(57)【要約】      （修正有）【課題】コンプレッサーや圧縮ボンベなどの送気装置を設置することなく液体中に気体を導入し、液体中に微小気泡を効率よく発生させることのできるより簡便な構造の微小気泡発生装置を提供すること。【解決手段】液体を収容するための液体収容部１と、前記液体収容部の液体中に配置され、液体出口部２ａを有する液体噴出ノズル２と、前記液体出口部の外縁部に配置され、気体出口部を有する気体吸引ノズル３と、前記気体出口部３ａから流出する気体の流量を制御する流量制御装置６と、を備え、前記気体出口部を前記液体出口部より噴出される液体の流路内に配置し、前記気体出口部の下流縁部に負圧発生部を生じさせ、液体中に気体を自動吸引することを特徴とする微小気泡発生装置。【選択図】図１
2012120988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に気体を導入し液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生装置であって、
液体を収容するための液体収容部と、
前記液体収容部の液体中に配置され、液体出口部を有する液体噴出ノズルと、
前記液体出口部の外縁部に配置され、気体出口部を有する気体吸引ノズルと、
前記気体出口部から流出する気体の流量を制御する流量制御装置と、を備え、
前記気体出口部を前記液体出口部より噴出される液体の流路内に配置し、前記気体出口部の下流縁部に負圧発生部を生じさせ、液体中に気体を自動吸引することを特徴とする微小気泡発生装置。
【請求項２】
前記気体出口部が、前記気体吸引ノズルの長軸方向に対して斜めに切断された形状であることを特徴とする請求項１に記載の微小気泡発生装置。
【請求項３】
前記液体噴出ノズルと前記気体吸引ノズルが、合成樹脂にて一体成形されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微小気泡発生装置。
【請求項４】
液体中に気体を導入し液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生方法であって、
液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部の液体中に配置され、液体出口部を有する液体噴出ノズルと、前記液体出口部の外縁部に配置され、気体出口部を有する気体吸引ノズルと、前記気体出口部から流出する気体の流量を制御する流量制御装置と、を備えた、微小気泡発生装置を用いて、前記気体出口部を前記液体出口部より噴出される液体の流路内に配置し、前記気体出口部の下流縁部に負圧発生部を生じさせ、液体中に気体を自動吸引することを特徴とする微小気泡発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水質浄化、水産養殖、美容健康などの分野に利用される液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直径が数十μｍ以下の微小気泡は、優れた溶解能力、液体中への高い気体吸収効率、洗浄生理活性が高いなどの特性を有することから水質浄化、水産養殖、美容健康などの分野への応用が期待されている。
【０００３】
従来、淡水、海水、その他の用途に応じて使用される各種の液体中に気体を混在させて、液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生方法について多くの提案がなされている。例えば、工業的規模で気泡径のバラツキの少ない微小気泡発生方法の一つとして、流体中に生じるせん断力を用いて気体を微小化させる気液せん断法が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、水又は液体に圧力を付与して送出する駆動ポンプと、オリフィスを設置した気体流路と、前記駆動ポンプによって圧力が付与されて送出された水又は流体を導入して高速で噴出させて形成される作動流体で前記気体流路からの気体を巻き込んで気液混合流を形成して気泡を発生させるエジェクターとを備えて構成したことを特徴とする気泡発生装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、水噴流ノズルをオリフィス形状とし、その近傍に気体ノズルを配置した気液二相微細気泡発生装置であり、更には、水噴流ノズルの出口放出孔が二次元スリット又はオリフィスノズルであり、且つ水噴流ノズルの外縁部に気体ノズルを配置した気液二相微細気泡発生装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０６６２号公報
【特許文献２】特開２００６−２１２５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献より、気液せん断法を用いた微小気泡発生装置に関して開示されているが、装置のメンテナンスや消費電力などのランニングコストの観点から、備え付ける装置部品ができるだけ少ない、より簡便な構造の微小気泡発生装置が望まれている。
