JP6809671B2

JP6809671B2 - 微細バブル発生装置

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Publication number: JP6809671B2
Application number: JP2019097223A
Authority: JP
Inventors: 本田　正; 正本田
Original assignee: 株式会社ナノバブル研究所
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: JP2020189283A

Description

本発明はマイクロバブルやナノバブル等の微細な気泡を発生させる微細バブル発生装置に関する。

今日、マイクロバブルやナノバブル等の微細バブルは、その物性や発生（気泡微細化）のメカニズム、具体的な用途、及びその実用化について研究が急速に進んでいる。例えば、汚染水の浄化や殺菌等の研究や、マイクロオーダ或いはナノオーダの微細気泡を含有する微細バブル含有水を用いて、ウナギ等の水性生物の育成や、水田に微細バブルの含有水を供給して水質の向上を図る研究も行われている。

また、例えば土壌粒子に付着した油幕を微細バブルの表面に付着させることによる油汚染土壌の改善や、船体の周りに微細バブルを吹き出すことによって船体が進行する際の船体抵抗の低減や、凹凸のある建造物の内外壁の洗浄、更にオゾンを含むナノバブル化された水による抗菌効果や、ナノバブル水を化粧水として活用する研究も行われている。

このような微細バブル発生方法には、旋回液流方式や、加圧溶解方式、オリフィスやベンチュリ管方式、超音波振動の利用や、微細孔フィルタの使用等、多くの方式が提案されている。例えば、特許文献１に開示する微細バブルの発生装置は、その一例を開示する。

図４はこの微細バブル発生装置を説明する図であり、気体を圧送する為の圧縮機であるコンプレッサ２と、圧送された気体を微細気泡として液体内へ放出する為の気泡発生媒体３と、微細気泡が放出される液体と同種の液体を噴射する液体噴射装置４とで構成されている。

上記コンプレッサ２は、気体供給路を介して、気体を気泡発生媒体３の内部空間３ａに圧送し、気泡発生媒体３は高密度複合体で形成され、圧送された気体を例えば直径数μｍ〜数十μｍの微細気泡として気泡発生媒体３の表面から放出する。この微細気泡は上記液体噴射装置４から放出される液体によって気泡発生媒体３の表面から離間され、微細気泡を含む気泡液体として、例えば洗浄や抗菌等の用途に使用される。

特開２０１０―１６７４０４号公報

しかしながら、上記微細バブル発生装置では、微細気泡を生成する気泡発生媒体３に気体供給路を介して気体を圧送する為のコンプレッサ２が必要である。また、気泡発生媒体３によって生成された微細気泡を気泡発生媒体３の表面から離間させる為の液体噴射装置４も必要である。また、上記微細バブル発生装置を使用して、例えばオゾンを気体とするマイクロバブルやナノバブルの微細バブルを生成する場合、オゾン（気体）を加圧する為、オゾン分子が壊れ、充分な微細バブルの生成を行うことができない。

そこで、本発明は気体を圧送する為のコンプレッサや気泡発生媒体の表面から微細気泡を離間させる為の液体噴射装置を必要とすることなく、新しい方式の微細バブル発生装置を提案するものである。

上記課題は本発明によれば、気体が収納され、断面が円形の凸部を備えた気体収納管と、該気体収納管を覆って配設され、円筒形状の外殻槽と、を備えた微細バブル発生装置であって、上記気体収納管の凸部には円周方向に多孔質部材が配設され、該多孔質部材と上記外殻槽の内周面との間に狭い隙間を形成し、この隙間に外殻槽内に送られた液体を高速で流し、上記隙間を減圧状態とし、上記多孔質部材を通して気体収納管内の気体を上記隙間に放出させ、隙間を高速で流れる液体によって気泡を多孔質部材の表面から引き離し、直後に液体の流れの圧力を急速に解放することによってマイクロオーダ或いはナノオーダの微細な気泡を生成する微細バブル発生装置を提供することによって達成できる。

また、上記課題は本発明によれば、上記隙間を流れる液体は高速の旋回流であって、隙間を高速で流れる旋回流によって気泡を多孔質部材の表面から引き離し、直後に液体に混じって旋回を続けたまま圧力を急速に開放することによって微細な気泡を生成する微細バブル発生装置を提供することによって達成できる。

