JPWO2020189271A1 - 気泡発生装置 - Google Patents
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Abstract
本開示は、振動により微細な気泡(200)を液体中に発生させる気泡発生装置である。気泡発生装置(1a)は、振動板(2)と、圧電素子(4A)と、光源(5)とを備える。振動板(2)は、複数の細孔(2b)が形成され、一方の面が水槽(10)の水(液体)と接し、他方の面が気体と接して、紫外光に対して透過である。圧電素子(4A)は、振動板(2)を振動させる。光源(5)は、振動板(2)の他方の面側から水槽(10)の水(液体)に対して紫外光を発する。
Description
本開示は、気泡発生装置に関する。
近年、微細な気泡を使って水質浄化、排水処理、魚の養殖などが行なわれており、微細な気泡が様々な分野で利用されている。そのため、微細な気泡を発生する気泡発生装置が開発されている(特許文献1)。
特許文献1に記載の気泡発生装置では、圧電素子を利用して微細な気泡を発生させている。また、特許文献2に記載の気泡発生装置では、深紫外線照射してオゾンを生成し液体に導入する気体導入部を設け、導入したオゾンで微細な気泡を発生させている。
しかし、オゾンを含む微細な気泡を発生させる場合、特許文献2で説明したように深紫外線を照射する構成を含む気体導入部を別途設ける必要があり、気泡発生装置が大型化する問題があった。さらに、気体導入部で深紫外線照射する構成を別途設けることで気泡発生装置のコストも高くなる問題があった。
そこで、本開示の目的は、オゾンを含む微細な気泡を発生させることができ、低コストで、コンパクトな気泡発生装置を提供することである。
本開示の一形態に係る気泡発生装置は、振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接して、紫外光に対して透過な振動板と、振動板を振動させる圧電素子と、振動板の他方の面側から液体槽の液体に対して紫外光を発する光源とを備える。
本開示によれば、紫外光に対して透過な振動板の他方の面側から液体槽の液体に対して紫外光を発することができるので、オゾンを含む微細な気泡を発生させることができる気泡発生装置を低コストで、コンパクトにすることができる。
以下に、本実施の形態に係る気泡発生装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
(実施の形態1)
まず、図1は、本実施の形態1に係る気泡発生装置1が用いられる水質浄化装置100の概略図である。図1に示す気泡発生装置1は、例えば水槽(液体槽)10の底部に設けられ、水槽10の水に微細な気泡200を発生させる水質浄化装置100に用いられる。なお、気泡発生装置1の用途は、水質浄化装置100に限定されず、排水処理装置、魚の養殖用水槽などの様々な用途に適用することができる。
まず、図1は、本実施の形態1に係る気泡発生装置1が用いられる水質浄化装置100の概略図である。図1に示す気泡発生装置1は、例えば水槽(液体槽)10の底部に設けられ、水槽10の水に微細な気泡200を発生させる水質浄化装置100に用いられる。なお、気泡発生装置1の用途は、水質浄化装置100に限定されず、排水処理装置、魚の養殖用水槽などの様々な用途に適用することができる。
気泡発生装置1は、振動板2と、筒状体3と、圧電素子4と、光源5とを備えている。気泡発生装置1は、水槽10の底部の一部に開けた孔に振動板2を設け、筒状体3を介して圧電素子4で振動板2を振動させることで、振動板2に形成した複数の細孔(開口部)から微細な気泡200を発生させている。
振動板2は、例えば、波長が200nm〜380nmの紫外光および深紫外光を透過させるガラス板で形成されている。ガラス板には、石英ガラスや、組成がコントロールされ深紫外線の透過度を向上させた疑似石英合成ガラスなどが用いられる。なお、振動板2は、紫外光を透過する材質であれば、ガラスに限定されず他の材質(例えば、樹脂など)で形成してもよい。
振動板2は、複数の細孔が形成され、一方の面が水槽10の水(液体)と接し、他方の面が空気(気体)と接している。つまり、気泡発生装置1では、振動板2で水と空気とを分離し、他方の面に背圧を加え(図1に示す矢印方向)、振動板2を振動させることで空気が複数の細孔を通って水槽10の水に送り込まれ微細な気泡200を発生させている。
