JP4884693B2 - マイクロバブル発生装置 - Google Patents
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Description
また、スリットを用いることで、スリット部ではスリットと元の流れの方向に流れが分かれることで力が作用し気泡が微細化される。さらにスリットによる絞り効果、スリット通過時とスリットから放出されら直後の流れの間の速度勾配によるせん断力によっても気泡が微細化される。またスリットに角度を付けることで効率的にマイクロバブルを発生することができる。
液体中に配置した本体パイプと、この本体パイプに連通した気体供給管と、前記気体供給管よりも下流側で本体パイプに形成したスリットと、前記スリットよりもさらに下流側に配置した衝突壁と、この本体パイプの上流側から液体を本体パイプ内に吐出する液体ポンプとを備え、前記衝突壁は、本体パイプ下流側の端部開口を閉じる壁であり、さらに、前記スリットは本体パイプ前方に向けて傾斜角θを有するスリットで構成したことを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
また、前記液体ポンプは吸引側に気液混合手段を備えていることを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
また、前記スリットは本体パイプの軸方向に複数設けたことを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
また、前記スリットは本体パイプの軸方向の下側に配置したことを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
また、前記スリットの総面積とパイプの断面積との比rを1.5〜2.5程度とすることを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
また、前記スリットの傾斜角θは、30°〜90°の範囲であり、さらに望ましくは50°〜70°であることを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
また、前記気体供給管の下流側面に気体放出孔を形成したことを特徴とするマイクロバブル発生装置である。
極めて簡単な構造(スリットを用いる等の簡単な構造)の装置により、容易にマイクロバブルを発生させることができるため、閉鎖水域の水質浄化ばかりでなく、個人家庭レベルでの使用が可能となり、生活排水の浄化、洗浄効果による洗剤量の低減、マイクロバブル崩壊時の圧力波を利用した入浴時での保温効果および水上、水中輸送機器の流体抵抗低減にも利用できる。また装置が小型化できマイクロバブル発生装置の省エネルギー化を図ることができる。
図1は第1実施例に係るマイクロバブル発生装置の全体構成図、図2はマイクロバブル発生手段の拡大図、図3は第2実施例に係るマイクロバブル発生装置の全体構成図である。
ポンプ8は液体貯留槽1内に配置されており、同槽1内の液体を汲み上げ、流量調節バルブ7、流路6を介して液体吐出口5から液体を吐出できるようになっている。またその吐出量は流量調節バルブ7により自由に設定できるように構成されている。なお、本例ではポンプ8は槽1内の液体を汲み上げるようにしてあるが、図示せぬ別の槽から同種の液体をくみ上げることができるようにしてもよい。
図1に示すように液体貯留槽1内に、前述したマイクロバルブ発生手段4、ポンプ8等を配置する。この状態でポンプ8が液体を汲み上げ、液体吐出口5からマイクロバルブ発生手段4の本体パイプ9に向けて液体を吐出する。液体吐出口5から吐出された液体は本体パイプ9内に流れこみ、プレート11に当たりながら、下流側に流出する。この時、この液体の流速変化により、気体供給管2の先端部付近が負圧となり、この負圧によって気体が開閉コック(作動時には開いている)3を介して吸引され、本体パイプ9内で液体内に混入する。気体が混入した液体はプレート11に衝突し、気体は微小化され、微小化した気体は本体パイプ9に形成した開口10から、あるいはプレート11の下方を通って前記本体パイプ9の後端から本体パイプ9外に排出される。
第2実施例は、マイクロバブル発生手段に気体供給管を接続配置するのではなく、ポンプの上流側で気体を液体内に混入できるようにした点に特徴がある。即ち、本例では、第1実施例のように本体パイプには気体供給管が設けられていない点が特徴である。
図3において、21は液体貯留槽、22は気体供給管、23は気体供給管22を取り付けた気体混合パイプ、24はポンプ、25はマイクロバブル発生手段を構成する本体パイプであり、これらは図示のようにホース28で連通されている。本体パイプ25の一端には液体吐出口29が対向して配置されている。本体パイプ25には、その上方に複数の開口(本例ではスリットが一つ)27が形成されており、さらにその開口27の下流側には本体パイプ25内の流路面積を適宜割合(例えば50%など)で閉塞できるプレート26が配置されている。本例では、プレート26は第1実施例と同様に半円状をしており、本体パイプ25に形成したスリット内に嵌合することで、本体パイプ25内の流路の一部を閉塞できるようにしている。なお、本体パイプ25に対してプレート27をどのように取り付けるかは、設計時において適宜選択できるものである。
