(57)【要約】【課題】従来の静置式散気装置よりも気泡の径を小さくして、単位質量の液体に所定の量の気体を溶解させるのに必要なエネルギーを大きく減少させる。【解決手段】気泡を液体中に散気させる気泡散気装置において、散気槽１２内の液体１６に浸漬させて該散気槽１２の上部に配置され、内部に導入した気体を表面に設けた散気孔３８ａを通して気泡として液体中に散気させる横断面が翼形形状の散気部２８と、散気部２８の下方に配置されて散気槽１２の内部を複数の領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に仕切る仕切板５２と、散気部２８を略同一水平面内において、該散気部２８の翼弦を前記水平面に対して傾けて回転運動または往復運動させ、散気槽１２内の液体に鉛直方向の速度成分を有する流動を発生させる駆動部１８とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡を液体中に散気させる気泡散気装置において、
散気槽内の液体に浸漬させて該散気槽の上部に配置され、内部に導入した気体を表面に設けた散気孔を通して気泡として液体中に散気させる横断面が翼形形状の散気部と、
前記散気部の下方に配置されて散気槽の内部を複数の領域に仕切る仕切板と、
前記散気部を略同一水平面内において、該散気部の翼弦を前記水平面に対して傾けて回転運動または往復運動させ、前記散気槽内の液体に鉛直方向の速度成分を有する流動を発生させる駆動部とを有することを特徴とする気泡散気装置。
【請求項２】
前記散気部の前記水平面に対する翼弦の傾き角度が任意の値に調節できるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気泡散気装置。
【請求項３】
気泡を液体中に散気させる気泡散気装置において、
散気槽内の液体に浸漬させて該散気槽の上部に配置され、内部に導入した気体を表面に設けた散気孔を通して気泡として液体中に散気させる横断面が翼形形状の散気部と、
前記散気部の下方に配置されて散気槽の内部を複数の領域に仕切る仕切板と、
前記散気部を略同一水平面内において往復運動させ、前記散気槽内の液体に鉛直方向の速度成分を有する流動を発生させる駆動部を有し、
前記散気部は、往復運動のそれぞれの向きに応じて交互に、翼弦の前記水平面に対する傾きの向きが自動的に変わるように構成されていることを特徴とする気泡散気装置。
【請求項４】
前記散気部の表面に設けた散気孔の実効直径は、５μｍ以上、３５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気泡散気装置。
【請求項５】
前記散気部の近傍に、略鉛直方向に延びる整流板を配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の気泡散気装置。
【請求項６】
前記散気部の周囲を防護部で覆ったことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の気泡散気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水等の液体中に空気等の気体を微細な数多くの気泡にして散気させる気泡散気装置に係り、特に、微細な数多くの気泡を液体中に散気させて所望の気体の溶解濃度を得ることができるようにした気泡散気装置に関する。本発明の気泡散気装置は、例えば水処理槽、河川、湖沼または養殖用槽等で使用することにより、水中の溶存酸素量を高めて水質を改善し、種々の有用な生物が繁殖しやすくしたり、有益な気体を溶解させた液体を製造したりするのに用いられる。
【０００２】
なお、本発明で「溶解濃度」とは、ある物質(溶質)が他の物質(溶媒)に実際に溶解している溶液中における溶質の濃度のことを言う。これは溶解度と言う用語の意味が“溶質が溶媒に溶解する限度を言い、飽和溶液中における溶質の濃度で表わされる”ことと区別しつつ、類似する概念を表わすためである。
【背景技術】
【０００３】
液体中に気泡を分散させ、液体中の酸素等の気体溶解濃度を増加させるための気泡散気装置としては、中空で、少なくとも一面に微細な散気孔を有する多孔質散気板または微細な孔の開いた散気膜等を取付けた散気部を備え、この散気部を散気槽（処理槽）内の液体中へ浸漬させ、散気部の内部に導入した気体を微細な散気孔から散気槽内の液体に気泡として散気させるようにしたものが一般に知られている。
【０００４】
また、いわゆるエアレータ式の気泡散気装置として、回転して散気槽内の液体を旋回させるプロペラ翼の翼面に散気孔を設け、この散気孔を通して気体を散気槽内の液体中に散気させるようにしたもの（特許文献１参照）や、回転して散気槽内の液体を旋回させるポンプの吐出し口の近傍に気体注入口を設け、この気体注入口から注入される気体を散気槽内の液体中に散気させるようにしたものが知られている。また、気泡径を小さくして、気体の液体中への溶解速度を速くするため、多孔質散気板を取付けた円盤状の散気部（円盤散気部）を液体中で回転させることも行われている。
【０００５】
液体中に散気させる気泡の径を小さくするために、上記以外に、円筒状の容器内に液体の旋回流を起こし、この液体の旋回流の中心に気体を入れ、気体を剪断することによって微細な気泡にして散気槽内に散気させるようにしたものが知られている。
【０００６】
これらの装置の内、例えば空気を水中に散気させて水を浄化する装置においては、現在では、微細な散気孔を有する、静止させた多孔質散気板や散気膜の該散気孔から気泡を水中に散気させる装置（以下、静置式散気装置ともいう）が、単位エネルギー（ｋＷｈ）当りの液体に溶解させることができる酸素質量（ｋｇ）（酸素移動動力効率）を一番大きくできる。
【０００７】
微細な散気孔を有する多孔質散気板や散気膜の該散気孔から気泡を液体中に散気させる散気部を備えた装置として、散気槽の底面近傍において、粗大な気泡を液体中に散気させて散気槽内に旋回流を起こし、更に液体の上方界面付近で微細な気泡を発生させて旋回流に乗せるようにしたものが開発されている（特許文献２参照）。また、スクリュープロペラ（翼本体）を散気槽の中に該スクリュープロペラの回転軸が略水平方向に向くように設置し、スクリュープロペラを回転させて水平方向の液体の流れを起こしながら、スクリュープロペラに取付けた散気部の散気孔から気体を液体中に散気させて、この水平方向の流れで気泡を搬送させるようにしたものが開発されている（特許文献３及び４参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１０７７９２号公報
【特許文献２】特開平８−２４３５８２号公報
【特許文献３】特開昭６３−１７８８９９号公報
【特許文献４】特開平１０−２１６７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
液体中に気体を気泡にして散気させる気泡散気装置には、例えば下記のようなものがある。
（１）微細な散気孔を有する、静止させた多孔質散気板や散気膜の該散気孔から気体を微細な気泡にして液体中に散気させる装置（静置式散気装置）。
（２）微細な散気孔を有する多孔質散気板を取付けた円盤状の散気部（円盤散気部）を回転させながら該散気孔から気体を出すことにより、気体を微細な気泡にして液体中に散気させる装置。
（３）気泡を含む液体を剪断しながら撹拌することによって、気体を微細な気泡にして液体中に散気させる装置。
（４）散気槽の中にスクリュープロペラを、その回転軸が略水平方向に向くように設置し、スクリュープロペラを回転させて水平方向の液体の流れを起こしながらスクリュープロペラに取り付けた散気部の散気孔から気体を液体中に散気させる装置。
【００１０】
なお、一般に、気泡散気装置において、散気槽内の液体中に気泡を散気するために必要となる動力としては、（ａ）気体を液体中に供給するための動力、（ｂ）気泡として散気槽内に散布するための動力、（ｃ）気泡を散気槽内に万遍なく行き渡らせるために液体旋回流を形成するための動力などがある。
【００１１】
液体中に散気させる気泡の径を小さくすると、ある一定量の気体に対して気液界面の面積（比表面積）が増加して気泡中の気体が液体に溶解する速度が速くなり、また液体中を浮力により浮上する気泡の場合、気泡が液体中を上昇する速度が遅くなって気泡が液体中に滞留する時間が長くなる。このため、径が小さい気泡ほど、気泡を液体中に溶解させ易く気体を有効に利用することができる。
【００１２】
そのため、微細な散気孔を有する多孔質散気板や散気膜の該散気孔から気体を微細な気泡にして液体中に散気させるようにした装置でも、気泡を散気させる散気孔の径を小さくして発生する気泡の径が小さくなるようにしている。しかし、散気孔の径を小さくして発生する気泡の径が小さくなるようにすると、気体を液体中に散気させるための圧力損失が大きくなる。このため、例えば、液体が水であり気体が空気である場合には、従来の静置式散気装置では、気泡径が１ｍｍ程度になっているのが実情であるが、一方で、その程度の微細化であるため、水に溶解される空気中の酸素の割合は、例えば、ごく一般的な水深５ｍの水槽の場合で、およそ３割程度に止まっている。
