CN111417457A - 小气泡供给装置以及小气泡分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可更稳定地供给在液体中不稳定的小气泡的小气泡供给装置以及小气泡分析系统。小气泡产生装置11产生小气泡10。滞留容器12在内部收容液体13，并且连接小气泡10的导入管14及导出管15。从小气泡产生装置11产生的小气泡10经由导入管14而导入滞留容器12内的液体13中，由此滞留在液体13中，滞留在所述液体13中的小气泡10经由导出管15而朝供给对象(小气泡特性评估装置2)导出。

Description

小气泡供给装置以及小气泡分析系统
技术领域
本发明涉及一种产生小气泡(fine bubble)并朝供给对象供给的小气泡供给装置、以及使用其的小气泡分析系统。
背景技术
近年来，正在活跃地进行微气泡或超小气泡等小气泡的研究及利用。小气泡是气泡直径为100μm以下的微细气泡，小气泡之中，气泡直径为1μm以上的气泡被称为微气泡，气泡直径未满1μm的气泡被称为超小气泡。超小气泡具有在液体中的滞留时间长这一特性，已知其在液体中滞留几个月。
对于小气泡期待清洗效果或杀菌效果等各种效果。例如，在工厂或车间、公厕等中，若使用小气泡进行各种设备的清洗，则可削减洗涤剂的使用量。因此，使用小气泡的清洗方法作为环保的新的清洗方法而受到瞩目。
如上所述的小气泡的特性与效果的关系依存于小气泡的气泡直径(尺寸)或浓度(气泡量)。因此，提出有使用激光衍射散射式的粒径分布测定装置等，测定小气泡的气泡直径分布(粒径分布)的技术(例如，参照下述专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2016-48185号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
但是，当对如在液体中的滞留时间比超小气泡短的微气泡等那样，气泡直径比较大的小气泡的特性进行评估时，由于小气泡在液体中不稳定，因此存在难以高精度地评估特性的情况。具体而言，气泡直径比较大的小气泡在液体中的气泡直径或浓度容易每时每刻地变化，也存在短时间内消失的情况。
此种问题并不限于微气泡，例如也可能在气泡直径接近1μm的超小气泡中产生此种问题。另外，根据小气泡的生成条件，有可能在气泡直径更小的超小气泡中也产生此种问题。
本发明是鉴于所述实际情况而成，其目的在于提供一种可更稳定地、或以更均质地分散的状态供给在液体中不稳定的小气泡的小气泡供给装置以及小气泡分析系统。
[解决问题的技术手段]
本发明的小气泡供给装置包括小气泡产生装置与滞留容器。所述小气泡产生装置产生小气泡。所述滞留容器在内部收容液体，并且连接小气泡的导入管及导出管。从所述小气泡产生装置产生的小气泡经由所述导入管而导入所述滞留容器内的液体中，由此滞留在所述液体中，滞留在所述液体中的小气泡经由所述导出管而朝供给对象导出。
根据此种构成，从小气泡产生装置产生的小气泡滞留在滞留容器内的液体中，其后从滞留容器朝供给对象供给。由此，可一边将在滞留容器内的滞留时间等条件维持成固定，一边将小气泡供给至供给对象，因此可更稳定地、或以更均质地分散的状态供给在液体中不稳定的小气泡。
所述导出管也可以从配置在所述滞留容器内的液体中的向下开口的导出口，导出滞留在所述液体中的小气泡。在此情况下，所述导入管也可以从配置在比所述导出口低的位置的导入口，朝所述滞留容器内的液体中导入小气泡。
根据此种构成，配置在滞留容器内的液体中的导出口向下开口，因此滞留在液体中的小气泡通过浮力而从导出口顺利地导出。另外，从配置在比导出口低的位置的导入口，朝滞留容器内的液体中导入小气泡，因此在液体中通过浮力而浮起的小气泡被稳定地从导入口朝导出口引导。因此，可更稳定地供给在液体中不稳定的小气泡。
优选以雷诺数(Reynolds number)变成2300以下的方式，设定所述导出管的内径、及内部的液体的流速。
