JP2021020153A - ファインバブル発生装置及び水処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】筒状部材のオリフィスに柱状部を突出させた構造のファインバブル発生装置では、柱状部の存在は流体の流れを阻害するので、ファインバブルを発生させる流体の流量が制限される。また、柱状部間に異物が挟まることもある。柱状部を製造するのに手間がかかる。更には、柱状部が片持ち梁の状態で支持されているときは機械的剛性を確保しがたく、耐久性の確保が困難となる。【解決手段】筒状本体の入口から径を漸減させる入口部と、該入口部に連続するオリフィスと、該オリフィスに連続する拡径部とが順次形成されるファインバルブ発生装置であって、オリフィスと前記拡径部との境界は半径方向立面とされ、拡径部の径は前記オリフィスの径の３〜１０倍である。出口周壁に凹部を形成することが好ましい。【選択図】 図１

Description

本発明はファインバブル発生装置及び水処理装置に関する。
ファインバブルを形成する一つの手法としてキャビテーション効果の利用がある。特許文献１、特許文献２には、管状の本体部のオリフィス内へ柱状部を突出させ、このオリフィスを通過する水流にナノオーダのファインバブルを発生させるファインバブル発生装置が開示されている。
このファインバブル発生装置へ水道水を導入すると、相対向する柱の間に形成された絞り部にて水流が絞られてその流速が増加する。その結果、ベルヌーイの原理に従い絞り部（及びその下流側）に負圧域が形成され、そのキャビテーション（減圧）効果により水中の溶存気体が析出してファインバブルが発生する。
なお、マイクロオーダのファインバルブであれば、筒状部材に単に小径部分（オリフィス）を設ければよい（特許文献３）。即ち、筒状部材の入口側端部から中心部にいくにしたがって内径が徐々に狭まる入口部と、この入口部に接続するオリフィスと、このオリフィスに接続し筒状部材の出口側他端に向け内径が徐々に広がる拡径部とを備える装置でマイクロオーダのファインバブルを形成できる。
特許第５７１２２９２号公報 特許第６２７９１７９号公報 特許第６３６９８７９号公報
ナノオーダのファインバブルを発生するためには、筒状部材のオリフィスに柱状部を突出させていた。
かかる柱状部の存在は流体の流れを阻害するので、ファインバブルを発生させる流体の流量が制限される。また、柱状部間に異物が挟まることもある。
また、柱状部を製造するのに手間がかかる。更には、柱状部が片持ち梁の状態で支持されているときは機械的剛性を確保しがたく、耐久性の確保が困難となる。
この発明は上記課題を達成すべきなされたものであり、次のように規定される。即ち、
オリフィスを有する筒状のファインバブル発生装置であって、
オリフィスの出口の周壁に凹部が形成される、ファインバブル発生装置。
ここにオリフィスとは筒状部材において縮径されてかつ所定の長さを有する部分を指す。
換言すれば、筒状部材においてオリフィスの入り口側と出口側にはそれぞれオリフィスより大径な入口部と出口部（拡径部）が連続されている。
オリフィスは、流れを安定させるために同一径の平坦な内周面を備えることが好ましい。オリフィスの径は求める圧縮比（流体に対する）と流体の処理量との関係で任意に設計できる。キャビティ効果を発揮させるためには、オリフィス出口の径とそれに続く拡径部の径との差の調整が重要になる。
オリフィスの長さはオリフィスを流れる流体が安定すれば、即ち、その軸方向へ流れが揃えられれば、任意に設計できる。
勿論、オリフィスの径は軸方向に均一であることに限定されるわけでない。オリフィスにおいても径を順次変化させることができるし、その内周面にスパイラル溝を形成することもできる。
オリフィスへ続く入口部はオリフィスへ向かって順次縮径することが好ましい。流体を円滑にオリフィスへ導入するためである。これにより、高い流速を確保しつつ、流体を十分に圧縮することができる。
縮径の度合い（軸方向に対する傾斜角度）は流体の種類、流速、求める圧縮率に応じて任意に選択できる。
