JP2017189733A - 微細気泡生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小気泡を効率よく生成させると共に、微小気泡を含有する液体の噴出効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】微細気泡生成装置は、液体が流れる主流路と、主流路に気体を導入する給気路とを備える。具体的には、主流路は、周囲よりも内径が小さくなった絞り部と、当該絞り部の下流側に設けられ液体と気体とを混合する吸い込み室とを備え、給気路は、吸い込み室と連通する給気孔を備え、給気孔は、微細気泡生成装置の縦断面視において液体の流れる方向に傾斜しつつ吸い込み室と接続され、且つ気体の導入により主流路においてらせん状の旋回流を生成するように給気孔の中心軸と主流路の中心軸とが交わらないように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細気泡生成装置に関する。

従来、いわゆるマイクロバブルと呼ばれる微小な気泡を生成する様々な技術が提案されている。例えば、気体吹き込み穴を、流路における液体の進行方向に対して鋭角に斜向させ、かつ、流路を包囲する壁面の接線方向の成分を持つように設けた循環流発生装置が提案されている（特許文献１）。本技術では、コンプレッサを接続し、気体吹き込み穴を通じて流路に気体を吹き込むことで、流路内に旋回流を発生させて循環流の発生と気液混合とを同時に行う。

また、マイクロバブル発生器においていわゆるベンチュリ管を採用し、主通路に導入させる気体は送風機等により気体導入孔に圧送してもよいし、主通路側に自然吸引させてもよいとする技術も提案されている（特許文献２）。その他にも、バブル発生ノズルやバブル発生器においてベンチュリ管を採用し、負圧を発生させる技術は提案されている（特許文献３、４）。

特許第３７１７７６７号公報 特許第５２５７８１９号公報 特許第４９９９９９６号公報 特開２０１４−３３９９９号公報

従来、マイクロバブルを生成するための様々な技術が提案されている。一方、マイクロバブルの用途には、洗浄や水質浄化が挙げられる。洗浄に用いる場合、マイクロバブルを含む水流と洗浄対象物とを衝突させることでマイクロバブルが圧壊し、その衝撃圧力によって汚れを洗浄対象物から容易に剥離することができる。また、池沼等の水質浄化に用いる場合、浄化対象全体にマイクロバブルを供給するためには、水の噴射流量に対して気泡量が多いほど噴力が大きく、かつ撹拌も大きくできるため、浄化作用効果が大きくなる。

そこで、本発明は、微小気泡を効率よく生成させる装置の最適構造と共に、微小気泡を含有する液体の噴出効率を向上させることを目的とする。

本実施形態に係る微細気泡生成装置は、液体が流れる主流路と、主流路に気体を導入する給気路とを備える。具体的には、主流路は、周囲よりも内径が小さくなった絞り部と、当該絞り部の下流側に設けられ液体の液流へ気体を誘導する吸い込み室とを備え、給気路は、吸い込み室と連通する給気孔を備え、給気孔は、微細気泡生成装置の縦断面視において液体の流れる方向に向かって角度をつけて吸い込み室と接続され、且つ気体の導入により主流路においてらせん状の旋回流を生成するように給気孔の中心軸と主流路の中心軸とが交わらないように配置される。

このようにすれば、主流路内に設けられた絞り部からの水流は高速となり、いわゆるベンチュリ効果により負圧が生じ、絞り部の下流側に設けられた吸い込み室において給気孔
を介して気体をスムーズに吸引することができるようになる。また、給気孔は主流路における液体の流れる方向に角度をつけて吸い込み室と接続されているため、気体の導入による液流の流速のロスを低減することができる。したがって、微細気泡生成装置の噴出効率を向上させることができる。また、給気孔と主流路の中心軸をずらす構成により、主流路において種々の強さの旋回流を生成することができ、主流路内に生じるせん断力により微細気泡を効率的に生成することができる。

また、絞り部は、その下流側の端部が吸い込み室内に突出するようにしてもよい。このようにすれば、吸い込み室内における気液流の流動を制御することができる。

また、吸い込み室は、主流路の下流側に向けてその内径が徐々に小さくなるようにしてもよい。このようにすれば、液体と気体をスムーズにスロート部に誘導することができるようになる。

