特開 2024-86159 微細気泡発生器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024086159

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】微細気泡発生器

(51)【国際特許分類】

   B01F 25/10 20220101AFI20240620BHJP

   B01F 23/232 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 23/2373 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 23/2375 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 35/53 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 23/2326 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 23/231 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 25/312 20220101ALI20240620BHJP

   B01F 25/452 20220101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

B01F25/10

B01F23/232

B01F23/2373

B01F23/2375

B01F35/53

B01F23/2326

B01F23/231

B01F25/312

B01F25/452

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201146

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000142595

【氏名又は名称】株式会社栗本鐵工所

(74)【代理人】

【識別番号】110001586

【氏名又は名称】弁理士法人アイミー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】湯地 実

【テーマコード（参考）】

4G035

4G037

【Ｆターム（参考）】

4G035AB16

4G035AC22

4G035AC26

4G035AC44

4G037EA01

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で効率良く微細気泡を発生させること。
【解決手段】微細気泡発生器は、ｘ軸方向に延びる上流管および下流管の間に位置し、ｘ軸に交差するｙ軸方向に円弧状に膨出するケーシングと、ケーシングの内側面との間に、上流側から下流側に向かう水の高速流路となる隙間（１１）をあけて配置され、ｘ軸およびｙ軸に交差するｚ軸方向に延びるコマ部材（３）とを備える。コマ部材は、ｘ軸およびｙ軸で区画される複数の領域（３０１～３０４）のうち、下流側に位置する領域（３０３，３０４）の外周部に、隙間を通過した水を引き込んで旋回流を発生させる切欠き部（３１，３２）を有している。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｘ軸方向に延びる上流管および下流管の間に位置し、前記ｘ軸に交差するｙ軸方向に円弧状に膨出するケーシングと、
前記ケーシングの内側面との間に、上流側から下流側に向かう水の高速流路となる隙間をあけて配置され、前記ｘ軸および前記ｙ軸に交差するｚ軸方向に延びるコマ部材とを備え、
前記コマ部材は、前記ｘ軸および前記ｙ軸で区画される複数の領域のうち、下流側に位置する領域の外周部に、前記隙間を通過した水を引き込んで旋回流を発生させる切欠き部を有している、微細気泡発生器。

【請求項2】

前記コマ部材は円柱形状であり、
前記切欠き部は、前記ｘ軸および前記ｙ軸で区画される４つの扇形領域のうち、下流側に位置する２つの扇形領域の外周部に形成されている、請求項１に記載の微細気泡発生器。

【請求項3】

前記切欠き部の内壁面は、円弧状の凹面をもつ曲面形状である、請求項１に記載の微細気泡発生器。

【請求項4】

前記内壁面は、曲率半径の異なる２つの円弧面と、前記２つの円弧面を滑らかに接続する接続面とを含む、請求項３に記載の微細気泡発生器。

【請求項5】

前記内壁面は、前記隙間から流出した水流を受け入れて前記凹面に導く下流側端縁と、前記凹面に沿って流れる旋回流を前記下流管に向かって導く上流側端縁とを含み、
前記上流側端縁を含む円弧面の曲率半径は、前記下流側端縁を含む円弧面の曲率半径よりも小さい、請求項４に記載の微細気泡発生器。

【請求項6】

前記コマ部材の直径が、前記上流管の内径よりも大きい、請求項１に記載の微細気泡発生器。

【請求項7】

前記コマ部材は、前記ケーシングに対して着脱可能に設けられている、請求項１に記載の微細気泡発生器。

【請求項8】

前記コマ部材の平面形状は、略楕円形状であり、
前記コマ部材は、前記内側面との間に前記隙間を生じさせる作動状態と前記隙間を塞ぐ止水状態とに回転可能に設けられている、請求項２に記載の微細気泡発生器。

【請求項9】

前記コマ部材は、前記ｚ軸を中心とする中心孔と、前記中心孔から前記隙間に向かって半径方向に延びる少なくとも１つの横孔とを含み、
前記中心孔に、添加剤としての気体または液体を供給する添加剤供給手段をさらに備える、請求項１に記載の微細気泡発生器。

【請求項10】

前記切欠き部の中心部に前記ｚ軸方向に沿って気体を供給し、水の旋回速度を向上させる速度向上手段をさらに備える、請求項１に記載の微細気泡発生器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中に微細気泡を発生させる微細気泡発生器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、微細気泡を利用して、水質浄化や微生物の殺菌を図る技術が増えつつある。微細気泡の発生方法としては様々な方式が存在するが、その一つに、管路の急激な収縮と拡大により気相を粉砕するキャビテーション方式がある。

【0003】

特開２０２１－２０１５３号公報（特許文献１）では、筒状筐体の入口側に位置し、内径が徐々に狭まる入口部と、入口部に接続するオリフィス（小径部分）と、筒状筐体の出口側に位置してオリフィスに接続し、内径が徐々に広がる拡径部とを備えた微細気泡発生器において、オリフィスの出口の周壁に凹部を形成した構成が開示されている。

