WO2023233700A1 - 気泡発生装置、および気泡発生システム - Google Patents

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WO2023233700A1
WO2023233700A1 PCT/JP2023/002070 JP2023002070W WO2023233700A1 WO 2023233700 A1 WO2023233700 A1 WO 2023233700A1 JP 2023002070 W JP2023002070 W JP 2023002070W WO 2023233700 A1 WO2023233700 A1 WO 2023233700A1
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liquid
diaphragm
bubble
bubble generator
liquid tank
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PCT/JP2023/002070
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克己 藤本
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株式会社村田製作所
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids by bubbling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
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    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations

Definitions

  • the present disclosure relates to a bubble generation device and a bubble generation system.
  • a supply unit that supplies gas is provided below the diaphragm in order to generate fine bubbles in the liquid.
  • This supply section is connected to a raw material supply pipe that supplies raw materials from outside the bubble generator.
  • a raw material container is connected to the raw material supply pipe via a pressure regulator that adjusts the pressure.
  • Patent Document 2 a predetermined gas necessary for culturing microorganisms is supplied from a compressor to a culture tank through a through hole in a diaphragm. At this time, the bubble generating device generates fine bubbles in the liquid by applying a predetermined frequency vibration to a diaphragm from a piezoelectric vibrating element to which a high frequency voltage is applied from an oscillator.
  • an object of the present disclosure is to provide a bubble generation device and a bubble generation system that can reduce the size and cost of the device.
  • a bubble generating device is a bubble generating device that is attached to a liquid tank and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank, in which a plurality of openings are formed and a first surface is
  • the device includes a diaphragm that is in contact with the liquid in the liquid tank and whose second surface is in contact with the gas, a vibrating body that supports the diaphragm, and a piezoelectric element that is provided on the vibrating body and vibrates the diaphragm.
  • the shape of each of the plurality of openings formed in the diaphragm is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side.
  • a bubble generation system includes the above-described bubble generation device and a liquid tank.
  • the shape of each of the plurality of openings formed in the diaphragm is natural because the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side. Fine air bubbles can be generated in the liquid by suction air, and a supply section for forcibly supplying gas is not required, so the device can be made smaller and lower in cost.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a bubble generation system in which a bubble generation device according to an embodiment is used.
  • FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a bubble generator according to an embodiment. It is a sectional view of the head part of the bubble generation device concerning an embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the force generated near the opening of the bubble generator according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a bubble generator according to modification 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a bubble generator according to a second modification. It is a schematic diagram of a bubble generation system for explaining the attachment position of a bubble generation device.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the bubble generation system for explaining another mounting position of the bubble generation device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a bubble generation system 100 in which a bubble generation device 1 according to an embodiment is used.
  • the bubble generator 1 shown in FIG. 1 is installed in the upper part of a liquid tank 10 that stores liquid such as water, gasoline, or light oil, and is a bubble generator system 100 that generates fine bubbles 200 in the liquid in the liquid tank 10. used.
  • the bubble generation system 100 can be applied to various systems such as, for example, a water purification device, a wastewater treatment device, a fish culture tank, and a fuel injection device.
  • the liquid introduced into the liquid tank 10 differs depending on the system to which it is applied, and if it is a water purification device, it will be water, but if it is a fuel injection device, it will be liquid fuel. Further, the liquid tank 10 only needs to be able to temporarily store liquid, and includes a pipe into which the liquid is introduced, in which the liquid always flows.
  • the bubble generator 1 includes a diaphragm 2, a vibrating body 3, and a piezoelectric element 4. Insert the bubble generator 1 through a hole made in the lid provided at the top of the liquid tank 10, and hold the bubble generator 1 with the holding flange 5 at a position where a part of the vibrating body 3 equipped with the diaphragm 2 is immersed in the liquid. It is fixed to the lid of the liquid tank 10. By vibrating the diaphragm 2 immersed in liquid by the piezoelectric element 4, fine bubbles 200 are generated from a plurality of pores (openings) formed in the diaphragm 2. Note that the diaphragm 2 is provided so that one surface (first surface) is in contact with the liquid in the liquid tank 10 and the other surface (second surface) is in contact with the gas.
  • FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of the bubble generator 1 according to the embodiment.
  • the bubble generator 1 includes a diaphragm 2, a head portion 31 that fixes the periphery of the diaphragm 2, and a cylindrical body 32 connected to the head portion 31.
  • the cylindrical body 32 is a so-called Langevin type vibrator.
  • the cylindrical body 32 has a structure in which two piezoelectric elements 4 are sandwiched between an upper metal ring 32 a and a lower metal ring 32 b and fixed with tightening bolts 34 .
  • the two piezoelectric elements 4 have a structure in which a first piezoelectric element 41 and a second piezoelectric element 42 whose polarization direction is opposite to that of the first piezoelectric element 41 are stacked. Terminals 43 and 44 that supply power to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 are connected from between the upper metal ring 32a and the lower metal ring 32b and the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42. It is pulled out and electrically connected to the controller 20 shown in FIG. 1 by wiring.
  • the cylindrical body 32 By supplying power from the controller 20 to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42, the cylindrical body 32 is driven at a resonance frequency that depends on the lengthwise dimension including the head portion 31 and the cylindrical body 32. By doing so, a large displacement can be obtained in the diaphragm 2. Since a plurality of high-order vibration modes exist in the resonance of the cylindrical body 32, it is possible to select one resonance frequency from among the plurality of resonance frequencies. Further, by narrowing down the diameter of the portion connecting the upper metal ring 32a to the head portion 31 to be smaller than other portions, the displacement of the diaphragm 2 can be further amplified.
  • a through hole 35 is provided in the center of the upper metal ring 32a, the lower metal ring 32b, and the tightening bolt 34, as shown in FIG. This is an introductory part.
  • Stainless steel, aluminum, or the like is used for the upper metal ring 32a, the lower metal ring 32b, and the tightening bolt 34.
  • ceramics such as PZT (lead zirconate titanate) and KNN ((K,Na)NbO 3 ), piezoelectric crystals such as lithium tantalate and lithium niobate are used. It will be done.
  • the cylindrical body 32 is made of SUSU304 material, the diameter of the upper metal ring 32a is 16 mm, the height including the head part is 46.5 mm, and the diameter of the lower metal ring 32b is 16 mm, and the height is 10 mm. It is.
  • the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 each have a diameter of 16 mm and a thickness of 2.55 mm.
  • the total length of the vibrating body 3 is approximately 63 mm.
  • the resonant frequency of the cylindrical body 32 depends on the shape of the head portion 31, but in the case of half-wavelength resonance, it is approximately 45 kHz.
  • the cylindrical body 32 has a structure in which the upper metal ring 32a and the lower metal ring 32b are tightened with tightening bolts 34, a compressive force bias is applied to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42. There is. Therefore, piezoelectric ceramics with low resistance to tensile stress are used for the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42, and even when the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 are driven by supplying high power, the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 The piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 have a structure that is difficult to break. Note that since the upper metal ring 32a and the lower metal ring 32b have the same potential, it is necessary to sandwich the application electrode between the two piezoelectric elements 4. The application electrode and the terminal 43 are electrically connected.
  • the cylindrical body 32 does not need to be driven by supplying large power to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42, the cylindrical body 32 does not have a structure in which the tightening bolts 34 are used to tighten the structure, and the cylindrical body 32 is constructed using a single piezoelectric element 4.
