JP5669031B2

JP5669031B2 - 超微細気泡発生器

Info

Publication number: JP5669031B2
Application number: JP2012555883A
Authority: JP
Inventors: 隆志秦
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: WO2012105536A1; US20140010040A1; EP2671631A1; EP2671631A4; US10022682B2; JPWO2012105536A1

Description

本発明は、分散相としての気体と連続相としての液体を混合して気液混相となすとともに、分散された気泡を超微細化かつ均一化させて生成することが可能な超微細気泡発生器に関する。

従来、微細気泡発生器の一形態として、特許文献１に開示されたものがある。すなわち、特許文献１には、一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、ケーシング体の周壁に開口した吸気口から気体を導入して液体と混合させる気液混合部と、気液混合部から導出口側へ漸次拡径する拡径流路形成部と、拡径流路形成部の終端部に接続して気液混合相を旋回流となす旋回流形成部と、旋回流形成部で形成された旋回流を一時的に滞留させる一時滞留部とを備えたマイクロバブル発生装置が開示されている。

かかるマイクロバブル発生装置では、次のようにしてマイクロバブルが形成される。すなわち、導入口から導入した液体と吸気口から導入した気体とを気液混合部で混合して気液混合相となし、気液混合相を拡径流路形成部を通して減速させながら気液混合流となす。そして、気液混合流を旋回流形成部に案内して旋回流となす。この際、気液混合流を形成する気体は微細な気泡となって分散される。さらに、旋回流は一時滞留部で一時的に流動しながら滞留されて、比較的大きな気泡は粉砕される。その後、微細な気泡（マイクロバブル）を含有する旋回流は導出口から導出される。

特開２００７−２１３４３

ところが、前記したマイクロバブル発生装置では、生成される気泡はマイクロレベル（数十〜数百μｍ）であり、さらに微細化かつ均一化されたナノレベル（１μｍ未満）の気泡は生成されない。そのため、かかるマイクロバブル発生装置は、ナノレベルの気泡が求められる産業分野では利用できないという不具合がある。

そこで、本発明は、ナノレベルに超微細化するとともに均一化した気泡を構造簡易で安価に発生させることができる超微細気泡発生器を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る超微細気泡発生器は、一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、導入口から導入した液体の流速を増速させる流速増速部と、流速増速部にて流速が増速された液流により圧力降下したケーシング体内に外部から気体を吸引する気体吸引部と、気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて流速を増速された液流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される超微細気泡含有液体生成部とを備えている。

そして、前記流速増速部は、筒状の前記ケーシング体内に筒状の流路形成片の先端部を同心円的に配置するとともに、流路断面を前記ケーシング体の流路断面よりも小となし、前記ケーシング体の軸線と同軸的に伸延させた流速増速流路を具備し、前記気体吸引部は、前記ケーシング体の周壁の中途部に開口した吸気口と、吸気口に前記ケーシング体の先端部の内周面と前記流路形成片の先端部の外周面との間に形成される間隙の基端部を連通して該間隙が該流速増速流路の先端まで同心円的に伸延して流速増速流路を筒状に囲繞する気体吸引流路とを具備し、前記超微細気泡含有液体生成部は、囲繞している筒状の前記気体吸引流路の先端部と前記流速増速流路の先端部とが同心円的に開口して、流速増速流路の外周を囲繞している筒状の気流の内周面に、流速増速流路内を流動する増速液流の外周面が全面的にせん断作用を及ぼしながら前記導出口に向けて超微細気泡混じりの液体を導く超微細気泡含有液体生成流路を具備することを特徴とする。

かかる超微細気泡発生器では、導入口から導入した液体を流速増速部により増速させることができる。この際、流速増速部にて増速された液流によりケーシング体内の流速増速部における圧力は降下する。そのため、気体吸引部ではベンチュリ効果により外部から気体を吸引することができる。さらには、超微細気泡含有液体生成部において、気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて増速された液流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される。

そして、かかる超微細気泡発生器では、流速増速部が具備する流速増速流路を、ケーシング体の流路断面よりも小さい流路断面となして、ケーシング体の軸線と同軸的に伸延させているため、液流の流速を堅実に増大させることができる。また、気体吸引部が具備する吸気口から気体を吸入するとともに、気体吸引流路を通して流速増速流路の外周に同心円的に気体を流入させることができる。超微細気泡含有液体生成部が具備する超微細気泡含有液体生成流路において、増速液流となっている液体の外周は、吸引された気体により円筒状に囲繞される。そして、囲繞している円筒状の気体にはその内方から増速液流の外周部が引き摺るように高せん断力を及ぼす。つまり、増速液流の外周側において、その外周を囲繞している円筒状の気体の全内周面に高せん断力を全面的に作用させることができる。そのため、超微細気泡含有液体生成流路では、吸引された気体が効率良く超微細化かつ均一化される。その結果、超微細気泡含有液体生成流路では超微細化かつ均一化された気泡混じりの液体（混合流体）が堅実に生成されて、導出口から混合流体が導出される。

請求項３記載の発明に係る超微細気泡発生器は、一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、導入口から導入した液体を旋回流となす旋回流形成部と、旋回流形成部にて形成された旋回流の流速を増速させる流速増速部と、流速増速部にて増速された旋回流により圧力降下したケーシング体内に外部から気体を吸引する気体吸引部と、気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される超微細気泡含有液体生成部とを備えている。

