JP2018122234A - ファインバブル発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型のポンプを必要とせず、小型かつ低コストで十分に気泡径が小さく、低い水圧及び少ない水量で所望の量の気泡密度の高いファインバブルを発生させる装置を提供。【解決手段】気泡分離機構、渦流発生機構２４、バブル発生機構２２及び粉砕機構を組み合わせ、気液流入管２１に導入された水系組成物と空気の混合流体は、バブル発生機構２２に導入され、ここでバブルを含む混合流体となり、バブル発生機構２２は、円錐形状を有する中空の部材からなり、該円錐面の一部に１ないし複数の貫通孔２９が設けられた構造を有しており、気液流入管に導入された混合流体は、バブル発生機構２２の外側から貫通孔２９を通過して、バブル発生機構２２の内部に導入され、ここでバブルが発生し、比較的低い水圧及び少ない水量で所望の粒径及び濃度のファインバブルを発生させることを可能にし、従って小型かつ低コストのファインバブル発生装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、ファインバブル発生装置に関する。より具体的には、大型ポンプ等の設備が不要であり、サイズが小さくコストの低いファインバブル発生装置に関する。

近年、ファインバブルと呼ばれる微小な泡が、水質浄化などの環境分野、洗浄や燃焼改善などの産業分野、殺菌や洗浄などの食品分野、風呂や健康増進などの日常分野といった様々な分野において活用されている。

ファインバブルとは、直径１００μｍ以下の気泡のことをいい、その内、直径１〜１００μｍの目視可能な白濁の気泡をマイクロバブル、直径１μｍ以下の目視不可能な無色透明なものをウルトラファインバブルという（ファインバブル学会連合ＨＰ：http://www.fb-union.org/index.html）。

ファインバブルは、非常に微小であるために、通常の気泡に比べて様々な特徴的な性質を有している。特に、通常の気泡に比べて同じ容積では比表面積が大きいことから、気液界面での作用面における物理的吸着力が非常に大きくなっている。いずれの応用分野においても、気泡のこの吸着作用が重要であり、したがって、同一体積中の気泡の表面積をなるべく大きくするために、気泡径をなるべく小さく、気泡の密度をなるべく高くすることが好ましい。

現在知られているファインバブル発生装置としては、例えば、特開２００６−２８９１８３号公報には、マイクロバブルを含む液体を貯留槽へ供給し、この液体に対して超音波振動を印加することにより、液体中のマイクロバブルを圧壊し、液体中にナノバブルを生成する方法および装置が記載されている。また、特開２０１２−２５０１３８号公報には、液体中に含まれる微小気泡に高圧を印加し、物理的刺激を加えることにより、微小気泡を急激に縮小させる装置が記載されている。

特開２００６−２８９１８３号公報 特開２０１２−２５０１３８号公報

ファインバブル学会連合ホームページ http://www.fb-union.org/index.html

しかしながら、上記したようなファインバブル発生装置は、ファインバブルの発生に高圧ポンプや大型の装置を要し、そのため設置スペースや導入コストの増大の問題があった。また、従来の装置のままで省スペース・低コストの小型ポンプを用いる場合には、水量および水圧に制限があるため、ファインバブルの発生が十分に得られないという問題があった。

したがって、従来の装置よりも、低い水圧および少ない水量であっても所望の量のファインバブルを発生することができる、小型で低コストのファインバブル発生装置が求められている。

本発明はそのような状況に鑑み、大型のポンプを必要とせず、小型かつ低コストで、十分に気泡径が小さく、気泡密度の高いファインバブルを発生させることができる装置を提供することを目的とする。また、そのような装置を用いた、ファインバブルの製造方法を提供することを目的とする。

