JP7772207B2 - Bubble generating device and bubble generating system - Google Patents
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Description
本開示は、気泡発生装置、および気泡発生システムに関する。 The present disclosure relates to a bubble generating device and a bubble generating system.
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(特開2016-209825号公報(特許文献1)、特開2014-150784号公報(特許文献2))。また、気泡発生装置は、水以外に、液体燃料、消毒液、化粧液などに対して微細な気泡を発生させる用途開発が進んでいる。例えば、燃料噴射装置に気泡発生装置を設け、ピストンに噴射する液体燃料に対して微細な気泡を含ませることで燃費の改善が報告されている。In recent years, microscopic bubbles have been used in a variety of fields, including water purification, wastewater treatment, and fish farming. To this end, bubble generators that generate microscopic bubbles have been developed (see JP 2016-209825 A (Patent Document 1) and JP 2014-150784 A (Patent Document 2)). Furthermore, development is underway to use bubble generators to generate microscopic bubbles in liquid fuel, disinfectants, cosmetics, and other liquids in addition to water. For example, it has been reported that fuel efficiency can be improved by installing a bubble generator in a fuel injection system and incorporating microscopic bubbles into the liquid fuel injected into the piston.
特開2016-209825号公報(特許文献1)に記載の気泡発生装置では、微細な気泡を液体に発生させるために、振動板の下に気体を供給する供給部が設けられている。この供給部は、気泡発生装置の外部から原料を供給する原料供給管に接続される。原料供給管には、圧力を調整する調圧器を介して、原料容器が接続されている。気体を原料として気泡発生装置で気泡を作製する場合には、原料容器にガスボンベ等を使用する必要があった。 The bubble generator described in JP 2016-209825 A (Patent Document 1) has a supply unit below the vibrating plate that supplies gas in order to generate fine bubbles in a liquid. This supply unit is connected to a raw material supply pipe that supplies raw material from outside the bubble generator. A raw material container is connected to the raw material supply pipe via a pressure regulator that adjusts the pressure. When using a gas as a raw material to generate bubbles in a bubble generator, it was necessary to use a gas cylinder or similar as the raw material container.
特開2014-150784号公報(特許文献2)に記載の気泡発生装置では、微生物培養に必要な所定の気体が、コンプレッサから、振動板の貫通孔を通して培養槽に供給される。このとき、気泡発生装置は、発振機から高周波電圧を印加された圧電振動素子から振動板に所定の周波数振動が与えられることで微細な気泡を液体に発生させている。 In the bubble generator described in JP 2014-150784 A (Patent Document 2), a specific gas required for microbial cultivation is supplied from a compressor to a culture tank through through-holes in a vibrating plate. At this time, the bubble generator generates fine bubbles in the liquid by applying a specific frequency vibration to the vibrating plate from a piezoelectric vibrating element to which a high-frequency voltage is applied from an oscillator.
そのため、いずれの気泡発生装置であっても、微細な気泡を液体に発生させるためには、振動板の下側からガスボンベやコンプレッサなどで気体を強制的に供給する必要があり、装置の小型化、低コスト化の妨げになっていた。 Therefore, in order to generate fine bubbles in a liquid with any bubble generating device, it was necessary to forcibly supply gas from below the vibrating plate using a gas cylinder or compressor, which hindered the device from being made smaller and less expensive.
そこで、本開示の目的は、装置の小型化、低コスト化が可能な気泡発生装置、および気泡発生システムを提供することである。 Therefore, the object of the present disclosure is to provide a bubble generating device and a bubble generating system that can be made smaller and less expensive.
本開示の一形態に係る気泡発生装置は、液体槽に取り付けられ、液体槽の液体中に微細な気泡を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、第1の面が液体槽の液体と接し、第2の面が気体と接する振動板と、振動板を支持する振動体と、振動体に設けられ、振動板を振動させる圧電素子と、を備える。振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第1の面側の開口径が第2の面側の開口径に比べて大きい。振動体は、振動板を支持するヘッド部と、ヘッド部を支持する板状のバネ部と、ヘッド部を支持する位置より外側にある位置においてバネ部の一方の端を支持する筒状体と、筒状体の端部に設けられる錘部と、を含む。圧電素子は、筒状体により支持されるバネ部の面に設けられている。 A bubble generator according to one aspect of the present disclosure is attached to a liquid tank and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank. The bubble generator includes a vibration plate having a plurality of openings formed therein, the first surface of the vibration plate being in contact with the liquid in the liquid tank and the second surface of the vibration plate being in contact with the gas, a vibrating body supporting the vibration plate, and a piezoelectric element provided on the vibrating body for vibrating the vibration plate. Each of the plurality of openings formed in the vibration plate has a larger opening diameter on the first surface side than on the second surface side. The vibrating body includes a head portion supporting the vibration plate, a plate-shaped spring portion supporting the head portion, a cylindrical body supporting one end of the spring portion at a position outside the position supporting the head portion, and a weight portion provided at the end of the cylindrical body. The piezoelectric element is provided on the surface of the spring portion supported by the cylindrical body.
本開示の別の一形態に係る気泡発生システムは、前述の気泡発生装置と、液体槽と、を備える。 Another aspect of the present disclosure relates to a bubble generating system comprising the aforementioned bubble generating device and a liquid tank.
本開示によれば、気泡発生装置において、振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第1の面側の開口径が第2の面側の開口径に比べて大きいので自然吸気で液体に微細な気泡を発生させることができ、気体を強制的に供給する供給部が不要となるために装置の小型化、低コスト化が可能となる。 According to the present disclosure, in the bubble generating device, the shape of each of the multiple openings formed in the vibrating plate is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side, allowing for the generation of fine bubbles in the liquid by natural aspiration, and eliminating the need for a supply unit that forcibly supplies gas, thereby enabling the device to be made smaller and less expensive.
(実施の形態)
以下に、実施の形態に係る気泡発生装置、および気泡発生システムについて、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。
(Embodiment)
Hereinafter, an air bubble generating device and an air bubble generating system according to an embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings will be given the same reference numerals and their description will not be repeated.
まず、図1は、実施の形態に係る気泡発生装置1が用いられる気泡発生システム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,ガソリン,軽油などの液体を貯留する液体槽10の上部に設けられ、液体槽10の液体に微細な気泡200を発生させる気泡発生システム100に用いられる。なお、気泡発生システム100は、例えば、水質浄化装置、排水処理装置、魚の養殖用水槽、燃料噴射装置などの様々なシステムに適用することができる。 First, Figure 1 is a schematic diagram of a bubble generation system 100 in which a bubble generation device 1 according to an embodiment of the present invention is used. The bubble generation device 1 shown in Figure 1 is installed above a liquid tank 10 that stores liquid such as water, gasoline, or diesel, and is used in the bubble generation system 100 to generate fine bubbles 200 in the liquid in the liquid tank 10. The bubble generation system 100 can be applied to a variety of systems, such as water purification devices, wastewater treatment devices, fish farming tanks, and fuel injection devices.
また、液体槽10は、適用するシステムにより導入される液体が異なり、水質浄化装置であれば水になるが、燃料噴射装置であれば液体燃料になる。さらに、液体槽10は、液体を一時的に貯留することができればよく、液体が導入される管において当該管の中を常に液体が流れるようなものも含む。 The liquid introduced into the liquid tank 10 varies depending on the system to which it is applied; for example, in a water purification system, it is water, but in a fuel injection system, it is liquid fuel. Furthermore, the liquid tank 10 is only required to be able to temporarily store liquid, and includes a pipe through which the liquid is introduced and through which the liquid constantly flows.
