JP2016209825A

JP2016209825A - 気体の微細化装置

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Publication number: JP2016209825A
Application number: JP2015096234A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　司; Tsukasa Ito; 司伊藤; 精鎮絹田; Kiyoshizu Kinuta; 克明斎田; Katsuaki Saida
Original assignee: Gunma University NUC; Optnics Precision Co Ltd
Current assignee: Gunma University NUC; Optnics Precision Co Ltd
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: JP6605229B2

Abstract

【課題】液体に気泡を発生させることができ、液体に対する封止性を確保することができる、気体の微細化装置を提供する。
【解決手段】中央部に開口を有する圧電素子と、圧電素子の開口内に対応する部分に貫通孔を有し、圧電素子に重ねて配置され圧電素子の振動に伴い振動する多孔振動板と、圧電素子及び多孔振動板を収容する空間を備え、原料となる気体を多孔振動板に供給するための供給部を備えた収容部と、圧電素子及び／又は多孔振動板の少なくとも液体側を封止する封止材とを有し、封止材を圧電素子の開口側の端部に位置させた、気体の微細化装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体を微細化させて、液体に微細な気泡を発生させる、気体の微細化装置に係わる。

微細気泡は、微生物の培養による有用物質の生産や、高級仔魚の養殖、排水処理等、多くの分野にわたり利用が期待されている。

液体槽の側面に連通した圧力槽に多孔ノズルを設けて、この多孔ノズルに震動源を密着させることにより、多孔ノズルを振動させて、多孔ノズルを通じて微細気泡を液体槽内に発生させる構成が提案されている（特許文献１を参照）。

特開２００９−７８２２３号公報（図２）

しかしながら、特許文献１の構成では、液体槽に多孔ノズルが直接取り付けられており、多孔ノズルが振動している状態において、液体に対する封止性が考慮されていなかった。

上述した問題の解決のために、本発明においては、液体に気泡を発生させることができ、液体に対する封止性を確保することができる、気体の微細化装置を提供するものである。

本発明の気体の微細化装置は、気体を微細化させて、微細な気泡を発生させる、気体微細化装置である。
そして、中央部に開口を有する圧電素子と、圧電素子の開口内に対応する部分に貫通孔を有し、圧電素子に重ねて配置され圧電素子の振動に伴い振動する、多孔振動板を有する。
また、圧電素子及び多孔振動板を収容する空間を備え、原料となる気体を多孔振動板に供給するための供給部を備えた、収容部を有する。
また、圧電素子及び／又は多孔振動板の少なくとも液体側を封止する封止材とを有し、この封止材は、圧電素子の開口側の端部に位置している。

また、上述の本発明の気体の微細化装置において、さらに、多孔振動板が圧電素子の液体側に重ねて配置されている構成とすることも可能である。

上述の本発明によれば、圧電素子及び／又は多孔振動板の液体側を封止する封止材を有する。これにより、封止材で十分な封止が得られ、液体に対する封止性を確保することができる。

本発明の微細化装置の一実施の形態の概略断面図である。図１の微細化装置の圧電素子及び多孔振動板の平面図である。図１の微細化装置の使用状態の一例を示す図である。Ａ、Ｂ封止材の各種形態を示す図である。封止材の各種形態を示す図である。封止材の各種形態を示す図である。本発明の微細化装置の他の実施の形態の概略断面図である。本発明の微細化装置のさらに他の実施の形態の概略断面図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」とする）について説明する。

本発明の気体の微細化装置（以下、「微細化装置」と略記する）の一実施の形態の概略断面図を、図１に示す。
図１に示す微細化装置１０は、圧電素子１１と、この圧電素子１１の上側に重ねて配置された多孔振動板１２を有して成る。
圧電素子１１には、図中右端部に、圧電素子１１に電圧を印加するための配線ケーブル１４が接続されている。
多孔振動板１２には、多数の微細な貫通孔１３が形成されている。

圧電素子１１としては、従来から公知の構成の圧電素子、例えば、セラミック製の圧電素子を使用することができる。
多孔振動板１２の材料としては、金属材料を使用することができる。多孔振動板１２に使用される金属材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、プラチナ族金属（パラジウム等）又はその合金（例えば、パラジウムとニッケルの合金）、金又はその合金、等が挙げられる。
多孔振動板１２は、圧電素子１１に接着や半田付けで固定される。

