JP7228934B1

JP7228934B1 - 微小気泡増幅装置

Info

Publication number: JP7228934B1
Application number: JP2022010587A
Authority: JP
Inventors: 秀雄中庄谷
Original assignee: テンソー電磁技術工業株式会社
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2023-02-27
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: JP2023109206A; WO2023145669A1

Abstract

【課題】多量の電解水を処理可能な微小気泡増幅装置を提供する。
【解決手段】本発明は、電解液Ａ中の微小気泡を増幅させる微小気泡増幅装置１００である。微小気泡増幅装置１００は、電解液Ａを流送する金属製の流送管１と、流送管１の径方向外側に設けられる１、又は複数の磁石２１Ａ、２１ａとを備えている。流送管１は、軸垂直断面が円形をなすとともに内周面に周方向に延びる凹条を有し、磁石により凹条内の空間の少なくとも一部に９９ｍＴ以上の磁束密度が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、液体中のマイクロバブルや、ウルトラファインバブル等と称される微小気泡を発生、又は増幅させる技術に関し、特に電解液を電気分解して微小気泡を発生、又は増幅させる技術に関する。

従来、水を電気分解することで、水中に水素と酸素からなる微小気泡を発生させる方法が知られている（特許文献１から特許文献５参照）。
例えば、特許文献１では、チタンを陽極、白金を陰極として水を電気分解する微小気泡発生装置が提案され、特許文献２では、チタンを陰極とし、白金、又は表面に白金をコーティングしたチタンを陽極とする微小気泡発生装置が提案されている。

特許文献１や特許文献２の微小気泡発生装置では、陽極表面に酸化被膜が生じるという問題があったため、本発明者は特許文献３において、電気分解の対象である流水を通す管中に多数の炭チップを充填し、この炭チップの還元力により電極の酸化被膜形成を抑制する微小気泡発生装置を提案した。

特許文献３の微小気泡発生装置は、電池により装置が大きくなるため、持ち運びに不便であるという問題や、電池が切れると使えないという問題があっため、本発明者は、さらに特許文献４において、水を流す流路内に備長炭のチップやステンレスの球を充填し、この流水に交差する方向に磁界を加えることで流水内に渦上の起電力を発生させ、該起電力により備長炭やステンレス球の表面で水を電気分解するようにした微小気泡発生装置を提案した。

ところが、特許文献４に係る微小気泡発生装置では、流路に充填した備長炭チップやステンレス球の抵抗により十分な水量が確保できないため、流路を並列にせざるを得ず、装置が大型化するという問題があり、また、配管の錆や不純物がチップ等の隙間に詰まって、使用と共に水量が低下するという問題や水質が劣化するという問題があった。

そこで、本発明者は、本願出願時には未公開ではあるが、特許文献５において、電解液を流送する金属製の流送管を扁平形状とし該流送管を挟んで幅方向にＮ極とＳ極が対向するよう一対の磁石を設けることで、備長炭を用いずに微小気泡を増幅させることを可能にする微小気泡増幅装置を提案している。

ＷＯ２０１４／１４８３９７号公報特開２０１８－０２０３１３号公報特開２０２０－１５１６４０号公報特開２０２１－０１０９０８号公報特願２０２１－１２０２０５号

しかし、特許文献５の微小気泡増幅装置では扁平の流送管を用いる必要があり、円形管に比べると電解液の流量が制限されるため、例えば大浴場への給水を処理する場合等、多量の電解液の処理が必要な場合には、やはり流送管を並列にする必要が生じて装置が大きくなるという課題が有った。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電解液を多量に処理可能な微小気泡増幅装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、電解液中の微小気泡を増幅させる微小気泡増幅装置であって、電解液を流送する直線状に延びる金属製の流送管と、前記流送管の径方向外側に設けられる複数の磁石とを備え、前記磁石は、前記直線状に延びる流送管を挟んで互いのＮ極とＳ極を対向させるとともに、流送管の長手方向に隣接する磁石のＮ極とＳ極の対向する向きが逆になるよう設けられた複数対の磁石からなり、前記流送管は、軸垂直断面が円形をなすとともに内周面に周方向に延びる凹条を有し、前記磁石により前記凹条内の空間の少なくとも一部に９９ｍＴ以上の磁束密度が形成されており、前記流送管は円形管からなり、前記凹条は当該円形管の内周面に雌螺子状に設けられており、前記流送管内で微小気泡を増幅することを特徴とする。
ここで、「電解液」とは、電流を流すことにより電気分解して気泡を発生する液体をいうものとする。

