CN113853357A - 微泡产生装置及水处理装置 - Google Patents

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Abstract

在使柱状部突出到筒状构件的节流孔的结构的微泡产生装置中，由于柱状部的存在会阻碍流体的流动，因此限制了产生微泡的流体的流量。另外，有时在柱状部间会夹卡住异物。制造柱状部费工费时。进一步而言，在将柱状部以悬臂梁的状态进行支承时难以确保机械刚性，耐久性的确保变得困难。本发明涉及一种微泡产生装置，其依次形成有使直径从筒状主体的入口起逐渐减小的入口部、与该入口部连续的节流孔、以及与该节流孔连续的扩径部，其中，优选节流孔与所述扩径部之间的边界形成为径向立面，扩径部的直径是所述节流孔的直径的3～10倍。在出口周壁形成凹部。

Description

微泡产生装置及水处理装置
技术领域
本发明涉及微泡产生装置及水处理装置。
背景技术
作为形成微泡的一个方法，有空化效应的利用。在专利文献1、专利文献2中，公开了如下的微泡产生装置：使柱状部向管状的主体部的节流孔内突出，并使在该节流孔中通过的水流产生纳米级的微泡。
当将自来水导入到该微泡产生装置中时，水流在相对置的柱之间形成的收缩部被收缩而其流速增加。其结果是，根据贝尔努利的原理而在收缩部(及其下游侧)形成负压区域，因该空化(减压)效应而使水中的溶解气体析出并产生微泡。
需要说明的是，如果是微米级的微泡，则在筒状构件仅设置小径部分(节流孔)即可(专利文献3)。即，通过如下装置能够形成微米级的微泡，该装置具备随着从筒状构件的入口侧端部去往中心部而内径逐渐变窄的入口部、与该入口部连接的节流孔、以及与该节流孔连接且内径朝向筒状构件的出口侧另一端而逐渐扩宽的扩径部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5712292号公报
专利文献2：日本专利第6279179号公报
专利文献3：日本专利第6369879号公报
发明内容
发明所要解决的问题
为了产生纳米级的微泡，而使柱状部突出到了筒状构件的节流孔。
由于上述柱状部的存在会阻碍流体的流动，因此限制了产生微泡的流体的流量。另外，有时在柱状部间会夹卡住异物。
另外，制造柱状部较为费工费时。进一步而言，在将柱状部以悬臂梁的状态进行支承时难以确保机械刚性，耐久性的确保变得困难。
用于解决问题的手段
本发明为了解决上述问题，而如以下这样进行规定。即：
一种微泡产生装置，其是具有节流孔的筒状的微泡产生装置，其中，
在节流孔的出口的周壁形成有凹部。
在此，所谓节流孔，是指在筒状构件中进行缩径且具有预定的长度的部分。
换言之，在筒状构件中在节流孔的入口侧和出口侧分别连续形成有直径比节流孔大的入口部和出口部(扩径部)。
为了使流动稳定，优选节流孔具备有同一直径的平坦的内周面。节流孔的直径能够通过所希望的(相对于流体的)压缩比与流体的处理量之间的关系而任意设计。为了发挥空化效应，节流孔出口的直径、和与之连续的扩径部的直径之差的调整变得重要。
只要在节流孔中流动的流体稳定，即，只要流动向节流孔的轴向汇聚，则节流孔的长度就能够任意设计。
当然，并非是限定为节流孔的直径要沿轴向均一。也能够在节流孔中使直径逐渐变化，也能够在节流孔的内周面形成螺旋槽。
优选向节流孔连续的入口部随着朝向节流孔而逐渐缩径。这是为了使流体顺畅地导入到节流孔。由此，能够在确保较高的流速的同时，充分地压缩流体。
缩径的程度(相对于轴向的倾斜角度)能够根据流体的种类、流速、所希望的压缩率而任意选择。
入口部的内周面优选形成为平坦面，但能够将螺旋槽等设置到其内部。