  • a structure in which the upper metal ring 32a and the lower metal ring 32b are sandwiched and bonded may be used.
  • the cylindrical body 32 may have a structure including only an upper metal ring 32a, and the piezoelectric element 4 may be bonded to the bottom surface of the upper metal ring 32a. Regardless of which structure is adopted for the cylindrical body 32, manufacturing costs can be reduced.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the head portion 31 of the bubble generator 1 according to the embodiment.
  • the head portion 31 is provided on the upper part of the cylindrical body 32 and has a truncated cone shape. Note that the shape of the head portion 31 shown in FIG. 3 is just an example, and is not limited to a truncated cone shape, and may have other shapes such as a cylindrical shape. Furthermore, the head portion 31 may be formed separately from and connected to the cylindrical body 32, or may be formed integrally with the cylindrical body 32.
  • the head portion 31 has the diaphragm 2 fixed to the upper peripheral portion of the truncated cone shape with adhesive, welding, or the like.
  • the diaphragm 2 is formed of, for example, a resin plate, a metal plate, a Si or SOI (Silicon On Insulator) substrate, a porous ceramic plate, a glass plate, or the like.
  • the outer diameter Rc of the diaphragm 2 is 9 mm, and the diaphragm 2 is thinner at the center than at the periphery.For example, the thickness at the periphery is 0.15 mm, and the center The thickness of the part is 0.05 mm.
  • the diaphragm 2 is provided with 185 openings 2a at its thinner central portion.
  • the cross-sectional shape of each opening 2a is a tapered shape in which the opening diameter Ra on one surface side (liquid side) is larger than the opening diameter Rb on the other surface side (gas side) (Ra>Rb). It becomes.
  • the cross-sectional shape of the opening 2a is not limited to a tapered shape, and may be any shape such as a stepped shape as long as the opening diameter Ra on the liquid side is larger than the opening diameter Rb on the gas side.
  • the opening diameter Ra on the liquid side is about 70 ⁇ m
  • the opening diameter Rb on the gas side is about 10 ⁇ m.
  • the diaphragm 2 is attached to the head part 31 with the large opening diameter Ra on the liquid side and the small opening diameter Rb on the gas side, and piston vibration that vibrates the diaphragm 2 up and down is generated. By doing so, it was possible to generate fine bubbles 200 in the liquid by natural intake. Conversely, if the diaphragm 2 is attached to the head section 31 with the larger opening diameter Ra on the gas side and the smaller opening diameter Rb on the liquid side, the liquid will flow unless a pressure of 20 kPa to 40 kPa is applied. It was not possible to generate fine bubbles 200. In other words, if it were reversed, the bubble generator 1 would require a compressor.
  • the aperture diameter it is thought that because the flow rate increases in a small area, a low pressure area is created, creating a pumping effect that sucks up gas from the gas side. Furthermore, when the diaphragm 2 is displaced downward due to piston vibration, the gas that enters from the opening 2a side with a smaller opening diameter spreads along the cross-sectional shape of the opening 2a, and the diaphragm 2 is displaced upward. It is also thought that the pump effect is caused by being pushed up by the tapered portion.
  • the diaphragm 2 In the bubble generating device 1, in order to produce a pump effect, it is preferable not to bend the diaphragm 2 but to vibrate a piston that vibrates up and down.
  • the easily bendable diaphragm 2 absorbs longitudinal vibrations in the liquid, functions as a "soft spring” and reduces the pumping effect. Therefore, it is preferable to cause the diaphragm 2, which is difficult to bend, to vibrate with a piston.
  • the pumping effect that occurs in the bubble generator 1 can be understood as a phenomenon that causes gas to flow in one direction from the gas side to the liquid side.
  • the pump effect produced in the bubble generator 1 can be achieved by changing parameters such as the resonance frequency (vibration mode), the height of the head section 31, the outer diameter Rc of the diaphragm 2, and the inner diameter Rd that holds the diaphragm 2. Can be optimized.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the force generated near the opening 2a of the bubble generator 1 according to the embodiment.
  • FIG. 4(a) is a schematic diagram when the amount of liquid dripping from the opening 2a is small
  • FIG. 4(b) is a schematic diagram when the amount of liquid dripping from the opening 2a is large. be.
  • the opening diameter on the gas side of one opening 2a provided in the diaphragm 2 is Rb (m)
  • the depth of the liquid (here considered water) is h (m)
  • the opening diameter Rb of the opening 2a is 1 ⁇ 10 ⁇ 7 to 1 ⁇
  • the area is 10 ⁇ 5 (m).
  • the force F1 is in the range of 2.15 ⁇ 10 ⁇ 7 to 2.15 ⁇ 10 ⁇ 5 (N) if the contact angle is 20°, and the force F2 is if the liquid depth (h) is 1 m. is also in the range of 7.96 ⁇ 10 ⁇ 11 to 7.96 ⁇ 10 ⁇ 7 (N).
  • the maximum gravity mg is in the range of 1.02 ⁇ 10 -20 to 1.02 ⁇ 10 -14 (N)
  • the contact angle is 20°
  • liquid does not leak from the opening 2a of the diaphragm 2 because the relationship F1>F2+mg is satisfied if the opening diameter of the opening 2a is up to 26 ⁇ m.
  • the opening diameter of the opening 2a is up to 26 ⁇ m is when the liquid depth (h) is 1 m, and if the liquid depth (h) is, for example, 0.1 m (10 cm). Even if the opening diameter of the opening 2a is 100 ⁇ m, the liquid does not leak from the opening 2a of the diaphragm 2.
  • the opening diameter Rb of the opening 2a is related to the size of the fine bubbles 200 to be generated, and in order to create microbubbles with a size of 100 ⁇ m or less that stay in the liquid for a long time, an opening diameter of 20 ⁇ m or less is required. preferable.
  • the limit of miniaturization and processing of the opening 2a is related to the aspect ratio between the opening diameter Rb and the thickness of the diaphragm 2, and processing with an aspect ratio exceeding 10 dramatically increases manufacturing costs. . Therefore, forming a fine opening diameter Rb is a constraint on increasing the thickness of the diaphragm 2.
  • the diaphragm 2 It is convenient to make the diaphragm 2 from metal when manufacturing it, but it is necessary to use a special plating technique to form the diaphragm because ordinary etching techniques can only form an opening diameter that is about the same as the thickness of the plate. Even so, the aspect ratio between the aperture diameter Rb and the plate thickness of the diaphragm 2 is limited to about 10, so if the aperture diameter Rb is set to 10 ⁇ m, the plate thickness of the diaphragm 2 is limited to a maximum thickness of 100 ⁇ m.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the opening diameter Rb of the opening 2a is preferably about 1 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the bubble generator 1 has the advantage of eliminating the need for a compressor to send air by realizing a pumping effect using the diaphragm 2. In addition, the amount of gas in the fine bubbles 200 to be generated can be controlled by the amount of drive of the diaphragm 2. It also has advantages. Especially when using a compressor, if the air pressure applied to the diaphragm 2 is high, the gas entering from the opening 2a will not be separated and destroyed by the diaphragm 2 and will be output as large bubbles, absorbing other fine bubbles. There was a case.
  • the bubble generator 1 also has the advantage of not requiring complicated control of a compressor or the like, since excessive gas is not supplied into the liquid due to the pump effect.
  • the bubble generator 1 is attached to the liquid tank 10 and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank 10.
