JP6067201B2 - 微細気泡発生方法、および微細気泡発生装置等 - Google Patents

Description

本発明は、気体溶解水から溶存気体を析出させて微細気泡を発生させる、微細気泡発生装置と微細気泡発生方法等に関する。

直径が０．１−１００μｍ程度の微細気泡は、比表面積が大きく、内部圧力が高く、吸着性があるなどの特徴を有することから、浄化作用、生理活性、抗力低減などの様々な効果が期待され、その応用に向けて検討が進められている。

たとえば、浴槽内の湯水中に上記微細気泡を発生させて白濁させ、牛乳風呂のような趣を与えるとともに、肌の保湿効果などの温泉に匹敵する入浴の効能を得ることがこれまでに行われている。

特許文献１に記載された微細気泡発生装置では、循環ポンプの作動によって浴槽内から吸い込んだ湯水を噴霧ノズルから気液溶解タンク内に噴霧し、気液溶解タンク内で貯留している空気および外部から取り込んだ空気と混合して気液溶解浴水を生成する。そして、生成した気液溶解浴水を浴槽に向けて排出し、気液溶解浴水が減圧弁を通過する際に、圧力を開放させ、湯水に加圧溶解していた空気の膨張によって微細気泡を発生させる。

このような微細気泡発生装置に関し、液体のキャビテーションを利用して微細気泡を発生させ、ポンプの消費エネルギー量を低減させる微細気泡発生器が特許文献２に記載されている。

特許文献２に記載された微細気泡発生器は、大管径部と、小管径部とを備え、小管径部の端面および内周面が微細気泡発生器の縦断面において角部を形成し、小管径部の端面が大管径部の大径流路に接触しているものである。この微細気泡発生器では、小管径部の小径流路に導入された液体の流速が、流路断面積の急激な縮小にともない急激に上昇し、その結果、液体の静圧が低下するため、小さな動力でもキャビテーションを発生させることができる。また、液体には、上記角部への衝突にともない、渦が発生し、液体の圧力は角部の近傍において最も低くなり、キャビテーションが発生しやすくなる。

したがって、上記微細気泡発生器は、高圧かつ大流量の液体を吐出するポンプを用いなくともキャビテーションを発生させることができ、ポンプの消費エネルギー量の低減を実現する。

特開２００５−３２９１００号公報 特開２００８−２３５１５号公報

微細気泡発生装置には、用途などに応じて気泡の大きさや数を調整することも望まれているが、特許文献２に記載された微細気泡発生器では、気泡径や数を調整することまで考慮されていない。微細気泡の用途などに応じた微細気泡の発生を調整することが改善点として要求される。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、用途などに応じた最適な気泡径や数密度の微細気泡を発生させることができる、微細気泡発生方法と微細気泡発生装置、および気泡径や数密度の調整方法や設計方法を提供することを課題としている。

本発明者らは、加圧溶解方式の微細気泡発生装置において減圧により微細気泡を発生させる場合について鋭意検討を加えた結果、微細気泡を発生させる微細気泡発生部内の流路を流れる気体溶解水の流速と圧力の少なくともいずれか一方を変化させることによって、微細気泡の径と数密度を調整することができるとの知見を得、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。

第１の発明は、加圧条件下で水に気体を溶解させ、気体溶解水を生成した後、導入部と導入部より断面積が小さい縮流部が接続して形成された微細気泡発生部に気体溶解水を供給し、縮流部を通過することよって気体溶解水が減圧されることによりキャビテーションを発生させて気体溶解水中の溶存気体を析出させ、微細気泡を発生させ、キャビテーションにより発生した気泡を吐出する微細気泡発生装置であって、縮流部を流れる気体溶解水の流速が遅くなるように調整することにより、キャビテーションによって発生する水中の微細気泡の径を小さくすることが可能であるとともに、縮流部を流れる気体溶解水の流速が速くなるように調整することにより、キャビテーションによって発生する水中の微細気泡の径を大きくすることが可能な流速調整手段が設けられていることを特徴としている。

第２の発明は、上記第１の発明の特徴において、流速調整手段において変化させる気液溶解水の縮流部の流速は、キャビテーションが発生する最下限の流速以上、スーパーキャビテーションが発生する最下限の流速未満の範囲内であることを特徴としている。

第３の発明は、上記第１または第２の発明の特徴において、流速調整手段は、縮流部または導入部の断面積を変化させることを特徴としている。

上記第１の発明によれば、微細気泡発生部内の縮流部を流れる気体溶解水の流速を変化させる流速調整手段が設けられているので、流速に応じた気泡径や数密度の微細気泡が発生し、用途などに応じた最適な微細気泡を発生させることができる。