気泡発生装置1は、振動板2と、振動体3と、圧電素子4とを備えている。液体槽10の上部に設けた蓋部に開けた孔から気泡発生装置1を挿入し、振動板2を設けた振動体3の一部が液体に浸かる位置で気泡発生装置1を保持フランジ5で液体槽10の蓋部に固定している。液体に浸かった振動板2を圧電素子4により振動させることにより、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。なお、振動板2は、一方の面(第1の面)が液体槽10の液体と接し、他方の面(第2の面)が気体と接するように設けられる。 The bubble generator 1 comprises a vibration plate 2, a vibrating body 3, and a piezoelectric element 4. The bubble generator 1 is inserted through a hole in a lid provided on top of a liquid tank 10, and the bubble generator 1 is fixed to the lid of the liquid tank 10 with a holding flange 5 at a position where a portion of the vibrating body 3 provided with the vibration plate 2 is immersed in the liquid. By vibrating the vibration plate 2 immersed in the liquid using the piezoelectric element 4, fine bubbles 200 are generated from multiple pores (openings) formed in the vibration plate 2. The vibration plate 2 is arranged so that one surface (first surface) contacts the liquid in the liquid tank 10 and the other surface (second surface) contacts the gas.
図2は、実施の形態に係る気泡発生装置1の断面斜視図である。気泡発生装置1は、図2に示すように、振動板2と、振動板2の周辺部を固定するヘッド部31と、ヘッド部31に連なる筒状体32とで構成されている。筒状体32は、いわゆるランジュバン型振動子である。筒状体32は、上側金属リング32aと下側金属リング32bとで2枚の圧電素子4を挟んで締め付け用ボルト34で固定した構造である。 Figure 2 is a cross-sectional perspective view of a bubble generator 1 according to an embodiment. As shown in Figure 2, the bubble generator 1 is composed of a vibration plate 2, a head portion 31 that fixes the periphery of the vibration plate 2, and a cylindrical body 32 that is connected to the head portion 31. The cylindrical body 32 is a so-called Langevin type vibrator. The cylindrical body 32 has a structure in which two piezoelectric elements 4 are sandwiched between an upper metal ring 32a and a lower metal ring 32b and fixed with a tightening bolt 34.
2枚の圧電素子4は、第1圧電素子41と、第1圧電素子41に対して分極方向を反対にした第2圧電素子42とを重ねた構成になっている。第1圧電素子41および第2圧電素子42に対して電力を供給する端子43,44が、上側金属リング32a,下側金属リング32bと第1圧電素子41,第2圧電素子42との間から引き出され、図1に示すコントローラ20と配線で電気的に接続されている。 The two piezoelectric elements 4 are configured by stacking a first piezoelectric element 41 and a second piezoelectric element 42 with a polarization direction opposite to that of the first piezoelectric element 41. Terminals 43, 44 that supply power to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 are drawn out from between the upper metal ring 32a, the lower metal ring 32b and the first piezoelectric element 41, and the second piezoelectric element 42, and are electrically connected by wiring to the controller 20 shown in Figure 1.
コントローラ20から第1圧電素子41,第2圧電素子42に電力を供給することで、ヘッド部31および筒状体32を含めた長さ方向の寸法に依存する共振周波数で筒状体32を駆動することにより、振動板2において大きな変位が得られる。筒状体32の共振には、複数の高次の振動モードが存在するため複数の共振周波数の中から1つの共振周波数を選択することが可能である。また、上側金属リング32aからヘッド部31に繋がる部分の径を他の部分より小さく絞り込むことで、振動板2の変位をさらに増幅することができる。 By supplying power from the controller 20 to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42, the cylindrical body 32 is driven at a resonant frequency that depends on the longitudinal dimensions of the head portion 31 and the cylindrical body 32, resulting in a large displacement of the vibration plate 2. Because the cylindrical body 32 resonates in multiple higher-order vibration modes, it is possible to select one resonant frequency from multiple resonant frequencies. Furthermore, by narrowing the diameter of the portion connecting the upper metal ring 32a to the head portion 31 smaller than the other portions, the displacement of the vibration plate 2 can be further amplified.
なお、上側金属リング32a,下側金属リング32b、および締め付け用ボルト34の中心部には、図2に示すように貫通孔35が設けてあり、当該貫通孔35が振動板2へ気体を導入する導入部となっている。上側金属リング32a,下側金属リング32b、および締め付け用ボルト34には、ステンレスやアルミなどが用いられる。第1圧電素子41,第2圧電素子42には、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やKNN((K,Na)NbO3)などのセラミック,タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウムなどの圧電結晶が用いられる。 2, through holes 35 are provided in the centers of the upper metal ring 32a, the lower metal ring 32b, and the fastening bolt 34, and these through holes 35 serve as inlet portions for introducing gas into the diaphragm 2. The upper metal ring 32a, the lower metal ring 32b, and the fastening bolt 34 are made of stainless steel, aluminum, or the like. The first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 are made of ceramics such as PZT (lead zirconate titanate) and KNN ((K,Na) NbO3 ), or piezoelectric crystals such as lithium tantalate and lithium niobate.
具体的に、筒状体32は、SUSU304材で形成し、上側金属リング32aの径が16mm、ヘッド部を含む高さが46.5mm、下側金属リング32bの径が16mm、高さが10mmである。第1圧電素子41,第2圧電素子42は、それぞれ径が16mm、厚みが2.55mmである。振動体3の全長は、63mm程度になる。筒状体32の共振周波数は、ヘッド部31の形状にも依存するが半波長の共振の場合、約45kHz前後である。 Specifically, the cylindrical body 32 is made of SUS304 material, with the upper metal ring 32a having a diameter of 16 mm and a height including the head portion of 46.5 mm, and the lower metal ring 32b having a diameter of 16 mm and a height of 10 mm. The first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42 each have a diameter of 16 mm and a thickness of 2.55 mm. The total length of the vibrating body 3 is approximately 63 mm. The resonant frequency of the cylindrical body 32 depends on the shape of the head portion 31, but is approximately 45 kHz in the case of a half-wavelength resonance.
筒状体32は、上側金属リング32aと下側金属リング32bとを締め付け用ボルト34で締め付ける構造となっているため、第1圧電素子41,第2圧電素子42に圧縮力のバイアスが加わっている。そのため、引っ張り応力に対する耐性が小さい圧電セラミックスを第1圧電素子41,第2圧電素子42に採用し、第1圧電素子41,第2圧電素子42に大電力を供給して駆動した場合でも第1圧電素子41,第2圧電素子42が破壊し難い構造となっている。なお、上側金属リング32aと下側金属リング32bとは同電位となるため、2枚の圧電素子4の中間に印加電極を挟む必要がある。当該印加電極と端子43とが電気的に接続されている。 The cylindrical body 32 is constructed by fastening the upper metal ring 32a and the lower metal ring 32b with the fastening bolts 34, which applies a compressive bias to the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42. Therefore, piezoelectric ceramics with low resistance to tensile stress are used for the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42, making them less susceptible to damage even when driven by a large amount of power. Furthermore, because the upper metal ring 32a and the lower metal ring 32b are at the same potential, an application electrode must be sandwiched between the two piezoelectric elements 4. This application electrode is electrically connected to the terminal 43.
