液体への微小気泡注入システム
【課題】少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に発生させる。
【解決手段】本システムは、液体１が貯溜された貯溜槽２と、導入ライン３を経由して導入した液体１に微小気泡５を注入し、微小気泡注入後の液体１を返送ライン６を経由して貯溜槽２に返送する微小気泡発生装置４と、微小気泡発生装置４に対して微小気泡発生のための気体（エア）を気体供給ライン１３を経由して供給する気体供給手段としてのブロワ１４と、を備えている。微小気泡発生装置４は、密閉容器８と、ブロワ１４からのエアを導入する空洞部が内部に形成されると共に、盤面上に多数の気泡注入孔が形成された円盤部材９と、円盤部材９を回転駆動するモータ手段１１と、を有している。そして、円盤部材９の盤面上に形成された多数の気泡注入孔のピッチ間隔は所定長以上である。
【解決手段】本システムは、液体１が貯溜された貯溜槽２と、導入ライン３を経由して導入した液体１に微小気泡５を注入し、微小気泡注入後の液体１を返送ライン６を経由して貯溜槽２に返送する微小気泡発生装置４と、微小気泡発生装置４に対して微小気泡発生のための気体（エア）を気体供給ライン１３を経由して供給する気体供給手段としてのブロワ１４と、を備えている。微小気泡発生装置４は、密閉容器８と、ブロワ１４からのエアを導入する空洞部が内部に形成されると共に、盤面上に多数の気泡注入孔が形成された円盤部材９と、円盤部材９を回転駆動するモータ手段１１と、を有している。そして、円盤部材９の盤面上に形成された多数の気泡注入孔のピッチ間隔は所定長以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバブルと呼ばれる微小気泡を発生させ、この発生させた微小気泡を液体に注入させるための液体への微小気泡注入システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気泡径が100μm程度の水中に注入された微小気泡はマイクロバブルと呼ばれ、その化学的又は物理的特性に基づき、例えば、除菌効果や摩擦抵抗低減効果などの種々の効果を得ることができるため、各種産業分野での利用が期待されている。
【０００３】
このような微小気泡を発生させる微小気泡発生装置としては種々のタイプのものが知られている。例えば、特許文献１に係る装置では、コンプレッサなどの気体供給手段から水が流れる管に多孔質体を通して気体を供給することで微小気泡を発生させるようにしている。
【０００４】
また、特許文献２に係る装置では、円錐形状の回転容器本体に対し、底面付近の周面部に加圧液体導入口を設けると共に、底面側に気体導入孔を設け、更に回転容器本体の頂部には旋回気液導出孔を設けた構成としている。そして、旋回しながら上記導出孔に向かう液体と気体との間の旋回速度差を利用して気泡表面に大きなせん断力を作用させ、このせん断力で気泡を導出孔から引きちぎるようにして大量の微小気泡を発生させるようにしている。
【特許文献１】特開平８−２２５０９４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０５２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に係る装置の場合、多孔質体から気泡が離脱しにくいため、発生する気泡が多孔質体の孔径より大きくなり、充分に微小な気泡を得ることができないという欠点を有している。
【０００６】
また、特許文献２に係る装置の場合、特許文献１の場合に比べて微小な気泡を得ることができるが、液体に旋回流を与える必要があるため圧力損失が大きくなると共に、液体中の気体の割合が特許文献１の場合に比べて低くなってしまうという欠点を有している。
【０００７】
このように、一般的に従来の微小気泡発生装置では、気泡径と必要エネルギーとは所謂トレードオフの関係にある。つまり、充分に気泡径の小さな気泡を発生させようとすると大きなエネルギーを必要とせざるを得ず、一方、エネルギーを低減させようとすると気泡径の大きな気泡しか得ることができなかった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に発生させることが可能な液体への微小気泡注入システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、微小気泡注入対象となる液体が貯溜された貯溜槽と、前記貯溜槽から導入ラインを経由して導入した液体に微小気泡を注入し、微小気泡注入後の液体を返送ラインを経由して前記貯溜槽に返送する微小気泡発生装置と、前記微小気泡発生装置に対して微小気泡発生のための気体を気体供給ラインを経由して供給する気体供給手段と、を備え、前記微小気泡発生装置は、前記導入ライン及び前記返送ラインに接続された密閉容器と、前記密閉容器内部に配設され、前記気体供給手段からの気体を導入する空洞部が内部に形成されると共に、盤面上に多数の気泡注入孔が形成された円盤部材と、前記密閉容器外部に配設され、前記円盤部材を回転駆動するモータ手段と、を有しており、しかも、前記円盤部材の盤面上に形成された多数の気泡注入孔のピッチ間隔が所定長以上である、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記返送ラインに返送ポンプが配設されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記導入ライン及び返送ラインと接続する前記密閉容器の導入口及び排出口は、その導入方向及び排出方向が、前記円盤部材を回転させる方向の旋回流を生じさせる方向となるように形成されている、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記密閉容器は、天井部側の径が底部側の径よりも大きな略ラッパ形の円筒形状をなしており、前記導入口が天井部付近の側面に形成され、前記排出口が底部付近の側面に形成されている、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記円盤部材に前記旋回流の抵抗を受ける回転翼部材を取り付けた、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記液体中に粗大気泡が発生し、この粗大気泡が密閉容器の天井部付近に滞溜している場合に、この粗大気泡を密閉容器内部から排出して前記気体供給ラインに返流する粗大気泡排出手段を備えた、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記密閉容器の天井部付近に粗大気泡滞溜室を設け、前記粗大気泡排出手段は、この粗大気泡滞溜室内に溜まった粗大気泡を排出するものである、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記密閉容器内の液体中に発生した大きな気泡又は粗大気泡を消失するための超音波発生手段を、前記密閉容器の外側に取り付けた、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記円盤部材の盤面上、又は前記密閉容器の天井部内側の少なくともいずれかに、気泡破砕部材を形成した、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に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】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るシステムの全体構成図である。微小気泡注入対象となる液体１が貯溜槽２に貯溜されている。貯溜槽２の底部付近には導入ライン３の一端側が接続されており、この導入ライン３の他端側は微小気泡発生装置４に接続されている。
【００２０】
微小気泡発生装置４は発生させた微小気泡５を、貯溜槽２から導入ライン３を経由して送られてきた液体１に対して注入するものである。そして、微小気泡発生装置４は、液体１に微小気泡を注入した後、これを返送ライン６及び返送ポンプ７を介して貯溜槽２に返送するようになっている。
【００２１】
微小気泡発生装置４は、天井部及びこの天井部付近の側面にそれぞれ導入ライン３及び返送ライン６が接続された密閉容器８と、この密閉容器８内部に配設され、空洞部が内部に形成されている円盤部材９と、密閉容器８外部に配設され、回転軸１０を介して円盤部材９を回転駆動する駆動モータ１１とを有している。
【００２２】
そして、回転軸１０の中間部にはロータリジョイント１２が取り付けられており、このロータリジョイント１２に気体供給ライン１３を介して気体供給手段としてのブロワ１４が接続されている。回転軸１０は、ロータリジョイント１２の下側部分は中実状になっているが、ロータリジョイント１２の上側部分は中空状（パイプ状）となっている。したがって、ブロワ１４から送られるエアは気体供給ライン１３、ロータリジョイント１２、及び回転軸１０の中空部を通って、円盤部材９内部に形成された空洞部に供給されるようになっている。
