マイクロバブル及びマイクロミスト発生装置
【課題】 気液溶解装置やポンプ等他の装置を用いることなく、簡単な構造によって、小径且つ気泡径の分布が整った多量のマイクロバブル及びマイクロミストを発生でき、且つ広範囲に拡散できる装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体間の最も近接する部分に気体又は液体吸入孔を設け、流路に生じる負圧を利用して前記気体又は液体吸入孔から気体又は液体を吸入し、マイクロバブル又はマイクロミストを発生させる。
【解決手段】 多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体間の最も近接する部分に気体又は液体吸入孔を設け、流路に生じる負圧を利用して前記気体又は液体吸入孔から気体又は液体を吸入し、マイクロバブル又はマイクロミストを発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小径のマイクロバブル及びマイクロミストを効率的かつ大量に発生させるマイクロバブル及びマイクロミスト発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒径約６０μｍ以下の微細気泡がマイクロバブルと呼ばれているが、特に１０数μｍ以下のマイクロバブルが生理活性作用効果を有することが解明されている。１０数μｍ以下のマイクロバブルは液体中に容易に溶解、分散し、生物への生理活性作用を示す。マイクロバブルの粒径は小さいほど、生理活性作用が向上する。マイクロバブルはただの気泡であるため自然にやさしく、水質浄化や水産養殖の分野をはじめ多くの分野での利用が期待されており、様々なマイクロバブル発生装置の開発が行われている。
【０００３】
特許文献１のマイクロバブル発生装置では、パイプ内にプレートを設置し、流れる水の流速変化を起こしてパイプ内に負圧を作り、気体供給管からパイプ内に気体を自吸し、気体の混入した液体をパイプ内でプレートに衝突させることでせん断作用を利用して気体塊を粉砕し、パイプに形成した開口および／またはプレート後方の流路からマイクロバブルを発生させている。
【０００４】
特許文献２では複数の交差流路を用いて何ら方向切換用装置を用いることなく、一定周期毎に複数条の流体の噴出方向を同調させて一斉に流れの方向が切り換わり、交差流れを生じる装置が開示されている（以下、この様な流体の交差流れをフリップフロップ流という）。
【特許文献１】特開２００５−３３４８６９号公報
【特許文献２】特許２８４１１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１０は、特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置によって、発生したマイクロバブルの粒径分布図である。特許文献１のマイクロバブル発生装置では、図１０から明らかなようにピーク値が４０〜６０μｍの気泡を多く発生しており、生理活性に有用な１０数μｍ以下のマイクロバブルをほとんど発生していないという問題がある。
【０００６】
また、気体の吸引、及びせん断をするために、強力な水圧を生み出せるポンプが必要であり、装置が複雑になるという課題を有する。
【０００７】
更に、一定方向にしかマイクロバブルを発生しないため、拡散効果が小さいという課題を有する。
【０００８】
特許文献２の装置は流体噴出方向の自励振動装置であり、自励振動により流れが一定周期毎に切り換わることが記載されているのみで、マイクロバブルの発生について何等記載がない。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、気液溶解装置やポンプ等他の装置を用いることなく、フリップフロップ流を用いて、１０数μｍ以下の気泡のマイクロバブルを多量に発生できるとともに、マイクロバブルを広範囲に拡散できる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に気体吸入孔を設け、前記気体吸入孔から気体を吸入してマイクロバブルを発生させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は前記気体吸入孔がフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明は前記各分流壁体に前記気体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明は前記気体吸入孔が前記分流壁体に複数個並べて設けられていることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明は前記気体吸入孔の径が０．