JP2007021343A - マイクロバブル発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランニングコスト又は設備費を安価に抑え、しかもマイクロバブルを効率良く発生できるマイクロバブル発生装置を提供する。
【解決手段】 マイクロバブル発生装置１は、長手方向の両端にそれぞれ一端開口２及び他端開口３を開放したケーシング４と、ケーシング４に気体を導入させる気液混合手段５と、ケーシング４に内装された整流筒体６と、整流筒体６の外側に固定された第１のプロペラ形翼列７と、整流筒体６の内側に固定された第２のプロペラ形翼列８とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体中に微細気泡を発生させるマイクロバブル発生装置に関する。

下記の特許文献１，２は、それぞれ気泡を発生させる装置を開示している。マイクロバブルと称される直径５０μｍ程度の微細気泡は、生活用水の殺菌、又は排水処理等に広く利用される。この他、マイクロバブルを発生させる装置は種々のものがあり、液体の種類、及び液体中に発生させるマイクロバブルの主成分は、用途により適宜選択できる。例えば、養殖池で空気から成るマイクロバブルを発生すると、水中への酸素の溶解を促すことができ、或いは公衆浴場で浴槽と浄化装置の間を循環する温湯の中に、塩素又はオゾンから成るマイクロバブルを供給すると、温湯の殺菌が行える。

マイクロバブルの発生原理は次の通りである。即ち、液体を激しく加速すると、液体中にその圧力が飽和蒸気圧より低くなる部分が無数に散在し、これらの部分で液体が気化してキャビティ（微細気泡）ができる。このキャビティは液体の流速が減少すると消滅するが、予め液体に気体を直径が数ミリ程度の気泡として混入し、これらを一緒に加速した場合、液体に混入した気体がキャビティを満たし、マイクロバブルとして液体中に浮遊する。また、上記のように加速される液体と気体を攪拌すると、マイクロバブルの発生を助成できる。
特開２００３−１２６６６５号公報 特開平０６−１６５８０６号公報

従来の発生装置では、所定時間当りのマイクロバブルの発生量に限界がある。この発生量を増やすには、液体の流量、又は液体に混入する気体の容積を増加しなければならないが、実際には、液体の流量の上限は約１５〜３０リットル毎分であり、液体中に占める気体の体積は、ボイド率で約１〜１０パーセントの範囲である。ここに例示した上限を超えるように従来の発生装置を大型化する等しても、特段の効果は認められない。これは、液体の流量の増加に伴なって気体の容積が増大すると、その分、気体が液体中で分散し難くなるので、キャビテーションが起こっても、気体の全部がマイクロバブルを形成するに至らないためと考えられる。結果として、気体の一部は直径が数ミリ程度の気泡のまま発生装置から排出されることになる。

更に、上記のような装置の大型化に伴ない強力なポンプで液体を加圧すると、過度にエネルギーを損失することに加え、発生装置に液体を供給するための配管等の物理的強度を高めなければならない。従って、発生装置のランニングコストが高騰し、更には発生装置を適用するプラント全体の設備費まで増大する。

そこで、本発明の目的は、ランニングコスト又は設備費を安価に抑え、しかもマイクロバブルを効率良く発生できるマイクロバブル発生装置を提供することにある。

本発明に係るマイクロバブル発生装置は、互いに隔たる一端開口及び他端開口を有し、液体を前記一端開口から導入し前記他端開口から排出できるケーシングと、前記液体を前記一端開口へ向けて加速する加速手段と、前記ケーシングに気体を導入して前記液体に合流させる気液混合手段と、前記ケーシングに内装され、前記他端開口へ流れる前記液体及び前記気体を、それぞれ２層の軸流として内側及び外側を通過させる整流筒体と、前記整流筒体の外側に固定され、前記２層のうち一方の軸流を前記他端開口へ向う螺旋方向に案内する第１の翼列と、前記整流筒体の内側に固定され、前記２層のうち他方の軸流を前記螺旋方向と反対回りの螺旋方向に案内する第２の翼列とを備えることを特徴とする。

