(57)【要約】【課題】  既存の構造を大きく変更することなく、小さい径の多数の微細気泡を発生させることが可能な微細気泡発生装置およびそれが組み込まれた微細気泡循環システムを提供する。【解決手段】  微細気泡発生装置１０は、気体導入管１１から導入された気体と液体導入管１３から導入された液体とが混合される空間１２を内包する混合容器１と、空間１２において発生した気液混合体を外部に排出する排出管１４とを備えている。混合容器１においては、液体の旋回流が生じ、気体が旋回流によって分裂し、それにより、微細気泡が発生する。また、液体導入管１３には、内径が他の部分の内径と比較して小さい絞り部１５が設けられている。【選択図】        図１
2007069071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体導入管と、
液体導入管と、
前記気体導入管から導入された気体と前記液体導入管から導入された液体とが混合される空間を内包する混合容器と、
前記空間において発生した気液混合体を外部に排出する排出管とを備え、
前記混合容器において、前記液体の旋回流が生じ、前記気体が前記旋回流によって分裂し、それにより、微細気泡が発生する微細気泡発生装置であって、
前記液体導入管には、内径が他の部分の内径と比較して小さい絞り部が設けられている、微細気泡発生装置。
【請求項２】
前記空間は、円柱形状または円錐形状である、請求項１に記載の微細気泡発生装置。
【請求項３】
前記液体導入管は、前記液体が前記円柱形状または前記円錐形状の円形断面の接線方向に沿って前記空間に流れ込むように、前記混合容器に挿入されている、請求項２に記載の微細気泡発生装置。
【請求項４】
前記液体導入管は、その延長線が前記円柱形状または前記円錐形状の底面の法線に対して交差するように、前記混合容器に挿入されている、請求項２に記載の微細気泡発生装置。
【請求項５】
前記液体導入管は、前記液体が前記空間において発生する旋回流のランキン渦の流速が最大である位置またはその近傍に向かって流れるように、前記混合容器に挿入されている、請求項４に記載の微細気泡発生装置。
【請求項６】
前記液体導入管とは異なる他の液体導入管をさらに備え、
前記他の液体導入管は、前記液体が前記円柱形状または円錐形状の底面を介して前記空間に流れ込むように、前記混合容器に挿入されている、請求項３に記載の微細気泡発生装置。
【請求項７】
前記他の液体導入管は、前記液体が前記空間において発生するランキン渦の流速が最大である位置へ向かって流れるように、前記混合容器に挿入されている、請求項６に記載の微細気泡発生装置。
【請求項８】
請求項１または請求項６に記載の微細気泡発生装置と、
前記微細気泡発生装置の前記排出管から排出された前記気液混合体を送り出す液体循環用ポンプとを備え、
前記気液混合体が、再度、前記液体導入管または前記他の液体導入管へ戻る、微細気泡循環システム。
【請求項９】
請求項１または請求項６に記載の微細気泡発生装置と、
前記微細気泡発生装置の前記排出管から分岐した第１の配管および第２の配管と、
前記第１の配管および前記第２の配管内を流れてきた前記気液混合体を送り出す液体循環用ポンプとを備え、
前記第１の配管および前記第２の配管は、前記液体導入管または前記他の液体導入管に接続され、
前記気液混合体が、再度、前記液体導入管または前記他の液体導入管に戻る、微細気泡循環システム。
【請求項１０】
前記気液混合体が、溶存酸素を増加させるための処理槽内の液体を通過して、前記液体導入管または前記他の液体導入管に戻る、請求項８または９に記載の微細気泡循環システム。
【請求項１１】
前記処理槽内の液体中の微細気泡の最小径は１μｍ以上かつ５０μｍ以下である、請求項１０に記載の微細気泡循環システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中で微細気泡（Micro Bubble)を発生させる装置およびそれが組み込まれた微細気泡循環システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば、特開平１１−３３３４９１号公報に開示されているような旋回流を利用する微細気泡発生装置が用いられている。この装置は、液体中に微細気泡を生成するための円錐容器を備えている。円錐容器の頂点部には、液体とともに微細気泡を吐出する吐出口が設けられている。また、円錐容器の底面部にはノズルが設けられている。ノズルは、円錐容器内において、底面部から内側に向かって突出している。ノズルは、円錐容器内に気体を導く気体導入管として機能する。また、円錐容器の底面部には、円錐容器内へ液体を導く液体導入管が挿入されている。液体導入管は、円錐容器の底面部の近傍の円形断面の接線方向に沿って、円錐容器内で液体による旋回流が生じるように、円錐容器内に挿入されている。
