JP5000583B2 - マイクロ・ナノバブル生成方法及び装置、並びにマイクロ・ナノバブル水の生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ・ナノバブル水を生成する装置に使用するマイクロ・ナノバブル生成方法及び装置、並びにマイクロ・ナノバブル水の生成装置の構造に係り、詳細には淡水中でもマイクロバブル発生時の気泡分布のピークが１０μｍ程度に集中している高濃度でありながら、装置を簡素化することが可能となる構造に関する。

気泡の微細化については剪断方法、加圧方法などがあるが微細化した気泡を安定して送り出すためには気泡同士が再度融合することなく、気泡各自の消滅時間を緩慢化する必要がある。海水など電解質イオンを含む水中ではイオン電荷を気泡表面に取り込むことで気泡各自が帯電し各気泡間が反発しあうことで再度融合を防ぎ、かつ気泡収縮時の電荷濃縮によりイオン殻を形成して微細安定化が比較的容易となるが、イオン類の少ない淡水中ではこのような現象が少ないためマイクロバブルの安定発生が難くなる。従って淡水中にマイクロバブルを発生させるためには、従来の方法は加圧ポンプを使用し物理的障害物を設定した配管内に水流と気体を送り、強制的に加圧混入を行うことでマイクロバブルを発生させることが主流となっている。参照される主な先行技術を次に記載する。
特許第３０４３３１５号公報 特開２００１−３００５２２号公報 特開２００４−０７３９５３号公報 特開２００５−２４５８１７号公報

上記方法では発生配管内に過度の圧力を発生させる必要があり、ポンプの高出力化や配管内への物理的障害物の設定により複雑な構造となるため簡素な装置とならず、実用化レベルに至っていない。本発明ではより簡素にマイクロ・ナノバブルの生成が可能となるような装置及び方法を提供する。

淡水中ではイオン類が少なく気泡表面が帯電することが少ないため気泡の微細安定化が難しいことは前述した通りである。本発明では気泡同士を高速摩擦することにより気泡表面に静電気を帯電させることで、イオン電荷に帯電した状態と同様の効果をもたらすマイクロバブルが生成されることに着目し、同一管内に外管・内管を設定した二重管構造の配管を作製し、各管内に螺旋溝を設定して外管・内管の旋回方向をそれぞれ逆方向とし、流出する水流を衝突させることで気泡同士を高速摩擦する。これにより気泡表面に静電気を帯電させマイクロバブルを生成する。

すなわち、本発明は、開口径の異なる所定の長さを有する２種類の管を内外に配置して外管及び内管の二重構造の配管を備え、前記各管の内面に密接して線状部材をそれぞれ異なる方向に螺旋状に配置して螺旋部材となし、前記内管の内面に密接した前記螺旋部材の内側に前記内管の軸方向に連通する空洞を有し、前記各管の内面と前記各螺旋部材からなる螺旋溝を形成してマイクロバブル発生部を形成し、該螺旋溝に沿って流れる方向の異なる気泡を含む螺旋水流を同時に放出する際に衝突させて、前記気泡に摩擦と剪断を行いマイクロ・ナノバブルを生成する方法である。
また、本発明は、開口径の異なる所定の長さを有する２種類の管を内外に配置して外管及び内管の二重構造の配管を備え、前記各管の内面に密接して線状部材がそれぞれ異なる方向に螺旋状に配置されて螺旋部材とされ、前記内管の内面に密接した前記螺旋部材の内側に前記内管の軸方向に連通する空洞を有し、前記内外各管の内面と前記各螺旋部材からなる螺旋溝が形成されたマイクロバブル発生部を有し、前記螺旋溝に沿って流れる方向の異なる気泡を含む螺旋水流が同時に放出される際に衝突するようになされたことを特徴とするマイクロ・ナノバブル生成装置である。
また、本発明のマイクロ・ナノバブル水の生成装置は、上記着想に基づき、外管・内管の二重管構造の配管（口径比２：１）を作製、各管内に螺旋溝を設定し外管・内管の旋回方向をそれぞれ逆方向としたマイクロバブル発生部を備える前記のマイクロ・ナノバブル生成装置を準備する。そして、気体吸引エジェクターと循環ポンプと前記マイクロ・ナノバブル生成装置の２基のマイクロバブル発生部とを記載順に配管で接続する。マイクロバブルの発生は、循環ポンプの作動により、ポンプ吸入側の吸水管に設けた気体吸引エジェクターにより、水流の通過による負圧発生により気体を吸入させるとポンプ吐出側からはミリレベルの気泡を含んだ水流が吐出される。気泡を含んだ水流は配管を通り上記のマイクロバブル発生部（二重管構造部）に送られ、ここで水流は外管側螺旋溝と内管側螺旋溝に分かれ各溝に沿って流れることになる。各水流は螺旋溝を高速旋回しながら流れることになり、含まれる気泡には強い遠心力がかかるので急激に加圧圧縮され微細化される。各管溝から吐出された水流に含まれる気泡は旋回径に比例した遠心力（遠心力Ｆ＝質量ｍ×速度ｖ２／旋回半径ｒ）により加圧縮小されており、外管径：内管径＝２：１の設定により気泡径も外管内気泡径：内管内気泡径＝２：１となる。開放部において旋回方向の違いから激しく混流する際に各管の気泡が衝突することで内管の小さい気泡が外管の大きい気泡を剪断することになる。またこの時に摩擦が生じ、気泡が静電気を帯電することになる。

