JP6797424B2 - 微細気泡混合液の製造装置および製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、微細気泡混合液の製造装置および製造方法に関する。
従来、気体の溶解促進等を目的として、気泡を微細化して液中に混合させる装置が知られている。微細な気泡を生成する構成としてはノズル方式が知られているが、ノズル口径の縮小による微細化には限度があることから、例えば特許文献１においては、液中に供給される気泡を回転羽根の回転により圧縮して微細化することが検討されている。
ところが、上記特許文献１に開示された気液混合装置は、気液を混合圧縮するために回転羽根を高速で回転させる必要があることから、回転抵抗が大きくなり、動力源の負荷が過大になるおそれがあった。
そこで、本発明は、微細な気泡の混合液を効率良く生成することができる微細気泡混合液の製造装置および製造方法の提供を目的とする。
本発明の前記目的は、貯液槽と、前記貯液槽に貯留された液体に気泡を供給する気泡供給手段とを備え、前記気泡供給手段は、外周面に噴出部を有し駆動手段により回転駆動される回転筒と、 前記貯液槽に貯留された液体を取り出して前記噴出部から前記貯液槽に供給する循環手段と、前記循環手段により循環される液体に気泡を混合する気液混合部とを備えており、前記貯液槽に貯留された液体に前記噴出部を浸漬させて前記回転筒を回転させることにより、気泡が混合された液体を前記噴出部から噴出させて、微細気泡混合液を生成する微細気泡混合液の製造装置であって、前記回転筒は、下部開口が下部円板により閉塞され、回転により内部に旋回流が生じるように配置された回転翼を備える微細気泡混合液の製造装置により達成される。
また、前記回転筒の外周面との間に隙間をあけて同軸状に配置された外筒を更に備えることが好ましい。
また、本発明の前記目的は、貯液槽に貯留された液体に気泡を混合して微細気泡混合液を製造する方法であって、外周面に噴出部を有し下部開口が下部円板により閉塞され回転により内部に旋回流が生じるように配置された回転翼を備える回転筒を垂下させて、前記噴出部を前記貯液槽の液中に浸漬させた状態で前記回転筒を回転させ、前記貯液槽の液体を取り出して気泡を混合した後に前記噴出部から旋回流として噴出させることにより、微細気泡混合液を生成する微細気泡混合液の製造方法により達成される。
本発明によれば、微細な気泡の混合液を効率良く生成することができる微細気泡混合液の製造装置および製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る微細気泡混合液の製造装置の縦断面図である。図１に示すように、微細気泡混合液の製造装置１は、液体Ｌを貯留する貯留槽４と、貯留槽４の液体Ｌに気泡を供給する気泡供給装置６とを備えている。
気泡供給装置６は、貯留槽４の上部開口に載置される支持板２の上面に固定された駆動モータ１０と、駆動モータ１０により回転駆動される円筒状の回転筒２０と、回転筒２０を収容するように支持板２から垂下する外筒３０と、貯留槽４に貯留された液体を循環させる循環装置４０と、循環装置４０により循環される液体Ｌに気泡を混合する気液混合部５０とを備えている。支持板２は、本実施形態では貯留槽４を密閉するように配置されているが、貯留槽４の内外を連通可能な構成であってもよい。貯留槽４に貯留された液体Ｌには、貯留槽４の内部または外部に設けられた鉱石や電池等により、微弱電流を付与してもよい。
駆動モータ１０は、出力軸１１の上下両端部がケーシング１２から突出するように構成されている。出力軸１１には、中心部を軸方向に貫通する導入路１１ａが形成されている。出力軸１１の上端部は、ロータリージョイント１３を介して、気密且つ相対回転可能に導入部１４に接続されている。