入口部の内周面は平坦面とすることが好ましいが、その内部へスパイラル溝等を設けることができる。
オリフィス出口に続く拡径部はオリフィス出口の径より拡径している。これにより、オリフィスで圧縮された流体が当該拡径部へ吐出されたときに開放されて負圧になり、キャビティ効果が発揮される。
オリフィスの出口の径と拡径部の最大径の差（比）は、求めるファインバルブの平均粒径や粒子数等に応じて任意に設計される。
オリフィスで圧縮された流体を拡径部で解放して負圧にすることにより、マイクロオーダのファインバブルが形成されることは広く知られている（特許文献３参照）。
この発明では、オリフィスの出口の周壁に凹部を設けることで、オリフィスに何ら柱部を設けることなく、形成されるファインバルブをナノオーダ―にできる。
柱部を省略できることにより、オリフィス内の抵抗が小さくなるので処理できる流体の量が増加する。また、構造が簡素化されるので製造が容易になりかつ耐久性及びメンテナンス性が向上する。
この凹部は、オリフィスの出口の周壁において、オリフィスの中心をその中心として、周方向にかつ半径方向に均等に分配されることが好ましい。ファインバブルを安定して形成するためである。
オリフィスの出口の周壁はオリフィスの軸に対して垂直方向に形成され、そこに形成される凹部の深さ方向はオリフィスの軸と同じ方向とすることが好ましい。この凹部は周壁に開口する部分からその深さ方向には同じ径とするか、若しくは深さ方向に向けて縮径させる。凹部内で流体が滞留しないようにするためである。また、成形性（型抜きの容易性）の観点からも、凹部を上記のように形成することが好ましい。
凹部の形状は任意である。例えば、凹部が深くなるにつれて、オリフィスから離れていくように、若しくは近づくように凹部を穿設することもできる。
オリフィスの出口周縁から凹部の周縁までの距離（両者のギャップ）はより近い方が好ましい。ただし、あまり近づけると出口周縁の壁厚が薄くなりすぎて機械的強度を確保できなくなる。本発明者らの検討によれば、装置を樹脂製としたとき、両者の距離は０．１ｍｍ以上とする。
オリフィスの出口周縁と凹部の周縁とを近づける観点からも、オリフィスの出口の周壁はオリフィスの中心軸に対して垂直方向とすることが好ましい。
本発明者らの検討により、凹部内には大きな負圧が発生することがわかった。シミュレーションの結果であるが、拡径部の中心に比べて１/１０〜１/１００の負圧が発生している。そして、水流との相互作用により、凹部内の負圧は周期的に変化している。
凹部内の負圧が大きくなれば、そこにより大きなキャビティ効果が生じる。また、負圧の周期的な変化は流体に超音波を印加することと同じ効果を生じると考えられる。
凹部の存在により、ファインバルブがナノオーダ化するのは、凹部内の大きな負圧とその周期的な変化の相互作用と考えられる。
これら負圧の値やその変化の周波数を制御することで流体に生じるファインバルブの平均粒径や粒径分布を制御できると考えられる。
凹部内の負圧の値とその周波数を制御するパラメータとして次のものを挙げられる。
オリフィスの出口径と拡径部の径との比
凹部のアスペクト比（開口部の面積と深さの比）
オリフィスの出口から吐出される流体の速度及びその粘度
オリフィスの周壁に占める凹部の面積比
オリフィスの出口周縁と凹部周縁の距離
オリフィスの出口面積と凹部の面積の比、等
オリフィスは入り口から送られてきた水流を絞り込んで圧縮し、その流速を早める形状であれば特に限定されないが、水流に対する抵抗を最少化する見地から、横断面円形の空間を備えるものとすることが好ましい。
オリフィスの径は処理する水量等に応じて任意に選択できる。
かかる流速を得るには、流体の流量、圧力及びオリフィス内周面のテクスチャー（材質、表面粗さ）を調整する。流速を安定化するため、同一径の部分（直管部分）を備えることが好ましい。直管部分の長さはオリフィスの出口径の長さの０．５〜２．０倍、より好ましくは１．０〜１．５倍とすることが好ましい。
オリフィスの下流側には、大径部が形成され、オリフィスを通過した水はこの大径部へ放出される。これにより、オリフィスで圧縮されていた水流は解放されてその圧力が低下する。かかる減圧の結果であるキャビティ効果によって、気泡が形成されることとなる。