根据此种构成，防止在导出管内产生乱流，其结果，可防止小气泡的气泡直径或浓度变化。因此，可更稳定地供给小气泡。
优选以雷诺数变成1250以下的方式，设定所述导出管的内径、及内部的液体的流速。
优选所述导出管由其内表面的电位变成负电位的材料形成。
根据此种构成，可防止表面电位为负电位的小气泡附着在导出管的内表面。由此，小气泡在导出管内顺利地流动，因此可更稳定地供给小气泡。
优选所述导出管的内径为2mm以上。
优选所述导出管的曲率为100mm以上。
优选所述导出管的表面粗糙度为0.4μm以下。
优选所述导入管在水平方向上延长，其导入口在比所述导出口更下方配置在所述滞留容器内。
优选将所述导入口与所述导出口连结的直线相对于水平方向倾斜30°～60°。
优选将所述导入口与所述导出口连结的直线为10cm～20cm。
优选所述滞留容器作为缓冲器发挥功能，所述缓冲器用于使小气泡仅在滞留时间内滞留，由此使小气泡的分散状态在所述滞留容器内更均质化。
优选在所述滞留容器设置有搅拌装置，所述搅拌装置对滞留在所述滞留容器内的小气泡进行搅拌，由此使小气泡的分散状态在所述滞留容器内更均质化。
本发明的小气泡分析系统包括：所述小气泡供给装置；以及小气泡特性评估装置，对从所述小气泡供给装置供给的小气泡的特性进行评估。
根据此种构成，可稳定地从小气泡供给装置朝小气泡特性评估装置供给小气泡，因此可通过小气泡特性评估装置来高精度地评估小气泡的特性。
所述小气泡分析系统也可以还包括设置在比所述小气泡特性评估装置更下游侧的泵。在此情况下，也可以通过所述泵的驱动，将滞留在所述滞留容器内的小气泡经由所述导出管而朝所述小气泡特性评估装置抽吸。
根据此种构成，通过设置在比小气泡特性评估装置更下游侧的泵的驱动，可将小气泡抽吸至小气泡特性评估装置中，对所述小气泡的特性进行评估。当在比小气泡特性评估装置更上游侧设置有泵时，因泵的驱动而导致供给至小气泡特性评估装置的小气泡的状态变化，但根据在比小气泡特性评估装置更下游侧设置有泵的本发明的构成，可防止由泵的驱动所引起的小气泡的状态的变化对小气泡特性评估装置的评估结果造成影响。
[发明的效果]
根据本发明，可一边将在滞留容器内的滞留时间等条件维持成固定，一边将小气泡供给至供给对象，因此可更稳定地、或以更均质地分散的状态供给在液体中不稳定的小气泡。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的小气泡分析系统的构成例的示意图。
图2是表示使用小气泡分析系统并通过激光衍射散射法来测定小气泡(微气泡)的气泡直径分布的结果的图。
图3是表示使用小气泡分析系统并通过动态图像分析法来测定小气泡(微气泡)的气泡直径分布的结果的图。
图4是表示使用小气泡分析系统并通过光遮蔽式(粒子计数器)来测定小气泡(微气泡)的气泡直径分布的结果的图。
图5是表示使导入口与导出口的位置关系变化时的测定结果的图。
图6是表示使通过泵而导入导出管内的液体的流量变化时的测定结果的图。
图7是表示变更导入管及导出管的各内表面的材料时的测定结果的图。
图8是表示本发明的变形例的小气泡分析系统的构成例的示意图。
具体实施方式
1.小气泡分析系统的构成
图1是表示本发明的一实施方式的小气泡分析系统的构成例的示意图。所述小气泡分析系统包括：小气泡供给装置1、小气泡特性评估装置2及泵3。
小气泡供给装置1是用于将小气泡供给至供给对象的装置。在本实施方式中，小气泡的供给对象是小气泡特性评估装置2，从小气泡供给装置1朝小气泡特性评估装置2供给小气泡，由此在小气泡特性评估装置2中对所述小气泡的特性进行评估。
小气泡供给装置1包括小气泡产生装置11及滞留容器12。小气泡产生装置11是用于产生小气泡的装置，从小气泡产生装置11产生的小气泡被导入滞留容器12内。
在本实施方式中，小气泡产生装置11生成以分散的状态含有小气泡的液体(含有小气泡的介质)，所述含有小气泡的介质被导入滞留容器12内。或者，小气泡产生装置11也可以是在收容在滞留容器12内的液体中产生小气泡的装置。含有小气泡的介质例如为将除水以外，醇或油等任意的液体作为原液的介质，含有例如包含气泡直径未满100μm的微细气泡的小气泡。