【０００３】
前述の装置によれば、前述の旋回流に起因して円錐容器内が負圧になる。そのため、気体導入管から円錐容器内へ気体が吸い込まれる。また、旋回流が気体に対して剪断力を生じさせる。その結果、気体が分裂して、微細気泡が生成される。したがって、前述の装置によれば、複数の液体導入管を１台の液体吐出用ポンプに接続するだけで、微細気泡を発生させることができる。そのため、微細気泡発生装置が小型になるので、生産コストが低減されている。
【０００４】
しかしながら、上記従来の旋回流を利用する微細気泡発生装置を用いる場合には、微細気泡の径をあまり小さくすることができないという問題がある。また、吐出口から円錐容器の外部へ吐出される気泡の径と気体導入管から円錐容器内へ導入される気体の量との間には、相殺関係がある。そのため、気泡の径を小さくしようとすると、液中に混入される気体の量を少なくしなければならない。したがって、液体中の単位体積あたりの微細気泡の数をあまり多くすることができないという問題がある。つまり、気体導入管の径を小さくするか、または、バルブ等の制御を用いて気体導入管から混合容器１への気体の導入量を低減すれば、より微細な気泡を生成することは可能であるが、この場合、生成される微細気泡の数が低減されてしまうという問題が生じる。
【０００５】
前述の問題を解決するために、特開２００３−１２６６６５号公報においては、図１８に示すような微細気泡発生装置が開示されている。この装置は、旋回流を利用する微細気泡発生部１０１と、その下流側に接続されたキャビテーション式ノズル部分１０２とを有している。微細気泡発生部１０１の内部には円柱状空間１１２が設けられている。円柱状空間１１２の周面に沿って旋回流が発生するように、微細気泡発生部１０１の側面を介して、液体導入管１１３が微細気泡発生部１０１に挿入されている。液体導入管１１３は、円柱状空間１１２へ加圧液体を導く。その加圧液体の旋回流によって、円柱状空間１１２は負圧になる。その結果、気体導入管１１１から円柱状空間１１２へ気体が吸い込まれる。それにより、円柱状空間１１２において、気液混合体が生成される。その後、気液混合体は、微細気泡発生部１０１からキャビテーション式ノズル部分１０２へ吐出される。
【０００６】
キャビテーション式ノズル部分１０２は、配管１１７内に気液混合体が衝突する突起壁面部１１４を有している。配管１１７と突起壁面部１１４との間には、キャビテーション発生用の隙間１１５が存在する。また、配管１１７は、突起壁面部１１４の下流側に、隙間１１５の流路断面に比較してかなり大きな横断面を有する流路１１６を有している。隙間１１５から流路１１６へ気液混合体が流れると、液体混合体中の気体は、その圧力が急激に低下するため、分裂して微細気泡になる。
【特許文献１】特開平１１−３３３４９１号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００３−１２６６６５号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述の特開２００３−１２６６６５号公報に開示された旋回流を利用した微細気泡発生装置によれば、隙間１１５の流路抵抗が大きくなるため、気体導入管１１１の流路抵抗が小さければ、気体導入管１１１にも気液混合体が流れ出てしまうという問題が発生する。この問題を解決するためには、円柱状空間１１２が負圧になることによって気体に生じる引力に加えて、強制的に円柱状空間１１２へ押し込むための正圧を気体に与えることが必要になる。その結果、微細気泡循環システムは、大型になるため、その生産コストが高くなる。また、前述の装置においては、配管の径の変化に起因する気液混合体の圧力変動作用、すなわち、キャビテーション作用によって、気泡が分裂するため、あまり小さな径の微細気泡を生成することができない。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、既存の構造を大きく変更することなく、小さい径の多数の微細気泡を発生させることが可能な微細気泡発生装置およびそれが組み込まれた微細気泡循環システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の微細気泡発生装置は、気体導入管と、液体導入管と、気体導入管から導入された気体と液体導入管から導入された液体とが混合される空間を内包する混合容器と、空間において発生した気液混合体を外部に排出する排出管とを備えている。前述の混合容器においては、液体の旋回流が生じ、気体が旋回流によって分裂し、それにより、微細気泡が発生する。また、液体導入管には、内径が他の部分の内径と比較して小さい絞り部が設けられている。
