(57)【要約】【課題】微細気泡生成装置の駆動に要する圧力を低減させ、ファインバブルやウルトラファインバブルの気泡濃度を増大させる。【解決手段】微細気泡生成装置は、内部を液体が流れる主流路と、主流路へ気体を導入する給気路とを備える。主流路は、下流に向かってその内径が縮小する縮径部と、当該縮径部の下流側に設けられ、給気路と接続された混合室と、当該混合室の下流側に設けられ、下流に向かってその内径が拡大する拡径部と、拡径部の下流側に設けられ、板厚の方向に貫通する貫通孔を有する整流板と、整流板の下流側に設けられ、液体と気体とを混合させた気液二層流を通過させる網目状のメッシュ部材とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を液体が流れる主流路と、
前記主流路へ気体を導入する給気路と、
を備え、
前記主流路は、
下流に向かってその内径が縮小する縮径部と、
当該縮径部の下流側に設けられ、前記給気路と接続される混合室と、
当該混合室の下流側に設けられ、下流に向かってその内径が拡大する拡径部と、
前記拡径部の下流側に設けられ、板厚の方向に貫通する貫通孔を有する整流板と、
前記整流板の下流側に設けられ、前記液体と前記気体とを混合させた気液二層流を通過させる網目状のメッシュ部材と、
を備える
微細気泡生成装置。
【請求項２】
前記主流路は、前記整流板よりも下流側の側面に、前記整流板又は前記メッシュ部材を逆洗するための流体を供給可能な給液口を備える
請求項１に記載の微細気泡生成装置。
【請求項３】
前記主流路は、前記メッシュ部材の下流側において屈曲する屈曲部を備える
請求項１又は２に記載の微細気泡生成装置。
【請求項４】
前記整流板と前記メッシュ部材とを備えるスペーサをさらに有し、
当該スペーサは、前記微細気泡生成装置の内部に挿入される内筒に保持され、所定の位置に配設される
請求項１から３のいずれか一項に記載の微細気泡生成装置。
【請求項５】
前記メッシュ部材は、所定の目開きの第１の金網と第１の金網よりも目の粗い第２の金網とを重ねて形成される
請求項１から４のいずれか一項に記載の微細気泡生成装置。
【請求項６】
前記縮径部の下流端の最小径部分の断面積と、前記整流板が有する貫通孔の総面積との比は、１対２から１対２．５である
請求項１から５のいずれか一項に記載の微細気泡生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細気泡生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、いわゆるファインバブルと呼ばれる微小な気泡を生成する様々な技術が提案されている。例えば、液体が流れる主流路と、主流路に気体を導入する給気路とを備える微細気泡生成装置が提案されている（特許文献１）。詳細には、主流路は、周囲よりも内径が小さくなった絞り部と、当該絞り部の下流側に設けられ、液体の液流へ気体を誘導する吸い込み室とを備え、給気路は、吸い込み室と連通する給気孔を備え、給気孔は、微細気泡生成装置の縦断面視において液体の流れる方向に向かって角度をつけて吸い込み室と接続され、且つ気体の導入により主流路においてらせん状の旋回流を生成するように給気孔の中心軸と主流路の中心軸とが交わらないように配置され、吸い込み室は、主流路の下流側に向けてその壁面の内径が徐々に小さくなり、当該壁面に給気孔が連通する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６１６９７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の技術では、比較的高い駆動圧力を要するものの気泡濃度はそれほど高くない。そこで、本技術は、微細気泡生成装置の駆動に要する圧力を低減させ、気泡濃度を増大させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る微細気泡生成装置は、内部を液体が流れる主流路と、主流路へ気体を導入する給気路とを備える。主流路は、下流に向かってその内径が縮小する縮径部と、当該縮径部の下流側に設けられ、給気路と接続される混合室と、当該混合室の下流側に設けられ、下流に向かってその内径が拡大する拡径部と、拡径部の下流側に設けられ、板厚の方向に貫通する貫通孔を有する整流板と、整流板の下流側に設けられ、上述した液体と気体とを混合させた気液二層流を通過させる網目状のメッシュ部材とを備える。