光源5は、振動板2の他方の面側から水槽10の水に対して紫外光を発することができる。光源5は、LEDや水銀ランプなどの紫外光および深紫外光を発光する光源である。光源5は、水槽10の水に対して紫外光および深紫外光を照射することで、複数の細孔を通って水槽10の水に送り込まれる酸素をオゾン化することができる。オゾン化された酸素を含む微細な気泡200は、殺菌効果を有する微細な気泡となる。
また、水槽10の水に対して照射した紫外光および深紫外光は、一部が水槽10の水に送り込まれる酸素をオゾン化するために利用され、他の一部が微細な気泡200の表面で反射して水内部に散乱する。光源5に波長が230nmの紫外光を発する光源を用いた場合、細菌類のDNAを破壊する完全殺菌が可能となる。このように、気泡発生装置1では、水槽10の水(液体)と接する面の対向する面から背圧(例えば、0.08atm〜0.12atm(8〜12kPa)程度)を加えるとともに、光源5で紫外光および深紫外光の波長帯の光を照射してオゾン生成による殺菌と紫外光照射による殺菌とを兼用させている。
気泡発生装置1では、筒状体3を介して圧電素子4で振動板2を振動させている。図2は、本実施の形態1に係る気泡発生装置1の斜視図である。図3は、本実施の形態1に係る気泡発生装置の半断面図である。図3に示す一点鎖線は、筒状体3の中心軸を通る部分である。
振動板2に、筒状体3が連結されている。筒状体3は、円筒状の形状を有する。筒状体3は、第1の端部3aと、第1の端部3aとは反対側の第2の端部3bとを有する。第2の端部3bは、円筒体の軸方向において、第1の端部3aと反対側に位置している。
第1の端部3aが、振動板2に連結されている。すなわち、振動板2が、筒状体3の第1の端部3a側の開口を閉成するように、筒状体3の第1の端部3aが、振動板2の筒状体3側の面に固定されている。
筒状体3は本実施の形態では、ステンレスからなる。もっとも、ステンレスに代えて、他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、ステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。
筒状体3の側面には、筒状体の径方向外側に延ばされたフランジ部3cが設けられている。フランジ部3cは、たとえば図1に示すように水槽10の底部の一部に開けた孔と連結することにより、筒状体3の第1の端部3aに水槽10を結合させている。フランジ部3cは、筒状体3を介して圧電素子4で振動板2を振動させても、ほぼ無振動である。そのため、圧電素子4の振動を水槽10に伝えずに、振動板2のみを振動させることが可能である。
筒状体3の第2の端部3b側には、径方向外側に延ばされたリング状つば部3eが設けられている。リング状つば部3eは、平面視した場合、ドーナツ状の形状を有している。フランジ部3cと、リング状つば部3eとの間の部分が、筒状体本体3dである。上記リング状つば部3eの外径は、筒状体本体3dの外径よりも大きくなっている。特に限定されないが、本実施の形態では、図3に示すように、筒状体本体3dの外径は、振動板2の外径より小さい。
リング状つば部3eは、筒状体本体3dと同じ材料により一体に構成されていてもよい。もっとも、本実施の形態では、筒状体本体3dに、別部材としてのリング状つば部3eが筒状体本体3dの振動板2とは反対側の端面に接合されている。このように、リング状つば部3eは、筒状体本体3dと別部材で構成されていてもよい。
リング状つば部3eには、振動板2側の面と反対側の面に、リング状の圧電素子4が固定されている。リング状の圧電素子4は、リング状圧電体と、リング状圧電体の両面に設けられた電極とを有する。リング状圧電体は、厚み方向に、すなわち筒状体3の第1の端部3aと第2の端部3bとを結ぶ方向に分極されている。リング状圧電体は、圧電セラミックスなどの圧電体からなる。
リング状の圧電素子4がリング状つば部3eに接合されている構造により、振動板2を屈曲振動する振動体を構成している。なお、リング状の圧電素子4は、例えば、内径が12mm、外径が18mm、厚みが1mmである。また、圧電素子4は、例えば、電圧が50Vpp〜70Vpp、デューティ比50%の矩形波形の動作条件で駆動される。
気泡発生装置1では、この圧電素子4における屈曲振動が、筒状体3を介して振動板2に伝わり、振動板2を振動させて微細な気泡200を発生させている。圧電素子4の電極には、コントローラ20からの信号が供給され、当該信号に基づいて圧電素子4が駆動される。また、コントローラ20は、光源5に対しても信号を供給し、光源5を駆動している。