【００２３】
なお、本実施形態では、液体１が水である場合を想定しているが、本発明では水の他に、弱酸や強酸などの化学剤、あるいは油等も液体１に含まれるものとする。また、微小気泡発生のための気体として、本実施形態ではエアを想定しているが、本発明ではオゾンなども含まれるものとする。
【００２４】
図２は、図１における円盤部材９及び密閉容器８の構造を示す説明図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、密閉容器８の天井部には導入ライン３につながる導入口８ａが設けられると共に、天井部付近の側面には返送ライン６につながる排出口８ｂが設けられている。そして、密閉容器８の内部に円盤部材９が配設されている。
【００２６】
円盤部材９は、その内部に空洞部９ａが形成されると共に、上面部に多数の気泡注入孔９ｂが形成されたものである。そして、回転軸１０の一部を形成するエア供給パイプ１０ａの一端側が、円盤部材９の下面側中心部に取り付けられている。なお、図示は省略しているが、密閉容器８に対するエア供給パイプ１０ａの取付は軸受部材等を介して行われ、良好な水密性が保持されている。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、多数の気泡注入孔９ｂは、円盤部材９の上面側の盤面周縁部付近にドーナツ状に設定された設定領域R内に形成されている。この設定領域Rは、円盤部材９の回転時における気泡注入孔９ｂの周速度が所定速度以上になるような領域として設定されたものである。そして、これらの気泡注入孔９ｂは、複数の半径Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3毎の同一同心円上に所定のピッチＰで形成されている。
【００２８】
ところで、本発明の発明者らは、気泡注入孔９ｂの孔径、孔の数、周速度、ピッチＰ、及び気体流量等を種々変化させた場合に、発生する微小気泡５の平均径がどのように変化するかにつき実験・調査を重ねてきた。図３乃至図６は、この実験・調査の結果を示す特性図である。
【００２９】
図３は、孔径が異なる複数の気泡注入孔について周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔径が1.0mm，0.5mm，0.1mmの３種類である場合を示したものである。この特性図によれば、周速度が速くなるにしたがって、どの孔径の発生気泡平均径も次第に小さくなるが、周速度が６[m/s]以下では、気泡注入孔の孔径を小さくするほど発生気泡平均径を小さくすることができる。しかし、周速度が６[m/s]を超えるとどの孔径の発生気泡平均径も限界レベルの200μmに達し、殆ど同一となっている。
【００３０】
一般に、気泡注入孔における圧力損失は孔径が大きくなるほど小さくなるので、ブロワ１４等の機器のエネルギー低減の観点からは孔径が大きい方が好ましい。図３の特性図によれば、孔径が大きなものであっても、周速度を６[m/s]よりも大きくすることにより、孔径の小さなものと同等の発生気泡平均径を得ることができることが明らかになっている。
【００３１】
図４は、特定孔径の気泡注入孔を有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔径を1.0mm（図３における最大の孔径）、孔数を４個所とし、気体流量を0.2リットル／分，0.5リットル／分，1リットル／分，2リットル／分の４種類とした場合を示したものである。この特性図によれば、１〜３番目の気体流量の場合、周速度が６[m/s]以下では気体流量が小さなものほど発生気泡平均径が小さくなるが、周速度が６[m/s]を超えるとどの気体流量の発生気泡平均径も同一となっている。
【００３２】
しかし、４番目の2リットル／分の気体流量の場合には、他の気体流量の場合とは異なる特性を示し、周速度を上昇させていっても発生気泡平均径ははるかに大きなものとなっている。このことから、気体流量には制限値が存在しており、多量の微小気泡を発生させようとして、制限値を超えた気体流量を供給するのは好ましくないことが明らかである。
【００３３】
図５は、特定孔径の気泡注入孔を特定孔数だけ有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔径を1.0mm、孔数を８個所（図４の場合の２倍）とし、気体流量を1リットル／分，2リットル／分の２種類とした場合を示したものである。図４の特性図では、気体流量が2リットル／分の場合については、周速度を上げていっても発生気泡平均径を充分に小さくすることができなかったが、この図５の特性図では、気泡注入孔の孔数を増やせば、周速度を６[m/s]よりも大きくすることにより、図４における他の気体流量の場合と同様に、充分に径の小さな微小気泡を得られることが分かる。
【００３４】
図６は、複数の気泡注入孔を有する円盤部材を或る回転速度（例えば気泡注入孔位置の周速度が６[m/s]以上となるような速度）で回転させたときの気泡注入孔ピッチの変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔数を一定範囲内で増減した場合のものである。
【００３５】
図５の特性図によれば、孔径の大きな気泡注入孔であっても孔数を増加することにより充分に小さな径の気泡を得ることができるようになる。しかし、孔数を増加し過ぎると今度は必然的に孔ピッチが狭くなり、微小気泡同士がくっついて気泡径が大きくなってしまうことになる。図６の特性図によれば、気泡注入孔のピッチが15mmよりも狭くなると、発生気泡平均径が著しく大きくなっていくことが明らかである。
【００３６】
上述した図３乃至図６の特性図によれば、円盤部材９の回転速度は、図２（ｂ）の設定領域R内に形成された全ての気泡注入孔９ｂの周速度が６[m/s]を超えるような速度であることが好ましく、また、隣接する気泡注入孔９ｂ同士のピッチＰは15mm以上であることが好ましいといえる。
【００３７】
次に、本実施形態の動作を説明する。駆動モータ１１が回転を開始すると共に、ブロワ１４が起動され、更に返送ポンプ７も起動される。大気中からブロワ１４に取り込まれたエアは、気体供給ライン１３、ロータリジョイント１２、及びエア供給パイプ１０ａを通って円盤部材９の空洞部９ａに供給される。そして、空洞部９ａ内に満たされたエアは、多数の気泡注入孔９ｂから微小気泡５として密閉容器８内を満たしている液体１（水）中に注入される。
【００３８】
このとき、気泡注入孔９ｂから生成し、水中に注入されようとする微小気泡５は、回転中の円盤部材９と、円盤部材９の周囲に存在する水との間の相対運動によって生じるせん断力の作用を受けて気泡注入孔９ｂから剥離され水中に注入される。このときのせん断力の大きさは、気泡注入孔９ｂが設定領域R内に形成されて高速で回転していることから大きなものとなっている。したがって、気泡注入孔９ｂから顔を出した状態の微小気泡５は、径の大きな気泡に成長する前に、強いせん断力で気泡注入孔９ｂから直ちに引きちぎられ、微細な状態を維持したままで水中に注入される。このとき気泡注入孔９ｂ同士のピッチＰは15mm以上となっているので、気泡注入孔９ｂから引きちぎられた微小気泡同士がくっつくことが抑制されるので気泡径が大きくなることも抑制される。すなわち、本実施形態の構成によれば、少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に発生させることが可能となる。
【００３９】
また、返送ポンプ７の起動により、密閉容器８内には導入口８ａから水が導入されるが、この水は微小気泡５が注入された後、排出口８ｂから密閉容器８外に排出される。このとき、図２（ｂ）において、円盤部材９の回転方向は左回り方向（反時計回り方向）であり、排出口８ｂの排出方向は円盤部材９の接線方向となっている。駆動モータ１１による円盤部材９の回転で、密閉容器８内には水の旋回流が生じているが、このように円盤部材９の接線方向に排出口８ｂが形成されているので、密閉容器８内の水は極めて円滑に排出口８ｂから返送ライン６へ排出される。また、旋回流の旋回方向は、勿論駆動モータ１１の回転軸１０の回転方向と同じであるため、この旋回流は駆動モータ１１の回転駆動力を支援するものとなる。
【００４０】
したがって、本実施形態における密閉容器８によれば、返送ポンプ７及び駆動モータ１１が必要とするエネルギーを低減することができ、返送ポンプ７及び駆動モータ１１にそれほど大きな容量のものを用いなくても済むようになることが期待できる。
【００４１】
