(57)【要約】【課題】  径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいマイクロバブルを定常的に発生可能なマイクロバブル発生方法、およびマイクロバブル発生装置を提案すること。【解決手段】  マイクロバブル発生装置Ａは、アスピレータやポンプ装置などの気体混合液供給装置１０と、気体混合液が流れる管体２と、超音波振動発生装置３と、管体２の内部に配置された複数枚のメッシュ板４とを有しており、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体４に通す際、多孔質体４に超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させる。【選択図】  図１
2006231304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体に通すとともに、該多孔質体に超音波振動を付与することを特徴とするマイクロバブル発生方法。
【請求項２】
液体に気体を混合した気体混合液が内部を通過する管体と、該管体内に固定され、前記気体混合液が通過する多孔質体と、該多孔質体に超音波振動を付与する超音波振動発生装置とを有することを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項３】
請求項２において、前記超音波振動発生装置は、前記管体のうち、前記多孔質体が固定されている部分より上流側において、当該多孔質体が固定されている部分に対して同軸状に固定されていることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項４】
請求項３において、前記多孔質体は、前記管体においてＬ字部分を構成する第１の管部および第２の管部のうち、下流側に位置する前記第２の管部に配置され、
前記超音波振動発生装置は、前記Ｌ字部分とＴ字形状を構成するように前記管体の屈曲部分に対して前記第２の管部と同軸状に固定されていることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項５】
請求項３において、前記多孔質体は、前記管体のストレート部分に配置され、
前記超音波振動発生装置は、当該ストレート部分における前記超音波振動発生装置の上流側に、内側が流路とされる環形状をもって前記ストレート部分に同軸状に固定されていることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかにおいて、前記多孔質体は、前記気体混合液の流下方向に沿って多段に取り付けられていることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項７】
請求項２ないし６のいずれかにおいて、前記多孔質体は、外周部分が両側から管部材に挟持されて前記管体内の途中位置に固定されていることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に微細な気泡(以下、マイクロバブルという)を発生させるためのマイクロバブル発生方法およびマイクロバブル発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
美顔器、浄水器、洗濯機、洗浄器などとして、マイクロバブル発生装置を備えた機器が提案されており、かかるマイクロバブル発生装置として利用可能な装置としては、例えば、槽内に溜めた液体中に多孔質体を介して気体を吹き出す際、当該多孔質体に超音波振動を与えることにより、マイクロバブルを発生させる構造のものが案出されている(特許文献１)。
【特許文献１】特開２００３−９３８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置では、多孔質体を通じて液体中に気体を吹き込む際、多孔質体に超音波振動を付与して気泡を圧潰して放出する方法であるため、マイクロバブルの径が大きく、かつ、その径のばらつきが大きいという問題点がある。
【０００４】
以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいマイクロバブルを定常的に発生可能なマイクロバブル発生方法、およびマイクロバブル発生装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係るマイクロバブル発生方法では、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体に通すとともに、該多孔質体に超音波振動を付与することを特徴とする。
【０００６】