なお、圧電素子4は、リング状圧電体と、リング状圧電体の両面に設けられた電極とを有すると説明したが、これに限定されない。圧電素子4は、例えば、複数の圧電体がリング状配置され、各々の圧電体の両面に電極が設けられた構成でもよい。
振動板2は、筒状体3の第1の端部3aに連結されているが、図3に示すようにサポートガラス6を介して筒状体3の第1の端部3aに連結されている。振動板2の厚みが、例えば0.2mmの場合、サポートガラス6の厚みが、例えば1.1mmである。もちろん、振動板2は、サポートガラス6を介さずに筒状体3の第1の端部3aに直接連結されてもよい。
気泡発生装置1では、液体に接する振動板2の構造をガラス板とし、筒状体3を介して圧電素子4で振動板2を振動させる構成にすることで、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができる。気体を導入する空間と液体とを完全分離することで、圧電素子4の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。また、気泡発生装置1では、光源5も気体を導入する空間に設けることができるので、光源5の電気配線等が液体に浸かることも防止できる。
振動板2には、複数の細孔が形成されている。図4は、本実施の形態1に係る振動板の平面図である。図4に示す振動板2は、直径14mmのガラス板2aの中央部に設けた5mm×5mmの領域に複数の細孔2bが形成されている。振動板2は、例えば、細孔2bの孔径を10μm、細孔2bの間隔を0.25mmにした場合、5mm×5mmの領域に441個の細孔2bを形成することができる。なお、図4では、ガラス板2aに複数の細孔2bが形成されていることをイメージし易くするため、細孔2bの孔径および細孔2bの間隔が実際のスケールとは異なっている。
振動板2に設けられる細孔2bは、液体と接する側の面での孔径が1μm〜20μmである。当該細孔2bから導入された空気により、水槽10の水に約10倍の径の微細な気泡200が発生する。細孔2bは、孔径の10倍以上の間隔で複数形成されているので、1つの細孔2bから発生した微細な気泡200が隣の細孔2bから発生した微細な気泡200とつながることを防止して独立した微細な気泡200を発生させる性能を向上させている。
ガラス板2aに複数の細孔2bを形成するための方法として、例えば、レーザと液相エッティングとを組み合わせた方法がある。具体的に、この方法では、ガラス板2aにレーザを照射することにより、レーザエネルギーでガラス板2aに組成変性を起こさせ、その部分を液体フッ化物系のエッティング材などで侵食させて複数の細孔2bを形成している。
図5は、本実施の形態1に係る振動板に形成した細孔(開口部)2bの断面図である。図5に示すように、ガラス板2aに形成される細孔2bの形状は、図中下側の面の孔径に比べ、上側の面の孔径が大きいテーパ形状である。孔径の小さい面を水槽10の水と接する面に、孔径の大きい面を気体と接する面にして振動板2を配置することで、細孔2bで発生する微細な気泡200の径をより小さくすることができる。もちろん、孔径の大きい面を水槽10の水と接する面に、孔径の小さい面を気体と接する面にして振動板2を配置してもよい。
振動板2にガラス板2aを使用した場合、金属板を利用する場合と比較して、液体への金属イオンの溶出による液体汚染を防ぐことができるメリットがある。また、金属板に細孔を形成した場合、金属の腐食防止のためにメッキを行う必要がある。液体への金属イオンの溶出を防止するには、貴金属を用いる必要がある。そのため、細孔を形成した金属板を貴金属でメッキを行うと、振動板のコストが高価になる。
以上のように、本実施の形態1に係る気泡発生装置1は、振動により微細な気泡200を液体中に発生させる気泡発生装置である。気泡発生装置1は、振動板2と、圧電素子4と、光源5とを備える。振動板2は、複数の細孔2bが形成され、一方の面が水槽10の水(液体)と接し、他方の面が気体と接して、紫外光に対して透過である。圧電素子4は、振動板2を振動させる。光源5は、振動板2の他方の面側から水槽10の水(液体)に対して紫外光を発する。
これにより、気泡発生装置1は、紫外光に対して透過な振動板2の他方の面側から水槽10の水(液体)に対して紫外光を発することができるので、オゾンを含む微細な気泡を発生させることができる気泡発生装置を低コストで、コンパクトに構成することができる。
