JP7040697B2

JP7040697B2 - 気泡発生装置

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Publication number: JP7040697B2
Application number: JP2017133687A
Authority: JP
Inventors: 重幸山添
Original assignee: KAIWA CO., LTD.
Current assignee: KAIWA CO., LTD.
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: WO2019009357A1; JP2019013889A; TW201906665A

Description

本発明は、気泡発生装置に関し、特に直径１００μｍ以下の微細な気泡を発生する気泡発生装置に関する。

直径１００μｍ以下の微細な気泡はファインバブルと呼ばれている。ファインバブルを含む液体は、種々の効果が得られるといわれている。例えば、冷却水に用いることで高い冷却効果や、切削油や研削油に用いることでバイトやドリルなどの耐摩耗性を向上する効果が得られるといわれている。また水質浄化など水産養殖の分野においても利用されている。

上記のような気泡を発生する気泡発生装置としては、２枚の孔あきプレートを重ね合わせ、一方の孔あきプレートを回転させることにより、有効開口率を変化させる減圧部を備えた気泡発生装置が開示されている（例えば、特許文献１）。表面に多数のひし形凸部が形成された軸体を備えた吐出管構造体が開示されている（例えば、特許文献２）。

実開昭６２－２０２８２８号公報特開２００４－３３９６２号公報

上記特許文献１の場合、円周方向の隙間の大きさを変更することはできるが半径方向の隙間の大きさを変更することはできない。したがって流体の流速を高速にするために円周方向の隙間を小さくした場合、有効開口面積が極端に小さくなり、流量が大幅に低下してしまうという問題がある。上記特許文献２の場合、軸体の形状が複雑なため、製作することが困難であるという問題があった。

本発明は、簡単な構造で微細な気泡を発生することができる気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る気泡発生装置は、直径１００μｍ以下の気泡を発生する気泡発生装置であって、第１ノズルと、間隔保持部を介して前記第１ノズルと分離可能に重ねて配置された第２ノズルとを有する第１気泡発生器を備え、前記第１ノズルは、板状の第１本体と、当該第１本体の一側表面に設けられた複数の第１突起とを有し、前記第１本体に厚さ方向に貫通した第１ノズル穴が複数形成されており、前記第１突起は、基端から先端に向かって先細形状であって、前記第２ノズルは、板状の第２本体を有し、前記第２本体に厚さ方向に貫通した第２ノズル穴が形成されており、前記第１突起が、当該第１突起の側面と前記第２ノズル穴の縁の間に第１隙間を設けた状態で、前記第２ノズル穴に挿入されたことを特徴とする。

本発明によれば、第１ノズルと第２ノズルを分離可能に重ねて形成されているので、従来の気泡発生装置に比べ、簡単な構造で微細な気泡を発生することができる。

気泡発生装置を示す概略図である。本実施形態に係る第１気泡発生器を示す縦端面図である。第１ノズルを示す図であり、図３Ａは縦端面図、図３Ｂは平面図である。第２ノズルを示す図であり、図４Ａは縦端面図、図４Ｂは平面図である。ノズル組立体の部分拡大端面図である。本実施形態に係る第２気泡発生器を示す図であり、図６Ａは正面図、図６Ｂは図６ＡにおけるＡ－Ａ断面図、図６Ｃは左側面図、図６Ｄは右側面図である。絞り部を示す斜視図である。変形例に係るノズル組立体の部分拡大端面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示す気泡発生装置１は、第１気泡発生器１０と、第２気泡発生器１１とを備える。第１気泡発生器１０の一端は、ソケット１５を介して一次配管１３の一端に接続され、他端はソケット１５を介して二次配管１７の一端に接続されている。二次配管１７の他端は、第２気泡発生器１１の一端に接続されている。第２気泡発生器１１の他端は、吐出配管１９の一端に接続されている。気泡発生装置１は、一次配管１３から供給された液体を、第１気泡発生器１０、二次配管１７、第２気泡発生器１１を経て、吐出配管１９の他端から吐出する。

図２に示す第１気泡発生器１０は、ノズル組立体１２と、発生器本体１４とを備える。ノズル組立体１２は、複数の、第１ノズル１６Ａと第２ノズル１８Ａとを有する。ノズル組立体１２を形成する材料は、硬質の樹脂や金属を用いることができる。本図の場合、ノズル組立体１２は、各１０個の第１ノズル１６Ａ及び第２ノズル１８Ａが、交互に重ねられた状態で、発生器本体１４内に装填されている。