具体而言，在原液中含有作为气体粒子的气泡直径未满1μm的超小气泡、及气泡直径为1μm以上的微气泡的至少一者。构成气体粒子的气体可以是空气，也可以是例如氮气、臭氧或二氧化碳等空气以外的气体。
在滞留容器12的上部形成开口121，滞留容器12内朝大气开放。在滞留容器12内，事先收容有液体(介质)13，来自小气泡产生装置11的含有小气泡的介质被导入所述液体13中。也可以在滞留容器12的上部形成排水口(未图示)，将经增量的液体13从所述排水口排出。或者，也可以在滞留容器12的上部形成循环口(未图示)，使液体13从所述循环口朝小气泡产生装置11进行循环。
在滞留容器12连接有用于导入来自小气泡产生装置11的含有小气泡的介质的导入管14。经由形成在导入管14的一端部的导入口141而被导入滞留容器12内的液体13中的小气泡10在液体13中分散并滞留，但例如在小气泡10为微气泡的情况下，与超小气泡相比，在液体13中的滞留时间变短。
另外，在滞留容器12连接有用于导出滞留容器12内的液体13的导出管15。滞留容器12内的液体13经由导出管15而供给至小气泡特性评估装置2。在导出管15中的比小气泡特性评估装置2更下游侧，连接有泵3。通过驱动所述泵3，将滞留容器12内的液体13的一部分经由形成在导出管15的一端部的导出口151而导出，滞留在液体13中的小气泡10被朝小气泡特性评估装置2抽吸。
如此，在本实施方式中，从小气泡产生装置11产生的小气泡10经由导入管14而导入滞留容器12内的液体13中，由此滞留在液体13中，滞留在所述液体13中的小气泡10经由导出管15而朝小气泡特性评估装置2导出。由此，可一边将在滞留容器12内的滞留时间等条件维持成固定，一边将小气泡10供给至小气泡特性评估装置2，因此可更稳定地供给在液体13中不稳定的小气泡10(例如微气泡)。
即，滞留容器12作为缓冲器发挥功能，所述缓冲器用于在滞留容器12内连续地产生小气泡，并使小气泡仅在滞留时间内滞留，由此使小气泡的分散在滞留容器12内循环，使小气泡的分散状态在滞留容器12内更均质化。滞留容器12是为了进行被推荐的固定的条件下的小气泡产生装置11的评估而设置。另外，滞留容器12是为了判断小气泡10的实际的使用状况中的小气泡10在液体中的分散状态而使用。
小气泡特性评估装置2例如为粒径分布测定装置，将小气泡10的粒径分布(气泡直径分布)作为特性进行评估。所述小气泡特性评估装置2包括测定单元21、光源22及检测器23等。测定单元21包含流动池(flow cell)，经由导出管15所供给的小气泡10穿过测定单元21。
光源22例如包含激光光源，从所述光源22照射的激光照射至测定单元21。此时，来自光源22的激光在测定单元21内的小气泡10的粒子群中进行衍射或散射后，由检测器23接收。检测器23例如包含光电二极管阵列。
本实施方式中的检测器23是通过将从光源22射出的激光的光轴作为中心，将形成有具有互不相同的半径的环状或半环状的检测面的多个前方传感器(未图示)配置成同心圆状来构成的环形探测器，对应于各前方传感器的位置的衍射或散射角度的光射入各前方传感器中。因此，检测器23的各前方传感器的检测信号表示各衍射或散射角度的光的强度。
检测器23的各前方传感器的检测信号通过模拟/数字(Analog/Digital，A/D)转换器(未图示)而从模拟信号转换成数字信号，基于所述检测信号，对小气泡10的气泡直径分布进行运算。所述运算的方法众所周知，因此省略详细的说明。另外，在检测器23中也可以包含设置在测定单元21的侧方的侧方传感器、及设置在测定单元21的后方(光源22侧)的后方传感器的至少一者，而不限于设置在测定单元21的前方(与光源22为相反侧)的前方传感器。
在本实施方式中，如上所述，可稳定地、或使分散均质化来从小气泡供给装置1朝小气泡特性评估装置2供给小气泡10。因此，可通过小气泡特性评估装置2来高精度地评估小气泡10的特性。
