JP4893365B2

JP4893365B2 - マイクロバブル発生装置及びマイクロバブル発生システム

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Publication number: JP4893365B2
Application number: JP2007046431A
Authority: JP
Inventors: 康博福崎; 勝利野瀬; 長武高瀬; 雅之戸田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2008207099A

Description

本発明は液体中に微細な気泡を供給するマイクロバブル発生装置及びこれを備えたマイクロバブル発生システムに関する。

水中に存在する直径数百μｍ以下の気泡はマイクロバブルとよばれ、径が微小であるほど様々な有用な特徴を発揮するようになり、それらに着眼した応用研究が各方面で盛んに実施されている。

マイクロバブルの有する特徴は第一に気泡径が小さいため、水の表面張力との釣合いにより気泡内圧力が高く、その大きさは径に反比例して増大する。圧力が増大すると、ヘンリーの法則により気泡内気体の水中への溶解度が高まる。さらに、気泡径が小さい程、気液界面面積は増大し、１リットルの水中に１０ｃｃの空気を気泡化した場合、気泡径１ｍｍでは界面面積０．０３ｍ²、１０μｍでは３ｍ²、さらに１μｍでは３０ｍ²にもなる。また、同時に気泡の浮上速度は気泡径が小さいほど遅く、マイクロバブルは長時間水中に滞留していられる。これらの特徴によりマイクロバブルの気体溶解効率は高く、様々な気体（例えば酸素）を効率的に水中に溶解できる。

第二に気液界面の現象が顕著に現れるようになり、水分子が電気双極子であることに起因する界面の負帯電により（但し、水温０〜４０℃程度）、気泡間に反発力が作用しマイクロバブルが合一せずに存在できるという特徴がある。また、この負帯電により正荷電の物体を引き付けることができるという特徴がある。さらに、気泡により有機物や界面活性剤等の分子の疎水基を気液界面に吸着し水中から浮上分離する等の特徴がある。

これらの特徴の他にも、生理活性化現象やフリーラジカルの生成等、検証されつつある様々な特徴があり、広範な分野での応用が可能と目されている。

マイクロバブルの発生としては大きく分けて次の６つの方法が知られている（例えば非特許文献１）。（ａ）ベンチュリ管等を用いた流路拡大方式（非特許文献２及び特許文献１を参照）、（ｂ）加圧溶解気体の過飽和析出方式（加圧溶解式）、（ｃ）旋回流気泡せん断方式（旋回流式）、（ｄ）オリフィス等を用いた高圧開放方式、（ｅ）微細孔からの気体吐出方式、（ｆ）超音波や機械による気泡破壊方式が知られている。

いずれの方法も気泡発生方式や発生気泡の破壊方法を様々に工夫している。特に、（ａ）〜（ｄ）の方法は圧力変動や水流によるもの、（ｅ）の方法は気体を吐出する孔径を小さくすることによるもの、（ｆ）の方法は水流以外の動力（媒質の振動や機械によるせん断）によるものである。
大成博文，「マイクロバブルの基礎」，泡のエンジニアリング，２００５年，ｐｐ．４２３−４２９藤原暁子，「ベンチュリ管を用いたマイクロバブル発生手法」，エコインダストリー，２００６，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．３，２７−３０特開２００３−２３０８２４

（ａ）の方式以外のマイクロバブル発生方法について以下のような問題がある。

（ｂ）の方法は水を加圧するための大きなポンプ動力と気体供給のためのコンプレッサが必要となる。

（ｃ）の方法はボイド率（気体の占める体積比）が１％程度より大きくすると気泡径が大きくなる。

（ｄ）の方法は高圧を発生させる大きなポンプ動力が必要となる。

（ｅ）の方法は発生気泡が大きくなる。この気泡を微細化するには孔を微細化して気体圧送用の高圧コンプレッサが必要となる。

（ｆ）の超音波による方法は定常的な用途に向かない。超音波発生や機械駆動のための余計な動力が必要となる。

一方、（ａ）の流路拡大方式は（ｂ）〜（ｆ）の方法に比べて通水路を広く確保できるので夾雑物が溜まり難いという特徴がある。

単一のベンチュリ管を用いた流路拡大式（以下、単一ノズル方式と称する）のマイクロバブル発生原理について図６を参照しながら説明する。

図６に示されたベンチュリ管５は円筒部５１の下流側に絞り部５２、喉部５３、テーパー部５４及び吐出部５５が順次形成されて成る。円筒部５１には空気導入管５６が接続されている。円筒部５１内に形成されている水流には空気導入管５６から空気が導入される。前記水流は絞り部５２を経ると喉部５３までその流速を早め、圧力を低下させる。テーパー部５４内では吐出部５５に近づくにつれて前記水流の流速が低下してその圧力は外部水圧まで回復する。この圧力の回復に伴い、テーパー部５４内の気泡５７は圧縮される。そして、これと同時に、テーパー５４内の液相が吐出部５５から吐出される過程で、気液二相流における音速の低下現象により喉部５３近傍での流速が音速を超えて衝撃波が発生する。この衝撃波により気泡５７が破壊されて微細化する。

