CN113453792A - 气泡产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气泡产生装置。本公开是通过振动使液体中产生微细的气泡(200)的气泡产生装置。气泡产生装置(1)具备振动板(2)、筒状体(3)以及压电元件(4)。筒状体(3)具有第一端部(3a)、和与第一端部(3a)相反侧的第二端部(3b)，且在第一端部(3a)侧，与振动板(2)连结，以便保持振动板(2)。压电元件(4)在筒状体(3)的第二端部(3b)侧固定于筒状体(3)的向径向外侧延伸的环状凸缘部(3e)，使筒状体(3)振动。使筒状体(3)的第一端部(3a)与水槽(10)结合。

Description

气泡产生装置
技术领域
本公开涉及气泡产生装置。
背景技术
近年来，使用微细的气泡进行水质净化、排水处理、鱼的养殖等，微细的气泡在各种领域中被利用。因此，开发了产生微细的气泡的气泡产生装置(专利文献1)。
在专利文献1所记载的气泡产生装置中，利用压电元件使微细的气泡产生。在该气泡产生装置中，利用弯曲振动的振动板的中央部处的上下振动，通过振动将在振动板形成的细孔处产生的气泡撕裂而进行微细化。因此，形成有细孔的振动板始终暴露于水等液体中。进而，需要在振动板的下部设置导入用于使气泡产生的气体的空间。
专利文献1：日本专利第6108526号公报
在专利文献1所记载的气泡产生装置中，为了利用振动板使液体与空气分离，利用同心圆状的硅橡胶等橡胶弹性体保持振动板。在利用橡胶弹性体保持振动板的情况下，若为了产生气泡而使振动板振动，则橡胶弹性体局部吸收振动板的振动，因此存在导致气泡产生装置中的微细的气泡的产生效率降低的问题。
相反，在利用不是弹性体的硬的遮蔽物进行液体与空气的分离并保持振动板的情况下，若为了产生气泡而使振动板振动，则存在振动板的振动从遮蔽物泄漏而导致水槽本身振动的问题。
发明内容
因此，本公开的目的在于提供一种利用振动板使液体与空气分离，并且不会使微细的气泡的产生效率降低的气泡产生装置。
本公开的一个方式所涉及的气泡产生装置是通过振动使液体中产生微细的气泡的气泡产生装置，具备：振动板，形成有多个开口部，一方的面与液体槽的液体接触，另一方的面与气体接触；筒状体，具有第一端部、和与第一端部相反侧的第二端部，在第一端部侧，与振动板连结，以便保持振动板；以及压电元件，在筒状体的第二端部侧固定于筒状体的向径向外侧延伸的环状凸缘部，且使筒状体振动，使筒状体的第一端部与液体槽结合。
根据本公开，由于是在筒状体的第一端部连结振动板，在第二端部的环状凸缘部设置压电元件的构造，因此能够利用振动板使液体与空气分离，并且能够使微细的气泡的产生效率提高。
附图说明
图1是使用本实施方式所涉及的气泡产生装置的水质净化装置的示意图。
图2是本实施方式所涉及的气泡产生装置的立体图。
图3是本实施方式所涉及的气泡产生装置的半剖视图。
图4是用于对本实施方式所涉及的气泡产生装置的振动板的振动进行说明的图。
图5是表示本实施方式所涉及的气泡产生装置的驱动了环状的压电元件的情况下的谐振特性的图。
图6是本实施方式所涉及的振动板的俯视图。
图7是在本实施方式所涉及的振动板形成的开口部的剖视图。
具体实施方式
(实施方式)
以下，参照附图对本实施方式所涉及的气泡产生装置详细地进行说明。此外，对图中的相同或相当部分标注相同附图标记，不重复其说明。
首先，图1是使用本实施方式所涉及的气泡产生装置1的水质净化装置100的示意图。图1所示的气泡产生装置1例如设置于水槽(液体槽)10的底部，被用于使水槽10的水产生微细的气泡200的水质净化装置100中。此外，气泡产生装置1的用途不限定于水质净化装置100，能够应用于排水处理装置、鱼的养殖用水槽等各种用途。
气泡产生装置1具备振动板2、筒状体3以及压电元件4。气泡产生装置1在开设于水槽10的底部的一部分的孔设置振动板2，经由筒状体3通过压电元件4使振动板2振动，由此从在振动板2形成的多个细孔(开口部)产生微细的气泡200。
