JP2017196546A - 気体導入装置および気体導入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気体を液体に導入する際に、液体内の気泡を微細化することができる気体導入装置および気体導入方法を提供する。【解決手段】気体導入装置１０は、多孔質体１１０、振動部材１４０および超音波印加部１８０を備える。多孔質体１１０は、液体２０中に浸漬され、気体が供給される。振動部材１４０は、振動面１４１が超音波振動するとともに、振動面１４１の少なくとも一部が多孔質体１１０に接触する。超音波印加部１８０は、液体２０のうち、多孔質体１１０から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える。【選択図】図１

Description

本発明は気体導入装置および気体導入方法に関する。

近年、微細な気泡を溶液内で発生させることにより、気体を溶液に溶解させる技術が注目されている。例えば非特許文献１には、気体が通過可能な中空の超音波ホーンを用いて微細な気泡を溶液内で発生させることが記載されている。非特許文献１において、中空部の開放端は一つの孔になっている。

また、特許文献１には、超音波振動させたノズルから微小な気泡を発生させることが記載されている。

また、特許文献２には、多孔質材料からなる排出部に超音波振動を印加することが記載されている。

特開昭５７−１７１４１４号公報 特開２０１４−２１７８１３号公報

中尾高明、他１名、「超音波を用いたマイクロバブル発生装置の開発」、日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集、２０１０年１０月３１日〜３１日、Ｐ１２１−１２２

本発明者は、溶液内の気泡をさらに微細化する方法を検討した。たとえば非特許文献１の方法では、ホーンに取り付けた気体出口径がミリメートルオーダーと大きいことから、気泡の微細化に限界があった。また、特許文献１の方法では、ノズルと、振動を伝える音響カプラとの接触面積が大きいため、振動エネルギーが分散してしまい、気泡をさらに微細化することが困難であった。

本発明は、気体を液体に導入させる際に、液体内の気泡を微細化することができる気体導入装置および気体導入方法を提供する。

本発明によれば、
液体中に浸漬され、気体が供給される多孔質体と、
振動面が超音波振動するとともに、前記振動面の少なくとも一部が前記多孔質体に接触する振動部材と、
前記液体のうち、前記多孔質体から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える超音波印加部と、
を備える気体導入装置
が提供される。

本発明によれば、
気体が供給される多孔質体を液体中に浸漬し、
振動面が超音波振動する振動部材の、前記振動面の少なくとも一部を前記多孔質体に接触させ、
前記液体のうち、前記多孔質体から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える、気体導入方法
が提供される。

本発明によれば、気体を液体に導入する際に、液体内の気泡を微細化することができる気体導入装置および気体導入方法を提供できる。

第１の実施形態に係る気体導入装置の構成を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第２の実施形態に係る気体導入装置の構成を説明するための図である。 第３の実施形態に係る気体導入装置の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る気体導入装置の構成を示す図である。 実施例及び比較例の、水への水素導入における水素の溶存量の経時変化を測定した結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る気体導入装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る気体導入装置１０は、多孔質体１１０、振動部材１４０および超音波印加部１８０を備える。多孔質体１１０は、液体２０中に浸漬され、気体が供給される。振動部材１４０は、振動面１４１が超音波振動するとともに、振動面１４１の少なくとも一部が多孔質体１１０に接触する。超音波印加部１８０は、液体２０のうち、多孔質体１１０から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える。以下に詳しく説明する。

多孔質体１１０には、例えばエアーストーンとして販売されている材料を用いることができる。多孔質体１１０には、他の多孔質材料を用いても良い。多孔質体１１０を構成する多孔質材料の平均空孔径は、３００μｍ以下であるのが好ましい。なお、この平均空孔径は、例えば多孔質材料の断面を観察することにより測定される。多孔質体１１０は、接続部１２０を介して配管１３０と接続されており、液体２０中に浸漬されている。そして、多孔質体１１０には配管１３０から気体が供給される。

振動部材１４０には、トランスデューサー１４２が取り付けられている。トランスデューサー１４２はたとえば圧電振動子であり、電気エネルギーを振動エネルギーに変換する。すなわちトランスデューサー１４２は制御部１５０からの制御信号に基づいて、超音波領域の周波数（例えば２０ｋＨｚ以上）で振動する。トランスデューサー１４２で発生した振動は、振動部材１４０に伝搬し、振動面１４１が超音波振動する。そして振動面１４１の少なくとも一部は多孔質体１１０に接触しており、多孔質体１１０が超音波振動する。このように、振動エネルギーは振動部材１４０を介して多孔質体１１０に印加される。また、振動面１４１のうち多孔質体１１０に接触していない部分では、液体２０に振動エネルギーが印加される。ここで、振動部材１４０から多孔質体１１０および液体２０に印加される振動エネルギーはたとえば５０Ｗ以上である。なお、この振動エネルギーは、トランスデューサー１４２に入力される電気エネルギーに等しいとみなすことができる。