更に、本発明に係るマイクロバブル発生装置は、前記加速手段が前記一端開口から導入される前記液体の流路面積を制限する絞り部から成るものである。

また、本発明に係るマイクロバブル発生装置は、前記第１の翼列に案内された軸流を、その軸心に向けて案内する向心手段を備えるものである。或いは、本発明に係るマイクロバブル発生装置は、前記第２の翼列に案内された軸流を、その遠心方向へ案内する拡散手段を備えるものである。

本発明に係るマイクロバブル発生装置によれば、加速手段にて加速される液体、及び気液混合手段によりケーシングに導入される気体（直径が数ミリ程度の気泡）から成る混合流体が、２層の軸流となり整流筒体の内側及び外側を通過する過程で、２層のうち一方の軸流は、整流筒体の外側に固定された第１の翼列に案内されることにより、他端開口へ向う外側の旋回流となり、２層のうち他方の軸流は、整流筒体の内側に固定された第２の翼列に案内されることにより、上記の螺旋流に対して反対回りする内側の旋回流となる。

そして、外側の旋回流と内側の旋回流との間の境界層に作用する相対的な加速度は、加速手段にて液体が加速される加速度を倍増した大きさになる。これにより、ケーシング内に起こるキャビテーションを促進し、多量のマイクロバブルを発生することができる。しかも、気体の一部が、比較的大きな気泡のまま液体中に残留しようとしても、このような気泡を積極的に攪拌すると同時に粉砕して、更なるマイクロバブルの発生を助成することができる。

従って、当該発生装置によれば、多量のマイクロバブルを効率良く発生することができる。しかも、従来のような液体の流量及び気体の体積の増大に伴なうポンプの高出力化、又は配管等の強化を実施しなくて済むので、当該発生装置のランニングコストを低減することができ、また当該発生装置を適用するプラントを改良する等の設備費を節減することができる。

更に、加速手段として、一端開口から導入される液体の流路面積を制限する絞り部を適用した場合、極めて簡単な構造にて絞り効果に基づく液体の加速を実現できるので、当該発生装置を大型化することがなく、加速手段をケーシングに取付けられるという利点が得られる。

また、本発明に係るマイクロバブル発生装置が向心手段を備える場合、第１の翼列に案内された軸流を、その軸心に向けて向心手段が案内することにより、外側の旋回流と内側の旋回流とが、それぞれ遠心力にて拡散するの抑制できる。これにより、外側の旋回流と内側の旋回流とが、それぞれ第１，第２の翼列から一端開口に達した時点でも、外側の旋回流と内側の旋回流との間の境界層を維持し、キャビテーションの促進を持続できるという利点が得られる。

或いは、本発明に係るマイクロバブル発生装置が拡散手段を備える場合、第２の翼列に案内された軸流を、その遠心方向へ拡散手段が案内し、更に第１の翼列に案内された軸流に激しく衝突させられる。これにより、第１の翼列に案内された軸流と、第２の翼列に案内された軸流とが互いに攪拌し合うので、これらの中に比較的大きな気泡が稀に残留することがあっても、このような気泡を確実に粉砕して、更なるマイクロバブルの発生を助成することができる。

本発明の実施形態に係るマイクロバブル発生装置について説明する。以下で「液体」とは水、燃料、薬品等を含み、「気体」とは、空気の他、あらゆるガスの総称である。また、それぞれ温度、圧力、粘性等の物理的又は化学的性質については、何ら限定されるものではない。

図１，２に示すように、マイクロバブル発生装置１は、長手方向の両端にそれぞれ一端開口２及び他端開口３を開放したケーシング４と、ケーシング４に気体を導入させる気液混合手段５と、ケーシング４に内装された整流筒体６と、整流筒体６の外側に固定された第１のプロペラ形翼列７と、整流筒体６の内側に固定された第２のプロペラ形翼列８とを備えるものである。