  • the bubble generator 1 includes a diaphragm 2 in which a plurality of openings 2a are formed, a first surface is in contact with liquid in a liquid tank 10, and a second surface is in contact with gas, and a vibrating body 3 that supports the diaphragm 2. and a piezoelectric element 4 that is provided on the vibrating body 3 and vibrates the diaphragm 2.
  • the shape of each of the plurality of openings 2a formed in the diaphragm 2 is such that the opening diameter Ra on the liquid side is larger than the opening diameter Rb on the gas side.
  • the shape of each of the plurality of openings 2a formed in the diaphragm 2 is such that the opening diameter Ra on the liquid side is larger than the opening diameter Rb on the gas side. Fine bubbles can be generated, and a compressor or the like for forcibly supplying gas is not required, making it possible to downsize the device and reduce costs.
  • the bubble generation system 100 includes a bubble generation device 1 and a liquid tank 10. Thereby, the bubble generation system can be made smaller and lower in cost.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a bubble generator 1A according to modification 1.
  • symbol is attached
  • illustration of the diaphragm 2 is omitted.
  • the diaphragm 2 is vibrated by the piezoelectric element 4 via the vibrating body 3A.
  • the vibrating body 3A shown in FIG. 5 includes a head portion 31, a spring portion 32c, a cylindrical body 33a, and a collar portion 34a.
  • the spring portion 32c is supported by the cylindrical body 33a at a position outside the position where the head portion 31 is supported.
  • the cylindrical body 33a has a cylindrical shape.
  • the cylindrical body 33a supports the spring portion 32c at one end.
  • the end portion of the cylindrical body 33a on the opposite side to the spring portion 32c side is supported by the flange portion 34a.
  • the flange portion 34a is a plate-shaped member, supports the bottom surface of the cylindrical body 33a, and extends outward from the position where the cylindrical body 33a is supported.
  • a hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the lower surface of the flange 34a to match the shape of the flange 34a.
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction of the cylindrical body 33a (vertical direction in the figure).
  • the spring portion 32c is vibrated in the penetrating direction of the cylindrical body 33a, thereby displacing the head portion 31 substantially uniformly in the vertical direction.
  • the piezoelectric element 4 may be provided on the upper surface of the flange portion 34a.
  • the inside of the cylindrical body 33a and the through hole 35 provided in the head part 31 are connected, and the inside of the cylindrical body 33a and the through hole 35 serve as an introduction part for introducing gas into the diaphragm 2.
  • a flange 36 is provided on the outside of the cylindrical body 33a, and the bubble generator 1A is fixed to the liquid tank 10 by the flange 36.
  • the side surface of the cylindrical body 33a on which the flange 36 is formed serves as a vibration node, and serves as a support that connects the liquid side and the gas side to the flange 36 without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10. It can be separated into parts.
  • FIG. 6 is a sectional view of a bubble generator 1B according to a second modification.
  • symbol is attached
  • illustration of the diaphragm 2 is omitted.
  • the diaphragm 2 is vibrated by the piezoelectric element 4 via the vibrating body 3B.
  • the vibrating body 3B shown in FIG. 6 includes a head portion 31, a spring portion 32d, a cylindrical body 33b, and a weight portion 34b.
  • the spring portion 32d is supported by the cylindrical body 33b at a position outside the position where the head portion 31 is supported.
  • the cylindrical body 33b has a cylindrical shape.
  • the cylindrical body 33b supports the spring portion 32d at one end.
  • the cylindrical body 33b has a weight portion 34b on the outside of the end opposite to the spring portion 32d. Note that the cylindrical body 33b and the weight portion 34b are provided at positions such that when the piezoelectric element 4 vibrates the spring portion 32d, the amount of displacement of the side surface of the cylindrical body 33b falls within a predetermined range.
  • a hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the lower surface of the spring portion 32d to match the shape of the spring portion 32d.
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction of the through hole 35 provided in the head portion 31 (vertical direction in the figure).
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the direction of penetration of the through hole 35, thereby causing the spring portion 32d to vibrate in the direction of penetration of the through hole 35, thereby displacing the head portion 31 substantially uniformly in the vertical direction.
  • the inside of the cylindrical body 33b, the hole provided in the piezoelectric element 4, and the through hole 35 provided in the head portion 31 are connected, and gas is introduced into the diaphragm 2 from the inside of the cylindrical body 33b through the through hole 35.
  • a flange (not shown) is provided on the outside of the cylindrical body 33b, and the bubble generator 1B is fixed to the liquid tank 10 by the flange.
  • the side surface of the cylindrical body 33b on which the flange is formed is a vibration node, and is a support member that connects the liquid side and the gas side to the flange without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10. Can be separated.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the bubble generation system for explaining the mounting position of the bubble generation device.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the bubble generation system to explain another mounting position of the bubble generator.
  • the same components as the bubble generation system 100 shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed description thereof will not be repeated.
  • the bubble generation device 1B is fixed to the bottom surface of the liquid tank 10 so that at least a part of the vibrating body 3B that supports the diaphragm 2 is immersed in the liquid in the liquid tank 10. ing.
  • the bubble generation device 1B is fixed to the side surface of the liquid tank 10 so that at least a part of the vibrating body 3B that supports the diaphragm 2 is immersed in the liquid in the liquid tank 10. ing.
  • the attachment position of the bubble generation device 1B is above the liquid level of the liquid tank 10, and the bubble generation device 1B has at least a part of the vibrating body 3B supporting the diaphragm 2 in the liquid tank 10. is fixed toward the bottom of the liquid tank 10 so as to be immersed in the liquid.
  • the bubble generator 1 and the bubble generator 1A can also be mounted in the same position with respect to the liquid tank 10.
  • the bubble generator 1A and the bubble generator 1B compared to the bubble generator 1 which employs the vibrating body 3 of the Langevin type vibrator, the parts of the vibrating bodies 3A and 3B that are submerged in the liquid are smaller, so that the bottom surface of the liquid tank 10 It can be easily attached to any surface of the liquid tank 10.
  • the bubble generating device of the present disclosure is a bubble generating device that is attached to a liquid tank and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank, in which a plurality of openings are formed and a first surface faces the liquid.
  • a vibrating plate that is formed on the vibrating plate includes a vibrating plate that is in contact with the liquid in the tank and whose second surface is in contact with the gas, a vibrating body that supports the vibrating plate, and a piezoelectric element that is provided on the vibrating body and vibrates the vibrating plate.
  • the shape of each of the plurality of openings is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side.
  • the shape of each of the plurality of openings formed in the diaphragm is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side, so that natural suction is generated. It is possible to generate fine bubbles in the liquid, and since a supply section for forcibly supplying gas is not required, the device can be made smaller and lower in cost.
  • each of the plurality of openings has a tapered cross-sectional shape. This makes it easier for the bubble generator to generate fine bubbles in the liquid using natural air intake.
  • the vibrating body includes a head portion that supports the diaphragm, a plate-shaped spring portion that supports the head portion, A cylindrical body supporting one end of the spring part at a position outside the position supporting the head part, and a plate-shaped collar part provided at the end of the cylindrical body and extending outside the position of the cylindrical body.
  • the piezoelectric element is provided on the first surface of the flange portion on the cylindrical body side or the second surface on the opposite side of the first surface.
  • the piezoelectric element includes a cylindrical body that supports one end of the spring part at a position outside the position supporting the head part, and a weight part provided at the end of the cylindrical body. It is provided on the surface of the supported spring part.
