JP2008246375A - 微細気泡発生装置の制御方法および微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の構成において負荷に応じて気泡径、気液比、溶解度を変更できる微細気泡発生装置の制御方法を提供する。
【解決手段】相対駆動手段による相対流の速度の制御と気体供給手段による気体室１１へ供給する気体の圧力の制御との少なくとも何れか一方の制御を行なう。
【選択図】図２

Description

本発明は微細気泡発生装置の制御方法および微細気泡発生装置に関し、ガス溶解プロセス、浮上分離プロセス、酸化・消毒、造水プロセス等において液体中に微細気泡を混気する技術に係るものである。

従来、この種の技術としては、例えば特許文献１に記載する微小気泡発生装置がある。これは、多孔材の気泡放出板を備え放射状に配置された複数のフィンの前方プロペラを回転させ、通気流路からフィンの多孔材の気泡放出板に供給される圧縮エアが気泡放出板より放出される際に生ずる気泡を微小化するものである。

また、特許文献２には、貯水浄化技術として、閉鎖水域であるダム湖の水中に外径５μｍ〜５０μｍのキャビテーション気泡を供給する第１気泡発生器と、水中に外径２ｍｍ〜５ｍｍの加圧気泡および外径１０μｍ〜５０μｍのガス化気泡を供給する第２気泡発生器と、ダム湖の水を吸い込んで第１気泡発生器および第２気泡発生器に送給する送水ポンプと、大気中の空気を吸い込んでキャビテーション気泡発生器および気泡発生器に送給する送気ポンプなどを備える構成が開示されている。

また、特許文献３には、気泡径の異なるものを発生することができる気泡発生装置として、気泡発生部が複数箇所設けられ、この複数箇所の気泡発生部のうち、少なくとも２箇所の気泡発生部から発生する気泡の径が相互に異なるようになっている構成が開示されている。

また、特許文献４には、給水ポンプと排出ポンプを有する気密水槽、気密水槽を減圧する減圧ポンプ、減圧された気密水槽に気泡を発生させる気泡放出装置、気密水槽の外部に配置され排出ポンプを介して気密水槽内で発生させた気泡を大気下で微小化させる水槽よりなる構成が開示されている。
特開平１０−１２３０１３号公報 特開２００４−１４８２６５公報 特開平７−１１６５５４号公報 特開平９−５２０４号公報

ところで、ガス溶解プロセス、浮上分離プロセス、酸化・消毒、造水プロセス等において液体中に混気する場合にあって、処理プロセスにおいて負荷変動が生じると、ブロアから送気する空気が過剰となり、ブロアの動力に無駄が生じる。また、プロセスが変ると、求められる気泡の径も変わる。しかし、従来の散気管では状況に応じて気泡径を変化させることが困難であった。また、変化幅も小さいものであった。

本発明は上記の課題を解決するものであり、単一の構成において負荷等に応じて気泡径、気液比、溶解度を変更できる微細気泡発生装置の制御方法および微細気泡発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の微細気泡発生装置の制御方法は、液体との界面をなす気泡放出面に複数の気泡放出孔を有する気泡放出体と、気泡放出体を保持する放出体保持手段と、気泡放出孔に連通する気体室と、気体室に気体を供給する気体供給手段と、気泡放出体を液体に対して相対的に移動させ、気泡放出面上に液体の相対流を生じさせる相対駆動手段とを備える微細気泡発生装置において、相対駆動手段による相対流の速度の制御と気体供給手段による気体室へ供給する気体の圧力の制御との少なくとも何れか一方の制御を行なって気泡径を制御することを特徴とする。

これによると負荷に応じて気泡径を変更することが実現できる。
また、前記相対駆動手段が駆動軸の軸心廻りに気泡放出体を回転駆動する回転駆動装置からなり、前記相対流の速度制御が回転駆動装置よる気泡放出体の回転数制御であることを特徴とする。

これによると制御が容易な回転数制御により気泡径を変更ことが実現できる。
また、前記相対駆動手段が気泡放出面に沿って液体を供給するポンプ装置からなり、気体室へ供給する気体の圧力を制御することにより気泡径を制御する。

これによると気泡放出面を動かさない故障の少ない装置においても気泡径を変更することが実現できる。
また、相対流の速度と気体室へ供給する気体の圧力との少なくとも一方の制御因子の操作量に複数の設定値を設け、前記設定値を選択し切り替えることによって気泡径を制御することを特徴とする。

