JP2020163241A - ウルトラファインバブル発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストが安価であり、平均粒径が１５０ナノメートル以下のウルトラファインバブルを容易に発生させることができるウルトラファインバブル発生装置を提供する。【解決手段】気液混合用のポンプと、静止型混合装置とからなるウルトラファインバブル発生装置である。静止型混合装置は、複数枚の有孔平板を積層した積層構造体をケーシングの内部に収納し、その片側から供給した液体を積層構造体の内部をジグザグに通過させる間に、液体中に含有された気泡を微細化する装置である。複数枚の有孔平板は、中央孔３８を備えた第１平板３３と、中央孔３８を備えるとともにその外周部に多数の円形孔４０を備えた第２平板３４と、第２平板よりも小径で、外周付近に多数の円形孔４２を備えた第３平板３５と、無孔の第４平板３６とからなる。ケーシング１０に冷却ジャケット２０を設けることが好ましい。【選択図】図４

Description

本発明は、気液混合用のポンプと、静止型混合装置とからなり、液体中に直径がナノメートル単位の微細な気泡を発生させるためのウルトラファインバブル発生装置に関するものである。

微細な気泡の発生装置としては、直径がマイクロメートル単位の気泡を発生させるマイクロバブル発生装置が知られている。例えば特許文献１には、先細のノズルから吐出される水流に気泡を巻き込んで回転させることによってマイクロバブルを生成するマイクロバブル発生装置が開示されている。

また特許文献２には、テーパ状の縮径部と拡径部とを備えたノズルに、空気と水とを吹き込んでマイクロバブルを生成するマイクロバブル発生装置が開示されている。さらに特許文献３には、多孔質セラミック管を利用してマイクロバブルを生成するマイクロバブル発生装置が開示されている。

しかしこれらのマイクロバブル発生装置では、直径がナノメートル単位の微細な気泡を発生させることはできなかった。

そこで特許文献４に示されるような、気液混合用のポンプと、静止型混合装置とからなり、直径がナノメートル単位の微細な気泡を発生させるためのウルトラファインバブル発生装置も提案されている。この装置の静止型混合装置は、開口形状が正六角形の多数の凹部が片面に形成されたハニカム構造の第１、第２の混合エレメントを向かい合わせに配置し、これらの凹部によって形成されるジグザグ状の通路に気泡を含んだ流体を流し、気泡を微細化する構造のものである。

しかしこの特許文献４の静止型混合装置は、第１、第２の混合エレメントの片面を切削加工して複雑な形状の凹部を形成する必要があるため、製造コストが高くなるという問題があった。また、凹部が正六角形であるため、第１、第２の混合エレメントの凹部間に形成される流路の断面が一定幅となり易く、バブルの平均粒径を１５０ナノメートル以下とするには、長時間の循環運転が必要であった。

また、効率よくナノサイズのバブルを発生させるためには、静止型混合装置内で激しく液体を衝突させることとなるが、その結果、圧力損失が大きくなるとともに、摩擦により熱が発生する。この結果、液温が上昇すると気体を多く含ませることができなくなるという問題があった。

特開２０１３−６２６号公報 特開２０１３−１０７０４３号公報 特開２０１８−１５７２６号公報 特許第４４５６１７６号公報

従って本願発明の目的は上記した従来の問題点を解説し、製造コストが安価であり、平均粒径が１５０ナノメートル以下のウルトラファインバブルを容易に発生させることができるウルトラファインバブル発生装置を提供することである。また本発明のその他の目的は、気体を多く含むウルトラファインバブル水を得ることができるウルトラファインバブル発生装置を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、気液混合用のポンプと、静止型混合装置とからなるウルトラファインバブル発生装置であって、前記静止型混合装置は、複数枚の有孔平板を積層した積層構造体をケーシングの内部に収納し、その片側から供給した液体を積層構造体の内部をジグザグに通過させる間に、液体中に含有された気泡を微細化する装置であり、前記の複数枚の有孔平板が、中央孔を備えた第１平板と、中央孔を備えるとともにその外周部に多数の円形孔を備えた第２平板と、第２平板よりも小径で、外周付近に多数の円形孔を備えた第３平板と、無孔の第４平板とからなることを特徴とするものである。

