JP6746298B2 - Micro bubble generation system - Google Patents
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Description
本発明は、微小気泡生成システムに関するものである。 The present invention relates to a microbubble generation system.
液体中に混合されたサイズが1μm未満の微小気泡は、ウルトラファインバブルとも呼ばれる。液体中のウルトラファインバブルは、可視光の波長よりも直径が短いため、液体中で可視光の散乱が生じない。そのため、ウルトラファインバブルが含有された液体を目視しても、肉眼でウルトラファインバブルの存在を確認できず液体は透明なままである。また、液体中に混合されたウルトラファインバブルは、液体中に浮遊した状態で存在し、長時間(例えば数か月)、液体中に残存することが知られている。 The micro bubbles having a size of less than 1 μm mixed in the liquid are also called ultra fine bubbles. Ultrafine bubbles in the liquid have a diameter shorter than the wavelength of visible light, and therefore, scattering of visible light does not occur in the liquid. Therefore, even if the liquid containing the ultra fine bubbles is visually observed, the presence of the ultra fine bubbles cannot be visually confirmed, and the liquid remains transparent. Further, it is known that the ultra fine bubbles mixed in the liquid exist in a state of being suspended in the liquid and remain in the liquid for a long time (for example, several months).
ウルトラファインバブルが混合された水(以下「UFB含有水」という。)は、通常の水に比べて洗浄力が高いこと、酸素含有量が多いこと、化学物質を含有せず後処理が容易なこと等から、工業製品や食品等の洗浄分野、排水処理分野、美容分野、養殖分野、水耕栽培分野等において利用されている。 Water mixed with ultrafine bubbles (hereinafter referred to as "UFB-containing water") has higher detergency than normal water, has a high oxygen content, and does not contain chemical substances and is easy to be post-treated. Therefore, it is used in the fields of washing industrial products and foods, wastewater treatment, beauty, aquaculture, hydroponic cultivation, and the like.
下記の特許文献1では、微小気泡生成装置が、上下に延び一端側から他端側へ流体が流通する筒体と、筒体内にて軸方向を上下方向に配置して、凹凸部が形成された外周面を有するロータと、筒体内にて凹凸部が形成された内周面を有するステータと、ロータと接続されロータを回転させるモータとを備えることが記載されている。そして、モータを駆動してロータをステータに対して回転させると各凹凸部が相対的に周方向へ移動し、流体通路内の流体には周期的に圧縮及び開放の力が作用し、流体が周期的に収縮及び膨張される。これにより、微小気泡生成装置を水素水製造装置に適用した場合、水素ガスが微小気泡となって水の中に含有されると記載されている。
In
UFB含有水は、ウルトラファインバブルの密度が高い場合、洗浄力が高くなるという効果が得られ、また、密度の高いUFB含有水を希釈して使用することもできる。したがって、ウルトラファインバブル生成装置を用いて、ウルトラファインバブルの密度が高いUFB含有水を生成できれば、洗浄力の高いUFB含有水を生成でき、また、効率的にウルトラファインバブル生成装置を運用できるという利点がある。 The UFB-containing water has the effect of enhancing the detergency when the density of ultrafine bubbles is high, and the UFB-containing water having a high density can be diluted before use. Therefore, if UFB-containing water with a high density of ultrafine bubbles can be generated using the ultrafine bubble generator, UFB-containing water with high detergency can be generated, and the ultrafine bubble generator can be operated efficiently. There are advantages.
上述の特許文献1に記載されているようなロータとステータから構成される微小気泡生成装置では、ロータ回転数を調整することによって、気泡密度を高めることができるという知見が本願発明の発明者らによって得られている。しかし、ロータ回転数の調整だけでは、気泡密度を増加できる範囲に限界があり、生成されるUFB含有水について一定以上の気泡密度に高めることが困難であった。
The inventors of the present invention have found that in the micro-bubble generating device including the rotor and the stator as described in
また、本願発明者らによって、微小気泡生成装置を検討した結果、ロータとステータ間において流体に対してせん断力を作用させるロータ及びステータの表面積を大きくすることによって、気泡密度を高めることができるという知見が得られている。そこで、本願発明者らは、例えば特願2014−157688号で記載したロータとステータから構成される微小気泡混合流体生成装置を発明し、生成されるUFB含有水について気泡密度の上昇を図ることができたが、更に気泡密度の高いUFB含有水を生成することが望まれている。 Further, as a result of studying the micro-bubble generating device by the inventors of the present application, it is said that the bubble density can be increased by increasing the surface areas of the rotor and the stator that exert a shearing force on the fluid between the rotor and the stator. Knowledge is obtained. Therefore, the inventors of the present application have invented a microbubble mixed fluid generation device including a rotor and a stator described in, for example, Japanese Patent Application No. 2014-157688, and can increase the bubble density of UFB-containing water generated. However, it has been desired to produce UFB-containing water having a higher bubble density.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、直径1μm未満のウルトラファインバブルの気泡密度の高い微小気泡含有液体を効率的に生成することが可能な微小気泡生成システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a microbubble generation system capable of efficiently generating a microbubble-containing liquid having a high bubble density of ultrafine bubbles having a diameter of less than 1 μm. The purpose is to
上記課題を解決するために、本発明の微小気泡生成システムは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る微小気泡生成システムは、液体が供給されて液体を昇圧しつつ気体を取り込み、気体含有液体を移送するポンプと、ポンプによって昇圧され、ポンプから供給された気体含有液体を貯留する圧力タンクと、圧力タンク内から供給されて減圧した気体含有液体に対し、せん断力を作用させるロータと、ロータを回転させるモータを有し、ウルトラファインバブル含有液体を生成するウルトラファインバブル生成装置とを備える。
In order to solve the above problems, the microbubble generation system of the present invention employs the following means.
