(57)【要約】【課題】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して、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。【解決手段】散気槽内の液体中に浸漬させ、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散気部と、散気部に気体を供給する気体通路と、散気部を加振して略同一水平面内で周期的に往復運動させる加振器と、加振器の往復運動方向の運動エネルギーを蓄積し放出する弾性体とを有し、散気部は、往復運動する方向に沿った両側縁部が外方に向けて厚みが減少する横断面が翼形形状に形成され、加振器は、少なくとも弾性体のばね定数と散気部の質量とを要件として決定される散気部の往復運動方向の固有振動数に略等しい加振周波数によって散気部を往復駆動する。【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、
散気槽内の液体中に浸漬させ、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散気部と、
前記散気部に気体を供給する気体通路と、
前記散気部を加振して略同一水平面内で周期的に往復運動させる加振器と、
前記加振器の往復運動方向の運動エネルギーを蓄積し放出する弾性体とを有し、
前記散気部は、往復運動する方向に沿った両側縁部が外方に向けて厚みが減少する横断面が翼形形状に形成され、
前記加振器は、少なくとも前記弾性体のばね定数と前記散気部の質量とを要件として決定される散気部の往復運動方向の固有振動数に略等しい加振周波数によって前記散気部を往復駆動することを特徴とする気泡散気装置。
【請求項２】
前記加振器は、前記散気部に備えられ、該加振器と前記散気槽側に固定した係止部との間に前記弾性体を介装したことを特徴とする請求項１記載の気泡散気装置。
【請求項３】
前記加振器は、前記散気槽側に備えられ、該加振器と前記散気部側に固定した係止部との間に前記弾性体を介装したことを特徴とする請求項１記載の気泡散気装置。
【請求項４】
前記散気部は、横断面が中心面に対して略上下対称の翼形形状に形成されてい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気体の所望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、湖沼または養殖用水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】
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には、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。
【００１１】
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、例えば液体が水で気体が空気である場合、従来の静置式散気装置では、気泡径（気泡直径）が１ｍｍ程度になっているのが実情である。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。
【００１２】
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、水中に空気泡を散気する場合には、従来の一般的な静置式散気装置より空気中の酸素の酸素移動動力効率が一般に悪くなる。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、液体上方界面付近で微細気泡を発生させる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。
【００１６】
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。
【００１７】
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】
【００１８】
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、散気槽内の液体中に浸漬させ、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散気部と、前記散気部に気体を供給する気体通路と、前記散気部を加振して略同一水平面内で周期的に往復運動させる加振器と、前記加振器の往復運動方向の運動エネルギーを蓄積し放出する弾性体とを有し、前記散気部は、往復運動する方向に沿った両側縁部が外方に向けて厚みが減少する横断面が翼形形状に形成され、前記加振器は、少なくとも前記弾性体のばね定数と前記散気部の質量とを要件として決定される散気部の往復運動方向の固有振動数に略等しい加振周波数によって前記散気部を往復駆動することを特徴とする気泡散気装置である。
【００１９】
このように、横断面が翼形形状の散気部を液体中で往復運動させることで、散気部と液体との間の境界層の厚さを薄くできるから、境界層内部において、境界層厚さ方向に対する液体の剪断力が大きくなるので、微細な散気孔から吐出された気体流が細かく剪断されることとなる。また散気部を翼形形状にしたので散気部が液体中を運動するときの抗力を低く抑えることができるから、少ない動力で液体中の気泡を微細化することができる。しかも、加振器で散気部を加振して往復運動させる際、弾性体（例えば、ばね）によって、散気部を往復運動方向に共振させることにより、少ない動力で散気部の往復運動の振幅および移動速度を大きくすることができ、これによって、少ない動力で広範囲の水域に気泡を散気させ、且つ液体中の気泡を微細化することができる。このように、液体中の気泡を微細化することにより、単位体積当りにおける気泡の表面積を増加させ、液体中への溶解速度を上げることができ、更に気泡の槽内滞留時間を長くして、気体の溶解率を上げることができるから、気体溶解濃度の増加を図ることができる。しかも、同一質量の液体当りにおける溶解気体の質量を同一とした場合、気体の供給量を少なくできるため、気体を供給するのに必要な動力を大幅に少なくすることができる。