【００１３】
また、エアレータ式の気泡散気装置では、エアレータ内部で局所的に気泡を発生させながら、エアレータで散気槽内に上下方向に循環する旋回流を起こして、気泡の入った液体を散気槽内に分散させている。しかし、エアレータ式の気泡散気装置では、散気槽内に上下方向に循環する旋回流を起こすために多くの動力が必要になる。このため、従来の一般的な静置式散気装置より水中に空気泡を散気する場合には、空気中の酸素の酸素移動動力効率が一般に悪くなる。
【００１４】
そこで、微細な散気孔を有する多孔質散気板を取付けた円盤状の散気部（円盤散気部）を回転させながら該散気孔から気体を出すことで、気体を微細な気泡にして液体中に散気させたり、気泡を含む液体を剪断しながら撹拌することによって、気体を微細な気泡にして液体中に散気させたりすることで、気泡を小さくし溶解速度を速くする試みがなされている。
【００１５】
しかし、これらの従来の装置では、気泡を微細化するために非常に多くのエネルギーを使用している。このため、例えば空気を水中に散気して水を浄化する装置にこれらの従来の装置を適用すると、酸素移動動力効率は、従来のごく一般的な気泡散気装置である静置式散気装置の１０分の１以下になる。したがって、現在では、最も初歩的な構成を持つとも言える静置式散気装置が最も効率が良く、ある一定の質量の気体を単位質量の液体中に溶解させるのに必要なエネルギーが少なくて済む。
【００１６】
特許文献２に記載のように、散気槽の底面近傍に位置する液体中に粗大な気泡を散気させて散気槽内に旋回流を起こし、更に液体上方界面付近で液体中に微細な気泡を発生させて旋回流に乗せ、微細な気泡を散気槽内に分散散気する方式によると、多くの粗大な気泡を散気槽底部から液体中に散気させて散気槽内に旋回流を起こすためにかなり大きな動力が必要となる。しかも、前記のように、液体上方界面付近での微細気泡発生のために消費する動力も大きいので、特許文献２に記載の気泡散気装置は、従来の一般的な静置式散気装置に比べ、かなり大きな動力を必要とする。
【００１７】
また、特許文献３及び４に記載のように、スクリュープロペラ（翼本体）を散気槽の中に該スクリュープロペラの回転軸が略水平方向を向くように設置し、スクリュープロペラを回転させながら、該スクリューポンプに取付けた散気部の散気孔から気泡を液体中に散気させるようにすると、スクリュープロペラに取付けた散気部に作用する水圧の値は鉛直方向に大きく変化するので、下方にある散気部より上方にある散気部の方から気泡が発生しやすくなり、鉛直方向の上下で気泡の発生が不均一になる。この気泡発生の不均一を是正するためには、上方にある散気部の流動抵抗、すなわち圧力損失を増やす必要がある。しかし、散気部の圧力損失を増やすと、気泡発生に必要な動力が多くなり、この結果、従来の一般的な静置式散気装置に比べ、かなり多くの動力を必要とする。
【００１８】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、従来の静置式散気装置よりも気泡の径を小さくして気泡が液体に溶解する速度を増し、液体中に滞留する時間を長くすることにより気体の溶解濃度を増大すると共に、ある一定の質量の気体を単位質量の液体に溶解させるのに必要なエネルギーを大きく減少させることが可能な気泡散気装置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】
【００１９】
請求項１に記載の発明は、気泡を液体中に散気させる気泡散気装置において、散気槽内の液体に浸漬させて該散気槽の上部に配置され、内部に導入した気体を表面に設けた散気孔を通して気泡として液体中に散気させる横断面が翼形形状の散気部と、前記散気部の下方に配置されて散気槽の内部を複数の領域に仕切る仕切板と、前記散気部を略同一水平面内において、該散気部の翼弦を前記水平面に対して傾けて回転運動または往復運動させ、前記散気槽内の液体に鉛直方向の速度成分を有する流動を発生させる駆動部とを有することを特徴とする気泡散気装置である。
【００２０】
このように、散気部の横断面を翼形形状にすることにより、散気部が液体中を回転運動（回転移動）や往復運動（往復移動）するときに、散気部表面に形成される液体の境界層厚さを薄く出来るから、境界層内部において、境界層厚さ方向（即ち、散気部表面に垂直な方向）に対する液体の剪断力勾配が大きくなるので、微細な散気孔から吐出された気体流がその流れの方向に細かく分断されることとなり、微細な気泡を発生できる。一方、翼形形状であることにより、散気部が液体中を運動するときの抗力係数は小さく抑えられる。これらの結果として、微細な気泡が少ない動力で得られる。
【００２１】
気泡は、微細であるほど液体中への溶解速度が速く、液体中に滞留する時間も長くなるから、一般的に、微細気泡であればあるほど、ある一定の気体溶解濃度を有する液体を得るために単位質量の液体中に供給すべき気体の質量は少なくて済む。こうして、気泡の微細化により、気体の供給量を減少できるから、気体供給のための必要動力を低減できる。また散気部を散気槽の上部に配置することにより、散気孔から気体を液体中に供給するための吐出圧が低い値に抑えられるので、この事によっても、気体供給に必要な動力を低く抑えることが出来る。
【００２２】
そして、上記のように、散気部が液中を運動するときの抗力係数は小さいから、少ない動力で散気部表面から発生した気泡を液体中の広い面積に分散散気することが出来る。従って、液体中における気泡の偏在を防ぎ、散気槽内の液体全体に対して一層均一な気体溶解濃度とすることが出来る。
【００２３】
また、散気部を略同一水平面内において散気部の翼弦が前記水平面に対して傾いている状態にして回転運動（回転移動）させ、これによって、散気部自体により、液体に下向きの流動を生じさせる。この流動であって、気泡を散気槽内に効果的に散気させるために特に重要な上下方向の、即ち鉛直方向の速度成分を有する流動を、散気部の下方における散気槽内部を仕切板で複数の領域に仕切ることにより、散気槽の一層広い領域に好適に行き渡らせることが出来る。しかも、散気部自体で当該流動、即ち旋回流を発生させるので、発生した気泡は、全て旋回流に乗せて散気槽内の液体に広く分散散気されると共に、上記の仕切板により旋回流の流路の長さを長く確保できるから、気泡の液中滞留時間が長くなる。従って、気体を液体中に十分に溶解させることが出来る。
【００２４】
なお、散気部を往復運動（往復移動）させる場合には、液体に常に下向きの流動を生じさせるために、翼の横断面において、翼の中央部は常時水平に保ちつつ、運動のそれぞれの向きに応じて翼先端部および翼後端部の傾きを交互に替えることが望ましく、これによって、上記の回転運動をする場合と同様にして、気体を液体中に十分に溶解させることが出来る。なお、本発明においては、前記のように、翼の中央部は水平に保ちつつ、翼先端部と翼後端部を水平面に対して傾ける場合も、この状態の翼を以って、翼弦を水平面に対して傾けた翼であると見なす。
【００２５】
また、上記のように、散気部を略同一水平面内において運動させるため、散気部の全ての散気孔に作用する液体圧力は事実上同一な値であるので、全ての散気孔を活用でき、均一に散気することが出来る。
上記した作用効果が総合されることで、気体溶解濃度の高い液体を、従来の気泡散気装置によるよりも必要動力を大幅に低減させて得ることが出来る。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、前記散気部の前記水平面に対する翼弦の傾き角度が任意の値に調節できるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気泡散気装置である。
このように、翼弦の傾きを散気部が運動する水平面に対して任意の値に調節することにより、所望の液体の流動速度や流量が得られるように気泡散気装置を運転することが可能になる。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、気泡を液体中に散気させる気泡散気装置において、散気槽内の液体に浸漬させて該散気槽の上部に配置され、内部に導入した気体を表面に設けた散気孔を通して気泡として液体中に散気させる横断面が翼形形状の散気部と、前記散気部の下方に配置されて散気槽の内部を複数の領域に仕切る仕切板と、前記散気部を略同一水平面内において往復運動させ、前記散気槽内の液体に鉛直方向の速度成分を有する流動を発生させる駆動部を有し、前記散気部は、往復運動のそれぞれの向きに応じて交互に、翼弦の前記水平面に対する傾きの向きが自動的に変わるように構成されていることを特徴とする気泡散気装置である。
【００２８】
このように、略同一水平面内で往復運動させる散気部において、それぞれの運動の向きに応じて水平面に対する散気部の翼弦の傾きの向きが液体との相対運動によって必然的、かつ自動的に変わるように構成したので、通常の往復動の翼において流体に一定の向きの流れを発生するために必要とされるような、例えば翼先端部、翼後端部のそれぞれの傾きを変えるための特段の機構は必要とせず、簡素な構成で確実に下方に向かう液体の流動を生じるような向きに傾きが自動的に自然に変わるので、実用上好ましい往復動型の散気部を備えた散気装置を得ることが出来る。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、前記散気部の表面に設けた散気孔の実効直径は、５μｍ以上、３５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気泡散気装置である。