また、生成する微細気泡のサイズは、例えば所望するサイズの空乏層を有する多孔質部材を選択して使用することによって生成する微細バブルの大きさを設定することができ、また微細バブル発生装置に供給する液体（水）の流量によって隙間に形成する負圧を可変し、生成する微細バブルの大きさを設定することができる。

また、上記多孔質部材は、例えばグラファイト、又は多孔質セラミック、ゼオライト、ポリスチレン等であり、上記気体収納管は、例えば該気体収納管の長手方向の断面が楕円形であり、又は長手方向の断面が流線形であることを特徴とする。

本実施形態の微細バブル発生装置の断面図である。本実施形態の微細バブル発生装置を使用した微細バブル発生システムを説明する図である。本実施形態の微細バブル発生装置の変形例であり、高速旋回流を使用する微細バブル発生装置の断面図である。従来の微細バブル発生装置の一例を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本実施形態の微細バブル発生装置の断面図である。同図において、本実施形態の微細バブル発生装置１は所定の厚さを有する円柱形状の外殻槽１１と、この外殻槽１１の内部に設けられた気体収納管１２で構成されている。外殻槽１１への上記気体収納管１２の取り付けは、外殻槽１１の上部に設けられた上板１４と、上下２枚の固定リング１５、１６、及び上板１４と上部固定リング１５との間に設けられた固定主軸１７によって行われている。

すなわち、上板１４と上部固定リング１５との間に固定主軸１７を取り付け、気体収納管１２を上下２枚の固定リング１５、１６によって挟持し、上下２本の固定ボルト１９、２０によって締着している。

気体収納管１２には後述するボンベから気体が送られる。この為、上板１４と固定主軸１７との間にはパッキン２１が使用され、上部固定リング１５の上下にはパッキン２２、２３が使用され、下部固定リング１６の上下にはパッキン２４、２５が使用され、気体漏れを防止している。尚、気体収納管１２（固定主軸１７）の上部には気体供給口２７が設けられている。

外殻槽１１には後述する水槽から水（液体）が供給される。この為、外殻槽１１の上方側部には供給水接続口２８が設けられている。外殻槽１１に供給される水は、上部固定リング１５に設けられた開口を介して外殻槽１１と気体収納管１２との間の狭い隙間３０を流れ、下部固定リング１６に設けられた開口を介して処理水出力口２９から放出される。

ここで、上記外殻槽１１の中で、上下２枚の固定リング１５、１６間の領域を、以後気泡発生槽１１ａと呼ぶ。この気泡発生槽１１ａ内の気体収納管１２の形状は、図１に示すように、気体収納管１２の長手方向の断面が楕円形状であり、外殻槽１１は円柱形状である。このような形状とすることによって、外殻槽１１の内周と気体収納管１２の外周との間に狭い隙間３０を形成する構造である。すなわち、楕円形状の気体収納管１２の円周方向の断面が最も広い位置の気体収納管１２の外周面と外殻槽１１の内周面との間隔が最も狭く、極めて狭い隙間３０を形成している。

このように、気泡発生槽１１ａ内に狭い隙間３０を形成するのは、後述するように外殻槽１１（気泡発生槽１１ａ）内を流れる液体（本例では水）の流れを絞ることによって、流速を増加させて、液体の流れの低速部に比べて低い圧力を発生させる構造である。また、気体収納管１２の長手方向の断面が楕円形状であり、上記狭い隙間３０の下方の気泡発生槽１１ａは広がりのある領域となっており、狭い隙間３０の直後に液体の流れの圧力を解放することができる構造となっている。

さらに、同図に示すように、この位置には、気体収納管１２の円周方向に一定の幅で多孔質部材１３が配設されている。この多孔質部材１３は内部に細かな空乏層が多数存在する材料であり、本例においては、例えば多孔質部材１３としてグラファイトを使用する。また、気体収納管１２の他の部分は、例えば金属で構成されている。尚、本例では多孔質部材としてグラファイトを使用するが、例えば多孔質セラミック、ゼオライト、ポリスチレン等の多孔質部材を使用することもできる。

