JP2011131171A

JP2011131171A - バブル発生用バルブ装置

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Publication number: JP2011131171A
Application number: JP2009293401A
Authority: JP
Inventors: Seiji Katayama; 誠二片山; Tomomichi Katayama; 智三治片山; Yumiko Katayama; 裕美子片山
Original assignee: Eureka Lab Inc
Current assignee: Eureka Lab Inc
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: JP4960435B2

Abstract

【課題】コンパクトでシンプルな構成で、効率的にマイクロバブル等の微細なバブルを液体中に発生させることができ、同時に弁体により流路を遮断するバルブの機能を兼ね備えた装置を提供する。
【解決手段】本発明のバブル発生用バルブ装置１は、液体入口４からの流路方向に沿ってテーパ状に縮径するベンチュリー管６が設けられたバルブ本体２と、ベンチュリー管６の後端部８に対して移動自在に設けられたニードル状の弁体１０とを備え、ベンチュリー管６の後端部８と弁体１０の先端部１１との間で、弁体１０の移動により間隙１３の幅を調整可能なノズル部１４が構成され、液体入口４から液体を流入させてベンチュリー管６を通過させた後、ベンチュリー管６の後端部８におけるノズル部１４を通過させることにより液体中にバブルを発生させ、次いで液体入口４からの流路方向とは垂直方向の液体出口５よりバブルが発生した液体を吐出させるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロバブルのような微細なバブルを液体中に発生させるためのバブル発生用バルブ装置に関するものである。

従来、マイクロからナノレベルのバブル（気泡）を発生させる装置が知られている(特許文献１〜３参照)。

液体中にバブルが発生する基本的な原理は、細孔噴出による方法、流速への気体の巻き込み現象による方法、流体中に生じる圧力差によって溶存気体の溶解度を変化させる方法等に大別される。

より具体的には、バブル発生方法として、多孔フィルタに気体を通過させてバブルを発生させる細孔方式、加圧タンク内で加圧して気体を液体に溶け込ませ、減圧開放してバブルを発生させる加圧溶解方式、超音波により水中の流体変動で気体を溶出させバブルを発生させる超音波方式、水と空気などの気・液二相の流体を混合せん断することによってバブルを発生させる気・液混合せん断方式、気・液二相の流体を超高速旋回させ、装置内で液体と気体の遠向心分離作用を利用して装置出口付近の旋回速度差でせん断・粉砕させてバブルを発生させる超高速旋回方式等が挙げられる。

特開２００９−１３６８６４号公報特開２００８−１１４０９８号公報特開２００３−１２６６６５号公報

従来のバブル発生装置はそれぞれのバブル発生原理に応じて特有の形状から成り立っているが、いずれも複雑な仕組みによって構成されることが多く、またサイズの大きい装置を必要としているのが現状である。

また、バルブの機能を兼ね備えたコンパクトでシンプルな構成のバブル発生装置は未だ提案されていないのが現状である。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトでシンプルな構成で、効率的にマイクロバブル等の微細なバブルを液体中に発生させることができ、同時に弁体により流路を遮断するバルブの機能を兼ね備えた装置を提供することを課題としている。

本発明のバブル発生用バルブ装置は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１：液体入口と液体出口とを液体の流路方向が垂直となるように形成した略Ｌ字型の流路が内部に設けられ、液体入口からの流路方向に沿ってテーパ状に縮径するベンチュリー管が設けられたバルブ本体と、ベンチュリー管の後端部に対して流路の反対側よりベンチュリー管の流路方向に移動自在に設けられたニードル状の弁体とを備え、ベンチュリー管の後端部と弁体の先端部との間で、弁体の移動により間隙の幅を調整可能なノズル部が構成され、液体入口から液体を流入させてベンチュリー管を通過させた後、ベンチュリー管の後端部におけるノズル部を通過させることにより液体中にバブルを発生させ、次いで液体入口からの流路方向とは垂直方向の液体出口よりバブルが発生した液体を吐出させるようにしたことを特徴とするバブル発生用バルブ装置。

