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技術 マイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置

出願人 株式会社三進製作所株式会社ヤギシタ
発明者 柴田晃宏岩田政司小栗秀一郎北川富則柳下幸一
出願日 2018年1月15日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-004138
公開日 2019年7月25日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-122904
状態 未査定
技術分野 混合機の付属装置 溶解、混合、フローミキサー
主要キーワード 中空円錐台状 貫通小孔 気泡粒径 気液混合ポンプ 気液混合液 プッシュボタン式 略円錐台状 空気吸入量
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年7月25日)のものです。
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図面 (3)

課題

構造が単純でありながら、マイクロバブルを発生させることができるマイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置を提供する。

解決手段

液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状テーパー部と、を備え、前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とする。

概要

背景

従来、マイクロバブルを発生させるための装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1に記載のマイクロバブル発生装置は、複数の貫通小孔が設けられたノズルを有する2つの筒を、それぞれのノズルが対向するように配し、ノズルから気液混合液噴射させて、気泡を含んだ水流同士を互いに衝突させることにより生じる水撃力を利用して、マイクロバブルを発生させるものである。

概要

構造が単純でありながら、マイクロバブルを発生させることができるマイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置を提供する。液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状テーパー部と、を備え、前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とする。

目的

本発明は、上記のような問題点に着目し、構造が単純でありながら、マイクロバブルを発生させることができるマイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状テーパー部と、を備え、前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とするマイクロバブル発生具。

請求項2

液体の流路と、ポンプと、請求項1に記載のマイクロバブル発生具と、を備えることを特徴とするマイクロバブル発生装置

技術分野

0001

本発明は、マイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置に関するものである。

背景技術

0002

従来、マイクロバブルを発生させるための装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1に記載のマイクロバブル発生装置は、複数の貫通小孔が設けられたノズルを有する2つの筒を、それぞれのノズルが対向するように配し、ノズルから気液混合液噴射させて、気泡を含んだ水流同士を互いに衝突させることにより生じる水撃力を利用して、マイクロバブルを発生させるものである。

先行技術

0003

特開2013−166143号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、従来のマイクロバブル発生装置は、構造が複雑であるという問題があった。

0005

従って、本発明は、上記のような問題点に着目し、構造が単純でありながら、マイクロバブルを発生させることができるマイクロバブル発生具及びマイクロバブル発生装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明のマイクロバブル発生具は、液体中にマイクロバブルを発生させるために、前記液体の流路に設けられるマイクロバブル発生具であって、前記流路を流れる前記液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、該管部内に配され、前記液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状テーパー部と、を備え、前記管部の内周面に前記テーパー部の大径側の端部が環状に固定されていることを特徴とする。

0007

本発明のマイクロバブル発生装置は、液体の流路と、ポンプと、本発明のマイクロバブル発生具と、を備えることを特徴とする。

発明の効果

0008

本発明のマイクロバブル発生具によれば、流路を流れる液体が一端から流れ込む円筒形の管部と、管部内に配され、液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部と、を備え、管部の内周面にテーパー部の大径側の端部が環状に固定されている。よって、本発明のマイクロバブル発生具を用いることにより、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

0009

また、本発明のマイクロバブル発生装置によれば、本発明のマイクロバブル発生具を備えることから、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

図面の簡単な説明

0010

本発明の実施形態にかかるマイクロバブル発生具を模式的に示す断面図である。
本発明の実施形態にかかるマイクロバブル発生装置を模式的に示す図である。

0011

[マイクロバブル発生具]
以下、本発明の一実施形態にかかるマイクロバブル発生具について、図1を参照して説明する。なお、図1に示す矢印Xは、マイクロバブル発生具を設ける流路における、液体が流れる方向を示している。

0012

ここで、マイクロバブルとは、直径が1mm以下の気泡を指すものである。また、マイクロバブルは、通常、分散媒中で発生させて、分散媒にマイクロバブルが分散された状態で供給される。マイクロバブル発生具10は、液体中にマイクロバブルを発生させるために用いられ、マイクロバブルの分散媒である液体、及び、マイクロバブルを構成する気体は特に限定されない。分散媒としては、例えば、水等を用いることができ、マイクロバブルを構成する気体としては、例えば、空気、窒素炭酸ガス希ガス等のような不活性な気体や、酸素、オゾン等の酸化性ガスを用いることができる。

0013

本実施形態のマイクロバブル発生具10は、液体中にマイクロバブルを発生させるために、液体の流路に設けられるものである。ここでいう「液体」とは、マイクロバブルを構成する気体が分散媒に混合して、溶解した溶液を指す。また、マイクロバブル発生具は、流路と接続される中空の管部11と、管部11内に配されるテーパー部12と、を備える。

