JP6792254B1 - ファインバブル発生器 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、粒子径約1μm以下のウルトラファインバブルについては、マイクロバブルの延長線上にはない効果も現れることがわかっており、さらなる気泡の微小化をターゲットとして研究が進められている。例えば、そのような効果として、ウルトラファインバブルは、個体壁と壁面に付着した汚れの界面や汚れ内部へ速やかに浸透し、付着塩のような「固い付着物」に対しても洗浄効果があることがわかっている。
1.内面円筒状の側壁とその両端を閉じる閉塞壁からなり、側壁に流体導入口、一方の閉塞壁に気液吐出口を備え、流体導入口が、両閉塞壁の中間より気液吐出口寄りに、側壁の内面の接線方向に側壁を貫通するように設けられたウルトラファインバブル発生器であって、側壁の内面に、螺旋状溝が形成されたファインバブル発生器。
2.側壁の内面の全体に螺旋状溝が形成された前記1のファインバブル発生器。
3.螺旋状溝の傾斜角度が1〜10°である前記1又は2のいずれか1のファインバブル発生器。
4.流体導入口の傾斜角度が、螺旋状溝の傾斜角度と略同一である、前記1〜3のいずれか1のファインバブル発生器。
5.気液吐出口の内壁に溝が形成された前記1〜4のいずれか1のファインバブル発生器。
6.他方の閉塞壁に気体導入口を備えた前記1〜5のいずれか1のファインバブル発生器。
7.前記6のファインバブル発生器に気体と液体を供給し、ファインバブルを発生させるファインバブル発生システムであって、気体供給部から気体導入口を経て気体を直接供給する経路と、該気体供給部から気液混合部、ポンプを経て、気液混合状態で気体を流体導入口から供給する経路とを備え、かつ、該気体供給部と該気液混合部の間に両経路を選択的に切り換えることのできる切換え弁を備えるファインバブル発生システム。
図1〜4は、本発明のファインバブル発生器の実施例である。図5は、図1のファインバブル発生器を使ったときの、微小気泡発生までの流れを示している。
本発明のファインバブル発生器は、いわゆる、旋回液流式のファインバブル発生器である。図1を参照すると、本発明のファインバブル発生器は、内面円筒状の側壁と一方の閉塞壁2、他方の閉塞壁3で囲まれた内部空間を有し、側壁の内面1の接線方向に側壁を貫通するように流体導入口4が設けられ(図5b)、一方の閉塞壁2に気液吐出口5を備えている。図1をみるとさらに、他方の閉塞壁3に気体導入口6を備えているが、これはあってもなくてもよい。また、閉塞壁は必ずしも平面である必要はなく、ドーム状になっていても錘状になっていてもよい。さらに、後述するように、側壁の内面には螺旋状溝が形成されるがこの溝の傾斜に合わせて閉塞壁を傾けて、断面長方形状のファインバブル発生器(図1c)を断面平行四辺形状となるようにしてもよい。
本発明のファインバブル発生器は、内面円筒状の側壁をもつので側壁の内面は円筒状であるが、側壁外部は必ずしも円筒状である必要はない。例えば側壁の内面は円筒状で、側壁外部は多角柱状、特に四角柱状としてもよい。四角柱状とすれば製造時の加工が容易になる。
本発明のファインバブル発生器の側壁の流体導入口4は、側壁の内面1の接線方向に側壁を貫通するように設けられている(図5b)。接線方向に気液混合体あるいは液体を圧入することで、強い旋回流を生じさせることができる。流体導入口4の位置は両閉塞壁の中間より気液吐出口5寄りに設けられている。
気液混合体は、流体導入口4から側壁に内面1の接線方向に圧入されて高速で旋回し(図5b)、その結果、気泡の微小化が促進され、気液吐出口5から、ウルトラファインバブルを含む液体が放出される。気体導入口6があるときは、気体導入口から気体を導入し、かつ、流体導入口から液体を圧入してもよい。使用する気体と液体は、空気ー水系、酸素ー水系などである。
なお、図2〜4のファインバブル発生器は、図1と気液吐出口5の内壁の構造のみが異なる。
また流体の流れる方向と螺旋状溝の傾斜角がより揃いやすくなるように、流体導入口4へ続く、流体導入口4と、略同一の方向へ延び、略同一の内径を持つ中空状の、流体導入路8を設ければより好ましい。流体が流体導入路8の中を通り抜けることで、流体の流れを方向付けることができる。
なお、螺旋状溝7、流体導入口4、流体導入路8の傾斜角は、厳密に同一であることを求めるものではなく、流体の流れが乱れない程度、例えば±0.5°以内であれば、多少ずれることは許容される。
