JP5807783B2 - 微細気泡発生装置および旋回流形成体 - Google Patents

Description

本発明は、旋回流を利用して気液混合を行い液中に微細気泡を発生させる微細気泡発生装置に関する。

マイクロバブルなどの微細気泡を液中に発生させる方式として気液二相高速旋回方式が知られている。気液二相高速旋回方式では、ノズル内の円筒面に沿って液体を高速旋回させてノズル中心（軸心に沿って）に負圧を発生させる。そして、この負圧によりノズル内に気体を導入し高速旋回する気液二相旋回流を形成する。この旋回流を軸心に沿って縮流し、ノズル出口から開放することにより気液二相流体をせん断し微細気泡を発生させる（例えば特許文献１参照）。

特許文献１の微細気泡発生装置では、高圧の液体を、螺旋状液体導入路を通してノズル内の気液混合空間に導き、これにより気液混合空間の円筒内周面に沿う螺旋状の高速旋回流を形成する。螺旋状液体導入路は、外周に螺旋状羽根が設けられた円柱状の中央固体部をノズル本体の円筒部に嵌め合わせることで形成される。

液体は中央固体部上方に設けられる液体導入路を通して螺旋状液体導入路へと導かれる。一方、気体は中央固体部の中心軸に沿って形成された通気孔に接続されたパイプを通して供給されるためパイプは液体導入路内に配置される。液体導入路と気体導入路は分離される必要があるが、これはパイプの組み付け等の問題から、パイプを直進させて液体導入路を略直角に曲げることで達成される。

特開２００８−１１４２０５号公報

しかし、特許文献１の構成では、液体導入路が略直角に曲がっているため、この部分で圧力損失が発生し高圧での液体供給に不利である。また、直進するパイプが液体導入路の壁面を通り抜ける部分に高圧液体の液漏れを防止するシール構造を設ける必要があり、そのための加工や部品が必要となる。更に、液体導入路が屈曲していると液体導入路を通して中央固体部を組み付けできないので、ノズル本体を中央固体部が嵌装される先端部と、屈曲した液体導入路が形成される基端部に分離する必要がある。

本発明は、液体の圧力損失が低減されるとともに部品点数が少ない気液二相高速旋回方式を用いた微細気泡発生装置を提供することを課題としている。

本発明の旋回通路形成体は、螺旋通路を通して加圧された液体をノズル内の気液混合空間に供給し旋回流を発生させ、旋回流により発生する負圧を用いて気体を気液混合空間に導き入れることで気液二相旋回流を形成し、気液二相旋回流をノズルから噴出することにより気液二相流体をせん断し微細気泡を発生する微細気泡発生装置に装着される旋回通路形成体であって、円筒部を有する本体と、円筒部と同軸的な円筒内周面を有する外周部と、本体と外周部の間に形成される螺旋スロープと、螺旋スロープの始端部において円筒部と外周部の間を連絡する肉厚部と、円筒部の中心軸に沿って形成される第１気体通路と、肉厚部内を通って第１気体通路を外周部の外側へと連絡する第２気体通路とを備えたことを特徴としている。

外周部は円筒状の外周面を有することが好ましく、外周面の周方向に沿って一対の円環状突起部が形成され、第２気体通路の開口部が一対の円環状突起部の間に形成されることが好ましい。安定した旋回流を形成するには螺旋スロープは複数設けられることが好ましく、射出成形上の観点からは、複数の螺旋スロープ同士が中心軸方向に重ならないことが好ましい。また外周部の円筒内周面における螺旋スロープの始端部が軸方向にまで立ち上げられ、この始端部に対応する位置に、例えば円筒軸に沿って延在するチューブ位置決めのための梁部が形成される。

本発明の微細気泡発生装置は、上記旋回流形成体が装着される微細気泡発生装置であって、旋回流形成体が嵌挿される旋回流形成体収容空間に横穴が設けられ、旋回流形成体装着時、横穴が第２気体通路へと接続されることを特徴としている。

旋回流形成体の外周部は円筒状の外周面を有することが好ましく、外周面の周方向に沿って一対の円環状突起部が形成され、第２気体通路の開口部が一対の円環状突起部の間に形成され、横穴が一対の円環状突起部の間に配置されることが好ましい。これにより、環状突起部の間に気体通路を形成し、旋回流形成体の回転方向の位置と横穴の位置を任意に設定することが可能となる。また、一対の円環状突起部に挟まれて形成される環状空間の外側に円環状突起部に隣接してＯリングがそれぞれ配置される。

