JP2019195782A - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細気泡を発生させながら、液体が流通するときの抵抗を少なくして、気液混合液の温度上昇を抑える。【解決手段】気体と液体とを混合するポンプから送られてくる気液混合液に含まれる気泡を微細化する微細気泡発生装置において、前端が閉じられるとともに内面が円筒形に構成される流入筒部２１、及び前記流入筒部の内周壁の接線方向から前記気液混合液が流入するよう設けられた流入口２２を備える旋回部２０と、前記流入筒部の後端から漸次縮径される縮径部３２、前記縮径部の最も径が細い箇所となる絞り部３２、及び前記絞り部から漸次拡径される拡径部３４を備えるベンチュリ部３０と、前記拡径部の後端に設けられ内面が円筒形に構成される流出筒部５１、及び前記流出筒部の後端に設けられ前記気液混合液が流出する流出口５２を備える直管部５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、気液混合液に含まれる気体を微細化して、液体に微細気泡を含有させるための微細気泡発生装置に関する。

従来、効率よく、短時間で気液または気液の混合液を得ることを目的として、例えば、特開２００３−１１７３６８号公報に、気体と液体とを混合するポンプから送られてきた気液混合液を円筒形の容器内で旋回させ、さらに円筒形容器の端壁に設けられた細孔から気液混合液を流出させて気体を微細化する微細気泡発生装置が開示されている（上記文献図１（ｂ）参照。）。

また、同様の構成で図８に示すように、内面が円筒形に構成される筒部１２３と、前記筒部１２３の内周壁の接線方向から気液混合液が流入するよう設けられた流入口１２２と、前記筒部１２３の一端を閉じる第１端壁１１３と、前記筒部１２３の他端を閉じるとともに気泡を微細化した気液混合液を流出させる流出口１５２が設けられた第２端壁１１４を備える微細気泡発生装置１００も採用されてきた。この微細気泡発生装置１００では、図８（Ｂ）に示す矢印方向に気液混合液が流入し、図８（Ｃ）に示す矢印方向に気液混合液が旋回し、図８（Ａ）に示す矢印方向に気液混合液が流出する。

特開２００３−１１７３６８号公報

上述の従来技術である微細気泡発生装置であっても、微細気泡を発生させることはできる。ところが、一般に、気体を液体に含ませるには液温が低い方が好ましいのであるが、当該装置内を気液混合液が通過するときに装置内の抵抗が大きく、気液混合液の温度が上昇してしまう現象が発生していた。また、抵抗が大きいため圧力損失が発生し、気液混合液を圧送するポンプの負荷が高くなってしまうおそれもあった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、効率よく微細気泡を発生させながら、液体が流通するときの抵抗を少なくして、気液混合液の温度上昇を抑えることができる微細気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明の微細気泡発生装置は、
気体と液体とを混合するポンプから送られてくる気液混合液に含まれる気泡を微細化する微細気泡発生装置において、
前端が閉じられるとともに内面が円筒形に構成される流入筒部、及び前記流入筒部の内周壁の接線方向から前記気液混合液が流入するよう設けられた流入口を備える旋回部と、
前記流入筒部の後端から漸次縮径される縮径部、前記縮径部の最も径が細い箇所となる絞り部、及び前記絞り部から漸次拡径される拡径部を備えるベンチュリ部と、
前記拡径部の後端に設けられ内面が円筒形に構成される流出筒部、及び前記流出筒部の後端に設けられ前記気液混合液が流出する流出口を備える直管部と、
を備えることを特徴とする。

