JP5006273B2 - マイクロバブル発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロバブル（微細気泡）を水中などに発生させるためのマイクロバブル発生装置に関し、この発生装置の流体を供給する組合せを変えることによってミスト（微細液滴）やエマルジョンなどの発生装置にも対応可能な装置である。

近年、マイクロバブル発生システムは、水質浄化、洗浄や医療、化学反応の促進、水耕栽培、養殖、加湿や冷却、薬液散布等の噴霧並びに食品加工など広い応用分野に適用される技術として注目を集めている。このマイクロバブルは、吹き込む空気の気泡を、例えば直径約５０μｍ以下の気泡として吹き込むと、水中を浮遊し、酸素の水への溶存率が上昇することが知られている。

ところで、この種のマイクロバブル発生装置には、従来より各種の技術が提案されているが、代表的なものを挙げると次のとおりである。
まず、特許文献１に示されたマイクロバブル発生装置は、水槽内の液体を供給路を介して循環ポンプを介装した循環路に供給し、この循環路内で循環させ、一方、気体供給路からエゼクタを介して循環路内に気体を供給し、循環路において気体が混合された液体を循環路よりも断面積の小さい分岐路を介して水槽側へと送り、マイクロバブル発生ノズルにおいて処理することによってマイクロバブルを発生させる装置である。

また、特許文献２に示されたマイクロバブル製造装置は、パイプ内に球状体を配設し、この球状体の中心から下流のパイプの周上に小孔を穿設し、この小孔の外側に空気室を設け、この空気室に設けた大気と連通している小パイプの途中に気体導入量を調整する調整弁を設けた製造装置である。

特開２００６−１６７６１２号公報 特許第４０６９２１１号公報

しかしながら、特許文献１におけるマイクロバブル発生装置は、循環路の途中に介装した循環ポンプにより液体と気体を供給しているので、空気圧等を初期から所望の圧力に加圧する構造であるため、マイクロバブルの量や径を適宜に調整することは困難である。
しかも、同装置は、発生回路内に配設されているため、装置が大型化し、コストアップの要因となるばかりでなく、装置全体がモジュール化していないため、対応する技術分野における用途にそのまま適用することが難しく、また、装置自体のメンテナンス等の場合に不便を来たす等の問題点を有している。

また、特許文献２は、ラインの中間部に空気の流量を調節するための調節弁を設け、この調節弁でマイクロバブルの微細化を図っているが、ラインの中間に設けた水の流量を調節するための調節弁は、マイクロバブルの発生量やバブル径の調整制御に寄与でき得るものではない。
また、同文献２は、マイクロバブル発生装置をモジュール化して小型化やメンテナンス性等に寄与できる技術でもない。

本発明は、従来の各種の問題点について解決し、鋭意検討の結果、開発に至ったものであり、その目的とするところは、バルブの液体流量と空気吸気量を変化させることにより、適宜にバブルの発生量とバブル径を制御できるようにして、マイクロバブルを各種の用途に適用することを可能とし、コンパクト化とメンテンナンス性にも寄与でき得るマイクロバブル発生装置とその発生方法並びにその発生弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー内に貫通孔を有するボールを一対のボールシートを介して回転操作可能に設け、マイクロバブル発生部と空気取入部を有するマイクロバブル発生モジュールを前記ボデー内の二次側端部に着脱自在に螺着結合してマイクロバブル発生弁を構成し、前記マイクロバブル発生部は、前記ボール二次側の貫通孔の流路方向で、かつ近傍位置に配設し、前記空気取入部は、マイクロバブル発生部内の負圧の増減に応じてバブル発生位置に自吸可能な位置に設けて空気取入部の空気取入量を調整するように設けると共に、前記マイクロバブル発生部の空気吸引位置に多孔質体を設け、この多孔質体の外周位置に前記空気取入部と連通した空気室を設け、前記空気取入部から空気吸気量を空気バルブを介して微開に絞った状態で、前記ボールバルブのボールの開度を調整しながらマイクロバブルの発生量及びマイクロバブルのバブル径を適宜に調整制御可能としたマイクロバブル発生装置である。