また、螺旋状溝7の傾斜角には、例えば同じ5°でも、左手巻きと右手巻きの2つがあるが、流体導入口4の傾斜角と流体導入口4が設けられている側の側壁の内面1の溝の傾斜角が揃う方の螺旋の巻き方向であればより好ましい(図1は左手巻きであるが、そのような巻き方向である。また、仮に、図1bで左上面でなく右上面に流体導入口4が設けられているときは右手巻きがそのような巻き方向である)。実際に、粒子径がごく小さいために浮上しにくいとされるウルトラファインバブルの発生量の多少は溶存酸素量を測定することである程度推定できるが、そのような螺旋の巻き方向の方が、溶存酸素量上昇効果が高いという結果(データ省略)が得られており、ウルトラファインバブルを効率よく製造できると推定される。
溝の形状に制限はないが、矩形溝を歯車状に形成したり(図2)、並目または細目ねじ状溝(図3)、螺旋状溝(図4)としてもよい。
図6にファインバブル発生器を製造する際の各工程を図示した。
A工程でファインバブル発生器の本体の製作工程を示した。旋盤を使用して、角鋼材の外面切削、内面切削を行い、次にボール盤を使用して穴あけを行い、本体を製作する。
B工程でファインバブル発生器の閉塞壁の製作工程を示した。旋盤を使用して、丸鋼材の外面切削、内面切削を行い閉塞壁を製作する。
C工程で、ファインバブル発生器部品の溶接工程を示した。A工程で製作した本体とB工程で製作した閉塞壁と市販品の配管を溶接により接合する。
A工程、B工程、C工程を経てファインバブル発生器を完成させる。
さらに、導入する気体の量を調整できるように、気体供給部の直後に、ニードル弁12と流量計13を設けてもよい。流量計をフロート式のものとすれば、運転中も随時気体の流量を確認できるので、気体導入量の微調整が可能となり、安定した微小気泡の製造が可能とある。
本発明のファインバブル発生器で、ウルトラファインブルを効率的に製造できるか調べた。
[実験1]
本発明のファインバブル発生器である図1のファインバブル発生器を用いてファインバブルを製造し、できた微小気泡の粒子径分布を測定した。
(1)実験方法
(I)本発明のファインバブル発生器によるファインバブルの製造
ファインバブル発生器は図1で、螺旋状溝7、流体導入口4、流体導入路8の傾斜角度は5°に揃えたものを用いた。このファインバブル発生器を、容量10Lのガラス製容器に純水6Lを入れた水中に配置した。
一方、図7で示したファインバブル発生システムを組み、空気を気体供給部11から供給し、ニードル弁12のついた流量計13、三方弁14を経て、気液混合部18で、純水と合流させ、ポンプ19を経て、流体導入口4から空気と純水の混合体をファインバブル発生器に導入した。この際、ライン1側の三方弁出口は閉じた。ファインバブル発生器で、微小気泡が製造され、この微小気泡は、気液吐出口5から、ガラス製容器の純水中に放出された。この微小気泡を含む純水は、ホースで吸い上げられ、再び、液体供給部17から気液混合部18へ送られ、空気と合流し、ファインバブル発生器に挿入し、循環させた。空気の導入量は0.1L/min、純水の流量は6L/min、ポンプの作動時間は30分とした。ポンプ停止後にガラス製容器内の微小気泡を含む純水を採取し、サンプルとした。
(II)微小気泡の粒子径の測定
実験例サンプルの微小気泡の粒子径を、動的光散乱式(DLS)粒子径分布測定装置を使って、ナノ粒子ブラウン運動追跡法により測定した。動的光散乱式(DLS)粒子径分布測定装置は、マイクロトラック・ベル社製のZeta View-PMX100SPを使用した。微小気泡の粒子径の測定結果から、微小気泡の粒子径分布を得た。
(2)結果
測定で得られた微小気泡の粒子径分布を図8に示した。縦軸は相対的な気泡の数、横軸は気泡の粒径を示す。全ての気泡の粒径は1000nmより小さく、さらにピーク粒子径は145.3nm、粒径平均径は176.4nmと十分に小さいことから、本発明のファインバブル発生器で、ウルトラファインバブルを効率的に製造できることが分かった。
本発明の図1のファインバブル発生器(実験例)と、図1で側壁の内面1に螺旋状溝7は設けず、流体導入口4及び流体導入路8に傾斜をつけない(傾斜角0°)ファインバブル発生器(比較実験例)を用いてファインバブルを製造し、溶存酸素量を測定・比較することで、両者の気泡微細化能力を比較した。
(1)実験方法
(I)実験例のファインバブルの製造及び溶存酸素量の測定