したがって、本発明によれば、以下のファインバブル発生装置および製造方法が提供される。
（１）液体と空気との混合流体からファインバブル含有流体を発生させるためのファインバブル発生機構を備えたファインバブル発生装置であって、
前記ファインバブル発生機構は、
前記混合流体の導入側と、ファインバブル含有流体の排出側とを区画する壁を備え、
前記壁は、底部が開口した錐体、錐台および柱体からなる群から選択される形状を有し、
前記壁で区画された形状の側面の少なくとも１部に、混合流体を壁の内側に導入するための貫通孔が形成されており、
前記混合流体は、貫通孔を通じて壁内部に導入され、ファインバブル含有流体となって前記開口部から排出されることを特徴とする、ファインバブル発生装置。
（２）前記混合流体を導入する気液流入管と、
前記気液流入管を筒の中心に設けた円筒状の気液混相流発生機構と、
前記気液混相流発生機構内部を二分するように設け、２〜４個の孔を有する上面と前記上面の孔とずらして配置された２〜４個の孔を有する下面を備え、前記上面の孔と前記下面の孔とはそれぞれ対応するように貫通する渦流発生機構と、
前記気液混相流発生機構の側面に設けた排出管と、
をさらに備え、
前記バブル発生機構が前記気液流入管の混合流体排出側に設けられており、
前記気液流入管は前記円筒の上面から中心に貫通し、かつ混合流体排出側の端部を筒本体の底部と隙間を空けて設けた、（１）に記載のファインバブル発生装置。
（３）前記混合流体を導入する気液流入管と、
１ｍｍ以上の粒径を有する気泡を分離する大径気泡除去機構と、
前記大径気泡除去機構とそれに隣接する中槽部の間に設けた、２〜８個の連絡孔を有する第１仕切部と、
前記連絡孔を介して前記大径気泡除去機構から前記混合流体が流入する中槽部と、
前記中槽部内に下部を開口させて設けた円筒状のスカート部と、
前記スカート部内に上部を開口させて設け、内部の螺旋構造により渦流を発生させる円筒状の渦流発生機構と、
前記中槽部に隣接する下槽部内に配置した、気泡を細断する気泡細断機構と、
前記下槽部の側面に設けた排出管と、
をさらに備え、
前記バブル発生機構が、前記渦流発生機構下流に設けられている、（１）に記載のファインバブル発生装置。
（４）前記貫通孔の数が２〜６個であり、前記貫通孔が前記側面の周囲に等間隔で設けられている、（１）〜（３）のいずれかに記載のファインバブル発生装置。
（５）前記貫通孔の内径が、２ｍｍ〜１０ｍｍである、（１）〜（４）のいずれかに記載のファインバブル発生装置。
（６）１〜４個の前記バブル発生機構を、前記排出管中にさらに備える、（１）〜（５）のいずれかに記載のファインバブル発生装置。
（７）前記気液流入管における最大圧力が、０．１５〜０．２５ＭＰａである、（１）〜（６）のいずれか一項に記載のファインバブル発生装置。
（８）（１）〜（７）のいずれかに記載のファインバブル発生装置を用いる、ファインバブル製造方法。

本発明によるファインバブル発生装置は、本発明者らが発明したバブル発生機構を用いることにより、従来の装置と比較して、比較的低い圧力および少ない水量であっても、所望の粒径および濃度のファインバブルを発生させることが可能であり、したがって小型かつ低コストのファインバブル発生装置を提供可能にするものである。

また、本発明者らは、本発明者らが発明したバブル発生機構と、渦流発生機構、および大径気泡分離機構を組み合わせることにより、更に効率的なファインバブルの発生を可能にすることを見出した。

本発明の一実施形態におけるファインバブル発生装置の概略図である。 図１に記載のファインバブル発生装置の渦流発生機構の概略図である。 本発明の別の実施形態におけるファインバブル発生装置の概略図である。 図３に記載のファインバブル発生装置の渦流発生機構の断面図である。 本発明のファインバブル発生装置のバブル発生機構の好ましい形態の例である。 本発明のバブル発生機構の概略図である。

バブルの定義
ファインバブル
本発明において、ファインバブルとは、直径１００μｍ以下の気泡のことをいい、その内、直径１〜１００μｍの目視可能な白濁の気泡をマイクロバブル、直径１μｍ以下の目視不可能な無色透明なものをウルトラファインバブルというものとする。マイクロバブルとウルトラファインバブルとの明確な差は、ウルトラファインバブルでは可視光を散乱しないため肉眼では直接観察できず、マイクロバブルでは白濁により存在を確認できる点である。本発明においては、マイクロバブルを含むファインバブルの発生確認は、このような白濁を目視で確認することにより行った。またウルトラファインバブルについては、以下で詳述するレーザー回折により個数分布による粒度分布を測定し、その存在を確認した。

ウルトラファインバブルの粒度分布測定方法
ウルトラファインバブルの個数分布による粒度分布測定は、以下の条件にて行った。
分析装置：測定機器 マイクロトラックシリーズ（microtrac version 10.5.3-22tR）（マイクロトラック・ベル株式会社）
バブル発生装置：図１に記載の装置
バブル発生溶媒：水道水（室温）

ミリバブル・サブミリバブル
本発明において、ミリバブルとは、１〜１００ｍｍの気泡のことをいい、サブミリバブルとは、１００μｍ〜１ｍｍの気泡のことをいう。本発明においては、これらのバブルの発生確認は目視で確認することにより行った。