そして、前記旋回流形成部は、通過する液体を旋回流となす旋回手段と、旋回手段の下流側に前記ケーシング体の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路とを具備し、前記流速増速部は、筒状の前記ケーシング体内に筒状の流路形成片の先端部を同心円的に配置するとともに、流路断面を前記ケーシング体の流路断面よりも小となし、前記ケーシング体の軸線と同軸的に伸延させた流速増速流路を具備し、前記気体吸引部は、前記ケーシング体の周壁の中途部に開口した吸気口と、吸気口に前記ケーシング体の先端部の内周面と前記流路形成片の先端部の外周面との間に形成される間隙の基端部を連通して該間隙が該流速増速流路の先端まで同心円的に伸延して流速増速流路を筒状に囲繞する気体吸引流路とを具備し、前記超微細気泡含有液体生成部は、囲繞している筒状の前記気体吸引流路の先端部と前記流速増速流路の先端部とが同心円的に開口して、流速増速流路の外周を囲繞している筒状の気流の内周面に、流速増速流路内を流動する増速液流の外周面が全面的にせん断作用を及ぼしながら前記導出口に向けて超微細気泡混じりの液体を導く超微細気泡含有液体生成流路を具備することを特徴とする。

かかる超微細気泡発生器では、導入口から導入した液体を旋回流形成部により旋回流となすことができる。そして、旋回流形成部にて形成された旋回流を流速増速部により増速させることができる。この際、流速増速部にて増速された旋回流によりケーシング体内の流速増速部における圧力は降下する。そのため、気体吸引部ではベンチュリ効果により外部から気体を吸引することができる。さらには、超微細気泡含有液体生成部において、気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される。

そして、旋回流形成部の旋回手段が通過する流体を旋回流となして、旋回手段の下流側においてケーシング体の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路が旋回流を下流側へ案内する。そして、流速増速部が具備する流速増速流路は、旋回流案内流路の流路断面よりも小さい流路断面となして、ケーシング体の軸線と同軸的に伸延させているため、旋回流の流速を堅実に増大させることができる。また、気体吸引部が具備する吸気口から気体を吸入するとともに、気体吸引流路を通して流速増速流路の外周に同心円的に気体を流入させることができる。超微細気泡含有液体生成部が具備する超微細気泡含有液体生成流路において、旋回流となっている液体の外周は、吸引された気体により円筒状に囲繞される。そして、囲繞している円筒状の気体にはその内方から旋回流の外周部が引き摺るように高せん断力を及ぼす。つまり、旋回流の中心側ではなく、それよりも比較的旋回力の強い外周側において、その外周を囲繞している円筒状の気体の全内周面に高せん断力を全面的に作用させることができる。そのため、超微細気泡含有液体生成流路では、吸引された気体が効率良く超微細化かつ均一化される。その結果、超微細気泡含有液体生成流路では超微細化かつ均一化された気泡混じりの液体（混合流体）が堅実に生成されて、導出口から混合流体が導出される。

請求項５記載の発明に係る超微細気泡発生器は、一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、導入口から導入した液体を旋回流となす旋回流形成部と、旋回流形成部にて形成された旋回流の流速を増速させる流速増速部と、流速増速部にて増速された旋回流により圧力降下したケーシング体内に外部から気体を吸引する気体吸引部と、気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される超微細気泡含有液体生成部とを備える超微細気泡発生器であって、前記旋回流形成部は、通過する液体を旋回流となす旋回手段と、旋回手段の下流側に前記ケーシング体の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路とを具備し、前記流速増速部は、前記旋回流案内流路の流路断面よりも小さい流路断面となして、前記ケーシング体の軸線と同軸的に伸延する流速増速流路を具備し、前記気体吸引部は、前記ケーシング体の周壁の中途部に開口した吸気口と、吸気口に基端部が連通して前記流速増速流路の外周に同心円的に伸延する気体吸引流路とを具備し、前記超微細気泡含有液体生成部は、前記気体吸引流路の先端部と前記流速増速流路の先端部とが連通して、前記導出口に向けて伸延する超微細気泡含有液体生成流路を具備し、前記ケーシング体は、円筒状の第１分割片と、第１分割片の外周面先端部に嵌合する円筒状の第２分割片と、第２分割片の内周面先端部に嵌合する円筒状の第３分割片と、第３分割片の外周面先端部に嵌合する円筒状の第４分割片と、第４分割片の内周面先端部に嵌合する円筒状の第５分割片とを具備して、第４分割片を中途部の縮径部を介して基端部側よりも先端部側を縮径させて形成し、前記旋回手段は、前記第２分割片の内周面中途部に嵌合する円筒状の支持片と、支持片の先端縁部から軸線方向に向けて形成した旋回流形成片とを具備して、支持片を第２分割片内で第１分割片と第３分割片とにより軸線方向で挟持し、前記流速増速流路は、第４分割片の先端部側の内径よりも外径が小径で円筒状の流路形成片と、流路形成片の外周面基端部から下流側に張り出し状に形成した傘状支持片とを具備する増速流路形成体を第４分割片内に配置して形成して、傘状支持片の先端周縁部を第４分割片の縮径部に当接させるとともに、流路形成片の先端部を第４分割片の先端部内に同心円的に配置し、前記気体吸引流路は、流路形成片の外周面と第４分割片の先端部の内周面との間隙に円筒状に形成していることを特徴とする。

かかる超微細気泡発生器では、円筒状の第１〜第５分割片を嵌合状態に接続することでケーシング体を形成している。そして、第４分割片は中途部の縮径部を介して基端部側よりも先端部側を縮径させて形成している。

このように構成することで、旋回手段が具備する円筒状の支持片を第２分割片の内周面中途部に嵌合するとともに、支持片を第２分割片内で第１分割片と第３分割片とにより軸線方向で挟持して簡単に位置決めすることができる。

また、流速増速流路は第４分割片内に増速流路形成体を配置することで形成している。すなわち、増速流路形成体は、第４分割片の先端部側の内径よりも外径が小径で円筒状の流路形成片と、流路形成片の外周面基端部から下流側に張り出し状に形成した傘状支持片とを具備している。

