気泡発生装置
【課題】 簡易な構造で微細な気泡を発生することができる気泡発生装置を提供すること。
【解決手段】 円筒状内面3aと円形状内面5a,7aとによって円柱状の内部空間が形成される装置本体9と、円筒状内面3aから離間して内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材21と、円筒状内面3aと内部円筒部材21との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部31と、円形状内面5a,7aに設けられる気体導入口41及び気液体排出口51とからなること。
【解決手段】 円筒状内面3aと円形状内面5a,7aとによって円柱状の内部空間が形成される装置本体9と、円筒状内面3aから離間して内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材21と、円筒状内面3aと内部円筒部材21との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部31と、円形状内面5a,7aに設けられる気体導入口41及び気液体排出口51とからなること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気泡発生装置に係り、特に簡易な構造で液体内に微細な気泡を発生させることができる気泡発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、液体内に微細な気泡を発生させる装置は様々な分野における利用が期待されている。具体的には、例えば、水(水道水、海水、河川水、湖沼水、浄化用水など)やその他の液体に、大気やその他の気体(酸素、二酸化炭素、窒素など)を効率良く溶解させ、液体の特性変化、水質浄化、水環境の蘇生などに利用される。この他、養殖産業や一般家庭(風呂、キッチン、トイレなど)での利用も予想される。
【0003】
このような微細な気泡を発生させる気泡発生装置としては様々なものが提案されている。具体的には、有底円筒形又はメガホン形状のスペースを有する容器本体と、この容器本体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、容器本体の底部に開設された気体導入孔と、容器本体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た旋回式微細気泡発生装置である(特許文献1参照。)。
【0004】
上記従来の気泡発生装置では、以下のように説明されている。即ち、加圧液体導入口から加圧液体を圧送することにより、その内部に旋回流が発生し、円筒管軸上付近に負圧部分が形成される。この負圧によって気体導入孔から気体が吸込まれ、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が形成される。そして、旋回気体空洞部は加圧液体導入口からの加圧液体によってちぎられ、そのときに微細な気泡が発生するようになっている。
【特許文献1】国際公開第WO00/69550号パンフレット(第1図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記従来例には以下のようの問題点があった。すなわち、微細な気泡を発生させるためには、容器本体のスペース内の液体の流れを安定化させる必要がある。このため、容器本体の各部の寸法、加圧液体の導入圧力、更には気泡発生装置が設置される液体内の背圧などの条件を全て整えなければならない。これに対して、従来の気泡発生装置においては、容器本体内のスペースが単純な円筒形状或いはメガホン形状であるため、何れかの条件が満たされない場合には、スペース内の液体の流れが安定せず、気泡が発生しないか或いは発生したとしても微細な気泡が発生しないという事態が起こり得る。このように、従来の気泡発生装置では、微細な気泡が発生するための条件の許容範囲が狭く、気泡発生装置の設置や条件設定が煩雑であるという問題があった。
【0006】
また、容器本体内のスペースが単純な円筒形状やメガホン形状の場合には、気泡発生装置を大型化するに従って微細な気泡が発生しなくなる。このため、従来の気泡発生装置の構造では大型の装置を実現することができない。更に、スペースが単純な形状であるがゆえ、加圧液体導入口と気体導入孔及び旋回気液混合体導出口のそれぞれの位置関係も固定されてしまい、設計の自由度も低いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記各問題点を解消する気泡発生装置を提供することを目的とし、円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、前記円筒状内面から離間して前記内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材と、前記円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、前記円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とを備える、という構成を採っている。
【0008】
また、前記内部円筒部材は、前記円柱状の内部空間の中心軸と同心状で前記円形状内面に固定されている、という構成を採っている。
また、直径の異なる少なくとも2つの前記内部円筒部材が配置され、直径の大きさに応じて順に一方の円形状内面及び他方の円形状内面に交互に固定される、という構成を採っている。
【0009】
また、前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離および各内部円筒部材間の離間距離は全て等しい、という構成を採っている。
また、前記離間距離は、円筒状内面の半径を2の倍数又は3の倍数で徐した値である、という構成を採っている。
【0010】
また、前記気体導入口は、前記円形状内面の中心領域に形成されている、という構成を採っている。
また、前記気液体排出口は、前記円形状内面の中心領域に形成されている、という構成を採っている。
【0011】
また、前記気体導入口と気液体排出口とは、それぞれ異なる前記円形状内面に形成されている、という構成を採っている。
また、前記気液体排出口は気体導入口を兼ねて一方の前記円形状内面に形成され、前記気液体排出口の近傍に気体を導入するための気体導入管の端部を配置する、という構成を採っている。
【0012】
また、前記気液体排出口は、装置本体の円形状内面側に形成された円柱状開口と、装置本体の外部側に向かって拡がる円錐台状開口の組合せからなる、という構成を採っている。
【0013】
また、前記装置本体の外側であって前記気液体排出口の周囲には管状の気液体排出管が備えられている、という構成を採っている。
また、前記液体注入部は、前記円筒状内面若しくは円形状内面の何れか一方に設けられている、という構成を採っている。
【0014】
更に、前記液体注入部は円形断面であり、その内径は前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離に等しい、という構成を採っている。
【発明の効果】
【0015】
本発明では、気泡発生装置は多重管構造となっているため、装置本体の円筒状内面と内部円筒部材との間で安定した旋回エネルギを得ることができ、注入する液体の圧力や流速が低くても安定して微細な気泡を発生させることが可能である。同時に、小型から大型の気泡発生装置(10リットル/分〜300リットル/分)を容易に構成することができる。また、液体の旋回によって気体を吸い込む構造であるため、気体を導入するための複雑な機構等を省略することができる。更に、微細気泡を発生する条件の許容範囲が広いので、構成する材料の公差が大きくても十分に気泡を発生させることができる。このため、大量生産も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
[全体概要]
本発明に係る気泡発生装置は、円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、円筒状内面から離間して内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材と、円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とから構成されている。 以下、図面を参照しながら本発明に係る各実施形態について詳細に説明する。
[第1の実施形態]
先ず、本発明の第1の実施形態及びその変形例について、図1〜図9を参照しながら詳細に説明する。
[装置本体]
本実施形態に係る気体発生装置1は、円筒状内面3aを有する側面壁3と、円形状内面5a,7aを有する端面壁5,7によって円柱状の内部空間が形成される装置本体9を備えている。装置本体9の端面はそれぞれ円形の端面壁5,7によって概ね閉鎖されている。しかし、各円形状内面5a,7aには、それぞれ気体導入口41と気液体排出口51が形成されている。これら気体導入口41と気液体排出口51についての詳細は後述する。
【0017】
本実施形態に係る装置本体9は有底円筒状の部材から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、単に内部空間が実質的に円柱状であれば良いので、外形は立方体形状やその他の形状であってもよい。また、各端面壁5,7も必ずしも円形である必要はなく、装置本体9の外形に合わせて矩形形状やその他の形状であってもよい。
【0018】
また、本実施形態に係る装置本体9は、円筒状の側面壁3と円形状の各端面壁5,7とが一体的に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれを別個の部材として製造し、その後接合するようにしてもよい。あるいは、側面壁3と一方の端面壁5とを一体的に構成し、他方の端面壁7を事後的に接合するようにしてもよい。
【0019】
装置本体9の材質は様々なものが考えられるが、例えば、アクリル樹脂や金属など、液体との接触によって強度や特性が変化しないものであれば、どのようなものも使用することができる。具体的に、透明なアクリル樹脂などを用いることで、装置本体9内での気泡の発生状況を観察することができる。一方、装置本体9を金属で構成した場合でも、所定箇所に透明な窓を設けることで、アクリル樹脂の場合と同様に内部を観察できるようになる。