各気泡が静電気によるマイナス電荷を帯電した後は同電荷反発により各気泡がマイクロバブルとして存在することが可能になる。発生したマイクロバブルは気液境界面での表面張力による自己加圧効果により圧壊していくことになるが、同時に気泡表面に帯電したマイナス電荷の電荷密度も増大するため、電解質イオンが濃縮された場合に生じる「イオン殻」と同様の作用が発生することになりイオン類の少ない淡水中でもマイクロ・ナノバブルとして安定することができる。

水槽を循環するようポンプ配管を行い吐出水流側にマイクロバブル発生部を２基設置した。吸入側から気体吸引エジェクターを通して気体が吸引され、ポンプより気泡を含んだ水流が吐出される。水流が第一のマイクロバブル発生部を通過した段階で気泡は分散と微細化された状態になり、続いて第二のマイクロバブル発生部を通過することでさらに微細化されマイクロ・ナノバブルの発生を確実にしている。

本発明は、従来の構造がスクリュー形状等からの渦流の発生に物理的障害物を用いることで加圧混入する気泡発生を行うため、渦流の発生から整流または分散を同管内で行うための連続構造から成る配管一体型であるのに対して、螺旋旋回部分から開放される２系統の水流の高速混流により気泡が微細化されるため、マイクロバブル発生部のみを局部的に配管内へ設置することで気泡発生が可能となる。これにより吐出水流のある配管内であれば局部設置できるので配管設計の簡素化が可能となること、更に、障害物面積が従来構造より少ないため圧力発生要件となる管内障害物が本構造では螺旋溝だけとなることで管内圧力が低くなることから低圧のポンプでも稼動でき、装置全体の簡素化及び省電力化も可能となる。また排圧の低下により気体吸引量が多い上に安定していることも特徴である。

本発明のマイクロ・ナノバブル水の生成装置は１つのポンプによる水流を利用して気体を吸引し、配管内加工により２つの高速旋回流を作り混流させることでマイクロバブルを発生させ、ナノバブル生成までを吐水側水流の配管内で行うものである。