このように構成することで、傘状支持片の先端周縁部を第４分割片の縮径部に当接させるとともに、流路形成片の先端部を第４分割片の先端部内に同心円的に配置することができる。そして、気体吸引流路を流路形成片の外周面と第４分割片の先端部の内周面との間隙に円筒状に形成することができる。つまり、増速流路形成体を第４分割片内に配置するだけで、旋回流案内流路と流速増速流路と気体吸引流路と超微細気泡含有液体生成流路を簡単かつ堅実に区画して形成することができる。そのため、増速旋回流となっている液体の外周は、吸引された気体により円筒状に囲繞される。そして、囲繞している円筒状の気体にはその内方から旋回力の強い旋回流の外周部が高せん断力を及ぼす。つまり、旋回流の中心側ではなく、それよりも比較的旋回力の強い外周側において、その外周を囲繞している円筒状の気体の全内周面に高せん断力を全面的に作用させることができる。そのため、超微細気泡含有液体生成流路では、吸引された気体が効率良く超微細化かつ均一化される。その結果、超微細気泡含有液体生成流路では超微細化かつ均一化された気泡混じりの液体が堅実に生成される。

本発明は次のような効果を奏する。すなわち、本発明に係る超微細気泡発生器は、超微細化かつ均一化されたナノレベル（１μｍ未満）の気泡を短時間に大量生成して安定提供することができる。また、超微細気泡発生器は、合成樹脂により安価にかつ軽量にかつコンパクトに製造することができる。そのため、かかる超微細気泡発生器は、ナノレベルの気泡が求められる産業分野において幅広く利用することができる。

第１実施形態としての超微細気泡発生装置の説明図。第１実施形態としての超微細気泡発生器の斜視説明図。第１実施形態としての超微細気泡発生器の正面説明図。第１実施形態としての超微細気泡発生器の断面正面説明図。第１実施形態としての超微細気泡発生器の拡大断面正面説明図。第１実施形態としての超微細気泡発生器の流れ状態の拡大断面正面説明図。第１実施形態としての超微細気泡発生器の斜視分解説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生装置の説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生器の斜視説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生器の正面説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生器の断面正面説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生器の拡大断面正面説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生器の流れ状態の拡大断面正面説明図。第２実施形態としての超微細気泡発生器の斜視分解説明図。旋回手段の側面説明図。第１変形例としての旋回流手段の取付斜視説明図。第１変形例としての旋回流手段の上流側斜視図（ａ）、下流側斜視図（ｂ）、正面図（ｃ）、上流側側面図（ｄ）、下流側側面図（ｅ）。第２変形例としての旋回流手段の取付斜視説明図。第２変形例としての旋回流手段の上流側斜視図（ａ）、下流側斜視図（ｂ）、正面図（ｃ）、上流側側面図（ｄ）、下流側側面図（ｅ）。第２実施形態に係る超微細気泡発生装置により生成された混合流体が含有する超微細気泡の粒子径の測定結果を示すグラフ。第１実施形態に係る超微細気泡発生装置と、第１変形例としての旋回流手段を装備した第２実施形態に係る超微細気泡発生装置の超微細気泡含有液体生成流路における自吸空気圧を検出した結果を示すグラフ。

以下に、本発明に係る第１実施形態と第２実施形態を、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１に示す１は第１実施形態としての超微細気泡発生装置であり、超微細気泡発生装置１は、図１に示すように、連続相としての液体Ｆ１と分散相として気体Ｆ２を混合するとともに、気体Ｆ２を超微細かつ均一な気泡となして、気液混合相としての混合流体Ｆ３を生成する装置である。ここで、本実施形態では、液体Ｆ１は水であり、気体Ｆ２は空気である。そして、混合流体Ｆ３は超微細な気泡混じりの液体（超微細気泡含有液体）である。

（第１実施形態としての超微細気泡発生装置１の説明）
第１実施形態としての超微細気泡発生装置１は、図１に示すように、第１実施形態としての超微細気泡発生器２と、超微細気泡発生器２に供給するための液体Ｆ１を収容する液体収容部３と、超微細気泡発生器２により生成された混合流体Ｆ３を収容する混合流体収容部４とを備えている。超微細気泡発生器２の一端側（基端側）には、第１連通路としての第１連通パイプ５を介して、ポンプＰの吐出口（図示せず）を連通連結している。ポンプＰの吸込口（図示せず）には、第２連通路としての第２連通パイプ６を介して、液体Ｆ１を収容した液体収容部３を連通連結している。超微細気泡発生器２の他端側（先端側）には、第３連通路としての第３連通パイプ７を介して、混合流体Ｆ３を収容する混合流体収容部４を連通連結している。

このように構成して、ポンプＰを作動させることで、第２連通パイプ６を通して液体収容部３内の液体Ｆ１をポンプＰの吸込口から吸い込むとともに、ポンプＰの吐出口から液体Ｆ１を超微細気泡発生器２に吐出することができる。そして、加圧された液体Ｆ１が超微細気泡発生器２内に導入される一方、超微細気泡発生器２内には別途気体Ｆ２が吸入されて、超微細気泡発生器２内で液体Ｆ１と気体Ｆ２とが混合されて混合流体Ｆ３が生成されるようにしている。そして、混合流体Ｆ３は第３連通パイプ７を通して混合流体収容部４に収容されるようにしている。また、混合流体Ｆ３は、混合流体収容部４から回収することができる。

（第１実施形態としての超微細気泡発生器２の説明）
第１実施形態としての超微細気泡発生器２は、図２〜図４に示すように、接続体１０と気泡発生器本体２０を、同一軸線上に直状に配置するとともに連通連結して形成している。

接続体１０は、第１連通パイプ５に気泡発生器本体２０を連通状態に接続するためのものである。すなわち、接続体１０は、第１接続片１１と第２接続片１２と第３接続片１３とから構成している。