散気孔の実効直径（散気孔を通して液体中に気泡を実際に散気させている時の散気孔の直径）は、気泡径を考慮すると小さい程好ましいが、気泡径を小さくすると必要となる動力が増大することや直径の小さい散気孔は製作しにくいこと、また溶解濃度向上のためには過度に小さい直径の気泡は必ずしも必要としないことなどから、一般には５μｍ以上、３５０μｍ以下程度であれば良く、１０μｍ以上、２５０μｍ以下程度であることが好ましい。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、前記散気部の近傍に、略鉛直方向に延びる整流板を配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の気泡散気装置である。
これにより、散気部の移動に同伴して散気部の移動方向に沿った水平方向の液体の流れが生じることを抑制出来るから、散気部の翼形の表面に形成される液体の境界層厚さを薄く維持することが出来るので、微細気泡の発生状態を良好に維持できる。
【００３１】
請求項６に記載の発明は、前記散気部の周囲を防護部で覆ったことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の気泡散気装置である。
このように、少なくとも散気部の周囲を、好ましくは散気部も含め散気装置構成部材が散気槽内を運動する範囲を内包するように、例えば金網や格子からなる防護部で覆うことにより、運動している散気部等により魚や生物等を傷付けたり、あるいは人に危険を及ぼしたりすることを防止することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の気泡散気装置によれば、径の小さな気泡を少ない動力で発生させると共に液体中に散気させることが出来るから、気泡が液体に溶解する速度が大きくなり、また気泡の液体中での滞留時間が長くなるので、気体の溶解濃度が高い有用な液体を、省エネルギーで得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の気泡散気装置１０を示す。この気泡散気装置１０は、図１及び図２に示すように、支持体１４を介して、廃水処理槽や沼等に設置された散気槽１２（以下、一般の水処理槽や、河川、湖沼の水を対象とする散気槽、または養殖用水槽などを含めた意味で散気槽という）内に設置され、散気槽１２内の液体（例えば水）１６中に浸漬させて該液体１６中に、気体（例えば空気）を気泡として散気させるのに使用される。
【００３４】
この気泡散気装置１０は、支持体１４に支持された駆動部としてのモータ１８と、鉛直方向に延び、モータ（駆動部）１８の駆動に伴って回転する回転軸２０を有しており、回転軸２０と支持体１４との間は、一対のシールリング２２でシールされている。回転軸２０には、この例では、互いに直交する方向に水平に延びる４本のアーム２４が取付けられ、この各アーム２４の先端に、横断面が翼形形状で、内部に中空部２６を有する散気部２８がそれぞれ取付けられている。この散気部２８は、回転軸２０の軸心に垂直な平面に対する投影形状および同じく平行な平面に対する投影形状は、共に矩形状を呈している。
【００３５】
支持体１４には、シールリング２２でシールされた空隙部１４ａが設けられ、この空隙部１４ａは、外部から延びる気体配管３０に連通している。更に、回転軸２０の内部に前記空隙部１４ａに開口する気体通路２０ａが、各アーム２４の内部に回転軸２０の気体通路２０ａと散気部２８の中空部２６とを繋ぐ気体通路２４ａがそれぞれ設けられている。これにより、ブロワ等によって送り込まれた空気等の気体は、気体配管３０を通って支持体１４の空隙部１４ａに達し、更に回転軸２０の気体通路２０ａ、アーム２４の気体通路２４ａを通って散気部２８の中空部２６内に導入される。
【００３６】
散気部２８およびアーム２４は、それらが移動（この例では、回転軸２０のまわりに回転）する移動範囲（移動領域）の周囲を、例えば金網または格子からなるボックス状の防護部３２で覆われている。これにより、回転している翼形形状の散気部２８やアーム２４などで魚や生物等を傷付けたり、あるいは人に危険を及ぼしたりすることを防止することができる。更に、散気部２８の上方には、防護部３２に近接して、鉛直方向に延びる整流板３４が、４５°間隔で放射状に８枚配置されている。これにより、散気部２８の上方に該散気部２８の回転に同伴されて、その回転方向に沿った液体の水平方向の流れが生じることを抑制して、液体１６に対する散気部２８の相対速度を維持し、散気部２８の表面に形成される液体の境界層厚さを薄く維持することにより、微細気泡の発生状態を良好に継続することが可能になる。
【００３７】
この例では、散気槽１２の上部に散気部２８が位置するように、気泡散気装置１０が散気槽１２内に設置されている。このように、散気部２８を散気槽１２の上部に設置することで、供給する気体の吐出し圧力を下げることができる。散気部２８を液体の液面に近づけるほど供給する気体の吐出し圧力が下がり、気体を供給する動力が減少するが、散気部２８の上方から散気部２８に液体１６を導けるような位置に、換言すれば、散気部２８全体が液体中に没するように散気部２８を設ける必要があることを考慮すれば、特に、散気部２８が散気槽１２内の液体の液面から例えば０．８ｍ以内に位置するように、気泡散気装置１０を散気槽１２内に設置することが好ましい。
【００３８】
散気部２８は、図３及び図４に詳細に示すように、平板状の素材を移動方向に平行な断面が翼形形状となるように折り曲げて形成された外殻３６で囲まれた中空部２６を有しており、この外殻３６の上部には開口部３６ａが設けられ、この開口部３６ａに、多数の微細な散気孔３８ａを有する、例えば多孔質体からなる散気板（多孔質散気板）３８が、該散気板３８の表面が外殻３６の表面と面一となるように取付けられている。これにより、散気部２８の中空部２６内に導入された気体は、散気板３８の散気孔３８ａを通して、気泡となって散気槽１２内の液体１６中に散気される。この散気板３８の代わりに、多数の微細な散気孔が加工された散気膜や散気板などを使用しても良い。
【００３９】
この散気部２８の横断面は、円弧状の前縁４０を有し、この前縁４０から後縁４２に向けて肉厚が徐々に減少する翼形形状に形成されている。散気部２８は、前縁４０と後縁４２とを結ぶ翼弦４４と水平面との間に傾き角として所定の迎え角βが生じるようにアーム２４に取付けられている。この場合、アーム２４は、回転軸２０、モータ１８と共に散気部２８を駆動する駆動部として作用する。これによって、モータ１８の駆動に伴う回転軸２０の回転運動によって散気部２８が略同一水平面内に沿って回転し、この散気部２８の回転運動に伴って、散気槽１２内の液体１６に鉛直下方に向かう速度成分を有する旋回流が生じるようになっている。
【００４０】
この例にあっては、アーム２４の基端に円板状の支持板１９を取付け、この支持板１９に設けた円周方向に沿って延びる長孔２１内にボルト２３の軸部を挿通させて、散気部２８を有するアーム２４を回転軸２０に取付けるようにしている。これにより、散気部２８の前縁４０と後縁４２とを結ぶ翼弦４４と水平面との間の傾き角として迎え角βを、任意の角度に調整しつつ、散気部２８を有するアーム２４を回転軸２０に取付けることができる。
【００４１】
散気板３８に設けられる散気孔３８ａの大きさは、実効直径で５μｍ以上、３５０μｍ以下となるように設定されている。散気孔３８ａの実効直径は、散気孔３８ａから液体１６中に散気される気泡の径を考慮すると小さい程好ましいが、一方で、散気孔３８ａを小さくするほど気体の単位質量当たりの液体中への気体供給動力が増加すること、過度に小さい径の散気孔は一般に製造が難しいこと、さらには気体の溶解濃度増大については気泡径の実質的な下限値がある（即ち、実用上の散気槽と気泡散気装置とを前提とした場合、気泡径を大略ある一定の下限値以下にしても溶解率向上の効果はほとんど無い）ことなどがある。
【００４２】
一方、散気孔径が大きくなれば気泡径も大きくなるが、図１０の散気孔径と気泡径の関係で示すように、孔径（Ｄｈ）を３５０μｍ程度にすると、散気部の運動速度(移動速度)が３．０ｍ／ｓ以上の場合には気泡径は５００μｍ程度となると見込まれ、また、図９の気泡径と酸素溶解率（ηＧ）の関係で示すように、気泡径が５００μｍ程度では、例えば深槽形水槽上散気の場合、酸素溶解率は０．９７程度になる。後述するように、現在、通常深槽式と言われる水深が１０ｍ程度の散気槽で使われている気泡散気装置を用いた場合の酸素溶解率は０．２４程度であるから、前記の値０．９７は、その４倍程度の酸素溶解率になるため、この程度（５００μｍ程度）まで気泡径を微細化すれば十分に動力を低減できる。従って、散気孔の孔径は、５μｍ以上、３５０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上、２５０μｍ以下が更に好ましい。