このように、流送管の内周面に周方向に延びる凹条を設け、流送管に径方向外方に磁石を設けることで当該凹条内に磁界が形成される。この磁界が磁束密度を９９ｍＴ以上とする場合には、当該凹条に流入して流出する電解液が電気分解されて微小気泡が発生する。

前記流送管が前記磁石の磁界内を複数本に折り返すよう設けられているとよい。こうすることで、電解液中に繰り返し微小気泡を発生させられるため、より多くの微小気泡を発生させられる。

以上、本発明の微小気泡増幅装置によれば、多量の電解水に対して効率よく微小気泡を増幅させる処理を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る微小気泡増幅装置を模式的に示した（ａ）正面図、（ｂ）平面図である。図１に示した微小気泡増幅装置に起電力が発生する原理の説明図である。流送管の別の例を示す模式的断面図である。本発明の微小気泡増幅装置の使用例１を示す模式図である。本発明の微小気泡増幅装置の使用例２を示す模式図である。本発明の微小気泡増幅装置の使用例３を示す模式図である。本発明の微小気泡増幅装置の使用例４を示す模式図である。本発明の微小気泡増幅装置を壁に取り付ける方法を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。
図１は、本発明の一の実施形態に係る微小気泡増幅装置１００を示している。微小気泡増幅装置１００は、電解液Ａを電気分解して電解液Ａ中に微小気泡を発生させるために用いられる。微小気泡増幅装置１００は、電解液Ａを流送する流送管１と、複数対の磁気回路２，２，…とを主に備える他、内側ケーシング３と、外側ケーシング４と、袋ナット５，５、と、両ネジニップル６，６とを備えている。

電解液Ａとしては、水道水やミネラルウォーター等の電流を流すと水が電気分解されて水素と酸素を発生させるものの他、電気分解すると水素と塩素を発生する食塩水の様に、電気分解することにより水素と酸素以外の微小気泡を発生するものを用いてもよい。

流送管１は、金属製からなり図２に示すように、流送管１の軸芯を含む断面における周壁が外側に突出する山１３と内側に凹入する谷１４を交互に繰り返すいわゆる波状管からなる。流送管１は軸垂直断面が円形をなし、山１３の内側面からなり流送管１の軸に垂直で流送管１の周方向に延びる無端円環状の凹条１ａ，１ａ，１ａ，…と、谷１４の内側面からなる無端円環状の凸条１ｂ，１ｂ，１ｂ，…が長手方向に交互に設けられている。

流送管１は、図１（ｂ）に示すように、一本の波状管を二つ折りにして往路管１１と復路管１２からなる２本の流送管が、共に上下の磁石２１，２１，…の間を通るように設けられている。流送管１の両端は、袋ナット５、及び両ネジニップル６を介して微小気泡増幅装置１００の装置外の上流側の管と下流側の管に接続される。

また、本実施形態では、流送管１は、凹条１ａが円環状をなすいわゆるワンピッチ型の波状管からなるが、これに限らず、図３（ａ）の流送管１Ａのように、内周面にらせん状の凹条１ｃ、及びらせん状の凸条１ｄを備えるものであってもよい。また流送管は波状管に限らず、図３（ｂ）の流送管１Ｂのように、円形管の内周面に凹条１ｅを設けたものでもよい。図３（ｂ）の例は加工しやすいように内周面を雌螺子状に形成している。

流送管１の材料としては、鉄、ステンレス、真鍮、その他の金属を適宜に用いることができるが、酸化しにくく着磁しにくいＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレスが好ましい。こうすることで、電解液に錆が混じることを抑制できる。