しかしながら、単一ノズル方式には次の問題点がある。高ボイド率を達成するためにポンプ動力を増大させる必要がある。発生気泡濃度が１００〜２００個／ｍｌと薄い。発生気泡分布ピーク値が１００μｍ程度と大きい。単一流路のノズルのため絞り部の圧損が大きく、大きなポンプ動力が必要となる。配管内圧力が高くなるため空気供給用コンプレッサが必要とされる。気泡径を数十μｍ程度にするには界面活性剤が必要となる。

そこで、本発明のマイクロバブル発生装置は、気液混相流が供給される流通路と、この流通路の一端側で前記気液混相流を受ける受圧部と、この受圧部の近傍の流通路側面から前記気液混相流を導入してマイクロバブルを生成する複数の吐出路とを有し、前記受圧部の内面は湾曲した凹面に形成され、前記各吐出路の内面は出口径が大径となるようなテーパー状に形成され且つ当該各吐出路の開き角度は当該吐出路の入口と出口の差圧が極大となるように設定されている。

また、マイクロバブル発生システムは、マイクロバブル発生装置が設置される槽と、この槽内の液相を循環的に供給するための配管と、この配管に設置されるポンプと、このポンプによって前記配管内を流通する液相に気体を供する吸気装置とを備え、前記マイクロバブル発生装置は、前記配管内を流通する液相に前記気体が供されて生じた気液混相流が供給される流通路と、この流通路の一端側で前記気液混相流を受ける受圧部と、この受圧部の近傍の流通路側面から前記気液混相流を導入してマイクロバブルを生成する複数の吐出路とを有し、前記受圧部の内面は湾曲した凹面に形成され、前記各吐出路の内面は出口径が大径となるようなテーパー状に形成され且つ当該各吐出路の開き角度は当該吐出路の入口と出口の差圧が極大となるように設定されている。

以上の発明によれば同一ポンプ動力の単一ノズル方式にノズル圧損を低下し、それに伴いポンプ吐出量を増やすことができ、比較的小さなポンプ動力でもより多くの気体を気液混相流として導入可能となりボイド率が高くなる。また、前記発明によって得られるマイクロバブルの濃度は単一ノズル方式によって得られたものより高濃度となり、より多くの気体を液体中に効率よく溶解できる。さらに、前記発明によれば、単一ノズル方式に比べて微細な気泡径分布（気泡径ピーク値５０μｍ以下）を有するマイクロバブルを生成できる。したがって、界面活性剤等の補助的な手段が不要となる。

また、前記発明は気体を自吸できるのでコンプレッサが不要となる。したがって、エネルギー使用量が削減され、システム構成が簡素化する共にコストが低減する。

単一ノズル方式ではマイクロバブルを発生させるためにノズルの入口の断面積を小さくすると共に多くの水流量（流速）を確保する必要がある。一方、前記発明は吐出路の数と入口断面積によって圧損を調整することが可能であると共に吐出路の開き角を最適化することで、ポンプから見た圧損が低減し、マイクロバブルが効率的に生成される。これにより、ポンプ動力が低減し、エネルギー効率が高くなると共にコストを削減できる。特に、本発明において、吐出路の開き角度は当該吐出路の入口と出口の差圧が極大となるように（例えば９°〜１１°となるように）設定されているので、マイクロバブルを効率的に微細化することがきる。

また、前記マイクロバブル発生装置において、前記複数の吐出路は前記流通路の軸を中心に放射状に接続するとよい。前記流通路の軸を中心に放射状にマイクロバブルが吐出されるのでマイクロバブルを等方的且つ広範囲に供給できる。

前記複数の吐出路はマイクロバブルを前記流通路の軸方向に吐出するように配置してもよい。単一方向へのマイクロバブルの供給が可能となる。

また、前記発明においては、前記気液混合流を受ける受圧部の面が湾曲加工された凹面に形成されているので、前記流通路内の気液混相流が前記流通路の内周方向へ拡散されて個々の吐出路に均等に供され易くなる。