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。

微小気泡を効率よく生成させると共に、微小気泡を含有する液体の噴出効率を向上させることができる。

マイクロバブル生成ノズルを液体の流れる主流路方向に沿って切断した縦断面図である。 マイクロバブル生成ノズルの内部透過斜視図である。 マイクロバブル生成ノズルを液体の流れる主流路方向に沿って切断した断面斜視図である。 マイクロバブル生成ノズルの正面図である。 マイクロバブル生成ノズルの平面図である。 マイクロバブル生成ノズルの左側面図である。 マイクロバブル生成ノズルの、図５におけるＢ−Ｂ断面図である。 マイクロバブル生成ノズルの、図５におけるＣ−Ｃ断面図である。 上流側部材と下流側部材とを分解した状態を示す内部透過斜視図である。 マイクロバブル生成ノズル内の給気孔を正面から示した内部透過図である。 装置内の圧力と流速とをシミュレーションした結果を示すグラフである。 給気孔の軸心の延長線が主流路の中心軸とずれるように設けた場合と、給気孔の軸心の延長線が主流路の中心軸と交わるように設けた場合との水圧の大きさをシミュレーションした結果を示すグラフである。 給気孔の軸心の延長線が主流路の中心軸と交わるように設けた給気孔を説明するための図である。 マイクロバブル生成ノズルにより生成される微粒子数を、微粒子測定機により測定した結果を示すグラフである。 実施形態に係るマイクロバブル生成ノズルを用いて装置を運転した場合と、運転しない場合との溶存酸素量を示すグラフである。 縮径部の径の変化率が一定でない上流側部材を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るマイクロバブル生成ノズルについて、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に説明する実施形態は装置の一例であり、本発明に係る装置は
、以下の構成には限定されない。

また、本実施形態では、直径１００μｍ以下の気泡を「ファインバブル」と総称する。そして、ファインバブルのうち、直径１〜１００μｍのものを「マイクロバブル」と呼び、直径１μｍ以下のものを「ウルトラファインバブル（ナノバブル）」と呼ぶものとする。マイクロバブルは気泡としては目視できず、水中においては白濁として認識される。また、ウルトラファインバブルは、目視では確認できない大きさの気泡である。また、直径５０μｍ以上の気泡は、すぐに拡大しつつ浮上する性質がある。一方、直径６μｍ〜５０μｍの気泡は、表面張力により収縮しながら約数ｍｍ／ｓ〜数十μｍ／ｓ程度の速度で浮上する。

本実施形態に係る装置は、主としてマイクロバブルを生成する。ただし、ウルトラファインバブルの生成を除外するものではなく、本実施形態に係る装置は、ウルトラファインバブルを含むファインバブルを生成するものであってもよい。また、ファインバブルを、本発明に係る「微小気泡」とも呼ぶものとする。

＜構成及び作用＞
図１は、本実施形態に係るマイクロバブル生成ノズル１を、液体の流れる主流路方向に沿って切断した縦断面図である。図２は、マイクロバブル生成ノズル１の内部透過斜視図である。また、図３は、マイクロバブル生成ノズル１を図１と同じ位置で切断した断面斜視図である。マイクロバブル生成ノズル１は、直線状に水等の液体が流れる主流路（図１における一点鎖線の矢印）と、主流路にその周囲から空気等の気体を供給する給気路（図１における二点鎖線の矢印）とを備えている。なお、一点鎖線の矢印及び二点鎖線の矢印は、それぞれ流体の流れる方向を表している。

本実施形態では、主流路に水が供給され、給気路からは空気が吸引されるものとして説明する。水はポンプ等を接続して圧送するようにしてもよいし、水道と連結して送水されるようにしてもよい。また、空気は、後述するようにベンチュリ効果により、圧送する必要なく吸引されるようになっている。そして、マイクロバブル生成ノズル１内において水と空気が混合されると共に、マイクロバブルが生成され、マイクロバブルを含有する水が噴射される。本実施形態では、便宜上、マイクロバブルを含有する水を噴射する方向を前、水が供給される側を後ろと呼ぶ。また、給気路が設けられた方向を上と呼ぶ。