磁気回路２は、流送管１の径方向外側において流送管１を挟んで対向するように設けられる２対４個の磁石２１，（２１Ａ，２１Ａ，２１ａ，２１ａ）と、前記４個の磁石２１のうち、流送管１の上側２つの磁石２１Ａ，２１Ａと下側２つの磁石２１ａ，２１ａを連結する鉄製のヨーク２２，２２とを備えている。流送管１を挟んで上下に対向する磁石２１Ａ，２１ａ，…は、Ｎ極とＳ極が流送管１を挟んで対向するように、かつ流送管１の長手方向に隣接する２対の磁石のＮ極とＳ極の対向する向きが逆に設けられている。各対の磁石２１Ａ，２１ａは、図１（ｂ）に示すように、流送管１の往路管１１と復路管１２の両方を挟んでこれらの上下方向に対向するように配設されている。

磁気回路２により、流送管１内に形成される磁力は、少なくとも凹条１ａ内が９９ｍＴ以上であることが重要であり、流送管１の長手方向の少なくとも一部において、中心部が１５０ｍＴ以上であり、かつ凹条１ａ内が２００ｍＴ以上であることが好ましい。こうすることで、流送管内に、十分に微小気泡を発生させることができる。

内側ケーシング３は、樹脂ケースにより両端が閉塞した円筒状に形成され、内部に流送管１と２つの磁気回路２，２を収容している。

外側ケーシング４は、オーステナイト系ステンレスにより直方体の箱状に形成され、内部に内側ケーシング３、及び袋ナット５，５、及び両ネジニップル６，６を収容している。図１（ａ）の符号４１は、支持脚である。

微小気泡増幅装置１００を用いるときは、図１（ｂ）に示すように、流送管１の流入口７１から電解液Ａを流入させ、流出口７２から形成された微小気泡を含む処理液Ｂを取り出す。
図２の円環状の矢印Ｃ１、Ｃ２、及び直線状の矢印Ｃ３は、流送管１内を流れる電解液Ａ中に生じる起電力の向きを示している。図２の磁石２１Ａ１、２１Ａ２は流送管１の上側（図２の紙面手前側）のものを示しており、図２には表れないが、流送管１の下側（図２の紙面奥側）に流送管１を挟んで磁石２１Ａ１、２１Ａ２と対向するように、紙面奥側に磁石２１ａ１，２１ａ２が設けられており、紙面手前側の磁石２１Ａ１、２１Ａ２と、紙面奥側の磁石２１ａ１、２１ａ２は、Ｎ極とＳ極が対向するように設けられている。流送管１に流送した電解液Ａが、流送管１を挟んで対向する一対の磁石２１Ａ１，２１ａ１に近づく際には、電解液Ａに加わる紙面手前側の磁石２１Ａ１のＮ極から紙面奥側の磁石２１ａ１のＳ極に向かう磁力が強くなる（磁束の密度が大きくなる）ため、いわゆる右ねじの法則により、この紙面手前から奥側へ向かう磁力を弱めるために、これとは逆向きの紙面奥側から紙面手前側に向かう磁界を形成すべく、符号Ｃ１に示すような回転方向に渦型の起電力が発生する。電解液Ａが一対の磁石２１Ａ１，２１ａ１から遠ざかる際には、徐々に磁力が弱くなる（磁束密度が小さくなる）ため、磁力を強めるために当該一対の磁石２１Ａ１，２１ａ１による磁界と同じ向きの磁界を形成すべく、いわゆる右ねじの法則により、符号Ｃ２に示すような符号Ｃ１と逆の回転方向に渦型の起電力が発生する。丁度、対向する一対の磁石２１Ａ１，２１ａ１の間を通る際には、流送管１の厚み方向に直線状の矢印Ｃ３で示した起電力が発生する。
さらに、電解液Ａが進んで、次の流送管１を挟んで対向する一対の磁石２１Ａ２，２１ａ２を通過する際には、当該一対の磁石２１Ａ２，２１ａ２は、この前の一対の磁石２１Ａ１，２１ａ１と電解方向が逆向きであるため、近づく際にＣ２、遠ざかる際にＣ１の回転方向の起電力が形成される。

