CN107530650A - 微细气泡生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于高效地生成微小气泡，并且提高含有微小气泡的液体的喷出效率。微细气泡生成装置具备：主流路，供液体流动；以及供气路，将气体导入主流路。具体地，主流路具备：颈缩部，内径比周围小；以及吸入室，设于该颈缩部的下游侧并将液体和气体混合，供气路具备与吸入室连通的供气孔，在从微细气泡生成装置的纵剖面观察时，供气孔向液体的流动方向倾斜并且与吸入室连接，并且配置为供气孔的中心轴与主流路的中心轴不相交，以便通过气体的导入在主流路生成螺旋状的旋流。

Description

微细气泡生成装置

技术领域

本发明涉及微细气泡生成装置。

背景技术

以往，提出了生成被称为所谓微泡(Micro bubble)的微小的气泡的各种技术。例如，提出了使气体吹入孔相对于流路中的液体的行进方向呈锐角倾斜、且设为具有包围流路的壁面的切线方向的成分的循环流产生装置(专利文献1)。在本技术中，通过连接压缩机、经由气体吹入孔将气体吹入流路，从而在流路内产生旋流，同时进行循环流的产生和气液混合。

此外，也提出了如下技术：在微泡产生器中采用所谓文丘里管，待导入至主通道的气体可以通过鼓风机等压送至气体导入孔，也可以自然吸引至主通道侧(专利文献2)。除此之外，还提出了如下技术：在气泡产生喷嘴、气泡产生器中采用文丘里管，产生负压(专利文献3、4)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3717767号公报

专利文献2：日本专利第5257819号公报

专利文献3：日本专利第4999996号公报

专利文献4：日本特开2014-33999号公报

发明内容

发明所要解决的问题

以往，提出了用于生成微泡的各种技术。另一方面，作为微泡的用途，可以举出清洗、水质净化。在用于清洗的情况下，使包含微泡的水流与清洗对象物碰撞，由此，微泡破碎，通过其碰撞压力能容易地将污垢从清洗对象物剥离。此外，在用于池沼等的水质净化的情况下，为了向整个净化对象供给微泡，相对于水的喷射流量，气泡量越多喷力越大，并且也能加大搅拌，因此净化作用效果显著。

因此，本发明的目的在于提供高效地生成微小气泡的装置的优选构造，并且提高含有微小气泡的液体的喷出效率。

用于解决问题的方案

本实施方式的微细气泡生成装置具备：主流路，供液体流动；以及供气路，将气体导入主流路。具体地，主流路具备：颈缩部，内径比周围小；以及吸入室，设于该颈缩部的下游侧并将气体向液体的液流进行诱导，供气路具备与吸入室连通的供气孔，在从微细气泡生成装置的纵剖面观察时，供气孔朝向液体的流动方向呈角度地与吸入室连接，并且配置为供气孔的中心轴与主流路的中心轴不相交，以便通过气体的导入在主流路生成螺旋状的旋流。

如此一来，来自设于主流路内的颈缩部的水流变成高速，通过所谓文丘里效应产生负压，能在设于颈缩部的下游侧的吸入室中介由供气孔顺利地对气体进行吸引。此外，由于供气孔与主流路中的液体的流动方向呈角度地与吸入室连接，因此能减少由气体的导入而引起的液流的流速的损失。因此，能提高微细气泡生成装置的喷出效率。此外，通过将供气孔和主流路的中心轴错开的构成，能在主流路中生成各种强度的旋流，能通过在主流路内产生的剪切力来高效地生成微细气泡。