0014

本実施形態においては、管部11とテーパー部12とが別体に構成されている。すなわち、管部11からテーパー部12を取り外すことができるように構成されている。管部11とテーパー部12とが別体に構成されていることにより、テーパー部12を交換することができる。すなわち、径寸法等の所望のマイクロバブルの条件や、水圧等の装置条件に合わせて、大きさ、材質等が異なるテーパー部12を用いたり、テーパー部12が劣化したときにメンテナンスを行ったりするときの作業性を向上させることができる。

0015

管部11は、上流側の一端部11aから、分散媒と気体が混合した液体が流れ込む部材であり、一端部11aから他端部11bに亘って軸方向の径寸法が同じ円筒状である。管部11の材質は液体(分散媒)に合わせて、一般的に配管に用いられる材料を用いることができ、特に限定されない。管部11の材質として、例えば、ステンレスアルミニウム等の金属;ガラスポリ塩化ビニルポリエチレン等の樹脂ゴム等を用いることができる。

0016

また、本実施形態においては、管部11がゴム製であり、管部11の内径は、テーパー部12の下流側開口部12bの外径よりも少し小さい。これにより、管部11の復元力により管部11の内部に設けたテーパー部12が保持されている。本実施形態のように、管部とテーパー部とが別体に構成されているマイクロバブル発生具の場合には、樹脂やゴム等の弾性を有する材料を用いてテーパー部を形成してもよい。弾性を有する材料を用いて管部を形成することにより、管部とテーパー部とを別体に形成した場合においても、テーパー部の最大外径よりも少し小さい内径を有する管部を用いることにより、管部の復元力により管部の内部に設けたテーパー部をしっかり保持させることができる。

0017

テーパー部12は、図1に示すように、液体の流れ方向に沿って拡径する、すなわち、上流側から下流側に向かって拡径する中空の略円錐台状に形成されている。すなわち、テーパー部12の上流側開口部12a(請求項における「小径側の端部」)の内径寸法よりも下流側開口部12b(請求項における「大径側の端部」)の内径寸法の方が大きくなるように形成されている。また、テーパー部12は、管部11の内周面に下流側開口部12bが環状に固定されることにより、管部11に固定されている。また、テーパー部12が管部11の内部に配された状態において、テーパー部12の外径寸法は、管部11の内径寸法と略同じである。なお、本実施形態においては、図1に示すように、テーパー部12が拡径する角度が一定であるが、テーパー部12において拡径する角度が途中で変わっていてもよい。

0018

テーパー部12における上流側開口部12a(小径側の端部)の内径寸法(図1に示すd)と、管部11の内径寸法(図1に示すD)との関係は、前者が後者よりも小さくなってテーパー状であれば、上流側開口部12aにおける流速次第でマイクロバブルを発生させることができる。マイクロバブルを発生させる上で、上流側開口部12aにおける流速をある程度以上に高めておくことが望まれる。この流速は、諸条件により変化するため一律には定められないが、低過ぎると十分なマイクロバブルが発生しない。

0019

内径寸法dと内径寸法Dとの比d/Dが小さいと、元の流速が小さくても上流側開口部12aにおける流速を稼ぎやすいが、圧力損失が大きくなりやすい。一方、d/Dが大きいと、元の流速を大きくしないと上流側開口部12aにおける流速を確保し辛いものの、圧力損失は小さい。

0020

実際には、流路中を流れる液体の流量や流速等に応じて、最適の比d/Dを求めてやればよい。圧力損失が大き過ぎず、かつ、マイクロバブルを効率的に発生しやすい内径寸法dと内径寸法Dとの比(d/D×100%)としては、1%〜40%であることが好ましく、3%〜30%であることがより好ましく、5%〜20%であることがさらに好ましい。

0021

また、上流側開口部12aの内径寸法も、同様に上流側開口部12aにおける流速次第でマイクロバブルを発生させ得るため、限定されないが、1mm以上3.5mm以下であることが好ましく、1.5mm以上2.8mm以下であることがより好ましい。径寸法が小さすぎると通過する液体の量が減少し、マイクロバブルの発生量が少なくなる。径寸法が大きすぎると上流側開口部12aにおいて、十分な流速を得ることが難しくなり、マイクロバブルの発生量が少なくなる。上流側開口部12aの内径寸法を適切な数値範囲に設定することにより、気泡径寸法のより小さいマイクロバブルを発生させることができる。