図４は、マイクロバブル生成ノズル１を前から見た正面図である。図５は、マイクロバブル生成ノズル１を上から見た平面図である。図６は、マイクロバブル生成ノズル１の左側面図である。また、上述した図１は、図５におけるＡ−Ａ断面図であり、マイクロバブル生成ノズル１をその幅方向の中央で切断した縦断面図に相当する。図７は、図５におけるＢ−Ｂ断面図であり、マイクロバブル生成ノズル１をその幅方向の中央よりも正面から向かって右寄りの位置で切断した縦断面図である。図８は、図５におけるＣ−Ｃ断面図であり、マイクロバブル生成ノズル１を給気路の中心で主流路と直交する面で切断した横断面図である。

上述した断面図及び内部透過図等に示すように、マイクロバブル生成ノズル１は、２つの部材を組み合わせることにより形成されている。具体的には、マイクロバブル生成ノズル１は、主流路の上流側に位置する第１の部材である上流側部材２と、主流路の下流側に位置する第２の部材である下流側部材３とを備える。上流側部材２及び下流側部材３は、例えばステンレス鋼のような金属、その他の材料を用いて形成することができる。

図９は、上流側部材２と下流側部材３とを分解した状態を示すマイクロバブル生成ノズル１の内部透過斜視図である。図９や上述した断面図等からわかるように、上流側部材２
と下流側部材３との接続箇所は、上流側部材２の内径と下流側部材３の外径とが同一である部分を有し、上流側部材２の内部に下流側部材３を挿入することで両者が接続される。具体的には、上流側部材２の下流側端部の内径が、下流側部材３の対応する部分の外径と同一になっている。

また、下流側部材３は、その外径が上流側部材２の内径よりも小さい部分を有し、上流側部材２と下流側部材３とを組み合わせた状態において両者の間に気体吸引室４が形成される。具体的には、下流側部材３の上流側端部の外径が、上流側部材２の対応する部分の内径よりも小さくなっている。気体吸引室４は、マイクロバブル生成ノズル１内に設けられた環状の空間である。吸引される空気は、気体吸引室４を介して、主流路の周囲から主流路内へ導入される。

また、縦断面図等からわかるように、主流路の径の大きさは、マイクロバブル生成ノズル１内において変化している。なお、径の大きさが変化しても主流路の流れ方向の軸の中心はほぼ直線状といえる。

マイクロバブル生成ノズル１の上流側部材２は、主流路の上流側に接続される給水管５（図１に内径のみを図示）から水が供給される給水路２１を含む。給水路２１は、その径が一定である円柱状の空間になっている。

そして、上流側部材２は、給水路２１の下流側に、その径が徐々に小さくなっていく縮径部２２を有する。すなわち、縮径部２２は、円錐台状の空間になっている。主流路はいわゆるベンチュリ管になっており、縮径部２２においては内部を通過する水の流速が上昇するとともに、圧力が低下する。

さらに、上流側部材２は、縮径部２２の下流側に、最も内径が小さい円柱状の空間である絞り部２３を有する。絞り部２３の内径は、給水路２１の内径に対して０．１〜０．４倍程度の大きさになっている。絞り部２３の下流端には、円管が下流方向に突き出した突状管２４を備えている。縮径部２２において上昇した水の流速は、絞り部２３においてより速くなる。また、絞り部２３においては、流速に応じて圧力が真空近くまで低下する。また、圧力が飽和蒸気圧以下に低下すると、水中に存在していた気泡核を核として、溶解していた空気の遊離によってキャビテーション気泡が生じる。

また、上流側部材２は、上述した気体吸引室４と連通する位置に給気路２５を有する。給気路２５には、給気管６（図１に内径のみ図示）を介して空気が供給される。給気路２５は、給気管６を介して例えば外気とつながっている。また、給気管６には、外気の流入量を調整するための調整弁７（図１に記号を図示）を設けるようにしてもよい。

