JP6736146B2 - 気泡生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、気泡生成装置に関し、特に、マイクロバブルやナノバブルといった微小な気泡を含有した気体含有液を生成する気泡生成装置に関する。

近年、水などの液体に、水素やオゾン、酸素などの気体の微小気泡を含有させたものが様々な用途で利用されている。このような微小気泡を含有した液体のうち、マイクロバブルと呼ばれるマイクロサイズ（例えば、粒径が１μｍ以上１０００μｍ未満）の微小気泡を含有した液体は、例えば、物体に対して付着したゴミを取り除くための洗浄液に利用される。また、ナノバブルと呼ばれるナノサイズ（例えば、粒径１０００ｎｍ未満）の微小気泡を含有した液体は、通常の気泡とは著しく異なった性質を有し、成長促進効果や抗酸化作用、殺菌作用などが期待されており、洗浄剤、化粧液、薬剤、飲料物、保存液、などに利用される。

ここで、マイクロバブルやナノバブルといった微小気泡を含有した気体含有液の生成は、特許文献１に示すような気泡発生装置で行う。このような気泡発生装置では、液体である溶媒中に気体の気泡を混入させ、かかる気泡をさらに圧壊、圧縮することで、マイクロバブルやナノバブルを発生させている。

特許第３７６２２０６号公報

しかしながら、上述したような液体中に混入させた気泡を圧壊、圧縮ことで微小気泡を発生させる機構では、ナノバブルを発生させるまでに時間がかかる、という問題がある。つまり、気泡発生装置の運転を開始した直後では、液体中の気泡の圧壊、圧縮が進んでおらず、ナノサイズの微小気泡を含有する液体を得ることができない。一方で、運転開始から所定時間が経過してナノバブルが生成されてしまうと、その後も常にナノバブルが生成されてしまい、マイクロバブルを必要とする場合であっても、かかるサイズの微小気泡含有液を得ることができない。従って、所望の気泡サイズの気泡を含有する気体含有液を得ることができない、という問題が生じる。

このため、本発明の目的は、上述した課題である、所望の気泡サイズの微小気泡を含有する気体含有液を得ることができない、ことを解決することができる気泡発生装置を提供することにある。

本発明の一形態である気泡発生装置は、
微小気泡を含有する気体含有液を生成する生成装置と、
前記生成装置にて生成された気体含有液を流通させて外部に出力する複数の出力流路と、を備え、
前記複数の出力流路のうち、少なくとも１つの出力流路を除いた他の出力流路に、気体含有液中にナノサイズの気泡を発生させるよう超音波を印加する超音波振動子を備えた、
という構成をとる。

また、上記気泡発生装置では、
前記複数の出力流路のうち、前記他の出力流路の先端に設けられたノズルに前記超音波振動子を設けた、
という構成をとる。

また、上記気泡発生装置では、
前記複数の出力流路のうち、前記超音波振動子を設けた出力流路は、ナノサイズの気泡を含有する気体含有液を出力し、前記超音波振動子を設けていない出力流路は、マイクロサイズの気泡を含有する気体含有液を出力するよう構成されている、
という構成をとる。

また、上記気泡発生装置では、
前記生成装置は、気体と液体とを混合して気体含有液を生成する気液混合部と、気体含有液に衝突及び圧力変動を生じさせることにより微小気泡を含有する気体含有液を生成する気体含有液処理部と、を備え、
前記複数の出力流路のうち、前記超音波振動子を設けた出力流路は、当該超音波振動子により前記気体含有液処理部にて生成された気体含有液中の気泡をナノサイズに圧壊して当該気体含有液を出力し、前記超音波振動子を設けていない出力流路は、前記気体含有液処理部にて生成された気体含有液をそのまま出力するよう構成されている、
という構成をとる。

また、上記気泡発生装置では、
前記超音波振動子は、周波数が４５ｋＨｚの超音波を気体含有液に対して印加するよう構成されている。

また、上記気泡発生装置では、
前記超音波振動子の周波数を可変制御する制御装置を備えた、
という構成をとる。

本発明は、以上のように構成されることにより、複数の出力流路からそれぞれ気泡サイズが異なる微小気泡を含有した気体含有液を外部に出力することができる。従って、用途に応じて所望の気泡サイズの気泡を含有した気体含有液を得ることができる。

