JP7028499B2 - 気泡せん断フィルター、ウルトラファインバブル発生装置及びウルトラファインバブル流体の製造方法 - Google Patents
気泡せん断フィルター、ウルトラファインバブル発生装置及びウルトラファインバブル流体の製造方法 Download PDFInfo
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Description
内部に頂点を備える空洞部が設けられ、前記空洞部内に流体を導入する流入孔と、前記流体を排出する排出孔とを具備する回転ミキサーであって、
前記空洞部の内壁面に、前記流入孔から導かれた流体が流通可能な螺旋形状の溝が設けられ、
前記排出孔が、前記螺旋形状の頂点と離隔した前記螺旋形状の軸上に設けられたことを特徴とする。
前記空洞部は筒状であり、薄板がその中心軸に対して垂直にかつ中心軸が円板の中心点を通過するように複数配置され、
前記隣接する薄板には複数の開口部及び複数の尖端部が設けられ、
タイプ1の薄板には、少なくとも複数の開口部が、前記タイプ1の薄板に隣接するタイプ2の薄板には、複数の尖端部(山)と、隣り合う尖端部に囲まれた複数の開口部(谷)が設けられており、タイプ1の薄板の開口部と隣接するタイプ2の尖端部とが対向するように配置されたことを特徴とする。
タイプ1の薄板にタイプ2と同様の複数の尖端部(山)が更に設けられていてもよい。この場合、尖端部(山)の位置は、タイプ2の薄板の開口部と対向する位置に設けられていることが好ましい。
なお、薄板を「円」板とする理由は、気泡せん断フィルターが通常は円筒形状であり、その断面が「円」であり、円筒内部の空洞部において隔壁として機能する構成を前提とするためである。したがって、気泡せん断フィルターの胴体部が円筒以外の形状であれば、当然にその形状に嵌まる形状となる。ただし、気泡せん断フィルター内は加圧されるため、加工のしやすさや圧力損失のリスク、製造コストといった総合的な観点から、気泡せん断フィルターは、「筒状形状」であり、薄板は後述する実施形態で説明するように、その筒状形状に嵌まる「円板」であることが最も合理的であると考えられる。
本明細書において、「ウルトラファインバブル」とは、ナノサイズ以下(1μm未満)の微細な気泡を意味する。
この点、上記先行技術文献に開示されたウルトラファインバブル発生装置はウルトラファインバブル自体を乱流から生成するものであり、気液混合流体で生成した流体中に含まれる気泡を一旦静流化してから加速させ下流側に圧送する本願発明の構成とは、ウルトラファインバブルの発生のメカニズムが根本的に異なると考えられる。
図1は、実施形態のウルトラファインバブル発生装置10の構成例を示す図である。ウルトラファインバブル発生装置10は、気液混合流体生成機31(図4)と、回転ミキサー11(図2)と気泡せん断フィルター21(図3)とをパイプで直列に接続することにより構成される。各構成部品とパイプとの接続は、溶接するか又はフランジ構造、その他圧力損失を極力減らす構造を採用することが好ましい。
図2(A)は、回転ミキサー11の外観形状を模式的に表す図であり、図2(B)は、円筒形状の中心軸を通る平面で切断した断面図を模式的に表す図である。但し、後述するとおり、断面形状のアスペクト比(縦横比)は、必ずしも正しく表されていない場合を含む。これらの図からも明らかなように、回転ミキサー11は流入孔12と排出孔16を除いて外部に通じていない密閉性の高い構造であり、回転ミキサー11の内部には十分な圧力を加えることができる構造である。
図2(C)は、図2(B)の断面図に貫通孔15aを通過する垂線と円筒の中心軸線を付した図である。垂線と中心軸線の交点をYとし、貫通孔15aから交点Yまでの距離をa、頂点Xから交点Yまでの距離をbと定義する。回転ミキサーの主な役割の1つは流体が流れを阻害されることなくスムーズに加速できることであるが、本件発明者らによる実験では、気液混合流体柱Pが形成される十分な圧力が印加される限りにおいて、距離a:bの比が概ね1:4程度となる場合に比較的好ましい結果が得られた。