また、本発明の発明者らがこれまで提案してきたシステム構成の多くは、円盤部材９を貯溜槽２の液体１中に配設するタイプのものであった。このようなタイプのシステム構成の場合、駆動モータ１１も一緒に水中に配設しようとすると、駆動モータ１１には水中モータを用いなければならず、コスト面又はメンテナンス面で不利なものとなっていた。また、駆動モータ１１に気中モータを用いようとすると、駆動モータ１１を水面上方又は貯溜槽２の底面下方に配設しなければならず、設置構造が複雑なものとならざるを得なかった。更に、貯溜槽２が下水処理槽であるような場合、ひどい汚れを考慮して容量の大きなモータを用いる必要があること、あるいは気泡注入孔９ｂの目詰まり等についての配慮が必要などいくつかの不利な点を有するものであった。
【００４２】
しかし、図１の構成では、貯溜槽２とは別個に、貯溜槽２よりもはるかに小さな密閉容器８を設置するようになっているので、駆動モータ１１に気中モータを用いても設置構造が複雑化することはない。したがって、貯溜槽２が既設又は新設のいずれのものであっても容易に本発明のシステムを実現できる。
【００４３】
また、貯溜槽２が下水処理槽であるような場合も、導入ライン３の適当な個所にフィルタ部材を簡単に設けることが可能なので、大容量のモータを用いる必要はなく、目詰まりの問題なども解消できる。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係るシステムの要部構成図である。第１の実施形態における密閉容器８では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、導入口８ａが天井部に設けられると共に、排出口８ｂが天井部付近の側面に設けられていたが、この図７における密閉容器８では、導入口８ａ及び排出口８ｂの双方が、天井部付近の側面に設けられており、且つこれらの導入方向及び排出方向は円盤部材９の接線方向となっている。
【００４５】
したがって、この図７の構成を有する密閉容器８によれば、導入及び排出の双方を円滑に行うことができるので、図２の密閉容器８に比べて返送ポンプ７及び駆動モータ１１の必要エネルギーを一層低減することができる。なお、図７では、導入口８ａ及び排出口８ｂの高さ方向の位置は図示されていないが、双方共に同一高さ位置（図２（ａ）における排出口８ｂの高さ位置）に設けられているものとする。
【００４６】
図８は、本発明の第３の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図２及び図７の密閉容器８は、天井部側の径と底部側の径とが同一となっているストレート形円筒形状であるが、この図８の密閉容器８Ａは、天井部側の径が底部側の径よりも大きくなっている略ラッパ形円筒形状となっている。そして、天井部付近の側面に導入口８ａが形成され、底部付近の側面に排出口８ｂが形成されている。
【００４７】
したがって、導入口８ａから密閉容器８Ａ内に導入された水は、次第に落下していく螺旋状の旋回流となって低位置に設けられている排出口８ｂに向かい、この排出口８ｂから勢いよく排出されていく。
【００４８】
このように、図８の構成では、導入口８ａと排出口８ｂとの間の高低差によって生じる位置エネルギーと、密閉容器８Ａの形状によって生じる螺旋状の旋回流とを有効に利用することができるので、導入及び排出の双方を円滑に行うことができ、返送ポンプ７及び駆動モータ１１の必要エネルギーを一層低減することができる。
【００４９】
図９は、本発明の第４の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。既述したように、円盤部材９の上面部には設定領域Rが設定されており、この設定領域Rに多数の気泡注入孔９ｂが形成されている。そして、本実施形態では、この設定領域Rの内側領域つまり気泡注入孔９ｂが形成されていない領域に複数の回転翼部材１５が取り付けられている。
【００５０】
これらの回転翼部材１５は、導入口８ａから導入された水の流れが接触すると、駆動モータ１１の回転駆動方向と同一方向の回転力を円盤部材９に生じさせる形状に形成されている。したがって、本実施形態では、このような回転翼部材１５の働きによって、円盤部材９を効率よく回転させることができ、駆動モータ１１及び返送ポンプ７の必要エネルギーを低減することができる。
【００５１】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。本実施形態は、図９の第４の実施形態と同様に、円盤部材９に取り付けた回転翼部材１６の働きにより、円盤部材９を効率よく回転させようとするものである。
【００５２】
回転翼部材１６は、円盤部材９の側面に取り付けられており、導入口８ａから導入される水の勢いを受けてこれを円盤部材９に対する回転駆動力に変換し、また密閉容器８内で旋回する水を搬送してこれを排出口８ｂから勢いよく排出することを企図して設けられたものである。したがって、本実施形態における導入口８ａ（及び排出口８ｂ）の密閉容器８での高さ方向の取付位置は、図１０（ａ）に示すように、回転翼部材１６とほぼ同一の高さとなっている。
【００５３】
本実施形態では、このような回転翼部材１６の働きによって、円盤部材９の回転、及び導入口８ａ及び排出口８ｂにおける導入及び排出を極めて効率的に行うことが可能である。したがって、本実施形態によれば、図１に示した返送ポンプ７の一層の小型化、あるいは更に返送ポンプ７の省略の可能性さえも期待することができる。
【００５４】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係るシステムの要部構成図である。本実施形態は、第２の実施形態（図７）における密閉容器８の天井部外側に粗大気泡排出手段としてのエアトラップ１８を取り付け、密閉容器８の天井部内側に滞溜している粗大気泡１７を、粗大気泡排出ライン１９及び逆止弁２０を介して、気体供給ライン１３側に返流するものである。逆止弁２０は、一旦気体供給ライン１３側に返流した粗大気泡１７に係る気体が再度エアトラップ１８を介して密閉容器８内部に戻るのを防止するためのものである。
【００５５】
円盤部材９の気泡注入孔９ｂから発生する非常に小さな微小気泡５（マイクロバブル）は、水中に放たれると次第に水中に溶け込んで消失するという、通常の気泡とは異なる特異な性質を有している。しかし、密閉容器８内の状態によっては、発生した多数の微小気泡５が消失するまえに互いにくっついてしまい、これらが大きな粗大気泡１７に成長することがある。このような、粗大気泡１７は密閉容器８内の天井部付近に滞留することになるが、これをそのままにしておくと発生した複数の粗大気泡同士がくっついて更に大きな粗大気泡が発生し、微小気泡発生装置４の機能が低下することになる。
【００５６】
本実施形態によれば、このようにして密閉容器８内に発生した粗大気泡１７を密閉容器８外部に排出することができるので、粗大気泡１７に起因する微小気泡発生装置４の機能低下を防止することができる。
【００５７】
図１２は、本発明の第７の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図１２が図１１と異なる点は、密閉容器８の天井部付近に粗大気泡滞溜室８ｃを設け、この粗大気泡滞溜室８ｃに粗大気泡排出手段としてのエアトラップ１８を取り付けた点である。
【００５８】
図１１の密閉容器８の場合、天井部は平坦であるため粗大気泡１７の滞溜位置がときとして大きく変化し、粗大気泡１７を密閉容器８外になかなか排出できない場合もあり得る。しかし、図１２の密閉容器８では粗大気泡１７の滞溜位置を粗大気泡滞溜室８ｃに固定しておくことができるので速やかに粗大気泡１７を排出することができる。
【００５９】
図１３は、本発明の第８の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図１３の構成は、図１２におけるエアトラップ１８の代わりにバルブ２１を用いると共に、粗大気泡滞溜室８ｃ内に粗大気泡検出器２２を配設し、この粗大気泡検出器２２の検出信号に基づきバルブ２１を開放するバルブ制御回路２３を配設したものである。
【００６０】
粗大気泡検出器２２としては、例えば、水位センサ等に用いられる「接点式スイッチ」と呼ばれるスイッチなどを用いることが考えられる。詳しい説明は省略するが、このスイッチは一対の接点を有するものであり、この一対の接点間が導通状態になっているか否かに基づき粗大気泡１７の存在を検出することができる。
【００６１】
つまり、この一対の接点が水中に浸かっているときには、接点間が水を介して導通状態になっているので粗大気泡検出器２２はオン信号をバルブ制御回路２３に出力する。したがって、この状態ではバルブ制御回路２３はバルブ２１を閉じている。しかし、粗大気泡滞溜室８ｃ内に粗大気泡１７が入り込むと、この一対の接点間は粗大気泡１７の存在のために非導通状態になるので、粗大気泡検出器２２はそれまでのオン信号に代わってオフ信号をバルブ制御回路２３に出力する。バルブ制御回路２３は、このオフ信号を受けてバルブ２１を開放する。
【００６２】
