JP7143540B1 - ファインバブル生成器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気を自吸する従来のバブル生成器の始動時に生じる空気だまりを自動で解消する機構を設け、部品を増やすことなく、始動時や液体の再供給時の作業を簡便にする。【解決手段】本発明のファインバブル生成器は、ファインバブル生成器内部に液体を満たす主流路とは別に、主流路の周囲に副流路を設け、前記副流路から吸気部に向かって液体が流れることで、空気だまりを解消する。さらに、主流路・副流路から噴出する液体が合流室で合流し、前記合流室内で渦を形成することで、空気を自給することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ファインバブル生成器に関するものである。

バブルはサイズによって様々な呼称があるが、本明細書内では、直径が１００マイクロメートル以下のバブルを全て包含して「ファインバブル」、「ファインバブル」のうち直径が１マイクロメートル以上（１～１００マイクロメートル）のものを「マイクロバブル」、観察できる下限値から１マイクロメートル未満のものを「ウルトラファインバブル」、区別する必要のないときはバブルまたは気泡と呼称する。

工作機械の分野では、加工に用いる液体（クーラント）の中にバブルを生成することで、工具（ドリルや砥石など）の寿命を延ばすことや、工作物のソリを低減することなど、生産性の向上に寄与することが知られている。

液体中へのバブル生成方法は、液体の流動を伴わないもの、液体の流動を伴うものに大別される。前者の例として微細孔方式が、後者の例としてキャビテーション方式が知られている。

特許文献１は微細孔方式のバブル生成器が記載されている。この文献では、筒状の本体と、バブル付与対象の液体が通過する流路と、圧縮気体を受入れる空気受入部と、前記流路と空気受入部とを隔てる多孔体を有する、ファインバブル生成器が開示されている。このファインバブル生成器は、多孔体が圧縮気体の供給を受けて、その多孔体の表面から圧縮気体が液体へ放出されることにより、多数のファインバブルを生成する。

特許文献２にはキャビテーション方式のバブル生成器が記載されている。このバブル生成器は、液体及び空気をループ状の流れによって撹拌混合する気液ループ流式撹拌混合室と、液体供給孔と、噴出孔と、空気が流入する１つ以上の空気流入孔と、空気供給室からなる。気液ループ流式撹拌混合室内が負圧になると、バブル生成器は外部から空気を自然吸気（以下、自吸）し、マイクロバブルを生成させることができる。

特開２０２１－１１８９９４号公報 特開２００９－１８９９８４号公報

特許文献１の微細孔方式は圧縮空気とともに使用される。したがって圧縮空気発生装置（コンプレッサー等）あるいは圧力容器（ボンベ等）を配備する必要がある。また、特許文献１に使用される多孔質体は複数回の使用による目詰まりによってファインバブルの生成効率が下がるなどの問題もあった。

特許文献２に記載されたキャビテーション方式のバブル生成器では、圧縮空気を用いずに、液体の渦の形成により空気を自吸することが可能である。そして、気液混合室によって、吸気された空気をせん断・かく拌することで微細な気泡を得ることができる。しかし、工作機械で使用する際の、作業者の使用上の手間に関する認識がない。

図１に特許文献２に記載のバブル生成器の模式図を示す。特許文献２に開示されたバブル生成器において、気液ループ流式撹拌混合室の内部は配管抵抗や圧力損失を生じにくい。

そのため、図１ａ）のように内部がすでに満水で、初期状態から空気だまりが存在しない場合は、図１ｂ）に示すように液体を供給するとバブルを自吸することができるが、図１ｃ）のように内部が空の初期状態では、液体供給孔から液体を供給しても、図１ｄ）のように空気流入孔の周辺に空気だまりが発生し、バブルを生成できない。

このように、気液ループ流式撹拌混合室の内部が一度空になった状態では、吸気部である空気流入孔周辺には空気だまりができてしまい、再度液体を供給しても空気を自吸できない。

ここで、発明者らは特許文献２のバブル生成器と同様に主流路のみで実験したところ、供給した液体中にバブルは生じなかった。空気だまりが大きすぎるために、バブル生成器内部で液体の渦を生成できずに、バブルを発生できなかったと考えた。

空気だまりを解消する手段として、気液混合室の内部に呼水を行う方法がある。例えば、バブル生成器の出口をバルブで締めきり、呼水が完了した後で、バルブを開放する方法である。そうすれば、気液混合室の内部が満水になり、空気だまりが解消される。