オリフィスの出口に続く拡径部はその断面が好ましくは円形でありその中心部がオリフィスの中心と一致する。これにより、オリフィスの出口から吐出した流体が均等に拡散して減圧される。よって、ファインバブルが均等に形成される。
この発明では、オリフィスの出口の周壁はオリフィスの軸に対して垂直であり、その結果、拡径部はオリフィス出口周縁から均一の径を備えた、円筒状となる。
オリフィスの出口の周壁を垂直壁とすることにより、オリフィスの出口から吐出された流体を効率よく負圧化できる。また、凹部をオリフィス出口に近接させられて、より大きな負圧と好適な負圧の周期を得られると考えられる。
拡径部の内周面の形状は任意に設計でき、例えば、オリフィスの出口に連続する拡径部を出口から離れるに従って順次拡径する逆ロート状とすることも可能である。
オリフィス出口周壁に形成される凹部の圧力は、拡径部の中央部の圧力に比べて１／１０〜１／１００とする。圧力の値は直接測定できないので、水流に関するシミュレーションソフト（ソリッドワークス社製Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）のシミュレーション結果を採用する。具体的なシミュレーション結果は図４を参照されたい。
このような負圧となった凹部内において流体の密度は低下し、殆ど気体の状態となる。このように気体状態になった凹部内の流体が液体状態の流体に捲込まれていく際に、ファインバブルが形成されると考えられる。そして、拡径部を流れる流体と凹部内の気体化した流体とが干渉して、凹部内の負圧が周期的に変化する。この変化の周波数と凹部内の負圧の大きさとが相俟って、ファインバブルをナノオーダ化できたものと考えられる。
拡径部の周壁には、周方向に連続して、若しくは非連続的に第２の凹部を設けることができる。
この第２の凹部においてもファインバルブの発生を促進できる。第２の凹部における負圧は、オリフィスの出口周辺に形成された第１の凹部より大きくかつ拡径部の中心より小さいものとする。
拡径部周壁の第２の凹部により、拡径部を流れる流体が撹拌される。その結果、第１の凹部におけるキャビティ―効果が促進される。
撹拌する見地から、第２の凹部を凸部に取り換えることができる。
この発明のファインバルブ発生装置によれば、水等の流体を一度オリフィスに通せば、そこにナノオーダのファインバブルを大量に発生させることができる。換言すれば、凹部に大きな負圧が発生しているので、凹部に侵入した流体は凹部内において気相の性質を帯びこととなる。その結果、流体自体の特性に変化が生じことがある。
例えば、計測することはできないが、いわゆる流体のクラスターが破壊されていることが考えられる。換言すれば、クラスターが小さくなるにつれて流体自体の浸透性が大きくなる。また、この発明で得られたナノバブル水は表面張力が通常の水と同じである。他方、機械的な撹拌や外部から圧力をかけて水に供給された空気の泡を微細化する方式のナノバブル水はその表面張力が小さくなって、相手物質にぬれやすくなる。
このように、本発明のファインバブル発生装置で製造されたファインバブル水はその水自体が新規な特性を有する。よって、この発明の他の局面では、既述の方法で得たファインバブル水から、ファインバブルを除去する。ファインバブルが存在しなくても、この発明のファインバブル発生装置で処理された水は新規な特性を有する。ファインバブルを除去するには、ナノオーダのファインバブルがマイクローダに成長するように超音波を印加し、その後マイクロオーダ化されたファインバブルが自然消滅するようにすればよい。
図１はこの発明の実施の形態のファインバブル発生装置の断面図である。 図２は同じく出口側からみた正面図である。 図３は図１の装置の測定結果を示すチャートである。 図４は同じくシミュレーション結果を示す。 図５は他の実施の形態のファインバブル発生装置の断面図である。 図６は図５の装置の測定結果を示すチャートである。 図７は他の実施の形態のファインバブル発生装置の断面図である。 図８は図７の装置の測定結果を示すチャートである。 図９は他の実施の形態のファインバブル発生装置の断面図である。 図１０は図９の装置の測定結果を示すチャートである。 図１１は、図３，６，９，１０図の結果を同じスケールでまとめたチャートである。