此外，也可以是颈缩部的下游侧的端部突出至吸入室内。如此一来，能控制吸入室内的气液流的流动。

此外，也可以是吸入室的内径朝向主流路的下游侧逐渐变小。如此一来，能将液体和气体顺利地诱导至喉部。

需要说明的是，用于解决问题的方案所述的内容能够在不脱离本发明所要解决的问题和技术思想的范围内尽可能地进行组合。

发明效果

能高效地生成微小气泡，并且提高含有微小气泡的液体的喷出效率。

附图说明

图1是沿着液体流动的主流路方向将微泡生成喷嘴切断的纵剖面图。

图2是微泡生成喷嘴的内部透视立体图。

图3是沿着液体流动的主流路方向将微泡生成喷嘴切断的剖面立体图。

图4是微泡生成喷嘴的主视图。

图5是微泡生成喷嘴的俯视图。

图6是微泡生成喷嘴的左视图。

图7是微泡生成喷嘴的图5中的B-B剖面图。

图8是微泡生成喷嘴的图5中的C-C剖面图。

图9是表示将上游侧构件和下游侧构件分解后的状态的内部透视立体图。

图10是从正面示出了微泡生成喷嘴内的供气孔的内部透视图。

图11是表示模拟了装置内的压力和流速的结果的曲线图。

图12是表示对设为供气孔的轴心的延长线与主流路的中心轴错开的情况下和设为供气孔的轴心的延长线与主流路的中心轴相交的情况下的水压的大小进行了模拟的结果的曲线图。

图13是用于对设为供气孔的轴心的延长线与主流路的中心轴相交的供气孔进行说明的图。

图14是表示通过微粒测量机来测量由微泡生成喷嘴生成的微粒数的结果的曲线图。

图15是表示使用实施方式的微泡生成喷嘴来运转装置的情况下和不运转装置的情况下的溶解氧量的曲线图。

图16是表示缩径部的直径变化率不固定的上游侧构件的纵剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的微泡生成喷嘴进行说明。不过，以下所说明的实施方式只是装置的一例，本发明的装置并不限于以下的构成。

此外，在本实施方式中，将直径小于等于100μm的气泡统称为“小气泡(Finebubble)”。并且，在小气泡中，将直径1～100μm的气泡称为“微泡”，将直径小于等于1μm的气泡称为“超小气泡(纳米气泡，Nano bubble)”。微泡作为气泡是肉眼不可见的，在水中作为白浊被识别。此外，超小气泡是大小通过肉眼不能确认的气泡。此外，直径大于等于50μm的气泡具有立即扩大并浮起的性质。另一方面，直径6μm～50μm的气泡一边通过表面张力收缩，一边以大约数mm/s～数十μm/s左右的速度浮起。

本实施方式的装置主要生成微泡。但是，并不排除生成超小气泡，本实施方式的装置也可以生成包含超小气泡的小气泡。此外，也将小气泡称为本发明的“微小气泡”。

<构成以及作用>

图1是沿着液体流动的主流路方向将本实施方式的微泡生成喷嘴1切断的纵剖面图。图2是微泡生成喷嘴1的内部透视立体图。此外，图3是在与图1相同的位置将微泡生成喷嘴1切断的剖面立体图。微泡生成喷嘴1具备：供水等液体呈直线状流动的主流路(图1中单点划线的箭头)、以及将空气等气体从其周围供给至主流路的供气路(图1中双点划线的箭头)。需要说明的是，单点划线的箭头以及双点划线的箭头分别代表流体的流动方向。

在本实施方式中，对将水供给至主流路、从供气路吸引空气的结构进行说明。水可以连接泵等进行压送，也可以与水道连结进行送水。此外，如后所述，空气通过文丘里效应被吸引而无需压送。然后，在微泡生成喷嘴1内，水与空气混合，并且生成微泡，喷射含有微泡的水。在本实施方式中，为了方便，将喷射含有微泡的水的方向称为前，将供给水的一侧称为后。此外，将设有供气路的方向称为上。

图4是从前方观察微泡生成喷嘴1的主视图。图5是从上方观察微泡生成喷嘴1的俯视图。图6是微泡生成喷嘴1的左视图。此外，上述图1是图5中的A-A剖面图，相当于在其宽度方向的中央将微泡生成喷嘴1切断的纵剖面图。图7是图5中的B-B剖面图，是在从正面观察时比其宽度方向的中央偏右的位置将微泡生成喷嘴1切断的纵剖面图。图8是图5中的C-C剖面图，是以在供气路的中心与主流路正交的面将微泡生成喷嘴1切断的横剖面图。

如上述的剖面图以及内部透视图等所示，微泡生成喷嘴1通过对两个构件进行组合来形成。具体地，微泡生成喷嘴1具备：位于主流路的上游侧的作为第一构件的上游侧构件2、以及位于主流路的下游侧的作为第二构件的下游侧构件3。上游侧构件2以及下游侧构件3能使用例如不锈钢这样的金属、其他材料来形成。