実施形態
本発明によるファインバブル発生装置について図面を参照しながら説明する。

本発明の一実施形態によるファインバブル発生装置を、図１を参照しながら説明する。第１の実施形態によるファインバブル発生装置２０は、液体と空気の混合流体を導入する気液流入管２１と、気液流入管２１の混合流体排出側に設けられたバブル発生機構２２と、気液流入管２１が管の中心に設置されるようにした円筒状の気液混相流発生機構２５と、該気液混相流発生機構２５の側面に設けられた、ファインバブルを含む液体を排出するための排出管２６とを備えている。気液混相流発生機構２５は、円筒形状を有しており、筒本体の上面から気液流入管２１が筒の中心に貫通され、気液流入管２１の混合流体排出側の端部が、筒本体の底部と隙間を空けて配置されている。また、筒本体の内部は、渦流発生機構２４によって、筒本体の底部側の下槽部２３ａと、筒本体の上部側の上槽部２３ｂに二分されている。渦流発生機構２４は、２個ないし４個の孔を有する上面２７ａと、上面の孔とずらして配置された２個ないし４個の孔を有する下面２７ｂとを備えており、上面の孔と下面の孔とはそれぞれが対応するように貫通している。即ち、図２に示すように、渦流発生機構の断面において、各貫通孔２８が、上面２７ａまたは下面２７ｂの面と一定の角度を有するように傾斜して配置されている。

まず、気液流入管２１に導入された水系組成物と空気の混合流体は、バブル発生機構２２に導入され、ここでバブルを含む混合流体となる。バブル発生機構２２は、円錐形状を有する中空の部材からなり、該円錐面の一部に１ないし複数の貫通孔２９が設けられた構造を有している。気液流入管に導入された混合流体は、バブル発生機構２２の外側から貫通孔２９を通過して、バブル発生機構２２の内部に導入され、ここでバブルが発生する。このようなバブル発生機構２２を設けることによって、比較的低い水圧および少ない水量であっても十分にファインバブルを生成することができる。

バブル発生機構２２によってバブルを含む混合流体となった水系組成物は、気液流入管２１の端部から排出されて、気液混相流発生機構２５の下槽部２３ａに導入され、続いて、渦流発生機構２４の貫通孔２８を通過して、気液混相流発生機構２５の上槽部２３ｂに導入される。貫通孔２８は、上記したように断面方向において斜傾して設けられているため、該貫通孔２８をバブルを含む水系組成物が通過すると、バブルを含む水系組成物は上槽部２３ｂ内で渦流となる。上槽部２３ｂ中で気液流入管２１のパイプを中心に渦を作り、その際に、比重の軽い大きな径のバブルを含む水系組成物は上槽部２３ｂの内側(円筒形状の中心側)に集まり、上槽部２３ｂの上部へと分離され、一方、小さな径のバブルを含む水系組成物は遠心力により上槽部２３ｂの外側（円筒形状の外周側）へ押し出される。このようにして、径が小さいバブルを多く含む水系組成物を生成させ、気液混相流発生機構２５の側面に設けられた排出管２６を通じて排出する。

排出管２６には、所望により、気液流入管２１と同様に、その管内部にバブル発生機構２２を設けることができ、小さな径のバブルを含む水系組成物が通過すると、より一層、径の小さなバブルを含む水系組成物とすることができる。所望により、排出管２６中のバブル発生機構２２は２個以上を並列に配置してもよく、装置全体２０におけるバブル発生機構２２を３個以上とすることで、ファインバブルの発生効率を向上することが可能である。気液流入管２１中に１個、排出管２６中に１〜４個のバブル発生機構２２を設けることが好ましい。

本発明の第２実施形態によるファインバブル発生装置３０を図３を参照しながら説明する。第２実施形態によるファインバブル発生装置３０は、水系組成物と空気の混合流体を導入する気液流入管３７と、径の比較的大きな気泡を分離する大径気泡除去機構３１と、大径気泡除去機構３１とその下の中槽部３３とを仕切り、貫通孔３２ａを備える第一仕切部３２と、大径気泡除去機構３１からの気液混相流が流入する中槽部３３と、中槽部３３内に下部を開口させて配置したスカート部３４と、螺旋構造により渦流を発生させる渦流発生機構３５と、渦流発生機構３５内に配置され、貫通孔３６ａを備えるバブル発生機構３６と、下槽部４０内に配置された、気泡細断機構３８と、気泡細断機構上に設けられた貫通孔３８ａと、下槽部４０の側面に設けられたファインバブルを含む水系組成物を排出するための排出管３９とを備えている。大径空気除去機構３１、中槽部３３、下槽部４０、スカート部３４、渦流発生機構３５、気泡細断機構３８は、いずれも円筒形状を有しているが、他の実施形態として、断面が円形以外の多角形を有する筒状形状としてもよい。