請求項２に係る発明は、マイクロバブル発生部は、球状タイプ又はベンチュリータイプ構造であるマイクロバブル発生装置である。

請求項３に係る発明は、空気取入部の空気流路にフィルタを着脱自在に設けたマイクロバブル発生装置である。

以上のことから明らかなように、本発明によると、マイクロバブル発生弁と空気バルブの双方で水量と吸気空気量を相互に調節することにより、用途にあった最適なバブルサイズのマイクロバブルを発生させることができ、例えば、水耕栽培や水質浄化、洗浄或は食品加工等の広い応用分野に対応して、所定のマイクロバブルの発生量とバブル径に確実に制御できるため、マイクロバブル発生装置を所望の適用分野に応じて確実に設定可能であり、その発生装置（発生弁）を一体化したコンパクト製品として提供でき得るばかりでなく、本発明装置をモジュール化しているので、例えば、メンテナンス性にも優れている等の有用な効果を有する。

また、多孔質体を設けているので、吸引される空気等の流体が通る穴を微細かつ極めて多数とすることができる。また、流体を適宜選択することにより、水質浄化、洗浄、冷却あるいは消火など多様な応用が可能である。

本発明におけるマイクロバブル発生とその発生方法並びにマイクロバブル発生弁の実施形態を図面に従って詳述する。
図１はマイクロバブル発生装置の全体構成の一例を説明する説明図である。図２〜図７は、球状タイプの絞り部によるマイクロバブル発生装置について示している。

図１において、一次側端部に接続部１ｂを有するバルブ（以下、水バルブともいう）１の二次側端部１ａにマイクロバブル発生モジュール２を取付けてマイクロバブル発生弁３を構成している。この発生弁３の一次側には、図面に示すように、水槽４に接続したライン５の途中に設けたポンプ６により液体を圧送している。この場合、ポンプ６を設けることなく、水道水による水道圧によって液体を供給するようにしても良い。本例におけるバルブ１は、ボールバルブを用いているが、その他のバルブであっても良い。また、リターン配管５はなくても良いし、液体源は別にあっても良い。これらは実施に応じて任意である。

また、マイクロバブル発生弁３の二次側を水槽４内に接続してマイクロバブルを液中に吐出するようにしている。図中７は、配管７ａの途中又はマイクロバブル発生モジュール２に装着し、マイクロバブルの径を容易に調節できる空気吸入量調節弁（以下、空気バルブともいう）であり、この調整弁７で空気の流量を絞り圧力損失を大きくすると、水バルブ二次側の多孔質体１４への空気吸入量を減らし、より微細なマイクロバブルができる。この場合、必ずしも空気加圧機８は必要なく、調節弁７の二次側を大気に開放するようにしてもよい。

図２において、ボデー９内に貫通孔１０ａを有するボール１０をハンドル１ｃによって回動操作して、ボール１０の弁体開度に応じて液体の一次側流入量を調節して液体流量を変化させるようにしている。このボール１０は、一対のボールシート１０ｂ、１０ｂに支受けさせ、二次側にインサート１０ｃを螺着して、このインサート１０ｃで保持させている。また、バルブ１の二次側端部１ａであるボデー９の二次側に設けためねじ９ａにマイクロバブル発生モジュール２のおねじ２ａを螺着し、バルブ端部１ａにマイクロバブル発生モジュール２を着脱自在に取付け、バルブ１にマイクロバブル発生モジュール２を取付けてカートリッジ化している。