  • a bubble generation system of the present disclosure includes the bubble generation device according to any one of (1) to (7) and a liquid tank. Thereby, the bubble generation system can be made smaller and lower in cost.
  • the bubble generation device is installed at a position above the liquid level of the liquid tank, and at least a part of the vibrating body supporting the diaphragm is exposed to the liquid in the liquid tank. It is fixed toward the bottom of the liquid tank so that it can be submerged. Thereby, the bubble generation system can generate fine bubbles in the liquid from the top surface of the liquid tank.

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Abstract

本開示は、装置の小型化、低コスト化が可能な気泡発生装置、および気泡発生システムを提供することである。本開示に係る気泡発生装置（１）は、液体槽（１０）に取り付けられ、液体槽（１０）の液体中に微細な気泡を発生させる。気泡発生装置（１）は、複数の開口部が形成され、第１の面が液体槽（１０）の液体と接し、第２の面が気体と接する振動板（２）と、振動板（２）を支持する振動体（３）と、振動体（３）に設けられ、振動板（２）を振動させる圧電素子（４）と、を備える。振動板（２）に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、液体側の開口径が気体側の開口径に比べて大きい。

Description

気泡発生装置、および気泡発生システム
　本開示は、気泡発生装置、および気泡発生システムに関する。
　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（特開２０１６－２０９８２５号公報（特許文献１）、特開２０１４－１５０７８４号公報（特許文献２））。また、気泡発生装置は、水以外に、液体燃料、消毒液、化粧液などに対して微細な気泡を発生させる用途開発が進んでいる。例えば、燃料噴射装置に気泡発生装置を設け、ピストンに噴射する液体燃料に対して微細な気泡を含ませることで燃費の改善が報告されている。
特開２０１６－２０９８２５号公報 特開２０１４－１５０７８４号公報
　特開２０１６－２０９８２５号公報（特許文献１）に記載の気泡発生装置では、微細な気泡を液体に発生させるために、振動板の下に気体を供給する供給部が設けられている。この供給部は、気泡発生装置の外部から原料を供給する原料供給管に接続される。原料供給管には、圧力を調整する調圧器を介して、原料容器が接続されている。気体を原料として気泡発生装置で気泡を作製する場合には、原料容器にガスボンベ等を使用する必要があった。
　特開２０１４－１５０７８４号公報（特許文献２）に記載の気泡発生装置では、微生物培養に必要な所定の気体が、コンプレッサから、振動板の貫通孔を通して培養槽に供給される。このとき、気泡発生装置は、発振機から高周波電圧を印加された圧電振動素子から振動板に所定の周波数振動が与えられることで微細な気泡を液体に発生させている。
　そのため、いずれの気泡発生装置であっても、微細な気泡を液体に発生させるためには、振動板の下側からガスボンベやコンプレッサなどで気体を強制的に供給する必要があり、装置の小型化、低コスト化の妨げになっていた。
　そこで、本開示の目的は、装置の小型化、低コスト化が可能な気泡発生装置、および気泡発生システム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、液体槽に取り付けられ、液体槽の液体中に微細な気泡を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、第１の面が液体槽の液体と接し、第２の面が気体と接する振動板と、振動板を支持する振動体と、振動体に設けられ、振動板を振動させる圧電素子と、を備える。振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第１の面側の開口径が第２の面側の開口径に比べて大きい。
　本開示の別の一形態に係る気泡発生システムは、前述の気泡発生装置と、液体槽と、を備える。
　本開示によれば、気泡発生装置において、振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第１の面側の開口径が第２の面側の開口径に比べて大きいので自然吸気で液体に微細な気泡を発生させることができ、気体を強制的に供給する供給部が不要となるために装置の小型化、低コスト化が可能となる。
実施の形態に係る気泡発生装置が用いられる気泡発生システムの概略図である。 実施の形態に係る気泡発生装置の断面斜視図である。 実施の形態に係る気泡発生装置のヘッド部の断面図である。 実施の形態に係る気泡発生装置の開口部の付近に生じる力を説明するための概略図である。 変形例１に係る気泡発生装置の断面図である。 変形例２に係る気泡発生装置の断面図である。 気泡発生装置の取り付け位置を説明するための気泡発生システムの概略図である。 気泡発生装置の別の取り付け位置を説明するための気泡発生システムの概略図である。
　（実施の形態）
　以下に、実施の形態に係る気泡発生装置、および気泡発生システムについて、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。
　まず、図１は、実施の形態に係る気泡発生装置１が用いられる気泡発生システム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，ガソリン，軽油などの液体を貯留する液体槽１０の上部に設けられ、液体槽１０の液体に微細な気泡２００を発生させる気泡発生システム１００に用いられる。なお、気泡発生システム１００は、例えば、水質浄化装置、排水処理装置、魚の養殖用水槽、燃料噴射装置などの様々なシステムに適用することができる。
　また、液体槽１０は、適用するシステムにより導入される液体が異なり、水質浄化装置であれば水になるが、燃料噴射装置であれば液体燃料になる。さらに、液体槽１０は、液体を一時的に貯留することができればよく、液体が導入される管において当該管の中を常に液体が流れるようなものも含む。
　気泡発生装置１は、振動板２と、振動体３と、圧電素子４とを備えている。液体槽１０の上部に設けた蓋部に開けた孔から気泡発生装置１を挿入し、振動板２を設けた振動体３の一部が液体に浸かる位置で気泡発生装置１を保持フランジ５で液体槽１０の蓋部に固定している。液体に浸かった振動板２を圧電素子４により振動させることにより、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。なお、振動板２は、一方の面（第１の面）が液体槽１０の液体と接し、他方の面（第２の面）が気体と接するように設けられる。