本発明の微細気泡発生装置によれば、先ず、気液混合液が流入する旋回部において、内面が円筒形の流入筒部で気液混合液が旋回する。これにより、当該旋回部で第１段階の気泡の剪断がなされ、微細気泡が発生する。次に、ベンチュリ部で、気液混合液の流通速度が高められるとともに旋回の速度も高められ、ここで第２段階の気泡の剪断がなされる。次に、直管部でも気液混合液が旋回すること、又は内壁付近と中央付近との気液混合液の流速の差によって、第３段階の気泡の剪断がなされる。このように、気泡の剪断を３段階において行なうため、多量の微細気泡を発生させることができる。また、微細気泡発生装置の内部に絞り部が設けられているが、この前後が漸次縮径される縮径部、及び漸次拡径される拡径部を備えるベンチュリ部となっているため、気液混合液が通過するときの抵抗を少なくすることができる。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例は、
前記流入筒部、前記ベンチュリ部、及び前記直管部の軸が一つの直線上に構成されていることを特徴とする。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例によれば、旋回部の流入筒部、ベンチュリ部、及び直管部の軸が一つの直線上に構成されているため、気液混合液が通過する際の抵抗をより低減させることができる。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例は、
前記流出筒部の内筒を仕切るように網目隔壁を設けたことを特徴とする。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例は、
前記網目隔壁が、前記流出筒部の後端側に設けられていることを特徴とする。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例は、
前記網目隔壁が、前記流出筒部の前端側に設けられていることを特徴とする。

これらの本発明の微細気泡発生装置の好ましい例によれば、流出筒部の内筒を仕切る網目隔壁が設けられているため、前記網目隔壁によって気泡がさらに細分化される。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例は、
前記流出筒部の長さが、その内径の２倍以上であることを特徴とする。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例によれば、流出筒部の長さがその内径に対して長く構成されているため、気液混合液が通過する距離が長くなり、気泡の微細化が促進される。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例は、
前記絞り部が、
軸方向に前記気液混合液が通過する細孔が設けられた円筒形をなすとともに、その外周に雄ねじが設けられたプラグと、
前記縮径部と前記拡径部との間に設けられ前記プラグが螺合される雌ねじと、
を備えることを特徴とする。

本発明の微細気泡発生装置の好ましい例によれば、絞り部がプラグを備え、着脱可能に構成されるため、内部の清掃等のメンテナンスをし易くすることができる。また、細孔の大きさを変更することができ、ポンプの能力や使用環境に合わせた仕様とすることができる。

上述のように、本発明の微細気泡発生装置によれば、効率よく微細気泡を発生させながら、液体が流通するときの抵抗を少なくして気液混合液の温度上昇を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る微細気泡発生装置の正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１の左拡大側面図である。 図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 図１のＣ−Ｃ線拡大断面図である。 プラグを説明するための左側面拡大図、正面拡大図、及び右側面拡大図である。 微細気泡発生装置を含むシステムを説明する図である。 従来の微細気泡発生装置を示す図である。 微細気泡発生装置の実験結果を説明する図である。

以下、本発明の微細気泡発生装置の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、微細気泡発生装置１０を含むシステム全体としては、例えば、図７に示すように、水槽６０、吸引配管６１、渦流ポンプ６２、空気吸込口６３、吐出配管６４等を備えるものが採用される。これは、水槽６０に溜められた水ｗを吸引配管６１を通じて渦流ポンプ６２が吸引する（図中矢印ａ）。このとき、空気吸込口６３より負圧によって空気を吸い込み、渦流ポンプ６２内で気液混合液を作る（図中矢印ｂ）。この気液混合液を、吐出配管６４を通じて微細気泡発生装置１０に圧送し（図中矢印ｃ）、微細気泡発生装置１０で気泡を微細化して水槽６０内に流出させるのである（図中矢印ｄ）。また、図７では水槽６０の水ｗを循環させているが、他の例として、微細気泡発生装置１０から流出させた微細気泡を含む水を、水槽６０に戻さずに蛇口等から出してそのまま消費してもよい。

先ず、微細気泡発生装置１０の構成を説明する。図１ないし図５に示すように、本実施形態の微細気泡発生装置１０は、本体上部１１と、本体下部１２と、第１端壁１３と、第２端壁１４とを備える。そして、本体上部１１及び第１端壁１３は、旋回部２０とベンチュリ部３０とを構成し、本体下部１２及び第２端壁１４は、直管部５０と網目隔壁５３，５４，５５，５６とを構成する。これらの構成部品は、金属、硬質合成樹脂等の硬質部材で製作されることが好ましい。

