(57)【要約】【課題】高圧ポンプによる旋回流を必要としない簡単な構造によって、マイクロバブルを発生する。【解決手段】高速の水流が、狭い間隔で配置した複数個のノズルを通過する際に生じるキャビテーションを利用して、溶存空気によるマイクロバブルを発生させるもので、(a)入口２ｅから出口２ｆに向かってその中心軸に直交する断面積を漸減する通水用入口側の第１ノズル３と、(b)入口側の第１ノズル３との間に連通路８を介して連続して配設され、入口４ｅから出口４ｆに向かってその中心軸に直交する断面積を漸増する通水用出口側の第２ノズル４と、(c)前記連通路８にのみ開口した側室８ｂとを有することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)入口から出口に向かってその中心軸に直交する断面積を漸減する通水用入口側の第１ノズルと、
(b)入口側の第１ノズルの出口から連通して設けられた連通路を介して連続して配設され、入口から出口に向かってその中心軸に直交する断面積を漸増する通水用出口側の第２ノズルと、
(c)前記連通路にのみ開口した隙間又は側室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２】
第１、２ノズルを１組とし、複数組を直列に配置したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項３】
隙間又は側室の連通路に対する開口幅が可変となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項４】
最終組の第２ノズルの出口に対向して多孔体を更に配設したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載の多孔体が、金網、メッシュ板、セラミックフィルター、焼結体或は粒子であ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、流水中に多量のマイクロバブルを発生させて、これらを水中に放出する、或いはこれらを多量に含む水をスプレーして形成した液滴やミスト又は霧を空気中に放出して、大気中の浮遊細菌の殺菌或は有機溶剤や悪臭などの脱臭などを行うための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
キャビテーション由来のマイクロバブルは直径数十μｍ以下の気泡で、きわめて不安定であって、破泡する際に中心部は１０００℃、５０００気圧以上の高温・高圧に達することが知られている。この時に反応性に富むフリーラジカルが発生するので、この化学作用を有効に活用することが望まれていた。
【０００３】
このようなキャビテーション由来のマイクロバブルを発生させる従来の装置はすべて水中に微細気泡(マイクロバブル)を大量に発生させて水の空気富化を図り、これを用いて洗浄などの効果を向上させるものであり、装置としては旋回流を利用する方式（特許文献１〜５）と、絞り部の高速水流が空気を吸い込む方式（特許文献５，６）とがある。
【特許文献１】特開２０００−４４７号公報
【特許文献２】特開２００２−８５９４９号公報
【特許文献３】特開２００３−２０５２２８号公報
【特許文献４】国際公開２００６／０７６８４３号パンフレット
【特許文献５】特開２００７−２１３４３号公報
【特許文献６】特開２００７−２６０５６３号公報
【０００４】
上記特許文献１〜６はすべて、外部から流動水中に吸引した空気を微細化してマイクロバブルを発生させるものである。その中で、特許文献１と３は液体サイクロン方式、特許文献２は高速渦巻きポンプ方式、特許文献５はアスピレータ方式であって、いずれも旋回流を利用している。また、特許文献６は旋回を利用しないアスピレータ方式である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の１〜５の特許文献に記載の発明では、いずれもマイクロバブルの水中での使用を目的としているものであって水流を高速化した部分に外部から空気を引き込み、これを微細化するために水流に旋回を与えてマイクロバブルを発生させるものである。その際に流入空気量を制御する必要があり、そのために複雑な構造・機構を必要としている。またその目的のために高圧水流ポンプや空気圧縮装置を用いるという機構的な制約もあるだけでなく、その構造も複雑であり、大きくて重いという解決すべき課題もあった。
