JP2017104841A - 微細気泡発生装置及び微細気泡を含む水の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より微細な気泡を水中に発生させることが可能な微細気泡発生装置、及びより微細な気泡を含む水を製造する方法を提供する。【解決手段】気液混合器３にて作られた高速旋転する気液混合流体をアスピレータ２へ供給し、アスピレータ２へ流入した気液混合流体を、アスピレータ２のノズル４から噴射された水と合流させるので、気液混合流体中の気泡を破砕して、より微細な気泡（マイクロバブル）を含む水を製造することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、アスピレータを利用した微細気泡発生装置及び微細気泡を含む水の製造方法に関する。

従来、アスピレータの負圧により吸引した空気と、アスピレータを流れる水とを混合させ、水中に微細気泡（マイクロバブル）を発生させる微細気泡発生装置が知られている。このような微細気泡発生装置においては、アスピレータの流路に開口する空気供給路から空気を引き込むため、気泡の制御、すなわち、マイクロバブルの径の調整が困難であり、より微細な気泡を発生させる装置が要望されていた。そこで、より微細な気泡を水中に発生させるため、空気供給路の開口をより小さい径にした場合、アスピレータの製造が困難になる。

そこで、特許文献１に記載された気液混合気泡発生装置は、アスピレータの負圧により吸引した空気とアスピレータを流れる水とを混合室にて混合することにより、水と空気との気液混合流体を生成させている。また、当該気液混合気泡発生装置は、混合室から排出した気液混合流体を管状体の中空部へ流入させ、当該気液混合流体を管状体の内周壁に形成した螺旋状の凸条により旋転しつつ攪拌することにより、当該流体中の空気の気泡を破砕して微細化させている。しかし、当該気液混合気泡発生装置は、アスピレータの下流側端部に接続する管状体を設けるためのスペースが必要であり、設置場所が制限される。

特開２００５−３０５２１９号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、より微細な気泡を水中に発生させることが可能な微細気泡発生装置、及びより微細な気泡を含む水を製造する方法を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するため、本発明の微細気泡発生装置は、アスピレータと、前記アスピレータの吸引口に接続される気液混合器とからなり、前記アスピレータは、前記吸引口よりも上流側に取水口を有し、前記気液混合器は、気体が供給される給気口と、前記取水口に接続される給水口と、前記給気口から供給された気体と前記給水口から供給された水とが混合される気液混合部と、下流側の端に設けられて前記気液混合部で合成された気液混合流体が吐出される吐出口と、を備え、前記吐出口から吐出された気液混合流体が、前記アスピレータの負圧部へ供給されることを特徴とする。
また、本発明の微細気泡を含む水の製造方法は、請求項１乃至６に記載の微細気泡発生装置を利用して、微細気泡を含む水を製造することを特徴とする。

本発明によれば、より微細な気泡を含む水を製造することができる。

第１実施形態の概念図である。 第２実施形態の概念図である。 第３実施形態の概念図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を添付した図を参照して説明する。
図１は、第１実施形態の概念図である。図１に示されるように、微細気泡発生装置１は、アスピレータ２と気液混合器３とを備える。アスピレータ２は、上流側（図１における上側）の端部が水道等の送水手段（図示省略）に接続される。なお、アスピレータ２は、既存のアスピレータを適用することができる。よって、明細書の記載を簡潔にすることを目的に、既存のアスピレータと同一の構造（構成要素）に関する詳細な説明を省略する。

アスピレータ２は、送水手段から供給された水を旋転させる旋転部５を有する。旋転部５は、ノズル４の上流側（図１における上側）の流路２１のノズル４の直上に配置され、例えば、スパイラル条により構成される。アスピレータ２は、ノズル４の先端部を取り囲むように形成される負圧部６と、当該アスピレータ２の側部に開口して負圧部６に連通される吸引口７と、当該アスピレータ２の側部に開口して旋転部５よりも上流側の流路２１に連通される取水口８と、を有する。なお、アスピレータ２の負圧部６と放水口２２との間には、流路面積が下流に向かってへ拡径されるテーパ状の流路２３が設けられる。

気液混合器３は、給気手段（図示省略）から供給された空気（気体）を導入する給気口９と、アスピレータ２の取水口８から取り出した水、すなわち、ノズル４の上流側の流路２１から供給された水を導入する給水口１０とを有する。給気口９には、導入される空気の流量を調整する、例えば、ニードルバルブ等の給気量調整弁１１が設けられる。他方、給水口１０には、一端がアスピレータ２の取水口８に接続された給水管１２（給水路）の他端が接続される。換言すると、アスピレータ２の取水口８と気液混合器３の給水口１０とは、給水管１２を介して連通（接続）される。

