JP4354857B2 - 超微細気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体中で生成した気泡直径が８０ミクロン以下の超微細気泡は上昇せず、周りの液体から受ける圧力により収縮し、気泡内の分子が活性化され、最終的に液体中で消滅することにより、活性化された分子が液体中に分散されることにより、液体の性質を変化させる技術であり、空気、酸素ガス、窒素ガス、炭酸ガス等の気体を水道水、河川水、海水、アルコール水溶液その他液体等に分散することが可能となり、例えば水の性質を変化させ、生理活性作用により生体の機能を維持するための技術や、水質を浄化するための技術における超微細気泡発生装置に関するものである。

従来の微細気泡発生装置は、ポンプ装置により加圧された空気を混入して微細気泡を発生させて水質を浄化する方法が一般的であるが、さらに微細な気泡を作り出すために大きく分けて、回転羽根混合方式、ジェット噴流混合方式、空気剪断方式などによる空気細分化による微細気泡発生装置がある。

このような微細気泡を発生する装置が提供されているが、いずれも空気を微細気泡とするかが課題であるが、従来一般にみられるような空気をポンプ加圧による混合方式では、せいぜい気泡の直径が数ｍｍ程度の大きな気泡発生にとどまっており、これでは液体中における気泡の上昇速度が速く、気泡の機能性は生かされない。噴き出しによる散気方式では、そこにいかに微細な細孔を設けても気泡が細孔から加圧状態で噴出されて体積が膨張し、またその際の気泡の表面張力によって結果的に数ｍｍ程度の径を有する大きな気泡が発生してしまい、それよりも小さな気泡を発生させることが困難であり、そして、その長時間運転に伴って発生する目詰まりと動力費の増大の問題が存在する。また、回転羽根や気泡噴流などにより、剪断力が形成された水流内に空気を入れて細分化する方法では、キャビテーションを発生させるのに高速の回転数が要求され、その動力費の問題やキャビテーション発生に伴って急激に進行する羽根の腐食や振動問題があり、さらに、微細気泡の生成率が少ないという問題もあった。さらに、加圧方式では装置が大型でかつ高価、さらには運転費も多額を必要としていた。旋回式微細気泡発生装置では直径１０から２０ミクロンの微細気泡を発生させることができるとしているが、実際に使用すると気泡の直径がかなり大きく、気泡の多くが水中を上昇していくのが確認され、安定した超微細気泡の生成供給までには至っていない。

この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、超微細気泡を含む液体の混合流体を簡潔な構造で効率よく生成することのできる超微細気泡発生装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、超微細気泡を含む液体の混合流体を発生させるための装置であって、液体と気体を取り込む吸入部の前方が円錐状に内径が小さくなる円錐状のテーパー管の傾斜側周面部分に供給槽の液体を旋回流となるように取り込む複数の液体導入口を備え、上記円錐状のテーパー管の先端部分から気体を取り込む細管の気体導入口を備え、円錐状の上記テーパー管の下流側にポンプを設け、該ポンプにより上記テーパー管内部に該テーパー管の内径が大きくなる後方に向けて流速を生じさせ、上記ポンプの作動により上記テーパー管内部に複数の上記液体導入口から供給槽の液体が吸い込まれて旋回流となり旋回流の中心部に連続的に発生した負圧領域で上記気体導入口から気体を連続的に取り込んで気液混合して上記ポンプで吸い込み上記テーパー管及び上記ポンプの下流側の正圧領域の反応槽に排出し、テーパー管の下流側の正圧領域の反応槽の液体の圧力を利用して超微細気泡を生成する手段よりなるものである。

ここで、好ましい態様として、傾斜側周面部分に液体導入口を備えたテーパー管を液体で満たされた供給槽内に設置し、テーパー管の下流側を液体で満たされた反応槽内に連通し、供給槽と反応槽とを連通管で連結してもよい。傾斜側周面部分に液体導入口を備えたテーパー管を液体で満たされた供給槽内に設置し、テーパー管の下流側を液体で満たされた反応槽内に連通し、液体を供給する供給管を供給槽に連結し、液体を排出する排出管を反応槽に連結してもよい。円錐状のテーパー管の傾斜側周面部分に、液体を取り込む複数の液体導入口を螺旋方向に等間隔で設け、テーパー管内部に該テーパー管の内径が大きくなる後方に向けて旋回流を生じさせてもよい。気体導入口に一端が連結され他端が気体吸入口となる気体導入管に、気体流量調節具を設けてもよい。