【0020】
また、装置本体9の強度については、後述する液体注入部31から注入される液体の圧力に耐えるものであればよく、この圧力に基づいて装置本体9の側面壁3や各端面壁5,7の厚さが設定される。尚、図1(B)に示すように、本実施形態に係る装置本体9では、各部の厚さが実質的に同等に示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、側面壁3の厚さを各端面壁5,7の厚さより薄くしたり、またその逆にしてもよい。さらに、各端面壁5,7の厚さを相互に異なるように設定してもよい。尚、装置本体9について「円柱状」の内部空間という表現を採っているが、これは厳密な意味での円柱を意味するものではなく、実質的に円柱と同一視できるものも含む趣旨である。
【0021】
本実施形態の装置本体9の寸法の一例について説明すると、側面壁3の外径が56mm程度であり、円筒状内面3aの直径が50mm程度である。このため、側面壁3の厚さは3mm程度である、また、各端面壁5,7の厚さも3mm程度に設定されている。また、装置本体9の外形の長さは81mm程度であり、内部空間の長さは75mm程度である。但し、これらの寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
[内部円筒部材]
次に、内部円筒部材21について説明する。内部円筒部材21は、円柱状の内部空間と略同心状に配置されている。換言すると、装置本体9の内部空間を円柱と見なした場合の円形断面の中心を通る中心軸X(図1(B)参照)の位置と、内部円筒部材21の中心軸の位置とが一致しているということである。そして、内部円筒部材21の一端23は一方の端面壁5の内壁面5aに固定され、内部円筒部材21の他端25が他方の端面壁7に向かって延びている。但し、内部円筒部材21の他端25は装置本体9の他方の端面壁7までは到達していない。このため、他方の端面壁7の円形状内面7aと内部円筒部材21の他端25との間には所定の隙間が設けられている。
【0022】
本実施形態に係る内部円筒部材21は装置本体9と別個の部材で作られ、その後相互に結合されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、装置本体9と一体的に構成してもよい。また、装置本体9と同じ材質で構成しても良いし、別の材質で構成してもよい。尚、内部円筒部材21について「円筒状」という表現を使用しているが、これは厳密な意味での円筒を意味するものではなく、実質的に円筒と同一視できるものも含む趣旨であることは言うまでもない。
【0023】
以上のように、装置本体9の内部に同心状に内部円筒部材21を配置することで、装置本体9の円筒状内面3aと内部円筒部材21の外周面との間に管状空間が形成され、内部円筒部材21の内部に円柱状空間が形成される。そして、これら管状空間と円柱状空間とが端面壁7の円形状内面7aの近傍において連通することとなる。
【0024】
内部円筒部材21の寸法の一例について説明すると、外径が30mm程度であり、内径が26mm程度である。このため、円筒状内壁21の厚さは2mm程度である、また、内部円筒部材21の長さは65mm程度である。このため、内部円筒部材21の他端部25から他方の端面壁7までは10mm程度離間している。但し、これらの寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
[液体注入部]
次に、液体注入部31について説明する。液体注入部31は装置本体9の内部空間に加圧液体を注入するためのものである。本実施形態に係る液体注入部31は装置本体9の側面壁3の所定箇所に形成された開口部である。この開口部には液体注入管33が装着されており、この液体注入管33に図示しない加圧液体供給源(例えば、加圧ポンプなど)が接続されている。
【0025】
液体注入部31の位置は、装置本体9の側面壁3と内部円筒部材21との間の管状空間内に液体が注入された場合に、この管状空間の円周方向に沿って一方向の流れができるように設定されている。本実施形態の場合には、液体注入部31が装置本体9の側面壁3及び内部円筒部材21の接線方向に沿って方向付けられている。但し、完全な接線方向に限定されるものではなく、少なくとも液体が装置本体9の内部で一定の円周方向に回転する方向であればよい。また、気泡発生装置1を側面から見た場合の液体注入部31及び液体注入管33の位置は、図1(C)に示すように円形断面の左方に偏っているが、これは、液体注入部31の中心が管状空間の中心に位置するように設定されているからである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、液体注入部31からの液体の流れが、装置本体9の中心軸Xから見て何れかの側に偏っていればよい。
【0026】
また、液体注入部31及び液体注入管33の内径は様々な設定が可能であるが、本実施形態の場合は、側面壁3の円筒状内面3aと内部円筒部材21の外周面との間の隙間と略等しい直径となっている。これは、装置本体9の内部において液体に円周方向の流れを付与するのに必要十分な寸法だからである。但し、完全に一致する必要はなく、隙間より小さな直径であっても良いし、隙間より大きな直径であってもよい。
【0027】
本実施形態の液体注入管33は、装置本体9と別個に作られた管状の部材であり、この液体注入管33が装置本体9の側面壁3に接合されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、装置本体9と一体的に構成してもよい。また、液体注入管33の材質は装置本体9の材質と同じ物でも良いし、異なる材質でもよい。液体注入部31の内径寸法は、一例として10mm程度に設定されている。但し、この寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
[気体導入口]
次に、気体導入口41について説明する。気体導入口41は上記したように装置本体9の一方の端面壁5における円形状内面5aに形成されている。そして、本実施形態においては、円形状内面5aの中心領域に配置されている。気体導入口41は装置本体9の中心軸Xと同心状に配置されているため、円形状内面5aから端面壁5を貫通して装置本体9の内部空間と外部とを連通している。但し、装置本体9の中心軸Xと同心状に形成する必要は無く、中心軸Xと所定の角度を持つような方向に形成してもよい。尚、本実施形態の気体導入口41の直径は1mm程度に設定されているが、必要に応じてそれよりも小さな直径にしても良いし、或いは1mmより大きな直径としてもよい。
【0028】
また、一方の端面壁5の外側であって気体導入口41の周囲には、所定の長さを有する管状アダプタ43が設けられている。この管状アダプタ43には気体を導入するための配管(図示略)が接続される。但し、気泡発生装置1を気体雰囲気中で使用する場合には管状アダプタ43も配管も不要となる。
[気液体排出口]
次に、気液体排出口51について、図2に基づいて説明する。図2(A)は気泡発生装置1の全体を示す断面図であり、図2(B)は図2(A)における領域Pの拡大図である。気液体排出口51は装置本体9の他方の端面壁7の円形状内面7aにおける中心領域に形成され、装置本体9の内部と外部とを連通させている。気液体排出口51の具体的な形状は、図2(B)に示すように、他方の端面壁7の円形状内面7aから所定の範囲(例えば、端面壁7の厚さの半分程度)までは一定の直径の円柱状の開口で、そこから外に向かって円錐台状に拡がる円錐台形状の開口を有している。円錐台状の傾斜の角度は約30°程度に設定されている。気液体排出口51における内部空間側の内径は5mm程度に設定されている。但し、この寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。例えば、装置本体9の側面壁3の直径に応じて大きさを変化させてもよく、本実施形態では直径の1/12程度の大きさに設定している。その他、液体導入管33の内径の1/2程度にしてもよい。
【0029】
また、他方の端面壁7の外側であって気液体排出口51の周囲には、所定の長さを有する気液体排出管53が設けられている。この気液体排出管53は、後述するように気泡を更に微細にするために取り付けられている。しかし、この気液体排出管53が無くても微細な気泡は発生するので、本発明に必須のものではない。
[作用]
次に、本実施形態に係る気泡発生装置1の具体的作用について図3に基づいて説明する。先ず、液体注入管33を介して液体注入部31から所定の液体が注入される。そして、装置本体9の内部空間が液体で満たされると、内部空間の管状空間では図3(B)に示すように、一方の端面壁5の側から見て時計周りに液体が旋回する。このとき、液体には旋回による遠心力Fが働く。そして、液体は旋回しながら他方の端面壁7の方向に向かって流れる。他方の端面壁7の側に流れてきた液体は、旋回運動を維持したまま内部円筒部材21の内部に流れ込む。内部円筒部材21の内部に流れ込んだ液体にも旋回による遠心力Fが働き、液体は内部円筒部材21の内周面に沿って一方の端面壁5の側に戻る。更に、一方の端面壁5の近傍に到達した液体は、内部円筒部材21の中心領域に沿って他方の端面壁7に向かって流れる。このとき、旋回により液体には遠心力Fが働いており、内部円筒部材の中心部が圧力の低い状態となり、外部がその圧力よりも高ければ気体導入口41から気体が導入される。そして、導入された気体は液体内で気体渦流61となって、旋回しながら他方の端面壁7に向かって流れる液体によって、他方の端面壁7の側に到達する。
【0030】
このとき、液体と気体渦流61は気液体排出口51において急激に不安定となり、気体渦流61が強制的に切断されて微細な気泡が大量に発生することとなる。加えて、気液体内の気泡は気液体排出管53内においてより微細な気泡に切断される。更に、気液体が気液体排出管53から外部に出る際に、外部環境(大気、液体など)との質量差により、気泡が更に微細に切断され、結果として超微細な気泡を大量に発生させることができるようになる。
[各部寸法による気泡発生特性の変化]
次に、気泡発生装置1の各部の寸法の変化に起因する気泡発生特性の変化について、図4及び図5に基づいて説明する。出願人は、以下に説明するような様々な寸法の気泡発生装置1を作成した上で、適切に気泡を発生させることができる条件を見出した。