なお、請求項２のように、第２平板の円形孔と、第３平板の円形孔とが、一部が重複するようにずらせて配置されていることが好ましく、また請求項３のように、第２平板の円形孔のうち、最外周の円形孔の一部が第３平板の外径よりも外側にあることが好ましい。さらに請求項４のように、ケーシングが冷却ジャケットを備えたものであり、冷却水または冷媒を流すことにより内部を冷却できる構造であることが好ましい。

また、請求項５のように、気液混合用のポンプにおける気体の混合比率を１５％以下に制御する流量制御機構を設けることが好ましく、請求項６のように、気液混合用のポンプがカスケードポンプであることが好ましい。

本発明のウルトラファインバブル発生装置の静止型混合装置は、多数の円形孔を備えた平板を組み合わせたものであるので、製造コストを引き下げることができる。また、円形孔と円形孔とを隣接配置したことにより、それらの間に形成される流路の断面形状に変化をつけることができ、後の実施例に示すように、平均粒径が１５０ナノメートル以下のウルトラファインバブルを容易に発生させることができる利点がある。また、ケーシングが冷却ジャケットを備えたものであり、冷却水または冷媒を流すことにより内部を冷却できる構造としておけば、水温の上昇を抑制することができ、ナノサイズのバブルをより多く含ませることができる。さらに、流量制御機構により気体の混合比率を１５％以下、より好ましくは１０％以下に制御すれば、効率よくウルトラファインバブルを発生させることができる。

実施形態のウルトラファインバブル発生装置の全体図である。 装置本体の拡大断面図である。 装置本体の模式的な端面図である。 一つのセットの分解斜視図である。 第２平板の正面図である。 第３平板の正面図である 積層状態を示す斜視図である。 ４枚の平板を積層した状態を示す正面図である。 図８のＡ−Ａ断面図である。 カスケードポンプの断面図である。

以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は実施形態のウルトラファインバブル発生装置の全体図であり、１０は筐体、１１は静止型混合装置、１２は気液混合用のポンプである。供給口１３と排出口１４は図１の紙面手前側に延びており、気体混合ライン５１を通じて気体が混合された水が供給口１３から供給され、気液混合用のポンプ１２で加圧されるとともに静止型混合装置１１に送り込まれる。静止型混合装置１１を通過する間に水中の気泡は微細化されてウルトラファインバブル水となり、排出口１４から外部に取り出される。なお、供給口１３と排出口１４とを接続して循環させ、装置本体１１を複数回通過させることにより、気泡径をさらに微細化することもできる。

気液混合用のポンプ１２としては、カスケードポンプ、ギヤポンプ、渦巻きポンプ、ピストンポンプなど、気体と水とを混合しても押上揚程が上がるポンプを使用することができる。いずれのポンプであっても、気体の混合比率が１５％以上となるとキャビテーションにより流量などが著しく低下して効率が悪くなる。このため、気液混合用のポンプ１２における気体の混合比率を１５％以下に制御する流量制御機構１００を設けておくことが好ましい。気体の混合比率は好ましくは１０％以下である。

本実施形態では、気液混合用のポンプ１２としてカスケードポンプが使用されている。カスケードポンプは、図１０に示すように、外周に放射状の溝６１を持つ羽根車６２をケーシング６０の内部で高速回転させて過流を起こし、吸い上げ、押し上げする構造のポンプであり、渦巻きポンプ等に比較して押上揚程が上がる利点がある。また渦巻きポンプは中心から吸い込み、羽根車の回転によりポンプ内の内壁に沿って渦を発生させて繰り返し加圧する構造であるため、空気の巻き込みがあっても連続的に吸い上げることができる。さらに羽根車６２は非接触で回転し摩耗がないため、食品などの用途には信頼性が高いものである。

図１に示されるように、気体混合ライン５１は流量計５２及び流量制御機構５３が設けられており、気体の混合比率を１５％以下、より好ましくは１０％以下に制御している。前記したように、気体の混合比率が増加すると、効率が悪くなるからである。

図２は静止型混合装置１１の拡大断面図である。ただし図１の上下方向を水平方向として表示されている。この図において、１５は円筒状のケーシングであり、その両側面は中央に貫通孔２３を備えた鏡板１６とＯリング１７とによりシールされている。さらにケーシング１５の左右にはフランジ１８が配置され、ボルト１９により全体を締結している。また２０はケーシング１５の外周に配置された冷却ジャケットである。大容量の水を処理しようとする場合には、長時間循環させる必要があるため、水温の上昇が起こる。水温が上がるとガスの溶解度が低下するため、図２に矢印で示すように、この冷却ジャケット２０に冷却水または冷媒を流し、水温を低く抑えることが好ましい。これにより、より多くのナノバブルを水中に含ませることができる。特にこの装置で窒素ガスの気泡を含ませたルトラファインバブル水を作成し、豆乳の製造に使用する場合には溶解加熱時の酸化を抑えることができる。その結果、製品の粘度が低下して酸化により発生するヘキサノールなどの不快臭の量を減少させることができ、飲み易い豆乳を得ることができる。フランジ１８には吸引管２１と吐出管２２とが接続されている。