また、気液混合器３は、流路２４に設けられて給水口１０から流入した水を旋転させる旋転部１４を有する。旋転部１４は、例えば、スパイラル条により構成され、流路２４を流れる水を旋転させる。当該旋転部１４を通過した旋転水流は、気液混合部１３にて、給気口９から導入した空気と混合される。さらに、気液混合器３は、気液混合部１３にて混合された空気と水（旋転水流）との混合流体（便宜的に「気液混合流体」と称する）を加速させるノズル１５を有する。気液混合流体（気泡を含む旋転水流）は、ノズル１５を通過することにより、高速旋転流れとなる。

一方、気液混合器３の下流側（図１における下側）の端には、気液混合部１３で合成された気液混合流体を吐出する吐出口１６が設けられる。当該吐出口１６には、一端がアスピレータ２の吸引口７に接続された気液供給管１７（気液供給路）の他端が接続される。換言すると、アスピレータ２の吸引口７と気液混合器３の吐出口１６とは、気液供給管１７を介して連通（接続）される。これにより、気液混合器３の吐出口１６から吐出された気液混合流体、すなわち、気液混合流体の高速旋転流れは、気液供給管１７を介してアスピレータ２の負圧部６へ流入する。

なお、第１実施形態における微細気泡発生装置１は、給水管１２（給水路）と気液供給管１７（気液供給路）との間をバイパスするバイパス管１８（バイパス路）を有する。また、給水管１２には、気液混合器３への給水量を調整する給水量調整弁１９（第１流量調整部）が設けられる。さらに、バイパス管１９には、給水管１２から気液供給管１７へバイパスさせる水の流量を調整するバイパス水量調整弁２０（第２流量調整部）が設けられる。

次に、第１実施形態の作用を説明する。
まず、配水設備（水道）等の送水手段からのアスピレータ２への送水が開始されると、当該アスピレータ２の流路２１を流れる水は、旋転部５を通過することで旋転して旋転水流となる。さらに、当該旋転水流は、ノズル４により加速され、高速旋転水流となる。そして、当該高速旋転水流がノズル４の先端からアスピレータ２の放水口２２へ向けて噴射されると、アスピレータ２の負圧部６が減圧される。

一方、アスピレータ２の上流側の流路２１を流れる水の一部は、アスピレータ２の取水口８から取り出され、給水管１２（給水路）を介して、給水口１０から気液混合器３へ導入される。当該気液混合器３では、流路２４を流れる水は、旋転部１４を通過することで旋転し、旋転水流となる。当該旋転水流は、気液混合部１３へ流入し、給気口９から導入された空気と混合される。気液混合部１３で合成された気液混合流体（微細気泡を含む旋転水流）は、ノズル１５により加速される。そして、当該ノズル１５から噴射された高速旋転する気液混合流体は、気液混合器３の吐出口１６から吐出され、気液供給管１７を介して、吸引口７からアスピレータ２の負圧部６へ流入する。

アスピレータ２の負圧部６へ流入した気液混合流体は、ノズル４から噴射された水と合流する。これにより、気液混合流体中の気泡が破砕され、水中にさらに微細な気泡（マイクロバブル）が生成される。なお、アスピレータ２の上流側の流路２１からの取水量、すなわち、気液混合器３への給水量は、給水量調整弁１９（第１流量調整部）及びバイパス水量調整弁２０（第２流量調整部）の開度を以て調整される。

第１実施形態では以下の効果を奏する。
第１実施形態によれば、気液混合器３で得られた高速旋転する気液混合流体がアスピレータ２へ流入し、アスピレータ２へ流入した気液混合流体（高速旋転流体）が、当該アスピレータ２のノズル４から噴射された水と合流される。これにより、気液混合流体中の気泡が破砕され、より微細な気泡（マイクロバブル）を含む水を製造することができる。
また、第１実施形態では、先行技術のように、アスピレータの下流側に、気液混合流体に含まれる気泡を微細化するための器具を接続することなく、極めて微細な気泡を水中に生成することが可能であり、装置を小型化することができる。
なお、本願発明者が行った実験によれば、径が約２０μｍの気泡（マイクロバブル）を水中に生成することが可能である。