以上の記載より明らかなように、この発明に係る超微細気泡発生装置によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）超微細気泡を簡潔な構造で効率よく生成することができる。
（２）超微細気泡の大きさを安定して定量的に生成供給できる。
（３）装置の構造が簡潔で、操作が簡単なため利用範囲が広い。
（４）装置がシンプルで小型、軽量、省エネルギーで経済的である。

また、請求項２によれば、反応槽内で超微細気泡が消滅することにより性質が変化した液体の一部は連通管を通じて再び供給槽に循環され、超微細気泡が再び生成された後に消滅することが繰り返し行われることにより、液体の性質の変化を高めることができる。

また、請求項３によれば、反応槽内で超微細気泡が消滅することにより性質が変化した液体を定量的に得ることができる。

また、請求項４によれば、超微細気泡の発生量はポンプ能力に応じて生成供給できる。

また、請求項５によれば、旋回流を利用して気液混合を更に高めることができる。

また、請求項６によれば、気体流量調節具の調節により、液体と混合する気体の流入量を調整し、安定した超微細気泡の発生量や気泡の大きさをコントロールすることができる。

以下、図面に記載の発明を実施するための最良の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１は自給式の超微細気泡発生装置の循環式による概略構成図、図２は自給式の超微細気泡発生装置の放流式による概略構成図、図３は超微細気泡発生装置の円錐状のテーパー管部分の拡大図、図４は図３のＡ〜Ａ矢視部分を示す図である。

図１の循環式による場合は供給槽（１）と反応槽（２）が連通管（３）で連結される。また図２の放流式による場合は連通管（３）がなく、液体（ａ）を供給する供給管（１３）が供給槽（１）に連結され、液体（ａ）を排出する排出管（１４）が反応槽（２）に連結されている。例えば水道水、河川水、海水、アルコール水溶液その他の液体（ａ）で満たされている供給槽（１）の中には自給式の超微細気泡発生装置（以下本装置と称する）（４）が設置されている。

本装置（４）の下流端はポンプ（５）に一端が接続するポンプ吸い込み口（５−１）の他端に接続され、反応槽（２）の中にはポンプ（５）に一端が接続するポンプ吐き出し口（５―２）の他端と接続して生成された超微細気泡（ｂ）を供給する排出管（６）が設置されている。本装置（４）はその下流側が、ポンプ吸い込み口（５−１）、ポンプ（５）、ポンプ吐き出し口（５―２）、排出管（６）を介して反応槽（２）に連通している。

ポンプ（５）は本装置（４）の下流側に設けられていて、本装置（４）のテーパー管内部に該テーパー管の内径が大きくなる後方に向けて流速を生じさせる機能を果たす。超微細気泡の発生量はポンプ（５）の能力に応じて生成供給されることになる。

一方、本装置（４）は吸入部の前方が円錐状に内径が小さくなる構造で、この円錐状のテーパー管の傾斜側周面部分には液体（ａ）を取り込む液体導入口（７）が備えられている。又円錐状のテーパー管の先端部分から例えば空気、酸素ガス、窒素ガス、炭酸ガス等の気体（ｃ）を取り込む細管の気体導入口（８）が備えられている。

液体導入口（７）は周辺からの液体（ａ）の取り込みが乱流を起こさず水理的にスムーズな流れ込みで、しかも本装置内で水流が旋回流（ｄ）となるよう液体導入口部の総面性が流入流速１．２ｍ／秒から２．０ｍ／秒を満足する導入口が複数個、等間隔で螺旋方向に階段状に配置されている。それぞれの液体導入口（７）には液体（ａ）がスムーズに流れ込むように整流板（９）が取り付けられている。