尤其，在本实施方式中，通过设置在比小气泡特性评估装置2更下游侧的泵3的驱动，可将小气泡10抽吸至小气泡特性评估装置2中，对所述小气泡10的特性进行评估。当在比小气泡特性评估装置2更上游侧设置有泵3时，因泵3的驱动而导致供给至小气泡特性评估装置2的小气泡10的状态变化，但根据在比小气泡特性评估装置2更下游侧设置有泵3的本实施方式的构成，可防止由泵3的驱动所引起的小气泡的状态的变化对小气泡特性评估装置2的评估结果造成影响。
小气泡特性评估装置2通过使导出管15的长度变短而配置在小气泡供给装置1(即，滞留容器12)的附近。因此，可在短时间内从滞留容器12朝小气泡特性评估装置2供给小气泡，因此可尽可能地避免小气泡的消失、或分散性下降的影响，并对小气泡进行评估。
2.气泡直径分布的测定结果
图2是表示使用小气泡分析系统并通过激光衍射散射法来测定小气泡10(微气泡)的气泡直径分布的结果的图。在此图2中，表示从含有小气泡的介质被导入导出口151至到达测定单元21为止的时间为5秒、10秒、15秒时的各自的气泡直径分布的测定结果。
图3是表示使用小气泡分析系统并通过动态图像分析法来测定小气泡10(微气泡)的气泡直径分布的结果的图。在此图3中，表示从含有小气泡的介质被导入导出口151至到达测定单元21为止的时间为5秒、10秒、15秒时的各自的气泡直径分布的测定结果。如此，小气泡特性评估装置2也可以是如利用动态图像分析法而非激光衍射散射法，测定小气泡10的气泡直径分布的构成。
图4是表示使用小气泡分析系统并通过光遮蔽式(粒子计数器)来测定小气泡10(微气泡)的气泡直径分布的结果的图。在此图4中，表示从含有小气泡的介质被导入导出口151至到达测定单元21为止的时间为5秒、10秒、15秒时的各自的气泡直径分布的测定结果。如此，小气泡特性评估装置2也可以是如利用动态图像分析法或光遮蔽式等而非激光衍射散射法，测定小气泡10的气泡直径分布的构成。
如图2～图4中所示的测定结果那样，小气泡10的气泡直径分布对应于从含有小气泡的介质被导入导出口151至到达测定单元21为止的时间而变化，到达时间越长，整体的气泡量越减少。即便是此种在液体13中不稳定的小气泡10，当使用包括滞留容器12的小气泡分析系统时，也可以一边将在滞留容器12内的滞留时间等条件维持成固定，一边将小气泡10供给至小气泡特性评估装置2，并稳定且高精度地测定气泡直径分布。优选到达测定单元21为止的时间短，其原因在于：供给至小气泡特性评估装置2的小气泡的浓度或个数多。
3.导入口及导出口的配置
如图1所示，导出管15的导出口151配置在滞留容器12内的液体13中，其开口方向向下。即，形成有导出口151的导出管15的一端部在上下方向上延长，其下端面以在水平方向上延长的方式配置，由此导出口151向下开口。
另一方面，导入管14的导入口141配置在比导出口151低的位置。更具体而言，导入管14在水平方向上延长，其一端部在比导出口151更下方配置在滞留容器12内的液体13中。形成在所述导入管14的一端部的导入口141沿着水平方向朝导出口151侧开口。
将导入口141与导出口151连结的直线L相对于水平方向倾斜。优选直线L相对于水平方向的倾斜角度为30°～60°，例如设定成45°。另外，优选直线L的长度为10cm～20cm，例如设定成15cm。
图5是表示使导入口141与导出口151的位置关系变化时的测定结果的图。如图5所示，在将导出口151配置在导入口141的附近的情况(A)下，被供给至小气泡特性评估装置2的小气泡10的浓度高，但在将导出口151相对于导入口141朝斜上方45°的位置隔开15cm来配置的情况(B)下，被供给至小气泡特性评估装置2的小气泡10的浓度减少至1/2～1/3左右。