図１はこの発明の実施例のファイバブル発生装置１の構造を示す断面図である。
このファインバブル発生装置（以下、単に「発生装置」ということがある）１は筒状筐体３に、入口部１０、オリフィス１５、拡径部２０及び凹部４０を備える。
筒状筐体３は３つのピース４、５及び６から構成され、第１のピース４の一端側（図で左側）に嵌合穴７が穿設されており、この嵌合穴７は平坦な底（オリフィス１５の開口部の周壁８）を備える。この嵌合穴７へ第２及び第３のピース５、６が隙間無く貫入されている。
第１のピース４の他端（図で右側）には円錐状に穿設された入口部１０が形成され、オリフィス１５に連結している。オリフィス１５は同一半径の貫通孔であり、嵌合穴７に開口する。オリフィス１５及び入口部１０はそれらの中心線を第１のピース４の中心線と一致させている。
第１のピース４において嵌合穴７の底、即ちオリフィス１５の出口の周壁８には第１の凹部４０が形成されている。
この第１の凹部４０は、図２に示す通り、周壁８において、オリフィス１５の出口の中心を中心として、周方向に９０度の間隔をあけて放射状に開口している。
この例では、凹部４０の開口部は角を丸くした長方形状（小判形状）とした。そしてこの開口部の形状を維持した状態でオリフィス１５と平行に穿設されている。
第２のピース５は嵌合穴７へ嵌め合いになる円盤状の部材であり、オリフィス１５に連続する第１の拡径部２１が形成される。この第１の拡径部２１は第２のピース５の中心部を過ぎたあたりからその径を順次拡張して第２の凹部２３を形成する。
この例では、第２の凹部２３を第２のピース５の内周面の周方向へ連続して形成したが、これを断続的とすることもできる。
第２のピース５に重ねて、円盤状の第３のピース６を嵌合穴７へ嵌め込む。この第３のピース７には第２の拡径部２５が形成されており、第２のピース５の第１の拡径部２１と合わさって、ファインバルブ発生装置１としての拡径部２０を構成する。
この例では、第１の拡径部２１と第２の拡径部２５とを同径としたが、第２の拡径部２５の径を第１の拡径部２１のそれより大きくしてもよい。
筒状筐体３を構成する３つのピース４、５及び６はいずれも合成樹脂で形成可能である。勿論、金属やセラミックスで形成することもできる。
上記において、第１の凹部４０は全て第１の拡径部２１に表出している。
第１の凹部４０を、周壁８からみて、半径方向へ拡張し、第２のピース５を嵌め合わせたとき、その一部が第２のピース５で被覆されるようにしてもよい。
第１の凹部４０は、オリフィス１５の出口の中心を中心として放射状に形成されることが好ましく、図２に示す４方向に限られず、例えば３〜１２方向の範囲で任意に形成できる。オリフィス１５の出口の中心からみたときの、各第１の凹部４０は周方向にかつ半径方向に均等に分配されているものとすることが好ましい。
実施例のファインバブル発生装置として、下記仕様のものを準備した。筒状筐体３はＡＢＳ樹脂製である。
筒状筐体３：径１２.０ｍｍ、長さ：１０ｍｍ
入口部の開口径：８.０ｍｍ
入口部の傾斜面の開口角度：９０度
オリフィス１５の径：０．９ｍｍ
オリフィス１５の長さ：１．０ｍｍ
第１の凹部４０の縦幅：０．７ｍｍ
第１の凹部４０の横幅：０．４ｍｍ
第１の凹部４０の深さ：０．５ｍｍ
オリフィス１５と第１の凹部４０との距離：０．１ｍｍ
拡径部２１、２５の径：０．３ｍｍ
第２の凹部２３の傾斜角度：９０度
第２の凹部２３の幅：０．７５ｍｍ
嵌合孔７：直径１０ｍｍ、深さ４．０ｍｍ
第３、第４ピースの厚さ：各２．０ｍｍ
このように構成されたファインバブル発生装置の入口側へ２．０ＭＰｓの圧力で水道水を導入し、拡径部２０側から排出された水を採取し、そこに含まれるファインバブルの粒径分布を島津製作所のＳＡＬＤ−７５００ｎａｎｏを用いて計測した。
結果を図３に示す。