また、第１実施形態によれば、アスピレータ２の上流側の流路２１からの取水を気液混合器３へ給水するので、アスピレータ２が発生する負圧に依存することなく、且つポンプ等の動力を使用することなく、安定した流量の気液混合流体をアスピレータ２へ供給することができる。これにより、例えば、アスピレータ２の上流側の流路２１内の圧力が変動した場合であっても、気液混合器３へ一定流量の給水を行うことが可能であり、延いてはアスピレータ２へ一定流量の気液混合流体を供給することが可能である。その結果、径が均一の気泡（マイクロバブル）を安定して水中に生成することができる。

なお、第１実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
第１実施形態では、給気手段により気液混合器３へ供給される気体を空気としたが、当該気体は、空気に限定されるものではなく、例えば、酸素、窒素、炭酸ガス等とすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を添付した図を参照して説明する。なお、前述の第１実施形態に係る微細気泡発生装置１と同一または相当の構成要素については、同一の名称及び符号を付与するとともに詳細な説明を省略する。

図２は、第２実施形態の概念図である。図２に示されるように、第２実施形態の微細気泡発生装置３１は、主に、開閉弁機構３２を備える点で、第１実施形態の微細気泡発生装置１と相違する。これに伴い、第２実施形態に係る微細気泡発生装置３１は、第１実施形態に係る微細気泡発生装置１における、バイパス管１８、給水量調整弁１９（第１流量調整部）、及びバイパス水量調整弁２０（第２流量調整部）を備えていない。

開閉弁機構３２は、第１給水管３３を介してアスピレータ２の取水口８に接続されるとともに、第２給水管３４を介して気液混合器３の給水口１０に接続される。また、開閉弁機構３２は、気液混合器３へ供給するための水を貯える貯水槽３５を備える。貯水槽３５は、第１給水管３３（給水路）が接続される給水口３６と、第２給水管３４（給水路）が接続される排水口３７とを有する。なお、貯水槽３５の排水口３７は、給水口３６よりも低い位置に設けられる。また、貯水槽３５の給水口３６は、当該貯水槽３５の内壁面３５Ａに開口する開口部３８を有する。そして、図２における符号４３は、第１給水管３３に設けられるフィルタ、図２における符号４４は、貯水槽３５に設けられる通気部である。

一方、開閉弁機構３２は、貯水槽３５に貯えられた水に浮かべるフロート３９を備える。また、開閉弁機構３２は、貯水槽３５の開口部３８に着座するカム形状の弁体４０を有する。すなわち、貯水槽３５の開口部３８は、弁体４０の弁座としても機能する。弁体４０は、貯水槽３５に固定された軸４１を中心に回転可能である。また、弁体４０は、連接棒４２を介してフロート３９に接続される。したがって、開閉弁機構３２は、貯水槽３５の水位に応じてフロート３９が上下に移動し、これに伴い、弁体４０が軸４１を中心に図２における時計回り方向／反時計回り方向へ回転する。これにより、貯水槽３５の開口部３８が開口（開弁）／閉塞（閉弁）される。

次に、第２実施形態の作用を説明する。
図２に示される状態において、給気手段（図示省略）により供給された空気（気体）は、給気口９から気液混合器３内に導入される。他方、気液混合器３には、貯水槽３５に貯えられた水が、第２給水管３４（給水路）を介して給水口１０から導入される。気液混合器３に導入された空気と水とは、気液混合器３の気液混合部１３にて混合される。当該気液混合部１３では、合成された気液混合流体（微細気泡を含む水流）が旋転部１４を通過することで旋転され、さらに、旋転部１４を通過した気液混合流体（微細気泡を含む旋転水流）がノズル１５により加速される。

ノズル１５から噴射された気液混合流体（高速旋転流体）は、気液混合器３の吐出口１６から吐出され、気液供給管１７（気液供給路）を介して、吸引口７からアスピレータ２の負圧部６へ流入する。アスピレータ２の負圧部６へ流入した気液混合流体は、ノズル４から噴射された水と合流する。これにより、気液混合流体中の気泡が破砕され、水中にさらに微細な気泡（マイクロバブル）が生成される。

そして、第２実施形態では、気液混合器３への給水に伴い貯水槽３５の水位が下降すると、当該水位に応じてフロート３９が下方向へ移動する。これに伴い、弁体４０が図２における時計回り方向へ回転し、貯水槽３５の開口部３８が開口する。これにより、アスピレータ２の上流側の流路２１を流れる水の一部が、取水口８に接続された第１給水管３３を介して貯水槽３５へ供給される。一方、貯水槽３５の水位が上昇すると、当該水位に応じてフロート３９が上方向へ移動する。これに伴い、弁体４０が図２における反時計回り方向へ回転し、貯水槽３５の開口部３８が閉塞される。

