JP3226479U - マイクロバブル生成器、および、簡易着脱式クーラントホース - Google Patents

Abstract

【課題】クーラント中で生成したマイクロバブルを、消滅する前に加工部に供給し、また、工作機械の加工室のような狭い空間の中で、時間を掛けずに取付け、取外しが可能なマイクロバブル生成器、および、それを有する簡易着脱式クーラントホースを提供する。【解決手段】筒状の本体Ｊに、マイクロバブル付与対象の液体が通過する流路２と、圧縮気体を受入れる気体受入部５と、流路と気体受入部とを隔て設けられた多孔体６とを有し、流路の液体の入口側および出口側の少なくとも片方に螺合部７を有するマイクロバブル生成器１であって、螺合部にクーラントホースと接続するジョイント部品を螺合して設けた。【選択図】図１

Description

本考案は、工業用の洗浄や、工作機械の冷却用液体等に使用可能な、液体中にマイクロバブルを供給する、マイクロバブル生成器に関する。また、前記マイクロバブル生成器を有する簡易着脱式クーラントホースに関する。

マイクロバブルは、直径が１以上１００μｍ以下の気泡である。工作機械の分野で、使用するクーラント中にマイクロバブルを含有させることで、工作物（被加工物）加工時の工具（ドリルや砥石など）の寿命を延ばし、工作物のソリを低減するなど、生産性の向上に寄与することが知られている。また、クーラントがマイクロバブルを含有することで、嫌気性バクテリアの生成を抑え、工場作業者が嫌う腐敗液体の臭気を低減し、良好な職場環境の維持にも寄与することが知られている。
特許文献１には、空気混合供給装置が開示されている。この文献で、空気混合供給装置は螺旋羽根を有し、液体が所定の規則性のある多数のひし形凸部の間を通過することによって、液体（クーラント）に求められる冷却性能を高める効果がある旨記載されている。

特許文献２には、クーラントを回収し、再供給するためのタンク内のクーラントにマイクロバブルを供給する方式のマイクロバブル生成器が開示されている。

非特許文献１には、多孔質セラミックス焼結体とそれを用いた生成器によって、液体中に前記ウルトラファインバブルを生成する手段が開示されている。多孔質セラミック焼結体の内部は空洞になっており、そこに加圧した気体が供給される。セラミック多孔体の表面を液体が流速１ｍ／秒以上で通過する部分に、セラミック多孔体を通過した気体が供給され、セラミック多孔体の表面で気泡がせん断され、液体にウルトラファインバブルが生成される旨記載されている。また、非特許文献１には、マイクロバブルの寿命が短いことが開示されており、直径２０マイクロメートルの気泡は、時間とともに小さくなり、１０秒後に消滅したという観測の結果が述べられている。

特開２００４−０３３９６２号公報 特開２０１３−０５２４９３号公報

マイクロバブル液体のバブル条件と加工性能の関係 第２報：液体中のバブル状態（砥粒加工学会、２０１９年度砥粒加工学会学術講演会論文集ｐ３６６-３６７）「マイクロバブルの発生機構と収縮特性、大成博文、水工学論文集,第５０巻,２００６年２月、１３４９ページ図１４」

直径２０マイクロメートルのマイクロバブルはその生成後、長くても１０秒後にはその数が１／１０程度にまで減少し、数分でほぼ消滅することが知られている。そのため、マイクロバブルの発生から、加工箇所への供給までの時間をなるべく短くすることが、加工部へより多くのマイクロバブルを供給する手段となる。

ところで、従来のマイクロバブル生成の技術を用いて、機械加工（例えばマシニングセンタを用いた湿式加工）をする際に、発生したマイクロバブルを加工部にすぐ供給するのはその構造上難しいことが多く、また、マイクロバブル生成器の取付けには大がかりな配管の交換などの手間と時間がかさむという問題が生じる。

たとえば、特許文献１に記載の技術は、螺旋羽根を切った生成器を加工箇所の近くに設置する方式である。しかし、既存の工作機械の配管を取り外し、新たに付け替えるなど、配管工事が必要となり、導入への費用と時間を要する。また、生成器を通過するクーラントの供給水圧を得るために、大容量のポンプへ交換する追加費用も発生する。そして、マイクロバブルの元となる気体の供給機構、および、直径１〜１００μｍであるマイクロバブルを多数生成するための機構を有しておらず、多数のマイクロバブルを加工部に供給するのには適していない。
特許文献２に記載の技術は、タンクからクーラントを吸い出し、マイクロバブル生成器を通過させつつマイクロバブルをクーラント中に生成し、再びタンクへ吐き出すことでタンク内にマイクロバブルを生成する方式である。この方法では、マイクロバブルが生成されてから加工箇所にクーラントが届くのに時間がかかり、その多くは消滅してしまう。