本実施形態によれば、常時は閉じているバルブ２１を、粗大気泡１７が検出された場合のみ開放するようにしているので、密閉容器８内の気密性及び水密性を保持しつつ、確実に粗大気泡１７を密閉容器８外に排出することができる。
【００６３】
図１４は、本発明の第９の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図１４が図１３と異なる点は、バルブ２１の代わりにエアポンプ２４を用いている点と、バルブ制御回路２３がポンプ制御回路２５になっている点である。
【００６４】
本実施形態によれば、粗大気泡滞溜室８ｃ内に存在する粗大気泡１７を、エアポンプ２４の働きにより強制的に排出し、この粗大気泡１７に係る気体を確実且つ迅速にエア供給パイプ１０ａ側に返流することができる。
【００６５】
図１５は、本発明の第１０の実施形態に係るシステムの要部構成図である。本実施形態は、第２の実施形態（図７）における密閉容器８の外側に、大きな気泡（微小気泡よりも大きいが、粗大気泡よりも小さな気泡）又は粗大気泡を消失するための超音波発生器２６を取り付けたものである。本実施形態では、超音波発生器２６を密閉容器８の天井部付近と、排出口８ｂ付近との２個所に取り付けているが、気泡の発生具合を勘案していずれか１個所のみとすることも考えられる。
【００６６】
本実施形態によれば、図１１乃至図１４に示した粗大気泡排出ライン１９や逆止弁２０のような構成要素を設けることなく、超音波の機能を利用した簡易な構成により粗大気泡等を消失することができる。但し、超音波発生器２６は、その機能上あまり大量の気泡を消失させることができないのが通常であるから、気泡の発生量を事前によく調査しておくことが好ましい。
【００６７】
図１６は、本発明の第１１の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。本実施形態は、第１の実施形態における円盤部材９の上面に複数の気泡破砕部材２７を設けたものである。
【００６８】
本実施形態では、この気泡破砕部材２７として、例えば樹脂製の円柱状部材を用いることを想定しているが、材料及び形状等は特に限定されるものではない。また、気泡破砕部材２７が形成される範囲は、図１６（ｂ）に示すように、主として設定領域Rであるが（勿論気泡注入孔９ｂを除く個所である）、設定領域Rばかりでなくその外側にも及んでいる。
【００６９】
既述したように、円盤部材９の気泡注入孔９ｂから水中に放たれる微小気泡は、次第に水中に溶け込んで消失するという、通常の気泡とは異なる特異な性質を有しているが、気泡注入孔９ｂからは微小気泡ばかりでなく微小気泡よりも大きな径の気泡も多く発生する。このような大きな径の気泡は、消失せずに密閉容器８内で旋回するが、これをそのまま放置しておくと大きな径の気泡同士がくっついて更に大きな気泡に成長し、これがそのまま排出口８ｂから排出されて貯溜槽２に送られてしまうことになる。
【００７０】
しかし、本実施形態によれば、円盤部材９の上面に設けた複数の気泡破砕部材２７により、密閉容器８内に消失せず残存している大きな気泡を破砕し、これら大きな気泡が貯溜槽２へ送られるのを極力抑制することができる。
【００７１】
図１７は、本発明の第１２の実施形態に係るシステムの要部構成図である。上記の第１１の実施形態では、気泡破砕部材２７を円盤部材９の盤面上に設けていたが、本実施形態では密閉容器８内の天井部内側に立設した構成としている。このような本実施形態の構成によっても、第１１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００７２】
なお、本発明では第１１の実施形態と第１２の実施形態とを合わせた構成、すなわち、円盤部材９の上面と密閉容器８内の天井部内側との双方に気泡破砕部材２７を設ける構成とすることも勿論可能である。これによれば、一層顕著な気泡破砕効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るシステムの全体構成図。
【図２】図１における円盤部材９及び密閉容器８の構造を示す説明図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図３】孔径が異なる複数の気泡注入孔について周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図４】特定孔径の気泡注入孔を有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図５】特定孔径の気泡注入孔を特定孔数だけ有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図６】複数の気泡注入孔を有する円盤部材を或る回転速度で回転させたときの気泡注入孔ピッチの変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１３】本発明の第８の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１４】本発明の第９の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１５】本発明の第１０の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１６】本発明の第１１の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図１７】本発明の第１２の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【符号の説明】
【００７４】
１：液体
２：貯溜槽
３：導入ライン
４：微小気泡発生装置
５：微小気泡
６：返送ライン
７：返送ポンプ
８，８Ａ：密閉容器
８ａ：導入口
８ｂ：排出口
８ｃ：粗大気泡滞溜室
９：円盤部材
９ａ：空洞部
９ｂ：気泡注入孔
１０：回転軸
１０ａ：エア供給パイプ
１１：駆動モータ
１２：ロータリジョイント
１３：気体供給ライン
１４：ブロワ（気体供給手段）
１５，１６：回転翼部材
１７：粗大気泡
１８：エアトラップ（粗大気泡排出手段）
１９：粗大気泡排出ライン
２０：逆止弁
２１：バルブ（粗大気泡排出手段）
２２：粗大気泡検出器
２３：バルブ制御回路
２４：エアポンプ（粗大気泡排出手段）
２５：ポンプ制御回路
２６：超音波発生器
２７：気泡破砕部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバブルと呼ばれる微小気泡を発生させ、この発生させた微小気泡を液体に注入させるための液体への微小気泡注入システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気泡径が100μm程度の水中に注入された微小気泡はマイクロバブルと呼ばれ、その化学的又は物理的特性に基づき、例えば、除菌効果や摩擦抵抗低減効果などの種々の効果を得ることができるため、各種産業分野での利用が期待されている。
【０００３】
このような微小気泡を発生させる微小気泡発生装置としては種々のタイプのものが知られている。例えば、特許文献１に係る装置では、コンプレッサなどの気体供給手段から水が流れる管に多孔質体を通して気体を供給することで微小気泡を発生させるようにしている。
【０００４】
また、特許文献２に係る装置では、円錐形状の回転容器本体に対し、底面付近の周面部に加圧液体導入口を設けると共に、底面側に気体導入孔を設け、更に回転容器本体の頂部には旋回気液導出孔を設けた構成としている。そして、旋回しながら上記導出孔に向かう液体と気体との間の旋回速度差を利用して気泡表面に大きなせん断力を作用させ、このせん断力で気泡を導出孔から引きちぎるようにして大量の微小気泡を発生させるようにしている。
【特許文献１】特開平８−２２５０９４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０５２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に係る装置の場合、多孔質体から気泡が離脱しにくいため、発生する気泡が多孔質体の孔径より大きくなり、充分に微小な気泡を得ることができないという欠点を有している。
【０００６】
また、特許文献２に係る装置の場合、特許文献１の場合に比べて微小な気泡を得ることができるが、液体に旋回流を与える必要があるため圧力損失が大きくなると共に、液体中の気体の割合が特許文献１の場合に比べて低くなってしまうという欠点を有している。
【０００７】