That is, the microbubble generating system according to the present invention stores a gas-containing liquid supplied from the pump, and a pump that is supplied with the liquid and takes in gas while boosting the pressure of the gas and transfers the gas-containing liquid. Ultra fine bubble generation device for generating an ultra fine bubble containing liquid, which has a pressure tank, a rotor for applying a shearing force to a gas containing liquid supplied from the pressure tank and decompressed, and a motor for rotating the rotor. With.
この構成によれば、圧力タンクで液体に気体を溶解させた後、液体を減圧することによって、溶解した気体を気泡化し、さらに、ウルトラファインバブル生成装置で液体に含有された気泡を細分化することによって、ウルトラファインバブルの気泡密度を増加させることができる。 According to this configuration, after the gas is dissolved in the liquid in the pressure tank, the pressure of the liquid is reduced, the dissolved gas is made into bubbles, and the bubbles contained in the liquid are further subdivided by the ultrafine bubble generation device. As a result, the bubble density of ultrafine bubbles can be increased.
上記発明において、ウルトラファインバブル生成装置から供給されたウルトラファインバブル含有液体を貯留し、貯留されたウルトラファインバブル含有液体をポンプへ供給する液体槽を更に備えてもよい。 The above invention may further include a liquid tank for storing the ultrafine bubble-containing liquid supplied from the ultrafine bubble generation device and supplying the stored ultrafine bubble-containing liquid to the pump.
この構成によれば、ウルトラファインバブル生成装置で生成されたウルトラファインバブル含有液体を繰り返し循環させることができ、ウルトラファインバブルの気泡密度を上昇させていくことができる。 With this configuration, the ultrafine bubble-containing liquid generated by the ultrafine bubble generation device can be circulated repeatedly, and the bubble density of the ultrafine bubbles can be increased.
上記発明において、前記液体槽は、互いに仕切板で仕切られた第1槽と第2槽を備え、前記第1槽は、前記ウルトラファインバブル生成装置から前記ウルトラファインバブル含有液体が供給され、前記第2槽は、前記第1槽から前記仕切板の上端を越えて、前記ウルトラファインバブル含有液体が供給される。 In the above invention, the liquid tank includes a first tank and a second tank which are partitioned from each other by a partition plate, and the first tank is supplied with the ultrafine bubble-containing liquid from the ultrafine bubble generating device, The second tank is supplied with the ultrafine bubble-containing liquid from the first tank over the upper end of the partition plate.
この構成によれば、ウルトラファインバブル生成装置から供給される第1槽に貯留された液体は、仕切板の上端まで満たされ、その後、仕切板の上端を越えて第2槽へ供給される。このとき、比較的径の大きい気泡が第1槽の液面まで上がった後、仕切板の上端で水面に浮遊している気泡が堰き止められて消失するため、第2槽へ供給される液体において含まれる比較的径の大きい気泡を低減できる。 According to this configuration, the liquid stored in the first tank supplied from the ultrafine bubble generator is filled up to the upper end of the partition plate, and then is supplied to the second tank over the upper end of the partition plate. At this time, after bubbles having a relatively large diameter rise to the liquid level in the first tank, the bubbles floating on the water surface at the upper end of the partition plate are blocked and disappear, so that the liquid supplied to the second tank It is possible to reduce bubbles having a relatively large diameter included in the above.
上記発明において、前記仕切板の上端に設けられ、前記第1槽から前記第2槽に下側に傾斜した傾斜板を有する。 In the above invention, the partition plate has an inclined plate provided on an upper end thereof and inclined downward from the first tank to the second tank.
この構成によれば、第1槽から仕切板の上端を越えて、第2槽へウルトラファインバブル含有液体が供給される際、傾斜板上をウルトラファインバブル含有液体が流れる。このとき、傾斜板上では、板面に近い側の液体の流速Vaは、板面の抵抗によって、表面に近い側の液体の流速Vbよりも遅くなる。その結果、液体の流れ中の気泡は、速度の速い表面側に引き寄せられ、液体に含まれる比較的径の大きな気泡が空気に触れやすくなることから、気泡の消失能力を向上させることができる。 According to this structure, when the ultrafine bubble-containing liquid is supplied from the first tank to the second tank over the upper end of the partition plate, the ultrafine bubble-containing liquid flows on the inclined plate. At this time, on the inclined plate, the flow velocity Va of the liquid near the plate surface becomes lower than the flow velocity Vb of the liquid near the surface due to the resistance of the plate surface. As a result, the bubbles in the flow of the liquid are attracted to the surface side having a high velocity, and the bubbles having a relatively large diameter contained in the liquid easily come into contact with the air, so that the ability to eliminate the bubbles can be improved.
上記発明において、圧力タンクとウルトラファインバブル生成装置を結ぶ配管と、配管に設けられ、圧力タンク内の圧力を調整する第1バルブとを更に備えてもよい。 In the above invention, a pipe connecting the pressure tank and the ultra fine bubble generator may be further provided, and a first valve provided in the pipe for adjusting the pressure in the pressure tank may be further provided.
この構成によれば、第1バルブによって、圧力タンク内の圧力が調整され、例えば、圧力タンクの圧力を高めて、気泡密度を上昇させることができる。 According to this configuration, the pressure in the pressure tank is adjusted by the first valve, and for example, the pressure in the pressure tank can be increased and the bubble density can be increased.
上記発明において、ウルトラファインバブル生成装置のモータは、回転数が調整可能でもよい。 In the above invention, the rotation speed of the motor of the ultrafine bubble generation device may be adjustable.
この構成によれば、モータにおける回転数が調整され、例えば、モータの回転数を高めてロータの回転数を上げることで、気泡密度を上昇させることができる。 According to this configuration, the rotation speed of the motor is adjusted. For example, the bubble density can be increased by increasing the rotation speed of the motor to increase the rotation speed of the rotor.
上記発明において、ポンプに設けられ、ポンプが取り込む気体の量を調整可能である第2バルブを更に備えてもよい。 In the above invention, a second valve provided in the pump and capable of adjusting the amount of gas taken in by the pump may be further provided.