图9是表示将上游侧构件2和下游侧构件3分解后的状态的微泡生成喷嘴1的内部透视立体图。由图9、上述剖面图等可知：上游侧构件2与下游侧构件3的连接部位具有上游侧构件2的内径和下游侧构件3的外径相同的部分，通过将下游侧构件3***至上游侧构件2的内部，将两者连接。具体地，上游侧构件2的下游侧端部的内径与下游侧构件3的对应部分的外径相同。

此外，下游侧构件3具有其外径比上游侧构件2的内径小的部分，在将上游侧构件2和下游侧构件3进行了组合的状态下，在两者之间形成气体吸引室4。具体地，下游侧构件3的上游侧端部的外径比上游侧构件2的对应部分的内径小。气体吸引室4是设于微泡生成喷嘴1内的环状的空间。所吸引的空气介由气体吸引室4从主流路的周围向主流路内导入。

此外，由纵剖面图等可知：主流路的直径的大小在微泡生成喷嘴1内变化。需要说明的是，即使直径的大小变化，主流路的流动方向的轴的中心也可以说几乎呈直线状。

微泡生成喷嘴1的上游侧构件2包含从连接于主流路的上游侧的供水管5(图1中只示出了内径)被供给水的供水路21。供水路21形成为其直径固定的圆柱状的空间。

然后，上游侧构件2在供水路21的下游侧具有其直径逐渐变小的缩径部22。即，缩径部22成为圆锥台状的空间。主流路成为所谓的文丘里管，在缩径部22中，从内部通过的水的流速上升，并且压力下降。

而且，上游侧构件2在缩径部22的下游侧具有作为内径最小的圆柱状空间的颈缩部23。颈缩部23的内径的大小是供水路21的内径的0.1～0.4倍左右。在颈缩部23的下游端具备圆管向下游方向突出的突状管24。在缩径部22中上升的水的流速在颈缩部23中变得更快。此外，在颈缩部23中，压力根据流速降低直至接近真空。此外，当压力降低到小于等于饱和蒸气压时，以存在于水中的气泡核作为核，通过溶解的空气的游离而产生空化气泡(Cavitation bubble)。

此外，上游侧构件2在与上述气体吸引室4连通的位置具有供气路25。空气介由供气管6(图1中只示出了内径)供给至供气路25。供气路25介由供气管6与例如外部空气相连。此外，也可以在供气管6设置用于调整外部空气的流入量的调整阀7(图1中示出了附图标记)。

此外，微泡生成喷嘴1的下游侧构件3在其上游侧的端部具有吸入室31。吸入室31的直径朝向下游侧逐渐变小。即，吸入室31也可以说是圆锥台状的空间。此外，在将上游侧构件2和下游侧构件3连接的状态下，上游侧构件2的突状管24突出至吸入室31内。此外，在吸入室31与气体吸引室4之间设有多个用于供给空气的供气孔32，吸入室31与气体吸引室4连通。在吸入室31中，通过文丘里效应产生负压，从供气孔32吸引外部空气。

由纵剖面图等可知：供气孔32朝向主流路的下游侧倾斜。换言之，供气孔32从与吸入室31的连接部向主流路的上游侧稍微倾斜并延伸。即，供气孔32朝向不与主流路的水的流动相反的方向与主流路合流。通过该倾斜，与例如主流路与供气孔32垂直地连结的情况相比，能更顺利地进行水和空气的合流。换言之，能减少由空气的供给而产生的水流的动量的损失。供气孔32与主流路的中心轴所成的角优选50～80度左右。此外，设于吸入室31的锥度使水和空气的合流变得顺利，并且发挥维持在缩径部22以及颈缩部23中上升的水流的速度的作用。此外，突状管24突出至吸入室31内，由此，能防止水流的逆流。为了防止逆流，优选突状管24的下游侧端部突出至与供气孔32的延长线相交的位置的程度。

图10是从正面观察微泡生成喷嘴1内的供气孔32的内部透视图。由图10、横剖面图等可知：供气孔32设为其轴心的延长线与主流路的中心轴错开。具体地，在从横剖面观察时，各供气孔32设于几乎相当于主流路的内壁的切线的位置。即，在从横剖面观察时，供气孔32设为在主流路内相交，供气孔32的内壁和主流路的内壁几乎相接。但是，为了制造方便，供气孔32设于比主流路的内壁靠近主流路的中心轴侧比较实际。当以这样的角度导入空气时，空气在吸入室31内呈螺旋状回旋并流动。与此相伴，从上游侧构件2流入的水也在吸入室31内呈螺旋状回旋并流动。

