JP2017094300A - 微小気泡生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】直径１μｍ未満のウルトラファインバブルの気泡密度の高い微小気泡含有液体を効率的に生成することが可能な微小気泡生成システムを提供することを目的とする。【解決手段】微小気泡生成システム１００は、水が供給されて水を昇圧しつつ気体を取り込み、気体含有水を生成するポンプ１０２と、ポンプ１０２によって昇圧され、ポンプ１０２から供給された気体含有水を貯留する圧力タンク１０３と、圧力タンク１０３内から供給されて減圧した気体含有水に対し、せん断力を作用させるロータと、ロータを回転させるモータを有し、ウルトラファインバブル含有水を生成するウルトラファインバブル生成装置１０５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、微小気泡生成システムに関するものである。

液体中に混合されたサイズが１μｍ未満の微小気泡は、ウルトラファインバブルとも呼ばれる。液体中のウルトラファインバブルは、可視光の波長よりも直径が短いため、液体中で可視光の散乱が生じない。そのため、ウルトラファインバブルが含有された液体を目視しても、肉眼でウルトラファインバブルの存在を確認できず液体は透明なままである。また、液体中に混合されたウルトラファインバブルは、液体中に浮遊した状態で存在し、長時間（例えば数か月）、液体中に残存することが知られている。

ウルトラファインバブルが混合された水（以下「ＵＦＢ含有水」という。）は、通常の水に比べて洗浄力が高いこと、酸素含有量が多いこと、化学物質を含有せず後処理が容易なこと等から、工業製品や食品等の洗浄分野、排水処理分野、美容分野、養殖分野、水耕栽培分野等において利用されている。

下記の特許文献１では、微小気泡生成装置が、上下に延び一端側から他端側へ流体が流通する筒体と、筒体内にて軸方向を上下方向に配置して、凹凸部が形成された外周面を有するロータと、筒体内にて凹凸部が形成された内周面を有するステータと、ロータと接続されロータを回転させるモータとを備えることが記載されている。そして、モータを駆動してロータをステータに対して回転させると各凹凸部が相対的に周方向へ移動し、流体通路内の流体には周期的に圧縮及び開放の力が作用し、流体が周期的に収縮及び膨張される。これにより、微小気泡生成装置を水素水製造装置に適用した場合、水素ガスが微小気泡となって水の中に含有されると記載されている。

特許第５４７５２７３号公報

ＵＦＢ含有水は、ウルトラファインバブルの密度が高い場合、洗浄力が高くなるという効果が得られ、また、密度の高いＵＦＢ含有水を希釈して使用することもできる。したがって、ウルトラファインバブル生成装置を用いて、ウルトラファインバブルの密度が高いＵＦＢ含有水を生成できれば、洗浄力の高いＵＦＢ含有水を生成でき、また、効率的にウルトラファインバブル生成装置を運用できるという利点がある。

上述の特許文献１に記載されているようなロータとステータから構成される微小気泡生成装置では、ロータ回転数を調整することによって、気泡密度を高めることができるという知見が本願発明の発明者らによって得られている。しかし、ロータ回転数の調整だけでは、気泡密度を増加できる範囲に限界があり、生成されるＵＦＢ含有水について一定以上の気泡密度に高めることが困難であった。

また、本願発明者らによって、微小気泡生成装置を検討した結果、ロータとステータ間において流体に対してせん断力を作用させるロータ及びステータの表面積を大きくすることによって、気泡密度を高めることができるという知見が得られている。そこで、本願発明者らは、例えば特願２０１４−１５７６８８号で記載したロータとステータから構成される微小気泡混合流体生成装置を発明し、生成されるＵＦＢ含有水について気泡密度の上昇を図ることができたが、更に気泡密度の高いＵＦＢ含有水を生成することが望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、直径１μｍ未満のウルトラファインバブルの気泡密度の高い微小気泡含有液体を効率的に生成することが可能な微小気泡生成システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の微小気泡生成システムは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る微小気泡生成システムは、液体が供給されて液体を昇圧しつつ気体を取り込み、気体含有液体を移送するポンプと、ポンプによって昇圧され、ポンプから供給された気体含有液体を貯留する圧力タンクと、圧力タンク内から供給されて減圧した気体含有液体に対し、せん断力を作用させるロータと、ロータを回転させるモータを有し、ウルトラファインバブル含有液体を生成するウルトラファインバブル生成装置とを備える。

この構成によれば、圧力タンクで液体に気体を溶解させた後、液体を減圧することによって、溶解した気体を気泡化し、さらに、ウルトラファインバブル生成装置で液体に含有された気泡を細分化することによって、ウルトラファインバブルの気泡密度を増加させることができる。

上記発明において、ウルトラファインバブル生成装置から供給されたウルトラファインバブル含有液体を貯留し、貯留されたウルトラファインバブル含有液体をポンプへ供給する液体槽を更に備えてもよい。

この構成によれば、ウルトラファインバブル生成装置で生成されたウルトラファインバブル含有液体を繰り返し循環させることができ、ウルトラファインバブルの気泡密度を上昇させていくことができる。