図３（ａ）は、タンク９の近傍に設置したマイクロバブル発生装置１と、タンク９に貯留した液体を汲出しケーシング４の一端開口２へ供給するポンプ１０と、ポンプ１０から吐出される液体の流量を調整する流量制御弁１１と、ケーシング４の他端開口３をタンク９に接続する戻り管路１２とを表している。同図（ｂ）は、タンク９に内装したマイクロバブル発生装置１と、タンク９に貯留した液体を汲出すポンプ１０と、ポンプ１０から吐出される液体をケーシング４の一端開口２へ供給する戻り管路１２と、ポンプ１０から吐出される液体の流量を調整する流量制御弁１１とを表している。

ケーシング４は、ポンプ１０で加圧された液体を一端開口２から導入し他端開口３から排出できる。ケーシング４の内部には、一端開口２よりも口径が狭められた絞り部１３を主体とする加速手段と、絞り部１３の近傍から他端開口３へ向うに従い口径が広がる拡径部１５と、拡径部１５の最大径と略同等の内径を有するチャンバ１６とが形成されている。ケーシング４の形状は円筒形であるように図示しているが、その内部を中空とし、一端開口２と他端開口３とが互いに隔たる位置に開放しているものならば、直方体であっても良い。

上記のように、加速手段は極めて簡単な構成であるので、加速手段をケーシング４に一体化するよう取付けても、マイクロバブル発生装置１の全体が不用に大型化することはない。また、加速手段は何ら限定されるものではない。例えば、絞り部１３を省略し、加速手段として、図に表れていないプランジャポンプ等を適用しても良い。この場合、プランジャポンプ等から繰り返し噴出される液体を一端開口２へ供給する。或いは、流量制御弁１１として絞り弁を適用した場合は、この絞り効果により液体を加速させても良い。

気液混合手段５は、ケーシング４の側部に気体導入ポート１７を開放し、気体導入ポート１７から絞り部１３までの間を小孔１８で貫いたものである。気体を気体導入ポート１７から絞り部１３まで到達させるには、絞り部１３を液体が通過するときに小孔１８に生じる負圧を利用しても良い。或いは、気体導入ポート１７へ供給する気体を、ポンプ１０から吐出される液体の圧力より高く加圧しても良い。この場合、コンプレッサ等を用いて気体を圧縮しながら気体導入ポート１７へ供給することが好ましい。

図４，５に示すように、整流筒体６の外側には、これを囲繞する外筒体１９が配置され、第１のプロペラ形翼列７は、整流筒体６と外筒体１９との間隙に固定された６枚のブレードである。第２のプロペラ形翼列８は、整流筒体６の内側に固定した２枚のブレードである。外筒体１９はチャンバ１６に固定される。同図に記した矢印α，βは、第１，２のプロペラ形翼列７，８をそれぞれ構成するブレードが、互いに傾斜又は捩れる方向を指している。また、整流筒体６の外側と内側の開口面積の比率、言い換えると、整流筒体６の外側と内側をそれぞれ通過する軸流の流路面積の比率は、内側が１に対して外側が０．８〜１とするのが好ましいが、個々のブレードの枚数、形状、寸法、又はピッチ等については、何ら限定されるものではない。

以上に述べたマイクロバブル発生装置１によれば、液体が一端開口２からケーシング４の内部へ導入される過程で、図６に示すように、液体の流路面積が絞り部１３によって制限されるので、絞り効果により液体が加速される。同時に、気液混合手段５によって液体には気体が合流される。このように液体と気体を混合して成る混合流体は、拡径部１５を通リ抜けチャンバ１６に達する。更に、混合流体は、整流筒体６の内側、及び整流筒体６の外側（上記の間隙）をそれぞれ通過することにより、２層の軸流に分かれる。ここで、「軸流」とは、整流筒体６の幾何学的中心線に沿った方向に流れる混合流体を意味する。

