JP2014217803A - 微細気泡発生装置とその発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直径がナノメートルオーダーの微細気泡を確実に、効率よく発生させることができる微細気泡発生装置とその発生方法の提供。【解決手段】本発明の微細気泡発生装置は、吸い込んだ液体５を所定の圧力に加圧して吐出するためのポンプであって、液体の吸込口の近傍に気体６の供給口を設け、羽根車の回転により、液体内に気体の気泡が混合された気液混合流体７を吐出するための気液混合ポンプ１０と、気液混合流体が噴射される噴射ノズルを有する直方体状の箱部材であって、内部に３次元の扁平空間を形成し、気液混合流体が噴射ノズルから扁平空間に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こすとともに、気液混合流体が噴射された噴流体が揺れながら扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流とを発生し、気泡の圧壊によるエネルギーと渦流によるせん断力とで、気泡を微細気泡に微細化する噴流式微細気泡発生部３０とからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、微細気泡を発生するための微細気泡発生装置とその発生方法に関する。さらに詳しくは、直径がナノメートルオーダーの微細気泡（ナノバブル）を発生するための微細気泡発生装置とその発生方法に関する。

近年、ナノバブル（例えば、直径が１マイクロメートル以下の気泡）、マイクロバブル（例えば、発生時の直径が５０マイクロメートル以下の気泡）等と呼ばれている微細気泡は、いろいろな優れた特性があることが見出され、各種分野で活用されようとしている。例えば、ナノバブルの特性を発見して、ナノバブルが各種物体の洗浄、汚濁水の浄化等に利用できることを開示したナノバブルの利用方法及び装置に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、ナノバブルを電気分解法により生成する方法、装置が開示されている。しかしながら、この装置は、超純水製造装置、超音波発生装置、電気分解用電源装置等が必要とし、もっと簡素な構成の装置の開発が要望されていた。そこで、このような微細気泡を発生するための発生装置及び発生方法についても、種々の提案がされている。

例えば、筒状部材、第１端壁部材、第２端壁部材とによって画定される流体旋回室と、流体旋回室内に接線方向から導入する流体導入孔と、中心線方向から流体を吐出する流体吐出孔とを備える気体旋回剪断装置を有した微細気泡発生装置に関する技術が知られている（例えば、特許文献２、３参照）。さらに、一端側が他端側に向けて突出する円錐形状又は円錐台形状の壁体で閉口され、他端側が開口している円筒形スペースを有する容器本体と、気体導入孔と、接線方向に開設された加圧液体導入口とからなる旋回式微細気泡発生装置に関する技術も知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００４−１２１９６２号公報 特許第４１２９２９０号公報 特許第４１１８９３９号公報 特許第４７２５７０７号公報

特許文献２、３に記載された微細気泡発生装置は、円筒状の流体旋回室内に生じる旋回流による剪断力で気体を微細化するものである。また、特許文献４に記載された旋回式微細気泡発生装置は、装置容器の開口部である出口から気体が噴出されるとき、噴出と同時に発生する旋回速度差により、気体渦管部が切断されることにより直径１０〜２０μｍの微細気泡が発生されるものである。

一方、微細気泡は、マイクロバブルよりナノバブルのほうが各種特性が優れていると言われている。また、ナノメートルオーダーの微細気泡でも、直径が数百ナノメートルオーダーの微細気泡より、数十ナノメートルオーダーの微細気泡のほうが、いろいろな特性が優れていると言われている。しかしながら、前述した特許文献２〜４に記載された技術は、このような点、例えば直径が数十ナノメートルオーダーの微細気泡を確実に、効率よく発生させるためには、まだ改良改善の余地が残っているものであった。

そのため、従来の直径がナノメートルオーダーの微細気泡より、さらに直径が微小なナノメートルオーダーの微細気泡を発生する方法、装置の開発が要望されている。
本発明の目的は、直径がナノメートルオーダーの微細気泡を確実に、効率よく発生させることができる微細気泡発生装置とその発生方法を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の微細気泡発生装置は、吸い込んだ液体を所定の圧力に加圧して吐出するためのポンプであって、前記液体の吸込口の近傍に気体の供給口を設け、羽根車の回転により、前記液体内に前記気体の気泡が混合された気液混合流体を吐出するための気液混合ポンプと、前記気液混合流体が噴射される噴射ノズルを有する直方体状の箱部材であって、内部に３次元の扁平空間を形成し、前記気液混合流体が前記噴射ノズルから前記扁平空間に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こすとともに、前記気液混合流体が噴射された噴流流体が揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流とを発生し、前記気泡の圧壊によるエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細気泡に微細化する噴流式微細気泡発生部とからなっている。