【００２０】
更に、エアレータ式の気泡散気装置では、気泡が散気槽内に万遍なく行き渡るようにするため液体を攪拌するために、液体に散気槽内を特に上下方向に循環する旋回流を発生させている。本発明では、例えば散気部を散気槽の底部近傍に配置することにより、散気槽内の液体に旋回流を発生させる必要をなくしたり、例えば散気部の略水平方向の運動に同伴された液体によって生じる水平方向のわずかな旋回流の発生だけで済ましたりすることができる。これによって、液体に特に上下方向の旋回流を発生させるための動力を減少乃至不要とすることができる。これらにより、液体に気体を溶解させるために必要な動力を大幅に減少させることが可能となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、前記加振器は、前記散気部に備えられ、該加振器と前記散気槽側に固定した係止部との間に前記弾性体を介装したことを特徴とする請求項１記載の気泡散気装置である。
請求項３に記載の発明は、前記加振器は、前記散気槽側に備えられ、該加振器と前記散気部側に固定した係止部との間に前記弾性体を介装したことを特徴とする請求項１記載の気泡散気装置である。
前記のように構成された気泡散気装置は、上記請求項１の説明で開示した作用効果を好適に奏することができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記散気部は、横断面が中心面に対して略上下対称の翼形形状に形成されてい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。
散気部の往復運動は略同一水平面内で行われるので、散気部を上記のように形成することにより、散気部の往復運動等に伴って、液体中に上下方向の旋回流が生じることを抑止できる。このため、上下方向の旋回流は事実上発生せず、従って、そのための動力は事実上不要となるから、一層の省エネルギー化を図ることができる。
【００２３】
請求項５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４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（気泡直径）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気泡発生のために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。
【００２４】
請求項６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５のいずれかに記載の気泡散気装置である。
これにより、散気部の往復運動に同伴して散気部の運動方向に沿った水平方向の液体の流れが生じることを整流板で抑制し、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して、微細気泡の発生状態を良好に維持することできる。
【発明の効果】
【００２５】
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液体中に散気させることができるから、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得ることができる。また、従来の気泡散気装置よりも大幅に省エネルギー化された気泡散気装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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３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、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）の底面１４上に設置され、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。
【００２７】
この気泡散気装置１０は、散気槽１２の幅方向のほぼ全長に亘って延び、並列に配置された複数の散気部２０を備えており、この各散気部２０の両端部には、散気槽１２の底面１４上に敷設した一対のレール２２上を走行する車輪２４が取付けられている。このように、散気部２０がレール２２上を走行するようにすることで、散気部２０の重量をレール２２で支え、かつ散気部２０の安定した動きを維持させることができる。散気部２０は、下記のように、内部に中空部２６を有する横断面が翼形形状で、散気槽１２の底面１４への投影形状が矩形状に形成されている。
【００２８】
各散気部２０の上面には、散気部２０を水平方向に加振して略同一水平面内で周期的に往復運動させる加振器２８が固定されている。散気槽１２には、散気部２０の上方に位置して水平に延びる支持体３０が該散気槽１２の内周壁に固定されて配置され、この支持体３０の各散気部２０と対応する所定の位置には、係止部３２が取付けられている。各加振器２８と各係止部３２との間には、この例では、コイルばねからなる弾性体３４がそれぞれ介装されている。加振器２８は、少なくとも弾性体３４のばね定数と散気部２０の質量とを要件として決定される散気部２０の往復運動方向の固有振動数に略等しい加振周波数によって、散気部２０を往復駆動するように構成されている。これによって、加振器２８の加振によって散気部２０が往復運動すると、弾性体３４が伸縮し、加振器２８と弾性体３４によって、散気部２０を共振させて大きく振動させることができる。
【００２９】