図２は上記構成の微細バブル発生装置１を使用した微細バブル発生システムを説明する図である。
同図に示すボンベ３１ａ、３１ｂ、３１ｃには異なる気体、例えば空気や、オゾン、水素、窒素等の気体が収納され、夫々のボンベ３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、夫々バルブ３２ａ、３２ｂ、３２ｃが取り付けられている。そして、用途に応じて何れかのバルブ３２ａ、３２ｂ、３２ｃを開くことによって、選択されたボンベ３１ａ、３１ｂ、３１ｃから気体を気体収納管１２に供給することができる。尚、同図に示すバルブ３２ｄは、更に他の気体が入ったボンベを取り付ける場合に使用する為の予備のバルブである。

また、同図に示すＰ１は気体の流路３３に設けられた圧力インジケータであり、この流路３３を流れる気体の圧力を計測する。また、Ｆ１は流量インジケータであり、流路３３を介して気体収納管１２に供給される気体流量を計測する。

一方、水槽３４には、本例の微細バブル発生装置１に設けられた外殻槽１１に供給する液体として、水が蓄えられており、バルブ３４ａ及び３５を開くことによって、水槽３４に蓄えられた水を微細バブル発生装置１（外殻槽１１）に供給することができる。水槽３４から供給される水は前述の供給水接続口２８から外殻槽１１内に供給される。また、本例の微細バブル発生装置１によって微細バブルが形成された微細バブル含有水は所望の用途に使用された後、水槽３６に放出される。

ポンプ４０は水槽３４や水槽３６に蓄積された水を使用する際に駆動する装置である。例えば、バルブ３６ａを開き、更にバルブ３７〜３９を順次開き、ポンプ４０を駆動することによって、水槽３６に溜まった水を外殻槽１１に戻し、再使用する。尚、ポンプ４０を駆動し、バルブ３７を水槽３４側に開き、更にバルブ４１を開くことによって、水槽３６に溜まった水を水槽３４に戻すこともできる。

尚、同図に示すＰ２は水の流路４２に設けられた圧力インジケータであり、この流路４２を流れる水圧を計測する。また、Ｆ２は流量インジケータであり、流路４２を介して外殻槽１１に供給される水の流量を計測する。

さらに、同図に示すＥＶ１は電磁弁であり、ボンベ３１ａ、３１ｂ、３１ｃから気体の供給を停止する際駆動し、電磁弁ＥＶ２は水槽３４又は３６からの水の供給を停止する際駆動し、外殻槽１１及び気体収納管１２内を空気で満たすことによって、微細バブル発生装置１の駆動を停止した際、毛細管現象によって多孔質部材１３内の細孔に水等の液体が侵入することを防止する構成である。

上記本例の微細バブル発生装置１を使用したシステムにおいて、微細バブルの生成は以下のような処理手順で行われる。
先ず、水槽３４から微細バブル発生装置１の外殻槽１１に水を供給する。この為、先ずバルブ３４ａ、及び３５を開き、水槽３４に溜められた水を流路４２を介して供給水接続口２８から外殻槽１１内に供給する。外殻槽１１内に送られた水は下方に流れ、流速を増して気泡発生槽１１ａに流れ込む。その後、気泡発生槽１１ａ内の隙間３０に達する。

この隙間３０は前述のように、外殻槽１１の内周面と気体収納管１２の外周面（多孔質部材１３）に挟まれた極めて狭い領域であり、気泡発生槽１１ａ内を下方に流れる水は更に流速を増し、狭い隙間３０を減圧状態とする。すなわち、狭い隙間３０において、液体（本例では水）の流れを絞ることによって、流速を増加させて、水の流れの低速部に比べて低い圧力を発生させる。

この状態で、ボンベ３１の何れかのバルブ３２ａ、３２ｂ、３２ｃを開くことによって、気体収納管１２に選択された気体が送られる。例えば、本例ではバルブ３２ａを開き、ボンベ３１ａに収納された空気を気体収納管１２に送るものとすれば、バルブ３２ａを開くと上記狭い隙間３０が負圧状態である為、ボンベ３１ａ内の空気は微細バブル発生装置１に設けられた気体供給口２７を介して自動的に気体収納管１２内へと吸引される。そして、気泡発生槽１１ａ内の気体収納管１２に設けられた多孔質部材１３内の細かな空乏層を通って、気体収納管１２の気体（空気）は狭い隙間３０に吸引され、多孔質部材１３の表面に放出される。