まず、ファインバブル発生装置３０へポンプを用いて気液流入管３７から空気および水系組成物を圧送すると、大径気泡除去機構３１の底面へ衝突する際に気泡を発生させながら空気と水系組成物との混合流体が大径気泡除去機構３１中心部に設置された径の小さな円筒機構３１ａに溜まる。その後、該円筒機構３１ａから気泡を含んだ混合流体があふれ出る際に、比較的径の大きな気泡は大径気泡除去機構３１の上部へと分離する。円筒機構３１ａからあふれ出た混合流体が第一仕切部３２に備えられた貫通孔３２ａから中槽部３３へと浸入すると、スカート部３４と図４に示すように内部に螺旋構造を有する渦流発生機構３５との間を進む。気液混合流体が該渦流発生機構３５の上端部へ到達すると、渦流発生機構３５上部の空隙に比較的大きな径の気泡がトラップされる。該トラップされた気泡は渦流発生機構３５へ流入する気液混相流に削られて取り込まれ、渦流発生機構３５内部に形成された螺旋構造により混相流が誘導されて渦流が発生する。該渦流は、円錐形状のバブル発生機構３６上の外側から貫通孔３６ａを通過して、バブル発生機構３６の内部に導入され、ここでバブルが発生する。このようなバブル発生機構３６を設けることによって、比較的低い水圧および少ない水量であっても十分にファインバブルを生成することができる。その後、水流の進行方向に対して垂直に配置された円筒状の気泡細断機構３８内で更に微小にファインバブルが細断される。そのようにして発生したファインバブルを多く含む水系組成物は、円筒状の気泡細断機構３８から貫通孔３８ａを通じて下槽部４０へ排出され、その後、下槽部４０側面に設けられた排水管３９から排出される。また、本発明による別の実施形態では、所望により円錐形状のバブル発生機構３６を複数配置することができる。

図５に示すように、本発明によるバブル発生機構は、液体と空気との混合流体の導入側と、バブル含有流体の排出側とを区画する壁を備え、該壁は、底部が開口した錐体、錐台および柱体からなる群から選択される形状を有し、該壁で区画された形状の側面の少なくとも一部に、混合流体を壁の内側に導入するための貫通孔が形成されている。混合流体は、貫通孔を通じて壁内部に導入され、バブル含有流体となって、底部の開口部から排出される。

本発明によるバブル発生機構の壁に設けられた貫通孔の数は、好ましくは３〜６個であり、壁部の周囲に等間隔で設けられることが好ましい。また、孔の形状は、任意の形状とすることができ、限定されるものではないが、好ましくは、円である。貫通孔が円である場合、その内径は、２ｍｍ〜１０ｍｍであり、好ましくは２ｍｍ〜６ｍｍである。

バブル発生機構が、円錐形状の場合、高さを８ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍ、最も好ましくは１２ｍｍ〜２５ｍｍとすることができ、底部の内径を６ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは８ｍｍ〜１８ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍ〜１６ｍｍとすることができる。

バブル発生機構が円錐台形状の場合、円錐台部の高さを８ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍ、最も好ましくは１２ｍｍ〜２５ｍｍとすることができ、上底部の内径を５ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは６ｍｍ〜９ｍｍ、最も好ましくは７ｍｍ〜８ｍｍとすることができ、下底部の内径を６ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは８ｍｍ〜１８ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍ〜１６ｍｍとすることができる。

バブル発生機構が、円柱形状の場合、高さを８ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ３０ｍｍ、最も好ましくは１２ｍｍ〜２５ｍｍとすることができ、底部の内径を６ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは８ｍｍ〜１８ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍ〜１６ｍｍとすることができる。

また、バブル発生機構を構成する壁の厚さは、０．５ｍｍ〜８ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍ、最も好ましくは２ｍｍ〜３ｍｍであり、好ましくはアルミ合金、ステンレス鋼、黄銅などの金属または樹脂等で製造される。

貫通孔は、２個〜８個、好ましくは２個〜６個、最も好ましくは２個〜４個とすることができ、複数配置する場合には、好ましくは、均等な角度で間隔を空けて配置する。例えば、貫通孔が２個の場合には、１８０°の角度で配置する。また、バブル発生機構が円錐の場合には、孔は円錐頂部から、軸方向下向きに２ｍｍ〜１８ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜１５ｍｍ、最も好ましくは５ｍｍ〜１０ｍｍの位置に配置することができる。錐台および柱体の場合には、孔は上底部から、軸方向下向きに１ｍｍ〜１８ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜１５ｍｍ、最も好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍの位置に配置することができる。

孔の直径は、８．９Ｌ毎分の出力のポンプを用いる場合、１ｍｍ〜４ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍ、最も好ましくは２ｍｍ〜３ｍｍである。孔の直径は、用いるポンプの性能などにより適宜変更することが好ましい。

渦流発生機構として、スカート部および螺旋構造を用いる場合、渦流発生機構の２種類の管の内、外管の内径は、１０ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは１５ｍｍ〜２５ｍｍ、最も好ましくは１７ｍｍ〜２０ｍｍとすることができる。また、内管の内径は、６ｍｍ〜〜２４ｍｍ、好ましくは１１ｍｍ〜２１ｍｍ、最も好ましくは１３ｍｍ〜１６ｍｍとすることができる。

また、渦流発生機構の外管の長さは、２５ｍｍ〜９５ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ〜８５ｍｍ、最も好ましくは３５ｍｍ〜７５ｍｍとすることができ、内管の長さは、３５ｍｍ〜９５ｍｍ、好ましくは４５ｍｍ〜８５ｍｍ、最も好ましくは５５ｍｍ〜７５ｍｍとすることができる。