このマイクロバブル発生モジュール２は、図６に示すように、気泡発生部１１とこれに空気を供給する空気取入部１２を含んで構成されるマイクロバブル発生部１３を有している。気泡発生部１１は、図２における球状タイプ、又は、図８に示すベンチュリータイプから構成されている。本例の球状タイプは、アダプタ１６に球ホルダ２１を介して球体２２を取付け、この球体２２の外周面とアダプタ１６の内周面との間に縮流部２２ａを構成している。この気泡発生部１１の形状は、水流に乱れを生じさせない形状であることが必要であり、特に、下流部の形状は、加速された水流が乱れを生じさせず、円滑に減速する形状である必要がある。したがって、気泡発生部１１は、球状タイプであるが、球形以外に楕円形であっても良い。

この気泡発生部１１の空気吸引位置に管状の多孔質体１４を着脱自在に収納しており、空気取入部１２の空気流路にフィルタ１５を着脱自在に取付けている。図２において、空気流路は、空気取入部１２とフィルタ１５を介して端部におねじ１６ａを有するアダプタ１６の流路１６ｂより多孔質体１４に連通させ、マイクロバブル発生位置に空気を自吸させるように構成している。また、１７はＯリング１７ａ、１７ｂを有するキャップであり、このキャップ１７に空気取入部１２を設けている。

管状の多孔質体１４の外周位置に、空気取入部１２と連通した空気室２６を環状空間状に設けている。前記多孔質体１４は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのプラスチック又はステンレス、黄銅などの金属、セラミックス又はガラスなどの多孔質材料により構成されている。また、空気室２６は、多孔質体１４を介して内部へ空気が円滑に吸収されるようにするものであり、多孔質体１４の外側に一周する環状空間として設けられている。

図２において、多孔質体１４は、気泡発生部（球体）１１の中心より下流側の球状体で加速された水流が減速される位置に設けられている。当該位置では、エネルギー保存の法則（ベルヌーイ式）を満たすように低圧になり、その圧力は水流の流量が大きくなると大気圧以下（負圧）となる。多孔質体１４は、大気と連通されており、空気は多孔質体１４から自吸されて導入され、水流は高速の高剪断流れであるので、吸入された空気は微細に切断されて液中にマイクロバブルとして分散する。図２において、液体の流れが多孔質体１４の端面に衝突しないように多孔質体１４の１次側内径端面形状を面取り形状にすると、液体が整流化され。また、この多孔質体１４を空気室２６を設けたアダプタ１６内に挿入するようにして、液体の流れが円滑に流れるようにするのが好ましい。

このキャップ１７は、アダプタ１６のおねじ１６ａに座金１６ｃを介してナット１８で締付け固定し、このナット１８を介してキャップ１７等の構成部品を組み込み構成している。また、マイクロバブル発生モジュール２のアダプタ１６の開口端部にバブル吐出口１９を設け、この吐出口１９に配管２０等を介して液中にマイクロバブルを吐出させるようにしている。マイクロバブル発生弁３を水槽４の外部のラインに設け、発生弁３の吐出側に設けたノズルを水槽４などに入れて、マイクロバブルを液中に吐出するようにしても良い。

次に、上記の実施形態の作用について説明する。
図１に示すように、水槽４に接続したライン５を介してポンプ６で液体を供給するか、又は、水道圧による水道水をマイクロバブル発生弁３の一次側より供給し、水バルブ１の弁体開度を適宜に調整して液体の流入量を変化させると、図２において、球体２２の外周位置に設けられた縮流部２２ａにより加速された水流が減速され、減速された気泡発生部１１の位置に、多孔質体１４を介して空気取入部１２と連通している流路１６ｂより空気が自吸される。この場合、大気に連通している空気吸入量調節弁７を絞るように調整して空気吸気量を増減させるように制御する。

すると、空気取入部１２から多孔質体１４より気泡発生部１１内へ空気が自吸され、球体２２の外周面に設けられた縮流部２２ａ付近の水流は、高速の高剪断流れとなり、吸入された空気は微細に切断されてマイクロバブル発生部１３内にマイクロバブルとして分散し、発生部３の吐出口１９よりマイクロバブルが吐出される。