また、振動板2は、ガラス板で形成されてもよい。これにより、気泡発生装置1は、水槽10の水(液体)への金属イオンの溶出による液体汚染を防ぐことができる。
さらに、ガラス板2aは、波長が200nm〜380nmの紫外光を透過させる材質で形成されてもよい。これにより、気泡発生装置1は、振動により発生する微細な気泡200に含まれるオゾンによる殺菌と、紫外線の照射による水槽10の水の殺菌との兼用による高い殺菌効果が得られる。
また、振動板2は、液体と接する側の面での孔径が1μm〜20μmの細孔2bを、孔径の10倍以上の間隔で複数形成してもよい。これにより、気泡発生装置1は、1つの細孔2bから発生した微細な気泡200が隣の細孔2bから発生した微細な気泡200とつながることを防止でき、独立した微細な気泡200を発生させることができる。
さらに、細孔2bの形状は、水槽10の水(液体)と接する一方の面の孔径に比べ、気体と接する他方の面の孔径が大きいテーパ形状であってもよい。これにより、気泡発生装置1は、細孔2bで発生する微細な気泡200の径をより小さくすることができる。
また、第1の端部3aと、第1の端部3aとは反対側の第2の端部3bとを有し、第1の端部3a側において、振動板2を保持するように、振動板2に連結されている筒状体3をさらに備えてもよい。この場合、圧電素子4は、筒状体3の第2の端部3b側に、筒状体3の径方向外側に延ばされたリング状つば部3eに固定され、筒状体3を振動させる。また、筒状体3の第1の端部3aに水槽10を結合させてある。
これにより、気泡発生装置1は、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができ、圧電素子4の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。
さらに、リング状つば部3eは、振動板2側の第1の面と、第1の面とは反対側の第2の面とを有し、第2の面に圧電素子4が固定されている。これにより、気泡発生装置1は、圧電素子4が液体に浸かることを防止できる。
また、筒状体3は、第1の端部にフランジ部3cを設け、フランジ部3cを介して水槽10を結合させてもよい。これにより、気泡発生装置1は、圧電素子4の振動を水槽10に伝えずに、振動板2のみを振動させることが可能になる。
さらに、フランジ部3c、筒状体3およびリング状つば部3eとは、同一材料で一体に形成されてもよい。これにより、フランジ部3c、筒状体3およびリング状つば部3eの強度を高めることができる。
(実施の形態2)
実施の形態1に係る気泡発生装置1では、筒状体3を介して圧電素子4で振動板2を振動させる構成について説明した。しかし、振動板を圧電素子で振動させる構成は、これに限定されない。気泡発生装置は、紫外光に対して透過な振動板を用い、当該振動板の他方の面側から水槽の水(液体)に対して紫外光を発することができる構成であれば、振動板を圧電素子で振動させる構成が異なっていてもよい。本実施の形態2に係る気泡発生装置では、圧電素子で振動板を直接振動させる構成について説明する。
実施の形態1に係る気泡発生装置1では、筒状体3を介して圧電素子4で振動板2を振動させる構成について説明した。しかし、振動板を圧電素子で振動させる構成は、これに限定されない。気泡発生装置は、紫外光に対して透過な振動板を用い、当該振動板の他方の面側から水槽の水(液体)に対して紫外光を発することができる構成であれば、振動板を圧電素子で振動させる構成が異なっていてもよい。本実施の形態2に係る気泡発生装置では、圧電素子で振動板を直接振動させる構成について説明する。
図6は、本実施の形態2に係る気泡発生装置1aが用いられる水質浄化装置150の概略図である。なお、図6に示す気泡発生装置1aのうち、図1〜図5に示す気泡発生装置1aと同じ構成については、同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。
まず、図6に示す気泡発生装置1aは、例えば水槽(液体槽)10の底部に設けられ、水槽10の水に微細な気泡200を発生させる水質浄化装置150に用いられる。なお、気泡発生装置1aの用途は、水質浄化装置150に限定されず、排水処理装置、魚の養殖用水槽などの様々な用途に適用することができる。
気泡発生装置1aは、振動板2と、圧電素子4Aと、光源5とを備えている。気泡発生装置1aは、水槽10の底部の一部に開けた孔に振動板2を設け、振動板2の端部を封止ゴム51で固定している。気泡発生装置1aは、振動板2の水槽10の水(液体)と接する面側に設けた封止ゴム51により、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができる。