ファインバブル発生器は図1記載のものを用いた。螺旋状溝7、流体導入口4、流体導入路8の傾斜角度は5°に揃えた。このファインバブル発生器を、90Lの水が入れられた水槽内に配置した。
実験で用いたファインバブル発生システムは、図7とは一部異なり三方弁が無く、ライン1、2それぞれにバルブが取り付けられ、その一方にのみ流量計およびバルブを介して気体が供給されるようになっているが、本質的に同じ構造であるため図7を用いて説明する。空気を図7のライン2から、気液混合部18で水と合流させ、ポンプ19を経て、流体導入口4から空気と水の混合体をファインバブル発生器に導入する(この際、ライン1側のバルブは閉じた。)。ファインバブル発生器で微小気泡が製造され、この微小気泡は、気液吐出口5から水槽内の水中に放出される。この微小気泡を含む水は、ホースで吸い上げられ、再び、液体供給部17から気液混合部18へ送られ、再度空気と合流されてファインバブル発生器に送られ、循環される。
実験では、先ず、空気を吸入せずにポンプを運転し水を循環させた。この状態において水槽に亜硫酸ナトリウムを投入し、水中の溶存酸素量を0mg/L近くまで減少させた。その後、再び溶存酸素量が増加するころに空気供給(ライン2)側のバルブを開き、水に空気(水の流量に対して0.5%以下)を合流させファインバブルを発生させた。
水中に放出されるバブルにより増加する溶存酸素量の時間変化を蛍光式溶存酸素計で測定した。
(II)比較実験例のファインバブルの製造及び溶存酸素量の測定
ファインバブル発生器は側壁の内面に螺旋状溝7がなく、流体導入口4及び流体導入路8の傾斜もつけない(傾斜角0°)ものを用い、他は実験例と同様にして、比較実験例の溶存酸素量を測定した。
(2)結果
溶存酸素量の測定値をその時の水温における飽和値で割り、酸素飽和率を求めた。その酸素飽和率の時間変化を図9に示した。なお、横軸の時間については比較を容易にするため、両方とも10分の時点で酸素飽和率がおよそ10%になるように合わせられている。
両者を比較すると、実験例は比較実験例よりも酸素飽和率の上昇速度が高いことが分かる。水中への気体投入量が同じ場合、気体(気泡)の径が小さくなると体積当たりの表面積が増加するため、水へ酸素を溶け込ませる効果が高くなる。水中に放出されるバブルは様々な粒径を持つが、その分布が粒径の小さい方に寄ることで酸素飽和率の上昇速度が高くなったものと考えられる。
以上より、実験例の方が比較実験例よりもより粒径の小さいバブルを効率的に製造できていることが分かった。
2 一方の閉塞壁
3 他方の閉塞壁
4 流体導入口
5 気液吐出口
6 気体導入口
7 螺旋状溝
8 流体導入路
11 気体供給部
12 ニードル弁
13 流量計
14 三方弁
15 ライン1
16 ライン2
17 液体供給部
18 気液混合部
19 ポンプ
Claims (5)
- 内面円筒状の側壁とその両端を閉じる閉塞壁からなり、側壁に流体導入口、一方の閉塞壁に気液吐出口を備え、流体導入口が、両閉塞壁の中間より気液吐出口寄りに、側壁の内面の接線方向に側壁を貫通するように設けられたウルトラファインバブル発生器であって、側壁の内面に、螺旋状溝が形成されたファインバブル発生器で、
螺旋状溝の傾斜角度が1〜10°であるファインバブル発生器。 - 内面円筒状の側壁とその両端を閉じる閉塞壁からなり、側壁に流体導入口、一方の閉塞壁に気液吐出口を備え、流体導入口が、両閉塞壁の中間より気液吐出口寄りに、側壁の内面の接線方向に側壁を貫通するように設けられたウルトラファインバブル発生器であって、側壁の内面に、螺旋状溝が形成されたファインバブル発生器で、
流体導入口の傾斜角度が、螺旋状溝の傾斜角度と略同一であるファインバブル発生器。 - 気液吐出口の内壁に溝が形成された請求項1又は2のファインバブル発生器。
- 他方の閉塞壁に気体導入口を備えた請求項1〜3のいずれか1のファインバブル発生器。
- 請求項4のファインバブル発生器に気体と液体を供給し、ファインバブルを発生させるファインバブル発生システムであって、気体供給部から気体導入口を経て気体を直接供給する経路と、該気体供給部から気液混合部、ポンプを経て、気液混合状態で気体を流体導入口から供給する経路とを備え、かつ、該気体供給部と該気液混合部の間に両経路を選択的に切り換えることのできる切換え弁を備えるファインバブル発生システム。
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