JP2008104983A - 超微細気泡発生器及び超微細気泡発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】空気供給量をポンプからの圧力に比例して安定して供給できる微細気泡発生システム及び超微細気泡発生器。
【解決手段】
空気と水を混合して加圧するポンプに対し、加圧した流体の圧力に応じてバルブ開くことによって空気供給量を圧力に比例して制御可能としたシステム構成とする。
超微細気泡発生器は、加圧流体を本体３４１端壁のノズル４０から噴出させて第１の減圧器３４２端壁に衝突させて、その間隙から第１の減圧器ケーシング内の空間に噴出して該内壁に衝突する第１の減圧衝突・旋回領域S1を形成し、第１減圧器３４２開口端縁と第２の減圧器３４３の端壁との間の間隙から第２の減圧器のケーシング内の空間に噴出して内壁面に衝突し、第２の減圧衝突・旋回領域S2を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、容易に制御条件を設定可能な水中に超微細気泡を発生させることのできる超微細気泡発生システム、及び該システムに適用可能な簡単な構造で水中に超微細気泡を発生することのできる超微細気泡発生器に関する。

水中に極めて微細な気泡を発生させる技術は、これらの超微細気泡による種々の作用・効果が着目され、多くの応用が図られているが、このような超微細気泡を発生させる手段として、液体（水）中に気体（空気）を加圧力下で溶解させ、減圧してこれらの超微細気泡を発生させる装置がある。
これらの装置においては、ポンプの圧力下で液体中に気体を溶解するため、ポンプの圧力と液体中に溶解する気体供給量を適正範囲に制御する必要がある。
ところが、液体は一般的に非圧縮性であるのに対して気体は圧縮性であるため、そもそも気液混合流体の加圧、圧縮条件の変化は直線的ではない。液体に対する気体供給量が増加するとポンプの吐出圧力が低下し、しかもこれらの相関関係が一律でなく、また液体に対する空気の比率が過大となるとその負荷変動のためポンプが焼き付くなどの問題がある。
また、これらの気体を溶解した液体を減圧過程で超微細な気泡とするための気泡発生装置においても、これらの気泡は不均一な、比較的大きな気泡に成長し易く、これらを超微細化し、均一一様ないわゆる乳化状態とすることは困難であった。

本発明者は、これらの問題に対して先に液体に溶解する気体供給量を簡単な機構で効果的に制御する「圧力流量比例制御弁」（特願２００５−３４８３８１号）を提案し、また、効率的に超微細気泡を発生させる「超微細気泡乳化器」（特願２００５−２９５４１７号）をそれぞれ出願した。
図１及び図２にこれら先行出願の圧力流量比例制御弁及び超微細気泡乳化器を示す。図１は、本出願人が先に出願した特願２００５−３４８３８１号「圧力流量比例制御弁」の断面図である。
図２は、同じく本出願人の出願に係る特願２００５−２９５４１７号「超微細気泡乳化器」の断面図である。

図１記載の圧力流量比例制御弁によって、本発明者は圧力センサー、制御回路、及びこれらにより制御される比例動力弁などからなる複雑な制御システムを用いることなく、被制御流体（空気）とこの被制御流体の流入により変化する主流体（液体）の圧力との間の関係を利用して被制御流体の供給量を制御する、簡略化した構造の圧力流量比例制御弁を完成した。
この構成に拠れば、被制御流体を加えて圧縮された主流体の管路を圧力流量比例制御弁の圧力室に連通して制御バルブを直接作動させる簡単な構造で、被制御流体すなわち液体中に吸入・混合する空気の流量を所定の値に制御できる。
すなわち、図１において、被制御流体（空気）は、被制御流体入口３からバルブを構成する弁体６と弁座７の間隙から吸入されて、被制御流体出口４からポンプに接続された給水管に供給される。
一方、ポンプから吐出された加圧流体の圧力は、該圧力流体の通る主流体管路から分岐する圧力検知管路を経由して圧力室２において弁体６に接続するピストン作用を有するプランジャー５に達する。
加圧流体の圧力が該プランジャーに作用すると、プランジャーはコイルスプリング８に抗して後退してバルブを開き、被制御流体を流入させる。
弁体の開閉の閾値は、調整ネジ９を回してコイルスプリングの押圧力を調整することによって行い、それ以上の圧力が負荷されると、該弁体はその圧力に応じた開度で気体を流入させる。
圧力流量比例制御弁からの気体供給量が増加すると、それに応じてポンプによる圧力流体の圧力が低下するため、上記の弁の開度もそれに応じて小さくなり、気体流入量の制御は、これらの気体が供給された圧力流体の圧力が直接反映して行なわれる。したがって、上記の圧力流量比例制御弁によれば、複雑な電気的回路をめぐらせたフィードバック機構を用いることなく、的確、且つスムーズに圧力に比例するように被制御流体の供給量を制御することができる。

