JP2019018203A - 気泡発生装置及び気泡発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡発生装置において、発生する気泡の大きさを小さくする。【解決手段】気泡発生装置Ｓは、液体が流れ、かつ第１の穴１１が形成されている管部１と、管部１の外側で、かつ第１の穴１１を覆うように設けられており、第２の穴２１が形成されている膜２と、第２の穴２１の外側から加圧することにより第２の穴２１から気体を注入する気体注入部３と、を有する。また、管部１は、第１の内径を有する第１管部１２と第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２管部１３と、第１管部１２と第２管部１３との間に位置し、かつ、第１の内径から第２の内径に拡径する拡径部１４と、を有し、第１の穴１１は、拡径部１４に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、気泡発生装置及び気泡発生方法に関する。

従来、気泡発生装置が利用されている。特許文献１には、縮流部、スロート部、及び拡散部を有する空間において、当該空間を流れる液体の圧力変化を利用して液体中に気体を混合させて、微細気泡を発生させる気液混合装置が開示されている。

特許第４６１９３１６号公報

特許文献１で示す気液混合装置を用いて微細気泡を生成する場合、発生する気泡はマイクロサイズ（例えば直径数十μｍ程度）である。しかしながら、気泡の滞留時間を長くするために気泡のサイズをさらに小さくすることが求められている。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、発生する気泡の大きさを小さくすることができる気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、液体が流れ、かつ第１の穴が形成されている管部と、前記管部の外側で、かつ前記第１の穴を覆うように設けられており、第２の穴が形成されている膜と、前記第２の穴の外側から加圧することにより前記第２の穴から気体を注入する気体注入部と、を有することを特徴とする気泡発生装置を提供する。

また、前記管部は、第１の内径を有する第１管部と、前記第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間に位置し、かつ、前記第１の内径から前記第２の内径に拡径する拡径部と、を有し、前記第１の穴は、前記拡径部に形成されていてもよい。

また、前記膜は、逆浸透膜であってもよい。また、前記気体注入部は、前記膜の外側に設けられており、かつ前記気体で満たされている密閉容器と、前記密閉容器の内側に前記気体を流す気体圧送部と、を有していてもよい。

本発明の第２の態様においては、液体が流れ、かつ第１の穴が形成されている管部を準備する工程と、前記第１の穴を覆うように、前記管部の外側に第２の穴が形成されている膜を装着させる工程と、前記管部に前記液体を流す工程と、前記液体を流している間に、前記第２の穴の外側から加圧することにより気体を注入する工程と、を有する気泡発生方法を提供する。

また、前記気体を注入する工程において、密閉容器で前記膜を覆う工程と、前記密閉容器に前記気体を注入する工程と、前記気体が前記密閉容器に入った状態で、前記密閉容器内を加圧する工程と、を有していてもよい。

本発明によれば、発生する気泡の大きさを小さくし、超微細な気泡（例えば、ナノサイズ）を発生させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る気泡発生装置の構成を示す。 第１の実施形態に係る気泡発生方法を示す。 第２の実施形態に係る気泡発生装置の構成を示す。

＜第１の実施形態＞
［気泡発生装置Ｓの構成］
気泡発生装置Ｓは、ファインバブルを含む液体を発生させる装置である。ファインバブルは、例えば直径１００μｍ以下の気泡であり、気泡の直径によって、マイクロバブル（直径１〜１００μｍ）又はウルトラファインバブル（直径１μｍ以下）の気泡に分類される。

ファインバブルは、例えば、気泡体積が微細であるため、上昇速度が遅く、長い間液体中に滞在することができる。ファインバブルは、複数の特異な性質を有するため、様々な産業分野での利用が期待されている。また、気泡径が小さくなるほど、持続時間の増加、浮力の減少、表面積増加、自己加圧効果の向上等が期待されるため、マイクロサイズよりも小さいナノサイズの気泡（ウルトラファインバブル）を生成することが求められている。

図１は、第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓの構成を示す図である。
気泡発生装置Ｓは、管部１、膜２、及び気体注入部３を有する。管部１は、液体が流れる管である。液体は、例えば水である。膜２は、管部１において穴が形成されている領域を覆うように設けられている。膜２には、微細な穴が形成されており、気体注入部３から膜２を介して気体を管部１に注入することにより、管部１を流れる液体にナノサイズの気泡を発生させることができる。

管部１は、第１管部１２、第２管部１３、及び拡径部１４を有する。第１管部１２は、第１の内径（Ｒ１）を有する。第２管部１３は、第１の内径（Ｒ１）よりも大きい第２の内径（Ｒ２）を有する。第１管部１２、第２管部１３、及び拡径部１４は、一体で成形されていてもよく、それぞれ独立した部材であってもよい。