振動板2には、圧電素子4Aの端部が直接取り付けられており、当該圧電素子4Aにより直接振動させることができる。振動板2は、弾性を有する封止ゴム51で固定されているので、端部に設けた圧電素子4Aにより振動することができる。
気泡発生装置1aにおいても、光源5が振動板2の空気(気体)と接している他方の面側から水槽10の水に対して紫外光を発することができる。そのため、気泡発生装置1aでも、水槽10の水(液体)と接する面の対向する面から背圧(例えば、0.08atm〜0.12atm(8〜12kPa)程度)を加えるとともに、光源5で紫外光および深紫外光の波長帯の光を照射してオゾン生成による殺菌と紫外光照射による殺菌とを兼用させている。
以上のように、本実施の形態2に係る気泡発生装置1aは、振動により微細な気泡200を液体中に発生させる気泡発生装置である。気泡発生装置1aは、振動板2と、圧電素子4Aと、光源5とを備える。振動板2は、複数の細孔2bが形成され、一方の面が水槽10の水(液体)と接し、他方の面が気体と接して、紫外光に対して透過である。圧電素子4Aは、振動板2を振動させる。光源5は、振動板2の他方の面側から水槽10の水(液体)に対して紫外光を発する。
これにより、気泡発生装置1は、紫外光に対して透過な振動板2の他方の面側から水槽10の水(液体)に対して紫外光を発することができるので、オゾンを含む微細な気泡を発生させることができる気泡発生装置を低コストで、コンパクトに構成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,1a 気泡発生装置、2 振動板、2a ガラス板、2b 細孔、3 筒状体、3a 第1の端部、3b 第2の端部、3c フランジ部、3d 筒状体本体、3e リング状つば部、4,4A 圧電素子、5 光源、6 サポートガラス、10 水槽、20 コントローラ、51 封止ゴム、100,150 水質浄化装置、200 気泡。
Claims (9)
- 振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、
複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接して、紫外光に対して透過な振動板と、
前記振動板を振動させる圧電素子と、
前記振動板の前記他方の面側から前記液体槽の液体に対して紫外光を発する光源とを備える、気泡発生装置。 - 前記振動板は、ガラス板で形成されている、請求項1に記載の気泡発生装置。
- 前記ガラス板は、波長が200nm〜380nmの紫外光を透過させる材質で形成されている、請求項2に記載の気泡発生装置。
- 前記振動板は、液体と接する側の面での孔径が1μm〜20μmの前記開口部を、孔径の10倍以上の間隔で複数形成してある、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の気泡発生装置。
- 前記開口部の形状は、前記液体槽の液体と接する前記一方の面の孔径に比べ、気体と接する前記他方の面の孔径が大きいテーパ形状である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の気泡発生装置。
- 第1の端部と、前記第1の端部とは反対側の第2の端部とを有し、前記第1の端部側において、前記振動板を保持するように、前記振動板に連結されている筒状体をさらに備え、
前記圧電素子は、前記筒状体の前記第2の端部側に、前記筒状体の径方向外側に延ばされたリング状つば部に固定され、前記筒状体を振動させ、
前記筒状体の前記第1の端部に前記液体槽を結合させてある、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の気泡発生装置。 - 前記リング状つば部は、前記振動板側の第1の面と、前記第1の面とは反対側の第2の面とを有し、前記第2の面に前記圧電素子が固定されている、請求項6に記載の気泡発生装置。
- 前記筒状体は、前記第1の端部にフランジ部を設け、前記フランジ部を介して前記液体槽を結合させてある、請求項6または請求項7に記載の気泡発生装置。
- 前記フランジ部、前記筒状体および前記リング状つば部とは、同一材料で一体に形成されている、請求項8に記載の気泡発生装置。
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