本発明によれば、液体の圧力損失が低減されるとともに部品点数が少ない気液二相高速旋回方式を用いた微細気泡発生装置を提供することができる。

本実施形態の微細気泡発生装置の部分断面図である。 本実施形態の旋回流形成体の側面図である。 旋回流形成体の平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った旋回流形成体の断面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った旋回流形成体の部分断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った旋回流形成体の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である微細気泡発生装置の構成を示す部分断面図である。

微細気泡発生装置１０の本体１１には、例えば図１のＸ１軸に沿って縦通する穴１２が設けられる。穴１２には例えばＸ１軸に直交するＹ軸に沿って本体１１の外部へと連通する横穴１３が設けられる。また、横穴１３には例えばＹ軸に直交するＸ２軸に沿って本体１１の外部へと連通する穴１４が設けられる。なお、本実施形態においてＸ１、Ｘ２軸は平行に配置されるがこれに限定されるものではなく、Ｘ１、Ｘ２軸は捩れの関係にあってもよい。

穴１２の一方の端部（図１の左側）は、微細気泡発生装置１０のノズル１５の気液混合空間１６を構成する。気液混合空間１６は例えば円筒空間として構成され、その先端開口部は一度縮径された後、拡径される形状を呈する。気液混合空間１６内には、後述するようにその内周面に沿って高圧の液体が噴出され、液体は高速で旋回しながらノズル先端へと向かう。気液混合空間１６の中心には、この高速旋回流によってＸ１軸に沿った負圧が発生し、この負圧により誘導される気体が気液混合空間１６に供給され、気液二相旋回流が形成される。気液二相旋回流はノズル１５の先端から噴出され、その際気液二相流体がせん断されて微細気泡が発生する。

一方、穴１２の他端（ノズル１５とは反対側）には液体供給部１７が設けられる。液体供給部１７は上述した液体を外部から穴１２内に供給する部分である。本実施形態で液体は例えば可撓チューブ（不図示）を用いて供給され、液体供給部１７には例えばプッシュイン継手などのチューブ継手が採用される。なお、液体はパイプを通して供給されてもよく、継手には目的や使用条件に応じて従来周知の様々な流体継手を使用できる。

穴１２においてノズル１５と液体供給部１７の間には、旋回流形成体１８を収容するための例えば円筒形の旋回流形成体収容空間１９が設けられる。旋回流形成体収容空間１９の内径は気液混合空間１６の内径よりも大きく、両空間は円錐台形を呈する円錐台形空間２０によって接続される。

旋回流形成体１８は、液体供給部１７から供給される高圧液体を気液混合空間１６の内周に沿って噴出にするとともに、気体を気液混合空間１６の中心へと導くための部材であり、中央に配置される本体１８０と、その周囲を取り囲む例えば略円筒形の外周部１８１を備える。本体１８０は、円筒部１８２と同軸的に延出する切頭円錐台形状の台形部１８３とから構成される。すなわち旋回流形成体１８が旋回流形成体収容空間１９に配置されると、台形部１８３は、円錐台形空間２０内に延出され、台形部１８３の外周面と円錐台形空間２０の内周面の間には隙間が形成される。

旋回流形成体収容空間１９の内径は、円錐台形空間２０の台形底面の内径よりも大きく、両空間１９、２０の接続部には段部２１が形成される。すなわち組立ての際、旋回流形成体１８が液体供給部１７側から穴１２内に嵌挿されるとき、旋回流形成体１８が適正な位置に達すると外周部１８１の先端が段部２１に当接し、旋回流形成体１８のＸ１軸方向への移動が規制される。その後、液体供給部１７に流体継手が組み付けられると、外周部１８１の他端に流体継手の部品（例えばバックリング）が当接される。すなわち、旋回流形成体１８は、段部２１と液体供給部１７の間に挟まれ、そのＸ１軸方向の位置が固定される。

外周部１８１の外周面には、周方向に沿って延在する突起部１８４、１８５が一対設けられる。突起部１８４、１８５における外径は、旋回流形成体収容空間１９の内径に略等しく設定される。すなわち、外周部１８１と旋回流形成体収容空間１９の内周面の間には、突起１８４、１８５によって挟まれる円環状の空間２２が形成される。また、突起１８４、１８５の外側（円環状空間２２の外側）には、それぞれの突起に密接してＯリング２５、２６が配置され、円環状空間２２が気密的に維持される。なお、Ｏリング２５、２６の位置ズレを防止するために、Ｏリングが配置される位置の外周面を溝状に形成してもよい。