【０００６】
上記のようにマイクロバブルは粒径が小さいので浮力が小さく、浮上しにくいために水中での滞留時間が長い特徴がある。また破泡の際の衝撃によって生じる超音波やこれによって発生するフリーラジカルは洗浄や殺菌作用があり、さらに水の密度や流水抵抗が低減するので水産業、洗浄、シャワーなど様々な分野での活用が期待されている。マイクロバブルの利用分野拡大のために、水中だけでなく空気中への散布でフリーラジカルの効果を発揮させることが望ましい。このためには、(イ)流入する全容積の水中でキャビテーションが発生するように装置を小型化する、(ロ)機構を簡素化する、或は、(ハ)大型の付属設備を必要としない発生装置が必要とされる。
【０００７】
このような観点から鋭意研究を進めた結果、高速水流によって発生するキャビテーションに着目して本発明を成すに至ったもので、外部から空気を吸引することなしに、本装置内に流入する全容積の水にキャビテーション由来のマイクロバブルを発生させて水中あるいは空気中に放出することが出来、しかもその装置自体の構造も簡単で且つ軽量であるマイクロバブル発生装置を開発することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載のマイクロバブル発生装置は、
(a)入口２ｅから出口２ｆに向かってその中心軸に直交する断面積を漸減する通水用入口側の第１ノズル３と、
(b)入口側の第１ノズル３の出口から連通して設けられた連通路８を介して連続して配設され、入口４ｅから出口４ｆに向かってその中心軸に直交する断面積を漸増する通水用出口側の第２ノズル４と、
(c)前記連通路８にのみ開口した隙間８ａ又は側室８ｂとを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載のマイクロバブル発生装置は請求項１の他の実施例で「第１、２ノズル３，４を１組とし、複数組を直列に配置した」ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載のマイクロバブル発生装置は請求項１又は２の改良で、「隙間８ａ又は側室８ｂの連通路８に対する開口幅Ｓが可変となっている」ことを特徴とする。
【００１１】
請求項４は、請求項１〜３に記載のマイクロバブル発生装置の更なる改良に関し、「通水用出口側の第２ノズル４の出口４ｆに対向して多孔体６を更に配設した」ことを特徴とする。
【００１２】
請求項５は請求項４に記載の多孔体６の例で「多孔体６が、金網、メッシュ板、セラミックフィルター、焼結体或は粒子である」ことを特徴とする。
【００１３】
キャビテーションは高速回転するプロペラの表面や、超音波洗浄器内部で観察される現象である。その発生機構は、流れの急激な変化、あるいは超音波振動によって液体に局部的な圧力減少が発生し、溶存空気が気化する、或は局部的な水の蒸発によって微細な気泡が発生することによる。本発明の機構によれば、第１，２ノズル３，４の間に連通路８にのみ開口した側室８ｂを設け、第１ノズル３の出口に向かって絞られて増速した流入水１が連通路８の側室８ｂにより急膨張して流れの状態を急激に変化させ、これによって前述のメカニズムによりキャビテーションを効率的に発生し、外部からの空気を吸引することなしで十分な量のマイクロバブルを発生できるようになった。
【００１４】
そしてこの第１，２ノズル３，４の組を複数組直列に配置することで、各組を通過する度毎にキャビテーション発生が繰り返され、その結果、流出水７内に飽和状態までマイクロバブルを発生させることが出来る。
【００１５】
更に、本発明の機構によれば、隙間８ａや側室８ｂの開口幅Ｓや隙間８ａや側室８ｂのサイズを調節することによって、流入する全容積の流出水７にキャビテーションを最適化させて発生させることができ、かつ既存のマイクロバブル発生装置が必要としている旋回流を起こすための機構や、外部からの空気吸引を必要としないので、構造がきわめて簡単にできる特徴がある。
【００１６】