与节流孔出口连续的扩径部，相比节流孔出口的直径而进行了扩径。由此，由节流孔压缩后的流体在喷出到该扩径部时被释放而形成负压，从而发挥出空化效应。
节流孔的出口的直径和扩径部的最大直径之差(比)根据所希望的微泡的平均粒径、粒子数等而任意设计。
利用使由节流孔压缩后的流体在扩径部释放从而形成负压，来形成微米级的微泡的技术是众所周知的(参照专利文献3)。
在本发明中，通过在节流孔的出口的周壁设置凹部，能够无需在节流孔设置任何柱部，就使形成的微泡达到纳米级。
通过能够省略柱部，使得节流孔内的阻力变小，因此能够处理的流体的量增加。另外，由于简化了结构，从而制造变得容易且耐久性及维护便利性提高。
优选为，该凹部在节流孔的出口的周壁处以节流孔的中心为其中心沿周向且沿径向均等分布。这是为了稳定地形成微泡。
优选为，节流孔的出口的周壁沿相对于节流孔的轴垂直的方向形成，在该处形成的凹部的深度方向设置成与节流孔的轴相同的方向。该凹部从向周壁开口的部分起沿其深度方向而设置成相同的直径，或朝向深度方向而缩径。这是为了避免流体在凹部内滞留。另外，从成型性(脱模的容易性)的观点出发，也优选使凹部以上述的方式形成。
凹部的形状是任意的。例如，也能够以凹部随着变深而从节流孔分离、或向节流孔靠近的方式贯穿设置凹部。
从节流孔的出口周缘至凹部的周缘的距离(两者的间隙)优选为较近。但是，若过于接近，则出口周缘的壁厚会变得过薄而无法确保机械强度。根据本发明的发明人的研究，在将装置设置为树脂制成时，两者的距离设置为0.1mm以上。
从使节流孔的出口周缘和凹部的周缘接近的观点出发，节流孔的出口的周壁优选设置成相对于节流孔的中心轴垂直的方向。
根据本发明的发明人的研究，可知在凹部内会产生大的负压。根据模拟的结果，与扩径部的中心相比产生了1/10～1/100的负压。而且，因与水流的相互作用，凹部内的负压进行周期性变化。
如果凹部内的负压变大，则因此会产生较大的空化效应。另外，可以考虑负压的周期性变化会产生与向流体施加超声波同等的效应。
可以考虑，因凹部的存在，微泡纳米级化是凹部内的大的负压和其周期性变化的相互作用。
可以考虑，通过控制这些负压的值、其变化的频率而能够控制在流体中产生的微泡的平均粒径、粒径分布。
作为控制凹部内的负压的值和其频率的参数，可以列举如下内容。
节流孔的出口直径和扩径部的直径之比
凹部的长宽比(开口部的面积和深度之比)
从节流孔的出口喷出的流体的速度及其粘度
凹部占节流孔的周壁的面积比
节流孔的出口周缘和凹部周缘之间的距离
节流孔的出口面积和凹部的面积之比，等
节流孔只要是将从入口送来的水流收缩到其中并压缩、从而加快其流速的形状就无特别限定，但是从使对水流的阻力最小化的观点出发，优选设置为具备横截面为圆形的空间的形状。
节流孔的直径能够根据要处理的水量等而任意选择。
为了获得所述的流速而对流体的流量、压力以及节流孔内周面的质地(材质、表面粗糙度)进行调整。为了使流速稳定化，优选具备同一直径的部分(直管部分)。直管部分的长度优选设置为节流孔的出口直径的长度的0.5～2.0倍，更优选设置为1.0～1.5倍。
在节流孔的下游侧形成有大径部，穿过节流孔后的水被向该大径部释放出来。由此，由节流孔压缩后的水流被释放从而其压力降低。通过作为减压的结果的空化效应而形成气泡。
与节流孔的出口连续的扩径部的横截面优选为圆形，其中心部与节流孔的中心一致。由此，从节流孔的出口喷出来的流体均等地扩散并减压。因此，微泡得以均等地形成。
在本发明中，节流孔的出口的周壁相对于节流孔的轴而垂直，其结果是，扩径部形成圆筒状，且从节流孔出口周缘起具备均一的直径。
通过将节流孔的出口的周壁设置为垂直壁，能够使从节流孔的出口喷出的流体高效地负压化。另外，可以考虑使凹部与节流孔出口接近，来得到较大的负压和合适的负压的周期。