本発明では、多孔質体を通じて液体中に気体を吹き込む際、多孔質体に超音波振動を付与して気泡を圧潰する方法と違って、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体に通す際、多孔質体に超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させるため、径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいマイクロバブルを発生させることができる。その理由は、液体に気体を予め混合しておき、かつ、気体混合液を多孔質体に定常的に通しながら、超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させるため、マイクロバブルの発生状態が定常状態に保たれるので、気体混合液から発生するマイクロバブルの径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいものと考えられる。また、超音波振動は、多孔質体だけでなく、その周辺の液体をも超音波振動させるので、多孔質体を通過する際だけなく、その前後でも気泡が圧潰されるためと考えられる。さらに、気泡に直接、超音波振動を付与するのではなく、液体に混合した気体に超音波振動を付与するため、液体を介して気体に均等に超音波振動が付与されるためと考えられる。
【０００７】
本発明のマイクロバブル発生装置は、液体に気体を混合した気体混合液が内部を通過する管体と、該管体内に固定され、前記気体混合液が通過する多孔質体と、該多孔質体に超音波振動を付与する超音波振動発生装置とを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明において、前記超音波振動発生装置は、前記管体のうち、前記多孔質体が固定されている部分より上流側において、当該多孔質体が固定されている部分に対して同軸状に固定されていることが好ましい。このように構成すると、マイクロバブル発生装置の小型化を図ることができる。
【０００９】
本発明において、前記多孔質体が、前記管体においてＬ字部分を構成する第１の管部および第２の管部のうち、下流側に位置する前記第２の管部に配置されている場合、前記超音波振動発生装置は、前記Ｌ字部分とＴ字形状を構成するように前記管体の屈曲部分に対して前記第２の管部と同軸状に固定されている構成を採用することができる。
【００１０】
本発明において、前記多孔質体が、前記管体のストレート部分に配置されている場合、前記超音波振動発生装置は、当該ストレート部分における前記超音波振動発生装置の上流側に、内側が流路とされる環形状をもって前記ストレート部分に同軸状に固定されている構成を採用することができる。
【００１１】
本発明において、前記多孔質体は、前記気体混合液の流下方向に沿って多段に取り付けられていることが好ましい。このように構成すると、前段の多孔質体で発生したマイクロバブルを後段の多孔質体でさらに細かくでき、かつ、その径を揃えることができる。
【００１２】
本発明において、前記多孔質体は、外周部分が両側から管部材に挟持されて当該管体内の途中位置に固定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のマイクロバブル発生方法およびマイクロバブル発生装置では、多孔質体を通じて液体中に気体を吹き込む際、多孔質体に超音波振動を付与して気泡を圧潰する方法と違って、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体に通す際、多孔質体に超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させるため、径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいマイクロバブルを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】
【００１４】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したマイクロバブル発生装置の一例を説明する。
【００１５】
［実施の形態１］
(全体構成)
図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロバブル発生装置の概略断面図である。図１に示すように、本形態のマイクロバブル発生装置１は、液体に気体を混合して気体混合液として供給する気体混合液供給装置１０と、気体混合液が流れるＬ字形の管体２と、超音波振動発生装置３と、管体２の内部に配置された複数枚のメッシュ板４(多孔質体)とを有している。管体２の端部２１、２２はそれぞれ、外部との接続部となっており、端部２１は、アスピレータやポンプ装置などの気体混合液供給装置１０と接続され、気体混合液供給装置１０から供給された気体混合液は、管体２の内部を端部２２に向かって流れる。
