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JP4869922B2 - 微細気泡発生器 - Google Patents

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Description

本発明は微細気泡発生器に関する。
微細気泡を含有するガス過飽和溶解液は、精密機器の洗浄、農業、油液分離、水質浄化、温泉など広範囲の分野に適用できるものとして注目されている。現在、一般的に設置されている微細気泡含有液生成装置はフィルタ式であるが、フィルタ式の装置は、フィルタの目詰まりにより初期性能を長期的に維持するのが難しいという問題がある。
特許文献１は、円筒体の上流端に通液孔を備えた隔壁とこれに対面して配置された円形ディスクとによって絞り通路を形成し、溶存ガス含有液体を絞り通路を通過させることにより多量の微細気泡を生成する装置を開示している。
ところで、微細気泡は、その直径が小さくなるほど、(1)懸濁物質（水中浮遊物質）を吸着する力が強力になる；(2)水と空気の接触面積が大きくなり気泡が高密度の状態で水中に長く漂うことにより有機物の分解が促進される；(3)洗浄物の内部まで侵入し易くなるため洗浄効果を高める、ことが知られている。
ＵＳＰ6,293,529号公報
特許文献１に記載の装置は、ガス過飽和溶解液に含まれる微細気泡の直径が比較的大きく、このため、生成した微細気泡含有液の適用できる範囲が制限的である。
本発明の目的は、従来よりも直径の小さな気泡を含有する微細気泡含有液を生成することのできる微細気泡発生器を提供することにある。
本発明の他の目的は、気泡が長期亘って存在し続ける安定した微細気泡含有液を生成することのできる微細気泡発生器を提供することにある。
本発明の他の目的は、微細気泡含有液に含まれる気泡の直径のバラツキを低減することのできる微細気泡発生器を提供することにある。
上記の技術的課題は、本発明によれば、
圧力下で供給される溶存ガス含有液体を通過させる外筒と、
該外筒を仕切る隔壁であって、中心部分に開口を備えた隔壁と、
該隔壁の下流側の壁面に、前記開口に臨んで一体化された内筒と、
該内筒の下流端に設けられ、径方向外方に向けて延びるフランジと、
前記内筒の下流端を閉塞するように配置されたディスクとを有し、
該ディスクと前記フランジとで絞り通路が形成されると共に、前記絞り通路を形成する前記フランジ及び前記ディスクの互いに対抗する面の少なくとも何れか一方に凹所が形成されていることを特徴とする微細気泡発生器を提供することにより達成される。
ディスクとフランジとの離間距離が調整可能であれば、微細気泡含有液に含まれる気泡の直径を任意に調整することができる。
図１は、実施例の微細気泡含有液生成装置の斜視図であり、図２は、図１の微細気泡含有液生成装置の回路の概要を示す図である。実施例の微細気泡含有液生成装置１は、循環ポンプ２と圧力タンク３とを有する。図２の参照符号ＰＧは、圧力タンク３の圧力計を示す。循環ポンプ２の吸い込み口には、例示として水槽４から原水導入管５を通じて水槽４内の水が供給される。
循環ポンプ２の吐出口と圧力タンク３の底部とは圧送管６を介して接続されている。圧力タンク３の下部には還流管７の上流端が接続されており、この還流管７の下流端は、導入管５の中間部分に接続されている。還流管７には、ベンチュリー管８（図３）が設けられている。
図３を参照して、ベンチュリー管８の絞り部分８ａには吸気ポート９が開口し、この吸気ポート９を通じて外気がベンチュリー管８の中に吸引される。図中、参照符号１０は逆止弁である。なお、吸気ポート９又はこれに通じる導気管（図示せず）にエアの通過量を調整することのできる手動の調整弁（図示せず）を設けるのが好ましい。