上記発明において、前記液体槽は、互いに仕切板で仕切られた第１槽と第２槽を備え、前記第１槽は、前記ウルトラファインバブル生成装置から前記ウルトラファインバブル含有液体が供給され、前記第２槽は、前記第１槽から前記仕切板の上端を越えて、前記ウルトラファインバブル含有液体が供給される。

この構成によれば、ウルトラファインバブル生成装置から供給される第１槽に貯留された液体は、仕切板の上端まで満たされ、その後、仕切板の上端を越えて第２槽へ供給される。このとき、比較的径の大きい気泡が第１槽の液面まで上がった後、仕切板の上端で水面に浮遊している気泡が堰き止められて消失するため、第２槽へ供給される液体において含まれる比較的径の大きい気泡を低減できる。

上記発明において、前記仕切板の上端に設けられ、前記第１槽から前記第２槽に下側に傾斜した傾斜板を有する。

この構成によれば、第１槽から仕切板の上端を越えて、第２槽へウルトラファインバブル含有液体が供給される際、傾斜板上をウルトラファインバブル含有液体が流れる。このとき、傾斜板上では、板面に近い側の液体の流速Ｖａは、板面の抵抗によって、表面に近い側の液体の流速Ｖｂよりも遅くなる。その結果、液体の流れ中の気泡は、速度の速い表面側に引き寄せられ、液体に含まれる比較的径の大きな気泡が空気に触れやすくなることから、気泡の消失能力を向上させることができる。

上記発明において、圧力タンクとウルトラファインバブル生成装置を結ぶ配管と、配管に設けられ、圧力タンク内の圧力を調整する第１バルブとを更に備えてもよい。

この構成によれば、第１バルブによって、圧力タンク内の圧力が調整され、例えば、圧力タンクの圧力を高めて、気泡密度を上昇させることができる。

上記発明において、ウルトラファインバブル生成装置のモータは、回転数が調整可能でもよい。

この構成によれば、モータにおける回転数が調整され、例えば、モータの回転数を高めてロータの回転数を上げることで、気泡密度を上昇させることができる。

上記発明において、ポンプに設けられ、ポンプが取り込む気体の量を調整可能である第２バルブを更に備えてもよい。

この構成によれば、ポンプによって取込まれる空気量の循環する液体量に対する割合を変更することができ、適切な割合とすることで気泡密度を上昇させることができる。

上記発明において、液体槽に貯留された前記ウルトラファインバブル含有液体を冷却する冷却装置を更に備えてもよい。

この構成によれば、ウルトラファインバブル生成装置を通過することによって上昇し、液体槽に供給された液体槽内のウルトラファインバブル含有液体の温度を低下させることができる。液体槽に貯留されたウルトラファインバブル含有液体を冷却するには、液体槽の外側に別の冷却水槽を設置して、低温の冷却水槽によって液体槽内のウルトラファインバブル含有液体を冷却してもよいし、液体槽内のウルトラファインバブル含有液体に冷却コイルを挿入して、ウルトラファインバブル含有液体を冷却してもよい。

本発明によれば、直径１μｍ未満のウルトラファインバブルの気泡密度の高い微小気泡含有液体を効率的に生成することができる。

本発明の一実施形態に係る微小気泡生成システムを示す構成図である。 気泡密度と圧力タンク内の圧力との関係を示すグラフである。 気泡密度とウルトラファインバブル生成装置における相対ロータ回転数との関係を示すグラフである。 ウルトラファインバブル含有水における気泡の平均粒径と相対ロータ回転数との関係を示すグラフである。 空気供給量を変化させた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。 ロータ回転数を変化させた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。 ウルトラファインバブル生成装置のロータを回転させつつ、圧力タンクの有無を異ならせた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態を示す流体剪断部の縦断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う横断面図である。 ロータの一実施例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る微小気泡生成システムの水槽の第１変形例を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る微小気泡生成システムの水槽の第２変形例を示す縦断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る微小気泡生成システムは、水に空気を混合させて、直径１μｍ未満のウルトラファインバブルを含有する微小気泡含有水（以下「ＵＦＢ含有水」という。）を生成する。なお、本発明に係る微小気泡生成システムは、水以外の液体を対象としてもよく、液体に含有し気泡となる気体も、空気に限定されず、酸素、二酸化炭素、窒素、水素等であってもよい。

微小気泡生成システム１００は、図１に示すように、ポンプ１０２と、圧力タンク１０３と、第１バルブ１０４と、ウルトラファインバブル生成装置（以下「ＵＦＢ生成装置」という。）１０５と、水槽１０６と、これらの構成要素間に接続され水が循環する循環管１０７などを備える。

ポンプ１０２は、循環管１０７を流れる水に対し空気を導入しつつ、昇圧を行う。ポンプ１０２は、水槽１０６に貯留された水を吸い込みつつ、大気中の空気を取り込み、空気含有水を吐出する。このとき、ポンプ１０２内部を流れる水は、ポンプ１０２が有する羽根によって攪拌され、ポンプ１０２から吐出された空気含有水には、微小気泡が混合される。ポンプ１０２が吐出する空気含有水は、圧力タンク１０３に供給される。