【００１６】
管体２では、第１の管部２１０と第２の管部２２０とが直角に折れ曲がってＬ字部分２０を構成しており、第１の管部２１０および第２の管部２２０のうち、下流側に位置する第２の管部２２０に複数枚のメッシュ板４が固定されている。
【００１７】
メッシュ板４は、金属製の硬質多孔質体であり、気体混合液の流下方向に沿って３枚取り付けられた３段構成となっている。メッシュ板４は、管体２の内径よりも大きな外径を備えている。管体２において、第２の管部２２０は３本の管部材２６、２７、２８を連結することによって構成されており、これらの管部材２６、２７、２８を連結する際に、それぞれの間にメッシュ板４の外周側を挟み込むことにより、メッシュ板４は管体２の内部に固定される。なお、管部材２６、２７、２８の間はそれぞれ、ゴムパッキン９によってシールされている。ここで、メッシュ板４のメッシュ径は、液体の粘度、発生させたい気泡の径などによって適宜に設定される。
【００１８】
また、本形態のマイクロバブル発生装置１では、管体２のＬ字部分２０とＴ字形状を構成するように管体２の屈曲部分に対して、丸棒状の超音波振動発生装置３が固定され、超音波振動発生装置３は、第２の管部２２０と同軸状に固定された状態にある。超音波振動発生装置３としては、超音波洗浄装置などで使用されている周知のものを使用できるので、その詳細な説明は省略するが、圧電セラミック振動子６、およびこの圧電素子６を挟持する一対の電極７ａ、７ｂを備えている。なお、超音波振動発生装置３は、その端面３１にネジ穴３１１が形成されているので、管体２の端面２０１から突出している固定用ネジ軸８によって、超音波振動発生装置３を管体２に固定することができる。
【００１９】
このような超音波振動発生装置３では、端面３１の面外方向に平行に振動する超音波を発振する。その振動方向を矢印Ｃで示してある。従って、超音波振動発生装置３から発振される超音波振動の振動方向Ｃは、気体混合液の流下方向と平行であり、メッシュ板４に対して垂直、すなわち、メッシュ板４における気体混合液の通過方向と平行である。ここで、超音波振動発生装置３から発振される超音波振動の周波数は、液体の粘度、発生させたい気泡の径などにもよるが、２０Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲に設定される。
【００２０】
(マイクロバブル発生動作)
このように構成したマイクロバブル発生装置１では、管体２に気体混合液が供給されている状態において、超音波振動発生装置３を駆動して超音波振動を発振すると、超音波振動は、管体２を介して伝達され、メッシュ板４に超音波振動が付与される。また、管体２を流れる気体混合液中にも超音波振動が付与される。その結果、３段構成のメッシュ板４の下流側には、マイクロバブルが発生し、マイクロバブルを含む液体が放出されることになる。
【００２１】
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態のマイクロバブル発生方法およびマイクロバブル発生装置１では、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体４に通す際、多孔質体４に超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させる。従って、多孔質体を通じて液体中に気体を吹き込む際、多孔質体に超音波振動を付与して気泡を圧潰する方法と違って、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体４に通す際、多孔質体４に超音波振動を付与するため、径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいマイクロバブルを発生させることができる。
【００２２】
その理由は、液体に気体を予め混合しておき、かつ、気体混合液を多孔質体４に定常的に通しながら、超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させるため、気体混合液から発生するマイクロバブルの径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいものと考えられる。また、超音波振動は、多孔質体４だけでなく、その周辺の液体をも超音波振動させるので、多孔質体４を通過する際だけなく、その周辺でも気泡が圧潰されるためと考えられる。さらに、気泡に直接、超音波振動を付与するのではなく、液体に混合した気体に超音波振動を付与するため、液体を介して気体に均等に超音波振動が付与されるためと考えられる。
【００２３】