【0031】
先ず、図4(A)及び(B)に示す気泡発生装置1aでは、装置本体9の内部空間の長さをLa、内部円筒部材21の長さをLb、装置本体9の直径をDa、そして内部円筒部材21の直径をDbとしている。また、液体注入部31の内径をCとしている。ここで、装置本体9の直径Da及び内部円筒部材21の直径Dbについては、それぞれの厚さの中心位置を基準に測定しているので、必ずしもそれぞれの内径もしくは外径と一致しない。しかし、装置本体9の側面壁3及び内部円筒部材21の厚さはそれぞれの直径に比べて薄いので、気泡発生装置1aの特性の変化に大きな影響を及ぼすものではない。
【0032】
当該具体例では、直径の比については、Db/Da=0.70〜0.80の範囲内で、特に0.75(=3/4)が最適との実験結果を得た。また、長さの比については、Lb/La=0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31は右方の円形状内面5aの側に設け、その内径はC=1/8・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0033】
図4(C)及び(D)は、内部円筒部材21の直径Dbを小さくした場合の気泡発生装置1bの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.56〜0.83の範囲内で、特に0.67(=2/3)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.66〜0.88の範囲内で、特に0.833が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31は右方の円形状内面5aの側に設け、その内径は1/6・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は左方から排出される。
【0034】
図4(E)及び(F)は、内部円筒部材21の直径Dbを更に小さくした場合の気泡発生装置1cの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.40〜0.55の範囲内で、特に0.50(=2/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.66〜0.88の範囲内で、特に0.75が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/4・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0035】
図5(A)及び(B)は、内部円筒部材21の直径Dbを更に小さくした場合の気泡発生装置1dの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.22〜0.28の範囲内で、特に0.25(=1/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/8・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0036】
図5(C)及び(D)は、内部円筒部材21を左方の円形状内面7aに固定した場合の気泡発生装置1eの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.40〜0.55の範囲内で、特に0.50(=2/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/8・Daに設定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0037】
図5(E)及び(F)は、図5(C)及び(D)の具体例に対して、内部円筒部材21の直径Dbを小さくした場合の気泡発生装置1fの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.30〜0.37の範囲内で、特に0.33(=1/3)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.66〜0.88の範囲内で、特に0.833が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/6・Daに設定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は左方から排出される。
【0038】
以上説明したように直径の比率に着目した場合、例えば、2/3,1/3,1/6,1/12,1/24,1/48....や3/4,2/4,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64....となる直径比の場合に適切に気泡が発生することが確認された。
[各部寸法による気液体の排出方向の変化]
次に、図6〜図8に基づいて、装置本体9の内部空間の直径に対する内部円筒部材21の直径の変化に起因する、気液体の排出方向の変化について説明する。
【0039】
図6は、液体注入部31が右方に設けられると共に、内部円筒部材21が右方の円形状内面5aに固定されている場合を示している。この具体例において、装置本体9の直径Daに対して、内部円筒部材21の直径は2/4Daとなっている。即ち、装置本体9の側面壁3と内部円筒部材21との間の距離が1/4Daであり、内部円筒部材21から装置本体9および内部円筒部材21の中心軸Xまでの距離も1/4Daである。このような条件の下では気液体は右方から排出されることが実験で確認された。
【0040】
次に、図7は、液体注入部31が右方に設けられると共に、内部円筒部材21が2重に設けられている具体例を示している。この具体例では、外側の内部円筒部材21aが右方の円形状内面5aに固定され、内側の内部円筒部材21bが左方の円形状内面7aに固定されている。この具体例において、装置本体9の直径Daに対して、外側の内部円筒部材21aの直径は4/6Daとなっており、内側の内部円筒部材21bの直径は2/6Daとなっている。即ち、装置本体9の側面壁3と外側の内部円筒部材21aとの間の距離が1/6Daであり、外側の内部円筒部材21aと内側の内部円筒部材21bとの距離も1/6Daであり、更に内側の内部円筒部材21bと装置本体および内部円筒部材の中心軸Xまでの距離も1/6Daである。このような条件の下で気液体は左方から排出されることが実験で確認された。
【0041】
更に、図8は、液体注入部が右方に設けられると共に、内部円筒部材21が3重に設けられている具体例を示している。この具体例では、外側の内部円筒部材21aが右方の円形状内面5aに固定され、中間の内部円筒部材21bが左方の円形状内面7aに固定され、更に内側の内部円筒部材21cが右方の円形状内面5aに固定されている。この具体例において、装置本体9の直径Daに対して、外側の内部円筒部材21aの直径は6/8Daとなっており、中間の内部円筒部材21bの直径は4/8Daとなっており、更に内側の内部円筒部材21cの直径は2/8Daとなっている。即ち、装置本体9の側面壁3から各内部円筒部材21を介して装置本体9の中心軸Xまで、それぞれ1/8Daの距離となっている。このような条件の下では気液体は右方から排出されることが実験で確認された。
【0042】
以上説明したように、装置本体9並びに各内部円筒部材21の相互間距離を、装置本体9の側面壁3の直径に関して2の倍数又は3の倍数で除した値に設定することで、気液体の排出方向を自由に切替えられることが実験で確認された。このことは、液体注入部31の位置を装置本体9の右方に設ける場合のみならず、左方に設ける場合も同様である、このことに関連し、図1の気泡発生装置1に変形を加えた場合を図9に示しており、具体的には液体注入部31及び液体注入管33を装置本体9の長手方向の中央部に配置した例である。内部空間内に内部円筒部材21を設けることで、液体注入部31を設置する位置の自由度が向上し、結果として気泡発生装置の応用に際して自由度の高い設計が可能となる。即ち、浴室のシャワーヘッドなどに応用する際に、シャワーヘッドの持手との関係で液体注入部31及び液体注入管33を配置できるので、従来のシャワーヘッドに対して違和感の無い設計が可能である。
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態に係る気泡発生装置101について図10に基づいて説明する。当該実施形態は、図1に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第1の実施形態と異なるのは、液体注入部131の構造である。本実施形態の液体注入部131は、L字状に曲げられた管状部材が用いられている点である。
【0043】
液体注入部131は、装置本体9の内部空間に開口している第1の管状部131aと、外部の加圧流体源に接続される第2の管状部131bとからなる。第1の管状部131aは側面壁3と内部円筒部材21の間の管状空間の円周方向に向かって開口している。また、第2の管状部131bは装置本体9の側面壁3の表面に対して概ね垂直に挿入されており、内部空間に入った位置で直角に曲げられている。液体注入部131をこのように構成することで、液体を装置本体9の円周方向に注入する目的は維持したまま、液体注入部131の設置位置の自由度が向上することとなる。
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態に係る気泡発生装置201について図11に基づいて説明する。当該実施形態は、図1に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第1の実施形態と異なるのは、液体注入部231の構造である、本実施形態の液体注入部231は、L字状に曲げられた管状部材が用いられている点である。また、本実施形態は第2の実施形態とも一部共通しているが、液体注入部231の設置位置が異なっている。
【0044】
