JP3958346B1 - 微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成かつ低コストで、微細気泡を安定して発生できる微細気泡発生装置などを提供する。
【解決手段】 微細気泡発生装置１は、モータ２と、モータ２によって回転される回転軸４と、回転軸４の先端に取り付けられた回転ディスク５と、回転軸４の外周をスペースをおいて取り囲む、気体導入口１０ａを有する筒体６と、筒体６の先端部に取り付けられた、ディスク５の外周を小スキマを隔てて取り囲むフランジ９と、フランジ９の先に設けられた、筒状のメッシュ部材１１と、を具備する。ディスク５を液中で回転させ、遠心力によりディスク５の下面の液を外方向に流し、この液の流れによってディスク５とフランジ９とのスキマから筒体６内の気体を吸い出しながら液と混合させて気泡混合液流を作り、この液流をメッシュ部材１１に当てて通しながら気泡を細分化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水道水や河川水などの液中において、空気や酸素、炭酸ガスなどの微細気泡（マイクロバブル、ナノバブル）を発生させる装置に関する。

微細気泡発生装置は、例えば、水道水や河川水の水中に微細気泡を混入させて溶存酸素量を増加させ、水を浄化するための装置として知られている。微細気泡とは、例えば、径が１ｍｍ以下の気泡であり、比表面積が大きく、水中での滞留時間が長いとともに水中での拡散性も優れているので、その性質を活かして生活用水から河川水や漁業関係などにわたる広い範囲に適用される可能性を有している。

このような装置としては、例えば、加圧した気体をセラミックなどの多孔質体を通して液体中に送り込んで、微細気泡を発生させる装置がある。しかし、この装置は、気体を加圧して多孔質体に送り込むために、高出力のコンプレッサ等が必要になり、エネルギ消費が多いとともに装置が大型化するのでコスト高となる。

そこで、液体中で回転体を回転させて液中に負圧状態を形成して、この負圧を利用して空気を液中に取り込む装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、微小なクリアランスを介して空気を取り込むことにより、微細な気泡を液中に発生することができるとされている。また、気泡をさらに微細化するために、ピンミルやベベルギアなどの気泡粉砕手段を設けることも記載されている。ただし、この装置では、気泡の微細化が不十分と考えられる。また、ピンミルやベベルギアなどの気泡粉砕手段を設けるとすると、装置構成が複雑となる。

特開２０００−１５０６８

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な構成かつ低コストで、微細気泡を安定して発生できる微細気泡発生装置などを提供することを目的とする。

モータと、 該モータによって回転される回転軸と、 該回転軸の先端に取り付けられた回転ディスクと、 前記回転軸の外周をスペースをおいて取り囲む、気体導入口を有する筒体と、 該筒体の先端部に取り付けられた、前記ディスクの外周縁をスキマを隔てて取り囲むフランジと、 該フランジの周囲から先に延び出すように設けられた、筒状のメッシュ部材と、を具備し、 前記ディスクを液中で回転させ、遠心力により該ディスク下面の液を外方向に流し、この液の流れによって前記ディスクとフランジとのスキマから前記筒体内の気体を吸い出しながら前記液と混合させて気泡混合液流を作り、この液流を前記メッシュ部材に当てて通しながら気泡を細分化することを特徴とする。

本発明によれば、回転ディスクの遠心力によって液中に高速液流と負圧状態を作り、この負圧を利用して気体を液中に取り込んで気泡混合液流を作るので、加圧気体を使用する場合のような高出力のコンプレッサ等の装置が不要であり、装置の小型化・省エネを図れる。また、高速の気泡混合液流をメッシュ部材に当てることで気泡が細分化され、微細気泡を生成させる。この際、高速の気泡混合液流がメッシュ部材に当たって速度が低下するので、液中に渦が発生したり、液面が盛り上がったり乱れることが少ない。このため、全方向にほぼ均等に拡散し、液中での滞留時間が比較的長い微細気泡を発生させることができる。

