JP2011206689A - 微細気泡形成装置。 - Google Patents
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- Degasification And Air Bubble Elimination (AREA)
Abstract
【解決手段】
マイクロバブル発生装置の循環路内に圧力調整槽を設け、大サイズの気泡を浮上分離させ、槽内の上部空間に回収する。また、この上部空間の気体を吸引してマイクロバブルとして液中に戻すマイクロバブル発生ノズルを前記圧力調整槽の上部に設置する。
【選択図】図1
Description
特許文献1には炭酸ガスや空気をマイクロバブルとして温水に溶解、混合させる気液混合タンクを備えたマイクロバブル・炭酸泉発生装置の発明が開示されている。
特許文献2には水温により決まる空気の溶解量を考慮し、オリフィス固定弁7から吸引される空気のすべてが気液混合タンク内の水に溶解される圧力を保持するようポンプ1の吐出圧力を設定制御することで、過剰空気が大きな泡となって浴槽内などに放出されるのを防止する発明が開示されている。
特許文献3には、貯留槽の水を外部循環路で循環させる循環路の途中に設置した、エゼクタ方式のマイクロバブル発生装置が開示されている。
特許文献5には旋回流を発生させる多数の傾斜孔を設けたプレートの発明が開示されており、マイクロバブルを更に微細化する効果があるとされている。
特許文献6は本願発明者の一人の発明であり、水噴流ノズルをオリフィス形状とし、その近傍に気体ノズルを配置した気液二相微細気泡発生装置の発明が開示されている。
炭酸ガスをマイクロバブル化する特許文献1の発明では、密閉容器に水噴射ノズルと二酸化炭素ガス噴射ノズルの噴出部を接続し、噴出効果で密閉容器内が攪拌混合され、二酸化炭酸と空気の一部を水に溶解させ、残る気体部分については攪拌効果でマイクロバブル化するとされている。
しかし、単なる噴射ノズルの噴出効果のみで気体がマイクロバブル化できるとは考え難く、大きな気泡が浴槽内に放される可能性が強い。大きな気泡となって放出される二酸化炭素には温浴効果は無くむしろ、快適な入浴妨げになる。
本願発明の課題は次の2点である。
第1の課題:貯留層に還流する液体中に大サイズの気泡が含まれると、突沸的現象が起こる。液中に含まれる気泡は全てマイクロバブル(微細気泡)化され、大サイズ気泡を除去する必要がある。
第2の課題:ガスボンベなどを用い空気以外のガスを使用する場合、マイクロバブル化できずに無駄に放出されるガスを減らす。
ここに、貯留槽は液体を貯留し、循環路は一旦貯留槽から流出させた液体を再び貯留槽に戻す一連の配管経路である。また、液体中への気体供給手段は循環ポンプの上流側、循環ポンプの下流側の何れの部位に設置されてよく、取り込み方法も吸引ノズルを用いるエゼクタ方式、高圧ガスボンベ等による圧入など如何なる方法であってもよい。
またこの循環路の途中には気泡形成手段が設けられるが、気泡形成手段は気体供給手段と一体であっても、別離のものであってもよい。気泡形成手段は循環液中に気泡を混入し、気泡の混入された液体が貯留槽に還流する。
本発明は、上記微細気泡形成装置であって、循環路の途中に少なくとも加圧液体ポンプと、圧力調整槽と、第1気泡微細化手段とが配設される。
なお、圧力調整槽には管路抵抗調節弁など、内部圧力調節部材が装着され、加圧液体ポンプの加圧限界まで槽内圧力を高めることができる。従って、貯留槽に貯留された液体を加圧ポンプで吸引し、排出側に配置された圧力調整部材の設定圧力まで内圧を高めて気体を液体中に溶解させ、再度貯留槽に還流させる時点で貯留槽内圧力まで減圧させることで液体中に微細気泡を析出させることが出来る。
また、圧力調整槽の圧力調整部を通過した液は、貯留槽内液と略同一の圧力まで減圧されるので、溶解していた気体は微細気泡として液中に析出し、微細気泡を形成する。従って、貯留槽に送出される液には第1気泡微細化手段で形成される微細気泡と、減圧過程で析出される微細気泡の2種類が混然一体に含まれる。
