JP7765800B2 - Fine bubble supply device - Google Patents
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Description
本発明は、実験室や測定現場で、小型のガスボンベから安定的に人為気体をファインバブルにして比較的少量の被測定液のような測定対象部へ導入して、それの溶存気体を追い出して置換し、正確な測定データを得るために用いられるファインバブル供給装置に関するものである。 This invention relates to a fine bubble supply device used in laboratories or measurement sites to stably convert artificial gas from a small gas cylinder into fine bubbles and introduce them into a measurement target, such as a relatively small amount of liquid, to expel and replace the dissolved gas, thereby obtaining accurate measurement data.
閉鎖系の生簀や水槽での魚類の飼育において、魚類の呼吸によって、水中の溶存酸素濃度が低下する。そこでその溶存酸素濃度を適切に保つため、酸素ガスや空気を水中に吹き込んで導入し、溶存酸素濃度を向上させることが行われている。 When raising fish in closed fish pens or tanks, the dissolved oxygen concentration in the water decreases due to the fish's breathing. Therefore, to maintain an appropriate dissolved oxygen concentration, oxygen gas or air is introduced into the water by blowing it in, thereby increasing the dissolved oxygen concentration.
また、ボイラ用水、冷却用循環水などの水処理分野においては、溶存酸素により配管腐食が生じる。そこでその溶存酸素を除去するため、窒素ガスをそれら水中に吹き込んで、溶存酸素を窒素に置換することが行われている。 Furthermore, in the water treatment industry, such as boiler water and circulating cooling water, dissolved oxygen can cause pipe corrosion. To remove this dissolved oxygen, nitrogen gas is blown into the water to replace the dissolved oxygen with nitrogen.
これらの気体の効率的な導入・置換には、ファインバブル(直径が1~10μmオーダー例えば数10μm程度のマイクロバブル又は直径が数10~1000nmのナノバブル)が用いられる。ファインバブルを発生させる方法として、高速せん断方式、加圧圧壊方式、キャビテーション方式、アスピレーター方式などが知られている。例えば、特許文献1には、水中又は海水中のような所定の水の溶存酸素を除去することにおいて、窒素ガスを水中でナノバブル状態に流通させて、水中の溶存酸素を窒素と置換することにより、水中の溶存酸素を低減・除去する脱酸素装置であって、被処理水に窒素ガスを注入する窒素ガス注入部と、前記窒素ガスが注入された被処理水を通水する平面を有するプレートに複数個の穴を配列し、その穴の配列方向にプレート上面部溝とプレート下面部溝を持ちその上・下溝部が穴部分にて交差するよう設置したプレートを複数枚積層体とを備える溶存酸素除去装置が、開示されている。 Fine bubbles (microbubbles with diameters on the order of 1 to 10 μm, e.g., several tens of μm, or nanobubbles with diameters of several tens to 1,000 nm) are used to efficiently introduce and replace these gases. Known methods for generating fine bubbles include high-speed shearing, pressurized collapse, cavitation, and aspirator. For example, Patent Document 1 discloses a deoxygenation device that reduces or removes dissolved oxygen from specific water, such as underwater or seawater, by circulating nitrogen gas in a nanobubble state through the water and replacing the dissolved oxygen with nitrogen. The device includes a nitrogen gas injection unit that injects nitrogen gas into the water to be treated, and a stack of multiple plates, each plate having a flat surface through which the nitrogen-injected water passes, with multiple holes arranged in the plate's upper and lower grooves in the direction of the hole arrangement, and the upper and lower grooves intersecting at the holes.
ファインバブルを発生させる方法のうち、特にアスピレーター方式が汎用されている。アスピレーター方式を用いるためのものとして、特許文献2に、長手方向の両端にそれぞれ一端開口及び他端開口を開放したケーシングと、ケーシングに気体を導入させる気液混合手段と、ケーシング4に内装された整流筒体と、整流筒体の外側に固定された第1のプロペラ形翼列と、整流筒体の内側に固定された第2のプロペラ形翼列とを備えるマイクロバブル発生装置が、開示されている。 Among the methods for generating fine bubbles, the aspirator method is particularly widely used. Patent Document 2 discloses a microbubble generator for use with the aspirator method, which includes a casing with one end opening and the other end opening at each longitudinal end, a gas-liquid mixing means for introducing gas into the casing, a flow straightening cylinder installed inside the casing (4), a first propeller-type blade row fixed to the outside of the flow straightening cylinder, and a second propeller-type blade row fixed to the inside of the flow straightening cylinder.
このようなアスピレーター方式とは、アスピレーターに通じた水流に、空気やガスボンベ等からの人為気体のファインバブルを形成する気体を吸引させて、ファインバブルを発生させて、生簀・プール・水槽・実験室での容器など大容量から小容量に至るまで幅広く導入できるものである。アスピレーターの構造が比較的簡素であるので、ファインバブル発生装置を複雑で高価なものにする必要がなく、安価かつ簡便にファインバブルを導入することができる。 This type of aspirator method generates fine bubbles by drawing in air or artificial fine bubble-forming gas from a gas cylinder or the like into the water flow passing through the aspirator. These bubbles can be used in a wide range of applications, from large to small, including fish pens, pools, aquariums, and laboratory containers. Because the aspirator's structure is relatively simple, there is no need for a complex and expensive fine bubble generator, and fine bubbles can be introduced cheaply and easily.
アスピレーター方式で所定の水に導入気体のファインバブルを十分に溶解させたい場合には、所定時間当たりのファインバブルの発生量及び導入量を増加するという方策が採られる。特許文献2には、所定時間当りのファインバブル(マイクロバブル)の発生量に限界があり、実際には、液体の流量の上限は約15~30リットル毎分であり、液体中に占める気体の体積は、ボイド率で約1~10パーセントの範囲と言われている旨、記載されている。 When using the aspirator method to sufficiently dissolve fine bubbles from introduced gas into a specified amount of water, one approach is to increase the amount of fine bubbles generated and introduced per specified time. Patent Document 2 states that there is a limit to the amount of fine bubbles (microbubbles) that can be generated per specified time, and that in practice, the upper limit for the liquid flow rate is approximately 15 to 30 liters per minute, and that the volume of gas in the liquid is said to be in the range of approximately 1 to 10 percent in terms of void fraction.
アスピレーター方式において、被吸引気体が、装置の周辺大気環境から吸引した空気である場合、アスピレーターへの気体供給量の調整には、気体流量調整器及び必要に応じて気体流量計・圧力計が用いられる。このような気体流量調整器として、ニードルバルブを用いた気体流量調整器が用いられる。ニードルバルブは、円錐状のニードル型解放弁の解放度合いによって、流量を調整するもので、気体流量計・圧力計を用いて調整するというものである。 In the aspirator method, when the gas to be aspirated is air drawn in from the ambient atmosphere surrounding the device, a gas flow regulator and, if necessary, a gas flow meter and pressure gauge are used to adjust the amount of gas supplied to the aspirator. Such a gas flow regulator uses a needle valve. The needle valve adjusts the flow rate by changing the degree of opening of the conical needle-type release valve, and adjustments are made using a gas flow meter and pressure gauge.
大気の空気や、屋外窒素ガスタンク・大型ガスボンベ(常圧換算で約7000Lガス封入の47Lガスボンベ、同じく約6000L封入の40Lガスボンベ、同じく約1500L封入の10Lガスボンベ)の酸素ガスや窒素ガスやアルゴンガス等の人為気体のような導入気体の大容量を単位時間当たり一定量ずつアスピレーターに吸引させてファインバブルを発生させる。このような大気の空気や屋外の窒素ガスタンクや大型ガスボンベからの人為気体のような導入気体は、十分量(例えば毎分0.5~5L)をアスピレーターへ吸引させても、供給ガス圧力も単位時間当たりの流量も全く又は殆ど変化しない。そのため、一旦、ニードルバルブで気体流量を調整すれば、再調整する必要が無い。 Fine bubbles are generated by drawing a fixed amount of large volumes of introduced gas into the aspirator per unit of time, such as atmospheric air or artificial gases such as oxygen, nitrogen, or argon gas from an outdoor nitrogen gas tank or large gas cylinder (a 47-liter gas cylinder containing approximately 7,000 liters of gas at atmospheric pressure, a 40-liter gas cylinder containing approximately 6,000 liters, or a 10-liter gas cylinder containing approximately 1,500 liters). Even when a sufficient amount (e.g., 0.5 to 5 liters per minute) of introduced gas, such as atmospheric air or artificial gas from an outdoor nitrogen gas tank or large gas cylinder, is drawn into the aspirator, there is little or no change in the supply gas pressure or flow rate per unit of time. Therefore, once the gas flow rate is adjusted with the needle valve, there is no need to readjust it.