振動部材１４０はたとえば超音波ホーンであり、振動面１４１は超音波ホーンの先端面である。超音波ホーンはたとえばチタン、ニッケル、アルミ、又はこれらの合金のうちいずれかの金属からなる柱状の部材である。なお、超音波ホーンの材質は金属に限定されず、プラスチック等の他の材質であっても良い。超音波ホーンの形状は特に限定されないが、たとえば円柱状の部材である。すなわち振動面１４１はその円柱の底面に相当し、円形である。超音波ホーンは、トランスデューサー１４２で発生する超音波振動に対する共鳴体（共振体）となっており、超音波ホーンの先端面に接する多孔質体１１０や液体２０に対して振動エネルギーを高効率かつ局所的に印加することができる。

振動部材１４０が円柱状である場合、振動面１４１は、円柱の高さ方向、すなわち円柱の側面に平行な方向に振動する。

本実施形態において振動部材１４０の振動面１４１は、超音波印加部１８０を兼ねる。すなわち、振動面１４１は超音波印加部１８０としても機能し、液体２０のうち、多孔質体１１０から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える。後に詳しく説明する。

気体導入装置１０は、第１容器１６０を備えている。第１容器１６０は、気体が導入される液体２０を保持している。そして多孔質体１１０は、第１容器１６０内の液体２０に浸漬される。

本実施形態に係る気体導入方法では、気体が供給される多孔質体１１０を液体２０中に浸漬し、振動面１４１が超音波振動する振動部材１４０の、振動面１４１の少なくとも一部を多孔質体１１０に接触させる。この状態で、振動部材１４０を用いて多孔質体１１０に超音波振動が印加され、さらに配管１３０を介して多孔質体１１０に気体が供給される。すると、気体は、多孔質体１１０を介して液体２０内に排出される。この際、多孔質体１１０は多孔質であるため、気体は、液体２０に排出される際に、微細な気泡になる。さらにこの排出時において、多孔質体１１０には超音波振動が加えられている。このため、気体は、液体２０に排出される際に、さらに微細な気泡になる。また、液体２０のうち、多孔質体１１０から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える。そうすることにより、多孔質体１１０から液体２０に排出された気泡は、より微細化される。

気泡の微細化により、液体２０に導入される気体の溶存量をより増大させることができる。各気泡が小さくなることにより液体２０と気体が接する面積が増大し、気体を液体２０に効率良く溶け込ませることができるからである。また、気泡の微細化により、液体２０での気体の保持時間をより長くすることができる。マイクロスケール以下の微細な気泡では、通常の気泡よりも浮力が小さくなる。よって、気泡が液面へ到達して液体２０から放出されるまでに長い時間が必要であり、液体２０での気体の保持時間が長くなると考えられる。

ここで、図１に示す例において、振動部材１４０は、多孔質体１１０の上部に接触している。なお、多孔質体１１０の上部とは、多孔質体１１０のうち液体２０の液面に近い部分である。すなわち、振動部材１４０は第１容器１６０の底部に向けて気泡を発生させる。こうすることにより、第１容器１６０の底部により近い領域で気泡が生じ、液体２０での気体の保持時間がより長くなる。

図２は図１のＡ−Ａ断面図である。本図を用いて気体導入装置１０についてさらに詳しく説明する。

多孔質体１１０の形状は特に限定されないが、図１および図２に示す例において、多孔質体１１０の少なくとも一部は円柱状である。そして、振動部材１４０の振動面１４１は円柱の側面の一部に接触している。このように振動面１４１が多孔質体１１０に線接触することで、振動部材１４０から多孔質体１１０へ局所的に大きな振動エネルギーを加えることができ、多孔質体１１０から排出される気泡３０をより微細化できる。

また、振動面１４１のうち多孔質体１１０に接触していない部分の少なくとも一部は液体２０に接触している。そのことにより、振動面１４１のうち液体２０に接触する部分から、液体２０中の気泡３０が存在する領域に超音波が印加される。すなわち、振動面１４１が超音波印加部１８０として機能する。多孔質体１１０から排出された気泡３０が存在する領域にさらに超音波を加えることにより、気泡３０がさらに微細化される。よって、液体２０に導入される気体の溶存量をより増大させ、また、液体２０での気体の保持時間をより長くすることができる。なお、超音波印加部１８０は、多孔質体１１０から排出された少なくとも一部の気泡３０に対し超音波振動を印加すれば良く、必ずしも全ての気泡３０に対して印加する必要は無い。