（実施例１）
本発明の特徴である同一管内に口径比２：１に設定した外管と内管の二重管構造の配管を作製すると共に、各管内に螺旋溝を設定し外管側及び内管側の旋回方向をそれぞれ逆方向とした部分について図１を用いて説明する。図１はマイクロバブル発生部１を備えるマイクロ・ナノバブル生成装置の一実施例を示す分解斜視図であり、（ａ）図は内管螺旋部を示し、（ｄ）図は外管螺旋部を示す。内管２は外径１８ｍｍ内径１３ｍｍの金属製若しくは樹脂製パイプであり、螺旋部材３は金属製若しくは樹脂製で３．５ｍｍ×３．５ｍｍの角状線材を右回りにピッチＰ１５ｍｍで旋回させ長さ１１０ｍｍに形成し、外径を１３ｍｍに制御して前記内管に嵌入する。内管の長さを１１０ｍｍに設定した。内管の端部に於ける螺旋部材３の端部形状は（ａ）図に示すように内管の軸心に平行に角状線材を切断する場合と、（ｂ）図に示すように内管の端部面に平行に剪断する場合がある。これらの形状は特に限定されるものではないが製造手段に起因するものであり、螺旋部材３を内管２に嵌入後内管の長さを所定の長さに切断するときは前記（ｂ）図の形状になる。また螺旋部材３を内管２の内部に固定する手段としては溶接、超音波溶着及び光造形法による内管の外周面及び内周面に螺旋溝を一体成形する方法などが利用できる。

内管２の外周面には図１（ｄ）図に示すように前記角状線材を用いて螺旋部材４を形成する。螺旋の旋回方向は左回りでありピッチＰは同じく１５ｍｍに設定する。螺旋部材の端部形状は上述した場合と同様に内管端部面に平行な（ｅ）図に示す場合と内管の軸心に平行に切断した（ｄ）図の場合がある。内管２の周面に螺旋部材４を固定した後外管５に嵌入される。外管５の内径は２５ｍｍであり前記螺旋部材４の外径が嵌入されるような公差に仕上げられる。外管５の外径は後述する本発明のマイクロ・ナノバブル水の生成装置の配管に用いられるパイプ仕様に準じて定められるが、外管５の全長は内管の全長即ち螺旋部材３及び４の長さより更に４０ｍｍ長くして後述する気泡の衝突区間を設定しても良い。なお前記角状線材は断面形状が正方形であるがこれに限定されるものではなく他の多角形若しくは円形からなる線材が使用できる。

図１において、内管２及び内管側螺旋部材３と外管側螺旋部材４が外管５の内部に挿着されると、各螺旋部材と管の側面で囲まれた螺旋溝６が形成され循環水流方向に水流を通じると水流は２流に分断され内管側には図１（ｃ）図に示す螺旋水流７が右回りに、外管側には（ｆ）図に示す左回りの螺旋水流８が生じることになる。水流の旋回方向は外管側と内管側が逆方向であれば良く上述した方向に限定されない。螺旋溝を通過した内管側及び外管側の螺旋水流は螺旋溝から放出された後、図２に示すように互いに衝突し混流して外管内から混流吐出水流として放出される。本実施例では外管５は長さＬ１の間が螺旋水流区間で長さ１１０ｍｍであり、Ｌ２の区間が螺旋流の衝突区間である。Ｌ２は４０ｍｍ程度設定するのが好ましい。

外管螺旋部では内径２５ｍｍ、螺旋溝３．５ｍｍ×１１．５ｍｍをピッチ１５ｍｍにて管長１１０ｍｍに設定しており、外管水流はこれに沿って高速旋回しながら流れることになる。内管螺旋部では内径１３ｍｍ・螺旋溝３．５ｍｍ×１１．５ｍｍをピッチ１５ｍｍにて管長１１０ｍｍに設定しており、内管水流はこれに沿って高速旋回しながら流れることになる。内管中心部は直径６ｍｍの空洞部が生じているが、管内圧力を弱めるためと異物のつまりを防ぐ作用を有している。後述するが各水流に含まれる気泡は各旋回流による遠心力から溝内で加圧され急激に縮小するが、外管と内管の内径の比が２：１であり遠心力が異なるため圧縮時の気泡径は外管：内管＝２：１の比となる。旋回前の気泡は後述するオリフィスにより均一分散を図っており、気泡径は外・内ともにほぼ同一であるが、前述の圧縮により外管・内管内の気泡は径が異なるため外管内気泡と内管内の気泡は内部圧力が異なり気泡表面の表面張力も異なることになる。同一径・同圧の気泡同士が衝突した場合は融合するか帯電しておれば反発することになるが、径が大きく内部圧が低圧な気泡に、径が小さく内部圧が高圧な気泡が衝突した場合には大きい気泡が剪断される。また剪断される時、気泡間に摩擦が生じ各気泡に静電気が発生し帯電する。この場合、気泡はマイナス電荷を帯びるため各気泡間は反発し合いマイクロバブルが形成される。