しかし、容量が比較的小さい小型ガスボンベ(常圧換算で約500L封入の3.4Lガスボンベ)やハンディタイプのミニガスカートリッジ所謂スプレー缶(同じく約4.4L封入の10mLミニガスカートリッジ、同じく約6.6L封入の15mLミニガスカートリッジ、同じく約20~26L封入の60mLミニガスカートリッジ、同じくガスの種類によって約18~40L封入の95~98mLミニガスカートリッジ)の酸素ガスや窒素ガスやアルゴンガス等の人為気体のような導入気体を、例えば毎分0.5~5L程度アスピレーターへ吸引させると、次第にカートリッジ内部圧力が低下して単位時間当たりの流量が変動し暫時低下してしまったり、内圧が然程高くないので外温や噴出弁作動圧の変動に従って単位時間当たりの流量が逐次変動してしまったりする。このような場合に、初期に、噴出弁の解放程度を調整したり流路途中で流量をニードルバルブで調整したりするだけでは、気体流量の均一的な調整が極めて困難である。 However, when an artificial gas such as oxygen, nitrogen or argon gas is introduced into an aspirator at a rate of, for example, 0.5 to 5 liters per minute from a relatively small-capacity small gas cylinder (a 3.4 liter gas cylinder containing approximately 500 liters at normal pressure) or a handy mini gas cartridge, commonly known as a spray can (a 10 mL mini gas cartridge containing approximately 4.4 liters, a 15 mL mini gas cartridge containing approximately 6.6 liters, a 60 mL mini gas cartridge containing approximately 20 to 26 liters, or a 95 to 98 mL mini gas cartridge containing approximately 18 to 40 liters depending on the type of gas), the internal pressure of the cartridge gradually decreases, causing the flow rate per unit time to fluctuate and temporarily decrease; or, because the internal pressure is not very high, the flow rate per unit time will fluctuate sequentially in accordance with fluctuations in the external temperature and the operating pressure of the ejection valve. In such cases, it is extremely difficult to uniformly adjust the gas flow rate by simply adjusting the degree to which the jet valve is opened or adjusting the flow rate midway through the flow path with a needle valve.
仮に、小型ガスボンベやミニガスカートリッジからの流量測定結果に応じてリアルタイムで、小型ガスボンベやミニガスカートリッジの噴出弁の解放程度を調整したり流路途中で流量をニードルバルブで調整したりするのは、大掛かりな調整機構を必要とし、折角の簡素で小型のアスピレーター方式のファインバブル発生装置について、実用的でない。 If it were possible to adjust the degree of release of the spray valve on a small gas cylinder or mini gas cartridge in real time based on the flow rate measurement results from the small gas cylinder or mini gas cartridge, or to adjust the flow rate with a needle valve midway through the flow path, a large-scale adjustment mechanism would be required, making it impractical for a simple and compact aspirator-type fine bubble generator.
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、容量が小さい小型ガスボンベやミニガスカートリッジのような人為気体供給源からの人為気体を用いてファインバブルを安定的かつ効率的に単位時間当たり一定量生成させることができ、少量の測定対象部にファインバブルを供給する簡素な構成で簡便なアスピレーター方式のファインバブル供給装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a simple, easy-to-use aspirator-type fine bubble supply device that can stably and efficiently generate a constant amount of fine bubbles per unit time using artificial gas from an artificial gas supply source such as a small-capacity gas cylinder or mini gas cartridge, and that supplies a small amount of fine bubbles to a measurement target.
前記の目的を達成するためになされたファインバブル供給装置は、
試料溶液からなり開放系の測定対象用容器に入れられた液状の測定対象部から送液ポンプで液体を吸入チューブで吸引し出液チューブで前記測定対象部へ送り出すように導通しているアスピレーターを経て、人為気体を封入しているガスボンベ若しくはガスカートリッジ又はスプレー缶からなる人為気体供給源からの前記人為気体を吸い込んで発生させたファインバブル含有液体を、前記送液ポンプで前記測定対象部に供給するファインバブル供給装置であって、
前記人為気体供給源と前記アスピレーターとの流路の途中に、前記人為気体の圧力を前記測定対象部の周辺圧力である大気圧と均圧になるように、可撓性樹脂フィルム製で膨らみ又は萎む袋と、シリンダー内に可動ピストンが摺動可能に挿入されたピストンシリンジとの何れかからなりそれによって前記大気圧と均圧となるように容量が可変となる容量可変緩衝容器を有することを特徴とする。
The fine bubble supply device made to achieve the above object is:
A fine bubble supply device in which an artificial gas is drawn from an artificial gas supply source, which is a gas cylinder or gas cartridge or a spray can containing an artificial gas, and fine bubbles are generated by drawing the artificial gas from an artificial gas supply source , which is an artificial gas supply source, a gas cylinder or gas cartridge or a spray can, via an aspirator that is connected so as to draw the liquid from a liquid measurement object portion , which is made of a sample solution and placed in an open measurement object container, and then the liquid is supplied to the measurement object portion by the liquid supply pump,
The present invention is characterized in that a variable-volume buffer container is provided in the middle of the flow path between the artificial gas supply source and the aspirator, and the variable-volume buffer container is made of either a bag made of flexible resin film that expands or contracts so that the pressure of the artificial gas is equalized with atmospheric pressure, which is the ambient pressure of the measurement object part, or a piston syringe with a movable piston slidably inserted into a cylinder, thereby changing the volume so that the pressure is equalized with atmospheric pressure .
このファインバブル供給装置は、前記容量可変緩衝容器内の圧力が前記大気圧と均圧となるように、かつ、前記容量可変緩衝容器内の前記人為気体の体積を一定範囲に維持するように、前記人為気体の流量を流量調整弁の解放度合いによって調整する調整器を、前記流路中で前記容量可変緩衝容器と前記人為気体供給源との間に有していることが好ましい。 It is preferable that this fine bubble supply device has a regulator in the flow path between the variable volume buffer container and the artificial gas supply source, which regulates the flow rate of the artificial gas by the degree of opening of a flow control valve so that the pressure inside the variable volume buffer container is equal to the atmospheric pressure and the volume of the artificial gas inside the variable volume buffer container is maintained within a certain range .
このファインバブル供給装置は、前記容量可変緩衝容器内の圧力が前記大気圧と均圧となるようにしつつ、前記人為気体の体積が下限閾値を下回ったときに前記人為気体を前記容量可変緩衝容器へ送気又は増量し、前記体積が上限閾値を上回ったときに前記人為気体の送気を停止又は減量する前記調整器を、前記流路中で前記容量可変緩衝容器と前記人為気体供給源との間に有しているというものであってもよい。 This fine bubble supply device may have a regulator in the flow path between the variable volume buffer container and the artificial gas supply source, which supplies or increases the amount of artificial gas to the variable volume buffer container when the volume of the artificial gas falls below a lower threshold, while maintaining the pressure inside the variable volume buffer container at equal pressure with the atmospheric pressure, and stops or reduces the supply of the artificial gas when the volume exceeds an upper threshold.
このファインバブル供給装置は、前記容量可変緩衝容器内の圧力が前記大気圧と均圧となるようにしつつ、前記容量可変緩衝容器内の前記人為気体の体積が一定となるように調整するマスフローコントローラーを、前記流路中で前記容量可変緩衝容器と前記アスピレーターとの間に有しているというものであってもよい。 This fine bubble supply device may have a mass flow controller in the flow path between the variable volume buffer container and the aspirator, which adjusts the pressure in the variable volume buffer container to be equal to the atmospheric pressure and adjusts the volume of the artificial gas in the variable volume buffer container to be constant.
このファインバブル供給装置は、前記容量可変緩衝容器内の前記人為気体をその体積が所定量を上回ったときに所定量になるまで外界へ放出させるオーバーフロー機構を、前記容量可変緩衝容器が有しているというものであってもよい。 This fine bubble supply device may be configured such that the variable capacity buffer container has an overflow mechanism that releases the artificial gas in the variable capacity buffer container to the outside world when its volume exceeds a predetermined amount until it reaches a predetermined volume.
