JP7180748B2 - 気泡発生装置 - Google Patents

Description

本開示は、気泡発生装置に関する。

近年、微細な気泡を使って水質浄化、排水処理、魚の養殖などが行なわれており、微細な気泡が様々な分野で利用されている。そのため、微細な気泡を発生する気泡発生装置が開発されている（特許文献１）。

特許文献１に記載の気泡発生装置では、圧電素子を利用して微細な気泡を発生させている。この気泡発生装置では、屈曲振動する振動板の中央部での上下振動を利用して、振動板に形成した細孔で発生した気泡を振動で引きちぎり微細化している。そのため、細孔を形成した振動板は常に水などの液体にさらされている。さらに、振動板の下部には気泡を発生させるための気体を導入する空間を設ける必要がある。

特許第６１０８５２６号公報

特許文献１に記載の気泡発生装置では、振動板で液体と空気とを分離するために、同心円状のシリコンゴム等のゴム弾性体で振動板を保持している。ゴム弾性体で振動板を保持している場合、気泡を発生させるために振動板を振動させると、ゴム弾性体で振動板の振動を一部吸収するので、気泡発生装置での微細な気泡の発生効率を低下させる問題があった。

逆に、弾性体のない固い遮蔽物で液体と空気との分離を行いつつ、振動板を保持する場合、気泡を発生させるために振動板を振動させると、遮蔽物から振動板の振動が漏れ水槽自体を振動させる問題があった。

そこで、本開示の目的は、振動板で液体と空気とを分離しつつ、微細な気泡の発生効率を低下させない気泡発生装置を提供することである。

本開示の一形態に係る気泡発生装置は、振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する振動板と、第１の端部と、第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、第１の端部側において、振動板を保持するように、振動板に連結されている筒状体と、筒状体の第２の端部側に、筒状体の径方向外側に延ばされたリング状つば部に固定され、筒状体を振動させる圧電素子とを備え、第１の端部側の筒状体の側面で液体槽と結合させ、圧電素子で筒状体を振動させて振動板のみを屈曲振動させる。

本開示によれば、筒状体の第１の端部に振動板を連結し、第２の端部のリング状つば部に圧電素子を設ける構造であるため、振動板で液体と空気とを分離しつつ、微細な気泡の発生効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る気泡発生装置が用いられる水質浄化装置の概略図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置の斜視図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置の半断面図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置の振動板の振動を説明するための図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置のリング状の圧電素子を駆動した場合の共振特性を示す図である。 本実施の形態に係る振動板の平面図である。 本実施の形態に係る振動板に形成した開口部の断面図である。

（実施の形態）
以下に、本実施の形態に係る気泡発生装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

まず、図１は、本実施の形態に係る気泡発生装置１が用いられる水質浄化装置１００の概略図である。図１に示す気泡発生装置１は、例えば水槽（液体槽）１０の底部に設けられ、水槽１０の水に微細な気泡２００を発生させる水質浄化装置１００に用いられる。なお、気泡発生装置１の用途は、水質浄化装置１００に限定されず、排水処理装置、魚の養殖用水槽などの様々な用途に適用することができる。

気泡発生装置１は、振動板２と、筒状体３と、圧電素子４とを備えている。気泡発生装置１は、水槽１０の底部の一部に開けた孔に振動板２を設け、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動させることで、振動板２に形成した複数の細孔（開口部）から微細な気泡２００を発生させている。

振動板２は、ガラス板で形成されている。振動板２をガラス板で形成する場合、例えば、波長が２００ｎｍ～３８０ｎｍの紫外光および深紫外光を透過させるガラス板で形成してもよい。紫外光および深紫外光を透過させるガラス板で形成することで、振動板２の他方の面側から水槽１０の水に対して紫外光を発する光源を設け、オゾン生成による殺菌と紫外光照射による殺菌とを兼用させることができる。なお、ガラス板には、石英ガラスや、組成がコントロールされ深紫外線の透過度を向上させた疑似石英合成ガラスなどが用いられる。なお、振動板２は、金属板で形成してもよく、ガラス以外に他の材質（例えば、金属、樹脂など）で形成してもよい。

振動板２は、複数の細孔が形成され、一方の面が水槽１０の水（液体）と接し、他方の面が空気（気体）と接している。つまり、気泡発生装置１では、振動板２で水と空気とを分離し、他方の面に背圧を加え（図１に示す矢印方向）、振動板２を振動させることで空気が複数の細孔を通って水槽１０の水に送り込まれ微細な気泡２００を発生させている。

気泡発生装置１では、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動させている。図２は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の斜視図である。図３は、本実施の形態に係る気泡発生装置の半断面図である。図３に示す一点鎖線は、筒状体３の中心軸を通る部分である。