旋回部２０は、本実施形態の微細気泡発生装置１０において第１段階の気泡の微細化を行なうところであり、流入筒部２１、流入口２２を備える。流入筒部２１は、その内面が円筒形に構成されるもので、その前端ｆ１が第１端壁１３によって閉じられる。流入口２２は、流入筒部２１の軸と直交する方向、かつ流入筒部２１の内周壁の接線方向に設けられるもので、渦流ポンプ６２からの吐出配管６４が接続され気液混合液が流入する。

ベンチュリ部３０は、微細気泡発生装置１０において第２段階の気泡の微細化を行なうところであり、縮径部３１、絞り部３２、拡径部３４を備える。縮径部３１は、上記流入筒部２１の後端ｒ１から漸次縮径される部分であり、略円錐台状をなしている。

絞り部３２は、ベンチュリ部３０のうち最も径の細い部分であり、本実施形態では、プラグ４０と、本体上部１１側に設けられた雌ねじ３３とを備える。ここで、図６を参照してプラグ４０を説明する。図６（Ａ）はプラグ４０の左側面拡大図、図６（Ｂ）は正面拡大図、図６（Ｃ）は右側面拡大図、図６（Ｄ）は後述するプラグの他の実施形態である。プラグ４０は、図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、その全体が円筒形をなし、軸方向には気液混合液が通過するための細孔４１が設けられる。また、プラグ４０の左側面には、六角レンチが嵌められる六角形の窪み４３が設けられ、さらに、プラグ４０の外周には雄ねじ４４が設けられる。プラグ４０は、窪み４３に六角レンチを嵌めて回動され、プラグ４０の雄ねじ４４が本体上部１１側に設けられた雌ねじ３３に螺合される。

なお、本実施形態では、プラグ４０の細孔４１は筒状に設けられているが、他の実施形態として図６（Ｄ）に示すように、すり鉢状の細孔４２にしてもよい。プラグ４０をこのようにすることによって、気液混合液の通過時の抵抗をさらに低減させることができるし、気泡の微細化の性能向上も期待できる。また、プラグ４０はねじによって容易に着脱可能である。このため、細孔４１の径を変えたプラグ４０を複数種類用意しておき、渦流ポンプ６２の能力等、使用条件によってプラグ４０を変更することもできる。

図１ないし図５に戻り、拡径部３４は、上記絞り部３２より漸次拡径される部分であり、略円錐台状をなしている。

直管部５０は、微細気泡発生装置１０において第３段階の気泡の微細化を行なうところであり、流出筒部５１、流出口５２を備える。流出筒部５１は、上記拡径部３４の後端ｒ２から設けられ、その内面が円筒形に構成されるものである。この流出筒部５１は、拡径部３４の最も径の太い部分と略同じ径をなしている。流出口５２は、流出筒部５１の後端ｒ３に配置された第２端壁１４に設けられた孔であり、流出筒部５１の径よりより小さく構成される。なお、この流出口５２の径であるが、その孔の断面積が、絞り部３２の断面積である細孔４１の断面積の２倍以上である径であることが好ましい。これは、流出口５２の径が小さすぎると、気液混合液の流れが妨げられ抵抗が増加するからである。

網目隔壁５３，５４，５５，５６は、例えば径が０．５〜１．０ｍｍ程度の無数の細かい孔が設けられたパンチングメタル又は金網等から構成され、流出筒部５１の軸方向と直交する方向に、流出筒部５１を仕切るように設けられる。なお、気液混合液の流れを整えるという理由から、網目隔壁５３，５４，５５，５６には、金網よりパンチングメタルを採用することが好ましい。また、パンチングメタルの開口率であるが、パンチングメタル１枚あたりの開口面積が、絞り部３２の断面積である細孔４１の断面積の２倍以上であることが好ましい。これは、パンチングメタルの開口面積が狭いと、流出筒部５１を通過する気液混合液の流れが妨げられるからである。