【００１０】
上記の構成によれば、絞り部を有しない構成に比較して、旋回流の速度が大きくなる。そのため、混合容器内において乱流作用が生じるとともに、気体導入管から混合容器内への気体の吸引力が大きくなる。したがって、微細気泡を効率的に分裂させることができる。また、小さな径の微細気泡を発生させるために、気体導入管から混合容器内へ吸引される気体の量を低減する必要がない。そのため、上記の構成によれば、小さい径の多数の微細気泡を発生させることができる。なお、液体導入管に絞り部を設けるために、既存の微細気泡発生装置の構造を大きく変更する必要はない。
【００１１】
前述の微細気泡発生装置においては、前述の空間が円柱形状または円錐形状であれば、円柱形状または円錐形状の側面に沿って旋回流を発生させることができるため、微細気泡を効率的に発生させることができる。
【００１２】
また、液体導入管が、液体が円柱形状または円錐形状の円形断面の接線方向に沿って空間に流れ込むように、混合容器に挿入されていれば、旋回流を効率的に発生させることができるため、微細気泡の発生をさらに効率的に行うことができる。
【００１３】
また、液体導入管が、その延長線が円柱形状または円錐形状の底面の法線に対して交差するように、混合容器に挿入されていれば、螺旋状の旋回流を利用して効率的に微細気泡を生成することができる。また、複数の微細気泡発生装置を直列に接続することが容易になる。
【００１４】
また、液体導入管は、液体が空間において発生する旋回流のランキン渦の流速が最大である位置またはその近傍に向かって流れるように、混合容器に挿入されていれば、より効率的に気泡を分裂させることができる。
【００１５】
また、微細気泡発生装置は、液体導入管とは異なる他の液体導入管をさらに備えており、他の液体導入管が、液体が円柱形状または円錐形状の底面を介して空間に流れ込むように、混合容器に挿入されていてもよい。この構成によれば、旋回流を利用した微細気泡の生成とは別に、気泡核の成長および崩壊を利用して微細気泡を生成することができる。
【００１６】
また、他の液体導入管が、液体が空間において発生するランキン渦の流速が最大である位置へ向かって流れるように、混合容器に挿入されていれば、より効率的に気泡を分裂させることができる。
【００１７】
本発明の一の局面の微細気泡循環システムは、前述の微細気泡発生装置とその微細気泡発生装置の排出管から排出された気液混合体を送り出す液体循環用ポンプとを備えており、気液混合体が、再度、液体導入管または他の液体導入管へ戻るものであってもよい。この構成によれば、還流する気泡を気泡核として気泡が成長し、その後、成長した気泡が分裂するというサイクルが繰り返される。そのため、微細気泡の径をより一層小さくすることが可能になる。
【００１８】
本発明の他の局面の微細気泡循環システムは、前述の微細気泡発生装置と、その微細気泡発生装置の排出管から分岐した第１の配管および第２の配管と、第１の配管および第２の配管内を流れてきた気液混合体を送り出す液体循環用ポンプとを備えていてもよい。この場合、第１の配管および第２の配管が、液体導入管または他の液体導入管に接続され、気液混合体が、再度、液体導入管または他の液体導入管に戻ることが望ましい。この構成によっても、旋回流による微細気泡の生成とは別の気泡核の成長および崩壊を利用した微細気泡の生成サイクルが繰り返されるため、微細気泡の径をより一層の小さくすることができる。
【００１９】
また、前述の微細気泡循環システムは、気液混合体が、溶存酸素を増加させるための処理槽内の液体を通過して、液体導入管または他の液体導入管に戻るものであってもよい。これによれば、微細気泡は処理槽内で直ぐに液体の表面に浮上せず数秒から数分間液体内に滞在する。このとき、処理槽内の液体に気泡内の酸素が溶解するため、処理槽内の液体の酸素溶解量を向上させることができる。
【００２０】
なお、処理槽内の液体中の微細気泡の最小径が１μｍ以上かつ５０μｍ以下であれば、微細気泡の自己加圧効果をより大きく発揮させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、既存の構造を大きく変更することなく、小さい径の多数の微細気泡を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の微細気泡発生装置およびそれが組み込まれた微細気泡循環システムを説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