本発明における気泡発生装置の構成の概略を示すブロック図である。 図１に開示した気体含有液処理部の構成の一例を示す図である。 図１に開示した出力流路の構成の一例を示す図である。 図１に開示した出力流路の構成の一例を示す図である。

＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図４を参照して説明する。本実施形態では、空気などの気体と、水などの液体と、を混合し、かかる混合液中に微小気泡を発生させることで、微小気泡を含有した気体含有液を生成する気泡生成装置１（生成装置）について説明する。但し、本発明の気泡生成装置１で生成する気体含有液で使用される液体は、水以外のいかなる液体でもよく、ゲル状など所定の粘性を有する物体であってもよい。また、気体含有液に含有され微小気泡化される気体は、空気、水素、窒素、酸素、オゾンなど、いかなる気体であってもよい。

図１に示すように、本実施形態における気泡発生装置１（生成装置）は、気液混合部２と気体含有液処理部３と、を備えている。また、気泡発生装置１は、２本の出力流路４，５を備えており、当該２本の出力流路４，５の先端にそれぞれ設けられたノズル４１，５１から、それぞれ気体含有液を外部に吐出する。以下、各構成について詳述する。

上記気液混合部２には、流体流入口２１を介して水などの流体が供給される。また、気液混合部２には、気体流入口２２を介して空気などの気体が供給される。そして、気液混合部２は、供給された流体と気体とを混合して気体含有液を生成する。また、気液混合部２は、流路２３を介して気体含有液処理部３と連結しており、気液混合部２が生成した気体含有液は、かかる流路２３を流通して気体含有液処理部３へと供給される。

ここで、気液混合部２は、例えば、図示しないポンプにて流体流入口２１から液体を吸引すると共に、液体の流路に絞り箇所を形成して、かかる絞り箇所に気体を供給するよう構成されている。これにより、絞り箇所のベンチュリ効果を利用して、気体と流体とを混ぜ合わせ気体含有液を生成する。但し、気液混合部２は、いかなる構造であってもよく、いかなる原理で気体と流体とを混合してもよい。

上記気体含有液処理部３は、図２の断面図に示すように、例えば、内部空間を有する略円柱形状に形成されており、かかる内部に気泡生成モジュール３１を備えている。そして、気体含有液処理部３の内部空間には、気液混合部２と連結された流路２３から気体含有液が流入し、かかる気体含有液が気泡生成モジュール３１に流入することとなる。

気泡生成モジュール３１は、内部に空間を有する円筒形状に形成されている。そして、気泡生成モジュール３１は、図２に示すように、気液混合部２から流入した気体含有液の流入側に位置する螺旋流路３２と、かかる螺旋流路３２に連結された突起部３３と、を備えている。

上記螺旋流路３２は、螺旋状に形成された流路である。また、上記突起部３３は、螺旋流路３２から連続する流路であり、当該流路内に内壁面から突出する複数の突起３４を備えている。

上述したように構成された気泡生成モジュール３１によると、まず、気液混合部２から気体含有液処理部３の内部に流入した気体含有液は、気泡生成モジュール３１を形成する螺旋流路３２に流入する。これにより、気体含有液の螺旋流が形成され、その後、突起部３３に流入する。すると、突起部３３内では、螺旋流となった気体含有液が、当該気体含有液内の気泡が突起３４と衝突しながら流通して、気泡生成モジュール３１から気泡含有液処理部３との間に形成された空間に流出する。これにより、気泡生成モジュール３１内では、気体含有液内の気泡に対して衝突や圧力変動が生じ、かかる気泡が圧壊や圧縮されることで、微小気泡化される。

このとき、本実施形態における気体含有液処理部３では、主に、いわゆるマイクロバブル及びナノバブルといった微小気泡を含有する気体含有液を生成する。特に、本実施形態では、気泡発生装置１の運転開始から所定時間までは、マイクロバブルを多く含んだ気体含有液を生成し、運転開始から所定時間が経過して気泡の圧壊や圧縮が進むと、ナノバブルを多く含んだ気体含有液を生成する。つまり、気体含有液処理部３で生成される気体含有液は、運用開始から所定時間までは、マイクロバブルを多く含んでおり、所定時間以降は、ナノバブルを多く含んでいる。なお、本実施形態では、マイクロバブルは、例えば、粒径が１μｍ以上１０００μｍ未満といったマイクロサイズの微小気泡であり、ナノバブルは、例えば、粒径が１０００ｎｍ未満といったマイクロサイズの微小気泡である。