平均粒径は９３ｎｍであり、１ｍｌ当たりのナノオーダのファインバブルは３億７０００万個を超えている。マイクロオーダのファインバブルは殆ど存在しなかった。
この例の水流のシミュレーションを図４に示す。図４において、流速は矢印の濃淡で示してある。矢印の色が薄いほど、流速は速くなっている。
また、拡径部内の圧力は３１．７ｋＰａであるのに対し、第1の凹部の圧力は２．１ｋＰａであり、第２の凹部の圧力は２．９ｋＰａであった。
次に、上記仕様において第２の凹部を省略したもの（図５参照）について同様の試験を行った。
結果を図６に示す。
平均粒径は１０９ｎｍであり、１ｍｌ当たりのナノオーダのファインバブルは約１億３０００万個であった。
次に、上記仕様において第１の凹部を省略したもの（図７参照）について同様の試験を行った。
結果を図８に示す。
平均粒径は１３６ｎｍであり、１ｍｌ当たりのナノオーダのファインバブルは約７７００万個であった。
次に、上記仕様において第１の凹部を省略したもの（図９参照）について同様の試験を行った。
結果を図１０に示す。
平均粒径は１５８ｎｍであり、１ｍｌ当たりのナノオーダのファインバブルは約４８００万個であった。
上記の結果より、第１の凹部や第２の凹部を省略したものにおいてもナノオーダ―のファインバブルが多数発生している。
図１１は図３、６、８、１０の結果を同じスケールでまとめたものである。
図１１の結果から第１の凹部や第２の凹部を設けることで、発生するファインバブルの粒径がより小さくなることがわかる。そして、第１の凹部と第２の凹部とを併存させることで、発生するファインバブルの粒径が格段に小さくなり、その結果、ファンバブルの発生数も格段に多くなることがわかる。
以上より、本発明者は次の知見を得た。
筒状本体の入口から径を漸減させる入口部と、該入口部に連続するオリフィスと、該オリフィスに連続する拡径部とが順次形成されるファインバルブ発生装置であって、
前記オリフィスと前記拡径部との境界は半径方向立面とされ、
前記拡径部の径は前記オリフィスの径の３〜１０倍であり、
前記拡径部はその出口のみで解放される、ファインバブル発生装置。
上記において、オリフィスと拡径部との境界はオリフィスの出口周壁が該当する。この出口周壁はオリフィスの軸に対して垂直方向であることが好ましいが、垂直から±２０度、若しくは±１０度の傾きがあってもよい。ここに、オリフィスの出口を中心として、拡径部側を＋とし、入口部側を−とする。
出口周壁の傾きが＋２０度を超えると、キャビティ効果で形成された気泡の撹拌混合が不充分になる。他方、出口周壁の傾きが−２０度を超えるとオリフィスから吐出された水流が傾斜した出口周壁側へ引き寄せられるので、充分な流速が確保できず、もって減圧が不充分になる。
また、拡径部の径がオリフィスの径の３倍未満になると、減圧が不充分になる。他方、拡径部の径がオリフィスの径の１０倍を超えると、オリフィスの出口から吐出された水流が分散されすぎて水流の妨げとなる。よって、充分な流速が確保できず、減圧が不充分になる。
なお、拡径部は図示の通り、均一な内径を持つものとすることが好ましいが、上記の範囲内においてこれを逆ロート状としてもよい。
拡径部はその出口のみで解放されているものとする。換言すれば、拡径部の周壁には何ら外部から空気その他の気体が注入されることはない。拡径部がその出口以外で外部環境と連通すると、拡径部内の減圧環境が乱されるおそれがあり、好ましくない。
第２の凹部の形成位置は、オリフィスの出口から吐出された水流を効率よく撹拌できる位置とする。流速、オリフィスと拡径部の径の比、拡径部の形状等によって任意に設計できる。本発明者らの検討によれば、オリフィスの軸方向において、オリフィスの出口から下流側に向けて、拡径部の径の０．５〜１．５倍の範囲に形成することが好ましい。
以下、次の事項を開示する。
（１）
筒状本体の入口から径を漸減させる入口部と、該入口部に連続するオリフィスと、該オリフィスに連続する拡径部とが順次形成されるファインバルブ発生装置であって、
前記オリフィスと拡径部との境界の半径方向立面に、前記オリフィスの中心をその中心として周方向にかつ半径方向に均等に分配された第１の凹部が形成され、