内管の内面に形成された螺旋部材の螺旋ピッチは、１ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜２０ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍ〜１５ｍｍとすることができる。螺旋部材の溝幅は、２ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜１５ｍｍ、最も好ましくは５ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。内面に溝が施されている部分の長さは、１０ｍｍ〜８５ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜７５ｍｍ、最も好ましくは３０ｍｍ〜６０ｍｍとすることができる。

本発明の別の実施形態によれば、図３に示すファインバブル発生装置３０の中槽部３３において、バブル発生機構３６を複数個並列に配置してもよい。例えば、２個のバブル発生機構３６を並列して配置することができる。並列に配置する場合には、直列に配置する場合と比較して、ポンプの出力性能による影響を受けにくい。

本発明の更に別の実施形態によれば、図３に示すファインバブル発生装置３０の中槽部３３において、バブル発生機構と他のバブル発生機構とを組み合わせて使用することができる。そのような機構としては、例えば、加圧溶解方式の機構を使用することができる（図示せず）。本発明によるバブル発生機構の上流に加圧溶解機構を付与することによって、発生するバブルの濃度を更に向上することができる。ここで、加圧溶解機構を付与することにより、装置全体の圧力（ポンプの要求圧力）が上がるため、小型化するには加圧溶解機構の圧力は低いことが好ましく、例えば、０．２ＭＰａ〜０．１５ＭＰａとすることが好ましい。

本発明の更に別の実施形態によれば、図３に示すファインバブル発生装置３０の中槽部３３において、渦流発生機構３５およびバブル発生機構３６をそれぞれ複数個直列に配置してもよい（図示せず）。例えば、第一渦流発生機構、第一バブル発生機構、第二渦流発生機構、第二バブル発生機構などの順番で、交互に配置することができる。該バブル発生機構３６を複数備える場合には、所望の条件により２個以上とすることができるが、好ましくは２個〜４個である。

本発明の更に別の実施形態によれば、図３に示すファインバブル発生装置３０の中槽部３３において、渦流発生機構３５およびバブル発生機構３６の上流に、気泡を粗粉砕する機構を更に備えていても良い。そのような機構としては、これらに限定されるものではないが、例えば、ベンチュリー管や、軸方向に対して垂直方向に配置し、前後の機構と連通した横筒とすることができる。これらの機構を更に配置することにより、バブルをより細かく効率よく発生させることができる。

図３に記載のように、下槽部４０は、中槽部３３で発生したファインバブルを更に粉砕し、増幅するバブル粉砕部３８と、発生したファインバブルを排出する排出管３９とを備える。中槽部３３で発生したバブルは、前記バブル発生機構３６の下部開口部を通じてバブル粉砕部３８へ供給され、該粉砕部３８内で更に細かく粉砕される。

図３に示したファインバブル発生装置３０において、バブル粉砕部３８は、軸方向に垂直に配置された中空状の円筒形状を有する。該円筒の上底および下底は閉じられており、その両端の円周上に複数の孔３８ａを備える。粉砕部３８へ中槽部の軸方向に流入してきたバブルを含む旋回流が、軸方向に対して垂直方向へ方向転換されることにより、バブルを更に細かく粉砕することができる。また、細かく粉砕されたバブルは、円筒上の複数の孔３８ａから排出され、該円筒を含む下槽部４０内で増幅されたのち、排出管３９を介してファインバブル発生装置３０から排出される。

前記円筒は、２０ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは２５ｍｍ〜４５ｍｍ、最も好ましくは３０ｍｍ〜４０ｍｍの長さ、５ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜２５ｍｍ、最も好ましくは１５ｍｍ〜２０ｍｍの内径を有する。

前記円筒上の孔は、２個〜１０個、好ましくは２個〜８個、最も好ましくは４個〜８個とすることができる。また、前記孔のサイズは、１ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜５ｍｍ、最も好ましくは３ｍｍ〜４ｍｍとする。また、孔は円周上に等間隔に配置することが好ましい。孔の形状は、任意の形状とすることができ、限定されるものではないが、好ましくは、円である。

前記円筒壁の厚さは、１ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍ、最も好ましくは２ｍｍ〜３ｍｍとすることができ、好ましくは、アルミ合金、ステンレス鋼、黄銅などの金属または樹脂等で製造される。

図３に示したファインバブル発生装置３０において、本発明の別の実施形態によれば、バブル発生機構の下流にバブルの粒度を調整する機構を更に備えていても良い（図示せず）。そのような機構としては、これらに限定されるものではないが、例えば、ベンチュリー管、超音波粉砕等とすることができる。より詳細には、例えば、バブル発生機構から流入した水を排出口３９と逆側に放出し、下槽部４０内で方向転換をさせることにより、バブルの大きな塊を粉砕したり、または壁部へ衝突させる衝撃により、更に粉砕したりすることができる。これらの機構を配置することにより、前工程で発生したファインバブルを更に粉砕することができる。