上記第２の発明によれば、流速調整手段によって調整される縮流部の流速が、キャビテーションが発生する最下限の流速以上、スーパーキャビテーションが発生する最下限の流速未満の範囲内とされているので、より確実に流速に応じた気泡径や数密度の微細気泡を発生させることができる。また、キャビテーションが確実に発生するため、微細気泡を十分な量で確実に発生させることもできる。

上記第３の発明によれば、上記第１または第２の発明の効果に加え、流速調整手段は、縮流部または導入部の断面積を変化させるので、気体溶解水の流速の制御を容易に行うことができる。また、流速調整手段の設計が容易となる。

本発明の微細気泡発生装置と微細気泡発生方法等の一実施形態を示した構成図である。 本発明の微細気泡発生装置と微細気泡発生方法等における原理をモデル化して示した図である。 気体溶解水の流速の変化と微細気泡径の関係を示したグラフである。 気体溶解水の流速の変化と微細気泡の数密度の関係を示したグラフである。 微細気泡の初生流速、最小微細気泡径のときの流速および気泡数密度飽和のときの流速の水温変化を示したグラフである。 気体溶解水の流速の変化と微細気泡の発生状況の関係を示した図である。

上記のとおり、図１は、本発明の微細気泡発生装置、微細気泡発生方法、気泡径の調整方法、微細気泡の数密度の調整方法、気泡径の設計方法、および微細気泡の数密度の設定方法の一実施形態を示した構成図である。

本実施形態は、浴槽内の湯水に微細気泡を発生させる微細気泡発生浴槽として具体的に実現したものである。

微細気泡発生装置１としての微細気泡発生浴槽１ａにおいて、湯水２を貯留する浴槽３は、側面部に湯水の吸込口４と吐出口５を備えている。浴槽３は、また、上面部を形成するフランジ部６に空気吸込口７を備えている。浴槽３の吸込口４は、配水管８を介してポンプ９の吸い込み側９ａに接続されている。ポンプ９の吐出側９ｂは、流入管１０を介して、微細気泡発生装置１における気体溶解部１１としての気体溶解装置１１０の吸い込み側１１０ａに接続されている。気体溶解装置１１０の吐出側１１０ｂは、流出管１２を介して微細気泡発生部１３に接続され、微細気泡発生部１３は、配水管１４を介して吐出口５に接続されている。空気吸込口７は、空気配管１５を介して流入管１０に連通している。空気配管１５の途中には逆止弁１６が設けられている。

微細気泡発生浴槽１ａにおいて微細気泡発生部１３は、図２にモデル化して示したように、導入部１３ａと、導入部１３ａより断面積が小さい縮流部１３ｂが接続して形成されている。また、微細気泡発生部１３には、図１に示したように、流速調整手段１７を構成する調整弁１８が配設されている。導入部１３ａと縮流部１３ｂの接続部分は、縮流部１３ｂの端面が外側に開いた角部１３ｃを形成し、キャビテーションが発生しやすいようになっている。調整弁１８は、微細気泡発生部１３内の縮流部１３ｂまたは導入部１３ａの断面積を変化させるものあり、開度が大きいと流路の断面積が大きく、開度が小さいと流路の断面積は小さくなる。調整弁１８には、その開度を調整する制御手段１９が付設されており、制御手段１９は、調整弁１８とともに流速制御手段１７を構成している。制御手段１９には、電気信号にしたがう自動制御方式または水栓などのような手動制御方式が採用可能である。

微細気泡発生浴槽１ａでは、ポンプ９の作動によって浴槽３内の湯水２を吸込口４から吸い込み、配水管８および流入管１０を通じて気体溶解装置１１０に送り出す。湯水２は、吸い込み側１１０ａから気体溶解装置１１０に備えたタンク内に噴出し、タンク内に貯留していた空気や空気吸込口７から吸い込まれる浴室内の空気と混合され、湯水２中に空気が溶解して気体溶解水が生成する。所定の濃度に空気が溶解した気体溶解水は、吐出側１１０ｂから流出し、流出管１２に送り出される。縮流部１３ｂを通過すると、圧力が低下し、飽和水蒸気圧以下でキャビテーションが発生し、気体溶解水中の溶存気体が沸騰現象によって析出し、微細気泡が発生する。そして、発生した微細気泡は、湯水２とともに配水管１４を流れ、吐出口５を通じて浴槽３内に吐出し、浴槽３内に貯留する湯水２と混合される。