　図２は、実施の形態に係る気泡発生装置１の断面斜視図である。気泡発生装置１は、図２に示すように、振動板２と、振動板２の周辺部を固定するヘッド部３１と、ヘッド部３１に連なる筒状体３２とで構成されている。筒状体３２は、いわゆるランジュバン型振動子である。筒状体３２は、上側金属リング３２ａと下側金属リング３２ｂとで２枚の圧電素子４を挟んで締め付け用ボルト３４で固定した構造である。
　２枚の圧電素子４は、第１圧電素子４１と、第１圧電素子４１に対して分極方向を反対にした第２圧電素子４２とを重ねた構成になっている。第１圧電素子４１および第２圧電素子４２に対して電力を供給する端子４３，４４が、上側金属リング３２ａ，下側金属リング３２ｂと第１圧電素子４１，第２圧電素子４２との間から引き出され、図１に示すコントローラ２０と配線で電気的に接続されている。
　コントローラ２０から第１圧電素子４１，第２圧電素子４２に電力を供給することで、ヘッド部３１および筒状体３２を含めた長さ方向の寸法に依存する共振周波数で筒状体３２を駆動することにより、振動板２において大きな変位が得られる。筒状体３２の共振には、複数の高次の振動モードが存在するため複数の共振周波数の中から１つの共振周波数を選択することが可能である。また、上側金属リング３２ａからヘッド部３１に繋がる部分の径を他の部分より小さく絞り込むことで、振動板２の変位をさらに増幅することができる。
　なお、上側金属リング３２ａ，下側金属リング３２ｂ、および締め付け用ボルト３４の中心部には、図２に示すように貫通孔３５が設けてあり、当該貫通孔３５が振動板２へ気体を導入する導入部となっている。上側金属リング３２ａ，下側金属リング３２ｂ、および締め付け用ボルト３４には、ステンレスやアルミなどが用いられる。第１圧電素子４１，第２圧電素子４２には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＫＮＮ（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）などのセラミック，タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウムなどの圧電結晶が用いられる。
　具体的に、筒状体３２は、ＳＵＳＵ３０４材で形成し、上側金属リング３２ａの径が１６ｍｍ、ヘッド部を含む高さが４６．５ｍｍ、下側金属リング３２ｂの径が１６ｍｍ、高さが１０ｍｍである。第１圧電素子４１，第２圧電素子４２は、それぞれ径が１６ｍｍ、厚みが２．５５ｍｍである。振動体３の全長は、６３ｍｍ程度になる。筒状体３２の共振周波数は、ヘッド部３１の形状にも依存するが半波長の共振の場合、約４５ｋＨｚ前後である。
　筒状体３２は、上側金属リング３２ａと下側金属リング３２ｂとを締め付け用ボルト３４で締め付ける構造となっているため、第１圧電素子４１，第２圧電素子４２に圧縮力のバイアスが加わっている。そのため、引っ張り応力に対する耐性が小さい圧電セラミックスを第１圧電素子４１，第２圧電素子４２に採用し、第１圧電素子４１，第２圧電素子４２に大電力を供給して駆動した場合でも第１圧電素子４１，第２圧電素子４２が破壊し難い構造となっている。なお、上側金属リング３２ａと下側金属リング３２ｂとは同電位となるため、２枚の圧電素子４の中間に印加電極を挟む必要がある。当該印加電極と端子４３とが電気的に接続されている。
　なお、筒状体３２は、第１圧電素子４１，第２圧電素子４２に大電力を供給して駆動する必要がなければ、締め付け用ボルト３４で締め付ける構造とせずに、１枚の圧電素子４を上側金属リング３２ａと下側金属リング３２ｂとで挟んで接着する構造でもよい。また、筒状体３２は、上側金属リング３２ａのみの構造とし、当該上側金属リング３２ａの底面に圧電素子４を接着する構造でもよい。筒状体３２にいずれの構造を採用しても、製造コストを下げることができる。
　図３は、実施の形態に係る気泡発生装置１のヘッド部３１の断面図である。ヘッド部３１は、筒状体３２の上部に設けられ、円錐台形状をしている。なお、図３に示すヘッド部３１の形状は一例であり、円錐台形状に限定されず、円筒形状など他の形状であってもよい。また、ヘッド部３１は、筒状体３２と別に形成して接続しても、一体で形成してもよい。
　ヘッド部３１は、円錐台形状の上周辺部に接着剤や溶接などで振動板２を固定している。振動板２は、例えば、樹脂板、金属板、ＳｉもしくはＳＯＩ（Silicon　On　Insulator）基板、多孔質のセラミック板、ガラス板などで形成されている。具体的に、振動板２の外径Ｒｃは９ｍｍで、振動板２は、周辺部の厚みに比べて中央部の厚みが薄いものを使用し、例えば周辺部の厚みが０．１５ｍｍで、中央部の厚みが０．０５ｍｍである。
　振動板２は、厚みが薄くなっている中央部に１８５個の開口部２ａ設けられている。各々の開口部２ａの断面形状は、図３に示すように一方の面側（液体側）の開口径Ｒａが他方の面側（気体側）の開口径Ｒｂより大きい（Ｒａ＞Ｒｂ）テーパ形状となっている。なお、開口部２ａの断面形状は、テーパ形状に限定されず、少なくとも液体側の開口径Ｒａが気体側の開口径Ｒｂより大きければ、階段形状など何れの形状であってもよい。具体的に、液体側の開口径Ｒａは約７０μｍで、気体側の開口径Ｒｂは約１０μｍである。
　気泡発生装置１では、開口径の大きい開口径Ｒａを液体側に開口径の小さい開口径Ｒｂを気体側にして振動板２をヘッド部３１に取り付け、振動板２を上下に振動させるピストン振動をさせることで、自然吸気で液体に微細な気泡２００を発生させることができた。逆に、開口径の大きい開口径Ｒａを気体側に開口径の小さい開口径Ｒｂを液体側にして振動板２をヘッド部３１に取り付けた場合、２０ｋＰａ～４０ｋＰａの気圧を印加しなければ、液体に微細な気泡２００を発生させることができなかった。つまり、逆にした場合、気泡発生装置１は、コンプレッサが必要であった。
　気泡発生装置１では、開口径の大きい開口径Ｒａを液体側に開口径の小さい開口径Ｒｂを気体側にして振動板２をヘッド部３１に取り付け、振動板２をピストン駆動させた場合、自然吸気で液体に気体を送り込むポンプ効果が生じていると考えられる。このポンプ効果は、ベルヌーイの法則に基づいて説明することができる。具体的に、開口径の大きい開口径Ｒａを液体側に開口径の小さい開口径Ｒｂを気体側にして振動板２をヘッド部３１に取り付け、振動板２をピストン駆動させた場合、開口径の小さい部分で流速が増加することから圧力の低い部分が作り出され気体側から気体を吸い上げるポンプ効果が生じていると考えられる。また、ピストン振動によって振動板２が下方向へ変位した際、開口径の小さい開口部２ａ側から侵入した気体は、開口部２ａの断面形状に沿って広がるとともに、振動板２の上方向へ変位によってテーパ形状の部分で押し上げられることでポンプ効果が生じているとも考えられる。
　気泡発生装置１において、ポンプ効果を生じさせるには振動板２を屈曲させず、上下に振動させるピストン振動をさせることが好ましい。屈曲しやすい振動板２では、液体中で縦振動が吸収されてしまい「柔らかなばね」として機能してポンプ効果が減ぜられる。そのため、屈曲し難い振動板２をピストン振動させることが好ましい。気泡発生装置１において生じるポンプ効果は、気体側から液体側への一方向への気体の流れを生じさせる現象としてとらえることができる。なお、気泡発生装置１において生じるポンプ効果は、共振周波数（振動モード）、ヘッド部３１の高さ、振動板２の外径Ｒｃ、振動板２を保持する内径Ｒｄなどのパラメータを変更することで最適化することができる。
　図１に示すように、気泡発生装置１を液体槽１０の上部に設ける場合は、開口部２ａからの液漏れは問題とならないが、気泡発生装置１を液体槽１０の底面に設ける場合、開口径の大きい開口径Ｒａを液体側に開口径の小さい開口径Ｒｂを気体側にして振動板２をヘッド部３１に取り付けることで、開口部２ａからの液漏れが問題となる。