また、本発明によれば、前述のように第１，２ノズル３，４を用いて、キャビテーションによるマイクロバブルを発生させると共に、最終段のノズル４ｚの出口４ｆｚに多孔体６を設置し、これに発生したマイクロバブル含有の流出水７を衝突させることにより、マイクロバブルをさらに微細化し且つ泡数を増して流出させることが出来る。この場合、流出先が水中である場合には、大量且つ微細なマイクロバブルが水中に放出されることになり、水中の有機物の分解や殺菌による無臭化や無害化が可能となり、多孔体６がシャワー又はスプレーの多孔出口蓋の場合にはマイクロバブルが多量に含まれた散水又は霧が空気中に放出される事になり、空気中の匂い物質や細菌と前記散水(液滴やミスト)又は霧が接触することで散水又は霧中の多量のマイクロバブルの破泡(これによる超音波や発生フリーラジカル)によって、匂い物質の分解や殺菌を効率よく行うことが出来る。換言すれば、この方法によってマイクロバブルの放出効率を更に増強することができるのである。
【００１７】
なお、多孔体６としては、例えば、細かい金網、メッシュ板、セラミックフィルター、焼結体、粒子を詰めた容器などを用いることができる。多孔体６は最終段のノズル４ｚの出口４ｆｚに密着させても、一定の間隔で離しても良い。また、多孔体６の表面は流出水７に対して直角あるいは斜角に設置してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、連続するノズル３，４が２個の場合について、概念図である図１(a)(b)と図２(a)(b)を参照して説明する。なお、図１(a)の仮想線で示すように連続するノズル３，４を１組として直列にて複数組接続することもある。また、図１の場合は上部筒２と下部筒５とが別体で連結筒９により接続された例で、図２は上部筒２と下部筒５とが一体の場合である。また、図３は具体例の１例を示す。
【００１９】
本発明によるマイクロバブル発生装置はいずれも、流入水１を上部筒２に流入させて第１ノズル３によって高速水流化する部分と、この水流を下部筒５の第２ノズル４を通して広げる部分と、第１ノズル３と第２ノズル４との間に設けられた連通路８及び連通路８にのみ開口する隙間８ａ又は側室８ｂとで構成され、更には、下部筒５からの流出水７が通過する部分に多孔体６を配置する構造から構成される場合もある。
【００２０】
図１の構造において、上部筒２は円筒状のもので、内部に入口３ｅから出口３ｆに向かってその中心軸に直交する断面積を漸減する通水用入口側の第１ノズル３が形成されている。出口３ｆ部分には連通路８の入口側部分を構成するストレート円筒部８イが形成され、出口３ｆ部分とストレート円筒部８イとの境界は段状に絞られていてその内径を急減させている。前記ストレート円筒部８イの内径をＷ１とする。なお、第１ノズル３はその断面積を出口３ｆに向かって漸減するものであるが、漸減状態は実線のように直線状であってもよいし、仮想線のように外側に凸曲線(或は図示していないが内側に凸曲線)を構成するようにしてもよい。
【００２１】
下部筒５も上部筒２同様円筒状のもので、内部に入口４ｅから出口４ｆに向かってその中心軸に直交する断面積を漸増する通水用出口側の第２ノズル４が形成されている。出口４ｆ部分には連通路８の出口側部分を構成するストレート円筒部８ロが形成され、入口４ｅ部分とストレート円筒部８ロとの境界は段状に拡径されていてその内径を急増させている。前記ストレート円筒部８ロの内径をＷ２とする。ストレート円筒部８イ、８ロの関係は、等しくしても良いが、いずれか一方を他方より大きくするようにしてもよい。なお、第２ノズル４はその断面積を出口４ｆに向かって漸増するものであるが、漸増状態は上記同様実線のように直線状であってもよいし、仮想線のように外側に凸曲線(或は図示していないが内側に凸曲線)を構成するようにしてもよい。
【００２２】
上記上部筒２と下部筒５は連結筒９に挿入されて直列に接続され、ストレート円筒部８イ、８ロ間に隙間８ａが全周にわたって形成され、ストレート円筒部８イからストレート円筒部８ロに至る隙間８ａを含んで全長が連通路８となる。接続方法は上・下部筒２、５を単に連結筒９に挿入し、図示しない止ネジで固定してもよいし、上・下部筒２、５の外周にネジを刻設し、連結筒９に螺入するようにしてもよい。挿入代を調節することにより隙間８ａの開口幅Ｓは自由に調節することができる。
【００２３】