本図の例において、振動面１４１は、その一部分１４１ｂにおいて多孔質体１１０に接し、振動エネルギーを印加する。また、振動面１４１のうち一部分１４１ｂ以外の部分１４１ａは液体２０に接しており、液体２０中の気泡３０が存在する領域に超音波が印加される。すなわち、振動面１４１の液体２０に接触する部分１４１ａから液体２０を介して気泡３０に超音波振動が印加される。このように、振動面１４１のうち、液体２０に接触する部分１４１ａが、超音波印加部１８０として機能する。

振動面１４１と多孔質体１１０との大きさの関係は特に限定されないが、少なくともいずれか一つの方向から見て、多孔質体１１０の幅は振動面１４１の幅よりも小さいことが好ましい。図２の例では、多孔質体１１０の円柱の底面に垂直な方向から見て多孔質体１１０の幅Ｗ_２は振動面１４１の幅Ｗ_１よりも小さい。そうすることにより、本図の破線で示すように、多孔質体１１０の円柱の底面に垂直な方向から見て多孔質体１１０の側面を囲う領域、および多孔質体１１０を基準に超音波印加部１８０とは反対側の領域に対して超音波を印加できる。振動面１４１が円形である場合、その直径、すなわち、振動面１４１の幅Ｗ_１は、たとえば２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。

なお、図１に示す例では、多孔質体１１０の円柱の側面に平行な方向（図１のｘ方向）の幅は、振動面１４１の幅よりも大きいが、これに限定されない。多孔質体１１０から排出された気泡３０が存在する領域に効率良く超音波を加える観点からは、多孔質体１１０の円柱の側面に平行な方向の幅は、振動面１４１の幅よりも小さいことが好ましい。

なお、気体導入装置１０が用いる液体２０は、例えば水であるが、他の液体であってもよい。また、気体導入装置１０が液体２０に溶かす気体は、例えば酸素又はオゾンであるが、アンモニア、窒素、二酸化炭素、又は水素などの他の気体であっても良い。

例えば液体２０が水であり、気体がオゾンである場合、気体導入装置１０を用いることにより、オゾン水を製造できる。オゾン水内におけるオゾンの溶存量は、一般的に急激に低下する。従って、オゾン水の保存可能期間は短い。しかし、本実施形態の方法を用いると、オゾン水内のオゾンは非常に微細な気泡として水の中に導入されているため、オゾン水の保存可能期間を長くすることができる。また、気体導入装置１０は小型であるため、容易に持ち運びすることができる。

また、第１容器１６０には、液体２０の導入口及び排出口が設けられていても良い。この場合、気体が導入された（例えば溶解した）溶液を連続的に製造することができる。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、液体２０に導入する気体の気泡３０を微細化することができる。ひいては、液体２０に導入される気体の溶存量を増大させ、また、液体２０での気体の保持時間を長くすることができる。

（第２の実施形態）
図３は第２の実施形態に係る気体導入装置１０の構成を説明するための図である。本図は、第１の実施形態の図２に相当する。第２の実施形態に係る気体導入装置１０は、振動部材１４０とは別途の超音波印加部１８０が設けられている点を除いて第１の実施形態に係る気体導入装置１０と同様の構成である。

本実施形態において気体導入装置１０は、振動部材１４０とは独立した超音波印加部材１８２を備える。そして、振動部材１４０の振動面１４１は第１の実施形態と同様、多孔質体１１０に接触している。一方、超音波印加部材１８２の先端面は多孔質体１１０には接触しておらず、超音波印加部１８０として機能する。超音波印加部材１８２は第１の実施形態で説明した振動部材１４０と同様の構成を有しており、振動部材１４０のトランスデューサー１４２および制御部１５０とは別途設けられたトランスデューサーおよび制御部と接続されている。ただし、超音波印加部１８０は振動部材１４０と同じ制御部１５０に接続されていても良い。

超音波印加部１８０は、本図で破線で示すように、液体２０のうち、振動面１４１により多孔質体１１０から排出された気泡３０が存在する領域に超音波を加える。

なお、本図に示す例では、第１の実施形態と同様、振動面１４１が一部のみで多孔質体１１０と接しており、振動面１４１が多孔質体１１０と接しない部分において超音波印加部１８０として機能する。ただし、本実施形態に係る気体導入装置１０はこのような構成に限定されず、振動面１４１の全体が多孔質体１１０と接触していても良い。その場合でも、振動面１４１とは別途設けられた超音波印加部１８０により、多孔質体１１０から排出された気泡３０が存在する領域に超音波を印加することができる。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。加えて、振動部材１４０と超音波印加部材１８２の振動条件（たとえば周波数や振幅）を互いに独立に制御できる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る気体導入装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る気体導入装置１０は、多孔質体１１０の形状を除いて第１の実施形態に係る気体導入装置１０と同様の構成である。