第１接続片１１は、円筒状の第１接続本片１１ａと、第１接続本片１１ａの外周面中途部に外方へ張り出し鍔状に形成した第１係止用鍔片１１ｂとを合成樹脂により一体成形している。第１接続本片１１ａの基端部は、可撓性樹脂により成形した第１連通パイプ５の先端部に着脱自在に嵌入させて接続可能としている。第１接続片１１は、第１係止用鍔片１１ｂが後述する第２接続本片１２ａの基端側端面に当接して係止される。

第２接続片１２は、円筒状に形成した第２接続本片１２ａと、第２接続本片１２ａの外周面基端部に外方張り出し鍔状に形成した第２係止用鍔片１２ｂとを弾性ゴム素材により一体成形している。第２接続本片１２ａには、第１接続本片１１ａの先端部を着脱自在に嵌入させて接続可能としている。第２接続片１２は、第２係止用鍔片１２ｂが後述する第３接続本片１３ａの基端部側半部１３ａ端面に当接して係止される。

第３接続片１３は、合成樹脂により円筒状に形成するとともに、基端部側半部１３ａの内径を第２接続本片１２ａの外径と略同一に形成する一方、先端部側半部１３ｂを基端部側半部１３ａよりもやや小径に縮径させて形成している。基端部側半部１３ａには、第２接続本片１２ａの先端部を着脱自在に嵌入させて接続可能としている。先端部側半部１３ｂには、後述する気泡発生器本体２０の第１分割片５１を着脱自在に嵌入させて接続可能としている。

気泡発生器本体２０は、図２〜図７に示すように、一端に液体Ｆ１を導入する導入口３０を有するとともに、他端に混合流体Ｆ３を導出する導出口４０を有する直状かつ円筒状のケーシング体５０内に、導入口３０から導出口４０に向けて順次、流速増速部７０と気体吸引部８０と超微細気泡含有液体生成部９０とを備えている。

流速増速部７０は、ケーシング体５０内に導入された液流を増速させるようにしており、ケーシング体５０内の流路断面よりも小さい流路断面となして、ケーシング体５０の軸線と同軸的に伸延する流速増速流路７１を具備している。

気体吸引部８０は、流速増速部７０にて増速された液流により圧力降下した（大気圧に対して真空圧となる）ケーシング体５０内に、外部から気体Ｆ２をベンチュリ効果で吸引するようにしており、ケーシング体５０の周壁の中途部に開口した吸気口８１と、吸気口８１に基端部が連通して流速増速流路７１の外周に同心円的に伸延する気体吸引流路８２とを具備している。ここで、気体Ｆ２の吸入量は、第１連通パイプ５中を流れる液体Ｆ１の流量の２％〜４％、望ましくは３％前後（STP；０℃、１気圧）に設定することができる。８３は吸気口８１に連通連結して立設した吸気接続パイプ、８４は吸気接続パイプ８３の上端部に接続した吸気パイプであり、吸気パイプ８４の上端開口部から外気である空気を吸引することができる。また、吸気パイプ８４には流量調節弁（図示せず）を取り付けることで気体Ｆ２の吸入量を可変可能とすることができる。

超微細気泡含有液体生成部９０は、気体吸引部８０にて吸引された気体Ｆ２が流速増速部７０にて増速された液流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体、つまり混合流体Ｆ３が生成されるようにしており、気体吸引流路８２の先端部と流速増速流路７１の先端部とが連通して、導出口４０に向けて伸延する超微細気泡含有液体生成流路９１を具備している。

ケーシング体５０は、円筒状の第１分割片５１と、第１分割片５１の外周面先端部に嵌合する円筒状の第２分割片５２と、第２分割片５２の内周面先端部に嵌合する円筒状の第３分割片５３と、第３分割片５３の外周面先端部に嵌合する円筒状の第４分割片５４と、第４分割片５４の内周面先端部に嵌合する円筒状の第５分割片５５とを具備している。そして、第４分割片５４は、中途部の縮径部５６を介して基端部側よりも先端部側を縮径させて形成している。

流速増速流路７１は、図５に示すように、第４分割片５４内に増速流路形成体７２を配置して形成している。すなわち、増速流路形成体７２は、第４分割片５４の先端部側の内径よりも外径が小径で円筒状の流路形成片７３と、流路形成片７３の外周面基端部から下流側に張り出し状に形成した傘状支持片７４とを具備している。そして、傘状支持片７４の先端周縁部を第４分割片５４の縮径部５６に当接させるとともに、流路形成片７３の先端部を第４分割片５４の先端部内に同心円的に配置している。流路形成片７３の先端部は、上流側から下流側に漸次縮径させて、内周テーパー面９２と外周テーパー面９３を形成している。図５中、Ｌ１は流路形成片７３の長手幅（筒長）、Ｗ１は流路形成片７３の基端開口部の内径、Ｗ２は流路形成片７３の先端開口部の内径、Ｗ３は第５分割片５５の内径、Ｗ４は第５分割片５５の外径、Ｗ５は流路形成片７３の外周面と第５分割片５５の内周面との最小間隔、Ｗ６は流路形成片７３の外周テーパー面９３と第５分割片５５の内周面との間に形成される最大間隔である。

このように構成して、流路形成片７３の先端部の内部を流動する液流は内周テーパー面９２に沿って流速を増大させながら流動する一方、流路形成片７３の先端部の外部を流動する気流は外周テーパー面９３に沿って流速を減速させるとともに流量を増大させながら流動する。そのため、流速が増大された液流と流量が増大された気流が合流した際には、液流が気流に大きなせん断力を付与して超微細かつ均一な気泡を大量に生成することができる。つまり、内周テーパー面９２と外周テーパー面９３のテーパー角を調整することで気泡の大きさと量を制御することができる。