液体貯留槽21内に、前述したマイクロバルブ発生用の本体パイプ25、ポンプ24等を図3に示すように配置する。この状態でポンプ24が液体を汲み上げると、気体混合パイプ23内で流速が発生し、その流速によって気体混合パイプ23内に負圧が発生し、気体が気体供給管22から吸引され、気体混合パイプ23内で液体内に混合する。気体を混合した液体はポンプ24により汲み上げられ、液体吐出口29よりマイクロバブル発生用の本体パイプ25内に吐出される。吐出された液体は前記本体パイプ25内に流れこみ、プレート27に衝突し、液中の気体は微小化され、微小化した気体はマイクロバルブ発生パイプ29に形成した開口あるいは本体パイプ25後端からパイプ外に排出される。
今回用いた実験装置は前述した図1に示す装置を使用し、そのパラメータを図2に示す。水槽内に設置したマイクロバルブ発生手段4にポンプを用いて水を循環させる。この図においてマイクロバルブ発生手段4内の流れは左から右である。またポンプ8の下流にバルブ7を設置することで流量調整ができるようにした。マイクロバルブ発生手段を構成する本体パイプ9には加工が容易なアクリル管を用い、図2に示すように、気体供給管2、開口(スリット)10、アルミ板のプレート11を取り付けた。本研究ではプレート厚さ0.5mmのアルミ板、気体供給管4は内径Da=3mmのアルミ管を使用した。
本実験では内径D=6、10mmのアクリル管を用いた。パラメータは流速、気体供給量、プレートの位置、スリットの位置および個数である。気体供給管からの流れ方向の距離をX、アクリル管内径の端から中心方向の距離をYとした。原点は気体供給管の中心とアクリル管の内壁の交点にとる。スリットSの添え字は上流側から数えた個数である。Xp、Xs1 、Xs2 は、それぞれプレート位置、スリットS1 の位置、スリットS2 の位置である。なお、Xp、Xs1 、Xs2 はいずれも気体供給管内径Daで無次元化してある。本研究では気体供給管の深さは2D/5、スリットおよびプレートの深さはD/2とする。気体供給管およびプレートの深さで負圧は変化する。つまり負圧を効果的に得るために深さの調節は重要である。しかし本実験装置では深さをいろいろ変化させた状態で十分効果が得られる場所として設置深さを決めた。なお、今回用いたポンプは最大排出量16リットル/minである。
流速と泡の量・サイズについて
発生装置内を流れる水の流速に伴い内部に生じる負圧に変化が生じる。そこで次に挙げるType1、2の2種類のアクリル管で実験した。Type1は内径D=10mmでプレートがない場合の管内平均流速U0 =4.11m/s、Type2はD=6mmでU0 =11.40m/sである。図4(a)はType1、図4(b)はType2の泡の発生の様子を示す写真である。流速が遅い場合、発生する泡の量は少なくサイズも大きい結果となった。それに対してType2はType1に比べて比較的小さな泡が多量に発生している。しかしながらマイクロバブルとは言えない。流速を速くすることで内部に生じる負圧が増大し、より多量の空気が発生装置内に自吸される。それによって発生する泡の量は増加する。さらにプレートによって粉砕される効果も大きくサイズが小さくなる。しかし自吸される空気の量が多くなると、サイズは大きくなる傾向がある。つまり自吸される空気の量が少ないと水に含まれる気泡のサイズが小さいため、比較的容易に微細化できると推測される。速度を速くすることで、プレートにぶつけて粉砕する際の十分な運動エネルギーが得られる。またプレートでの急激な速度変化の効果も得られやすい。このためType2の流速が速い方が効果的であるが、発生する泡のサイズを考慮すると、気体供給量の調節が必要であることが判る。
上記の結果から、管内流速を速くし負圧効果を大きくした状態で気体供給量を抑えると泡の微細化に繋がると考え、エアーコックで気体供給量を絞ってみた。図5はType2(Valve Open)における気体供給量での比較である。(b)ではType2(Valve 95% Close)における例であり、発生した泡のサイズが小さいため水槽内が白くなっている。つまり絞った方が明らかにサイズが小さい。このことより現在の方法では泡の微細化には気体供給量を抑えることが効果的である。
泡はプレート後方に比ベスリットからより多く放出している。そこでスリット位置および数が放出される泡のサイズ、量に影響すると考えたスリツト位置の変化の結果を図6に示す。スリツト位置はXs1 =3.3、Xs1 =13.3、Xs1 =23.3の3つを使用した。なお、使っていないスリットはふさぐことで実施した。Xs1 =3.3のとき負圧が生じ自吸された空気が泡として放出されている(図6(a))。Xs1 =13.3のとき(図6(b))では泡は発生せず、Xs1 =23.3のとき(図6(c))では気体供給管を逆流した。これよりXs1 =23.3では空気が自吸されなかった。
スリットをXs1 =3.3に固定し、プレートをXp=6.6から3.3間隔で移動させた。Xp=6.6〜10のときと比べ、Xp=13.3以降は発生する泡のサイズが全体的に大きくなり、サイズの変化が見られなかった。これは、プレートの位置がスリットから遠ざかることで、プレートで粉砕された泡が効果的に放出されなくなるためである。したがってプレートの位置は有効なパラメータの1つである。
以上の実験結果から明らかなように、マイクロバブルの発生には、十分な管内流速と負圧効果が必要である.流速はプレートにぶつかることでの微細化に影響する.また負圧は自吸する空気の量に影響する.しかし本発生装置では、管を大きくすることで気体供給量が増加し、発生する泡のサイズが大きくなってしまった。気体供給量を調節することで泡のサイズを小さくすることは可能だが、発生する泡の量は減ってしまった。つまりこれらのパラメータは相互に関係している。
