JP2011056436A - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な量のマイクロバブルを安定して生成することができる微細気泡発生装置を提供する。
【解決手段】 気液混合流体を搬送する管路８に接続され、筒状本体部の壁面に画定される流路中に設けられている微細気泡発生流路１８を通して、前記気液混合流体中の気泡をより小さい微細気泡とする微細気泡発生装置であって、
前記微細気泡発生流路１８は、前記流路の断面積が徐々に縮小するように構成された上流側に位置する流路縮小部１９及び前記流路の断面積が徐々に拡大するように構成された下流側に位置する流路拡大部２０と、前記流路縮小部１９と流路拡大部２０との接続部分に隙間最小部２１、が前記筒状本体部の壁面に沿って環状にそれぞれ設けられ、前記微細気泡発生流路１８の両端の圧力差が０．１ＭＰａ以上となるように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体中の気泡をマイクロバブルにまで微細化して液体中に分散させる微細気泡発生装置に関する。

近年、例えば、液体に気体を分散する分野において、工程の多様化に伴い、また、反応の効率化や迅速化などのため、気体を微細化して液体中に分散することを要求されることが多くなってきている。

気泡を微細化するための微細気泡発生装置は、非特許文献１などに多種類のものが提案されている。例えば、（ａ）ベンチュリ管等を用いた流路拡大方式、（ｂ）加圧溶解気体の過飽和析出方式（加圧溶解式）、（ｃ）旋回流気泡せん断方式（旋回流式）、（ｄ）オリフィス等を用いた高圧開放方式、（ｅ）微細孔からの気体吐出方式、（ｆ）超音波や機械による気泡破壊方式などである。

いずれの方法も気泡発生方式や発生気泡の破壊方法を様々に工夫している。特に、（ａ）〜（ｄ）の方法は圧力変動や水流によるもの、（ｅ）の方法は気体を吐出する孔径を小さくすることによるもの、（ｆ）の方法は水流以外の動力（媒質の振動や機械によるせん断）によるものである。

微細気泡発生装置の一例として、例えば、特許文献１（特開２００７−５４８０７号公報）によるものが知られている。この微細気泡発生装置は、内管と外管の二重筒で構成され内管の側壁を厚み方向に貫通するスリットで構成された狭流路部を備え、狭流路部を気液混合流体が通過することにより、そのせん断力によって微細気泡を発生させる。さらに狭流路部の出口に、内管と外管との隙間で構成された空隙部を備え、空隙部と外管との流路の形状変化を利用して気液混合流体に渦を発生させて、渦のせん断力によって微細気泡とするものである。

特開２００７−５４８０７号公報

大成博文，「マイクロバブルの基礎」，泡のエンジニアリング，２００５年，ｐｐ．４２３−４２９

しかし、特許文献１に記載の微細気泡発生装置は、十分な量のマイクロバブルを安定して発生させるには機能的に不十分であった。

引用文献１の微細気泡発生装置は、微細気泡を発生させるために、狭流路部を流れる際のせん断力によって気泡を粉砕して微細気泡とするものである。この方法では、十分な微細気泡を発生させることは困難であり、さらに空隙部と外管流路とで渦を発生させ、渦のせん断力を利用して微細気泡を発生させるようにしている。

しかし、上記構成では、狭流路部の他に空隙部や急拡大流路部などを設ける必要があることから、管内が二重筒となるように狭流路部を形成するためのスリットを備えた有底状の部材を外筒内に設置する構成を有している。したがって、管路中での使用が前提となり、槽内での使用ができないなど用途の幅が小さくなるという問題がある。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、管路や槽などから構成されるプラント装置に容易に設置することが可能で、十分な量のマイクロバブルを安定して生成することができる微細気泡発生装置を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、気液混合流体を搬送する管路に接続され、筒状本体部の壁面で画定される流路中に設けられている微細気泡発生流路を通して、前記気液混合流体中の気泡をより小さい微細気泡とする微細気泡発生装置であって、
前記微細気泡発生流路は、
前記流路の断面積が徐々に縮小するように構成された上流側に位置する流路縮小部及び前記流路の断面積が徐々に拡大するように構成された下流側に位置する流路拡大部と、前記流路縮小部と流路拡大部との接続部分に隙間最小部、が前記筒状本体部の壁面に沿って環状にそれぞれ設けられ、
前記微細気泡発生流路の両端の圧力差が０．１ＭＰａ以上となるように構成されていることを特徴とする、微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記微細気泡発生流路は、前記筒状本体部の側壁に設けられた周方向に伸びる環状スリットにより画定され、前記スリットを挟んで対向する側壁の対向面の少なくとも一方に、前記流路縮小部と流路拡大部と隙間最小部を画定するための凸状部が設けられていることを特徴とする、第１態様の微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記筒状本体部は、互いに対向して設けられた複数枚の円板を備え、前記流路縮小部と流路拡大部と隙間最小部は、これらの円板間に設けられたことを特徴とする、第２態様の微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記複数枚の円板の少なくとも１枚には、前記隣接する他の円板との離間距離を調整可能な隙間調整機構が設けられていることを特徴とする、第３態様の微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、さらに、前記筒状本体部の微細気泡発生流路より上流側に、多孔性部材を備えたことを特徴とする、第２から第４態様のいずれか１つの微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記微細気泡発生流路中に、せん断力発生機構を備えることを特徴とする、第２から第５態様のいずれか１つの微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記せん断力発生機構は、流動方向が鋭角に屈曲するように構成された鋭角部であることを特徴とする、第６態様の微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、前記せん断力発生機構は、前記微細気泡発生流路の中間位置に設けられた幅広部であることを特徴とする、第６態様の微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第９態様によれば、さらに、筒状本体部の内壁面に突状部を備えることを特徴とする、第１から第８態様のいずれか１つの微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、さらに、筒状本体部の内壁面に凹部を備えることを特徴とする、第１から第９態様のいずれか１つの微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第１１態様によれば、さらに、筒状本体部内に挿入して設けられる前記筒状本体部の筒形状と相似の形状を有する挿入部材を備え、
前記微細気泡発生流路は、前記挿入部材の側壁外面と前記筒状本体部の側壁内面とで画定されるように構成され、
前記挿入部材の側壁外面及び筒状本体部の側壁内面の少なくとも一方に、前記流路縮小部と流路拡大部と隙間最小部を形成するための凹凸が設けられてい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を提供する。