具体的には、液体注入部231は、装置本体9の内部空間に開口している第1の管状部231aと、外部の加圧流体源(図示略)に接続される第2の管状部231bとからなる。第2の管状部231bは、第2の実施形態と異なり、装置本体9の端面壁5の表面から円形状内面5aに対して概ね垂直に挿入されており、内部空間に入った位置で円周方向に向けて直角に曲げられている。このため、第2の管状部231aは装置本体9と内部円筒部材21の間の管状空間の円周方向に向かって開口することとなる。液体注入部231をこのように構成することで、液体を装置本体9の円周方向に注入する目的は維持したまま、液体注入部231の設置位置の自由度が向上することとなる。特に、液体注入部231を装置本体9の側面壁3に設置できない場合などに好都合となる。
[第4の実施形態]
次に、本発明の第4の実施形態に係る気泡発生装置301ついて図12に基づいて説明する。当該実施形態は、図1に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第1の実施形態と異なるのは、気体導入口と気液体排出口の構造である。本実施形態の気液体排出口は気体導入口を兼ねており、それぞれ別個には設けられていない。このため、以下の説明では便宜上、気液体排出口として説明する。
【0045】
気液体排出口351の形状は図1に示したものと同様であり、特に異なる構造は有していない。しかし、当該実施形態では、気液体排出口351の近傍に気体導入管341が設置されている。具体的には、気液体排出管353を貫通して、先端が気液体排出口351の中心部まで到達している。気体導入管321の他端は大気やその他の気体供給源(図示略)に連通している。
【0046】
次に、本実施形態に係る気泡発生装301の具体的作用について説明する。先ず、液体注入管33を介して液体注入部31から所定の液体が注入される。そして、装置本体309の内部空間が液体で満たされると、内部空間の管状部分では図3(B)の場合と同様に、一方の端面壁305の側から見て時計周りに液体が旋回する。このとき、液体には旋回による遠心力が働く。そして、液体は旋回しながら他方の端面壁7の方向に向かって流れる。他方の端面壁7の側に流れてきた液体は、旋回運動を維持したまま内部円筒部材21の内部に流れ込む。内部円筒部材21の内部に流れ込んだ液体にも旋回による遠心力が働き、液体は内部円筒部材21の内周面に沿って一方の端面壁305の側に戻る。更に、一方の端面壁305の近傍に到達した液体は、内部円筒部材21の中心部に沿って他方の端面壁7に向かって流れる。このとき、旋回により液体には遠心力が働いており、内部円筒部材21の中心部が圧力の低い状態となり、外部がその圧力よりも高ければ気体導入管321から気体が導入される。そして、導入された気体は液体内で気体渦流361となって、一方の端面壁305に到達する。
【0047】
このとき、液体と気体渦流361は気液体排出口351において急激に不安定となり、気体渦流が強制的に切断されて微細な気泡が大量に発生することとなる。加えて、気液体内の気泡は気液体排出管353内においてより微細な気泡に切断される。更に、気液体が気液体排出管353から外部に出る際に、外部環境(大気、液体など)との質量差により、気泡が更に微細に切断され、結果として超微細な気泡を大量に発生させることができるようになる。
【0048】
以上のような構成によれば、装置本体の構造を簡略化することができ、気泡発生装置の設計の自由度が向上することとなる。尚、本実施形態では気体導入管321を気液体排出口351の中心軸に対して垂直の方向から挿入しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、気液体排出口351の中心軸に沿って気体導入管321を設置するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明は、例えば、海、河川、湖沼の水及び汚染土壌の浄化や液体の特性変化を行う産業分野、更には漁業、医療、美容健康機器産業などの産業分野において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る気泡発生装置であり、図1(A)は上面図、図1(B)は図1(A)のB−B線における断面図、図1(C)は左側面図、そして図1(D)は右側面図を示す。
【図2】図2(A)は気泡発生装置の断面図を示し、図2(B)は図2(A)における領域Pの拡大図であって気液体排出口を示す。
【図3】本発明の作用原理を説明する図であり、図3(A)は図3(B)のA−A線における断面図を示し、図3(B)は図3(A)のB−B線における断面図を示す。
【図4】側面壁と内部円筒部材の直径比Db/Daと気泡発生特性の関係を説明する断面図であり、図4(A)及び(B)はDb/Da=3/4、図4(C)及び(D)はDb/Da=2/3、図4(E)及び(F)はDb/Da=1/2の場合の軸方向断面図及び横断方向断面図をそれぞれ示す。
【図5】側面壁と内部円筒部材の直径比Db/Daと気泡発生特性の関係を説明する断面図であり、図5(A)及び(B)はDb/Da=1/4の場合であり、図5(C)及び(D)は内部円筒部材が左方の端面壁に固定されておりDb/Da=1/2の場合、図5(E)及び(F)はDb/Da=1/3の場合の軸方向断面図及び横断方向断面図をそれぞれ示す。
【図6】内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図6(A)は軸方向断面図であり、図6(B)は横断方向断面図である。
【図7】内部円筒部材が二重の場合の内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図7(A)は軸方向断面図であり、図7(B)は横断方向断面図である。
【図8】内部円筒部材が三重の場合の内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図8(A)は軸方向断面図であり、図8(B)は横断方向断面図である。
【図9】図1に開示した気泡発生装置に対して液体注入部の位置を変化させた変形例を示す図であり、図9(A)は軸方向断面図であり、図9(B)は横断方向断面図である。
【図10】本発明の第2の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図10(A)は軸方向断面図であり、図10(B)は横断方向断面図である。
【図11】本発明の第3の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図11(A)は軸方向断面図であり、図11(B)は横断方向断面図である。
【図12】本発明の第4の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図12(A)は軸方向断面図であり、図12(B)は横断方向断面図である。
【符号の説明】
【0051】
1 気泡発生装置
3 側面壁
5,7 端面壁
5a,7a 円形状内壁
9 装置本体
21 内部円筒部材
31 液体注入部
41 気体導入口
51 気液体排出口
53 気液体排出管
X 中心軸
【技術分野】
【0001】
本発明は、気泡発生装置に係り、特に簡易な構造で液体内に微細な気泡を発生させることができる気泡発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、液体内に微細な気泡を発生させる装置は様々な分野における利用が期待されている。具体的には、例えば、水(水道水、海水、河川水、湖沼水、浄化用水など)やその他の液体に、大気やその他の気体(酸素、二酸化炭素、窒素など)を効率良く溶解させ、液体の特性変化、水質浄化、水環境の蘇生などに利用される。この他、養殖産業や一般家庭(風呂、キッチン、トイレなど)での利用も予想される。
【0003】
このような微細な気泡を発生させる気泡発生装置としては様々なものが提案されている。具体的には、有底円筒形又はメガホン形状のスペースを有する容器本体と、この容器本体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、容器本体の底部に開設された気体導入孔と、容器本体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た旋回式微細気泡発生装置である(特許文献1参照。)。
【0004】
上記従来の気泡発生装置では、以下のように説明されている。即ち、加圧液体導入口から加圧液体を圧送することにより、その内部に旋回流が発生し、円筒管軸上付近に負圧部分が形成される。この負圧によって気体導入孔から気体が吸込まれ、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が形成される。そして、旋回気体空洞部は加圧液体導入口からの加圧液体によってちぎられ、そのときに微細な気泡が発生するようになっている。
【特許文献1】国際公開第WO00/69550号パンフレット(第1図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記従来例には以下のようの問題点があった。すなわち、微細な気泡を発生させるためには、容器本体のスペース内の液体の流れを安定化させる必要がある。このため、容器本体の各部の寸法、加圧液体の導入圧力、更には気泡発生装置が設置される液体内の背圧などの条件を全て整えなければならない。これに対して、従来の気泡発生装置においては、容器本体内のスペースが単純な円筒形状或いはメガホン形状であるため、何れかの条件が満たされない場合には、スペース内の液体の流れが安定せず、気泡が発生しないか或いは発生したとしても微細な気泡が発生しないという事態が起こり得る。このように、従来の気泡発生装置では、微細な気泡が発生するための条件の許容範囲が狭く、気泡発生装置の設置や条件設定が煩雑であるという問題があった。
【0006】
また、容器本体内のスペースが単純な円筒形状やメガホン形状の場合には、気泡発生装置を大型化するに従って微細な気泡が発生しなくなる。このため、従来の気泡発生装置の構造では大型の装置を実現することができない。更に、スペースが単純な形状であるがゆえ、加圧液体導入口と気体導入孔及び旋回気液混合体導出口のそれぞれの位置関係も固定されてしまい、設計の自由度も低いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記各問題点を解消する気泡発生装置を提供することを目的とし、円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、前記円筒状内面から離間して前記内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材と、前記円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、前記円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とを備える、という構成を採っている。