このファインバブル供給装置は、前記オーバーフロー機構、又は前記流路中で前記容量可変緩衝容器と前記人為気体供給源との間から分岐した過剰気体排気ラインに、外気の逆流を防ぐ逆止弁を有していることが好ましい。 It is preferable that this fine bubble supply device has a check valve in the overflow mechanism or in the excess gas exhaust line branching off from between the variable volume buffer container and the artificial gas supply source in the flow path to prevent backflow of outside air.
本発明のファインバブル供給装置は、容量が小さい小型ガスボンベやミニガスカートリッジのような人為気体供給源からの人為気体の供給流量が経時的に又は暫時変動したとしても容量可変緩衝容器に人為気圧をトラップして周辺圧力と均圧にすることにより、アスピレーターへの人為気体が単位時間当たり一定量供給されるようになる結果、アスピレーターでファインバブルを安定的かつ効率的に単位時間当たり一定量生成させることができるようになる。 The fine bubble supply device of the present invention traps the artificial air pressure in a variable-capacity buffer container and equalizes it with the ambient pressure, even if the flow rate of artificial gas supplied from an artificial gas supply source such as a small-capacity gas cylinder or mini gas cartridge fluctuates over time or temporarily. This ensures that a constant amount of artificial gas is supplied to the aspirator per unit time, allowing the aspirator to stably and efficiently generate a constant amount of fine bubbles per unit time.
このファインバブル供給装置は、気体流量計や圧力計を必ずしも用いなくてもよく、リアルタイムで人為気体供給源の噴出弁の解放程度を調整したり流路途中で流量をニードルバルブで調整したりしなくてもよく、簡素な構成にすることができ、簡便に気体流量を確実に制御してファインバブルを安定的かつ効率的に単位時間当たり一定量生成できる。 This fine bubble supply device does not necessarily require the use of a gas flow meter or pressure gauge, and does not require the need to adjust the degree of opening of the artificial gas supply source's jet valve in real time or adjust the flow rate with a needle valve midway through the flow path. It can be configured simply and easily, and can reliably control the gas flow rate, stably and efficiently generating a constant amount of fine bubbles per unit time.
このファインバブル供給装置は、容量可変緩衝容器を設けることによって多少の気体流量の変動があったとしても緩衝できるので、気体流量測定とそれのフィードバックのような煩雑な手法で人為気体供給源からの気体流量を随時調整する必要がなく、ラボスケールでの測定から海洋や河川・湖沼現場での測定のような測定対象部が少量であっても、確実に人為気体のファインバブルで測定対象部の溶存気体例えば溶存酸素を置換することができる。 This fine bubble supply device is equipped with a variable-capacity buffer container that can buffer even slight fluctuations in the gas flow rate, eliminating the need to constantly adjust the gas flow rate from the artificial gas supply source using complicated methods such as measuring the gas flow rate and providing feedback. Even when the measurement target area is small, such as in lab-scale measurements or on-site measurements in the ocean, rivers, or lakes, the dissolved gas in the measurement target area, such as dissolved oxygen, can be reliably replaced with fine bubbles from the artificial gas.
このファインバブル供給装置は、汎用で市販又は適宜作製可能なアスピレーターや送液ポンプを用いつつ、簡素な構成例えば袋やシリンダーやピストンのような入手し易い容量可変緩衝容器を用いて構成することができるので、汎用性が高い。 This fine bubble supply device is highly versatile, as it can be constructed using a simple, readily available variable-volume buffer container such as a bag, cylinder, or piston, while also using a general-purpose aspirator or liquid delivery pump that can be commercially available or manufactured as needed.
このファインバブル供給装置は、常圧でも、海洋中や海底のような高圧条件下でも、又は高地のような低圧条件下でも、ファインバブルを安定的かつ効率的に単位時間当たり一定量生成できるので、場所や環境を問わず、測定対象部の測定を確実かつ正確に行うのに用いることができる。 This fine bubble supply device can stably and efficiently generate a constant amount of fine bubbles per unit time, whether at normal pressure, under high-pressure conditions such as in the ocean or on the seabed, or under low-pressure conditions such as at high altitudes, so it can be used to reliably and accurately measure the target area regardless of location or environment.
以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to these embodiments.
本発明のファインバブル供給装置1は、その概略図を示す図1を参照して説明すると、液状の測定対象部11例えば試料溶液に、人為気体のファインバブル12を導入して、測定対象部11の溶存気体例えば溶存酸素を人為気体で置換させるためのものである。 Referring to Figure 1, which shows a schematic diagram of the fine bubble supply device 1 of the present invention, artificial fine bubbles 12 are introduced into a liquid measurement object 11, such as a sample solution, to replace dissolved gas, such as dissolved oxygen, in the measurement object 11 with the artificial gas.
このファインバブル供給装置1は、液状の測定対象部11に繋がっており、送液ポンプ20と、アスピレーター30と、容量可変緩衝容器40と、人為気体供給源50とを有している。 This fine bubble supply device 1 is connected to a liquid measurement target 11 and includes a liquid delivery pump 20, an aspirator 30, a variable-volume buffer container 40, and an artificial gas supply source 50.
このファインバブル供給装置1は、常温換算で人為気体を最大500L程度、好ましくは20~40L程度しか封入されていない小型のガスボンベや高々5L程度しか封入されていないミニガスカートリッジのような人為気体供給源50を用いて、少量例えば最大で1L、好ましくは1mL~500mL、より好ましくは3~250mL、具体的には5~200mL程度の液状の測定対象部11に人為気体のファインバブル12を導入するのに特化したものである。 This fine bubble supply device 1 is specialized for introducing fine bubbles 12 of artificial gas into a liquid measurement object 11, typically a maximum of 1 L, preferably 1 mL to 500 mL, more preferably 3 to 250 mL, specifically 5 to 200 mL, using an artificial gas supply source 50 such as a small gas cylinder containing a maximum of approximately 500 L of artificial gas, preferably 20 to 40 L at room temperature, or a mini gas cartridge containing only approximately 5 L.
なお、このファインバブル供給装置1は、容量可変緩衝容器40と人為気体供給源50とが常時繋がっていることが好ましいが、人為気体供給源50から容量可変緩衝容器40へ十分量の人為気体を入れた後、人為気体供給源50と容量可変緩衝容器40とを分離又は遮断するものであってもよい。 In this fine bubble supply device 1, it is preferable that the variable-volume buffer container 40 and the artificial gas supply source 50 are always connected, but it is also possible to separate or block the artificial gas supply source 50 from the variable-volume buffer container 40 after a sufficient amount of artificial gas has been introduced from the artificial gas supply source 50 into the variable-volume buffer container 40.
人為気体には、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、酸素ガス、二酸化炭素ガス、アンモニアガス、及びそれらの何れかの二種以上のガスの混合物が挙げられる。 Artificial gases include nitrogen gas, argon gas, helium gas, oxygen gas, carbon dioxide gas, ammonia gas, and mixtures of any two or more of these gases.
液状の測定対象部11である試料溶液は、開放系の測定対象用容器10例えばビーカーに入っている。試料溶液11には、試料溶液11を吸入する吸入チューブ21が、送液ポンプ20に接続されている。その送液ポンプ20からアスピレーター30へ液体溶液を送り出す送出チューブ22が延びている。送出チューブ22はアスピレーター入液コネクター31を経てアスピレーター30へ繋がっている。アスピレーター入液コネクター31を境にアスピレーター30内部で試料溶液流路32が縮径されつつ、アスピレーター出液コネクター33まで導通している。アスピレーター30内部で試料溶液流路32は、人為気体吸込流路35と合流している。試料溶液流路32に繋がるアスピレーター出液コネクター33を境に試料溶液流路が拡径された出液チューブ36が、アスピレーター30から延び、その開放端36aが、測定対象用容器10の試料溶液11に浸かっている。 The sample solution, which is the liquid measurement object 11, is contained in an open measurement object container 10, such as a beaker. An intake tube 21, which draws in the sample solution 11, is connected to a liquid delivery pump 20. An outlet tube 22 extends from the liquid delivery pump 20, sending the liquid solution to an aspirator 30. The outlet tube 22 is connected to the aspirator 30 via an aspirator inlet connector 31. The sample solution flow path 32 narrows within the aspirator 30 at the aspirator inlet connector 31, and continues to the aspirator outlet connector 33. Inside the aspirator 30, the sample solution flow path 32 merges with an artificial gas intake flow path 35. An outlet tube 36, whose diameter expands at the aspirator outlet connector 33 connected to the sample solution flow path 32, extends from the aspirator 30, with its open end 36a immersed in the sample solution 11 in the measurement object container 10.