前記マイクロバブル発生システムにおいて、前記吸気装置は前記ポンプの二次側に設置するとよい。前記ポンプの内部に気体溜まりが生じ難くなり、気液混相流が安定化する。

前記吸気装置には気体流量調節弁を備えるとよい。自吸する吸気量が可変となるので気泡径分布のピーク径をある程度変えられるようになる。

前記気体としては空気、酸素、オゾンまたは二酸化炭素が例示される。各種用途に応じたマイクロバブルを生成できる。

したがって、以上の発明によればエネルギー的に効率良く且つより微細なマイクロバブルを発生できる。

図１（ａ）は発明の第一の実施形態に係るマイクロバブル発生装置１の平断面図である。図１（ｂ）はマイクロバブル発生装置１の断面図である。

マイクロバブル発生装置１は吐出部１０と配管部１１とを備える。吐出部１０の内部には流通路１０１と受圧部１２と吐出路１３とが形成されている。流通路１０１は配管部１１の流通路１１１と連通している。流通路１０１の内径は流通路１１１の内径と同径となっている。流通路１０１には流通路１１１を介して気液混相流が供給される。

受圧部１２は前記気液混相流を受ける。受圧部１２は流通路１０１の一端に形成されている。受圧部１２はその最大内径が流通路１１１と同径に形成されている。また、受圧部１２内の前記気液混相を直接受ける面１２１は図１に示されたように湾曲加工された凹面に形成されている。

吐出路１３はマイクロバブルを含んだ液相を吐出する。吐出路１３は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されたように面１２１近傍の流通路１０１側面に複数接続されている。個々の吐出路１３は流通路１０１の軸を中心に放射状に接続されている。また、吐出路１３の内面は吐出路１３の出口径が大径となるようなテーパー状に形成されている。

流通路１０１内の気液混相流は受圧部１２によって激しくぶつかり合い流通路１０１の内周方向へ拡散されて個々の吐出路１３に均等に供される。個々の吐出路１３内に導入された気液混相流は、吐出路１３の入り口付近の高速流により水圧の低下を起こし、前記混相流に含まれる気泡を大きくさせる。また、所定の流速以上になるとキャビテーションの発生により溶存気体の気泡を生成させる。これら気泡は吐出路１３の出口部に移動するにつれて急速に回復する水圧によって破壊されマイクロバブルとなり吐出される。また、同時にこの吐出の過程において、気液二相流における音速の低下現象により吐出路１３の入口付近での流速が音速を超え、これにより衝撃波が発生する。この衝撃波によって気泡が破壊されて微細化する。また、マイクロバブル発生装置１は流通路１０１の軸を中心に放射方向に水流を吐出できるので広範囲に等方的なマイクロバブルの供給が求められる用途に適する。

発明の第二の実施形態に係るマイクロバブル発生装置としては例えば図２に示されたマイクロバブル発生装置２が挙げられる。図２（ａ）はマイクロバブル発生装置２の斜視図である。図２（ｂ）はマイクロバブル発生装置２のＡ−Ａ断面図である。図２（ｃ）はマイクロバブル発生装置２のＢ−Ｂ断面図である。

マイクロバブル発生装置２はマイクロバブルを配管部２１の軸方向に吐出すること以外はマイクロバブル発生装置１と同じ構成となっている。すなわち、マイクロバブル発生装置２は図２（ａ）に示されたように吐出部２０と配管部２１とを備える。

吐出部２０の内部には図２（ｃ）に示したように流通路２０１と受圧部２２と吐出路２３とが形成されている。流通路２０１は配管部２１の流通路２１１と連通している。流通路２０１の内径は流通路２１１の内径と同径となっている。流通路２０１には流通路２１１を介して気液混相流が供給される。

受圧部２２は流通路２０１を介して導入された気液混相流を受ける。受圧部２２の最大内径は流通路２１１と同径に設定されている。また、受圧部２２内の前記気液混相流を直接受ける面２２１はマイクロバブル発生装置１の受圧部１２と同様に湾曲加工されている。

吐出路２３はマイクロバブルを含んだ液相を吐出する。吐出路２３は面２２１近傍の流通路２０１側面に複数接続されている。個々の吐出路２３は図２（ｂ）に示されたように流通路２１１と同軸方向に設置されると共に流通路２１１の軸を中心に円弧状に配置されている。そして、図２（ｃ）に示されたように吐出路２３の内面は吐出路２３の出口径が大径となるようなテーパー状に形成されている。