【００４３】
図１及び図２に示すように、散気部２８の下方には、整流板３４等を介して支持体１４に支持され、該散気部２８の下部近傍から散気槽１２の底面付近に達する共に円筒状の２枚の仕切板４６ａ，４６ｂが、該仕切板４６ａ，４６ｂで挟まれた領域が散気部２８の水平面内における回転移動領域に対応するように、同心状に配置されている。これにより、散気槽１２の散気部２８より下方は、図１に示すように、仕切板４６ａ，４６ｂで挟まれて、主に液体１６の下降流が流れる下降流領域Ｅ１と、下降流領域Ｅ１を挟んで、主に液体１６の上昇流が流れる上昇流領域Ｅ２，Ｅ３に仕切られている。
【００４４】
このように、気泡散気装置１０の散気部２８を散気槽１２の上部に配置し、散気部２８の回転に伴って、散気槽１２内に液体の旋回流を引き起こし、更に、散気槽１２の散気部２８の下方を、仕切板４６ａ，４６ｂで下降流領域Ｅ１と上昇流領域Ｅ２，Ｅ３に仕切ることによって、散気槽１２の底部における液体の水平方向の流速を上げるとともに、気泡が散気槽１２内に滞留する時間を長くして、液体１６（水の場合は、例えば処理水）への気体の溶解率を大きくすることができる。これにより、供給する気体の吐出し圧力を低くすることと相まって、散気槽１２に散気する気体の量を減らし、気体の液体中への供給および気泡発生に必要な動力を減少させることができる。
【００４５】
この例によれば、ブロワ等によって、気体を気体通路２０ａおよび２４ａを経由して散気部２８の中空部２６内に送込み、同時にモータ１８を駆動して、横断面が翼形形状の散気部２８を略水平方向に回転運動させる。これにより、散気部２８の中空部２６内に導入した気体を、散気板３８の散気孔３８ａを通して、気泡として散気槽１２内の液体１６内に散気させる。
【００４６】
このように、横断面が翼形形状の散気部２８を使用することで、散気部２８と液体１６との間の境界層厚さを薄くし、少ない動力で気泡を微細化することができる。即ち、散気部２８の横断面形状を翼形とすることにより、散気部２８表面における液体１６の境界層を薄く形成できるから、境界層内部において境界層厚さ方向に対する液体１６の剪断力勾配が大きくなるので微細な散気孔３８ａから吐出された気体流が細かく剪断されることとなり、微細気泡を生成できる。また、散気部２８の翼形形状は、液体１６中を移動するときの抗力を低く抑える効果をもたらす。こうして、微細気泡を少ない動力で発生させ広い面積に散気することが出来る。
【００４７】
また、散気部２８を散気槽１２の上部に配置して、供給する気体の吐出し圧力を下げ、更に散気部２８の下方における散気槽１２の内部を仕切板４６ａ，４６ｂで複数の領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に仕切ることで、散気部２８の回転運動によって生じる液体の旋回流に乗って流れる気泡の槽内滞留時間を長くすることができる。微細気泡であることにより液体１６中への溶解速度も速く、液１６中に滞留する時間も長いため溶解率が向上し、その結果、溶解濃度の増加が図れる。換言すれば、ある値の溶解濃度を得るために必要となる液１６中への気体供給量を減じることが出来る。このようにして、気体供給動力についても低減できる。これらの組合せによって、従来最も必要動力が小さかった一般的な静置式散気装置より動力を大幅に減少させることができる。
【００４８】
図５（ａ）に示すように、外殻３６の下部に開口部３６ｂを設け、この開口部３６ｂに、多数の散気孔３８ａを有する、例えば多孔質体からなる散気板３８を、該散気板３８の表面が外殻３６の表面と面一となるように取付けるようにしてもよい。この散気板３８の代わりに、多数の散気孔が加工された散気膜や散気板などを使用してもよい。また、図５（ｂ）に示すように、散気部２８の幅方向に沿った一部に、翼弦４４と平行な平坦部２８ａを設けて、散気部２８の製作の便を図るようにしてもよい。このことは、以下の例においても同様である。なお、図３乃至図５においては、散気部２８の上面または下面のみに散気板３８を供えた例を示したが、上下両面にこれを備えることも勿論可能である。
【００４９】
次に、この例の気泡散気装置１０によって、従来例と比較して、どの程度動力を低減できるかを説明する。以下の説明は、液体として水を、気体として空気をそれぞれ用いた場合である。
先ず、液体中の気泡の上昇速度について説明する。液体中の気泡の上昇速度は浮力と抗力の釣合いで略決まる。気泡を略球形とし、気泡の半径をＲｂ（ｍ）、気泡の液体に対する上昇速度をＵｂｒ（ｍ／ｓ）、液体の密度をρＷ（ｋｇ／ｍ３）、気泡が液体中を上昇する際の抗力係数をＣｄ、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ２）とし、液体の密度に対して気体の密度は非常に小さいため、気体の密度を無視すれば、一つの気泡による浮力及び抗力ｆｂ１に関して式（１）が成り立つ。式（１）の中央の項は浮力であり、右側の項が抗力である。
【数１】
2007237006.tif 000003
【００５０】
したがって、抗力係数Ｃｄは、式（２）となる。
【数２】
2007237006.tif 000004
一方、水中空気泡の場合、気液界面は気泡に対してほぼ静止した状態になるとみなせるため、気泡が小さい場合には、抗力係数Ｃｄは、式（３）となる。
【数３】
2007237006.tif 000005
【００５１】
ここに、Ｒｅｂは気泡レイノルズ数で、液体の動粘度をν（ｍ２／ｓ）とすると、気泡レイノルズ数Ｒｅｂは、式（４）で表される。
【数４】
2007237006.tif 000006
したがって、式（１）〜（４）より、式（５）が得られる。
【数５】
2007237006.tif 000007
【００５２】
直径は半径の２倍であるから、式（５）から気泡径（直径）ｄと気泡の液体に対する上昇速度Ｕｂｒの関係が求まる。しかし、気泡径が大きい場合に気泡は変形し、気泡の抗力ｆｂ１が式（１）で与えられる値より大きくなり、気泡の液体に対する上昇速度Ｕｂｒは略一定になる。例えば、通常の水中の気泡においては、気泡径ｄと気泡の液体に対する上昇速度Ｕｂｒの関係は、図６に示すようになる。
【００５３】
次に、気泡が散気槽内の液体中に滞留する滞留時間について説明する。
例えば、通常の下水処理場において、内部の液体を旋回させる形式の散気槽では、水中の浮遊物が槽底面に沈殿しないようにするため、槽底面における液体の水平方向の流速を０．１ｍ／ｓ以上にしている。そのため、散気槽内の液体の旋回流速を０．３ｍ／ｓ程度にしている。
【００５４】
いま、散気槽内の液体の旋回流速をＵｃｉｒ（ｍ／ｓ）、気泡の液体に対する上昇速度をＵｂｒ（ｍ／ｓ）とし、散気槽内の液体の旋回流に乗って気泡が上昇する距離をＨｕｐ（ｍ）、逆に散気槽内の液体の旋回流に乗って気泡が下降する距離を距離Ｈdownとすると、距離Ｈｕｐを気泡が移動する時間ｔｕｐ（ｓ）の最小値は、式（６）となり、距離Ｈdownを気泡が移動する時間ｔdown（ｓ）の最小値は、式（７）となる。
【数６】
2007237006.tif 000008
【数７】
2007237006.tif 000009
【００５５】
このため、気泡が散気槽内に注入されてから液体の旋回流に乗って下降し、次に上昇する場合において、水面で空中へ放出されるまでに気泡が散気槽内にいる滞留時間ｔｅ（ｓ）は、式（８）となる。
【数８】
2007237006.tif 000010
【００５６】
一例として、深槽式と言われる水深１０ｍの散気槽の場合における気泡の滞留時間を求める。深い槽における従来の静置式散気装置では、散気部を散気槽のほぼ中央に設置し、気泡によって液体の循環を起こすようにしている。ここで、図７（ａ）に示すように、深槽式と言われる水深１０ｍの散気槽３００の水深４．８（ｍ）の位置に散気部３０２を設置し、０．３ｍ／ｓで上昇する旋回流に気泡を搬送させる場合（中央散気）と、図７（ｂ）に示すように、散気槽３００の水面近傍の水深０．４（ｍ）の位置に散気部３０２を設置し、０．３ｍ／ｓで下降する旋回流に気泡を搬送させ、散気槽３００の底面近傍の該底面から０．３（ｍ）の位置まで下降した後に上昇して水面に至ると仮定した場合（上散気）について、気泡径と気泡滞留時間の関係を求めた結果を図８に示す。図８は、図７（ｃ）に示すように、通常の水深５ｍの散気槽３００の底面近傍に散気部３０２を設置して、０．２ｍ／ｓで上昇する旋回流（この場合は上昇流）に気泡を搬送させる場合（下散気）についても、参考として、併記している。
【００５７】
次に、液体中に気泡がある場合の溶解速度について説明する。
液体中における気体の拡散係数をＤ（ｍ２／s）とし、気泡中の純度１００％の気体が液体に溶解する際の液相基準の総括物質移動係数をα（ｍ／ｓ）とすると、シャーウッド数Ｓｈ（＝２Ｒｂ・α／Ｄ）とペクレ数Ｐｅ（＝２Ｒｂ・Ｕｂｒ／Ｄの関係は、式（９）となる。
【数９】
2007237006.tif 000011
【００５８】