上記２層のうち整流筒体６の外側を通る一方の軸流は、第１のプロペラ形翼列７にて案内されることにより、他端開口３へ向う外側の旋回流となる。この旋回流は、既述の矢印αの向きに従って流れるので、以下で旋回流αと記す。また、２層のうち整流筒体６の内側を通る他方の軸流は、第２のプロペラ形翼列８に案内されることにより、旋回流αと反対回りする内側の旋回流となる。この旋回流は、既述の矢印βの向きに従って流れるので、以下で旋回流βと記す。

そして、旋回流αと旋回流βとの間の境界層に作用する相対的な加速度は、加速手段にて液体が加速される加速度を倍増した大きさに相当する。これにより、チャンバ１６の内部で起こるキャビテーションを促進し、多量のマイクロバブルを発生することができる。しかも、気体の一部が、比較的大きな気泡のまま液体中に残留しようとしても、この気泡を積極的に攪拌すると同時に粉砕して、更なるマイクロバブルの発生を助成することができる。

従って、ポンプ１０から吐出される液体の流量を流量制御弁１１を開くことによって最大約５０リットル毎分まで増加し、更に液体中に占める気体のボイド率を約１０パーセントまで増大しても、気体の一部がマイクロバブルを形成するに至らずに他端開口３から排出されることは殆どなく、多量のマイクロバブルを効率良く発生することができる。また、マイクロバブルの発生量を増減する場合に、ポンプ１０の出力を増減しなくても流量制御弁１１を操作するだけで足りるので、ポンプ１０の出力を増減自在に制御できるような高価な制御装置が不用である。このためプラント全体の設備費を節減することができる。

また、図６に示すように、チャンバ１６に向心手段２０を形成することが望ましい。向心手段２０としては、整流筒体６と外筒体１９との間隙に対向するようにチャンバ１６の内面に形成された環形の凹条部２１と、他端開口３の口縁から整流筒体６へ向って突出した環形の凸条部２２とを有するものを適用できる。この場合、旋回流αをその軸心に向けて凹条部２１で案内することにより、旋回流αと共に旋回流βが、それぞれの遠心力にて拡散するのを抑制できる。このため、旋回流αと旋回流βとが一端開口２に達した時点でも、これらの境界層を維持し、キャビテーションを促進し続けることができる。

更に、旋回流αと旋回流βとが他端開口３から排出される直前に、旋回流αは、凸条部２２に沿って整流筒体６へ僅かに押し戻される。これにより、旋回流αと旋回流βとが激しく衝突し、互いに攪拌し合うので、他端開口３の付近で稀に旋回流α又は旋回流βの中に比較的大きな気泡が残留することがあっても、この気泡を確実に粉砕して、更なるマイクロバブルの発生を助成することができる。

本実施例に係るマイクロバブル発生装置は、図７及び図８（ａ），（ｂ）に示すように、チャンバ１６に拡散手段２５を形成した点を除いて、実施例１と同様の構成である。既述の要素については、以下でも同じ呼称、又は同じ符号を用いるものとし、その詳細な説明又は図示は省略する。

ケーシング４は、他端開口３の付近をセパレートピース２４としており、セパレートピース２４に拡散手段２５を設けている。拡散手段２５は、セパレートピース２４の内面の中央に、整流筒体６へ向って突出する基台部２６を形成し、基台部２６の端面に凹部２７を形成したものである。他端開口３は、セパレートピース２４の基台部２６の周囲に複数に分けて穿孔されている。凹部２７の形状は、基台部２６の端面をコーン形に押込んだような傾斜面として例示しているが、旋回流βを基台部２６の周囲へ向うよう案内できれば何ら限定されるものではない。