これらの制御弁においては、圧力室に負荷される圧力流体の圧力とそれによって変動する気体供給量とが平衡関係にあることから、上記の調整ネジによって圧力に対する弁の開度を設定すれば、それに応じた一定の気体供給量となって圧力流体供給システムを稼動することができる。
したがって、この圧力流量比例制御弁を超微細気泡発生器に用いる気体を溶解した圧力流体の気体流量制御に適用することが考えられるが、そのためのシステム構成は加圧ポンプにより形成された空気を溶解した流体の圧力を該比例弁に応答させると共に、その圧力変動幅をポンプ容量範囲において制御することが必要であり、これらのシステムの稼動条件を容易に設定することができる必要がある。

また、図２に示す気泡発生器は、気体を加圧・溶解した流体（液体、水）が、管路本体３４１からスリットｇを経て第１の減圧衝突・旋回室Ｓ１に噴出し、次いで第２の減圧衝突・旋回室Ｓ２に至って減圧される過程を経て水中に放出されて超微細気泡を発生するが、これらの構造による減圧衝突・旋回過程は更に微細な気泡を発生させるためには必ずしも充分ではなく、気泡の超微細化及び均一化を充分に達成することができなかった。
特開平８−１１０８１８号公報

上記圧力流量比例制御弁を用いた効率的な超微細気泡発生システムを構築し、また該超微細気泡発生システムにおいて超微細気泡発生器に対する圧力を安定して一定に維持し、さらに該システムに用いる超微細気泡発生器の性能を向上する。

ポンプ、圧力流量比例制御弁、該超微細気泡発生器から構成され、
該ポンプは、水、及び圧力流量比例制御弁を経由する空気の供給を受けて、これらを加圧して空気を水に溶解して該超微細気泡発生器に供給し、
該圧力流量比例制御弁は、ポンプと超微細気泡発生器との間の管路から導通する管路により上記加圧流体の圧力を受けてその圧力に応じて空気供給バルブを開閉して圧力に比例した空気量をポンプに供給し、
該超微細気泡発生器は、上記加圧流体を減圧して超微細気泡を形成する、
超微細気泡発生システム構成とし、
上記超微細気泡発生器の前に圧力弁を設けて、該超微細気泡発生器に対する加圧流体の圧力を設定することを特徴とする超微細気泡発生システムであり、
上記システムにおいて、圧力流量比例制御弁のバルブ開度を調整して予め設定した閾値でバルブが開くよう調整し、ポンプから超微細気泡発生器に至る管路系における圧力を、
ポンプ吐出圧力＞圧力弁の設定圧力＞圧力流量比例制御弁の上記閾値
としたことを特徴とする。
また、一端に気体を溶解した圧力流体を導入する開口を設け、他端を閉塞してその閉塞端壁にノズルを設けた管状の本体と、
それぞれ一端を閉塞すると共に、相互に向きを変えて間隙を有した状態で入れ子状に収容可能に径を拡大した第１減圧器、第２減圧器から構成し、
上記本体端壁を第１の減圧器の閉塞した端壁内面に向けて配置して、上記本体のノズル開口を該第１の減圧器端壁内面に相対して配置すると共に、本体の端壁外面と該第１の減圧器端壁内面との間に間隙を設けて第１の減圧器ケーシング内の空間に至る第１の減圧衝突・旋回領域を形成し、
更に第１減圧器開口と第２減圧器の閉塞した端壁を間隙を隔てて相対向して配置してその間から第２減圧器ケーシング内の空間に至る第２の減圧衝突・旋回領域を形成したことを特徴とする、超微細気泡発生器である。

本発明の超微細気泡発生システムにおいては、超微細気泡発生器に供給する気液混合流体に対する空気供給量を簡単且つ的確に制御できるため、簡単で効果的に超微細気泡が得られ、広く応用が可能となる。
また、超微細気泡発生器は、気体を加圧下で溶解した液体を効果的に減圧して、超微細気泡を効率的に発生することができる。