これによると複雑な制御を行なわなくても簡便な操作で気泡径を変更することが実現できる。
本発明の微細気泡発生装置は、液体との界面をなす気泡放出面に複数の気泡放出孔を有する気泡放出体と、気泡放出体を保持する放出体保持手段と、気泡放出孔に連通する気体室と、気体室に気体を供給する気体供給手段と、気泡放出体を液体に対して相対的に移動させ、気泡放出面上に液体の相対流を生じさせる相対駆動手段とを備え、相対駆動手段による相対流の速度制御と気体供給手段による気体の圧力制御との少なくとも一方の制御において複数の設定値を設け、前記設定値を選択し切り替えることによって気泡径を選択する設定値切換手段を設けたことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、相対駆動手段により気泡放出体を液体に対して移動させて気泡放出面上に液体の相対流を生じさせる。気体供給手段により気体室に供給した気体は気泡放出孔を通って液体との界面をなす気泡放出面から液体中に噴出する。このとき、気泡放出面が液体に対して相対的に移動することで、気泡放出面から液体中に噴出する気体が微細な気泡となって噴出する。

上述の作用において、供給する気体の圧力、液体の相対的な流速（速度）を変更することで微細な気泡の気泡径の大きさや分布を調整し、気泡径、気液比、溶解度を変更する。気泡径は気体の圧力の上昇にともなって大きくなり、液体の相対的な流速が速くなるほどに小さくなる。このため、例えば、気体の圧力を上昇させ、液体の相対的な流速を低下させると、気泡径が広い範囲にわたって分布し、逆に気体の圧力を低下させ、液体の相対的な流速を上昇させると、気泡径が狭い範囲に集中して分布する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施の形態の微細気泡発生装置１は水槽、水路等の水中に配置する場合のものであり、底壁面２に載置した脚部３に相対駆動手段としての回転駆動装置をなす水中モータ装置４を備えている。なお、回転駆動装置としては水中モータ装置４に限らず、エンジン装置などを適宜に用いることができる。

水中モータ装置４の駆動軸５には気泡放出部６を連結しており、気泡放出部６は気体供給手段としての空気供給管路７に回転自在に連結し、空気供給管路７はブロア、コンプレッサに空気タンクを接続したもの等の空気供給源に接続している。本実施の形態では液体を水、気体を空気として説明するが、本発明の適応は水、空気に限るものではない。水中モータ装置４、空気供給源のブロア（気体供給手段の一例）を制御する制御装置（図示省略）は別途に配置する。

また、微細気泡発生装置１は、図８に示すように、水槽の外へ設置することも可能であるし、図９に示すように、水槽の中へ設置する場合にあって、空気供給管路７が水中モータ装置４を貫通して気泡放出部６に連結される構造も可能である。また、気泡放出面は下向きに限定されるものではなく、上向きであっても、傾けて配置しても良い。

図２〜図５に示すように、気泡放出部６は、気泡放出体８と、放出体保持手段をなす本体ケーシング９を備え、気泡放出体８に乱流促進手段をなす羽根部１０を一体に形成している。

本体ケーシング９は、図４に示すように、水中モータ装置４の駆動軸５に連結するための結合孔９ａおよびキー溝９ｂを有し、内側に形成した凹部が気体室１１をなし、気体室１１の開口側に気泡放出体８を固定保持している。本体ケーシング９の内側には気泡放出体８との間隙を維持するためのスペーサ１２を結合孔９ａの周囲に放射状に形成している。気体室１１は気泡放出体８の気泡放出孔に連通し、気体室１１に空気供給管路７が連通している。

図５に示すように、気泡放出体８は、ここでは多孔質体からなる円板状をなして中央に通気孔８ａを有し、水との界面をなす気泡放出面８ｂに水中に突出する突起状体をなす羽根部１０が一体に形成してある。

また、一体成形することで別の羽根部材の取付が不要となる。さらに、別体の羽根部材を取付けた場合には、気泡放出面と羽根部材の表面を完全にシールしないとその隙間から気泡がしみ出て結合し、大きな気泡となることがあるが、一体であればそのような問題は生じない。