一方、人為気体供給源50例えば小型ガスボンベやミニガスカートリッジは、流量計又は圧力計52と解放・閉鎖を調整する元栓51とを有するレギュレーター53に配管チューブ54が接続されている。必要に応じ、配管チューブ54の途中にニードルバルブのような流量調整弁55が設けられている。配管チューブ54は、その先の途中でT字管56によって分岐し分岐チューブ41に接続されており、分岐チューブ41が、容量可変緩衝容器入気コネクター42を介して、気密性の容量可変緩衝容器40例えば密閉性袋に挿入され、容量可変緩衝容器入気コネクター42と容量可変緩衝容器40とが熱融着されていることによって、分岐チューブ41の先端穴41aが容量可変緩衝容器40内部に連通しつつ外部に遺漏しないように、繋がっている。配管チューブ54はその先の途中で、必要に応じ、逆止弁57が設けられている。配管チューブ54の先端は、アスピレーター30に接続されて、そこで配管チューブ54が、アスピレーター入気コネクター34を介して人為気体吸込流路35に繋がっている。 Meanwhile, an artificial gas supply source 50, such as a small gas cylinder or mini gas cartridge, is connected via piping tube 54 to a regulator 53 having a flowmeter or pressure gauge 52 and a main valve 51 for adjusting the opening and closing of the gas. If necessary, a flow control valve 55, such as a needle valve, is provided along the piping tube 54. The piping tube 54 branches off at a T-shaped pipe 56 and connects to a branch tube 41. The branch tube 41 is inserted into an airtight variable-capacity buffer container 40, such as a sealed bag, via a variable-capacity buffer container inlet connector 42. The variable-capacity buffer container inlet connector 42 and the variable-capacity buffer container 40 are heat-sealed, so that the tip hole 41a of the branch tube 41 communicates with the interior of the variable-capacity buffer container 40 while preventing leakage to the outside. If necessary, a check valve 57 is provided along the piping tube 54. The tip of the piping tube 54 is connected to the aspirator 30, where the piping tube 54 is connected to the artificial gas suction flow path 35 via the aspirator inlet connector 34.
アスピレーター30は、アスピレーター式又はエジェクター式と言われるもので、狭窄やノズルによって高圧流体に外部流体が吸引されるという原理を用いてファインバブルを形成するものである。このアスピレーター30は、図2の試料溶液流路32及び人為気体吸込流路35に沿った断面図に示す通り、人為気体吸込流路35から人為気体を試料溶液流路32内へ巻き込みやすいように、人為気体吸込流路35が、真っすぐ延びた試料溶液流路32の流れ先に向かって斜め後ろ側方から合流している。図2では、人為気体吸込流路35が、斜め側方から試料溶液流路32に合流する例を示したが、T字状に垂直に合流するものであってもよい(不図示)。アスピレーター30は、水の噴流を利用して人為気体を巻き込みファインバブルを発生させるものであれば、試料溶液流路32と人為気体吸込流路35との内径は特に限定されない。しかしこのファインバブル供給装置1は、小型のガスボンベやミニガスカートリッジのような人為気体供給源50を用い少量の液状の測定対象部11にファインバブルを導入するものであるから、試料溶液流路32と人為気体吸込流路35との内径は、然程大きくない方が好ましい。具体的には、吸入チューブ21の内径、及び送出チューブ22の内径W1・出液チューブ36の内径W3・配管チューブ54の内径W4が0.5~10mm、好ましくは1~5mm、より好ましくは1~3mm、具体的には2mmであり、試料溶液流路32の内径W2・人為気体吸込流路35の内径W5が0.05~1mm、好ましくは0.1~0.5mm、より好ましくは、1~0.25mm、具体的には0.2mmである。 The aspirator 30 is also known as an aspirator or ejector type, and generates fine bubbles using the principle of sucking an external fluid into a high-pressure fluid through a constriction or nozzle. As shown in the cross-sectional view of the sample solution flow path 32 and the artificial gas intake flow path 35 in Figure 2, the aspirator 30 has the artificial gas intake flow path 35 joining the straight sample solution flow path 32 from a diagonal rearward side toward the downstream end of the flow path, making it easier to entrain the artificial gas from the artificial gas intake flow path 35 into the sample solution flow path 32. While Figure 2 shows an example in which the artificial gas intake flow path 35 joins the sample solution flow path 32 from a diagonal side, a T-shaped vertical merger is also possible (not shown). The inner diameters of the sample solution flow path 32 and the artificial gas intake flow path 35 are not particularly limited as long as the aspirator 30 uses a water jet to entrain the artificial gas and generate fine bubbles. However, because this fine bubble supply device 1 uses an artificial gas supply source 50 such as a small gas cylinder or mini gas cartridge to introduce fine bubbles into a small amount of liquid measurement target 11, it is preferable that the inner diameters of the sample solution flow path 32 and the artificial gas intake flow path 35 are not too large. Specifically, the inner diameters of the intake tube 21, the delivery tube 22 , the outlet tube 36, and the piping tube 54 are each 0.5 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm, more preferably 1 to 3 mm, or specifically 2 mm, while the inner diameters W2 of the sample solution flow path 32 and W5 of the artificial gas intake flow path 35 are 0.05 to 1 mm, preferably 0.1 to 0.5 mm, more preferably 1 to 0.25 mm, or specifically 0.2 mm.
このようなアスピレーター30は、透明な硬質樹脂製、例えばポリカーボネート(PC)製、又はアクリル(PMMA)製、若しくは不透明な硬質樹脂製、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK)製であって、試料溶液流路32と人為気体吸込流路35とを彫り込んだ硬質樹脂板と平坦な硬質樹脂板とを貼り合わせて作製したり、立体印刷成形で作製したり、ドリルで試料溶液流路32と人為気体吸込流路35の孔を切削して作製したりすることによって得られる。 Such an aspirator 30 is made of a transparent hard resin, such as polycarbonate (PC) or acrylic (PMMA), or an opaque hard resin, such as polyether ether ketone (PEEK), and can be fabricated by bonding a hard resin plate into which the sample solution flow path 32 and artificial gas intake flow path 35 are engraved to a flat hard resin plate, by three-dimensional printing molding, or by drilling holes for the sample solution flow path 32 and artificial gas intake flow path 35.
このようなアスピレーター30で形成される人為気体のファインバブル12は、直径100nm~10μm程度、凡そ1μm程度の微細気泡である。 The artificial gas fine bubbles 12 formed by this aspirator 30 are minute bubbles with diameters of approximately 100 nm to 10 μm, or roughly 1 μm.
容量可変緩衝容器40は、気密であって人為気体を常にトラップできるものであれば特に限定されないが、その好ましい一例は、可撓性樹脂フィルム製の気密の袋である。容量可変緩衝容器40は、人為気体をトラップして大気圧と均等にしつつ、人為気体供給源50からの人為気体の流量・圧力の変動・経時変化を緩衝して、常に単位時間当たり一定の人為気体をアスピレーター30に送り出すためのものである。これにより、小型のガスボンベやミニガスカートリッジのように使用により短時間で流量・圧力の変動・経時変化してしまう人為気体供給源50を用いても、単位時間当たり一定の人為気体からなるファインバブルをアスピレーター30に送り出すことができるようになる。 The variable-volume buffer container 40 is not particularly limited as long as it is airtight and can constantly trap the artificial gas, but a preferred example is an airtight bag made of flexible resin film. The variable-volume buffer container 40 traps the artificial gas and equalizes it with atmospheric pressure, while buffering fluctuations and changes over time in the flow rate and pressure of the artificial gas from the artificial gas supply source 50, so that a constant amount of artificial gas can be delivered to the aspirator 30 per unit time. This makes it possible to deliver a constant amount of fine bubbles made of artificial gas per unit time to the aspirator 30, even when using an artificial gas supply source 50 such as a small gas cylinder or mini gas cartridge, whose flow rate and pressure fluctuate and change over time over a short period of use.