多孔質部材１３の表面に放出された気体は、狭い隙間３０を流れる水の流速によって多孔質部材１３の表面から引き離され、直後に液体（水）の流れの圧力を急速に解放することによって、水に混じった気泡はマイクロオーダ或いはナノオーダの微細気泡となり、微細気泡含有水となる。この微細気泡含有水は、更に外殻槽１１内を流れ、前述の処理水出力口２９から放出され、必要な用途に使用される。

すなわち、本例の微細バブル発生装置１によれば、狭い隙間３０において多孔質部材１３から放出された気体を、気泡として水の流速によって多孔質部材１３の表面から引き離し、直後に急速に圧力を解放することによってマイクロオーダ或いはナノオーダの微細気泡を生成するものである。

その後、バルブ３５を閉じ、ポンプ４０を駆動してバルブ３６ａ、３７〜３９を開放することによって、水槽３６に放出された水を循環させ、狭い隙間３０の負圧状態を維持することによって、ボンベ３１ａから空気を気体収納管１２に自動的に送り、継続的に微細バブル発生装置１の処理水出力口２９から微細気泡含有水を出力することができる。

以上のように、本例の微細バブル発生装置１を使用することによって、気体をボンベ３１から気体収納管１２に送る際、気体を加圧する必要がなく、例えば気体としてオゾンを使用する際にもオゾン分子を壊すことなく、充分な微細バブルの生成を行うことができる。尚、加圧して気体を気体収納管１２に送る必要がある場合でも、供給圧力を従来に比べて大幅に低減することができる。

また、本例の微細バブル発生装置１によって生成する微細バブルの大きさは多孔質部材１３の選択、供給する水（液体）の流量によって可変することができる。すなわち、多孔質部材１３の空乏層のサイズは材料によって異なり、所望するサイズの空乏層を有する多孔質部材１３を選択することによって生成する微細バブルの大きさを設定することができる。また、微細バブル発生装置１に供給する液体（水）の流量によって狭い隙間３０に形成する負圧の圧力を可変することができ、生成する微細バブルの大きさを設定することができる。この流量の可変は、例えばポンプ４０の駆動力をコンピュータ等によって制御することによって実現することができる。

尚、上記実施形態の説明では気体としてボンベ３１ａに収納した空気を使用したが、他のボンベ３１ｂ、３１ｃに、例えば水素や、重水素、酸素、オゾン、窒素、二酸化炭素、塩素、二酸化窒素、硫化水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン等の希ガスを収納し、用途に応じて使用する構成としてもよい。

また、上記説明では微細バブル発生装置１に使用する液体として水槽３４の水を使用したが、水に限らず、例えばメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、アセトン、ヘキサン、トルエン等の有機溶媒や石油等の鉱油でもよい。また、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等の塩基、塗料や乳等のコロイド、塩酸、硫酸、炭酸、リン酸等の無機酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸等の有機酸を使用してもよい。

次に、図３は本発明の微細バブル発生装置の変形例であり、高速旋回方式の構成を加えて微細バブルを生成する微細バブル発生装置１０の断面図である。
同図に示すように本例の微細バブル発生装置１０は、高速の旋回流を作成する為のカレント制御板４４が螺旋状に形成され、このカレント制御板４４が気泡発生槽１１ａを除く外殻槽１１内に形成されている。

また、前述の図１において説明した微細バブル発生装置１には供給水接続口２８が外殻槽１１の上部側面に設けられていたが、本例の微細バブル発生装置１０の供給水接続口は外殻槽１１の上面の２ヶ所に設けられ、供給水接続口２８ａ、２８ｂを構成している。この供給水接続口２８ａ、２８ｂには前述の水槽３４又は３６からポンプ４０によって加圧された水が供給される。

供給水接続口２８ａ、２８ｂの２ヶ所から勢いよく外殻槽１１内に供給された水は、外殻槽１１内において、上記螺旋状のカレント制御板４４によって高速の旋回流４５となり、気泡発生槽１１ａに送られる。そして、気泡発生槽１１ａに送られた水は、前述の狭い隙間３０を高速の旋回流となって流れ、狭い隙間３０を負圧状態とする。したがって、前述の微細バブル発生装置１に比べて、本例の微細バブル発生装置１０は高速の旋回流が通過し、より大きな負圧が狭い隙間３０に発生する。この為、多孔質部材１３を通して気体収納管１２内の気体が吸引され、多孔質部材１３の表面に効率よく気体を放出することあできる。

