JP2010207789A - 微細泡沫群生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細泡沫群の生成のためのエネルギー効率に優れた微細泡沫群生成装置を提供する。
【解決手段】 気体および界面活性剤水溶液の気液混合物が回転軸２０と混合室４３の内壁との間に設けられた間隙４３ａを通過する流路を形成し、気液混合物に対して効率的に旋回力を作用させることにより微細かつ均一な気泡群を効率的に生成することができる微細泡沫群生成装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、泡沫生成装置に関するものである。

従来の泡沫群生成装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この泡沫群生成装置は、回転軸の回転方向に面を有して放射状に設けられ、回転軸の回転に伴い回転される撹拌フィンと、撹拌フィンの回転中心に一方端を開口し、他方端は吸気気体を収納する気体容器に開口される吸気管と、気体容器と撹拌フィン間に設けられ、吸気管による吸引量を調整可能な調整機とからなる微小気泡を多く含んだ気泡を発生可能な気液混合用インペラーで、気液混合室への気体の導入には回転円筒軸に設けられた貫通穴が用いられている。

特開平９−２１５７１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された泡沫群生成装置において、均一かつ微細な泡沫群を生成するためには、撹拌フィンを高速で回転させなければならない。液体中に放出された泡状の気体を分裂して微細な泡沫にするためには、泡沫を構成する気泡に対し十分に大きな剪断力（気泡の一端と他端に流速差を生じさせることにより気液界面に作用する力）を作用させる必要がある。しかし、撹拌フィンにより液体を撹拌させる構成では、気泡のサイズより大きな範囲にわたり液体が略同じ流速で回転するため、気泡に対し十分に大きな剪断力を作用させることは困難である。さらに、発生した泡沫は、撹拌フィンの回転により生じた遠心分離作用により、集合して再び合体し易くなる。泡沫の集合および合体を防止するために、撹拌フィンを多段化するなどの工夫が必要となる。従って、特許文献１に開示された泡沫群発生装置では気液混合に要するエネルギーが過大となり、エネルギー効率が悪い（即ち微細泡沫の生成効率が悪い）という問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、微細泡沫群の生成のためのエネルギー効率に優れた微細泡沫群生成装置を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために講じた第１の手段は、回転する回転軸と、供給される気体を通す給気口と、供給される界面活性剤水溶液を通す給液口と、前記給気口および前記給液口に連通して気体および界面活性剤水溶液の気液混合物を混合する混合室とを有し、該混合室に前記回転軸を収容するケーシングと、を備えた微細泡沫群生成装置であって、前記回転軸の軸方向に沿って前記混合室の内壁を延在させ、前記混合室の内壁と前記回転軸との間に間隙を設け、該間隙に前記気液混合物を通過させることである。

また、第２の課題解決手段は、前記混合室の一端にシール部材を配設すると共に前記混合室の他端に気液混合物を排出する排出部を形成し、前記気液混合物が前記シール部材に接触してから前記間隙を通過して前記排出部から排出されることである。

また、第３の課題解決手段は、前記回転軸の表面を親水性としたことである。

本発明によれば、気液混合物が混合室の内壁と回転軸との間隙を通過する。このとき、回転軸により気液混合物は旋回流となり、下流側に配置された混合室へ均一に分散される状態で送られる。この結果、混合室内では気液分布の偏りが小さくなり、気液混合がより効率的に行われる。

また、シール部材は回転する回転軸との接触部分で摩擦により熱が発生するが、気液混合物により冷却される。このため、シール部材の熱による劣化を防止できる。

本発明に係る微細泡沫群生成装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る微細泡沫群生成装置の要部を示す断面図である。 本発明に係る微細泡沫群生成装置の間隙の寸法を変更した場合の試験結果である。 本発明に係る微細泡沫群生成装置の回転軸の表面特性を変更した場合の試験結果である。 本発明に係る微細泡沫群生成装置を使用した微細泡沫群生成システムの構成を示すブロック図である。

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る微細泡沫群生成装置の一例を示した断面図である。また、図２は、図１の要部を示した断面図である。

本実施形態に係る微細泡沫群生成装置１は、電動モーター１０と、電動モーター１０の回転子（図示せず）に連結された回転軸２０と、回転軸２０に連結されたインペラー３０と、回転軸２０およびインペラー３０を収容するケーシング４０と、電動モーター１０の内部への水分の浸入を防止するシール部材５０と、により構成される。

回転軸２０は、円柱状または円筒状に形成され、一端が電動モーター１０の回転子と、他端がインペラー３０と一体回転するように連結されており、電動モーター１０の回転駆動力をインペラー３０に伝達する構成となっている。さらに本実施例では、回転軸２０は、モーター軸２１の軸方向に沿って包囲するように回転筒２２が固定される。回転筒２２でモーター軸２１を包囲するため、水分によるモーター軸２１の腐食が防止できる。