本実施の形態の気泡放出体８は炭素材からなる多孔質体であるが、気泡放出体８にはセラミックや焼結金属を使用することも可能である。また、焼結金属としては粉末状の金属の焼結体や、金網状の金属を焼結させたものでもよい。

羽根部１０は気泡放出体８の気泡放出面８ｂの一部をなし、気泡放出面８ｂには気泡を放出する複数の気泡放出孔を規則的もしくは不規則的に配置してある。この気泡放出孔は水中へ放出する空気の気泡径に応じた微小な所定口径とすることで、微細な気泡を噴出できるように構成している。本実施の形態では、気泡径が数十μｍ、気泡放出孔の口径が０．４〜５μｍであり、多孔質体は気孔率１２〜３５％で、その使用最高圧力が０．６ＭＰａである。

気泡放出体８は、羽根部１０と一体をなして本体ケーシング９にボルト１３（図２参照）で固定する円板部１４と、空気供給管路７に接続するためのハブ１５を備え、羽根部１０はハブ１５の周囲に放射状に配置した乱流促進手段をなす複数の羽根１６とからなる。ハブ１５は貫通孔８ａに連通する連結孔１５ａを有し、連結孔１５ａにおいて軸封体１７を介して空気供給管路７に回転自在に連結している。

この構成により、相対駆動手段をなす水中モータ装置４は駆動軸５の回転により気泡放出部６を駆動軸５の軸心廻りに回転駆動し、気泡放出体８を水中で水に対して相対的に移動させ、気泡放出面８ｂの面上に水の相対流を生じさせる。

空気供給管路７から気体室１１に流入した空気は、気泡放出体８の気泡放出孔を通って水との界面をなす気泡放出面８ｂの面上に微小気泡として噴出し、気泡放出面８ｂが水中を移動することで気泡放出面８ｂの面上を渦流を伴って流れる相対流が微小気泡を連行、離散させ、気泡同士の合体を抑制する。

上述の作用において、水中モータ装置４、空気供給源のブロアを制御する制御装置（図示省略）により、供給する気体の圧力を変更し、あるいは気泡放出部６の回転数の制御により液体の相対的な流速（速度）を変更することで、微細な気泡の気泡径の大きさや分布を調整し、気泡径、気液比、溶解度を変更する。また、気体の圧力変更の方法として、気体配管にバルブを設けてバルブ開度を制御するものであってもよい。気泡径は、気体の圧力の上昇にともなって大きくなり、液体の相対的な流速が速くなるほどに気泡径が小さくなる。

ここで、制御パターン１として、気体の圧力を上昇（例えば０．１から０．５ＭＰａへ設定値を選択的に切り替える）させ、液体の相対的な流速を低下させるために、気泡放出部６の回転数を低下（例えば３６００から１００ｒｐｍへ設定値を選択的に切り替える）させると、図１１の軌跡ａに示すように、気泡径が広い範囲にわたって分布する。

制御パターン２として、気体の圧力を低下（例えば０．５から０．１ＭＰａへ設定値を選択的に切り替える）させ、液体の相対的な流速を増加させるために、気泡放出部６の回転数を上昇（例えば１００から３６００ｒｐｍへ設定値を選択的に切り替える）させると、図１１の軌跡ｂに示すように、気泡径が狭い範囲に集中して分布する。

上述の制御パターン１および制御パターン２において、設定値の選択的な切り替えは制御装置内に設定した設定値切換手段により行なうが、気体の圧力の制御、もしくは回転数の制御の何れか一方を行なうことも可能である。

尚、上記の実施の形態では設定値を選択的に切り替える例を示して説明を行なったが、連続的に変化させてもよい。
制御パターン１の主たる目的は、（１）回転数の低下により消費動力を抑制すること、（２）気体の圧力の上昇により生じる大径気泡によって攪拌作用を与えること等であり、例えば活性汚泥法による排水処理（好気処理）において微生物反応の活性化に必要な酸素要求が減った場合の省エネルギー化を実現し、あるいは余剰汚泥の濃縮分離を抑制する。

制御パターン２の主たる目的は、（１）気体の溶解効率を向上すること、（２）微細気泡に付着させて水中の懸濁物を浮上分離すること等であり、例えば活性汚泥法による排水処理（好気処理）において微生物反応の活性化を実現し、あるいは含油排水（食品工場、機械工場などの排水）の油や製紙工場の糸くずなどの微細な懸濁固形物の浮上分離を促進する。