ポンプ１０２には、空気を取り込む空気取込み口が設けられる。空気取込み口には第２バルブ１０８などが設けられ、空気の取り込み量を調整できるようにしてもよい。なお、本実施形態では、ポンプ１０２が大気から直接空気を取り込む構成を有するが、例えば、ポンプ１０２がボンベ等に接続されて、ボンベから気体を取り込んでもよい。

圧力タンク１０３は、ポンプ１０２から供給された空気含有水を一時的に貯留しつつ、第１バルブ１０４を介してＵＦＢ生成装置１０５へ空気含有水を供給する。圧力タンク１０３内の圧力は、第１バルブ１０４の絞り量を変更することで調整される。

圧力タンク１０３内が高圧になることで、空気が水に溶解する。その後、圧力タンク１０３からＵＦＢ生成装置１０５へ供給されるとき、圧力が低下し、水に溶解した空気が気泡となって水中に含有される。このときの気泡は、サイズが１μｍ以上である、いわゆるマイクロバブルが多くを占める。

なお、ポンプ１０２の前後の循環管１０７には、分岐管１２０が接続され、分岐管１２０には、第３バルブ１１９が設けられる。第３バルブ１１９が開状態にあるとき、空気含有水は、ポンプ１０２の下流側の循環管１０７から分岐して、分岐管１２０にも流れ、ポンプ１０２の上流側と合流する。第１バルブ１０４の絞り量が変更されたとき、第３バルブ１１９の絞り量を調整することで、循環管１０７を流れる空気含有水の流量を一定にすることができる。循環管１０７を流れる空気含有水の流量は、例えばＵＦＢ生成装置１０５の下流側で測定される。

ＵＦＢ生成装置１０５は、第１バルブ１０４を介して圧力タンク１０３から供給された水に対し、ロータの外周面とケーシングの内周面との間でせん断するように力を作用させる。これにより、ＵＦＢ生成装置１０５は、水中に存在する気泡を細かく細分化し、気泡サイズを小さくするとともに気泡数を増加させる。その結果、空気含有水に含まれるウルトラファインバブルの密度が高まる。

ＵＦＢ生成装置１０５は、インバータモータが、その主軸を鉛直上方に向けて縦置きに設置され、上部には円柱状の流体剪断部が設置されている。流体剪断部は後述する。

ＵＦＢ生成装置１０５は、生成したＵＦＢ含有水を水槽１０６へ供給する。

水槽１０６は、ＵＦＢ含有水が貯留される容器である。微小気泡生成システム１００の運転時、水槽１０６には、ＵＦＢ生成装置１０５からＵＦＢ含有水が供給され、貯留されたＵＦＢ含有水は、水槽１０６からポンプ１０２へ供給される。

水槽１０６は、図１に示すように、互いに仕切板１１２で仕切られた第１槽１１３と第２槽１１４を備えてもよい。第１槽１１３は、ＵＦＢ生成装置１０５からＵＦＢ含有水が供給され、第２槽１１４は、第１槽１１３から仕切板１１２の上端を越えて、ＵＦＢ含有水が供給される。ＵＦＢ生成装置１０５から供給される第１槽１１３に貯留されたＵＦＢ含有水は、仕切板１１２の上端まで満たされ、その後、仕切板１１２の上端を越えて第２槽１１４へ供給される。第２槽１１４に貯留されたＵＦＢ含有水は、第２槽１１４からポンプ１０２へ供給される。

このとき、比較的径の大きい気泡（例えばマイクロバブル以上の径を有する気泡）が第１槽１１３の液面まで上がった後、仕切板１１２の上端で水面に浮遊している気泡が堰き止められて消失するため、第２槽１１４へ供給される液体において含まれる比較的径の大きい気泡を低減できる。また、第２槽１１４において、比較的径の大きい気泡が少ないため、第２槽１１４の液体中に存在する気泡同士の接合、合体、合一を防ぐことができる。
なお、第１槽１１３には、底面近くに開口部１１６が形成された水流形成板１１５が設けられてもよい。これにより、第１槽１１３の内部において下から上へ向かう水流を形成することができる。

なお、水槽１０６の周囲には水槽１０６を冷却するための水冷装置１０９が設けられてもよい。水冷装置１０９は、水槽１０６を冷却水に浸す冷却水槽１１０と、冷却水槽１１０に設けられる冷却コイル１１１などからなる。冷却コイル１１１内にはチラーで冷却された媒体が流通し、冷却コイル１１１は、冷却水槽１１０内の冷却水の温度を低下させる。これにより、ＵＦＢ生成装置１０５を通過することによって上昇し、水槽１０６に供給された水槽１０６内のＵＦＢ含有水の温度を、冷却水槽１１０内の冷却水によって低下させることができる。

なお、水槽１０６内のＵＦＢ含有水の温度を低下させるため、水冷装置１０９を設けずに、水槽１０６内に貯留されたＵＦＢ含有水の内部に冷却コイルを設置してもよい。これにより、水槽１０６に供給された水槽１０６内のＵＦＢ含有水の温度を、冷却コイルによって低下させることができる。