【0004】

特開２００８－２４６４４１号公報（特許文献２）では、管路内の液体を高速流となす傾斜面を有した第１の加速部材と、負圧を発生させる空隙部を半径方向に有する小径なくびれ部を介して、第１の加速部材の後段に第２の加速部材を連設した構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－２０１５３号公報（特許第６９７８７９３号）

【特許文献2】特開２００８－２４６４４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１および２に示されるように、キャビテーション方式の微細気泡発生器としては、管路自体の内径を調整したものや、管路内に径の異なる複数の部材を液体の流れ方向に沿って連設したものが一般的である。しかし、これらの微細気泡発生器は構成が複雑であり、製造が容易ではないことから、簡易な構成で効率良く微細気泡を発生できる技術が望まれていた。

【0007】

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な構成で効率良く微細気泡を発生させることのできる微細気泡発生器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明のある局面に従う微細気泡発生器は、ｘ軸方向に延びる上流管および下流管の間に位置し、ｘ軸に交差するｙ軸方向に円弧状に膨出するケーシングと、ケーシングの内側面との間に、上流側から下流側に向かう水の高速流路となる隙間をあけて配置され、ｘ軸およびｙ軸に交差するｚ軸方向に延びるコマ部材とを備える。コマ部材は、ｘ軸およびｙ軸で区画される複数の領域のうち、下流側に位置する領域の外周部に、隙間を通過した水を引き込んで旋回流を発生させる切欠き部を有している。

【0009】

好ましくは、コマ部材は円柱形状であり、切欠き部は、ｘ軸およびｙ軸で区画される４つの扇形領域のうち、下流側に位置する２つの扇形領域の外周部に形成されている。

【0010】

好ましくは、切欠き部の内壁面は、円弧状の凹面をもつ曲面形状である。

【0011】

また、内壁面は、曲率半径の異なる２つの円弧面と、２つの円弧面を滑らかに接続する接続面とを含むことが望ましい。

【0012】

内壁面は、隙間から流出した水流を受け入れて凹面に導く下流側端縁と、凹面に沿って流れる旋回流を下流管に向かって導く上流側端縁とを含む。上流側端縁を含む円弧面の曲率半径が、下流側端縁を含む円弧面の曲率半径よりも小さいことが、さらに望ましい。

【0013】

好ましくは、コマ部材の直径が、上流管の内径よりも大きい。

【0014】

好ましくは、コマ部材は、ケーシングに対して着脱可能に設けられている。

【0015】

コマ部材の平面形状は、略楕円形状であってもよい。この場合、コマ部材は、内側面との間に隙間を生じさせる作動状態と隙間を塞ぐ止水状態とに回転可能に設けられていることが望ましい。

【0016】

好ましくは、コマ部材は、ｚ軸を中心とする中心孔と、中心孔から隙間に向かって半径方向に延びる少なくとも１つの横孔とを含み、微細気泡発生器は、中心孔に、添加剤としての気体または液体を供給する添加剤供給手段をさらに備える。

【0017】

微細気泡発生器は、切欠き部の中心部にｚ軸方向に沿って気体を供給し、水の旋回速度を向上させる速度向上手段をさらに備えていてもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、簡易な構成で効率良く微細気泡を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態に係る微細気泡発生器の外観を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る微細気泡発生器の外観を示す側面図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る微細気泡発生器の断面図である。

【図4】本発明の実施の形態におけるコマ部材を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態におけるコマ部材が有する下流側の扇形領域を拡大して示す平面図である。

【図6】本発明の実施の形態におけるケーシングの構成を模式的に示す分解図である。

【図7】本発明の実施の形態に係る微細気泡発生器の内部の圧力分布を模式的に示す流跡図である。

【図8】本発明の実施の形態に係る微細気泡発生器の内部の水の流れを模式的に示す流跡図である。

【図9】比較例１のコマ部材の形状および解析結果を模式的に示す図である。

【図10】比較例２のコマ部材の形状および解析結果を模式的に示す図である。

【図11】比較例３のコマ部材の形状および解析結果を模式的に示す図である。

【図12】本発明の実施の形態に係るコマ部材を対象とした解析結果（給気なし）を模式的に示す図である。

【図13】本発明の実施の形態に係るコマ部材を対象とした解析結果（給気あり）を模式的に示す図である。

【図14】本発明の実施の形態の変形例１に係る微細気泡発生器の内部構造を示す斜視図である。

【図15】本発明の実施の形態の変形例１に係る微細気泡発生器のケーシングを示す平面図である。

【図16】本発明の実施の形態の変形例２に係る微細気泡発生器のコマ部材を示す断面図である。

【図17】本発明の実施の形態の変形例２に係る微細気泡発生器の外観を示す斜視図である。

【図18】本発明の実施の形態の変形例２におけるコマ部材を回転可能とするための構造例を示す図である。

【図19】本発明の実施の形態の変形例２に係る微細気泡発生器の平面図である。

【図20】本発明の実施の形態の変形例２に係る微細気泡発生器の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