本発明者は、前記の「圧力流量比例制御弁」を超微細気泡発生システムに応用し、気体及び液体をポンプで加圧した流体をポンプから超微細気泡発生器に圧送する管路途中に圧力弁を配置して、超微細気泡発生器に供給する流体の圧力を設定し、この圧力弁による設定圧力とポンプ吐出圧力の間に充分な余裕があれば、この設定圧力の下で作動する圧力流量比例制御弁の空気供給の変動に伴なう圧力変動はその余裕マージンによって緩和され、超微細気泡発生器に圧送する流体圧力を常に安定した状態で一定に維持することができることを見出した。

本発明の超微細気泡発生システムの構成を図３に示す。
該システム構成において、ポンプ１６から吐出された気液混合の主流体の圧力に応じて、被制御流体（空気）の供給流量を制御するために、主流体管路１１からの分岐管路１４を該制御弁１０の圧力室２（図１参照）に連通し、被制御流体（空気）を流体入口３から吸い込み、弁座７、弁体６からなるバルブを介して被制御流体出口４からポンプに供給される液体（水）の供給管路１８に供給する。
ポンプ１６から水中に浸漬した超微細気泡発生器３４に至る間の管路１１に圧力計１７及び圧力弁１５を配置し、超微細気泡発生器に供給する圧力流体の圧力を設定された一定値に維持する。
液体（水）の供給口３１からポンプにより吸引された水は、管路１８で圧力流量比例制御弁１０を経て吸引された空気と混合され、ポンプ１６により加圧されて圧力弁１５により設定された圧力を維持して超微細気泡発生器３４に供給され、減圧過程を経て超微細気泡を発生して水中に放出する。

本発明に係る水中超微細気泡発生管路システムに該圧力流量比例制御弁を使用する場合に、流量制御の精度を求めるために、ポンプが圧送する気液混合流体の最大圧力６ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約６００ｋＰａ）を圧力計１７で測定し、ポンプと圧力計との間のバイパス流路１４における圧力流量比例制御弁を、圧力計の数値で４．５ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約４５０ｋＰａ）に降下するように調整して、その圧力下で制御弁が開くように圧力調整ネジ９によりその開度を調整する。
さらに超微細気泡発生器に至る間の圧力弁１５により５ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約５００ｋＰａ）に圧力を調整して、液体中の水中超微細気泡発生器に供給される流体圧力が５ｋｇｆ／ｃｍ²になるようにする。
この圧力設定条件によって、圧力流量比例制御弁は４．５ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約４５０ｋＰａ）と５ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力約５００ｋＰａ）の圧力差に応じた開度により所定量の空気をポンプに供給し、ポンプにより気液混合流体となって強烈に攪拌されて効果的に液体中に溶解し、更に本発明に係る超微細気泡乳化器によって減圧過程を経てより微細な超微細気泡になる。

本発明においては、上記のように圧力値の設定の容易な圧力弁で管路の圧力を設定することにより、圧力流量比例制御弁に働く圧力を一定に設定する。これよって弁体の開度が定まり、その開度に応じた空気量が供給されるが、その空気量に対する圧力低下などの変動が生じてもそれに応じて制御弁が絞られ、ポンプ容量の上記マージン範囲内であればその圧力が保たれる。
この場合注意しなければならないのは、圧力流量比例制御弁の動作が常にポンプから供給される流体圧力と空気供給量の関係の均衡を維持するのであって、この圧力がポンプの容量である吐出圧力の範囲内で維持されるように、これら平衡系の圧力値が予め適正範囲となるように（想定、若しくは経験的に割り出して）圧力弁を設定しなければならない。経験的にポンプの最大吐出圧力との差は、２０％程度である。

本発明の超微細気泡発生器にいたる管路系における圧力は、ポンプ吐出圧力＞圧力弁の設定圧力＞圧力流量比例制御弁調整ネジの閾値であって、圧力弁の設定圧力と圧力流量比例制御弁調整ネジの閾値の差が空気流量を決めるため、圧力弁の設定圧力に対して圧力流量比例制御弁調整ネジの調整を行なうことによって予め適正な空気流量となるよう設定する。
本発明のシステムにおいては、空気供給量を制御する複雑な機構からなる空気供給手段を必要とせず、このように圧力流量比例制御弁を経由するのみで、ポンプの効率を最大限に発揮する空気吸入条件で動作させることができる。