なお、筒状体32は、第1圧電素子41,第2圧電素子42に大電力を供給して駆動する必要がなければ、締め付け用ボルト34で締め付ける構造とせずに、1枚の圧電素子4を上側金属リング32aと下側金属リング32bとで挟んで接着する構造でもよい。また、筒状体32は、上側金属リング32aのみの構造とし、当該上側金属リング32aの底面に圧電素子4を接着する構造でもよい。筒状体32にいずれの構造を採用しても、製造コストを下げることができる。 If there is no need to supply a large amount of power to drive the first piezoelectric element 41 and the second piezoelectric element 42, the cylindrical body 32 may not be fastened with the fastening bolts 34, but may instead be structured so that one piezoelectric element 4 is sandwiched and bonded between an upper metal ring 32a and a lower metal ring 32b. Alternatively, the cylindrical body 32 may be structured so that it only has an upper metal ring 32a, with the piezoelectric element 4 bonded to the bottom surface of the upper metal ring 32a. Regardless of the structure adopted for the cylindrical body 32, manufacturing costs can be reduced.
図3は、実施の形態に係る気泡発生装置1のヘッド部31の断面図である。ヘッド部31は、筒状体32の上部に設けられ、円錐台形状をしている。なお、図3に示すヘッド部31の形状は一例であり、円錐台形状に限定されず、円筒形状など他の形状であってもよい。また、ヘッド部31は、筒状体32と別に形成して接続しても、一体で形成してもよい。 Figure 3 is a cross-sectional view of the head portion 31 of the bubble generation device 1 according to the embodiment. The head portion 31 is provided on the upper part of the cylindrical body 32 and has a truncated cone shape. Note that the shape of the head portion 31 shown in Figure 3 is an example, and is not limited to a truncated cone shape, and may be other shapes such as a cylindrical shape. Furthermore, the head portion 31 may be formed separately from the cylindrical body 32 and connected thereto, or may be formed integrally therewith.
ヘッド部31は、円錐台形状の上周辺部に接着剤や溶接などで振動板2を固定している。振動板2は、例えば、樹脂板、金属板、SiもしくはSOI(Silicon On Insulator)基板、多孔質のセラミック板、ガラス板などで形成されている。具体的に、振動板2の外径Rcは9mmで、振動板2は、周辺部の厚みに比べて中央部の厚みが薄いものを使用し、例えば周辺部の厚みが0.15mmで、中央部の厚みが0.05mmである。The head portion 31 has a diaphragm 2 fixed to the upper periphery of its truncated cone shape using adhesive or welding. The diaphragm 2 is formed, for example, from a resin plate, metal plate, Si or SOI (Silicon On Insulator) substrate, porous ceramic plate, or glass plate. Specifically, the outer diameter Rc of the diaphragm 2 is 9 mm, and the diaphragm 2 is thinner in the center than in the periphery; for example, the thickness of the periphery is 0.15 mm and the thickness of the center is 0.05 mm.
振動板2は、厚みが薄くなっている中央部に185個の開口部2a設けられている。各々の開口部2aの断面形状は、図3に示すように一方の面側(液体側)の開口径Raが他方の面側(気体側)の開口径Rbより大きい(Ra>Rb)テーパ形状となっている。なお、開口部2aの断面形状は、テーパ形状に限定されず、少なくとも液体側の開口径Raが気体側の開口径Rbより大きければ、階段形状など何れの形状であってもよい。具体的に、液体側の開口径Raは約70μmで、気体側の開口径Rbは約10μmである。 The diaphragm 2 has 185 openings 2a in its central area where the thickness is thinner. As shown in Figure 3, the cross-sectional shape of each opening 2a is tapered, with the opening diameter Ra on one side (liquid side) being larger than the opening diameter Rb on the other side (gas side) (Ra > Rb). Note that the cross-sectional shape of the openings 2a is not limited to a tapered shape and may be any shape, such as a stepped shape, as long as at least the opening diameter Ra on the liquid side is larger than the opening diameter Rb on the gas side. Specifically, the opening diameter Ra on the liquid side is approximately 70 μm, and the opening diameter Rb on the gas side is approximately 10 μm.
気泡発生装置1では、開口径の大きい開口径Raを液体側に開口径の小さい開口径Rbを気体側にして振動板2をヘッド部31に取り付け、振動板2を上下に振動させるピストン振動をさせることで、自然吸気で液体に微細な気泡200を発生させることができた。逆に、開口径の大きい開口径Raを気体側に開口径の小さい開口径Rbを液体側にして振動板2をヘッド部31に取り付けた場合、20kPa~40kPaの気圧を印加しなければ、液体に微細な気泡200を発生させることができなかった。つまり、逆にした場合、気泡発生装置1は、コンプレッサが必要であった。 In the bubble generator 1, the vibration plate 2 is attached to the head portion 31 with the larger opening diameter Ra on the liquid side and the smaller opening diameter Rb on the gas side, and piston vibration is used to vibrate the vibration plate 2 up and down, thereby generating fine bubbles 200 in the liquid using natural aspiration. Conversely, if the vibration plate 2 is attached to the head portion 31 with the larger opening diameter Ra on the gas side and the smaller opening diameter Rb on the liquid side, it is not possible to generate fine bubbles 200 in the liquid unless an air pressure of 20 kPa to 40 kPa is applied. In other words, if the opposite were true, the bubble generator 1 would require a compressor.
気泡発生装置1では、開口径の大きい開口径Raを液体側に開口径の小さい開口径Rbを気体側にして振動板2をヘッド部31に取り付け、振動板2をピストン駆動させた場合、自然吸気で液体に気体を送り込むポンプ効果が生じていると考えられる。このポンプ効果は、ベルヌーイの法則に基づいて説明することができる。具体的に、開口径の大きい開口径Raを液体側に開口径の小さい開口径Rbを気体側にして振動板2をヘッド部31に取り付け、振動板2をピストン駆動させた場合、開口径の小さい部分で流速が増加することから圧力の低い部分が作り出され気体側から気体を吸い上げるポンプ効果が生じていると考えられる。また、ピストン振動によって振動板2が下方向へ変位した際、開口径の小さい開口部2a側から侵入した気体は、開口部2aの断面形状に沿って広がるとともに、振動板2の上方向へ変位によってテーパ形状の部分で押し上げられることでポンプ効果が生じているとも考えられる。In the bubble generator 1, when the vibration plate 2 is attached to the head portion 31 with the larger opening diameter Ra on the liquid side and the smaller opening diameter Rb on the gas side and the vibration plate 2 is driven by a piston, a pump effect is thought to occur, sending gas into the liquid by natural aspiration. This pump effect can be explained based on Bernoulli's law. Specifically, when the vibration plate 2 is attached to the head portion 31 with the larger opening diameter Ra on the liquid side and the smaller opening diameter Rb on the gas side and the vibration plate 2 is driven by a piston, the flow rate increases in the small opening diameter portion, creating a low-pressure area and creating a pump effect that draws gas up from the gas side. Furthermore, when the vibration plate 2 is displaced downward by piston vibration, the gas that enters through the smaller opening diameter 2a spreads along the cross-sectional shape of the opening 2a and is pushed up by the tapered portion due to the upward displacement of the vibration plate 2, creating a pump effect.
気泡発生装置1において、ポンプ効果を生じさせるには振動板2を屈曲させず、上下に振動させるピストン振動をさせることが好ましい。屈曲しやすい振動板2では、液体中で縦振動が吸収されてしまい「柔らかなばね」として機能してポンプ効果が減ぜられる。そのため、屈曲し難い振動板2をピストン振動させることが好ましい。気泡発生装置1において生じるポンプ効果は、気体側から液体側への一方向への気体の流れを生じさせる現象としてとらえることができる。なお、気泡発生装置1において生じるポンプ効果は、共振周波数(振動モード)、ヘッド部31の高さ、振動板2の外径Rc、振動板2を保持する内径Rdなどのパラメータを変更することで最適化することができる。 In the bubble generator 1, to generate a pumping effect, it is preferable to use piston vibration, vibrating the diaphragm 2 up and down, rather than bending it. With a diaphragm 2 that bends easily, vertical vibrations are absorbed in the liquid, functioning as a "soft spring" and reducing the pumping effect. For this reason, it is preferable to use piston vibration on a diaphragm 2 that is less likely to bend. The pumping effect generated in the bubble generator 1 can be understood as a phenomenon that causes gas to flow in one direction, from the gas side to the liquid side. The pumping effect generated in the bubble generator 1 can be optimized by changing parameters such as the resonant frequency (vibration mode), the height of the head portion 31, the outer diameter Rc of the diaphragm 2, and the inner diameter Rd that holds the diaphragm 2.