本実施形態では、パンチングメタルの網目隔壁５３，５４，５５，５６が４枚設けられており、流出筒部５１の前端ｆ３側に流出筒部５１の径φの１／３〜１／４の距離を空けて２枚の網目隔壁５３，５４が、流出筒部５１の後端ｒ３側に流出筒部５１の径φの１／３〜１／４の距離を空けて２枚の網目隔壁５５，５６が設けられる。これらの隣接する前端ｆ３側の網目隔壁５３，５４、及び後端ｒ３側の網目隔壁５５，５６は、それぞれカラー５７によってその距離が保たれる。これらの網目隔壁５３，５４，５５，５６の配置は、上記の４枚に限られず、流出筒部５１の前端ｆ３側と後端ｒ３側に各１枚、流出筒部５１の前端ｆ３側のみ、又は後端ｒ３側のみ等、任意の数を設けることができ、さらには取外して０枚とすることもできる。

また、流出筒部５１のうち、前端ｆ３側の網目隔壁５４と後端ｒ３側の網目隔壁５５との間の長さＬは、流出筒部５１の径φの２倍以上から１０倍以下が好ましく、２倍以上から５倍以下がより好ましい（図２参照）。これは、長さＬが径φの２倍未満となると流出筒部５１での気泡の微細化がなされにくくなるためである。一方、長さＬが径φの５倍を超えると、微細気泡発生装置１０の全長が長くなり過ぎるからであり、１０倍を超えるとその傾向がより顕著になるためである。本実施形態では、前端ｆ３側の網目隔壁５４と後端ｒ３側の網目隔壁５５との間の長さＬを８５ｍｍ、流出筒部５１の径φを３０ｍｍとしている。

また、本実施形態の微細気泡発生装置１０は、流入筒部２１、縮径部３１、絞り部３２、拡径部３４、流出筒部５１、流出口５２が、その軸ｓの全てが一つの直線上に構成され並んでいる（図２参照）。

次に、上述の本実施形態の微細気泡発生装置１０の構成を踏まえて、微細気泡発生装置１０の使用方法を説明する。

先ず、第１段階の気泡の微細化を説明する。渦流ポンプ６２から気液混合液を圧送し、吐出配管６４を通じて微細気泡発生装置１０の流入口２２に流入させる（図５矢印ａ）。すると、気液混合液は、流入筒部２１の中で旋回する（図５矢印ｂ）。ここで、気液混合液のうち、流入筒部２１の内壁に接する部分は摩擦によって流速が遅くなる。一方、その内側部分では流速が速いままであり、気液混合液の旋回流の外側と内側で流速の差が生じる。この流速の差によって気泡が剪断され微細化される。

次に、第２段階の気泡の微細化を説明する。気液混合液は、流入筒部２１の後端ｒ１付近にさしかかると、流入筒部２１の内壁との摩擦抵抗や気泡を微細化するときの抵抗によって、旋回の勢い（流速）が弱くなる。この勢いが弱くなった気液混合液がベンチュリ部３０にさしかかると、縮径部３１によって旋回半径が狭められる。これによって、気液混合液の流速及び旋回速度が加速され、絞り部３２で最も速くなる。この旋回速度の向上によって、さらなる気泡の微細化がなされる。

次に、第３段階の気泡の微細化を説明する。拡径部３４を通過した気液混合液は、流出筒部５１にさしかかる。このとき、気液混合液が無数の細かな孔が設けられた網目隔壁５３，５４，５５，５６を通過することによって、気泡の微細化がさらになされる。また、気液混合液が流出筒部５１の前端ｆ３側の網目隔壁５３，５４を通過することによって、気液混合液の旋回流は略無くなり、整流化される。この整流化された気液混合液が、流出筒部５１を通過する際、やはり内壁付近では気液混合液と内壁との摩擦で流速が遅くなり、中央に行くに従い流速が速くなる。この流速の差によっても気泡が細分化される。