しかし、バブル生成器の出口をバルブで開閉する方法では、作業者の使用上、手間がかかる。さらに、弁の設置にスペースも要する。砥石や研削点の近くはスペースに余裕が無い場合が多いことから、バブル生成器を設置できない場合がありうる。弁を設置したとしても、出口を塞いでいる間は、水圧がかかった状態でバブル生成器の内部が満水になるため、それが空気供給部から逆流して外部に漏れてしまうという不具合が生じうる。

本発明で解決する課題は、特許文献２に開示されたキャビテーション式のバブル生成器に始動時に生じる空気だまりを自動で解消する機構を設け、部品を増やすことなく始動時や液体の再供給時の作業を簡便にすることである。

本発明は下記の構成を有する。
少なくとも一つ以上の液体が流入する流入口と、
液体を排出する排出口と、
前記流入口と排出口の間に合流室を設け、
前記流入口から前記合流室を経由して排出口に直線的に繋がる主流路と、
前記主流路の周囲に配置され、前記流入口から合流室に繋がる少なくとも一つ以上の副流路と、
前記副流路から前記合流室へ合流する箇所の周辺に少なくとも一つ以上設けられ、外部から気体を吸気する吸気部と、を有する、
内部を通過する液体中にファインバブルを生成する、ファインバブル生成器。

先に述べたように特許文献２に開示されている発明は、液体が主流路のみによって供給されるため、図１ｄ）に示すように側部に設けられた吸気部周辺まで、十分に液体を満たしえない。

発明者らはこの側部の空気だまりをなくすための機構として、主流路とは別に副流路を配置することを検討した。この副流路から、吸気部周辺に向かって液体が流れることで、この空気だまりを解消することができる。

本発明のファインバブル生成器は、副流路と主流路から流れ込んだ液体が、合流室で合流し、ファインバブル生成器内部を満たす構成にすることにより、前記課題を解決した。

本発明のファインバブル生成器は、主流路のみでなく、副流路を用いることで、外部と連通した吸気部周辺を水で満たすことができ、部品点数を増やしたり、煩雑な操作を行わなくても外部から空気を自吸することが可能となった。

本発明は下記の構成を有する。
少なくとも一つ以上の液体が流入する流入口と、
液体を排出する排出口と、
前記流入口と排出口の間に合流室を設け、
前記流入口から前記合流室を経由して排出口に直線的に繋がる主流路と、
前記主流路の周囲に配置され、合流室に繋がる少なくとも一つ以上の副流路と、
前記副流路から前記合流室へ合流する箇所の周辺に少なくとも一つ以上設けられ、外部から気体を吸気する吸気部と、を有する、
内部を通過する液体中にファインバブルを生成する、ファインバブル生成器。
以下に構成部の詳細を示す。

液体Ｌは、流入口１１（図２～図６ともに右側）から入り、ファインバブルが生成された状態で排出口１２（同左側）から排出される。流入口１１と排出口１２は、そのいずれかまたは片方に液体Ｌを供給するためのホースとの螺合部２５を設けてもよい。

本発明のファインバブル生成器は、主流路１６と副流路１７を有する。

主流路１６は、前記流入口１１より流入した液体が直線的に合流室１４へ供給される流路である。主流路１６は流入口１１から排出口に向かって生成器の内部で概ね最短経路となる流路を取り得る。

副流路１７は、合流室１４へ合流する箇所に有する吸気部１５周辺へ液体を供給する流路である。主流路からのみの液体の供給では、図1ｄ）に示すように吸気部周辺に空気だまりが生じ、空気を自吸することができない。副流路１７は、前記空気だまりが生じる部分に液体を供給し、空気だまりを解消し、特段作業を行うことなくファインバブル生成器内を液体で充填することができる。

副流路１７はファインバブル生成器の内部で主流路１６の周囲に配置される。副流路１７は、流入口１１の先で主流路と副流路に分岐して形成されてもよく、（図２～図４）主流路１６とは別の流入口から形成されていてもよい（図５）。また、流入口１１から合流室１４につながる主流路１６の途中から分岐して形成されてもよい（図６）。

副流路１７は、流入口１１から排出口１２に向かって最短経路ではなくてもよく、例としてその角度は主流路１６と平行であったり、それ以外の角度であったりする。平行でない場合は、副流路１７を流入口から見た時に、下流側に向かって複数の直線が放射線状に広がる流路であってもよく、同心円状に広がる流路であってもよい。

主流路と副流路の断面積は、異なっていてもよいし、同じであってもよい。副流路を主流路より狭くすることで、副流路を液体が通過する際に、それ以外の部分と比較して、液体の流速が速くなるため、ベルヌーイの定理にしたがい、より空気を自吸しやすくなる。