この構成によれば、ポンプによって取込まれる空気量の循環する液体量に対する割合を変更することができ、適切な割合とすることで気泡密度を上昇させることができる。 According to this configuration, the ratio of the amount of air taken in by the pump to the amount of circulating liquid can be changed, and the bubble density can be increased by setting the ratio appropriately.
上記発明において、液体槽に貯留された前記ウルトラファインバブル含有液体を冷却する冷却装置を更に備えてもよい。 In the above invention, a cooling device for cooling the liquid containing ultrafine bubbles stored in the liquid tank may further be provided.
この構成によれば、ウルトラファインバブル生成装置を通過することによって上昇し、液体槽に供給された液体槽内のウルトラファインバブル含有液体の温度を低下させることができる。液体槽に貯留されたウルトラファインバブル含有液体を冷却するには、液体槽の外側に別の冷却水槽を設置して、低温の冷却水槽によって液体槽内のウルトラファインバブル含有液体を冷却してもよいし、液体槽内のウルトラファインバブル含有液体に冷却コイルを挿入して、ウルトラファインバブル含有液体を冷却してもよい。 According to this configuration, the temperature of the ultrafine bubble-containing liquid that rises by passing through the ultrafine bubble generation device and is supplied to the liquid tank can be lowered. To cool the ultrafine bubble-containing liquid stored in the liquid tank, install another cooling water tank outside the liquid tank and cool the ultrafine bubble-containing liquid in the liquid tank with the low-temperature cooling water tank. The cooling coil may be inserted into the liquid containing ultrafine bubbles in the liquid tank to cool the liquid containing ultrafine bubbles.
本発明によれば、直径1μm未満のウルトラファインバブルの気泡密度の高い微小気泡含有液体を効率的に生成することができる。 According to the present invention, it is possible to efficiently generate a microbubble-containing liquid having a high bubble density of ultrafine bubbles having a diameter of less than 1 μm.
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る微小気泡生成システムは、水に空気を混合させて、直径1μm未満のウルトラファインバブルを含有する微小気泡含有水(以下「UFB含有水」という。)を生成する。なお、本発明に係る微小気泡生成システムは、水以外の液体を対象としてもよく、液体に含有し気泡となる気体も、空気に限定されず、酸素、二酸化炭素、窒素、水素等であってもよい。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
The microbubble generation system according to the present embodiment mixes air with water to generate microbubble-containing water (hereinafter referred to as “UFB-containing water”) containing ultrafine bubbles having a diameter of less than 1 μm. The microbubble generation system according to the present invention may be applied to liquids other than water, and the gas contained in the liquid and forming bubbles is not limited to air, but may be oxygen, carbon dioxide, nitrogen, hydrogen, or the like. Good.
微小気泡生成システム100は、図1に示すように、ポンプ102と、圧力タンク103と、第1バルブ104と、ウルトラファインバブル生成装置(以下「UFB生成装置」という。)105と、水槽106と、これらの構成要素間に接続され水が循環する循環管107などを備える。
As shown in FIG. 1, the
ポンプ102は、循環管107を流れる水に対し空気を導入しつつ、昇圧を行う。ポンプ102は、水槽106に貯留された水を吸い込みつつ、大気中の空気を取り込み、空気含有水を吐出する。このとき、ポンプ102内部を流れる水は、ポンプ102が有する羽根によって攪拌され、ポンプ102から吐出された空気含有水には、微小気泡が混合される。ポンプ102が吐出する空気含有水は、圧力タンク103に供給される。
The
ポンプ102には、空気を取り込む空気取込み口が設けられる。空気取込み口には第2バルブ108などが設けられ、空気の取り込み量を調整できるようにしてもよい。なお、本実施形態では、ポンプ102が大気から直接空気を取り込む構成を有するが、例えば、ポンプ102がボンベ等に接続されて、ボンベから気体を取り込んでもよい。
The
圧力タンク103は、ポンプ102から供給された空気含有水を一時的に貯留しつつ、第1バルブ104を介してUFB生成装置105へ空気含有水を供給する。圧力タンク103内の圧力は、第1バルブ104の絞り量を変更することで調整される。
The
圧力タンク103内が高圧になることで、空気が水に溶解する。その後、圧力タンク103からUFB生成装置105へ供給されるとき、圧力が低下し、水に溶解した空気が気泡となって水中に含有される。このときの気泡は、サイズが1μm以上である、いわゆるマイクロバブルが多くを占める。
The high pressure in the