0022

さらに、テーパー部12の角度(管部11の内周面とテーパー部12との成す角)についても、各種条件により適切な範囲が変わってくるため一概には言えず、テーパーを形成し得る程度の角度であればマイクロバブルの発生を期待することができるが、ただし、あまりに角度が小さいと、装置が大型化してしまう上マイクロバブルの発生量が少なく、角度が大きいと、元の流速が小さくても上流側開口部12aにおける流速を稼ぎやすいが、圧力損失が大きくなりやすい。当該角度としては、具体的には、1°〜20°程度の範囲から選択され、3°〜10°程度の範囲から選択することがより好ましい。

0023

また、テーパー部12の材質は、流路の部材として一般的に用いられる、ステンレス等の金属;ガラス;ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂等を用いることができ、樹脂を用いてテーパー部12を形成することにより、テーパー部12をより安価に製造することができる。

0024

また、テーパー部12を樹脂製とする場合には、テーパー部12の形状を有する市販の部材を用いてもよい。このような部材としては、例えば、マイクロピペット(JIS K 0970、プッシュボタン式液体用量体積計)用の樹脂製チップ等を用いることができる。これにより、市販の部材を用いて、安価にマイクロバブル発生具を製造することができる。

0025

本実施形態のマイクロバブル発生具10においては、マイクロバブル発生具10の上流から、気体が分散媒に混合して溶解した溶液を投入し、テーパー部12における上流側開口部12aを通過することにより、溶液中にマイクロバブルが発生する。また、このとき、上流側開口部12aにおける、気体が分散媒に混合して溶解した溶液の通過速度が5m/s〜50m/sであることが好ましく、15m/s〜35m/sであることがより好ましい。上流側開口部12aにおける溶液の通過速度を適切な数値範囲にすることにより、十分にマイクロバブルを発生させることができる。

0026

本実施形態のマイクロバブル発生具10によれば、流路を流れる液体が一端から流れ込む円筒形の管部11と、管部11内に配され、液体の流れ方向に沿って拡径する中空円錐台状のテーパー部12と、を備え、管部11の内周面にテーパー部12の下流側開口部12bが環状に固定されている。これにより、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

0027

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

0028

前述した実施形態においては、管部11とテーパー部12とが別体に形成されていたが、例えば溶接接着等により、管部とテーパー部とが一体に形成されていてもよい。

0029

[マイクロバブル発生装置]
次に、本発明の一実施形態にかかるマイクロバブル発生装置100について、図1図2を参照して説明する。なお、図2に示す矢印Xは、マイクロバブル発生具を設ける流路における、液体が流れる方向を示している。

0030

マイクロバブル発生装置100は、前述した実施形態のマイクロバブル発生具10を備えており、マイクロバブル発生具10については説明を省略する。また、マイクロバブル発生装置100は、液体中にマイクロバブルを発生させるために用いられる装置であり、マイクロバブルの分散媒である液体、及び、マイクロバブルを構成する気体は特に限定されない。分散媒としては、例えば、水等を用いることができ、マイクロバブルを構成する気体としては、例えば、空気、窒素、水素、炭酸ガス、希ガス等のより不活性な気体や、酸素、オゾン等の酸化性ガスを用いることができる。

0031

マイクロバブル発生装置100は、マイクロバブル発生具10と、液体の流路20と、ポンプ30と、気泡分離槽40と、圧力計50と、を備える。また、マイクロバブル発生装置100を稼働させるときには、マイクロバブル発生具10、及び、気泡分離槽40の下流はそれぞれ不図示のタンクと接続し、ポンプ30の上流は不図示のタンクと接続する。

0032

液体の流路20は、各構成部材(マイクロバブル発生具10、ポンプ30、気泡分離槽40、圧力計50)を接続する配管である。また、流路20は、液体(分散媒)に合わせて、一般的な配管材を用いることができる。流路20の材質として、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属;ガラス;ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂;ゴム等を用いることができる。

0033

ポンプ30は、マイクロバブルの気泡を構成する気体を吸引して、液体(分散媒)と気体とを撹拌して、混合する機能を有する、気液混合ポンプである。なお、気体を吸引する機能、液体と気体とを撹拌する機能を有しないポンプを用いて、コンプレッサーラインミキサーをポンプとは別に設けてもよい。

0034

気泡分離槽40は、ポンプ30の下流側に流路20を介して接続され、気体が分散媒に混合して溶解した溶液における、余剰の気体と分散媒とを排出して、溶液の圧力を調整する部材である。

0035

圧力計50は、気泡分離槽40よりも下流で、マイクロバブル発生具10の上流に設けられ、気泡分離槽40からマイクロバブル発生具10に投入される溶液の圧力を計測するものである。