換言すると、マイクロバブル発生弁３に加圧した液体を導き、球状タイプのマイクロバブル発生部１３の周りでは流路が狭いため、高剪断流れとなり、気泡発生部１１側の静圧がエネルギー保存式（ベルヌーイ式）を満たすように低くなる。この静圧は、加圧流体の流量がある程度大きくなると大気圧以下（負圧）となる。その結果、流体が流体室２６と多孔質体１４を順次介して内部に自吸される。吸引された流体は、高剪断流れにより剪断され、加圧流体と混合してマイクロバブルとして放出される。

この場合、マイクロバブルが発生する状態にするために、空気吸入量調節弁７を調整して、例えば、空気吸気量を１．０％又は０．５％の微開状態に絞った状態で、水バルブ１の弁体開度を調整しながら、水バルブ１の液体流量を変化させて増減させると、マイクロバブルの発生量及びマイクロバブルのサイズを適宜の量に制御することができると共に、空気吸入量調節弁７を調整して吸気量を増減させることにより、マイクロバブルのサイズを適宜に調整することができる。なお、水バルブ１の流量を調整して、マイクロバブル発生部１３に詰まったゴミ等を除去することも可能である。

また、水バルブ１の端部１ａにマイクロバブル発生モジュール２を着脱自在に設けて発生弁３を構成しているので、発生弁３をコンパクトにユニット化することができ、しかも、マイクロバブル発生モジュール２の構成部品をそれぞれ着脱自在にすることができ、メンテナンス性が良く、部品交換や部品修理を簡便に行なうことができ、もって、実用的価値の高いマイクロバブル発生弁を提供することが可能となる。

図８〜図１２は、ベンチュリータイプ構造を有する気泡発生部を設けたマイクロバブル発生装置の一例を示した実施形態である。図２〜図７に示した発生装置と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

図８において、２３はベンチュリー管であり、このベンチュリー管２３にはテーパ孔２４とこのテーパ孔２４に、一直線上に断面積を絞って平行面を有する絞り部２５を一体に接合してベンチュリータイプ構造を有する気泡発生部１１を構成している。

マイクロバブルが発生する状態に空気吸気量を微開状態に絞って調整しながら、水バルブ１の弁体開度を変化させてマイクロバブル発生部１３内に液体を流入させると、液体がベンチュリー管２３のテーパ孔２４から絞り部２５を通過する際に、バブル発生部１３において負圧が生じ、空気取入部１２から多孔質体１４を通過して空気が均一に分散されながら吸引されてマイクロバブルが発生し、発生弁３の吐出口１９より適宜の量と適宜のバブル径を有するマイクロバブルが水槽内等の水中に吐出噴出される。

マイクロバブル発生装置の水バルブ１の流量の変化によるマイクロバブル発生量の制御試験の一例による結果を下記に示す。本例は、水道水のラインに接続して水道圧を用いている。
図１４において、Ｓ１は水バルブ１の開度調整に伴い変化する流過面積であり、Ｓ２はベンチュリー流過面積で、Ｓ３は空気の吸気量を調整するに伴い変化する流過面積である。表１と図１５、図１６は、水バルブ１の開度面積Ｓ１と空気吸気面積Ｓ３を制御し、ベンチュリー面積Ｓ２を異ならしめた場合についての試験結果を示す写真（図１７〜図２２参照）の位置付けを示している。

この試験例において、水バルブ１液体流量と空気吸気量を変化させ、バブルの発生量とマイクロバブルのサイズ（径）を確認した。
この試験結果からすると、図１７〜図２２に示す写真において、空気の吸気量を増減することによりバブルの径を制御できると共に、水バルブ１で液体流量を増減すると、バブルの発生量とバブルの径を制御できることが確認された。