また、本形態のマイクロバブル発生装置１において、超音波振動発生装置３は、管体２のうち、多孔質体４が固定されている部分より上流側において、多孔質体４が固定されている部分に対して同軸状に固定されている。このため、マイクロバブル発生装置１の小型化を図ることができる。
【００２４】
さらに、本形態のマイクロバブル発生装置１では、３枚の多孔質体４が気体混合液の流下方向に沿って多段に取り付けられているため、前段の多孔質体４で発生したマイクロバブルを後段の多孔質体４でさらに細かくでき、かつ、その径を揃えることができる。
【００２５】
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２に係るマイクロバブル発生装置の概略断面図である。なお、本形態のマイクロバブル発生装置は、基本的な構成が実施の形態１と共通しているので、対応する機能を有する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。図２において、本形態のマイクロバブル発生装置１Ａは、アスピレータやポンプ装置などの気体混合液供給装置１０と、気体混合液が流れる管体２Ａと、超音波振動発生装置３Ａと、管体２の内部に配置された複数枚のメッシュ板４(硬質の多孔質体)とを有している。
【００２６】
本形態では、管体２Ａとして、ストレート構造のものを採用しており、気体混合液の流下方向に向かって、第１の管部材２３、第２の管部材２４、第３の管部材２６、第４の管部材２７、第５の管部材２８がこの順番に接続されている。第１の管部材２３と第２の管部材２４とは、接続管２５によって繋がれている。３枚のメッシュ板４はそれぞれ、第２の管部材２４から第５の管部材２８までのそれぞれの間に配置され、本形態も３段構成となっている。
【００２７】
本形態において、超音波振動発生装置３Ａは、内側が流路とされる環状に構成されており、軸線方向に平行に振動する超音波を発生させる。その振動方向を矢印Ｄで示してある。超音波振動発生装置３Ａは、第１の管部材２３と第２の管部材２４との間で接続管２５の外周面を取り囲むように固定されており、多孔質体４が固定されている部分に対して同軸状に固定された状態にある。従って、超音波振動発生装置３Ａから発振される超音波振動の振動方向Ｄは、気体混合液の流下方向と平行であり、メッシュ板４に対して垂直、すなわち、メッシュ板４における気体混合液の通過方向と平行である。
【００２８】
このように構成したマイクロバブル発生装置１Ａにおいても、そのマイクロバブル発生方法は、実施の形態１と同様、液体に気体を混合した気体混合液を多孔質体４に通す際、多孔質体４に超音波振動を付与してマイクロバブルを発生させる。従って、多孔質体を通じて液体中に気体を吹き込む際、多孔質体に超音波振動を付与して気泡を圧潰する方法と違って、径が小さく、かつ、径のばらつきが小さいマイクロバブルを発生させることができる。
【００２９】
また、本形態のマイクロバブル発生装置１において、超音波振動発生装置３は、管体２のうち、多孔質体４が固定されている部分より上流側において、多孔質体４が固定されている部分に対して同軸状に固定されているため、マイクロバブル発生装置１の小型化を図ることができる。また、本形態のマイクロバブル発生装置１では、３枚の多孔質体４が気体混合液の流下方向に沿って多段に取り付けられているため、前段の多孔質体４で発生したマイクロバブルを後段の多孔質体４でさらに細かくでき、かつ、その径を揃えることができるなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００３０】
さらに、本形態のマイクロバブル発生装置１Ａは、実施の形態１に比べて、組み立てが簡単であるので、量産に向いている。しかも、長さ方向の寸法を２００ｍｍ程度に抑えることができるなど、かなり小型に構成できる。
【００３１】
［その他の実施の形態］
上記形態では、メッシュ板４は３段構成であったが、発生させたいマイクロバブルの径などに応じて、１段、２段、あるいは４段以上にすることも可能である。また、メッシュ板４の代わりに、多数の孔が開いている多孔性の焼結板などを用いることも可能である。さらに、マイクロバブル発生装置１、１Ａを複数接続し、下流側に位置する装置の振動周波数を順次に上げていけば、一層微細なマイクロバブル、具体的には気泡径がマイクロ以下の気泡を発生させることが可能になる。
【００３２】
［マイクロバブルの径および分布量の計測システム］
上述したマイクロバブル発生装置１、１Ａから発生されるマイクロバブルの径および分布量は、例えば、以下に述べる計測システムにより計測できる。
【００３３】
この計測システムは、マイクロバブルに、当該バブルが圧壊しない程度の超音波を与えると、その周波数域に応じた径のマイクロバブルが共振するという特性に着目したものであり、共振周波数をｆ、気体の定圧比熱と定積比熱の比をκ(酸素や窒素では約１．４の定数)、液体にかかる圧力をＰ、液体の比重をρとすると、マイクロバブル(気泡)の半径ｒは、下式