図２に示されるように、ケーシング１５の内部には、複数枚の有孔平板を積層した積層構造体３０が収納されている。この実施形態では４枚が１セットとなった積層構造体３０が４セット収納されている。各セットはそれぞれ中心のボルト３１と外側のボルト３２により締結されている。

図３は静止型混合装置１１の模式的な端面図である。図３に示されるように、各積層構造体３０は、第１平板３３と、第２平板３４と、第３平板３５と、第４平板３６とから構成されている。この実施形態では、各平板は円板である。第１のセットと第３のセットは同じ向きに配置されているが、第２のセットと第４のセットは軸線方向に反転させて配置されている。しかし各セットの構成は同一である。

図４は一つのセットの分解斜視図である。なおこの図では、外側のボルト３２の挿通孔は省略されている。第１平板３３は中心のボルト３１の挿通孔３７と、放射状に形成された中央孔３８を備えている。中央孔３８の大きさは鏡板１６の貫通孔２３とほぼ同じである。

第２平板３４は、第１平板３３と同じく中心のボルト３１の挿通孔３７と、放射状に形成された中央孔３８を備えているほか、その外周部に多数の円形孔４０を備えている。第２平板３４の正面図である図５に示されるように、多数の円形孔４０は周方向にも半径方向にも千鳥状に配置されている。これらは貫通孔であるので凹孔よりも加工が容易である。最外周部には非円形孔４１も配置されている。なお、第２平板３４は第１平板３３と同一径である。

第３平板３５は図６に示されるように、第２平板３４よりも小径で、外周付近に多数の円形孔４２を備えている。また中央から放射状に延びる貫通孔４３を備えている。図７に示されるように、第３平板３５の円形孔４２は第２平板３４の円形孔４０に対して一部が重複するようにずらせて配置されている。第３平板３５の外周は完全な円形ではなく、第２平板３４の円形孔４０のうち、最外周の円形孔４０はその一部が第３平板３５の外径よりも外側にあるように配置されている。

第４平板３６は中心のボルト３１の挿通孔３７を除いて無孔の平板である。その外径は第３平板３５の最大外径と同じである。

図８にこれら４枚の平板を積層した状態を示し、図９にその端面図を示す。鏡板１６の貫通孔２３から送り込まれた気泡を含んだ水は、図９に示されるように、第１平板３３の中央孔３８と第２平板３４の中央孔３８を通過し、第２平板３４と第３平板３５との間に放射状に流入する。第２平板３４の中央孔３８以外の片面（図９の右側面）は第１平板３３により封鎖されており、第３平板３５の片面（図９の左側面）は第４平板３６により封鎖されている。しかし、第２平板３４と第３平板３５にはそれぞれ円形孔４０、円形孔４２が形成されており、しかもそれらの円形孔４０、４２は一部が重複するようにずらせて配置されている。

このため、第２平板３４と第３平板３５との間に流入した水は図９に太線で示すように第２平板３４の円形孔４０と第３平板３５の円形孔４２の内部をジグザグ状に流れる。これらの円形孔４０、４２が重なり合った部分に形成される流路は図８に示されるように２つの円弧を対向させた形状であり、水はこの狭い流路を通過して円形孔４０、４２に流入することを繰り返しながら、外周側に移動する。この間に水と気体は加圧、減圧が繰り返され、市販品と比較して大きな圧力変化が加わるとともに強いせん断力が作用し、水の中に含まれている気泡が効率よく微細化されていく。

前記したように、第３平板３５と第４平板３６の外径は第２平板３４よりも小径であり、第２平板３４の円形孔４０のうち最外周の円形孔４０はその一部が第３平板３５の外径よりも外側にあるように配置されているため、水は第３平板３５と第４平板３６の外周とケーシング１５の内面との間に形成される空間５０に流入する。この空間５０を通じて水は次のセットに流入する。次にセットは軸線方向に反転させて配置されており、水は外周部から中心部に向かって流れ、その間に前記と同様に気泡の微細化が進行する。