このように構成されたマイクロバブル発生装置に通水すると流入水１は上部筒２内に断面漸減状に形成された前記通水用入口側の第１ノズル３を通過する間に高速化し、第１ノズル３の下端出口３ｆで段状に絞られた連通路８にて急激に絞られて更に高速化し、上部筒２と下部筒５の間の連通路８を介して第２ノズル４に流入する。この時、連通路８にのみ開口する隙間８ａの側面を通過することによって、急激に絞られて高速化した流入水１はその一部がストレート円筒部８イから隙間８ａ内に入って急膨張し、再度ストレート円筒部８ロで急に絞られて激しい乱流を生じ、この流れに乱れを生じた状態で下部筒５の第２ノズル４に流入して急膨張する。そしてこのように流出水７は下部筒５の中で流れの幅を増すことによって生じる急膨張によって急激な圧力低下が生じる結果、隙間８ａから第２ノズル４の入口４ｅを越えるところまで流出水７の中に前述のようなキャビテーションが発生し、この結果、流出水７は多量のマイクロバブルを含有する状態で下部筒５から流出する。
【００２４】
高速の流出水７が下部筒５から流出する際に、出口４ｆ(或は最終段の出口４ｆｚ)部分に多孔体６を設置した場合には、マイクロバブルは多孔体６と衝突して更に微細化される。これによってマイクロバブルの数と密度を増すことができる。
【００２５】
多孔体６としては、細かい金網、またはメッシュ板を一枚あるいは複数枚重ねて用いる、またはセラミックフィルター、焼結体、粒子を詰めた容器などを用いることができる。配置方法は、前述のように出口４ｆ(或は最終段の出口４ｆｚ)部分に対して一定の間隔で離しても良い。また、多孔体６の表面は流出水７に対して直角あるいは斜角に設置してもよい。また、多孔体６を構成する孔のサイズは１００μｍ以下が望ましく、金網の場合は２００メッシュ（目開き７４μｍ）以上が適している。孔のサイズが大きすぎるとマイクロバブルがそのまま通過してしまうからであり、小さすぎると流出水７の流速が低下して乱流度が下がり、反ってマイクロバブル発生を妨げる事になる。
【００２６】
なお、第１ノズル３の出口３ｆ部分とストレート円筒部８イとの境界、及び第２ノズル４の入口４ｅ部分とストレート円筒部８ロとの境界が段状に形成されていて且つ連通路８に全周にわたって間隙８ａが形成されていることで前述のような激しい乱流が形成されるが、加えてストレート円筒部８イ、８ロの内径Ｗ１、Ｗ２を違えると更にその乱流度が増加する。また、前記間隙８ａの幅Ｓを選定すれば流入水１の流量や流速にも依るが乱流度を増加させることが出来る。また、第１、２ノズル３、４を図１(a)の破線で示すように内側に膨出するような曲線を構成するようにした場合には、ストレート円筒部８イに向かう流入水１の流速が直線の場合に比べて加速され、且つストレート円筒部８ロから出た流出水７の膨張度合いは急上昇し、マイクロバブルの発生をより増加させることが出来る。更に、図の実施例では間隙８ａは１つであるが、２以上併設してもよく、乱流度合いを更に向上させる。なお、連通路８に仮想線で示す内径の細いスリーブ１０を挿入し、スリーブ１０の貫通孔を連通路とすることで連通路８の孔径を調整することもできる。スリーブ１０の固定方法はねじ固定、圧入その他の方法を適宜採用することが出来る。この点は図２の場合でも同様である。
【００２７】
図２の構造は、上・下部筒２、５を一体にした場合(これを本体Ａとする。)で、図１の隙間８ａに代えて連通路８のみに開口する２つ(勿論、これに限られず１つでも良いし、３以上でも良い。)の円筒状の側室８ｂを設けたものである。側室８ｂの形成方法の一例を示せば、図示していないが、本体Ａに外面から連通路８に向けて貫通孔を形成し、然る後、当該貫通孔を両側から閉塞して盲にすれば、連通路８２にのみ開口する側室８ｂが形成される。なお、図２の場合のマイクロバブル発生現象は、図１の場合と同じである。
【００２８】
図３は実際のマイクロバブル発生装置の一例で、上部筒２は下部筒５に捩じ込み式となっており、上部筒２の雄ネジ部２ｂを下部筒５の雌ネジ部５ｂに捩じ込むようになっている。間隙８ａの開口幅Ｓは捩じ込み量によって調節される。また、上部筒２にはホース接続用の突出部２ｃが設けられており、この部分に図示しないホースが接続される。突出部２ｃの内部には第１ノズル３の入口３ｅに連通するストレート孔２ｍには形成されている。また、本実施例では、上・下部筒２、５にはその端部に接して第１、２ノズル３、４の出口３ｆ、入口４ｅが形成されているため、連通路８は明確に表れていないが、この場合は間隙８ａにおける前記出口３ｆ、入口４ｅを結ぶ仮想の内周が連通路８に一致することになる。また、多孔体６は浅い皿状となっており、下部筒５の出口側外面に形成された雄ネジ部５ａにその内鍔６ａの内周に形成された雌ネジ部６ｂが捩じ込まれて固着されている。この場合、捩じ込み代を調節することにより、多孔面と下部筒５の出口面とを密着或いは離間させて取り付けることができる。マイクロバブル発生原理は図１の場合と同じである。