第２：弁体の先端部に、先端に向かって縮径するテーパ面を形成するとともに、ベンチュリー管の後端部に弁体の先端部のテーパ面と略平行なテーパ面を形成し、弁体の先端部のテーパ面とベンチュリー管の後端部のテーパ面との間隙によりノズル部を構成したことを特徴とする上記第１のバブル発生用バルブ装置。

本発明のバブル発生用バルブ装置によれば、ベンチュリー管およびノズルの機能をバルブとして一体化することによって、コンパクトでシンプルな構成で、効率的にバブルを発生させることができる。また同時に、弁体により流路を遮断するバルブの機能も兼ね備えているので、バブル発生の際やその前後の作業時における操作性を大幅に向上させることができる。

図１は、本発明のバブル発生用バルブ装置の実施形態を示す断面図である。図２は、図１のバブル発生用バルブ装置を液体出口側から見た図である。図３は、図１のバブル発生用バルブ装置を液体入口側から見た図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明のバブル発生用バルブ装置の実施形態を示す断面図、図２は、図１のバブル発生用バルブ装置を液体出口側から見た図、図３は、図１のバブル発生用バルブ装置を液体入口側から見た図である。

このバブル発生用バルブ装置１は、バルブ本体２と、ニードル状の弁体１０とを備え、バルブ本体２は、液体入口４と液体出口５とを液体の流路方向が垂直となるように形成した略Ｌ字型の流路３が内部に設けられている。

流路３には、液体入口４からの流路方向に沿って円錐状に縮径するテーパ面７を有するベンチュリー管６が設けられている。

弁体１０は、ベンチュリー管６の後端部８に対して液体入口４からの流路３の反対側よりベンチュリー管６の流路方向に移動自在に設けられている。なお、図示は省略しているが、弁体１０とバルブ本体２との間には、弁体１０をねじ機構により移動させるためのねじ機構と、密閉性を保持するためのシール機構が設けられている。

弁体１０の先端部１１には、先端に向かってベンチュリー管６とは逆向きに縮径する円錐状のテーパ面１２が形成され、一方、ベンチュリー管６の後端部８には、弁体１０の先端部１１のテーパ面１２と略平行なテーパ面９が形成されている。そして弁体１０の先端部１１のテーパ面１２とベンチュリー管６の後端部８のテーパ面９との間隙１３によりノズル部１４が構成されている。このノズル部１４の間隙１３の幅は、弁体１０の移動により調整可能とされている。

なお、ニードル状の弁体１０は、ねじ込みによって最終的にはベンチュリー管６の後端部８を塞ぎ、ゲートとして作用することができる。

次に、以上の構成を備えた本実施形態のバブル発生用バルブ装置１によるバブル発生機構について説明する。

バブルを発生させる液体としては、水等の任意の液体を用いることができる。液体に気体が混在していればバブル発生は可能であり、必ずしも気体の圧縮溶解を必要としない。液体入口４から流入させる液体にバブルを発生させるために混在させる気体としては、空気の他、Ｏ₂、Ｎ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂等を用いることができる。

液体入口４から流入させる液体は、バブルを発生させるためには水道水レベルの流速、水圧があればよいが、バブル量を増やすには気体を混在させることが必要となる。

なお、バブル発生用バルブ装置１の使用時には、液体入口４および液体出口５に設けた螺合部１５、１６により配管に接続することができる。

液体を流体入口４から流入させると、テーパ状のベンチュリー管６の広口径から狭口径に向けて流れ、テーパ先端の狭口径の後端部８に達する。

液体がベンチュリー管６のテーパを通過する際、ベルヌーイの定理より大きい口径を通過するとき、流速（流速方向の圧力成分の動圧）は小さく、静圧（流速方向に垂直な圧力成分）は大きくなり、小さい口径を通過するときは、流速は大きくなり、静圧は小さくなる。従って、液体が大きい口径を通過する際には気体は液体に良く溶ける条件下にあり、一方、小さい口径を通過する際には気体は液体に溶けにくい状態となり、気泡が発生する。