【0008】
また、前記内部円筒部材は、前記円柱状の内部空間の中心軸と同心状で前記円形状内面に固定されている、という構成を採っている。
また、直径の異なる少なくとも2つの前記内部円筒部材が配置され、直径の大きさに応じて順に一方の円形状内面及び他方の円形状内面に交互に固定される、という構成を採っている。
【0009】
また、前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離および各内部円筒部材間の離間距離は全て等しい、という構成を採っている。
また、前記離間距離は、円筒状内面の半径を2の倍数又は3の倍数で徐した値である、という構成を採っている。
【0010】
また、前記気体導入口は、前記円形状内面の中心領域に形成されている、という構成を採っている。
また、前記気液体排出口は、前記円形状内面の中心領域に形成されている、という構成を採っている。
【0011】
また、前記気体導入口と気液体排出口とは、それぞれ異なる前記円形状内面に形成されている、という構成を採っている。
また、前記気液体排出口は気体導入口を兼ねて一方の前記円形状内面に形成され、前記気液体排出口の近傍に気体を導入するための気体導入管の端部を配置する、という構成を採っている。
【0012】
また、前記気液体排出口は、装置本体の円形状内面側に形成された円柱状開口と、装置本体の外部側に向かって拡がる円錐台状開口の組合せからなる、という構成を採っている。
【0013】
また、前記装置本体の外側であって前記気液体排出口の周囲には管状の気液体排出管が備えられている、という構成を採っている。
また、前記液体注入部は、前記円筒状内面若しくは円形状内面の何れか一方に設けられている、という構成を採っている。
【0014】
更に、前記液体注入部は円形断面であり、その内径は前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離に等しい、という構成を採っている。
【発明の効果】
【0015】
本発明では、気泡発生装置は多重管構造となっているため、装置本体の円筒状内面と内部円筒部材との間で安定した旋回エネルギを得ることができ、注入する液体の圧力や流速が低くても安定して微細な気泡を発生させることが可能である。同時に、小型から大型の気泡発生装置(10リットル/分〜300リットル/分)を容易に構成することができる。また、液体の旋回によって気体を吸い込む構造であるため、気体を導入するための複雑な機構等を省略することができる。更に、微細気泡を発生する条件の許容範囲が広いので、構成する材料の公差が大きくても十分に気泡を発生させることができる。このため、大量生産も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
[全体概要]
本発明に係る気泡発生装置は、円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、円筒状内面から離間して内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材と、円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とから構成されている。 以下、図面を参照しながら本発明に係る各実施形態について詳細に説明する。
[第1の実施形態]
先ず、本発明の第1の実施形態及びその変形例について、図1〜図9を参照しながら詳細に説明する。
[装置本体]
本実施形態に係る気体発生装置1は、円筒状内面3aを有する側面壁3と、円形状内面5a,7aを有する端面壁5,7によって円柱状の内部空間が形成される装置本体9を備えている。装置本体9の端面はそれぞれ円形の端面壁5,7によって概ね閉鎖されている。しかし、各円形状内面5a,7aには、それぞれ気体導入口41と気液体排出口51が形成されている。これら気体導入口41と気液体排出口51についての詳細は後述する。
【0017】
本実施形態に係る装置本体9は有底円筒状の部材から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、単に内部空間が実質的に円柱状であれば良いので、外形は立方体形状やその他の形状であってもよい。また、各端面壁5,7も必ずしも円形である必要はなく、装置本体9の外形に合わせて矩形形状やその他の形状であってもよい。
【0018】
また、本実施形態に係る装置本体9は、円筒状の側面壁3と円形状の各端面壁5,7とが一体的に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれを別個の部材として製造し、その後接合するようにしてもよい。あるいは、側面壁3と一方の端面壁5とを一体的に構成し、他方の端面壁7を事後的に接合するようにしてもよい。
【0019】
装置本体9の材質は様々なものが考えられるが、例えば、アクリル樹脂や金属など、液体との接触によって強度や特性が変化しないものであれば、どのようなものも使用することができる。具体的に、透明なアクリル樹脂などを用いることで、装置本体9内での気泡の発生状況を観察することができる。一方、装置本体9を金属で構成した場合でも、所定箇所に透明な窓を設けることで、アクリル樹脂の場合と同様に内部を観察できるようになる。
【0020】
また、装置本体9の強度については、後述する液体注入部31から注入される液体の圧力に耐えるものであればよく、この圧力に基づいて装置本体9の側面壁3や各端面壁5,7の厚さが設定される。尚、図1(B)に示すように、本実施形態に係る装置本体9では、各部の厚さが実質的に同等に示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、側面壁3の厚さを各端面壁5,7の厚さより薄くしたり、またその逆にしてもよい。さらに、各端面壁5,7の厚さを相互に異なるように設定してもよい。尚、装置本体9について「円柱状」の内部空間という表現を採っているが、これは厳密な意味での円柱を意味するものではなく、実質的に円柱と同一視できるものも含む趣旨である。
【0021】
本実施形態の装置本体9の寸法の一例について説明すると、側面壁3の外径が56mm程度であり、円筒状内面3aの直径が50mm程度である。このため、側面壁3の厚さは3mm程度である、また、各端面壁5,7の厚さも3mm程度に設定されている。また、装置本体9の外形の長さは81mm程度であり、内部空間の長さは75mm程度である。但し、これらの寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
[内部円筒部材]
次に、内部円筒部材21について説明する。内部円筒部材21は、円柱状の内部空間と略同心状に配置されている。換言すると、装置本体9の内部空間を円柱と見なした場合の円形断面の中心を通る中心軸X(図1(B)参照)の位置と、内部円筒部材21の中心軸の位置とが一致しているということである。そして、内部円筒部材21の一端23は一方の端面壁5の内壁面5aに固定され、内部円筒部材21の他端25が他方の端面壁7に向かって延びている。但し、内部円筒部材21の他端25は装置本体9の他方の端面壁7までは到達していない。このため、他方の端面壁7の円形状内面7aと内部円筒部材21の他端25との間には所定の隙間が設けられている。
【0022】
本実施形態に係る内部円筒部材21は装置本体9と別個の部材で作られ、その後相互に結合されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、装置本体9と一体的に構成してもよい。また、装置本体9と同じ材質で構成しても良いし、別の材質で構成してもよい。尚、内部円筒部材21について「円筒状」という表現を使用しているが、これは厳密な意味での円筒を意味するものではなく、実質的に円筒と同一視できるものも含む趣旨であることは言うまでもない。
【0023】
以上のように、装置本体9の内部に同心状に内部円筒部材21を配置することで、装置本体9の円筒状内面3aと内部円筒部材21の外周面との間に管状空間が形成され、内部円筒部材21の内部に円柱状空間が形成される。そして、これら管状空間と円柱状空間とが端面壁7の円形状内面7aの近傍において連通することとなる。
【0024】
内部円筒部材21の寸法の一例について説明すると、外径が30mm程度であり、内径が26mm程度である。このため、円筒状内壁21の厚さは2mm程度である、また、内部円筒部材21の長さは65mm程度である。このため、内部円筒部材21の他端部25から他方の端面壁7までは10mm程度離間している。但し、これらの寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
[液体注入部]
次に、液体注入部31について説明する。液体注入部31は装置本体9の内部空間に加圧液体を注入するためのものである。本実施形態に係る液体注入部31は装置本体9の側面壁3の所定箇所に形成された開口部である。この開口部には液体注入管33が装着されており、この液体注入管33に図示しない加圧液体供給源(例えば、加圧ポンプなど)が接続されている。
【0025】
液体注入部31の位置は、装置本体9の側面壁3と内部円筒部材21との間の管状空間内に液体が注入された場合に、この管状空間の円周方向に沿って一方向の流れができるように設定されている。本実施形態の場合には、液体注入部31が装置本体9の側面壁3及び内部円筒部材21の接線方向に沿って方向付けられている。但し、完全な接線方向に限定されるものではなく、少なくとも液体が装置本体9の内部で一定の円周方向に回転する方向であればよい。また、気泡発生装置1を側面から見た場合の液体注入部31及び液体注入管33の位置は、図1(C)に示すように円形断面の左方に偏っているが、これは、液体注入部31の中心が管状空間の中心に位置するように設定されているからである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、液体注入部31からの液体の流れが、装置本体9の中心軸Xから見て何れかの側に偏っていればよい。