第２実施形態によれば、前述の第１実施形態同様、気液混合器３で合成された気液混合流体（高速旋転流体）がアスピレータ２へ供給され、アスピレータ２へ流入した気液混合流体がアスピレータ２のノズル４から噴射された水と合流されるので、気液混合流体中の気泡が破砕され、より微細な気泡（マイクロバブル）を含む水を製造することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を添付した図を参照して説明する。なお、前述の第１及び第２実施形態に係る微細気泡発生装置１及び３１と同一または相当の構成要素については、同一の名称及び符号を付与するとともに詳細な説明を省略する。

図３は、第３実施形態の概念図である。図３に示されるように、第３実施形態の微細気泡発生装置５１は、アスピレータ２の取水口８に直に接続される接続部５２（給水口）を有する気液混合器３を備える。気液混合器３は、アスピレータ２の軸線に対して垂直方向（図３における左右方向）へ延びる流路５３と、当該流路５３を流れる水の量、すなわち、アスピレータ２の取水口８からの取水量を調整するニードルバルブ５４（第１流量調整部）と、を有する。

ニードルバルブ５４は、流路５３の、接続部５２とは反対側（図３における右側）に設けられる。ニードルバルブ５４は、流路５３に設けられた縮径部５５の出口周縁に形成される弁座５６と、流路５３に対して同軸上に配置される弁軸５７（ニードル）と、弁軸５７の基端（図３における右側の端）が接続される円柱状のプランジャ６０と、を有する。なお、弁軸５７の外周面には、ねじ部５８が形成される。また、ねじ部５８は、流路５３の縮径部５５の下流側の内周面に形成されたねじ孔５９に螺合される。

よって、プランジャ６０を操作して弁軸５７（ねじ部５８）を軸線を中心に回転させることにより、弁軸５７が軸線方向（図３における左右方向）へ進退移動し、当該弁軸５７の進退移動に伴い、ニードルバルブ５４の開度、延いてはアスピレータ２の流路２１から気液混合器３へ導入する水の流量が調整される。なお、プランジャ６０は、流路５３と同軸上に設けられたシリンダ６１に挿入される。そして、図３における符号６２は、プランジャ６０に装着されて当該プランジャ６０とシリンダ６１との間をシールするＯリングである。また、図３における符号６３は、プランジャ６０の基端側外周面に形成されるローレットである。

一方、気液混合器３は、流路５３の下流、すなわち、ニードルバルブ５４により流量が調整された水が流れる流路６４を有する。流路６４は、流路５３から下方向へ延びる、換言すると、アスピレータ２の軸線に沿って垂直に延びる。また、気液混合器３は、多孔質材料（例えば「シラス多孔質ガラス（ＳＰＧ）」）からなる円筒状の多孔質管６５と、当該多孔質管６５を収容する気液混合部１３と、を有する。

多孔質管６５は、軸孔が流路６６として機能し、当該流路６６は、流路６４の下流端に接続される。換言すると、流路６４は、気液混合部１３の上流側端に開口する。また、多孔質管６５の外周には、環状の間隙６７が設けられる。換言すると、間隙６７は、多孔質管６５の外周面と気液混合部１３を画定する内円筒面との間に形成される一定の隙間である。なお、間隙６７は、給気口９を介して外気に連通される。また、多孔質管６５の軸孔（流路６６）には、流路６６を流れる水を旋転させる、例えば、スパイラル条等の旋転部（図示省略）が形成される。

他方、気液混合器３は、気液混合部１３の下流側端に開口する吐出口１６とアスピレータ２の吸引口７との間を接続する気液供給管１７（気液供給路）を有する。気液供給管１７は、流路６６の下流端に接続される流路６８と、上流端が流路６８に接続されるとともに下流端が吸引口７に接続されるベンチュリ管７０と、を有する。なお、ベンチュリ管７０は、当該ベンチュリ管７０の上流側端に設けられる絞り部７１と、当該絞り部７１の下流側端から下流に向かって（図３における左方向に向かって）拡径される拡径部７２と、を有する。