前記拡径部の内周面には、周方向に連続的な若しくは断続的な、第２の凹部又は凸部が形成される、ファインバルブ発生装置。
（２）
水流を均等に圧縮する周壁を有する水流圧縮部と、該水流圧縮部の下流側に形成されて、前記水流圧縮部より大径な水流解放部とを備え、前記水流解放部には、前記水流と逆方向に凹んだ第１の凹部が形成され、前記水流圧縮部から前記水流解放部に放出された水流の圧力に比べ、前記第１の凹部内の圧力が小さい、水処理装置。
（３）
前記第１の凹部の圧力は前記水流解放部の中心の圧力の１／１０〜１／１００である、（２）に記載の水処理装置。
（４）
前記水流解放部の内周面には半径周方向に第２の凹部が形成され、該第２の凹部内の圧力は前記第１の凹部内の圧力より大きく、かつ前記水流解放部の中心の圧力より小さい、（２）に記載の水処理装置。
（５）
前記水流解放部の内周面には周方向に連続した若しくは断続的な凹部。又は周方向に連続した若しくは断続的な凸部が形成されて、前記水流圧縮部から放出された水流を撹拌する、（２）に記載の水処理装置。
（６）
前記水流解放部から放出された水流からファインバルブを除去する装置が更に備えられる、請求項（２）〜（５）の何れかに記載の水処理装置。
この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
１、１０１、２０１、３０１ ファインバブル発生装置
８ オリフィス出口の周壁
１０ 入口部
１５ オリフィス
２０ 拡径部
２３ 第２の凹部
４０ 第１の凹部

Claims (12)

  1. オリフィスを有する筒状のファインバブル発生装置であって、
    オリフィスの出口の周壁に凹部が形成される、ファインバブル発生装置。
  2. 前記凹部は前記オリフィスの出口の周壁において、前記オリフィスの中心をその中心として、周方向にかつ半径方向に均等分配されている、ファインバルブ発生装置。
  3. 前記オリフィスの出口周壁は該オリフィスの軸に対して垂直方向に形成されている、請求項１又は請求項２に記載のファインバブル発生装置。
  4. 前記オリフィスの入口に向かって径を漸減させる入口部が前記オリフィスの入口側に形成され、拡径部が前記オリフィスの出口側に形成され、前記拡径部の内周面には、周方向へ連続的な若しくは断続的な、第２の凹部又凸部が形成される、請求項１〜３の何れかに記載のファインバブル発生装置。
  5. 筒状本体の入口から径を漸減させる入口部と、該入口部に連続するオリフィスと、該オリフィスに連続する拡径部とが順次形成されるファインバルブ発生装置であって、
    前記オリフィスと前記拡径部との境界は半径方向立面とされ、
    前記拡径部の径は前記オリフィスの径の３〜１０倍である、
    前記拡径部はその出口のみで解放される、ファインバブル発生装置。
  6. 前記境界は、前記オリフィスの軸に対して垂直方向（±２０度）に形成されたたオリフィス出口周壁からなる、請求項５に記載のファインバブル発生装置。
  7. 前記出口周壁に凹部が形成される、請求項５又は６に記載のファインバブル発生装置。
  8. 前記拡径部の内周面には、周方向に連続的な若しくは断続的な第２の凹部又は凸部が形成される、請求項５又は７のいずれかに記載のファインバルブ発生装置。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載のファインバブル発生装置と該ファインバブル発生装置に水を供給する水供給部とを備えてなる、水処理装置。
  10. 前記ファインバブル発生装置で発生した前記ファインバブルを除去するファインバブル除去器が更に備えられる水処理装置。
  11. 請求項１〜８のいずれかに記載のファインバブル発生装置の前記オリフィスの入口側へ水を供給する、水処理方法。
  12. 前記オリフィスの出口側から排出された水に含まれるファインバブルを除去する、請求項１１に記載の水処理方法。
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