ポンプの最大吐出圧力が６ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約６００ｋＰａ）の場合、液体中に浸漬した超微細気泡発生器に対する圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約５００ｋＰａ）となるように圧力弁を調整し、これに対して、吸入する空気量を制御する圧力流量制御弁のその圧力以上で開く閾値を４．５ｋｈｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約４５０ｋＰａ）に予め調整すると、水中超微細気泡発生管路システムのポンプと圧力計との間のバイパス流路を経て該圧力流量制御弁に負荷される圧力差（５−４．５）ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧力、約４５０ｋＰａ）によって弁が開放され、それに応じた空気流量がポンプに供給される。この空気は、同時に吸入された液体（水）と共にポンプにより気液混合流体として上記の圧力に加圧されて液体に溶解し、圧力弁を経て水中超微細気泡発生器において、減圧、衝突過程を経て超微細気泡となる。
ここで、上記の設定条件によってポンプからの気液混合流体の吐出圧力は、当初の最大吐出圧力より低下するが、上記の圧力弁によってバイパス流路を経て圧力流量制御弁に負荷される圧力は、５ｋｇｆ／ｃｍ²に維持される。すなわち、最大吐出圧力６ｋｇｆ／ｃｍ²より約２０％低下した値に保たれる。

上記本発明の超微細気泡発生システムは、以上の簡単な構成によって、ポンプ能力を最大限に発揮する条件下で、効率的に超微細気泡発生器に気体溶解流体、水を供給し、安定して稼動することができる。

次に、図５を参照して本発明の超微細気泡発生器を説明する。
図において、ポンプから圧送された流体は、超微細気泡発生器本体入口端３４１１から本体３４１内に導入されて本体出口端３４１２においてノズル４０、４０から噴出し、該出口端に狭い間隙を隔てて相対する第１の減圧器３４２のケーシング端壁３４２２に衝突する。
ケーシング端壁に衝突した流体は、この出口端とケーシング端壁との間隙からケーシング３４２１内の空間に噴出し、ケーシング内壁に衝突して方向を変え、第１の減圧器の出口に向い、さらに第２の減圧器３４３の端壁と第１の減圧器のケーシング３４２１との間の間隙からに噴出して第２の減圧器３４３ケーシング内壁に衝突し、方向を変えて第２の減圧器の出口に向かい、気泡発生器を浸漬した水中に超微細気泡を放出する。
これらの過程において、第１の減圧衝突・旋回領域Ｓ１、第２の減圧衝突・旋回領域Ｓ２をそれぞれ経由することによって、抑制された減圧衝突・旋回を繰り返し、乳化状の超微細気泡を形成する。

本発明は、先に出願した特願２００５−２９５４１７号「超微細気泡乳化器」の圧力流体の噴出孔がスリットｇであったのに対して、圧力流体を加速して噴出するノズルを採用し、第１の減圧衝突・旋回領域Ｓ１、及び第２の減圧衝突・旋回領域Ｓ２における衝突やせん断作用に伴なう微細化作用を向上しており、より効果的に超微細気泡を発生することができる。
また、本体３４１端部を第１の減圧器出口端の端壁に調節ボルト４１によりネジ固定した構造により本体端部と第１の減圧器端面とを隔てる間隙の間隔を調整して、第１の減圧衝突・旋回領域Ｓ１における気泡発生条件を調整して発生する気泡の大小の調整をすることができる。

即ち、本発明に係る超微細気泡発生器は、一端に気体を溶解した圧力流体を導入する開口を設け、他端を閉塞してその閉塞端壁にノズルを設けた管状の本体と、
それぞれ一端を閉塞すると共に、相互に向きを変えて間隙を有した状態で入れ子状に収容可能に径を拡大した第１減圧器、第２減圧器から構成し、
上記本体端壁を第１の減圧器の閉塞した端壁内面に向けて配置して、上記本体のノズル開口を該第１の減圧器端壁内面に相対して配置すると共に、本体の端壁外面と該第１の減圧器端壁内面との間に間隙を設けて第１の減圧器ケーシング内の空間に至る第１の減圧衝突・旋回領域を形成し、
更に第１減圧器開口と第２減圧器の閉塞した端壁を間隙を隔てて相対向して配置してその間から第２減圧器ケーシング内の空間に至る第２の減圧衝突・旋回領域を形成する。
上記の本体端壁のノズルから噴出した加圧流体は第１の減圧器端壁に衝突して方向を変え、その間隙から第１の減圧器ケーシング内の空間に噴出して該内壁に衝突して第１減圧器の開口に方向を変えることによって、第１の減圧衝突・旋回過程を経る。
さらに第１減圧器開口端縁と第２の減圧器の端壁との間の間隙から第２の減圧器のケーシング内の空間に噴出して内壁面に衝突し、その開口に向けて方向を変えることによって、第２の減圧衝突・旋回過程を経る。本発明の超微細気泡発生器はこれら２段階の圧力緩和過程を経て、効果的により微細な気泡を発生するのである。
以上のとおり、本発明の超微細気泡発生器は、加圧して空気を溶解した水の供給を受けて効果的に超微細気泡を発生させることができるもので、従来の形式のシステムに適用して優れた効果を発揮するが、前記本発明の水中超微細気泡発生管路システムに適用することによって併せて一層の効果を発揮する。