また、微細化装置１０は、その本体が基材１５によって構成されている。
基材１５の中央部には、基材１５の下部から上へ、縦に長く上端に開口を有する空間が形成されている。そして、基材１５の上部には横に広い空間が形成されており、この空間に圧電素子１１及び多孔振動板１２が配置されており、基材１５が圧電素子１１及び多孔振動板１２を収容する収容部となっている。
また、基材１５の図中右側に、気体を多孔振動板１２の下に供給する供給部１６が設けられている。この供給部１６は、基材１５の外縁から基材１５の中央部の空間への通路から成り、基材１５の外縁において微細化装置１０の外部から原料を供給する原料供給管（図３の原料供給管１８を参照）に接続される。
基材１５の材料としては、丈夫で化学的に安定した材料、例えば、ステンレス等の金属やエポキシ樹脂等の樹脂、又はシリコーンやゴム等の樹脂を使用することができる。

図１の微細化装置１０の圧電素子１１及び多孔振動板１２の平面図を、図２に示す。
図１及び図２に示すように、圧電素子１１は、中央に円形の開口１１Ａを有するドーナツ形状の円板とされている。
多孔振動板１２は、ドーナツ形状の圧電素子１１と一部が重なる円板である。多孔振動板１２の貫通孔１３は、多孔振動板１２の中心付近の領域に形成され、圧電素子１１の開口１１Ａに対応する部分に開口１１Ａの縁から内側に離れて形成されている。

そして、本実施の形態の微細化装置１０を使用する際には、基材１５の供給部１６から原料である気体を多孔振動板１２の下に供給して、圧電素子１１に電圧を印加して圧電素子１１を振動させる。
これにより、圧電素子１１に接続された多孔振動板１２が振動して、多孔振動板１２の貫通孔１３から、気泡が多孔振動板１２上の液体に供給される。

本実施の形態の微細化装置１０では、特に、圧電素子１１及び多孔振動板１２と、基材１５との隙間を、封止材２１で封止している。
封止材２１は、圧電素子１１又は多孔振動板１２と接触し、圧電素子１１及び多孔振動板１２と基材１５との隙間を埋めて形成されている。
封止材２１は、圧電素子１１の下面の一部と、多孔振動板１２の上面の一部とにそれぞれ接触している。
それぞれの封止材２１は、圧電素子１１の開口１１Ａ側の端部（内周端部）に位置している。
そして、封止材２１は、図示しないが、圧電素子１１及び多孔振動板１２と基材１５との間を封止するために、圧電素子１１の円形の開口１１Ａに沿って全周に形成されている。

多孔振動板１２とその上方の基材１５との間の封止材２１によって、多孔振動板１２の液体側が封止されている。また、圧電素子１１とその下方の基材１５との間の封止材２１によって、圧電素子１１の気体側が封止されている。

圧電素子１１のうち、封止材２１との接触部よりも外の部分は、圧電素子１１の外周端部まで空間に露出しており、圧電素子１１の外周端部が自由端となっている。これにより、圧電素子１１の封止材２１との接触部よりも外の部分を十分に振動させることができる。
一方、圧電素子１１の封止材２１との接触部は、固定端となっているので、圧電素子１１の振動の際には節となる。

封止材２１の材料としては、各種の樹脂やシリコーン、ゴム等を使用することができる。
さらに、封止材２１は、強い振動や衝撃に対しても圧電素子１１及び多孔振動板１２との接触の状態を安定して保つことができるように、ある程度弾性を有していることが、より好ましい。このような弾性を有する材料としては、シリコーンやゴム等の弾性樹脂が適しており、上述したように基材１５の材料としてシリコーンやゴム等の樹脂を使用すれば、封止材２１を基材１５と一体に形成することができる。

続いて、本実施の形態の微細化装置１０の使用状態の一例を、図３に示す。
図３に示すように、水等の液体１０１が貯められた水槽１００内の底部に、本実施の形態の微細化装置１０が沈められている。
そして、原料である気体を、水槽１００の外部から微細化装置１０に供給する原料供給管１８と、圧電素子１１に電圧を印加するための配線ケーブル１４が、水槽１００内の微細化装置１０に接続されている。
配線ケーブル１４には、圧電素子１１に印加する交流電圧を発振する、発振機１７が接続されている。
原料供給管１８には、圧力を調整する調圧器１９を介して、原料容器２０が接続されている。気体を原料として微細化装置１０で気泡を作製する場合には、原料容器２０にガスボンベ等を使用することができる。

この状態で、原料容器２０から調圧器１９と原料供給管１８を通じて、原料となる気体を微細化装置１０に供給し、発振機１７で発振された交流電圧を、配線ケーブル１４を介して圧電素子１１に印加する。これにより、多孔振動板１２の貫通孔から気泡を発生させて、水槽１００の液体１０１内に、気泡を供給することができる。