振動板２に、筒状体３が連結されている。なお、振動板２がガラス板で形成されているため図２では振動板２越しに筒状体３の貫通孔が見えているが、振動板２が金属板などの不透明な材料で形成された場合、図２のように振動板２越しに筒状体３の貫通孔を見ることはできない。筒状体３は、円筒状の形状を有する。筒状体３は、第１の端部３ａと、第１の端部３ａとは反対側の第２の端部３ｂとを有する。第２の端部３ｂは、円筒体の軸方向において、第１の端部３ａと反対側に位置している。

第１の端部３ａが、振動板２に連結されている。すなわち、振動板２が、筒状体３の第１の端部３ａ側の開口を閉成するように、筒状体３の第１の端部３ａが、振動板２の筒状体３側の面に固定されている。

筒状体３は本実施の形態では、ステンレスからなる。もっとも、ステンレスに代えて、他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、ステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。

筒状体３の側面には、筒状体の径方向外側に延ばされたフランジ部３ｃが設けられている。フランジ部３ｃは、たとえば図１に示すように水槽１０の底部の一部に開けた孔と連結することにより、筒状体３の第１の端部３ａが水槽１０を結合させている。フランジ部３ｃは、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動させても、ほぼ無振動である。そのため、圧電素子４の振動を水槽１０に伝えずに、振動板２のみを振動させることが可能である。

筒状体３の第２の端部３ｂ側には、径方向外側に延ばされたリング状つば部３ｅが設けられている。リング状つば部３ｅは、平面視した場合、ドーナツ状の形状を有している。フランジ部３ｃと、リング状つば部３ｅとの間の部分が、筒状体本体３ｄである。上記リング状つば部３ｅの外径は、筒状体本体３ｄの外径よりも大きくなっている。特に限定されないが、本実施の形態では、図３に示すように、筒状体本体３ｄの外径は、振動板２の外径より小さい。

リング状つば部３ｅは、筒状体本体３ｄと同じ材料により一体に構成されていてもよい。もっとも、本実施の形態では、筒状体本体３ｄに、別部材としてのリング状つば部３ｅが筒状体本体３ｄの振動板２とは反対側の端面に接合されている。このように、リング状つば部３ｅは、筒状体本体３ｄと別部材で構成されていてもよい。

リング状つば部３ｅには、振動板２側の面と反対側の面に、リング状の圧電素子４が固定されている。リング状の圧電素子４は、リング状圧電体と、リング状圧電体の両面に設けられた電極とを有する。リング状圧電体は、厚み方向に、すなわち筒状体３の第１の端部３ａと第２の端部３ｂとを結ぶ方向に分極されている。リング状圧電体は、圧電セラミックスなどの圧電体からなる。

リング状の圧電素子４がリング状つば部３ｅに接合されている構造により、振動板２を屈曲振動する振動体を構成している。なお、リング状の圧電素子４は、例えば、内径が１２ｍｍ、外径が１８ｍｍ、厚みが１ｍｍである。また、圧電素子４は、例えば、電圧が５０Ｖｐｐ～７０Ｖｐｐ、デューティ比５０％の矩形波形の動作条件で駆動される。

気泡発生装置１では、この圧電素子４における屈曲振動が、筒状体３を介して振動板２に伝わり、振動板２を振動させて微細な気泡２００を発生させている。圧電素子４の電極には、コントローラ２０からの信号が供給され、当該信号に基づいて圧電素子４が駆動される。

なお、圧電素子４は、リング状圧電体と、リング状圧電体の両面に設けられた電極とを有すると説明したが、これに限定されない。圧電素子４は、例えば、複数の圧電体がリング状配置され、各々の圧電体の両面に電極が設けられた構成でもよい。

振動板２は、筒状体３の第１の端部３ａに連結されているが、図３に示すようにサポートガラス６を介して筒状体３の第１の端部３ａに連結されている。振動板２の厚みが、例えば０．２ｍｍの場合、サポートガラス６の厚みが、例えば１．１ｍｍである。もちろん、振動板２は、サポートガラス６を介さずに筒状体３の第１の端部３ａに直接連結されてもよい。

気泡発生装置１では、液体に接する振動板２の構造をガラス板とし、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動させる構成にすることで、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができる。気体を導入する空間と液体とを完全分離することで、圧電素子４の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。また、気泡発生装置１では、光源も気体を導入する空間に設けることができるので、光源の電気配線等が液体に浸かることも防止できる。