図3(A)は、中空円筒形状の気泡せん断フィルター21の内部構造を示す図であり、円筒形状の中心軸を通る平面で切断した断面図を模式的に表す図である。図3(B)は、気泡せん断フィルター21の内部に配置される2種類の薄板22及び薄板23を平面から表した図である。
タイプ1とタイプ2の設置順は、特に限定されず、タイプ1→タイプ2→タイプ1→タイプ2のようにしても良く、またタイプ2→タイプ1→タイプ2→タイプ1のように設置しても良い。薄板の数は特に限定されないが、例えば2~20枚(タイプ1及びタイプ2でワンセットの場合、1~10セット)とする。
薄板の数が増えるほど気泡せん断効果は高まるが、気泡せん断フィルター21内の圧力は高まり律速されるため、薄板の数は、ポンプの出力や気泡せん断フィルターなど各機器を含めた流路(管路)全体の耐圧と、必要とされる気泡のサイズやバブル流体の取り出し速度を考慮して総合的に判断するべきである。
図4は、気液混合流体生成機31の実施例として、PSPZ型(自然吸気式)の加圧型ロータリーブロアー31aの装置構成を示す図である。ロータリーブロアー31aは、本実施形態のウルトラファインバブル発生装置10においては気液混合流体生成機31として機能する。ロータリーポンプ32が回転すると動力がベルト33に伝達され、ロータリーブロアー31aの回転盤34が回転する。回転盤34の内部には溝35が設けられ、溝35の内部にはスプリング36と仕切り弁37が設けられている。仕切り弁37はスプリング36に常時押圧されており、回転軸の中心と偏心した筒状の空洞部内で回転盤34が回転すると壁面との距離に応じて仕切り弁37が突出したり溝35内に押し戻されたりする。
一方、空洞部に流体(通常は水)を取り入れる取水口38と気体(通常は空気)を取り入れる空気流入孔39が接続されており、仕切り弁37によって区画された室内に順次気体(例えば空気)と流体(例えば水)が送り込まれる。そして、ポンプの働きによって圧力を加えられることで、強制的に気体が液体中に気泡となって取り込まれ、気液混合水出口40から気液混合水が排出される。
取水口38は、管路(不図示)を通じて気泡せん断フィルター21の排出孔26に接続し、気液混合水が還流するように構成する一方、必要量のみ採水する構成とする。
回転ミキサー11の内部では、気液混合流体が高圧下で螺旋形状の溝14を通過しながら加速するため、乱流状態で排出孔16から排出される。このとき、強い静磁界下を通過させると、乱流を静流化することができる。特に、高エネルギーのままランダムな方向で回転或いは振動しているが、気泡中にミネラルを含む荷電粒子が静磁界を通過すると、電磁力により、低エネルギー化状態となる。その結果、気泡は気液混合流体中で一方向に整列し、乱流を静流化することができる。そして、乱流状態の気液混合流体を静流化しておくことで、一層加速しやすくなる。
ウルトラファインバブルに封入するための気体成分としては、その用途によって、水素ガスやオゾンガスなどが用いられる場合がある。このような場合でも、気液混合流体生成機31においては一先ず空気をキャリアー流体(例えば上述した水又はRO水)に混合させ、その後、空気の少なくとも一部を他のガスで置換して生成する。このようにする理由は、最初から水素を混合しようとしても水素の気泡が水に溶存するか或いは水素ガスが容易に大気中に放散してしまう可能性もあるため、効率良く気液混合流体を得ることができないからである。