如此，若适当地设定导入口141与导出口151的位置关系，则可将浓度适宜的小气泡10稳定地供给至小气泡特性评估装置2。尤其，若配置在滞留容器12内的液体13中的导出口151向下开口，则滞留在液体13中的小气泡10通过浮力而从导出口151顺利地导出。另外，若从配置在比导出口151低的位置的导入口141，朝滞留容器12内的液体13中导入小气泡10，则在液体13中通过浮力而浮起的小气泡10被稳定地从导入口141朝导出口151引导。因此，可更稳定地供给在液体13中不稳定的小气泡10。但是，导入口141与导出口151的位置关系并不限于如上所述的位置关系，例如导入口141也可以沿着与水平方向不同的方向开口。
4.导出管内的雷诺数
在本实施方式中，以雷诺数变成2300以下的方式，设定导出管15的内径、及内部的液体的流速。具体而言，可利用如下述表中所示的值来设计导出管15。
[表1]
Figure BDA0002514625440000091
此处，当将液体的流速设为V(mm/s)，将管的内径设为d(mm)，将液体的动粘度设为ν(mm2/s)时，雷诺数Re由下述式(1)表示。
Re＝Vd/ν…(1)
当将导出管15的内径d设为4mm，将在内部流动的液体的动粘度v设为0.893mm2/s时，如所述表中所示，若液体的流速V为33mm/s，则雷诺数Re变成149，若液体的流速V为220mm/s，则雷诺数Re变成986，若液体的流速V为280mm/s，则雷诺数Re变成1254，若液体的流速V为480mm/s，则雷诺数Re变成2151。
这些设计值均满足用于使雷诺数Re变成2300以下的条件。若雷诺数Re为2300以下，则防止在导出管15内产生乱流，其结果，可防止小气泡10的气泡直径或浓度变化。因此，可更稳定地供给小气泡10。
图6是表示使通过泵3而导入导出管15内的液体的流量Q变化时的测定结果的图。如图6所示，与液体的流量Q为166ml/min(液体的流速V为220mm/s)时相比，当液体的流量Q为211ml/min(液体的流速V为280mm/s)时、或液体的流量Q为362ml/min(液体的流速V为480mm/s)时，小气泡10的气泡直径变大，气泡量也减少。
根据此种测定结果，优选以雷诺数Re更优选变成1250以下，进而更优选变成1150以下的方式，设定导出管15的内径、及内部的液体的流速。
5.导出管的内表面
在本实施方式中，导出管15由其内表面的电位变成负电位的材料形成。具体而言，优选利用氟树脂等来形成导出管15的内表面。
图7是表示变更导出管15的内表面的材料时的测定结果的图。如图7所示，在利用表面电位变成正的尼龙(聚酰胺)来形成导出管15的内表面的情况下，与利用表面电位变成负的氟树脂(过氟烷基化物(Perfluoroalkoxy，PFA))来形成导出管15的内表面的情况相比，小气泡10的气泡量减少。
根据此种测定结果，优选导出管15由其内表面的电位变成负电位的材料形成。若导出管15的内表面的电位为负电位，则可防止表面电位为负电位的小气泡10附着在导出管15的内表面。由此，小气泡10在导出管15内顺利地流动，因此可更稳定地供给小气泡10。
6.导出管的其他条件
优选导出管15的内径大，并无特别限定，例如可设定成2mm以上。其原因在于：在未满2mm的情况下，有可能因导出管15的内表面的相互作用而对小气泡的特性造成影响。如上所述，优选导出管15的长度短。导出管15的曲率并无特别限定，但优选100mm以上。其原因在于：在未满100mm的情况下，有可能在导出管15的内部产生涡流，对小气泡的特性造成影响。导出管15的表面粗糙度并无特别限定，但优选0.4μm以下。其原因在于：若比0.4μm大，则有可能因导出管15的内表面的相互作用而产生小气泡的吸附，使小气泡消失。
7.变形例
图8是表示本发明的变形例的示意图。在此变形例中，在滞留容器12设置有搅拌机30。在图1的滞留容器12中，也可以通过将小气泡连续地导入液体内，而在滞留容器12内使小气泡的分散均质化。但是，通过设置搅拌机30来对包含小气泡的液体进行搅拌，可在滞留容器12内使小气泡的分散更良好地均质化。因此，可使供给至小气泡特性评估装置2的小气泡的分散更良好地均质化，因此可在小气泡特性评估装置2中更正确地评估小气泡。搅拌机30并无特别限定，例如可采用磁力搅拌机。