上述した微小気泡生成システム１００では、運転開始前、水槽１０６に水が貯留される。また、ポンプ１０２へ供給される空気量に応じて、空気取込み口に設けられた第２バルブ１０８の開度を調整しておき、圧力タンク１０３内の圧力に応じて、第１バルブ１０４の開度を調整しておく。また、第１バルブ１０４の開度に応じて、第３バルブ１１９の開度も調整しておく。さらに、ＵＦＢ生成装置１０５のロータの回転数についても設定しておく。

なお、第２バルブ１０８による供給空気量の調整、第１バルブ１０４による圧力タンク１０３内の圧力の調整などは、運転開始前に限らず、運転中に動作を停止させることなく適宜行うことも可能である。例えば、運転中に微小気泡生成システム１００を循環する空気含有水の温度が上昇すると、水中への溶存気体量が低下するため、第２バルブ１０８を絞って圧力タンク１０３内に空気が溜まるのを防ぐ必要がある。また、循環する空気含有水の温度が上昇すると、水の粘性が低下し循環流量が多くなるため、第１バルブ１０４及び第３バルブ１１９を絞って循環流量を減少方向へ微調整する必要がある。

その後、ポンプ１０２及びＵＦＢ生成装置１０５の運転を開始させ、循環管１０７内に水を流通させる。ポンプ１０２では、水槽１０６から水が供給されつつ、大気から空気が取り込まれて、空気含有水が生成される。ポンプ１０２で生成された空気含有水は、圧力タンク１０３に供給され、圧力タンク１０３内で一時的に貯留される。圧力タンク１０３内では、空気含有水の圧力が高圧になり、空気が水に溶解する。

圧力タンク１０３に貯留された空気含有水は、第１バルブ１０４を介してＵＦＢ生成装置１０５へ供給される。第１バルブ１０４を通過する際、空気含有水の圧力が低下し、水に溶解していた空気が気泡となり水中に含有される。したがって、ＵＦＢ生成装置１０５には、気泡化した空気を含む水が供給される。

ＵＦＢ生成装置１０５では、気泡化した空気を含む水に対し、ロータの外周面とケーシングの内周面との間でせん断するようにせん断力が作用する。その結果、水中に存在する気泡が細かく細分化され、気泡サイズが小さくなるとともに気泡数が増加する。

その後、ＵＦＢ生成装置１０５で生成されたＵＦＢ含有水は、水槽１０６へ供給される。水槽１０６に供給されたＵＦＢ含有水は、水槽１０６で一時的に貯留され、再度、ポンプ１０２へ供給される。水は、運転中、微小気泡生成システム１００内を繰り返し循環する。その結果、水に含有されるウルトラファインバブルの密度が上昇する。

以上、本実施形態によれば、圧力タンク１０３で水に空気を溶解させた後、水を減圧することによって、溶解した空気を気泡化し、さらに、ＵＦＢ生成装置１０５で水に含有された気泡を細分化して、気泡サイズを小さくしつつ、気泡数を増加させる。これにより、気泡密度の高いＵＦＢ含有水を効率的に生成することができる。

次に、実際に上述した微小気泡生成システム１００を適用して、ＵＦＢ含有水を生成した場合の結果について説明する。

以下では、微小気泡生成システム１００において、循環流量は7L/minであり、水量は20Lである。したがって、１時間（60分）にわたって循環を継続させると、微小気泡生成システム１００内の水は２１回（21Pass）循環することになる。また、水は、約35℃付近に維持された。ＵＦＢ生成装置１０５において、ケーシングの内周面とロータの外周面との隙間は、0.5mmである。なお、微小気泡生成システム１００を循環させる水は、蒸留後イオン交換した純水を使用した。また、ＵＦＢ含有水に含まれるウルトラファイバブルの気泡密度の測定は、ナノ粒子解析装置（NanoSight LM10）を用い、計測感度はデフォルト値とした。なお、圧力タンク１０３内の圧力を変化させる際、第１バルブ１０４の絞り量を調整し、循環流量を一定に保つため、第３バルブ１１９の絞り量も同時に調整する。

図２は、気泡密度と圧力タンク１０３内の圧力との関係を示すグラフである。微小気泡生成システム１００の運転時間を６０分とした場合において、圧力タンク１０３内の圧力を変化させた結果、気泡密度は、図２に示す結果が得られた。

この結果、圧力タンク１０３を用いないでＵＦＢ含有水を生成する場合（加圧タンク内の圧力が0kPa）に比べて、圧力タンク１０３を用いてＵＦＢ含有水を生成する場合のほうが、気泡密度を高めることができることが分かる。また、圧力タンク１０３内の圧力が高いほど気泡密度が上昇する。例えば、圧力が0.2MPaであるとき1×10⁸個/mLであるのに対し、圧力が0.5MPaであるとき4×10⁸から5×10⁸個/mLである。

図３は、気泡密度とＵＦＢ生成装置１０５における相対ロータ回転数との関係を示すグラフである。微小気泡生成システム１００の運転時間を６０分とし、ポンプ１０２にて取り込む空気量を循環流量に対して８％とした場合（循環流量が7L/minであるから、空気量は0.56L/min）において、ロータ回転数を変化させた結果、気泡密度は、図３に示す結果が得られた。図３のグラフの横軸は、圧力タンク１０３内の圧力が0.5MPaである場合、気泡密度が2.4×10⁸個/mLであり、圧力が0.18MPaである場合、0.25×10⁸個/mLであるときのロータ回転数を１.0として相対値で表したものである。