図6は、実験機として試作した実用的なウルトラファインバブル発生装置10Aの構成例を図示するものである。ロータリーブロアー31a、第1の回転ミキサー11a、気泡せん断フィルター21、第2の回転ミキサー11bをこの順に管路で接続する。そして、第2の回転ミキサー11bは、管路を伝ってロータリーブロアー31aに還流させる構成とする。ここで、二次ミキサー自体は、製品として供給するための製品タンク71中に沈め、採水口72から必要時に採水可能にしておき、残りは全てロータリーブロア31aに還流させる構成を採用する。
また、気液混合水出口40につながる流路に置換気体として水素ガスを合流させる構成とした。
ロータリーブロアー:NIKUMI加圧型ブローポンプ(150L/m)25PSPZ
第1の回転ミキサー:容積400ml
第2の回転ミキサー:容積100ml
気体せん断フィルター: 容量500ml
キャリアー水: ミネラル(陽イオン)を溶質とするRO水
室温20℃
運転を開始するにつれて最終的に得られるウルトラファインバブル水に含まれる気泡の粒径は小さくなる。最低1時間、本実施例では24時間、運転を続けた後、ウルトラファインバブル水を取り出して測定することとした。
測定日: 2020年3月11日
測定方法:電磁抵抗法(ISO13319準拠)
測定モード:定量モード(100μLの吸引)(1mlあたりの個数をカウント)
サンプル調整:ISOTON II(電解液)200ml 各試料20ml(※10倍希釈)
アパチャー径:10μm(計測限界粒径0.2μm)
測定装置:精密粒度分布測定装置
ベックマン・コールター社製 Multisizer4e
試料A:採水日2010年12月上旬(水素置換)
試料B:採水日2019年3月 2日(水素置換)
試料C:採水日2020年2月14日(水素置換)
水道水:採水日2020年3月11日
試料Aは試作機を製作して最初に計測した試料であり、測定日からみて約9年(9年3ヶ月程度)前の試料である。試料Bは測定日の約1年前に採水した試料、試料Cは測定日の9日前に採水した試料、水道水はリファレンス用として測定日当日に採取して計測した水道水である。
水道水にウルトラファインバブルが一切含まれないことは当然であるが、この測定装置で測定すると、水道水中に混入しているパーティクルの粒子数が計測される。試料A、B、Cは脱気水で4000倍希釈(約400倍希釈の試料をさらに10倍希釈して測定)したものを用いた。本実施形態の装置で生成したウルトラファインバブル水(試料A、B、C)については、4000倍に希釈しなければ計測できない程、大量の気泡が存在していたためである。なお、希釈には水道水を流しながら陰圧をかけてフラスコに溜める方法によって得られた脱気水を用いた。
4000倍希釈する前の、原液のウルトラファインバブルの数は、それぞれ下記の通りであった。
試料A:測定値58026個/ml
試料B:測定値412198個/ml
試料C:測定値168464個/ml
また、上記のとおり、各試料は4000倍に希釈されているので、希釈前の気泡数は、
試料A(原液): 58026×4000= 2億3千210万4千個/ml
試料B(原液):412198×4000=16億4千800万個/ml
試料C(原液):168464×4000= 6億7千385万6千個/ml
と見積もられる結果となった。なお、試料Bの測定値が相対的に大きい理由については測定装置の検出限界と関係していると考えられ、考察の詳細は後述する。