本発明により循環液体に供給される気体は、液中への導入時点で十分微細化されるので、加圧液体ポンプの下流に位置する圧力調整槽内まで送出されたとき、上部空間に浮上する気体量を最小限と
することができる。
また、気泡の微細化効果で気液接触面積が拡大され、加圧液体ポンプの加圧効果による液中への気体溶解過程を円滑に進行させることができる。
このとき、圧力調整槽で液中に溶解した気体は減圧効果により微細気泡として析出し、せん断効果により微細化された微細気泡と混然一体となって貯留槽に放出される。
水に炭酸ガスを微細気泡化して混入させる用途は、例えば風呂に好適である。また空気を微細化して水に混入させる方法としては風呂以外に洗浄用途などに好適である。
例えばエマルジョン燃料においては一定割合で重油に水が混入されるが、水の混入割合が大きい場合、燃料効率、排ガスなどでの改善効果はあっても、着火性に欠ける場合がある、このような場合、水素ガスを微小気泡化して混入させることで着火性が促進され、水の混入割合を増すことに伴い生じる着火性の問題を克服することができる。
本発明はエマルジョン燃料分野に於いても好適に使用できる。
(1) 第1の課題について
本発明の微細気泡形成装置では、少なくとも第1気泡微細化手段があって、気体は微細化されて液中に混入される。また微細化されない大サイズの気泡が存在したとしても大サイズの気泡は圧力調整槽に送出され、圧力調整槽内での滞留中に、液中から容易に分離浮上し、貯留層上部空間に放出される。上部空間に放出された気体は、第1気泡微細化手段により再度微細化されて液中に混合されるので、還流する液中に含まれる気泡は全てマイクロバブル(微細気泡)化され、液中には大サイズの気泡は存在しないので突沸的現象は回避され、第一の課題は解決される。
なお、気泡の微細化は第1気泡微細化手段に加え、第2気泡微細化手段や、第3気泡微細化手段を併用することで一層促進される。
空気以外のガスである炭酸ガスや水素であっても、また使用液体が水以外の例えば重油をベースとするエマルジョン燃料であっても、気体の微細気泡化効果は同じである。また、本発明では液中に存在する大きな気泡は圧力調整槽で分離回収され、再度微細化気泡として液中に戻されるので、無駄に放出される気体はなく、第二の課題も解決される。
貯留槽6に液体9が貯留されており液体は加圧液体ポンプ7により循環路8aを経由して吸引される。吸引された液体は加圧液体ポンプ7に至るまでの間に第2気泡微細化手段2により吸引ノズル22から気体を吸引し、吸引した気体を微細気泡化して液体中に混入させる。
気液混合状態の液体は循環路8bを経由して加圧液体ポンプ7に吸引される。加圧液体ポンプ7はロータリー方式のポンプで排出側の管路抵抗に対応する突出圧力を発生させる。加圧液体ポンプ7により加圧状態で送出された液体は循環路8cを経由して第1気泡微細化手段1に至る。
内部圧力調整部材5は例えば弁であり、液体流路を狭めて流路抵抗を増大させ、圧力調整槽4の内部圧力を上昇させたり、逆に液体流路を拡張させ、流路抵抗を低減させ圧力調整槽4内部圧力を降下させることができる。
液に混入された微細気泡と、加圧液体ポンプにより加圧溶された後、減圧により液中から析出した微細気泡が混然一体に含まれる。
図3、図4にこれら気泡微細化手段の構造を示す。第1と第2の気泡微細化手段に機能上の差異は無い。
まず図3のSタイプノズルの構成について説明する。
Sタイプノズルは本体30とキャップ31で構成され、本体30の中心部に流路21が設けられ液体は矢印方向(図面左から右)に流れる。液体流路の断面積は流路に沿って変化し、また断面積に対応して本体内部の流速も変化する。具体的には流路21に流入した液体はオリフィス23で急激に流路を狭められ、その後拡大流路領域24に至る。このとき吸気管22がノズル内部に開口する部位が負圧になるため吸気管22から気体が吸入される。吸入気体は高速に流れる液体にせん断されて微細気泡となり液体と混然一体となって排出口25から送出される。