図1に示すように、気泡発生装置1を液体槽10の上部に設ける場合は、開口部2aからの液漏れは問題とならないが、気泡発生装置1を液体槽10の底面に設ける場合、開口径の大きい開口径Raを液体側に開口径の小さい開口径Rbを気体側にして振動板2をヘッド部31に取り付けることで、開口部2aからの液漏れが問題となる。 As shown in Figure 1, when the bubble generator 1 is installed on the top of the liquid tank 10, liquid leakage from the opening 2a is not a problem. However, when the bubble generator 1 is installed on the bottom of the liquid tank 10, liquid leakage from the opening 2a becomes a problem when the vibration plate 2 is attached to the head portion 31 with the larger opening diameter Ra on the liquid side and the smaller opening diameter Rb on the gas side.
そのため、開口部2aからの液漏れについて検討する。図4は、実施の形態に係る気泡発生装置1の開口部2aの付近に生じる力を説明するための概略図である。図4(a)は、開口部2aから垂れている液体の量が小さい場合の概略図であり、図4(b)は、開口部2aから垂れている液体の量が大きい場合の概略図である。Therefore, we will consider liquid leakage from the opening 2a. Figure 4 is a schematic diagram illustrating the forces generated near the opening 2a of the bubble generation device 1 according to the embodiment. Figure 4(a) is a schematic diagram illustrating the case where the amount of liquid dripping from the opening 2a is small, and Figure 4(b) is a schematic diagram illustrating the case where the amount of liquid dripping from the opening 2a is large.
まず、振動板2に設けた1つの開口部2aの気体側の開口径をRb(m)とし、液体(ここでは、水と考える)の深さをh(m)とし、気体側の開口部2aにある液体と界面との接触角をθ(°)とし、開口部2aから垂れている液体の重さをm(kg)とする。液体(水)の表面張力は、γ=0.728N/mであるので、図中上向きに力F1が生じる。この力F1は、式1と表せる。
F1=2π×(Rb/2)×γ×cosθ
=0.728π(Rb)cosθ(N) ・・・(式1)
開口部2aにかかる液体の圧力(水圧)は、液体の深さ1mに対して0.1気圧=10130N/m2であり、開口部2aの断面積はπ×(Rb/2)2(m2)であるので、図中下向きに力F2が生じる。この力F2は、式2と表せる。
F2=10130×h×π×(Rb/2)2(N) ・・・(式2)
垂れている液体の質量mは、最大でも開口径Rbの球であると考えると、4×π×(Rb/2)2/3(kg)となるので、図中下向きに重力mgが生じる。この重力mgは、式3と表せる。
mg(max)=9.8×π×(Rb)2/3(N) ・・・(式3)
そのため、図4(a)に示すように、F1>F2+mgの関係が成り立つ限り、液体が振動板2の開口部2aから漏れないことになる。具体的に、振動板2の開口部2aの開口径は、ファインバブル(100μm未満)~ウルトラファインバブル(1μm未満)として考えると、開口部2aの開口径Rbは1×10-7~1×10-5(m)の領域となる。力F1は、接触角が仮に20°とすると、2.15×10-7~2.15×10-5(N)の範囲となり、力F2は、液体の深さ(h)を仮に1mとしても、7.96×10-11~7.96×10-7(N)の範囲となる。重力mgは最大で1.02×10-20~1.02×10-14(N)の範囲となるので、ほぼ力F1と力F2の関係で液体が振動板2の開口部2aから漏れるか漏れないかが決まる。接触角が20°の場合、計算上、開口部2aの開口径が26μmまでであれば、F1>F2+mgの関係を満たすので液体が振動板2の開口部2aから漏れない。なお、開口部2aの開口径が26μmまでであるとする結果は、液体の深さ(h)が1mの場合であり、液体の深さ(h)が例えば0.1m(10cm)になれば開口部2aの開口径が100μmであっても液体が振動板2の開口部2aから漏れない。
First, let Rb (m) be the diameter of one opening 2a on the gas side of the diaphragm 2, h (m) be the depth of the liquid (assumed to be water in this case), θ (°) be the contact angle between the liquid at the gas-side opening 2a and the interface, and m (kg) be the weight of the liquid dripping from the opening 2a. The surface tension of the liquid (water) is γ = 0.728 N/m, so a force F1 is generated in the upward direction in the figure. This force F1 can be expressed by Equation 1.
F1=2π×(Rb/2)×γ×cosθ
=0.728π(Rb)cosθ(N)...(Formula 1)
The pressure of the liquid (water pressure) acting on the opening 2a is 0.1 atmospheres = 10130 N/ m2 for a liquid depth of 1 m, and the cross-sectional area of the opening 2a is π × (Rb/2) 2 ( m2 ), so a force F2 is generated in the downward direction in the figure. This force F2 can be expressed by Equation 2.
F2=10130×h×π×(Rb/2) 2 (N) (Formula 2)
If we consider the mass m of the dripping liquid to be a sphere with an opening diameter Rb at most, it will be 4×π×(Rb/2) 2 /3 (kg), so gravity mg acts downward in the figure. This gravity mg can be expressed as Equation 3.
mg (max) = 9.8 x π x (Rb) 2 /3 (N) ... (Formula 3)
4(a), as long as the relationship F1 > F2 + mg holds, the liquid will not leak from the opening 2a of the diaphragm 2. Specifically, assuming that the opening diameter of the opening 2a of the diaphragm 2 is fine bubbles (less than 100 μm) to ultra-fine bubbles (less than 1 μm), the opening diameter Rb of the opening 2a will be in the range of 1×10 −7 to 1×10 −5 (m). If the contact angle is assumed to be 20°, the force F1 will be in the range of 2.15×10 −7 to 2.15×10 −5 (N), and the force F2 will be in the range of 7.96×10 −11 to 7.96×10 −7 (N), even if the liquid depth (h) is assumed to be 1 m. Since the maximum gravity mg is in the range of 1.02×10 -20 to 1.02×10 -14 (N), whether or not the liquid leaks from the opening 2a of the diaphragm 2 is determined largely by the relationship between forces F1 and F2. When the contact angle is 20°, mathematically, if the opening diameter of the opening 2a is up to 26 μm, the relationship F1 > F2 + mg is satisfied, and therefore the liquid will not leak from the opening 2a of the diaphragm 2. Note that the result assuming that the opening diameter of the opening 2a is up to 26 μm is when the liquid depth (h) is 1 m; if the liquid depth (h) is, for example, 0.1 m (10 cm), the liquid will not leak from the opening 2a of the diaphragm 2 even if the opening diameter of the opening 2a is 100 μm.
ここで、接触角が0°の場合、式1~式3を用いて開口部2aの開口径Rbと、液体の深さh、および水の表面張力を1とした液体の表面張力比γaとの関係を求めると式4のように求めることができる。
Rb<28×10-6×(γa)/h ・・・(式4)
液体の深さhが1mで、液体が水(γa=1)であれば、開口部2aの開口径Rbは28μm未満と求まる。つまり、開口部2aの開口径Rbが28μm未満であれば、液体が振動板2の開口部2aから漏れることなく、空気を送るコンプレッサなど不要で液体に微細な気泡200を発生させることができる。
Here, when the contact angle is 0°, the relationship between the opening diameter Rb of the opening 2a, the depth h of the liquid, and the surface tension ratio γa of the liquid when the surface tension of water is 1 can be calculated using Equations 1 to 3, as shown in Equation 4.