【0026】
また、液体注入部31及び液体注入管33の内径は様々な設定が可能であるが、本実施形態の場合は、側面壁3の円筒状内面3aと内部円筒部材21の外周面との間の隙間と略等しい直径となっている。これは、装置本体9の内部において液体に円周方向の流れを付与するのに必要十分な寸法だからである。但し、完全に一致する必要はなく、隙間より小さな直径であっても良いし、隙間より大きな直径であってもよい。
【0027】
本実施形態の液体注入管33は、装置本体9と別個に作られた管状の部材であり、この液体注入管33が装置本体9の側面壁3に接合されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、装置本体9と一体的に構成してもよい。また、液体注入管33の材質は装置本体9の材質と同じ物でも良いし、異なる材質でもよい。液体注入部31の内径寸法は、一例として10mm程度に設定されている。但し、この寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。
[気体導入口]
次に、気体導入口41について説明する。気体導入口41は上記したように装置本体9の一方の端面壁5における円形状内面5aに形成されている。そして、本実施形態においては、円形状内面5aの中心領域に配置されている。気体導入口41は装置本体9の中心軸Xと同心状に配置されているため、円形状内面5aから端面壁5を貫通して装置本体9の内部空間と外部とを連通している。但し、装置本体9の中心軸Xと同心状に形成する必要は無く、中心軸Xと所定の角度を持つような方向に形成してもよい。尚、本実施形態の気体導入口41の直径は1mm程度に設定されているが、必要に応じてそれよりも小さな直径にしても良いし、或いは1mmより大きな直径としてもよい。
【0028】
また、一方の端面壁5の外側であって気体導入口41の周囲には、所定の長さを有する管状アダプタ43が設けられている。この管状アダプタ43には気体を導入するための配管(図示略)が接続される。但し、気泡発生装置1を気体雰囲気中で使用する場合には管状アダプタ43も配管も不要となる。
[気液体排出口]
次に、気液体排出口51について、図2に基づいて説明する。図2(A)は気泡発生装置1の全体を示す断面図であり、図2(B)は図2(A)における領域Pの拡大図である。気液体排出口51は装置本体9の他方の端面壁7の円形状内面7aにおける中心領域に形成され、装置本体9の内部と外部とを連通させている。気液体排出口51の具体的な形状は、図2(B)に示すように、他方の端面壁7の円形状内面7aから所定の範囲(例えば、端面壁7の厚さの半分程度)までは一定の直径の円柱状の開口で、そこから外に向かって円錐台状に拡がる円錐台形状の開口を有している。円錐台状の傾斜の角度は約30°程度に設定されている。気液体排出口51における内部空間側の内径は5mm程度に設定されている。但し、この寸法はあくまでも一例であり、これらに限定されるものではない。例えば、装置本体9の側面壁3の直径に応じて大きさを変化させてもよく、本実施形態では直径の1/12程度の大きさに設定している。その他、液体導入管33の内径の1/2程度にしてもよい。
【0029】
また、他方の端面壁7の外側であって気液体排出口51の周囲には、所定の長さを有する気液体排出管53が設けられている。この気液体排出管53は、後述するように気泡を更に微細にするために取り付けられている。しかし、この気液体排出管53が無くても微細な気泡は発生するので、本発明に必須のものではない。
[作用]
次に、本実施形態に係る気泡発生装置1の具体的作用について図3に基づいて説明する。先ず、液体注入管33を介して液体注入部31から所定の液体が注入される。そして、装置本体9の内部空間が液体で満たされると、内部空間の管状空間では図3(B)に示すように、一方の端面壁5の側から見て時計周りに液体が旋回する。このとき、液体には旋回による遠心力Fが働く。そして、液体は旋回しながら他方の端面壁7の方向に向かって流れる。他方の端面壁7の側に流れてきた液体は、旋回運動を維持したまま内部円筒部材21の内部に流れ込む。内部円筒部材21の内部に流れ込んだ液体にも旋回による遠心力Fが働き、液体は内部円筒部材21の内周面に沿って一方の端面壁5の側に戻る。更に、一方の端面壁5の近傍に到達した液体は、内部円筒部材21の中心領域に沿って他方の端面壁7に向かって流れる。このとき、旋回により液体には遠心力Fが働いており、内部円筒部材の中心部が圧力の低い状態となり、外部がその圧力よりも高ければ気体導入口41から気体が導入される。そして、導入された気体は液体内で気体渦流61となって、旋回しながら他方の端面壁7に向かって流れる液体によって、他方の端面壁7の側に到達する。
【0030】
このとき、液体と気体渦流61は気液体排出口51において急激に不安定となり、気体渦流61が強制的に切断されて微細な気泡が大量に発生することとなる。加えて、気液体内の気泡は気液体排出管53内においてより微細な気泡に切断される。更に、気液体が気液体排出管53から外部に出る際に、外部環境(大気、液体など)との質量差により、気泡が更に微細に切断され、結果として超微細な気泡を大量に発生させることができるようになる。
[各部寸法による気泡発生特性の変化]
次に、気泡発生装置1の各部の寸法の変化に起因する気泡発生特性の変化について、図4及び図5に基づいて説明する。出願人は、以下に説明するような様々な寸法の気泡発生装置1を作成した上で、適切に気泡を発生させることができる条件を見出した。
【0031】
先ず、図4(A)及び(B)に示す気泡発生装置1aでは、装置本体9の内部空間の長さをLa、内部円筒部材21の長さをLb、装置本体9の直径をDa、そして内部円筒部材21の直径をDbとしている。また、液体注入部31の内径をCとしている。ここで、装置本体9の直径Da及び内部円筒部材21の直径Dbについては、それぞれの厚さの中心位置を基準に測定しているので、必ずしもそれぞれの内径もしくは外径と一致しない。しかし、装置本体9の側面壁3及び内部円筒部材21の厚さはそれぞれの直径に比べて薄いので、気泡発生装置1aの特性の変化に大きな影響を及ぼすものではない。
【0032】
当該具体例では、直径の比については、Db/Da=0.70〜0.80の範囲内で、特に0.75(=3/4)が最適との実験結果を得た。また、長さの比については、Lb/La=0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31は右方の円形状内面5aの側に設け、その内径はC=1/8・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0033】
図4(C)及び(D)は、内部円筒部材21の直径Dbを小さくした場合の気泡発生装置1bの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.56〜0.83の範囲内で、特に0.67(=2/3)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.66〜0.88の範囲内で、特に0.833が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31は右方の円形状内面5aの側に設け、その内径は1/6・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は左方から排出される。
【0034】
図4(E)及び(F)は、内部円筒部材21の直径Dbを更に小さくした場合の気泡発生装置1cの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.40〜0.55の範囲内で、特に0.50(=2/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.66〜0.88の範囲内で、特に0.75が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/4・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0035】
図5(A)及び(B)は、内部円筒部材21の直径Dbを更に小さくした場合の気泡発生装置1dの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.22〜0.28の範囲内で、特に0.25(=1/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/8・Daに設定した。また、内部円筒部材21は右方の円形状内面5aに固定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0036】
図5(C)及び(D)は、内部円筒部材21を左方の円形状内面7aに固定した場合の気泡発生装置1eの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.40〜0.55の範囲内で、特に0.50(=2/4)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.80〜0.90の範囲内で、特に0.875が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/8・Daに設定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は右方から排出される。
【0037】
図5(E)及び(F)は、図5(C)及び(D)の具体例に対して、内部円筒部材21の直径Dbを小さくした場合の気泡発生装置1fの例である。この具体例では、直径の比については、Db/Da=0.30〜0.37の範囲内で、特に0.33(=1/3)が最適との実験結果を得た。長さの比については、Lb/La=0.66〜0.88の範囲内で、特に0.833が最適との実験結果を得た。尚、液体注入部31の内径は1/6・Daに設定した。この具体例では、気泡を含んだ気液体は左方から排出される。
【0038】
以上説明したように直径の比率に着目した場合、例えば、2/3,1/3,1/6,1/12,1/24,1/48....や3/4,2/4,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64....となる直径比の場合に適切に気泡が発生することが確認された。