本発明の第１２態様によれば、液体を貯留するタンクと、前記タンクの底部及び側部の少なくともいずれかに前記筒状本体部が設けられていることを特徴とする、第１から第１１態様のいずれか１つの微細気泡発生装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、管路に接続された筒状本体部の壁面に設けられた微細気泡発生流路には、流路縮小部、流路拡大部及び隙間最小部が筒状本体部の壁面に沿って環状にそれぞれ設けられているので、簡単な構成により微細気泡を発生させることができる。また、流路の両端の圧力差が０．１ＭＰａ以上とすることで確実に微細気泡をマイクロバブルレベルにまで微細化することができる。

本発明の第２態様によれば、筒状本体部の具体的な構成として筒状本体部の側壁にその厚み方向にスリットを設けることで簡単な構成で微細気泡発生流路を画定することができる。また、当該構成の微細気泡発生流路は２つの円板を対向配置させ、円盤間に設けられた隙間を用いることでより簡単に構成することができる。

本発明の第４態様によれば、円板の隙間を調整することによって、液体の流量及び圧力差の調整をより簡単に行なうことができ、使用目的に応じた流量の微細気泡分散流体を生成することができる。

本発明の第５態様によれば、多孔性部材を設け、これを通過させることで気液混合流体中の気泡を一次分散させることができ、微細気泡発生流路に送られる気泡サイズを予め小さくすることができる。

本発明の第６態様によれば、微細気泡発生流路中にせん断力を発生させることで、気液混合流体中の気泡を分割することができる。せん断力発生機構としては、流動方向を急変させるように屈曲した流路（第７態様）や、流路途中に流路幅が広がった幅広部を設け当該幅広部内で流体を循環させるような構成（第８態様）を採用することができる。

本発明の第９態様によれば、筒状本体部の内壁面に突状部を備えることで、突状部を通過する際に気液混合流体中の気泡が分割され、微細気泡発生流路に送られる気泡サイズを予め小さくすることができる。

本発明の第１０態様によれば、筒状本体部の内壁面に凹部を備えることで、当該凹部による流れ抵抗により、流体の流れを乱してせん断力を与え、気液混合流体中の気泡を分割して、微細気泡発生流路に送られる気泡サイズを予め小さくすることができる。

本発明の第１１態様によれば、筒状本体部の内側に挿入部材を設けるという簡単な構成で微細気泡発生流路を画定することができる。

本発明の第１２態様によれば、液体貯留タンクの壁を筒状本体部の一部として使用することができ、タンク内に直接微細気泡発生装置を取り付けることができる。

本発明の実施形態にかかる微細気泡発生装置の配置構成を示す模式図である。 本発明の実施形態にかかる微細気泡発生装置の他の配置構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 図２の微細気泡発生装置の変形例の構成を示す断面図である。 第２実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 第３実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 第４実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 第４実施形態にかかる微細気泡発生装置の変形例を示す断面図である。 第５実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 第５実施形態にかかる微細気泡発生装置の変形例の構成を示す断面図である。 第６実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 第７実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 本発明の第８実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 図１１ＡのXI−XI線における断面図である。 本発明の第９実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１０実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１１実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１２実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。 図２の構成の微細気泡発生装置の微細気泡発生と微細気泡発生間の圧力差との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る微細気泡発生装置について、図面を参照しながら説明する。

図１Ａは、本発明の実施形態にかかる微細気泡発生装置の配置構成を示す模式図である。本実施の形態にかかる微細気泡発生装置１０は、例えば、分散槽２中に微細気泡を発生させるプラント１などに利用することができる。分散槽２には、貯液槽３内の液体がポンプ４により配管８を通して送液されて、液体が貯留される。なお、図１Ａでは、分散槽２から流出する排水口についての記載を省略しているが、バッチ式のプラントに限定されるものではなく、フロー式のプラントに用いることができる。