配管部２１内の気液混相流は受圧部２２により激しくぶつかり合い流通路２０１の内周方向へ拡散されて個々の吐出路２３に均等に分配される。前記分配された気液混相流は図１を参照しながら先に述べたマイクロバブル発生装置１と同様の動作原理によりマイクロバブルを発生させて吐出路２３から吐出する。マイクロバブル発生装置２は単一方向へのマイクロバブルの供給が求められる用途に適する。

マイクロバブル発生装置１，２の吐出路１３，２３の開き角θは８°〜１２°程度に設定される。拡大する流路では６°以下及び１２°以上の角度で抵抗係数が増大し、同一のポンプ動力で送水できる流量が減少する。この観点から最も流量が多い角度は６〜１２°程度である。また、泡を微細化させるために吐出路１３，２３の入口と出口との圧力差を大きくすること必要である。図５に示された抵抗係数を考慮した圧力差（圧力損失）と開き角の関係（入口直径３ｍｍ及び全長３０ｍｍの単一ノズル方式の場合）によると圧力差を最も大きく確保できる角度は９°〜１１°となっている。したがって、マイクロバブルを発生させるための吐出路１３，２３の開き角は９°〜１１°程度に設定するとなおよい。

吐出路１３，２３の開き角が大きく設定されるにつれて気泡が微細化する位置が吐出路１３，２３の入口に接近する。例えば、吐出路１３，２３の入口直径が３ｍｍのもので８Ｌ／ｍｉｎ程度の流量では開き角が６°で約２０ｍｍ、９°では約１５ｍｍ、１５°では約５ｍｍと気泡微細化に必要な距離が短くなる。したがって、吐出路１３，２３のサイズを小さくするためには吐出路１３，２３の開き角を大きくすればよいが、図５を例示して説明した圧力差（圧力損失）と開き角の関係を考慮して開き角を選定する必要がある。

吐出路１３，２３の形状は先に説明した通りテーパー状すなわち円錐状の拡大管である。吐出路１３，２３の入口部の形状については鋭角部分を削り丸みを呈するようにすれば流体的抵抗が軽減されてさらに圧力損失が低減するのでポンプ動力が軽減される。

また、マイクロバブル発生装置１，２のボイド率はポンプ動力０．５６ｋＷ−２Ｐ、水流量３０Ｌ／ｍｉｎ程度、吐出路の圧損０．２ＭＰａ程度の条件で５％程度となることが実験的に確認された。このとき、吐出路１３，２３（８個備えている）の入口断面積は２５ｍｍ²程度であり、吐出路１３，２３の入口寸法は口径２ｍｍ程度に設定されたものである。尚、比較例として、入口断面積２５ｍｍ²に設定された従来の単一ノズル方式のマイクロバブル発生装置によって得られた気泡は１ｍｍ以上の粗大気泡となり、同一入口断面積の吐出路１３，２３を有するマイクロバブル発生装置１，２によって生成されるようなマイクロバブル（気泡径ピーク値５０μｍ以下）は得られなかった。

したがって、単一ノズル方式のマイクロバブル発生装置に比べてマイクロバブル発生装置１，２ではより少ないポンプ動力でより微細且つ高濃度のマイクロバブルを界面活性剤等の補助的手段を用いることなく発生することができる。

以上のようにマイクロバブル発生装置１，２によれば吐出路１３を複数有することで、単一ノズル方式のマイクロバブル発生装置に比べてノズル圧損が低減し、これに伴いポンプ吐出流量が増大する。この流量の増大に伴い流通路１１１，２１１内の気液混相流の流速が増加するので、自給空気吸気量が高まり、高いボイド率が達成される。そして、高ボイド率にて微細な気泡が発生し、高濃度のマイクロバブルが得られる。したがって、様々な用途例えば工場廃水処理、洗浄、油脂分離、汚水の浮上分離等に適用できる他に、水質浄化や農業、養殖におけるマイクロバブル含有水の供給用として適用できる。

マイクロバブル発生装置１，２が適用されるマイクロバブル発生システムとしては例えば図３に示されたマイクロバブル発生システム３や図４に示されたマイクロバブル発生システム４が挙げられる。

マイクロバブル発生システム３は、マイクロバブル発生装置１（またはマイクロバブル発生装置２）が設置される槽３１と、この槽３１内の液相を循環的に供給するための配管３２と、この配管３２に設置されるポンプ３３と、このポンプ３３の二次側に設置される吸気装置３４とから成る。マイクロバブル発生装置１（またはマイクロバブル発生装置２）は槽３１内に滞留した液相に浸漬される。ポンプ３３は既知の渦流ポンプを採用すればよい。吸気装置３４は気体を導入する吸気管３５を備える。吸気装置３４は既知のエジェクタ等を採用すればよい。また、吸気管３５には気体流量調節弁を設けると自吸する吸気量を変えることにより気泡径分布のピーク径を変えることができる。吸気量を少なくすると発生気泡径は小さくなり、吸気量を多くすると発生気泡径は大きくなる。