Rb<28×10 −6 ×(γa)/h (Formula 4)
If the depth h of the liquid is 1 m and the liquid is water (γa = 1), the opening diameter Rb of the opening 2a is determined to be less than 28 μm. In other words, if the opening diameter Rb of the opening 2a is less than 28 μm, the liquid will not leak from the opening 2a of the diaphragm 2, and fine bubbles 200 can be generated in the liquid without the need for a compressor to send air.
また、接触角が仮に80°の場合であっても、式1~式3を用いて開口部2aの開口径Rbと、液体の深さh、および水の表面張力を1とした液体の表面張力比γaとの関係を求めると式5のように求めることができる。
Rb<5×10-6×(γa)/h ・・・(式5)
液体の深さhが1mで、液体が水(γa=1)であれば、開口部2aの開口径Rbは5μm未満と求まる。つまり、開口部2aの開口径Rbが5μm未満であれば、液体が振動板2の開口部2aから漏れることなく、空気を送るコンプレッサなど不要で液体に微細な気泡200を発生させることができる。
Furthermore, even if the contact angle is 80°, the relationship between the opening diameter Rb of the opening 2a, the depth h of the liquid, and the surface tension ratio γa of the liquid when the surface tension of water is 1 can be calculated using Equations 1 to 3, as shown in Equation 5.
Rb<5×10 −6 ×(γa)/h (Formula 5)
If the depth h of the liquid is 1 m and the liquid is water (γa = 1), the opening diameter Rb of the opening 2a is determined to be less than 5 μm. In other words, if the opening diameter Rb of the opening 2a is less than 5 μm, the liquid will not leak from the opening 2a of the diaphragm 2, and fine bubbles 200 can be generated in the liquid without the need for a compressor to send air.
振動板2は、上述したように板厚が厚く屈曲しにくいものがより適している。また、開口部2aの開口径Rbは発生させる微細な気泡200のサイズに関係しており、液体中で長くとどまる、いわゆる100μm以下のサイズのマイクロバブルを作成するためには20μm以下の開口径が好ましい。一方、開口部2aの微細化と加工の限界は、開口径Rbと振動板2の板厚とのアスペクト比に関係しており、アスペクト比が10を超える加工は飛躍的に製造コストが高くなる。よって、微細な開口径Rbを形成することが振動板2の板厚を厚くすることの制約となる。なお、開口部2aの断面形状をテーパ形状とすることで、振動板2の板厚を厚くすることの制約が緩和される。しかし、開口部2aの断面形状をテーパ形状とすることで、開口径Raによる開口部2aのピッチ間隔が製造する際の新たな制約となる。As mentioned above, a diaphragm 2 with a thick plate thickness and low bending resistance is more suitable. Furthermore, the opening diameter Rb of the openings 2a is related to the size of the microscopic bubbles 200 to be generated. To create microbubbles of 100 μm or less that remain in the liquid for a long time, an opening diameter of 20 μm or less is preferable. Meanwhile, the limits of miniaturization and processing of the openings 2a are related to the aspect ratio between the opening diameter Rb and the thickness of the diaphragm 2. Processing with an aspect ratio exceeding 10 dramatically increases manufacturing costs. Therefore, forming a fine opening diameter Rb restricts the thickness of the diaphragm 2. Furthermore, tapering the cross-sectional shape of the openings 2a alleviates the restriction on increasing the thickness of the diaphragm 2. However, tapering the cross-sectional shape of the openings 2a imposes a new manufacturing constraint on the pitch of the openings 2a, which is determined by the opening diameter Ra.
振動板2は、製造を考えると金属製が簡便であるが、通常のエッチング技術では板厚と同じ程度の開口径しか形成できないため、特殊なメッキ技術を使って形成する必要がある。それでも開口径Rbと振動板2の板厚とのアスペクト比は10程度に制限されるため、開口径Rbを10μmとするなら振動板2の板厚は最大でも100μmの厚みに制約される。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いることで、開口部2aの断面形状をテーパ形状とする以外に、表裏から違った開口径の孔を形成して開口部を加工することが可能となる。その他、振動板2の材料にセラミックやガラスを用いるのであれば、サンドブラスト技術やレーザー加工技術を援用して非対称な孔加工が可能となる。開口部2aの開口径Rbは、1μm~20μm程度が好ましい。 Considering manufacturing ease, diaphragm 2 is made of metal. However, because standard etching techniques can only create an opening diameter approximately equal to the plate thickness, special plating techniques are required. Even so, the aspect ratio of opening diameter Rb to the plate thickness of diaphragm 2 is limited to approximately 10. Therefore, if opening diameter Rb is 10 μm, the plate thickness of diaphragm 2 is limited to a maximum of 100 μm. By using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, it is possible to process the opening 2a by not only tapering the cross-sectional shape, but also by forming holes with different opening diameters on the front and back. Furthermore, if ceramic or glass is used as the material for diaphragm 2, asymmetrical hole processing is possible using sandblasting or laser processing techniques. The opening diameter Rb of opening 2a is preferably approximately 1 μm to 20 μm.
気泡発生装置1では、振動板2によるポンプ効果を実現したことで空気を送るコンプレッサなどが不要となるメリットのほかに、発生させる微細な気泡200の気体量を振動板2の駆動量で制御できるメリットも有している。特にコンプレッサを用いた場合、振動板2に印加する気圧が高いと開口部2aから入った気体が振動板2で剥離破壊されずに大きな気泡として出力され、他の微細な気泡を吸収してしまう場合があった。気泡発生装置1では、ポンプ効果により過剰に気体が液体中に供給されることが生じないため、コンプレッサなどを制御する複雑な制御が不要となるメリットも有している。 In addition to the benefit of eliminating the need for a compressor or other device to send air by realizing the pumping effect of the vibration plate 2, the bubble generator 1 also has the benefit of being able to control the amount of gas in the fine bubbles 200 generated by the drive amount of the vibration plate 2. In particular, when a compressor is used, if the air pressure applied to the vibration plate 2 is high, the gas that enters through the opening 2a may not be separated and destroyed by the vibration plate 2, but may instead be output as large bubbles, absorbing other fine bubbles. The bubble generator 1 also has the benefit of eliminating the need for complex controls for a compressor or other device, because the pumping effect prevents excessive gas from being supplied to the liquid.
以上のように、実施の形態に係る気泡発生装置1は、液体槽10に取り付けられ、液体槽10の液体中に微細な気泡を発生させる。気泡発生装置1は、複数の開口部2aが形成され、第1の面が液体槽10の液体と接し、第2の面が気体と接する振動板2と、振動板2を支持する振動体3と、振動体3に設けられ、振動板2を振動させる圧電素子4と、を備える。振動板2に形成された複数の開口部2aのそれぞれの形状は、液体側の開口径Raが気体側の開口径Rbに比べて大きい。As described above, the bubble generator 1 according to the embodiment is attached to a liquid tank 10 and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank 10. The bubble generator 1 comprises a vibration plate 2 having a plurality of openings 2a formed therein, a first surface in contact with the liquid in the liquid tank 10, and a second surface in contact with the gas, a vibrating body 3 that supports the vibration plate 2, and a piezoelectric element 4 that is provided on the vibrating body 3 and vibrates the vibration plate 2. The shape of each of the plurality of openings 2a formed in the vibration plate 2 is such that the opening diameter Ra on the liquid side is larger than the opening diameter Rb on the gas side.