[各部寸法による気液体の排出方向の変化]
次に、図6〜図8に基づいて、装置本体9の内部空間の直径に対する内部円筒部材21の直径の変化に起因する、気液体の排出方向の変化について説明する。
【0039】
図6は、液体注入部31が右方に設けられると共に、内部円筒部材21が右方の円形状内面5aに固定されている場合を示している。この具体例において、装置本体9の直径Daに対して、内部円筒部材21の直径は2/4Daとなっている。即ち、装置本体9の側面壁3と内部円筒部材21との間の距離が1/4Daであり、内部円筒部材21から装置本体9および内部円筒部材21の中心軸Xまでの距離も1/4Daである。このような条件の下では気液体は右方から排出されることが実験で確認された。
【0040】
次に、図7は、液体注入部31が右方に設けられると共に、内部円筒部材21が2重に設けられている具体例を示している。この具体例では、外側の内部円筒部材21aが右方の円形状内面5aに固定され、内側の内部円筒部材21bが左方の円形状内面7aに固定されている。この具体例において、装置本体9の直径Daに対して、外側の内部円筒部材21aの直径は4/6Daとなっており、内側の内部円筒部材21bの直径は2/6Daとなっている。即ち、装置本体9の側面壁3と外側の内部円筒部材21aとの間の距離が1/6Daであり、外側の内部円筒部材21aと内側の内部円筒部材21bとの距離も1/6Daであり、更に内側の内部円筒部材21bと装置本体および内部円筒部材の中心軸Xまでの距離も1/6Daである。このような条件の下で気液体は左方から排出されることが実験で確認された。
【0041】
更に、図8は、液体注入部が右方に設けられると共に、内部円筒部材21が3重に設けられている具体例を示している。この具体例では、外側の内部円筒部材21aが右方の円形状内面5aに固定され、中間の内部円筒部材21bが左方の円形状内面7aに固定され、更に内側の内部円筒部材21cが右方の円形状内面5aに固定されている。この具体例において、装置本体9の直径Daに対して、外側の内部円筒部材21aの直径は6/8Daとなっており、中間の内部円筒部材21bの直径は4/8Daとなっており、更に内側の内部円筒部材21cの直径は2/8Daとなっている。即ち、装置本体9の側面壁3から各内部円筒部材21を介して装置本体9の中心軸Xまで、それぞれ1/8Daの距離となっている。このような条件の下では気液体は右方から排出されることが実験で確認された。
【0042】
以上説明したように、装置本体9並びに各内部円筒部材21の相互間距離を、装置本体9の側面壁3の直径に関して2の倍数又は3の倍数で除した値に設定することで、気液体の排出方向を自由に切替えられることが実験で確認された。このことは、液体注入部31の位置を装置本体9の右方に設ける場合のみならず、左方に設ける場合も同様である、このことに関連し、図1の気泡発生装置1に変形を加えた場合を図9に示しており、具体的には液体注入部31及び液体注入管33を装置本体9の長手方向の中央部に配置した例である。内部空間内に内部円筒部材21を設けることで、液体注入部31を設置する位置の自由度が向上し、結果として気泡発生装置の応用に際して自由度の高い設計が可能となる。即ち、浴室のシャワーヘッドなどに応用する際に、シャワーヘッドの持手との関係で液体注入部31及び液体注入管33を配置できるので、従来のシャワーヘッドに対して違和感の無い設計が可能である。
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態に係る気泡発生装置101について図10に基づいて説明する。当該実施形態は、図1に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第1の実施形態と異なるのは、液体注入部131の構造である。本実施形態の液体注入部131は、L字状に曲げられた管状部材が用いられている点である。
【0043】
液体注入部131は、装置本体9の内部空間に開口している第1の管状部131aと、外部の加圧流体源に接続される第2の管状部131bとからなる。第1の管状部131aは側面壁3と内部円筒部材21の間の管状空間の円周方向に向かって開口している。また、第2の管状部131bは装置本体9の側面壁3の表面に対して概ね垂直に挿入されており、内部空間に入った位置で直角に曲げられている。液体注入部131をこのように構成することで、液体を装置本体9の円周方向に注入する目的は維持したまま、液体注入部131の設置位置の自由度が向上することとなる。
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態に係る気泡発生装置201について図11に基づいて説明する。当該実施形態は、図1に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第1の実施形態と異なるのは、液体注入部231の構造である、本実施形態の液体注入部231は、L字状に曲げられた管状部材が用いられている点である。また、本実施形態は第2の実施形態とも一部共通しているが、液体注入部231の設置位置が異なっている。
【0044】
具体的には、液体注入部231は、装置本体9の内部空間に開口している第1の管状部231aと、外部の加圧流体源(図示略)に接続される第2の管状部231bとからなる。第2の管状部231bは、第2の実施形態と異なり、装置本体9の端面壁5の表面から円形状内面5aに対して概ね垂直に挿入されており、内部空間に入った位置で円周方向に向けて直角に曲げられている。このため、第2の管状部231aは装置本体9と内部円筒部材21の間の管状空間の円周方向に向かって開口することとなる。液体注入部231をこのように構成することで、液体を装置本体9の円周方向に注入する目的は維持したまま、液体注入部231の設置位置の自由度が向上することとなる。特に、液体注入部231を装置本体9の側面壁3に設置できない場合などに好都合となる。
[第4の実施形態]
次に、本発明の第4の実施形態に係る気泡発生装置301ついて図12に基づいて説明する。当該実施形態は、図1に示した第1の実施形態と多くの部分が共通している。このため、共通している部分についての説明は省略する。この実施形態が第1の実施形態と異なるのは、気体導入口と気液体排出口の構造である。本実施形態の気液体排出口は気体導入口を兼ねており、それぞれ別個には設けられていない。このため、以下の説明では便宜上、気液体排出口として説明する。
【0045】
気液体排出口351の形状は図1に示したものと同様であり、特に異なる構造は有していない。しかし、当該実施形態では、気液体排出口351の近傍に気体導入管341が設置されている。具体的には、気液体排出管353を貫通して、先端が気液体排出口351の中心部まで到達している。気体導入管321の他端は大気やその他の気体供給源(図示略)に連通している。
【0046】
次に、本実施形態に係る気泡発生装301の具体的作用について説明する。先ず、液体注入管33を介して液体注入部31から所定の液体が注入される。そして、装置本体309の内部空間が液体で満たされると、内部空間の管状部分では図3(B)の場合と同様に、一方の端面壁305の側から見て時計周りに液体が旋回する。このとき、液体には旋回による遠心力が働く。そして、液体は旋回しながら他方の端面壁7の方向に向かって流れる。他方の端面壁7の側に流れてきた液体は、旋回運動を維持したまま内部円筒部材21の内部に流れ込む。内部円筒部材21の内部に流れ込んだ液体にも旋回による遠心力が働き、液体は内部円筒部材21の内周面に沿って一方の端面壁305の側に戻る。更に、一方の端面壁305の近傍に到達した液体は、内部円筒部材21の中心部に沿って他方の端面壁7に向かって流れる。このとき、旋回により液体には遠心力が働いており、内部円筒部材21の中心部が圧力の低い状態となり、外部がその圧力よりも高ければ気体導入管321から気体が導入される。そして、導入された気体は液体内で気体渦流361となって、一方の端面壁305に到達する。
【0047】
このとき、液体と気体渦流361は気液体排出口351において急激に不安定となり、気体渦流が強制的に切断されて微細な気泡が大量に発生することとなる。加えて、気液体内の気泡は気液体排出管353内においてより微細な気泡に切断される。更に、気液体が気液体排出管353から外部に出る際に、外部環境(大気、液体など)との質量差により、気泡が更に微細に切断され、結果として超微細な気泡を大量に発生させることができるようになる。
【0048】
以上のような構成によれば、装置本体の構造を簡略化することができ、気泡発生装置の設計の自由度が向上することとなる。尚、本実施形態では気体導入管321を気液体排出口351の中心軸に対して垂直の方向から挿入しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、気液体排出口351の中心軸に沿って気体導入管321を設置するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明は、例えば、海、河川、湖沼の水及び汚染土壌の浄化や液体の特性変化を行う産業分野、更には漁業、医療、美容健康機器産業などの産業分野において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る気泡発生装置であり、図1(A)は上面図、図1(B)は図1(A)のB−B線における断面図、図1(C)は左側面図、そして図1(D)は右側面図を示す。
【図2】図2(A)は気泡発生装置の断面図を示し、図2(B)は図2(A)における領域Pの拡大図であって気液体排出口を示す。
【図3】本発明の作用原理を説明する図であり、図3(A)は図3(B)のA−A線における断面図を示し、図3(B)は図3(A)のB−B線における断面図を示す。
【図4】側面壁と内部円筒部材の直径比Db/Daと気泡発生特性の関係を説明する断面図であり、図4(A)及び(B)はDb/Da=3/4、図4(C)及び(D)はDb/Da=2/3、図4(E)及び(F)はDb/Da=1/2の場合の軸方向断面図及び横断方向断面図をそれぞれ示す。