つまり、加振器２８の加振によって散気部２０が往復運動すると、弾性体３４が伸縮し、散気部２０と弾性体３４によって、散気部２０に往復運動方向に沿った固有の振動数が存在することになる。そこで、その振動数で加振器２８により散気部２０を振動させることで、散気部２０を共振させることができる。このように、散気部２０を共振させることによって、散気部２０の運動エネルギーと弾性体３４の弾性エネルギーとの間でエネルギー交換が行われ、散気部２０を往復運動するために加速あるいは減速させるための動力を減らし、少ない動力で、散気部２０に振幅や速度の大きい振動を与えることができる。
【００３０】
コイルばねからなる弾性体３４は、水平方向に延びるばね用スライド軸３６に案内されて伸縮するように構成されており、ばね用スライド軸３６は、係止部３２を貫通して延びている。これにより、ばね用スライド軸３６は、軸方向（水平方向）に自在に移動し、しかも軸方向に垂直な向き（鉛直方向や軸方向と垂直な水平方向）には移動しないようになっている。なお弾性体３４は、その両端において、加振器２８または係止部３２に接続されている。
各散気部２０の中空部２６は、外部から延び、例えばフレキシブル管からなる気体通路３８に連通している。これにより、外部に設置したブロワ等によって送り込まれた空気等の気体は、気体通路３８を通過して、散気部２０の中空部２６内に導入される。
【００３１】
散気部２０の近傍上方で、該散気部２０の往復運動を阻害しない位置には、鉛直方向に平行に延びる複数の整流板４０が配置されている。これにより、散気部２０の上方に該散気部２０の往復運動に同伴されてその運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、液体１６に対する散気部２０の相対速度を維持し、散気部２０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。
【００３２】
この例では、散気槽１２の底面近傍に散気部２０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２０を散気槽１２の底面近くに設置することで、散気部２０の往復運動に伴って生じる散気槽１２の底面における液体の水平方向の流速を、例えば０．１ｍ／ｓ程度以上にして、水中の浮遊物が散気槽１２の底面に沈殿しないようにすることができる。これにより、例えば沈殿物の腐敗などの不具合を予防できる。特に、散気部２０が散気槽１２の底面から０．５ｍ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。
【００３３】
また、このように散気部２０を散気槽１２の底面近傍に設置することで、散気部２０から発生させた微細気泡は、浮力によって散気部２０の移動範囲の上方に万遍なく分散されるから、大きな動力を必要とする散気槽１２内での液体１６の上下方向の旋回流を発生させる必要が無く、動力の大幅低減が可能となる。
【００３４】
散気部２０は、図３に詳細に示すように、中央の平板部４２ａと、該平板部４２ａの往復運動両側に位置して、外方に向けて肉厚が減少する側縁部４２ｂ，４２ｃを有する横断面が翼形形状に形成されている。平板部４２ａの内部には、該平板部４２ａの内部に設けた凹部の開口端部を、多数の微細な散気孔４４ａを有する、例えば多孔質体からなる散気板（多孔質散気板）４４で覆った中空部２６が設けられている。この散気板４４の表面は、平板部４２ａの表面と同一の高さになっている。これにより、気体通路３８を通して散気部２０の中空部２６内に導入された気体は、散気板４４の散気孔４４ａ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４４の代わりに、多数の微細な散気孔を有する散気膜や散気板などを使用しても良い。
【００３５】
この散気部２０は、加振器２８による加振によって、略同一水平面内を往復運動する。これにより、散気部２０の往復運動に伴って、散気槽１２内の液体１６に上下方向の旋回流が極力生じないようにするのが省エネルギーの観点から好ましい。翼形としては、例えば航空機等に用いられる一般的な翼形を採用できるが、図３の例では、散気部２０の横断面が、中心面に対して、つまり翼弦を中心に上下対称となるように形成されて、散気部２０の往復運動に伴って、散気槽１２内の液体１６に上下方向に向かう旋回流が一層生じにくくしている。
【００３６】
散気板４４に設けられる散気孔４４ａ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４４ａの実効直径は、散気孔４４ａ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、その一方、散気孔４４ａ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、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。
【００３７】
一方、散気孔径が大きくなれば気泡径（気泡直径）も大きくなるが、図９の散気孔径（孔径Ｄｈ）と気泡径の関係で示すように、孔径を３５０μｍ程度にすると、気泡径は５００μｍ程度になると見込まれ、図８の気泡径と酸素溶解率の関係で示すように、気泡径が５００μｍ程度では酸素溶解率は０.７程度になり、後述するように、現在通常使われている装置の酸素溶解率０.３程度の２倍以上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４４ａの実効直径は、５μｍ以上３５０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上２５０μｍ以下が更に好ましい。
【００３８】
この例によれば、ブロワ等によって、気体を気体通路３８を経由して散気部２０の中空部２６内に送込み、同時に加振器２８を駆動して、横断面が翼形形状の散気部２０を略水平方向に往復運動（振動）させる。これにより、散気部２０の中空部２６内に導入した気体を、散気板４４の散気孔４４ａ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。