１ｍｍから１ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明は発生する気泡数の５０％以上が粒径１３μｍ以下のマイクロバブルであることを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明は前記分流壁体がひし形角柱であることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明は前記一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角がほぼ３０度であることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明のマイクロミスト発生装置は、多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に液体吸入孔を設け、前記液体吸入孔から液体を吸入して液滴を発生させることを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明は前記液体吸入孔がフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
更に、本発明は前記各分流壁体に前記液体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のマイクロバブル発生装置によれば、粒径が１３μｍ以下のマイクロバブルを多量に発生させることができる。その理由は、流路内に生じるラム効果により気体を自然吸気するため、気体が急激に流路内に入り込まず、徐々に引き出される形で吸引されるためである。また、気体吸入孔のエッジ部分に引っかかるようにせん断されるためである。更に、各気体吸入孔付近の流速がほぼ一定に流れる液体によって、吸引された気体が小さく一定にせん断されるためである。
【００２２】
また、フリップフロップ流によって生じるラム効果により、気体を自然吸気してマイクロバブルを発生するため、ポンプや気液溶解装置等が不要であり、簡便な装置を実現できる。
【００２３】
更に、上述の理由により、直接的にマイクロバブル発生させるための電力等を必要としないため、エネルギー効率が高いという利点を有する。
【００２４】
更に、各分流壁体に複数個の気体吸入孔を設けることができ、多量の気体を吸入することができるため、多量のマイクロバブルを発生させることが可能である。
【００２５】
更に、本発明のマイクロバブル発生装置によると、フリップフロップ流により自動的にマイクロバブルの排出方向が周期的に切換るため、別途拡散装置を用いることなく、マイクロバブルを広範囲に拡散できる利点を有する。
【００２６】
本発明のマイクロミスト発生装置によれば、粒径の小さなマイクロミストを多量に発生及び拡散することが可能である。その理由は、流路内に生じるラム効果により液体を自然吸気するため、液体が急激に流路内に入り込まず、徐々に引き出される形で吸引されるためである。また、液体吸入孔のエッジ部分に引っかかるようにせん断されるためである。更に、各液体吸入孔付近の流速がほぼ一定に流れる気体によって、吸引された液体が小さく一定にせん断されるためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は本発明によるマイクロバブル発生装置の概略を示す斜視図である。図２は合流・分流分岐流路断面を示す斜視図である。図３はネットワーク流路内でのラム効果の発生場所を示す上面図である。図４は合流・分流分岐流路断面での水頭圧測定図である。図５は上流から３列目及び５列目の分流壁体後方での液体の平均流速を示す流速分布図である。図６は複数の気体吸入孔を設けた分流壁体の斜視図である。図７は排出部でのマイクロバブルの排出方向の切換を示す写真である。図８はネットワーク流路交差角が３０度でのフリップフロップ流を示す上面図である。図９は本装置によって発生したマイクロバブルの粒径分布図である。
【００２８】
図１で本発明によるマイクロバブル発生装置の概略を説明する。
【００２９】
本発明のマイクロバブル発生装置は、多数の分流壁体１２と、多数の分流壁体１２を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路が同一平面上で交差したネットワーク流路１１と、流入部１３と、排出部１４とから構成される。
【００３０】
２７個の分流壁体１２が千鳥状に配置されており、流入部１３から排出部１４にかけて６列設けられている。各分流壁体１２には、対向して隣接する分流壁体１２間の最も近接する部分に気体吸入孔２１が設けられている。各分流壁体１２は両側面に各１個ずつ気体吸入孔２１を有しており、装置全体として５４個の気体吸入孔２１が設けられている。流入部１３から６列目の分流壁体１２の後部は、液体及びマイクロバブルの排出を妨げないよう切除されている。
【００３１】