【0021】

＜構成について＞
（概略構成）
図１～図３を参照して、本実施の形態に係る微細気泡発生器１の概略構成について説明する。図１は、微細気泡発生器１の外観を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ方向から見た側面図である。図３は、微細気泡発生器１の断面図であり、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した断面を示す。なお、「微細気泡」とは、いわゆるファインバブルであり、粒子径がマイクロスケールまたはナノスケールの気泡を表わす。

【0022】

微細気泡発生器１は、主に、上流管９１および下流管９２の間に位置するケーシング２と、ケーシング２の内部に設けられたコマ部材３とを備えている。上流管９１および下流管９２は典型的には円筒形状であり、同軸配置されている。図１等に示すｘ軸は、上流管９１および下流管９２の長手方向（軸線方向）に一致しており、ｘ軸の正方向が液体（以下「水」という）の上流側を示している。

【0023】

ケーシング２は、上流管９１および下流管９２に接続された円筒部２１と、円筒部２１の軸線Ｏ方向一端の開口を塞ぐ蓋部２３と、円筒部２１の軸線Ｏ方向他端の開口を塞ぐ底部２２とにより構成されている。

【0024】

円筒部２１は、ｘ軸に交差する「ｙ軸方向」に円弧状に膨出するように配置されている。具体的には、円筒部２１は、ｘ軸およびｙ軸に交差する「ｚ軸方向」に延び、かつ、円筒部２１の内径ｄ２が、上流管９１および下流管９２の内径ｄ３よりも大きい。平面視における円筒部２１の概略形状は、典型的には真円形状である。なお、「交差」とは、典型的には直交を表わすものの、多少のずれは許容されるものとする。

【0025】

以下の説明では、理解を容易にするために、ｘ軸方向を「流れ方向」、ｙ軸方向を「幅方向」または「左右方向」、ｚ軸方向を「上下方向」または「高さ方向」ともいう。図１等において、ｚ軸の正方向が上方を示しているものとする。ｙ軸の正方向は、下流側から円筒部２１を見て右側（幅方向一方側）を示す。

【0026】

図３を参照して、円筒部２１は、上流管９１および下流管９２の流路（開口部）９１０，９２０と重なる部分２１ａがくり抜かれており、ケーシング２の内部空間２０と流路９１０，９２０とが互いに連通している。円筒部２１の残部２１ｂが、上流管９１および下流管９２の端面とネジ固定や溶着等により接続されている。残部２１ｂによって、円筒部２１の内部空間２０が区画されている。具体的には、内部空間２０は、幅方向両側に位置する残部２１ｂの内側面、すなわち、一対の内側円弧面２１２により区画されている。

【0027】

内部空間２０の上流側には、一対の上流側内側面２１３に区画された導入路２４が設けられ、内部空間２０の下流側には、一対の下流側内側面２１４に区画された放出路２５が設けられている。一対の上流側内側面２１３は、互いに平行であり、上流管９１の内径ｄ３分離れている。同様に、一対の下流側内側面２１４は、互いに平行であり、下流管９２の内径ｄ３分離れている。内側円弧面２１２の流れ方向両端部が、上流側内側面２１３および下流側内側面２１４に接続されている。なお、上流管９１の内径寸法と下流管９２の内径寸法とは、同一である場合に限定されず、互いに異なっていてもよい。

【0028】

底部２２は、接着剤等により円筒部２１に接着されていてもよいし、円筒部２１と一体形成されていてもよい。蓋部２３は、図６に示されるように、円筒部２１に対して着脱自在であることが望ましい。これにより、コマ部材３の交換を容易に行うことができる。このように、コマ部材３は、ケーシング２に対して着脱可能に設けられていることが望ましい。

【0029】

コマ部材３は、円筒部２１と同軸に配置された円柱形状の部材である。つまり、コマ部材３の軸線（中心線）は、円筒部２１の軸線Ｏと一致する。平面視におけるコマ部材３の概略形状は、典型的には真円形状である。コマ部材３は、円筒部２１の内部空間２０に嵌め入れられている。コマ部材３の直径（外径）ｄ１は、円筒部２１の内径ｄ２よりも小さく、コマ部材３は、一対の内側円弧面２１２との間に、隙間１１をあけて配置されている。すなわち、導入路２４と放出路２５との間に、上流側から下流側に向かう水の高速流路となる隙間１１が、幅方向両側に設けられている。

【0030】

隙間１１は、一対の内側円弧面２１２とコマ部材３の外周面との間に、一定幅で円弧状に設けられている。隙間１１の幅は、たとえば、円筒部２１の半径（「ｄ２」／２）の１／７以上１／９以下であり、一例として１／８程度である。この場合、コマ部材３の直径ｄ１は、一例として円筒部２１の内径ｄ２の７／８程度である。一対の隙間１１は、導入路２４から左右に分岐するように設けられ、下流端で放出路２５に合流する。