図8は断面図であり、第3実施例は、本体パイプの下流側のパイプ端を衝突壁を兼ねた部材で閉じるとともに、パイプに形成した開口(スリット)を上流側(パイプ前方に向けて)に傾斜角θをもって配置した点に特徴がある。スリットに角度をつけることで、流れの分岐によるせん断作用をより効果的に得ることが可能となり、気泡のマイクロ化が実現する。また、スリットの数はマイクロバブルの発生状況を見ながら適宜個数に設定することが可能である。
図8に示すように液体吐出口35から吐出された液体は本体パイプ39内に流れこみ、この液体の流速変化により、気体供給管2の先端部付近が負圧となり、この負圧によって気体が本体パイプ39内で液体内に混入する。このとき気体は気体供給管の先端および気体放出孔から液体中に放出され、気体が混入した液体はプレート41に衝突し、あるいはパイプ内で液体と混合されて気体は微小化され、微小化した気体は本体パイプ39に形成した開口40から液体とともに本体パイプ39外に排出される。こうして、本実施例でもマイクロバブルを発生することができる。なお、前記負圧によりマイクロバブル発生装置内は2相流となり、この2相流はスリット域に達すると二つの流れに別れる。一つは下流方向への流れであり、もう一つはスリットへの流れであり、この流れの分岐により気泡はせん断力を受け微細化される。
本実施例では、先述したように、本体パイプの下流側のパイプ端を衝突壁を兼ねた部材41で閉じるとともに、パイプに形成した開口40(スリット)を図示のように上流側に傾斜角θをもってパイプ下側に配置したことにより、バブルを効率的に発生させることができる(後述する図9参照)。また、開口の総面積と管(パイプ)径との比(以下面積比rという)を1.5〜2.5程度とすることによりマイクロバブルの径を小さくできる(後述する図10参照)。また本体パイプの肉厚を薄くする(例えば1mm程度、従来は3mm程度であった)ことで、バブル径を小さくできる(後述する図11参照)。
ここで面積比rは以下の通りである。
面積比r=スリットの総面積S0 /本体パイプの断面積
ここで、スリットの総面積=(スリット幅×開口弧長)×スリット個数
上記のように気体供給管を本体パイプの上側に配置するとともに、開口(スリット)を本体パイプの下側に設けることで、気相と液相がマイクロバブル発生部下流側で混合され、マイクロバブルを効率的に発生させることができる。また開口を下側に向けることでマイクロバブルを液体中に広く拡散させることができる。
図9は、開口(スリット)の傾斜角θを30°、60°、90°とした気泡径との関係を示す。この図から明らかなようにこの傾斜角θが60°の時がバブルの径が最も小さくなっている。
図10は、スリットの傾斜角θ(30°、60°、90°)毎における、前述の面積比rと気泡径との関係を示す図である。この図から明らかなように面積比r=1.5〜2.5程度にすることでバブル径が小さくなっている。
図11は、本体パイプの肉厚と気泡径の関係を示す図である。この図から明らかなように発生部の肉厚tはできるだけ小さい方がバブル径が小さくなっている。
2 気体供給管
3 気体供給管に設けた開閉コック
4、34 マイクロバブル発生手段
5、35 液体吐出口
6 流路
7 流路内に設けた流量調節バルブ
8 ポンプ
9、39 本体パイプ
10、40 開口
11、41 衝突壁(プレート)
21 液体貯留槽
22、32 気体供給管
23 気体混合パイプ
24 ポンプ
25 マイクロバブル発生手段を構成する本体パイプ
26 衝突壁(プレート)
27 開口
28 ホース
Claims (7)
- 液体中に配置した本体パイプと、この本体パイプに連通した気体供給管と、前記気体供給管よりも下流側で本体パイプに形成したスリットと、前記スリットよりもさらに下流側に配置した衝突壁と、この本体パイプの上流側から液体を本体パイプ内に吐出する液体ポンプとを備え、前記衝突壁は、本体パイプ下流側の端部開口を閉じる壁であり、さらに、前記スリットは本体パイプ前方に向けて傾斜角θを有するスリットで構成したことを特徴とするマイクロバブル発生装置。
- 前記液体ポンプは吸引側に気液混合手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロバブル発生装置。
- 前記スリットは本体パイプの軸方向に複数設けたことを特徴とする請求項1、2のいずれかに記載のマイクロバブル発生装置。
- 前記スリットは本体パイプの軸方向の下側に配置したことを特徴とする請求項3に記載のマイクロバブル発生装置。
- 前記スリットの総面積とパイプの断面積との比rを1.5〜2.5程度とすることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のマイクロバブル発生装置。
- 前記スリットの傾斜角θは、30°〜90°の範囲であり、さらに望ましくは50°〜70°であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロバブル発生装置。
- 前記気体供給管の下流側面に気体放出孔を形成したことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のマイクロバブル発生装置。
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