拡散手段２５によれば、旋回流βが基台部２６に突き当った時点で、旋回流βには遠心力が作用し続けるので、旋回流βはその遠心方向へ積極的に拡散しようとする。このため、旋回流βは、凹部２７の傾斜面に沿って基台部２６の周囲へ向うと同時に、凹部２７の傾斜面に沿って整流筒体６へ僅かに押し戻される。これにより、旋回流αと旋回流βとが激しく衝突し、旋回流αと旋回流βとが互いに攪拌し合うので、他端開口３の付近で稀に旋回流α又は旋回流βの中に比較的大きな気泡が残留することがあっても、この気泡を確実に粉砕して、更なるマイクロバブルの発生を助成することができる。

尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できる。例えば、ポンプ１０が、液体と共に気体を混合したまま吐出できる仕様であれば、このようなポンプ１０に気液混合手段５の役割を担わせ、ケーシング４の気体導入ポート１７及び小孔１８を省略しても良い。

また、凹条部２１及び凸条部２２を省略し、図９に示すように、他端開口３の付近を先細りのノズル２３とした場合でも、旋回流αをその軸心に向けて案内することによる既述の効果は達成できる。また、ケーシング４、整流筒体６、又は第１，２のプロペラ形翼列７，８の材質には、金属、合成樹脂、ガラス、又はセラミック等を適用しても良く、これらの形状、寸法、個数、重量については、何ら限定されることはない。

本発明は、多量のマイクロバブルを簡便に且つ即時に発生するのに有益な技術であり、例えば環境対策、化学工業、又は医療福祉に及ぶ広範な分野におけるマイクロバブルの利用可能性を拡大するものである。

本発明の実施例１に係るマイクロバブル発生装置の斜視図。 本発明の実施例１に係るマイクロバブル発生装置の破断斜視図。 （ａ）本発明の実施例１に係るマイクロバブル発生装置を適用したプラントの一例を示す概略図、（ｂ）はその他例を示す概略図。 本発明の実施例１に係るマイクロバブル発生装置の要部の斜視図。 本発明の実施例１に係るマイクロバブル発生装置の要部の破断斜視図。 本発明の実施例１に係るマイクロバブル発生装置の断面図。 本発明の実施例２に係るマイクロバブル発生装置の断面図。 （ａ）本発明の実施例２に係るマイクロバブル発生装置を適用した拡散手段の外部を表した斜視図、（ｂ）はその内部を表した斜視図。 本発明の実施形態に係るマイクロバブル発生装置の変形例を示す断面図。

符号の説明

１：マイクロバブル発生装置
２：一端開口
３：他端開口
４：ケーシング
５：気液混合手段
６：整流筒体
７，８：プロペラ形翼列
１３：絞り部（加速手段）
２０：向心手段
２５：拡散手段
α，β：旋回流

Claims (4)

1. 互いに隔たる一端開口及び他端開口を有し、液体を前記一端開口から導入し前記他端開口から排出できるケーシングと、
   前記液体を前記一端開口へ向けて加速する加速手段と、
   前記ケーシングに気体を導入して前記液体に合流させる気液混合手段と、
   前記ケーシングに内装され、前記他端開口へ流れる前記液体及び前記気体を、それぞれ２層の軸流として内側及び外側を通過させる整流筒体と、
   前記整流筒体の外側に固定され、前記２層のうち一方の軸流を前記他端開口へ向う螺旋方向に案内する第１の翼列と、
   前記整流筒体の内側に固定され、前記２層のうち他方の軸流を前記螺旋方向と反対回りの螺旋方向に案内する第２の翼列と、
   を備えることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
2. 前記加速手段は、前記一端開口から導入される前記液体の流路面積を制限する絞り部から成る請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
3. 前記第１の翼列に案内された軸流を、その軸心に向けて案内する向心手段を備え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。
4. 前記第２の翼列に案内された軸流を、その遠心方向へ案内する拡散手段を備え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。

Images