在以上的实施方式中，对小气泡特性评估装置2为粒径分布测定装置的情况进行了说明。但是，本发明的小气泡分析系统也可以应用于如将小气泡10供给至粒径分布测定装置以外的小气泡特性评估装置的构成。
另外，小气泡10的供给对象并不限于小气泡特性评估装置2。即，本发明的小气泡供给装置可将小气泡供给至任意的供给对象，而不限于小气泡特性评估装置2。
[符号的说明]
1：小气泡供给装置
2：小气泡特性评估装置
3：泵
10：小气泡
11：小气泡产生装置
12：滞留容器
13：液体
14：导入管
15：导出管
21：测定单元
22：光源
23：检测器
121：开口
141：导入口
151：导出口。

Claims (15)

1.一种小气泡供给装置，其特征在于包括：
小气泡产生装置，产生小气泡；以及
滞留容器，在内部收容液体，并且连接有小气泡的导入管及导出管；
从所述小气泡产生装置产生的小气泡经由所述导入管而导入所述滞留容器内的液体中，由此滞留在所述液体中，滞留在所述液体中的小气泡经由所述导出管而朝供给对象导出。
2.根据权利要求1所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述导出管从配置在所述滞留容器内的液体中的向下开口的导出口，导出滞留在所述液体中的小气泡。
3.根据权利要求1或2所述的小气泡供给装置，其特征在于，
以雷诺数变成2300以下的方式，设定所述导出管的内径、及内部的液体的流速。
4.根据权利要求1或2所述的小气泡供给装置，其特征在于，
以雷诺数变成1250以下的方式，设定所述导出管的内径、及内部的液体的流速。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述导出管由其内表面的电位变成负电位的材料形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述导出管的内径为2mm以上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述导出管的曲率为100mm以上。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述导出管的表面粗糙度为0.4μm以下。
9.根据权利要求2所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述导入管在水平方向上延长，其导入口在比所述导出口更下方配置在所述滞留容器内。
10.根据权利要求9所述的小气泡供给装置，其特征在于，
将所述导入口与所述导出口连结的直线相对于水平方向倾斜30°～60°。
11.根据权利要求9或10所述的小气泡供给装置，其特征在于，
将所述导入口与所述导出口连结的直线为10cm～20cm。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的小气泡供给装置，其特征在于，
所述滞留容器作为缓冲器发挥功能，所述缓冲器用于使小气泡仅在滞留时间内滞留，由此使小气泡的分散状态在所述滞留容器内更均质化。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的小气泡供给装置，其特征在于，
在所述滞留容器设置有搅拌装置，所述搅拌装置对滞留在所述滞留容器内的小气泡进行搅拌，由此使小气泡的分散状态在所述滞留容器内更均质化。
14.一种小气泡分析系统，其特征在于包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的小气泡供给装置；以及
小气泡特性评估装置，对从所述小气泡供给装置供给的小气泡的特性进行评估。
15.根据权利要求14所述的小气泡分析系统，其特征在于，
还包括设置在比所述小气泡特性评估装置更下游侧的泵，
通过所述泵的驱动，将滞留在所述滞留容器内的小气泡经由所述导出管而朝所述小气泡特性评估装置抽吸。
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