マイクロバブル発生装置のバルブ開度の変化によるマイクロバブル発生量の制御試験の他例による結果を下記に示す。表２と図１４、図２３は、水バルブ１開度面積Ｓ１と空気吸気面積Ｓ３を制御し、ベンチュリー面積Ｓ２を異ならしめた場合についての試験結果を示す写真（図２４〜図２７参照）の位置付けを示している。

この試験例において、マイクロバブルが発生する状態に空気吸気量を１．０％と０．５％にそれぞれ絞った状態で、水バルブ１の液体流量を変化させてマイクロバブルの発生量とバブル径の変化を確認した。
この試験結果からすると、水バルブ１の制御によって液体流量を増減することで、マイクロバブルのバブル径と発生量を制御できることが図２４〜図２７に示す写真から確認された。

図２８は、水バルブ１開度(％)とバブル平均径との関係を示したグラフである。同図から明らかなように、空気バルブ７の様々な開度(％)において、水バルブ１の開度制御により、発生するバブルの平均径を変化させることができる。また、水バルブ１の開度を絞ることにより、マイクロバブルの径を適宜制御できる。すなわち、水バルブ１を絞っていくと、開度が大きい時より縮流部２２ａの下流付近の流速は小さくなる。その結果、エネルギー保存の原理に従って生じる縮流部２２ａの下流付近の水圧低下による負圧状態が小さくなり、多孔質体１４を通して空気を吸引する際の駆動力としての負圧が小さくなるため、吸気量は減少し、バブルサイズ径は同図の点線のように次第に減少していく。なお、同図における空気バルブ７の開度は、１００(％)、５０(％)、２７．８(％)である。

多孔質体１４を通過した僅かな流量の空気は、水流の剪断作用により引きちぎられるので、図２８の点線に示すように、マイクロバブルが発生する。この場合、空気バルブ７を絞ると、空気の吸引流量がより小さくなるため、気泡はさらに微細になる。

また、マイクロバブル発生装置の出口の圧力が高くなる（例えば、出口の水深が深い場合など）と、水バルブ１を十分に開けないと、前述の負圧が十分に起こらず、空気の吸引ができなくなる。このような場合は、水バルブ１を十分に開けると共に、発生装置の入口の水の元圧を上げて水の流速を高くすれば良い。負圧が大き過ぎて空気を吸い過ぎて気泡が大きくなる場合は、空気バルブ７を絞っていくと気泡は小さくなりマイクロバブルが起きる。

上述のように、本発明におけるマイクロバブル発生装置は、例えば、水質浄化、洗浄や医療分野、化学分野、水耕栽培等の農業分野、養殖等の漁業分野、或は、食品加工分野などの広い分野に適用されると共に、発生装置における液体と気体の供給を入れ替えることによって加湿・冷却、薬液や散布などに利用可能な、ミスト（微細液滴）発生装置にも応用することができる。すなわち、加圧された流体として高圧液体が供給された場合、複数種類の流体として気体が吸引されれば気泡が発生し、加圧された流体として高圧空気が供給された場合、複数液体が吸引されれば混合液滴が発生する。さらに、加圧された流体としての高圧の液体が供給された場合、複数種類の流体として高圧液体と混ざらない液体が
吸引されればエマルジョンが発生する。

また、加圧流体や吸入流体は、使用目的に応じて適宜選択されるものであり、種々の気体や液体の組合せでもよい。例えば、加圧流体としては、上記の水道水のほか、空気、不活性ガスまたは酸素或はオゾン等のガスを用いることができる。吸入流体は、上述の空気のほか、洗浄剤、消化液、殺虫剤、消毒剤、空気清浄剤、芳香剤、入浴剤などにも応用できる。なお、加圧流体に水を、吸入流体にオゾンを用いると、除菌効果及び脱臭効果を有するマイクロバブルを発生させることができる。