これにより、気泡発生装置1では、振動板2に形成された複数の開口部2aのそれぞれの形状は、液体側の開口径Raが気体側の開口径Rbに比べて大きいので自然吸気で液体に微細な気泡を発生させることができ、気体を強制的に供給するコンプレッサなどが不要となるために装置の小型化、低コスト化が可能となる。 As a result, in the bubble generating device 1, the shape of each of the multiple openings 2a formed in the vibration plate 2 is such that the opening diameter Ra on the liquid side is larger than the opening diameter Rb on the gas side, so fine bubbles can be generated in the liquid by natural aspiration, and since there is no need for a compressor or the like to forcibly supply gas, the device can be made smaller and less expensive.
気泡発生システム100は、気泡発生装置1と、液体槽10と、を備える。これにより、気泡発生システムの小型化、低コスト化が可能である。 The bubble generation system 100 comprises a bubble generation device 1 and a liquid tank 10. This allows the bubble generation system to be made smaller and less expensive.
(変形例1)
図2に示す気泡発生装置1では、振動体3がランジュバン型振動子であると説明したが、これに限られず振動板2を上下に振動させるピストン振動をする振動体であれば、何れの構造であってもよい。図5は、変形例1に係る気泡発生装置1Aの断面図である。なお、図5に示す気泡発生装置1Aのうち、図2に示す気泡発生装置1と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。また、図5に示す気泡発生装置1Aでは、振動板2の図示を省略している。
(Variation 1)
In the bubble generator 1 shown in Fig. 2, the vibrating body 3 is described as a Langevin vibrator, but the vibrating body is not limited to this and may have any structure as long as it is a vibrating body that performs piston vibration to vibrate the diaphragm 2 up and down. Fig. 5 is a cross-sectional view of a bubble generator 1A according to Modification 1. Note that, in the bubble generator 1A shown in Fig. 5, the same components as those in the bubble generator 1 shown in Fig. 2 are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will not be repeated. Furthermore, the diaphragm 2 is not shown in the bubble generator 1A shown in Fig. 5.
気泡発生装置1Aでは、振動体3Aを介して圧電素子4で振動板2を振動させている。図5に示す振動体3Aは、ヘッド部31、バネ部32c、筒状体33a、つば部34aを含んでいる。In the bubble generating device 1A, the vibration plate 2 is vibrated by a piezoelectric element 4 via a vibrating body 3A. The vibrating body 3A shown in Figure 5 includes a head portion 31, a spring portion 32c, a cylindrical body 33a, and a flange portion 34a.
バネ部32cは、ヘッド部31を支持する位置の外側にある位置において筒状体33aにより支持されている。筒状体33aは、円筒状の形状である。筒状体33aは、一方の端によりバネ部32cを支持する。筒状体33aは、バネ部32c側とは反対側の端部がつば部34aに支持されている。つば部34aは、板状の部材であり、円筒状の筒状体33aの底面を支持し、筒状体33aを支持した位置から外側に向かって延伸している。 The spring portion 32c is supported by the tubular body 33a at a position outside the position where it supports the head portion 31. The tubular body 33a is cylindrical in shape. One end of the tubular body 33a supports the spring portion 32c. The end of the tubular body 33a opposite the spring portion 32c side is supported by the flange portion 34a. The flange portion 34a is a plate-shaped member that supports the bottom surface of the cylindrical tubular body 33a and extends outward from the position where it supports the tubular body 33a.
つば部34aの下面には、つば部34aの形状に合わせて中空円状の圧電素子4が設けられている。圧電素子4は、筒状体33aの貫通方向(図中、上下方向)に振動する。圧電素子4が筒状体33aの貫通方向に振動することにより、バネ部32cを筒状体33aの貫通方向に振動させてヘッド部31が略均一に上下方向に変位させる。なお、圧電素子4は、つば部34aの上面に設けてもよい。 A hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the underside of the flange 34a to match the shape of the flange 34a. The piezoelectric element 4 vibrates in the direction of penetration of the cylindrical body 33a (up and down in the figure). When the piezoelectric element 4 vibrates in the direction of penetration of the cylindrical body 33a, the spring portion 32c vibrates in the direction of penetration of the cylindrical body 33a, causing the head portion 31 to displace approximately uniformly in the up and down direction. The piezoelectric element 4 may also be provided on the upper surface of the flange 34a.
筒状体33aの内側とヘッド部31に設けた貫通孔35とは繋がっており、筒状体33aの内側および貫通孔35が振動板2へ気体を導入する導入部となっている。筒状体33aの外側には、フランジ36が設けられており、当該フランジ36で気泡発生装置1Aが液体槽10に固定されている。当該フランジ36が形成された筒状体33aの側面は振動のノードとなっており、圧電素子4の振動を液体槽10に伝えることなく、液体側と気体側とを当該フランジ36と接合する支持部材で分離することができる。 The inside of the cylindrical body 33a is connected to the through-hole 35 provided in the head portion 31, and the inside of the cylindrical body 33a and the through-hole 35 serve as the introduction portion for introducing gas into the vibration plate 2. A flange 36 is provided on the outside of the cylindrical body 33a, and this flange 36 secures the bubble generation device 1A to the liquid tank 10. The side of the cylindrical body 33a on which this flange 36 is formed serves as a vibration node, and the liquid side and gas side can be separated by a support member joined to the flange 36 without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10.
(変形例2)
図6は、変形例2に係る気泡発生装置1Bの断面図である。なお、図6に示す気泡発生装置1Bのうち、図2に示す気泡発生装置1と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。また、図6に示す気泡発生装置1Bでは、振動板2の図示を省略している。
(Variation 2)
Fig. 6 is a cross-sectional view of a bubble generation device 1B according to Modification 2. In the bubble generation device 1B shown in Fig. 6, the same components as those in the bubble generation device 1 shown in Fig. 2 are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will not be repeated. In addition, in the bubble generation device 1B shown in Fig. 6, the diaphragm 2 is not shown.
気泡発生装置1Bでは、振動体3Bを介して圧電素子4で振動板2を振動させている。図6に示す振動体3Bは、ヘッド部31、バネ部32d、筒状体33b、錘部34bを含んでいる。In the bubble generating device 1B, the vibration plate 2 is vibrated by the piezoelectric element 4 via the vibrating body 3B. The vibrating body 3B shown in Figure 6 includes a head portion 31, a spring portion 32d, a cylindrical body 33b, and a weight portion 34b.
バネ部32dは、ヘッド部31を支持する位置の外側にある位置において筒状体33bにより支持されている。筒状体33bは、円筒状の形状である。筒状体33bは、一方の端によりバネ部32dを支持する。筒状体33bは、バネ部32d側とは反対側の端部の外側に錘部34bを有している。なお、筒状体33bおよび錘部34bは、圧電素子4によりバネ部32dを振動させた場合に筒状体33bの側面の変位量が所定の範囲内となる位置に設けてある。 The spring portion 32d is supported by the tubular body 33b at a position outside the position that supports the head portion 31. The tubular body 33b is cylindrical in shape. The tubular body 33b supports the spring portion 32d at one end. The tubular body 33b has a weight portion 34b on the outside of the end opposite the spring portion 32d side. The tubular body 33b and the weight portion 34b are positioned so that the amount of displacement of the side surface of the tubular body 33b is within a predetermined range when the spring portion 32d is vibrated by the piezoelectric element 4.