【００３９】
この時、散気部２０の往復運動（振動）に伴って弾性体３４が伸縮し、散気部２０と弾性体３４によって、散気部２０に往復運動方向に沿った固有の振動数が存在することになるが、その振動数で加振器２８により散気部２０を振動させることで、散気部２０を共振させる。このように、散気部２０を共振させることによって、散気部２０の運動エネルギーと弾性体３４の弾性エネルギーとの間でエネルギー交換が行われ、散気部２０を往復運動するために加速あるいは減速させるための動力を減らし、少ない動力で、散気部２０に振幅や速度の大きい振動を与えることができる。
【００４０】
しかも、横断面が翼形形状の散気部２０を使用することで、散気部２０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して気体の液体１６中の溶解率を上げ、気体の供給量を少なくして、気体供給のための動力を大幅に少なくすることができる。
【００４１】
即ち、散気部２０の横断面形状を翼形とすることにより、散気部２０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４４ａ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２０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できる。また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、液体１６中に滞留する時間も長いために溶解率が向上し、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体１６中への気体供給量を減じることができる。このようにして、気体供給動力についても低減できる。
【００４２】
更に、発生した気泡を散気槽１２内に万遍なく散気させるために液体１６の旋回流を生起させ、この流れに気泡を乗せて運搬する方式においては、上下方向の旋回流が効果的であるが、この旋回流を発生させるには大きな動力を必要とする。しかし、図１乃至図３に示す気泡散気装置１０を用いれば、散気部２０が散気槽１２の底部に配置されているので、散気部２０が略水平方向に往復運動する領域では、散気槽１２内でのその領域の上部全てにわたって微細気泡が浮力により万遍なく散気されるので、前記のような旋回流を発生する必要が無く、消費動力を大きく削減できる。
【００４３】
即ち、この例では、微細気泡を散気槽１２内で散気させ、所望の気体溶解濃度の高い液体を得るために必要とする動力は、気体を液体中に供給するためのブロワ動力と散気部２０を移動させるための駆動動力だけである。なお、この例では、散気部２０の下面からは散気しておらず、下面側には整流板４０も無いので、散気部２０の下面の移動に同伴されて流動する液体１６の水平方向の流れが生じ、これにより散気槽１２の底部に浮遊物が沈積することを防止できる。
【００４４】
なお、上記の例では、散気部２０に加振器２８を備え、散気槽１２側に支持体３０及び係止部３２を設けた例を示しているが、図４に示すように、散気部２０に係止部３２を固定し、散気槽１２側に備えられた支持体３０に加振器２８を取付けて係止部３２と加振器２８との間に、例えばコイルばねからなる弾性体３４を介装するようにしてもよい。
【００４５】
この例にあっても、散気部２０に固定した係止部３２に設けた貫通孔内をスライド軸３６が挿通し、このスライド軸３６を案内として弾性体（コイルばね）３４が伸縮する。ここで弾性体３４の両端は、それぞれ係止部３２および加振器２８に接続されている。加振器２８の加振によって散気部２０が往復運動すると、弾性体３４が伸縮し、散気部２０と弾性体３４によって、散気部２０に往復運動方向に固有の振動数が存在することになり、その振動数で加振器２８により散気部２０を振動させることで、散気部２０を共振させる。これによって、少ない動力で、散気部２０に振幅や速度の大きい振動をさせることができる。
【００４６】
なお、図４に示す例では、一つの加振器２８で一つの散気部２０を往復運動させるようにした例を示している。例えば、図５に示すように、散気槽１２側に備えられた一つの加振器２８と、散気部２０の移動方向に沿って延び、該加振器２８の駆動に伴って軸方向に振動する一つの加振棒５０とを備え、この加振棒５０の軸方向に沿った所定の位置に複数の伝達部材５２を固定し、この各伝達部材５２と各散気部２０に固定した各係止部３２との間に、例えばコイルばねからなる弾性体３４を介装して、一つの加振器２８によって複数の散気部２０を同時に往復運動方向に共振させるようにしても良い。それとは逆に、一つの散気部２０を複数の加振器２８を用いて往復運動方向に共振させるようにしても良い。即ち、加振器２８と散気部２０の数は任意に選択できる。
【００４７】
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。
【００４８】
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】
2007237015.tif 000003
【００４９】
したがって、抗力係数Ｃｄは、式（２）となる。
【数２】
2007237015.tif 000004
一方、水中空気泡の場合、気液界面は、気泡に対して略静止した状態になると見なせるため、気泡が小さい場合には、抗力係数Ｃｄは、式（３）となる。
【数３】
2007237015.tif 000005
【００５０】
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】
2007237015.tif 000006
したがって、式（１）から式（４）より、式（５）が得られる。
【数５】
2007237015.tif 000007
【００５１】
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。