横穴１３は、この円環状空間２２に対応する位置に形成され、円環状空間２２は横穴１３とともに気体通路を構成する。横穴１３には供給される気体の流量を制御するため、例えばニードルスクリュウ２７などを用いた流量調整機構２３が設けられる。また本実施形態では、Ｘ２軸に沿った穴１４に気体供給部２４が設けられる。気体供給部２４にも例えばプッシュイン継手などの流体継手が設けられ、可撓チューブ（不図示）が接続されて気体が微細気泡発生装置１０へ供給される。すなわち、穴１４、横穴１３を通して円環状空間２２に気体の供給が可能であり、ニードルスクリュウの位置を調整することで流路面積が制御され気体の流量が調整される。

旋回流形成体１８には、後で詳述するように突起１８４、１８５の間の外周面から台形部１８３の頂面中央部までを連通する気体通路が設けられる。すなわち、気液混合空間１６は、台形部１８３の頂面中央に設けられた気体通路を通して円環状空間２２へと連通され、円環状空間２２は、横穴１３、穴１４を介して気体供給部２４へと連通される。

次に、図２〜図５を参照して本実施形態の旋回流形成体１８のより詳細な構造について説明する。図２は、旋回流形成体１８の測面図であり、図３は図２のIII方向からの平面図である。また、図４は図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図５、図６は、図４のＶ方向、VI方向からの本体１８０の矢視図である。なお、図５、６において外周部１８１は断面図で示される。

図３〜図６に示されるように、旋回流形成体１８の円筒部１８２と外周部１８１の間には、複数の螺旋スロープが設けられ、円筒部１８２と外周部１８１は螺旋スロープによって連絡される。本実施形態では一対の螺旋スロープ１８６、１８７が設けられ、螺旋スロープ１８６、１８７は、例えばそれぞれ円筒部１８２の周り略１８０°に亘り、５°〜４５°の傾斜角で設けられる。液体供給部１７から供給される高圧液体は、外周部１８１の内側を通って、この螺旋スロープ１８６、１８７にまで達し、螺旋スロープ１８６、１８７に沿って円錐台形空間２０へと噴出される。なお螺旋スロープ１８６、１８７の始端部（上流側）１８６Ａ、１８７Ａは略軸方向にまで立ち上げられている。

本実施形態では、複数の螺旋スロープのうちの少なくとも１つの始端部を利用して気体通路を本体１８０から外周部１８１側へと連通する。例えば、本実施形態では始端部１８６Ａが肉厚部として形成され、その内部に気体通路が形成される。図３〜図５に示されるように、気体通路は例えば旋回流形成体１８の本体１８０（円筒部１８２、台形部１８３）の中心軸に沿った第１気体通路１８８と、肉厚部（始端部１８６Ａ）内を通って第１気体通路１８８を外周部１８１の外周面へまで連通する第２気体通路１８９とから構成される。

また、外周部１８１の内周面には、始端部１８６Ａ、１８７Ａの各々から円筒軸方向に沿って延在する梁１９０、１９１が形成される。梁１９０、１９１は、外周部１８１の内周面に沿って所定高さまで延出し、その先端は液体供給部１７に装着される可撓チューブ（不図示）の先端に当接してチューブの位置決めを行う。また、図３に示されるように、外周部１８１の外周面の一部に面取り部（１９２）を設け、旋回流形成体１８を旋回流形成体収容空間１９へ装着する際に回転方向の位置決めに用いることも可能である。

以上のように、本実施形態によれば高圧の液体を液体供給部から真直ぐに旋回流形成体へ供給できるので液体の圧力損失を低減させることができる。また気体を旋回流形成体収容空間に設けた横穴から供給することで気体供給路と液体供給路を旋回流形成体の位置で分岐することができるため、その構成が極めて簡略になり部品点数が大幅に低減できる。

また、微細気泡発生装置内への旋回流形成体の組み付けの際、旋回流形成体を液体供給部側から嵌挿できるので、従来のようにノズル先端を別体としてノズル側から旋回流形成体を装着する必要がなく、構造をより簡略にすることができる。