バネ部32dの下面には、バネ部32dの形状に合わせて中空円状の圧電素子4が設けられている。圧電素子4は、ヘッド部31に設けた貫通孔35の貫通方向(図中、上下方向)に振動する。圧電素子4が貫通孔35の貫通方向に振動することにより、バネ部32dを貫通孔35の貫通方向に振動させてヘッド部31を略均一に上下方向に変位させている。 A hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the underside of the spring portion 32d to match the shape of the spring portion 32d. The piezoelectric element 4 vibrates in the direction of penetration of the through-hole 35 provided in the head portion 31 (up and down in the figure). When the piezoelectric element 4 vibrates in the direction of penetration of the through-hole 35, the spring portion 32d vibrates in the direction of penetration of the through-hole 35, causing the head portion 31 to be displaced in a substantially uniform vertical direction.
筒状体33bの内側と圧電素子4に設けた孔とヘッド部31に設けた貫通孔35とは繋がっており、筒状体33bの内側から貫通孔35を経て振動板2へ気体を導入する導入部となっている。筒状体33bの外側には、図示していないがフランジが設けられており、当該フランジで気泡発生装置1Bが液体槽10に固定されている。当該フランジか形成された筒状体33bの側面は振動のノードとなっており、圧電素子4の振動を液体槽10に伝えることなく、液体側と気体側とを当該フランジと接合する支持部材で分離することができる。 The inside of the cylindrical body 33b, the hole in the piezoelectric element 4, and the through-hole 35 in the head portion 31 are connected, forming an inlet portion that introduces gas from the inside of the cylindrical body 33b through the through-hole 35 to the vibration plate 2. A flange (not shown) is provided on the outside of the cylindrical body 33b, and this flange secures the bubble generator 1B to the liquid tank 10. The side of the cylindrical body 33b on which this flange is formed acts as a vibration node, and the liquid side and gas side can be separated by a support member joined to the flange without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10.
気泡発生装置1Bを液体槽10に固定した気泡発生システムについて説明する。図7は、気泡発生装置の取り付け位置を説明するための気泡発生システムの概略図である。図8は、気泡発生装置の別の取り付け位置を説明するための気泡発生システムの概略図である。なお、図7および図8に示す気泡発生システムのうち、図1に示す気泡発生システム100と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。 We will now describe a bubble generation system in which a bubble generator 1B is fixed to a liquid tank 10. Figure 7 is a schematic diagram of the bubble generation system to explain the installation position of the bubble generator. Figure 8 is a schematic diagram of the bubble generation system to explain another installation position of the bubble generator. Note that, of the bubble generation systems shown in Figures 7 and 8, the same components as those in the bubble generation system 100 shown in Figure 1 are designated by the same reference numerals and will not be described in detail again.
図7(a)に示す気泡発生システム100Aは、気泡発生装置1Bが、少なくとも振動板2を支持する振動体3Bの一部が液体槽10の液体に浸かるように液体槽10の底面に固定されている。図7(b)に示す気泡発生システム100Bは、気泡発生装置1Bが、少なくとも振動板2を支持する振動体3Bの一部が液体槽10の液体に浸かるように液体槽10の側面に固定されている。 In the bubble generation system 100A shown in Figure 7(a), the bubble generation device 1B is fixed to the bottom surface of the liquid tank 10 so that at least a portion of the vibrating body 3B supporting the vibrating plate 2 is immersed in the liquid in the liquid tank 10. In the bubble generation system 100B shown in Figure 7(b), the bubble generation device 1B is fixed to the side of the liquid tank 10 so that at least a portion of the vibrating body 3B supporting the vibrating plate 2 is immersed in the liquid in the liquid tank 10.
図8に示す気泡発生システム100Cは、気泡発生装置1Bの取り付け位置が液体槽10の液面より上側で、気泡発生装置1Bが少なくとも振動板2を支持する振動体3Bの一部が液体槽10の液体に浸かるように液体槽10の底面に向かって固定されている。 In the bubble generation system 100C shown in Figure 8, the bubble generation device 1B is attached above the liquid surface of the liquid tank 10, and is fixed toward the bottom of the liquid tank 10 so that at least a portion of the vibrating body 3B supporting the vibrating plate 2 is immersed in the liquid in the liquid tank 10.
液体槽10に対する気泡発生装置1Bの取り付け位置について、図7および図8で説明したが、気泡発生装置1および気泡発生装置1Aについても液体槽10に対して同様の位置に取り付けることができる。なお、気泡発生装置1Aおよび気泡発生装置1Bでは、ランジュバン型振動子の振動体3を採用する気泡発生装置1に比べると、液体に沈む振動体3A,3Bの部分が少ないため液体槽10の底面に取り付けやすく、液体槽10の面を選ばずに取り付けられる。 The mounting position of bubble generator 1B relative to the liquid tank 10 has been explained in Figures 7 and 8, but bubble generator 1 and bubble generator 1A can also be mounted in a similar position relative to the liquid tank 10. Compared to bubble generator 1, which uses a Langevin-type vibrator vibrator 3, bubble generator 1A and bubble generator 1B have a smaller portion of the vibrating bodies 3A and 3B submerged in the liquid, making them easier to mount on the bottom of the liquid tank 10 and allowing them to be mounted on any surface of the liquid tank 10.
(態様)
(1)本開示の気泡発生装置は、液体槽に取り付けられ、液体槽の液体中に微細な気泡を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、第1の面が液体槽の液体と接し、第2の面が気体と接する振動板と、振動板を支持する振動体と、振動体に設けられ、振動板を振動させる圧電素子と、を備え、振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第1の面側の開口径が第2の面側の開口径に比べて大きい。
(Aspect)
(1) The bubble generating device of the present disclosure is attached to a liquid tank and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank. The bubble generating device comprises a vibration plate having a plurality of openings formed therein, a first surface in contact with the liquid in the liquid tank and a second surface in contact with the gas, a vibrating body supporting the vibration plate, and a piezoelectric element provided on the vibrating body to vibrate the vibration plate. The shape of each of the plurality of openings formed in the vibration plate is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side.
本開示の気泡発生装置によれば、振動板に形成された複数の開口部のそれぞれの形状は、第1の面側の開口径が第2の面側の開口径に比べて大きいので自然吸気で液体に微細な気泡を発生させることができ、気体を強制的に供給する供給部が不要となるために装置の小型化、低コスト化が可能となる。 According to the bubble generating device disclosed herein, the shape of each of the multiple openings formed in the vibration plate is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side, allowing for the generation of fine bubbles in the liquid by natural aspiration, and eliminating the need for a supply unit that forcibly supplies gas, making it possible to reduce the size and cost of the device.
(2)(1)に記載の気泡発生装置であって、複数の開口部のそれぞれの断面形状は、テーパ形状である。これにより、気泡発生装置は、自然吸気で液体に微細な気泡を発生させやすくなる。(2) In the bubble generator described in (1), the cross-sectional shape of each of the multiple openings is tapered. This makes it easier for the bubble generator to generate fine bubbles in the liquid by natural aspiration.
(3)(1)または(2)に記載の気泡発生装置であって、第1の面側の開口径をRbとし、振動板から液体槽の液面までの距離をhとし、水の表面張力を1とした液体の表面張力比をγaとした場合、Rb<28×10-6×(γa)/hの関係を満たす。これにより、気泡発生装置は、液体が振動板の開口部から漏れない。 (3) The bubble generator according to (1) or (2), wherein the relationship Rb<28×10 −6 × (γa )/h is satisfied, where Rb is the opening diameter on the first surface side, h is the distance from the vibration plate to the liquid surface of the liquid tank, and γa is the surface tension ratio of the liquid when the surface tension of water is 1. As a result, the bubble generator does not allow the liquid to leak from the opening of the vibration plate.