浴槽３内の湯水２は、ポンプ９の作動によって循環し、この循環が繰り返されて浴槽３内の湯水２の微細気泡量が増加し、浴槽３内の湯水２は微細気泡によって白濁し、牛乳風呂のような趣を与える。

微細気泡発生浴槽１ａに採用することのできるポンプ９および気体溶解装置１１０は特に制限はない。たとえば、遠心ポンプがポンプ９として例示される。また、気体溶解装置１１０には、水に空気を溶解させることができる限り、任意のものが採用可能である。

さらに、微細気泡発生浴槽１ａにおいて吸込口４と吐出口５は、単一のノズルユニットなどとして組み込み、浴槽２の壁部に取り付けることができる。この場合、後述する調整弁１８の開度の制御は、ノズルユニットの開口面積の変化として実現される。

そして、微細気泡発生浴槽１ａにおいて、調整弁１８および制御手段１９から構成される流速調整手段１７は、微細気泡発生部１３内の縮流部１３ｂを流れる気体溶解水の流速を変化させる。具体的には、流速調整手段１７は、微細気泡発生部１３内の縮流部１３ｂまたは導入部１３ａの断面積を変化させることによって、その流路を流れる気体溶解水の流速を遅くしたり、速くしたりする。調整弁１８は、その開度が制御手段１９によって制御され、たとえば縮流部１３ｂ側の断面積を変化させるように設けられた場合は、開度が小さいとき、縮流部１３ｂの断面積が小さくなり、その結果、縮流部１３ｂ内の気体溶解水の流速が速くなり、縮流部１３ｂを流れる気体溶解水の流速が速くなる。このように流速が速くなると、微細気泡の発生量が多くなり、湯水２中の微細気泡の数密度が増大する。一方、調整弁１８の開度が大きいとき、縮流部１３ｂの断面積が大きくなり、その結果、縮流部１３ｂ内の気体溶解水の流速は遅くなる。流速が遅くなると、湯水２中の微細気泡の径は小さくなり、湯水２中の浮遊時間が長くなる。

調整弁１８が、導入部１３ａ側の断面積を変化させるよう設けられた場合は、開度が小さいとき、導入部１３ａの断面積が小さくなり、導入部１３ａの気体溶解水の流速が同じ場合は、縮流部１３ｂ内の気体溶解水の流速が遅くなる。流速が遅くなると、湯水２中の微細気泡の径は小さくなり、湯水２中の浮遊時間が長くなる。一方、調整弁１８の開度が大きいとき、導入部１３ａの断面積が大きくなり、その結果、縮流部１３ｂ内の気体溶解水の流速は速くなる。流速が速くなると、微細気泡の発生量が多くなり、湯水２中の微細気泡の数密度が増大する。

なお、縮流部１３ｂにおける気体溶解水の流速の変化は、微細気泡発生部１３に気体溶解水を供給するポンプ９の出力を制御することにより行うこともできる。この場合、微細気泡の径を小さくし、水中の浮遊時間を長くしたい場合には、ポンプ９の出力を低下させて流速を遅くし、水中の微細気泡の径を大きくしたい場合には、ポンプ９の出力を増加させて流速を速くする。このようにして、気泡径を調整することができる。

以上の気体溶解水の流速の変化にともなう微細気泡の径および数密度の変化は、以下のとおりの実験的検証と解析に基づいている。

図３、図４に、実験により得られた気体溶解水の流速の変化と微細気泡径の関係、気体溶解水の流速の変化と微細気泡の数密度の関係をそれぞれ示した。これらの関係は、導入部１３ａの断面積とポンプ９の流量は一定とし、縮流部１３ｂの断面積を変えることによって縮流部１３ｂの流速を変化させて実験した結果である。また、図中の３本のグラフは、気体溶解量が異なる場合の評価結果である。なお、図３において、微細気泡径は、ザウタ平均気泡径を用いている。

図３に示したように、縮流部１３ｂの流速ｕ２が１０．５−１２ｍ/ｓでは、流速の上昇にともない、微細気泡径が急激に減少する。その後、１２ｍ/ｓでほぼ最小となり、１２．５ｍ/ｓより速くなると、微細気泡径は緩やかに増加する。また、図４に示したように、流速ｕ２が１０．５−１１ｍ/ｓでは数密度は極端に低いが、１１−１３ｍ/ｓでは、流速の上昇にともない、数密度は急激に増加し、１３ｍ/ｓを超えるとほぼ一定になる。