【００２９】
図１〜３において、マイクロバブル発生装置を水中に設置した場合には、下部筒５或いは下部筒５に取り付けた多孔体６から出た流出水７は多量のマイクロバブルを伴って周囲の水に混入して前述のようなマイクロバブルの破泡により、水中の有機物や細菌を分解し、脱臭や無害化することができる。これに対して、マイクロバブル発生装置を大気中にセットした場合、多孔体６はシャワーの散水用蓋と同じ働きをし、大気中に細かい水滴や霧を放出する。そして、これら水滴や霧中には多量のマイクロバブルが伴われており、大気中の有機物や細菌が前記水滴や霧に接触して捕集されると、水滴や霧中で連続して破泡しているマイクロバブルによって効果的に分解され、前記同様、脱臭や無害化がなされることになる。
【実施例】
【００３０】
以下に本発明の実施例を示すが、これらはあくまで本発明の一例に過ぎず、下記の実施例の条件に本発明が制限されることはない。すなわち、本発明は明細書に記載する技術思想の範囲で、構成上の変更、変形又は他の実施例は当然含まれるものである。
【００３１】
（実施例１）
図１の構造のマイクロバブル発生装置は、上部筒２と下部筒５は外径２５ｍｍ、それぞれの入り口、出口部の内径２０ｍｍ、ノズルの直径３ｍｍ、長さ８ｃｍのステンレス管として、連結筒９を介し隙間８aの間隔０．５ｍｍで固定した。上部筒に毎分４０リットルの水１を流入すると、外気の供給がない状態で下部筒からマイクロバブルを含む白濁した水が流出した。
【００３２】
透明容器を用いた実験によれば、図１の隙間８ａの間隔、あるいは図２の側室８ｂのサイズを変えることによって、キャビテーションの状況は大きく変化することが判明し、間隔が０、あるいは側室がない場合はキャビテーションの発生が弱く、一例として間隔が３ｍｍ、６ｍｍなどある特定の条件下では流入した水の全容積でキャビテーションが生じることが明らかになった。この流出水７を２００メッシュの金網から成る多孔体６に通すと、マイクロバブルが微細化して白濁の程度が増した。２００メッシュの金網を、微細孔を多数開けたパンチボード、あるいはセラミックフィルター、あるいは球状微粒子を詰めた容器と交換しても効果は同じであった。
【００３３】
（実施例２）
図２の構造において、上部筒２と下部筒５の接合部分に、側室８ｂ形成用として直径と深さが４ｍｍの２個の丸孔を開けた。この丸孔は外部に対して密閉されて連通路８のみに開口しているので、外部から空気を吸引することはない。上記のように、毎分４０リットルの水を流入すると、図１の装置の場合と同様にマイクロバブルが発生した。水の流量を毎分２０リットルに減少すると、マイクロバブルの発生量も減少したが、泡のサイズに大きな変化は認められなかった。
【００３４】
多孔体６は下部筒５の流出孔に密着しても、あるいは離してもマイクロバブルの微細化効果が認められた。離して設置する場合は、流出水７に対して直角、あるいは斜角のいずれもマイクロバブルの微細化に同様な効果が認められた。
【００３５】
（比較例）
図１の構造で上部筒２と下部筒５を密着させて、隙間８aを０にすると、流量に関係なくマイクロバブルは発生しなかった。図２の構造において、側室８ｂを設けないとマイクロバブルは発生しなかった。
【００３６】
また、隙間８a、あるいは側室８ｂの側壁に小孔を開けて外部から空気を吸引させると、泡の量は増すが、泡の直径も増すために、マイクロバブル発生装置として機能しなくなった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施例の概念構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施例の概念構成を示す断面図である。
【図３】本発明の具体的構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
1．   流入水
2．   上部筒
3．   第１ノズル
4．   第２ノズル
5．   下部筒
6．   多孔体
7.    流出水
8a.   隙間
8b.   側室
9．   接続筒
【図１】
2009136864.tif 000003
【図２】
2009136864.tif 000004
【図３】
2009136864.tif 000005