まず、図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態１の微細気泡発生装置およびそれが組み込まれた微細気泡循環システムを説明する。
【００２４】
本実施の形態の微細気泡発生装置１０は、図１および図２に示すように、旋回流によって気体と液体とが混合される混合容器１を備えている。混合容器１は、外形が円柱であり、その内部に、円錐形状の気液混合用の空間１２が設けられている。混合容器１は、一方の円盤形状の底面部１７、他方の円盤形状の底面部２７、および、円錐状の空間１２の周面を構成する筒状の側面部１８を有している。
【００２５】
底面部１７の中心部には、気体を空間１２へ導く気体導入管１１が接続されている。底面部２７の中心部には、空間１２から気液混合体を排出する排出管１４が接続されている。側面部１８には、液体導入管１３が接続されている。液体導入管１３は、液体が空間１２の円形断面の接線方向に沿って導かれるように、混合容器１に挿入されている。したがって、液体導入管１３から空間１２へ液体が導かれると、空間１２の側面の周方向に沿って液体の旋回流が生じる。
【００２６】
また、液体導入管１３には、ベンチュリ管のような絞り部１５が設けられている。絞り部１５の内径は、液体導入管１３の他の部分の内径より小さくなっている。したがって、液体は、絞り部１５を通過した後、空間１２へ高速で噴出される。したがって、液体の圧力は、絞り部１５を有しない場合に空間１２へ導かれる液体の圧力に比較して、大きくなっている。そのため、空間１２内で生じる旋回流の速度は、絞り部１５を有しない場合に空間１２内で生じる旋回流の速度に比較して大きくなっている。その結果、液体の乱流作用と高速の旋回流による空間１２の圧力変動との双方によって、空間１２内で、気体は効率的に分裂する。また、絞り部１５が混合容器１の上流に設けられているため、混合容器１の下流の流路抵抗が混合容器１の上流の流路抵抗に比較して大きくなってしまうことはない。そのため、混合容器１において気液混合体の圧力が大きく増加することははない。したがって、気体導入管１１に絞り部が設けられていなくても、気液混合体が気体導入管１１に漏れ出してしまうという、逆流現象は発生しない。
【００２７】
なお、本実施の形態の微細気泡発生装置は、１つのみ液体導入管を有しているが、本発明の微細気泡発生装置は、前述の液体導入管以外に他の液体導入管を有していてもよい。すなわち、微細気泡発生装置は、複数の液体導入管を有していてもよい。ただし、複数の液体導入管は、それぞれから空間１２へ液体が導かれることによって形成される旋回流同士の進行方向がほぼ同一になるように、混合容器１に接続されていることが望ましい。
【００２８】
また、前述のように、本実施の形態の微細気泡発生装置においては、液体導入管１３から空間１２へ加圧液体が導入されるときに、加圧液体は円錐形状の空間１２の円形断面の接線方向に沿って流れる。そのため、空間１２において旋回流が生じる。その旋回流の影響で、円錐形状の空間１２が負圧になる。それにより、気体導入管１１内の気体は、底面部１７から旋回流の中心軸に沿って、空間１２へ吸引される。その結果、図２に示すように、気柱２０が発生する。一方、気柱２０は円錐の頂点部２６または排出管１４の近傍においては、外部の静止流体によって旋回が急激に弱められる。そのため、気柱２０には、ねじられによる一様な剪断応力が生じる。その結果、気泡がさらに細かく分裂する。
【００２９】
このようにして発生した微細気泡の径は、５０μｍ〜１００μｍ程度である。ただし、より微細な気泡の径は、１μｍ〜５０μｍ程度であることが望ましい。これによれば、微細気泡に特有の自己加圧効果による溶存酸素量の増加および水への溶解性が低いオゾンの溶解性の向上を図ることができる。本明細書においては、微細気泡とは、約５０μｍ〜１００μｍ径程度の気泡を意味し、より微細な気泡とは、約１μｍ〜５０μｍ程度の気泡を意味する。
【００３０】
なお、通常、液体の中には微小なパーティクルおよびポンプの攪拌等によって発生した微細気泡も含まれている。
【００３１】
また、図３に示す微細気泡循環システム２００においては、微細気泡は、微細気泡発生装置１０から放出され、循環配管７、処理槽９、およびポンプ８を介して、微細気泡発生装置１０へ戻る。つまり、微細気泡は、微細気泡循環システム２００内を循環する。このとき、図４に示すように、絞り部１５では、微細気泡は、液体中に存在するパーティクルおよび微細気泡を気泡核３０として成長し、気泡３２が形成される。その後、気泡３２が混合容器１に入る前後で、液体の圧力が急激に増加するため、気泡３２は、再度、微細気泡３１に分裂される。この微細気泡３１の径は、気泡３２よりも小さい。