【0031】

コマ部材３の直径ｄ１は、上流管９１（および下流管９２）の内径ｄ３よりも大きいことが望ましい。これにより、後述するように、導入路２４から水が隙間１１へ導かれる際に遠心力が働く。

【0032】

（コマ部材の構成）
図４を参照して、コマ部材３の構成例について説明する。図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、コマ部材３の斜視図および平面図（上面図）である。図４（Ｂ）には、組み立て状態（使用状態）におけるケーシング２の内側面（一対の上流側内側面２１３、一対の内側円弧面２１２、一対の下流側内側面２１４）の位置が想像線で示されている。

【0033】

図４（Ｂ）を参照して、コマ部材３は、平面視において（軸線Ｏ方向に見て）ｘ軸およびｙ軸で区画される４つの扇形領域３０１～３０４により構成される。扇形領域３０１，３０２はｙ軸よりも上流側に位置し、扇形領域３０３，３０４はｙ軸よりも下流側に位置している。コマ部材３は、下流側の扇形領域３０３，３０４の外周部に、内径側に窪ませた切欠き部（凹部）３１，３２を有している。切欠き部３１，３２は、コマ部材３の上端縁から下端縁まで貫通して上下方向に延びている。切欠き部３１，３２によって、一対の隙間１１および放出路２５に連通する負圧空間Ｓ１，Ｓ２が形成される。

【0034】

切欠き部３１，３２は、ｘ軸を中心とし左右対称に設けられている。切欠き部３１は、隣接する扇形領域３０２，３０４にはみ出ることなく、ｘ軸およびｙ軸の両方から離れて配置されている。切欠き部３２も同様に、隣接する扇形領域３０１，３０３にはみ出ることなく、ｘ軸およびｙ軸の両方から離れて配置されている。

【0035】

切欠き部３１，３２の内壁面３３，３４は、円弧状の凹面をもつ曲面形状であることが望ましい。本実施の形態では、図４（Ａ）に示すように、内壁面３３は、曲率半径の異なる２つの円弧面３３１，３３２と、２つの円弧面３３１，３３２を滑らかに接続する接続面３３３とを含む。内壁面３４も同様である。切欠き部３１，３２の内壁面３３，３４の形状については、図５を参照して説明する。図５は、扇形領域３０３を拡大して示す平面図であり、扇形領域３０３をハッチングで示している。

【0036】

切欠き部３１の内壁面３３は、上流側に位置する円弧面３３１と、下流側に位置する円弧面３３２と、これらの円弧面３３１，３３２の間に位置する接続面３３３とを含む。円弧面３３１は、内壁面３３の上流側端縁Ｐ１を含む位置に設けられ、円弧面３３２は、内壁面３３の下流側端縁Ｐ２を含む位置に設けられている。下流側端縁Ｐ２は、隙間１１から流出した水流を受け入れて、円弧面３３１，３３２を含む凹面に導く位置に設けられている。上流側端縁Ｐ１は、内壁面３３の凹面に沿って流れる旋回流を下流管９２に向かって導く位置に設けられている。

【0037】

本実施の形態では、上流側の円弧面３３１の曲率半径ｒ１は、下流側の円弧面３３２の曲率半径ｒ２よりも小さい。曲率半径ｒ１は、たとえば曲率半径ｒ２の０．５以上０．７以下である。円弧面３３１を規定する仮想円（真円）Ｃ１の中心Ｏ１、および、円弧面３３２を規定する仮想円（真円）Ｃ２の中心Ｏ２は、コマ部材３の外周円（想像線で示す）よりも内側（軸線Ｏ側）に位置していることが望ましい。これにより、切欠き部３１の内部空間（すなわち負圧空間Ｓ１）は、上流側端縁Ｐ１と下流側端縁Ｐ２との間の出入口Ｓｅの幅（開口幅）よりも広がりをもった空間とされる。

【0038】

本実施の形態では、円弧面３３２を規定する仮想円Ｃ２は、コマ部材３の外周円から一部がはみ出ている。一方、円弧面３３１を規定する仮想円Ｃ１は、略全体がコマ部材３の外周円の内側に位置している。そのため、上流側端縁Ｐ１を頂点とする先鋭部３５の方が、下流側端縁Ｐ２を頂点とする先鋭部３６よりも尖った形状となっている。

【0039】

接続面３３３は、２つの円弧面３３１，３３２に外接する外接仮想円Ｃ３の円弧面により規定されている。そのため、２つの円弧面３３１，３３２と接続面３３３とにより構成される内壁面３３の全体は、変形した円弧状凹面となっている。平面視における内壁面３３の形状は略Ｃ字状となっている。外接円Ｃ３の半径ｒ３は、コマ部材３の半径（直径ｄ１／２）を１とすると、たとえば０．４～０．６の比率で定められ、一例として０．５程度である。なお、図示される例では、仮想円Ｃ３の中心Ｏ３が、コマ部材３の外周円上に位置している。