発生器本体１４は、金属製又は樹脂製の筒状部材であって、一端である入口に一次継手２０、他端である出口に二次継手２２が設けられている。一次継手２０と二次継手２２を特に区別しない場合、単に継手と呼ぶ。継手は、ソケット１５が固定される雌ねじと、ノズル組立体１２を軸方向に固定するストッパー２４とが設けられている。ストッパー２４は、筒状部２１と、当該筒状部２１の一端に形成されたフランジ部２３とを有する。ストッパー２４は、継手に筒状部２１を挿入し、継手の先端にフランジ部２３が接触している。

図３に示すように、第１ノズル１６Ａは、板状（本実施形態の場合、円盤状）の第１本体２６と、当該第１本体２６の一側表面に設けられた複数の第１突起２８と、間隔保持部３０とを有する。第１本体２６は、厚さ方向に貫通した第１ノズル穴３２が複数形成されている。本図の場合、第１ノズル穴３２は、第１本体２６の表面において、直交する縦横の直線上に配置されている。第１ノズル穴３２の開口は、四角形状であって、第１本体２６の他側表面から一側表面へ向かって徐々に広がっている。第１突起２８は、隣り合う第１ノズル穴３２の間に配置されている。第１突起２８は、基端から先端に向かって先細形状である。本図の場合、第１突起２８は、四角錐台形状である。間隔保持部３０は、第１本体２６の一側表面から突出した柱状の部材である。

間隔保持部３０は、第１本体２６の外縁に、第１本体２６の中心を挟んで両側にそれぞれ１個（合計２個）配置されている。第１本体２６の他側表面には、位置決め穴２７が設けられている。位置決め穴２７は、間隔保持部３０と同じ厚さ方向の位置に形成された底を有する穴である。

図４に示すように、第２ノズル１８Ａは、板状（本実施形態の場合）の第２本体３４と、当該第２本体３４の一側表面に設けられた複数の第２突起３６と、間隔保持部３８とを有する。第２本体３４は、厚さ方向に貫通した第２ノズル穴４０が複数形成されている。本図の場合、第２ノズル穴４０は、第２本体３４の表面において、直交する縦横の直線上に配置されている。第２ノズル１８Ａの開口は、四角形状であって、一次側から二次側へ向かって徐々に広がっている。第２突起３６は、隣り合う第２ノズル穴４０の間に配置されている。第２突起３６は、基端から先端に向かって先細形状である。本図の場合、第２突起３６は、四角錐台形状である。間隔保持部３０は、第２本体３４の一側表面から突出した柱状の部材である。

間隔保持部３０は、第２本体３４の外縁に、第２本体３４の中心を挟んで両側にそれぞれ１個（合計２個）配置されている。第２本体３４の他側表面には、位置決め穴２９が設けられている。位置決め穴２９は、間隔保持部３８と同じ厚さ方向の位置に形成された底を有する穴である。

本実施形態の場合、第１ノズル穴３２と第２ノズル穴４０、第１突起２８と第２突起３６の大きさは、いずれも同じである。第２ノズル穴４０と第２突起３６の位置は、第１ノズル穴３２と第１突起２８の位置と逆である。すなわち、第１ノズル穴３２に対応する位置に第２突起３６が設けられており、第１突起２８に対応する位置に第２ノズル穴４０が設けられている。

図５に示すように、第２ノズル１８Ａは、第１ノズル１６Ａに対し二次側に配置され、第１ノズル１６Ａの間隔保持部３０を、第２本体３４の位置決め穴２９に挿入して、第１ノズル１６Ａに重ねられる。第１突起２８は、側面と第２ノズル穴４０の縁の間に、第１隙間４４を設けた状態で、第２ノズル穴４０に挿入される。第１突起２８が第２ノズル穴４０の中央部分を塞ぐことにより、第１突起２８の周囲に、一様に第１隙間４４が形成される。第１隙間４４によって、第１ノズル１６Ａと第２ノズル１８Ａの間に環状の流路が形成される。

上記第２ノズル１８Ａの二次側には、間隔保持部３０を、第１本体２６の位置決め穴２７に挿入して、他の第１ノズル１６Ａが重ねられる。第２突起３６は、側面と第１ノズル穴３２の縁の間に、第１隙間４４を設けた状態で、第１ノズル穴３２に挿入される。第２突起３６が第１ノズル穴３２の中央部分を塞ぐことにより、第２突起３６の周囲に、一様に第１隙間４４が形成される。第１隙間４４によって、第２ノズル１８Ａと第１ノズル１６Ａの間に環状の流路が形成される。