扩径部的内周面的形状能够任意设计，例如，也能够使与节流孔的出口连续的扩径部形成为随着从出口分离而逐渐扩径的倒漏斗状。
在节流孔出口周壁形成的凹部的压力，与扩径部的中央部的压力相比而设置为1/10～1/100。由于无法直接测定压力的值，因此采用与水流有关的模拟软件(solid works公司制作的Simulation)的模拟结果。具体的模拟结果参照图4。
在形成为上述那样的负压后的凹部内，流体的密度降低，基本形成气体的状态。可以考虑这样地形成气体状态后的凹部内的流体在被卷入液体状态的流体中时，形成微泡。然后，在扩径部流动的流体和在凹部内气体化后的流体发生干扰，从而凹部内的负压进行周期性变化。可以考虑该变化的频率和凹部内的负压的大小相互作用，从而使微泡达到纳米级化。
在扩径部的周壁，能够沿周向连续地或非连续地设置第二凹部。
也能够促进微泡在该第二凹部产生。第二凹部中的压力设置为比在节流孔的出口周边形成的第一凹部的压力大、且比扩径部的中心的压力小。
通过扩径部周壁的第二凹部，使在扩径部流动的流体被搅拌。其结果是，促进第一凹部中的空化效应。
从搅拌的观点出发，能够将第二凹部置换为凸部。
根据本发明的微泡产生装置，如果一旦使水等流体穿过其中，则能够使其中大量产生纳米级的微泡。换言之，由于在凹部产生了大的负压，进入到凹部的流体在凹部内带有气相的性质。其结果是，在流体本身的特性方面可能会产生变化。
例如，虽然无法计量，但可以考虑所谓的流体的束(cluster)被破坏了。换言之，随着束变小而流体本身的浸透性变大。另外，通过本发明而得到的纳米气泡水，其表面张力与通常的水相同。另一方面，通过机械搅拌、从外部施加压力而使供给至水中的空气的泡细微化的方式的纳米气泡水，其表面张力变小，从而对象物质容易润湿。
这样，由本发明的微泡产生装置制造出的微泡水其水本身具有新的特性。因此，在本发明的其他方面，从通过已叙述的方法而得到的微泡水中去除微泡。即使不存在微泡，通过本发明的微泡产生装置处理过的水也具有新的特性。为了去除微泡，施加超声波以使纳米级的微泡成长为微米级，之后使微米级化后的微泡自然消溃即可。
不限于从微泡水中去除其全部的微泡，也可以将其任一部分去除。
通过使其穿过本发明的微泡产生装置而得到的微泡水，在保持其原样的状态下也能够具有较高的清洗能力、其他微泡水所具备的通常的功能。
穿过该微泡产生装置的流体不限于自来水。即，只要是能够穿过微泡产生装置且在不会对节流孔、凹部造成封堵的前提下产生负压的流体即可。纯水、去离子水自不必提，甚至污水、海水等也能够作为其对象。进一步而言，乙醇、汽油、柴油等也能够成为对象。
以上微泡水还能够作为清洗材料、针对病毒和细菌的杀菌剂、消毒材料、医药材料、食品材料、装饰材料、建筑材料、建筑用剂、肥料材料、乳浊液的溶媒等的原材料。
同样地，从该微泡水中去除微泡后的水，也能够作为清洗剂、杀菌剂、消毒剂、医药材料、食品材料、装饰材料、建筑材料、建筑用剂、肥料材料、乳浊液的溶媒等的原材料。
附图说明
图1是本发明的实施方式的微泡产生装置的剖视图。
图2是同样地从出口侧观察的主视图。
图3是表示图1的装置的测定结果的图表。
图4是同样地表示模拟结果的图。
图5是其他实施方式的微泡产生装置的剖视图。
图6是表示图5的装置的测定结果的图表。
图7是其他实施方式的微泡产生装置的剖视图。
图8是表示图7的装置的测定结果的图表。
图9是其他实施方式的微泡产生装置的剖视图。
图10是表示图9的装置的测定结果的图表。
图11是以相同的比例尺汇总图3、图6、图9、图10的结果而成的图表。
具体实施方式
图1是表示本发明的实施例的微泡产生装置1的结构的剖视图。