インペラー３０は、回転軸２０に対し垂直板状の円板部３１と、円板部３１の両側面に同心円状に周設された周壁３２と、を備え、さらに表面にはフィン（図示せず）が突設されている。そしてケーシング４０内を通過する気体と界面活性剤水溶液の混合物（以下、「気液混合物」ともいう）を撹拌するとともに、発生した気泡を細かく分断して微細泡沫群にする。

ケーシング４０は、電動モーター１０の筐体に固定され、気体を供給するための給気口４１と、界面活性剤の水溶液を供給するための給水口４２と、給気口４１および給水口４２に連通しすると共に回転軸２０を収容する第１混合室４３と、インペラー３０を収容する第２混合室４４と、気液混合物を吐出する吐出口４５とを備える。また、ケーシング４０は、例えば変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）等の樹脂を成型したものである。

第１混合室４３の電動モーター１０側には、例えばゴムや樹脂からなるリップシール等のシール部材５０が配設される。そしてシール部材５０により水分が電動モーター１０の内部に侵入しないように第１混合室４３が区画される。尚、シール部材５０は回転軸２０がケーシング４０に対して相対回転し得るよう構成される。また、第１混合室４３内において、ケーシング４０と回転軸２０（回転筒２２）との間には後述の所定幅を有する間隙４３ａが幅狭に形成される。即ち、回転軸２０の軸方向に沿って第１混合室４３の内壁を延在させ、気液混合物が第１混合室４３の内壁と回転軸２０との間隙４３ａを通過するように流路が形成される。

次に、供給される気体および液体から微細泡沫群を生成する過程を詳細に説明する。

まず、給気口４１から供給された気体および給水口４２から供給された界面活性剤水溶液は、それぞれ通路４１ａ，４２ａを通り第１混合室４３内に供給される。第１混合室４３内で、気液混合物は回転軸２０の回転により生じる旋回流により混合されながら、シール部材５０で折り返して間隙４３ａに送出される。そして、気液混合物が間隙４３ａを通過する際に、回転軸２０の回転により気液混合物も回転する旋回流を生じる。このとき、間隙４３ａが幅狭に形成されているため、回転している回転軸２０により 気液混合物が 旋回流となり、第２混合室４４の円周方向へ均一に分散される状態で送られる。この結果、第２混合室４４内では気液分布の偏りが小さくなり、第２混合室４４内での気液混合がより効率的に行われる。また、第１混合室４３の一端にシール部材５０を配設すると共に第１混合室４３の他端に気液混合物を排出する排出部４３ｂを形成し、気液混合物がシール部材５０に接触してから前記間隙４３ａを通過して前記排出部４３ｂから排出されるように流路が形成される。シール部材５０は回転する回転軸２０との接触部分で摩擦により熱が発生するが、気液混合物により冷却される。このため、シール部材５０の熱による劣化を防止できる。

第１混合室４３内で生成した微細泡沫群は、さらに、第２混合室４４内に送出される。第２混合室４４内では、微細泡沫群は、電動モーター１０と一体回転するインペラー３０の表面と第２混合室４４との間に形成された間隙４４ａを通過する。このとき、回転しているインペラー３０の表面に形成されたフィンと静止している第２混合室４４の内壁との間には、大きな速度差が生じる。この速度差による剪断力で、微細泡沫群を構成する気泡はさらに細かく分断されると共に均一に混合される。そして、吐出口４５から微細泡沫群が吐出される。

次に、第１混合室４３内の間隙４３ａについて詳細に説明する。

図３に、第１混合室４３内の回転軸２０の表面とケーシング４０の内壁との間隙４３ａの寸法を変更した場合の微細泡沫群生成試験の結果を示す。間隙４３ａの寸法は、内径が回転軸２０の外径に、外径が間隙４３ａを隔てて回転軸２０の表面と対向するケーシング４０の内壁の内径に、長さが間隙４３ａの軸方向長さ（即ち、ケーシング４０の内壁の内径が一定部分の軸方向長さ）にそれぞれ相当する。疏水加工の有無は、回転軸２０（回転筒２２）の表面にグリスなどの疎水性材料を塗布したか否かを示す。図３の試験では全て疏水加工しない状態で行われた。入力電圧は、電動モーター１０を駆動するための入力電圧である。本実施例においては、入力電圧を１８Ｖとした場合に、電動モーター１０が２０００ｒｐｍの回転速度で回転する構成となっている。液体流量は、給水口４２から供給される界面活性剤水溶液の流量である。尚、本実施例において供給される界面活性剤水溶液の温度は４０±５℃である。空気流量は、給気口４１から供給される空気の流量である。液体流量と空気流量の比から、含水率が約２０体積％の微細泡沫群が生成される条件である。

評価結果において、泡流量は、吐出口から吐出された微細泡沫群の流量である。泡径分布は、泡径を０．１５ｍｍ以下、０．１５ｍｍ以上−３ｍｍ以下、および３ｍｍ以上の三段階に分類したときの、それぞれの成分の割合（％）である。