微小気泡増幅装置１００を設置方法としては、図１（ａ）に示すように、Ｕ字の流送管が水平になるよう支持脚４１，４１，…を用いて水平面状に載置してもよいし、図８に示すように壁面取り付け金具９を用いて流送管１が塔倒Ｕ字になるようにして、壁面に取り付けることもできる。

図８に示すように、壁面取り付け金具９は、横断面が扁平コ字状をなす壁側ステイ９１と、縦断面が「へ」の字をなす装置側の上下一対のフック９２，９２とを備えている。壁側ステイ９１は、上下一対の矩形の掛け板９１ｂ，９１ｂを傾斜させることにより設けた上方と左右に開口するコ字状の掛け孔９１ａ，９１ａを備えている。フック９２は、微小気泡増幅装置１００のケーシング４に螺子１０で固定する取付け部９２ｂと取付け部９２ｂに対しややケーシング４から離間するように傾斜する差し板９２ａとを備えている。
微小気泡増幅装置１００を壁面に取り付ける際には、予め壁面にアンカー９３，…を打ち込んでおき、壁側ステイ９１を両端のリブ９１ｄ，９１ｄを反壁面側として、木螺子９１ｃ，…で壁面に固定する。
微小気泡増幅装置１００に取り付けたフック９２，９２の差し板９２ａを掛け孔９１ａに挿入して引き下げることで、差し板９２ａと外側ケーシング４の壁面とで掛け板９１ｂを挟持させて、微小気泡増幅装置１００を壁側ステイ９１に取り付ける。

次に、実施形態１にかかる実施例について説明する。
（実施例１）

（微小気泡増幅装置１００）
流送管１としてＳＵＳ３０４製の呼び径２０Ａ（外径１９．９ｍｍ、内径１５．５ｍｍ：ノギスで測定）で全長６４０ｍｍのフレキシブルチューブ（カクダイ社製、品番６７１０―２０×１０）を図１（ｂ）に示すように２つ折りにしたものを用いた。磁気回路２には、磁石２１として、表面磁束密度４９３ｍＴのネオジウム磁石を用い、ヨーク２２として、軟磁性体の鉄板を用いた。流送管の長手方向に並ぶ磁石２１Ａ，２１Ａ、及び磁石２１ａ，２１ａのピッチは、３４ｍｍとした。

（磁場の測定）
これらの流送管１、磁気回路２，２を樹脂製の円形管のケーシング内に収容して実施例１の微小気泡増幅装置１００とした。対向する磁石２１Ａと磁石２１ａの間における流送管１の軸心上の磁場と上下方向の両端部の磁場を測定した結果を表１に示す。

（電解液Ａ）
工業用のイオン交換膜による精製水（導電率０μＳ／ｃｍ²、モノタロウ製、ＯＭＲＯ－２０Ｌ）に塩化ナトリウム（林純薬工業、品番１９００１８９５）を溶解して、水道水と同等の導電率１３０μＳ／ｃｍ²に調整したものを電解液Ａとした。導電率は、株式会社カスタム製の防水導電率計ＣＤ－６０２１により測定した。

（処理液Ｂの形成）
電解液Ａを微小気泡増幅装置１００の流入口７１から毎分２０リットルの流量で流送管１内に流送し、流出口７２から流出した電解液を処理液Ｂとした。

（水素濃度の測定）
処理液Ｂについて、超音波を当てながら減圧を行う方法でジーエルサイエンス社製のアルミニウムパック（品番：ＡＡＫ－２）に脱気採集を行い、採集した気体について、新コスモス電機株式会社製の接触燃焼式水素濃度計（品番：ＸＰ－３１１０Ｈ２）を用いて水素ガスの体積濃度を測定した。

（ＵＦＢの濃度、及び粒径の測定）
処理液Ｂについて、トスレック株式会社に依頼し、日本カンタム・デザイン株式会社製のナノサイトＮＳ３００を用いてウルトラファインバブル（ＵＦＢ）の濃度、及び粒径を測定した。測定は５回行いその平均値を濃度、及び粒径とした。