出力軸１１の下端部は、支持板２に形成された貫通孔２ａを通過して、回転筒２０の上端部に連結固定されており、回転筒２０を垂下するように支持して回転駆動する。回転筒２０は、例えばステンレス等の金属材料からなり、下部外周面に複数の噴出孔２２ａからなる噴出部２２が形成されている。噴出孔２２ａは、出力軸１１の導入路１１ａから回転筒２０の内部に導入された気液混合液を周囲に向けて均一に噴射するように、周方向に沿って等間隔に形成されており、更に、噴出部２２が所定の高さ（例えば、１５０ｍｍ程度）を有するように、軸方向にも等間隔に形成されている。噴出孔２２ａの径は、特に限定されないが、例えば、０．１〜１．５ｍｍである。回転筒２０の外周面は、撹拌羽根等を備えることなく平滑に形成されていることが好ましい。
回転筒２０の内部下部には、撹拌部材２４が設けられている。撹拌部材２４は、図２に分解斜視図で示すように、回転筒２０の外径と略同じ径を有する下部円板２４ｂに、平板状の回転翼２４ａが複数配置されている。回転翼２４ａを多数設ける場合には、放射状に等間隔に配置することが好ましい。回転翼２４ａの上部には、回転筒２０の内径と略同じ径を有する上部円板２４ｃが取り付けられている。この撹拌部材２４は、図２に矢印で示すように、周方向に隣接する噴出孔２２ａの間に各回転翼２４ａが位置するように回転筒２０の下方から挿入され、下部円板２４ｂが回転筒２０の下部開口を閉塞するように、回転筒２０に固定される。上部円板２４ｃは、中央に連通孔２４ｄが形成されており、回転筒２０の内部に導入された気液混合液は、連通孔２４ｄを通過して回転翼２４ａにより撹拌され、噴出孔２２ａから噴出される。回転翼２４ａは、回転筒２０の内部に旋回流を生じさせることが可能であれば、その形状や配置は特に限定されず、例えば、平板状の回転翼２４ａの代わりに、湾曲状、螺旋状、翼型状等の回転翼を用いてもよい。
外筒３０は、例えばアクリル等の樹脂やステンレス等の金属からなる直筒状に形成されており、回転筒２０の外周面との間に隙間をあけて同軸状に配置され、上端部が支持板２に固定されている。外筒３０の下端は、内筒２０の下端と略一致しており、回転筒２０の噴出部２２が外筒３０により覆われている。外筒３０の内部に液体Ｌの旋回流が生じ易いように、外筒３０の内周面に螺旋状のガイド板（図示せず）を設けてもよい。
循環装置４０は、貯液槽４の底部に形成された排出口４ａと導入部１４とを接続する配管４２と、配管４２の途中に介在されて貯液槽４の液体Ｌを貯液槽４の外部に取り出す循環ポンプ４４とを備えている。気液混合部５０は、配管４２の途中の循環ポンプ４４よりも下流側に配置されており、内部を通過する液体Ｌに対して、コンプレッサやガスボンベ等の給気装置５２から加圧供給された気体を混合する。
気液混合部５０の構成は、特に限定されるものではなく、例えば、多孔質フィルムの細孔を介して気泡を液中に混合させる細孔吹き出し方式、気体および液体を高速旋回させて混合させる旋回流方式、液体Ｌの通過により生じる負圧を利用して気体を導入するベンチュリー方式等であってもよい。また、給気装置５２を設けることなく、気液混合部５０が外気を吸引して液体Ｌに混合させる構成にすることもできる。気液混合部５０から排出される気液混合液は、回転筒２０の噴出部２２から貯液槽４内に供給される。更に、気液混合部５０は、液体を電気分解することにより気泡を生成する液体電解装置を備える構成であってもよく、この構成においては、生成された気泡を、電気分解されていない液体との混合状態で配管４２内に供給してもよい。液体電解装置で気泡を生成する場合、上記の給気装置５２と併用してもよいが、給気装置５２を設けない構成により省エネルギー化を図ることができる。