このようにして放出された気体は高速の旋回流によって多孔質部材１３の表面から気泡として引き離され、水に混じって旋回を続けたまま圧力が急に解放される。この為、マイクロオーダ或いはナノオーダの微細気泡が効率よく生成され、大量の微細気泡を含む微細気泡含有水となる。この微細気泡含有水は、前述と同様更に外殻槽１１内を流れ、処理水出力口２９から放出され、必要な用途に使用される。

すなわち、本例の微細バブル発生装置１０によれば、狭い隙間３０において多孔質部材１３から放出された気泡を、高速旋回する水（液体）によって多孔質部材１３の表面から引き離し、液体に混じって旋回を続けたまま、直後に圧力を解放することによってより効率良くマイクロオーダ或いはナノオーダの微細気泡を生成することができる。

尚、本例の微細バブル発生装置１０においても、生成する微細バブルの大きさは多孔質部材１３の選択、又は供給する水（液体）の流量によって可変することができ、例えば半導体の洗浄用等で微細気泡の浮力を使用する用途の場合、マイクロオーダの微細気泡を生成し、医療用の用途で使用する場合にはナノオーダの微細気泡を生成する。

尚、上記実施形態の説明では、図１に示す微細バブル発生装置１、及び図３に示す微細バブル発生装置１０に使用する気体収納管１２の形状は、何れの場合もその長手方向の断面が楕円形であったが、楕円形に限定される訳ではなく、流線形等、外殻槽１１の内壁との間に狭い隙間３０を形成する気体収納管１２の形状であれば、同様に使用することができる。

１、１０・・微細バブル発生装置
１１・・外殻槽
１１ａ・・気泡発生槽
１２・・気体収納管
１３・・多孔質部材
１４・・上板
１５・・上部固定リング
１６・・下部固定リング
１７・・固定主軸
１９、２０・・固定ボルト
２１〜２５・・パッキン
２７・・気体供給口
２８、２８ａ、２８ｂ・・供給水接続口
２９・・処理水出力口
３０・・隙間
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・ボンベ
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ・・バルブ
３３・・気体流路
３４、３６・・水槽
３４ａ、３５、３６ａ、３７〜３９・・バルブ
４０・・ポンプ
４１・・バルブ
４２・・液体流路
４４・・カレント制御板
４５・・旋回流
Ｐ１、Ｐ２・・圧力インジケータ
Ｆ１、Ｆ２・・流量インジケータ

Claims

気体が収納され、断面が円形の凸部を備えた気体収納管と、
該気体収納管を覆って配設され、円筒形状の外殻槽と、を備えた微細バブル発生装置であって、
前記気体収納管の凸部には円周方向に多孔質部材が配設され、該多孔質部材と前記外殻槽の内周面との間に狭い隙間を形成し、該隙間に前記外殻槽内に送入された液体を高速で流し、前記隙間を減圧状態とし、前記多孔質部材を介して前記気体収納管内の気体を前記隙間に放出させ、前記隙間を高速で流れる液体によって気泡を多孔質部材の表面から引き離し、直後に前記液体の流れの圧力を急速に解放することによって微細な気泡を生成することを特徴とする微細バブル発生装置。
前記隙間を流れる液体は高速の旋回流であって、前記隙間を高速で流れる旋回流によって気泡を前記多孔質部材の表面から引き離し、直後に液体に混じって旋回を続けたまま圧力を急速に開放することによって微細な気泡を生成することを特徴とする請求項１に記載の微細バブル発生装置。
生成する前記微細気泡のサイズは前記多孔質部材の選択、又は前記隙間を流れる液体の流速を可変することによって設定できることを特徴とする請求項１、又は２に記載の微細バブル発生装置。
前記多孔質部材は、グラファイト、又は多孔質セラミック、又はゼオライト、又はポリスチレンであることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の微細バブル発生装置。
前記気体収納管は、該気体収納管の長手方向の断面が楕円形であることを特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載の微細バブル発生装置。
前記気体収納管には異なる気体が収納された複数のボンベから選択された気体が送られ、前記外殻槽には水又はメタノール又はエタノールの液体が送られ、減圧状態の前記隙間部に選択された気体が前記多孔質部材から放出され、直後に隙間を高速で流れる液体の流れの圧力を急速に解放することによって微細な気泡を生成することを特徴とする請求項１、２、３、４、又は５に記載の微細バブル発生装置。