また、マイクロバブル生成ノズル１の下流側部材３は、その上流側の端部に吸い込み室３１を有する。吸い込み室３１は、その径が下流側に向かって徐々に小さくなっている。すなわち、吸い込み室３１も円錐台状の空間といえる。また、上流側部材２と下流側部材３とを接続した状態において、吸い込み室３１内には上流側部材２の突状管２４が突き出している。また、吸い込み室３１と気体吸引室４との間には、空気を供給するための給気孔３２が複数設けられ、吸い込み室３１と気体吸引室４とは連通している。吸い込み室３１では、ベンチュリ効果によって負圧が生じ、給気孔３２から外気が吸引される。

縦断面図等からわかるように、給気孔３２は、主流路の下流側に向かって傾斜している。換言すれば、給気孔３２は、吸込み室３１との接続部から、主流路の上流側にやや傾いて伸びている。すなわち、給気孔３２は、主流路の水の流れに逆らわない方向に向かって主流路と合流している。この傾斜により、例えば主流路と給気孔３２とが垂直に連結され
る場合よりも、水と空気との合流をスムーズに行うことができる。換言すれば、空気の供給により生じる水流の勢いのロスを低減することができるようになっている。給気孔３２と主流路の中心軸とのなす角は５０〜８０度程度が好ましい。また、吸い込み室３１に設けられたテーパは、水と空気との合流をスムーズにすると共に、縮径部２２及び絞り部２３で上昇した水流の速度を維持する役割を果たす。また、突状管２４が吸い込み室３１内に突出することにより、水流の逆流を防止することができる。逆流を防止するためには、突状管２４の下流側端部が、給気孔３２の延長線と交わる位置程度まで突出していることが好ましい。

図１０は、マイクロバブル生成ノズル１内の給気孔３２を正面から見た内部透過図である。図１０や横断面図等からわかるように、給気孔３２は、その軸心の延長線が主流路の中心軸とずれるように設けられている。具体的には、各給気孔３２は、横断面視において主流路の内壁の接線にほぼ相当する位置に設けられている。すなわち、横断面視において給気孔３２は主流路内に交わるように設けられており、給気孔３２の内壁と主流路の内壁とがほぼ接するようになっている。ただし、製造の都合上、給気孔３２は主流路の内壁よりも主流路の中心軸側に設けることが実際的である。このような角度で空気が導入されると、空気は吸い込み室３１内においてらせん状に旋回して流れる。これに伴い、上流側部材２から流入する水も、吸い込み室３１内においてはらせん状に旋回して流れるようになる。

また、下流側部材３は、吸い込み室３１の下流側に、内径が一定の円柱状の空間であるスロート部３３を有する。スロート部３３では、内圧が吸い込み室３１よりも上昇し、主流路を流れる水と吸い込み室３１で吸引された空気とが混合される。また、下流側部材３は、スロート部３３の下流側に、内径が徐々に大きくなるディフューザ部３４を有する。吸い込み室３１内において発生した旋回流は、スロート部３３及びディフューザ部３４内においても渦を形成し、強いせん断力を生じる。同時に、縮径部２２及び絞り部２３において生成したキャビテーション気泡と給気孔３２から導入された空気とが衝突することによっても気泡が微細化する。以上のようにして、給気孔３２から取り込まれた空気が微塵化されてマイクロバブルが生成される。そして、マイクロバブルを含むジェットがディフューザ部３４から噴射される。

本実施形態に係るマイクロバブル生成ノズル１によれば、主流路に供給される水流の勢い（流速）のロスを低減し、噴射力の高いマイクロバブル含有ジェットを生成することができる。

マイクロバブル生成ノズル１において、負圧領域を適切な長さとするためには、絞り部２３及びディフューザ部３４を設けることが好ましく、これらを設けないと性能が低下する。また、スロート部３３を設けないとディフューザ部３４内に逆流する水流が生じることがある。縮径部２２、絞り部２３、給気孔３２、スロート部３３、及びディフューザ部３４の比率を最適化することにより、マイクロバブル生成ノズル１は、供給される水圧が０．３ＭＰａのとき、水量の８０％の容量の空気を自吸することができるようになる。