次に、第３実施形態の作用を説明する。
アスピレータ２の上流側の流路２１を流れる水の一部は、当該アスピレータ２の取水口８から取り出され、気液混合器３（流路５３）へ導入される。気液混合器３に導入された水は、流路５３を通って気液混合部１３（流路６６）へ流入する。そして、気液混合部１３へ流入した水は、流路６６の旋転部を通過する過程で旋転される。なお、アスピレータ２の流路２１からの取水量、すなわち、気液混合器３へ導入される水の流量は、ニードルバルブ５４により調整される。

一方、気液混合部１３には、アスピレータ２の負圧部６に発生した負圧が作用し、給気口９から外部の空気（外気）が導入される。当該給気口９から導入された空気は、間隙６７を経て多孔質管６５の細孔を通過した後、流路６６を流れる水（旋転水流）に混合され、これにより、微細気泡を含む気液混合流体が合成される。気液混合部１３で合成された気液混合流体（旋転流体）は、吐出口１６から吐出され、気液供給管１７（気液供給路）へ流入する。

気液供給管１７へ流入した気液混合流体（旋転流体）は、流路６８を経てベンチュリ管７０を通過すると、流速の急激な変化にて生じた衝撃波により水中の気泡が破砕され、水中にさらに微細な気泡（マイクロバブル）が生成される。そして、微細気泡を含む気液混合流体は、気液供給管１７を通過して吸引口７からアスピレータ２の負圧部６へ流入し、ノズル４から噴射された水と合流する。これにより、気液混合流体中の気泡が破砕され、水中にさらに微細な気泡（マイクロバブル）が生成される。

第３実施形態によれば、旋転する水流と多孔質管６５の細孔を通過した空気とが気液混合器３にて混合されることにより、気液混合流体（微細気泡を含む水）が合成される。また、気液混合器３で合成された気液混合流体が気液供給管１７（気液供給路）に設けられたベンチュリ管７０を通過することにより、当該気液混合流体に含まれる気泡が破砕され、水中にさらに微細な気泡を生成することができる。

また、第３実施形態では、気液混合器３の接続部５２がアスピレータ２の取水口８に直に接続されるので、第１及び第２実施形態との比較において、装置を小型化することができる。
また、第３実施形態は、第１及び第２実施形態と比較して、アスピレータ２の取水口８から気液混合器３を経由して吸引口７に至る経路が短くすることが可能であり、且つ気液供給管１７には流路面積が小さい絞り部７１が設けられるので、水道設備等の送水手段からアスピレータ２への水の供給を停止したときの、気液供給管１７からアスピレータ２の吸引口７への漏水を抑止することができ、延いてはアスピレータ２の放水口２２からの漏水を防止することができる。
また、第３実施形態では、ニードルバルブ５４の開度を調整するだけで、微細気泡（マイクロバブル）を含む水を安定して製造することができるので、操作性が高く、家庭用としても適用することが可能である。

なお、第３実施形態では、気液供給管１７（気液供給路）にベンチュリ管７０を設けることで、水中に含まれる気泡を破砕したが、要求される径が満たされる、すなわち、要求される径のマイクロバブルを生成することができるのであれば、ベンチュリ管７０は省くことができる。

１ 微細気泡発生装置、２ アスピレータ、３ 気液混合器、６ 負圧部、７ 吸引口、８ 取水口、９ 給気口、１０ 給水口、１３ 気液混合部、１６ 吐出口

Claims (7)

1. アスピレータと、前記アスピレータの吸引口に接続される気液混合器とからなり、前記アスピレータは、前記吸引口よりも上流側に取水口を有し、前記気液混合器は、気体が供給される給気口と、前記取水口に接続される給水口と、前記給気口から供給された気体と前記給水口から供給された水とが混合される気液混合部と、下流側の端に設けられて前記気液混合部で合成された気液混合流体が吐出される吐出口と、を備え、前記吐出口から吐出された気液混合流体が、前記アスピレータの負圧部へ供給されることを特徴とする微細気泡発生装置。
2. 前記取水口と前記給水口との間を接続する給水路と、前記給水路に設けられる第１流量調整部とを備え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. 前記吐出口と前記吸引口との間を接続する気液供給路と、前記給水路と前記気液供給路との間を接続するバイパス路と、前記バイパス路に設けられる第２流量調整部と、を備える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. 前記気液供給路にベンチュリ管が設けられ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. 前記気液混合器は、前記気液混合部に収容される多孔質管を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
6. 前記給気口から取入れられる気体は、空気、酸素、窒素、及び炭酸ガスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
7. 請求項１乃至６に記載の微細気泡発生装置を利用して、微細気泡を含む水を製造することを特徴とする微細気泡を含む水の製造方法。

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