【００５２】
次に、気泡が散気槽内の液体中に滞在する滞留時間について説明する。
通常の下水処理場において、散気槽の底面近傍で散気槽の全面（底面全体）に亘って散気する場合は、気泡によって水中に局所的に旋回流が発生し、この場合の旋回流速は、０．２ｍ／ｓ程度になっている。
【００５３】
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）とすると、気泡が移動して処理槽内に停留する時間ｔｕｐ（ｓ）の最小値は、式（６）となる。
【数６】
2007237015.tif 000008
【００５４】
一例として、通常の水深５ｍの散気槽における気泡の滞留時間を求める。散気槽底面から０．２（ｍ）の位置に一定の場所に固定された（即ち、移動しない）散気部を散気槽の全面に設けて、局所的な旋回流が０．２（ｍ／ｓ）になった場合について、気泡径と気泡の滞留時間の関係を求めた結果を図７に示す。
【００５５】
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（＝２Ｒｂα／Ｄ）とペクレ数Ｐｅ（＝２ＲｂＵｂｒ／Ｄ）の関係は、式（７）となる。
【数７】
2007237015.tif 000009
【００５６】
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（８）で求まる。
【数８】
2007237015.tif 000010
【００５７】
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、気泡は窒素と酸素からのみ構成されており、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みなせると仮定する。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。
【００５８】
いま、一つの気泡に注目すると、気泡の表面積Ａｂ（ｍ２）は、式（９）となり、気泡の体積Ｖｂ（ｍ３）は、式（１０）となる。
【数９】
2007237015.tif 000011
【数１０】
2007237015.tif 000012
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（１１）となる。
【数１１】
2007237015.tif 000013
【００５９】
水の初期の状態として、水中の酸素は生物などによって消費されて水中に溶解しておらず、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て飽和している場合を想定すると、水中の気泡内の酸素は徐々に水中に溶解するが、水中の気泡内の窒素は溶解せずそのまま維持される。そのため、水中の気泡内の酸素の体積は徐々に減少し、気泡内の酸素の分圧は低下する。このとき水中にある気泡中の酸素の体積変化は、式（１２）となる。
【数１２】
2007237015.tif 000014
【００６０】
式（１２）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（１３）が成立し、更に変形すると式（１４）となる。
【数１３】
2007237015.tif 000015
【数１４】
2007237015.tif 000016
【００６１】
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。
【００６２】
式（１４）において、Ｖｂｏｅ／Ｖｂｏｆ＝１−ηＧと置き、実際の値を代入すると式（１５）となる。ここにηＧは、酸素溶解率である。
【数１５】
2007237015.tif 000017
【００６３】
前記のように、水深５ｍの散気槽と該散気槽底面から０．２ｍの位置に固定された散気部とを一例として仮定し、空気の組成、その他の計算条件についても前記の仮定に基づいた場合に、散気槽において、式（１５）から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８に示す。
【００６４】
次に、散気槽内を散気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（１６）で表せる。
【数１６】
2007237015.tif 000018
【００６５】
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（１７）で表せる。
【数１７】
2007237015.tif 000019
【００６６】
次に、散気槽内に気泡を散気するため、従来の円盤状の散気部（円盤散気部）を回転させるようにした場合における、該円盤散気部を回転させるのに必要な動力について説明する。
気泡を微細にして液体中に散気させる装置として、散気槽内で円盤散気部を回転させて気泡を微細化する装置がある。静止した液体中で円盤散気部を回転させる際、円盤散気部の半径をＲｄ、円盤散気部の片面で必要なトルクをＭｄ（Ｎｍ）、水の密度をρＷ（ｋｇ／ｍ３）、円盤散気部の角速度をω（１／ｓ）とし、トルク係数ＣＭを式（１８）で定義する。
【数１８】
2007237015.tif 000020
【００６７】
静止した液体中で円盤散気部を回転させる際に円盤散気部の両面で発生するトルクのトルク係数ＣＭは、式（１９）で表される。
【数１９】
2007237015.tif 000021
したがって、静止した液体中で円盤散気部を回転させる際に円盤散気部の両面で必要な動力Ｌｄは、式（２０）で表される。
【数２０】
2007237015.tif 000022
【００６８】
次に、図１乃至図３で示す本発明の気泡拡散装置１０で、散気部２０を往復運動するため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２０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２０の抗力による動力をＬｉｍｐ，ｄ（ｋＷ）、水の密度をρｗ（ｋｇ／ｍ３）、散気部（翼）２０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２０の抗力による動力Ｌｉｍｐ，ｄ（ｋＷ）は、式（２１）で表せる。
