JP2019122904A - マイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が単純でありながら、マイクロバブルを発生させることができるマイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置を提供する。【解決手段】液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部と、を備え、前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置に関するものである。

従来、マイクロバブルを発生させるための装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置は、複数の貫通小孔が設けられたノズルを有する２つの筒を、それぞれのノズルが対向するように配し、ノズルから気液混合液を噴射させて、気泡を含んだ水流同士を互いに衝突させることにより生じる水撃力を利用して、マイクロバブルを発生させるものである。

特開２０１３−１６６１４３号公報

しかしながら、従来のマイクロバブル発生装置は、構造が複雑であるという問題があった。

従って、本発明は、上記のような問題点に着目し、構造が単純でありながら、マイクロバブルを発生させることができるマイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置を提供することを目的とする。

本発明のマイクロバブル発生具は、液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部と、を備え、前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とする。

本発明のマイクロバブル発生装置は、液体の流路と、ポンプと、本発明のマイクロバブル発生具と、を備えることを特徴とする。

本発明のマイクロバブル発生具によれば、流路を流れる液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、管部内に配され、液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部と、を備え、管部の内周面にテーパー部の大径側の端部が環状に固定されている。よって、本発明のマイクロバブル発生具を用いることにより、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

また、本発明のマイクロバブル発生装置によれば、本発明のマイクロバブル発生具を備えることから、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

本発明の実施形態にかかるマイクロバブル発生具を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態にかかるマイクロバブル発生装置を模式的に示す図である。

［マイクロバブル発生具］
以下、本発明の一実施形態にかかるマイクロバブル発生具について、図１を参照して説明する。なお、図１に示す矢印Ｘは、マイクロバブル発生具を設ける流路における、液体が流れる方向を示している。

ここで、マイクロバブルとは、直径が１ｍｍ以下の気泡を指すものである。また、マイクロバブルは、通常、分散媒中で発生させて、分散媒にマイクロバブルが分散された状態で供給される。マイクロバブル発生具１０は、液体中にマイクロバブルを発生させるために用いられ、マイクロバブルの分散媒である液体、及び、マイクロバブルを構成する気体は特に限定されない。分散媒としては、例えば、水等を用いることができ、マイクロバブルを構成する気体としては、例えば、空気、窒素、炭酸ガス、希ガス等のような不活性な気体や、酸素、オゾン等の酸化性ガスを用いることができる。

本実施形態のマイクロバブル発生具１０は、液体中にマイクロバブルを発生させるために、液体の流路に設けられるものである。ここでいう「液体」とは、マイクロバブルを構成する気体が分散媒に混合して、溶解した溶液を指す。また、マイクロバブル発生具は、流路と接続される中空の管部１１と、管部１１内に配されるテーパー部１２と、を備える。

本実施形態においては、管部１１とテーパー部１２とが別体に構成されている。すなわち、管部１１からテーパー部１２を取り外すことができるように構成されている。管部１１とテーパー部１２とが別体に構成されていることにより、テーパー部１２を交換することができる。すなわち、径寸法等の所望のマイクロバブルの条件や、水圧等の装置条件に合わせて、大きさ、材質等が異なるテーパー部１２を用いたり、テーパー部１２が劣化したときにメンテナンスを行ったりするときの作業性を向上させることができる。

管部１１は、上流側の一端部１１ａから、分散媒と気体が混合した液体が流れ込む部材であり、一端部１１ａから他端部１１ｂに亘って軸方向の径寸法が同じ円筒状である。管部１１の材質は液体（分散媒）に合わせて、一般的に配管に用いられる材料を用いることができ、特に限定されない。管部１１の材質として、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属；ガラス；ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂；ゴム等を用いることができる。

また、本実施形態においては、管部１１がゴム製であり、管部１１の内径は、テーパー部１２の下流側開口部１２ｂの外径よりも少し小さい。これにより、管部１１の復元力により管部１１の内部に設けたテーパー部１２が保持されている。本実施形態のように、管部とテーパー部とが別体に構成されているマイクロバブル発生具の場合には、樹脂やゴム等の弾性を有する材料を用いてテーパー部を形成してもよい。弾性を有する材料を用いて管部を形成することにより、管部とテーパー部とを別体に形成した場合においても、テーパー部の最大外径よりも少し小さい内径を有する管部を用いることにより、管部の復元力により管部の内部に設けたテーパー部をしっかり保持させることができる。