この微細気泡は、後述するように、水道水中に溶け込んだ塩素を大気中に放出することで水道水中の塩素分を除去したり、酸素富化水や炭酸温泉水の製造など、生活面から産業面まで幅広い分野に適用できる。

本発明においては、 前記メッシュ部材が、重ねられた複数のメッシュ網であることが好ましい。
この場合、メッシュ網を通過するごとに気泡を細分化できるので、極めて微細な気泡を発生できる。

さらに、 前記メッシュ網の開口サイズが、５０〜５００メッシュであることが好ましい。
メッシュ網の開口サイズが大きすぎると微細化が不足となり、小さすぎると気泡混合液流が通りにくい。このため、開口サイズが、５０〜５００メッシュ、さらに好ましくは１００〜４００メッシュであることが好ましい。

本発明に関連する微細気泡発生方法は、 液中に回転ディスクを置いて該ディスクに触れる液に遠心力による流れを与え、 この流れ中に気体を混入させて気泡混入液流を作り、 該気泡混入液流をメッシュ部材に当てて通しながら気泡を細分化することを特徴とする。

本発明に関連する水中塩素分除去装置は、 モータと、 該モータによって回転される回転軸と、 該回転軸の先端に取り付けられた回転ディスクと、 前記回転軸の外周をスペースをおいて取り囲む、空気導入口を有する筒体と、 該筒体の先端部に取り付けられた、前記ディスクの外周を小スキマを隔てて取り囲むフランジと、 該フランジの先に設けられた、筒状のメッシュ部材と、を具備し、 前記ディスクを水中で回転させ、遠心力により該ディスク下面の水を外方向に流し、この水の流れによって前記ディスクとフランジとのスキマから前記筒体内の空気を吸い出しながら前記水と混合させて気泡混合液流を作り、この液流を前記メッシュ部材に当てて通しながら気泡を細分化して微細気泡を発生させ、この微細気泡により、前記水中の塩素分を除去することを特徴とする。

水道水中に空気の微細気泡を混入させると、水道水中に含まれる塩素分が微細気泡に気体状となって溶け込む。そして、この気泡が徐々に上昇して大気中に放出されることで、水道水中の塩素分が除去されると考えられる。この水中塩素分除去装置は、飲料水や観賞魚の水槽用として使用できる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、比較的簡単な構成かつ低コストの、拡散性が良好で液中での滞留時間の長い微細気泡を発生できる装置を提供できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る微細気泡発生装置の構成の一例を説明する図であり、図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は一部断面図である。
微細気泡発生装置１は、モータ２と、モータ２によって回転される回転軸４と、回転軸４の先端に取り付けられた回転ディスク５を備える。さらに、回転軸４の外周をスペースをおいて取り囲む筒体６と、筒体６の先に設けられた、筒状のメッシュ部材１１とを備える。

モータ２の出力軸２ａには、カップリング３を介して回転軸４が連結されている。回転軸４の先端には、回転ディスク５が取り付けられている。回転ディスク５は、先端に向って先細の薄い円錐状の部材である。同ディスク５の、モータ２の側の面は平面となっており、周縁のエッジは鋭く尖るように加工されている。回転ディスク５は、回転軸４の先端に螺合や接着剤などにより取り付けられる。

モータ２と回転ディスク５との間には、回転軸４をスペースを開けて取り囲む筒体６が取り付けられている。筒体６は、モータ回転軸４と同軸上の軸孔６ａを有する部材で、モータ２を覆う基部７と、回転軸４に沿って延びる中央部８と、外方向に張り出す先端フランジ部９とからなる。各部は別々に作製したものを組み立てたものでも、各部が一体に作製されたものでもよい。