還流管７には、好ましくは、ベンチュリー管８を挟んでその上流側に位置する第１の流量制御バルブ１２と、下流側に位置する第２の流量制御バルブ１３とを有し、第１の流量制御バルブ１２によって圧力タンク３内の圧力を実質的に調整することができ、第２の流量制御バルブ１３によって吸気ポート９を通じたエアの取込量を実質的に調整することができる。この第１、第２の流量制御バルブ１２、１３は、作業員が圧力タンク３の圧力計ＰＧを見ながら調整できるように手動であるのが好ましい。
圧力タンク３の頂部には、圧力タンク３内の余剰のエアを放出するためのリリーフバルブ１５が設けられ、このリリーフバルブ１５を通じて内部エアが排気され、圧力タンク３は、ほぼ満水状態が維持される。また、圧力タンク３には、好ましくは上記還流管７よりも上位に放流管１６の上流端が接続されている。放流管１６は、その下流部分に微細気泡発生器２０が設けられ、この微細気泡発生器２０で生成された微細気泡含有水が水槽４に排出される。
図４を参照して、微細気泡発生器２０は、上述の放流管１６の直径と実質的に同一径の外側シェルつまり外筒２０１と、外筒２０１の長手方向中間部分を横断する隔壁２０２と、隔壁２０２から下流側に向けて延びる内側シェルつまり内筒２０３とを有し、内筒２０３は外筒２０１よりも小さな直径を有する。隔壁２０２の中心部分には、複数の通液孔２０２ａが形成され、この通液孔２０２ａは、同一円周上に等間隔に配設されるのが好ましい。微細気泡発生器２０は、限定するものではないが、金属又はプラスチックの成型品である。
内筒２０３は外筒２０１と同一の軸線上に配設され、円筒２０３の下流端には、径方向外方に延びるリング状の円周フランジ２０３ａが形成されている。より詳しくは、円周フランジ２０３ａは、内方２０３の下流端と直交する方向に延び且つ円周フランジ２０３ａの外周縁は外筒２０１の内周面に隣接して位置している。
微細気泡発生器２０は、内筒２０３の後端縁に隣接して位置し且つ外筒２０１を横断する方向に延びるディスク２０４を含み、ディスク２０４は、円周フランジ２０３ａと協同して絞り通路１７を作る。ディスク２０４には、その下流側の板面の外周縁を切り欠いた形状の段部２０４ａを設けるのが好ましい。ディスク２０４は、隔壁２０２の中心部分から軸線に沿って下流側に向けて延びる支持ピン２０５に取り付けられている。この実施例では、円周フランジ２０３との離間距離を調整した後に溶接により固定されているが、円周フランジ２０３とディスク２０４との間隔を調整できるように、ディスク２０４を支持ピン２０５に対して変位可能であってもよい。
絞り通路１７の壁面を構成する円周フランジ２０３ａ及びディスク２０４の円周フランジ２０３ａと対面する部分には、少なくともいずれか一方に凹所２０６が形成されている。具体的には、実施例では、凹所２０６は、図５にも示すように、円周フランジ２０３ａに形成されている。凹所２０６は、好ましくは、円周フランジ２０３ａの外周縁に隣接して設けられ、また、リング状に連続した形状を有する。変形例として、絞り通路１７の壁面に形成される凹所２０６は、不連続であってもよく、また、絞り通路１７の通路長さ方向に複数設けてもよい。
水槽４の水は循環ポンプ２によって微細気泡含有液生成装置１内に取り込まれて圧力タンク３に圧送され、圧力タンク３内に圧力下で収容される。圧力タンク３内の水は、一部が放流管１６及び微細気泡発生器２０を介して水槽４に戻され、また、一部が還流管７に流入する。還流管７を流入した水は、ベンチュリー管８を通過する過程で、吸気ポート９からのエアを取込む。次いで、エア混じりの水は原水導入管５の原水と合流して循環ポンプ２に吸い込まれ、水中のエアは循環ポンプ２で剪断されて比較的小さな気泡になると共にエアの溶解が促進される。