拡径部１４は、第１管部１２と第２管部１３との間に位置し、かつ、第１の内径（Ｒ１）から第２の内径（Ｒ２）に拡径する部分である。拡径部１４には、第１の穴１１が形成されている。第１の穴１１は、例えば細長いスリットであるが、第１の穴１１の形状は任意である。また、第１の穴１１の数は任意であり、拡径部１４が網状の部材により形成されていてもよい。ただし、第１の穴１１の大きさは、膜２の伸縮性に基づいて定められており、膜２に圧力が加わったとしても、膜２が拡径部１４の内側にまで達しない大きさであることが好ましい。

拡径部１４は、第１の内径（Ｒ１）から第２の内径（Ｒ２）に徐々に拡径する円錐形状を有している。よって、拡径部１４の内側を流れる水は、拡径部１４の出口付近では、拡径部１４の入口付近よりも流速が減少し、圧力が増加するので、拡径部１４において圧力勾配が生じる。第１の穴１１は、拡径部１４に形成されている。拡径部１４において圧力が高くなることにより、拡径部１４に気体を注入することで発生した気泡が拡径部１４の内側において粉砕されて微細な気泡に変化することが期待できる。

膜２は、管部１の外側で、かつ第１の穴１１を覆うように設けられている。具体的には、膜２は、円筒状に形成されており、第１の穴１１を有する拡径部１４の外側面に接着されている。膜２には、第２の穴２１が形成されている。第２の穴２１は、例えばナノサイズ（例えば数百ナノメートル以下）の穴である。第２の穴２１の数は任意である。

膜２は、例えば逆浸透膜（ＲＯフィルム（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ））である。逆浸透膜は、ろ過膜の一種であり、孔の大きさは概ね数ナノメートル以下である。

気体注入部３は、第２の穴２１の外側から、拡径部１４の内部の圧力（例えば、拡径部１４の第２管部１３との境界位置での内部圧力）よりも高い圧力に加圧することにより第２の穴２１から気体を注入する機能を有する。気体注入部３は、密閉容器３１と気体圧送部３２とを有する。密閉容器３１は、膜２の外側に設けられており、かつ気体で満たされている容器である。気体圧送部３２は、密閉容器３１の内側に気体を流す機能を有する。気体圧送部３２は、例えばコンプレッサである。

気体圧送部３２は、例えば空気を圧送するが、気体圧送部３２が圧送する気体は、空気だけに限定されず任意である。気体圧送部３２は、例えばオゾンや水素を圧送してもよい。

第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓは、第１の穴１１が形成されている管部１の外側を囲む、第２の穴２１が形成されている膜２と、膜２の外側から加圧された気体を注入する気体注入部３とを有する。この結果、管部１内において、超微細（例えば、ナノサイズ）な気泡を発生させることができる。

発生したナノサイズの超微細な気泡は、ブラウン運動で浮上することはなく長期間、水の中に留まることができる。よって、第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓは、バブルを含んだ状態を長時間継続させることができる。また、気泡発生装置Ｓは、当該気泡が破裂するときに発生するエネルギーで、膜２に形成されている第２の穴２１の目詰まりが解消されることで、膜２の詰まりのサイクルが伸びることが期待できる。

なお、上記実施形態では、第１の穴１１は、拡径部１４に形成されているとしたが、第１の穴１１は、拡径部１４以外の第１管部１２又は第２管部１３に形成されていてもよい。また、第２の内径（Ｒ２）は、第１の内径（Ｒ１）よりも大きいとしたが、第２の内径（Ｒ２）は、第１の内径（Ｒ１）と同じ長さであってもよい。

［第１の実施形態に係る気泡発生方法］
次に、第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓによって気泡を発生させる方法を説明する。
図２は、第１の実施形態に係る気泡発生方法を示す図である。
まず、液体が流れ、かつ第１の穴１１が形成されている管部１を準備する（ステップＳ１）。次に、第１の穴１１を覆うように、管部１の外側に第２の穴２１が形成されている膜２を装着させる（ステップＳ２）。次に、管部１に液体を流す（ステップＳ３）。

次に、管部１に液体を流している間に、第２の穴２１の外側から加圧することにより気体を注入する。気体を注入する工程では、密閉容器３１で膜２を覆い（ステップＳ４）、密閉容器３１に気体を注入し（ステップＳ５）、気体が密閉容器３１に入った状態で、密閉容器３１内を加圧する（ステップＳ６）。このようにして、気泡発生装置Ｓによって、超微細な気泡（例えばナノサイズ）を発生させることができる。

［第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓによる効果］
気泡発生装置Ｓは、液体が流れ、かつ第１の穴１１が形成されている管部１と、管部１の外側で、かつ第１の穴１１を覆うように設けられており、第２の穴２１が形成されている膜２と、第２の穴２１の外側から加圧することにより第２の穴２１から気体を注入する気体注入部３と、を有する。よって、第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓは、超微細な気泡を発生させることができる。

＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態に係る気泡発生装置Ｓａの構成を示す図である。
第２の実施形態に係る気泡発生装置Ｓａは、第１の実施形態に係る気泡発生装置Ｓと比べて、気泡発生装置Ｓａが管部１ａを有し、管部１ａが第１管部１２ａ、第２管部１３ａ、縮径部１５ａ、第３管部１６ａ、及び拡径部１７ａを有する点が異なる。

管部１ａは、管部１と同様に、液体が流れる管である。管部１ａは、第１管部１２ａ、第２管部１３ａ、縮径部１５ａ、第３管部１６ａ、及び拡径部１７ａを有する。第１管部１２ａは、第３の内径（Ｒ３）を有する管である。第２管部１３ａは、第４の内径（Ｒ４）を有する管である。第４の内径（Ｒ４）は、第３の内径（Ｒ３）と同じ長さであるが、第４の内径（Ｒ４）は、第３の内径（Ｒ３）と異なる長さであってもよい。

縮径部１５ａは、第１管部１２ａと第２管部１３ａとの間に位置し、かつ、第３の内径（Ｒ３）から第５の内径（Ｒ５）に縮径する部分である。第５の内径（Ｒ５）は、第３の内径（Ｒ３）及び第４の内径（Ｒ４）よりも小さい。また、第３管部１６ａは、縮径部１５ａと拡径部１７ａとの間に位置し、かつ、第５の内径（Ｒ５）を有する管である。拡径部１７ａは、第３管部１６ａと第２管部１３ａとの間に位置し、かつ、第５の内径（Ｒ５）から第４の内径（Ｒ４）に拡径する部分である。

第３管部１６ａには、第１の穴１１ａが形成されている。第１の穴１１ａは、第１の穴１１と同様である。膜２は、円筒状に形成されており、第１の穴１１ａを有する第３管部１６ａの外側面に接着されている。

縮径部１５ａは、第３の内径（Ｒ３）から第５の内径（Ｒ５）に徐々に縮径する円錐形状を有している。また、拡径部１７ａは、第５の内径（Ｒ５）から第４の内径（Ｒ４）に徐々に拡径する円錐形状を有している。

よって、縮径部１５ａの内側を流れる水は、縮径部１５ａの出口付近では、縮径部１５ａの入口付近よりも流速が増大し、圧力が減少する。そして、拡径部１７ａの内側を流れる水は、拡径部１７ａの出口付近では、拡径部１７ａの入口付近よりも流速が減少し、圧力が増加する。この結果、第３管部１６ａの内側は減圧されているので、第３管部１６ａに形成されている第１の穴１１ａから気体が吸入されやすくなる。

第２の実施形態に係る気泡発生装置Ｓａは、このように縮径部１５ａ、第３管部１６ａ、及び拡径部１７ａを有し、第３管部１６ａに第１の穴１１ａが形成されているので、第１の穴１１ａから気体が吸入されやすくなる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

Ｓ、Ｓａ・・・気泡発生装置
１、１ａ・・・管部
１１、１１ａ・・・第１の穴
１２、１２ａ・・・第１管部
１３、１３ａ・・・第２管部
１４・・・拡径部
１５ａ・・・縮径部
１６ａ・・・第３管部
１７ａ・・・拡径部
２・・・膜
２１・・・第２の穴
３・・・気体注入部
３１・・・密閉容器
３２・・・気体圧送部

Claims (6)

1. 液体が流れ、かつ第１の穴が形成されている管部と、
   前記管部の外側で、かつ前記第１の穴を覆うように設けられており、第２の穴が形成されている膜と、
   前記第２の穴の外側から加圧することにより前記第２の穴から気体を注入する気体注入部と、
   を有することを特徴とする気泡発生装置。
2. 前記管部は、
   第１の内径を有する第１管部と、
   前記第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２管部と、
   前記第１管部と前記第２管部との間に位置し、かつ、前記第１の内径から前記第２の内径に拡径する拡径部と、
   を有し、
   前記第１の穴は、前記拡径部に形成されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の気泡発生装置。
3. 前記膜は、逆浸透膜であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の気泡発生装置。
4. 前記気体注入部は、
   前記膜の外側に設けられており、かつ前記気体で満たされている密閉容器と、
   前記密閉容器の内側に前記気体を流す気体圧送部と、
   を有することを特徴とする、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の気泡発生装置。
5. 液体が流れ、かつ第１の穴が形成されている管部を準備する工程と、
   前記第１の穴を覆うように、前記管部の外側に第２の穴が形成されている膜を装着させる工程と、
   前記管部に前記液体を流す工程と、
   前記液体を流している間に、前記第２の穴の外側から加圧することにより気体を注入する工程と、
   を有する気泡発生方法。
6. 前記気体を注入する工程において、
   密閉容器で前記膜を覆う工程と、
   前記密閉容器に前記気体を注入する工程と、
   前記気体が前記密閉容器に入った状態で、前記密閉容器内を加圧する工程と、
   を有することを特徴とする、
   請求項５に記載の気泡発生方法。
   

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