【０００８】
特許文献１に記載の気泡発生装置は、気泡がキャビテーション効果によりせん断され、気液接触を行い、溶媒中への気泡の分散効率を大幅に向上させるものであるが、通常、キャビテーションを発生させるには、液体を高速で流す必要があるため、高流速ポンプと大きな電力が必要となる。そのため、このような構成の微小気泡発生装置では、消費電力が大きくなりエネルギー効率が良くないという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の微細気泡発生装置は、コンプレッサーなどの送気装置を利用して圧縮空気を水中に導入し微細気泡を発生させる装置であるが、より簡便な構造で、メンテナンスや消費電力などのランニングコストを抑えるためには、できるだけコンプレッサーや圧縮ボンベなどの送気装置を使用しないことが望ましい。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、コンプレッサーや圧縮ボンベなどの送気装置を設置することなく、液体中に気体を導入し液体中に微小気泡を効率よく発生させることのできる、より簡便な構造の微小気泡発生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】
【００１１】
すなわち、本発明は、液体中に気体を導入し液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生装置であって、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部の液体中に配置され、液体出口部を有する液体噴出ノズルと、前記液体出口部の外縁部に配置され、気体出口部を有する気体吸引ノズルと、前記気体出口部から流出する気体の流量を制御する流量制御装置と、を備え、前記気体出口部を前記液体出口部より噴出される液体の流路内に配置し、前記気体出口部の下流縁部に負圧発生部を生じさせ、液体中に気体を自動吸引することを特徴とする微小気泡発生装置である。
【００１２】
また、本発明は、前記気体出口部が、前記気体吸引ノズルの長軸方向に対して斜めに切断された形状であることを特徴とする微小気泡発生装置である。
【００１３】
また、本発明は、前記液体噴出ノズルと前記気体吸引ノズルが、合成樹脂にて一体成形されていることを特徴とする微小気泡発生装置である。
【００１４】
また、本発明は、液体中に気体を導入し液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生方法であって、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部の液体中に配置され、液体出口部を有する液体噴出ノズルと、前記液体出口部の外縁部に配置され、気体出口部を有する気体吸引ノズルと、前記気体出口部から流出する気体の流量を制御する流量制御装置と、を備えた、微小気泡発生装置を用いて、前記気体出口部を前記液体出口部より噴出される液体の流路内に配置し、前記気体出口部の下流縁部に負圧発生部を生じさせ、液体中に気体を自動吸引することを特徴とする微小気泡発生方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の微小気泡発生装置によれば、コンプレッサーや圧縮ボンベなどの送気装置を設置する必要がなく、より簡便な装置構造で液体中に気体を導入することができ、かつ、液体中に微小気泡を効率よく発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る微小気泡発生装置の全体概略図である。
【図２】気体出口部近傍の断面図（Ａ）及び気体出口部の上面図（Ｂ）である。
【図３】気体出口部の近傍拡大図である。
【図４】気体出口部の形状例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の微小気泡発生装置は、液体流路中に配置される物体の下流縁部にて生じる負圧発生現象を利用することによって、液体中に気体を自動吸引させ、コンプレッサーや圧縮ボンベなどの送気装置を設置する必要がなく、液体中に気体を導入することができ、より簡便な装置構造で液体中に微小気泡を効率よく発生させることができる。
【００１８】
本発明に適用可能な液体としては、特に制限されないが、汎用性とコストの観点から水を用いるとよい。また、本発明に適用する気体としては、空気を用いるとよい。なお、本発明における微小気泡とは、その直径が５０μｍ以下の小さな気泡を表す。
【００１９】
以下、本発明の微小気泡発生装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１に示すように、本発明の微小気泡発生装置１００は、流体中に生じる剪断力を用いて気体を微小化させる微小気泡発生装置であって、微小気泡を発生させる場となる液体を収容するための液体収容部１と、液体収容部１の液体中のある所定深さに配置される液体噴出ノズル２と、液体噴出ノズル２の外縁部に配置される気体吸引ノズル３とを備える。