【０００６】
このようにすれば、縮径部により内圧を低下させた後に混合室において給気孔から気体を自吸させ得ると共に、整流板及びメッシュ部材を通過させることで気泡をせん断し、ファインバブルを生成することができる。したがって他のせん断構造の装置と比較し、微細気泡生成装置の駆動に要する圧力を低減させ、気泡濃度を増大させることができるようになる。
【０００７】
また、主流路は、整流板よりも下流側の側面に、整流板又はメッシュ部材を逆洗するための流体を供給可能な給液口を備えるようにしてもよい。使用により、整流板やメッシュ部材に異物が蓄積した場合、逆洗をするための流路を設けることでメンテナンスが容易になる。
【０００８】
また、主流路は、メッシュ部材の下流側において屈曲する屈曲部を備えるようにしてもよい。例えば大気中で微細気泡生成装置を使用し、ファインバブルを含有する液体を水平方向に吐出させる場合、主流路がメッシュ部材を略水平に通過するときは、出口からメッシュ部材の鉛直上方空気が入り、ファインバブルの発生を阻害する。そこで、例えば主流
路がメッシュ部材を略鉛直に通過するようにして、主流路を屈曲させることで、気中でも使用できるようになる。
【０００９】
また、整流板とメッシュ部材とを備えるスペーサをさらに有し、当該スペーサは、微細気泡生成装置の内部に挿入される内筒に保持され、所定の位置に配設されるようにしてもよい。このようにすれば、内筒を引き抜くことで、整流板及びメッシュ部材を備えるスペーサを容易に交換できるようになる。
【００１０】
また、メッシュ部材は、所定の目開きの第１の金網と第１の金網よりも目の粗い第２の金網とを重ねて形成されるようにしてもよい。このようにすれば、網目の大きさの度合いを調節し、バブルを微細化することができる。また、金網の重ね合わせにより強度を向上させ、液流による網目の変形を抑制することができる。
【００１１】
また、前記縮径部の下流端の最小径部分の断面積と、整流板が有する貫通孔の総面積との比は、１対２から１対２．５であってもよい。例えば比が大きい場合、整流板の流体抵抗が大きくなるため吸気孔付近の内圧が大気圧よりも大きくなり、外気を自吸することができなくなる。また、比が小さい場合、整流板の流体抵抗が小さくなり、整流板手前の圧力が低く、液体への空気の溶解度が低くなる。したがって、上述のような比が望ましい。
【００１２】
なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００１３】
微細気泡生成装置の駆動に要する圧力を低減させ、ファインバブルの濃度を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】微細気泡生成装置の一例を示す斜視図である。
【図２】微細気泡生成装置の一例を示す分解斜視図である。
【図３】気泡生成部及び内筒の一例を示す内部透過分解斜視図である。
【図４】別の角度から気泡生成部及び内筒を表す内部透過分解斜視図である。
【図５】微細気泡生成装置の主流路の略中心に沿って切断した例を示す断面図
【図６】微細気泡生成装置の使用例を表す図である。
【図７】主流路の内圧のシミュレーション結果を示す図である
【図８】微細気泡生成装置によって生成されるバブルの粒子径の分布を示す図である。
【図９】微細気泡生成装置によって生成されるバブルの粒子径の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本実施形態に係る微細気泡生成装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