主流路１６ならびに副流路１７の形状の断面は、例えば円形であってもよいし、矩形でもよいし、他の形状であってもよい。

吸気部１５の幅は、流量や流速に合わせて適宜選択する。吸気部の幅が所望の範囲よりも広い場合は、副流路１７を通過した液体は吸気部の内部から外部へ漏れてしまうため、バブルを自吸できる広さに設定すればよい。吸気部１５をスリット形状にした場合、特に吸気部の幅が０超～０．３ミリメートルであるとき、マイクロバブルが効率よく生成されるため好ましい。吸気部１５は、典型的な調整方法としてはワッシャーで間隔を調整するが、それ以外の方法でもよい。例として、副流路の下流側端面に４等配の穴を設けて、ワッシャーがなくとも吸気部が得られる方法でもよい。

吸気部１５の位置は、副流路が合流室に流入する箇所の近辺であればよい。合流室１４に流入する周辺箇所であれば、副流路から噴き出した液体が渦を形成し、吸気部から空気を自吸することができる。副流路１７と合流室１４の境界部でもよいし、合流室側であってもよい。

吸気部１５は、ファインバブル生成器の外部に露出して周囲の空間に直接触れる構成としてもよいし、吸気部１５の周りをケースで囲って、任意のガスを入れる空気室２０を設けてもよい。

合流室１４は主流路１６と副流路１７から送られる液体の合流部分であり、気体を供給する部分である。気体を自吸するために内部に渦を生じさせる必要があるため、ファインバブル生成器内で一番断面積が広い部分であるとよい。合流室１４の内部の形状については、排出口に向かって、圧力損失が小さくなるような形状であると好ましい。さらに、液体が渦を起こしやすい形状であると、空気の自吸が促進されるためよい。たとえば、図２から図６で示す通り排出口に向かって細くなるテーパを有する壁面であってもよい。

さらに、図３に示すように、前記副流路１７の延長線上の前記合流室の壁面に凹部２７を形成することもできる。この凹部２７により、副流路から合流した液体が、吸気部周辺へ流れ込み空気だまりを解消しやすくなる。
吸気部１５から導入する気体は空気が代表的である。窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴンなど、別の気体であっても構わない。同様に、液体Ｌは淡水であってもよいし、蒸留水や純水でもよいし海水でもよい。酸性やアルカリ性の溶液、加工用クーラント（エマルジョンタイプ、ケミカルタイプ、ケミカルソリューションタイプ、ソリューションタイプ、ソリュブルタイプ等）であってもよい。

ファインバブル生成器の材質は特に限定しない。鉄やアルミ、木材やプラスチックを含む材種から任意に選択する。液体により腐食せず、膨潤による寸法変化による機能の低下がなく、流路を形成する性能を発揮し維持するなら、その材質は問わない。

流入口１１および主流路１６、副流路１７を形成する本体（以下、本体）と合流室１４の締結は、ボルトを用いてもよいし、溶接してもよい。本体と合流室が接する部分を、薄いリップ形状にして圧入する方法でも良いし、止め輪で締結してもよい。

（実施例１）
図２に示すように、実施例１におけるファインバブル生成器は、流入口１１および主流路１６・副流路１７を備える本体と、合流室１４および排出口１２からなる部品の２部品からなる。前記２部品は、溶接２１によって接合した。吸気部１５は流入口および主流路・副流路を備える本体と合流室の境界部に設けた。吸気部１５として本体と合流室１４の間に吸気部１５となるスリットを設け、幅は０．０５ミリメートルとした。吸気部１５の外部には空気室２０を設けた。主流路１６・副流路１７は流入口１１から合流室１４に向かって直進する経路とした。副流路１７は９０度おきに４箇所設けた。主流路１６ならびに副流路１７の形状の断面は、円形とした。

本体はＳＵＳ３０４で製作し、本体の流入口側、排出口側それぞれに管用テーパネジによる螺合部２５を設け、図示しないフレキシブルホースと接続した。フレキシブルホースから供給された液体は流入口１１へ至り、主流路１６と副流路１７に分岐した。副流路に分岐した液体Ｌは、合流室に入った段階で渦を生じ、自動的に吸気部１５から空気を吸引し、そのまま使用状態とすることができた。

合流室１４の壁面には、吸気部側から排出口１２に向かって細くなるように片側１５度の傾斜をつけた。合流室１４から出た液体はファインバブルＢを含み、排出口１２を通って工作物へ供給された。

クーラントはＪＩＳ Ａ３種の水溶性切削油剤を水道水で２０倍に希釈したものを用いた。マイクロバブルを生成するクーラントの体積は総量１００リットルであった。ファインバブル生成器へクーラントを送るポンプは渦巻きポンプを用いた。