テーパー部１２は、図１に示すように、液体の流れ方向に沿って拡径する、すなわち、上流側から下流側に向かって拡径する中空の略円錐台状に形成されている。すなわち、テーパー部１２の上流側開口部１２ａ（請求項における「小径側の端部」）の内径寸法よりも下流側開口部１２ｂ（請求項における「大径側の端部」）の内径寸法の方が大きくなるように形成されている。また、テーパー部１２は、管部１１の内周面に下流側開口部１２ｂが環状に固定されることにより、管部１１に固定されている。また、テーパー部１２が管部１１の内部に配された状態において、テーパー部１２の外径寸法は、管部１１の内径寸法と略同じである。なお、本実施形態においては、図１に示すように、テーパー部１２が拡径する角度が一定であるが、テーパー部１２において拡径する角度が途中で変わっていてもよい。

テーパー部１２における上流側開口部１２ａ（小径側の端部）の内径寸法（図１に示すｄ）と、管部１１の内径寸法（図１に示すＤ）との関係は、前者が後者よりも小さくなってテーパー状であれば、上流側開口部１２ａにおける流速次第でマイクロバブルを発生させることができる。マイクロバブルを発生させる上で、上流側開口部１２ａにおける流速をある程度以上に高めておくことが望まれる。この流速は、諸条件により変化するため一律には定められないが、低過ぎると十分なマイクロバブルが発生しない。

内径寸法ｄと内径寸法Ｄとの比ｄ／Ｄが小さいと、元の流速が小さくても上流側開口部１２ａにおける流速を稼ぎやすいが、圧力損失が大きくなりやすい。一方、ｄ／Ｄが大きいと、元の流速を大きくしないと上流側開口部１２ａにおける流速を確保し辛いものの、圧力損失は小さい。

実際には、流路中を流れる液体の流量や流速等に応じて、最適の比ｄ／Ｄを求めてやればよい。圧力損失が大き過ぎず、かつ、マイクロバブルを効率的に発生しやすい内径寸法ｄと内径寸法Ｄとの比（ｄ／Ｄ×１００％）としては、１％〜４０％であることが好ましく、３％〜３０％であることがより好ましく、５％〜２０％であることがさらに好ましい。

また、上流側開口部１２ａの内径寸法も、同様に上流側開口部１２ａにおける流速次第でマイクロバブルを発生させ得るため、限定されないが、１ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることが好ましく、１．５ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることがより好ましい。径寸法が小さすぎると通過する液体の量が減少し、マイクロバブルの発生量が少なくなる。径寸法が大きすぎると上流側開口部１２ａにおいて、十分な流速を得ることが難しくなり、マイクロバブルの発生量が少なくなる。上流側開口部１２ａの内径寸法を適切な数値範囲に設定することにより、気泡径寸法のより小さいマイクロバブルを発生させることができる。

さらに、テーパー部１２の角度（管部１１の内周面とテーパー部１２との成す角）についても、各種条件により適切な範囲が変わってくるため一概には言えず、テーパーを形成し得る程度の角度であればマイクロバブルの発生を期待することができるが、ただし、あまりに角度が小さいと、装置が大型化してしまう上マイクロバブルの発生量が少なく、角度が大きいと、元の流速が小さくても上流側開口部１２ａにおける流速を稼ぎやすいが、圧力損失が大きくなりやすい。当該角度としては、具体的には、１°〜２０°程度の範囲から選択され、３°〜１０°程度の範囲から選択することがより好ましい。

また、テーパー部１２の材質は、流路の部材として一般的に用いられる、ステンレス等の金属；ガラス；ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂等を用いることができ、樹脂を用いてテーパー部１２を形成することにより、テーパー部１２をより安価に製造することができる。

また、テーパー部１２を樹脂製とする場合には、テーパー部１２の形状を有する市販の部材を用いてもよい。このような部材としては、例えば、マイクロピペット（ＪＩＳ Ｋ ０９７０、プッシュボタン式液体用微量体積計）用の樹脂製チップ等を用いることができる。これにより、市販の部材を用いて、安価にマイクロバブル発生具を製造することができる。