　そのため、開口部２ａからの液漏れについて検討する。図４は、実施の形態に係る気泡発生装置１の開口部２ａの付近に生じる力を説明するための概略図である。図４（ａ）は、開口部２ａから垂れている液体の量が小さい場合の概略図であり、図４（ｂ）は、開口部２ａから垂れている液体の量が大きい場合の概略図である。
　まず、振動板２に設けた１つの開口部２ａの気体側の開口径をＲｂ（ｍ）とし、液体（ここでは、水と考える）の深さをｈ（ｍ）とし、気体側の開口部２ａにある液体と界面との接触角をθ（°）とし、開口部２ａから垂れている液体の重さをｍ（ｋｇ）とする。液体（水）の表面張力は、γ＝０．７２８Ｎ／ｍであるので、図中上向きに力Ｆ１が生じる。この力Ｆ１は、式１と表せる。
Ｆ１＝２π×（Ｒｂ／２）×γ×ｃｏｓθ
　　　　　　　　　　＝０．７２８π（Ｒｂ）ｃｏｓθ（Ｎ）　・・・（式１）
　開口部２ａにかかる液体の圧力（水圧）は、液体の深さ１ｍに対して０．１気圧＝１０１３０Ｎ／ｍ２であり、開口部２ａの断面積はπ×（Ｒｂ／２）２（ｍ２）であるので、図中下向きに力Ｆ２が生じる。この力Ｆ２は、式２と表せる。
Ｆ２＝１０１３０×ｈ×π×（Ｒｂ／２）２（Ｎ）　・・・（式２）
　垂れている液体の質量ｍは、最大でも開口径Ｒｂの球であると考えると、４×π×（Ｒｂ／２）２／３（ｋｇ）となるので、図中下向きに重力ｍｇが生じる。この重力ｍｇは、式３と表せる。
ｍｇ（ｍａｘ）＝９．８×π×（Ｒｂ）２／３（Ｎ）　・・・（式３）
　そのため、図４（ａ）に示すように、Ｆ１＞Ｆ２＋ｍｇの関係が成り立つ限り、液体が振動板２の開口部２ａから漏れないことになる。具体的に、振動板２の開口部２ａの開口径は、ファインバブル（１００μｍ未満）～ウルトラファインバブル（１μｍ未満）として考えると、開口部２ａの開口径Ｒｂは１×１０－７～１×１０－５（ｍ）の領域となる。力Ｆ１は、接触角が仮に２０°とすると、２．１５×１０－７～２．１５×１０－５（Ｎ）の範囲となり、力Ｆ２は、液体の深さ（ｈ）を仮に１ｍとしても、７．９６×１０－１１～７．９６×１０－７（Ｎ）の範囲となる。重力ｍｇは最大で１．０２×１０－２０～１．０２×１０－１４（Ｎ）の範囲となるので、ほぼ力Ｆ１と力Ｆ２の関係で液体が振動板２の開口部２ａから漏れるか漏れないかが決まる。接触角が２０°の場合、計算上、開口部２ａの開口径が２６μｍまでであれば、Ｆ１＞Ｆ２＋ｍｇの関係を満たすので液体が振動板２の開口部２ａから漏れない。なお、開口部２ａの開口径が２６μｍまでであるとする結果は、液体の深さ（ｈ）が１ｍの場合であり、液体の深さ（ｈ）が例えば０．１ｍ（１０ｃｍ）になれば開口部２ａの開口径が１００μｍであっても液体が振動板２の開口部２ａから漏れない。
　ここで、接触角が０°の場合、式１～式３を用いて開口部２ａの開口径Ｒｂと、液体の深さｈ、および水の表面張力を１とした液体の表面張力比γａとの関係を求めると式４のように求めることができる。
Ｒｂ＜２８×１０－６×（γａ）／ｈ　・・・（式４）
液体の深さｈが１ｍで、液体が水（γａ＝１）であれば、開口部２ａの開口径Ｒｂは２８μｍ未満と求まる。つまり、開口部２ａの開口径Ｒｂが２８μｍ未満であれば、液体が振動板２の開口部２ａから漏れることなく、空気を送るコンプレッサなど不要で液体に微細な気泡２００を発生させることができる。
　また、接触角が仮に８０°の場合であっても、式１～式３を用いて開口部２ａの開口径Ｒｂと、液体の深さｈ、および水の表面張力を１とした液体の表面張力比γａとの関係を求めると式５のように求めることができる。
Ｒｂ＜５×１０－６×（γａ）／ｈ　・・・（式５）
液体の深さｈが１ｍで、液体が水（γａ＝１）であれば、開口部２ａの開口径Ｒｂは５μｍ未満と求まる。つまり、開口部２ａの開口径Ｒｂが５μｍ未満であれば、液体が振動板２の開口部２ａから漏れることなく、空気を送るコンプレッサなど不要で液体に微細な気泡２００を発生させることができる。
　振動板２は、上述したように板厚が厚く屈曲しにくいものがより適している。また、開口部２ａの開口径Ｒｂは発生させる微細な気泡２００のサイズに関係しており、液体中で長くとどまる、いわゆる１００μｍ以下のサイズのマイクロバブルを作成するためには２０μｍ以下の開口径が好ましい。一方、開口部２ａの微細化と加工の限界は、開口径Ｒｂと振動板２の板厚とのアスペクト比に関係しており、アスペクト比が１０を超える加工は飛躍的に製造コストが高くなる。よって、微細な開口径Ｒｂを形成することが振動板２の板厚を厚くすることの制約となる。なお、開口部２ａの断面形状をテーパ形状とすることで、振動板２の板厚を厚くすることの制約が緩和される。しかし、開口部２ａの断面形状をテーパ形状とすることで、開口径Ｒａによる開口部２ａのピッチ間隔が製造する際の新たな制約となる。
　振動板２は、製造を考えると金属製が簡便であるが、通常のエッチング技術では板厚と同じ程度の開口径しか形成できないため、特殊なメッキ技術を使って形成する必要がある。それでも開口径Ｒｂと振動板２の板厚とのアスペクト比は１０程度に制限されるため、開口径Ｒｂを１０μｍとするなら振動板２の板厚は最大でも１００μｍの厚みに制約される。ＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）技術を用いることで、開口部２ａの断面形状をテーパ形状とする以外に、表裏から違った開口径の孔を形成して開口部を加工することが可能となる。その他、振動板２の材料にセラミックやガラスを用いるのであれば、サンドブラスト技術やレーザー加工技術を援用して非対称な孔加工が可能となる。開口部２ａの開口径Ｒｂは、１μｍ～２０μｍ程度が好ましい。
　気泡発生装置１では、振動板２によるポンプ効果を実現したことで空気を送るコンプレッサなどが不要となるメリットのほかに、発生させる微細な気泡２００の気体量を振動板２の駆動量で制御できるメリットも有している。特にコンプレッサを用いた場合、振動板２に印加する気圧が高いと開口部２ａから入った気体が振動板２で剥離破壊されずに大きな気泡として出力され、他の微細な気泡を吸収してしまう場合があった。気泡発生装置１では、ポンプ効果により過剰に気体が液体中に供給されることが生じないため、コンプレッサなどを制御する複雑な制御が不要となるメリットも有している。
　以上のように、実施の形態に係る気泡発生装置１は、液体槽１０に取り付けられ、液体槽１０の液体中に微細な気泡を発生させる。気泡発生装置１は、複数の開口部２ａが形成され、第１の面が液体槽１０の液体と接し、第２の面が気体と接する振動板２と、振動板２を支持する振動体３と、振動体３に設けられ、振動板２を振動させる圧電素子４と、を備える。振動板２に形成された複数の開口部２ａのそれぞれの形状は、液体側の開口径Ｒａが気体側の開口径Ｒｂに比べて大きい。
　これにより、気泡発生装置１では、振動板２に形成された複数の開口部２ａのそれぞれの形状は、液体側の開口径Ｒａが気体側の開口径Ｒｂに比べて大きいので自然吸気で液体に微細な気泡を発生させることができ、気体を強制的に供給するコンプレッサなどが不要となるために装置の小型化、低コスト化が可能となる。
　気泡発生システム１００は、気泡発生装置１と、液体槽１０と、を備える。これにより、気泡発生システムの小型化、低コスト化が可能である。
　（変形例１）
　図２に示す気泡発生装置１では、振動体３がランジュバン型振動子であると説明したが、これに限られず振動板２を上下に振動させるピストン振動をする振動体であれば、何れの構造であってもよい。図５は、変形例１に係る気泡発生装置１Ａの断面図である。なお、図５に示す気泡発生装置１Ａのうち、図２に示す気泡発生装置１と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。また、図５に示す気泡発生装置１Ａでは、振動板２の図示を省略している。