なお、ポンプ102の前後の循環管107には、分岐管120が接続され、分岐管120には、第3バルブ119が設けられる。第3バルブ119が開状態にあるとき、空気含有水は、ポンプ102の下流側の循環管107から分岐して、分岐管120にも流れ、ポンプ102の上流側と合流する。第1バルブ104の絞り量が変更されたとき、第3バルブ119の絞り量を調整することで、循環管107を流れる空気含有水の流量を一定にすることができる。循環管107を流れる空気含有水の流量は、例えばUFB生成装置105の下流側で測定される。
A
UFB生成装置105は、第1バルブ104を介して圧力タンク103から供給された水に対し、ロータの外周面とケーシングの内周面との間でせん断するように力を作用させる。これにより、UFB生成装置105は、水中に存在する気泡を細かく細分化し、気泡サイズを小さくするとともに気泡数を増加させる。その結果、空気含有水に含まれるウルトラファインバブルの密度が高まる。
The
UFB生成装置105は、インバータモータが、その主軸を鉛直上方に向けて縦置きに設置され、上部には円柱状の流体剪断部が設置されている。流体剪断部は後述する。
In the
UFB生成装置105は、生成したUFB含有水を水槽106へ供給する。
The
水槽106は、UFB含有水が貯留される容器である。微小気泡生成システム100の運転時、水槽106には、UFB生成装置105からUFB含有水が供給され、貯留されたUFB含有水は、水槽106からポンプ102へ供給される。
The
水槽106は、図1に示すように、互いに仕切板112で仕切られた第1槽113と第2槽114を備えてもよい。第1槽113は、UFB生成装置105からUFB含有水が供給され、第2槽114は、第1槽113から仕切板112の上端を越えて、UFB含有水が供給される。UFB生成装置105から供給される第1槽113に貯留されたUFB含有水は、仕切板112の上端まで満たされ、その後、仕切板112の上端を越えて第2槽114へ供給される。第2槽114に貯留されたUFB含有水は、第2槽114からポンプ102へ供給される。
As shown in FIG. 1, the
このとき、比較的径の大きい気泡(例えばマイクロバブル以上の径を有する気泡)が第1槽113の液面まで上がった後、仕切板112の上端で水面に浮遊している気泡が堰き止められて消失するため、第2槽114へ供給される液体において含まれる比較的径の大きい気泡を低減できる。また、第2槽114において、比較的径の大きい気泡が少ないため、第2槽114の液体中に存在する気泡同士の接合、合体、合一を防ぐことができる。
なお、第1槽113には、底面近くに開口部116が形成された水流形成板115が設けられてもよい。これにより、第1槽113の内部において下から上へ向かう水流を形成することができる。
At this time, after bubbles having a relatively large diameter (for example, bubbles having a diameter larger than that of micro bubbles) rise to the liquid surface of the
The
なお、水槽106の周囲には水槽106を冷却するための水冷装置109が設けられてもよい。水冷装置109は、水槽106を冷却水に浸す冷却水槽110と、冷却水槽110に設けられる冷却コイル111などからなる。冷却コイル111内にはチラーで冷却された媒体が流通し、冷却コイル111は、冷却水槽110内の冷却水の温度を低下させる。これにより、UFB生成装置105を通過することによって上昇し、水槽106に供給された水槽106内のUFB含有水の温度を、冷却水槽110内の冷却水によって低下させることができる。
A
なお、水槽106内のUFB含有水の温度を低下させるため、水冷装置109を設けずに、水槽106内に貯留されたUFB含有水の内部に冷却コイルを設置してもよい。これにより、水槽106に供給された水槽106内のUFB含有水の温度を、冷却コイルによって低下させることができる。
In order to reduce the temperature of the UFB-containing water in the
上述した微小気泡生成システム100では、運転開始前、水槽106に水が貯留される。また、ポンプ102へ供給される空気量に応じて、空気取込み口に設けられた第2バルブ108の開度を調整しておき、圧力タンク103内の圧力に応じて、第1バルブ104の開度を調整しておく。また、第1バルブ104の開度に応じて、第3バルブ119の開度も調整しておく。さらに、UFB生成装置105のロータの回転数についても設定しておく。
In the
なお、第2バルブ108による供給空気量の調整、第1バルブ104による圧力タンク103内の圧力の調整などは、運転開始前に限らず、運転中に動作を停止させることなく適宜行うことも可能である。例えば、運転中に微小気泡生成システム100を循環する空気含有水の温度が上昇すると、水中への溶存気体量が低下するため、第2バルブ108を絞って圧力タンク103内に空気が溜まるのを防ぐ必要がある。また、循環する空気含有水の温度が上昇すると、水の粘性が低下し循環流量が多くなるため、第1バルブ104及び第3バルブ119を絞って循環流量を減少方向へ微調整する必要がある。
The adjustment of the supply air amount by the
その後、ポンプ102及びUFB生成装置105の運転を開始させ、循環管107内に水を流通させる。ポンプ102では、水槽106から水が供給されつつ、大気から空気が取り込まれて、空気含有水が生成される。ポンプ102で生成された空気含有水は、圧力タンク103に供給され、圧力タンク103内で一時的に貯留される。圧力タンク103内では、空気含有水の圧力が高圧になり、空気が水に溶解する。
Then, the operation of the
圧力タンク103に貯留された空気含有水は、第1バルブ104を介してUFB生成装置105へ供給される。第1バルブ104を通過する際、空気含有水の圧力が低下し、水に溶解していた空気が気泡となり水中に含有される。したがって、UFB生成装置105には、気泡化した空気を含む水が供給される。
The air-containing water stored in the
UFB生成装置105では、気泡化した空気を含む水に対し、ロータの外周面とケーシングの内周面との間でせん断するようにせん断力が作用する。その結果、水中に存在する気泡が細かく細分化され、気泡サイズが小さくなるとともに気泡数が増加する。
In the
その後、UFB生成装置105で生成されたUFB含有水は、水槽106へ供給される。水槽106に供給されたUFB含有水は、水槽106で一時的に貯留され、再度、ポンプ102へ供給される。水は、運転中、微小気泡生成システム100内を繰り返し循環する。その結果、水に含有されるウルトラファインバブルの密度が上昇する。
After that, the UFB-containing water generated by the
以上、本実施形態によれば、圧力タンク103で水に空気を溶解させた後、水を減圧することによって、溶解した空気を気泡化し、さらに、UFB生成装置105で水に含有された気泡を細分化して、気泡サイズを小さくしつつ、気泡数を増加させる。これにより、気泡密度の高いUFB含有水を効率的に生成することができる。
As described above, according to the present embodiment, after dissolving air in water in the