本発明が属する技術分野において通常の技術を有する者は上述の本発明に開示される技術内容に基づき、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、圧力条件、構成に関して変更を行なうことができる。

特願第2005-348381号「圧力流量比例制御弁」の図１の断面図である。 特願第2005-295417号「超微細気泡乳化器」の図５の減圧装置の断面図である。 本発明に係る水中超微細気泡発生管路システムを示す略図である。 本発明に係る超微細気泡発生器を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧力流量比例制御弁本体
２ 圧力室
３ 流体入口
４ 流体出口
５ プランジャ-
６ 弁体
７ 弁座
８ コイルスプリング
９ 圧力調整ネジ
１０ 圧力流量比例制御弁
１１ 主流体管路
１４ 被制御流体供給管路
１５ 圧力弁
１６ ポンプ
１７ 圧力計
１８ 吸水管路
３４ 超微細気泡発生器
３４１ 本体
３４１１ 本体入口端
３４１２ 本体出口端
３４２ 第１の減圧器
３４２１ ケーシング
３４２２ 端壁
３４３ 第２の減圧器
４０ ノズル
４１ 調節ボルト
Ｓ１ 第１の減圧衝突・旋回領域
Ｓ２ 第２の減圧衝突・旋回領域

Claims (3)

1. ポンプ、圧力流量比例制御弁、該超微細気泡発生器から構成され、
   該ポンプは、水、及び圧力流量比例制御弁を経由する空気の供給を受けて、これらを加圧して水に溶解させて該超微細気泡発生器に供給し、
   該圧力流量比例制御弁は、ポンプと超微細気泡発生器との間の管路から導通する管路により上記加圧流体の圧力を受けてその圧力に応じて空気供給バルブを開閉して圧力に比例した空気量をポンプに供給し、
   該超微細気泡発生器は、上記加圧流体を減圧して超微細気泡を形成する、
   超微細気泡発生システム構成とし、
   上記超微細気泡発生器の前に圧力弁を設けて、該超微細気泡発生器に対する加圧流体の圧力を設定することを特徴とする、超微細気泡発生システム。
2. 上記システムにおいて、圧力流量比例制御弁のバルブ開度を調整して予め設定した閾値でバルブが開くよう調整し、ポンプから超微細気泡発生器に至る管路系における圧力を、
   ポンプ吐出圧力＞圧力弁の設定圧力＞圧力流量比例制御弁の上記閾値としたことを特徴とする、請求項１記載の超微細気泡発生システム。
3. 一端に気体を溶解した圧力流体を導入する開口を設け、他端を閉塞してその閉塞端壁にノズルを設けた管状の本体と、
   それぞれ一端を閉塞すると共に、相互に向きを変えて間隙を有した状態で入れ子状に収容可能に径を拡大した第１減圧器、第２減圧器から構成し、
   上記本体端壁を第１の減圧器の閉塞した端壁内面に向けて配置して、上記本体のノズル開口を該第１の減圧器端壁内面に相対して配置すると共に、本体の端壁外面と該第１の減圧器端壁内面との間に間隙を設けて第１の減圧器ケーシング内の空間に至る第１の減圧衝突・旋回領域を形成し、
   更に、第１減圧器開口と第２減圧器の閉塞した端壁を間隙を隔てて相対向して配置してその間から第２減圧器ケーシング内の空間に至る第２の減圧衝突・旋回領域を形成したことを特徴とする、超微細気泡発生器。

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