微細気泡含有液生成装置１の運転を開始してから一定時間が経過すると、圧力タンク３内の水は気泡混じりの溶存エア含有水となって圧力タンク３内を満たす。この状態で安定した後は、圧力タンク３内の水が放流管１６を通じて水槽４に放流される過程で微細気泡発生器２０の絞り通路１７を通過し、絞り通路１７から噴出した水は外筒２０１の内壁面と衝突しながら外筒１０２を通じて水槽４に排出される。
微細気泡発生器２０は、隔壁２０２と内筒２０３とで構成された圧力室２１０を有し、この圧力室２１０に絞り通路１７が連通している。すなわち、内筒２０３は圧力室２１０の側壁を構成し、内筒２０３の長手方向長さによって圧力室２１０は奥行きを有する。圧力室２１０は、その深部が絞り通路１７に連通している。微細気泡発生器２０は、また、外筒２０１の下流側部分によって構成される低圧室２１１を有する。なお、外筒２０１と内筒２０３との間に、低圧室２１１に連なる副室２１２を設けるのが好ましい。
圧力タンク３から放流管１６に流入した気泡混じりの溶存エア含有水は微細気泡発生器２０の隔壁２０２の通液孔２０２ａを通じて圧力室２１０に入り、この圧力室２１０から、内筒２０３の円周フランジ２０３ａとディスク２０４との隙間つまり絞り通路１７を通り、絞り通路１７から勢いよく吐出されてキャビティーション現象を伴いながら外筒２０１の内周に衝突しながら外筒２０１の低圧室２１１に入る。
圧力タンク３内の溶存エア含有水は、絞り通路１７を通過する過程で、この絞り通路１７の壁面の凹所２０６で渦流を生成し、この渦流によって微細気泡が生成される。そして、この微細気泡は絞り通路１７から吐出された直後に外筒２０１の内面に衝突して更に微細化される。
水槽４内の溶存酸素量の経時的変化は実験によれば次の通りであった。
溶存酸素量(ppm)
装置１の運転開始時 4.28
装置１の運転開始１５分後 ３３
装置１の運転停止後１時間経過 ３１
装置１の運転停止後２時間経過 ３０
装置１の運転停止後３時間経過 ２９
装置１の運転停止後４時間経過 ２８
装置１の運転停止後５時間経過 ２６
装置１の運転停止後６時間経過 ２２
装置１の運転停止後24時間経過 １７
上記実験の条件は次のとおりであった。
(1)水槽４の容量： 300リットル
(2)循環ポンプ２： 1.5Kwモータ
(3)吸気ポート９のエアの流量： 1.5リットル/min
また、微細気泡含有液生成装置１により生成された微細気泡含有水に含まれる気泡の直径及び数(水１ml中)は次の通りであった。
気泡の直径 20μｍ 50μｍ 100μｍ 0.1〜0.05μｍ
気泡の数 1,250,000 100,000 14,000 17,500,000
水質改善には、浮遊物を水面まで浮上させる浮力を得るのに、直径約５〜５０μｍの気泡が好ましいことが知られている。また、気泡は、その直径が１０ミクロン以上であると気泡同士が合体して大きな気泡に変わり易い傾向があり、直径がそれよりも小さくなるほど、気泡同士が反発する傾向になり、気泡の合体が発生し難くなることが知られている。
叙上の実験結果から理解できるように、微細気泡含有液生成装置１が生成する微細気泡の直径の分布は２０μｍと0.1〜0.05μｍとでピークを作っている。勿論、生成した微細気泡の直径は、円周フランジ２０３ａとディスク２０４との間の離間距離を調整することにより、また、圧力タンク３の圧力を調整することにより変化させることができるが、微細気泡の直径の分布にピークが存在している点は注目すべきことであり、このことは、微細気泡含有水に含まれる気泡の直径のバラツキが小さいことを意味している。