気泡径ｄから、気泡の液体に対する上昇速度Ｕｂｒ、ペクレ数Ｐｅ、気泡レイノルズ数Ｒｅｂ、シャーウッド数Ｓｈが決まり、気泡中の純度１００％の気体が液体に溶解する際の液相基準の総括物質移動係数αが式（１０）で求まる。
【数１０】
2007237006.tif 000012
【００５９】
一例として、水に空気の気泡を入れて気泡中の酸素を水に溶解させる場合について説明する。単純化して、気泡は、窒素と酸素のみから構成されており、水に気泡を注入する際の初期の体積割合は、酸素０．２０９、窒素０．７９１とする。また、水中の窒素は飽和しており、気泡と水の間で窒素の出入りがなく、そのため気泡径の変化は小さく無視でき、気体の密度も近似的に一定と見なせると仮定する。なお、窒素と酸素の水に対する溶解濃度は、互いに独立である。即ち、窒素の溶解濃度の大小は酸素の溶解に対して影響しない。大気圧で２０℃の環境において、水の密度ρＷ＝998.3（ｋｇ／ｍ３）、水の粘度ηＷ＝0.001011（Ｐａ・ｓ）、水の動粘度ν＝1.013×10-6（ｍ２／ｓ）、水中の酸素の拡散係数Ｄ＝2.065×10-6（ｍ２／ｓ）、１００％酸素の密度ρ０＝1.330（ｋｇ／ｍ３）、１００％酸素の水中飽和溶解度Ｃ0,100＝0.04434（ｋｇ／ｍ３）である。
【００６０】
いま、一つの気泡に注目すると、気泡の表面積Ａｂ（ｍ２）は、式（１１）となり、気泡の体積Ｖｂ（ｍ３）は、式（１２）となる。
【数１１】
2007237006.tif 000013
【数１２】
2007237006.tif 000014
気泡の体積Ｖｂは、窒素の体積ＶｂＮと酸素の体積ＶｂＯの和であるから、式（１３）となる。
【数１３】
2007237006.tif 000015
【００６１】
水の初期の状態として、水中に酸素が溶解しておらず、これから初めて溶解を始めるものとし、窒素については、前述のように、既に溶解可能な限度まで溶解し飽和している場合を想定すると、水中にある気泡の体積変化は、式（１４）となる。
【数１４】
2007237006.tif 000016
【００６２】
式（１４）を時間で積分し、水中へ注入時における気泡内の酸素の体積をＶｂＯｆ（ｍ３）、水面から空中へ出て行く時の気泡内の酸素の体積をＶｂＯｅ（ｍ３）、気泡が注入されてから水面から空中へ出るまでの時間をｔｅ（ｓ）とすると、式（１５）となり、更に変形すると式（１６）となる。
【数１５】
2007237006.tif 000017
【数１６】
2007237006.tif 000018
【００６３】
ここで、ある一つの気泡について、それぞれの時点で微小時間中に気泡内の酸素が水中へ溶解する量、すなわち微小時間中に気泡内の酸素の体積が減る量を対応する微小時間で除した商が、その気泡における溶解速度で、水中への注入時と空気中へ出て行くときのそれぞれの時点での気泡内の酸素の体積差（ＶｂＯｆ−ＶｂＯｅ）を水中滞留時間（ｔe）で除した商が、水中滞留時間中の平均溶解速度である。
式（１６）において、ＶｂＯｅ／ＶｂＯｆ＝１−ηＧと置き、実際の値を代入すると式（１７）となる。ここにηＧは酸素溶解率である。
【数１７】
2007237006.tif 000019
【００６４】
前記のように、水深１０ｍの散気槽の水深４．８（ｍ）の位置に散気部を設置して０．３ｍ／ｓで上昇する旋回流に気泡を搬送させる図７（ａ）の場合と、図７（ｂ）に示すように、水深１０ｍの散気槽の水面近傍の水深０．４（ｍ）の位置に散気部を設置して０．３ｍ／ｓで下降する旋回流に気泡を搬送させ、散気槽の底面近傍の該底面から０．３（ｍ）の位置まで下降した後に上昇して水面に至ると仮定した図７（ｂ）の場合と、水深５ｍの散気槽の水深４．８（ｍ）の位置に散気部を設置して０．２ｍ／ｓで上昇する旋回流に気泡を搬送させる図７（ｃ）の場合について、式（１７）から各方式で一つの気泡が散気槽内に注入された場合の気泡径と酸素溶解率の関係を求めた結果を図９に示す。
【００６５】
次に、散気槽内に気体を気泡として供給するために必要なブロワの動力について説明する。
必要な供給空気体積流量ＱＳ（ｍ３／min）は、必要な酸素質量流量をＱＷＯ(kg-O2/h)、空気中の酸素密度をρａｉｒ(kg-O2/m3)、酸素溶解率をηＧとすると、式（１８）で表せる。
【数１８】
2007237006.tif 000020
【００６６】
この時、ブロワが必要な動力ＬＢ（ｋＷ）は、必要な供給空気体積流量をＱＳ（ｍ３／min）、ブロワの吸込口絶対圧力をＰＳＡ（ｋＰａ）、ブロワの吐出し絶対圧力をＰＤＡ（ｋＰａ）、比熱比をκ、ブロワ効率をηＢとすると、式（１９）で表せる。
【数１９】
2007237006.tif 000021
【００６７】
次に、この例の気泡散気装置１０において、散気部２８を回転運動させるのに必要な動力について説明する。
横断面が翼形形状の散気部２８の翼弦長をｃ、最大厚さをｈ、（翼）幅をｂ、（翼）枚数をＮｉｍｐ、全散気部２８の抗力による動力をＬｉｍｐ，d（ｋＷ）、水の密度をρｗ（ｋｇ／ｍ３）、散気部（翼）２８の速度をＵｉｍｐ（ｍ／ｓ）とし、散気部（翼）２８の抗力係数をＣｉｍｐとすると、全散気部２８の抗力による動力Ｌｉｍｐ，d（ｋＷ）は、式（２０）で表せる。
【数２０】
2007237006.tif 000022
【００６８】
次に、従来例と対比して、図１乃至図４に示す本発明の気泡を微細にして散気する気泡散気装置１０の場合を説明する。
前述のように、気泡を発生させて液体中に散気させる散気孔３８ａは、翼形形状の散気部２８の表面（翼面上）に設けられている。散気部（翼）２８の移動速度Ｖを１．５、３．０、４．５及び６．０（ｍ／ｓ）として、一つの散気孔３８ａから水中に空気を吐出したときの、散気孔３８ａの孔径（μｍ）と気泡径（μｍ）との関係の解析結果を図１０に示す。散気孔３８ａの孔径Ｄｈを２０、５０、１００、２００及び３００（μｍ）として、散気部（翼）２８の移動速度（主流速度）（ｍ／ｓ）と気泡径（μｍ）の関係を解析した結果を図１１に示す。図１０及び図１１に示すように、散気孔３８ａの孔径Ｄｈが２００（μｍ）以下で散気部（翼）２８の移動速度が１．５（ｍ／ｓ）以上の場合、気泡径は４００（μｍ）以下になる。
【００６９】
次に、水深Ｈｔが１０（ｍ）の深い槽で、平面積が９０（ｍｍ２）、容積が９００（ｍ３）の散気槽を考える。必要な酸素質量流量をＱＷＯ＝２５．２(kg-O2/h)と仮定する。
【００７０】
上記で示したように、深い槽に設置する従来の静置式散気装置では、散気部を散気槽のほぼ中央に配置し、気泡によって液体の循環を起こしている。散気部の設置位置を、図７（ａ）で示すように、通常の水深４．８（ｍ）とし、ブロワの吸込口から散気部の吐出し点までの圧力損失を微細な散気孔３８ａにおける絞りによる損失も含めて１(ｍＡｑ)とすると、ブロワの吐出し絶対圧力ＰＤＡ＝158.20（ｋＰａ）となり、散気槽内の旋回流に乗って気泡が上昇する距離Ｈｕｐは、４．８（ｍ）となる。従来の静置式散気装置の気泡径は１ｍｍ程度であるため、図９に示すように、酸素溶解率ηＧ＝０．２４程度になる。酸素溶解率ηＧ＝０．２４を用いると、必要な供給空気体積流量ＱＳ（ｍ３／min）は、式（１６）を用いて、６．３４（ｍ３／min）となる。
【００７１】
また、空気中（２０℃，１atm）の酸素密度ρａｉｒ＝０．２７６(kg-O2/m3)、ブロワの吸込絶対圧力ＰＳＡ＝101.33（ｋＰａ）、比熱比κ＝１．４、ブロワ効率ηＢ＝０．５５と仮定する。散気部の設置位置を水深４．８（ｍ）とし、ブロワの吸込口から散気板の吐出し点までの圧力損失を微細な散気孔３８ａにおける絞りによる損失も含めて１(ｍＡｑ)とすると、ブロワの吐出し絶対圧力はＰＤＡ＝158.20（ｋＰａ）となるため、式（１９）からブロワの動力は９．２５（ｋＷ）となる。
【００７２】
なお、水深４．８ｍの位置の絶対圧力ＰＤＡ＝148.40（ｋＰａ）となるため、水深４．８ｍの位置に放出された気泡が持つ動力Ｌｇ（ｋＷ）は、式（１９）で求まり４．３２（ｋＷ）となる。液体に対して気泡が上昇するため、液体中にある気泡が持っているエネルギーのうち、Ｕｃｉｒ／（Ｕｃｉｒ＋Ｕｂｒ）が液体を旋回するために用いられる。図６から、気泡径が１ｍｍのとき気泡の液体に対する上昇速度Ｕｂｒ＝0.115ｍ/ｓであるため、液体を旋回させるに必要な動力Ｌcirは、式（２１）で求まり、３．１２（ｋＷ）となる。
【数２１】
2007237006.tif 000023
【００７３】
次に、上記の従来例に対応して、図１乃至図４に示す本発明の気泡を微細にして散気する気泡散気装置１０の場合を説明する。この気泡散気装置１０においては、気泡を発生させて散気する散気孔３８ａを散気部２８の表面（翼面上）に設け、散気部２８を、例えば平均速度３（ｍ／ｓ）で回転させる。散気部２８は、水平面との間に所定の迎え角βを有するように、水平面に対して傾けた状態で配置され、これによって、散気部２８の回転移動によって、散気槽１２内に旋回流を発生させるようにしている。
【００７４】