本実施形態においては、直径１００μｍ以下の気泡を「ファインバブル」と総称する。そして、ファインバブルのうち、直径１〜１００μｍのものを「マイクロバブル」と呼び、直径１μｍ以下のものを「ウルトラファインバブル（ナノバブル）」と呼ぶものとする。マイクロバブルは気泡としては目視できず、水中においては白濁として認識される。また、ウルトラファインバブルは、目視では確認できない大きさの気泡である。また、直径１００μｍ以上の気泡は、すぐに拡大しつつ浮上し、水面で破裂する性質がある。一方、直径６μｍ〜１００μｍの気泡は、表面張力により収縮しながら約数ｍｍ／ｓ〜数十μｍ／ｓ程度の速度で浮上し、収縮に伴い内部の気体を水中に溶解させ消滅する。
【００１７】
本実施形態に係る装置は、主としてマイクロバブルを生成する。ただし、ウルトラファインバブルの生成を除外するものではなく、本実施形態に係る装置は、ウルトラファインバブルを含むファインバブルを生成するものであってもよい。また、ファインバブルを、本発明に係る「微細気泡」とも呼ぶものとする。
【００１８】
＜構成＞
図１は、本実施形態に係る微細気泡生成装置１の一例を示す斜視図である。微細気泡生成装置１は、主流路を通過する水等の液体に、吸気口から取り入れる気体を混合させ、微細気泡を含む液体を放出するファインバブル生成ノズルである。以下、主流路に水が導入され、吸気口からは空気が吸引されるものとして説明する。水はポンプ等を接続して圧送するようにしてもよいし、水道と連結して送水されるようにしてもよい。また、空気は、後述するようにベンチュリ効果と急拡大時のコーナー渦効果の両効果により自吸されるもので、圧送する必要なく吸引される構造になっている。そして、微細気泡生成装置１内において水と空気が混合されると共に、ファインバブルが生成され、ファインバブルを含有する水が噴射される。
【００１９】
図２は、微細気泡生成装置１の一例を示す分解斜視図である。微細気泡生成装置１は、ベンチュリ管１１と、拡径部材１２と、ガスケット１３と、外筒１４と、気泡生成部１５と、内筒１６と、ガスケット１７と、蓋部材１８と、ボルト１９１と、ナット１９２とを備える。
【００２０】
図３は、気泡生成部１５及び内筒１６の一例を示す内部透過分解斜視図である。図４は、別の角度から気泡生成部１５及び内筒１６を表す内部透過分解斜視図である。気泡生成部１５は、スペーサ１５１と、整流板１５２と、メッシュ部材１５３とを備える。スペーサ１５１は、円筒形状の部材であり、両端の開口部分に整流板１５２及びメッシュ部材１５３を備える。また、スペーサ１５１の内部は中空であり、主流路の一部を形成する。また、スペーサ１５１の側面には、例えば対向する２か所に逆洗用の液体を導入するための逆洗用貫通孔１５１１及び逆洗用の液体を放出するための逆洗用貫通孔１５１２が設けられている。また、スペーサ１５１の内径は、一端側において整流板１５２の外径とほぼ同じであり、他端側においてメッシュ部材１５３の外径とほぼ同じである。また、スペーサ１５１の中央部分には、内径が両端部よりも小さい段差部１５１３を有する。整流板１５２は、円板状の部材であり、板厚方向に貫通する貫通孔１５２１が複数設けられている。本実施形態では、直径０．８ｍｍの円形の貫通孔を３２個設けた。整流板１５２は、主流路を流れる水を整流する。メッシュ部材１５３は、円板状の部材であり、その中央部には、所定の大きさの線径及び目開きになった、例えばステンレス製の金網を有する。また、メッシュ部材１５３は、金網を複数重ねた構造であってもよい。例えば２つの目の細かい金網と１つの目の粗い金網を含む構造など、目の粗さの異なる金網を重ねた構造にする。本実施形態では、上流側から順に３００メッシュの金網、３００メッシュの金網、８０メッシュの金網の３枚を重ねる構造とした。