上述の実験により得た、２０μｍと0.1〜0.05μｍとでピークを作っている微細気泡含有水は、また、浮遊物を水面に浮上させる機能と、水中に多量の微細な気泡を保持する機能とを併せ持っていることが分かる。後者の機能は、前述した微細気泡含有液生成装置１の運転停止後２４時間経過した後であっても高い溶存酸素濃度を維持していることと符合している。ちなみに、従来の微細気泡含有液生成装置が生成する気泡の直径は数μｍであったが、実施例の微細気泡含有液生成装置１は、従来よりも一桁以上小さな直径の気泡を生成できる能力を有していることが、上記の実験結果によって理解できるであろう。したがって、実施例の微細気泡含有液生成装置１が生成した微細気泡含有水の微細気泡は長期に亘って存在し続ける。
図１、図２は、水質改善に適用した微細気泡含有液生成装置１を例示している。すなわち、微細気泡含有液生成装置１は、処理対象の水を収容した水槽４内の水を取り込んで微細気泡を生成し、この微細気泡を含有する水を水槽４に戻す。これにより水槽４内の水は微細気泡を大量に含む水になり、水槽４内に浮遊物は気泡により水面に浮上し、また、比較的重い水中物質は水槽４の底部に沈殿する。気泡により浮上した浮遊物及び水槽４の底部の沈殿物を除去することにより、水槽４内の中間層に位置する水は、微細な気泡を多量に含む、好気性微生物の活動を活性化することのできる透明度の高い浄化水となる。
図６は、微細気泡発生器２０の変形例３０を示す。変形例の微細気泡発生器３０は、円周フランジ２０３ａが斜めに延びている点で第１実施例の微細気泡発生器２０とは異なっている。すなわち、変形例の微細気泡発生器３０にあっては、円周フランジ２０３ａは、内筒２０３の下流端から下流側に向けて傾斜して延びており、これに対応してディスク２０４もその外周部分が内周部分から下流側に屈曲することにより下流側に向けて傾斜した形状を有する。
図７は、微細気泡発生器２０の他の変形例４０を示す。この変形例の微細気泡発生器４０は、外筒２０１の下流端が壁２０１ａによって閉塞されており、外筒２０１の下流部分の側壁に放出口２０１ｂが形成されている。また、支持ピン２０５は、その下流端部は、外筒２０１の下流閉塞壁２０１ａを貫通して外部に延出し、上流端はディスク２０４に一体化されている。この変形例の微細気泡発生器４０にあっては、締め付け具２０７を緩めて支持ピン２０５を移動させることにより、円周フランジ２０３ａとディスク２０４との離間距離を調整することができる。
微細気泡含有液生成装置１は、変形例として、ベンチュリー管８に代えて、例えば、エアを噴出するノズルを採用してもよい。すなわち、還流管７（図１、図２）の中にノズルの先端を配置し、このノズルから加圧エアを噴出させることにより還流管７内を通る水にエアを供給するようにしてもよい。
図１、図２を参照して説明した微細気泡含有液生成装置１は地上に設置されて使用するものであるが、水中ポンプと一体化することにより、水中で微細気泡を生成することも可能である。図８、図９は水中ポンプに微細気泡発生器４０を組み込んだ例を示すが、図４や図７を参照して説明した微細気泡発生器２０、３０を組み込んでもよいことは言うまでもない。
図８、図９を参照して、微細気泡発生器４０には、外筒２０１の上流側の内面に雌ネジ４１が形成されており(図９)、他方、図８に示す水中ポンプ５０には、その吐出側端部に雄ネジ(図面には現れていない)が形成され、これにより、水中ポンプ５０はその吐出側端に微細気泡発生器４０が螺着され、これにより水中微細気泡含有液生成装置５１が構成されている。
以上、図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明は以下の変形例を包含する。
（１）微細気泡発生器２０などに含まれる絞り通路１７を細い管体で構成してもよく、また、外筒２０１の内壁面に代えて、絞り通路１７から噴出する微細気泡含有液が衝突することができる、定置した、つまり不動の衝突面を設けるようにしてもよい。