次に、実際に上述した微小気泡生成システム100を適用して、UFB含有水を生成した場合の結果について説明する。
Next, the results when UFB-containing water is generated by actually applying the above-described
以下では、微小気泡生成システム100において、循環流量は7L/minであり、水量は20Lである。したがって、1時間(60分)にわたって循環を継続させると、微小気泡生成システム100内の水は21回(21Pass)循環することになる。また、水は、約35℃付近に維持された。UFB生成装置105において、ケーシングの内周面とロータの外周面との隙間は、0.5mmである。なお、微小気泡生成システム100を循環させる水は、蒸留後イオン交換した純水を使用した。また、UFB含有水に含まれるウルトラファイバブルの気泡密度の測定は、ナノ粒子解析装置(NanoSight LM10)を用い、計測感度はデフォルト値とした。なお、圧力タンク103内の圧力を変化させる際、第1バルブ104の絞り量を調整し、循環流量を一定に保つため、第3バルブ119の絞り量も同時に調整する。
In the following, in the
図2は、気泡密度と圧力タンク103内の圧力との関係を示すグラフである。微小気泡生成システム100の運転時間を60分とした場合において、圧力タンク103内の圧力を変化させた結果、気泡密度は、図2に示す結果が得られた。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the bubble density and the pressure inside the
この結果、圧力タンク103を用いないでUFB含有水を生成する場合(加圧タンク内の圧力が0kPa)に比べて、圧力タンク103を用いてUFB含有水を生成する場合のほうが、気泡密度を高めることができることが分かる。また、圧力タンク103内の圧力が高いほど気泡密度が上昇する。例えば、圧力が0.2MPaであるとき1×108個/mLであるのに対し、圧力が0.5MPaであるとき4×108から5×108個/mLである。
As a result, as compared with the case where the UFB-containing water is generated without using the pressure tank 103 (the pressure in the pressure tank is 0 kPa), the case where the UFB-containing water is generated using the
図3は、気泡密度とUFB生成装置105における相対ロータ回転数との関係を示すグラフである。微小気泡生成システム100の運転時間を60分とし、ポンプ102にて取り込む空気量を循環流量に対して8%とした場合(循環流量が7L/minであるから、空気量は0.56L/min)において、ロータ回転数を変化させた結果、気泡密度は、図3に示す結果が得られた。図3のグラフの横軸は、圧力タンク103内の圧力が0.5MPaである場合、気泡密度が2.4×108個/mLであり、圧力が0.18MPaである場合、0.25×108個/mLであるときのロータ回転数を1.0として相対値で表したものである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the bubble density and the relative rotor speed in the
この結果、圧力タンク103内の圧力が同一である場合(本実施例の場合、0.5MPa)、ロータを回転させない場合、すなわち、UFB生成装置105を用いない場合に比べて、ロータを回転させる場合のほうが、気泡密度を高めることができることが分かる。また、ロータ回転数が高いほど気泡密度が上昇する。例えば、圧力が0.5MPaである場合、2.4×108個/mLであるのに対し、ロータ回転数を約2倍弱にしたとき4×108個/mLである。また、圧力が0.18MPaである場合、0.25×108個/mLであるのに対し、ロータ回転数を約2倍弱にしたとき1×108個/mLから2×108個/mLである。
As a result, when the pressure in the
また、図4は、UFB含有水における気泡の平均粒径と相対ロータ回転数との関係を示すグラフである。微小気泡生成システム100の運転時間を60分とし、ポンプ102にて取り込む空気量を循環流量に対して8%とした場合において、ロータ回転数を変化させた結果、平均粒径は、図4に示す結果が得られた。図4のグラフの横軸は、図3のグラフの横軸と同一にとってあり、圧力タンク103内の圧力が0.5MPaである場合、気泡密度が2.4×108個/mLであり、圧力が0.18MPaである場合、0.25×108個/mLであるときのロータ回転数を1.0として相対値で表したものである。
Further, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the average particle diameter of bubbles in UFB-containing water and the relative rotor rotational speed. When the operation time of the
この結果、圧力タンク103内の圧力が同一である場合(本実施例の場合、0.5MPa)、ロータを回転させない場合とロータを回転させる場合とも、平均粒径は約120nmから130nmであり、両者の間で有意な差が見られなかった。また、圧力が0.5MPaである場合と圧力が0.18MPaである場合とも、平均粒径は約120から130nmであり、両者の間で有意な差が見られなかった。
As a result, when the pressure in the
以上より、ロータを回転させない場合にも、ウルトラファインバブルが生成されていることが分かるが、気泡密度を高めるためには、圧力タンク103の圧力を高くしつつ、ロータ回転数を高く設定することが良いことが分かる。
From the above, it can be seen that ultrafine bubbles are generated even when the rotor is not rotated. However, in order to increase the bubble density, the rotor tank speed should be set high while the
図5は、空気供給量を変化させた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。圧力タンク103内の圧力を0.5MPaとした場合において、ポンプ102にて取り込む空気を変化させた結果、運転時間の増加に伴う気泡密度の上昇は、図5に示すとおりの結果が得られた。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the bubble density and the operating time when the air supply amount is changed. When the pressure in the