该微泡产生装置(以下，有时简称为“产生装置”)1在筒状壳体3具备入口部10、节流孔15、扩径部20以及凹部40。
筒状壳体3由三个构件4、5及6构成，在第一构件4的一端侧(在图中为左侧)贯穿设置有嵌合孔7，该嵌合孔7具备平坦的底面(节流孔15的开口部的周壁8)。第二构件5及第三构件6无间隙地贯入在该嵌合孔7。
在第一构件4的另一端(在图中为左侧)形成有呈圆锥状贯穿设置的入口部10，与节流孔15连结。节流孔15是相同半径的贯通孔，向嵌合孔7开口。节流孔15以及入口部10形成为它们的中心线与第一构件4的中心线一致。
在第一构件4中，在嵌合孔7的底面即节流孔15的出口的周壁8，形成有第一凹部40。
如图2所示，该第一凹部40在周壁8中以节流孔15的出口的中心为中心而沿周向隔开90度的间隔呈放射状进行开口。
在该例子中，凹部40的开口部形成为对角部进行倒圆了的长方形(椭圆形状)。而且在维持该开口部的形状的状态下与节流孔15平行地贯穿设置。
第二构件5是嵌合到嵌合孔7中的圆盘状的构件，形成有与节流孔15连续的第一扩径部21。该第一扩径部21从超过第二构件5的中心部附近起使其直径逐渐扩宽从而形成第二凹部23。
在该例子中，虽然使第二凹部23在第二构件5的内周面的周向连续地形成，但也可以使其以断续的方式形成。
将圆盘状的第三构件6以与第二构件5重叠的方式嵌入嵌合孔7。在该第三构件6形成有第二扩径部25，其与第二构件5的第一扩径部21一起，构成作为微泡产生装置1的扩径部20。
在该例子中，虽然使第一扩径部21和第二扩径部25形成为相同直径，但也可以将第二扩径部25的直径形成得比第一扩径部21的直径大。
构成筒状壳体3的三个构件4、5及6均可以由合成树脂形成。当然，也可以由金属、陶瓷形成。
在上述内容中，第一凹部40全部向第一扩径部21露出。
也可以使第一凹部40在周壁8向径向扩宽并与第二构件5嵌合时，其一部分被第二构件5所覆盖。
第一凹部40优选以节流孔15的出口的中心为中心而形成为放射状，不限于图2所示的四个方向，例如能够在3～12个方向的范围内任意地形成。优选在从节流孔15的出口的中心观察时的、各第一凹部40沿周向且径向均等地分布。
作为实施例的微泡产生装置，准备了下述样式的装置。筒状壳体3是ABS树脂制成的。
筒状壳体3：直径12.0mm，长度：10mm
入口部的开口径：8.0mm
入口部的倾斜面的开口角度：90度
节流孔15的直径：0.9mm
节流孔15的长度：1.0mm
第一凹部40的纵向宽度：0.7mm
第一凹部40的横向宽度：0.4mm
第一凹部40的深度：0.5mm
节流孔15与第一凹部40之间的距离：0.1mm
扩径部21、25的直径：0.3mm
第二凹部23的倾斜角度：90度
第二凹部23的宽度：0.75mm
嵌合孔7：直径10mm，深度4.0mm
第三构件、第四构件的厚度：各2.0mm
通过2.0MPs的压力将自来水导入到这样构成的微泡产生装置1的入口侧，提取从扩径部20侧排出的水，使用岛津制作所的SALD-7500H来计量包含在该处的微泡的粒径分布。
将结果在图3中进行表示。
平均粒径是93nm，1ml当量的纳米级的微泡超过3亿7000万个。微米级的微泡几乎不存在。
在图4中表示该例子的水流的模拟。在图4中，以箭头的浓淡来表示流速。箭头的颜色越浅，则流速越快。
另外，扩径部内的压力的31.7kPa，与此相对地，第一凹部的压力是2.1kPa，第二凹部的压力是2.9kPa。
接下来，针对在上述图1的样式中省略了第二凹部的微泡产生装置(参照图5)进行了同样的试验。
将结果在图6中进行表示。
平均粒径是109nm，1ml当量的纳米级的微泡是约1亿3000万个。
接下来，针对在上述图5的样式中省略了第一凹部的微泡产生装置(参照图7)进行了同样的试验。