ｒ＝１／２πｆ√(３κＰ／ρ)
で示すことができる(Ｍｉｎｎａｅｒｔの式)。
【００３４】
この式からも分かるように、径が大きい気泡は低い周波数域において共振し、径が小さい気泡は高い周波数域において共振する。また、共振した音域(周波数域)の音圧をＦＦＴ(高速フーリエ変換)解析することにより、気泡量を求めることができる。従って、周波数毎の音圧の変化を捉えることができれば、そこからマイクロバブルの径および分布量を求めることができる。
【００３５】
図３は、かかる理論を基に構成した計測システムを示す概略ブロック図である。この図に示すように、本形態の計測システム１００は、パーソナルコンピュータからなる制御装置１０１を中心に構成されている。槽１０に溜めた液体中には、マイクロバブル発生装置１、１Ａが配置されており、ここから発生するマイクロバブルを挟むようにして、発振子１０２および受信子１０３が配置されている。発振子１０２は、パーソナルコンピュータ１０１の出力側に、発振機１０４および出力アンプ１０５を介して接続されている。また、受信子１０３は、パーソナルコンピュータ１０１の入力側に、入力アンプ１０６およびＦＦＴアナライザー１０７を介して接続されている。また、パーソナルコンピュータ１０１の入力側には圧力センサ１０８が接続されている。この圧力センサ１０８は、槽１０内の液体にかかる圧力(Ｐ)を補正するためのものである。
【００３６】
このように構成した計測システム１００では、パーソナルコンピュータ１０１により発振機１０４を操作して、発振子１０２から発振される超音波振動の周波数域の設定を行う。その周波数域は、マイクロバブルが圧壊しない程度の例えば、５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間に設定され、信号は出力アンプ１０５を介して発振子１０２に出力される。発振子１０２から発振され、液体中を伝播して受信子１０３に到達する超音波振動は、入力アンプ１０６を介してＦＦＴアナライザー１０７に入力され、ここで解析が行われる。そのデータはパーソナルコンピュータ１０１に入力される。また、受信子１０３に到達する超音波振動において出力周波数以外の入力周波数は、フィルタリング処理が行われ、パーソナルコンピュータ１０１でデータとして処理される。
【００３７】
パーソナルコンピュータ１０１に収集されたデータからは、超音波振動の周波数と強度(音圧)の関係を得ることができるので、ここから、気泡の半径と、当該気泡の分布量を求めることができる。
【００３８】
すなわち、気泡の半径と、当該気泡の分布量を求めるに当たっては、まず、マイクロバブル発生装置１、１Ａを停止した状態のマイクロバブルが発生していない状態で計測を行い、図４(ａ)に示すような静的データを取る。
【００３９】
次に、マイクロバブル発生装置１、１Ａを駆動して、マイクロバブルを発生させた状態で計測を行い、図４(ｂ)に示すような動的データを取る。
【００４０】
次に、動的データと静的データの差分演算を行い、図４(ｃ)に示すような差分データを得る。この差分データからは、槽１０の液中に、７４０ｋＨｚ〜１１００ｋＨｚの間で共振する半径(ｒ)のマイクロバブル(気泡)が数多く存在していることが分かる。なお、マイクロバブルの半径(ｒ)は、上記の式から簡単に求めることができる。また、強度(音圧)からは気泡量を求めることができる。
【００４１】
以上説明したように、本形態の計測システム１００では、マイクロバブルの径および分布量を正確かつ簡単に計測できる。よって、本形態によれば、従来、それほど行われていなかったマイクロバブルの径および分布量の計測を正確かつ簡単に行うことができるので、マイクロバブル計測への利用の拡大を図ることができるとともに、コストパフォーマンスに優れた廉価なシステムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマイクロバブル発生装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係るマイクロバブル発生装置の概略断面図である。
【図３】マイクロバブルの径および分布量を計測するための計測システムを示す概略ブロック図である。
【図４】(ａ)ないし(ｃ)は、図３に示す計測システムでの計測結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１Ａ  マイクロバブル発生装置
２、２Ａ  管体
３、３Ａ  超音波振動発生装置
４  メッシュ板(多孔質体)
１０  気体混合液供給装置
【図１】
2006231304.tif 000003
【図２】
2006231304.tif 000004
【図３】
2006231304.tif 000005
【図４】
2006231304.tif 000006