本実施形態の多孔質体１１０は、少なくとも一部が球形状をしている。そして、その球の直径は円形の振動面１４１の直径よりも小さい。その結果、振動面１４１に垂直な方向から見て、多孔質体１１０は全体が振動面１４１と重なる。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。加えて、振動面１４１に垂直な方向から見て、多孔質体１１０の全体が振動面１４１と重なることにより、多孔質体１１０の球状部分を囲う領域全体に超音波印加部１８０から超音波を効率良く印加でき、気泡を微細化することができる。また、振動面１４１が多孔質体１１０の球部分に点接触することにより、さらに局所的に振動エネルギーを印加できる。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態に係る気体導入装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る気体導入装置１０は、第２容器１７０を有している点を除いて、第１の実施形態に係る気体導入装置１０と同様の構成である。

第２容器１７０の内部には冷媒、例えば冷却水が導入される。この冷媒は、導入管１７２から第２容器１７０の内部に導入され、さらに排出管１７４を介して第２容器１７０から排出される。冷媒は循環していても良い。そして、第１容器１６０は、第２容器１７０の内部に配置される。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、多孔質体１１０には超音波振動が加えられるため、第１容器１６０内において液体２０の温度が上昇する可能性が出てくる。液体２０の温度が上昇すると、液体２０内の気体の溶存量は減少しやすくなる。これに対して本実施形態では、第１容器１６０は第２容器１７０内の冷媒によって冷却される。従って、第１容器１６０内の液体２０の温度が上昇することを抑制でき、高い溶存量を確保できる。

実施例では、第４の実施形態に示した気体導入装置１０を用いて、水に水素を導入した。この際、超音波振動の出力を９０Ｗとした。また、図５に示したように、振動部材１４０を多孔質体１１０の上部に接触させ、振動面１４１が下を向く様にした。

一方比較例では、振動部材１４０を振動させずに、多孔質体１１０を通して水に水素を導入した。

図６は、実施例及び比較例の、水への水素導入における水素の溶存量の経時変化を測定した結果を示すグラフである。本図の縦軸は、１ｍｇ／Ｌを１ｐｐｍとして示している。本図から、気体導入装置１０を用いることにより、短時間で多くの水素を水中に溶存させられることが分かった。これは、気体導入装置１０における、多孔質体１１０、および水の気泡が存在する領域への超音波の印加が、微細な気泡の生成に効果的に寄与したためと考えられる。

なお、上述した傾向は、水素以外の気体を用いた場合でも同様であると推定される。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 気体導入装置
２０ 液体
３０ 気泡
１１０ 多孔質体
１２０ 接続部
１３０ 配管
１４０ 振動部材
１４１ 振動面
１４２ トランスデューサー
１５０ 制御部
１６０ 第１容器
１７０ 第２容器
１７２ 導入管
１７４ 排出管
１８０ 超音波印加部
１８２ 超音波印加部材

Claims (6)

1. 液体中に浸漬され、気体が供給される多孔質体と、
   振動面が超音波振動するとともに、前記振動面の少なくとも一部が前記多孔質体に接触する振動部材と、
   前記液体のうち、前記多孔質体から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える超音波印加部と、
   を備える気体導入装置。
2. 請求項１に記載の気体導入装置において、
   前記振動面のうち前記多孔質体に接触していない部分の少なくとも一部は前記液体に接触しており、前記超音波印加部となる気体導入装置。
3. 請求項１または２に記載の気体導入装置において、
   前記振動部材は、前記多孔質体の上部に接触している気体導入装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の気体導入装置において、
   前記多孔質体の少なくとも一部は円柱状であり、
   前記振動面は前記円柱の側面の一部に接触している気体導入装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の気体導入装置において、
   前記振動部材は超音波ホーンであり、前記振動面は前記超音波ホーンの先端面である気体導入装置。
6. 気体が供給される多孔質体を液体中に浸漬し、
   振動面が超音波振動する振動部材の、前記振動面の少なくとも一部を前記多孔質体に接触させ、
   前記液体のうち、前記多孔質体から排出された気泡が存在する領域に超音波を加える、気体導入方法。

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