0036

本実施形態のマイクロバブル発生装置100における、マイクロバブルの生成について説明する。マイクロバブル発生装置100においては、まず、ポンプ30により分散媒と気体が吸引され、ポンプ30内部で分散媒と気体が撹拌され、気体が分散媒に混合して溶解した溶液Aが調製される。さらに、この溶液Aが気泡分離槽40に投入され、余剰の気体と分散媒とを排出して、溶液Aの圧力が調整された溶液Bが調製される。このとき、溶液Bの圧力を圧力計50により計測して、気泡分離槽40において排出する気体と分散媒とを調整する。次に、溶液Bがマイクロバブル発生具10に投入され、マイクロバブル発生具10のテーパー部12の上流側開口部12aを通過し、テーパー部を移動する際に、分散媒中にマイクロバブルが発生する。さらに、マイクロバブル発生具10の下流に接続されたタンク内に、分散媒にマイクロバブルが分散した状態で、マイクロバブルが供給される。

0037

本実施形態のマイクロバブル発生装置100によれば、マイクロバブル発生具10を備えることから、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができる。

0038

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、例えば、マイクロバブル発生装置100の装置構成は、適宜変更することができ、このような変形等も本発明に含まれる。

0039

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

0040

従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

0041

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。

0042

(実施例1)
[マイクロバブルの生成]
本実施例においては、マイクロバブルを構成する気体を空気とし、分散媒を水として、水中に空気により構成されたマイクロバブルを発生させた。また、本実施例においては、前述したマイクロバブル発生装置100と同じ構成のマイクロバブル発生装置を用いた。また、マイクロバブル発生装置に用いたマイクロバブル発生具は、管部が樹脂製で、内径寸法が15mm、液体が流れる方向の長さ寸法が150mmであり、テーパー部が樹脂製で、上流側開口部の内径寸法が1.40mm、下流側開口部の内径寸法が15mm、液体が流れる方向の長さ寸法が130mmとした。

0043

まず、ポンプにより分散媒と気体を吸引させ、ポンプ内部で分散媒である水と空気とを撹拌させて、空気が水に混合して溶解した溶液Aを調製した。このとき、ポンプにおける空気吸入量は0.4L/minとした。さらに、この溶液Aを気泡分離槽に投入して、余剰の気体と分散媒とを排出して、溶液Aの圧力が調整された溶液Bを調製した。このとき、溶液Bの圧力を圧力計により計測して、気泡分離槽において排出する気体と分散媒とを調整した。また、圧力計により計測した圧力を「発生圧力」とした。次に、溶液Bをマイクロバブル発生具に投入して、水中にマイクロバブルを生成させて、水中にマイクロバブルが分散した状態でマイクロバブルを得た。発生圧力は0.4MPaであった。

0044

(実施例2〜5)
実施例2〜5において、テーパー部の上流側開口部の内径寸法を、1.55mm、1.85mm、2.50mm、2.90mmとしたこと以外は、実施例1と同様の方法でマイクロバブルを得た。実施例2〜5において、発生圧力は、それぞれ、0.4MPa、0.4MPa、0.4MPa、0.35MPaであった。

0045

(比較例)
比較例として、マイクロバブル発生具を設けた流路を閉じ、マイクロバブル発生具を通さずに溶液Bを回収したこと以外は、実施例1と同様の操作を行った。すなわち、図2のマイクロバブル発生具100における、気泡分離槽40の上部の流路に圧力損失が0.45MPaとなる管(外径6mm、内径4mm、長さ1.6m)を接続して、溶液Bを回収した。

0046

[生成したマイクロバブルの評価及び結果]
実施例1〜5において生成したマイクロバブルについて、気泡粒径分布を測定した。測定はレーザ回折粒子径分布測定装置、SALD−3100(島津製作所製)を用いた。気泡粒径について、メディアン径、及び、平均値を算出した。メディアン径及び平均値は体積基準のものである。また、マイクロバブルを発生させた溶液Bの吸光度(690nm)を濁度指標とし、吸光度が0.02以上のとき、マイクロバブルが発生した、とみなした。結果を表1に示した。なお、比較例においては、吸光度の値は0.012であった。

0047

0048

以上の結果により、実施例1〜5においては、いずれもマイクロバブルを生成することができることが示された。また、上流側開口部の内径が2.90mmの実施例5においては、発生圧力が0.35MPaまでしか上がらず、上流側開口部の内径を大きくすると、マイクロバブルの生成能がやや低下することが示された。

実施例

0049

[考察]
以上の評価結果より、本発明のマイクロバブル発生具、マイクロバブル発生装置の例示的態様である実施例においては、構造が単純でありながら、液体中にマイクロバブルを発生させることができることが示された。

0050

10マイクロバブル発生具
11 管部
11a 一端部
11b 他端部
12テーパー部
12a上流側開口部(小径側の端部)
12b下流側開口部(大径側の端部)
20流路
30ポンプ
40気泡分離槽
50圧力計
100 マイクロバブル発生装置

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