中央部８の基部寄り（モータ２寄り）の部分には、気体導入口１０が開けられている。この気体導入口１０を介して、筒体６の外部と軸孔６ａの中とが連通する。先端フランジ部９は、短い円柱状の部分であり、中央部８の先端に嵌合固定されている。フランジ部９の先端面９ａは中央が凹むように錐状に傾斜している。この先端面９ａと回転ディスク５との間には、空間が形成されている。また、図１（Ｂ）に示すように、フランジ部９の先端の外周縁と、回転ディスク５の外周縁との間にはスキマｄが開いている。スキマｄの幅は、小型の装置で１ｍｍ以下であることが好ましい。混入気泡の寸法を小さくするにもスキマｄは小さい方が好ましい。なお、大型の装置では、５〜１０ｍｍ程度以下で可能な限り小さいことが好ましい。
なお、気体導入口１０には、様々な種類のガス源を接続することができる。

フランジ部９の周囲には、筒状のメッシュ部材１１が、フランジ部９の先に延び出すように取り付けられている。筒状メッシュ部材１１は、例えば、３層に重ねられた筒状のメッシュ網１２ａ、１２ｂ、１２ｃで構成される。各メッシュ網の好ましい開口サイズは、５０〜５００メッシュ、より好ましくは１００〜４００メッシュである。

次に、この微細気泡発生装置の動作を説明する。
図２は、微細気泡発生装置の使用状態を説明する図である。
まず、装置１の回転ディスク５が下となるように保持し、回転ディスク５を水中に沈める。このとき、筒体６の空気導入口１０は水面上とする。回転ディスク３と筒体６のフランジ部９との間には小さいスキマｄが開いているので、同スキマｄから液体が筒体６の軸孔６ａ内に入り込む。そして、モータ２を駆動して回転軸４を回転させて、回転ディスク５を回転させる。すると、回転ディスク５の遠心力により、同ディスク５の近傍に存在する液体が高速で外方向に流れる。これにより、ディスク５とフランジ先端面９ａとの間の空間が負圧になり、さらに回転させると、軸孔６ａ内には水がなくなると思われる。その結果、筒体６の空気導入口１０から筒体軸孔６ａへ空気が連続して引き込まれる。

軸孔６ａ内に引き込まれた空気は、回転ディスク５とフランジ部９との間のスキマｄから外方向に流される。このときに、高速の液流に空気が混合され、気泡混合液流が形成される。この気泡混合液流は、フランジ部９の周囲に配置されているメッシュ部材１１に当たりながら同部材を通過する。このとき、回転ディスク５の高速回転により気泡混合液流はかなりの高速でメッシュ部材１１に当たることになる。メッシュ部材１１は、前述のように３層のメッシュ網１２で作製されているので、気泡は内側のメッシュ網１２ａから外側のメッシュ網１２ｃへ通過するごとに細分化され、最終的には非常に微細な気泡となる。なお、回転ディスク５は高速回転しているので、遠心力により発生する気泡混合液流もかなりの高速で螺旋状に回転するが、メッシュ部材１１に当たる毎に速度が緩和される。このため、渦や、液面が盛り上がるなどの液の乱れは発生せず、微細な気泡がメッシュ部材１１から全方向へ均等に拡散していく。

この装置１の適用例を説明する。
ア）水道水
タンクや水槽に溜められた水道水に気体導入口１０から空気を導入し、水道水中に空気の微細気泡を発生させる。すると、水道水中に含まれる塩素分が微細気泡に気体状となって溶け込む。そして、この気泡が徐々に上昇して大気中に放出されることで、水道水中の塩素分が除去される（効果は実施例で後述する）。この場合、飲料水用や観賞魚の飼育用に使用できる。
イ）飲料水
気体導入口１０に酸素源（あるいは空気でもよい）を接続し、飲料水に同口から酸素を導入すると、酸素が高濃度に溶け込んだ水を提供できる。溶存酸素濃度を高くすることで、嫌気性菌の増殖防止等の効果が期待できる。
ウ）浴槽
浴槽に溜められたお湯に、気体導入口１０から空気を導入し、お湯の中に微細気泡を発生させる。気体導入口１０を炭酸ガス源に接続すると、浴液中に炭酸ガス微細気泡が発生する（いわゆる炭酸温泉）。このような炭酸ガス微細気泡により、温浴効果が高められ、血行を促進させるという効果が期待できる。