吸気装置３４よって導入される気体としては空気、酸素、オゾン、二酸化炭素等が挙げられ、利用目的に合わせて適宜選択されると共にこれまで述べたマイクロバブル発生装置１，２の形態との組み合わせにより、様々なマイクロバブルの生成と、高効率な気体の溶解が可能となる。

一方、マイクロバブル発生システム３は吸気装置３４がポンプ３３の一次側に設置されていること以外はマイクロバブル発生システム２と同じシステム構成となっている。

マイクロバブル発生システム３，４は吸気装置３４を介して気体を自吸できるので、コンプレッサが不要となり、配管３２内に水流を発生させるポンプ３３の動力のみを要するだけである。ポンプ３３によって吸引された槽３１内の液相の一部は配管３２内を流通し吸気装置３４を経て槽３１内に戻る。配管３２内では気液混相流となった流れがマイクロバブル発生装置１（またはマイクロバブル発生装置２）から吐出される過程で発生したマイクロバブルが槽３１の液相に供給される。

（ａ）発明の第一の実施形態に係るマイクロバブル発生装置の平断面図，（ｂ）前記マイクロバブル発生装置の断面図。（ａ）発明の第二の実施形態に係るマイクロバブル発生装置の斜視図，（ｂ）前記マイクロバブル発生装置のＡ−Ａ断面図，（ｃ）前記マイクロバブル発生装置のＢ−Ｂ断面図。発明に係るマイクロバブル発生装置が適用されるマイクロバブル発生システムの構成図。発明に係るマイクロバブル発生装置が適用されるマイクロバブル発生システムの構成図。吐出路の開き角と差圧との関係を示した特性図。従来のマイクロバブル発生装置の断面図。

符号の説明

１，２…マイクロバブル発生装置
３，４…マイクロバブル発生システム
１０，２０…吐出部、１１，２１…配管部、１２，２２…受圧部、１３，２３…吐出路
３１…槽、３２…配管、３３…ポンプ、３４…吸気装置、３５…吸気管
１０１，１１１，２０１，２１１…流通路

Claims

気液混相流が供給される流通路と、
この流通路の一端側で前記気液混相流を受ける受圧部と、
この受圧部の近傍の流通路側面から前記気液混相流を導入してマイクロバブルを生成する複数の吐出路と
を有し、
前記受圧部の内面は湾曲した凹面に形成され、
前記各吐出路の内面は出口径が大径となるようなテーパー状に形成され且つ当該各吐出路の開き角度は当該吐出路の入口と出口の差圧が極大となるように設定されたこと
を特徴とするマイクロバブル発生装置。
前記複数の吐出路は前記流通路の軸を中心に放射状に接続されたこと
を特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
前記複数の吐出路はマイクロバブルを前記流通路の軸方向に吐出するように配置されたこと
を特徴とする請求項２に記載のマイクロバブル発生装置。
マイクロバブル発生装置が設置される槽と、
この槽内の液相を循環的に供給するための配管と、
この配管に設置されるポンプと、
このポンプによって前記配管内を流通する液相に気体を供する吸気装置と
を備え、
前記マイクロバブル発生装置は、
前記配管内を流通する液相に前記気体が供されて生じた気液混相流が供給される流通路と、
この流通路の一端側で前記気液混相流を受ける受圧部と、
この受圧部の近傍の流通路側面から前記気液混相流を導入してマイクロバブルを生成する複数の吐出路と
を有し、
前記受圧部の内面は湾曲した凹面に形成され、
前記各吐出路の内面は出口径が大径となるようなテーパー状に形成され且つ当該各吐出路の開き角度は当該吐出路の入口と出口の差圧が極大となるように設定されたこと
を特徴とするマイクロバブル発生システム。
前記吸気装置は前記ポンプの二次側に設置されること
を特徴とする請求項４に記載のマイクロバブル発生システム。
前記吸気装置は気体流量調節弁を備えたこと
を特徴とする請求項４に記載のマイクロバブル発生システム。
前記気体は空気、酸素、オゾンまたは二酸化炭素であること
を特徴とする請求項４に記載のマイクロバブル発生システム。