このように、一般的に従来の微小気泡発生装置では、気泡径と必要エネルギーとは所謂トレードオフの関係にある。つまり、充分に気泡径の小さな気泡を発生させようとすると大きなエネルギーを必要とせざるを得ず、一方、エネルギーを低減させようとすると気泡径の大きな気泡しか得ることができなかった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に発生させることが可能な液体への微小気泡注入システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、微小気泡注入対象となる液体が貯溜された貯溜槽と、前記貯溜槽から導入ラインを経由して導入した液体に微小気泡を注入し、微小気泡注入後の液体を返送ラインを経由して前記貯溜槽に返送する微小気泡発生装置と、前記微小気泡発生装置に対して微小気泡発生のための気体を気体供給ラインを経由して供給する気体供給手段と、を備え、前記微小気泡発生装置は、前記導入ライン及び前記返送ラインに接続された密閉容器と、前記密閉容器内部に配設され、前記気体供給手段からの気体を導入する空洞部が内部に形成されると共に、盤面上に多数の気泡注入孔が形成された円盤部材と、前記密閉容器外部に配設され、前記円盤部材を回転駆動するモータ手段と、を有しており、しかも、前記円盤部材の盤面上に形成された多数の気泡注入孔のピッチ間隔が所定長以上である、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記返送ラインに返送ポンプが配設されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記導入ライン及び返送ラインと接続する前記密閉容器の導入口及び排出口は、その導入方向及び排出方向が、前記円盤部材を回転させる方向の旋回流を生じさせる方向となるように形成されている、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記密閉容器は、天井部側の径が底部側の径よりも大きな略ラッパ形の円筒形状をなしており、前記導入口が天井部付近の側面に形成され、前記排出口が底部付近の側面に形成されている、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記円盤部材に前記旋回流の抵抗を受ける回転翼部材を取り付けた、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記液体中に粗大気泡が発生し、この粗大気泡が密閉容器の天井部付近に滞溜している場合に、この粗大気泡を密閉容器内部から排出して前記気体供給ラインに返流する粗大気泡排出手段を備えた、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記密閉容器の天井部付近に粗大気泡滞溜室を設け、前記粗大気泡排出手段は、この粗大気泡滞溜室内に溜まった粗大気泡を排出するものである、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記密閉容器内の液体中に発生した大きな気泡又は粗大気泡を消失するための超音波発生手段を、前記密閉容器の外側に取り付けた、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記円盤部材の盤面上、又は前記密閉容器の天井部内側の少なくともいずれかに、気泡破砕部材を形成した、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に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】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るシステムの全体構成図である。微小気泡注入対象となる液体１が貯溜槽２に貯溜されている。貯溜槽２の底部付近には導入ライン３の一端側が接続されており、この導入ライン３の他端側は微小気泡発生装置４に接続されている。
【００２０】
微小気泡発生装置４は発生させた微小気泡５を、貯溜槽２から導入ライン３を経由して送られてきた液体１に対して注入するものである。そして、微小気泡発生装置４は、液体１に微小気泡を注入した後、これを返送ライン６及び返送ポンプ７を介して貯溜槽２に返送するようになっている。
【００２１】
微小気泡発生装置４は、天井部及びこの天井部付近の側面にそれぞれ導入ライン３及び返送ライン６が接続された密閉容器８と、この密閉容器８内部に配設され、空洞部が内部に形成されている円盤部材９と、密閉容器８外部に配設され、回転軸１０を介して円盤部材９を回転駆動する駆動モータ１１とを有している。
【００２２】
そして、回転軸１０の中間部にはロータリジョイント１２が取り付けられており、このロータリジョイント１２に気体供給ライン１３を介して気体供給手段としてのブロワ１４が接続されている。回転軸１０は、ロータリジョイント１２の下側部分は中実状になっているが、ロータリジョイント１２の上側部分は中空状（パイプ状）となっている。したがって、ブロワ１４から送られるエアは気体供給ライン１３、ロータリジョイント１２、及び回転軸１０の中空部を通って、円盤部材９内部に形成された空洞部に供給されるようになっている。
【００２３】
なお、本実施形態では、液体１が水である場合を想定しているが、本発明では水の他に、弱酸や強酸などの化学剤、あるいは油等も液体１に含まれるものとする。また、微小気泡発生のための気体として、本実施形態ではエアを想定しているが、本発明ではオゾンなども含まれるものとする。
【００２４】
図２は、図１における円盤部材９及び密閉容器８の構造を示す説明図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、密閉容器８の天井部には導入ライン３につながる導入口８ａが設けられると共に、天井部付近の側面には返送ライン６につながる排出口８ｂが設けられている。そして、密閉容器８の内部に円盤部材９が配設されている。
【００２６】
円盤部材９は、その内部に空洞部９ａが形成されると共に、上面部に多数の気泡注入孔９ｂが形成されたものである。そして、回転軸１０の一部を形成するエア供給パイプ１０ａの一端側が、円盤部材９の下面側中心部に取り付けられている。なお、図示は省略しているが、密閉容器８に対するエア供給パイプ１０ａの取付は軸受部材等を介して行われ、良好な水密性が保持されている。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、多数の気泡注入孔９ｂは、円盤部材９の上面側の盤面周縁部付近にドーナツ状に設定された設定領域R内に形成されている。この設定領域Rは、円盤部材９の回転時における気泡注入孔９ｂの周速度が所定速度以上になるような領域として設定されたものである。そして、これらの気泡注入孔９ｂは、複数の半径Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3毎の同一同心円上に所定のピッチＰで形成されている。
【００２８】
ところで、本発明の発明者らは、気泡注入孔９ｂの孔径、孔の数、周速度、ピッチＰ、及び気体流量等を種々変化させた場合に、発生する微小気泡５の平均径がどのように変化するかにつき実験・調査を重ねてきた。図３乃至図６は、この実験・調査の結果を示す特性図である。
【００２９】
図３は、孔径が異なる複数の気泡注入孔について周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔径が1.0mm，0.5mm，0.1mmの３種類である場合を示したものである。この特性図によれば、周速度が速くなるにしたがって、どの孔径の発生気泡平均径も次第に小さくなるが、周速度が６[m/s]以下では、気泡注入孔の孔径を小さくするほど発生気泡平均径を小さくすることができる。しかし、周速度が６[m/s]を超えるとどの孔径の発生気泡平均径も限界レベルの200μmに達し、殆ど同一となっている。
【００３０】
一般に、気泡注入孔における圧力損失は孔径が大きくなるほど小さくなるので、ブロワ１４等の機器のエネルギー低減の観点からは孔径が大きい方が好ましい。図３の特性図によれば、孔径が大きなものであっても、周速度を６[m/s]よりも大きくすることにより、孔径の小さなものと同等の発生気泡平均径を得ることができることが明らかになっている。
【００３１】
図４は、特定孔径の気泡注入孔を有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔径を1.0mm（図３における最大の孔径）、孔数を４個所とし、気体流量を0.2リットル／分，0.5リットル／分，1リットル／分，2リットル／分の４種類とした場合を示したものである。この特性図によれば、１〜３番目の気体流量の場合、周速度が６[m/s]以下では気体流量が小さなものほど発生気泡平均径が小さくなるが、周速度が６[m/s]を超えるとどの気体流量の発生気泡平均径も同一となっている。
【００３２】
しかし、４番目の2リットル／分の気体流量の場合には、他の気体流量の場合とは異なる特性を示し、周速度を上昇させていっても発生気泡平均径ははるかに大きなものとなっている。このことから、気体流量には制限値が存在しており、多量の微小気泡を発生させようとして、制限値を超えた気体流量を供給するのは好ましくないことが明らかである。