気体吸引流路８２は、流路形成片７３の外周面と第４分割片５４の先端部の内周面との間に形成される間隙、そして、流路形成片７３の外周面と第５分割片５５の先端部の内周面との間に形成される間隙であり、気体吸引流路８２は、流速増速流路７１の先端部側の外周に円筒状に形成されている。

第１実施形態は、上記のように構成しているものであり、次のような作用効果を奏する。すなわち、図４及び図６に示すように、超微細気泡発生器２では、導入口３０から導入した液体Ｆ１が流速増速部７０により増速される。すなわち、流速増速部７０が具備する流速増速流路７１は、旋回流案内流路６２の流路断面の略四分の一である小さい流路断面となして、ケーシング体５０の軸線と同軸的に伸延させているため、液体Ｆ１の液流の流速を堅実に増大させることができる。ここで、液流の流速の調整は、流速増速流路７１の流路断面を適宜調整することで行うことができる。したがって、緩速的な流速で導入された液体Ｆ１であっても、液流は適宜増速させて所望の混合液体Ｆ３を生成することができる。

そして、流速増速部７０にて増速された液流により、ケーシング体５０内の流速増速部７０における圧力は降下する。そのため、気体吸引部８０では吸気口８１を通してベンチュリ効果により外部から外気である気体Ｆ２を吸入するとともに、気体吸引流路８２を通して流速増速流路７１の外周に同心円的に気体Ｆ２を流入させることができる。

さらには、超微細気泡含有液体生成部９０において、気体吸引部８０にて吸引された気体Ｆ２が流速増速部７０にて流速が増速された液流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される。すなわち、超微細気泡含有液体生成流路９１において、増速液流となっている液体Ｆ１の外周は、吸引された気体により円筒状に囲繞される。そして、囲繞している円筒状の気体Ｆ２にはその内方から増速液流の外周部が引き摺るように高せん断力を及ぼす。つまり、旋回流の中心側ではなく、それよりも比較的旋回力の強い外周側において、その外周を囲繞している円筒状の気体Ｆ２の全内周面に高せん断力を全面的に作用させることができる。そのため、超微細気泡含有液体生成流路９１では、吸引された気体Ｆ２が効率良く超微細化かつ均一化される。その結果、超微細気泡含有液体生成流路９１では超微細化かつ均一化された気泡混じりの液体（混合流体Ｆ３）が堅実に生成されて、導出口４０から混合流体Ｆ３が導出される。

ここで、ケーシング体５０は、円筒状の第１〜第５分割片５１〜５５を嵌合状態に接続することで形成しており、第４分割片５４は中途部の縮径部５６を介して基端部側よりも先端部側を縮径させて形成している。

流速増速流路７１は、傘状支持片７４の先端周縁部を第４分割片５４の縮径部５６に当接させるとともに、流路形成片７３の先端部を第４分割片５４の先端部内に同心円的に配置して、気体吸引流路８２を流路形成片７３の外周面と第４分割片５４の先端部の内周面との間隙に円筒状に形成することができる。つまり、増速流路形成体７２を第４分割片５４内に配置するだけで、旋回流案内流路６２と流速増速流路７１と気体吸引流路８２と超微細気泡含有液体生成流路９１を簡単かつ堅実に区画して形成することができる。

［第２実施形態］
図８に示す１は第２実施形態としての超微細気泡発生装置であり、超微細気泡発生装置１は、基本的構造を第１実施形態としての超微細気泡発生装置１と同じくしているが、第１実施形態としての超微細気泡発生器２に代えて第２実施形態としての超微細気泡発生器２を採用している点で異なる。

（第２実施形態としての超微細気泡発生器２の説明）
第２実施形態としての超微細気泡発生器２は、図２〜図４に示すように、基本的構造を第１実施形態としての超微細気泡発生器２と同じくするが、旋回流形成部６０を具備している点で異なる。

すなわち、気泡発生器本体２０は、図９〜図１５に示すように、一端に液体Ｆ１を導入する導入口３０を有するとともに、他端に混合流体Ｆ３を導出する導出口４０を有する直状かつ円筒状のケーシング体５０内に、導入口３０から導出口４０に向けて順次、旋回流形成部６０と流速増速部７０と気体吸引部８０と超微細気泡含有液体生成部９０とを備えている。

旋回流形成部６０は、導入口３０から導入した液体Ｆ１を旋回流となすようにしており、通過する流体Ｆ１を旋回流となす旋回手段６１と、旋回手段６１の下流側にケーシング体５０の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路６２とを具備している。旋回流案内流路６２はケーシング体５０の一部を形成する第３分割片５３の内周面に沿って直状に形成されている。

旋回手段６１は、図６にも示すように、第２分割片５２の内周面中途部に嵌合する略円筒状の支持片６３と、支持片６３の先端縁部から軸線方向に向けて捩れ状に対向させて形成した一対の旋回流形成片６４,６４とを具備している。支持片６３は、第２分割片５２内で第１分割片５１と第３分割片５３とにより軸線方向で挟持されて位置決めされる。液体Ｆ１は、捩れ状に対向する一対の旋回流形成片６４,６４間を通過する際に、旋回流形成片６４,６４から捩れ作用を受けて旋回流となる。そして、旋回流は旋回流案内流路６２を通して下流側の流速増速部７０に案内されるようにしている。

第２実施形態は、上記のように構成しているものであり、次のような作用効果を奏する。すなわち、図１１及び図１３に示すように、超微細気泡発生器２では、導入口３０から導入した液体Ｆ１を旋回流形成部６０により旋回流となすことができる。この際、旋回流形成部６０の旋回手段６１が通過する液体Ｆ１を旋回流となして、旋回手段６１の下流側においてケーシング体５０の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路６２が旋回流を下流側へ案内する。