ポンプ102にて取り込む空気量割合を8%としたときと16%としたときのいずれも、運転時間の増加と共に気泡密度が上昇することが分かる。また、ポンプ102にて取り込む空気を16%とした場合は、8%とした場合と比べて、運転時間が60分くらいまでは有意な差が見られないが、90分以降では気泡密度が低くなるという結果が得られた。これは、ポンプ102にて取り込む空気量割合を16%とした場合、水に溶解する空気量に限界があり、水に溶解しないで圧力タンク103内に溜まる空気量が増えたためであると考えられる。一方、ポンプ102にて取り込む空気量割合を0%に近い低い値とした場合は、気泡密度は上昇しないという結果が得られると推測される。したがって、空気供給量には適正値があることが認められる。
It can be seen that the bubble density rises as the operating time increases both when the air volume ratio taken in by the
図6は、ロータ回転数を変化させた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。圧力タンク103内の圧力を0.5MPaとした場合において、ポンプ102にて取り込む空気の有無、ロータの回転の有無を異ならせた結果、運転時間の増加に伴う気泡密度の上昇は、図6に示すとおりの結果が得られた。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between bubble density and operating time when the rotor rotation speed is changed. When the pressure in the
ポンプ102にて取り込む空気量割合を8%、ロータ回転ありとした場合と、ポンプ102にて取り込む空気量割合を8%、ロータ回転なしとした場合と、ポンプ102にて取り込む空気なし、ロータ回転なしとした場合の三者について比較した。
No air taken in by the
ポンプ102にて取り込む空気なし、ロータ回転なしとした場合は、ポンプ102にて空気が取り込まれないことから、微小気泡の生成源となる空気が存在しないことから、測定された気泡密度の値は、バックグラウンド又はノイズを示している。これに対し、ポンプ102にて取り込む空気量割合を8%、ロータ回転なしとした場合、すなわち、ポンプ102にて空気を取り込むが、UFB生成装置105を運転させなかった場合は、圧力タンク103で水に溶解した空気を解放したときに生じる微小気泡の気泡密度を示している。この場合、運転時間が60分で気泡密度が1.47×108個/mLとなった。一方、ポンプ102にて取り込む空気を8%、ロータ回転ありとした場合、すなわち、UFB生成装置105を運転させた場合は、圧力タンク103で水に溶解した空気を解放したときに生じる微小気泡に加えて、UFB生成装置105で発生する微小気泡の密度を示している。この場合、運転時間が60分で気泡密度が4.28×108個/mLとなった。すなわち、UFB生成装置105を運転させることによって、運転時間が60分で気泡密度が約3倍増加することが分かる。したがって、UFB生成装置105において、ウルトラファインバブルが生成される比率が高いといえる。
When there is no air taken in by the
図7は、UFB生成装置105のロータを回転させつつ、圧力タンク103の有無を異ならせた場合において、気泡密度と運転時間の関係を示すグラフである。ロータを回転させた場合において、圧力タンク103の有無を異ならせた結果、運転時間の増加に伴う気泡密度の上昇は、図7に示すとおりの結果が得られた。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between bubble density and operating time when the presence or absence of the
圧力タンク103を設けずにロータを回転させた場合、運転時間が60分で気泡密度は0.3から0.5×108個/mLとなった。一方、圧力タンク103を設けてロータを回転させた場合、運転時間が60分で気泡密度が4×108個/mLとなり、圧力タンク103なしとした場合に比べて、気泡密度が約10倍となることが分かった。また、圧力タンク103を設けてロータを回転させた場合、運転時間の増加につれて、気泡密度の上昇が継続していくことが分かり、運転時間が210分で気泡密度が10×108個/mLとなった。
When the rotor was rotated without providing the
以上より、圧力タンク103で水に空気を溶解させた後、水を減圧することによって、溶解した空気を気泡化し、さらに、UFB生成装置105で水に含有された気泡を細分化することによって、ウルトラファインバブルの気泡密度を格段に増加させることができるといえる。また、気泡密度を高めるための運転条件としては、ポンプ102に取込む空気量割合には適量がある一方、圧力タンク103の圧力は高いほど気泡密度を上昇させることができ、UFB生成装置105のロータ回転数も高回転であるほど気泡密度を上昇させることができる。
From the above, after air is dissolved in water in the
なお、UFB生成装置105を運転させない場合、すなわち、圧力タンク103を通過した後に生成される微小気泡含有水は、白濁しており、水面に浮上して破裂することが観察されている。したがって、ウルトラファインバブルよりもサイズが大きいマイクロバブルが支配的である。これに対し、UFB生成装置105を運転した場合、生成される微小気泡含有水は、ウルトラファインバブルが長時間にわたって残存していることが測定され、得られる微小気泡含有水は、白濁していないことが観察されている。したがって、マイクロバブルはほとんど生成されず、ウルトラファインバブルが支配的な水が得られる。
It has been observed that when the
上述した本実施形態に係る微小気泡生成システム100では、UFB生成装置105の運転を開始するか停止したままとするかを切り替えることによって、最終的に得る微小気泡含有水の種類を変化させることができる。すなわち、UFB生成装置105の運転を開始することで、ウルトラファインバブル主体の微小気泡含有水を得ることができ、UFB生成装置105の運転を停止することで、マイクロバブル主体の微小気泡含有水を得ることができる。ウルトラファインバブル主体の微小気泡含有水は、洗浄又は殺菌などに用いられ、マイクロバブル主体の微小気泡含有水は、浮上分離による水処理、浴槽等に用いられる。
In the
また、本実施形態によれば、圧力タンク103内の圧力や、UFB生成装置105の回転数を調整することによって、高密度のUFB含有水を得ることができる。高密度のUFB含有水は、洗浄又は殺菌力が高い。また、高密度のUFB含有水は希釈することができるため、本実施形態に係る微小気泡生成システム100によって、高密度のUFB含有水を生成することで、大量のUFB含有水を効率的に生成できる。
Further, according to the present embodiment, by adjusting the pressure in the
以下、流体剪断部8について説明する。 The fluid shearing section 8 will be described below.