＜比較例＞
図１１は、装置内の圧力をシミュレーションした結果を模式的に示すグラフである。図１１のグラフは、縦軸は圧力を示し、横軸は装置内の絞り部２３の上流端からの距離を示す。実線は、図１の調整弁７を開放し、空気を導入する場合（空気ありモデル）の圧力の変化を示す。一点鎖線は、図１の調整弁７を閉じ、空気を導入しない場合（空気なしモデル）の圧力の変化を示す。なお、供給される水の水圧（大気との相対圧力）は同一である。また、キャビテーション気泡は、飽和蒸気圧（図１１のキャビテーション生成圧力）以下になると生成が始まる。図１１に示すように、空気を導入する場合と導入しない場合の
いずれも、外気が導入される吸い込み室３１より手前の絞り部２３内において、キャビテーション気泡の生成が始まっている。したがって、給気孔３２からの空気の導入の有無にかかわらず、マイクロバブルを生成させられる構成になっているといえる。

図１２は、給気孔３２の軸心の延長線が主流路の中心軸とずれるように設けた場合（らせんあり）と、給気孔３２を主流路の中心軸上に設けた場合（らせんなし）との水圧の大きさをシミュレーションした結果を模式的に示すグラフである。なお、供給される水の水圧（大気との相対圧力）は同一である。太い実線は、図１０に示したような本実施形態に係る給気孔３２を採用する場合の水圧を示すグラフである。また、細い破線は、図１３に示すような、らせん状の旋回流を発生させないような給気孔３２を採用する場合の水圧を示すグラフである。図１３の例では、給気孔は、その軸心の延長線が主流路の中心軸と交わるように設けられている。本実施形態に係る給気孔３２を採用する場合は、絞り部２３内の水圧が、キャビテーション気泡が生成する飽和水蒸気圧（図１２のキャビテーション生成圧力）以下になり、キャビテーション気泡がより多く生成されると考えられる。一方、図１３に示すような給気孔３２を採用する場合、キャビテーション気泡の生成量が少なくなり、これと同時にマイクロバブルの生成効率も低下すると考えられる。すなわち、供給される水の圧力が同一であっても、らせんなしの場合は流速が十分に上がらず、絞り部ではキャビテーション生成圧力に到達しない。

＜効果＞
図１４は、マイクロバブル生成ノズル１により生成される微粒子数を、ディフューザ部３４の下流側に設置した微粒子測定機（パーティクルカウンター ＨＩＡＣ Ｒｏｙｃｏ）により測定した結果を示すグラフである。図１４のグラフは、横軸が駆動圧力（ＭＰａ）を表し、縦軸が１ｍＬ当たりの観測数を表す。駆動圧力が０．０５ＭＰａ程度まで小さい場合は微粒子はほぼ観測されないが、それ以上の駆動圧力であれば観測されるようになる。なお、装置の観測域の都合上、直径４μｍ未満の気泡は計数されていないが、いわゆるウルトラファインバブル等も生成していると考えられる。

図１５は、実施形態に係るマイクロバブル生成ノズル１を用いて装置を運転した場合と、運転しない場合との溶存酸素量を示すグラフである。図１５のグラフは、横軸が溶存酸素量の割合を表し、縦軸が時刻を表す。また、太線は、マイクロバブル生成ノズル１をポンプに接続して池の水を循環させ、マイクロバブルを生成させた場合の、飽和量に対する溶存酸素量の割合（溶存酸素率）を示すグラフである。なお、装置の運転は、横軸に「ＭＢ運転」と示した初日の日中のみ行った。また、細線は、マイクロバブルを生成させない場合の、溶存酸素率を示すグラフである。開始前は酸素溶存率が９０％弱であり、２日目においても装置運転をした場合の方が酸素溶存率は高かった。マイクロバブルやウルトラファインバブルは水中に長期間残存するため、生成されたマイクロバブルが残存しているものと考えられる。また、実施形態に係るマイクロバブル生成ノズル１は、噴射効率が良く、数メートル四方の池においても万遍なく行きわたらせることができた。本実験は比較的酸素溶存率が低下しない初冬に実施したが、夏場は温度上昇などにより酸素溶存率がより低下するため、本装置の有用性が高まると考えられる。