将结果在图8中进行表示。
平均粒径是136nm，1ml当量的纳米级的微泡是约7700万个。
接下来，针对在上述图7的样式中省略了第二凹部的微泡产生装置(参照图9)进行了同样的试验。
将结果在图10中进行表示。
平均粒径是158nm，1ml当量的纳米级的微泡是约4800万个。
根据上述的结果，在省略了第一凹部、第二凹部的纳米级的微泡产生装置中也产生了很多微泡。
图11是以相同的比例尺汇总了图3、图6、图8、图10的结果而成的图。
根据图11的结果可知，通过设置第一凹部、第二凹部，产生的微泡的粒径变得较小。而且可知，通过使第一凹部和第二凹部共同存在，使产生的微泡的粒径变得格外小，其结果是，微泡的产生数量也变得格外多。
根据以上内容，本发明的发明人得到了以下的知识和见解。
一种微泡产生装置，其依次形成有使直径从筒状主体的入口起逐渐减小的入口部、与该入口部连续的节流孔、以及与该节流孔连续的扩径部，其中，
所述节流孔与所述扩径部之间的边界形成为径向立面，
所述扩径部的直径是所述节流孔的直径的3～10倍，
所述扩径部仅在该出口处扩开。
在上述内容中，节流孔和扩径部之间的边界对应于节流孔的出口周壁。该出口周壁优选是相对于节流孔的轴垂直的方向，但也可以是与垂直方向成±20度、或±10度的倾斜。在此，以节流孔的出口为中心而言，设扩径部侧为+，设入口部侧为-。
若出口周壁的倾斜超过+20度，则通过空化效应形成的气泡的搅拌混合会不充分。另一方面，若出口周壁的倾斜超过-20度，则由于从节流孔喷出的水流被引到倾斜的出口周壁侧，因此无法确保充分的流速，从而减压变得不充分。
另外，若扩径部的直径小于节流孔的直径的三倍，则减压变得不充分。另一方面，若扩径部的直径超过节流孔的直径的十倍，则从节流孔的出口喷出来的水流过于分散而对水流形成妨碍。因此，无法确保充分的流速，减压变得不充分。
需要说明的是，虽然扩径部优选为如图示的那样，具备均一的内径，但也可以在上述的范围内将其设置为倒漏斗状。
扩径部设置为仅在其出口扩开。换言之，在扩径部的周壁没有任何来自外部而注入进来的空气以外的气体。扩径部若在其出口以外与外部环境连通，则扩径部内的减压环境恐怕会被破坏，从而并非优选。
第二凹部的形成位置设置为能够对从节流孔的出口喷出的水流进行高效地搅拌的位置。能够通过流速、节流孔和扩径部的直径之比、扩径部的形状等而任意设计。根据本发明的发明人的研究，优选为在节流孔的轴向上从节流孔的出口朝向下游侧，形成在扩径部的直径的0.5～1.5倍的范围内。
以下，公开如下的内容。
(1)一种微泡产生装置，其依次形成有使直径从筒状主体的入口起逐渐减小的入口部、与该入口部连续的节流孔、以及与该节流孔连续的扩径部，其中，
在所述节流孔和扩径部之间的边界的径向立面，以所述节流孔的中心为其中心，形成有沿周向且沿径向均等分布的第一凹部，
在所述扩径部的内周面，形成有沿周向连续的或断续的第二凹部或第二凸部。
(2)一种水处理装置，其具备：水流压缩部，该水流压缩部具有将水流均等地压缩的周壁；以及水流释放部，该水流释放部形成于该水流压缩部的下游侧且直径比所述水流压缩部的直径大，在所述水流释放部中，形成有向与所述水流为相反方向凹陷的第一凹部，与从所述水流压缩部向所述水流释放部释放出的水流的压力相比，所述第一凹部内的压力较小。
(3)在(2)所记载的水处理装置的基础上，所述第一凹部的压力是所述水流释放部的中心的压力的1/10～1/100。
(4)在(2)所记载的水处理装置的基础上，在所述水流释放部的内周面沿半径周向形成有第二凹部，该第二凹部内的压力比所述第一凹部内的压力大，且比所述水流释放部的中心的压力小。