気泡放出体８の羽根部１０は羽根１６による水理作用により下方の水を吸い上げるとともに、気泡を周囲に拡散させる。そして、図６（ａ）に示すように、羽根１６が気泡放出面８ｂの面上で相対流の流れを乱し、気泡放出面８ｂの面上に確実に渦流を伴う乱流を生じさせることにより、気泡放出孔から噴出する空気に対して確実に乱流を作用させることができる。また、羽根部１０の回転方向において相対流中で羽根１６の背後面となる下流側の気泡放出面８ｂの面上には、周囲の平均流体圧力よりも低い圧力をなす低圧領域が形成される。この低圧作用を受けて気泡放出孔から空気が噴出し易くなり、より細やかな気泡となる。

本発明は上述した構成に限定されるものではなく、種々の形態においても実現できる。例えば、本実施の形態では、気泡放出体８の気泡放出面８ｂの全面を露出させたが、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、気泡放出体８の気泡放出面８ｂのうちで気泡の合体が生じ易い所定領域にコーティング２０を施すことも可能である。つまり、水の相対流中で羽根１６の背後面となる領域を除いて気泡放出体８の外側表面にコーティング２０を施し、羽根部１０の回転方向における各羽根１６の下流側面をコーティング２０から露出させて気泡放出面８ｂとする。コーティング２０はエポキシ樹脂等からなり、気泡放出体８の外側表面上に配置してもよく、気泡放出体８に層状に含浸させても良い。

この構成により、羽根部１０の回転方向において各羽根１６の下流側の気泡放出面８ｂの面上には周囲の平均流体圧力よりも低い圧力をなす低圧領域が形成され、気泡放出面８ｂの面上に確実に渦流を伴う乱流が生じ、気泡放出孔から噴出する空気に対して確実に乱流が作用し、気泡放出孔から空気が微細な気泡として噴出する。このように低圧領域を生じる部分を除いて気泡の放出を阻止するコーティングを行なってもよい。

なお、上記の実施の形態では、突起状体としてハブ１５の周囲に放射状に配置した複数の羽根１６からなる羽根部１０を用いた例を示したが、図７（ａ）に示すように、突起状体は複数の凸状体２１を列状に、あるいは任意の位置に配置するものであっても良い。また、図７（ｂ）に示すように、ハブ１５の周囲に乱流促進手段として凹状部をなす複数の溝２２を放射状に配置してもよく、図７（ｃ）に示すように、ハブ１５の周囲に乱流促進手段として凹状部をなす複数の有底孔２３を放射状に配置してもよい。この様な形態の場合には、凹状部が比較的小さいので、この部分で流れが滞留し、気泡が合体し易くなるので、図７（ｄ）に示すように、凹状部内をコーティングしている。

また、本発明の他の実施の形態としては、図１０（ａ）、（ｂ）に示す構成とすることも可能である。
図１０（ａ）、（ｂ）において、放出体保持手段をなす本体ケーシング１０１および気泡放出体をなす多孔質体１０２は円筒状に形成し、両者を同心状に固定的に配置し、本体ケーシング１０１と多孔質体１０２の間に水路１０３を形成し、多孔質体１０２の内部に気体室１０４を形成している。

多孔質体１０２は外周面に水中に突出する複数の突起状体１０６が多孔質体１０２の軸心廻りに環状に一体形成してあり、突起状体１０６は多孔質体１０２の軸心方向に沿って所定ピッチで配列してある。突起状体１０６は螺旋状に一体形成することも可能である。また、内面に突起状体１０６を一体形成してもよい。

この構成においては、多孔質体１０２の気泡放出面１０５の面上に相対流を生じさせる相対駆動手段とポンプ装置を採用する。ポンプ装置により水路１０３に水を供給し、気泡放出面１０５に沿って水が流れる状態において、気体室１０４に空気を供給する。気体室１０４の空気は多孔質体１０２の気泡放出孔を通って水との界面をなす気泡放出面１０５の面上に微小気泡として噴出し、気泡放出面１０５の面上を渦流を伴って流れる相対流が微小気泡を連行、離散させる。

多孔質体１０２の突起状体１０６が気泡放出面１０５の面上で相対流の流れを乱し、気泡放出面１０５の面上に確実に渦流を伴う乱流を生じさせ、気泡放出孔から噴出する空気に対して確実に乱流を作用させる。