【００２１】
液体噴出ノズル２には、液体収容部１に液体を導入するための液体導入通路４が設けられ、予め液体が収容された液体収容部１に別途液体が導入される。具体的には、図２に示すように、液体噴出ノズル２の先端部には液体出口部２ａが設けられ、液体導入通路４を流通する液体が液体出口部２ａから噴出される。なお、液体導入通路４の上流には、液体を導入する液体供給源１０が接続される。液体として水を用いる場合は、液体供給源１０は、一般的な水道水の出口配管に接続することで対応できる。
【００２２】
所定の液体噴出速度を得るためには、液体出口部２ａはオリフィス形状とすることが好ましく、例えば、オリフィスの開口比は、０．２〜０．８の範囲に設定するとよい。なお、ここで言うオリフィスの開口比とは、液体噴出ノズル２の流路断面積に対する液体出口部２ａの開口面積の比を表す。
【００２３】
気体吸引ノズル３には、液体収容部１に気体に導入するための気体導入通路５が設けられ、気体導入通路５の途中には、液体収容部１に導入する気体の流量を調整するための気体流量制御装置６が設けられる。具体的には、図２に示すように、気体吸引ノズル３の先端部には気体出口部３ａが設けられ、気体導入通路５を流通する気体が気体出口部３ａから液体中に導入される。なお、気体の流量は気体流量制御装置６によって調整される。
【００２４】
気体吸引ノズル３は液体噴出ノズル２の外縁部に設けるようにすれば気体吸引ノズル３と液体噴出ノズル２は夫々個別に適切な位置に適宜設置してもよいが、保守および設置などの取り扱いの観点から、図２（Ａ）に示されるように、気体吸引ノズル３と液体噴出ノズル２は、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの合成樹脂からなる樹脂接着部１１を介して一体成形されるようにしてもよい。
【００２５】
気体吸引ノズル３の先端部に設けられる気体出口部３ａの開口形状は、液体出口部２ａから噴出される液体の流路内にて、障害物となり気体出口部３ａの下流縁部にて液体中に負圧を発生させる形状であれば特に制限されない。
【００２６】
気体出口部３ａの開口形状は、種々の形状とすることができ、例えば、図４の（ａ）〜（ｄ）に示されるように、気体出口部３ａの先端部において、気体吸引ノズル３の長軸方向に対して、斜めに切断して開口部を形成させた形状とすることが好ましく、気体出口部３ａの先端部の断面外周形状が、円形、正方形、長方形、三角形、楕円形または多角形となるような形状にするとよい。
【００２７】
このように、開口部を気体吸引ノズル３の長軸方向に対して、斜めに切断して形成させた形状にすることによって、気体出口部３ａの出口（開口）面積をできるだけ大きくし、外部から気体を効率よく導入することが可能となる。また、気体出口部３ａの出口部（開口部）は、液体流路方向の下流側にすることが好ましい。
【００２８】
液体収容部１は、収容する液体や装置等の設置状況によって適宜設計され、材質や形状などは特に限定されないが、例えば、液体として水を用いる場合、ガラス製やアクリルなどの樹脂製の容器を用いることができる。
【００２９】
気体流量制御装置６は、気体導入通路５を流通する気体の流量を制御できるものであれば特に限定されないが、例えば、汎用性が高く安価なマスフローメーターを用いるとよい。
【００３０】
液体噴出ノズル２および気体吸引ノズル３を構成する材質は、使用する液体によって適宜選択されるべきであるが、例えば、海水などに対する耐食性、液体の噴流に対する耐エロージョン性、形状の加工性の観点を考慮すると、耐食性鉄合金、真鍮等の合金、硬質プラスチックなどを用いるとよい。また、気体導入経路５や液体導入通路４も上記と同様の材質を用いることができ、液体導入通路４は一般的なゴムや樹脂製のホースを用いてもよい。
【００３１】
さらに、液体導入通路４を一般的な水道管に接続し水道水の圧力を利用することで、微小気泡を発生するのに十分な流量や噴出速度の液体噴流を得ることができ、大掛かりな液体供給装置を用いる必要がない利点がある。
【００３２】
次に、液体噴出ノズル２と気体吸引ノズル３から液体と気体それぞれを液体収容部１に導入し液体収容部１に微小気泡を発生させる方法について、気体吸引ノズル３の先端部に設けられた気体出口部３ａの下流縁部にて発生する負圧発生の現象と併せて説明する。
【００３３】
まず、図３に示すように、液体噴出ノズル２の液体出口部２ａから噴出される液体の流体流路８内に気体吸引ノズル３の気体出口部３ａを配置する構成とすることによって、気体出口部３ａ領域を基点にして、噴出される液体の水脈分離が促進され、水脈８ａと水脈８ｂに分離する。次いで、液体の流速が所定速度を越えると、気体出口部３ａの下流縁部にて流路が気体出口部３ａの形状に追従できない状態となり、この部分に空洞が形成され、この空洞が負圧発生部７として形成される。