【0040】

図３および図４（Ｂ）に示されるように、組み立て状態において、切欠き部３１の上流側端縁Ｐ１は、円筒部２１（残部２１ｂ）の内側円弧面２１２と幅方向に対面する位置に位置している。そのため、幅方向（ｙ軸方向）における上流側端縁Ｐ１の位置は、円筒部２１の上流側内側面２１３および下流側内側面２１４の位置よりも外側方にある。これに対し、切欠き部３１の下流側端縁Ｐ２は、円筒部２１の下流側内側面２１４と幅方向に対面する位置に位置している。そのため、幅方向（ｙ軸方向）における下流側端縁Ｐ２の位置は、円筒部２１の上流側内側面２１３および下流側内側面２１４の位置よりも内側方にある。つまり、下流側端縁Ｐ２は、下流管９２の流路９２０の幅内に位置する。

【0041】

なお、図５（Ｂ）に拡大して示すように、上流側の先鋭部３５の先端の一部、すなわち上流側端縁Ｐ１を含む部分３５ａが切り落とされ、上流側端縁Ｐ１´と円弧面３３１との間に（たとえば直線状の）切断面３３４が設けられていてもよい。この場合、上流側端縁Ｐ１´は、円弧面３３１を規定する仮想円Ｃ１の外側に位置する。これにより、圧力回復を抑制することができる。一例として、上流側端縁Ｐ１´は、下流側の円弧面３３２を規定する仮想円Ｃ２と交差する位置に設けられている。

【0042】

再び図４を参照して、コマ部材３はまた、軸線Ｏ（ｚ軸）を中心とする中心孔３０と、中心孔３０から左右両側の隙間１１に向かって半径方向に延びる複数の横孔３７とを有している。中心孔３０は、コマ部材３を上下方向に貫通して真っすぐ延びている。図１に示す流体供給ノズル５から供給される流体が中心孔３０に吸入され、中心孔３０から横孔３７を通って隙間１１に吐出される（吸引される）。流体は、気体および液体のいずれであってもよい。本実施の形態において横孔３７は、上下方向に間隔をあけて複数個設けられている。なお、横孔３７は少なくとも１つ設けられていればよい。

【0043】

図４（Ｂ）に示すように、横孔３７は、下流側に若干傾斜して幅方向に延びている。具体的には、紙面右側に位置する横孔３７は、扇形領域３０３の切欠き部３１の上流側部分を横断するように半径方向に延びている。紙面左側に位置する横孔３７は、扇形領域３０４の切欠き部３２の上流側部分を横断するように半径方向に延びている。一例として、横孔３７とｙ軸とのなす角度θは、５°～１５°程度である。なお、横孔３７は、ｙ軸上を真っ直ぐ延びていてもよい。

【0044】

（添加剤供給手段）
本実施の形態に係る微細気泡発生器１は、図１に示すように、中心孔３０に挿入され、コマ部材３の固定手段を兼ねる流体供給管４をさらに備えている。流体供給管４は、流体供給ノズル５とともに添加剤供給手段を構成する。

【0045】

流体供給管４は、ケーシング２の底部２２および蓋部２３を貫通して上下方向に突出する。あるいは、底部２２および蓋部２３の一方のみを貫通してもよい。流体供給管４の上端に、流体供給ノズル５の一端が装着可能である。流体供給ノズル５の他端には、開度を調整可能なバルブ（図示せず）が設けられている。バルブを開状態とすると、流体供給ノズル５から流体供給管４に流体が供給される（吸引される）。バルブを全閉状態とすると、流体供給ノズル５から流体供給管４への流体供給が阻止される。

【0046】

図６に示されるように、流体供給管４は、たとえば、外周面にネジが切られた中空のボルトにより構成されている。流体供給管４の長手方向中央部には、コマ部材３の横孔３７に対応する位置に、貫通孔４１が設けられている。

【0047】

流体供給ノズル５から気体（空気、酸素ガス等）を供給する場合、バルブを開状態とすることで、気体が流体供給管４に吸引され、流体供給管４の貫通孔４１から横孔３７を通過して隙間１１へと引き込まれる。これにより、切欠き部３１，３２内の旋回流に気体が連行され、水に供給（添加）される。流体供給ノズル５から液体（添加剤）を供給する場合も同様である。微細気泡発生器１が「気体供給モード」で動作し、吸気方式を兼ねる場合、微細気泡発生器１は、酸素等を溶解した水を放出することができる。

【0048】

図６に示したように流体供給管４をボルトとすることで、次の手順で微細気泡発生器１を組み立てることができる。まず、流体供給管４の下端部をケーシング２の底部２２の貫通孔２２０に通して仮固定し、流体供給管４を中心孔３０に通すようにしてコマ部材３（図６において不図示）を円筒部２１の内部空間２０に挿入する。その状態で、蓋部２３の貫通孔２３０に流体供給管４の上端部を通すようにして、蓋部２３を円筒部２１の上端に装着する。最後に、ナット４２で締め付ける。これにより、コマ部材３は、円筒部２１と同軸に位置決めされ、底部２２と蓋部２３とに上下方向に挟持される。コマ部材３の上端面および下端面は、それぞれ蓋部２３の下面および底部２２の上面に面接触する。