Rタイプノズルは本体30とキャップ31で構成され、本体30の中心部に流路21が設けられて液体は矢印方向(図面左から右)に流れる。RタイプノズルもSタイプノズル以上に内部流路の内径が複雑に変化し、また流路に沿った断面積に対応して本体内部の流速が変化する。
まず、左端の流入路21に接続する吸気路27で流路断面積は急激に狭められ、中間流路26に至り拡大される。中間流路26の先端部にオリフィス23が設けられ、オリフィスの先は逐次流路が拡大され、拡大流路24に至る。拡大流路の先端は噴出口25であり、液体は噴出口から送出される。
なお、吸気流路27の部位は流速が最も早い部位で、この部位に接続する吸気管の開口部は負圧になり吸気管22を介して外部より気体が吸引される。吸引された気体はオリフィス部を通過する高速流体にせん断され、微細気泡となって噴出口25から送出される。
図2の基本構成は図1と同じであるが、相違点は循環路8dの先端部に第3気泡微細化手段3が設置され、この気泡微細化手段の先端が貯留槽6に開放されている点である。
図2では第3気泡微細化手段3を追加設置されるので、液中の微細気泡は更に微細化される。
第3気泡微細化手段3の代表例を図5に示す。
まず、左方より流入する液体は螺旋板15で流れ方向が旋回流に変えられる。この旋回効果で気泡はせん断力を受け微細化する。内径D1の流路を旋回しながら流れオリフィス12に至る。オリフィス部において流路は急激に狭まり流速が増す。オリフィス通過後はなだらかに流路断面が拡張され最大内径D2になる。オリフィス部では内径方向の流速勾配が大きく、液中に存在する気泡に大きなせん断力が作用し、液中に存在する微細気泡の更なる微細化が進む。オリフィス通過後流体はメッシュ16に至る。メッシュ通過時流速は局所的に変化するのでこの場合も気泡にせん断力が作用し、微細化は更に促進される。キャップ14の貯留槽6への開放口の内径はD3に狭められるので、液体は微細気泡を含み気液混合状態で勢いよく貯留槽6に放射される。
を行なった。実験装置仕様の概要は次の通りである。
実験しに使用した装置の主要部寸法は次になる。
<ノズル>
D1:9mm D2:18mm D3:6mm D4:2mm
L1:14mm L2:15mm L3:65mm
<圧力調整槽>
内径:70mm 高さ:150mm
<貯留槽>
600×300×360mm
<加圧液体ポンプ>
ロータリーポンプ 24V、50W
<配管>
内径:12mm 外径:18mm
変化を目視観察した。
条件1:第1気泡微細化手段1を通常条件(吸気管22を「開」にして)で5分間運転。
条件2:第1気泡微細化手段1の吸気管22を「閉」にして5分間運転。
この結果、定性的には次の差異が認められた。
(1)条件1で形成されるマイクロバブルは、条件2で形成されるマイクロバブルに比べ粒度が小さく、水中での滞留が長い。
(2)条件1では吸気管を介して圧力調整槽内の気体が泡状に吸引される状況が観察され、また、圧力調整層内の気体比率は条件2に比べ小さい。
本実験により、圧力調整槽内では、大型サイズの気泡が浮上分離され、これらが上部空間に滞留し
第1気泡微細化手段の吸気管に吸引されてマイクロバブル化されて再び水中に混入されるので、気
泡の微細化が一層促進されることが確認された。
これにより、本発明の請求項1に係る圧力調整槽の気泡分離機能と、請求項2に係る第1気泡微細化手段の圧力調整槽からの気体吸引効果の有効性が確認された。
ロバブル生成特性を評価した。
実験では図5〜図10に示す6種類のノズルを作成し評価した。なお、6種類のノズル構成の特徴はつぎの通りである。
Aタイプノズル(図5):螺旋流板15と、メッシュ16を共に装着
Bタイプノズル(図6):螺旋流板15のみ装着