【００３２】
また、空間１２においては、旋回流が生じているため、遠心力によって、気体は回転中心軸の近傍に集められ、液体は外周部に集められる。つまり、液体と気体とは分離される。このとき、微細気泡３１は、水の粘性が慣性よりも大きいため、図２に示すように、気柱２０に混じ込めず、排出管１４から排出される。
【００３３】
本実施の形態の微細気泡発生装置１０においては、微細気泡３１の径は、通常の旋回流を利用して作成された微細気泡の径よりも小さい。また、本実施の形態の微細気泡発生装置１０においては、微細気泡３１の数は、通常の旋回流を利用して作成された微細気泡の数よりも多くなっている。
【００３４】
本実施の形態においては、空間１２が円錐形状であるが、たとえ、それが円柱形状であっても、円錐形状の空間１２において生成される微細気泡３１と同様の微細気泡を生成することができる。また、旋回流を発生させることができる形状であれば、空間１２の形状は、多角錐形状または多角柱形状であってもよい。この場合、旋回流の発生効率は低下するが、混合容器１の構成部品の成形が容易になる。
【００３５】
また、本実施の形態においては、液体導入管１３は、底面部１７の近傍の側面部１８を介して空間１２へ挿入されているが、頂点部２６の近傍の側面部１８を介して空間１２へ挿入されていてもよい。また、気液混合体は、気体導入管１１および排出管１４に対する円錐形状の空間１２の姿勢がいかなるものであるかに関わらず、流路抵抗が低い流路へ排出されるため、気体導入管１１の位置と排出管１４の位置とが入れ替えられてもよい。
【００３６】
また、液体の逆流を防止するために、排出管１４の流路抵抗は、気体導入管１１の流路抵抗に比較して低いことが必要である。また、排出管１４は、底面部２７の中心部に設けられていれば、空間１２内において効率的に旋回流を発生させることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、絞り部１５は、ベンチュリ管状であるが、本発明の絞り部は、オリフィス状であってもよく、それは、高速で空間１２へ液体を噴出することができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。
【００３８】
（実施の形態２）
次に、図５〜図９を用いて、本発明の実施の形態２の微細気泡発生装置を説明する。なお、図５〜図９において実施の形態１の図１〜図４に示された微細気泡発生装置に付された符号と同一の符号が付されている部分は、実施の形態１で説明した構造および機能と同様の構造および機能を有しているため、特に必要がなければ、その説明は繰り返さない。
【００３９】
実施の形態１の微細気泡発生装置においては、図１〜図４に示すように、液体導入管１３が、混合容器１の側面部１８介して、空間１２へ挿入されているが、本実施の形態の微細気泡発生装置においては、図５および図６に示すように、液体導入管２３は、底面部１７を介して空間１２へ挿入されている。また、液体導入管１３は、底面部１７に対して斜め方向に延びている。すなわち、液体が円錐形状の空間１２の円形底面の法線に対して所定の交差角を有する方向に沿って液体導入管１３から空間１２へ吐出されるように、液体導入管１３が混合容器１に接続されている。
【００４０】
これによれば、空間１２へ流れ込んだ液体は、空間１２の側面に沿って、底面部１７から排出管１４へ向かって、旋回しながら進行し、線４０で示すような螺旋状の軌跡を描く。そのため、本実施の形態の微細気泡発生装置は、旋回流を効率的に発生させることができる。
【００４１】
また、液体導入管１３には、実施の形態１と同様に、管の内径が他の部位より小さい絞り部１５が設けられている。そのため、本実施の形態の微細気泡発生装置によって生じる作用は、旋回流が螺旋状の軌跡を描くこと以外については、実施の形態１の微細気泡発生装置によって生じる作用と同様である。なお、円錐形状の空間１２の底面の法線と液体導入管１３の液体の吐出方向との間の交差角は、具体的には、螺旋状の旋回流が発生し易い角度である１０°以上であることが望ましい。
【００４２】
また、本実施の形態の微細気泡発生装置は、実施の形態１の微細気泡発生装置と比較して、旋回流の発生効率が低い。しかしながら、本実施の形態の微細気泡発生装置によれば、複数の微細気泡発生装置１０を直列に接続することが容易になる。
【００４３】