【数２１】
2007237015.tif 000023
【００６９】
以下に、一例として、水深Ｈｔが５（ｍ）、平面積が９０（ｍ２）、容積が４５０（ｍ３）の散気槽内を散気する際に必要な動力について説明する。必要な酸素質量流量をＱＷＯ＝１１．１（kg-O2/h）と仮定する。
【００７０】
ここで、従来の静置式散気装置を用いて散気槽底面の全域から気泡を液体中に散気する方法では、気泡径は１ｍｍ程度である。図８から、気泡径が１ｍｍの時、酸素溶解率ηＧ＝０．３程度になる。酸素溶解率ηＧ＝０．３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、２．２３（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散気槽底面から０．２（ｍ）、したがって、水深を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）となる。このため、式（１７）から、ブロワの動力ＬＢは、３．２５（ｋＷ）となる。
【００７２】
次に、散気槽の底面に気泡を微細にする装置を設けて、気泡径を４００（μｍ）程度にできたとすると、図８から酸素溶解率ηＧ＝０．７７程度になる。酸素溶解率ηＧ＝０．７７を用いると、必要な供給空気体積流量ＱＳは、0.871（ｍ３／min）となる。上記と同様に、ブロワの吐出し絶対圧力ＰＤＡ＝158.20（ｋＰａ）となる。このため、式（１７）を用いると、ブロワの動力Ｌは、１．２７（ｋＷ）となる。
【００７３】
従来の円盤散気部の場合において、円盤散気部の半径Ｒｄ＝１．０５（ｍ）、回転速度を８５ｒｐｍとすると、角速度ω＝8.901（１／ｓ）となる。水の動粘度ν＝1.013×10−６（ｍ２／ｓ）とすると、円盤散気部に関するレイノルズ数Ｒｅｄは、式（２２）で得られる。
【数２２】
2007237015.tif 000024
【００７４】
水の密度をρＷ＝998.3（ｋｇ／ｍ３）すると、上記の一つの円盤散気部の両面に必要な動力Ｌｄ（ｋＷ）は式（２０）で求まり、２．６２８（ｋＷ）となる。上記で示した平面積が９０（ｍ２）、水深Ｈｔが５（ｍ）、容積が４５０（ｍ３）の散気槽では、上記の円盤散気部を２台程度用いているため、円盤散気部を回転させるために必要な動力２Ｌｄ（ｋＷ）は、５．２６（ｋＷ）となる。全動力は、ブロワの所要動力ＬＢと円盤散気部を回転させるために必要な動力２Ｌｄの和で、１．２７＋５．２６＝６．５３（ｋＷ）となる。したがって、従来よく使われている、静置式散気装置で必要な動力である３．２５（ｋＷ）より遥かに大きな値となる。
【００７５】
次に、従来のエアレータ方式の散気装置で気泡を液体中に散気する場合について説明する。
上述のように、気泡径が１（ｍｍ）程度になる場合、ブロワの動力は、３．２５（ｋＷ）となる。また、散気槽の底面近傍に気泡を微細にする装置を設けて、気泡径を４００（μｍ）程度にできた場合のブロワの動力は、１．２７（ｋＷ）となる。しかし、容積が４５０（ｍ３）の散気槽内の液体に上下方向の旋回流を起こすためには、エアレータの動力として、一般的には、１．８（ｋＷ）程度が必要となると見込まれる。したがって、上記の容積の散気槽で気泡を液体中に散気させる場合、気体を液体に溶解するために必要な動力は、気泡径が１（ｍｍ）程度になる場合は、ブロワ動力３．２５ｋＷとエアレータ動力１．８ｋＷ程度との和として５．０５（ｋＷ）程度、気泡径が４００（μｍ）程度になる場合は、ブロワ動力１．２７ｋＷとエアレータ動力１．８ｋＷ程度との和として３．０７（ｋＷ）程度となる。このため、実際にエアレータを用いて運転したときに必要動力は、これら２つの値の間の値となる。したがって、従来よく使われている、静置式散気装置で必要な動力に対し、殆んど省エネルギー化の改善は望めない。
【００７６】
次に、図１乃至図３に示す本発明の気泡散気装置１０の場合について説明する。
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４４ａは、翼形形状の散気部２０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４４ａから水中に空気を吐出したときの、散気孔４４ａの孔径Ｄｈ（μｍ）と気泡径（μｍ）との関係の解析結果を図９に示す。散気孔４４ａ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１０に示す。図９及び図１０に示すように、散気孔４４ａ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。
【００７７】
このように、散気槽底面に気泡を微細にする装置を設けて気泡径が４００（μｍ）以下となるようにすると、図８から酸素溶解率ηＧ＝０．７７以上になる。いま、前記の従来型散気装置について説明した場合と同じ散気槽を仮定し、散気部の設置位置も散気槽底面から０．２ｍ（水深４．８ｍ）として、酸素溶解率ηＧ＝０．７７を用いると、必要な供給空気体積流量ＱＳは0.871（ｍ３／min）となる。また、上記と同様に、ブロワの吐出し絶対圧力ＰＤＡ＝158.20（ｋＰａ）となる。このため、式（１７）を用いると、ブロワの動力ＬＢは１．２７（ｋＷ）となる。
【００７８】
静止した液体中で移動する翼形形状の散気部２０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）２０の数Ｎｉｍｐ＝５、散気部（翼）２０の移動速度Ｖ＝３（ｍ／ｓ）とする。散気部２０を翼形形状にすることによって、散気部（翼）２８の抗力係数Ｃｉｍｐ＝０．１程度に小さくすることができる。このため、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（２１）で求まり、０．４０（ｋＷ）となる。