【００３３】
図５は、特定孔径の気泡注入孔を特定孔数だけ有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔径を1.0mm、孔数を８個所（図４の場合の２倍）とし、気体流量を1リットル／分，2リットル／分の２種類とした場合を示したものである。図４の特性図では、気体流量が2リットル／分の場合については、周速度を上げていっても発生気泡平均径を充分に小さくすることができなかったが、この図５の特性図では、気泡注入孔の孔数を増やせば、周速度を６[m/s]よりも大きくすることにより、図４における他の気体流量の場合と同様に、充分に径の小さな微小気泡を得られることが分かる。
【００３４】
図６は、複数の気泡注入孔を有する円盤部材を或る回転速度（例えば気泡注入孔位置の周速度が６[m/s]以上となるような速度）で回転させたときの気泡注入孔ピッチの変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図である。この特性図は、気泡注入孔の孔数を一定範囲内で増減した場合のものである。
【００３５】
図５の特性図によれば、孔径の大きな気泡注入孔であっても孔数を増加することにより充分に小さな径の気泡を得ることができるようになる。しかし、孔数を増加し過ぎると今度は必然的に孔ピッチが狭くなり、微小気泡同士がくっついて気泡径が大きくなってしまうことになる。図６の特性図によれば、気泡注入孔のピッチが15mmよりも狭くなると、発生気泡平均径が著しく大きくなっていくことが明らかである。
【００３６】
上述した図３乃至図６の特性図によれば、円盤部材９の回転速度は、図２（ｂ）の設定領域R内に形成された全ての気泡注入孔９ｂの周速度が６[m/s]を超えるような速度であることが好ましく、また、隣接する気泡注入孔９ｂ同士のピッチＰは15mm以上であることが好ましいといえる。
【００３７】
次に、本実施形態の動作を説明する。駆動モータ１１が回転を開始すると共に、ブロワ１４が起動され、更に返送ポンプ７も起動される。大気中からブロワ１４に取り込まれたエアは、気体供給ライン１３、ロータリジョイント１２、及びエア供給パイプ１０ａを通って円盤部材９の空洞部９ａに供給される。そして、空洞部９ａ内に満たされたエアは、多数の気泡注入孔９ｂから微小気泡５として密閉容器８内を満たしている液体１（水）中に注入される。
【００３８】
このとき、気泡注入孔９ｂから生成し、水中に注入されようとする微小気泡５は、回転中の円盤部材９と、円盤部材９の周囲に存在する水との間の相対運動によって生じるせん断力の作用を受けて気泡注入孔９ｂから剥離され水中に注入される。このときのせん断力の大きさは、気泡注入孔９ｂが設定領域R内に形成されて高速で回転していることから大きなものとなっている。したがって、気泡注入孔９ｂから顔を出した状態の微小気泡５は、径の大きな気泡に成長する前に、強いせん断力で気泡注入孔９ｂから直ちに引きちぎられ、微細な状態を維持したままで水中に注入される。このとき気泡注入孔９ｂ同士のピッチＰは15mm以上となっているので、気泡注入孔９ｂから引きちぎられた微小気泡同士がくっつくことが抑制されるので気泡径が大きくなることも抑制される。すなわち、本実施形態の構成によれば、少ないエネルギーにより気泡径の充分に小さな微小気泡を効率的に発生させることが可能となる。
【００３９】
また、返送ポンプ７の起動により、密閉容器８内には導入口８ａから水が導入されるが、この水は微小気泡５が注入された後、排出口８ｂから密閉容器８外に排出される。このとき、図２（ｂ）において、円盤部材９の回転方向は左回り方向（反時計回り方向）であり、排出口８ｂの排出方向は円盤部材９の接線方向となっている。駆動モータ１１による円盤部材９の回転で、密閉容器８内には水の旋回流が生じているが、このように円盤部材９の接線方向に排出口８ｂが形成されているので、密閉容器８内の水は極めて円滑に排出口８ｂから返送ライン６へ排出される。また、旋回流の旋回方向は、勿論駆動モータ１１の回転軸１０の回転方向と同じであるため、この旋回流は駆動モータ１１の回転駆動力を支援するものとなる。
【００４０】
したがって、本実施形態における密閉容器８によれば、返送ポンプ７及び駆動モータ１１が必要とするエネルギーを低減することができ、返送ポンプ７及び駆動モータ１１にそれほど大きな容量のものを用いなくても済むようになることが期待できる。
【００４１】
また、本発明の発明者らがこれまで提案してきたシステム構成の多くは、円盤部材９を貯溜槽２の液体１中に配設するタイプのものであった。このようなタイプのシステム構成の場合、駆動モータ１１も一緒に水中に配設しようとすると、駆動モータ１１には水中モータを用いなければならず、コスト面又はメンテナンス面で不利なものとなっていた。また、駆動モータ１１に気中モータを用いようとすると、駆動モータ１１を水面上方又は貯溜槽２の底面下方に配設しなければならず、設置構造が複雑なものとならざるを得なかった。更に、貯溜槽２が下水処理槽であるような場合、ひどい汚れを考慮して容量の大きなモータを用いる必要があること、あるいは気泡注入孔９ｂの目詰まり等についての配慮が必要などいくつかの不利な点を有するものであった。
【００４２】
しかし、図１の構成では、貯溜槽２とは別個に、貯溜槽２よりもはるかに小さな密閉容器８を設置するようになっているので、駆動モータ１１に気中モータを用いても設置構造が複雑化することはない。したがって、貯溜槽２が既設又は新設のいずれのものであっても容易に本発明のシステムを実現できる。
【００４３】
また、貯溜槽２が下水処理槽であるような場合も、導入ライン３の適当な個所にフィルタ部材を簡単に設けることが可能なので、大容量のモータを用いる必要はなく、目詰まりの問題なども解消できる。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係るシステムの要部構成図である。第１の実施形態における密閉容器８では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、導入口８ａが天井部に設けられると共に、排出口８ｂが天井部付近の側面に設けられていたが、この図７における密閉容器８では、導入口８ａ及び排出口８ｂの双方が、天井部付近の側面に設けられており、且つこれらの導入方向及び排出方向は円盤部材９の接線方向となっている。
【００４５】
したがって、この図７の構成を有する密閉容器８によれば、導入及び排出の双方を円滑に行うことができるので、図２の密閉容器８に比べて返送ポンプ７及び駆動モータ１１の必要エネルギーを一層低減することができる。なお、図７では、導入口８ａ及び排出口８ｂの高さ方向の位置は図示されていないが、双方共に同一高さ位置（図２（ａ）における排出口８ｂの高さ位置）に設けられているものとする。
【００４６】
図８は、本発明の第３の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図２及び図７の密閉容器８は、天井部側の径と底部側の径とが同一となっているストレート形円筒形状であるが、この図８の密閉容器８Ａは、天井部側の径が底部側の径よりも大きくなっている略ラッパ形円筒形状となっている。そして、天井部付近の側面に導入口８ａが形成され、底部付近の側面に排出口８ｂが形成されている。
【００４７】
したがって、導入口８ａから密閉容器８Ａ内に導入された水は、次第に落下していく螺旋状の旋回流となって低位置に設けられている排出口８ｂに向かい、この排出口８ｂから勢いよく排出されていく。
【００４８】
このように、図８の構成では、導入口８ａと排出口８ｂとの間の高低差によって生じる位置エネルギーと、密閉容器８Ａの形状によって生じる螺旋状の旋回流とを有効に利用することができるので、導入及び排出の双方を円滑に行うことができ、返送ポンプ７及び駆動モータ１１の必要エネルギーを一層低減することができる。
【００４９】
図９は、本発明の第４の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。既述したように、円盤部材９の上面部には設定領域Rが設定されており、この設定領域Rに多数の気泡注入孔９ｂが形成されている。そして、本実施形態では、この設定領域Rの内側領域つまり気泡注入孔９ｂが形成されていない領域に複数の回転翼部材１５が取り付けられている。
【００５０】
これらの回転翼部材１５は、導入口８ａから導入された水の流れが接触すると、駆動モータ１１の回転駆動方向と同一方向の回転力を円盤部材９に生じさせる形状に形成されている。したがって、本実施形態では、このような回転翼部材１５の働きによって、円盤部材９を効率よく回転させることができ、駆動モータ１１及び返送ポンプ７の必要エネルギーを低減することができる。