このように微細化装置１０を使用することにより、微細化装置１０本体を小型化しても、水槽１００の液体１０１内に十分な量の気泡を供給することが可能になる。
また、使用後に、微細化装置１０を水槽１００から取り出して、別の水槽に微細化装置１０を沈めて使用することもできる。

微細化装置１０に気泡を供給する場合に、原料となる気体としては、空気の他、酸素、オゾン、窒素、二酸化炭素等を使用することが可能である。

上述の本実施の形態の微細化装置１０によれば、圧電素子１１及び多孔振動板１２と接触して、圧電素子１１及び多孔振動板１２の液体側及び気体側をそれぞれ封止する封止材２１を設けたことにより、液体に対して十分な封止が得られる。
また、封止材２１により、圧電素子１１と配線ケーブル等との接続部への液体の浸入を防ぐことができるので、絶縁性も実現することができる。
さらに、封止材２１は、圧電素子１１の開口側の端部（内周端部）に位置しているので、圧電素子１１及び多孔振動板１２の振動が抑制されることなく、微細な気泡を十分な量発生させることが可能になる。

本発明の気体の微細化装置１０に用いられる圧電素子１１には、表面に電極（一般に、銀又は銀を主とするペーストを焼成して形成された厚膜電極）が形成されている。この電極は、電解性の液中では、圧電素子１１の駆動のための電界がかかることにより、腐食が起こりやすい。
この為、本実施の形態の微細化装置１０では、圧電素子１１の上側（液体側）に多孔振動板１２を重ねて配置して、封止材２１で多孔振動板１２の液体側を封止したことにより、圧電素子１１の電極が直接液体に曝されることを回避できるので、腐食信頼性を高めることができる。
なお、汚濁水の浄化、発酵等の用途では、電解性が高い液体と接触させることから、特に腐食信頼性を高める効果が発揮される。

また、本実施の形態の微細化装置１０は、多孔振動板１２を用いているため、目的とする気泡のみを微細化でき、供給先の液体に負荷をかけない。そのため、例えば、供給先の液体内の微生物等に悪影響を与えないで、気泡を発生させることが可能になる。

また、本実施の形態の微細化装置１０は、基本的に、基材１５と圧電素子１１と多孔振動板１２と封止材２１で微細化装置１０を構成することができる。そして、圧電素子１１及び多孔振動板１２は直径１ｃｍ〜数ｃｍ程度の大きさでも、気体の微細化には十分であるため、微細化装置１０を小型化することができる。
そして、微細化装置１０を多数並べることにより、スケールアップも可能になる。

図１では、封止材２１が圧電素子１１の下面及び多孔振動板１２の上面に接触した構成であったが、封止材２１が接触する対象は、この組み合わせに限定されない。封止材２１により、多孔振動板１２の液体側が封止されており、かつ、圧電素子１１の開口１１Ａ側の端部に封止材２１が位置している構成であればよい。例えば、圧電素子１１及び多孔振動板１２の上側に設ける封止材２１が、多孔振動板１２の上面から圧電素子１１の上面にわたって接触する構成としても良い。

また、圧電素子１１及び多孔振動板１２は、封止材２１によって基材１５との間を封止することが可能である限り、様々な形状の構成を採用することができる。
例えば、圧電素子１１の開口１１Ａは円形に限定されず、四角形等その他の形状でも良い。
また、図２では、多孔振動板１２の貫通孔１３が圧電素子１１の開口１１Ａの縁から内側に離れて形成されていたが、例えば、多孔振動板１２の貫通孔１３を圧電素子１１の開口１１Ａ内に均等に形成してもよい。

図１では、多孔振動板１２の上側（液体側）の封止材２１と、圧電素子１１の下側（気体側）の封止材２１とを、同じ構成としていた。
圧電素子１１及び多孔振動板１２から成る振動素子の上から水圧がかかる際には、水圧によって振動素子が下方に変位する。この為、水圧による振動素子の変位に対応して、振動素子の上下の封止材２１を異なる構成とした方がよい。例えば、振動素子の上の封止材２１を振動素子の下の封止材２１よりも長くした構成や、振動素子の下の封止材２１よりも振動素子の上の封止材２１が低い硬度とした構成が考えられる。

図１〜図２に示した実施の形態の微細化装置１０では、封止材２１が圧電素子１１及び多孔振動板１２に接触した構成であった。本発明の微細化装置において、封止材２１の形状や振動素子（圧電素子及び多孔振動板）と封止材との接触状態は、図１〜図２に示した実施の形態の構成に限定されるものではない。