振动板2由玻璃板形成。在由玻璃板形成振动板2的情况下，例如，也可以由供波长为200nm～380nm的紫外光及深紫外光透过的玻璃板形成。通过由供紫外光及深紫外光透过的玻璃板形成，从而设置从振动板2的另一方的面侧相对于水槽10的水发出紫外光的光源，能够兼作基于臭氧生成的杀菌和基于紫外光照射的杀菌。此外，玻璃板使用石英玻璃、组成被控制且使深紫外线的透过度提高的伪石英合成玻璃等。此外，振动板2也可以由金属板形成，也可以由玻璃以外的其他材质(例如，金属、树脂等)形成。
振动板2形成有多个细孔，一方的面与水槽10的水(液体)接触，另一方的面与空气(气体)接触。即，在气泡产生装置1中，利用振动板2使水与空气分离，对另一方的面施加背压(图1所示的箭头方向)，使振动板2振动，由此空气经过多个细孔而被送入水槽10的水中，使微细的气泡200产生。
在气泡产生装置1中，经由筒状体3通过压电元件4使振动板2振动。图2是本实施方式所涉及的气泡产生装置1的立体图。图3是本实施方式所涉及的气泡产生装置的半剖视图。图3所示的点划线是经过筒状体3的中心轴的部分。
在振动板2连结有筒状体3。此外，由于振动板2由玻璃板形成，因此在图2中，隔着振动板2能够看到筒状体3的贯通孔，但在振动板2由金属板等不透明的材料形成的情况下，无法如图2所示隔着振动板2看到筒状体3的贯通孔。筒状体3具有圆筒状的形状。筒状体3具有第一端部3a、和与第一端部3a相反侧的第二端部3b。第二端部3b在圆筒体的轴向上，位于与第一端部3a相反的一侧。
第一端部3a与振动板2连结。即，筒状体3的第一端部3a固定于振动板2的筒状体3侧的面，以使振动板2闭合筒状体3的第一端部3a侧的开口。
在本实施方式中，筒状体3由不锈钢构成。然而，也可以使用其他金属材料来代替不锈钢。优选地，期望不锈钢等刚性高的金属。
在筒状体3的侧面设置有向筒状体的径向外侧延伸的法兰部3c。法兰部3c例如如图1所示，与在水槽10的底部的一部分开设的孔连结，由此筒状体3的第一端部3a与水槽10结合。即使经由筒状体3通过压电元件4使振动板2振动，法兰部3c也几乎无振动。因此，能够不将压电元件4的振动传递到水槽10，而仅使振动板2振动。
在筒状体3的第二端部3b侧设置有向径向外侧延伸的环状凸缘部3e。环状凸缘部3e在俯视观察的情况下，具有圈状的形状。法兰部3c与环状凸缘部3e之间的部分是筒状体主体3d。上述环状凸缘部3e的外径比筒状体主体3d的外径大。虽然没有特别限定，但在本实施方式中，如图3所示，筒状体主体3d的外径比振动板2的外径小。
环状凸缘部3e可以与筒状体主体3d由相同的材料一体地构成。然而，在本实施方式中，作为与筒状体主体3d分开的部件的环状凸缘部3e接合于筒状体主体3d的与振动板2相反侧的端面。这样，环状凸缘部3e也可以与筒状体主体3d由分开的部件构成。
在环状凸缘部3e，在与振动板2侧的面相反侧的面固定有环状的压电元件4。环状的压电元件4具有环状压电体和设置于环状压电体的两面的电极。环状压电体在厚度方向上，即在将筒状体3的第一端部3a和第二端部3b连结的方向上被极化。环状压电体由压电陶瓷等压电体构成。
通过环状的压电元件4接合于环状凸缘部3e的构造，构成使振动板2弯曲振动的振动体。此外，环状的压电元件4例如内径为12mm，外径为18mm，厚度为1mm。另外，压电元件4例如在电压为50Vpp～70Vpp，占空比为50％的矩形波形的动作条件下被驱动。
在气泡产生装置1中，该压电元件4的弯曲振动经由筒状体3传递至振动板2，使振动板2振动而使微细的气泡200产生。压电元件4的电极被供给来自控制器20的信号，基于该信号，压电元件4被驱动。
此外，对压电元件4具有环状压电体、和设置于环状压电体的两面的电极进行了说明，但不限定于此。压电元件4例如也可以是环状配置有多个压电体，在各个压电体的两面设置有电极的结构。
振动板2与筒状体3的第一端部3a连结，如图3所示经由支撑玻璃6与筒状体3的第一端部3a连结。在振动板2的厚度例如为0.2mm的情况下，支撑玻璃6的厚度例如为1.1mm。当然，振动板2也可以不经由支撑玻璃6而与筒状体3的第一端部3a直接连结。
在气泡产生装置1中，采用将与液体接触的振动板2的构造设为玻璃板，经由筒状体3通过压电元件4使振动板2振动的结构，由此能够使导入气体的空间与液体完全分离。通过使导入气体的空间与液体完全分离，能够防止压电元件4的电气布线等浸入液体。另外，在气泡产生装置1中，光源也能够设置于导入气体的空间，因此能够防止光源的电气布线等浸入液体。