本発明２の微細気泡発生装置は、本発明１において、前記液体は水であり、前記気体は空気であり、前記微細気泡は、直径がナノメートルレベルの微細気泡であることを特徴とする。

本発明３の微細気泡発生装置は、本発明２において、前記噴流式微細気泡発生部は、前記扁平空間が、前記空間の概ねの高さをＨで、それの概ねの幅をＷで表し、前記噴射口の有効直径をＤ１で表すと、前記噴流は長さ方向に向いて前記空間の概ねの中心線の方向に噴射され、前記渦流の発生条件として、Ｄ１＜Ｈ、且つ、Ｗ／Ｈ＞４であることを特徴とする。

本発明４の微細気泡発生方法は、吸込口から吸い込んだ液体を所定の圧力に加圧して吐出口から吐出するための気液混合ポンプの前記吸込口の近傍に気体供給口を設け、羽根車を回転させることにより、前記気体供給口から供給される空気と前記液体とを混合するとともに、前記液体と前記空気が混合された気液混合流体を吐出口から吐出する工程と、直方体状の部材であって、内部に３次元の扁平空間が形成された噴流式微細気泡発生部の噴射口から前記扁平空間に前記気液混合流体を噴射する工程と、前記気液混合流体が前記噴射口から前記扁平空間内に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こす工程と、噴射された前記気液混合流体の噴流流体が揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生する工程と、前記気泡の圧壊時のエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細気泡に微細化する工程とからなる。

本発明の微細気泡発生装置とその発生方法は、気液混合ポンプで発生させた微細気泡を、噴流発生部におけるキャビテーション現象において、気泡が圧壊するときに生じるエネルギーと、噴流発生室内におけるコアンダ効果等による渦流により生じるせん断力とにより、微細気泡をさらに微細化し、従来の微細気泡より、さらに微細化された直径がナノメートルオーダーの微細気泡を確実に、効率よく発生することができる。また、この微細気泡発生装置は、構成が簡素であり、高品質のナノメートルオーダーの微細気泡を信頼性高く発生することができる。

この微細気泡発生装置とその発生方法で発生させた直径がナノメートルオーダーの微細気泡は、被洗浄物の洗浄を従来のものより効果的に行うことができる。例えば、放射性物質（例えば、放射性セシウム）が付着した被洗浄物の除染を行うと従来のものより放射性物質濃度が低下し、確実に除染を行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態の微細気泡発生装置の概要を示す構成図である。 図２は、微細気泡発生装置を構成する気液混合ポンプの構成を示す断面図である。 図３は、微細気泡発生装置を構成する噴流式微細気泡発生部の微細気泡発生室における噴流発生原理を模式的に示した正面図である。 図４は、図３をＢ−Ｂ線で切断した断面図である。

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は、本発明の実施の形態の微細気泡発生装置の概要を示す構成図である。図２は、微細気泡発生装置を構成する気液混合ポンプの構成を示す断面図である。図３は、微細気泡発生装置を構成する噴流式微細気泡発生部の微細気泡発生室における噴流発生原理を模式的に示した正面図、図４は、図３をＢ−Ｂ線で切断した断面図である。

図１に示すように、本発明の微細気泡発生装置１は、液体と空気とを混合して吐出するための気液混合ポンプ（渦流ポンプ）１０、微細気泡〔例えば、直径がナノメートル（ｎｍ）オーダーの微細気泡〕を発生し、微細気泡を気液混合流体に混合するための噴流式微細気泡発生部３０、気液混合ポンプ１０の流体吐出部２１と噴流式微細気泡発生部３０の流体入口部との間に設けられる接続流路４１、噴流式微細気泡発生部３０の流体出口部３３側に設けられる送出流路４５等から構成されている。なお、この実施の形態の説明では、液体５を水（例えば、水道水）、気体６を空気として説明を行うが、液体５が他の種類の液体、気体６が他の種類の気体であってもよいことはいうまでもない。