散気部２８の設置位置を、散気槽１２の水面近傍の水深０．４（ｍ）とし、ブロワの吸込口から散気部２８の吐出し点までの圧力損失を微細な散気孔３８ａにおける絞りによる損失も含めて１（ｍＡｑ）とすると、ブロワの吐出し絶対圧力ＰＤＡ＝115.06（ｋＰａ）となる。散気槽１２の水面近傍で液体中に散気させた気泡を、まず散気槽１２内を下降する下降流に乗せ、散気槽１２の底面近傍に到達した後で反転させて、上昇する上昇流に載せるようにする。気泡は、散気槽１２の底面近傍の底面から０．３（ｍ）まで下降し、その後上昇すると仮定すると、下降距離はＨｄｏｗｎ＝９．３（ｍ）、上昇距離はＨｕｐ＝９．７（ｍ）となる。
【００７５】
図１０に示すように、散気孔３８ａの孔径が２５０（μｍ）以下で、散気部（翼）２８の移動速度が３（ｍ／ｓ）以上の場合、気泡径は４００（μｍ）以下になっている。気泡径が４００（μｍ）以下の場合、図９から、深槽形水槽上散気のケースにおいて、酸素溶解率ηＧ＝１．００程度になる。このため、ηＧ＝１．００を用いると、必要な供給空気体積流量ＱＳ（ｍ３／min）は、式（１８）で求まり、１．５２（ｍ３／min）となる。このときブロワの動力ＬＢ（ｋＷ）は、式（１９）で求まり、０．６０（ｋＷ）となる。
【００７６】
翼形形状の散気部２８の翼弦長ｃ＝０．１５（ｍ）、最大（翼）厚さｈ＝０．０３（ｍ）、（翼）幅ｂ＝２（ｍ）、必要な散気部（翼）の数Ｎｉｍｐ＝９、散気部（翼）２８の平均移動速度（平均運動速度）Ｖ＝３（ｍ／ｓ）、散気部（翼）２８の抗力係数Ｃｉｍｐ＝０．１とした場合、散気部（翼）２８の抗力に対して必要な動力Ｌｉｍｐ，d（ｋＷ）は、式（２０）で求まり、０．７３（ｋＷ）となる。
【００７７】
回転移動する散気部（翼）２８で散気槽１２内の液体１６を旋回させるために必要な旋回用ポンプとしての効率ηｐ＝０．７と仮定すると、散気槽１２内の液体１６を旋回させるための動力Ｌｐ（ｋＷ）は、式（２２）から４．４６（ｋＷ）となる。
【数２２】
2007237006.tif 000024
【００７８】
全動力は、ブロワの所要動力ＬＢと、散気槽１２内の液体１６を旋回させるための動力Ｌｐと、回転移動する散気部（翼）２８の抗力に必要な動力Ｌｉｍｐ，dの和で、０．６０＋４．４６＋０．７３＝５．７９（ｋＷ）となる。即ち、この全動力により、空気の水中への供給や気泡の微細化、散気槽内へ分散散気、及び散気槽内での水の上下方向などの旋回流による気泡の運搬を行うことができる。深い槽でよく使われている、従来の一般的な静置式散気装置で必要な動力は９．２５（ｋＷ）であるため、この例では、動力を従来の般的な静置式散気装置の約６３％に減少させることが可能である。
【００７９】
上記のように、本発明による気泡散気装置１０によれば、散気部２８を翼形形状にして液体１６中で回転運動させ、散気部２８の表面に設けた、例えば実効直径が５〜３５０μｍ、好ましくは１０〜２５０μｍの散気孔３８ａから気泡を液体１６中に散気することにより、従来、最も必要動力が小さかった静置式散気装置より気泡を微細化して気体の溶解率を上げ、気体の供給量を少なくして、気体供給のための動力を少なくすることができる。また、従来は、気泡を微細化する際に多くの動力を必要としていたが、本発明の気泡散気装置１０によれば、散気部２８を翼形形状にすることにより、散気部２８表面に形成される液体１６の境界層厚さを薄くできる結果、境界層内部において境界層厚さ方向（散気部２８表面に垂直方向）についての液体の剪断力の大きさの勾配が大きくなるので、微細な散気孔３８ａから流出した気体流が細かく剪断されて微細気泡が形成される。従って、微細気泡を発生するための動力を大幅に削減することが出来る。
【００８０】
翼形形状の散気部を鉛直方向に沿った位置に配置すると、散気部には、水圧が作用するので鉛直方向に大きな圧力差を生じ、下方に位置する散気孔より上方に位置する散気孔から気泡が発生しやすくなる。この結果、鉛直方向の上下で気泡の発生が不均一になりやすくなる。翼形形状の散気部を鉛直方向に沿った位置に配置したまま、気泡を均一に発生させるためには、散気孔を有する散気部の圧力損失を上方に位置する散気部において増やす必要がある。
【００８１】
本発明の気泡散気装置１０によれば、翼形形状の散気部２８を水平方向に沿った位置に配置することで、翼形形状の散気部２８に作用する水圧を、散気部２８の全面においてほぼ等しくなるので、散気部２８（散気板３８）の圧力損失を散気板３８の全ての場所で同じにしても、気泡を均一に発生させることが可能になり、気泡発生の動力が少なくて済む。
【００８２】
本発明の気泡散気装置１０によれば、散気部２８の回転運動によって、散気槽１２内に液体１６の鉛直方向の速度成分を有する旋回流を引き起こし、この旋回流で、散気槽１２の底面における液体の水平方向の流速を０．１ｍ／ｓ程度以上にすることができる。また、散気部２８で発生させた気泡を、この鉛直方向の速度成分を有する旋回流に乗せることができるため、液体の上方の気液界面（水の場合は水面である）近傍で発生させた気泡を、散気槽１２の底面まで運ぶことが可能になる。そのため、散気槽１２内に気泡が滞留する時間を長くすることができ、気体の溶解率を上げ、気体の供給量を少なくすることができる。また、気体を散気槽１２の表面近傍に供給すれば良いので、気体の供給圧力を下げることができる。気体の供給量の低減および供給圧力の低下により、気体供給のための動力を大幅に少なくすることが可能になる。また、発生させる気泡を微細化し、かつ散気槽内の液体を旋回させるために、散気部２８を翼形にして、回転運動させることにより、微細気泡発生および液体旋回のための動力を少なくできる。これらにより、散気槽１２内の液体に必要な気体を供給するための動力を、大幅に減少させることを可能にしている。
【００８３】
気体の供給圧力は、気体供給部の水深に対して直線的に増加し、それに対応して気体供給動力も増加する。このため、気体供給部すなわち散気部２８の水深はできる限り浅くする方が良いが、散気部２８の上方から散気部２８に液体１６を導けるような位置に、換言すれば散気部２８全体が液体中に没するように散気部２８を設ける必要があることを考慮すれば、散気部２８は、液体の上方の気液界面から０．８ｍ以内に置くことが望ましい。
【００８４】
散気部を散気槽の上部に設置し、散気部の回転に伴って散気槽内に液体の下降流を起こす場合、散気部の周囲に何も設けないと、散気部で発生させた下降流が散気部の上流側に直ぐに短絡して回り込むことになり、下降流に乗せた気泡が散気槽の底部まで到達しなくなり、その結果、気泡の散気槽内での滞留時間が短くなり、気泡中の気体の利用率が小さくなる。
【００８５】
本発明の気泡散気装置１０によれば、散気槽１２の散気部２８の下方を、仕切板４６ａ，４６ｂで下降流領域Ｅ１と上昇流領域Ｅ２，Ｅ３に仕切ることによって、散気部２８で発生させた下降流が散気部２８の上流側に直ぐに短絡して回り込むことが無いようにすることで、気泡が散気槽１２内に滞留する時間を長くして、液体１６（水の場合は、例えば処理水）への気体の溶解率を大きくすることができる。また、このように、仕切板４６ａ、４６ｂを配置することにより、散気槽１２の底部における液体の水平方向の流速を上げることもできるから、汚泥の沈殿等による腐敗等の不具合の発生を抑止することもできる。
【００８６】
ここで、散気槽１２内で翼形形状の散気部２８を水平方向に回転運動させると、散気槽１２内の液体は、散気部２８が回転運動する方向に引きずられて移動し、散気槽１２内に水平方向の旋回流が発生する。このように、水平方向の旋回流が発生すると、散気部２８と液体との間の境界層厚さが厚くなり、散気部２８から発生する気泡が大きくなって微細化され難くなる。この例の気泡散気装置１０によれば、翼形形状の散気部２８の上方に、鉛直方向に延びる整流板３４を設けることにより、散気部２８の上方に該散気部２８の移動方向と同じ方向に移動する液体の流れが生じることを抑制して、境界層厚さを薄い値に維持できるから、微細気泡の発生状態を良好に保つことができる。
【００８７】
図１２及び図１３は、本発明の他の実施の形態の気泡散気装置５０を示す。この気泡散気装置５０の図１乃至図４に示す気泡散気装置１０と異なる点は、モータ１８及び散気部２８等を備えた装置本体を散気槽１２のほぼ中央ではなく、散気槽１２の端部寄り配置し、更に、散気槽１２内の散気部２８よりも下方の領域を、一体に連続的に形成された板状の仕切板５２で下降流領域Ｅ４と上昇流領域Ｅ５の２つの領域に仕切った点である。この仕切板５２は、下降流領域Ｅ４に液体の上昇流が生じてしまうことを防止するため、斜めに傾斜して散気部２８の下方を幅方向（図１２においては、紙面に垂直な方向）に徐々に拡がって延びる傾斜部５２ａと、アーム２４が回転する領域に近接する膨出部５２ｂと、傾斜部５２ａに連続し散気槽１２の幅方向（図１２においては、紙面に垂直な方向）のほぼ全域に亘って拡がって、下方に垂下する垂下部５２ｃが設けられている。
【００８８】
更に、この例の気泡散気装置５０にあっては、整流板３４として、相互にほぼ平行で、散気槽１２の気泡散気装置５０設置側端壁に向かって徐々に拡がるように延びる複数の平板が使用されている。また、図１２および図１３では、図示は省略されているが、散気部２８の全周囲をボックス状の防護部３２（図１等参照）で一体に覆うことが好ましい。その他の構成は、図１乃至図４に示す気泡散気装置１０と同様である。
【００８９】