（実施例２）
本発明に用いたマイクロ・ナノバブル水の生成装置１０の全体の構成について図３を用いて説明する。前記装置は水槽１１と水を循環させる循環部１２からなり、該循環部１２は水流内に気体を吸引するエジェクター１３、水流を発生させる循環ポンプ１４、２つのマイクロ・ナノバブル生成装置を構成する第１のマイクロバブル発生部１ａ及び第２のマイクロバブル発生部１ｂを備え、これらを連結する配管部１５で構成される。水流は図中の矢示方向に発生させる。水槽１１を循環するようポンプ配管（２５Ａ・内径２５ｍｍ）を行い、吸引側に気体を吸入するエジェクター１３を設置する。その詳細は省略するがポンプ吸引による水流の中に空気導入管を配置し同管内に負圧が生じて気体が吸引され水中に混合される。ポンプ吐出側から気体を混合した水が第１のマイクロバブル発生部１ａへ圧送されることになるが、管内で気体は水中に混合した状態であり、均一な気泡分布とはなっていない。前記マイクロバブル発生部１ａ及び１ｂでは上述したように外管・内管に均一に気泡を含んだ水流が通ることが望ましいため、マイクロバブル発生部１ａ前方の管内に口径８．７ｍｍのオリフィス１６を設け水流を集約した直後に配管にエルボ１７ａを用いて水流を９０度曲げることで整流効果を引き出し気泡の分散を均一化した。気泡を含んだ水流がマイクロバブル発生部１ａを通過することにより、水流は上述した外管螺旋部と内管螺旋部の２流に分断されこれらの水流が衝突してマイクロバブルが生成される。気泡の衝突区間として各管の螺旋溝終点から外管内径２５ｍｍのまま長さ４０ｍｍを必要とする。

以上がマイクロバブル発生部１ａの工程となり、発生したマイクロバブルをマイクロ・ナノバブルとするため同様構造のマイクロバブル発生部１ｂを配管後方に設定している。ただし、マイクロバブル発生部１ａを通過した水流は混流状態となっておりマイクロバブル発生部１ｂに気泡を均一に導入するため整流する必要からマイクロバブル発生部１ａの後方の配管にエルボ１７ｂを用いて水流を90度曲げ水流を整流している。整流されたマイクロバブルを含む水流はマイクロバブル発生部１ｂを上記同様行程にて通過することで、さらに圧縮・剪断・摩擦による帯電を繰り返すことになりマイクロバブルはより微細化されマイクロ・ナノバブルとして水中に放出される。発生したマイクロバブルは気液境界面での表面張力による自己加圧効果により圧壊していくことになるが、同時に気泡表面に帯電したマイナス電荷の電荷密度も増大するため、電解質イオンが濃縮された場合に生じる「イオン殻」と同様の作用が発生することになりイオン類の少ない淡水中でもマイクロ・ナノバブルとして安定に存続させることができる。

（マイクロ・ナノバブルの発生の検証）
（１） 水流の差異による気泡の微細化について、他社技術では配管内の物理的障害物により気泡の微細化を行うため障害物面積が大きく配管内の圧力上昇により、配管内は０．４ＭＰ程度の圧力が発生しているが、本構造は障害物としてではなく水流誘導のための配管構造となることから障害面積は小さくなり、配管内の圧力は０．２ＭＰ程度と抑えられるが、目視上で従来製品と同様な水中が白濁化するマイクロバブルの発生が確認できることから物理的障害物による発生ではなく、構造上の水流効果によるマイクロバブルの発生と想定される。障害物面積を減らし０．２ＭＰ程度の圧力とした場合、従来の構造ではマイクロバブルは発生しない。これは従来構造では気泡の微細化を物理的障害物による効果に依存しているためであり、障害面積を減らせば微細化効率が減少することを証明している。

（２）気泡間の摩擦による帯電について、気泡同士が衝突することで摩擦が生じ静電気を帯電するから、静電気によるマイナス電荷の存在により水中の電位もマイナス値となる。本発明による処理水のｐｈ測定では試薬の反応条件として電位差があるためアルカリ反応を示しておりマイナス電荷の存在が確認された。