【0049】

＜微細気泡発生方法＞
図３および図４を参照しながら、微細気泡発生器１による微細気泡発生方法について説明する。

【0050】

図３および図４（Ｂ）に示されるように、上流管９１から導入路２４に導入された水は、コマ部材３の上流側の円弧面に突き当たると、この円弧面に沿って幅方向（ｙ軸方向）両側に位置する円弧状の隙間１１へと分岐し、流速が高速化する。隙間１１に流入した水は、遠心力によりさらに速度を上げて下流側へ流れる。隙間１１に流入した水が、切欠き部３１，３２の上流側端縁Ｐ１を過ぎると、遠心力を伴ったまま、切欠き部３１，３２内に引き込まれ、高速の旋回流を発生する。隙間１１から切欠き部３１，３２へと流路が急激に拡大することにより、切欠き部３１，３２内において負圧が生じ、キャビテーションによる微細気泡が発生する。

【0051】

隙間１１から切欠き部３１，３２内へと水が引き込まれる際、下流側端縁Ｐ２を含む先鋭部３６の内側面（下流側円弧面３３２の端部）で水流を受けて、変形した円弧状凹面である内壁面３３に沿って水を流動させることにより、遠心力が生じる。したがって、切欠き部３１，３２の中心部付近を軸とする規則性のある、高速の旋回流が発生する。これにより、旋回流による気相分離を促進することができる。

【0052】

このように、本実施の形態によれば、コマ部材３に切欠き部３１，３２を設けることにより、キャビテーションと、無動力の旋回流とにより、効率良く微細気泡を発生させることができる。

【0053】

ここで、内壁面３３の形状に関し、図５（Ａ）に示したように、上流側の円弧面３３１の曲率半径が下流側の円弧面３３２の曲率半径よりも小さいので、切欠き部３１，３２に引き込まれた水がすぐに放出路２５へと放出されることを抑制できる。そのため、本実施の形態によれば、切欠き部３１，３２内において効率的に高速の旋回流を発生させることができる。その結果、切欠き部３１、３２においてナノスケールの微細気泡を発生させることができる。

【0054】

図７には、シミュレーションによる微細気泡発生器１内の流路の圧力分布が、水流とともに示されている。図７では、圧力の大小が、流跡矢印の濃淡で示されている。切欠き部３１，３２の部分で矢印が最も濃くなっており、この部分において飽和水蒸気圧以下の圧力が発生している。図７には、上流管９１から「３０５，４９２Ｐａ」の圧力で水を導入するケースにおける各部の圧力解析結果が数値で示されている。

【0055】

図８には、微細気泡発生器１内に生じる水流が、流跡線で示されている。図８に示されるように、切欠き部３１，３２の部分で柱状の旋回流が生じている。

【0056】

（比較例について）
本実施の形態におけるコマ部材３の作用効果を、比較例を用いて説明する。図９～図１１はそれぞれ比較例１～３に対応しており、各図において、（Ａ）に、コマ部材の形状、（Ｂ）に、解析条件を共通として圧力分析を行った際の流跡が示されている。また、図１２は、本実施の形態に係るコマ部材３を対象とし、図９～図１１（Ｂ）と同じ解析条件で圧力分析を行った際の流跡が示されている。なお、図９～図１２においては、流跡矢印の濃淡と圧力の大小とは一致していない。

【0057】

比較例１のコマ部材３Ａの切欠きパターンは、図９（Ａ）に示すように、切欠き部３１Ａ，３２Ａが、ｙ軸を跨ぐ位置に設けられたパターンである。つまり、紙面右側の２つの扇形領域３０２，３０３に跨がるように切欠き部３１Ａが設けられ、紙面左側の２つの扇形領域３０１，３０４に跨がるように切欠き部３２Ａが設けられている。また、切欠き部３１Ａ，３２Ａの各内壁面は１つの円弧面により形成されている。

【0058】

比較例２のコマ部材３Ｂの切欠きパターンは、図１０（Ａ）に示すように、切欠き部３１Ｂ，３２Ｂが、本実施の形態のコマ部材３と同様に扇形領域３０３，３０４に設けられているが、切欠き部３１Ｂ，３２Ｂの内壁面が１つの円弧面で形成されたパターンである。

【0059】

比較例３のコマ部材３Ｃの切欠きパターンは、図１１（Ａ）に示すように、切欠き部３１Ｃ，３２Ｃが、本実施の形態のコマ部材３と同様に扇形領域３０３，３０４に設けられているが、切欠き部３１Ｃ，３２Ｃの内壁面を構成する２つの円弧面の曲率半径の大小を、本実施の形態の切欠き部３１，３２における２つの円弧面３３１、３３２の曲率半径の大小と逆にしたパターンである。