まず、図8に示すように、厚手の鋼鈑等から形成された仕切り板11が複数のボルト12に締結され、この仕切り板11を貫通する形で鉛直方向に沿う円筒状のベアリングホルダ13が固定されている。また、仕切り板11の上面に、ベアリングホルダ13よりも径の大きな円筒容器状で上部が閉塞されたアウターケーシング15が複数のボルト16で着脱可能に固定されている。仕切り板11とアウターケーシング15との間はO−リング17で液密的にシールされている。
First, as shown in FIG. 8, a
さらに、図9にも示すように、ベアリングホルダ13の外周面に円筒状のインナーケーシング19が着脱可能に固定されている。インバータモータ(図示せず。)の主軸7とベアリングホルダ13とアウターケーシング15とインナーケーシング19と後述するインナーロータ27は、共通の鉛直な中心軸線Cに沿って一直線上に配列されている。図8、図9に示すように、アウターケーシング15の内周面は固定側流体剪断面15aとなっており、インナーケーシング19の外周面は固定側流体剪断面19aとなっている。これらの固定側流体剪断面15a,19aは共通の中心軸線C回りに形成されて異なる径を持ち、且つ径方向および軸方向に重複している。固定側流体剪断面15a,19aは後述するように凹凸状である。
Further, as shown in FIG. 9, a cylindrical
図8に示すように、ベアリングホルダ13の上下両端に圧入された上下一対のベアリング21,22(軸受)によって鉛直な駆動軸23が中心軸線C回りに回転自在に軸支され、この駆動軸23の下端部が継手24を介してインバータモータの主軸7に連結されている。駆動軸23の上部には、インナーケーシング19に被さる円柱形状のインナーロータ27が、例えば複数のボルト28によって回転一体に、且つ駆動軸23に対して着脱可能に固定されている。つまり、インナーロータ27は、ベアリング21,22および駆動軸23によって下方から片持ち状に軸支されており、アウターケーシング15が取り外されていれば、ボルト28を抜くことによって軸方向自由端側(ここでは上側)に向かって取り外すことができる。
As shown in FIG. 8, the
インナーロータ27は、インバータモータにより回転駆動されてアウターケーシング15の内部で回転する。ここで、このインナーロータ27を軸支しているベアリング21,22のうち、上側のベアリング22は、インナーロータ27の軸方向中間部に配置されている。即ち、インナーロータ27の下端部27cと上端部27dとの間の高さにベアリング22が配置されている。なお、ベアリングホルダ13の上部には駆動軸23の抜け止めおよび防水を行うメカニカルシール30が設けられている。
The
図8、図9に示すように、インナーロータ27の外周面は、アウターケーシング15の固定側流体剪断面15aに対して例えば0.5mm〜3mmの間隔を空けて対向する可動側流体剪断面27aとなっている。また、インナーロータ27の内周面は、インナーケーシング19の固定側流体剪断面19aに対して例えば0.5mm〜3mmの間隔を空けて対向する可動側流体剪断面27bとなっている。そして、アウターケーシング15およびインナーケーシング19の固定側流体剪断面15a,19aと、これらに対向しているインナーロータ27の可動側流体剪断面27a,27bとの間に、それぞれ流体剪断空間31,32が形成されている。これらの流体剪断空間31,32は径が異なり、径方向および軸方向に重複するとともに、相互に連通している。即ち、流体剪断空間32は流体剪断空間31よりも径が小さくて流体剪断空間31の内周側に重複しており、インナーロータ27と仕切り板11との間に形成された連通路33を介して連通している。
As shown in FIGS. 8 and 9, the outer peripheral surface of the
これらの流体剪断空間31,32の各々において、固定側流体剪断面15a,19aおよび可動側流体剪断面27a,27bの少なくとも一方には、凹凸状の流体剪断形状が形成されている。例えば、流体剪断空間31においては、固定側流体剪断面15aと可動側流体剪断面27aの両方に、中心軸線Cに直交する断面が歯車状となるように凹凸状の流体剪断形状が付与されている(図9中には簡略化して記載してある)。
また、流体剪断空間32においては、固定側流体剪断面19aと可動側流体剪断面27bの両方に、同様な凹凸状(歯車状)の流体剪断形状が付与されている。(図9中には簡略化して記載してある)
なお、固定側流体剪断面19aは、円筒状のインナーケーシング19の全周に亘って軸方向に延びるスリット溝を多数穿設し、このインナーケーシング19をベアリングホルダ13とメカニカルシール30の外周面に密に嵌合させることによって、上記スリット溝の位置における横断面形状を凹凸形状に形成したものである。
In each of these
Further, in the
The fixed-side
図8に示すように、アウターケーシング15の上面中央部に流体入口部36が設けられ、アウターケーシング15の上部外周面に流体出口部37が設けられている。流体入口部36は、インナーロータ27の回転中心部から、ポンプ102及び圧力タンク103によって空気や酸素等の気体が混合された水を、径方向内側にある上流側の流体剪断空間32に流入させるように設けられている。また、流体出口部37は、径方向外側にある下流側の流体剪断空間31から水を流出させるように設けられている。
As shown in FIG. 8, a
具体的には、流体入口部36は、例えば中心軸線Cに沿うようにアウターケーシング15の上面中央部に固定された管状であり、駆動軸23の上端部から軸心に沿って形成された軸心流入通路40に連通している。この流体入口部36に対して駆動軸23(軸心流入通路40)は相対回転するため、流体入口部36と軸心流入通路40との間には両部材36,40間の相対回転を可能にしつつ、水が流体入口部36から下流側の流体剪断空間31に流入することを阻止する図示しないシール部材が介装されている。
Specifically, the
図8に示すように、駆動軸23には、軸心流入通路40の下端部から水平に伸びる複数の水平通路41が形成され、これらの水平通路41が、それぞれインナーロータ27の内部に形成された複数の鉛直通路42に連通し、各鉛直通路42は流体剪断空間32に連通している。このため、流体入口部36から流入した水が軸心流入通路40と水平通路41と鉛直通路42とを経て流体剪断空間32に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 8, the
一方、流体出口部37は、平面視でアウターケーシング15の外周輪郭に対して接線方向に水平に延出するパイプ状であり、図8に示すように、流体剪断空間31の最上部に連通している。そして、インナーロータ27の回転とともに、下流側の流体剪断空間31内の水が流体出口部37から流出するようになっている。
流体剪断部8は以上のように構成されている。
On the other hand, the fluid outlet portion 37 has a pipe shape that extends horizontally in a tangential direction to the outer peripheral contour of the
The fluid shearing section 8 is configured as described above.