此外，下游侧构件3在吸入室31的下游侧具有作为内径固定的圆柱状空间的喉部(Throat)33。在喉部33中，与吸入室31相比内压上升，流过主流路的水和由吸入室31吸引的空气混合。此外，下游侧构件3在喉部33的下游侧具有内径逐渐变大的扩散(Diffuser)部34。在吸入室31内产生的旋流也在喉部33以及扩散部34内形成漩涡，产生强剪切力。同时，通过在缩径部22以及颈缩部23中生成的空化气泡与从供气孔32导入的空气碰撞，气泡也会微细化。如上所述，从供气孔32吸入的空气被粉碎化并生成微泡。然后，包含微泡的喷流从扩散部34喷射。

根据本实施方式的微泡生成喷嘴1，能减少供给至主流路的水流的动量(流速)的损失，并生成喷射力高的含有微泡的喷流。

在微泡生成喷嘴1中，为了将负压区域设为适当的长度，优选设置颈缩部23以及扩散部34，当不设置它们时，性能降低。此外，当不设置喉部33时，有时在扩散部34内产生逆流的水流。通过将缩径部22、颈缩部23、供气孔32、喉部33以及扩散部34的比率最优化，从而当供给的水压为0.3MPa时，微泡生成喷嘴1能自吸水量的80％容量的空气。

<比较例>

图11是示意地表示模拟了装置内的压力的结果的曲线图。图11的曲线图的纵轴表示压力，横轴表示距离装置内的颈缩部23的上游端的距离。实线表示打开图1的调整阀7导入空气的情况下(有空气模式)的压力的变化。单点划线表示关闭图1的调整阀7不导入空气的情况下(无空气模式)的压力的变化。需要说明的是，所供给的水的水压(与大气的相对压力)相同。此外，当变成小于等于饱和蒸气压(图11的空化生成压力)时，开始生成空化气泡。如图11所示，导入空气的情况下和不导入空气的情况下均在比供外部空气导入的吸入室31靠前的颈缩部23内开始空化气泡的生成。因此，无论有无来自供气孔32的空气的导入，都可以说是形成了生成微泡的构成。

图12是示意地表示对设为供气孔32的轴心的延长线与主流路的中心轴错开的情况下(有螺旋)、和将供气孔32设于主流路的中心轴上的情况下(无螺旋)的水压的大小进行了模拟的结果的曲线图。需要说明的是，所供给的水的水压(与大气的相对压力)相同。粗实线是表示采用如图10所示的本实施方式的供气孔32的情况下的水压的曲线图。此外，细虚线是表示采用如图13所示的不产生螺旋状的旋流的供气孔32的情况下的水压的曲线图。在图13的例子中，供气孔设为其轴心的延长线与主流路的中心轴相交。在采用本实施方式的供气孔32的情况下，可以想到：颈缩部23内的水压变得小于等于生成空化气泡的饱和水蒸气压(图12的空化生成压力)，更多地生成空化气泡。另一方面，在采用如图13所示的供气孔32的情况下，可以想到：空化气泡的生成量变少，与此同时微泡的生成效率也降低。即，即使所供给的水的压力相同，在无螺旋的情况下流速并不充分上升，在颈缩部中达不到空化生成压力。

<效果>

图14是表示通过设置在扩散部34的下游侧的微粒测量机(粒子计数器HIACRoyco)来测量由微泡生成喷嘴1生成的微粒数的结果的曲线图。图14的曲线图的横轴表示驱动压力(MPa)，纵轴表示每1mL的观测数量。在驱动压力小至0.05MPa左右的情况下，几乎观测不到微粒，但只要是那以上的驱动压力，就能够观测到。需要说明的是，鉴于装置的观测区域的情况，不对直径小于4μm的气泡进行计数，但可以想到也生成了所谓的超小气泡等。