容量可変緩衝容器40は、人為気体の流量を解放度合いによって調整する流量調整弁55を有していることにより、容量可変緩衝容器40内の人為気体の体積を常に一定範囲に維持することができる。流量調整弁55は、液状の測定対象部11の測定時間中に、容量可変緩衝容器40である袋が人為気体で膨らんでいるように、手動又は自動で調整してもよい。例えば、この場合、流量調整弁55には、ニードルバルブ、電磁弁、ボールバルブが用いられる。図1中で流量調整弁55を図示したが、流量調整弁55に代え又はそれと共に、流量計(マスフローメーター:MFM)を用いてもよく、マスフローメーター58の指示値に応じて駆動回路により流量調整弁55を調整するようにしてもよく、MFC(マスフローコントローラー)を用いてもよい。 The variable-volume buffer container 40 has a flow control valve 55 that adjusts the flow rate of the artificial gas depending on the degree of release, allowing the volume of the artificial gas within the variable-volume buffer container 40 to be maintained within a constant range. The flow control valve 55 may be adjusted manually or automatically so that the bag that is the variable-volume buffer container 40 is inflated with the artificial gas during measurement of the liquid measurement object 11. For example, in this case, a needle valve, solenoid valve, or ball valve is used as the flow control valve 55. While the flow control valve 55 is illustrated in Figure 1, a flow meter (mass flow meter: MFM) may be used instead of or in addition to the flow control valve 55. The flow control valve 55 may be adjusted by a drive circuit according to the reading of the mass flow meter 58, or an MFC (mass flow controller) may be used.
容量可変緩衝容器40の可変容積を調整する別な一例は、必要に応じて設けられるマスフローメーター(MFM)58(図1参照)により、アスピレーター30へ流れた人為気体の体積を測定し、デジタル変換回路で認識した体積分だけ、容量可変緩衝容器40である袋やピストンシリンジに人為気体が流れるように、マスフローメーター58の指示値に応じて駆動回路により流量調整弁55の開放度合いを制御し、容量可変緩衝容器40の容積を常に一定に調整するというものである。マスフローメーター58と容量可変緩衝容器40との間に、マスフローメーター58の指示値に応じて駆動回路により流量を調整する流量調整弁55を配置してもよく、さらに補助ポンプを容量可変緩衝容器40側に配置してもよい。 Another example of adjusting the variable volume of the variable volume buffer vessel 40 is to measure the volume of the artificial gas flowing into the aspirator 30 using a mass flow meter (MFM) 58 (see Figure 1), which is provided as needed, and then control the degree of opening of the flow control valve 55 using a drive circuit according to the reading of the mass flow meter 58 so that only the volume of artificial gas recognized by the digital conversion circuit flows into the bag or piston syringe that constitutes the variable volume buffer vessel 40, thereby adjusting the volume of the variable volume buffer vessel 40 to a constant level. A flow control valve 55 that adjusts the flow rate using a drive circuit according to the reading of the mass flow meter 58 may be located between the mass flow meter 58 and the variable volume buffer vessel 40, and an auxiliary pump may also be located on the variable volume buffer vessel 40 side.
また、容量可変緩衝容器40内の人為気体の体積が下限閾値を下回ったときに人為気体を容量可変緩衝容器40へ送気し、体積が上限閾値を上回ったときに人為気体の送気を停止する調整器を有していてもよい。容量可変緩衝容器40が袋である場合のその調整器は、図3に示すように、感圧センサーを袋の内外に設置し、容量可変緩衝容器40である袋の外側が感圧センサーに触れた場合は上限値を関知し、袋の内側が感圧センサーに触れた場合は下限値を関知することによって、体積の上限下限の閾値を感知するようにしておき、その上限閾値を上回ったと比較回路で検出した時に駆動回路により流量調整弁55を閉じ又は締め、一方その下限閾値を下回ったと比較回路で検出した時に駆動回路により流量調整弁55を開放しまたは緩めるというものである。好ましくは、容量可変緩衝容器40の容量を監視し、その容量が上限閾値と下限閾値との間となるように、流量調整弁55のオン/オフを制御するというものである。例えば、同図(a)~(c)に示すように、感圧センサーとしては、容量可変緩衝容器40の袋の上面側外装に配した電極46bと袋の上方に配した電極46aとからなり人為気体の体積が上限閾値を上回り袋が膨らみ過ぎた時に両電極46a・46bが接触することによって上限閾値を感知する電極対と、袋の上面側内部に配した電極46cと袋の下面側内部に配した電極46dとからなり人為気体の体積が下限閾値を下回り袋が萎み過ぎた時に両電極46c・46dが接触することによって下限閾値を感知する電極対とで、構成されるものであってもよい。または、図示しないが、感圧センサーとしては、電極対に代えて、加えられた力(例えば膨らみ過ぎによるセンサーへの押上げ力と萎み過ぎ時での重りによる重力など)によって生じる静電容量の変化によって圧覚を検知する静電容量型圧覚センサーであってもよく、絶縁体であるゴムに導電体材料を混ぜておき加えられた力に応じてそれの抵抗値の低下によって圧覚を検知する感圧導電性ゴム型圧覚センサーであってもよい。感圧センサーは、1軸・3軸又は縦横高さ方向の力とモー面と作用との6軸力覚センサーであってもよく、加えられた力やモーメントによって生じる袋の形状ひずみをコンデンサの静電容量の変化によって検知する静電容量型力覚センサーであってもよく、加えられた力やモーメントによって生じる袋の形状ひずみをひずみゲージセンサーで検知するひずみゲージ式力覚センサーであってもよい。 The system may also include a regulator that supplies artificial gas to the variable-volume buffer container 40 when the volume of the artificial gas in the variable-volume buffer container 40 falls below a lower threshold and stops supplying artificial gas when the volume exceeds an upper threshold. When the variable-volume buffer container 40 is a bag, the regulator, as shown in FIG. 3, has pressure sensors installed inside and outside the bag. When the outside of the bag (the variable-volume buffer container 40) touches the pressure sensors, it detects an upper limit, and when the inside of the bag touches the pressure sensors, it detects a lower limit. This allows the regulator to sense upper and lower volume thresholds. When a comparison circuit detects that the upper threshold is exceeded, the drive circuit closes or tightens the flow control valve 55. Conversely, when the comparison circuit detects that the lower threshold is exceeded, the drive circuit opens or loosens the flow control valve 55. Preferably, the volume of the variable-volume buffer container 40 is monitored, and the flow control valve 55 is turned on and off to maintain the volume between the upper and lower thresholds. For example, as shown in Figures 11(a) to 11(c), the pressure sensor may be configured with an electrode pair consisting of an electrode 46b arranged on the upper exterior of the bag of the variable-capacity buffer container 40 and an electrode 46a arranged above the bag, which senses the upper threshold when the electrodes 46a and 46b come into contact with each other when the volume of the artificial gas exceeds the upper threshold and the bag becomes excessively inflated, and an electrode pair consisting of an electrode 46c arranged inside the upper surface of the bag and an electrode 46d arranged inside the lower surface of the bag, which senses the lower threshold when the electrodes 46c and 46d come into contact with each other when the volume of the artificial gas falls below the lower threshold and the bag becomes excessively deflated. Alternatively, although not shown, the pressure sensor may be a capacitance-type pressure sensor that detects pressure based on changes in capacitance caused by applied force (for example, a force pushing up on the sensor when the bag is over-inflated or gravity due to a weight when the bag is over-deflated) instead of an electrode pair, or a pressure-sensitive conductive rubber-type pressure sensor that detects pressure based on a decrease in resistance in response to applied force by mixing a conductive material with insulating rubber. The pressure sensor may be a 1-axis, 3-axis, or 6-axis force sensor that detects forces in the length, width, and height directions, moment plane, and action, a capacitance-type force sensor that detects shape distortion of the bag caused by applied force or moment based on changes in the capacitance of a capacitor, or a strain gauge-type force sensor that uses a strain gauge sensor to detect shape distortion of the bag caused by applied force or moment.