このようにして水は図９の太線のように流れ、最終セットの中央孔３８から吐出管２２に流出する。この間に気泡の微細化が繰り返され、次の実施例に示す通り平均粒径が１５０ナノメートル以下のウルトラファインバブルとなる。

ウルトラファインバブル水は気泡と水との接触面積が非常に大きくなるため、気泡中のガスを速やかに水中に拡散させることができ、例えば気泡中のガスを窒素ガスとすることにより、水の溶存酸素濃度をゼロ付近まで低下させることができ、また気泡の浮上速度がゼロに近いので気泡が長時間水中に留まるなど多くの特徴があり、様々な用途に用いることが可能である。

気液混合用ポンプと、静止型混合装置とを組み合わせたウルトラファインバブル発生装置を用い、性能試験を行った。静止型混合装置としてハニカム構造の従来品を用いた場合と、静止型混合装置として実施形態に示した本発明品を用いた場合との比較を行った。なおこの実験では、本発明装置の静止型混合装置の冷却水は使用しなかった。

市販品と発明装置の静止型混合装置を使用し、溶存酸素濃度が7.2ｍｇ／Ｌの水道水に溶存酸素濃度が1.5ｍｇ／Ｌに下がるまで窒素ガスを吹き込み、窒素含有水を作った。この状態をスタート状態とし、さらにその状態から窒素ガスを止めて３分間循環させた後、及び６分間循環させた後の３ポイントで、平均気泡径、最頻度気泡径、気泡濃度を測定した。これら測定は、市販のナノ粒子解析装置（英国・Malverm社製）を用いて行った。この装置は、ウルトラファインバブル水にレーザ光線を照射し、その散乱光を顕微鏡で映して動画を撮影し、追尾法でナノ粒子を解析する装置である。その測定結果を表１に示す。

上記の通り、本発明の装置によれば、市販の従来装置よりもスタート状態において気泡濃度が増加している。また本発明の装置によれば、市販の従来装置で６分循環させたときの平均気泡径、最頻度気泡径、気泡濃度のレベルを、３分循環させるだけで越えることが確認できた。

１０ 筐体
１１ 静止型混合装置
１２ モータ付きポンプ
１３ 供給口
１４ 排出口
１５ ケーシング
１６ 鏡板
１７ Ｏリング
１８ フランジ
１９ ボルト
２０ 冷却ジャケット
２１ 吸引管
２２ 吐出管
２３ 貫通孔
３０ 積層構造体
３１ 中心のボルト
３２ 外側のボルト
３３ 第１平板
３４ 第２平板
３５ 第３平板
３６ 第４平板
３７ 中心のボルトの挿通孔
３８ 中央孔
４０ 円形孔
４１ 非円形孔
４２ 円形孔
４３ 貫通孔
５０ 空間
５１ 気体混合ライン
５２ 流量計
５３ 流量制御機構
６０ ケーシング
６１ 溝
６２ 羽根車

Claims (6)

1. 気液混合用のポンプと、静止型混合装置とからなるウルトラファインバブル発生装置であって、
   前記静止型混合装置は、複数枚の有孔平板を積層した積層構造体をケーシングの内部に収納し、その片側から供給した液体を積層構造体の内部をジグザグに通過させる間に、液体中に含有された気泡を微細化する装置であり、前記の複数枚の有孔平板が、中央孔を備えた第１平板と、中央孔を備えるとともにその外周部に多数の円形孔を備えた第２平板と、第２平板よりも小径で、外周付近に多数の円形孔を備えた第３平板と、無孔の第４平板とからなることを特徴とするウルトラファインバブル発生装置。
2. 第２平板の円形孔と、第３平板の円形孔とが、一部が重複するようにずらせて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のウルトラファインバブル発生装置。
3. 第２平板の円形孔のうち、最外周の円形孔の一部が第３平板の外径よりも外側にあることを特徴とする請求項２に記載のウルトラファインバブル発生装置。
4. ケーシングが冷却ジャケットを備えたものであり、冷却水または冷媒を流すことにより内部を冷却できる構造であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のウルトラファインバブル発生装置。
5. 気液混合用のポンプにおける気体の混合比率を１５％以下に制御する流量制御機構を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のウルトラファインバブル発生装置。
6. 気液混合用のポンプがカスケードポンプであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のウルトラファインバブル発生装置。

Images