（３） マイクロ・ナノバブルの発生について、本構造の装置により処理水を生成し
たところ目視ではあるが白濁化している。装置停止後数分経過で白濁化した処理水は透明状態に戻るが再度処理を行った場合、最初の処理時間より短い時間で白濁化することが確認できた。この現象は処理済後の経過時間を４８時間程度経過した場合まで確認できたことから、処理水中に目視できないレベルのマイクロ・ナノバブルの存在が明らかである。

液中に微細気泡を高濃度で供給できることから、酸素の供給による水質改善に多大な貢献ができる。上述した実施例では主に空気を含む気泡について述べているが、空気の代わりに酸素、オゾンなどの気体を用いた気泡の供給も可能であり、近年では水、汚泥、スラリーに含まれるダイオキシン類、農薬等の難分解性有機物を分解する手段として微細な気泡を用いる研究が進められている。簡素な構造により微細気泡が得られる手段として多方面の利用が期待できる。

本発明のマイクロバブル発生部の分解斜視図である（実施例１）。 ２系統の螺旋水流が衝突する様子を示す斜視図である（実施例１）。 本発明のマイクロ・ナノバブル水生成装置の構成説明図である（実施例２）。

１ マイクロバブル発生部
２ 内管
３ 螺旋部材
４ 螺旋部材
５ 外管
６ 螺旋溝
７ 螺旋水流
８ 螺旋水流
１０ マイクロ・ナノバブル水の生成装置
１１ 水槽
１３ 気体吸引エジェクター
１４ 循環ポンプ
１５ 配管部
１６ オリフィス

Claims (6)

1. 開口径の異なる所定の長さを有する２種類の管を内外に配置して外管及び内管の二重構造の配管を備え、前記各管の内面に密接して線状部材をそれぞれ異なる方向に螺旋状に配置して螺旋部材となし、前記内管の内面に密接した前記螺旋部材の内側に前記内管の軸方向に連通する空洞を有し、前記各管の内面と前記各螺旋部材からなる螺旋溝を形成してマイクロバブル発生部を形成し、該螺旋溝に沿って流れる方向の異なる気泡を含む螺旋水流を同時に放出する際に衝突させて、前記気泡に摩擦と剪断を行いマイクロ・ナノバブルを生成する方法。
2. 前記外管及び内管に配置される螺旋部材の卷回するピッチを同じ長さにしたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ・ナノバブルを生成する方法。
3. 開口径の異なる所定の長さを有する２種類の管を内外に配置して外管及び内管の二重構造の配管を備え、前記各管の内面に密接して線状部材がそれぞれ異なる方向に螺旋状に配置されて螺旋部材とされ、前記内管の内面に密接した前記螺旋部材の内側に前記内管の軸方向に連通する空洞を有し、前記内外各管の内面と前記各螺旋部材からなる螺旋溝が形成されたマイクロバブル発生部を有し、前記螺旋溝に沿って流れる方向の異なる気泡を含む螺旋水流が同時に放出される際に衝突するようになされたことを特徴とするマイクロ・ナノバブル生成装置。
4. 気体吸引エジェクターと、循環ポンプと、請求項３に記載のマイクロ・ナノバブル生成装置の２基のマイクロバブル発生部とを記載順に配管で接続し、循環ポンプの作動により前記気体吸引エジェクターに水を吸引させ、該吸引した水に気泡を生成した後、前記循環ポンプの吐出側配管内で吸引した気泡を分散させて前記マイクロバブル発生部を少なくとも２基通過させるように成したマイクロ・ナノバブル水の生成装置。
5. 循環ポンプの吐出側配管内にオリフィスを備え、該オリフィスを通過させることにより吸引した気泡を分散させるようにした請求項４に記載のマイクロ・ナノバブル水の生成装置。
6. ２基の前記マイクロ・ナノバブル生成装置の流入側の配管をエルボとし、水流を屈曲させて整流し、前記マイクロバブル発生部を通過させるようにした請求項４または５に記載のマイクロ・ナノバブル水の生成装置。