このようにすれば、網目を通過する流体中の気泡が小さい網の目開きにより段階的に分裂し、微細気泡化し、その量を増すとともに金網通過時の流体摩擦（せん断応力）により気泡は負の帯電をも強める。その反面、重ね合わせることにより、実質的な流通開口率は小さくなるため、金網の流体抵抗が増す。しかし、重ね合わせにより網の強度も保たれる。したがって、比較的強度の小さい目の細かい金網に生じる、液流による変形を低減させることができる。３００メッシュの金網は、１枚よりも２枚の方が気泡濃度は増大する。ただし、枚数が増えるほど実質的な開口率は小さくなり、メッシュ数も増えると考えられるが、３枚以上の場合は気泡濃度を増大させる効果は小さかった。なお、３００メッシュには限定されず、１００メッシュから５００メッシュの金網を採用することができる。なお、気泡濃度を増大させる効果と金網の強度とのバランスという観点で、２００メッシュから４００メッシュの金網がより好ましい。また
、整流板１５２とメッシュ部材１５３との距離は任意であるが、近すぎるとファインバブルを生成する効果が著しく低減する。
【００２１】
内筒１６も、円筒形状の部材であり、主流路の一部を形成する。また、内筒１６の一端側の内径は、気泡生成部１５の外径とほぼ同じであり、内筒１６の内部に気泡生成部１５を収容できる。また、内筒１６と気泡生成部１５とは、液濡れによる摩擦で接続され、気泡生成部１５は所定の向きで内筒１６の内部に取り付けられる。なお、気泡生成部１５の外周にシールテープ等の接続部材を付加し、内筒１６との接続を確実にしてもよい。内筒１６の他端側の側面には、主流路の出口となる吐出口１６１が設けられている。また、内筒１６の側面には、３つの逆洗用貫通孔１６２〜１６４が設けられている。逆洗用貫通孔１６３及び逆洗用貫通孔１６４は、内筒１６の上述した一端側に設けられ、それぞれスペーサ１５１の逆洗用貫通孔１５１１及び逆洗用貫通孔１５１２とつながるようになっている。内筒１６の他端側は、上述した一端側よりもその内径が小さい段差部１６５が設けられている。
【００２２】
微細気泡生成装置１は、主として例えばステンレス鋼のような金属、その他の材料を用いて形成することができる。また、ガスケット１３、スペーサ１５１、ガスケット１７等は樹脂により形成することができる。
【００２３】
図５は、微細気泡生成装置１の主流路の略中心に沿って切断した例を示す断面図である。太い矢印は、主流路への水の入口及び出口を示している。ベンチュリ管１１の内部には、断面積が略一定であって水が流入する給液部１１１と、断面積が徐々に縮小する縮径部１１２と、断面積が最小であって略一定の小径部１１３と、断面積が小径部１１３よりも広がると共に空気と水とを混合する混合室１１６と、混合室１１６よりも徐々に拡大する拡径部１１７とが設けられている。縮径部１１２において内部を通過する水の流速が上昇すると共に圧力が低下し、小径部１１３において最も流速が早くなると共に圧力が最も低下する。なお、圧力が飽和蒸気圧以下に低下すると、溶解していた空気の遊離によってキャビテーション気泡が生じる。また、混合室１１６のコーナー部には吸気口が設けられており、給気管と接続される管接続部材１１４が接続されている。管接続部材１１４の内部には給気路１１５が設けられており、給気路１１５を通じて混合室１１６へ空気を供給する。混合室１１６においてはベンチュリ及びコーナー渦の効果によって負圧が生じ、給気路１１５から例えば外気が吸引される。
【００２４】
拡径部材１２の内部には、ベンチュリ管１１の拡径部１１７よりも断面積が縮小すると共に断面積が略一定のスロート部１２１と、断面積が徐々に拡大するディフューザ部１２２とが設けられている。スロート部１２１では、内圧が混合室１１６よりも上昇し、主流路を流れる水と吸引された空気とが混合され、気・液二層流体となる。また、ディフューザ部１２２の側面には、逆洗用の液体の出口となる開口が設けられており、逆洗用の液体が流れる排水管を接続するための管接続部材１２３が接続されている。
【００２５】