但し、気体含有液処理部３は、必ずしも上述したサイズの気泡を含有する気体含有液を生成することに限定されない。例えば、気体含有液処理部３に対する気体含有液の流入速度や、螺旋流路３２の螺旋度合い、突起３４の配置や数などを調整することで、マイクロバブルのみを生成する構成であってもよく、また、さらに大きなサイズの気泡を生成する構成であってもよい。

また、図２に示すように、本実施形態における気体含有液処理部３には、それぞれ絞り部４０，５０を介して、２本の出力流路４，５が連結されている。絞り部４０，５０は、出力流路４，５よりも狭い箇所を気体含有液が通過するよう構成されており、気体含有液の流れを制限するよう構成されている。なお、絞り部４０，５０は、出力流路４，５を閉じる機能を有していてもよい。

上記２本の出力流路４，５は、図３に示すように、気体含有液処理部３にて生成された気体含有液を流通させ、当該気体含有液を、それぞれの端部に設けられたノズル４１，５１から外部に吐出するよう構成されている。このとき、第１の出力流路４のノズル４１からは、気体含有液処理部３にて生成された気体含有液がそのまま吐出される（図３の符号Ｆ１参照）。このため、気泡発生装置１の運用開始直後から所定時間までは、主にマイクロサイズのマイクロバブルを多量に含んだ気体含有液が吐出されることとなる。

これに対して、第２の出力流路５のノズル５１には、超音波振動子５２が設けられている。超音波振動子５２は、１つあるいは複数が、ノズル５１の外周あるいは内部に設けられている。そして、超音波振動子５２は、ノズル５１から吐出される直前の気体含有液に超音波を印加しており、これにより、気泡含有液内の気泡が強制圧壊される。すると、気体含有液内の気泡は、超音波による強制圧壊でさらに小さいサイズとなり、主にナノサイズのナノバブルが多量に発生されることとなる。これにより、第２の出力流路５のノズル５２からは、吐出直前に生成されたナノバブルを多量に含有する気体含有液が吐出されることとなる（図３の符号Ｆ２参照）。

このように、気泡発生装置１の運転開始直後であり、気体含有液処理部３からはマイクロサイズの気泡を含有する気体含有液しか生成されていない場合であっても、第２の出力流路５からは、ナノサイズの気泡を多く含有する気体含有液を吐出することができる。このため、ナノバブルを含有する気体含有液を必要とする場合には、第２の出力流路５から出力される気体含有液を利用すればよいこととなる。

なお、上述したように、気泡含有液処理部３において生成される気泡含有液の気泡サイズを、マイクロサイズに設定しておくこともできる。このようにすることで、第１の出力流路４のノズル４１からは、常にマイクロバブルを含有した気泡含有液が吐出されることとなる。そして、第２の出力流路５のノズル５１からは、超音波振動子５２により、常にナノバブルを含有した気泡含有液が吐出されることとなる。従って、同時に異なる気泡サイズを含有する気泡含有液をそれぞれ吐出させることができる。なお、各出力流路４，５に連結された各絞り部４０，５０の絞り具合を調節することで、各出力流路４，５から吐出される気体含有液の量を調節することができ、また、いずれか一方の出力流路からのみ気体含有液を吐出させることもできる。

ここで、上記超音波振動子５２は、周波数が４５ｋＨｚの超音波を気体含有液に対して印加するよう構成されることが望ましい。このように、周波数が４５ｋＨｚの超音波を気体含有液に対して印加することで、気体含有液中の微小気泡からヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）を効率よく多量に発生させることができる。このように、ＯＨラジカルを多量に発生させることにより、その反応性、酸化力を利用することができ、例えば、汚水中の汚染物質の分解除去などの用途に利用することができる。特に、本実施形態においては、第２の出力流路５の先端のノズル５１に超音波振動子５２を配置しているため、吐出直前にＯＨラジカルを発生させることができ、多量のＯＨラジカルを含む気体含有液を利用することができる。