本発明の実施形態にかかる微細気泡発生装置１０は、分散槽２に連通されており、図１Ａに示すように、配管８に取り付けられていてもよいし、分散槽２に直接取り付けられていてもよい。微細気泡発生装置１０は配管８を通して送られる気液混合流体中の気泡を破砕し、マイクロバブルレベルの微細気泡として液中に分散するものである。

ポンプ４は、貯液槽３から液体を吸込み、加圧して送り出す。ポンプ４の吸込み側には、加圧空気を送り込むためのブロア５が連結されており、配管９を通して、ポンプ４に送られる。ポンプ４は、貯液槽３からの液体とブロア５からの気体が混合した気液混合流体を配管８へ送りだす。なお、貯液槽３，ブロア５からの流体の吸込み量及びポンプ４からの送液量を調節するための調整弁７がそれぞれ配管に設けられている。また、配管８には分散槽２への送液量を測定するための流量計６が設けられている。

なお、図１Ａのプラントは、貯液槽３と分散槽２とが別の構成となっているが、本実施形態にかかる微細気泡発生装置は、図１Ｂの分散プラントのように分散槽２中の液体を循環して使用する循環式のプラントとしてもよい。なお、ポンプ４の吸込み性能により、ブロアをなくすことも可能である。また、ブロア５はコンプレッサを用いることもできる。

図２は、本発明の第１実施形態にかかる微細気泡発生装置１０の構成を示す断面図である。微細気泡発生装置１０は、図２に示すように、管路８に接続して用いられる。微細気泡発生装置１０は、管路８に接続し気液混合流体を導入する流体入口部１１、流体入口部１１と連通する管路拡張部１２，管路拡張部１２と連通し微細気泡を外部に吐出する流体出口部１４とを備える。

管路拡張部１２は、流体入口部１１，流体出口部１４の内径に対して大きく構成された円筒形部材であり、高さ方向に扁平に構成されている。流体入口部１１、流体出口部１４は、それぞれ管路拡張部１２の底面１２ａ、上面１２ｂの中心近傍に接続する。

管路拡張部１２の内部１３には、気泡微細化部１５が設けられている。気泡微細化部１５は、本発明の筒状本体部として機能するものであり、２枚の円板がわずかな隙間を持つように対向配置された部材である。第１円板１６は、環状に構成されており、管路拡張部１２の内底面に配置されている。

本実施形態では、管路拡張部の内径寸法は２１０φ、気泡微細化部１５の外径寸法は２００φ、内径寸法は１５０φ、流体入口部１１及び流体出口部１４の内径寸法はそれぞれ４０φに設計されている。

第２円板１７は、板状の円板で構成されている。第２円板１７は周縁部分が肉厚に構成されており、第１円板１６と対向する隙間が微細気泡発生流路１８を構成する。

第１円板１６の中心孔は、流体入口部１１よりも大きく、流体入口部１１から流入された流体は、図２の矢印に示すように気泡微細化部１５へ移動し、第１円板１６と第２円板１７との間に流入し、微細気泡発生流路１８を通過して、流体出口部１４を通って外部へ流出する。

気泡微細化部１５の微細気泡発生流路１８は、内径側から外径側に向かうに従って流路の間隙が縮小していく流路縮小部１９と、この流路縮小部１９の外径側で間隙が内径側から外径側に向かうに従って拡大していく流路拡大部２０が形成される。これら流路縮小部１９と流路拡大部２０との間に間隙が最も小さくなる隙間最小部２１が設けられている。

気体と液体との混合流体が流路縮小部１９を経て流路拡大部２０を通るとき、流路間隙の変化により気体と液体との混合物は流速が変化して圧力が変化し、気体が微細化される。

この気体の微細化は、主として、液体の流速、気体の量、隙間最小部２１および流路拡大部２０の間隙寸法などによって決定される。例えば、液体の流速がある閾値以下であると、気泡の径が小さくならず十分な微細化がなされない。この場合、微細化される気泡の径は、主として、隙間最小部１９および流路拡大部２０の間隙寸法によって調整することができる。一方、液体の流速が閾値以上になると、気泡の径は小さくなって十分に微細化される。微細気泡発生流路１８に設けられた流路拡大部２０がベンチュリ管と同様の効果を呈し、気体を伴った液体が気泡微細化部１５の微細気泡発生流路１８内を通過することにより、気体を微細化することができる。

気液混合流体中の気泡をマイクロバブルのレベルまで十分に微細化させるためには、微細気泡発生流路１８の両端の圧力差が０．１ＭＰａ以上となるようにすることが求められる。圧力差を０．１ＭＰａ以上とするためには、上記のように液体の流速、微細気泡発生流路１８の形状（隙間）を調整する。

本実施形態では、流路縮小部１９における微細気泡発生流路の流路幅の変化の割合は、流路拡大部２０におけるそれよりも大きく構成されている。すなわち、流路縮小部１９の対向する２つの壁面がなす角度Ａは、流路拡大部２０の対向する２つの壁面がなす角度Ｂよりも大きく構成されている。具体的には、角度Ａは約９０度、角度Ｂは約５度程度に構成されている。