旋回流形成部６０にて形成された旋回流は、流速増速部７０により増速される。すなわち、流速増速部７０が具備する流速増速流路７１は、旋回流案内流路６２の流路断面の略四分の一である小さい流路断面となして、ケーシング体５０の軸線と同軸的に伸延させているため、旋回流の流速を堅実に増大させることができる。ここで、旋回流の流速の調整は、流速増速流路７１の流路断面を適宜調整することで行うことができる。したがって、緩速的な流速で導入された液体Ｆ１の液流であっても、液流を旋回流となし、さらには、旋回流を適宜増速させることができる。

そして、流速増速部７０にて増速された旋回流により、ケーシング体５０内の流速増速部７０における圧力は降下する。そのため、気体吸引部８０では吸気口８１を通してベンチュリ効果により外部から外気である気体Ｆ２を吸入するとともに、気体吸引流路８２を通して流速増速流路７１の外周に同心円的に気体Ｆ２を流入させることができる。

さらには、超微細気泡含有液体生成部９０において、気体吸引部８０にて吸引された気体Ｆ２が流速増速部７０にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される。すなわち、超微細気泡含有液体生成流路９１において、増速旋回流となっている液体Ｆ１の外周は、吸引された気体により円筒状に囲繞される。そして、囲繞している円筒状の気体Ｆ２にはその内方から旋回力の強い旋回流の外周部が高せん断力を及ぼす。つまり、旋回流の中心側ではなく、それよりも比較的旋回力の強い外周側において、その外周を囲繞している円筒状の気体Ｆ２の全内周面に高せん断力を全面的に作用させることができる。そのため、超微細気泡含有液体生成流路９１では、吸引された気体Ｆ２が効率良く超微細化かつ均一化される。その結果、超微細気泡含有液体生成流路９１では超微細化かつ均一化された気泡混じりの液体（混合流体Ｆ３）が堅実に生成されて、導出口４０から混合流体Ｆ３が導出される。

旋回手段６１が具備する円筒状の支持片６３は、第２分割片５２の内周面中途部に嵌合するとともに、支持片６３を第２分割片５２内で第１分割片５１と第３分割片５３とにより軸線方向で挟持して簡単に位置決めすることができる。つまり、旋回手段６１の組み付け作業（第２実施形態としての超微細気泡発生器２となす場合）と、取り外し作業（第１実施形態としての超微細気泡発生器２となす場合）を簡単かつ堅実に行うことができる。

（第１変形例としての旋回流手段６１の説明）
図１６は、第１変形例としての旋回流手段６１を示している。かかる旋回流手段６１は、図１７にも示すように、直状に伸延する棒状の軸芯部１００と、軸芯部１００の周面から半径方向（放射線方向）に突設した複数（本実施形態では４片）の板状の旋回流形成案内片１０１とを、合成樹脂（例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ））を削出加工して、表面を滑らかに（液体Ｆ１である水との摩擦が少ないように）成形している。すなわち、旋回流手段６１は、棒状の軸芯部１００の周面から肉厚板状の４つの案内本片１０２を一定の間隔をあけて延設して断面十字状に形成し、各案内本片１０２の両側面には基端部から先端部にかけて円弧状凹面１０３を形成するとともに、隣接する案内本片１０２同士の円弧状凹面１０３の基端縁部が連続する円弧面となしている。そして、各案内本片１０２の中途部が最小肉厚で、各案内本片１０２の先端部が最大肉厚となるように形成している。

しかも、旋回流手段６１の上流側の端面と下流側の端面は、一定のねじれ角θ（例えば、θ＝４５°〜６０°）を形成するように、旋回流形成案内片１０１の上流側から下流側への伸延方向を軸芯部１００の軸線方向とねじれの位置に配置している。軸芯部１００の軸線方向とねじれの位置に配置した４つの旋回流形成案内片１０１は、ほぼ並行させて配置されるとともに、隣接する旋回流形成案内片１０１間に軸芯部１００の軸線廻りに捩れ状の旋回流形成案内路１０４が４本形成されるようにしている。

各案内本片１０２の先端部の上流側部には係合用位置決め用の膨出部１０５を形成している。また、第３分割片５３の内周面の上流側端部には膨出部１０５と整合して、膨出部１０５が係合自在の係合凹部１０６を周面周りに４つ形成している。そして、第３分割片５３の上流側端部は、第１分割片５１側に伸延させて形成して、第２分割片５２内において第３分割片５３の上流側端面と第１分割片５１の下流側端面を当接させている。

上記のように構成して、第３分割片５３内に旋回流手段６１を上流側から下流側に挿入するとともに、各係合凹部１０６に膨出部１０５を挿入して係合し、同状態にて、第２分割片５２内において第３分割片５３の上流側端面と第１分割片５１の下流側端面を当接させることで、旋回流手段６１が軸線方向ないしは周面周りに移動するのを規制することができる。この際、旋回流形成案内片１０１の先端面は、第３分割片５３の内周面に密着状に面接している。そのため、第３分割片５３内に流入した液流は、第３分割片５３内に配置された旋回流形成案内路１０４に沿って上流側から下流側へ流動されることで、堅実に旋回流となされる。

（第２変形例としての旋回流手段６１の説明）
図１８は、第２変形例としての旋回流手段６１を示している。かかる旋回流手段６１は、図１９にも示すように、直状に伸延する棒状の軸芯部１００と、軸芯部１００の周面から半径方向（放射線方向）に突設した複数（本実施形態では４片）の板状の旋回流形成案内片１０１とを、合成樹脂（例えば、ＡＢＳ樹脂）により一体に積層製作している。すなわち、旋回流手段６１は、断面正八角形の棒状の軸芯部１００の周面から均一肉厚の四角形板状の４つの案内本片１０２を軸芯部１００の一つおきの各片から延設して断面十字状に形成している。