接下来，对气泡产生装置1中的振动板2的振动详细地进行说明。图4是用于对本实施方式所涉及的气泡产生装置1的振动板2的振动进行说明的图。图4示出了气泡产生装置1的半剖视图、针对振动板2的振动模拟的结果的位移。图4所示的点划线是经过筒状体3的中心轴的部分。
在图4所示的气泡产生装置1中，在振动板2连结有筒状体3、环状凸缘部3e以及环状的压电元件4。通过对该环状的压电元件4的电极间施加交流电场，环状的压电元件4与环状凸缘部3e的层叠体弯曲振动。该弯曲振动的位移经由筒状体3的筒状体主体3d传播给振动板2。其结果，振动板2产生中央部大幅位移的弯曲振动。在该情况下，如图4所示，气泡产生装置1由于振动板2的弯曲振动而在振动板2的中央部产生位移d。
在通过环状的压电元件4使环状凸缘部3e振动而使振动板2弯曲振动的情况下，产生图4所示的气泡产生装置1的振动板2的中央部分与环状凸缘部3e的外周侧部分以反相进行位移的第一模式和以同相进行位移的第二模式。
特别是，在气泡产生装置1中，在使振动板2以第一模式振动的情况下，由于在法兰部3c的附近出现节点，因此在法兰部3c的附近几乎无振动。
图5是表示本实施方式所涉及的气泡产生装置的驱动了环状的压电元件4的情况下的谐振特性的图。如图5所示，在低频侧出现第一模式的响应，在高频侧出现第二模式的响应。这里，第一模式的谐振频率出现在32.5kHz附近，第二模式的谐振频率出现在34.0kHz附近。
此外，通过变更环状凸缘部3e的外径、厚度，弯曲振动，能够大幅变更第一模式的响应及第二模式的响应的频率。
在振动板2形成有多个细孔。图6是本实施方式所涉及的振动板的俯视图。图6所示的振动板2在设置于直径14mm的玻璃板2a的中央部的5mm×5mm的区域形成有多个细孔2b。振动板2例如在将细孔2b的孔径设为10μm，将细孔2b的间隔设为0.25mm的情况下，能够在5mm×5mm的区域形成441个细孔2b。此外，在图6中，为了使在玻璃板2a形成有多个细孔2b容易成像，细孔2b的孔径及细孔2b的间隔与实际的尺度不同。
在振动板2设置的细孔2b在与液体接触的一侧的面上的孔径为1μm～20μm。利用从该细孔2b导入的空气，在水槽10的水中产生约10倍的直径的微细的气泡200。由于细孔2b以孔径的10倍以上的间隔形成多个，因此能够防止从一个细孔2b产生的微细的气泡200与从相邻的细孔2b产生的微细的气泡200相连，从而使产生独立的微细的气泡200的性能提高。
作为用于在玻璃板2a形成多个细孔2b的方法，例如存在使激光与液相蚀刻组合的方法。具体而言，在该方法中，通过对玻璃板2a照射激光，利用激光能使玻璃板2a发生组成变性，使其部分被液体氟化物系的蚀刻材料等侵蚀而形成多个细孔2b。
图7是在本实施方式所涉及的振动板形成的细孔(开口部)2b的剖视图。如图7所示，在玻璃板2a形成的细孔2b的形状是相较于图中下侧的面的孔径，上侧的面的孔径更大的锥形形状。通过将孔径小的面作为与水槽10的水接触的面，将孔径大的面作为与气体接触的面来配置振动板2，能够进一步减小在细孔2b产生的微细的气泡200的直径。当然，也可以将孔径大的面作为与水槽10的水接触的面，将孔径小的面作为与气体接触的面来配置振动板2。
在振动板2使用玻璃板2a的情况下，与利用金属板的情况相比，具有能够防止由于金属离子向液体的溶析而导致的液体污染的优点。另外，在金属板形成了细孔的情况下，为了防止金属的腐蚀，需要进行镀覆。为了防止金属离子向液体的溶析，需要使用贵金属。因此，若利用贵金属对形成了细孔的金属板进行镀覆，则振动板的成本变得昂贵。
如以上那样，本实施方式所涉及的气泡产生装置1是通过振动使液体中产生微细的气泡200的气泡产生装置。气泡产生装置1具备振动板2、筒状体3以及压电元件4。振动板2形成有多个细孔2b，一方的面与水槽10的水(液体)接触，另一方的面与气体接触。筒状体3具有第一端部3a、和与第一端部3a相反侧的第二端部3b，且在第一端部3a侧，与振动板2连结，以便保持振动板2。压电元件4在筒状体3的第二端部3b侧固定于筒状体3的向径向外侧延伸的环状凸缘部3e，使筒状体3振动。筒状体3的第一端部3a与水槽10结合。