なお、微細気泡発生流路の流路の形状は、特に図２に示したものに限定されるわけではない。変形例として、図３に示すように流路縮小部１９の対向する２つの壁面がなす角度Ａが、流路拡大部２０の対向する２つの壁面がなす角度Ｂよりも小さく構成されていてもよい。

なお、上記のとおり、気液混合流体が微細気泡発生流路１８内を通過する際の圧力変化により気泡が微細化するため、流動方向は特に問われるものではなく、流体が気泡微細化部１５の外径側から内径側に微細気泡発生流路１８を通過するように使用してもよい。

微細気泡発生流路１８の両端の圧力差は、例えば、図２に示すように気泡微細化部１５の内部空間と管路拡張部の内部１３との間に圧力計を設けることで測定することができる。

一例として微細気泡発生流路の隙間最小部のギャップが０．２ｍｍである図２に示す構成の微細気泡発生装置のバブル発生状況を評価した。試験条件は、空気の供給量は０．２Ｌ/minであり、液体の供給量を変化させることで微細気泡発生流路１８の両端の圧力差を変動させた。測定は、微細気泡発生流路１８の両端の圧力差が０．０５ＭＰａ，０．０８ＭＰａ，０．１０ＭＰａ，０．１２ＭＰａとなるようにし、それぞれのマイクロバブルの発生の状況について目視にて判定した。試験結果は下記表１に示す通りである。なお、目視評価の◎はマイクロバブルが非常によく発生している。○はマイクロバブルが発生している。△はマイクロバブルが発生しているが量が少ない。×はマイクロバブルの量がほとんどなく発生が認められない状態をそれぞれ示している。

表１の評価結果により、微細気泡発生流路１８の両端の圧力差によってマイクロバブルの発生量に影響を及ぼすことが分かる。なお、後述する実施例に詳細を説明するが、微細気泡発生流路１８の両端の圧力差がおおむね０．１ＭＰａ以上であれば、微細気泡の発生のために必要な圧力の上限は認められない。しかし、あまりに圧力が大きいと、ポンプ４として高出力のものが求められることから、例えば，０．３ＭＰａ程度にまでにとどめておくことが好ましい。

上記実施形態では、液体の供給量を変化させることで両端の圧力を調整しているが、液体の供給量によらずに圧力調整するために、例えば、次の実施形態などに示す構成を採用してもよい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。本実施形態においては、気泡微細化部１５に画定される微細気泡発生流路１８の間隔を調整することで、微細気泡発生流路１８両端での圧力差を調整する。

図４に示すように、気泡微細化部１５を構成する第２の円板１７には、中心にネジ部２３が形成されており、管路拡張部１２の内底面には、当該ネジ部２３と螺合する円板支持部２４が設けられている。円板支持部２４は、管路拡張部１２と流体入口部１１との接続部位に、流体入口部１１を閉塞しないように雌ネジを保持し、当該ネジ部２３とを螺合させる。

第２の円板１７は、ネジ部２３の円板支持部２４に対するねじ込み量を調整することにより、第２の円板１７の高さ位置が矢印９１に示すように調整される。第２の円板１７のねじ込み量を調整するには、第２の円板の正面に設けられた連結孔２２に専用の器具１００を用いる。器具１００の先端を流体出口部１４から矢印９０に示すように挿入して連結孔２２に差し込んだ状態で器具を回転させ、第２円板のねじ込み量を調整する。この構成によれば、気泡微細化部１５の微細気泡発生流路１８の間隔を調整することができ、液体の流量によらずに圧力差の調整を行なうことができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。本実施形態においては、気泡微細化部１５を構成する円板を追加することで微細気泡発生流路１８の数を増やす構成である。これによって、微細気泡発生流路１８を流れる流体の量を増大させ、微細気泡発生流路１８両端での圧力差を調整する。

気泡微細化部１５は、管路拡張部１２の内底面に設けられた第１の円板１６及び、最上部に位置する第２の円板１７に加えて、両者の間に中間円板２５を備える。中間円板２５は、リング状に構成された円板であり、第１の円板１６及び第２の円板１７にそれぞれ対向する面によって微細気泡発生流路１８を画定する。なお、図５の例では、中間円板２５は１枚のみ設けられているが、複数枚備えていてもよい。この構成により、微細気泡発生流路１８が複数構成されることになり、微細気泡発生流路１８を通過する単位時間あたりの総流量が増大する。すなわち、微細気泡を含む流体の流量が多量に必要な場合に、処理できる様に円板を追加すればよい。したがって、微細気泡発生流路１８両端での圧力差を調整することができ、高流量を処理することができる微細気泡発生装置を構成することができる。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図６に示す微細気泡発生装置は、中心線に対して対称に構成されているため、中心線の片側の実を図示している。

本実施形態にかかる微細気泡発生装置は、第１実施形態にかかる微細気泡発生装置と大部分が共通する構成を有しているが、気泡微細化部１５を構成する円板により画定される微細気泡発生流路１８の構成が異なる。具体的には、微細気泡発生流路１８中を流れる気液混合流体にせん断力を発生させて気泡の微細化を促進することとしたものである。