この結果、圧力タンク１０３内の圧力が同一である場合（本実施例の場合、0.5MPa）、ロータを回転させない場合、すなわち、ＵＦＢ生成装置１０５を用いない場合に比べて、ロータを回転させる場合のほうが、気泡密度を高めることができることが分かる。また、ロータ回転数が高いほど気泡密度が上昇する。例えば、圧力が0.5MPaである場合、2.4×10⁸個/mLであるのに対し、ロータ回転数を約２倍弱にしたとき4×10⁸個/mLである。また、圧力が0.18MPaである場合、0.25×10⁸個/mLであるのに対し、ロータ回転数を約２倍弱にしたとき1×10⁸個/mLから2×10⁸個/mLである。

また、図４は、ＵＦＢ含有水における気泡の平均粒径と相対ロータ回転数との関係を示すグラフである。微小気泡生成システム１００の運転時間を６０分とし、ポンプ１０２にて取り込む空気量を循環流量に対して８％とした場合において、ロータ回転数を変化させた結果、平均粒径は、図４に示す結果が得られた。図４のグラフの横軸は、図３のグラフの横軸と同一にとってあり、圧力タンク１０３内の圧力が0.5MPaである場合、気泡密度が2.4×10⁸個/mLであり、圧力が0.18MPaである場合、0.25×10⁸個/mLであるときのロータ回転数を１.0として相対値で表したものである。

この結果、圧力タンク１０３内の圧力が同一である場合（本実施例の場合、0.5MPa）、ロータを回転させない場合とロータを回転させる場合とも、平均粒径は約120nmから130nmであり、両者の間で有意な差が見られなかった。また、圧力が0.5MPaである場合と圧力が0.18MPaである場合とも、平均粒径は約120から130nmであり、両者の間で有意な差が見られなかった。

以上より、ロータを回転させない場合にも、ウルトラファインバブルが生成されていることが分かるが、気泡密度を高めるためには、圧力タンク１０３の圧力を高くしつつ、ロータ回転数を高く設定することが良いことが分かる。

図５は、空気供給量を変化させた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。圧力タンク１０３内の圧力を0.5MPaとした場合において、ポンプ１０２にて取り込む空気を変化させた結果、運転時間の増加に伴う気泡密度の上昇は、図５に示すとおりの結果が得られた。

ポンプ１０２にて取り込む空気量割合を８％としたときと１６％としたときのいずれも、運転時間の増加と共に気泡密度が上昇することが分かる。また、ポンプ１０２にて取り込む空気を１６％とした場合は、８％とした場合と比べて、運転時間が60分くらいまでは有意な差が見られないが、90分以降では気泡密度が低くなるという結果が得られた。これは、ポンプ１０２にて取り込む空気量割合を１６％とした場合、水に溶解する空気量に限界があり、水に溶解しないで圧力タンク１０３内に溜まる空気量が増えたためであると考えられる。一方、ポンプ１０２にて取り込む空気量割合を０％に近い低い値とした場合は、気泡密度は上昇しないという結果が得られると推測される。したがって、空気供給量には適正値があることが認められる。

図６は、ロータ回転数を変化させた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。圧力タンク１０３内の圧力を0.5MPaとした場合において、ポンプ１０２にて取り込む空気の有無、ロータの回転の有無を異ならせた結果、運転時間の増加に伴う気泡密度の上昇は、図６に示すとおりの結果が得られた。

ポンプ１０２にて取り込む空気量割合を８％、ロータ回転ありとした場合と、ポンプ１０２にて取り込む空気量割合を８％、ロータ回転なしとした場合と、ポンプ１０２にて取り込む空気なし、ロータ回転なしとした場合の三者について比較した。

ポンプ１０２にて取り込む空気なし、ロータ回転なしとした場合は、ポンプ１０２にて空気が取り込まれないことから、微小気泡の生成源となる空気が存在しないことから、測定された気泡密度の値は、バックグラウンド又はノイズを示している。これに対し、ポンプ１０２にて取り込む空気量割合を８％、ロータ回転なしとした場合、すなわち、ポンプ１０２にて空気を取り込むが、ＵＦＢ生成装置１０５を運転させなかった場合は、圧力タンク１０３で水に溶解した空気を解放したときに生じる微小気泡の気泡密度を示している。この場合、運転時間が60分で気泡密度が1.47×10⁸個/mLとなった。一方、ポンプ１０２にて取り込む空気を８％、ロータ回転ありとした場合、すなわち、ＵＦＢ生成装置１０５を運転させた場合は、圧力タンク１０３で水に溶解した空気を解放したときに生じる微小気泡に加えて、ＵＦＢ生成装置１０５で発生する微小気泡の密度を示している。この場合、運転時間が60分で気泡密度が4.28×10⁸個/mLとなった。すなわち、ＵＦＢ生成装置１０５を運転させることによって、運転時間が60分で気泡密度が約３倍増加することが分かる。したがって、ＵＦＢ生成装置１０５において、ウルトラファインバブルが生成される比率が高いといえる。