図10には、図2から図7を用いて説明した測定を行う際に用いたUFB生成装置105の流体剪断部8の断面形状の例を示している。
FIG. 10 shows an example of the cross-sectional shape of the fluid shearing section 8 of the
アウターケーシング15の固定側流体剪断面15a、インナーケーシング19の固定側流体剪断面19a、及び、インナーロータ27の可動側流体剪断面27aの凹凸状の流体剪断形状は、凹部について、断面がほぼ四角形状の溝であり、インナーロータ27の可動側流体剪断面27bの凹凸状の流体剪断形状は、凹部について、断面がほぼ半円形状の溝である。
The fixed
なお、上述した実施形態において、水槽106は、図1に示すように、互いに仕切板112で仕切られた第1槽113と第2槽114の二つの槽を備える場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。水槽106は、例えば、二つ以上の仕切板で仕切られた三つ以上の槽を備えてもよい。図11には、第1槽113、第2槽114及び第3槽118を備え、第1槽113と第2槽114が仕切板112で仕切られ、第2槽114と第3槽118が仕切板117で仕切られた例が示されている。
In addition, in the above-described embodiment, the case where the
図11の例において、第1槽113は、UFB生成装置105からUFB含有水が供給され、第2槽114、第3槽118は、それぞれ第1槽113、第2槽114から仕切板112、117の上端を越えて、UFB含有水が供給される。第3槽118に貯留されたUFB含有水は、第3槽118からポンプ102へ供給される。これにより、仕切板112及び仕切板117によって、複数回にわたって、水面に浮遊している気泡が堰き止められて消失するため、二つの槽からなる場合よりも消泡能力を高めることができる。
なお、図11に示す例では、第1槽113及び第2槽114の内部に、図1で示した例と同様に、底面近くに開口部116が形成された水流形成板115が設けられている。
In the example of FIG. 11, the
In the example shown in FIG. 11, the water
また、上述した実施形態において、水槽106の仕切板112は、図12に示すように、仕切板112の上端に設けられ、上流側の第1槽113から下流側の第2槽114に下側に傾斜した傾斜板112aが形成されてもよい。これにより、第1槽113から仕切板112の上端を越えて、第2槽114へUFB含有水が供給される際、傾斜板112a上をUFB含有水が流れる。このとき、傾斜板112a上では、板面に近い側の水流速度Vaは、板面の抵抗によって、表面に近い側の水流速度Vbよりも遅くなる。その結果、水流中の気泡は、速度の速い表面側に引き寄せられ、水に含まれる比較的径の大きな気泡が空気に触れやすくなることから、気泡の消失能力を向上させることができる。
なお、図11で示した仕切板117についても、同様に傾斜板を設けてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
The
100 微小気泡生成システム
102 ポンプ
103 圧力タンク
104 第1バルブ
105 ウルトラファインバブル生成装置(UFB生成装置)
106 水槽
107 循環管
108 第2バルブ
110 冷却水槽
111 冷却コイル
112,117 仕切板
112a 傾斜板
113 第1槽
114 第2槽
115 水流形成板
116 開口部
118 第3槽
119 第3バルブ
120 分岐管
100 Micro
106
Claims (8)
前記ポンプによって昇圧され、前記ポンプから供給された前記気体含有液体を貯留する圧力タンクと、
前記圧力タンク内から供給されて減圧した前記気体含有液体に対し、円筒容器上で上部が閉塞されたアウターケーシングと、前記アウターケーシングの内部に設けられ剪断力を作用させるロータと、前記ロータを回転させるモータと、前記ロータに覆われる円筒状のインナーケーシングとを有し、前記アウターケーシングと前記ロータと前記インナーケーシングは、共通の中心軸線に沿って配列され、直径1μm未満のウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液体を生成するウルトラファインバブル生成装置と、
を備え、
前記ウルトラファインバブル生成装置は、
前記ロータの内周面と前記インナーケーシングとの間において前記気体含有液体が流れる上流側の流体剪断空間と、
前記ロータの外周面と前記アウターケーシングの内周面との間において前記気体含有液体が流れる下流側の流体剪断空間と、
前記気体含有液体を前記上流側の流体剪断空間に流入させる流体入口部と、
前記下流側の流体剪断空間から流体を流出させる流体出口部と、
前記流体入口部と連通し、前記ロータの内部に前記ロータの軸心に沿って形成される第1通路と、
前記第1通路と連通し、前記ロータの内部に前記第1通路と交差する方向に延びるように形成される第2通路と、
を備え、
前記第1通路及び前記第2通路は、前記流体の流れにおける前記流体入口部と前記上流側の流体剪断空間との間に設けられ、
前記上流側の流体剪断空間は、前記下流側の流体剪断空間よりも径が小さくて前記下流側の流体剪断空間の内周側に重複しており、
前記上流側の流体剪断空間及び前記下流側の流体剪断空間の少なくともいずれか一方には、凹凸状の流体剪断形状が形成されていることを特徴とする微小気泡生成システム。 A pump which is supplied with a liquid and takes in gas while pressurizing the liquid and transferring a gas-containing liquid,
A pressure tank which stores the gas-containing liquid supplied from the pump, the pressure of which is increased by the pump;
For the gas-containing liquid supplied from the pressure tank and decompressed, an outer casing having an upper part closed on a cylindrical container, a rotor provided inside the outer casing to apply a shearing force, and the rotor is rotated. And a cylindrical inner casing covered by the rotor , wherein the outer casing, the rotor and the inner casing are arranged along a common central axis and contain ultra fine bubbles having a diameter of less than 1 μm. An ultra fine bubble generation device for generating an ultra fine bubble containing liquid,
Equipped with
The ultrafine bubble generation device,
An upstream fluid shear space in which the gas-containing liquid flows between the inner peripheral surface of the rotor and the inner casing,
A downstream fluid shear space in which the gas-containing liquid flows between the outer peripheral surface of the rotor and the inner peripheral surface of the outer casing,
A fluid inlet for flowing the gas-containing liquid in the fluid shear space of the upstream,
A fluid outlet for discharging the fluid from the fluid shear space of the downstream,
A first passage communicating with the fluid inlet portion and formed inside the rotor along the axial center of the rotor;
A second passage communicating with the first passage and formed in the rotor so as to extend in a direction intersecting with the first passage;
Equipped with
The first passage and the second passage are provided between the fluid inlet portion and the upstream fluid shear space in the flow of the fluid,
The fluid shear space on the upstream side has a smaller diameter than the fluid shear space on the downstream side and overlaps with the inner circumferential side of the fluid shear space on the downstream side,
A microbubble generation system , wherein an uneven fluid shearing shape is formed in at least one of the upstream fluid shearing space and the downstream fluid shearing space .
前記配管に設けられ、前記圧力タンク内の圧力を調整する第1バルブと、
を更に備える請求項1に記載の微小気泡生成システム。 A pipe connecting the pressure tank and the ultra fine bubble generator,
A first valve provided in the pipe for adjusting the pressure in the pressure tank;
The microbubble generation system according to claim 1 , further comprising:
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