本実施形態にかかる微細気泡発生装置の微細気泡発生流路１８は、入口２７が十分に狭く構成され、さらに、流路縮小部１９中に攪拌部２６が配置されている。攪拌部２６は、断面円形に構成され、微細気泡発生流路１８の入口近傍に気泡微細化部１５の全周にわたって設けられる。微細気泡発生流路１８の入口と攪拌部２６との接続は、微細気泡発生流路１８を流れる流体が攪拌部の断面形状の接線方向に向かって流入するように構成されている。気液混合流体は、狭く構成されている流路入口２７において一次分散して気泡が微細化されさらに、攪拌部２６内を矢印に示すように循環して、与えられるせん断力により流体中の気泡がさらに微細化する。

攪拌部２６を通過した流体は、隙間最小部２１、流路拡大部２０を通過することにより、マイクロバブルのレベルにまで気泡が微細化され、気泡微細化部１５の外部へ流出する。

図７に、第４実施形態にかかる微細気泡発生装置の変形例を示す。図７に示す微細気泡発生装置は、図６に示す微細気泡発生装置と比較して、攪拌部２６が微細気泡発生流路１８の入口２７及び隙間最小部２１との接続の方向が異なる。微細気泡発生流路１８の入口２７及び隙間最小部２１は、攪拌部２６に対してその径方向に連通する。入口２７から攪拌部２６内に流入した流体は、矢印に示すように攪拌部２６内を循環し、せん断力により気液混合流体中の気泡が微細化する。攪拌部２６を通過した流体は、隙間最小部２１、流路拡大部２０を通過することにより、マイクロバブルのレベルにまで気泡が微細化され、気泡微細化部１５の外部へ流出する。

（第５実施形態）
図８Ａは、第５実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。本実施形態にかかる微細気泡発生装置は、第１実施形態にかかる微細気泡発生装置と大部分が共通する構成を有しているが、気泡微細化部１５を構成する円板により画定される微細気泡発生流路１８の構成が異なる。具体的には、微細気泡発生流路１８中を流れる気液混合流体にせん断力を発生させて気泡の微細化を促進することとしたものである。

本実施形態にかかる微細気泡発生装置の微細気泡発生流路１８は、隙間最小部２１の途中に屈曲部２８を設け、流体が屈曲部２８を通過するときのせん断力で気泡を微小化させるものである。屈曲部２８による微細気泡発生流路１８の曲げ角度が小さいほどせん断力が大きくなるため、気泡の微細化に効果的であるが、流体抵抗が大きくなるという問題がある。おおむね９０度程度としておくことが好ましい。

微細気泡発生流路１８に流入した流体は、流路縮小部１９を通過し、隙間最小部２１の途中に屈曲部２８を通過する。流体には流動方向の急変に伴いせん断力が加わり、微細気泡発生流路１８の通過に伴う圧力変化と相まってマイクロバブルレベルの微細気泡が発生する。

図８Ｂは、第５実施形態にかかる微細気泡発生装置の変形例の構成を示す断面図である。この変形例では、微細気泡発生流路１８は、隙間最小部２１の前後で微細気泡発生流路１８の流動方向を変更する。微細気泡発生流路１８が屈曲した結果、流路拡大部２０は気泡微細化部１５の上面に開口する。流体が屈曲部分である隙間最小部２１を通過するときのせん断力を利用して気泡の微小化を促進することができる。

（第６実施形態）
図９は、第６実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図９に示す微細気泡発生装置は、図２に示した微細気泡発生装置と比較して、微細気泡発生流路１８を通過する前に微細孔を有する部材に流体を通過させ、流体中の気泡を一次分散させるように構成したものである。微細孔を有する部材としては、貫通孔が穿孔された金属板や網部材などを用いることができる。微細孔を有する部材は流体の流動抵抗をあまり大きくしないように多数の孔を設けておくことが好ましく、単位面積あたりの孔の面積率は５０％以上９５％程度とすることが好ましい。

本実施形態にかかる微細気泡発生装置では、微細孔を有する部材として流体入口部１１と管路拡張部１２との境界部分に設けられた貫通孔が穿孔された金属板２９を用いる。金属板２９に設けられた貫通孔の孔径は微細気泡発生装置の大きさにもよるが、おおむね１〜２０φ程度とすることが好ましい。金属板２９を通過した流体入口部１１から送られる気液混合流体は、貫通孔を通過することにより気泡が一次分散され、小さな気泡に分割される。

金属板２９を通過した流体は、微細気泡発生流路１８を通過することにより、マイクロバブルのレベルにまで気泡が微細化され、気泡微細化部１５の外部へ流出する。

（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図１０に示す微細気泡発生装置は、図２に示した微細気泡発生装置と比較して、微細気泡発生流路１８中に流体中の気泡を一次分散させるための部材を配置したものである。

本実施形態にかかる微細気泡発生装置の微細気泡発生流路１８は、入口２７の下流側に全周にわたって設けられた拡張部３０が設けられており、拡張部３０の中につる巻バネをリング状に形成した分散部材３１が設けられている。拡張部３０の下流側は流路縮小部１９を構成する。

拡張部３０の幅は、分散部材３１を構成するバネの巻径よりも大きくなるように構成されており、分散部材３１が拡張部３０内で放射方向に広がって移動可能に構成されている。また、分散部材３１を構成するバネは、張力が小さくピッチが小さいものであることが好ましい。