評価パターンＡと評価パターンＢとの比較は、空隙４３ａ部分の長さを変化させた場合の、微細泡沫群の泡径分布の比較である。評価結果より、空隙４３ａ部分の長さが長くなるほど微細泡沫群の泡径が小さくなることがわかる。

評価パターンＡと評価パターンＣとの比較は、空隙４３ａ部分の隙間サイズを変化させた場合の、微細泡沫群の泡径分布の比較である。評価パターンＡの隙間サイズは０．５ｍｍで、評価パターンＢの隙間サイズは１．５ｍｍである。評価結果より、空隙４３ａ部分の隙間サイズが小さくなるほど微細泡沫群の泡径が小さくなることがわかる。しかしながら、隙間サイズを小さくし過ぎると、回転軸２０の表面４３ｂとケーシング４０の内壁４３ｃとの距離が近くなり、管摩擦抵抗が増大してしまう。その結果、給水手段および給気手段への負荷が大きくなり エネルギー効率が低下してしまうため、本寸法形状において、隙間サイズは０．５ｍｍとなる条件が最適であった。

次に、回転軸２０（回転筒２２）の表面処理について詳細に説明する。

図４に、回転軸２０の表面４３ｂを疏水加工しない場合とした場合それぞれの微細泡沫群生成試験の結果を示す。評価パターンＡと評価パターンＤとの比較は、疏水加工の有無に応じた微細泡沫群の泡径分布の比較である。その他の評価条件は図３における評価条件と同様である。評価結果より、疏水加工をしない方が微細泡沫群の泡径が小さくなることがわかる。これは、回転軸２０の表面４３ｂを疏水加工することにより、回転軸２０の表面４３ｂに接する水（界面活性剤水溶液）への剪断力の伝達効率が低下するためである。即ち、回転軸２０の表面４３ｂを親水性材料にするか、親水性材料をコーティングするなどして親水加工することにより、回転軸２０の回転に伴う気液混合物への旋回力の伝達効率が向上し、より少ない消費エネルギーで微細な泡沫群を生成し得る。

図５は、微細泡沫群生成装置１を使用した、微細泡沫群生成システム１００である。微細泡沫群生成システム１００は、所定温度の水を生成する給湯器１０１と、給湯器１０１に連通して水の供給流量を調整する第１流量調整手段１０２と、液状の界面活性剤を収容する石けんタンク１０３と、石けんタンク１０３に連通して界面活性剤の供給流量を調整する第２流量調整手段１０４と、第１流量調整手段１０２および第２流量調整手段１０４に連通して水および界面活性剤を混合して界面活性剤水溶液にする混合手段１０５と、圧縮空気を生成するエアーコンプレッサ１０６と、エアーコンプレッサ１０６に連通して空気の供給流量を調整する第３流量調整手段１０７と、界面活性剤水溶液および空気を混合して微細泡沫群を生成する微細泡沫群生成装置１とを備えたものである。

従って、本実施例の応用例に関する微細泡沫群生成システム１００を使用すれば、任意の水温に調整することにより生成する微細泡沫群の温度を制御できる。また、水および界面活性剤の流量を調整すると共に、空気の流量を調整することにより、任意の含水量を持つ微細泡沫群が得られる。また、微細泡沫群生成装置１の回転軸２０の回転速度を調整することにより、微細泡沫群の泡径分布を任意に制御できる。

このように、微細泡沫群生成システム１００によれば、任意の特性を有する微細泡沫群を生成することが可能となり、手洗い用、体洗い用、浴槽用等、様々な用途に利用可能となる。

１ 微細泡沫群生成装置
２０ 回転軸
４０ ケーシング
４１ 給気口
４２ 給水口
４３ 第１混合室（混合室）
４３ａ 間隙
４３ｂ 排出部
５０ シール部材
１００ 微細泡沫群生成システム

Claims (3)

1. 回転する回転軸と、
   供給される気体を通す給気口と、供給される界面活性剤水溶液を通す給水口と、前記給気口および前記給水口に連通して気体および界面活性剤水溶液の気液混合物を混合する混合室とを有し、該混合室に前記回転軸を収容するケーシングと、を備えた微細泡沫群生成装置であって、
   前記回転軸の軸方向に沿って前記混合室の内壁を延在させ、前記回転軸と前記混合室の内壁との間に所定の間隙を設け、該間隙に前記気液混合物を通過されることを特徴とする微細泡沫群生成装置。
2. 前記混合室の一端にシール部材を配設すると共に前記混合室の他端に気液混合物を排出する排出部を形成し、前記気液混合物が前記シール部材に接触してから前記間隙を通過して前記排出部から排出されることを特徴とする請求項１に記載の微細泡沫群生成装置。
3. 前記回転軸の表面を親水性としたことを特徴とする請求項１または２に記載の微細泡沫群生成装置。

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