これらの実験結果から、縮流部１３ｂの気体溶解水の流速ｕ２の調整範囲は、１１−１３ｍ/ｓ、好ましくは１１．５−１３ｍ/ｓの範囲内とするのが適当であると考えられる。すなわち、図３および図４に示したように、上記流速範囲内において気泡径の増減が可能であり、１１．５−１２．５ｍ/ｓの低速の場合には、微細気泡の径は小さくなり、微細気泡の浮遊時間を長くすることができる。１２．５ｍ/ｓ以上の高速の場合には、微細気泡の径は大きくすることができ、また、微細気泡の発生量が多くなり、微細気泡の数密度が増大する。このような結果を微細気泡発生装置の設計に応用し、気体溶解水の流速を調整することによって、所望の径や数密度の微細気泡を発生させることのできる微細気泡発生装置を実現することができる。

また、縮流部１３ｂにおける気体溶解水の流動状態を高速度ビデオカメラを用いて撮影し、キャビテーションの発生について確認した結果を図６に示した。

流速ｕ２が１１ｍ/ｓの場合、流路にキャビテーションが発生する。一方、キャビテーションの領域は比較的小さく、流路入口を占めている割合も比較的小さい。また、下流側で析出している微細気泡の量も比較的少ない。

流速ｕ２が１１．５、１２、１２．５ｍ/ｓの場合、流速の上昇にともないキャビテーション領域が拡大し、流路入口を占める割合も増加する。下流側で析出している微細気泡の量も増加する。

流速ｕ２が１３ｍ/ｓの場合、キャビテーション領域がほぼ全体を占めるとともに、流路入口のほぼ全体を気体で占めている。下流側で析出する微細気泡の量はかなり多い。一方、キャビテーション領域の拡大はほぼ飽和するとともに、流路内には水蒸気で満たされた空洞が形成し、この空洞の下流端部でちぎれた気泡が微細気泡として流路から吐出されるスーパーキャビテーションが発生した。

したがって、流路を流れる気体溶解水の流速の変化範囲として適当であると考えられる１１−１３ｍ/ｓは、キャビテーションが発生する最下限の流速以上、スーパーキャビテーションが発生する最下限の流速未満の範囲に対応している。

このように、微細気泡発生部１３内の縮流部１３ｂまたは導入部１３ａの断面積を変化させて流速を変化させることが可能な調整弁１８を用いると、気体溶解部１３に水を供給するポンプ９の出力を制御せずに、たとえば、ポンプ９の吐出圧を一定としても、縮流部１３ｂの気体溶解水の流速を変化させることができる。微細気泡の径を小さくし、水中の浮遊時間を長くしたい場合には、縮流部１３ｂを流れる気体溶解水の流速を遅くし、水中の微細気泡の径を大きくしたい場合や微細気泡の数密度を増やしたい場合には、縮流部１３ｂを流れる気体溶解水の流速を速くする。したがって、微細気泡の用途などに応じた最適な微細気泡の発生に調整することが、ポンプ９の出力を制御せずに行うことができ、ポンプ９の消費エネルギー量をより低減させることができる。その結果として、気体溶解装置１１０などの気体溶解部１１に備えるタンクの大きさも用途に合わせて設計することが可能となり、微細気泡発生浴槽１ａなどでは、タンクの小型化も推進する。

以下、本発明の原理について図２を参照して説明する。

図２において、符号Ａ１、Ａ２は、気体溶解水の流路の断面積を示している。また、図２図中に示した他の符号および以下の数式におけるパラメータは、次のとおりである。

Ｐ１：導入部１３ａの圧力
Ｐ２：縮流部１３ｂの圧力
Ｐｖ：飽和水蒸気圧
ｕ１：導入部１３ａの流速
ｕ２：縮流部１３ｂの流速
ρ ：密度
ベルヌーイの定理（ｐ＋１/２ρｕ^２＋ρｇｈ＝const.）より、
Ｐ１＋１/２ρｕ１^２＝Ｐ２＋１/２ρｕ２^２ （１）
Ｐ１−Ｐ２＝１/２ρ（ｕ２^２−ｕ１^２） （２）
一方、微細気泡が生成するための条件として、圧力が飽和水蒸気圧以下になり、キャビテーションが発生するときを考慮すると、
（Ｐ１−Ｐｖ）/（Ｐ１−Ｐ２）≦１ （３）
式（２）（３）より、
（Ｐ１−Ｐｖ）/（１/２ρｕ２^２）≦１ （４）
式（４）の左辺で表される値はキャビテーション係数Ｃｖであり、キャビテーションの発生しやすさを表す係数である。Ｃｖが大きいほどキャビテーションが発生しやすいことを表す。特にキャビテーションが発生しやすい場合、Ｃｖは１以上の値となる。