マイクロバブルの計測はＰａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎｓｉｇｈｔ（島津製作所製）で行った。その間はファインバブル生成器を運転したままとした。マイクロバブルの数密度は２２万４千個毎ミリリットルであった。ウルトラファインバブルは計測しなかった。

（実施例２）
図３に実施例２におけるファインバブル生成器を示す。実施例１と同様に本体側と合流室１４側の２部品により構成し、流入口１１と同軸上の主流路１６と、副流路１７は９０度おきに４箇所設け、主流路１６と平行になるよう形成した。主流路１６ならびに副流路１７の形状の断面は、円形とした。吸気部１５は１つの副流路１７が合流する合流室１４側の壁面に設けた。吸気部１５の外部に空気室２０を設け、継手２６で直径６ミリメートルのエアチューブを接続した。合流室には、副流路の延長線上の壁に凹部２７を設けた。

組み立て時には本体と合流室１４が定位置に定まるように止め輪２３を用いて締結した。本体と合流室１４の間にはＯリング２２を設けて、液体の漏れを防いだ。合流室１４の外周に１箇所あけた穴と、合流室１４が本体と接触する面であってＯリング２２よりも内径が小さな部分に設けた深さ０．０５ミリメートルのザグリ穴を吸気部１５とした。

副流路１７に分岐した液体Ｌは、合流室１４の壁面に設けた凹部に当たり、流れを変えて吸気部１５周辺の空気だまりを効率よく解消した。排出口１２から排出された液体はマイクロバブルを含み白濁しており、自動的に吸気部１５から空気を吸引していることが確認できた。その他、マイクロバブルを生成・計測する条件は実施例１と同様とした。このとき、マイクロバブルの数密度は３０万個毎ミリリットルであった。

（実施例３）
図４に実施例３におけるファインバブル生成器を示す。実施例１と同様に本体側と合流室１４側の２部品により構成し、流入口１１と同軸上の主流路１６と、副流路１７は９０度おきに４箇所設けた。副流路１６と主流路１７の中心軸とがなす角度を２２．５度とした。主流路１６ならびに副流路１７の形状の断面は、円形とした。

組み立て時には本体と合流室１４が定位置に定まるように止め輪２３を用いて締結した。本体と合流室１４の間にはＯリング２２を設けて、液体の漏れを防いだ。合流室１４の外周に１箇所あけた穴と、合流室１４が本体と接触する面であってＯリング２２よりも内径が小さな部分に設けた深さ０．０５ミリメートルのザグリ穴を吸気部とした。吸気部１５は副流路１７から液体が噴き出す位置に設けた。吸気部１５の外部に空気室２０を設け、継手２６で直径６ミリメートルのエアチューブを接続した。実施例1と同様に、副流路１７に分岐した液体Ｌは、合流室１４に入った段階で渦を生じ、自動的に吸気部１５から空気を吸引した。

その他、マイクロバブルを生成・計測する条件は実施例１と同様とした。このとき、マイクロバブルの数密度は３３万２千個毎ミリリットルであった。

（実施例４）
図５に実施例４におけるファインバブル生成器の模式図を示す。主流路１６となる穴と、副流路１７となる穴を９０度おきに４箇所設けた。主流路１６ならびに副流路１７の形状の断面は、矩形とした。副流路１７は吸気部１５に向かって広がる放射状に形成した。実施例４では主流路１６と各副流路１７の流入口１１はそれぞれ分かれた形態とした。この形態においても、副流路１７に分岐した液体Ｌは、合流室１４に入った段階で渦を生じ、自動的に吸気部１５から空気Ｇを吸引した。

その他、マイクロバブルを生成・計測する条件は実施例１と同様とした。
マイクロバブルの数密度は７１万１千個毎ミリリットルであった。ウルトラファインバブルは計測しなかった。

（実施例５）
図６に実施例５におけるファインバブル生成器の模式図を示す。主流路１６から副流路１７が分岐する形状のファインバブル生成器とした。また、副流路１７は、図示しない治具で固定した中駒１９と、本体とのすき間により設け、主流路１６から同心円状に伸びる流路とした。本体と合流室１４の間に吸気部１５となるスリットを設け、吸気部１５の幅は０．０５ミリメートルとし、本体と合流室１４をボルトで締結した。本体へ液体Ｌを供給する主流路１６と、その他端に設けた液体の排出口１２には、図示しない螺合部２５を設けた。主流路１６の直径は２ミリメートルであった。他の実施例同様、副流路１７に分岐した液体は、合流室１４に入った段階で渦を生じ、自動的に吸気部１５から空気Ｇを吸引した。