そして、ベンチュリー管６の後端部８に達した液体は、微小な間隙１３のノズル部１４を通過する。ベンチュリー管６で発生した気泡は、さらに狭い口径のノズル部１４を潜り抜けるときに、せん断応力と圧力差（動圧の急激な減少）により、より小さなバブル化が促進される。従って、バブルの径はノズル部１４の間隙１３に依存し、ニードル状の弁体１０のねじ込みの程度によってバブルの径や分布状態を制御することができる。

ノズル部１４を通過させることによりバブルを発生した液体は、次いで液体入口４からの流路方向とは垂直方向の液体出口５より吐出される。

このように、本実施形態のバブル発生用バルブ装置１は、ベンチュリー管６とノズル部１４を組み合わせて、さらに弁体１０を設けてベンチュリー管６の流路方向に移動可能としねじ込みによりノズル部１４の間隙１３を調整できるようにしたので、コンパクトでシンプルな構成で、加圧、圧縮、流速変化等による合理的な発泡メカニズムによりバブルを発生させることができる。また、弁体１０による操作時の制御も容易である。すなわち、バブルの径は１μｍから数十μｍに広く分布することができるが、弁体１０のねじ込みの程度によってノズル部１４の間隙１３を調整し、バブルの径の分布状態を制御することができる。

さらに、本実施形態のバブル発生用バルブ装置１は、弁体１０により流路を遮断するバルブの機能も兼ね備えているので、液体の開放・停止の操作や、圧力調整、流量調整等の操作も行うことができ、バブル発生の際やその前後の作業時における操作性を大幅に向上させることができる。

本発明のバブル発生用バルブ装置１は、コンパクトでシンプルな構成で、効率的にバブルを発生させることができるので、気／液の均一な溶解、可溶化、乳化を可能とし、例えば、食品、化粧品、健康飲料の製造や、還元性水素水のように抗酸化能、活性酸素消去能を有する輸液や薬液等の医薬品の製造、その他、濃度制御されたオゾン水のような抗菌、殺菌、抗カビを目的とした衛生材料の製造、環境分野の用途等に用いることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞炭酸水の製造
図１に示す構成を備えたバブル発生用バルブ装置１（バルブ本体２の長さ80mm、流体入口４と流体出口５の口径約25mm、ベンチュリー管６の最大径32mm、ベンチュリー管６の後端部８のテーパ面９における最小径8mm、最大径10mm）を作製した。

3.7KWモータ搭載の加圧遠心ポンプ（米原技研社製）と、バブル発生用バルブ装置１と、チャンバとをステンレスパイプ（SUS32）を用いて繋ぎ、サンプル液を循環させる循環部を構成した。

チャンバに30Lの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。

循環流量は約100L/minとし、バブル発生用バルブ装置１のノズル部１４の間隙１３を弁体１０により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.4MPaに保った。

加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより炭酸ガス（ＣＯ₂）を3Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより炭酸ガスと水とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のバブル発生用バルブ装置１を経て発泡しチャンバに至り、この過程で炭酸ガスが水に溶解した。

本実施例ではチャンバの蓋を開けた状態で、大気開放下の条件で循環を行った。このような条件下では、溶解した炭酸ガスの一部は大気中に逃げることができる。サンプルはチャンバを通過し加圧遠心ポンプに戻っていくが、ポンプ直前にて再びアスピレータから炭酸ガスが補給される。このサイクルを一循環とするため、1分間に30Lのサンプル液が約3.3回循環することになる。

水中に溶解した炭酸ガスの量を水溶液のｐＨを測定して（HORIBA pH METER F-52）、検量線から見積もった。その結果を表１に示す。

このように、サンプル液の循環とともに炭酸ガスの溶解量が次第に増加し、約15分後には、すなわち30Ｌのサンプルが50回程度循環する状態において、平衡状態に達することが明らかとなった。チャンバを密閉状態として駆動すれば、大気圧への炭酸ガスの逃げがなくなり、より効率良く高濃度の炭酸水の製造が可能なると予測される。
＜実施例２＞酸素水の製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに30Lの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。