細管の気体導入口（８）には、気体（ｃ）の自給や気体圧送装置（１２）から気体（ｃ）を取り込むため途中に気体流量調節具（１１）を取り付けた気体導入管（１０）の一端が連結されている。気体導入管（１０）の他端は気体導入口になっていて、気体圧送装置（１２）や自給式の場合には大気や図示しない気体供給タンクなどに連結されている。気体流量調節具（１１）は液体（ａ）と混合する気体（ｃ）を気体導入口（８）側が負圧となるよう気体流入量を液体流入量の１％程度に調整し、安定した超微細気泡（ｂ）の発生量や気泡の大きさをコントロールするものである。気体導入口（８）は旋回流（ｄ）の発生源に近い液体導入口（７）位置まで細管を延長して設けられる。

次に、上記発明を実施するための最良の形態の構成に基づく作用について以下説明する。
以上の設備において、図１の循環式の場合は、ポンプ（５）を作動して液体（ａ）を循環させると、供給槽（１）の液体（ａ）が本装置（４）の円錐状のテーパー管の傾斜側周面部分に螺旋方向に等間隔で設けた複数の液体導入口（７）から１．２ｍ／秒から２．０ｍ／秒の流入流速で吸い込まれ、旋回流（ｄ）となって本装置（４）内を流下する。

流下する液体（ａ）には強い遠心力が作用し、旋回流の中心部には連続的に負圧領域（ｅ）が発生し、負圧領域（ｅ）に向かって気体導入口（８）から液体流入量の１％程度の気体（ｃ）が連続的に取り込まれることにより、本装置（４）のテーパー管内で気液混合二相流（ｆ）となって本装置（４）の下流側に接続されたポンプ吸い込み口（５−１）からポンプ（５）に吸い込まれ、微細化されてポンプ吐き出し口（５−２）から排出管（６）を通して反応槽（２）内に超微細気泡（ｂ）が生成供給される。

つまり、本装置（４）内の負圧領域（ｅ）で液体（ａ）と混合した気体（ｃ）は微細気泡となって反応槽（２）に排出されるが、反応槽（２）は正圧領域であるため、負圧領域（ｅ）では微細気泡であったものが正圧領域の反応槽（２）内では液体（ａ）により圧縮されて超微細気泡（ｂ）になる。

生成された超微細気泡（ｂ）は、気泡直径が８０ミクロン以下で反応槽（２）内で上昇せず、周りの液体から受ける圧力により収縮し、気泡内の分子が活性化され、最終的に液体中で消滅することにより、活性化された分子が液体中に分散されることになり、反応槽（２）内で液体（ａ）は性質を変化させる。

空気、酸素ガス、窒素ガス、炭酸ガス等の気体（ｃ）を、水道水、河川水、海水、アルコール水溶液その他の液体（ａ）に分散することが可能となり、例えば液体（ａ）としての水の性質を変化させて、生理活性作用により生体の機能を維持するために利用したり、水質を浄化するために利用したりすることが可能となる。

一方、反応槽（２）内で超微細気泡（ｂ）が消滅することにより性質が変化した液体（ａ）の一部は連通管（３）を通じて再び供給槽（１）に循環され、前記の作用によって超微細気泡（ｂ）が再び生成された後に消滅することが繰り返し行われることにより、液体（ａ）の性質の変化が高められることになる。

図２の放流式の場合は、液体（ａ）が供給管（１３）から供給槽（１）に供給され、本装置（４）により発生した超微細気泡（ｂ）は反応槽（２）に供給され、反応槽（２）の液体中で消滅して性質が変化した液体（ａ）は後排出管（１４）から放流される。

実験例

ここで、図５は超微細気泡発生実験装置の構成図、図６は超微細気泡発生実験装置による実験結果を示す図である。
実験では図５に図示する循環式の装置を使用し、又液体に水を使用し、気体に大気中の空気を使用した。超微細気泡（ｂ）が発生した反応槽（２）から供給槽（１）に水を循環する場合、反応槽（２）の水表面の越流水を供給槽（１）に循環させる構造にした。このため、反応槽（２）の内部に垂直な越流板（１５）を取付けて内部を仕切り、越流板（１５）の上端から越流させる構造にした。大気の空気を自給するために、気体導入管（１０）上流端を大気に開口する構造にし、又気体導入管（１０）に流量計（１６）を設けた。ポンプ（５）の下流側と反応槽（２）との間に配設された排出管（６）に流量調整バルブ（１７）を設けた。