上記のようにして第１ノズル１６Ａと第２ノズル１８Ａを交互に、１０個ずつ重ねることにより、第１隙間４４を有するノズル組立体１２が得られる（図１）。

第２気泡発生器１１は、図６に示すように、一次継手３１、絞り体３３、減圧体３５、二次継手３７を備える。第２気泡発生器１１は、金属製又は樹脂製であって、直方体状の外形形状を有する。一次継手３１は、一側表面から突出した雄部３９と、中央を貫通する流路４１と、流路４１を囲むように四隅に設けられたザグリ穴４３とを有する。一次継手３１の他側表面は、シールを介して絞り体３３の一側表面に接続されている。

絞り体３３は、図７に示すように、複数（本図の場合４個）の絞り部４５を有する。絞り部４５は、絞り体３３の一次側から二次側に向かって先細である漏斗状の空間を有する。一次側から絞り部４５に流入した液体は、絞り部４５の先端のノズル４９を通過して、二次側に流出する。絞り体３３は、ザグリ穴４３に対応した四隅に、貫通穴４７を有する。

絞り体３３の他側表面は、Ｏリングを介して減圧体３５の一側表面に接続されている（図７）。減圧体３５は、上記ノズル４９に対応した４個の混合部５５を有する。混合部５５の二次側は、それぞれ減圧流路５１に接続されている。混合部５５は、ノズル４９とほぼ同じ内径を有する。各混合部５５には、取り込み部５３が接続されている。

取り込み部５３は、一端が混合部５５に接続され、他端が減圧体３５の側面を通じて外部に開口した穴を有する。取り込み部５３には、継手（図１）２５が設けられる。当該継手２５は、図示しないが、バルブが設けられた配管に接続されている。前記バルブは、取り込み部５３から混合部５５に供給される気体の流量を調節する。前記気体は、例えば、空気、酸素などでもよい。

減圧流路５１は、減圧体３５の一次側から二次側に向かって、内径が徐々に拡大している。減圧体３５は、ザグリ穴４３に対応した四隅に、雌ねじが形成された締結穴５７を有する。

減圧体３５の他側表面は、シールを介して二次継手３７の一側表面に接続されている。二次継手３７は、中央を貫通する流路５９を有する。流路５９は、吐出配管１９をねじ込む雌ねじを有する。二次継手３７は、締結穴５７に対応した四隅にザグリ穴６１を有する。

一次継手３１、絞り体３３、減圧体３５は、順に一列に並べた状態で、一次継手３１側から挿入したボルトを減圧体３５の締結穴５７にねじ込むことで、一体化する。二次継手３７は、当該二次継手３７側から挿入したボルトを減圧体３５の締結穴５７にねじ込むことで、減圧体３５と一体化する。上記のようにして、一次継手３１、絞り体３３、減圧体３５、二次継手３７を一体化することで、第２気泡発生器１１が得られる。

（作用及び効果）
上記のように構成された気泡発生装置１の作用及び効果について説明する。図示しないポンプから、一次継手２０に接続された一次配管１３を通じて、液体を第１気泡発生器１０に供給する。液体は、特に限定されず、水、クーラント液などを用いることができる。酸素などの気体を予め混合した液体を用いてもよい。液体は、一次継手２０から発生器本体１４内へ流入する。ノズル組立体１２の上流側に到達した液体は、第１ノズル穴３２を通過し、第２ノズル１８Ａへ到達する。第２ノズル１８Ａへ到達した液体の一部は、第２ノズル穴４０と第１突起２８の間に形成された第１隙間４４を通過して下流へ流れる。

第１隙間４４を通過する際、液体の流速は高速になり、乱流が生じる。第１隙間４４を通過した直後、流体の圧力は急激に低下する。流体の圧力が低下すると、液体に溶解している気体が気泡となり、液体中に析出する。続いて下流側の第１ノズル１６Ａへ到達した液体は、第１ノズル穴３２と第２突起３６の間に形成された第１隙間４４を通過して下流へ流れる。当該第１隙間４４を通過する際、液体にはさらに乱流が生じ、通過した直後に液体の圧力が低下することにより、液体に溶解している気体が気泡となり、液体中に析出する。

第１気泡発生器１０に供給された液体は、ノズル組立体１２を下流側へ流れる間に、第１隙間４４を何度も通過することで、幾重にも乱流が生じ、やがて直径が１００μｍ以下の微細な気泡が無数に生成される。微細な気泡を含む液体は、第１気泡発生器１０の二次継手２２より吐出される。