図７は、ＵＦＢ生成装置１０５のロータを回転させつつ、圧力タンク１０３の有無を異ならせた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。ロータを回転させた場合において、圧力タンク１０３の有無を異ならせた結果、運転時間の増加に伴う気泡密度の上昇は、図７に示すとおりの結果が得られた。

圧力タンク１０３を設けずにロータを回転させた場合、運転時間が60分で気泡密度は0.3から0.5×10⁸個/mLとなった。一方、圧力タンク１０３を設けてロータを回転させた場合、運転時間が60分で気泡密度が4×10⁸個/mLとなり、圧力タンク１０３なしとした場合に比べて、気泡密度が約１０倍となることが分かった。また、圧力タンク１０３を設けてロータを回転させた場合、運転時間の増加につれて、気泡密度の上昇が継続していくことが分かり、運転時間が210分で気泡密度が10×10⁸個/mLとなった。

以上より、圧力タンク１０３で水に空気を溶解させた後、水を減圧することによって、溶解した空気を気泡化し、さらに、ＵＦＢ生成装置１０５で水に含有された気泡を細分化することによって、ウルトラファインバブルの気泡密度を格段に増加させることができるといえる。また、気泡密度を高めるための運転条件としては、ポンプ１０２に取込む空気量割合には適量がある一方、圧力タンク１０３の圧力は高いほど気泡密度を上昇させることができ、ＵＦＢ生成装置１０５のロータ回転数も高回転であるほど気泡密度を上昇させることができる。

なお、ＵＦＢ生成装置１０５を運転させない場合、すなわち、圧力タンク１０３を通過した後に生成される微小気泡含有水は、白濁しており、水面に浮上して破裂することが観察されている。したがって、ウルトラファインバブルよりもサイズが大きいマイクロバブルが支配的である。これに対し、ＵＦＢ生成装置１０５を運転した場合、生成される微小気泡含有水は、ウルトラファインバブルが長時間にわたって残存していることが測定され、得られる微小気泡含有水は、白濁していないことが観察されている。したがって、マイクロバブルはほとんど生成されず、ウルトラファインバブルが支配的な水が得られる。

上述した本実施形態に係る微小気泡生成システム１００では、ＵＦＢ生成装置１０５の運転を開始するか停止したままとするかを切り替えることによって、最終的に得る微小気泡含有水の種類を変化させることができる。すなわち、ＵＦＢ生成装置１０５の運転を開始することで、ウルトラファインバブル主体の微小気泡含有水を得ることができ、ＵＦＢ生成装置１０５の運転を停止することで、マイクロバブル主体の微小気泡含有水を得ることができる。ウルトラファインバブル主体の微小気泡含有水は、洗浄又は殺菌などに用いられ、マイクロバブル主体の微小気泡含有水は、浮上分離による水処理、浴槽等に用いられる。

また、本実施形態によれば、圧力タンク１０３内の圧力や、ＵＦＢ生成装置１０５の回転数を調整することによって、高密度のＵＦＢ含有水を得ることができる。高密度のＵＦＢ含有水は、洗浄又は殺菌力が高い。また、高密度のＵＦＢ含有水は希釈することができるため、本実施形態に係る微小気泡生成システム１００によって、高密度のＵＦＢ含有水を生成することで、大量のＵＦＢ含有水を効率的に生成できる。

以下、流体剪断部８について説明する。

まず、図８に示すように、厚手の鋼鈑等から形成された仕切り板１１が複数のボルト１２に締結され、この仕切り板１１を貫通する形で鉛直方向に沿う円筒状のベアリングホルダ１３が固定されている。また、仕切り板１１の上面に、ベアリングホルダ１３よりも径の大きな円筒容器状で上部が閉塞されたアウターケーシング１５が複数のボルト１６で着脱可能に固定されている。仕切り板１１とアウターケーシング１５との間はＯ−リング１７で液密的にシールされている。

さらに、図９にも示すように、ベアリングホルダ１３の外周面に円筒状のインナーケーシング１９が着脱可能に固定されている。インバータモータ（図示せず。）の主軸７とベアリングホルダ１３とアウターケーシング１５とインナーケーシング１９と後述するインナーロータ２７は、共通の鉛直な中心軸線Ｃに沿って一直線上に配列されている。図８、図９に示すように、アウターケーシング１５の内周面は固定側流体剪断面１５ａとなっており、インナーケーシング１９の外周面は固定側流体剪断面１９ａとなっている。これらの固定側流体剪断面１５ａ，１９ａは共通の中心軸線Ｃ回りに形成されて異なる径を持ち、且つ径方向および軸方向に重複している。固定側流体剪断面１５ａ，１９ａは後述するように凹凸状である。

図８に示すように、ベアリングホルダ１３の上下両端に圧入された上下一対のベアリング２１，２２（軸受）によって鉛直な駆動軸２３が中心軸線Ｃ回りに回転自在に軸支され、この駆動軸２３の下端部が継手２４を介してインバータモータの主軸７に連結されている。駆動軸２３の上部には、インナーケーシング１９に被さる円柱形状のインナーロータ２７が、例えば複数のボルト２８によって回転一体に、且つ駆動軸２３に対して着脱可能に固定されている。つまり、インナーロータ２７は、ベアリング２１，２２および駆動軸２３によって下方から片持ち状に軸支されており、アウターケーシング１５が取り外されていれば、ボルト２８を抜くことによって軸方向自由端側（ここでは上側）に向かって取り外すことができる。