しかも、旋回流手段６１の上流側の端面と下流側の端面は、一定のねじれ角θ（例えば、θ＝４５°〜６０°）を形成するように配置し、案内本片１０２の上流側半部は上流側から下流側への伸延方向を軸芯部１００の軸線方向と平行に配置するとともに、案内本片１０２の下流側半部は上流側から下流側への伸延方向を軸芯部１００の軸線方向とねじれの位置に配置している。つまり、軸芯部１００の軸線方向とねじれの位置に配置した４つの旋回流形成案内片１０１は、「へ」の字状に屈曲させて形成して、案内本片１０２の上流側半部が軸芯部１１０の軸線とほぼ並行させて配置されるとともに、案内本片１０２の下流側半部が軸芯部１００の軸線廻りに捩れ状にほぼ並行させて配置されて、隣接する旋回流形成案内片１０１間に案内本片１０２の中途部が屈曲された旋回流形成案内路１０４が４本形成されるようにしている。

各案内本片１０２の先端部の上流側部には係合用位置決め用の膨出部１０６を形成している。また、第２分割片５２の内周面の上流側端部には膨出部１０５と整合して、膨出部１０５が係合自在の係合凹部１０６を周面周りに４つ形成している。そして、第３分割片５３の上流側端部は、第１分割片５１側に伸延させて形成して、第２分割片５２内において第３分割片５３の上流側端面と第１分割片５１の下流側端面を当接させている。

上記のように構成して、第３分割片５３内に旋回流手段６１を上流側から下流側に挿入するとともに、各係合凹部１０６に膨出部１０５を挿入して係合し、同状態にて、第２分割片５２内において第３分割片５３の上流側端面と第１分割片５１の下流側端面を当接させることで、旋回流手段６１が軸線方向ないしは周面周りに移動するのを規制することができる。この際、旋回流形成案内片１０１の先端面は、第３分割片５３の内周面に密着状に面接している。そのため、第３分割片５３内に流入した液流は第３分割片５３内に配置された旋回流形成案内路１０４に沿って上流側から下流側へ流動されることで、堅実に旋回流となされる。

なお、第１・第２実施形態の吸気接続パイプ８３は空気以外の気体源に接続することもできるが、気体源以外の流体源、例えば、液体源に接続することもできる。すなわち、第１・第２実施形態の超微細気泡発生器は、連続相としての液体源に接続体１０を接続する一方、分散相としての液体源に吸気接続パイプ８３を接続することにより、連続相としての液体と分散相としての液体を混合して液・液混相となすとともに、分散された液体を超微細化かつ均一化させて生成する超微細液滴発生器としても適用することができる。

［第１実施例］
第１実施例では、第２実施形態に係る超微細気泡発生装置１を使用して混合流体Ｆ３を生成する実験を行った。ここで、使用した増速流路形成体７２の流路形成片７３の長手幅Ｌ１＝８５ｍｍ、流路形成片７３の基端開口部の内径Ｗ１＝１４ｍｍ、流路形成片７３の先端開口部の内径Ｗ２＝８ｍｍ、第５分割片５５の内径Ｗ３＝１３ｍｍ、第５分割片５５の外径Ｗ４＝１８ｍｍ、最小間隔Ｗ５＝０.８ｍｍである。
である。

また、液体Ｆ１（連続相）として水道水を使用し、気体Ｆ２（分散相）として外気（空気）を使用した。そして、ポンプＰの吐水量を４０リットル／分に設定して、気体Ｆ２の吸入量が１リットル／分となる条件下で、１分当たり３５リットルの混合流体Ｆ３を生成した。

この実験で生成した混合流体Ｆ３に含有されている超微細気泡の大きさ（粒子径）は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２２００、株式会社島津製作所製）を用いて測定した。その測定結果を図２０に示す。

図２０のグラフに示すように、本実施例では混合流体Ｆ３に含まれる超微細気泡は、その粒子径が０.３μｍ（３００ｎｍ）程度の粒子量が全体の８０％（相対値）を占めていた。

この測定結果より、本実施形態の超微細気泡発生装置１は、ナノレベルの超微細な気泡混じりの混合流体Ｆ３を生成することができるという優れた性能を有していることが分かった。

［第２実施例］
第２実施例では、第１実施形態に係る超微細気泡発生装置１と、第１変形例としての旋回流手段６１を装備した第２実施形態に係る超微細気泡発生装置１の超微細気泡含有液体生成流路９１における自吸空気圧（ｋＰａ）をそれぞれ検出して、空気を引き込む力（自吸効果）を比較実験した。ここで、液体Ｆ１（連続相）として水道水を使用し、気体Ｆ２（分散相）として外気（空気）を使用した。旋回流手段６１のねじれ角θは６０°に設定した。

第１実施形態に係る超微細気泡発生装置１では、図２１の一点鎖線のグラフに示すような測定結果が得られた。超微細気泡含有液体生成流路９１内の水流量（Ｌ／ｍｉｎ）が７０Ｌ／ｍｉｎを越えたところで自吸空気圧（ｋＰａ）が−１５ｋＰａに達した。

これに対して、第２実施形態に係る超微細気泡発生装置１では、図２１の実線のグラフに示すような測定結果が得られた。超微細気泡含有液体生成流路９１内の水流量（Ｌ／ｍｉｎ）が７２Ｌ／ｍｉｎを越えたところで自吸空気圧（ｋＰａ）が−３０ｋＰａに達した。

その結果、旋回流手段６１を装備して旋回流を形成するようにした方が超微細気泡含有液体生成流路９１において空気を引き込む力（自吸効果）が高いことが分かった。したがって、旋回流手段６１を装備した方が空気の取り込み量が増えて、気泡の数が増大することが分かった。