＜変形例＞
上述の実施形態では水中に空気のマイクロバブルを生成するものとして説明したが、主流路には水以外の液体を供給してもよい。また、給気路２５からは空気以外の気体を導入するようにしてもよい。給気路２５から空気以外の気体を導入する場合、給気路２５は外気でなく対象の気体を保持するボンベ等に接続される。このようにすれば、例えば酸素、窒素、水素、二酸化炭素、オゾン等、様々な気体のマイクロバブルを生成することができる。

また、給水路２１の径は、所望の流量が得られる所定の大きさ以上であれば、一定でなくテーパが付いていてもよい。また、縮径部２２や吸い込み室３１、ディフューザ部３４等のテーパ角は、図示した例に限らず適切な値を採用することができる。

図１６は、縮径部２２の径の大きさの変化率が一定でない上流側部材２の例を示す縦断面図である。図１６の例では、縦断面視において主流路の上流側部材の主流路の縮径部２２と給水路２１との境界、及び縮径部２２と絞り部２３との境界が滑らかになっている。上述の実施形態では給水路２１、縮径部２２、絞り部２３等を便宜上、分けて説明したが、図１５に示すように境界は曖昧であってもよい。このような態様であっても、例えば縮径部２２の径が単調減少すれば（主流路の下流側に向けてその内径が徐々に小さくなれば）、上述の実施形態と同様に機能する。また、境界を滑らかにすることで、流速の低下を抑制することができる。径の変化率が一定でない縮径部２２は、例えば切削等の金属加工や、３Ｄプリンティング等により形成することができる。なお、吸い込み室３１、ディフューザ部３４等のように径の大きさが変化する他の部分についても、径の大きさが滑らかに変化する形状にしてもよい。

また、給気孔３２の主流路に対する傾斜角度も、適切な値を採用することができる。また、給気孔３２の数も、図示した例には限定されない。吸い込み室３１の周囲に設けられる給気孔３２の数を１以上の任意の数に変更してもよく、また、主流路の流れ方向の前後に複数列の給気孔３２を設けるようにしてもよい。

また、マイクロバブル生成ノズル１の大きさは特に限定されない。例えば、各部の大きさの比率を同一にして拡縮した相似形状のマイクロバブル生成ノズル１を採用するようにしてもよい。このようにすれば、用途の規模に応じた流量を処理するマイクロバブル生成ノズル１を提供することができる。よって、比較的小さな水槽から、より大きな池まで様々な用途に対応することができる。

１ ：マイクロバブル生成ノズル
２ ：上流側部材
２１：給水路
２２：縮径部
２３：絞り部
２４：突状管
２５：給気路
３ ：下流側部材
３１：吸い込み室
３２：給気孔
３３：スロート部
３４：ディフューザ部
４ ：気体吸引室
５ ：給水管
６ ：給気管
７ ：調整弁

Claims (3)

1. 液体が流れる主流路と、
   前記主流路に気体を導入する給気路と、
   を備える微細気泡生成装置であって、
   前記主流路は、周囲よりも内径が小さくなった絞り部と、当該絞り部の下流側に設けられ、前記液体の液流へ前記気体を誘導する吸い込み室とを備え、
   前記給気路は、前記吸い込み室と連通する給気孔を備え、
   前記給気孔は、前記微細気泡生成装置の縦断面視において前記液体の流れる方向に向かって角度をつけて前記吸い込み室と接続され、且つ前記気体の導入により前記主流路においてらせん状の旋回流を生成するように前記給気孔の中心軸と前記主流路の中心軸とが交わらないように配置される
   微細気泡生成装置。
2. 前記絞り部は、その下流側の端部が前記吸い込み室内に突出している
   請求項１に記載の微細気泡生成装置。
3. 前記吸い込み室は、前記主流路の下流側に向けてその内径が徐々に小さくなる
   請求項１又は２に記載の微細気泡生成装置。
   

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