次に、振動素子の液体側に設ける封止材の各種形態を、図４Ａ〜図４Ｂ、図５、図６に、それぞれ示す。なお、これら各図において、気泡１と基材１５と圧電素子１１と多孔振動板１２は図１と同じ符号を使用している。

図４Ａに示す形態は、振動素子との接触部を細い二重の円筒表面とした、封止材４１を使用したものである。
図４Ｂに示す形態は、図１と同じ封止材２１を、弾性接着樹脂からなる接着材４２で振動素子の多孔振動板１２に固着したものである。この図４Ｂに示す形態のように、封止材２１の接触部を弾性接着樹脂からなる接着材４２で固着すれば、振動素子に対する接触幅を増やしたり、封止の耐圧を高めたりするなど、封止性を向上させることができるため、振動効率が高い状態で封止性（防水性）を維持することができる。

図５に示す形態は、振動素子の上側を図１と同じ封止材２１として、振動素子の下側を、振動素子と接触して下から保持するだけで封止しない、保持材４３とした構成である。振動素子の上側は液体側であるので封止が必要であるが、振動素子の下側は気体側であるので封止していなくても構わない。図５では、振動素子の圧電素子１１が保持材４３の上に載置されている。
また、基材１５は、上側の基材１５Ａと下側の基材１５Ｂとがボルト５０を用いて接合されている。基材１５がこのような構成であるため、上下の基材１５Ａ，１５Ｂを組み立てる際に、振動素子がずれないように、保持材４３を活用することも考えられる。

図６に示す形態は、振動素子の上側は図４Ｂと同様に、封止材２１を接着材４２で振動素子に固着しており、図５に示した保持材４３を不要にしたものである。

この形態では、振動素子と基材１５との間に隙間があり、振動素子は基材１５とは接していない。この為、振動素子を自由に振動しやすくすることができる。また、気体の微細化装置の構造や組み立てにとって設計の自由度が高まる。

上述した図４Ａ〜図４Ｂ、図５、図６に示した各形態は、いずれも、図１〜図２に示した微細化装置１０と同様に、圧電素子１１の開口１１Ａ側の端部に封止材２１が位置している。

次に、本発明の微細化装置の他の実施の形態の概略断面図を、図７に示す。
図７に示す微細化装置３０は、図１〜図２の微細化装置１０の封止材２１の代わりに、Ｏリングを使用して、封止材４５を構成している。
封止材４５は、多孔振動板１２の上側（液体側）と圧電素子１１の下側（気体側）に設けられていて、多孔振動板１２の液体側と圧電素子１１の気体側を封止している。それぞれの封止材４５は、圧電素子１１の開口１１Ａ側の端部（内周端部）に位置している。
そして、Ｏリングからなる封止材４５は、図示しないが、圧電素子１１の円形の開口１１Ａに沿ってリング状に全周に形成されている。

また、図７に示す微細化装置３０は、圧電素子１１の外側の基材１５の上に、小さい径のＯリング４６を介して、上部の基材４８を配置している。また、配線ケーブル１４は、基材１５に開けた穴に通して、穴を充填材４７で埋めている。
その他の構成は、図１〜図２に示した実施の形態の微細化装置１０と同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の微細化装置３０によれば、圧電素子１１及び多孔振動板１２と接触して、圧電素子１１及び多孔振動板１２の液体側及び気体側をそれぞれ封止する封止材４５を設けたことにより、液体に対して十分な封止が得られる。
また、封止材４５により、圧電素子１１と配線ケーブル等との接続部への液体の浸入を防ぐことができるので、絶縁性も実現することができる。
さらに、封止材４５は、圧電素子１１の開口１１Ａ側の端部（内周端部）に位置しているので、圧電素子１１及び多孔振動板１２の振動が抑制されることなく、微細な気泡を十分な量発生させることが可能になる。

本発明の微細化装置のさらに他の実施の形態の概略断面図を、図８に示す。
図８に示す微細化装置４０は、図１〜図２の微細化装置１０に対して、圧電素子１１と多孔振動板１２の上下を逆にして、圧電素子１１を多孔振動板１２の上側、即ち液体側に重ねて配置している。

封止材２１は、圧電素子１１の上面の一部と、多孔振動板１２の下面の一部とにそれぞれ接触している。
圧電素子１１とその上方の基材１５との間の封止材２１によって、圧電素子１１の液体側が封止されている。また、多孔振動板１２とその下方の基材１５との間の封止材２１によって、多孔振動板１２の気体側が封止されている。