図8(A)の縦軸は気泡の個数、横軸は粒子直径(0.2μm~6μm)を示している。このグラフは一律にブランク(電解液のみを計測したデータ)を減算して表示している。ブランクを減算するのは、試料を希釈する際に加える電解液中に存在するパーティクルの影響を除くためである。上記の通り、試料Bは試料A,Cに比べて0.4μm付近のピークが大きく、バブルの数も多いため、0.2μm付近の粒子がカウントされる確率は、他の試料A,Cよりも小さいと考えられ、粒子数が過小評価されていると考えられる。一方、ウルトラファインバブルの一部は時間と共に気泡が結合して大きくなる性質がある。計測限界粒径以下の粒径を持つ粒子は計測されないため、時間の経過と共に気泡の粒径が大きくなったことによって絶対数としての気泡数が減少する一方、計測可能な粒径となったことで計測値として検出される気泡数はむしろ増加するとも考えられる。さらに、検出限界以下の微細な多数の粒子は自己加圧によって溶解消滅し、気泡数が減少する影響も無視できない。従って、経時的な気泡の数の増減は複雑な要因が絡み合うため定量的に論ずることは難しく、一概には定義できない。
結論として、試料Bは、試料A及びCとの比較において、気泡の絶対数は異なるが、相対的な分布については試料A及びCとそれほど大きくは変わらないことが示唆される結果となった。
以上のように、本実施形態のウルトラファインバブル発生装置によれば、種々の気体(特に限定されないが、例えば水素、酸素、オゾン、窒素など)含むウルトラファインバブル水を生成することができるため、飲料水、洗浄用水、医科歯科向け診療補助材料、水耕栽培、化粧水、産業材料、エネルギー開発など幅広い分野に活用できる。
11 回転ミキサー
12 流入孔
13 空洞部
14 溝
15(15a、15b) 貫通孔
16 排出孔
21 気泡せん断フィルター
22 タイプ1の薄板
23 タイプ2の薄板
24 流入孔
25a 尖端部
25b 開口部
26 排出孔
31 気液混合流体生成機
31a ロータリーブロアー
32 ロータリーポンプ
33 ベルト
34 回転盤
35 溝
36 スプリング
37 仕切り弁
38 取水口
39 空気流入孔
40 気液混合水出口
51 分岐路
61 静流器
71 タンク
72 採水口
Claims (9)
- 内部に空洞部が設けられ、前記空洞部内に気泡を含む流体を導入する流入孔と、前記流体を排出する排出孔とを具備する気泡せん断フィルターであって、
前記空洞部は筒状であり、その内部に薄板が複数配置され、
タイプ1の薄板には、少なくとも複数の開口部が設けられ、前記タイプ1の薄板に隣接し、下流側に配置されるタイプ2の薄板には、下流側から上流側に向かって突出する複数の尖端部(山)と、隣り合う尖端部に囲まれた複数の開口部(谷)が設けられており、前記タイプ1の薄板の開口部と隣接する前記タイプ2の薄板の尖端部とが対向するようにかつ前記タイプ2の薄板の尖端部の全体が前記タイプ1の薄板の開口部より下流側に配置されるように前記タイプ2の薄板が配置された気泡せん断フィルター。 - 気液混合流体を生成する気液混合流体生成機と、回転ミキサーと、請求項1記載の気泡せん断フィルターとを具備するウルトラファインバブル発生装置。
- 乱流を静流に変化させる静流器を更に具備する請求項2記載のウルトラファインバブル発生装置。
- 前記静流器は磁石である請求項3記載のウルトラファインバブル発生装置。
- 請求項2乃至請求項4のいずれか1項記載のウルトラファインバブル発生装置において、
前記回転ミキサーを複数個具備するウルトラファインバブル発生装置。 - 前記複数個の回転ミキサーは、下流側ほど上流側よりも容積が小さい請求項5記載のウルトラファインバブル発生装置。
- 前記気液混合流体生成機の下流側に前記回転ミキサーが配置されていると共に、
前記回転ミキサーの流入孔の手前に前記気液混合流体に含まれる気体とは異なる置換気体を導入するための流路が設けられた請求項2乃至請求項6のいずれか1項記載のウルトラファインバブル発生装置。 - 前記置換気体は水素、酸素、窒素又はオゾンである請求項7記載のウルトラファインバブル発生装置。
- 請求項2乃至請求項8のいずれか1項記載のウルトラファインバブル発生装置を用いたウルトラファインバブル流体の製造方法。
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