由此，气泡产生装置1是在筒状体3的第一端部3a连结振动板2，在第二端部3b的环状凸缘部3e设置压电元件4的构造，因此能够利用振动板2使液体与空气分离，并且能够使微细的气泡的产生效率提高。另外，气泡产生装置1能够使导入气体的空间与液体完全分离，从而能够防止压电元件4的电气布线等浸入液体。
另外，环状凸缘部3e具有振动板2侧的第一面、和与第一面相反侧的第二面，在第二面固定有压电元件4。由此，气泡产生装置1能够防止压电元件4浸入液体。
另外，筒状体3可以在第一端部设置法兰部3c，经由法兰部3c与水槽10结合。由此，气泡产生装置1能够不将压电元件4的振动传递到水槽10，而仅使振动板2振动。
另外，法兰部3c、筒状体3以及环状凸缘部3e可以由相同的材料一体地形成。由此，能够提高法兰部3c、筒状体3以及环状凸缘部3e的强度。
另外，振动板2可以由玻璃板形成。由此，气泡产生装置1能够防止由于金属离子向水槽10的水(液体)的溶析而导致的液体污染。
另外，玻璃板可以经由支撑玻璃6与筒状体3的第一端部3a侧连结。
另外，振动板2可以以孔径的10倍以上的间隔形成多个与液体接触的一侧的面上的孔径为1μm～20μm的细孔2b。由此，气泡产生装置1能够防止从一个细孔2b产生的微细的气泡200与从相邻的细孔2b产生的微细的气泡200相连，从而能够产生独立的微细的气泡200。
另外，细孔2b的形状可以是相较于与水槽10的水(液体)接触的一方的面的孔径，与气体接触的另一方的面的孔径更大的锥形形状。由此，气泡产生装置1能够进一步减小在细孔2b产生的微细的气泡200的直径。
本次公开的实施方式的全部的点都只是例示，不应认为是对本发明进行的限制。本发明的范围由权利要求书表示而不是由上述的说明表示，是指包括与权利要求书等同的意思以及范围内的全部的变更。
附图标记说明
1、1a…气泡产生装置；2…振动板；2a…玻璃板；2b…细孔；3…筒状体；3a…第一端部；3b…第二端部；3c…凸缘部；3d…筒状体主体；3e…环状凸缘部；4、4A…压电元件；6…支撑玻璃；10…水槽；20…控制器；100…水质净化装置；200…气泡。

Claims (8)

1.一种气泡产生装置，是通过振动使液体中产生微细的气泡的气泡产生装置，其中，具备：
振动板，形成有多个开口部，一方的面与液体槽的液体接触，另一方的面与气体接触；
筒状体，具有第一端部、和与所述第一端部相反侧的第二端部，且在所述第一端部侧，与所述振动板连结，以便保持所述振动板；以及
压电元件，在所述筒状体的所述第二端部侧固定于所述筒状体的向径向外侧延伸的环状凸缘部，使所述筒状体振动，
使所述筒状体的所述第一端部与所述液体槽结合。
2.根据权利要求1所述的气泡产生装置，其中，
所述环状凸缘部具有所述振动板侧的第一面、和与所述第一面相反侧的第二面，在所述第二面固定有所述压电元件。
3.根据权利要求1或2所述的气泡产生装置，其中，
所述筒状体在所述第一端部设置法兰部，并经由所述法兰部与所述液体槽结合。
4.根据权利要求3所述的气泡产生装置，其中，
所述法兰部、所述筒状体以及所述环状凸缘部由相同的材料一体地形成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的气泡产生装置，其中，
所述振动板由玻璃板形成。
6.根据权利要求5所述的气泡产生装置，其中，
所述玻璃板经由支撑玻璃与所述筒状体的所述第一端部侧连结。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的气泡产生装置，其中，
所述振动板以孔径的10倍以上的间隔形成多个孔径为1μm～20μm的所述开口部。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的气泡产生装置，其中，
所述开口部的形状是相较于与所述液体槽的液体接触的所述一方的面的孔径，与气体接触的所述另一方的面的孔径更大的锥形形状。
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