インナーロータ２７は、インバータモータにより回転駆動されてアウターケーシング１５の内部で回転する。ここで、このインナーロータ２７を軸支しているベアリング２１，２２のうち、上側のベアリング２２は、インナーロータ２７の軸方向中間部に配置されている。即ち、インナーロータ２７の下端部２７ｃと上端部２７ｄとの間の高さにベアリング２２が配置されている。なお、ベアリングホルダ１３の上部には駆動軸２３の抜け止めおよび防水を行うメカニカルシール３０が設けられている。

図８、図９に示すように、インナーロータ２７の外周面は、アウターケーシング１５の固定側流体剪断面１５ａに対して例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍの間隔を空けて対向する可動側流体剪断面２７ａとなっている。また、インナーロータ２７の内周面は、インナーケーシング１９の固定側流体剪断面１９ａに対して例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍの間隔を空けて対向する可動側流体剪断面２７ｂとなっている。そして、アウターケーシング１５およびインナーケーシング１９の固定側流体剪断面１５ａ，１９ａと、これらに対向しているインナーロータ２７の可動側流体剪断面２７ａ，２７ｂとの間に、それぞれ流体剪断空間３１，３２が形成されている。これらの流体剪断空間３１，３２は径が異なり、径方向および軸方向に重複するとともに、相互に連通している。即ち、流体剪断空間３２は流体剪断空間３１よりも径が小さくて流体剪断空間３１の内周側に重複しており、インナーロータ２７と仕切り板１１との間に形成された連通路３３を介して連通している。

これらの流体剪断空間３１，３２の各々において、固定側流体剪断面１５ａ，１９ａおよび可動側流体剪断面２７ａ，２７ｂの少なくとも一方には、凹凸状の流体剪断形状が形成されている。例えば、流体剪断空間３１においては、固定側流体剪断面１５ａと可動側流体剪断面２７ａの両方に、中心軸線Ｃに直交する断面が歯車状となるように凹凸状の流体剪断形状が付与されている（図９中には簡略化して記載してある）。
また、流体剪断空間３２においては、固定側流体剪断面１９ａと可動側流体剪断面２７ｂの両方に、同様な凹凸状（歯車状）の流体剪断形状が付与されている。（図９中には簡略化して記載してある）
なお、固定側流体剪断面１９ａは、円筒状のインナーケーシング１９の全周に亘って軸方向に延びるスリット溝を多数穿設し、このインナーケーシング１９をベアリングホルダ１３とメカニカルシール３０の外周面に密に嵌合させることによって、上記スリット溝の位置における横断面形状を凹凸形状に形成したものである。

図８に示すように、アウターケーシング１５の上面中央部に流体入口部３６が設けられ、アウターケーシング１５の上部外周面に流体出口部３７が設けられている。流体入口部３６は、インナーロータ２７の回転中心部から、ポンプ１０２及び圧力タンク１０３によって空気や酸素等の気体が混合された水を、径方向内側にある上流側の流体剪断空間３２に流入させるように設けられている。また、流体出口部３７は、径方向外側にある下流側の流体剪断空間３１から水を流出させるように設けられている。

具体的には、流体入口部３６は、例えば中心軸線Ｃに沿うようにアウターケーシング１５の上面中央部に固定された管状であり、駆動軸２３の上端部から軸心に沿って形成された軸心流入通路４０に連通している。この流体入口部３６に対して駆動軸２３（軸心流入通路４０）は相対回転するため、流体入口部３６と軸心流入通路４０との間には両部材３６，４０間の相対回転を可能にしつつ、水が流体入口部３６から下流側の流体剪断空間３１に流入することを阻止する図示しないシール部材が介装されている。

図８に示すように、駆動軸２３には、軸心流入通路４０の下端部から水平に伸びる複数の水平通路４１が形成され、これらの水平通路４１が、それぞれインナーロータ２７の内部に形成された複数の鉛直通路４２に連通し、各鉛直通路４２は流体剪断空間３２に連通している。このため、流体入口部３６から流入した水が軸心流入通路４０と水平通路４１と鉛直通路４２とを経て流体剪断空間３２に供給されるようになっている。

一方、流体出口部３７は、平面視でアウターケーシング１５の外周輪郭に対して接線方向に水平に延出するパイプ状であり、図８に示すように、流体剪断空間３１の最上部に連通している。そして、インナーロータ２７の回転とともに、下流側の流体剪断空間３１内の水が流体出口部３７から流出するようになっている。
流体剪断部８は以上のように構成されている。

図１０には、図２から図７を用いて説明した測定を行う際に用いたＵＦＢ生成装置１０５の流体剪断部８の断面形状の例を示している。

アウターケーシング１５の固定側流体剪断面１５ａ、インナーケーシング１９の固定側流体剪断面１９ａ、及び、インナーロータ２７の可動側流体剪断面２７ａの凹凸状の流体剪断形状は、凹部について、断面がほぼ四角形状の溝であり、インナーロータ２７の可動側流体剪断面２７ｂの凹凸状の流体剪断形状は、凹部について、断面がほぼ半円形状の溝である。