加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより酸素ガス（Ｏ₂）を2Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより酸素ガスと水とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のバブル発生用バルブ装置１を経て発泡しチャンバに至り、この過程で酸素ガスが水に溶解した。

水中に溶解した酸素ガスの量を水溶液のｐＨを測定して（HORIBA DO METER OM-51）検量線から見積もった。その結果を表２に示す。

このように、サンプル液は循環とともに酸素ガスの溶解量が次第に増加し、約18分後には、計測器のスケールオーバーとなった。溶解平衡状態は未だ先にあるものと考えられる。本実施例ではチャンバの蓋を開けた状態で、大気開放下の条件で循環を行ったが、チャンバを密閉状態として駆動し、注入酸素量を増やせばより高濃度の酸素水製造が可能になると予測される。
＜実施例３＞水素水の製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに30Lの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。

循環流量は約100L/minとし、バブル発生用バルブ装置１のノズル部１４の間隙１３を弁体１０により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.3MPaに保った。

加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより水素ガス（Ｈ_２）を1.5Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより水素ガスと水とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のバブル発生用バルブ装置１を経て発泡しチャンバに至り、この過程で水素ガスが水に溶解した。

水中に溶解した水素ガスの量を共栄電子研究所製KM2100 DHを用いて測定し、その時の酸化還元電位（ORP）の値をHORIBA ORP METER F-52を用いて測定した。その結果を表３に示す。

このように、サンプル液の循環とともに水素ガスの溶解量が次第に増加し、約10分後には、溶解平衡に達することが明らかとなった。本実施例ではチャンバの蓋を開けた状態で、大気開放下の条件で循環を行ったが、チャンバを密閉状態として駆動すれば、大気圧への水素ガスの逃げが少なくなり、より効率の良い高濃度の水素水の製造が可能になると予測される。
＜実施例４＞軽油／水／空気エマルジョンの製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに30Lの軽油と約100mLの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。

加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより空気を3Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより軽油と水と空気とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のバブル発生用バルブ装置１を経て発泡しチャンバに至り、この循環が繰り返されて2〜3分後には軽油と水と空気がエマルジョンとなり乳白化した。

この乳白状態は安定で半日程度保たれた。これに対して、本実施例の処理装置によるエマルジョン化によらず、攪拌によって（10分程手動で激しく振る）作製したエマルジョンは、10分程度の時間経過で元の相分離状態に戻った。従って、軽油と水と空気とのより微小な小胞化（エマルジョン化）が起こったものと推定された。このエマルジョンの構成成分はO/W/Oのミセルと気泡との混濁乳化したものからなると推測される。

１バブル発生用バルブ装置
２バルブ本体
３流路
４液体入口
５液体出口
６ベンチュリー管
７テーパ面
８後端部
９テーパ面
１０弁体
１１先端部
１２テーパ面
１３間隙
１４ノズル部
１５螺合部
１６螺合部

Claims

液体入口と液体出口とを液体の流路方向が垂直となるように形成した略Ｌ字型の流路が内部に設けられ、液体入口からの流路方向に沿ってテーパ状に縮径するベンチュリー管が設けられたバルブ本体と、ベンチュリー管の後端部に対して流路の反対側よりベンチュリー管の流路方向に移動自在に設けられたニードル状の弁体とを備え、ベンチュリー管の後端部と弁体の先端部との間で、弁体の移動により間隙の幅を調整可能なノズル部が構成され、液体入口から液体を流入させてベンチュリー管を通過させた後、ベンチュリー管の後端部におけるノズル部を通過させることにより液体中にバブルを発生させ、次いで液体入口からの流路方向とは垂直方向の液体出口よりバブルが発生した液体を吐出させるようにしたことを特徴とするバブル発生用バルブ装置。
弁体の先端部に、先端に向かって縮径するテーパ面を形成するとともに、ベンチュリー管の後端部に弁体の先端部のテーパ面と略平行なテーパ面を形成し、弁体の先端部のテーパ面とベンチュリー管の後端部のテーパ面との間隙によりノズル部を構成したことを特徴とする請求項１に記載のバブル発生用バルブ装置。