図１４乃至図１８は、本発明の更に他の実施の形態の気泡散気装置６０を示す。この例における散気部６４の構成は、横断面が翼形の外殻に散気板を備えるという意味においては、図３乃至図５に示す散気部２８と同等である。しかし後述するように、図１４乃至図１８に示す例では、散気部５２は回転運動ではなく往復運動を行うので、散気部６４の翼形形状としては、図１４乃至図１８に示すように、翼弦方向において、翼の中央部から両端部に向けて翼の厚みが徐々に減少する翼形を用いるのが好ましい。この散気部６４は、図１４乃至図１６に示す例では、散気槽６２の幅方向（図１５において紙面に垂直な方向）のほぼ半分にわたって直線的に複数個（図示では４個）が互いに平行に且つその翼弦が略水平になるように配設された例であり、散気槽６２の上部近傍に配置された状態を示している。
【００９０】
各散気部６４の両端部には、車輪６８が設けられ、散気槽６２の該車輪６８と対応する位置には、車輪６８を載せる一対のレール７０が敷設されている。そして、駆動部７２からレール７０と平行に延び該駆動部７２の駆動に伴ってレール７０と平行に水平方向に往復運動する駆動軸７４に各散気部６４が連結されている。これによって、駆動部７２の駆動に伴う駆動軸７４の往復運動によって、散気部６４が、レール７０に沿って、水平方向に一体となって往復移動するように構成されている。
【００９１】
このように、翼形形状の散気部６４に車輪６８を設け、散気部６４がレール７０上を移動するようにすることで、散気部６４の重量をレール７０で支え、かつ散気部６４の安定した動きを維持させることができる。
なお、ロープまたはチェーン等を介して、各散気部６４が水平方向に一体となって往復移動するようにしてもよく、また、散気部６４の重量を駆動軸７４で支える構造にして、車輪６８及びレール７０を省略するようにしてもよい。
【００９２】
各散気部６４には、図１８に示すように、中空部７６が設けられ、更に、外部から延び、垂直に屈曲して、各散気部６４の中空部７６にそれぞれ連通する気体配管７８が備えられている。この気体配管７８の水平部には、例えば蛇腹からなる伸縮部７８ａが設けられて、各散気部６４の往復運動が気体配管７８で阻害されないようになっている。なお、伸縮部は、蛇腹からなる伸縮部７８ａに代えて、スライド式の配管を使用しても良い。
【００９３】
各散気部６４は、内部に中空部７６を有する矩形平板状の本体部８０と、この本体部８０の両側縁に傾動自在に連結された端部８２ａ，８２ｂとを有しており、この端部８２ａ，８２ｂを幅方向の外方に向けて肉厚が徐々に薄くなるようにして、全体として横断面が翼形形状に形成されている。そして、本体部８０の上部に開口部８０ａが設けられ、この開口部８０ａに、内部に多数の散気孔８４ａを有する多孔質体からなる散気板（多孔質散気板）８４が、該散気板８４の表面が本体部８０の表面と面一となるように取付けられている。これにより、散気部６４の中空部７６内に導入された気体は、散気板８４の散気孔８４ａを通して、気泡となって散気槽６２内の液体６６中に散気される。
【００９４】
上記の多孔質体からなる散気板８４の代わりに、多数の微細な散気孔が加工された散気板や散気膜を使用しても良い。また、駆動軸７４の内部を通して、外部から気体を散気部６４の中空部７６内に導入するようにしてもよい。
【００９５】
更に、散気部６４には、散気部６４の往復運動の際に、端部８２ａ，８２ｂの本体部８０に対する傾きを調整して、散気部６４の散気槽６２内の液体６６に対する相対的な傾きを変更する、換言すれば、本体部８０と端部８２ａ、８２ｂを備えた散気部６４が、その実質的な翼弦の水平面に対する傾きを変更する回転駆動部８６が備えられている。ここで「実質的な翼弦の水平面に対する傾き」とは、端部８２ａ、本体部８０および端部８２ｂを備えて形成された散気部６４が水平面に対してそれぞれ（傾き角度が零の場合も含めて）傾くことにより、あたかも一体に形成された翼における翼弦が水平面に対して傾いたときに、液体との間に生じるのと同等な作用を生じることを意味し、その作用とは、例えば翼形形状により散気部表面に形成される液体の境界層の厚みが薄くできることや、散気部が液体中を運動するときの抗力を小さい値に抑えることができること、さらには散気部の運動により液体に鉛直方向の速度成分を有する旋回流を生じることが出来ること等である。
【００９６】
即ち、回転駆動部８６は、図１８（ａ）に示すように、散気部６４が左方向に移動する時には左側に位置する端部８２ａを、図１８（ｂ）に示すように、散気部６４が右方向に移動する時には右側に位置する端部８２ｂをそれぞれ上方に向けて傾斜させる。また、図１８（ａ）に示すように、散気部６４が左方向に移動する時には右側に位置する端部８２ｂを、図１８（ｂ）に示すように、散気部６４が右方向に移動する時には左側に位置する端部８２ａを下方にそれぞれ向けて傾斜させる。これによって、散気部６４の往復運動によって、散気槽６２内の液体６６に下方に向かう旋回流をほぼ連続的に形成することができる。
【００９７】
散気槽６２の内部には、散気部６４の下方に位置して、散気槽６２の内部を散気部６４のほぼ真下の下方領域と、その他の領域に仕切る複数の平面部分を有する仕切板８８が配置されている。これにより、散気槽６２の散気部６４のほぼ真下の下方領域は、主に液体６６の下降流が流れる下降流領域Ｅ６となり、その他の領域は、主に液体６６の上昇流が流れる上昇流領域Ｅ７となる。これによって、前述の例と同様に、散気槽６２の底部における液体の水平方向の流速を必要とする値に確保するとともに、気泡が散気槽６２内に滞留する時間を長くして、液体６６への気体の溶解率を大きくすることができる。
【００９８】
更に、散気部６４の上方には、散気部６４の運動方向と直交する方向、即ち散気部６４と平行な方向に沿って、散気部６４の上方に該散気部６４の移動方向に沿った液体の水平方向の流れが生じることを抑制して、微細気泡の発生状態を良好に維持する複数の鉛直方向に延びる整流板９０が互いに並列に配置されている。
【００９９】
この例によれば、ブロワ等によって、気体を散気部６４の中空部７６内に送込みながら、駆動部７２を駆動して、翼形形状の散気部６４を略水平方向に往復運動させる。同時に、散気部６４の往復運動に合わせて、回転駆動部８６を介して、端部８２ａ，８２ｂの本体部８０に対する傾き、つまり散気部６４の実質的な翼弦２３０の水平面に対する傾きを調整する。これにより、散気部６４の中空部７６内に導入した気体を、散気板８４の散気孔８４ａを通して、気泡として散気槽６２内の液体６６内に散気させる、同時に、散気槽６２内の液体に下方に向かう旋回流を生じさせ、この旋回流に気泡を乗せて運ぶのであり、この例の気泡散気装置６０のように、散気部６４を往復運動させることによっても、図１乃至図４に示す例と同様な作用効果を得ることができる。
【０１００】
図１９乃至図２１は、散気部を往復運動させて気体を気泡として液体中に散気させるようにした気泡散気装置に使用される散気部の他の例を示す。この例の散気部１００は、平板状の外殻１０２で囲まれた中空部１０４を有しており、この外殻１０２の上部及び下部には開口部１０２ａ，１０２ｂが設けられ、この開口部１０２ａ，１０２ｂに、多数の散気孔１０６ａを有する多孔質体からなる散気板（多孔質散気板）１０６が、該散気板１０６の表面が外殻１０２の表面と面一となるように取付けられている。
【０１０１】
そして、散気部１００の中空部１０４は、フレキシブル管からなる気体配管１０８に連通しており、これにより、気体配管１０８を通して散気部１００の中空部１０４内に導入された気体は、散気板１０６の散気孔１０６ａから、気泡となって散気槽内の液体中に散気される。この散気板１０６の代わりに、多数の微細な散気孔が加工された散気板や散気膜を使用しても良い。
【０１０２】
この散気部１００の横断面は、円弧状の前縁１１０を有し、この前縁１１０から後縁１１２に向けて肉厚が徐々に減少する翼形形状に形成されている。散気部１００は、水平方向に延びて軸方向に移動自在な駆動軸１１４に取付けた矩形枠状のアーム１１６に、その前縁１１０の近傍で、支持ピン１１８を介して、回転自在に支承されている。更に、アーム１１６には、散気部１００の上方に位置して、散気部１００の後縁１１２の上方への動きを規制するストッパ１２０が取付けられている。
【０１０３】
これにより、散気部１００の往復運動に伴って散気部１００が液体から受ける圧力で、散気部１００の前縁１１０が常に散気部１００の進行方向の前方に位置し、しかも、散気部１００の向きが該散気部（翼）１００の翼弦と水平面との間に所定の傾き即ち液体に対する所定の抑え角が生じるように、ストッパ１２０で規制されるようになっている。
【０１０４】
つまり、図２１（ａ）に示すように、散気部１００が左方向に移動する時には、散気部１００の前縁１１０が左側に位置し、しかも水平面に対して左上がりの状態で散気部１００の傾きがストッパ１２０で規制される。また、図２１（ｂ）に示すように、散気部１００が右方向に移動する時には、散気部１００の前縁１１０が右側に位置し、しかも水平面に対して右上がりの状態で散気部１００の傾きがストッパ１２０で規制される。散気部１００が停止している時は、図２１（ｃ）に示すように、散気部１００はその翼弦がほぼ鉛直方向に向き、前縁は上に後縁は下になる。