【００５１】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。本実施形態は、図９の第４の実施形態と同様に、円盤部材９に取り付けた回転翼部材１６の働きにより、円盤部材９を効率よく回転させようとするものである。
【００５２】
回転翼部材１６は、円盤部材９の側面に取り付けられており、導入口８ａから導入される水の勢いを受けてこれを円盤部材９に対する回転駆動力に変換し、また密閉容器８内で旋回する水を搬送してこれを排出口８ｂから勢いよく排出することを企図して設けられたものである。したがって、本実施形態における導入口８ａ（及び排出口８ｂ）の密閉容器８での高さ方向の取付位置は、図１０（ａ）に示すように、回転翼部材１６とほぼ同一の高さとなっている。
【００５３】
本実施形態では、このような回転翼部材１６の働きによって、円盤部材９の回転、及び導入口８ａ及び排出口８ｂにおける導入及び排出を極めて効率的に行うことが可能である。したがって、本実施形態によれば、図１に示した返送ポンプ７の一層の小型化、あるいは更に返送ポンプ７の省略の可能性さえも期待することができる。
【００５４】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係るシステムの要部構成図である。本実施形態は、第２の実施形態（図７）における密閉容器８の天井部外側に粗大気泡排出手段としてのエアトラップ１８を取り付け、密閉容器８の天井部内側に滞溜している粗大気泡１７を、粗大気泡排出ライン１９及び逆止弁２０を介して、気体供給ライン１３側に返流するものである。逆止弁２０は、一旦気体供給ライン１３側に返流した粗大気泡１７に係る気体が再度エアトラップ１８を介して密閉容器８内部に戻るのを防止するためのものである。
【００５５】
円盤部材９の気泡注入孔９ｂから発生する非常に小さな微小気泡５（マイクロバブル）は、水中に放たれると次第に水中に溶け込んで消失するという、通常の気泡とは異なる特異な性質を有している。しかし、密閉容器８内の状態によっては、発生した多数の微小気泡５が消失するまえに互いにくっついてしまい、これらが大きな粗大気泡１７に成長することがある。このような、粗大気泡１７は密閉容器８内の天井部付近に滞留することになるが、これをそのままにしておくと発生した複数の粗大気泡同士がくっついて更に大きな粗大気泡が発生し、微小気泡発生装置４の機能が低下することになる。
【００５６】
本実施形態によれば、このようにして密閉容器８内に発生した粗大気泡１７を密閉容器８外部に排出することができるので、粗大気泡１７に起因する微小気泡発生装置４の機能低下を防止することができる。
【００５７】
図１２は、本発明の第７の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図１２が図１１と異なる点は、密閉容器８の天井部付近に粗大気泡滞溜室８ｃを設け、この粗大気泡滞溜室８ｃに粗大気泡排出手段としてのエアトラップ１８を取り付けた点である。
【００５８】
図１１の密閉容器８の場合、天井部は平坦であるため粗大気泡１７の滞溜位置がときとして大きく変化し、粗大気泡１７を密閉容器８外になかなか排出できない場合もあり得る。しかし、図１２の密閉容器８では粗大気泡１７の滞溜位置を粗大気泡滞溜室８ｃに固定しておくことができるので速やかに粗大気泡１７を排出することができる。
【００５９】
図１３は、本発明の第８の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図１３の構成は、図１２におけるエアトラップ１８の代わりにバルブ２１を用いると共に、粗大気泡滞溜室８ｃ内に粗大気泡検出器２２を配設し、この粗大気泡検出器２２の検出信号に基づきバルブ２１を開放するバルブ制御回路２３を配設したものである。
【００６０】
粗大気泡検出器２２としては、例えば、水位センサ等に用いられる「接点式スイッチ」と呼ばれるスイッチなどを用いることが考えられる。詳しい説明は省略するが、このスイッチは一対の接点を有するものであり、この一対の接点間が導通状態になっているか否かに基づき粗大気泡１７の存在を検出することができる。
【００６１】
つまり、この一対の接点が水中に浸かっているときには、接点間が水を介して導通状態になっているので粗大気泡検出器２２はオン信号をバルブ制御回路２３に出力する。したがって、この状態ではバルブ制御回路２３はバルブ２１を閉じている。しかし、粗大気泡滞溜室８ｃ内に粗大気泡１７が入り込むと、この一対の接点間は粗大気泡１７の存在のために非導通状態になるので、粗大気泡検出器２２はそれまでのオン信号に代わってオフ信号をバルブ制御回路２３に出力する。バルブ制御回路２３は、このオフ信号を受けてバルブ２１を開放する。
【００６２】
本実施形態によれば、常時は閉じているバルブ２１を、粗大気泡１７が検出された場合のみ開放するようにしているので、密閉容器８内の気密性及び水密性を保持しつつ、確実に粗大気泡１７を密閉容器８外に排出することができる。
【００６３】
図１４は、本発明の第９の実施形態に係るシステムの要部構成図である。図１４が図１３と異なる点は、バルブ２１の代わりにエアポンプ２４を用いている点と、バルブ制御回路２３がポンプ制御回路２５になっている点である。
【００６４】
本実施形態によれば、粗大気泡滞溜室８ｃ内に存在する粗大気泡１７を、エアポンプ２４の働きにより強制的に排出し、この粗大気泡１７に係る気体を確実且つ迅速にエア供給パイプ１０ａ側に返流することができる。
【００６５】
図１５は、本発明の第１０の実施形態に係るシステムの要部構成図である。本実施形態は、第２の実施形態（図７）における密閉容器８の外側に、大きな気泡（微小気泡よりも大きいが、粗大気泡よりも小さな気泡）又は粗大気泡を消失するための超音波発生器２６を取り付けたものである。本実施形態では、超音波発生器２６を密閉容器８の天井部付近と、排出口８ｂ付近との２個所に取り付けているが、気泡の発生具合を勘案していずれか１個所のみとすることも考えられる。
【００６６】
本実施形態によれば、図１１乃至図１４に示した粗大気泡排出ライン１９や逆止弁２０のような構成要素を設けることなく、超音波の機能を利用した簡易な構成により粗大気泡等を消失することができる。但し、超音波発生器２６は、その機能上あまり大量の気泡を消失させることができないのが通常であるから、気泡の発生量を事前によく調査しておくことが好ましい。
【００６７】
図１６は、本発明の第１１の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。本実施形態は、第１の実施形態における円盤部材９の上面に複数の気泡破砕部材２７を設けたものである。
【００６８】
本実施形態では、この気泡破砕部材２７として、例えば樹脂製の円柱状部材を用いることを想定しているが、材料及び形状等は特に限定されるものではない。また、気泡破砕部材２７が形成される範囲は、図１６（ｂ）に示すように、主として設定領域Rであるが（勿論気泡注入孔９ｂを除く個所である）、設定領域Rばかりでなくその外側にも及んでいる。
【００６９】
既述したように、円盤部材９の気泡注入孔９ｂから水中に放たれる微小気泡は、次第に水中に溶け込んで消失するという、通常の気泡とは異なる特異な性質を有しているが、気泡注入孔９ｂからは微小気泡ばかりでなく微小気泡よりも大きな径の気泡も多く発生する。このような大きな径の気泡は、消失せずに密閉容器８内で旋回するが、これをそのまま放置しておくと大きな径の気泡同士がくっついて更に大きな気泡に成長し、これがそのまま排出口８ｂから排出されて貯溜槽２に送られてしまうことになる。
【００７０】
しかし、本実施形態によれば、円盤部材９の上面に設けた複数の気泡破砕部材２７により、密閉容器８内に消失せず残存している大きな気泡を破砕し、これら大きな気泡が貯溜槽２へ送られるのを極力抑制することができる。
【００７１】
図１７は、本発明の第１２の実施形態に係るシステムの要部構成図である。上記の第１１の実施形態では、気泡破砕部材２７を円盤部材９の盤面上に設けていたが、本実施形態では密閉容器８内の天井部内側に立設した構成としている。このような本実施形態の構成によっても、第１１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００７２】
なお、本発明では第１１の実施形態と第１２の実施形態とを合わせた構成、すなわち、円盤部材９の上面と密閉容器８内の天井部内側との双方に気泡破砕部材２７を設ける構成とすることも勿論可能である。これによれば、一層顕著な気泡破砕効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るシステムの全体構成図。