（試験例１）
実施例１で用いた電解液Ａについて（微小気泡増幅装置１００を通さずに）実施例１と同様の測定方法で水素濃度とＵＦＢの濃度、及び粒径を測定した。

（比較例１）
流送管として、呼び径１５ＡのＳＵＳ３０４製パイプ（外径２１．８ｍｍ、内径１５．６ｍｍ、ノギスで測定）を用いた他は、実施例１と同じにして得られた処理液Ｂの水素濃度とＵＦＢの濃度、及び粒径の測定を行った。

実施例１、試験例１、及び比較例１について得られた結果を表１に示す。尚、ＵＦＢの濃度及び粒径は５回の測定結果の平均値を示す。

（実施例２）
電解液Ａとして大阪市住吉区で採取した水道水を用いた他は、実施例１と同様にして得られた処理液Ｂについて、水素濃度の測定を行った。

（試験例２）
実施例２と同時に採取した水道水について、実施例１と同様の測定方法で水素濃度を測定した。

（比較例２）
電解液Ａを実施例２と同時に採取した水道水とし、比較例１と同じ磁気回路を配した円筒管からなる流送管に電解液Ａを流送し、得られた処理液Ｂについて実施例１と同様の測定方法で水素濃度を測定した。

実施例２、試験例２、及び比較例２の結果を表２に示す。

（考察）
表１に示すように、電解液Ａとして水道水と同様の導電率に調整した食塩水を用いた場合には、流送管として円形管を用いた比較例１、流送管として波状管を用いた実施例１とも、流送管を通さない食塩水からなる電解液Ａを対象とした試験例１に比べてＵＦＢ濃度が増加していた。しかし、比較例１は試験例１と水素濃度が変わらないためＵＦＢが発生したものではなく、コンタミ等.一方で波状管を用いた実施例１では、ＵＦＢ濃度だけでなく水素濃度が上昇しているため、水素のＵＦＢが発生しているものと考えられる。実施例１では、同時に塩素のＵＦＢが

また、表２に示すように、電解液Ａとして水道水を用いた場合は、円筒管を用いた比較例２による処理水は、水道水の水素濃度と同等であり、水素の発生が認められなかったのに対し、水道水を波状管（微小気泡増幅装置１００）で処理した実施例２は、水道水の水素濃度（試験例２）より高く、食塩水を波状管で処理した実施例１と同等の水素濃度が得られたことから、実施例２においては、水道水に電気分解が行われて水素と酸素からなるＵＦＢが発生したものと考えられる。

（流送管１内の磁束密度についての考察）
流送管１内の磁束密度は、表１に示した実施例１に係る流送管１内の磁束密度の測定結果から、少なくとも流送管１内全体を１５０ｍＴ以上とし、少なくとも端部（凹条１ａ内）を２００ｍＴ以上とすることで、流送管内にＵＦＢを発生可能であると考えられる。

次に、微小気泡増幅装置１００の使用例を示す。
（使用例１）
図４は、微小気泡増幅装置１００を給湯器Ｃに接続して、給湯ラインに微小気泡含有水を供給する例を示している。図示の例では、二次側（下流側）配管８２に微小気泡増幅装置１００を配置したが、一次側（上流側）配管８１に微小気泡増幅装置１００を配置することもできる。微小気泡増幅装置１００を給湯器Ｃに内蔵させて、設置スペースを節約することもできる。
微小気泡増幅装置１００は、給湯器Ｃからの水圧だけで十分な水量を処理できるため、このように給湯器Ｃの二次側配管８２に付設するだけで、容易に暖かい微小気泡発生水を得ることができる。