気泡生成部１５の内部には、整流された流体が流れる、断面積が略一定の空間１５４が設けられている。空間１５４には整流板１５２の貫通孔１５２１を通過した流体が流入し、空間１５４からはメッシュ部材１５３のメッシュ部１５３１を通過して流体が流出する。整流板１５２の貫通孔１５２１を流体が通過する時流速は増し内圧が低下するため、気泡は分裂し微細化される。また、メッシュ部材１５３を通過することで、流体中の気泡がせん断され、ファインバブルが生成される。また、２つの逆洗用貫通孔１５１１、内筒１６の逆洗用貫通孔１６３及び１６４、並びに外筒１４に設けられた開口は、互いに対応する位置に設けられている。そして、外筒１４に設けられた開口に接続される管接続部材１４２及び１４３を通じて逆洗用の液体が空間１５４へ流入したり、空間１５４から流出したりする。
【００２６】
内筒１６及び蓋部材１８によって形成される空間には、主流路の向きを略９０度変え、流体を吐出口１６１から流出させる流路屈曲部１６６が設けられる。また、外筒１４は、吐出口１６１から流出する流体を外部へ放出する吐出部１４１を有する。ここで、主流路を出口まで一直線にした場合、気中で微細気泡生成装置１を使用するときは、出口からメッシュ部材１５３の鉛直上方に空気が入り、ファインバブルの発生を阻害する。流路屈曲部１６６を設けることで、メッシュ部材１５３をすべて水中に浸漬させることができ、微細気泡生成装置１を気中でも使用できるようになる。
【００２７】
図６は、微細気泡生成装置１の使用例を示す図である。図６の例では、微細気泡生成装置１は水面よりも上方に位置し、給水管２から水が導入される。また、図６の例では給気管３から空気が供給されているが、開口のみであってもよい。なお、微細気泡生成装置１は、水槽４の水中で使用することもできる。また、水中で使用する場合は、流路屈曲部１６６を設けず、主流路を一直線状にしてもよい。
【００２８】
図７は、主流路の内圧のシミュレーション結果を示す図である。図７は、縦軸が絶対圧（ＭＰａ）を表し、横軸が微細気泡生成装置１の主流路の入口から出口までの距離を表す。また、図７の例は、ベンチュリ管１１の吸気用の開口を閉塞し、入口には絶対圧０．３ＭＰａの水を導入する例である。また、二重線のグラフは、小径部１１３の断面積と、整流板１５２に設けられる貫通孔１５２１の断面積との比が、１対１．４の例である。実線のグラフは、小径部１１３の断面積と、整流板１５２に設けられる貫通孔１５２１の断面積との比が、１対２．２の例である。破線のグラフは、小径部１１３の断面積と、整流板１５２に設けられる貫通孔１５２１の断面積との比が、１対４の例である。比が大きい場合、貫通孔１５２１付近の内圧が大気圧よりも大きくなり、外気を自吸することができない。また、比が小さい場合、整流板手前の圧力が低く、水への空気の溶解度が低くなる。上述の比は、１対２から、１対２．５程度が好ましく、１対２．２がより好ましい。
【００２９】
＜効果＞
図８は、微細気泡生成装置１によって生成されるマイクロバブルの粒子径の分布を示す図である。図８のグラフは縦軸が粒子数を表し、横軸が粒子径の大きさを表している。また、実線は、気中に設けた微細気泡生成装置１によりバブルを発生させた場合の分布を示す。破線は、主流路を一直線状にした微細気泡生成装置１を水中に設け、バブルを発生させた場合の分布を表す。また、微細気泡生成装置１に導入する水の水圧は０．２５ＭＰａ、吸気量は０．１Ｌ／分、水槽の水量は２０Ｌ、運転時間は１０分とし、運転中にノズル直下を外れた水槽内の濃度を測定した。粒子数は、微細気泡生成装置１が吐出する水に対し、微粒子測定機（パーティクルカウンター  ＨＩＡＣ  Ｒｏｙｃｏ）により測定した。図８に示すように、マイクロバブルは、気中の場合は２５μｍをピークとした分布が見られ、水中の場合は２５μｍ付近及び５８μｍをピークとした分布が見られる。
【００３０】