接続流路４１には、第１圧力調整バルブ４２、第１圧力計４３が接続されている。第１圧力調整バルブ４２は、接続流路４１内を流れる気液混合流体（この形態では、気液混合水）７の圧力を所定の圧力Ｐ１（例えば、０．５〜０．２ＭＰａ）に調整するためのバルブであり、気液混合流体７の圧力は第１圧力計４３で確認することができる。送出流路４５には、第２圧力調整バルブ４６、第２圧力計４７が接続されている。第２圧力調整バルブ４６は、送出流路４５内を流れる微細気泡含有液体（この形態では、微細気泡含有水）８の圧力を所定の圧力Ｐ２（例えば、０．４〜０．１ＭＰａ）に調整するためのバルブであり、送出流路４５内の微細気泡含有液体８の圧力は、第２圧力計４７で確認することができる。気液混合流体７の圧力Ｐ１は、微細気泡含有液体８の圧力Ｐ２より大きくなるように設定されている。

次に、気液混合ポンプである渦流ポンプ１０について、図２に基づいて説明を行う。
図２に示されるように、渦流ポンプ１０は、液体吸込口２０および流体吐出口２１を有するポンプ本体１１と、ポンプ本体１１内に設けられる羽根車１４と、空気供給ノズル２２等から構成されている。ポンプ本体１１内には、環状の昇圧流路１６が形成され、この昇圧流路１６の入口部１７に液体吸込口２０が連通形成されている。昇圧流路１６の出口部１８には、流体吐出口２１が連通形成され、昇圧流路１６の入口部１７と出口部１８との間には隔離部１９が形成されている。

ポンプ本体１１内には、羽根車１４が回転可能に嵌合されている。この羽根車１４の外周部には、所定ピッチで形成された径方向の小羽根部１２と、これらの小羽根部１２間の羽根溝部１３が設けられている。羽根車１４の中心に嵌着された回転軸１５を外部に設けられたモータ（図示せず）などで回転することにより、羽根車１４の小羽根部１２及び羽根溝部１３は、羽根車１４と同心円の昇圧流路１６内を回転する。この羽根車１４の回転により、液体吸込口２０から水（液体）５が吸い込まれる。

渦流ポンプ１０の液体吸込口２０には、空気供給ノズル２２が挿入されて固定されている。この空気供給ノズル２２から供給される空気（気体）６は、昇圧流路１６の入口部１７から昇圧流路１６に流入するように構成されている。
このように、渦流ポンプ１０は、ポンプ本体１１内に回転可能に嵌合された羽根車１４の周囲に環状の昇圧流路１６が形成されている。この昇圧流路１６の入口部２０には、入口部２０に対して、空気６を供給する空気供給ノズル２２が挿入、固定されている。

空気６が、空気供給ノズル２２から渦流ポンプ１０内に供給され、この渦流ポンプ１０内で空気（気体）６と水（液体）５とが混合撹拌され、水５と空気６とが混合された気液混合水（気液混合流体）７が流体吐出部２１から接続流路４１に吐出される。

すなわち、渦流ポンプ１０の液体吸込口２０に吸い込まれた水（液体）５は、羽根車１４と共に昇圧流路１６をほぼ一周する間に、羽根車１４の各羽根溝１３内と昇圧流路１６との間で渦流となり、昇圧流路１６を進むにつれて昇圧されて流体吐出口２１から接続流路４１に吐出される。このとき、昇圧流路１６の入口部１７は負圧になり、この入口部１７に水５が吸込まれるとともに、空気供給ノズル２２から供給された空気６も吸込まれる。この水５と空気６とは、羽根車１４と昇圧流路１６との間で生じる渦流によって混合攪拌されながら昇圧流路１６を移動するので、この過程で水５の中に多量の空気６が混合される。すなわち、水５と空気６とが混合された気液混合水（気液混合流体）７となって流体吐出口２１から吐出される。また、水５に混合された空気６は、渦流によるせん断力を受けて微細化された微細気泡〔例えば、直径がマイクロメートル（μｍ）オーダーの微細気泡〕となっている。