（使用例２）
図５は、微小気泡増幅装置１００を高圧洗浄機Ｄに内蔵させた場合を示している。高圧洗浄機Ｄに水道水を流入させ、微小気泡増幅装置１００により該水道水中に微小気泡を形成したのちコンプレッサーにより加圧して高圧水として噴射する。微小気泡増幅装置１００は、流送管１内部の抵抗が小さいため、多数の流送管１を並列にする必要がなく装置が小型化できるので、このように高圧洗浄機Ｄに内蔵できる。
厨房のグリスフィルターの油汚れを高圧洗浄水で洗浄する場合、苛性ソーダに数時間漬け込む等して、油分を分解してから高圧洗浄機で水洗いする必要があるが、苛性ソーダは人体の皮膚を溶かすほど危険な劇薬であり、排水に流す場合は酸で中和する必要がある。
本発明の微小気泡増幅装置１００を高圧洗浄機Ｄに組み込むことで、汚れたグリスフィルターに高圧洗浄機Ｄから放出される微小気泡含有水を吹きかけ、数分間放置してから、再度高圧洗浄するだけで油汚れを洗い流すことができるため、洗浄時間を大幅に短縮でき、洗浄に使用した微小気泡含有水を、そのまま排水できる。

（使用例３）
図６は、微小気泡増幅装置１００を、散水ホースＥと組み合わせた例を示している。こうすることで、生花や植木、家庭菜園などに微小気泡含有水を散水できる。植物に酸素を含む微小気泡を与えることで、植物の成長を促すことができる。微小気泡増幅装置１００は、流送管１の抵抗が小さいため、このように、散水ホースＥに組み込んでも散水ホースＥの放水圧を十分に確保できる。

（使用例４）
図７は、微小気泡増幅装置１００を、清涼飲料水の製造工程に組み込んだ例を示している。微小気泡増幅装置１００により発生する酸素と水素の微小気泡は、人体に無害のため清涼飲料水に利用できる。湧き水Ｆ１等を濾過フィルターＦ２，…により濾過したのち、微小気泡増幅装置１００を通過させて微小気泡含有水からなる清涼飲料水Ｆ３を形成する。微小気泡を含有する清涼飲料水Ｆ３は、ガラス瓶やアルミ缶、アルミ袋に充填することで容器から微小気泡が抜け出しにくくなるため、製品として十分に流通させることができる。
また、本発明者、及びその母親が、水道水を直接飲んだ場合と、水道水を本発明に係る微小気泡増幅装置１００を通して形成した微小気泡含有水を飲んだ場合で、手の表面温度を測定したところ、水道水を直接飲んだ場合は、手の表面温度が下がり、血管が収縮したと考えられるのに対し、微小気泡含有水を飲んだ場合は、手の表面温度が上がり、血管が拡張したと考えられる。

以上、本発明の微小気泡増幅装置は、上述した実施形態に限らず、例えば、磁石は、流送管の片側に１つ設けるだけでもよいし、片側だけ複数を並べるようにしてもよい。磁石を流送管に挟んで対向させる数は、１対でもよいし、３対以上でもよい。流送管を挟んで磁石を対向させる方向は、上下方向に限らず水平方向でも斜め方向でもよい。流送管は２つ折りにせず、１本の直管のみでも良いし、３つ折り以上にしてもよく、複数本を並列にしてもよい。

１００微小気泡増幅装置
１流送管
２１磁石
１ａ凹条
Ａ電解液

Claims

電解液中の微小気泡を増幅させる微小気泡増幅装置であって、
電解液を流送する直線状に延びる金属製の流送管と、
前記流送管の径方向外側に設けられる複数の磁石と
を備え、
前記磁石は、前記直線状に延びる流送管を挟んで互いのＮ極とＳ極を対向させるとともに、流送管の長手方向に隣接する磁石のＮ極とＳ極の対向する向きが逆になるよう設けられた複数対の磁石からなり、
前記流送管は、軸垂直断面が円形をなすとともに内周面に周方向に延びる凹条を有し、
前記磁石により前記凹条内の空間の少なくとも一部に９９ｍＴ以上の磁束密度が形成されており、
前記流送管は円形管からなり、前記凹条は当該円形管の内周面に雌螺子状に設けられており、
前記流送管内で微小気泡を増幅することを特徴とする微小気泡増幅装置。
前記流送管が前記磁石の磁界内を複数本に折り返すよう設けられている請求項１に記載の微小気泡増幅装置。