循環路を構成する配管４２には分岐管５３が接続されており、分岐管５３の途中に設けられた開閉弁５４の開度を調節することにより、配管４２を流れる気液混合液の一部を分岐管５３から連続的に取り出すことができる。また、配管４２には、給液装置５５から液体Ｌを供給可能に構成されており、開閉弁５６の開度を調節することにより、分岐管５３から排出された量に相当する液体Ｌを連続的に補充することができる。配管４２は、永久磁石等を用いて内部に磁場を付与する磁気処理部を備える構成であってもよく、液体の磁気処理によって微細気泡の保持力向上を図ることができる。
次に、上記の構成を備える微細気泡混合液の製造装置１の作動を説明する。図１に示すように、貯留槽４に水などの液体Ｌを貯留し、回転筒２０の略全体を液中に浸漬させる。ついで、駆動モータ１０および循環ポンプ４４を作動させると、回転筒２０は、図３に矢示するように回転翼２４ａと共に軸周りに回転し、循環装置４０から回転筒２０の内部に導入された気液混合液が、回転翼２４ａにより旋回流となって噴出部２２から噴射される。
回転筒２０が高速で回転すると、液体Ｌの液面Ｓは、回転筒２０を中心としてすり鉢状に凹んだ状態になり、回転筒２０の周囲においては、液面Ｓが噴出部２２の近傍まで低下して、この付近で上下動する。このため、各噴出孔２２ａから排出された気液混合液の噴射流Ｆは、液面Ｓと衝突しながら撹拌されて液中に取り込まれるため、気泡が微細になって液体Ｌに拡散する。回転筒２０の回転による液面Ｓの低下量は、回転筒２０が高速で回転するほど大きくなるため、液面Ｓが噴出部２２の近傍に維持されるように回転筒２０の回転速度を調整することが好ましい（例えば、毎分３６００〜１５０００回転、あるいは毎分１５０００回転以上）。回転筒２０と外筒３０との間に生じる隙間（図２の長さＤ）は、所望の液面Ｓの低下が生じ易いように適宜設定することが好ましく、例えば、１０〜２０ｍｍまたは２０ｍｍ以上である。
このように、本実施形態の微細気泡混合液の製造装置１によれば、回転筒２０の回転により噴出部２２から噴射された気液混合液が、液切りを行いながら液体Ｌに混合されるので、マイクロバブルやナノバブル等の微細気泡が混合された微細気泡混合液を効率良く生成することができる。
また、回転筒２０は、回転翼２４が内周面から中心に向けて延びるように放射状に配置されているので、回転筒２０の外周面に回転翼を設ける場合と比較して回転抵抗の増大を抑制することができ、省電力化を図ることができる。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態には限定されない。例えば、気液混合部５０に供給する気体は、空気以外に、酸素、オゾン、二酸化炭素、窒素、水素などであってもよく、給気装置５２からこれらの気体を供給して、極微小な気泡として液中に長期間滞留させることができる。例えば、水中に酸素を微細な気泡として含む微細気泡混合液は、除菌用や殺菌用として好適に使用することができる。
液体Ｌは、用途に応じて水以外を適宜選択することも可能であり、微細気泡を長時間維持するために、低温（例えば１０℃以下）であることが好ましい。貯液槽４内の液体Ｌを低温に維持するため、貯液槽４の外周に沿って、あるいは、貯液槽４の液体Ｌに浸漬させるように、冷却用の熱交換器を配置してもよい。
また、本実施形態においては、回転筒２０の回転時に所望のすり鉢状の液面Ｓが生じ易いように、外筒３０を配置しているが、外筒３０は必須のものではなく、例えば、貯留槽４が小型筒状であるような場合には、外筒３０を設けない構成であってもよい。
また、本実施形態においては、回転筒２０に気液混合液を導入するための導入路１１ａを駆動モータ１０の出力軸１１に形成することで、噴出部２２から気液混合液を安定して噴出可能に構成しているが、導入路１１ａは、出力軸１１以外であってもよく、回転筒２０の上部や側部からメカニカルシール等を介して気液混合液を導入する構成であってもよい。