また、流出筒部５１の後端ｒ３側のみに網目隔壁５５，５６が設けられている形態、及び網目隔壁５３，５４，５５，５６を設けない形態では、気液混合液が流出筒部５１の内部で流速が遅いながらも旋回すること、及び流出筒部５１の内壁付近と中央付近との気液混合液の流速の差によって、気泡が微細化されると推考される。

次に、図９を参照しながら、本実施形態の微細気泡発生装置１０を用いたの微細気泡の発生状況の実験結果を説明する。この実験には、図７に示すようなシステムを用い、水槽６０の中の水ｗを循環させて、その前後の微細気泡の数を測定した。渦流ポンプ６２は、株式会社川本製作所製 カワエースＮＦ２−２５０ＳＡを使用し、微細気泡の測定機にはマイクロトラック・ベル株式会社製のＰＭＸ １１０−ＳＺを用いた。また、水槽６０の水の容量は２２リットルとして、循環させる時間は１５分とした。また、測定する気泡は、いわゆるウルトラファインバブル又はナノバブルと呼ばれる、１マイクロメートル未満の大きさの気泡を対象としたが、発生する気泡はそのほとんどが２００マイクロメートル以下であった。なお、図９に示す粒径は、発生した微細気泡の平均値を記載したものである。

この実験では、実験１から実験５までが流出筒部５１を設けた形態で行い、実験６が流出筒部５１を設けない形態で行なった。また、実験１から実験５までは、網目隔壁５３，５４，５５，５６の枚数や位置を変更しながら実験を行なった。これらの実験により、流出筒部５１の効果の確認は実験５と実験６を比較することででき、網目隔壁５３，５４，５５，５６の効果の確認は実験１から実験５を比較することができる。さらに、実験７では、図８（Ａ）ないし（Ｃ）に示す従来型の微細気泡発生装置１００を用いた実験を行なった。

先ず、実験５と実験６とを比較して、流出筒部５１の効果を確認する。実験５は、図１及び図２に示す状態から網目隔壁５３，５４，５５，５６を４枚とも取除いたものである。実験６は、流出筒部５１及び網目隔壁５３，５４，５５，５６を設けずに、拡径部３４の後端ｒ２に第２端壁１４を直接配置したものである。これらを比較すると、実験５の方が結果が良好である。このことから、網目隔壁５３，５４，５５，５６がなくとも、流出筒部５１によって気泡が微細化されていることがわかる。

次に、実験１から実験５を比較して、網目隔壁５３，５４，５５，５６の効果を確認する。実験１は、図１及び図２に示すように、流出筒部５１の前端ｆ３側に２枚の網目隔壁５３，５４、後端ｒ３側に２枚の網目隔壁５５，５６を設けたものである。実験２は、流出筒部５１の前端ｆ３側に１枚の網目隔壁５３、後端ｒ３側に１枚の網目隔壁５６を設けたものである。実験３は、流出筒部５１の前端ｆ３側のみに１枚の網目隔壁５３を設けたものである。実験４は、流出筒部５１の後端ｒ３側のみに１枚の網目隔壁５６を設けたものである。実験５は、網目隔壁５３，５４，５５，５６を全く配置しなかったものである。

これらの結果を比較すると、実験１、実験２、実験４が略同等の微細気泡の数を発生して最も良く、実験３が次点の結果が得られ、実験５が最も結果が悪かった。これらのことから、少なくとも流出筒部５１の前端ｆ３側に網目隔壁を設けることが好ましく、流出筒部５１の後端ｒ３側、又は前端ｆ３側と後端ｒ３側の双方に網目隔壁を設けることがより好ましいと考えられる。

また、これらの実験１から実験６に共通する事項として、本実施形態の微細気泡発生装置１０では、循環させる水槽６０の水温が殆ど上昇しないことが挙げられる。厳密な測定はしていないものの、水槽６０内の水を約１時間循環させても、開始時の水温約２０℃に対して数度上昇する程度である。一方、同じことを図８に示す従来の微細気泡発生装置１００で行なうと、水温が５０〜６０℃まで上昇してしまう。これは、従来の微細気泡発生装置１００は、気液混合液が通過する際の抵抗が大きいためと考えられる。さらに、従来型の微細気泡発生装置１００を用いた実験７と、実験１から実験６を比較すると、実験１から実験６のいずれもが実験７より良好な結果を得ることができた。