また、旋回流等の渦の径方向速度分布は、図７に示すように、ランキンの流速分布と同様になる。すなわち、渦中心部（ｒ＜Ｒ）では強制渦型の速度分布が形成され、渦外周部（ｒ＞Ｒ）では自由渦型の速度分布が形成され、自由渦と強制渦の境界部（ｒ＝Ｒ）で液体の流速が最大である。特に、境界部では、液体の動圧が最も大きくなる。なお、空間１２の円錐形状の円形断面の中心点からの半径方向の距離をｒとすると、ランキン渦の速度分布の最大値の位置は、その中心点から距離Ｒの位置にある。
【００４４】
液体導入管１３から空間１２へ吐出された気泡を含む液体が、ランキン渦の流速が最大である位置に向かって吐出される場合には、成長した気泡３２は、実施の形態１と同様に、その圧力が周囲の液体の水圧に対して低く、不安定である。そのため、気泡３２は、容易に分裂して、微細気泡になる。つまり、本実施の形態の微細気泡発生装置によれば、気泡３２は、静水圧および液体の動圧に加えて、渦の最大動圧が付与されるため、より効率的に分裂する。
【００４５】
なお、図５および図６に示す微細気泡発生装置は、１の液体導入管１３が空間１２へ挿入されているが、図８に示すように、複数の液体導入管１３が空間１２へ挿入されていてもよい。また、この場合においては、複数の液体導入管１３のそれぞれに絞り部１５が設けられていることが望ましい。さらに、図９〜図１１に示すように、複数の液体導入管１３のそれぞれが、ランキン渦の流速が最大である位置に向かって液体を吐出するように、空間１２に挿入されていることが望ましい。この場合には、複数の液体導入管１３のそれぞれから吐出される液体の流れが螺旋状に旋回しながら進行する。
【００４６】
（実施の形態３）
次に、図１２〜図１７を用いて、本発明の実施の形態３の微細気泡発生装置を説明する。なお、図１２〜図１７において実施の形態１および２の図１〜図１１に示された微細気泡発生装置に付された符号と同一の符号が付されている部分は、実施の形態１において説明した構造および機能と同様の構造および機能を有しているため、特に必要がなければ、その説明は繰り返さない。
【００４７】
本実施の形態の微細気泡発生装置においては、図１２および図１３に示すように、前述の実施の形態１の微細気泡発生装置と同様に、液体が底面部１７の近傍において円錐形状の空間１２の円形断面の接線方向に沿って空間１２に流れ込むように、液体導入管１３が側面部１８に接続されている。また、液体導入管１３には、実施の形態１の液体導入管１３と同様に、絞り部１５が設けられている。したがって、本実施の形態においても、液体導入管１３から空間１２へ流れ込む液体によって高速の旋回流が生じる。ただし、本実施の形態においては、絞り部１５は、使用目的に応じて選択的に設けられるものである。
【００４８】
一方、本実施の形態の微細気泡発生装置には、混合容器１の底面部１７に隣接して、気泡核を成長させて気泡を生成する気泡成長部２が設けられている。気泡成長部２には、底面部１７に対して垂直な方向に沿って複数の他の液体導入管２３が設けられている。また、複数の液体導入管２３のそれぞれには、管の径が他の部位に比較して小さい絞り部２５が設けられている。絞り部２５の形状は、絞り部１５と同様に、ベンチュリ形状であってもよいが、オリフィス形状であってもよい。したがって、本実施の形態の微細気泡発生装置においては、気泡の成長は、主に、複数の他の液体導入管２３のそれぞれ内で行なわれる。なお、他の液体導入管２３内で成長した気泡は、空間１２において、低圧雰囲気に曝され、分裂する。
【００４９】
また、旋回流を始めとする渦の周方向速度分布は、実施の形態２と同様に、図７に示すように、ランキンの流速分布と同様になる。つまり、渦中心部では強制渦型の速度分布が形成され、渦外周部では自由渦型の速度分布となり、自由渦と強制渦との境界部において液体の流速が最大になる。また、境界部では、液体の動圧が最も大きくなる。ただし、本実施形態の微細気泡成長装置は、実施の形態２の微細気泡発生装置と比較して、液体導入管１３から空間１２の円形断面の接線方向に沿って液体が吐出されるため、旋回流の発生効率が高い。
【００５０】
また、気泡成長部２の他の液体導入管２３内において気泡核３０が気泡３２に成長する原理は、実施の形態１の微細気泡発生装置の気泡の成長の原理と同様である。ただし、本実施の形態の微細気泡発生装置においては、液体導入管１３内で成長した気泡３２が利用される実施の形態１の微細気泡発生装置とは異なり、複数の他の液体導入管２３のそれぞれ内において成長した気泡３２が主に利用される。
【００５１】
また、図１２および図１３においては、気泡成長部２に複数の他の液体導入管２３が設けられている微細気泡発生装置が示されているが、少なくとも１つの他の液体導入管２３が気泡成長部２に設けられていれば、図１２および図１３に示す微細気泡発生装置と同様の効果を得ることが可能である。
【００５２】