その他、マイクロバブルを生成・計測する条件は実施例１と同様とした。マイクロバブルの数密度は６９万個毎ミリリットルであった。図７に実施例５におけるマイクロバブルの測定結果を示す。

実施例５の形態を用いて、さらに水道水を用いてウルトラファインバブルを計測した。その結果を図８および図９に示す。水道水を６時間ファインバブル生成器で循環させた。計測にはＺｅｔａ Ｖｉｅｗ（マイクロトラック・ベル製）を用いた。気泡数密度の計測レンジは検出下限より大かつ１マイクロメートル未満である。ウルトラファインバブルを生成する水道水の体積は１００リットル、温度は２４度とした。ファインバブル生成器へ水道水を送るポンプは渦巻きポンプを用いた。その流量は８リットル毎分であった。サンプルの水道水を採取してから計測するまで２４時間以上の間隔を空けた。

ファインバブル生成器の運転時間が０分のとき、気泡数密度は約２千万個毎ミリリットルであった。ウルトラファインバブルはまだ生成されていないはずであるから、これは水道水中にもともと含まれる異物を検知した結果であると推定された。その後、運転時間の経過とともにウルトラファインバブルの数密度は高まり、６時間後には１億５千万個毎ミリリットルまで増加した。

６時間後のウルトラファインバブルの気泡径分布は図９の通りであった。ピークは１００ナノメートル付近に鋭く表れており、微細な気泡が得られていることがわかる。
本発明のファインバブル生成器により、マイクロバブルおよびウルトラファインバブルの両方を生成することができた。

いずれの実施例においても、ファインバブル生成器の内部が空の状態から運転した場合でも、十分な量のマイクロバブルを生成させることができた。

１１ 流入口
１２ 排出口
１３ 分岐部
１４ 合流室
１５ 吸気部
１６ 主流路
１７ 副流路
１８ 本体
１９ 中駒
２０ 空気室（または吸気部）
２１ 溶接部
２２ Ｏリング
２３ 止め輪
２４ テーパ
２５ 螺合部
２６ 継手位置（または吸気部）
２７ 凹部
Ｇ 空気
Ｌ 液体
Ｂ バブル

先行技術におけるバブル生成器での空気だまりの発生模式図 実施例１におけるファインバブル生成器の模式図 実施例２におけるファインバブル生成器の模式図 実施例３におけるファインバブル生成器の模式図 実施例４におけるファインバブル生成器の模式図 実施例５におけるファインバブル生成器の模式図 実施例５におけるクーラント中の気泡密度と気泡径分布 実施例５におけるファインバブル生成器の運転時間と気泡密度の変化 実施例５における水道水中のウルトラファインバブル気泡密度と気泡径分布

Claims (6)

1. 少なくとも一つ以上の液体が流入する流入口と、
   液体を排出する排出口と、
   前記流入口と排出口の間に流路内で最も断面積が広く排出口に向かって細くなるテーパ状の合流室を設け、
   前記流入口から前記合流室を経由して排出口に直線的に繋がる主流路と、
   前記主流路より断面積が小さい、１または複数の、前記流入口と直接、又は前記主流路から分岐して前記合流室の外周部に繋がる副流路と、
   前記合流室の外周部に形成する液体の渦により、直接外部から気体を自吸する、少なくとも一つ以上設けられた吸気部と、を有する、
   内部を通過する液体中にファインバブルを生成する、ファインバブル生成器。
2. 前記主流路は前記流入口から前記合流室の中央部を経由して排出口に直線的に繋がる、
   請求項１に記載のファインバブル生成器。
3. 前記吸気部が幅０超～０．３ミリメートルのスリット形状である、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のファインバブル生成器。
4. 前記副流路の延長線上の前記合流室の壁面に凹部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のファインバブル生成器。
5. 少なくとも一つ以上の液体が流入する流入口と、
   液体を排出する排出口と、
   前記流入口と排出口の間に流路内で最も断面積が広く排出口に向かって細くなるテーパ状の合流室を設け、
   前記流入口から前記合流室を経由して排出口に直線的に繋がる主流路と、
   前記主流路より断面積が小さい、１または複数の、前記流入口と直接、又は前記主流路から分岐して前記合流室の外周部に繋がる副流路と、
   前記合流室の外周部に形成する液体の渦により、直接外部から気体を自吸する、少なくとも一つ以上設けられた吸気部と、を有する、
   内部を通過する液体中にファインバブルを生成する、加工クーラント用ファインバブル生成器。
6. 前記吸気部が幅０超～０．３ミリメートルのスリット形状である、請求項５に記載の加工クーラント用ファインバブル生成器。

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