース
２ 加圧液体導入口
３ 円筒形スペース底部
４ 気体導入孔
５ 旋回気液混合体導出口
６ 気体流量調節用弁
７ 加圧液体導入管
８ 気体導入管
９ バッフル
９ａ 仕切板
１０ メガホン形状スペース
２０ 加圧液体導入口
３０ メガホン形状スペース入口部（細口部）
４０ 気体導入孔
５０ 旋回気液混合体導出口
ｄ１ 旋回気液混合体導出口５の口径
ｄ２ 気体導入孔４の孔径
ｄ３ 加圧液体導入口２の口径
Ｌ 旋回気液混合体導出口５〜円筒形スペース底部３間の距離
Ｍｂ 微細気泡
Ｓ 小間隔
Ｖ 旋回気体空洞部
【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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