図９は、微細気泡生成装置１によって生成されるウルトラファインバブルの粒子径の分布を示す図である。図９のグラフも縦軸が粒子数を表し、横軸が粒子径の大きさを表している。また、実線は、気中に設けた微細気泡生成装置１によりバブルを発生させた場合の分布を表す。破線は、主流路を一直線状にした微細気泡生成装置１を水中に設け、バブルを発生させた場合の分布を表す。また、微細気泡生成装置１に導入する水の水圧は０．２５ＭＰａ、吸気量は０．１Ｌ／分、水槽の水量は２０Ｌ、運転時間は１０分とし、運転から６日後に水槽内の濃度を測定した。粒子数は、微細気泡生成装置１が吐出する水に対し、微粒子測定機（マイクロトラック・ベル社製  ZETA VIEW）により測定した。図９に示
すように、ウルトラファインバブルは、８０ｎｍをピークとした分布が見られる。
【００３１】
ファインバブルは油分を吸着するため、例えば金属フィルタの清掃において、油分汚れ
を分離し浮上させることができる。また、図７等からわかるように、微細気泡生成装置１に導入する水は、一般的な水道によって送水される圧力程度でよい。例えばウォーターサーバのように、ファインバブルを含有する水を放出する装置を提供するようにしてもよい。
【００３２】
＜逆洗＞
整流板１５２及びメッシュ部材１５３に異物が蓄積すると微細気泡生成装置１の性能が劣化する。本実施形態では、蓋部材１８を取り外し、内筒１６を引き抜くことで、気泡生成部１５を取り外して交換することができる。また、微細気泡生成装置１に逆洗用の配管を接続し、整流板１５２やメッシュ部材１５３に付着した異物を除去することもできる。逆洗時には、主流路の水流を止める。そして、管接続部材１４２から水などの流体を導入し、整流板１５２を通過させ、管接続部材１２３から排出することで、整流板１５２を逆洗する。また、管接続部材１４４から流体を導入し、メッシュ部材１５３を通過させ、管接続部材１４３から排出することで、メッシュ部材１５３を逆洗する。このように、交換作業だけでなく、洗浄という点でもメンテナンスが容易になっている。
【００３３】
＜変形例＞
上述の実施形態では水中に空気のファインバブルを生成するものとして説明したが、主流路には水以外の液体を供給してもよい。また、給気孔からは空気以外の気体を導入するようにしてもよい。吸気口から空気以外の気体を導入する場合、給気孔は外気でなく対象の気体を保持するボンベ等に接続される。このようにすれば、例えば酸素、窒素、水素、二酸化炭素、オゾン等、様々な気体のファインバブルを生成することができる。
【００３４】
また、主流路や給気路の径は、所望の流量が得られる所定の大きさ以上であれば、一定でなくテーパが付いていてもよい。また、テーパ角は、図示した例に限らず所望の効果が得られるよう適切な値を採用することができる。
【００３５】
以上、説明した実施形態は装置の一例である。本発明に係る装置は、上述した構成を組み合わせたり、変形させて実施することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１      ：微細気泡生成装置
１１    ：ベンチュリ管
１１１  ：給液部
１１２  ：縮径部
１１３  ：小径部
１１４  ：管接続部材
１１５  ：給気路
１１６  ：混合室
１１７  ：拡径部
１２    ：拡径部材
１４    ：外筒
１５    ：気泡生成部
１５１  ：スペーサ
１５２  ：整流板
１５３  ：メッシュ部材
１６    ：内筒
１６６  ：流路屈曲部
１８    ：蓋部材
２      ：給水管
３      ：給気管
４      ：水槽
【図１】
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【図２】
2020138106.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020138106.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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