マイクロバブル発生装置の全体構成の一例を示す説明図である。 球状タイプの絞り部によるマイクロバブル発生装置の一例を示す断面図である。 図２の発生装置における分離斜視図である。 図３のマイクロバブル発生モジュールを示した半裁断面図である。 図４における一部切欠き分離斜視図である。 図４のマイクロバブル発生部を示した一部切欠き分離斜視図である。 図４における環状キャプとフィルタとの分離斜視図である。 ベンチュリータイプの絞り部によるマイクロバブル発生装置の一例を示す断面図である。 図８の発生装置における分離斜視図である。 図９のマイクロバブル発生モジュールを示した半裁断面図である。 図１０における一部切欠き分離斜視図である。 図１０のマイクロバブル発生部を示した一部切欠き分離斜視図である。 図１０における環状キャップとフィルタとの分離斜視図である。 バルブ流量と空気流量の変化によるマイクロバブルの発生試験の一例を示した説明図である。 ベンチュリー径（φ６）であって、バルブ流体流量と空気吸気量の変化における各写真の位置を示した説明図である。 ベンチュリー径（φ３）であって、バルブ流体流量と空気吸気量の変化における各写真を示した説明図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１５におけるバルブ開閉面積によるマイクロバブルの発生変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１６におけるバルブ開閉面積によるマイクロバブルの発生変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１５におけるバルブ開閉面積によるマイクロバブルの発生変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１６におけるバルブ開閉面積によるマイクロバブルの発生変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１５におけるバルブ開閉面積によるマイクロバブルの発生変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１６におけるバルブ開閉面積によるマイクロバブルの発生変化を示した写真である。 空気吸気量をそれぞれ絞った状態で、バルブの液体流量を変化させてマイクロバブル量の変化を確認した写真の位置を示した説明図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ベンチュリー径（φ６）であって液体流量を変化させマイクロバブル量の変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ベンチュリー径（φ３）であって液体流量を変化させマイクロバブル量の変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ベンチュリー径（φ６）であって液体流量を変化させマイクロバブル量の変化を示した写真である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ベンチュリー径（φ３）であって液体流量を変化させマイクロバブル量の変化を示した写真である。 水バルブ開度とバルブ平均径との関係を示したグラフである。

符号の説明

１ バルブ（水バルブ）
１ａ 端部
２ マイクロバブル発生モジュール
３ マイクロバブル発生弁
４ 水槽
６ ポンプ
７ 空気吸入量調節弁（空気バルブ）
９ ボデー
１０ ボール
１０ａ 貫通孔
１１ 気泡発生部
１２ 空気取入部
１３ マイクロバブル発生部
１４ 多孔質体
１５ フィルタ
２６ 空気室

Claims (3)

1. ボデー内に貫通孔を有するボールを一対のボールシートを介して回転操作可能に設け、マイクロバブル発生部と空気取入部を有するマイクロバブル発生モジュールを前記ボデー内の二次側端部に着脱自在に螺着結合してマイクロバブル発生弁を構成し、前記マイクロバブル発生部は、前記ボール二次側の貫通孔の流路方向で、かつ近傍位置に配設し、前記空気取入部は、マイクロバブル発生部内の負圧の増減に応じてバブル発生位置に自吸可能な位置に設けて空気取入部の空気取入量を調整するように設けると共に、前記マイクロバブル発生部の空気吸引位置に多孔質体を設け、この多孔質体の外周位置に前記空気取入部と連通した空気室を設け、前記空気取入部から空気吸気量を空気バルブを介して微開に絞った状態で、前記ボールバルブのボールの開度を調整しながらマイクロバブルの発生量及びマイクロバブルのバブル径を適宜に調整制御可能としたことを特徴とするマイクロバブル発生装置。
2. 前記マイクロバブル発生部は、球状タイプ又はベンチュリータイプ構造である請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
3. 前記空気取入部の空気流路にフィルタを着脱自在に設けた請求項１又は２に記載のマイクロバブル発生装置。

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