次に、気泡発生装置１での振動板２の振動について詳しく説明する。図４は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の振動板２の振動を説明するための図である。図４には、気泡発生装置１の半断面図に、振動板２の振動についてシミュレーションした結果の変位が示されている。図４に示す一点鎖線は、筒状体３の中心軸を通る部分である。

図４に示す気泡発生装置１では、振動板２に筒状体３、リング状つば部３ｅおよびリング状の圧電素子４が連結されている。このリング状の圧電素子４の電極間に交流電界を印加することで、リング状の圧電素子４とリング状つば部３ｅとの積層体が屈曲振動する。この屈曲振動の変位が、筒状体３の筒状体本体３ｄを介して振動板２に伝搬する。その結果、振動板２は、中央部が大きく変位する屈曲振動が生じる。この場合、気泡発生装置１は、図４に示すように振動板２の屈曲振動で振動板２の中央部で変位ｄを生じる。

リング状の圧電素子４でリング状つば部３ｅを振動させて振動板２を屈曲振動させた場合、図４に示す気泡発生装置１の振動板２の中央部分とリング状つば部３ｅの外周側部分とが逆相で変位する第１のモードと同相で変位する第２のモードとが生じる。

特に、気泡発生装置１では、第１のモードで振動板２を振動させた場合、フランジ部３ｃの近傍にノードが現れるのでフランジ部３ｃの近傍ではほぼ無振動となる。

図５は、本実施の形態に係る気泡発生装置のリング状の圧電素子４を駆動した場合の共振特性を示す図である。図５に示すように、低周波数側に第１のモードの応答、高周波数側に第２のモードの応答がそれぞれ現れている。ここでは、第１のモードの共振周波数は３２．５ｋＨｚ付近に現れており、第２のモードの共振周波数は３４．０ｋＨｚ付近に現れている。

なお、屈曲振動は、リング状つば部３ｅの外径や厚みを変更することで第１のモードの応答および第２のモードの応答の周波数を大きく変更することができる。

振動板２には、複数の細孔が形成されている。図６は、本実施の形態に係る振動板の平面図である。図６に示す振動板２は、直径１４ｍｍのガラス板２ａの中央部に設けた５ｍｍ×５ｍｍの領域に複数の細孔２ｂが形成されている。振動板２は、例えば、細孔２ｂの孔径を１０μｍ、細孔２ｂの間隔を０．２５ｍｍにした場合、５ｍｍ×５ｍｍの領域に４４１個の細孔２ｂを形成することができる。なお、図６では、ガラス板２ａに複数の細孔２ｂが形成されていることをイメージし易くするため、細孔２ｂの孔径および細孔２ｂの間隔が実際のスケールとは異なっている。

振動板２に設けられる細孔２ｂは、液体と接する側の面での孔径が１μｍ～２０μｍである。当該細孔２ｂから導入された空気により、水槽１０の水に約１０倍の径の微細な気泡２００が発生する。細孔２ｂは、孔径の１０倍以上の間隔で複数形成されているので、１つの細孔２ｂから発生した微細な気泡２００が隣の細孔２ｂから発生した微細な気泡２００とつながることを防止して独立した微細な気泡２００を発生させる性能を向上させている。

ガラス板２ａに複数の細孔２ｂを形成するための方法として、例えば、レーザと液相エッティングとを組み合わせた方法がある。具体的に、この方法では、ガラス板２ａにレーザを照射することにより、レーザエネルギーでガラス板２ａに組成変性を起こさせ、その部分を液体フッ化物系のエッティング材などで侵食させて複数の細孔２ｂを形成している。

図７は、本実施の形態に係る振動板に形成した細孔（開口部）２ｂの断面図である。図７に示すように、ガラス板２ａに形成される細孔２ｂの形状は、図中下側の面の孔径に比べ、上側の面の孔径が大きいテーパ形状である。孔径の小さい面を水槽１０の水と接する面に、孔径の大きい面を気体と接する面にして振動板２を配置することで、細孔２ｂで発生する微細な気泡２００の径をより小さくすることができる。もちろん、孔径の大きい面を水槽１０の水と接する面に、孔径の小さい面を気体と接する面にして振動板２を配置してもよい。

振動板２にガラス板２ａを使用した場合、金属板を利用する場合と比較して、液体への金属イオンの溶出による液体汚染を防ぐことができるメリットがある。また、金属板に細孔を形成した場合、金属の腐食防止のためにメッキを行う必要がある。液体への金属イオンの溶出を防止するには、貴金属を用いる必要がある。そのため、細孔を形成した金属板を貴金属でメッキを行うと、振動板のコストが高価になる。