また、微細気泡混合液の製造装置１は、図４に示すように、回転筒２０の下端部を回転可能に支持する支持部材６０を更に設けた構成であってもよい。支持部材６０は、支持筒６１の下端部に保持板６２を備え、保持板６２にすべり軸受け６３が設けられており、回転筒２０の先端部２０ａがすべり軸受け６３により支持されている。支持筒６１は、内外で液体Ｌを流通させる流通孔６１ａが適宜形成されている。この構成によれば、回転筒２０をより安定して回転させることができ、所望の微細気泡混合液を容易に生成することができる。
また、図１に示す微細気泡混合液の製造装置１は、微細気泡混合液を分岐管５３から連続的に取り出し可能に構成されているが、図４に示すように、循環路となる配管４２が分岐管５３を備えないバッチ式の構成にすることもできる。
また、図１に示す微細気泡混合液の製造装置１は、駆動モータ１０の出力軸１１に回転筒２０を直結しているが、図５に要部側面図で示すように、出力軸１１と回転軸２０とを軸カップリング７１を介して連結してもよい。この構成においては、支持板２の上面に複数の支柱７２を介して台板７３を設け、台板７３に出力軸１１が挿通される貫通孔７３ａを形成することにより、台板７３上に駆動モータ１０のケーシング１２を搭載することができる。貯液槽４内部の気密状態を維持するため、支持板２の貫通孔２ａには、回転軸２０が気密に挿通される軸貫通部シール７４を設けることが好ましい。
図５に示す構成によれば、軸カップリング７１を備えることにより、貯液槽４の内部と配管４２との縁切りが容易であり、メンテナンス性も良好にすることができる。
１ 微細気泡混合液の製造装置
４ 貯液槽
６ 気泡供給装置
１０ 駆動モータ
２０ 回転筒
２２ 噴出部
２４ａ 回転翼
３０ 外筒
４０ 循環装置
５０ 気液混合部
６０ 支持部材
Ｌ 液体
４ 貯液槽
６ 気泡供給装置
１０ 駆動モータ
２０ 回転筒
２２ 噴出部
２４ａ 回転翼
３０ 外筒
４０ 循環装置
５０ 気液混合部
６０ 支持部材
Ｌ 液体
Claims (4)
- 貯液槽と、前記貯液槽に貯留された液体に気泡を供給する気泡供給手段とを備え、
前記気泡供給手段は、外周面に噴出部を有し駆動手段により回転駆動される回転筒と、 前記貯液槽に貯留された液体を取り出して前記噴出部から前記貯液槽に供給する循環手段と、前記循環手段により循環される液体に気泡を混合する気液混合部とを備えており、
前記貯液槽に貯留された液体に前記噴出部を浸漬させて前記回転筒を回転させることにより、気泡が混合された液体を前記噴出部から噴出させて、微細気泡混合液を生成する微細気泡混合液の製造装置であって、
前記回転筒は、下部開口が下部円板により閉塞され、回転により内部に旋回流が生じるように配置された回転翼を備える微細気泡混合液の製造装置。 - 前記回転筒の外周面との間に隙間をあけて同軸状に配置された外筒を更に備える請求項１に記載の微細気泡混合液の製造装置。
- 貯液槽に貯留された液体に気泡を混合して微細気泡混合液を製造する方法であって、
外周面に噴出部を有し下部開口が下部円板により閉塞され回転により内部に旋回流が生じるように配置された回転翼を備える回転筒を垂下させて、前記噴出部を前記貯液槽の液中に浸漬させた状態で前記回転筒を回転させ、前記貯液槽の液体を取り出して気泡を混合した後に前記噴出部から旋回流として噴出させることにより、微細気泡混合液を生成する微細気泡混合液の製造方法。 - 生成される微細気泡混合液は、水中に酸素を微細な気泡として含む除菌用または殺菌用 の微細気泡混合液である請求項３に記載の微細気泡混合液の製造方法。
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