非特許文献１の技術では、マイクロバブル生成器が長く、可撓性が無いので、工作機械内部の相対的に狭い空間（例えば、マシニングセンタの加工室）に配置することは難しい。

一方で、工作機械には簡易着脱式クーラントホースと呼ばれる、樹脂部品が連結されたクーラントの供給手段が知られている。これは、流路を有する複数のパーツを、可撓性がある状態で組合せ、加工箇所を狙ってクーラントの供給を容易にする機器である。また先端のノズルは交換可能であり、丸型や四角など、所望の形状を購入して簡単に装着することができる。さらに、専用工具を使えば、樹脂の連結の着脱が自在であり、長さの調整が自在である。この方式の簡易着脱式クーラントホースは、商品名であるが「ロックライン（ＬＯＣ−ＬＩＮＥ、米国ロックウッドプロダクツ社の登録商標）」として、加工業界では一般名称化している。
しかし前記のマイクロバブルに関する先行技術では、配管工事が必要であったり、長く可撓性が無かったりするために、既存の簡易着脱式クーラントホースの加工部へ向けて噴出する直前の箇所へ、そのまま適用することは難しい。

本考案は、簡易着脱式クーラントホースに用いることができる、クーラント中にマイクロバブルを供給するマイクロバブル生成器、および、マイクロバブル生成器を有する簡易着脱式クーラントホースで、以下に記載のうち１つまたは複数の課題を解決する。
（１）マイクロバブル生成から、時間を置かずに加工部に供給することで、より多くのマイクロバブルを加工部に供給できる
（２）工作機械の加工室のような狭い空間の中で、時間を掛けずに取付け、取外しを可能とする

前記課題を、下記の構成を有するマイクロバブル生成器、または、簡易着脱式クーラントホースにて解決する。
・筒状の本体に、マイクロバブル付与対象の液体（クーラントを指すが、例えば加工に供するのであれば水でもよい）が通過する流路と、圧縮気体を受入れる気体受入部と、前記流路と気体受入部とを隔て設けられた多孔体と、前記流路の液体の入口側および出口側の少なくとも片方に螺合部とを有するマイクロバブル生成器。
・前記螺合部にクーラントホースと接続するジョイント部品を螺合して設けた、マイクロバブル生成器。
・前記マイクロバブル生成器の前記ジョイント部品に、簡易着脱式クーラントホースの流路形成（延長）部品をさらに有した、マイクロバブル生成器を有する簡易着脱式クーラントホース。

（１）工作機械のタンクにマイクロバブルを生成した場合と比較して、加工箇所に供給されるクーラントに含まれるマイクロバブルの個数が増加した。
（２）簡易着脱式クーラントホースの加工機への着脱が、手や簡単な工具で、短時間で可能となった。

本考案のマイクロバブル生成器の模式図 本考案のマイクロバブル生成器の模式図 マイクロバブル個数測定結果 本考案の簡易着脱式クーラントホースの模式図 本考案のマイクロバブル生成器および簡易着脱式クーラントホースを研削盤に適用した模式図 複数の本考案のマイクロバブル生成器および簡易着脱式クーラントホースをマシニングセンタに適用した模式図

以下、本考案を実施するための形態について説明する。
本考案のマイクロバブル生成器は、筒状の本体にマイクロバブル付与対象の液体（クーラント）が通過する流路と、前記流路と前記気体受入部とを隔て設けられた多孔体と、前記流路で液体の入口側および出口側の少なくとも片方に螺合部を有する。
本考案のマイクロバブル生成器の代表的な構成を、図１を用いて説明する。筒状の本体Ｊを有する本考案のマイクロバブル生成器１の入口３から供給されたクーラントＣは、流路２を通過し、その際にマイクロバブルＢを付与され、出口４から排出される。
マイクロバブルの元となる圧縮気体Ｇは、気体受入部５から圧縮状態で供給され、多孔体６を通過してバブルの状態で多孔体６に内壁に供給され、これがクーラントによってせん断はく離されることで、微細気泡であるマイクロバブルＢとしてクーラントＣに供給される。多孔体６は、気体受入部５と、流路２とを隔てて設けられる。
より多くのマイクロバブルが発生させられるよう、望ましい多孔体６の気孔径は０．２〜２μｍである。この範囲であれば、生成したバブルが微細化しやすく、十分な数のマイクロバブルＢを生成させやすい。マイクロバブル生成数を増やすうえで、より好ましいのは、平均気孔径が０．３〜０．７μｍ程度である。なお、気孔径の測定は液体銀圧入法（ＪＩＳ Ｋ ８５７２）による。気孔率は２５〜３５％がより好ましい。
また、多孔体６として特に適している材質は、セラミック材である。セラミック材は化学的に安定であり、様々な種類のクーラントから化学的な影響を受けにくい。セラミックス材としては、コストや耐薬品性、製造容易性などを勘案し、シリカ系、アルミナ系、ジルコニア系などから選択してよい。セラミック材以外には、例えば鉄粉を焼結して製作した多孔体や、内部を発泡させた樹脂を多孔体として使用することもできる。
多孔体６の厚さは、圧縮気体の供給を受けても割れない強度を有する厚さが好ましく、例えば０．５ｍｍ以上が望ましい。厚くする場合は１０ｍｍ程度までは可能であり、また３ｍｍ以下の厚さであれば、気体Ｇの通過の際の抵抗が上昇しすぎず、大掛かりな気体供給装置が必要なく、望ましい。
気体受入部５に供給する気体は空気や窒素ガス等、特に限定されない。供給する気体の圧力は、例えば０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下であり、好ましくは０．４から０．５ＭＰａである。これは、例えば一般的な工場配管中の圧縮空気である。圧縮空気の消費量は１から１０リットル毎分程度である。圧縮空気の供給手段は、コンプレッサーを用いても良いし、高圧ガスボンベを用いても良い。適切な供給圧力と安定した流量を確保できる構成であれば、その種類は問わない。気体受入部５は、例えば工場圧縮空気等を受け入れるエアー用カプラを用いてもよい。