Cタイプノズル(図7):螺旋流板15、メッシュ16の何れも装着なし
Dタイプノズル(図8):構成はAタイプノズルと同一であるが、流水方向が逆
Eタイプノズル(図9):構成はBタイプノズルと同一であるが、流水方向が逆
Fタイプノズル(図10):構成はCタイプノズルと同一であるが、流水方向が逆
貯留槽6の下部に配置された第3気泡微細化手段3に上記A〜Fの6種類のノズル順次取り付け実験を行う。なお、貯留槽6の右方より光源36(ハロゲンランプ:E17ミニレフ電球100V.40W)で照射を行い、貯留槽6を挟み対向する位置に照度計35(ミノルタ製デジタル照度計T11)を配置する。実験は周囲環境からの光を遮断して暗黒状態で光源を点燈させるので、照度計は貯留槽6を透過する光源36からの光のみを検出する。従って、貯留槽6内に配置された第3気泡微細化手段3で気泡が作られると透過光は気泡の散乱を受け、照度計で検出される光量は低減する。
透過光量の低減はマイクロバブルの発生量にほぼ比例すると思われるので、照度計を用いた透過光量(照度)の測定により、マイクロバブルの発生量の相対評価が可能であると考えた。
A〜Fの6種類のノズルについて、マイクロバブル発生3分後の照度を測定した結果は次の通りであった。なお測定結果はマイクロバブル発生前の照度を100%とした相対値で表している。
Aタイプ: 7% Dタイプ:2%
Bタイプ:10% Eタイプ:5%
Cタイプ:14% Fタイプ:9%
マイクロバブル発生効率はDタイプが最も優れ次いでEタイプ、Aタイプの順となり、最後が
Cタイプであった。これより、マイクロバブル発生にはメッシュ16と、螺旋板15が有効に作用すること、
またノズルの設置方向は、キャップ部を水流の下流側とするよりも上流側に向ける方がマイクロバブル
は効率的に発生することが確認された。
2 第2気泡微細化手段
3 第3気泡微細化手段
4 圧力調整槽
5 内部圧力調整部材
6 貯留槽
7 加圧液体ポンプ
8a、8b,8c,8d 循環路
9 液体
10 微細気泡
11 ノズル本体
12 キャップ
15 螺旋流板
16 メッシュ
22 吸気管
23 オリフィス
35 照度計
36 光源
Claims (6)
- 貯留槽と、該貯留槽に貯留される液体を外部経路で循環させる循環路と、該循環路内に設置される気体供給手段と、前記気体を微細気泡にして前記液体中に混入させる気泡形成手段と、から構成される前記貯留槽に気泡を供給する気泡形成装置であって、
少なくとも、加圧液体ポンプと、圧力調整槽と、第1気泡微細化手段と、を有し、
前記圧力調整槽が前記液体中に含まれる大サイズの気泡を浮上させ、前記圧力調整槽内部の上部空間に気体として回収することを特徴とする微細気泡形成装置。 - 前記第1気泡微細化手段が吸引ノズルを有するエゼクタ構造をなし、前記吸引ノズルの吸引口が前記圧力調整槽内上部に開放されていることを特徴とする微細気泡形成装置。
- 前記微細気泡形成装置であって、
吸引ノズルで吸引した気体を循環液体に混入させ、オリフィス構造で前記吸引した気体をせん断して微細化する第2気泡微細化手段を前記加圧液体ポンプの上流に設置することを特徴とする請求項1に記載の微細気泡形成装置。 - 前記圧力調整槽から排出される前記循環液に含まれる微細気泡を更にせん断して微細化すると伴に、前記循環液体圧力を前記貯留槽圧力まで減圧して前記貯留槽に放出する第3の気泡微細化手段を有することを特徴とする請求項1若しくは請求項3項の何れか一項に記載の微細気泡形成装置。
- 前記液体が水であって、前記気体が炭酸ガスまたは空気であることを特徴とする請求項1若しくは請求項4の何れか一項に記載の微細気泡形成装置。
- 前記液体が重油を含む燃料液体であって、前記気体が水素ガスであることを特徴とする請求項1若しくは請求項4の何れか一項に記載の微細気泡形成装置。
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