なお、周波数が４５ｋＨｚの超音波を気体含有液に対して印加することでＯＨラジカルが増加することについては、下記の学会の講演により発表された論文に記載されている。
（参考資料）
化学工学会第80年会 2015年3月19日（木）〜21日（土）
芝浦工業大学豊洲キャンパス
増田七恵，村上能規
「超音波／マイクロバブル併用プロセスで生成する活性酸素種の測定」
（http://aura-tec.com/pdf/microbubble2015.pdfを参照）

また、本発明における気泡発生装置１は、図４に示すように、第２の出力流路５のノズル５１に設けた超音波振動子５２の周波数、つまり、超音波振動子５２にて発生させ気体含有液に印加する超音波の周波数、を可変制御する超音波制御部６（制御装置）を備えていてもよい。これにより、第２の出力流路５を流通してノズル５１から吐出される気体含有液に、あらゆる周波数の超音波を印加することができ、特定の周波数が印加されることによって微小気泡を含有した気体含有液に生じる特別な性質や効果を利用することができる。

なお、上記では、超音波振動子５２を第２の出力流路５の先端に位置するノズル５１に配置する場合を例示したが、超音波振動子５２を第２の出力流路５のいかなる位置に配置してもよい。例えば、気体含有液３とノズル５１との間に位置する第２の出力流路５の配管の内部あるいは外周に、超音波振動子５２を配置してもよい。

また、上記では、気体含有液処理部３から気体含有液を出力させる出力流路４，５を２本のみ装備することを記載したが、さらに多くの出力流路を設けてもよい。この場合、１本又は複数本の出力流路には超音波振動子を配置せず、他の１本又は複数本の出力流路には超音波振動子を配置してもよい。そして、複数本の出力流路に超音波振動子を配置する場合には、各超音波振動子からそれぞれ異なる周波数の超音波を発生させてもよい。これにより、１台の気泡発生装置１にて、複数種類の気泡サイズ、あるいは、複数種類の性質を有する気体含有液を出力させることができる。

以上、上記実施形態等を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１ 気泡発生装置
２ 気液混合部
２１ 流体流入口
２２ 気体流入口
２３ 流路
３ 気体含有液処理部
３１ 気泡生成モジュール
３２ 螺旋流路
３３ 突起部
３４ 突起
４ 第１の出力流路
４０ 絞り部
４１ ノズル
５ 第２の出力流路
５０ 絞り部
５１ ノズル
５２ 超音波振動子
６ 超音波制御部

Claims (5)

1. 気体と液体とを混合して気体含有液を生成する気液混合部と、
   気体含有液に衝突及び圧力変動を生じさせることにより微小気泡を含有する気体含有液を生成する気体含有液処理部と、
   １つの前記気体含有液処理部にそれぞれが直接連結され、当該気体含有液処理部にて生成された気体含有液を流通させて外部に出力する複数の出力流路と、
   を備え、
   前記複数の出力流路のうち、少なくとも１つの出力流路を除いた他の出力流路に、気体含有液中にナノサイズの気泡を発生させるよう超音波を印加する超音波振動子を備えることで、前記超音波振動子を設けた出力流路はナノサイズの気泡を含有する気体含有液を出力し、同時に、前記超音波振動子を設けていない出力流路はマイクロサイズの気泡を含有する気体含有液を出力するよう構成されている、
   気泡発生装置。
2. 請求項１に記載の気泡発生装置であって、
   前記複数の出力流路のうち、前記超音波振動子を設けた出力流路は、当該超音波振動子により前記気体含有液処理部にて生成された気体含有液中の気泡をナノサイズに圧壊して当該気体含有液を出力し、前記超音波振動子を設けていない出力流路は、前記気体含有液処理部にて生成された気体含有液をそのまま出力するよう構成されている、
   気泡発生装置。
3. 請求項１又は２に記載の気泡発生装置であって、
   前記超音波振動子は、周波数が４５ｋＨｚの超音波を気体含有液に対して印加するよう構成されている、
   気泡発生装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の気泡発生装置であって、
   前記超音波振動子の周波数を可変制御する制御装置を備えた、
   気泡発生装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の気泡発生装置であって、
   前記複数の出力流路のうち、前記他の出力流路の先端に設けられたノズルに前記超音波振動子を設けた、
   気泡発生装置。
   

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