　気泡発生装置１Ａでは、振動体３Ａを介して圧電素子４で振動板２を振動させている。図５に示す振動体３Ａは、ヘッド部３１、バネ部３２ｃ、筒状体３３ａ、つば部３４ａを含んでいる。
　バネ部３２ｃは、ヘッド部３１を支持する位置の外側にある位置において筒状体３３ａにより支持されている。筒状体３３ａは、円筒状の形状である。筒状体３３ａは、一方の端によりバネ部３２ｃを支持する。筒状体３３ａは、バネ部３２ｃ側とは反対側の端部がつば部３４ａに支持されている。つば部３４ａは、板状の部材であり、円筒状の筒状体３３ａの底面を支持し、筒状体３３ａを支持した位置から外側に向かって延伸している。
　つば部３４ａの下面には、つば部３４ａの形状に合わせて中空円状の圧電素子４が設けられている。圧電素子４は、筒状体３３ａの貫通方向（図中、上下方向）に振動する。圧電素子４が筒状体３３ａの貫通方向に振動することにより、バネ部３２ｃを筒状体３３ａの貫通方向に振動させてヘッド部３１が略均一に上下方向に変位させる。なお、圧電素子４は、つば部３４ａの上面に設けてもよい。
　筒状体３３ａの内側とヘッド部３１に設けた貫通孔３５とは繋がっており、筒状体３３ａの内側および貫通孔３５が振動板２へ気体を導入する導入部となっている。筒状体３３ａの外側には、フランジ３６が設けられており、当該フランジ３６で気泡発生装置１Ａが液体槽１０に固定されている。当該フランジ３６が形成された筒状体３３ａの側面は振動のノードとなっており、圧電素子４の振動を液体槽１０に伝えることなく、液体側と気体側とを当該フランジ３６と接合する支持部材で分離することができる。
　（変形例２）
　図６は、変形例２に係る気泡発生装置１Ｂの断面図である。なお、図６に示す気泡発生装置１Ｂのうち、図２に示す気泡発生装置１と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。また、図６に示す気泡発生装置１Ｂでは、振動板２の図示を省略している。
　気泡発生装置１Ｂでは、振動体３Ｂを介して圧電素子４で振動板２を振動させている。図６に示す振動体３Ｂは、ヘッド部３１、バネ部３２ｄ、筒状体３３ｂ、錘部３４ｂを含んでいる。
　バネ部３２ｄは、ヘッド部３１を支持する位置の外側にある位置において筒状体３３ｂにより支持されている。筒状体３３ｂは、円筒状の形状である。筒状体３３ｂは、一方の端によりバネ部３２ｄを支持する。筒状体３３ｂは、バネ部３２ｄ側とは反対側の端部の外側に錘部３４ｂを有している。なお、筒状体３３ｂおよび錘部３４ｂは、圧電素子４によりバネ部３２ｄを振動させた場合に筒状体３３ｂの側面の変位量が所定の範囲内となる位置に設けてある。
　バネ部３２ｄの下面には、バネ部３２ｄの形状に合わせて中空円状の圧電素子４が設けられている。圧電素子４は、ヘッド部３１に設けた貫通孔３５の貫通方向（図中、上下方向）に振動する。圧電素子４が貫通孔３５の貫通方向に振動することにより、バネ部３２ｄを貫通孔３５の貫通方向に振動させてヘッド部３１を略均一に上下方向に変位させている。
　筒状体３３ｂの内側と圧電素子４に設けた孔とヘッド部３１に設けた貫通孔３５とは繋がっており、筒状体３３ｂの内側から貫通孔３５を経て振動板２へ気体を導入する導入部となっている。筒状体３３ｂの外側には、図示していないがフランジが設けられており、当該フランジで気泡発生装置１Ｂが液体槽１０に固定されている。当該フランジか形成された筒状体３３ｂの側面は振動のノードとなっており、圧電素子４の振動を液体槽１０に伝えることなく、液体側と気体側とを当該フランジと接合する支持部材で分離することができる。
　気泡発生装置１Ｂを液体槽１０に固定した気泡発生システムについて説明する。図７は、気泡発生装置の取り付け位置を説明するための気泡発生システムの概略図である。図８は、気泡発生装置の別の取り付け位置を説明するための気泡発生システムの概略図である。なお、図７および図８に示す気泡発生システムのうち、図１に示す気泡発生システム１００と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。
　図７（ａ）に示す気泡発生システム１００Ａは、気泡発生装置１Ｂが、少なくとも振動板２を支持する振動体３Ｂの一部が液体槽１０の液体に浸かるように液体槽１０の底面に固定されている。図７（ｂ）に示す気泡発生システム１００Ｂは、気泡発生装置１Ｂが、少なくとも振動板２を支持する振動体３Ｂの一部が液体槽１０の液体に浸かるように液体槽１０の側面に固定されている。
　図８に示す気泡発生システム１００Ｃは、気泡発生装置１Ｂの取り付け位置が液体槽１０の液面より上側で、気泡発生装置１Ｂが少なくとも振動板２を支持する振動体３Ｂの一部が液体槽１０の液体に浸かるように液体槽１０の底面に向かって固定されている。
　液体槽１０に対する気泡発生装置１Ｂの取り付け位置について、図７および図８で説明したが、気泡発生装置１および気泡発生装置１Ａについても液体槽１０に対して同様の位置に取り付けることができる。なお、気泡発生装置１Ａおよび気泡発生装置１Ｂでは、ランジュバン型振動子の振動体３を採用する気泡発生装置１に比べると、液体に沈む振動体３Ａ，３Ｂの部分が少ないため液体槽１０の底面に取り付けやすく、液体槽１０の面を選ばずに取り付けられる。
　（態様）
　（１）本開示の気泡発生装置は、液体槽に取り付けられ、液体槽の液体中に微細な気泡を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、第１の面が液体槽の液体と接し、第２の面が気体と接する振動板と、振動板を支持する振動体と、振動体に設けられ、振動板を振動させる圧電素子と、を備え、振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第１の面側の開口径が第２の面側の開口径に比べて大きい。
　本開示の気泡発生装置によれば、振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第１の面側の開口径が第２の面側の開口径に比べて大きいので自然吸気で液体に微細な気泡を発生させることができ、気体を強制的に供給する供給部が不要となるために装置の小型化、低コスト化が可能となる。
　（２）（１）に記載の気泡発生装置であって、複数の開口部のそれぞれの断面形状は、テーパ形状である。これにより、気泡発生装置は、自然吸気で液体に微細な気泡を発生させやすくなる。
　（３）（１）または（２）に記載の気泡発生装置であって、第１の面側の開口径をＲｂとし、振動板から液体槽の液面までの距離をｈとし、水の表面張力を１とした液体の表面張力比をγａとした場合、Ｒｂ＜２８×１０－６×（γａ）／ｈの関係を満たす。これにより、気泡発生装置は、液体が振動板の開口部から漏れない。
　（４）（１）または（２）に記載の気泡発生装置であって、第１の面側の開口径をＲｂとし、振動板から液体槽の液面までの距離をｈとし、水の表面張力を１とした液体の表面張力比をγａとした場合、Ｒｂ＜５×１０－６×（γａ）／ｈの関係を満たす。これにより、気泡発生装置は、液体が振動板の開口部から漏れない。
　（５）（１）～（４）のいずれか１項に記載の気泡発生装置であって、振動体は、ランジュバン型振動子で構成されている。これにより、気泡発生装置は、振動板を上下に振動させるピストン振動をさせやすい。
　（６）（１）～（４）のいずれか１項に記載の気泡発生装置であって、振動体は、振動板を支持するヘッド部と、ヘッド部を支持する板状のバネ部と、ヘッド部を支持する位置より外側にある位置においてバネ部の一方の端を支持する筒状体と、筒状体の端部に設けられ、筒状体の位置より外側に伸びる板状のつば部と、を含み、圧電素子は、つば部の筒状体側の第１面または第１面の反対側の第２面に設けられている。これにより、気泡発生装置は、振動板を上下に振動させるピストン振動をさせやすい。