图15是表示使用实施方式的微泡生成喷嘴1来运转装置的情况下、和不运转装置的情况下的溶解氧量的曲线图。图15的曲线图的横轴表示溶解氧量的比例，纵轴表示时刻。此外，粗线是表示将微泡生成喷嘴1连接于泵并使池水循环、生成微泡的情况下的、溶解氧量相对于饱和量的比例(溶解氧率)的曲线图。需要说明的是，装置的运转只在横轴上表示为“MB运转”的第一天的白天进行。此外，细线是表示在不生成微泡的情况下的溶解氧率的曲线图。开始前的氧溶解率不足90％，即使在第二天，进行了装置运转的情况下的氧溶解率也高。由于微泡、超小气泡长时间残存于水中，因此可以想到残存有所生成的微泡。此外，实施方式的微泡生成喷嘴1的喷射效率高，即使在数米见方的池中也能均匀地喷遍。本实验是在相比较而言氧溶解率不降低的初冬实施的，但夏季因温度上升等氧溶解率进一步降低，因此可以想到本装置的可用性提高。

<变形例>

在上述实施方式中，对在水中生成空气微泡的结构进行了说明，但也可以对主流路供给水以外的液体。此外，也可以从供气路25导入空气以外的气体。在从供气路25导入空气以外的气体的情况下，供气路25与装有对象气体的高压储气瓶等连接，而不是与外部空气连接。如此一来，能生成例如氧气、氮气、氢气、二氧化碳、臭氧等各种气体的微泡。

此外，供水路21的直径只要大于等于能得到所期望的流量的规定大小，也可以带有锥度，而不是固定的。此外，缩径部22、吸入室31、扩散部34等的锥角不限于图示的例子，也能采用适当的值。

图16是表示缩径部22的直径的大小的变化率并不固定的上游侧构件2的例子的纵剖面图。在图16的例子中，从纵剖面观察时，主流路的上游侧构件的主流路的缩径部22与供水路21的边界、以及缩径部22与颈缩部23的边界变得平滑。在上述实施方式中，为了方便，对供水路21、缩径部22、颈缩部23等分开进行了说明，但如图15所示，边界可以是模糊的。即使是这样的方式，例如只要缩径部22的直径单调递减(只要其内径朝向主流路的下游侧逐渐变小)，就与上述实施方式发挥相同的功能。此外，通过使边界平滑，从而能抑制流速的降低。直径的变化率并不固定的缩径部22能通过例如切削等金属加工、3D打印等形成。需要说明的是，对于如吸入室31、扩散部34等那样直径的大小变化的其他部分而言，也可以采用直径的大小平滑地变化的形状。

此外，供气孔32相对于主流路的倾斜角度也可以采用适当的值。此外，供气孔32的数量也不限于图示的例子。可以将设于吸入室31周围的供气孔32的数量变更为大于等于1的任意数量，此外，也可以在主流路的流动方向的前后设置多列供气孔32。

此外，并不特别限定微泡生成喷嘴1的大小。例如，可以采用使各部分的大小的比率相同并进行缩放的相似形状的微泡生成喷嘴1。如此一来，能提供对与用途的规模相应的流量进行处理的微泡生成喷嘴1。由此，能应对从较小的水槽到更大的水池的各种用途。

附图标记说明：

1 微泡生成喷嘴

2 上游侧构件

21 供水路

22 缩径部

23 颈缩部

24 突状管

25 供气路

3 下游侧构件

31 吸入室

32 供气孔

33 喉部

34 扩散部

4 气体吸引室

5 供水管

6 供气管

7 调整阀

Claims (3)

1.一种微细气泡生成装置，具备：

主流路，供液体流动；以及

供气路，将气体导入所述主流路，

所述主流路具备：颈缩部，内径比周围小；以及吸入室，设于该颈缩部的下游侧，将所述气体向所述液体的液流进行诱导，

所述供气路具备与所述吸入室连通的供气孔，

在从所述微细气泡生成装置的纵剖面观察时，所述供气孔朝向所述液体的流动方向呈角度地与所述吸入室连接，并且配置为所述供气孔的中心轴与所述主流路的中心轴不相交，以便通过所述气体的导入在所述主流路生成螺旋状的旋流。

2.根据权利要求1所述的微细气泡生成装置，其中，

所述颈缩部的下游侧的端部突出至所述吸入室内。

3.根据权利要求1或2所述的微细气泡生成装置，其中，

所述吸入室的内径朝向所述主流路的下游侧逐渐变小。