式（４）より、Ｃｖは、縮流部の気体溶解水の流速ｕ２を変更することにより変化することがわかる。

また、質量保存の関係より、
ｕ１＝（Ａ２/Ａ１）ｕ２ （５）
したがって、
Ｃｖ＝（Ｐ１−Ｐｖ）/（１/２ρ(１−（Ａ２/Ａ１）^２)ｕ２^２） （６）
式（６）より、
ｕ２＝（（Ｐ１−Ｐｖ）/(Ｃｖ×ρ/２×（１−（Ａ２/Ａ１）^２）)）^{（１/２）} （７）
また、キャビテーションを発生する条件は、Ａ１＞＞Ａ２、すなわち（Ａ２/Ａ１）^２＜＜１であるため、
ｕ２＝（（Ｐ１−Ｐｖ）/(Ｃｖ×ρ/２)）^{（１/２）} （８）
実験より、水温２５℃のとき、微細気泡の初生流速、微細気泡径が最小となる流速および気泡の数密度が飽和する流速は、それぞれ、１１、１２．５、１３ｍ/ｓであることが確認されている。これらの結果から微細気泡の初生流速、微細気泡径が最小となる流速および気泡の数密度が飽和する流速のキャビテーション係数Ｃｖを算出すると、微細気泡の初生するときのＣｖ、微細気泡径が最小となるときのＣｖおよび気泡の数密度が飽和するときのＣｖは、順に１．６２７、１．３６７、１．１６５となる。このキャビテーション係数Ｃｖと導入部１３ａの圧力条件Ｐ１に基づき、微細気泡発生の流速条件は、式（８）より以下の式で示すことができる。

微細気泡の初生流速：ｕ２＝（（Ｐ１−Ｐｖ）/(１．６２７×ρ/２））^{（１/２）}
最小微細気泡径のときの流速：ｕ２＝（（Ｐ１−Ｐｖ）/(１．３６７×ρ/２））^{（１/２）}
気泡数密度飽和のときの流速：ｕ２＝（（Ｐ１−Ｐｖ）/(１．１６５×ρ/２)）^{（１/２）}
各水温における飽和蒸気圧から上記流速を算出した結果を図５に示した。微細気泡の初生流速の曲線と、気泡数密度飽和のときの流速の曲線の間の流速範囲で、縮流部１３ｂの気体溶解水の流速を変化させると、水中の微細気泡の径と数密度の少なくともいずれか一方を調整することが可能となる。

なお、本発明は、図１に示した微細気泡発生浴槽に限定されることはない。微細気泡の用途に応じた各種機器において実現することが可能である。また、流速調整手段は、図１に示した調整弁および制御手段から構成される以外に、たとえばベンチュリなどとして構成することも可能である。

１ 微細気泡発生装置
９ ポンプ
１１ 気体溶解部
１３ 微細気泡発生部
１３ａ 導入部
１３ｂ 縮流部
１７ 流速調整手段

Claims (3)

1. 加圧条件下で水に気体を溶解させ、気体溶解水を生成した後、導入部と導入部より断面積が小さい縮流部が接続して形成された微細気泡発生部に気体溶解水を供給し、縮流部を通過することよって気体溶解水が減圧されることによりキャビテーションを発生させて気体溶解水中の溶存気体を析出させ、微細気泡を発生させ、キャビテーションにより発生した気泡を吐出する微細気泡発生装置であって、
   縮流部を流れる気体溶解水の流速が遅くなるように調整することにより、キャビテーションによって発生する水中の微細気泡の径を小さくすることが可能であるとともに、縮流部を流れる気体溶解水の流速が速くなるように調整することにより、キャビテーションによって発生する水中の微細気泡の径を大きくすることが可能な流速調整手段が設けられていることを特徴とする微細気泡発生装置。
2. 流速調整手段によって調整される気液溶解水の縮流部の流速は、キャビテーションが発生する最下限の流速以上、スーパーキャビテーションが発生する最下限の流速未満の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生装置。
3. 流速調整手段は、縮流部または導入部の断面積を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の微細気泡発生装置。