【０１０５】
この例によれば、散気部１００を散気槽内に該散気槽内の液体に浸漬させて配置して散気部１００を水平方向に往復運動させると、散気部１００は、液体の圧力でその向きを自動的に変えられ、散気槽内の液体に下向きの旋回流が引き起こされる。これにより、前述の、散気部２８が回転する回転形気泡散気装置の場合と同様にして、翼形形状の散気部１００の表面に形成される液体の境界層厚さが薄いことから、微細な気泡が発生できるので液中に供給する気体の量を減少することができることと、散気部１００を散気槽６２の上部に設置することで液体中への気体の吐出圧力を低く抑えることができることから、気体供給動力の低減が図れると共に、翼形の採用により散気部１００が液体中を運動するときの抗力を低く抑えられるので、気泡の散気のための動力もまた低減できる。
【０１０６】
図２２乃至図２４は、散気部を往復運動させて気体を気泡として液体中に散気させるようにした気泡散気装置に使用される散気部の更に他の例を示す。この例の散気部２００は、中空部２０４を有しており、散気部２００の上部には、中空部２０４と連通する多数の散気孔２０６ａを有する散気板（多孔質散気板）２０６が、該散気板２０６の表面が散気部２００の表面と面一となるように取付けられている。
【０１０７】
そして、散気部２００の中空部２０４は、フレキシブル管からなる気体配管２０８に連通しており、これにより、気体配管２０８を通して散気部２００の中空部２０４内に導入された気体は、散気板２０６の散気孔２０６ａから、気泡となって散気槽内の液体中に散気される。
【０１０８】
この散気部２００の横断面は、両端部が外方に向けて徐々に薄肉となるように形成されている。このとき、散気部２００の両端部を含む平面と下面２１０とのなす角度および散気部２００の両端部を含む平面と上面２１２とのなす角度はそれぞれ適宜決めることができる。散気部２００は、水平方向に延びて軸方向に移動自在な駆動軸２１４に取付けた矩形枠状のアーム２１６に、その幅方向の中央部下面に取付けた補助アーム２１８及び支持ピン２２０を介して、揺動自在に支承されている。従って、散気部２００は、その運動の向きと逆方向向きの力を流体から受けるので、支持ピン２２０のまわりに補助アーム２１８が回転し、散気部２００は、水平面に対してその翼弦が傾く（前方側が上になるように傾く）。更に、散気部２００の端面の幅方向中央部と所定間隔離間した位置には、ばね止め２２２が取付けられ、アーム２１６と各ばね止め２２２との間には、散気部２００の動きを規制するばね２２４が水平方向に沿って配置されている。
【０１０９】
これにより、散気部２００の両端部を含む平面と水平面との間に、散気部２００が往復運動に伴って液体から受ける圧力により所定の抑え角（傾き）が生じるように、ばね２２４で規制（調整）されるようになっている。
【０１１０】
つまり、図２４（ａ）に示すように、散気部２００が左方向に移動する時には、水平面に対して左上がりの状態に散気部２００が傾いてこの傾きがばね２２４で規制され、図２４（ｂ）に示すように、散気部２００が右方向に移動する時には、水平面に対して右上がりの状態で散気部２００が傾いてこの傾きがばね２２４で規制される。散気部２００が停止している時は、図２４（ｃ）に示すように、散気部２００はその翼弦が水平方向に位置する。
【０１１１】
この例によっても、散気部２００を散気槽内に該散気槽内の液体に浸漬させて配置して散気部２００を水平方向に往復運動させると、散気部２００は、液体の圧力で水平面に対するその傾きを自動的に変えられ、散気槽内の液体に下向きの旋回流がほぼ連続的に引き起こされる。これにより、前述にて、図１９乃至図２１において散気部１００等に関して説明したが、同様な理由で気体供給動力の低減が図れると共に気泡の散気のための動力もまた低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施の形態の気泡散気装置が散気槽内に設置された状態を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】図１の散気部及びその周辺を拡大して示す斜視図である。
【図４】図１に示す散気部の横断面図である。
【図５】本発明の散気部の他の例を示す断面図である。
【図６】水中における空気の気泡の気泡径と気泡上昇速度の関係を示すグラフである。
【図７】中央散気、上散気及び下散気を模式的に示す図である。
【図８】中央散気、上散気及び下散気における気泡径と気泡滞留時間の関係を示すグラフである。
【図９】中央散気、上散気及び下散気における気泡径と酸素溶解率の関係を示すグラフである。
【図１０】散気部を異なる速度で移動させて水中に空気の気泡を発生させた時の散気孔径と気泡径の関係を示すグラフである。
【図１１】異なる孔径の散気孔を有する散気部を異なる速度で移動させて水中に空気の気泡を発生させた時の散気部の速度（主流速度）と気泡径の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の他の実施の形態の気泡散気装置を示す縦断面図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ線矢視図である。
【図１４】本発明の更に他の実施の形態の気泡散気装置を示す平面図である。
【図１５】図１４の縦断正面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ線矢視図である。
【図１７】図１４の散気部及びその周辺を示す斜視図である。
【図１８】図１４の散気部の移動方向を変えた時における断面図である。
【図１９】往復運動方式の他の散気部及びその周辺を示す斜視図である。
【図２０】図１９の散気部のアームへの取付け部を散気部の移動方向（前縁側）から見た図である。
【図２１】図１９の散気部の移動方向を変えた時における断面図である。
【図２２】往復運動方式の更に他の散気部及びその周辺を示す斜視図である。
【図２３】図２２の散気部のアームへの取付け部を散気部の運動方向から見た図である。
【図２４】図２２の散気部の運動方向を変えた時における断面図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０，５０，６０  気泡散気装置
１２，６２，３００  散気槽
１４  支持体
１４a  空隙部
１６，６６  液体
１８  モータ（駆動部）
２０  回転軸
２０ａ，２４ａ  気体通路
２１  長孔
２２  シールリング
２３  ボルト
２４  アーム
２６，７６，１０４，２０４  中空部
２８，６４，１００，２００，３０２  散気部
２８ａ  平坦部
３０，７８，１０８，２０８  気体配管
３２  防護部
３４，９０  整流板
３６，１０２  外殻
３６ａ，３６ｂ，８０ａ，１０２ａ，１０２ｂ  開口部
３８，８４，１０６，２０６  散気板
３８ａ，８４ａ，１０６ａ，２０６ａ  散気孔
４４  翼弦
４６ａ，４６ｂ，５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，８８  仕切板
６８  車輪
７０  レール
７２  駆動部
７４，１１４，２１４  駆動軸
７８ａ  伸縮部
８２ａ，８２ｂ  端部
８０  本体部
８６  回転駆動部
１１２  後縁
１１６，２１６  アーム
１１８，２２０  支持ピン
１２０  ストッパ
２１０  下面
２１２  上面
２２２  ばね止め
２２４  ばね
２３０  実質的な翼弦
【図１】
2007237006.tif 000025
【図２】
2007237006.tif 000026
【図３】
2007237006.tif 000027
【図４】
2007237006.tif 000028
【図５】
2007237006.tif 000029
【図６】
2007237006.tif 000030
【図７】
2007237006.tif 000031
【図８】
2007237006.tif 000032
【図９】
2007237006.tif 000033
【図１０】
2007237006.tif 000034
【図１１】
2007237006.tif 000035
【図１２】
2007237006.tif 000036
【図１３】
2007237006.tif 000037
【図１４】
2007237006.tif 000038
【図１５】
2007237006.tif 000039
【図１６】
2007237006.tif 000040
【図１７】
2007237006.tif 000041
【図１８】
2007237006.tif 000042
【図１９】
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【図２０】
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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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