微細気泡発生流路１８を流れる流体は、流路入口２７から拡張部３０に流入すると、分散部材３１を形成するバネによって一次分散して気泡が微細化される。流体の流量が大きくなると、分散部材３１は拡張部３０内で外径側に押し出される。上記のように張力が小さいバネによって分散部材３１を形成しているため、分散部材３１が外側に押し出されることによってバネのピッチが広がり、流体が通過しやすくなる。これにより、流量の増加に伴って流動抵抗が大きくなるという問題を解消することができる。

拡張部３０を通過した流体は、隙間最小部２１、流路拡大部２０を通過することにより、マイクロバブルのレベルにまで気泡が微細化され、気泡微細化部１５の外部へ流出する。

（第８実施形態）
図１１Ａは、本発明の第８実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図１１Ｂは、図１１ＡのXI−XI線における断面図である。図１１Ａ，図１１Ｂに示す微細気泡発生装置は、図２に示した微細気泡発生装置に流体を微細気泡発生流路１８に向けてスムーズに流動させるためのガイドを設けたものである。

ガイドは、気泡微細化部１５内に設けられた案内板３２、気泡微細化部１５の上面に設けられた案内凸部３３及び管路拡張部１２の内壁面の各コーナー部分に設けられた面取り部３４が該当する。

案内板３２は、流体入口部１１の内部１１ａから微細気泡発生流路１８近傍にまで延在するように構成され、気泡微細化部１５の第２円板１７の内面１７ａに放射状に配列して設けられている。案内板３２の設置枚数は４から６枚程度とすることが好ましい。また、案内板３２は、図１１Ａに示すように、気泡微細化部１５の下面との間には隙間を生じるように形成されているが、下面まで到達するように構成されていてもよい。

また、気泡微細化部１５の第２の円板１７の外面１７ｂの中央部分には案内凸部３３が設けられる。案内凸部３３は、気泡微細化部１５の上側を通過する流体を流体出口部１４に案内するように設けられる。

また、管路拡張部１２の内壁面の各コーナー部分がそれぞれ面取りされているため、コーナー部分に位置する流体の流れをスムーズにすることができる。

流体入口部１１の内部１１ａを通って気泡微細化部１５の内部に流入した流体は、流動方向にしたがって、まず、第２の円板１７の上面に突き当たる。案内板３２を設けることによって、流体が円周方向へ沿って流れず、第２の円板１７の各放射方向へ流体を流動させることができる。これにより、微細気泡発生流路１８に流体を案内することができる。

また、コーナー部分の面取り部３４及び案内凸部３３により気泡微細化部の外部の流体の流れをスムーズにし、気泡微細化部１５外での流体の流動抵抗を小さくすることができる。これにより、気泡微細化部の微細気泡発生流路１８の両端における流体の流れをスムーズにして両端の圧力差を大きくすることができる。

（第９実施形態）
図１２は、本発明の第９実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図１２に示す微細気泡発生装置は、気泡微細化部１５が分散槽２の底壁に直接設けられており、分散槽２へ流体を送る管路８から分散槽２内への流体が直接微細気泡発生装置内へ送られるように構成されている。微細気泡発生流路１８を通過したマイクロバブル分散流体は、分散槽２内へ直接吐出される。本実施形態にかかる微細気泡発生装置は管路拡張部１２を備えない構成であっても、微細気泡発生流路の両端の圧力を調整することで十分なマイクロバブルレベルまでの気泡の微細化を行なうことができる。

（第１０実施形態）
図１３は、本発明の第１０実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図１３に示す微細気泡発生装置は、第２の円板１７の内側上面に複数の凹部３５を設けた構成である。凹部３５は、流体入口部１１から流れ込んだ流体が突き当たる部分、すなわち、第２の円板１７の中央領域により多く設けられていることが好ましい。当該凹部３５による流れ抵抗により、流体の流れを乱してせん断力を与え、気液混合流体中の気泡を小さくする。

（第１１実施形態）
図１４は、本発明の第１１実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。図１４に示す微細気泡発生装置は、気泡微細化部１５の内に多数の櫛歯状の突起３６を設けた構成である。突起３６は、第２の円板１７の内側上面及び管路拡張部内底面に設けられている。

また、流体入口部１１の内側には、図１４中に矢印で示すように、気液分散流体がその流動方向に対して旋回流となるように流れ方向を変換する螺旋状部品３７を備える。

本実施形態にかかる微細気泡発生装置は、気泡微細化部１５内に流れてきた流体を突起３６の隙間を通すことによって気泡を分割するとともに、流体に乱流を発生させてせん断力により気泡を小さくする。気泡微細化部１５内に流れてきた流体は、螺旋状部品３７によって旋回流となっているため、気泡微細化部１５内においてその周方向に旋回し、より多くの突起３６の間を通過する。したがって、気泡の微細化が促進される。

（第１２実施形態）
図１５は、本発明の第１２実施形態にかかる微細気泡発生装置の構成を示す断面図である。微細気泡発生装置４０は、図１５に示すように、管路８に接続して用いられる。微細気泡発生装置４０は、図１５に示すように管路８に接続し気液混合流体を導入する流体入口部４１、流体入口部４１と連通する管路拡張部４２，管路拡張部４２と連通し微細気泡を外部に吐出する流体出口部４４とを備える。