さらに、他の液体導入管２３からランキン渦の流速が最大である位置に向かって液体が吐出されれば、最大動圧が気泡に与えられ、気泡の分裂がより効率良く行なわれる。また、成長した気泡３２は、実施の形態１と同様に、その圧力が周囲の液体の水圧より低いため、不安定であり、容易に崩壊して分裂し、微細気泡３１になる。
【００５３】
また、図１４に示すように、本実施形態の微細気泡発生装置が組み込まれた微細気泡循環システムにおいては、気泡は、静水圧および液体の動圧に加えて渦の最大動圧が与えられるため、より効率的に分裂する。
【００５４】
また、気泡成長部２には、複数の液体導入管２３が設けられているため、分岐した循環配管７がそれぞれ複数の液体導入管２３に接続され、加圧液体が複数の液体導入管２３に供給されている。しかしながら、後述する図１５に示す微細気泡循環システムのように、１本の循環配管７と複数の他の液体導入管２３との間に、それらを接続するドーナツ型の空間からなるバッファ部２８が設けられており、加圧液体がバッファ部２８に導入された後、複数の他の液体導入管２３のそれぞれに分配されてもよい。これによれば、微細気泡循環システムの構造がシンプルになる。
【００５５】
また、本実施の形態においては、旋回流を発生するために液体導入管１３へ導かれる液体の量と、気泡を成長させるために液体導入管２３へ導かれる液体の量とは、図１４および図１５に示すバルブ６によって調整される。そのため、外部から導入された気体によって混合容器１で生成された微細気泡と、気泡成長部２において生成された微細気泡との混合比率を調整することが可能である。
【００５６】
なお、本実施の形態の微細気泡発生装置においては、図１２および図１３に示すように、気泡成長部２に複数の他の液体導入管２３が設けられているが、本発明の微細気泡発生装置は、図１６に示すように、複数の液体導入管２３が混合容器１に直接挿入されていてもよい。また、本実施の形態の微細気泡発生装置は、液体導入管１３に絞り部１５が設けられているが、本発明の微細気泡発生装置は、図１７に示すように、液体導入管１３に絞り部１５が設けられていなくてもよい。
【００５７】
（実施の形態４）
次に、図１５を用いて、本発明の実施の形態の微細気泡循環システムを説明する。
【００５８】
本実施の形態の微細気泡循環システムにおいては、実施の形態の３の微細気泡発生装置が組み込まれたものである。したがって、循環配管７内を循環している５０μｍ〜１００μｍ程度の径の気泡または１μｍ〜５０μｍ程度の径の微細気泡を気泡核として気泡が成長し、その成長した気泡が再度分裂して、より微細な気泡が生成される。すなわち、キャビテーション現象を利用した気泡の成長−崩壊サイクルにより、気泡微細の生成および気泡数の増加が図られる。
【００５９】
キャビテーションによって気泡を成長させるためには、十分な数の気泡核の存在、適切な低圧空間、およびその低圧の適切な持続時間が必要である。ここで、液体の一例として水に関するキャビテーションに必要なエネルギーについて考える。
【００６０】
水分子集団にボイドが無い状態で水分子集団に気泡に相当する空洞を形成する場合には、ボイドが存在する状態で水分子集団に空洞（キャビテーション）を形成する場合に比較して、空洞を形成するために必要なエネルギーが２桁以上大きい。気泡核とは、前述のボイドを意味し、ボイドが存在すれば、格段にキャビテーションが発生し易くなる。本実施の形態においては、液中のパーティクル、溶存気体、および微細気泡が、気泡核すなわちボイドとなる。特に、微細気泡は、既に水分子集団に存在する空洞であるため、気泡核として適している。
【００６１】
また、本実施の形態の微細気泡循環システムによれば、微細気泡発生装置１０で発生した微細気泡の一部が、ポンプ８および循環配管７によって、循環する。このとき、液体は、液体導入管１３および他の液体導入管２３に送り込まれ、絞り部１５および２５において気泡が成長する。また、混合容器１における旋回流による圧力増加を利用して、気泡の崩壊および分裂が促進される。
【００６２】
なお、本実施の形態の微細気泡循環システムは、実施の形態３の微細気泡発生装置１０が用いられているが、その代わりに、実施の形態１または２の微細気泡発生装置が用いられてもよい。実施の形態１の微細気泡発生装置１０が用いられた微細気泡循環システムは、図３に示されている。
【００６３】
前述の実施の形態１〜３において説明された微細気泡発生装置が用いられると、気泡の径が従来よりも小さくなるため、気泡を生成するための外部気体の混合容器１への吸入効率が向上する。また、実施の形態１〜３の微細気泡発生装置は、絞り部１５または２５を有しているため、絞り部１５または２５で成長した気泡は、混合容器１での乱流作用と旋回流による急激な圧力変動とを利用して、効率的に分裂する。