或いは、図4に示すように、容量可変緩衝容器40の画像をカメラ47で撮影し、それの萎んだ状態から過剰に膨らんだ状態までを予め撮影しておいた対照画像と比較する画像認識によって、容量可変緩衝容器40である袋が、同図(a)に示すように一方過剰に膨らんだと認識したときに駆動回路により流量調整弁55を閉じ又は締め、同図(c)に示すように萎んだと認識したときに駆動回路により流量調整弁55を開放しまたは緩めることによって、容量可変緩衝容器40内の人為気体の体積が一定範囲になるようにしてもよい。 Alternatively, as shown in Figure 4, an image of the variable-volume buffer container 40 is taken with a camera 47, and the image is compared with control images taken in advance, ranging from a deflated state to an over-inflated state. Through image recognition, when it is determined that the bag that constitutes the variable-volume buffer container 40 is over-inflated, as shown in Figure 4(a), the drive circuit closes or tightens the flow control valve 55, and when it is determined that the bag is deflated, as shown in Figure 4(c), the drive circuit opens or loosens the flow control valve 55, thereby keeping the volume of the artificial gas inside the variable-volume buffer container 40 within a certain range.
容量可変緩衝容器40として、袋の例を挙げたが、図5(a)に示すように、分岐チューブ41へ繋がった気密の樹脂製・金属製又はガラス製であって、外筒43内で先端にゴム製ガスケット44aを装着したプランジャー44が、摺動可能に挿入された注射器型のピストンシリンジであってもよく、同図(b)に示すように、分岐チューブ41へ繋がった気密の樹脂製又は金属製でシリンダー43’内に可動ピストン44’が摺動可能に挿入されたピストンシリンジであってもよい。容量可変緩衝容器40であるピストンシリンジの容積を調整する一例は、プランジャー44又はピストン44’の位置を検出する位置センサーにより、上限閾位置を超えたと検出された時に駆動回路により流量調整弁55を閉じ又は締め、一方その下限閾位置を下回ったと検出された時に駆動回路により流量調整弁55を開放しまたは緩めるというものである。位置センサーに代えて画像認識で上限閾位置及び下限閾位置を判断するものであってもよい。 While a bag has been used as an example of the variable-volume buffer container 40, it may also be an airtight resin, metal, or glass piston syringe connected to a branch tube 41, with a plunger 44 fitted with a rubber gasket 44a at its tip slidably inserted within an outer cylinder 43, as shown in FIG. 5(a). Alternatively, it may be an airtight resin or metal piston syringe connected to a branch tube 41, with a movable piston 44' slidably inserted within a cylinder 43', as shown in FIG. 5(b). One example of adjusting the volume of the piston syringe serving as the variable-volume buffer container 40 is to have a position sensor that detects the position of the plunger 44 or piston 44'. When a position sensor detects that the upper threshold position has been exceeded, the drive circuit closes or tightens the flow control valve 55, and when a position sensor detects that the lower threshold position has been exceeded, the drive circuit opens or loosens the flow control valve 55. Instead of a position sensor, the upper and lower threshold positions may be determined using image recognition.
容量可変緩衝容器40の可変容量の最大容量は、例えば10mL~10L、好ましくは50mL~1L、具体的には100~200mLである。 The maximum variable capacity of the variable-volume buffer container 40 is, for example, 10 mL to 10 L, preferably 50 mL to 1 L, and specifically 100 to 200 mL.
図1~図5の構成に代えて又はそれらと共に、図6に示すように、容量可変緩衝容器40内の人為気体の体積が所定量を上回ったときに所定量になるまで人為気体を外界へ放出させるオーバーフロー機構を、配管チューブ54、容量可変緩衝容器40及び/又は分岐チューブ41に有しているというものであってもよい。例えば同図(a)に示すように、容量可変緩衝容器40がピストンシリンジであって、プランジャー44又はピストンが所定の上限位置を超えた部位にて、外筒43又はシリンダーに、オーバーフロー機構45として過剰な人為気体を放出するが外気の逆流を防ぐ逆止弁が直に設けられ、又は開放穴とそれに繋がっている逆止弁とが設けられていてもよい。また、同図(b)に示すように、容量可変緩衝容器40が袋であって、そこに過剰圧力に達した時に開放されるオーバーフロー機構45(45’)として逆止弁が直に設けられ、又は開放穴とそれに繋がっている逆止弁とが、その袋の人為気体収容部の外壁に取り付けられていてもよい。 1 to 5, as shown in FIG. 6, the piping tube 54, the variable volume buffer container 40, and/or the branch tube 41 may have an overflow mechanism that releases the artificial gas to the outside when the volume of the artificial gas in the variable volume buffer container 40 exceeds a predetermined amount, until the artificial gas reaches a predetermined amount. For example, as shown in FIG. 6(a), the variable volume buffer container 40 may be a piston syringe, and at the portion where the plunger 44 or piston exceeds a predetermined upper limit position, the outer tube 43 or cylinder may be provided with a check valve directly as an overflow mechanism 45 that releases excess artificial gas but prevents backflow of outside air, or an open hole and a check valve connected to it. Also, as shown in FIG. 6(b), the variable volume buffer container 40 may be a bag, and as an overflow mechanism 45 (45') that opens when excessive pressure is reached, a check valve may be directly provided, or an open hole and a check valve connected to it may be attached to the outer wall of the bag's artificial gas storage section.
図7に示すように、過剰気体排気ラインに外気の逆流を防ぐ逆止弁56を有していてもよい。 As shown in Figure 7, the excess gas exhaust line may have a check valve 56 to prevent backflow of outside air.
人為気体供給源50は、常圧換算で500L以下を封入したもので、小型ガスボンベ(常圧換算で約500L封入の3.4L容量)やハンディタイプのミニガスカートリッジ所謂スプレー缶(約4.4L封入の10mL容量、約6.6L封入の15mL容量、約20~26L封入の60mL容量、約18~40L封入の95~98mL容量)のものである。 The artificial gas supply source 50 contains 500 L or less at atmospheric pressure equivalent, and can be a small gas cylinder (3.4 L capacity, which contains approximately 500 L at atmospheric pressure equivalent) or a handy mini gas cartridge, commonly known as a spray can (10 mL capacity, which contains approximately 4.4 L; 15 mL capacity, which contains approximately 6.6 L; 60 mL capacity, which contains approximately 20-26 L; or 95-98 mL capacity, which contains approximately 18-40 L).
このファインバブル供給装置1は、少量の測定対象部11にファインバブルを供給するものであるから、人為気体供給源50から供給される人為気体は、1~1000mL/分程度、好ましくは5~200mL/分、より好ましくは10~50mL/分程度流れるように、調整される。人為気体は、送液ポンプ20で循環させる試料溶液に対する比で、単位時間当たりの流量の2~1/100、好ましくは1/2~1/10程度となるように調整される。 Since this fine bubble supply device 1 supplies fine bubbles to a small amount of the measurement target area 11, the artificial gas supplied from the artificial gas supply source 50 is adjusted to flow at approximately 1 to 1000 mL/min, preferably 5 to 200 mL/min, and more preferably 10 to 50 mL/min. The artificial gas is adjusted to a flow rate per unit time of approximately 2 to 1/100, preferably 1/2 to 1/10, of the sample solution circulated by the liquid delivery pump 20.
送液ポンプ20は、吸入チューブ21から試料溶液を吸入でき、送出チューブ22から試料溶液を送り出すことができるものであれば、特に制限はないが、例えばシリコーンなどの軟質チューブである吸入チューブ21をローラーでしごいて送液する送液ポンプであるペリスタルティックポンプ、インペラーポンプ、ダイヤフラムポンプ、ベローズポンプ、及びシリンジポンプが挙げられる。送液ポンプ20は、脈動型、無脈動型の何れでもよいが、無脈動型の方が好ましい。送液ポンプは、少量の測定対象部11に送液するためのものであるから、1~500mL/分、好ましくは20~200mL/分、より具体的には100mL/分程度を流すことができるものである。 The liquid delivery pump 20 is not particularly limited as long as it can draw in sample solution from the intake tube 21 and deliver it from the delivery tube 22. Examples include a peristaltic pump, which delivers liquid by squeezing the intake tube 21, a soft tube made of silicone or the like, with a roller; an impeller pump; a diaphragm pump; a bellows pump; and a syringe pump. The liquid delivery pump 20 may be either a pulsating or non-pulsating type, although a non-pulsating type is preferred. Because the liquid delivery pump is designed to deliver a small amount of liquid to the measurement target 11, it is capable of delivering a flow rate of 1 to 500 mL/min, preferably 20 to 200 mL/min, and more specifically, approximately 100 mL/min.