また、河川や湖沼の水質改善の観点からすると、雑菌類及び赤潮プランクトンの異常発生予防対策としても有効である。

なお、この微細気泡発生装置１は、適用する分野での液の種類や量によって、装置の大きさや形状、出力などを変更して使用する。

微細気泡発生装置１を水中塩素分除去装置として使用する例を説明する。
水中塩素分除去装置は、図１の微細気泡発生装置１と同じ構造を有する。装置の基本構成を以下に示す。
モータ２：出力２００Ｗ、回転数（最高）５，０００〜６，０００ｒｐｍ、
回転ディスク５：径３８ｍｍ、
メッシュ部材１１：開口サイズ２００メッシュのメッシュ網１２を３枚重ねたもの。

この微細気泡発生装置１を使用して、水道水の塩素分除去効果を調べた。塩素分の検出は試薬（残留塩素試験オルソトリジン溶液）を使用した。この試薬は、液中に塩素分が存在した場合は液を黄色に変色させ、塩素分が存在しない場合は液を変色させない。

水槽に５リットルの未処理の水道水を溜める。この水道水を、試薬を用いて検査すると、黄色に変色し、塩素が含まれていることがわかる。次に、図２に示すようにこの水道水に微細気泡発生装置１で５分間空気の微細気泡を発生させた。この際、極めて細かい気泡を含む霧のような水がメッシュ部材１１の表面にジワーッと流れ出てきた。そして、その気泡を含む水は、上下に拡散するように水槽中に広がった。この霧のような状態は、装置１の運転を止めても３分程度は、あまり変化なかった。

この運転処理後の水道水を、試薬を用いて検査すると、変色せず、塩素分が除去されたことが確認された。これは、微細気泡に水道水中の塩素が気体状となって溶け込み、この気泡が徐々に上昇して大気中に放出されることで、水道水中の塩素分が除去されたものと考えられる。なお、メッシュ部材１１を外して装置１を運転させたが、気泡のサイズが細かくならず、同じ時間運転後も塩素分の除去は不十分であった。

この装置を、飲料水中の塩素を除去するために使用する場合は、必要分の水道水をいったんタンクなどに保存し、微細気泡発生装置を所定の時間稼動させた後、使用する。

本発明の実施の形態に係る微細気泡発生装置の構成の一例を説明する図であり、図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は一部断面図である。 微細気泡発生装置の使用状態を説明する図である。

符号の説明

１ 微細気泡発生装置 ２ モータ
３ カップリング ４ 回転軸
５ 回転ディスク ６ 筒体
７ 基部 ８ 中央部
９ フランジ部 １０ 気体導入口
１１ メッシュ部材 １２ メッシュ網

Claims (4)

1. モータと、
   該モータによって回転される回転軸と、
   該回転軸の先端に取り付けられた回転ディスクと、
   前記回転軸の外周をスペースをおいて取り囲む、気体導入口を有する筒体と、
   該筒体の先端部に取り付けられた、前記ディスクの外周縁をスキマを隔てて取り囲むフランジと、
   該フランジの周囲から先に延び出すように設けられた、筒状のメッシュ部材と、
   を具備し、
   前記ディスクを液中で回転させ、遠心力により該ディスク下面の液を外方向に流し、この液の流れによって前記ディスクとフランジとのスキマから前記筒体内の気体を吸い出しながら前記液と混合させて気泡混合液流を作り、この液流を前記メッシュ部材に当てて通しながら気泡を細分化することを特徴とする微細気泡発生装置。
2. 前記メッシュ部材がメッシュ網であり、その開口サイズが、５０〜５００メッシュであることを特徴とする請求項１記載の微細気泡発生装置。
3. 前記メッシュ網の開口サイズが、１００〜４００メッシュであることを特徴とする請求項２記載の微細気泡発生装置。
4. 前記メッシュ部材が、重ねられた複数のメッシュ網であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の微細気泡発生装置。

Images