本考案のマイクロバブル生成器は、流路の入口側、出口側の少なくとも一方、または両方に螺合部７を有する。螺合部は、流路を取り囲む形状であるために、雌ネジ形状が適しているが、流路に沿って前後に伸びた雄ネジ形状でもよい。螺合部には、一例としてクーラントホースを構成する部品との結合部品であるジョイント部品が螺合できる。クーラントホースのジョイント部品は、中心部に流路があり、少なくとも一方が雄ネジ形状のものを用いることが適している。入口側、出口側の両方にクーラントホースのジョイント部品８を螺合した模式図を図２に示す。
また、入口側と出口側の両方に前記ジョイント部品を螺合してもよいが、一方を前記ジョイント部品と螺合したうえで、もう一方は樹脂等のホースを挿入して使用するニップルやカプラなどと螺合してもよい。
マイクロバブル生成器と、ジョイント部品は、単に螺合している構造でもよいし、螺合部を接着剤等で固定したり溶接したりして、一体として流通する形態でもよい。

また、本考案のマイクロバブル生成器を一つの部品として、簡易着脱式クーラントホース２０を構成できる。本考案の簡易脱着式クーラントホースを図４に示す。この、簡易着脱式クーラントホース２０は、前述の螺合部を有するマイクロバブル生成器１に、ジョイント部品８が結合され、更に流路を形成しクーラントホースを延長するパーツ１０が結合されており、加工部に向けてクーラントを噴出するノズル先端１１を有している。本構成を有することで、既存の簡易着脱式クーラントホース（マイクロバブル生成器を有しない）の１か所または２か所を取り外し、代わりに本考案の簡易着脱式クーラントホースを取り付けることで、簡単にマイクロバブルをクーラントに供給できる。
本考案の簡易着脱式クーラントホースは、前記マイクロバブル生成器を１つ備えていてよいし、流路に対して直列に２つ以上備えていてもよい。また、クーラントホースを延長するパーツの一部に流路分岐パーツを用いてもよい。

本考案のマイクロバブル生成器、および、簡易着脱式クーラントホースは、生成したマイクロバブルを含むクーラントを、マイクロバブルが生成した直後に加工箇所に供給できる。前述のように、マイクロバブルは発生してからすぐに消滅し始める。加工に効果のあるマイクロバブルを、より多く加工部に供給するには、本考案のマイクロバブル生成器、および、簡易着脱式クーラントホースのように、加工部に供給される直前のクーラントにマイクロバブルを発生させることが最も効率がよい。

（実施例１）
本考案のマイクロバブル生成器を用いて、工作機械に用いる水溶性クーラント（Ｃ）にマイクロバブルを供給した実施例を示す。
本考案のマイクロバブル生成器の本体Ｊはステンレス製としたが、圧力に耐えられ、液体や気体が漏れなければ、プラスチック等の他材質で代替してもよい。
本体Ｊは気体受入部、多孔体および流路の入口と出口に雌ネジ状の螺合部を備えており、流路は前記多孔体の内筒側で構成されている。
水溶性クーラントは、クーラント成分を水道水で２０倍から５０倍に任意に希釈したものである。気体Ｇは、コンプレッサーを用いて０．４ＭＰａとした空気とし、気体受入部より供給した。多孔体は、円筒状のアルミナ材（気孔率３０％、平均気孔径０．５μｍ）とした。また、多孔体は外径１４ｍｍ、内径は７ｍｍ、厚さ３．５ｍｍとした。
本体Ｊと多孔体５との間には、気体の通り道であり、気体を溜める空洞部を設けた。多孔体６へは気体受入部５から空洞部を介して、圧縮気体Ｇのみが供給される。流路の外周部（多孔体の内壁部）は、クーラントＣの入口３および出口４の近傍を除き、前記多孔体で構成した。気体受入部には、通称ワンタッチ継手を用い０．４ＭＰａの空気を供給した。