超微細気泡発生装置（４）を構成するテーパー管は、高さ５０ｍｍ、テーパー管開き角度１０度、のものを使用した。テーパー管の傾斜側周面部分には、３ｍｍ×３ｍｍの開口面積を有する液体導入口（７）を９０度刻みの１２ｍｍのピッチで螺旋方向に４箇所設けた。また、ポンプ（５）には、定格流量６．０Ｌ／分、定格揚程２．７ｍ、のポンプ能力を有するものを使用した。

実験は次のような条件下で行った。
吸気量 ：４０ｍＬ／分以下
給水量 ：２．０〜３．０Ｌ／分
流入流速：１．３９ｍ／秒

実験の結果を図６に示す。図６から理解されるように、給水量２．０〜３．０Ｌ／分の何れも、１３〜３２ミクロンの範囲の超微細気泡が一番多く生成されることがわかる。また、８０ミクロン以下の超微細気泡が多量に生成されることがわかる。

なお、この発明は上記発明を実施するための最良の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。

この発明を実施するための最良の形態を示す自給式の超微細気泡発生装置の循環式による概略構成図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す自給式の超微細気泡発生装置の放流式による概略構成図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す超微細気泡発生装置の円錐状のテーパー管部分の拡大図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す超微細気泡発生装置の円錐状のテーパー管部分の拡大図のＡ〜Ａ矢視部分を示す図である。 この発明に係る超微細気泡発生実験装置の構成図である。 この発明に係る超微細気泡発生実験装置による実験結果を示す図である。

符号の説明

１ 供給槽
２ 反応槽
３ 連通管
４ 超微細気泡発生装置
５ ポンプ
６ 排出管
７ 液体導入口
８ 気体導入口
９ 整流板
１０ 気体導入管
１１ 気体流量調節具
１２ 気体圧送装置
１３ 供給管
１４ 排出管
１５ 越流板
１６ 流量計
１７ 流量調整バルブ
５−１ ポンプ吸い込み口
５−２ ポンプ吐き出し口
ａ 液体
ｂ 超微細気泡
ｃ 気体
ｄ 旋回流
ｅ 負圧領域
ｆ 気液混合二相流

Claims (5)

1. 超微細気泡を含む液体の混合流体を発生させるための装置であって、液体と気体を取り込む吸入部の前方が円錐状に内径が小さくなる円錐状のテーパー管の傾斜側周面部分に供給槽の液体を旋回流となるように取り込む複数の液体導入口を備え、上記円錐状のテーパー管の先端部分から気体を取り込む細管の気体導入口を備え、円錐状の上記テーパー管の下流側にポンプを設け、該ポンプにより上記テーパー管内部に該テーパー管の内径が大きくなる後方に向けて流速を生じさせ、上記ポンプの作動により上記テーパー管内部に複数の上記液体導入口から供給槽の液体が吸い込まれて旋回流となり旋回流の中心部に連続的に発生した負圧領域で上記気体導入口から気体を連続的に取り込んで気液混合して上記ポンプで吸い込み上記テーパー管及び上記ポンプの下流側の正圧領域の反応槽に排出し、テーパー管の下流側の正圧領域の反応槽の液体の圧力を利用して超微細気泡を生成することを特徴とする超微細気泡発生装置。
2. 傾斜側周面部分に液体導入口を備えたテーパー管を液体で満たされた供給槽内に設置し、テーパー管の下流側を液体で満たされた反応槽内に連通し、供給槽と反応槽とを連通管で連結した請求項１記載の超微細気泡発生装置。
3. 傾斜側周面部分に液体導入口を備えたテーパー管を液体で満たされた供給槽内に設置し、テーパー管の下流側を液体で満たされた反応槽内に連通し、液体を供給する供給管を供給槽に連結し、液体を排出する排出管を反応槽に連結した請求項１記載の超微細気泡発生装置。
4. 円錐状のテーパー管の傾斜側周面部分に、液体を取り込む複数の液体導入口を螺旋方向に等間隔で設け、テーパー管内部に該テーパー管の内径が大きくなる後方に向けて旋回流を生じさせる請求項１、請求項２又は請求項３記載の超微細気泡発生装置。
5. 気体導入口に一端が連結され他端が気体吸入口となる気体導入管に、気体流量調節具を設けた請求項１、請求項２又は請求項３記載の超微細気泡発生装置。

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