本実施の形態の微細化装置４０では、圧電素子１１を液体側に配置しているため、圧電素子１１の開口側の端部（特に、圧電素子１１の上面の内周端部や開口の側面）が液体に露出している。そのため、圧電素子１１のうち液体に露出している部分では、圧電素子の電極の腐食を防ぐために、電極を当該部分には設けないことや、液体が直接電極に触れないように当該部分に厚さ数μｍ〜数十μｍの絶縁性のオーバーコートを設けることが考えられる。オーバーコートの材料としては、ガラス、耐水性樹脂が用いられる。
なお、このオーバーコートは、その剛性が振動の抵抗になり、振動効率を下げる原因となりうる。従って、圧電素子１１の液体に露出していない部分には、オーバーコートを設けないことが望ましい。

その他の構成は、図１〜図２に示した実施の形態の微細化装置１０と同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の微細化装置４０によれば、圧電素子１１及び多孔振動板１２と接触して、圧電素子１１及び多孔振動板１２の液体側及び気体側をそれぞれ封止する封止材２１を設けたことにより、液体に対して十分な封止が得られる。
また、封止材２１により、圧電素子１１と配線ケーブル等との接続部への液体の浸入を防ぐことができるので、絶縁性も実現することができる。
さらに、封止材２１は、圧電素子１１の開口１１Ａ側の端部（内周端部）に位置しているので、圧電素子１１及び多孔振動板１２の振動が抑制されることなく、微細な気泡を十分な量発生させることが可能になる。

なお、図１に示した微細化装置１０のように、圧電素子１１の上側（液体側）に多孔振動板１２を重ねて配置して、封止材２１で多孔振動板１２の液体側を封止した場合には、圧電素子１１の電極が直接液体に曝されることを回避できる。従って、図１に示した微細化装置１０のように多孔振動板１２を液体側に配置した場合には、圧電素子１１にオーバーコートが形成されていない構成や、圧電素子１１に薄いオーバーコートが形成されている構成であっても、腐食信頼性を高めることができる。

上述の各実施の形態の微細化装置１０，３０，４０では、圧電素子１１の右端部の上下に配線ケーブル１４を接続し、配線ケーブル１４を圧電素子１１の右側の基材１５に通していた。本発明の微細化装置において、圧電素子と配線ケーブルの接続位置や配線ケーブルの基材への通し方は、これらの実施の形態の構成に限定されるものではない。

本発明の微細化装置の使用形態は、図３に示したように水槽１００等の液体槽内の底部に沈めた形態に限定されるものではない。
例えば、特許文献１の構成のように、本発明の微細化装置を液体槽の側面に設けてもよい。
この場合、振動素子の圧電素子及び多孔振動板うち、液体側の方が液体槽の内側に配置され、気体側の方が液体槽の外側に配置される。
微細化装置を液体槽の側面に設けた構成としては、基材を液体槽の側面に取り付けた構成や、液体槽の側面が基材を兼ねる構成が考えられる。いずれの構成の場合も、本発明の微細化装置を液体槽の側面に設けることにより、振動素子の液体側が封止材で封止されているので、液体槽の側面に直接多孔振動板を接続した特許文献１の構成と比較して、液体側の封止を確実に行うことができる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の気体の微細化装置は、例えば、食品（酢醸造、微生物利用による有用物質生産）、養殖（特に高級魚の仔魚の生存率向上、病原菌の制菌効果の向上）、冷却水設備（微生物制御による熱交換効率向上）、飲料水（浄水膜の詰まり抑制、微生物制御）、廃水処理（送気により微生物の分解向上、微細オゾンにより分解性向上）等、様々な分野において有用である。

１０，３０，４０微細化装置、１１圧電素子、１２多孔振動板、１３貫通孔、１４配線ケーブル、１５基材、１６供給部、１７発振機、１８原料供給管、１９調圧器、２０原料容器、２１，４１封止材、４２接着材、４３保持材、４５封止材（Ｏリング）、１００水槽、１０１液体

Claims

気体を微細化させて、微細な気泡を液体中に発生させる、気体の微細化装置であって、
中央部に開口を有する圧電素子と、
前記圧電素子の前記開口内に対応する部分に貫通孔を有し、前記圧電素子に重ねて配置され前記圧電素子の振動に伴い振動する、多孔振動板と、
前記圧電素子及び前記多孔振動板を収容する空間を備え、原料となる気体を前記多孔振動板に供給するための供給部を備えた、収容部と、
前記圧電素子及び／又は前記多孔振動板の少なくとも液体側を封止する封止材とを有し、
前記封止材は、前記圧電素子の前記開口側の端部に位置する
気体の微細化装置。
前記多孔振動板が、前記圧電素子の前記液体側に重ねて配置されている請求項１に記載の気体の微細化装置。