管路拡張部４２は、流体入口部４１，流体出口部４４の内径に対して大きく構成された円筒形部材である。流体入口部４１、流体出口部４４は、それぞれ管路拡張部４２の底面４２ａ、上面４２ｂの中心近傍に接続する。

管路拡張部４２の内部４３には、内筒部４５が設けられている。内筒部４５は、その軸方向に径が異なるように構成された円柱で構成され、管路拡張部４２に対して同軸に配置される。内筒部４５と管路拡張部４２との間に形成された隙間は、微細気泡発生流路４８として機能する。

内筒部４５の外径は、図示下端から中間領域４５ｂまでの下部領域４５ａでは徐々に大きくなり、また中間領域４５ｂから図示上端までの上部領域４５ｃに向けて小さくなるように構成されている。また、中間領域４５ｂにおける管路拡張部４２内面との隙間はごく小さく、例えば、０．１から１．０ｍｍ程度に構成されている。

下部領域４５ａにおける微細気泡発生流路４８は、徐々に隙間寸法が小さくなる流路縮小部４９として機能し、上部領域４５ｃにおける微細気泡発生流路４８は、徐々に隙間寸法が大きくなる流路拡大部５０として機能する。流路縮小部４９と流路拡大部５０との間、すなわち、中間領域４５ｂにおける微細気泡発生流路４８は隙間最小部５１として形成される。

気体と液体との混合流体が流路縮小部４９を経て流路拡大部５０を通るとき、流路間隙の変化により気体と液体との混合物は流速が変化して圧力が変化し、気体が微細化される。

この気体の微細化は、主として、液体の流速、気体の量、隙間最小部５１および流路拡大部５０の間隙寸法などによって決定される。例えば、液体の流速がある閾値以下であると、気泡の径が小さくならず十分な微細化がなされない。この場合、微細化される気泡の径は、主として、流路縮小部４９および流路拡大部５０の間隙寸法によって調整することができる。一方、液体の流速が閾値以上になると、気泡の径は小さくなって十分に微細化される。微細気泡発生流路４８に設けられた流路拡大部５０がベンチュリ管と同様の効果を呈し、気体を伴った液体が内筒部４５によって形成された微細気泡発生流路４８内を通過することにより、気体を微細化することができる。

気液混合流体中の気泡をマイクロバブルのレベルまで十分に微細化させるためには、微細気泡発生流路４８の両端の圧力差が０．１ＭＰａ以上となるようにすることが求められる。圧力差を０．１ＭＰａ以上とするためには、上記のように液体の流速、微細気泡発生流路４８の形状（隙間）を調整する。

なお、微細気泡発生流路の流路の形状は、特に図１５に示したものに限定されるわけではない。例えば、図２に示した微細気泡発生装置の実施形態として示した図５と同様に示すように内筒部４５を複数設けて、微細気泡発生流路を複数構成するようにしてもよいし、図６，図７に示すように途中に攪拌部を設けてもよいし、図８に示すように途中に屈曲部を設けてもよい。

さらに、本実施形態にかかる微細気泡発生装置は、図９に示す実施形態の微細気泡発生装置と同様に微細孔を有する部材を管路拡張部４２内に設け、気泡を一次分散させるように構成してもよい。

図２に示す構成の微細気泡発生装置を用いて、微細気泡発生流路１８の両端の圧力差とマイクロバブルの発生との関係を確認した。実験は、図２に示す構成の微細気泡発生装置（気泡微細化部の内径は１５０φ、外径は２００φ）を図１Ａに示すように接続し、ポンプから送られる液体流量により微細気泡発生流路の両端での圧力差を測定した。分散槽は、透明のアクリル水槽（３００Ｌ）を用い、空気投入量０．２Ｌ／ｍｉｎ、運転時間５分で水槽内に気泡を送り込み、運転停止直後にアクリル水槽内に吐出された流体のマイクロバブルの発生の程度を目視により確認した。

実験条件は、次の表２の通りである。なお、表２中のギャップは、隙間最小部の流路幅を示している。結果は、図１６に示すグラフの通りである。なお、グラフ中×はマイクロバブルの量がほとんどなく発生が認められない状態、△はマイクロバブルが発生しているが多くのミリバブルも発生している状態、○は十分なマイクロバブルが発生しミリバブルが少ない状態をそれぞれ示している。

試験の結果、グラフに示すように、おおむね０．０８Ｍｐａ以上、さらに好ましくは０．１ＭＰａ以上の圧力差があれば、水槽内に発生した白いもやのような気泡群からマイクロバブルが発生していることが認められた。

試験Ａについては、流量が４９Ｌ／ｍｉｎ以上の各試験において、水槽内がマイクロバブルで満たされていることが確認された。ミリバブルの存在も認められたが、ほとんど無視できる程度に量が少なく、十分な微細気泡発生の効果があると認められる。なお、符号８５で示す流量が３７の試験では、マイクロバブルの発生は認められるが量が少なく、水槽内全体の白いもやの状態は薄く感じられた。相対的にミリバブルの量が多くなるものと認められる。