以上のように、本実施の形態に係る気泡発生装置１は、振動により微細な気泡２００を液体中に発生させる気泡発生装置である。気泡発生装置１は、振動板２と、筒状体３と、圧電素子４とを備える。振動板２は、複数の細孔２ｂが形成され、一方の面が水槽１０の水（液体）と接し、他方の面が気体と接する。筒状体３は、第１の端部３ａと、第１の端部３ａとは反対側の第２の端部３ｂとを有し、第１の端部３ａ側において、振動板２を保持するように、振動板２に連結されている。圧電素子４は、筒状体３の第２の端部３ｂ側に、筒状体３の径方向外側に延ばされたリング状つば部３ｅに固定され、筒状体３を振動させる。筒状体３の第１の端部３ａが水槽１０を結合させてある。

これにより、気泡発生装置１は、筒状体３の第１の端部３ａに振動板２を連結し、第２の端部３ｂのリング状つば部３ｅに圧電素子４を設ける構造であるため、振動板２で液体と空気とを分離しつつ、微細な気泡の発生効率を向上させることができる。また、気泡発生装置１は、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができ、圧電素子４の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。

さらに、リング状つば部３ｅは、振動板２側の第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面とを有し、第２の面に圧電素子４が固定されている。これにより、気泡発生装置１は、圧電素子４が液体に浸かることを防止できる。

また、筒状体３は、第１の端部にフランジ部３ｃを設け、フランジ部３ｃを介して水槽１０を結合させてもよい。これにより、気泡発生装置１は、圧電素子４の振動を水槽１０に伝えずに、振動板２のみを振動させることが可能になる。

さらに、フランジ部３ｃ、筒状体３およびリング状つば部３ｅとは、同一材料で一体に形成されてもよい。これにより、フランジ部３ｃ、筒状体３およびリング状つば部３ｅの強度を高めることができる。

また、振動板２は、ガラス板で形成されてもよい。これにより、気泡発生装置１は、水槽１０の水（液体）への金属イオンの溶出による液体汚染を防ぐことができる。

さらに、ガラス板は、サポートガラス６を介して筒状体３の第１の端部３ａ側に連結されてもよい。

また、振動板２は、液体と接する側の面での孔径が１μｍ～２０μｍの細孔２ｂを、孔径の１０倍以上の間隔で複数形成してもよい。これにより、気泡発生装置１は、１つの細孔２ｂから発生した微細な気泡２００が隣の細孔２ｂから発生した微細な気泡２００とつながることを防止でき、独立した微細な気泡２００を発生させることができる。

さらに、細孔２ｂの形状は、水槽１０の水（液体）と接する一方の面の孔径に比べ、気体と接する他方の面の孔径が大きいテーパ形状であってもよい。これにより、気泡発生装置１は、細孔２ｂで発生する微細な気泡２００の径をより小さくすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ 気泡発生装置、２ 振動板、２ａ ガラス板、２ｂ 細孔、３ 筒状体、３ａ 第１の端部、３ｂ 第２の端部、３ｃ フランジ部、３ｄ 筒状体本体、３ｅ リング状つば部、４，４Ａ 圧電素子、６ サポートガラス、１０ 水槽、２０ コントローラ、１００ 水質浄化装置、２００ 気泡。

Claims (8)

1. 振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、
   複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する振動板と、
   第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１の端部側において、前記振動板を保持するように、前記振動板に連結されている筒状体と、
   前記筒状体の前記第２の端部側に、前記筒状体の径方向外側に延ばされたリング状つば部に固定され、前記筒状体を振動させる圧電素子とを備え、
   前記第１の端部側の前記筒状体の側面で前記液体槽と結合させ、
   前記圧電素子で前記筒状体を振動させて前記振動板のみを屈曲振動させる、気泡発生装置。
2. 前記リング状つば部は、前記振動板側の第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、前記第２の面に前記圧電素子が固定されている、請求項１に記載の気泡発生装置。
3. 前記筒状体は、前記第１の端部にフランジ部を設け、前記フランジ部を介して前記液体槽を結合させてある、請求項１または請求項２に記載の気泡発生装置。
4. 前記フランジ部、前記筒状体および前記リング状つば部とは、同一材料で一体に形成されている、請求項３に記載の気泡発生装置。
5. 前記振動板は、ガラス板で形成されている、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
6. 前記ガラス板は、サポートガラスを介して前記筒状体の前記第１の端部側に連結されている、請求項５に記載の気泡発生装置。
7. 前記振動板は、孔径が１μｍ～２０μｍの前記開口部を、孔径の１０倍以上の間隔で複数形成してある、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
8. 前記開口部の形状は、前記液体槽の液体と接する前記一方の面の孔径に比べ、気体と接する前記他方の面の孔径が大きいテーパ形状である、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の気泡発生装置。

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