ファインバブル供給装置1は、図を参照しながら説明すると、以下のようにして使用される。先ず、測定対象用容器10に液状の測定対象部11である試料溶液を入れておく。次にポンプ20を駆動し、吸入チューブ21から試料溶液を吸入し、送出チューブ22から試料溶液を送り出す。すると試料溶液は、アスピレーター30を経て、出液チューブ36から、測定対象用容器10内に戻される。一方、人為気体供給源50の元栓51を開き流量計又は圧力計52で調整しながら所定量の人為気体を配管チューブ54に流すと、容量可変緩衝容器40に人為気体が溜まり、またアスピレーター30に至り、人為気体吸込流路35から試料溶液流路32に引き込まれて、人為気体のファインバブルが形成され、出液チューブ36の開放端36aから、試料溶液と共にファインバブル12が、測定対象用容器10内に導出され、試料溶液が人為気体のファインバブル12により徐々に人為気体が溶解し、終には人為気体で置換される。このとき、図3~図7の何れかの手法によって、人為気体は容量可変緩衝容器40でほぼ一定となるように調整される。 Referring to the diagram, the fine bubble supply device 1 is used as follows: First, a sample solution, which is the liquid measurement target portion 11, is placed in the measurement target container 10. Next, the pump 20 is driven to draw in the sample solution through the intake tube 21 and deliver it through the delivery tube 22. The sample solution then passes through the aspirator 30 and is returned to the measurement target container 10 through the delivery tube 36. Meanwhile, when the main valve 51 of the artificial gas supply source 50 is opened and a predetermined amount of artificial gas is allowed to flow through the piping tube 54 while being adjusted with a flowmeter or pressure gauge 52, the artificial gas accumulates in the variable-volume buffer container 40 and reaches the aspirator 30. It is then drawn into the sample solution flow path 32 via the artificial gas intake flow path 35, forming fine bubbles of the artificial gas. Fine bubbles 12 are then drawn into the measurement container 10 along with the sample solution from the open end 36a of the outlet tube 36, and the artificial gas gradually dissolves in the sample solution due to the fine bubbles 12, eventually replacing the artificial gas. At this time, the artificial gas is adjusted to a nearly constant level in the variable-volume buffer container 40 using one of the methods shown in Figures 3 to 7.
ファインバブル供給装置1は、小型の人為気体供給源からの人為気体のファインバブルを少量の測定対象部に導入して、容量可変緩衝容器40で緩衝しながら、溶存気体を人為気体に置換するのに有用である。しかし、大型の人為気体供給源(大気、若しくはガスタンク又は大型のガスボンベ)からの気体のファインバブルを大量のプールや生簀などに導入するには向かない。なぜならば、大型の人為気体供給源を用いる場合には、圧力変動・流動変動が短時間では起こり難く、容量可変緩衝容器40を使う必要がないばかりか、却って煩雑になるだけの効果が得られないからである。 The fine bubble supply device 1 is useful for introducing a small amount of artificial gas fine bubbles from a small artificial gas supply source into the measurement target area, buffering the gas in the variable-volume buffer container 40 while replacing dissolved gas with artificial gas. However, it is not suitable for introducing a large amount of fine gas bubbles from a large artificial gas supply source (the atmosphere, a gas tank, or a large gas cylinder) into a swimming pool or fish pen. This is because when a large artificial gas supply source is used, pressure and flow fluctuations are unlikely to occur in a short period of time, making the use of a variable-volume buffer container 40 unnecessary and, in fact, making it more complicated and not providing the desired effect.
図1等で、屋内の実験室や測定室で、開放系の測定対象用容器10例えばビーカー中の液体の測定対象部11である試料溶液具体的には試料水溶液・試料懸濁液に、人為気体例えば窒素ガスのファインバブルを導入して溶存酸素を追い出して置換するという例を示したが、海底・海洋・海中・湖沼・河川などの測定現場の測定環境が測定対象部であってもよい。その場合、測定対象部と同等な水質と看做されるその周辺環境から送液ポンプで液体を吸引し、測定対象部にファインバブルを導入してもよい。例えば、図8(a)のように、ファインバブル供給装置1を有する海中状況測定装置60を船上から海中に投入し、所望の水深で各種データを測定する際に、各種センサーで測定している海水にファインバブルを供給するようにファインバブル供給装置1を駆動させる。それによって、海洋の所定の水深毎の海水の様々な項目の測定、具体的には窒素ガスによるファインバブルで置換して正確に二酸化炭素分圧のような項目の測定を行うことができる。また、同図(b)のようにモニタリングセンサーを内蔵する槍状外筒70及びファインバブル供給装置1を内蔵する海底地下状況モニタリング装置71を用い、槍状外筒70を海底の土壌に突刺して海底地下状況モニタリング装置で海底下の土壌中の海底地下水の循環状況、物理化学的性質の測定、海底メタンハイドレートのメタンガス濃度を測定する際に、各種センサーで測定している海水にファインバブルを供給するようにファインバブル供給装置1を駆動させて、窒素ガスによるファインバブルで置換して正確にメタンガス濃度のような項目の測定を行ったりするのに用いることができる。水溶液や懸濁水の他、超臨界水についても適用可能である。なお同図(a)・(b)には人為気体供給源や容量可変緩衝容器や、吸入チューブ・送出チューブ・配管チューブ等が隠れているので図示されていない。 In Figure 1 and other figures, an example is shown in which fine bubbles of an artificial gas, such as nitrogen gas, are introduced into a liquid sample solution (specifically, a sample aqueous solution or sample suspension) in an open-system measurement container 10, such as a beaker, in an indoor laboratory or measurement room to expel and replace dissolved oxygen. However, the measurement target can also be the measurement environment at the measurement site, such as the seabed, ocean, underwater, lakes, or rivers. In such cases, a liquid can be drawn from a surrounding environment deemed to have the same water quality as the measurement target using a liquid delivery pump, and fine bubbles can be introduced into the measurement target. For example, as shown in Figure 8(a), an underwater condition measurement device 60 equipped with a fine bubble supply device 1 is deployed from a ship into the sea. When various data are measured at a desired depth, the fine bubble supply device 1 is activated to supply fine bubbles to the seawater being measured by various sensors. This allows for measurements of various parameters of seawater at specified depths in the ocean, specifically, accurate measurements of parameters such as carbon dioxide partial pressure by replacing the air with fine bubbles of nitrogen gas. Furthermore, as shown in Figure 1(b), a spear-shaped external cylinder 70 containing a built-in monitoring sensor and a seafloor subsurface condition monitoring device 71 containing a built-in fine bubble supply device 1 are used. The spear-shaped external cylinder 70 is pierced into the seafloor soil, and the seafloor subsurface condition monitoring device measures the circulation status and physicochemical properties of seafloor groundwater in the soil below the seafloor, as well as the methane gas concentration of seafloor methane hydrate. The fine bubble supply device 1 can be driven to supply fine bubbles to the seawater being measured by various sensors, replacing the seawater with fine bubbles containing nitrogen gas, allowing for accurate measurement of items such as methane gas concentration. This system can also be applied to aqueous solutions and suspended water, as well as supercritical water. Note that Figures 1(a) and 1(b) do not show the artificial gas supply source, variable-volume buffer vessel, intake tube, delivery tube, and piping tube, as they are hidden.
以下、本発明を適用する実施例のファインバブル供給装置と、本発明を適用外の比較例のファインバブル供給装置とについて、説明する。 Below, we will explain a fine bubble supply device in an embodiment to which the present invention is applied, and a fine bubble supply device in a comparative example to which the present invention is not applied.