以上、述べたように、本実施形態の微細気泡発生装置１０によれば、旋回部２０で第１段階の気泡の微細化、旋回部２０で旋回の勢いが落ちた気液混合液をベンチュリ部３０で加速して第２段階の気泡の微細化、及び直管部５０で第３段階の気泡の微細化を行なうため、多数の微細気泡を発生させることができる。

また、微細気泡発生装置１０の流出筒部５１、ベンチュリ部３０、直管部５０の各構成要素の軸ｓが一つの直線上に並んでいるとともに、ベンチュリ部３０の縮径部３１及び拡径部３４によって、絞り部３２の前後が滑らかに構成されている。これによって、微細気泡発生装置１０の内部を通過する気液混合液の抵抗が少なく、気液混合液の温度が殆ど上昇しない。また、抵抗が少なく気液混合液の温度上昇が抑えられるということは、渦流ポンプ６２の負荷も低減され、消費電力を抑えることができるとともに、ポンプを小さなものとすることができる。

また、プラグ４０が着脱可能であるため、装置の清掃等のメンテナンスがし易くなる。また、プラグ４０の細孔４１の径や形状を変えたものに容易に変更することができ、使用場所の仕様に合わせることが容易となる。

なお、上述の微細気泡発生装置は本発明の例示であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、その構成を適宜変更することができる。

１０，１００・・微細気泡発生装置、１１・・本体上部、１２・・本体下部、１３，１１３・・第１端壁、１４，１１４・・第２端壁、ｓ・・軸、
２０・・旋回部、２１・・流入筒部、２２，１２２・・流入口、１２３・・筒部
３０・・ベンチュリ部、３１・・縮径部、３２・・絞り部、３３・・雌ねじ、３４・・拡径部、
４０・・プラグ、４１，４２・・細孔、４３・・窪み、４４・・雄ねじ、
５０・・直管部、５１・・流出筒部、５２，１５２・・流出口、５３，５４，５５，５６・・網目隔壁、５７・・カラー、
６０・・水槽、６１・・吸引配管、６２・・渦流ポンプ、６３・・空気吸込口、６４・・吐出配管、ｗ・・水、

Claims (7)

1. 気体と液体とを混合するポンプから送られてくる気液混合液に含まれる気泡を微細化する微細気泡発生装置において、
   前端が閉じられるとともに内面が円筒形に構成される流入筒部、及び前記流入筒部の内周壁の接線方向から前記気液混合液が流入するよう設けられた流入口を備える旋回部と、
   前記流入筒部の後端から漸次縮径される縮径部、前記縮径部の最も径が細い箇所となる絞り部、及び前記絞り部から漸次拡径される拡径部を備えるベンチュリ部と、
   前記拡径部の後端に設けられ内面が円筒形に構成される流出筒部、及び前記流出筒部の後端に設けられ前記気液混合液が流出する流出口を備える直管部と、
   を備えることを特徴とする微細気泡発生装置。
2. 前記流入筒部、前記ベンチュリ部、及び前記直管部の軸が一つの直線上に構成されてい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. 前記流出筒部の内筒を仕切るように網目隔壁を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の微細気泡発生装置。
4. 前記網目隔壁が、前記流出筒部の後端側に設けられてい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. 前記網目隔壁が、前記流出筒部の前端側に設けられてい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。
6. 前記流出筒部の長さが、その内径の２倍以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の微細気泡発生装置。
7. 前記絞り部が、
   軸方向に前記気液混合液が通過する細孔が設けられた円筒形をなすとともに、その外周に雄ねじが設けられたプラグと、
   前記縮径部と前記拡径部との間に設けられ前記プラグが螺合される雌ねじと、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の微細気泡発生装置。

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