【００６４】
また、絞り部１５または２５が混合容器１よりも上流側に設けられているため、混合容器１の下流の流路抵抗が、混合容器の上流の流路抵抗より大きくなることが防止される。その結果、気体導入管１１に絞り部が設けられていなくても、気液混合体が、気体導入管１１に流れ込む、逆流現象が発生することが防止され、混合容器１内には十分な量の気体が吸入される。
【００６５】
また、液中の気泡に働く力は次式で表され、マイクロバブル等の微細な構造の挙動は、液体の粘性に大きく支配される。
【００６６】
【数１】
2007069071.tif 000003
【００６７】
よって、液中の粒子（気泡）は、緩和時間が短く、浮き沈みし難いため、おおよそ液体の流れに従って移動する。すなわち、微細気泡は、液中から空中に浮上して消滅し難い性質を有している。
【００６８】
また、気泡核となる微細気泡の一部を還流させる方法としては、処理槽９を介して微細気泡を還流させる方法がある。この方法が用いられる場合には、微細気泡循環システム内では、微細気泡は、処理槽９を介して、再度、微細気泡発生装置１０に戻る割合が、通常の気泡に比較して多い。また、微細気泡は、微細であることに加えて、液中に広く分散して、液体の挙動と同一の挙動をするため、ポンプにエアーが流れ込むことに起因するポンプの能力低下が発生し難い。また、この方法は、特に大掛かりな機構を必要としないため、非常に有効な方法である。
【００６９】
また、図１７に示すように、気泡は、微細気泡発生装置１０の排出管１４またはその直後の循環配管から分岐した分岐管２４を介して、処理槽９を介さずに、微細気泡発生装置１０へ戻されてもよい。この場合、処理槽９へ流れ込む気泡の量と処理槽９を介さずに直接混合容器１へ戻される気泡の量と、気泡の循環のための時間、バルブ６の開度および開閉時間、ならびに、図示されない気体導入管１１の上流に取り付けた気体導入量調整用のバルブの開度および開閉時間を調整すれば、気泡の微細化のみならず、気泡の径の均一化等を図ることができる。なお、本発明の第１の配管および第２の配管は、図１５に示す分岐管２４および循環配管７によって構成されている。
【００７０】
気泡核としての微細気泡を循環させるために、処理槽９を用いる方法、分岐管２４を用いる方法、および、それらの双方を用いる方法のいずれが採用されてもよい。
【００７１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施の形態１の微細気泡発生装置の斜視図である。
【図２】実施の形態１の微細気泡発生装置の縦断面図である。
【図３】実施の形態１の微細気泡循環システムの概略図である。
【図４】実施の形態１の微細気泡発生装置の横断面図である。
【図５】実施の形態２の微細気泡発生装置の斜視図である。
【図６】実施の形態２の微細気泡発生装置の縦断面図である。
【図７】各実施の形態の微細気泡発生装置によって生成される旋回流の径方向の流速分布を示す図である。
【図８】実施の形態２の他の例の微細気泡発生装置の縦断面図である。
【図９】実施の形態２の他の例の微細気泡発生装置の底部の断面図である。
【図１０】実施の形態２の他の例の微細気泡発生装置の斜視図である。
【図１１】実施の形態２の他の例の微細気泡発生装置の斜視図である。
【図１２】実施の形態３の微細気泡発生装置の斜視図である。
【図１３】実施の形態３の微細気泡発生装置の底部の断面図である。
【図１４】実施の形態３の微細気泡循環システムの概略図である。
【図１５】実施の形態３および４の微細気泡循環システムの概略図である。
【図１６】実施の形態３の微細気泡発生装置の縦断面図である。
【図１７】実施の形態３の他の例の微細気泡発生装置の縦断面図である。
【図１８】従来の微細気泡発生装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  混合容器、２  気泡成長部、７  循環配管、８  ポンプ、９  処理槽、１０  微細気泡発生装置、１１  気体導入管、１２  空間、１３  液体導入管、２３  液体導入管、１４  排出管、２４  分岐管、１５  絞り部、１７，２７  底面部、２０  気柱、３０  気泡核、３１  微細気泡、３２  気泡、４０  螺旋状の旋回流。
【図１】
2007069071.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2007069071.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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