次に、噴流式微細気泡発生部３０について説明する。図３、図４に示すように、噴流式微細気泡発生部３０は、扁平の直方体状のものである噴流式微細気泡発生箱（以下、微細気泡発生箱と記載）３１を備えている。微細気泡発生箱３１は、その長手方向が鉛直になるように配置されている。微細気泡発生箱３１の一方の面に設けられた流体入口部には、渦流ポンプ１０で加圧されるとともに吐出された気液混合水（気液混合流体）７を微細気泡発生箱３１内に噴射する噴射口となる噴射ノズル３２が固定されている。噴射ノズル３２は、噴射口の断面が円筒の環状空間である。

噴流式微細気泡発生部３０の本体部を形成する微細気泡発生箱３１には、微細気泡発生室３１ａと、接続流路４１に接続される流体入口部と、送出流路４５に接続される流体出口部３３等が形成されている。微細気泡発生箱３１の内部には、区画された微細気泡発生室３１ａが形成されている。微細気泡発生室３１ａの内部空間Ｖは、３次元の箱状の空間で扁平であり、空間の概ねの水平方向の厚さをＨ、その空間の概ねの幅をＷ、鉛直方向の長さをＬとし、流体入口部に設けられた噴射ノズル３２の開口の有効直径をＤ１とすると、概略「Ｄ１＜Ｈ」、「Ｗ／Ｈ＞４」、且つ、「Ｗ＜Ｌ」の関係にある。噴射ノズル３２から噴射された気液混合水（気液混合流体）７は、噴射速度が増加するのに伴い圧力が低下し、圧力が飽和蒸気圧まで減少した結果、液体成分（水成分）が蒸発して気泡が発生するキャビテーションと呼ばれる現象が生じる。この結果、気液混合水７が噴射ノズル３２から噴射された噴流水（噴流流体）に、気液混合水７の気泡等を気泡核として、キャビテーション現象による気泡が発生する。その後、飽和蒸気圧まで低下した圧力が、噴流水の下流側で次第に元の圧力に戻り始めると気泡は圧縮され潰れる。この気泡の圧壊した時に発生する高温、高圧のエネルギーが周囲に放射され、このエネルギーにより噴流水内の気泡、微細気泡が微細化し、直径が極めて微小なナノメートル（ｎｍ）オーダーの微細気泡（ナノバブル）が生成される。

噴射ノズル３２から噴射された気液混合水（気液混合流体）７は、噴流水（噴流流体）となって微細気泡発生室３１ａ内を流動する。噴流水の主噴流３４は、鉛直方向で内部空間Ｖの概ねの中心線の方向に噴射される。主噴流３４、３４’は、コアンダ効果（噴流が近くの壁に引き寄せられる効果）により、微細気泡発生室３１ａの壁面のどちらか一方の側に引き寄せられるように湾曲して流れる。また、隅部でも湾曲するように流れるため、噴流水の主噴流３４、３４’は、渦を巻いて流れる渦流となる。噴流水の主噴流３４、３４’は、渦流の回転方向が激しく変化し、図３、４に示す主噴流３４、３４’のような動きの流れになる。微細気泡発生室３１の８隅には、コアンダ効果により低圧渦である付着渦流３５、３５が発生する。従って、微細気泡発生室３１には、例えば、図３又は図４に図示したような矢印の方向に、主噴流３４、３４’の流れ（渦流）が発生することになる。この主噴流３４、３４’の流れは、一定で安定したものではなく、幅Ｗの面内で矢印＋ｗ方向または矢印−ｗ方向に、かつ、厚さＨの面内で矢印＋ｈ方向または矢印−ｈ方向に揺れるとともに、渦流の回転方向が激しく変化するような動きの流れになる。