【0060】

解析条件として、水の温度を２０℃とし、上流側圧力を「２７１，３２５Ｐａ」、飽和水蒸気圧を「２，３４０Ｐａ」とした。この条件で、各例についてシミュレーションを行うと、比較例１～３および実施例における最低圧力および旋回流圧力は、次の通りの結果となった。実施例は、本実施の形態のコマ部材３を使用した場合の解析例を示す。
・比較例１：最低圧力「５５，７９４Ｐａ」、旋回流圧力「約１６４，０００Ｐａ」
・比較例２：最低圧力「４９，２３６Ｐａ」、旋回流圧力「約５０，０００Ｐａ」
・比較例３：最低圧力「２８，４８１Ｐａ」、旋回流圧力「約３０，０００Ｐａ」
・実施例：最低圧力「－１９，７０７Ｐａ」、旋回流圧力「約１，３００～２２０００Ｐａ」

【0061】

上記のように、比較例１～３はいずれも飽和水蒸気圧に達していない。実施例のみが、飽和水蒸気圧に達している。この結果は、各例の流跡図からも想定可能となっている。たとえば図１０（Ｂ）に示す比較例２の切欠きパターンでは、実施例の切欠きパターンよりも旋回流の厚みが薄い。図１１（Ｂ）に示す比較例３の切欠きパターンでは、実施例の切欠きパターンよりも旋回流の指向性にバラツキがある。

【0062】

これらの比較結果から、本実施の形態におけるコマ部材３は、ナノスケールの微細気泡を発生させるために有効であることが分かる。なお、微細気泡発生器１の用途等に応じて、コマ部材の切欠きパターンを、比較例１～３のようなパターンとしてもよい。つまり、ケーシング２内に、上述のコマ部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃを取り付けてもよい。

【0063】

参考例として、図１３に、本実施の形態に係るコマ部材３を対象とし、添加剤供給手段を介して気体を取り込む「気体供給モード」で圧力分析を行った際の流跡を示す。この場合の最低圧力は「－２，０８３Ｐａ」、旋回流圧力は「約－２，０８４～１７，０００Ｐａ」となった。このことから、「気体供給モード」で微細気泡発生器１を作動させることにより、圧力回復を図ることが可能である。その結果、隙間１１での壊食を防止することができる。

【0064】

以上説明したように、本実施の形態に係る微細気泡発生器１は、ｘ軸方向に延びる上流管９１および下流管９２の間に位置し、ｙ軸方向に円弧状に膨出するケーシング２と、ケーシング２の内側面との間に、上流側から下流側に向かう水の高速流路となる隙間１１をあけて配置され、ｚ軸方向に延びる円柱形状のコマ部材３とを備えている。また、コマ部材３は、ｘ軸およびｙ軸で区画される４つの扇形領域３０１～３０４のうち、下流側に位置する２つの扇形領域３０３，３０４の外周部に、隙間１１を通過した水を引き込んで旋回流を発生させる切欠き部３１，３２を有している。

【0065】

本実施の形態によれば、ケーシング２内に、ケーシング２とは別体のコマ部材３を収容するだけの簡易な構成で、効率良く微細気泡を発生させることができる。また、その結果、コマ部材３の交換が容易になるので、様々な種類のコマ部材をケーシング２に取り付けることができる。また、微細気泡発生器１のメンテナンスを容易に行うこともできる。

【0066】

＜変形例１＞
本実施の形態では、上述のように、コマ部材３の切欠き部３１，３２の位置または形状を工夫することにより、切欠き部３１，３２内（負圧空間Ｓ１，Ｓ２）において高速の旋回流を発生させるようにしたが、旋回流の中心に気体（空気などのガス）を供給することで、より効率的に旋回流を発生させるようにしてもよい。つまり、キャビテーション方式と旋回液流方式とを組み合わせたハイブリッド方式によって微細気泡を発生させるようにしてもよい。

【0067】

図１４は、本実施の形態の変形例１に係る微細気泡発生器１Ａを示す斜視図であり、ケーシング２を想像線で示している。微細気泡発生器１Ａは、切欠き部３１，３２の中心部に上下方向の少なくとも一方から気体（ガス）を供給する気体供給管６を有している。気体供給管６は、旋回流の速度を向上させる速度向上手段を構成する。なお、切欠き部３１，３２の中心部は、切欠き部３１，３２の略Ｃ字状の内壁面３３（図４等参照）に沿う旋回流の中心位置またはその近傍の位置である。

【0068】

気体供給管６は、上下方向に沿って延び、対応の切欠き部３１，３２の中心部に気体を供給する。これにより、切欠き部３１，３２内における水の旋回速度をさらに向上させることができる。

【0069】

図１４では、上下の両方に２本ずつ気体供給管６が設けられている。この場合、図１５に示すように、ケーシング２の蓋部２３に気体供給管６を挿入するための小孔２３１が設けられる。ケーシング２の底部２２も同様である。