本実施形態のマイクロバブル発生具１０においては、マイクロバブル発生具１０の上流から、気体が分散媒に混合して溶解した溶液を投入し、テーパー部１２における上流側開口部１２aを通過することにより、溶液中にマイクロバブルが発生する。また、このとき、上流側開口部１２ａにおける、気体が分散媒に混合して溶解した溶液の通過速度が５ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓであることが好ましく、１５ｍ／ｓ〜３５ｍ／ｓであることがより好ましい。上流側開口部１２ａにおける溶液の通過速度を適切な数値範囲にすることにより、十分にマイクロバブルを発生させることができる。

本実施形態のマイクロバブル発生具１０によれば、流路を流れる液体が一端から流れ込む円筒形の管部１１と、管部１１内に配され、液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部１２と、を備え、管部１１の内周面にテーパー部１２の下流側開口部１２ｂが環状に固定されている。これにより、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

前述した実施形態においては、管部１１とテーパー部１２とが別体に形成されていたが、例えば溶接や接着等により、管部とテーパー部とが一体に形成されていてもよい。

［マイクロバブル発生装置］
次に、本発明の一実施形態にかかるマイクロバブル発生装置１００について、図１、図２を参照して説明する。なお、図２に示す矢印Ｘは、マイクロバブル発生具を設ける流路における、液体が流れる方向を示している。

マイクロバブル発生装置１００は、前述した実施形態のマイクロバブル発生具１０を備えており、マイクロバブル発生具１０については説明を省略する。また、マイクロバブル発生装置１００は、液体中にマイクロバブルを発生させるために用いられる装置であり、マイクロバブルの分散媒である液体、及び、マイクロバブルを構成する気体は特に限定されない。分散媒としては、例えば、水等を用いることができ、マイクロバブルを構成する気体としては、例えば、空気、窒素、水素、炭酸ガス、希ガス等のより不活性な気体や、酸素、オゾン等の酸化性ガスを用いることができる。

マイクロバブル発生装置１００は、マイクロバブル発生具１０と、液体の流路２０と、ポンプ３０と、気泡分離槽４０と、圧力計５０と、を備える。また、マイクロバブル発生装置１００を稼働させるときには、マイクロバブル発生具１０、及び、気泡分離槽４０の下流はそれぞれ不図示のタンクと接続し、ポンプ３０の上流は不図示のタンクと接続する。

液体の流路２０は、各構成部材（マイクロバブル発生具１０、ポンプ３０、気泡分離槽４０、圧力計５０）を接続する配管である。また、流路２０は、液体（分散媒）に合わせて、一般的な配管材を用いることができる。流路２０の材質として、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属；ガラス；ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂；ゴム等を用いることができる。

ポンプ３０は、マイクロバブルの気泡を構成する気体を吸引して、液体（分散媒）と気体とを撹拌して、混合する機能を有する、気液混合ポンプである。なお、気体を吸引する機能、液体と気体とを撹拌する機能を有しないポンプを用いて、コンプレッサーやラインミキサーをポンプとは別に設けてもよい。

気泡分離槽４０は、ポンプ３０の下流側に流路２０を介して接続され、気体が分散媒に混合して溶解した溶液における、余剰の気体と分散媒とを排出して、溶液の圧力を調整する部材である。

圧力計５０は、気泡分離槽４０よりも下流で、マイクロバブル発生具１０の上流に設けられ、気泡分離槽４０からマイクロバブル発生具１０に投入される溶液の圧力を計測するものである。

本実施形態のマイクロバブル発生装置１００における、マイクロバブルの生成について説明する。マイクロバブル発生装置１００においては、まず、ポンプ３０により分散媒と気体が吸引され、ポンプ３０内部で分散媒と気体が撹拌され、気体が分散媒に混合して溶解した溶液Ａが調製される。さらに、この溶液Ａが気泡分離槽４０に投入され、余剰の気体と分散媒とを排出して、溶液Ａの圧力が調整された溶液Ｂが調製される。このとき、溶液Ｂの圧力を圧力計５０により計測して、気泡分離槽４０において排出する気体と分散媒とを調整する。次に、溶液Ｂがマイクロバブル発生具１０に投入され、マイクロバブル発生具１０のテーパー部１２の上流側開口部１２ａを通過し、テーパー部を移動する際に、分散媒中にマイクロバブルが発生する。さらに、マイクロバブル発生具１０の下流に接続されたタンク内に、分散媒にマイクロバブルが分散した状態で、マイクロバブルが供給される。