即ち、主噴流３４、３４’はキャビテーションを起こし、不安定であり揺れながら流れ、渦流が発生することになる。言い換えると、微細気泡発生室３１ａ内では、攪拌力の強い渦流現象が発生し、この渦流は回転方向が激しく変化している。また、これらの主噴流３４、３４’、付着渦流３５、３５等の回転方向が激しく変化する噴流は、気液混合水（気液混合流体）７と微細気泡が混合された噴流水に極めて強いせん断力を与える。このせん断力は、微細気泡と噴流水との混合を促進するとともに、微細気泡をせん断し、直径が極めて微小なナノメートル（ｎｍ）オーダーの微細気泡（ナノバブル）を生成させる。このような微細化が行われた微細気泡は、例えば、直径が数十ナノメートル以下の微細気泡となり、噴流水に混合されて含有される。この微細気泡含有水（微細気泡含有液体）８は、送出流路４５内を流れて貯留等され、所望の場所、所望の目的等で活用される。

このような直径がナノメートルオーダーの微細気泡は、液体（水）中でブラウン運動しながら浮力の影響を受けず、長時間に亘って液体（水）中に含有される。また、この微細気泡含有水（微細気泡含有液体）８は、洗浄作業等に使用すると、微小な隙間の奥まで入り込み、汚れ等の元となる成分を吸着、剥離することで洗浄効果が大幅に向上する。例えば、この微細気泡含有水８で、放射性物質（例えば、放射性セシウム）が付着した被洗浄物の除染を行うと従来のものより放射性物質濃度が低下し、確実に除染を行うことができる。すなわち、直径がナノメートルオーダーの微細気泡は、被洗浄物の洗浄を従来のものより効果的に行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこの実施の形態に限定されることはなく、本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。

１…微細気泡発生装置
５…液体（水）
６…気体（空気）
７…気液混合流体（気液混合水）
８…微細気泡含有液体（微細気泡含有水）
１０…気液混合ポンプ（渦流ポンプ）
１１…ポンプ本体
１４…羽根車
３０…噴流式微細気泡発生部
３１…噴流式微細気泡発生箱
３２…噴射ノズル
３３…流体出口部
３４、３４’…主噴流
３５…付着噴流
Ｖ…内部空間
Ｗ…内部空間の幅
Ｈ…内部空間の高さ

Claims (4)

1. 吸い込んだ液体（５）を所定の圧力に加圧して吐出するためのポンプであって、前記液体の吸込口（２０）の近傍に気体（６）の供給口を設け、羽根車の回転により、前記液体内に前記気体の気泡が混合された気液混合流体（７）を吐出するための気液混合ポンプ（１０）と、
   前記気液混合流体が噴射される噴射ノズルを有する直方体状の箱部材であって、内部に３次元の扁平空間を形成し、前記気液混合流体が前記噴射ノズルから前記扁平空間に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こすとともに、前記気液混合流体が噴射された噴流流体が揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流とを発生し、前記気泡の圧壊によるエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細気泡に微細化する噴流式微細気泡発生部（３０）と
   からなる微細気泡発生装置。
2. 請求項１に記載された微細気泡発生装置において、
   前記液体は水であり、前記気体は空気であり、前記微細気泡は、直径がナノメートルレベルの微細気泡である
   ことを特徴とする微細気泡発生装置。
3. 請求項１または２に記載された微細気泡発生装置において、
   前記噴流式微細気泡発生部は、前記扁平空間が、前記空間の概ねの高さをＨで、それの概ねの幅をＷで表し、前記噴射口の有効直径をＤ１で表すと、前記噴流は長さ方向に向いて前記空間の概ねの中心線の方向に噴射され、前記渦流の発生条件として、Ｄ１＜Ｈ、且つ、Ｗ／Ｈ＞４である
   ことを特徴とする微細気泡発生装置。
4. 吸込口から吸い込んだ液体を所定の圧力に加圧して吐出口から吐出するための気液混合ポンプの前記吸込口の近傍に気体供給口を設け、羽根車を回転させることにより、前記気体供給口から供給される空気と前記液体とを混合するとともに、前記液体と前記空気が混合された気液混合流体を吐出口から吐出する工程と、
   直方体状の部材であって、内部に３次元の扁平空間が形成された噴流式微細気泡発生部の噴射口から前記扁平空間に前記気液混合流体を噴射する工程と、
   前記気液混合流体が前記噴射口から前記扁平空間内に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こす工程と、
   噴射された前記気液混合流体の噴流流体が揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生する工程と、
   前記気泡の圧壊時のエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細気泡に微細化する工程と
   からなる微細気泡発生方法。

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