試験Ｄについては、符号８０で示す最も流量が大きい試験においても微細気泡発生装置からの吐出量が見た目にも少なく、マイクロバブルの発生が認められるものの十分な量が発生しているとは言い難いものであった。

試験Ｂについては、符号８１，８２で示す両試験とも、ミリバブルの存在は認められるものの全体的に白いもやのような気泡群がみられた。流量が大きい８２の試験の方が全体的な水槽内の白濁の程度は大きく、マイクロバブルが十分に発生していると認められた。

試験Ｃについては、符号８３で示す試験でミリバブルの存在は認められるものの全体的に白いもやのような気泡群がみられた。また、試験Ｅについても、試験Ｃと同様に符号８４で示す試験でミリバブルの存在は認められるものの全体的に白いもやのような気泡群がみられた。試験Ｅの方がミリサイズの気泡の量は多く、白いもやの状態は試験Ｃよりも薄く感じられた。

以上の試験結果より、細気泡発生流路の両端の圧力差がマイクロバブルの発生に関係することがおおむね認められた。ただし、十分な吐出量がなければ、相対的にミリバブルの存在が多くなり、マイクロバブルの発生量が少なくなると考えられる。

以上説明したように、本発明にかかる微細気泡発生装置は、簡単な構成で微細気泡を発生させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。また、構成として実現可能な各実施形態は互いに組み合わせて微細気泡発生装置を構成することもできる。

本発明は、気体を微細気泡のレベルにまで微細化して液体中に分散させることができるため、化学プラントなどの種々のプラントにおいて好適に利用することができる。

１ プラント
２ 分散槽
３ 貯液槽
４ ポンプ
５ ブロア
６ 流量計
７ 調整弁
８，９ 配管
１０ 微細気泡発生装置
１１ 流体入口部
１２ 管路拡張部
１３ 管路拡張部の内部
１４ 流体出口部
１５ 気泡微細化部
１６ 第１円板
１７ 第２円板
１８ 微細気泡発生流路
１９ 流路縮小部
２０ 流路拡大部
２１ 隙間最小部

Claims (12)

1. 気液混合流体を搬送する管路に接続され、筒状本体部の壁面で画定される流路中に設けられている微細気泡発生流路を通して、前記気液混合流体中の気泡をより小さい微細気泡とする微細気泡発生装置であって、
   前記微細気泡発生流路は、
   前記流路の断面積が徐々に縮小するように構成された上流側に位置する流路縮小部及び前記流路の断面積が徐々に拡大するように構成された下流側に位置する流路拡大部と、前記流路縮小部と流路拡大部との接続部分に隙間最小部、が前記筒状本体部の壁面に沿って環状にそれぞれ設けられ、
   前記微細気泡発生流路の両端の圧力差が０．１ＭＰａ以上となるように構成されていることを特徴とする、微細気泡発生装置。
2. 前記微細気泡発生流路は、前記筒状本体部の側壁に設けられた周方向に伸びる環状スリットにより画定され、前記スリットを挟んで対向する側壁の対向面の少なくとも一方に、前記流路縮小部と流路拡大部と隙間最小部を画定するための凸状部が設けられてい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。
3. 前記筒状本体部は、互いに対向して設けられた複数枚の円板を備え、前記流路縮小部と流路拡大部と隙間最小部は、これらの円板間に設けられたことを特徴とする、請求項２に記載の微細気泡発生装置。
4. 前記複数枚の円板の少なくとも１枚には、前記隣接する他の円板との離間距離を調整可能な隙間調整機構が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の微細気泡発生装置。
5. さらに、前記筒状本体部の微細気泡発生流路より上流側に、多孔性部材を備えたことを特徴とする、請求項２から４のいずれか１つに記載の微細気泡発生装置。
6. 前記微細気泡発生流路中に、せん断力発生機構を備えることを特徴とする、請求項２から５のいずれか１つに記載の微細気泡発生装置。
7. 前記せん断力発生機構は、流動方向が鋭角に屈曲するように構成された鋭角部であることを特徴とする、請求項６に記載の微細気泡発生装置。
8. 前記せん断力発生機構は、前記微細気泡発生流路の中間位置に設けられた幅広部であることを特徴とする、請求項６に記載の微細気泡発生装置。
9. さらに、筒状本体部の内壁面に突状部を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の微細気泡発生装置。
10. さらに、筒状本体部の内壁面に凹部を備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１つに記載の微細気泡発生装置。
11. さらに、筒状本体部内に挿入して設けられる前記筒状本体部の筒形状と相似の形状を有する挿入部材を備え、
    前記微細気泡発生流路は、前記挿入部材の側壁外面と前記筒状本体部の側壁内面とで画定されるように構成され、
    前記挿入部材の側壁外面及び筒状本体部の側壁内面の少なくとも一方に、前記流路縮小部と流路拡大部と隙間最小部を形成するための凹凸が設けられてい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。
12. 流体を貯留するタンクと、前記タンクの底部及び側部の少なくともいずれかに前記筒状本体部が設けられていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１つに記載の微細気泡発生装置。

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