なお、上述した実施形態において、水槽１０６は、図１に示すように、互いに仕切板１１２で仕切られた第１槽１１３と第２槽１１４の二つの槽を備える場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。水槽１０６は、例えば、二つ以上の仕切板で仕切られた三つ以上の槽を備えてもよい。図１１には、第１槽１１３、第２槽１１４及び第３槽１１８を備え、第１槽１１３と第２槽１１４が仕切板１１２で仕切られ、第２槽１１４と第３槽１１８が仕切板１１７で仕切られた例が示されている。

図１１の例において、第１槽１１３は、ＵＦＢ生成装置１０５からＵＦＢ含有水が供給され、第２槽１１４、第３槽１１８は、それぞれ第１槽１１３、第２槽１１４から仕切板１１２、１１７の上端を越えて、ＵＦＢ含有水が供給される。第３槽１１８に貯留されたＵＦＢ含有水は、第３槽１１８からポンプ１０２へ供給される。これにより、仕切板１１２及び仕切板１１７によって、複数回にわたって、水面に浮遊している気泡が堰き止められて消失するため、二つの槽からなる場合よりも消泡能力を高めることができる。
なお、図１１に示す例では、第１槽１１３及び第２槽１１４の内部に、図１で示した例と同様に、底面近くに開口部１１６が形成された水流形成板１１５が設けられている。

また、上述した実施形態において、水槽１０６の仕切板１１２は、図１２に示すように、仕切板１１２の上端に設けられ、上流側の第１槽１１３から下流側の第２槽１１４に下側に傾斜した傾斜板１１２ａが形成されてもよい。これにより、第１槽１１３から仕切板１１２の上端を越えて、第２槽１１４へＵＦＢ含有水が供給される際、傾斜板１１２ａ上をＵＦＢ含有水が流れる。このとき、傾斜板１１２ａ上では、板面に近い側の水流速度Ｖａは、板面の抵抗によって、表面に近い側の水流速度Ｖｂよりも遅くなる。その結果、水流中の気泡は、速度の速い表面側に引き寄せられ、水に含まれる比較的径の大きな気泡が空気に触れやすくなることから、気泡の消失能力を向上させることができる。
なお、図１１で示した仕切板１１７についても、同様に傾斜板を設けてもよい。

１００ 微小気泡生成システム
１０２ ポンプ
１０３ 圧力タンク
１０４ 第１バルブ
１０５ ウルトラファインバブル生成装置（ＵＦＢ生成装置）
１０６ 水槽
１０７ 循環管
１０８ 第２バルブ
１１０ 冷却水槽
１１１ 冷却コイル
１１２，１１７ 仕切板
１１２ａ 傾斜板
１１３ 第１槽
１１４ 第２槽
１１５ 水流形成板
１１６ 開口部
１１８ 第３槽
１１９ 第３バルブ
１２０ 分岐管

Claims (8)

1. 液体が供給されて前記液体を昇圧しつつ気体を取り込み、気体含有液体を移送するポンプと、
   前記ポンプによって昇圧され、前記ポンプから供給された前記気体含有液体を貯留する圧力タンクと、
   前記圧力タンク内から供給されて減圧した前記気体含有液体に対し、せん断力を作用させるロータと、前記ロータを回転させるモータを有し、直径１μｍ未満のウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液体を生成するウルトラファインバブル生成装置と、
   を備える微小気泡生成システム。
2. 前記ウルトラファインバブル生成装置から供給された前記ウルトラファインバブル含有液体を貯留し、貯留された前記ウルトラファインバブル含有液体を前記ポンプへ供給する液体槽を更に備える請求項１に記載の微小気泡生成システム。
3. 前記液体槽は、互いに仕切板で仕切られた第１槽と第２槽を備え、前記第１槽は、前記ウルトラファインバブル生成装置から前記ウルトラファインバブル含有液体が供給され、前記第２槽は、前記第１槽から前記仕切板の上端を越えて、前記ウルトラファインバブル含有液体が供給される請求項２に記載の微小気泡生成システム。
4. 前記仕切板の上端に設けられ、前記第１槽から前記第２槽に下側に傾斜した傾斜板を有する請求項３に記載の微小気泡生成システム。
5. 前記圧力タンクと前記ウルトラファインバブル生成装置を結ぶ配管と、
   前記配管に設けられ、前記圧力タンク内の圧力を調整する第１バルブと、
   を更に備える請求項１から４のいずれか１項に記載の微小気泡生成システム。
6. 前記ウルトラファインバブル生成装置の前記モータは、回転数が調整可能である請求項１から５のいずれか１項に記載の微小気泡生成システム。
7. 前記ポンプに設けられ、前記ポンプが取り込む前記気体の量を調整可能である第２バルブを更に備える請求項１から６のいずれか１項に記載の微小気泡生成システム。
8. 前記液体槽に貯留された前記ウルトラファインバブル含有液体を冷却する冷却装置を更に備える請求項２から４のいずれか１項に記載の微小気泡生成システム。

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