図３に示したファインバブル発生装置３０において、本発明の更に別の実施形態によれば、下槽部４０の排出管３９の中に更にバブル発生機構を配置することができる。バブル発生機構は、好ましくは、中槽部３３内に配置したものと同様の構造を有する。

図３に示したファインバブル発生装置３０において、上記したいずれの実施形態においても、上槽部３１、中槽部３３、および下槽部４０をこの順序で接続する限り、任意の形態で接続し配置することができる。例えば、上槽部３１のみを独立して配置し、中槽部３３および下槽部４０を縦に重ねて配置することができる。また、例えば、上槽部３１の下に中槽部３３を、中槽部３３の下に下槽部４０を縦に重ねて一列に配置することができる。

本発明によるファインバブル発生装置は、これらの組合せに限定されるものではなく、所望の装置の大きさやバブルの発生濃度・量に応じて、本発明による効果が発揮できるような任意の組合せにより配置することができる。

本発明を、以下の実施例により具体的に説明するが、例示のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

実施例１ バブル発生機構および渦流発生機構の構造の違いによるバブル発生の差異
バブル発生機構および渦流発生機構の形状や有無による、バブル発生状況への影響を試験した。
（１）バブル発生機構
本発明のファインバブル発生装置に使用されるバブル発生機構として、円錐形状であり、孔を１８０°の角度（即ち、中心を挟んで反対側）で２個設けたもの（高さ：２５ｍｍ、底面内径：１６ｍｍ、孔径：２ｍｍ）を使用した。また、別形状のバブル発生機構の例としては、直方体形状（高さ：２５ｍｍ、縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ）であり、孔を１８０°の角度（即ち、向かい合う平面上）で２個設けたものを使用した。バブル発生機構無しの例では、中槽部と下槽部との境界平面上に、同径の孔を２個配置した。
（２）渦流発生機構
本発明のファインバブル発生装置に使用される渦流発生機構については、２つの管（外管内径：１７ｍｍ、外管長さ：７５ｍｍ、内管内径：１５ｍｍ、内管長さ：７５ｍｍ、螺旋ピッチ：１５ｍｍ、螺旋溝幅：１０ｍｍ、螺旋部長さ：５５ｍｍ）の内、口径の大きい外管（スカート部）を変化させてバブルの発生状況を比較した。具体的には、スカート部を中槽部の最下端から５ｍｍ上にずらして配置したものを通常のスカート部として用い、別形態の例として、スカート部が無いもの、およびスカート部の長さが半分のものを用いた。
（３）手順
ポンプ（浅野製作所製）を用いて、８．９Ｌ／分の出力で本発明によるファインバブル発生装置に水を導入し、１０Ｌの水（水道水、室温）を入れた水槽内でファインバブルを発生させた。装置の稼働開始後１分で停止し、バブルの発生状況を調べた。ファインバブルの発生状況については、目視で行った。
（４）結果
バブルの発生結果を以下の表１にまとめる。

例１−１は、発生機構として円錐を用い、スカート部（外管）を第二槽部の下端から５ｍｍ上にずらして配置したものである。本例における装置を用いて試験を行ったところ、水槽内の水は完全に白濁し、良好にファインバブルが発生した。

例１−２は、発生機構を除去し、スカート部は例１−１と同様に設置したものである。本例における装置を用いて試験を行ったところ、バブルは発生しなかった。例１−１では良好にファインバブルが発生したことから、円錐形状の発生機構無しではファインバブルが発生しない条件下でも、円錐形状の発生機構があることでファインバブルが発生することがわかった。したがって、低水圧および少ない水量でファインバブルを発生させるために、バブル発生機構が重要な役割を果たしていると考えられる。

例１−３は、発生機構の形状を直方体とし、スカート部は例１−１と同様に設置したものである。本例における装置を用いて試験を行ったところ、ファインバブルの発生は見られたがその濃度が低く、水槽内の水が完全に白濁するまでには至らなかった。したがって、バブル発生機構の形状として、直方体よりも円錐の方が好ましいと考えられる。

例１−４は、発生機構は例１−１と同様に円錐を用い、スカート部を除去したものである。本例における装置を用いて試験を行ったところ、ファインバブルではなく径の大きいミリバブルが発生した。また、例１−５においてスカート部の長さを例１−１の半分の長さにしたところ、発生したのは大部分がミリバブルであり、マイクロバブルは少量しか発生しなかった。これらの結果から、スカート部がファインバブル化を阻害する浮力が強くサイズの大きな空気塊が渦流発生機構および円錐形状のバブル発生機構へ流れこむのを防いでいると考えられる。