（２）微細気泡発生器２０などに圧力室２１０を設けてあるが、圧力タンク３内の圧力を高めることにより省くことができる。換言すれば、微細気泡発生器２０などに圧力室２１０を設けることにより圧力タンク３内の圧力を比較的低圧にすることができ、これにより循環ポンプ２として比較的小型のポンプを採用することができ、微細気泡含有液生成装置１のコストを下げることができる。
（３）微細気泡発生器２０などに圧力室２１０を設けて比較的高い圧力でガス溶解液を絞り通路１７の中に送り込むことにより絞り通路１７から出た微細気泡含有液に含まれる気泡の数を多く又は微細化することができることから、生成したい気泡の直径が従来と同等又はそれよりも若干小さい程度でよいのであれば、絞り通路１７から凹所２０６を省いてもよい。
本発明の微細気泡含有液生成装置は、エア、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素ガス（Ｎ２）、オゾン（Ｏ３）、塩素ガス（Ｃｌ２）、不活性ガスなどの種々の気体の微細気泡を含有する液体を生成し、この微細気泡を含有する液体を様々な用途に適用することができる。適用例を列挙すれば、家庭用風呂、美容用風呂、美容液、温泉、プール、河川や湖沼の水質浄化、上下水の水処理、野菜などの農作物の洗浄や殺菌、家畜などの飲用高酸素水、卵の洗浄や殺菌、ビールなどのろ過、魚の養殖用の水、皮膚感染症など医療用の水、工業排液の処理、半導体チップや精密機器の洗浄、配管の洗浄、タンカーのバラスト水処理、油分離、溶存物質の浮揚除去などを挙げることができる。
実施例の微細気泡含有液生成装置の概要を示す斜視図である。 図１に例示の微細気泡含有液生成装置の各要素の接続構造を説明するための図である。 エアを取り込むためのベンチュリー管の概要を説明するための断面図である。 図１の微細気泡含有液生成装置に組み込まれた微細気泡発生器の断面図である。 図４の矢印Ｖで示す部分を抽出した部分拡大断面図である。 変形例の微細気泡発生器の断面図である。 他の変形例の微細気泡発生器の断面図である。 水中で微細気泡を発生させる微細気泡含有液生成装置の部分断面図である。 水中ポンプを備えた微細気泡含有液生成装置に組み込まれる微細気泡発生器の断面図である。
１ 微細気泡含有液生成装置
２ 循環ポンプ
３ 圧力タンク
４ 水槽
５ 原水導入管
６ 圧送管
７ 還流管
８ ベンチュリー管
８ａ ベンチュリー管の絞り部分
１６ 放流管
１７ 絞り通路
２０ 微細気泡発生器
２０１ 外筒（外側シェル）
２０１ｂ 外筒の放出口
２０２ 隔壁
２０２ａ 通液孔
２０３ 内筒（内側シェル）
２０３ａ 円周フランジ
２０４ ディスク
２０６ 凹所
２１０ 圧力室
２１１ 低圧室

Claims (4)

  1. 圧力下で供給される溶存ガス含有液体を通過させる外筒と、
    該外筒を仕切る隔壁であって、中心部分に開口を備えた隔壁と、
    該隔壁の下流側の壁面に、前記開口に臨んで一体化された内筒と、
    該内筒の下流端に設けられ、径方向外方に向けて延びるフランジと、
    前記内筒の下流端を閉塞するように配置されたディスクとを有し、
    該ディスクと前記フランジとで絞り通路が形成されると共に、前記絞り通路を形成する前記フランジ及び前記ディスクの互いに対抗する面の少なくとも何れか一方に凹所が形成されていることを特徴とする微細気泡発生器。
  2. 前記フランジが前記内筒の軸線と直交する方向に延びている、請求項１に記載の微細気泡発生器。
  3. 前記フランジが前記内筒の下流端から下流側に向けて傾斜して延びている、請求項１に記載の微細気泡発生器。
  4. 前記凹所が、前記フランジ及び／又は前記ディスクに形成された円周溝から作られている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の微細気泡発生器。
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