(実施例1)
図1に示すファインバブル供給装置1として、人為気体供給源50として常圧換算で窒素ガス約4.5L封入の500mL容量のミニガスカートリッジを用い、容量可変緩衝容器40にフッ化ビニル樹脂製のテドラーバック(アズワン社製;テドラーは登録商標)を用い、ポンプとしてペリスタルティックポンプを用い、また流量調整弁55にニードルバルブを用い、流量調整弁58としてニードルバルブ及び流量計(マスフローメーター)を用い、測定対象部11として100mL水道水を試料溶液とし、流量調整弁58のニードルバルブ及び流量計を連動させることによって、図1のようにして、流量20mL/分に調整しながら、溶存酸素を追い出した。試料溶液中の溶存酸素濃度を測定するため、溶存酸素センサー(メトラー・トレド社製:製品名Seven2Go DO meter S9)を試料溶液中に挿入しておいた。ファインバブル供給装置1を動作させ、試料溶液中にファインバブル共存試料溶液を循環させた。その時の経過時間と溶存酸素濃度との相関関係を図9(a)に示す。図9(a)右図は、同左図の溶存酸素濃度のスケールを拡大したものである。
Example 1
The fine bubble supply device 1 shown in Figure 1 uses a 500 mL mini-gas cartridge containing approximately 4.5 L of nitrogen gas (equivalent to atmospheric pressure) as the artificial gas supply source 50, a Tedlar bag (manufactured by AS ONE Corporation; Tedlar is a registered trademark) made of polyvinyl fluoride resin as the variable-volume buffer container 40, a peristaltic pump as the pump, a needle valve as the flow control valve 55, and a needle valve and flow meter (mass flow meter) as the flow control valve 58. 100 mL of tap water was used as the sample solution for measurement 11, and the needle valve and flow meter of the flow control valve 58 were linked to expel dissolved oxygen while adjusting the flow rate to 20 mL/min, as shown in Figure 1. To measure the dissolved oxygen concentration in the sample solution, a dissolved oxygen sensor (manufactured by Mettler Toledo: product name Seven2Go DO meter S9) was inserted into the sample solution. The fine bubble supply device 1 was operated, and the fine bubble-coexisting sample solution was circulated through the sample solution. The correlation between the elapsed time and the dissolved oxygen concentration is shown in Figure 9(a). The right side of Figure 9(a) is an enlarged view of the dissolved oxygen concentration shown in the left side of the figure.
図9(a)から明らかな通り、試料溶液は溶存酸素濃度が当初約7mg/Lであったが、ファインバブル供給装置1の動作開始から2分後には約1mg/Lに低減し、4分後には約0.1mg/Lに低減し、6分後には0.01mg/Lにまで低減した。 As is clear from Figure 9(a), the dissolved oxygen concentration of the sample solution was initially approximately 7 mg/L, but this decreased to approximately 1 mg/L two minutes after the fine bubble supply device 1 started operating, to approximately 0.1 mg/L after four minutes, and to 0.01 mg/L after six minutes.
(比較例1)
容量可変緩衝容器40を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にして、100mL水道水を試料溶液の溶存酸素濃度を測定した。その結果を図9(b)に示す。図9(b)右図は、同左図の溶存酸素濃度のスケールを拡大したものである。
(Comparative Example 1)
The dissolved oxygen concentration of 100 mL of tap water sample solution was measured in the same manner as in Example 1, except that the variable-volume buffer container 40 was not used. The results are shown in Figure 9(b). The right graph in Figure 9(b) is an enlarged view of the dissolved oxygen concentration of the left graph.
図9(b)から明らかな通り、試料溶液は溶存酸素濃度が当初約7mg/Lであったが、ファインバブル供給装置1の動作開始から2分後には、図9(a)と同様に約1mg/Lに低減したが、4分後には約0.25mg/Lに、6分後には約0.12mg/Lとなった。図9(a)と比較して、減少速度が遅くなった。これは、容量可変緩衝容器40を用いなかったため、装置運転中に気体供給圧力が低下することで、気体供給量が下がったことに起因すると思われる。 As is clear from Figure 9(b), the dissolved oxygen concentration of the sample solution was initially approximately 7 mg/L. 2 minutes after the fine bubble supply device 1 started operating, this had decreased to approximately 1 mg/L, as in Figure 9(a). After 4 minutes, it had decreased to approximately 0.25 mg/L, and after 6 minutes, it had decreased to approximately 0.12 mg/L. Compared to Figure 9(a), the rate of decrease was slower. This is thought to be due to the fact that, since the variable-volume buffer container 40 was not used, the gas supply pressure decreased during operation of the device, resulting in a decrease in the gas supply amount.
従って、図9(a)及び(b)から明らかな通り容量可変緩衝容器40の使用が有効であった。 Therefore, as is clear from Figures 9(a) and (b), the use of the variable-volume buffer container 40 was effective.
本発明のファインバブル供給装置は、小型の人為気体供給源からの人為気体のファインバブルを少量の測定対象部に導入して、溶存気体を人為気体に置換して、溶存気体による影響を排除し、測定対象部の各種理化学分析を行うのに有用である。 The fine bubble supply device of the present invention introduces a small amount of artificial fine bubbles from a small artificial gas supply source into the measurement target area, replacing dissolved gas with the artificial gas and eliminating the effects of the dissolved gas, making it useful for performing various physical and chemical analyses of the measurement target area.
1はファインバブル供給装置、10は測定対象用容器、11は測定対象部(試料溶液)、12はファインバブル、20は送液ポンプ、21は吸入チューブ、22は送出チューブ、30はアスピレーター、31はアスピレーター入液コネクター、32は試料溶液流路、33はアスピレーター出液コネクター、34はアスピレーター入気コネクター、35は人為気体吸込流路、36は出液チューブ、36aは開放端、40は容量可変緩衝容器、41は分岐チューブ、42は容量可変緩衝容器入気コネクター、43は外筒、43’はシリンダー、44はプランジャー、44’はピストン、45・45’はオーバーフロー機構、46a~46dは電極、47はカメラ、50は人為気体供給源、51は元栓、52は流量計又は圧力計、53はレギュレーター、54は配管チューブ、55は流量調整弁、56はT字管、57は逆止弁、58はマスフローメーター、60は海中状況測定装置、70は槍状外筒及びモニタリングセンサー、71は海底地下状況モニタリング装置、W1~W5は内径である。 Reference numeral 1 denotes a fine bubble supply device, 10 denotes a container for the measurement object, 11 denotes a measurement object (sample solution), 12 denotes fine bubbles, 20 denotes a liquid delivery pump, 21 denotes an intake tube, 22 denotes an output tube, 30 denotes an aspirator, 31 denotes an aspirator liquid inlet connector, 32 denotes a sample solution flow path, 33 denotes an aspirator liquid outlet connector, 34 denotes an aspirator gas inlet connector, 35 denotes an artificial gas intake flow path, 36 denotes an outlet tube, 36a denotes an open end, 40 denotes a variable capacity buffer container, 41 denotes a branch tube, 42 denotes a variable capacity buffer Container air inlet connector, 43 is an outer tube, 43' is a cylinder, 44 is a plunger, 44' is a piston, 45 and 45' are overflow mechanisms, 46a to 46d are electrodes, 47 is a camera, 50 is an artificial gas supply source, 51 is a main valve, 52 is a flow meter or pressure gauge, 53 is a regulator, 54 is a piping tube, 55 is a flow control valve, 56 is a T-pipe, 57 is a check valve, 58 is a mass flow meter, 60 is an underwater situation measuring device, 70 is a spear-shaped outer tube and monitoring sensor, 71 is a seabed underground situation monitoring device, and W 1 to W 5 are inner diameters.
Claims (6)
前記人為気体供給源と前記アスピレーターとの流路の途中に、前記人為気体の圧力を前記測定対象部の周辺圧力である大気圧と均圧になるように、可撓性樹脂フィルム製で膨らみ又は萎む袋と、シリンダー内に可動ピストンが摺動可能に挿入されたピストンシリンジとの何れかからなりそれによって前記大気圧と均圧となるように容量が可変となる容量可変緩衝容器を有することを特徴とするファインバブル供給装置。 A fine bubble supply device in which an artificial gas is drawn from an artificial gas supply source, which is a gas cylinder or gas cartridge or a spray can containing an artificial gas, and fine bubbles are generated by drawing the artificial gas from an artificial gas supply source , which is an artificial gas supply source, a gas cylinder or gas cartridge or a spray can, via an aspirator that is connected so as to draw the liquid from a liquid measurement object portion , which is made of a sample solution and placed in an open measurement object container, and then the liquid is supplied to the measurement object portion by the liquid supply pump,
A fine bubble supply device characterized by having, in the middle of the flow path between the artificial gas supply source and the aspirator, a variable-capacity buffer container consisting of either a bag made of flexible resin film that expands or contracts so that the pressure of the artificial gas is equal to atmospheric pressure, which is the ambient pressure of the measurement object, or a piston syringe with a movable piston slidably inserted into a cylinder, thereby changing the volume so that the pressure is equal to atmospheric pressure .
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