【図２】図１における円盤部材９及び密閉容器８の構造を示す説明図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図３】孔径が異なる複数の気泡注入孔について周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図４】特定孔径の気泡注入孔を有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図５】特定孔径の気泡注入孔を特定孔数だけ有する円盤部材に対して異なる気体流量を供給したときの周速度の変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図６】複数の気泡注入孔を有する円盤部材を或る回転速度で回転させたときの気泡注入孔ピッチの変化と発生気泡平均径との間の関係を示す特性図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１３】本発明の第８の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１４】本発明の第９の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１５】本発明の第１０の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【図１６】本発明の第１１の実施形態に係るシステムの要部構成図であり、（ａ）は円盤部材９及び密閉容器８の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図１７】本発明の第１２の実施形態に係るシステムの要部構成図。
【符号の説明】
【００７４】
１：液体
２：貯溜槽
３：導入ライン
４：微小気泡発生装置
５：微小気泡
６：返送ライン
７：返送ポンプ
８，８Ａ：密閉容器
８ａ：導入口
８ｂ：排出口
８ｃ：粗大気泡滞溜室
９：円盤部材
９ａ：空洞部
９ｂ：気泡注入孔
１０：回転軸
１０ａ：エア供給パイプ
１１：駆動モータ
１２：ロータリジョイント
１３：気体供給ライン
１４：ブロワ（気体供給手段）
１５，１６：回転翼部材
１７：粗大気泡
１８：エアトラップ（粗大気泡排出手段）
１９：粗大気泡排出ライン
２０：逆止弁
２１：バルブ（粗大気泡排出手段）
２２：粗大気泡検出器
２３：バルブ制御回路
２４：エアポンプ（粗大気泡排出手段）
２５：ポンプ制御回路
２６：超音波発生器
２７：気泡破砕部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小気泡注入対象となる液体が貯溜された貯溜槽と、
前記貯溜槽から導入ラインを経由して導入した液体に微小気泡を注入し、微小気泡注入後の液体を返送ラインを経由して前記貯溜槽に返送する微小気泡発生装置と、
前記微小気泡発生装置に対して微小気泡発生のための気体を気体供給ラインを経由して供給する気体供給手段と、
を備え、
前記微小気泡発生装置は、
前記導入ライン及び前記返送ラインに接続された密閉容器と、
前記密閉容器内部に配設され、前記気体供給手段からの気体を導入する空洞部が内部に形成されると共に、盤面上に多数の気泡注入孔が形成された円盤部材と、
前記密閉容器外部に配設され、前記円盤部材を回転駆動するモータ手段と、
を有しており、
しかも、前記円盤部材の盤面上に形成された多数の気泡注入孔のピッチ間隔が所定長以上である、
ことを特徴とする液体への微小気泡注入システム。
【請求項２】
前記返送ラインに返送ポンプが配設されている、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項３】
前記導入ライン及び返送ラインと接続する前記密閉容器の導入口及び排出口は、その導入方向及び排出方向が、前記円盤部材を回転させる方向の旋回流を生じさせる方向となるように形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項４】
前記密閉容器は、天井部側の径が底部側の径よりも大きな略ラッパ形の円筒形状をなしており、前記導入口が天井部付近の側面に形成され、前記排出口が底部付近の側面に形成されている、
ことを特徴とする請求項３記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項５】
前記円盤部材に前記旋回流の抵抗を受ける回転翼部材を取り付けた、
ことを特徴とする請求項３記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項６】
前記液体中に粗大気泡が発生し、この粗大気泡が密閉容器の天井部付近に滞溜している場合に、この粗大気泡を密閉容器内部から排出して前記気体供給ラインに返流する粗大気泡排出手段を備えた、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項７】
前記密閉容器の天井部付近に粗大気泡滞溜室を設け、前記粗大気泡排出手段は、この粗大気泡滞溜室内に溜まった粗大気泡を排出するものである、
ことを特徴とする請求項６記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項８】
前記密閉容器内の液体中に発生した大きな気泡又は粗大気泡を消失するための超音波発生手段を、前記密閉容器の外側に取り付けた、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項９】
前記円盤部材の盤面上、又は前記密閉容器の天井部内側の少なくともいずれかに、気泡破砕部材を形成した、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項１】
微小気泡注入対象となる液体が貯溜された貯溜槽と、
前記貯溜槽から導入ラインを経由して導入した液体に微小気泡を注入し、微小気泡注入後の液体を返送ラインを経由して前記貯溜槽に返送する微小気泡発生装置と、
前記微小気泡発生装置に対して微小気泡発生のための気体を気体供給ラインを経由して供給する気体供給手段と、
を備え、
前記微小気泡発生装置は、
前記導入ライン及び前記返送ラインに接続された密閉容器と、
前記密閉容器内部に配設され、前記気体供給手段からの気体を導入する空洞部が内部に形成されると共に、盤面上に多数の気泡注入孔が形成された円盤部材と、
前記密閉容器外部に配設され、前記円盤部材を回転駆動するモータ手段と、
を有しており、
しかも、前記円盤部材の盤面上に形成された多数の気泡注入孔のピッチ間隔が所定長以上である、
ことを特徴とする液体への微小気泡注入システム。
【請求項２】
前記返送ラインに返送ポンプが配設されている、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項３】
前記導入ライン及び返送ラインと接続する前記密閉容器の導入口及び排出口は、その導入方向及び排出方向が、前記円盤部材を回転させる方向の旋回流を生じさせる方向となるように形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項４】
前記密閉容器は、天井部側の径が底部側の径よりも大きな略ラッパ形の円筒形状をなしており、前記導入口が天井部付近の側面に形成され、前記排出口が底部付近の側面に形成されている、
ことを特徴とする請求項３記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項５】
前記円盤部材に前記旋回流の抵抗を受ける回転翼部材を取り付けた、
ことを特徴とする請求項３記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項６】
前記液体中に粗大気泡が発生し、この粗大気泡が密閉容器の天井部付近に滞溜している場合に、この粗大気泡を密閉容器内部から排出して前記気体供給ラインに返流する粗大気泡排出手段を備えた、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項７】
前記密閉容器の天井部付近に粗大気泡滞溜室を設け、前記粗大気泡排出手段は、この粗大気泡滞溜室内に溜まった粗大気泡を排出するものである、
ことを特徴とする請求項６記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項８】
前記密閉容器内の液体中に発生した大きな気泡又は粗大気泡を消失するための超音波発生手段を、前記密閉容器の外側に取り付けた、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【請求項９】
前記円盤部材の盤面上、又は前記密閉容器の天井部内側の少なくともいずれかに、気泡破砕部材を形成した、
ことを特徴とする請求項１記載の液体への微小気泡注入システム。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１４９０４１（Ｐ２０１０−１４９０４１Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２９６０９（Ｐ２００８−３２９６０９）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]