【図5】側面壁と内部円筒部材の直径比Db/Daと気泡発生特性の関係を説明する断面図であり、図5(A)及び(B)はDb/Da=1/4の場合であり、図5(C)及び(D)は内部円筒部材が左方の端面壁に固定されておりDb/Da=1/2の場合、図5(E)及び(F)はDb/Da=1/3の場合の軸方向断面図及び横断方向断面図をそれぞれ示す。
【図6】内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図6(A)は軸方向断面図であり、図6(B)は横断方向断面図である。
【図7】内部円筒部材が二重の場合の内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図7(A)は軸方向断面図であり、図7(B)は横断方向断面図である。
【図8】内部円筒部材が三重の場合の内部円筒部材の直径の変化と気液体排出方向との関係を説明する図であり、図8(A)は軸方向断面図であり、図8(B)は横断方向断面図である。
【図9】図1に開示した気泡発生装置に対して液体注入部の位置を変化させた変形例を示す図であり、図9(A)は軸方向断面図であり、図9(B)は横断方向断面図である。
【図10】本発明の第2の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図10(A)は軸方向断面図であり、図10(B)は横断方向断面図である。
【図11】本発明の第3の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図11(A)は軸方向断面図であり、図11(B)は横断方向断面図である。
【図12】本発明の第4の実施形態に係る気泡発生装置を示す図であり、図12(A)は軸方向断面図であり、図12(B)は横断方向断面図である。
【符号の説明】
【0051】
1 気泡発生装置
3 側面壁
5,7 端面壁
5a,7a 円形状内壁
9 装置本体
21 内部円筒部材
31 液体注入部
41 気体導入口
51 気液体排出口
53 気液体排出管
X 中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項1】
気泡発生装置であって、
円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、
前記円筒状内面から離間して前記内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材と、
前記円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、
前記円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とからなることを特徴とする気泡発生装置。
【請求項2】
前記内部円筒部材は、前記円柱状の内部空間の中心軸と同心状で前記円形状内面に固定されていることを特徴とする、請求項1に記載の気泡発生装置。
【請求項3】
直径の異なる少なくとも2つの前記内部円筒部材が配置され、直径の大きさに応じて順に一方の円形状内面及び他方の円形状内面に交互に固定されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の気泡発生装置。
【請求項4】
前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離および各内部円筒部材間の離間距離は全て等しいことを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項5】
前記離間距離は、円筒状内面の半径を2の倍数又は3の倍数で徐した値であることを特長とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項6】
前記気体導入口は、前記円形状内面の中心領域に形成されていることを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項7】
前記気液体排出口は、前記円形状内面の中心領域に形成されていることを特徴とする、請求項1〜6の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項8】
前記気体導入口と気液体排出口とは、それぞれ異なる前記円形状内面に形成されていることを特徴とする、請求項1〜7に記載の気泡発生装置。
【請求項9】
前記気液体排出口は気体導入口を兼ねて一方の前記円形状内面に形成され、前記気液体排出口の近傍に気体を導入するための気体導入管の端部を配置したことを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項10】
前記気液体排出口は、装置本体の円形状内面側に形成された円柱状開口と、装置本体の外部側に向かって拡がる円錐台状開口の組合せからなることを特徴とする、請求項1〜9の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項11】
前記装置本体の外側であって前記気液体排出口の周囲には管状の気液体排出管が備えられていることを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項12】
前記液体注入部は、前記円筒状内面若しくは円形状内面の何れか一方に設けられていることを特徴とする、請求項1〜11の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項13】
前記液体注入部は円形断面であり、その内径は前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離に等しいことを特徴とする請求項1〜12の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項1】
気泡発生装置であって、
円筒状内面と円形状内面とによって円柱状の内部空間が形成される装置本体と、
前記円筒状内面から離間して前記内部空間内に配置される少なくとも1つの内部円筒部材と、
前記円筒状内面と内部円筒部材との間の管状空間に円周方向に向かって液体を注入する液体注入部と、
前記円形状内面に設けられる気体導入口及び気液体排出口とからなることを特徴とする気泡発生装置。
【請求項2】
前記内部円筒部材は、前記円柱状の内部空間の中心軸と同心状で前記円形状内面に固定されていることを特徴とする、請求項1に記載の気泡発生装置。
【請求項3】
直径の異なる少なくとも2つの前記内部円筒部材が配置され、直径の大きさに応じて順に一方の円形状内面及び他方の円形状内面に交互に固定されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の気泡発生装置。
【請求項4】
前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離および各内部円筒部材間の離間距離は全て等しいことを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項5】
前記離間距離は、円筒状内面の半径を2の倍数又は3の倍数で徐した値であることを特長とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項6】
前記気体導入口は、前記円形状内面の中心領域に形成されていることを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項7】
前記気液体排出口は、前記円形状内面の中心領域に形成されていることを特徴とする、請求項1〜6の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項8】
前記気体導入口と気液体排出口とは、それぞれ異なる前記円形状内面に形成されていることを特徴とする、請求項1〜7に記載の気泡発生装置。
【請求項9】
前記気液体排出口は気体導入口を兼ねて一方の前記円形状内面に形成され、前記気液体排出口の近傍に気体を導入するための気体導入管の端部を配置したことを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項10】
前記気液体排出口は、装置本体の円形状内面側に形成された円柱状開口と、装置本体の外部側に向かって拡がる円錐台状開口の組合せからなることを特徴とする、請求項1〜9の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項11】
前記装置本体の外側であって前記気液体排出口の周囲には管状の気液体排出管が備えられていることを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項12】
前記液体注入部は、前記円筒状内面若しくは円形状内面の何れか一方に設けられていることを特徴とする、請求項1〜11の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【請求項13】
前記液体注入部は円形断面であり、その内径は前記円筒状内面と内部円筒部材との離間距離に等しいことを特徴とする請求項1〜12の何れか一項に記載の気泡発生装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2008−246268(P2008−246268A)
【公開日】平成20年10月16日(2008.10.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−26451(P2006−26451)
【出願日】平成18年2月3日(2006.2.3)
【特許番号】特許第3890076号(P3890076)
【特許公報発行日】平成19年3月7日(2007.3.7)
【出願人】(503108193)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年10月16日(2008.10.16)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年2月3日(2006.2.3)
【特許番号】特許第3890076号(P3890076)
【特許公報発行日】平成19年3月7日(2007.3.7)
【出願人】(503108193)
【Fターム(参考)】
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