本実施形態に係るノズル組立体１２は、第１ノズル１６Ａと第２ノズル１８Ａを分離可能に重ねて形成されているので、軸部の表面に多数のひし形凸部を有する従来の気泡発生器に比べ、簡単な構造で微細な気泡が得られる。第１ノズル１６Ａと第２ノズル１８Ａは、分離可能であることから、分解して洗浄したり、破損した部分を交換したり、容易にメンテナンスをすることができる。

第１気泡発生器１０は、第１ノズル１６Ａと第２ノズル１８Ａを複数重ねたノズル組立体を備えることにより、第１隙間４４に液体を何度も通過させることで、微細な気泡を高密度で含む液体を吐出することができる。第１ノズル穴３２及び第２ノズル穴４０は、一次側から二次側へ向かって徐々に広がっているので、通過する液体の圧力損失を抑制することができる。

ノズル組立体１２は、第１突起２８及び第２突起３６の周囲に形成された環状の流路の第１隙間４４の大きさを小さくすることで、流体の流速を高速にすることができるので、より効率的に乱流及び気泡を発生することができる。しかも流路の周方向長さを変えずに第１隙間４４のみを小さくできるので、有効開口面積の低下及び流量の低下を抑制することができる。

第１突起２８及び第２突起３６は、先細形状であるので、間隔保持部３０，３８の高さを変更することにより、第１隙間４４の大きさを変更することができる。第１気泡発生器１０は、第１隙間４４の大きさをより小さくすることにより、より微細な、直径が１μｍ以下のウルトラファインバブルを発生することができる。

第１気泡発生器１０から吐出された液体は、二次配管１７を介して第２気泡発生器１１に供給される。当該液体は、流路４１、絞り部４５を通じてノズル４９に到達する間に、圧力が上昇する。ノズル４９から流出した液体は、混合部５５において取り込み部５３から取り込まれた気体と混合される。気体が混合された流体は、減圧流路５１において、急激に圧力が低下することにより、流速が上昇した状態で第２気泡発生器１１から吐出される。液体の流速が上昇する過程において、液体に取り込まれた気体は、マイクロバブルとなる。上記のようにして、第２気泡発生器１１は、直径が１００μｍ程度のマイクロバブルを発生することができる。

本実施形態に係る気泡発生装置１は、第１気泡発生器１０及び第２気泡発生器１１を備えることにより、直径が１μｍ以下のウルトラファインバブル、及び直径が１００μｍ程度のマイクロバブルを含む液体を生成することができる。

第２気泡発生器１１は、絞り部４５を４個備えることにより、流量の低下を抑制することができる。したがって気泡発生装置１は、ウルトラファインバブル及びマイクロバブルを含む、所望の流量の液体を得ることができる。すなわち気泡発生装置１は、従来のアスピレータに比べ、吐出量を多くすることができるので、加工機械に用いた場合、切削や研削加工時の切子を効率的に除去することができる。

本実施形態に係る気泡発生装置１から吐出される気泡を含む液体は、界面活性作用や衝撃圧力作用による洗浄効果、触媒効果、殺菌・消毒効果、脱臭効果、微粒子吸着効果、生体活性効果、摩擦力低減効果などが得られる。気泡発生器は、洗浄分野、食品分野、化粧品分野、養殖漁業分野、農業分野、医療・薬品分野、水処理分野などに適用できる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、環状の流路は、一様な第１隙間４４によって形成される場合について説明したが、本発明はこれに限らず、流路は、一部において第１隙間４４より大きい第２隙間を有していてもよい。

例えば、図８に示す第１ノズル１６Ｂは、第１突起２８のほかに、第３突起４６を有する。第３突起４６は、周方向の一部に切欠き４８が形成されている。同様に、第２ノズル１８Ｂは、第２突起３６のほかに、第４突起５０を有する。第４突起５０は、周方向の一部に切欠き５２が形成されている。切欠き４８、５２は、第３突起４６及び第４突起５０のテーパ状の側面を鉛直線状に切り欠いて形成されている。切欠き４８と第２ノズル穴４０の間に形成される第２隙間５４は、第１隙間４４よりも大きい。切欠き５２と第１ノズル穴３２の間に形成される第２隙間５４は、第１隙間４４よりも大きい。

第２隙間５４を通過する液体は、第１隙間４４を通過する液体よりも、流速が遅いため、生成される気泡も、より大きい。このように、第１隙間４４に加え、第２隙間５４を有することにより、第１気泡発生器は、直径の異なる気泡を同時に生成することができる。