クーラントＣの入口側３と出口側４には、螺合部としてＰＴ１／２インチの雌ネジを切っている。また、ジョイント部品としてロックライン（簡易着脱式クーラントホースの商品名）のコネクタを両端に用い、ネジ部にはシールテープを巻いて液漏れ防止とした。また、市販のクーラントホースを延長するパーツを用いて、加工機（マシニングセンタ）のクーラント噴出部分に取り付けた。

次に、クーラントＣを入口３側から連続的に供給し、出口４から取出し、取出したクーラントＣ中のマイクロバブルの直径および個数の分布を株式会社島津製作所製のＰａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎｓｉｇｈｔにて測定した（測定レンジは１〜１５０μｍ）。なお、測定は、取出し後すぐに行った。測定結果を図３に示す。

また、比較例として、本体部分を本願実施例のマイクロバブル生成器とし、加工液を蓄えたタンク内でマイクロバブルを生成し、それを加工機のポンプにてくみ上げることで加工部に供給した場合のマイクロバブルの直径および分布を測定した結果を図３に併せて記載した。生成から加工部に供給までの時間は、およそ１０秒程度である。

両者のマイクロバブル数の比較により、生成後すぐにクーラントを加工部に供給することで、より多くのマイクロバブルを加工部に供給できることが確認でき、マイクロバブル生成後すぐに加工に供することが有効であることが確認できた。

（実施例２）
図５に本考案の簡易着脱式クーラントホースの実施形態の他の一例の模式図を示す。
本実施例は研削ホイールを用いた研削盤への本考案の使用例であり、本考案のマイクロバブル生成器１を有する本考案の簡易着脱式クーラントホース２０を用いた。加工機側はクーラントパイプを有し、クーラントホースを延長するパーツを備えている。本考案の簡易着脱式クーラントホース２０の端部を、加工機側のクーラントホースを延長するパーツにはめ込んで、使用に供した。

（実施例３）
図６に本考案の簡易着脱式クーラントホースの実施形態の他の一例の模式図を示す。
マシニングセンタの、クーラントの流路を２つに分岐させており、本考案の簡易着脱式クーラントホースを分岐した流路それぞれ取り付けた。
本加工では、マイクロバブルの個数が多い程加工に良い効果があることが分かっていたため、分岐したクーラント流路ごとに、本考案の簡易着脱式クーラントホースを用いた上で、更に本考案のマイクロバブル生成器をそれぞれに設け、使用に供した。

（実施例４）
本考案の簡易着脱式クーラントホースを加工機のクーラントホースの一部を入れ替えた取付け工程を示す。
まず、通常の簡易着脱式クーラントホースの連結を手で外した。次に、本考案の簡易着脱式クーラントホースとのジョイント部品を接続した。この簡易着脱式クーラントホースは、あらかじめ本考案のマイクロバブル生成器の螺合部にジョイント部品を螺合し、更にジョイント部品の一方にクーラントホースを延長するパーツを備えている。もう一方には、クーラントホースを延長するパーツの先端にクーラント噴出ノズル１１を備えている。気体の受入部に、圧縮気体を供給するチューブを挿入した。
以上の取付け作業で、加工機を止めて装着に要する時間は２０秒程度であった。

１ マイクロバブル生成器
２ クーラント流路
３ 入口（側）
４ 出口（側）
５ 気体受入部
６ 多孔体
７ 螺合部
８ ジョイント部品
１０ クーラントホースを延長するパーツ（流路形成部品）
１１ クーラント噴出ノズル
２０ 簡易着脱式クーラントホース
Ｊ 筒状の本体
Ｂ マイクロバブル
Ｇ 気体、液体に供給時にマイクロバブルとなる気体
Ｃ マイクロバブル供給対象であるクーラント

Claims (3)

1. 筒状の本体に、
   マイクロバブル付与対象の液体が通過する流路と、
   圧縮気体を受入れる気体受入部と、
   前記流路と気体受入部とを隔て設けられた多孔体とを有し、
   前記流路の液体の入口側および出口側の少なくとも片方に螺合部を有する
   マイクロバブル生成器。
2. 前記螺合部にクーラントホースと接続するジョイント部品を螺合して設けた、請求項１に記載のマイクロバブル生成器。
3. 請求項２に記載のマイクロバブル生成器の前記ジョイント部品に、簡易着脱式クーラントホースの流路形成部品をさらに有する、マイクロバブル生成器を有する簡易着脱式クーラントホース。

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