更に、本実施形態では、旋回流形成体の外周部に一対の円環状の突起部を設け、旋回流形成体の気体通路（第２気体通路）の開口部をこれら突起部の間に設けるとともに、両突起部に沿ってＯリングを配置し、旋回流形成体収容空間の内周面との圧接により突起部の間に形成される空間の気密性を維持するため、極めて簡略な構成で気密性の維持が可能となる。また、これにより気体供給部から続く横穴は、突起部の間に形成される円環状の空間内に対応した位置に設ければよいので加工上の許容誤差も拡大され、組み付け時における旋回流形成体の回転方向の位置決めも容易になる。

なお、本実施形態では、螺旋スロープが一対であったためスロープ範囲が略１８０°（実際には肉厚部や梁の分狭い）とされたが、これは螺旋スロープを軸方向に重ならないようにするためのもので、螺旋スロープの数がｎのときは、螺旋スロープの範囲は３６０°／ｎよりも狭くすればよい。

また、本実施形態において、旋回流形成体の本体（円筒部、台形部）、螺旋スロープ、肉厚部、梁、外周部、突起部、第１気体通路、第２気体通路は、射出成形により一体的に形成される。

１０ 微細気泡発生装置
１１ 微細気泡発生装置本体
１２ 穴
１３ 横穴
１４ 穴
１５ ノズル
１６ 気液混合空間
１７ 液体供給部
１８ 旋回流形成体
１９ 旋回流形成体収容空間
２０ 円錐台形空間
２１ 段部
２２ 円環状空間
２３ 流量調整機構
２５、２６ Ｏリング
１８０ 旋回流形成体本体
１８１ 外周部
１８２ 円筒部
１８３ 台形部
１８４、１８５ 突起部
１８６、１８７ 螺旋スロープ
１８８ 第１気体通路
１８９ 第２気体通路
１９０、１９１ 梁

Claims (7)

1. 螺旋通路を通して加圧された液体をノズル内の気液混合空間に供給し旋回流を発生させ、前記旋回流により発生する負圧を用いて気体を前記気液混合空間に導き入れることで気液二相旋回流を形成し、前記気液二相旋回流を前記ノズルから噴出することにより気液二相流体をせん断し微細気泡を発生する微細気泡発生装置に設けられる収容空間に嵌装され前記螺旋通路を形成する旋回流形成体であって、
   円筒部を有する本体と、
   前記円筒部と同軸的な円筒内周面を有する外周部と、
   前記本体と前記外周部の間に形成される螺旋スロープと、
   前記螺旋スロープの始端部において前記円筒部と前記外周部の間を連絡する肉厚部と、
   前記円筒部の中心軸に沿って形成される第１気体通路と、
   前記肉厚部内を通って前記第１気体通路を前記外周部の外側へと連絡する第２気体通路と
   を備えることを特徴とする旋回流形成体。
2. 前記外周部が円筒状の外周面を有し、前記外周面の周方向に沿って一対の円環状突起部が形成され、前記第２気体通路の開口部が前記一対の円環状突起部の間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の旋回流形成体。
3. 前記螺旋スロープが複数設けられ、前記複数の螺旋スロープ同士が前記中心軸方向に重ならないことを特徴とする請求項１に記載の旋回流形成体。
4. 前記螺旋スロープの始端部が前記外周部の円筒軸に沿って立ち上げられ、前記始端部から前記円筒軸に沿って延在する梁部が前記外周部の円筒内周面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の旋回流形成体。
5. 請求項１に記載の旋回流形成体が装着される微細気泡発生装置であって、前記旋回流形成体が嵌挿される旋回流形成体収容空間に横穴が設けられ、前記旋回流形成体装着時、前記横穴が前記第２気体通路へと接続されることを特徴とする微細気泡発生装置。
6. 旋回流形成体の前記外周部が円筒状の外周面を有し、前記外周面の周方向に沿って一対の円環状突起部が形成され、前記第２気体通路の開口部が前記一対の円環状突起部の間に形成され、前記横穴が前記一対の円環状突起部の間に配置されることを特徴とする請求項５に記載の微細気泡発生装置。
7. 前記一対の円環状突起部に挟まれて形成される環状空間の外側に前記円環状突起部に隣接してＯリングがそれぞれ配置されることを特徴とすることを特徴とする請求項６に記載の微細気泡発生装置。

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