【００７９】
したがって、全動力は、ブロワの所要動力ＬＢと散気部（翼）２８の抗力に必要な動力Ｌｉｍｐ，ｄの和であるから、理論値として、１．２７＋０．４０＝１．６７（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、散気槽内への分散散気を行うことができ、散気槽内での水の上下方向などの旋回流発生用動力を必要としない。特に、本発明のように、散気部２０の往復運動を共振させることにより、全動力を、この理論値１．６７ｋＷに十分に近づけることができる。
【００８０】
つまり、散気部２０を往復運動させる場合に、散気部２０の往復運動が共振状態でない場合には、散気部２０の往復運動の１周期内に散気部２０を加速および減速するために外部から力を与える必要があり、それだけ余分に動力が必要になり、前記理論値よりも大きい動力が必要となってしまう。
従来よく使われている静止した散気装置を用いる方法で必要な動力は、３．２５（ｋＷ）であるから、本発明の気泡散気装置１０では、上記のように共振状態で往復運動させることにより、散気に必要な動力を従来の静置式散気装置の略約５１％に減少させることが可能となる。
【００８１】
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２０を翼形形状にして液体１６中で３ｍ／ｓｅｃ以上の速度で往復運動させ、散気部２０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４４ａから気泡を液体１６中に散気することにより、従来の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２０を翼形形状にすることにより、散気部２０の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２０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４４ａ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できる。
【００８２】
なお、図９の散気孔径と気泡径の関係で示すように、散気孔径を３５０μｍ程度にすると、気泡径は５００μｍ程度になると見込まれ、図８の気泡径と酸素溶解率の関係で示すように、気泡径が５００μｍ程度では酸素溶解率は０．７程度になる。このため、散気孔径を３５０μｍ程度にすると、従来一般に使われている散気装置における酸素溶解率０．３程度の２倍以上の酸素溶解率になり、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。したがって、散気部２０の表面に設けられる散気孔４４ａの直径は、製作の容易性なども含めて考慮すると、５μｍ以上で、３５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上２５０μｍ以下であることが更に好ましい。
【００８３】
従来よく使われている静置式拡散装置では、通常、散気槽底面全面に対する散気部の鉛直方向投影面積は、槽底面面積の４％程度になっている。また、エアレータ方式の散気装置の場合、通常、散気槽底面全面に対する散気部の鉛直方向投影面積は、散気槽底面面積の０．５％程度と非常に少なくなっており、散気部で液体中に散気した気泡を散気槽内の広範囲に分散させるためには、散気槽内の液体を特に上下方向に旋回させて撹拌させる必要があり、旋回流を発生させるために大きな動力を必要としていた。
【００８４】
これに対して、本発明の気泡散気装置１０では、散気部２０を散気槽１２内で往復運動させることで、散気槽１２内で散気部２０の往復運動により描かれる軌跡の面積がカバーできる散気槽１２の底面全面に対する鉛直方向投影面積を散気槽１２の底面面積の、例えば２０％以上にすることが容易となる。そのため、液体中に散気させた気泡の散気槽４１内における分散が良くなり、即ち、散気槽１２内の一層広い領域に気泡が分散でき、しかも、エアレータ方式の散気槽のように、散気槽内の液体を上下方向に強制的に旋回させる必要が無いので、そのための動力も必要なくなる。
【００８５】
本発明の気泡散気装置１０は、散気部２０の表面と液体１６との間に形成されるの境界層の厚さを薄くすることによって微細な気泡を発生させており、以下により、散気槽１２内の液体１６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ができる。
【００８６】
（１）気泡を微細化することにより、単位体積当たりの気体の気液界面の面積を多くし、かつ気泡が上昇する速度が下がることによって気体の利用率を上げる。即ち、利用対象気体を十分に液体中に溶解させることで動力の有効利用を図る。
（２）気泡を散気する散気部２０を翼形形状にすることで抗力係数を小さく出来るから、散気部２０の往復運動のための動力を低減できる。また、このとき、前記のように散気部２０表面に形成される液体１６の境界層が薄くなるから、微細な散気孔４４ａから吐出される気体は微細気泡になるので、結果として、低い動力で微細な気泡を発生できる。
（３）散気部２０を散気槽１２内で往復運動させ、散気槽１２の底面面積に対して散気部２０で実質的にカバーする散気面積を大きくすることによって、散気槽内の液体の一層広範囲、広領域に対して気泡を分散して散気することによっても、気体の利用率を上げることができるから、気体供給動力を有効利用できる。
【００８７】
本発明の気泡散気装置１０のように、翼形形状の散気部２０を散気槽１２の底面近傍に置く場合、散気部２０は、微細な気泡を発生させると同時に、散気槽１２の底面における液体の水平方向の流速を、例えば０．１ｍ／ｓ程度以上にして、水中の浮遊物が散気槽１２の底面に沈殿しないようにする機能を兼ねている。そのため、散気部２０を散気槽１２の底面に近づけて、特に、散気部２０を散気槽１２の底面から０．５ｍ以内に設置することで、散気部２０の往復運動によって生じる液体の流れで、散気槽１２の底面における液体の流速を０．１ｍ／ｓ程度以上にすることができる。