１超微細気泡発生装置
２超微細気泡発生器
３液体収容部
４混合流体収容部
３０導入口
４０導出口
５０ケーシング体
６０旋回流形成部
７０流速増速部
８０気体吸引部
９０超微細気泡含有液体生成部

Claims

一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、
導入口から導入した液体の流速を増速させる流速増速部と、
流速増速部にて流速が増速された液流により圧力降下したケーシング体内に外部から気体を吸引する気体吸引部と、
気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて流速を増速された液流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される超微細気泡含有液体生成部と
を備える超微細気泡発生器であって、
前記流速増速部は、筒状の前記ケーシング体内に筒状の流路形成片の先端部を同心円的に配置するとともに、流路断面を前記ケーシング体の流路断面よりも小となし、前記ケーシング体の軸線と同軸的に伸延させた流速増速流路を具備し、
前記気体吸引部は、前記ケーシング体の周壁の中途部に開口した吸気口と、吸気口に前記ケーシング体の先端部の内周面と前記流路形成片の先端部の外周面との間に形成される間隙の基端部を連通して該間隙が該流速増速流路の先端まで同心円的に伸延して流速増速流路を筒状に囲繞する気体吸引流路とを具備し、
前記超微細気泡含有液体生成部は、囲繞している筒状の前記気体吸引流路の先端部と前記流速増速流路の先端部とが同心円的に開口して、流速増速流路の外周を囲繞している筒状の気流の内周面に、流速増速流路内を流動する増速液流の外周面が全面的にせん断作用を及ぼしながら前記導出口に向けて超微細気泡混じりの液体を導く超微細気泡含有液体生成流路を具備する
ことを特徴とする超微細気泡発生器。
一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、
導入口から導入した液体を旋回流となす旋回流形成部と、
旋回流形成部にて形成された旋回流の流速を増速させる流速増速部と、
流速増速部にて増速された旋回流により圧力降下したケーシング体内に外部から気体を吸引する気体吸引部と、
気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される超微細気泡含有液体生成部と
を備える超微細気泡発生器であって、
前記旋回流形成部は、通過する液体を旋回流となす旋回手段と、旋回手段の下流側に前記ケーシング体の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路とを具備し、
前記流速増速部は、筒状の前記ケーシング体内に筒状の流路形成片の先端部を同心円的に配置するとともに、流路断面を前記ケーシング体の流路断面よりも小となし、前記ケーシング体の軸線と同軸的に伸延させた流速増速流路を具備し、
前記気体吸引部は、前記ケーシング体の周壁の中途部に開口した吸気口と、吸気口に前記ケーシング体の先端部の内周面と前記流路形成片の先端部の外周面との間に形成される間隙の基端部を連通して該間隙が該流速増速流路の先端まで同心円的に伸延して流速増速流路を筒状に囲繞する気体吸引流路とを具備し、
前記超微細気泡含有液体生成部は、囲繞している筒状の前記気体吸引流路の先端部と前記流速増速流路の先端部とが同心円的に開口して、流速増速流路の外周を囲繞している筒状の気流の内周面に、流速増速流路内を流動する増速液流の外周面が全面的にせん断作用を及ぼしながら前記導出口に向けて超微細気泡混じりの液体を導く超微細気泡含有液体生成流路を具備する
ことを特徴とする超微細気泡発生器。
一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、導入口から導出口に向けて順次、
導入口から導入した液体を旋回流となす旋回流形成部と、
旋回流形成部にて形成された旋回流の流速を増速させる流速増速部と、
流速増速部にて増速された旋回流により圧力降下したケーシング体内に外部から気体を吸引する気体吸引部と、
気体吸引部にて吸引された気体が流速増速部にて増速された旋回流によりせん断されて超微細な気泡混じりの液体が生成される超微細気泡含有液体生成部と
を備える超微細気泡発生器であって、
前記旋回流形成部は、通過する液体を旋回流となす旋回手段と、旋回手段の下流側に前記ケーシング体の軸線に沿って伸延する旋回流案内流路とを具備し、
前記流速増速部は、前記旋回流案内流路の流路断面よりも小さい流路断面となして、前記ケーシング体の軸線と同軸的に伸延する流速増速流路を具備し、
前記気体吸引部は、前記ケーシング体の周壁の中途部に開口した吸気口と、吸気口に基端部が連通して前記流速増速流路の外周に同心円的に伸延する気体吸引流路とを具備し、
前記超微細気泡含有液体生成部は、前記気体吸引流路の先端部と前記流速増速流路の先端部とが連通して、前記導出口に向けて伸延する超微細気泡含有液体生成流路を具備し、
前記ケーシング体は、円筒状の第１分割片と、第１分割片の外周面先端部に嵌合する円筒状の第２分割片と、第２分割片の内周面先端部に嵌合する円筒状の第３分割片と、第３分割片の外周面先端部に嵌合する円筒状の第４分割片と、第４分割片の内周面先端部に嵌合する円筒状の第５分割片とを具備して、第４分割片を中途部の縮径部を介して基端部側よりも先端部側を縮径させて形成し、
前記旋回手段は、前記第２分割片の内周面中途部に嵌合する円筒状の支持片と、支持片の先端縁部から軸線方向に向けて形成した旋回流形成片とを具備して、支持片を第２分割片内で第１分割片と第３分割片とにより軸線方向で挟持し、
前記流速増速流路は、第４分割片の先端部側の内径よりも外径が小径で円筒状の流路形成片と、流路形成片の外周面基端部から下流側に張り出し状に形成した傘状支持片とを具備する増速流路形成体を第４分割片内に配置して形成して、傘状支持片の先端周縁部を第４分割片の縮径部に当接させるとともに、流路形成片の先端部を第４分割片の先端部内に同心円的に配置し、
前記気体吸引流路は、流路形成片の外周面と第４分割片の先端部の内周面との間隙に円筒状に形成している
ことを特徴とする超微細気泡発生器。