上記実施形態の場合、第１突起２８及び第２突起３６は、四角錐台形状である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、四角錐、円錐、三角錐、円錐台、三角錐台などでもよい。第１ノズル穴３２及び第２ノズル穴４０は、平面形状が四角形である場合に限らず、第１突起２８及び第２突起３６の平面形状に合わせた形状とするのが好ましく、例えば、円形、三角形、多角形であってもよい。

上記実施形態の場合、間隔保持部３０，３８は、第１本体２６及び第２本体３４の一側表面に設ける場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、第１本体及び第２本体の他側表面に間隔保持部を設けることとしてもよい。この場合、第１本体及び第２本体の一側表面には位置決め穴を設ける。当該位置決め穴に間隔保持部を挿入して、第１ノズルと第２ノズルを分離可能に重ねて配置することができる。

第２気泡発生器１１は、一次継手３１、絞り体３３、減圧体３５、二次継手３７を有する場合について説明したが、一次継手３１と絞り体３３、減圧体３５と二次継手３７、又は絞り体３３と減圧体３５を一体としてもよい。第２気泡発生器１１の絞り体３３は、４個の絞り部４５を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、２個、３個又は５個以上でもよい。

１気泡発生装置
１０第１気泡発生器
１１第２気泡発生器
１２ノズル組立体
１４発生器本体
１６Ａ、１６Ｂ第１ノズル
１８Ａ、１８Ｂ第２ノズル
２６第１本体
２８第１突起
３２第１ノズル穴
３３絞り体
３４第２本体
３５減圧体
３６第２突起
４０第２ノズル穴
４４第１隙間
４５絞り部
４６第３突起
４８、５２切欠き
５０第４突起
５３取り込み部
５４第２隙間
５５混合部

Claims

直径１００μｍ以下の気泡を発生する気泡発生装置であって、
第１ノズルと、間隔保持部を介して前記第１ノズルと分離可能に重ねて配置された第２ノズルとを有する第１気泡発生器を備え、
前記第１ノズルは、板状の第１本体と、当該第１本体の一側表面に設けられた複数の第１突起とを有し、
前記第１本体に厚さ方向に貫通した第１ノズル穴が複数形成されており、
前記第１突起は、基端から先端に向かって先細形状であって、
前記第２ノズルは、板状の第２本体を有し、前記第２本体に厚さ方向に貫通した第２ノズル穴が形成されており、
前記第１突起が、当該第１突起の側面と前記第２ノズル穴の縁の間に第１隙間を設けた状態で、前記第２ノズル穴に挿入されており、
前記第２ノズルは、前記第２本体の一側表面に設けられた複数の第２突起を有し、
前記第２突起が、当該第２突起の側面と、他の第１ノズルの第１ノズル穴の縁の間に他の第１隙間を設けた状態で、前記第１ノズル穴に挿入され、
前記第１ノズルと前記第２ノズルが交互に複数重ねて配置されている、
気泡発生装置。
前記第１ノズルは、一側表面に前記間隔保持部を有し、
前記第２ノズルは、前記間隔保持部が挿入される位置決め穴を有する請求項１記載の気泡発生装置。
前記第１気泡発生器の二次側に、順に連結された絞り体及び減圧体を有する第２気泡発生器を備え、
前記絞り体は、一次側から二次側に向かって先細である漏斗状の絞り部を複数有する請求項１または２記載の気泡発生装置。
前記減圧体は、前記絞り部に連結された混合部を有し、
前記混合部は、気体を取り込む取り込み部が連結されている請求項３記載の気泡発生装置。
前記第１突起の基端から先端へ向かう方向において、前記第１ノズル穴および前記第２ノズル穴がテーパー状に広がるように形成されている、請求項１～４のいずれか１項記載の気泡発生装置。
直径１００μｍ以下の気泡を発生する気泡発生装置であって、
第１ノズルと、間隔保持部を介して前記第１ノズルと分離可能に重ねて配置された第２ノズルとを有する第１気泡発生器を備え、
前記第１ノズルは、板状の第１本体と、当該第１本体の一側表面に設けられた複数の第１突起とを有し、
前記第１本体に厚さ方向に貫通した第１ノズル穴が複数形成されており、
前記第１突起は、基端から先端に向かって先細形状であって、
前記第２ノズルは、板状の第２本体を有し、前記第２本体に厚さ方向に貫通した第２ノズル穴が形成されており、
前記第１突起が、当該第１突起の側面と前記第２ノズル穴の縁の間に第１隙間を設けた状態で、前記第２ノズル穴に挿入され、
前記第１ノズルは、側面に切欠きが形成された第３突起を有し、
前記第３突起と前記第１ノズル穴の間に、前記第１隙間よりも大きい第２隙間を有する気泡発生装置。