【００８８】
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。
【００８９】
本発明の気泡散気装置１０によれば、翼形形状の散気部２０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２０に作用する水圧は、散気部２０の全面においてほぼ等しくなるので、散気部２０（散気板４４）の圧力損失を散気板４４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。
【００９０】
ここで、散気槽１２内で翼形形状の散気部２０を水平方向に往復運動させると、散気槽１２内の液体１６は、散気部２０が往復運動する方向に引きずられて移動し、散気部２０と液体１６との相対速度が低下する。このように、散気部２０と液体１６との相対速度が低下すると、散気部２０と液体１６との間の境界層厚さが厚くなり、散気部２０から発生する気泡が大きくなって微細化され難くなる。本発明の気泡散気装置１０によれば、翼形形状の散気部２０の上方に散気板４４があるので、散気部２０の上方近傍に、鉛直方向に延びる整流板４０を設けることにより、散気部２０の上方において該散気部２０の移動方向と同じ方向に同伴して移動する液体の流れが生じることを抑制して、境界層厚さを薄く維持できるから、発生する気泡を微細気泡にすることができる。
【００９１】
散気槽１２内で翼形形状の散気部２０を往復運動させる場合、散気部２０が運動する方向に慣性があるため、散気部２０を周期的に往復運動させるためには、散気部２０に周期的な力をその往復運動方向に作用させる必要がある。
【００９２】
図１乃至図３に示すように、気泡散気装置１０に、散気部２０の運動エネルギーとばねのような弾性体３４の弾性変形によるエネルギーを交互に変換できる機構を設け、一つの散気部２０の質量をｍ、弾性体３４のばね定数をｋ、一つの散気部２０に掛かる抗力の係数をＣｆ、散気部２０を往復運動させるために外部から散気部に与える力をＦｉｍｐ、散気部２０の往復運動における平衡点からの変位をｘとすると、散気部２０の運動方程式は式（２３）で表せる。
【数２３】
2007237015.tif 000025
【００９３】
一つの散気部２０の運動に対する減衰力としては、散気部２０等の流体的な抗力や機械的な摩擦力等があるが、散気部２０が液体１６中を動く際に散気部２０に掛かる静的な力のみで近似すれば、散気部２０に掛かる抗力の係数Ｃｆは、式（２４）で表せる。
【数２４】
2007237015.tif 000026
【００９４】
散気部２０の往復運動で最も振幅が大きくなる周波数、すなわち共振周波数ｆは、式（２５）で表せ、散気部２０に掛かる抗力の係数Ｃｆが小さい場合は、式（２６）で近似できる。本発明では、散気部２０を翼形にして、散気部２０に掛かる抗力を少なくしているため、式（２６）で近似しても差し支えない。
【数２５】
2007237015.tif 000027
【数２６】
2007237015.tif 000028
なお、実際の場合は、振幅が最大になる周波数を実験的に求めることが望ましい。
【００９５】
図１乃至図３に示すように、気泡散気装置１０に、散気部２０の運動エネルギーとばねのような弾性体３４の弾性変形によるエネルギーを交互に変換できる機構を設け、散気部２０の質量ｍと弾性体３４のばね定数ｋで決まる共振周波数ｆの近傍で、散気部２０を往復運動方向に共振させることにより、少しの動力で散気部２０の大きな運動速度や広い往復運動範囲（大きい振幅）を得ることができる。また、液体１６と散気部２０の相対速度を大きくすることができることで、微細な気泡を発生でき、広い領域の水に対して気泡を分散供給することができる。
【００９６】
なお、本発明を用いないとき、即ち、散気部の往復運動を共振させない場合、共振させる場合と同じだけ往復運動させようとすると、散気部の運動方程式（２３）において、散気部を往復運動させるために外部から散気部に与える力Ｆｉｍｐを、弾性体が散気部に与える力ｋｘだけ常時多くする必要があるため、散気部の往復運動のために大きな動力が必要になり、往復運動のための動力が増えてしまう。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の一つの実施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の概要を拡大して示す斜視図である。
【図４】他の散気部及びその周辺の概要を拡大して示す斜視図である。
【図５】更に他の散気部及びその周辺の概要を拡大して示す斜視図である。
【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】水中における空気の気泡径と気泡滞留時間の関係を示すグラフである。
【図８】水中における空気の気泡径と酸素溶解率の関係を示すグラフである。
【図９】散気部を異なる速度で運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１０】異なる孔径の散気孔を有する散気部を異なる速度で運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。
【符号の説明】
【００９８】
１０  気泡散気装置
１２  散気槽
１４  底面
１６  液体
２０  散気部
２２  レール
２４  車輪
２６  中空部
２８  加振器
３０  支持体
３２  係止部
３４  弾性体
３６  スライド軸
３８  気体通路
４０  整流板
４２ａ  平板部
４２ｂ，４２ｃ  側縁部
４４  散気板
４４ａ  散気孔
５０  加振棒
５２  伝達部材
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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