実施例２ 円錐形状のバブル発生機構が発生限界圧力へ与える影響
本発明のファインバブル発生装置における発生機構の、バブルが発生する限界圧力への効果を検証するために、円錐形状の発生機構を除去したものと、円錐形状の発生機構を通常通り備えたものに対して、装置へ導入する水量を変化させてファインバブルの発生状況を比較した。円錐の有無と導入する水量以外の条件については、実施例１の例１−１と同様の条件で試験を行った。結果を以下の表２に記載する。

発生機構として円錐を用いると、円錐を用いなかった場合よりも、低水圧、低水量でファインバブルが発生した。したがって、本発明による円錐形状の発生機構を用いることにより、従来のような大型のポンプで大型の装置へ水を高圧で圧送する必要がないことから、小型のポンプを用いた小型の装置でファインバブルを発生させることができる。

本発明によるバブル発生装置を用いると、従来装置よりも低い、０．１ＭＰａの装置入口圧力で十分な濃度のファインバブルを発生させることが可能である。従来よりも低い圧力で、所望の用途に用いるのに十分な濃度を発生させることが可能であるため、高圧な寸法の大きいポンプを用いる必要がなく、設置スペースやコスト面で優れたファインバブル発生装置を提供することが可能である。

また、ポンプの出力を上げたところ、出力 ９．２Ｌ／分（装置入口圧力 ０．１６ＭＰａ）、出力 １６Ｌ／分（装置入口圧力 ０．２ＭＰａ）、および出力 ２２Ｌ／分（装置入口圧力 ０．２５ＭＰａ）でファインバブルが発生した。より大型のポンプを用いて出力を６８Ｌ／分まで上げたところ、装置入口圧力は１ＭＰａまで上昇したが、ファインバブルの発生濃度は、本実施形態によるポンプを用いて出力を２２Ｌ／分とした場合と同程度であった。したがって、本発明によるファインバブル発生装置は、大型ポンプを用いなくても、従来の大型の装置と遜色ない程度にファインバブルを発生させることが可能である。

実施例３ 円錐上の孔の位置および個数がバブル発生へ与える影響
本発明のバブル発生機構における孔の位置および個数が、バブルの発生状況へ与える影響について検証した。孔の位置および個数は、図６に示すように、ａ〜ｆのパラメータにより規定した。ここで、ａは円錐底部から孔下端部までの軸方向の距離、ｂは円錐頂部から孔上端部までの軸方向の距離、ｃは孔の個数、ｄは孔の内径、ｅは円錐底部の内径、ｆは円錐部の軸方向の長さ、ｇは孔の配置角度である。孔の位置および個数以外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。結果を以下の表３に記載する。

これらの結果から、円錐に設けられる孔は、２つ以上であることが望ましい。また、２つ以上の孔を設置する場合には、４５°〜１８０°の角度で設置することが可能である。特に、２つの孔を設置する場合には、１８０°で設置することが最も好ましい。孔のサイズは、本実施例においては、内径を１〜４ｍｍとしたが、好ましいサイズは設定する水量によって変化するため適宜調整する必要がある。

また、本実施例の３−１と同条件にて、ポンプの出力水量を２２Ｌ／分まで上げたところ、孔の内径が８ｍｍまではファインバブルの十分な発生を確認することができた。さらに孔の内径を１０ｍｍにしたところ、その濃度は低いもののファインバブルの発生を確認することができた。したがって、本発明による装置に用いる場合、バブル発生機構の円錐部に設けられる孔の内径として、１〜１０ｍｍが好ましい範囲である。

実施例４ 改良形態を用いたファインバブル発生試験
図１に記載のファインバブル発生装置を用いてファインバブルを発生させ、その粒径を測定した。

（１）粒径測定条件
測定機器
マイクロトラックシリーズ（microtrac version 10.5.3-225R）
光学台：ＭＴ３０００ＩＩ
水槽容積：４Ｌ

（２）粒径測定方法
水道水およびカゼインナトリウムを０．０１％加えた水中でファインバブルを発生させた。該装置稼働５分後および停止５分後におけるサンプルの粒径を、上記の測定条件にて測定した。

（３）粒径測定結果
本発明による添加剤のうち、カゼインナトリウムを加えて生成したファインバブルおよび添加剤無添加の水道水中で生成したファインバブルの、ファインバブル発生装置稼働開始５分後および該装置の停止後５分後における、最頻出粒径、平均粒径および累積５０％粒径の測定値を以下の表４に記載する。

このように、本発明の図１に記載のファインバブル発生装置を用いて、ファインバブルが発生することが確認された。

実施例５ ウルトラファインバブル発生試験
図１に記載のファインバブル発生装置を用いた場合の、ファインバブルの発生に伴うウルトラファインバブルの発生状況を確認した。