(5)在(2)所记载的水处理装置的基础上，在所述水流释放部的内周面形成有沿周向连续的或断续的凹部、或沿周向连续的或断续的凸部，对从所述水流压缩部释放出的水流进行搅拌。
(6)在技术方案(2)～(5)的任一项所记载的水处理装置的基础上，还具备从由所述水流释放部释放出的水流中去除微泡的装置。
本发明不受上述发明的实施方式的说明任何限定。在不偏离技术方案的记载的前提下，本领域技术人员所能够容易想到的范围内的各种变形方式也包含在本发明中。
【附图标记说明】
1、101、201、301：微泡产生装置；
8：节流孔出口的周壁；
10：入口部；
15：节流孔；
20：扩径部；
23：第二凹部；
40：第一凹部。

Claims (16)

1.一种微泡产生装置，其是具有节流孔的筒状的微泡产生装置，其中，
在节流孔的出口的周壁形成有凹部。
2.一种微泡产生装置，其中，所述凹部在所述节流孔的出口的周壁处以所述节流孔的中心为其中心而沿周向且沿径向均等分布。
3.根据权利要求1或2所述的微泡产生装置，其中，所述节流孔的出口周壁沿相对于该节流孔的轴垂直的方向形成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的微泡产生装置，其中，在所述节流孔的入口侧形成有使直径朝向所述节流孔的入口逐渐减小的入口部，在所述节流孔的出口侧形成有扩径部，在所述扩径部的内周面形成在周向上连续或断续的第二凹部或凸部。
5.一种微泡产生装置，其依次形成有使直径从筒状主体的入口起逐渐减小的入口部、与该入口部连续的节流孔、以及与该节流孔连续的扩径部，其中，
所述节流孔与所述扩径部之间的边界形成为径向立面，
所述扩径部的直径是所述节流孔的直径的3～10倍，
所述扩径部仅在该出口处扩开。
6.根据权利要求5所述的微泡产生装置，其中，所述边界由在相对于所述节流孔的轴垂直的方向(±20度)上形成的节流孔出口周壁构成。
7.根据权利要求5或6所述的微泡产生装置，其中，在所述出口周壁形成有凹部。
8.根据权利要求5或7中任一项所述的微泡产生装置，其中，在所述扩径部的内周面形成有沿周向连续或断续的第二凹部或凸部。
9.一种水处理装置，其中，所述水处理装置具备权利要求1～8中任一项所述的微泡产生装置、和向该微泡产生装置供给水的水供给部。
10.一种水处理装置，其中，所述水处理装置还具备对在所述微泡产生装置产生的所述微泡进行去除的微泡去除器。
11.一种水处理方法，其中，
所述水处理方法包括以下的步骤：
准备权利要求1～8中任一项所述的微泡产生装置；以及
向所述节流孔的入口侧供给水。
12.根据权利要求11所述的水处理方法，其中，对在从所述节流孔的出口侧排出的水中所包含的微泡进行去除。
13.一种微泡水的制造方法，其中，
所述微泡水的制造方法包括以下的步骤：
准备水；以及
通过权利要求1～8中任一项所述的微泡产生装置处理该水。
14.一种水的制造方法，其中，
所述水的制造方法包括以下的步骤：
准备通过权利要求13所述的微泡水的制造方法制造出的微泡水；以及
从所述微泡水中去除一部分或全部的微泡。
15.一种清洗剂、杀菌剂、消毒剂、医药材料、食品材料、装饰材料，其中，所述清洗剂、杀菌剂、消毒剂、医药材料、食品材料、装饰材料包含通过权利要求13所述的微泡水的制造方法制造出的微泡水。
16.一种清洗剂、杀菌剂、消毒剂、医药材料、食品材料、装饰材料、建筑材料、建筑用剂、肥料材料、乳浊液的溶媒，其中，所述清洗剂、杀菌剂、消毒剂、医药材料、食品材料、装饰材料、建筑材料、建筑用剂、肥料材料、乳浊液的溶媒包含通过权利要求14所述的水的制造方法制造出的水。
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