(4)(1)または(2)に記載の気泡発生装置であって、第1の面側の開口径をRbとし、振動板から液体槽の液面までの距離をhとし、水の表面張力を1とした液体の表面張力比をγaとした場合、Rb<5×10-6×(γa)/hの関係を満たす。これにより、気泡発生装置は、液体が振動板の開口部から漏れない。 (4) The bubble generator according to (1) or (2), wherein the relationship Rb<5×10 −6 × (γa )/h is satisfied, where Rb is the opening diameter on the first surface side, h is the distance from the vibration plate to the liquid surface of the liquid tank, and γa is the surface tension ratio of the liquid when the surface tension of water is 1. As a result, the bubble generator does not allow the liquid to leak from the opening of the vibration plate.
(5)(1)~(4)のいずれか1項に記載の気泡発生装置であって、振動体は、ランジュバン型振動子で構成されている。これにより、気泡発生装置は、振動板を上下に振動させるピストン振動をさせやすい。(5) In the bubble generator described in any one of (1) to (4), the vibrator is configured as a Langevin vibrator. This makes it easier for the bubble generator to generate piston vibrations that vibrate the diaphragm up and down.
(6)(1)~(4)のいずれか1項に記載の気泡発生装置であって、振動体は、振動板を支持するヘッド部と、ヘッド部を支持する板状のバネ部と、ヘッド部を支持する位置より外側にある位置においてバネ部の一方の端を支持する筒状体と、筒状体の端部に設けられ、筒状体の位置より外側に伸びる板状のつば部と、を含み、圧電素子は、つば部の筒状体側の第1面または第1面の反対側の第2面に設けられている。これにより、気泡発生装置は、振動板を上下に振動させるピストン振動をさせやすい。 (6) A bubble generator according to any one of (1) to (4), wherein the vibrator includes a head portion supporting the vibration plate, a plate-shaped spring portion supporting the head portion, a cylindrical body supporting one end of the spring portion at a position outside the position supporting the head portion, and a plate-shaped flange portion provided at the end of the cylindrical body and extending outward from the position of the cylindrical body, and the piezoelectric element is provided on a first surface of the flange portion facing the cylindrical body or on a second surface opposite the first surface. This makes it easier for the bubble generator to produce piston-like vibrations that vibrate the vibration plate up and down.
(7)(1)~(4)のいずれか1項に記載の気泡発生装置であって、振動体は、振動板を支持するヘッド部と、ヘッド部を支持する板状のバネ部と、ヘッド部を支持する位置より外側にある位置においてバネ部の一方の端を支持する筒状体と、筒状体の端部に設けられる錘部と、を含み、圧電素子は、筒状体により支持されるバネ部の面に設けられている。これにより、気泡発生装置は、振動板を上下に振動させるピストン振動をさせやすい。 (7) A bubble generator according to any one of (1) to (4), wherein the vibrator includes a head portion supporting the vibration plate, a plate-shaped spring portion supporting the head portion, a cylindrical body supporting one end of the spring portion at a position outside the position supporting the head portion, and a weight portion provided at the end of the cylindrical body, and the piezoelectric element is provided on the surface of the spring portion supported by the cylindrical body. This makes it easier for the bubble generator to produce piston-like vibrations that vibrate the vibration plate up and down.
(8)本開示の気泡発生システムは、(1)~(7)のいずれか1項に記載の気泡発生装置と、液体槽と、を備える。これにより、気泡発生システムは、装置の小型化、低コスト化が可能である。(8) The bubble generation system of the present disclosure comprises the bubble generation device described in any one of (1) to (7) and a liquid tank. This allows the bubble generation system to be made smaller and less expensive.
(9)(8)に記載の気泡発生システムであって、気泡発生装置は、少なくとも振動板を支持する振動体の一部が液体槽の液体に浸かるように液体槽の底面または側面に固定されている。これにより、気泡発生システムは、液体槽の底面または側面から液体中に微細な気泡を発生させることができる。(9) In the bubble generation system described in (8), the bubble generator is fixed to the bottom or side of the liquid tank so that at least a portion of the vibrator supporting the vibration plate is immersed in the liquid in the liquid tank. This allows the bubble generation system to generate fine bubbles in the liquid from the bottom or side of the liquid tank.
(10)(8)に記載の気泡発生システムであって、気泡発生装置は、取り付け位置が液体槽の液面より上側で、少なくとも振動板を支持する振動体の一部が液体槽の液体に浸かるように液体槽の底面に向かって固定されている。これにより、気泡発生システムは、液体槽の上面から液体中に微細な気泡を発生させることができる。(10) In the bubble generation system described in (8), the bubble generator is attached above the liquid surface of the liquid tank and is fixed toward the bottom of the liquid tank so that at least a portion of the vibrator supporting the vibration plate is immersed in the liquid in the liquid tank. This allows the bubble generation system to generate fine bubbles in the liquid from the top surface of the liquid tank.
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。本開示の範囲は、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。The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present disclosure is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1,1A,1B 気泡発生装置、2 振動板、2a 開口部、3,3A,3B 振動体、4,41,42 圧電素子、5 保持フランジ、10 液体槽、20 コントローラ、31 ヘッド部、32,33a,33b 筒状体、32a 上側金属リング、32b 下側金属リング、32c,32d バネ部、34 締め付け用ボルト、34a つば部、34b 錘部、35 貫通孔、36 フランジ、43,44 端子、100,100A~100C 気泡発生システム、200 気泡。1, 1A, 1B Bubble generating device, 2 Vibration plate, 2a Opening, 3, 3A, 3B Vibrating body, 4, 41, 42 Piezoelectric element, 5 Holding flange, 10 Liquid tank, 20 Controller, 31 Head portion, 32, 33a, 33b Cylindrical body, 32a Upper metal ring, 32b Lower metal ring, 32c, 32d Spring portion, 34 Fastening bolt, 34a Collar portion, 34b Weight portion, 35 Through hole, 36 Flange, 43, 44 Terminal, 100, 100A to 100C Bubble generating system, 200 Bubbles.
Claims (5)
複数の開口部が形成され、第1の面が前記液体槽の液体と接し、第2の面が気体と接する振動板と、
前記振動板を支持する振動体と、
前記振動体に設けられ、前記振動板を振動させる圧電素子と、を備え、
前記振動板に形成された前記複数の開口部のそれぞれの形状は、前記第1の面側の開口径が前記第2の面側の開口径に比べて大きく、
前記振動体は、
前記振動板を支持するヘッド部と、
前記ヘッド部を支持する板状のバネ部と、
前記ヘッド部を支持する位置より外側にある位置において前記バネ部の一方の端を支持する筒状体と、
前記筒状体の端部に設けられる錘部と、を含み、
前記圧電素子は、前記筒状体により支持される前記バネ部の面に設けられている、気泡発生装置。 A bubble generating device attached to a liquid tank to generate fine bubbles in the liquid in the liquid tank,
a vibration plate having a plurality of openings formed therein, a first surface of which contacts the liquid in the liquid tank, and a second surface of which contacts the gas;
a vibrating body supporting the diaphragm;
a piezoelectric element provided on the vibrating body to vibrate the diaphragm,
The shape of each of the plurality of openings formed in the diaphragm is such that the opening diameter on the first surface side is larger than the opening diameter on the second surface side,
The vibrating body is
a head portion supporting the diaphragm;
a plate-shaped spring portion that supports the head portion;
a cylindrical body that supports one end of the spring portion at a position outside a position that supports the head portion;
a weight portion provided at an end of the cylindrical body,
The piezoelectric element is provided on a surface of the spring portion supported by the cylindrical body .
前記液体槽と、を備える、気泡発生システム。 The bubble generating device according to claim 1 or 2 ;
a liquid tank.
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