（１）粒度分布測定条件
測定機器
マイクロトラックシリーズ（microtrac version 10.5.3-225R）
光学台：ＵＰＡ−ＵＺ
水槽容積：４Ｌ

（２）粒度分布測定方法
水道水（室温）中で図１に記載の装置を稼働させ、バブルを発生させた。該装置の稼働５分後および停止５分後のサンプルの、０．８００ｎｍ〜６，５４０ｎｍの測定範囲内における粒度分布（個数分布）を、上記の測定条件にて測定した。

（３）粒度分布測定結果
水道水中でバブル発生装置を稼働させた５分後と、停止した５分後における、最頻出粒径、平均粒径および累積５０％粒径の測定値を以下の表５に記載する。

上記の結果から、１μｍ（＝１０００ｎｍ）以下のウルトラファインバブルの発生を確認することができた。また、ウルトラファインバブルに特徴的な挙動である、経時的な粒径の減少も確認することができた。ウルトラファインバブルの発生のためには、通常、ファインバブルの発生よりも大型で高額な装置を必要とするため、本発明による装置は、非常に小型で簡易な構造を有する点において非常に優れているといえる。

産業上利用可能性
本発明によるファインバブル発生装置、および該装置を用いたファインバブルの製造方法は、例えば、衣服等の洗浄に用いるためのファインバブルの製造、医療施設における入浴に用いるためのファインバブルの製造等において有用である。

２０ ファインバブル発生装置
２１ 気液流入管
２２ バブル発生機構
２３ａ 下槽部
２３ｂ 上槽部
２４ 渦流発生機構
２５ 気液混相流発生機構
２６ 排出管
２７ａ 上面
２７ｂ 底面
２８ 貫通孔
２９ 貫通孔
３０ ファインバブル発生装置
３１ 大径気泡分離機構
３１ａ 筒状機構
３２ 第一仕切部
３２ａ 貫通孔
３３ 中槽部
３４ スカート部
３５ 渦流発生機構
３６ バブル発生機構
３７ 気液流入管
３８ 気泡細断機構
３８ａ 貫通孔
３９ 排出管
４０ 下槽部
５０ 壁
５１ 貫通孔

Claims (8)

1. 液体と空気との混合流体からファインバブル含有流体を発生させるためのファインバブル発生機構を備えたファインバブル発生装置であって、
   前記ファインバブル発生機構は、
   前記混合流体の導入側と、ファインバブル含有流体の排出側とを区画する壁を備え、
   前記壁は、底部が開口した錐体、錐台および柱体からなる群から選択される形状を有し、
   前記壁で区画された形状の側面の少なくとも１部に、混合流体を壁の内側に導入するための貫通孔が形成されており、
   前記混合流体は、貫通孔を通じて壁内部に導入され、ファインバブル含有流体となって前記開口部から排出される、ことを特徴とする、ファインバブル発生装置。
2. 前記混合流体を導入する気液流入管と、
   前記気液流入管を筒の中心に設けた円筒状の気液混相流発生機構と、
   前記気液混相流発生機構内部を二分するように設け、２〜４個の孔を有する上面と前記上面の孔とずらして配置された２〜４個の孔を有する下面を備え、前記上面の孔と前記下面の孔とはそれぞれ対応するように貫通する渦流発生機構と、
   前記気液混相流発生機構の側面に設けた排出管と、
   をさらに備え、
   前記バブル発生機構が前記気液流入管の混合流体排出側に設けられており、
   前記気液流入管は前記円筒の上面から中心に貫通し、かつ混合流体排出側の端部を筒本体の底部と隙間を空けて設けた、
   請求項１に記載のファインバブル発生装置。
3. 前記混合流体を導入する気液流入管と、
   １ｍｍ以上の粒径を有する気泡を分離する大径気泡除去機構と、
   前記大径気泡除去機構とそれに隣接する中槽部の間に設けた、2〜8個の連絡孔を有する第１仕切部と、
   前記連絡孔を介して前記大径気泡除去機構から前記混合流体が流入する中槽部と、
   前記中槽部内に下部を開口させて設けた円筒状のスカート部と、
   前記スカート部内に上部を開口させて設け、内部の螺旋構造により渦流を発生させる円筒状の渦流発生機構と、
   前記中槽部に隣接する下槽部内に配置した、気泡を細断する気泡細断機構と、
   前記下槽部の側面に設けた排出管と、
   をさらに備え、
   前記バブル発生機構が、前記渦流発生機構下流に設けられている、
   請求項１に記載のファインバブル発生装置。
4. 前記貫通孔の数が２〜６個であり、前記貫通孔が前記側面の周囲に等間隔で設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のファインバブル発生装置。
5. 前記貫通孔の内径が、１ｍｍ〜１０ｍｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のファインバブル発生装置。
6. １〜４個の前記バブル発生機構を、前記排出管中にさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のファインバブル発生装置。
7. 前記気液流入管における最大圧力が、０．１〜０．２５ＭＰａである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のファインバブル発生装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のファインバブル発生装置を用いる、ファインバブル製造方法。

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