【0070】

＜変形例２＞
本実施の形態では、平面視におけるコマ部材３の概略形状が真円形状である例を示したが、このような例に限定されず、たとえば楕円形状であってもよい。この場合、図１６に示すように、楕円形状のコマ部材３Ａの長径ｄ４を円筒部２１の内径ｄ２（図３）と略同じ長さとし、コマ部材３Ａを回転可能にすることで、隙間１１を封鎖可能としてもよい。この場合の微細気泡発生器１Ａの構成例について、以下に説明する。

【0071】

図１７は、本変形例の微細気泡発生器１Ａの外観を示す図であり、（Ａ）は上方から見た斜視図、（Ｂ）は下方から見た斜視図である。図１８は、コマ部材３Ａを回転可能とするための構造例を示す図である。図１７（Ｂ）および図１８に示すように、コマ部材３Ａと底部２２Ａとが一体化されて、コマユニット７０が形成されている。底部２２Ａの外表面（下面）に、つまみ７１が設けられている。つまみ７１を回転させることにより、コマ部材３Ａを回転させることができる。

【0072】

コマ部材３Ａは、２つの切欠き部３１，３２が下流側に位置する作動状態（図１６（Ａ）の状態）における流れ方向（ｘ軸方向）が長径方向となり、作動状態における幅方向が短径方向となるように形成されている。したがって、図１６（Ａ）の作動状態のコマ部材３Ａを、つまみ７１を操作して９０°回転させることにより、図１６（Ｂ）に示すように、隙間１１を塞ぐ止水状態とすることができる。つまり、本変形例によれば、簡単な操作で、流路を開閉することができる。

【0073】

本件例においては、コマ部材３Ａがケーシング２内に回転可能に設けられているため、コマ部材３Ａの回転を防止するための回転防止手段が設けられていることが望ましい。回転防止手段の例については、図１９および図２０をさらに参照して説明する。図１９は、微細気泡発生器１Ａの平面図であり、ケーシング２の蓋部２３Ａを拡大して示す。図２０は、微細気泡発生器１Ａの縦断面図であり、図１９のＸＸ－ＸＸ線に沿って切断した断面を示す。

【0074】

回転防止手段は、たとえば、コマ部材３Ａの上面に設けられた凹部７２と、蓋部２３Ａを上下方向に貫通する第１および第２の挿入孔７３ａ，７３ｂと、第１および第２の挿入孔７３ａ，７３ｂに選択的に挿入され、先端部（下端部）が凹部７２に受け入れられるピン７４とを含む。凹部７２は、コマ部材３の長径方向の上流側端部（２つの扇形領域３０１，３０２の中間点）に設けられている。第１の挿入孔７３ａは、作動状態におけるコマ部材３Ａの凹部７２に対応する位置に設けられている。第２の挿入孔７３ｂは、止水状態におけるコマ部材３Ａの凹部７２に対応する位置に設けられている。つまり、第２の挿入孔７３ｂは、第１の挿入孔７３ａの位置を０°とすると、時計方向または反時計方向９０°の位置に設けられている。第２の挿入孔７３ｂは、時計方向および反時計方向の両方に個設けられていてもよい。

【0075】

なお、図１９には、変形例１で説明した気体供給管６が挿入される２つの貫通孔２３１が図示されている。

【0076】

＜他の変形例＞
本実施の形態では、ケーシング２の円筒部２１の平面形状が真円形状であることとしたが、たとえば楕円形状であってもよい。

【0077】

また、添加剤供給手段が必要ない形態においては、コマ部材３に中心孔３０および横孔３７が設けられていなくてもよい。

【0078】

また、コマ部材３は円柱形状であることが望ましいものの、ｚ軸方向に延在する柱状の部材であればよい。たとえばコマ部材の平面形状が多角形形状であってもよい。この場合においても、旋回流を発生させる切欠き部が、ｙ軸よりも下流側に位置する領域の外周部に設けられていればよい。なお、コマ部材が円柱形状ではない場合、たとえばｙ軸上の線分長さを、コマ部材の「直径（ｄ１）」と読み替えてもよいし、多角形形状の場合、たとえば対角線の最大長さをコマ部材の「直径（ｄ１）」と読み替えてもよい。

【0079】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0080】

１，１Ａ 微細気泡発生器、２ ケーシング、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ コマ部材、４ 流体供給管、５ 流体供給ノズル、６ 気体供給管、１１ 隙間、２０ 内部空間、２１ 円筒部、２２，２２Ａ 底部、２３，２３Ａ 蓋部、２４ 導入路、２５ 放出路、３０ 中心孔、３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 切欠き部、３３，３４ 内壁面、３７ 横孔、９１ 上流管、９２ 下流管、３０１，３０２，３０３，３０４ 扇形領域、３３１，３３２ 円弧面、３３３ 接続面、Ｐ１ 上流側端縁、Ｐ２ 下流側端縁、ｒ１，ｒ２ 曲率半径。

【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18】

【図19】

【図20】