　（７）（１）～（４）のいずれか１項に記載の気泡発生装置であって、振動体は、振動板を支持するヘッド部と、ヘッド部を支持する板状のバネ部と、ヘッド部を支持する位置より外側にある位置においてバネ部の一方の端を支持する筒状体と、筒状体の端部に設けられる錘部と、を含み、圧電素子は、筒状体により支持されるバネ部の面に設けられている。これにより、気泡発生装置は、振動板を上下に振動させるピストン振動をさせやすい。
　（８）本開示の気泡発生システムは、（１）～（７）のいずれか１項に記載の気泡発生装置と、液体槽と、を備える。これにより、気泡発生システムは、装置の小型化、低コスト化が可能である。
　（９）（８）に記載の気泡発生システムであって、気泡発生装置は、少なくとも振動板を支持する振動体の一部が液体槽の液体に浸かるように液体槽の底面または側面に固定されている。これにより、気泡発生システムは、液体槽の底面または側面から液体中に微細な気泡を発生させることができる。
　（１０）（８）に記載の気泡発生システムであって、気泡発生装置は、取り付け位置が液体槽の液面より上側で、少なくとも振動板を支持する振動体の一部が液体槽の液体に浸かるように液体槽の底面に向かって固定されている。これにより、気泡発生システムは、液体槽の上面から液体中に微細な気泡を発生させることができる。
　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。本開示の範囲は、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，１Ｂ　気泡発生装置、２　振動板、２ａ　開口部、３，３Ａ，３Ｂ　振動体、４，４１，４２　圧電素子、５　保持フランジ、１０　液体槽、２０　コントローラ、３１　ヘッド部、３２，３３ａ，３３ｂ　筒状体、３２ａ　上側金属リング、３２ｂ　下側金属リング、３２ｃ，３２ｄ　バネ部、３４　締め付け用ボルト、３４ａ　つば部、３４ｂ　錘部、３５　貫通孔、３６　フランジ、４３，４４　端子、１００，１００Ａ～１００Ｃ　気泡発生システム、２００　気泡。

Claims (10)

  1. 　液体槽に取り付けられ、前記液体槽の液体中に微細な気泡を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、第１の面が前記液体槽の液体と接し、第２の面が気体と接する振動板と、
    　前記振動板を支持する振動体と、
    　前記振動体に設けられ、前記振動板を振動させる圧電素子と、を備え、
    　前記振動板に形成された前記複数の開口部のそれぞれの形状は、前記第１の面側の開口径が前記第２の面側の開口径に比べて大きい、気泡発生装置。
  2. 　前記複数の開口部のそれぞれの断面形状は、テーパ形状である、請求項１に記載の気泡発生装置。
  3. 　前記第１の面側の開口径をＲｂとし、前記振動板から前記液体槽の液面までの距離をｈとし、水の表面張力を１とした液体の表面張力比をγａとした場合、Ｒｂ＜２８×１０－６×（γａ）／ｈの関係を満たす、請求項１または請求項２に記載の気泡発生装置。
  4. 　前記第１の面側の開口径をＲｂとし、前記振動板から前記液体槽の液面までの距離をｈとし、水の表面張力を１とした液体の表面張力比をγａとした場合、Ｒｂ＜５×１０－６×（γａ）／ｈの関係を満たす、請求項１または請求項２に記載の気泡発生装置。
  5. 　前記振動体は、ランジュバン型振動子で構成されている、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。
  6. 　前記振動体は、
    　　前記振動板を支持するヘッド部と、
    　　前記ヘッド部を支持する板状のバネ部と、
    　　前記ヘッド部を支持する位置より外側にある位置において前記バネ部の一方の端を支持する筒状体と、
    　　前記筒状体の端部に設けられ、前記筒状体の位置より外側に伸びる板状のつば部と、を含み、
    　前記圧電素子は、前記つば部の前記筒状体側の第１面または前記第１面の反対側の第２面に設けられている、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。
  7. 　前記振動体は、
    　　前記振動板を支持するヘッド部と、
    　　前記ヘッド部を支持する板状のバネ部と、
    　　前記ヘッド部を支持する位置より外側にある位置において前記バネ部の一方の端を支持する筒状体と、
    　　前記筒状体の端部に設けられる錘部と、を含み、
    　前記圧電素子は、前記筒状体により支持される前記バネ部の面に設けられている、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。
  8. 　請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の前記気泡発生装置と、
    　前記液体槽と、を備える、気泡発生システム。
  9. 　前記気泡発生装置は、少なくとも前記振動板を支持する前記振動体の一部が前記液体槽の液体に浸かるように前記液体槽の底面または側面に固定されている、請求項８に記載の気泡発生システム。
  10. 　前記気泡発生装置は、取り付け位置が前記液体槽の液面より上側で、少なくとも前記振動板を支持する前記振動体の一部が前記液体槽の液体に浸かるように前記液体槽の底面に向かって固定されている、請求項８に記載の気泡発生システム。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011050832A (ja) * 2009-08-31 2011-03-17 Hisanori Makuta 微小気泡発生装置および発生法
JP2013521112A (ja) * 2010-03-02 2013-06-10 アカル エネルギー リミテッド 泡を発生させる装置および方法
JP2014076443A (ja) * 2012-09-18 2014-05-01 Nihon Univ 微小バブル発生装置、微小吐出孔ノズル及びその製造方法
WO2020189270A1 (ja) * 2019-03-19 2020-09-24 株式会社村田製作所 気泡発生装置
WO2021245995A1 (ja) * 2020-06-03 2021-12-09 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011050832A (ja) * 2009-08-31 2011-03-17 Hisanori Makuta 微小気泡発生装置および発生法
JP2013521112A (ja) * 2010-03-02 2013-06-10 アカル エネルギー リミテッド 泡を発生させる装置および方法
JP2014076443A (ja) * 2012-09-18 2014-05-01 Nihon Univ 微小バブル発生装置、微小吐出孔ノズル及びその製造方法
WO2020189270A1 (ja) * 2019-03-19 2020-09-24 株式会社村田製作所 気泡発生装置
WO2021245995A1 (ja) * 2020-06-03 2021-12-09 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム

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