本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、マイクロバブル発生具１０を備えることから、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、例えば、マイクロバブル発生装置１００の装置構成は、適宜変更することができ、このような変形等も本発明に含まれる。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
［マイクロバブルの生成］
本実施例においては、マイクロバブルを構成する気体を空気とし、分散媒を水として、水中に空気により構成されたマイクロバブルを発生させた。また、本実施例においては、前述したマイクロバブル発生装置１００と同じ構成のマイクロバブル発生装置を用いた。また、マイクロバブル発生装置に用いたマイクロバブル発生具は、管部が樹脂製で、内径寸法が１５ｍｍ、液体が流れる方向の長さ寸法が１５０ｍｍであり、テーパー部が樹脂製で、上流側開口部の内径寸法が１．４０ｍｍ、下流側開口部の内径寸法が１５ｍｍ、液体が流れる方向の長さ寸法が１３０ｍｍとした。

まず、ポンプにより分散媒と気体を吸引させ、ポンプ内部で分散媒である水と空気とを撹拌させて、空気が水に混合して溶解した溶液Ａを調製した。このとき、ポンプにおける空気吸入量は０．４Ｌ／ｍｉｎとした。さらに、この溶液Ａを気泡分離槽に投入して、余剰の気体と分散媒とを排出して、溶液Ａの圧力が調整された溶液Ｂを調製した。このとき、溶液Ｂの圧力を圧力計により計測して、気泡分離槽において排出する気体と分散媒とを調整した。また、圧力計により計測した圧力を「発生圧力」とした。次に、溶液Ｂをマイクロバブル発生具に投入して、水中にマイクロバブルを生成させて、水中にマイクロバブルが分散した状態でマイクロバブルを得た。発生圧力は０．４ＭＰａであった。

（実施例２〜５）
実施例２〜５において、テーパー部の上流側開口部の内径寸法を、１．５５ｍｍ、１．８５ｍｍ、２．５０ｍｍ、２．９０ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様の方法でマイクロバブルを得た。実施例２〜５において、発生圧力は、それぞれ、０．４ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．３５ＭＰａであった。

（比較例）
比較例として、マイクロバブル発生具を設けた流路を閉じ、マイクロバブル発生具を通さずに溶液Ｂを回収したこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。すなわち、図２のマイクロバブル発生具１００における、気泡分離槽４０の上部の流路に圧力損失が０．４５ＭＰａとなる管（外径６ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ１．６ｍ）を接続して、溶液Ｂを回収した。

［生成したマイクロバブルの評価及び結果］
実施例１〜５において生成したマイクロバブルについて、気泡粒径の分布を測定した。測定はレーザ回折式粒子径分布測定装置、ＳＡＬＤ−３１００（島津製作所製）を用いた。気泡粒径について、メディアン径、及び、平均値を算出した。メディアン径及び平均値は体積基準のものである。また、マイクロバブルを発生させた溶液Ｂの吸光度（６９０ｎｍ）を濁度の指標とし、吸光度が０．０２以上のとき、マイクロバブルが発生した、とみなした。結果を表１に示した。なお、比較例においては、吸光度の値は０．０１２であった。

以上の結果により、実施例１〜５においては、いずれもマイクロバブルを生成することができることが示された。また、上流側開口部の内径が２．９０ｍｍの実施例５においては、発生圧力が０．３５ＭＰａまでしか上がらず、上流側開口部の内径を大きくすると、マイクロバブルの生成能がやや低下することが示された。

［考察］
以上の評価結果より、本発明のマイクロバブル発生具、マイクロバブル発生装置の例示的態様である実施例においては、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができることが示された。

１０ マイクロバブル発生具
１１ 管部
１１ａ 一端部
１１ｂ 他端部
１２ テーパー部
１２ａ 上流側開口部（小径側の端部）
１２ｂ 下流側開口部（大径側の端部）
２０ 流路
３０ ポンプ
４０ 気泡分離槽
５０ 圧力計
１００ マイクロバブル発生装置

Claims (2)

1. 液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、
   前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部と、を備え、
   前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とするマイクロバブル発生具。
2. 液体の流路と、ポンプと、請求項１に記載のマイクロバブル発生具と、を備えることを特徴とするマイクロバブル発生装置。

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