【００３４】
このように、所定の流速の流体流路内に気体出口部３ａを配置することによって、気体出口部３ａが流路内の障害物となり、その結果、気体出口部３ａの下流縁部が空洞（負圧発生部７）となって、圧力が下がり液体に吸引力が生じ、外部から気体が自動に吸引される。さらに、負圧発生部７にて、気体出口部３ａを介して吸引された気体は、液体出口部２аから噴出される液体中にて生じる剪断力によって気体が微小化され、微小気泡９が形成される。
【００３５】
なお、負圧発生部７の負圧の程度は、空気などの流入する気体量を制御する気体流量制御装置６の開度を調整することによって制御することが可能である。予め設定された液体の噴流速度と液体出口部２ａの開口径に対して、流入する気体量を適宜調整することによって微小気泡を効率よく生成することができる。
【００３６】
例えば、流入する気体量を少なくすると液体中の気泡の直径を小さくし微小気泡を得やすく、逆に流入する気体量を多くすると微小気が他の気泡を取り込みやすくなるため大きな気泡が生成しやすくなり、微小気泡を得にくくなる。
【００３７】
液体噴出ノズル２から噴出される液体の流体流路８内に配置する気体出口部３ａの位置は、気体出口部３ａが流体流路８の流れに巻き込まれる位置であれば特に限定されないが、気泡の微小化に影響を及ぼすせん断力が特に強い液体噴出ノズル２の液体出口部２ａ近傍に配置することが特に好ましい。
【００３８】
液体出口部２ａから噴出される液体の噴出方向と、気体出口部３ａから噴出される気体の噴出方向の関係について特に制限はないが、より微小な気泡を効率よく発生させるには、図２に示すように、液体および気体のそれぞれの噴出方向は直交させることが好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【００４０】
図１に示す装置を用いて、液体として水を、気体として空気を用いて微小気泡発生実験を行った。具体的には、水は液体導入通路４を経て液体収容部１の水中に噴出し、空気はコンプレッサーやボンベ等の外部送気装置を設置せず、大気開放によって外気から気体導入通路５を経て液体収容部１の水中に空気を流入させて、噴出水流と流入空気それぞれを衝突させ、微小気泡を発生させた。噴流速度は水道水の圧力で、流入する空気の流量についてはマスフローメーターを用いて調整した。また、液体出口部２ａと気体出口部３ａのそれぞれから噴出する水と空気の噴流方向については直交するように設置した。
【００４１】
なお、発生する気泡径の分布については望遠レンズ付カメラを用いて測定し、液体収容部１はアクリル樹脂製の容器を、液体導入通路４は樹脂製のホースを、気体導入通路５は、ステンレス製（ＳＵＳ）の配管を使用した。
【００４２】
[実施例１]
気体出口部３ａとして、出口流路直径を０．２３ｍｍとし、図４（ａ）に示すような開口形状に加工したものを使用し、この気体出口部３ａを液体出口部２ａの液体出口近傍に配置し、微小気泡発生実験を行った。また、液体出口部２ａから噴出する水の噴流速度は１５．９ｍ/ｓとし、気体出口部３ａからの空気流入量は５０ｍｌ/ｍiｎとした。その結果、平均気泡直径が４０μｍ以下の微小気泡を効率よく生成することができた。なお、ここで言う平均気泡直径とは、望遠レンズ付カメラを用いて撮影した写真を用いて、微小気泡を無作為に２００〜３００個抽出し、それぞれの直径を測定し平均値を求めたものである。
【００４３】
[比較例１]
気体出口部３ａを液体出口部２ａから噴出される水流の噴出流路外に配置する以外は、実施例１同じ実験条件で微小気泡発生実験を行った。その結果、コンプレッサーや圧縮ボンベなしでは空気を水中に流入させることができず、微小気泡を発生させることができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、より簡便な装置構造で効率的に微小気泡を発生させる装置として利用することができ、例えば、水質浄化、水産養殖、美容健康などの分野に用いられる液体中に微小気泡を発生させる微小気泡発生装置として利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１００      微小気泡発生装置
１          液体収容部
２          液体噴出ノズル
２ａ        液体出口部
３          気体吸引ノズル
３ａ        気体出口部
４          液体導入通路
５          気体導入通路
６          気体流量制御装置
７          負圧発生部
８          流体流路
８ａ、８ｂ  水脈
９          微小気泡
１０        液体供給源
１１        樹脂接着部
【図１】
2012120988.tif 000003
【図２】
2012120988.tif 000004
【図３】
2012120988.tif 000005
【図４】
2012120988.tif 000006