突起状体１０６の下流側の気泡放出面１０５の面上には周囲の平均流体圧力よりも低い圧力をなす低圧領域が形成される。この低圧作用を受けて気泡放出孔から噴出する空気がより細やかな気泡となる。

また、この低圧領域を除いた部分に気泡の放出を阻止するコーティング２０を施してもよい。

本発明の実施の形態における微細気泡発生装置を示す正面図 同実施の形態における気泡放出部を示す断面図 同実施の形態における気泡放出部を示す平面図 （ａ）は同実施の形態における本体ケーシングを示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ｂ矢視断面図 （ａ）は同実施の形態における気泡放出体を示す断面図、（ｂ）は同実施の形態における気泡放出体を示す平面図 （ａ）は同実施の形態における気泡放出体を示す断面図、（ｂ）は他の実施の形態における気泡放出体を示す断面図、（ｃ）は他の実施の形態における気泡放出体を示す断面図 （ａ）は他の実施の形態における気泡放出体を示す平面図、（ｂ）は他の実施の形態における気泡放出体を示す平面図、（ｃ）は他の実施の形態における気泡放出体を示す平面図、（ｄ）は気泡放出体の要部を示す断面図 他の実施の形態における微細気泡発生装置を示す正面図 他の実施の形態における微細気泡発生装置を示す正面図 他の実施の形態における微細気泡発生装置を示す断面図 気泡径と気泡度数の関係を示すグラフ図

符号の説明

１ 微細気泡発生装置
２ 底壁面
３ 脚部
４ 水中モータ装置
５ 駆動軸
６ 気泡放出部
７ 空気供給管路
８ 気泡放出体
８ａ 通気孔
８ｂ 気泡放出面
９ 本体ケーシング
９ａ 結合孔
９ｂ キー溝
１０ 羽根部
１１ 気体室
１２ スペーサ
１３ ボルト
１４ 円板部
１５ ハブ
１５ａ 連結孔
１６ 羽根
１７ 軸封部
２０ コーティング
２１ 凸状体
２２ 溝
２３ 有底孔
１０１ 本体ケーシング
１０２ 多孔質体
１０３ 水路
１０４ 気体室
１０５ 気泡放出面
１０６ 突起状体

Claims (5)

1. 液体との界面をなす気泡放出面に複数の気泡放出孔を有する気泡放出体と、気泡放出体を保持する放出体保持手段と、気泡放出孔に連通する気体室と、気体室に気体を供給する気体供給手段と、気泡放出体を液体に対して相対的に移動させ、気泡放出面上に液体の相対流を生じさせる相対駆動手段とを備える微細気泡発生装置において、相対駆動手段による相対流の速度の制御と気体供給手段による気体室へ供給する気体の圧力の制御との少なくとも何れか一方の制御を行なって気泡径を制御することを特徴とする微細気泡発生装置の制御方法。
2. 前記相対駆動手段が駆動軸の軸心廻りに気泡放出体を回転駆動する回転駆動装置からなり、前記相対流の速度制御が回転駆動装置よる気泡放出体の回転数制御であることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生装置の制御方法。
3. 前記相対駆動手段が気泡放出面に沿って液体を供給するポンプ装置からなり、気体室へ供給する気体の圧力を制御することにより気泡径を制御することを特徴とする請求項２に記載の微細気泡発生装置の制御方法。
4. 相対流の速度と気体室へ供給する気体の圧力との少なくとも一方の制御因子の操作量に複数の設定値を設け、前記設定値を選択し切り替えることによって気泡径を制御することを特徴とする請求項２に記載の微細気泡発生装置の制御方法。
5. 液体との界面をなす気泡放出面に複数の気泡放出孔を有する気泡放出体と、気泡放出体を保持する放出体保持手段と、気泡放出孔に連通する気体室と、気体室に気体を供給する気体供給手段と、気泡放出体を液体に対して相対的に移動させ、気泡放出面上に液体の相対流を生じさせる相対駆動手段とを備え、相対駆動手段による相対流の速度制御と気体供給手段による気体の圧力制御との少なくとも一方の制御において複数の設定値を設け、前記設定値を選択し切り替えることによって気泡径を選択する設定値切換手段を設けたことを特徴とする微細気泡発生装置。

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