流入部１３から入った液体はネットワーク流路１１内に入り、分流壁体１２により分流・合流を繰り返し排出部１４から排出される。一定の流速を越えるとフリップフロップ流が生じるとともに、気体吸入孔２１から流路内に気体が吸引・せん断され、排出部１４からマイクロバブルが液体とともに、周期的に排出方向が切り換わりつつ排出される。
【００３２】
フリップフロップ流について説明する。ネットワーク流路１１内での流体の流れにより、分流壁体１２後方側面で剥離渦が生じる。一方の後方側面で剥離渦が生じると、圧力変化を生じ、他方の後方側面でも剥離渦が生じる。分流壁体１２の両後方側面では交互に剥離渦が生じ、交互に剥離渦が後方へ流れていくカルマン渦列振動が生じる。ネットワーク流路１１は交差しているため、剥離渦は交互に交差しつつ流れていく。ネットワーク流路１１の交差角が２０〜６０度のとき、上流と下流のカルマン渦列振動が同調し、フリップフロップ流と呼ばれる交差流れが生じるものと推測される。
【００３３】
流入部１３と排出部１４の間に、分流壁体１２を４列以上設けることが好ましい。分流壁体１２が２列ではフリップフロップ流が発現せず、左右へのいずれかの方向に流脈が片寄ったままの流れになる。３列以上になると流脈のフリップフロップ流が現れる場合もあるが不安定であり、４列以上ではフリップフロップ流が明確に現れる。
【００３４】
また、各列の分流壁体２１の先端部が流入部１３及び排出部１４と平行して直線状に整列するように配置されていることが好ましい。フリップフロップ流の発現が安定する。
【００３５】
次に、図２〜図５に基づいて本発明によるマイクロバブルの発生について説明する。
【００３６】
図２は合流・分流分岐流路断面３１（対向して隣接する分流壁体１２間が最も近接する箇所である合流と分流の分岐流路断面）を示す斜視図である。図１に示す装置内の対向する分流壁体一組を拡大したものである。気体吸入孔２１は、分流壁体１２の合流・分流分岐流路断面３１に接する箇所に設けられている。
【００３７】
なお、合流・分流分岐流路断面３１は正方形であることが好ましい。合流・分流分岐流路断面３１が正方形の場合には安定してフリップフロップ流が生じるが、長方形のような縦横比が大きい場合にはフリップフロップ流の発現が不安定となる。
【００３８】
図３は、図２に示す対向する一組の分流壁体１２間に生じるラム効果発現箇所を上方から示している。合流・分流分岐流路断面３１の分流壁体付近には、負圧を発生させるラム効果が発現し、そこではネットワーク流路１１内で最も流速が大きく、且つ、最も圧力が小さくなる。気体吸入孔２１はラム効果が発現する箇所に近接している。
【００３９】
図４で合流・分流分岐流路断面３１におけるラム効果による圧力変化ついて説明する。合流・分流分岐流路断面３１が１辺２ｃｍの正方形であるネットワーク流路を用い、合流・分流分岐流路断面３１での平均流速を２．５ｍ／ｓとして測定した場合の水頭圧を示す。合流・分流分岐流路断面３１中央部の水頭圧が１５ｃｍに対し、分流壁体１２付近では−１０ｃｍである。ラム効果発現箇所では負圧が生じていることが確認できる。気体吸入孔２１はラム効果発現箇所に近接して設けられているので、気体がネットワーク流路１１内に自然吸気されることになる。
【００４０】
上述のように、ネットワーク流路１１内でラム効果発現箇所に近接する分流壁体１２側面に気体吸入孔２１を設けることで、流路外部の気体が流路内部に自然に吸引される。吸引された気体は流路１１内を流れる液体によってせん断される。気体吸入孔２１付近では、ネットワーク流路１１内での最大流速を生じているため、吸引された気体は瞬時にせん断され、粒径の小さなマイクロバブルが発生する。
【００４１】
ネットワーク流路１１内での流速は、従来のマイクロバブル発生装置と比較して遅い。しかし、合流・分流分岐流路に生じるラム効果により、効果的に気体を吸引する。ラム効果による気体の吸引は、気体吸入孔２１へ外部から強制的に圧力がかからないので、気体を徐々に引き出すように吸引するものであり、急激に気体を吸引しない。また、吸引された気体は気体吸入孔のエッジ部分に引っかかるようにせん断される。このため、気体吸入孔の径よりも小さなマイクロバブルが発生する。
【００４２】
なお、流路内では流体中の溶存気体が剥離渦に伴って、流体から分離し、気泡が生じる。剥離渦によって生じる気泡は、流速が速いほど大きな気泡が発生する。本発明においては、従来のマイクロバブル発生装置と比べ、流速が遅いため、剥離渦に伴って生じる気泡も小さくなる。
【００４３】
図５は上流側から３列目及び５列目の分流壁体１２後方での、液体の平均流速を示す流速分布図である。図４（Ａ）が、上流から３列目の分流壁体後方における流速分布図であり、図４（Ｂ）が、上流から５列目の分流壁体後方における流速分布図である。フリップフロップ流では、合流・分流分岐流路の分流壁体１２付近では流速が最大になる。また、分流壁体１２後方の両側とも平均流速はほぼ等しい。更に、３列目と５列目の分流壁体１２後方の流速分布もほぼ等しい。このため、各列に設けられた気体吸入孔２１から気体がほぼ一定に吸引され、一定にせん断される。従って、各気体吸入孔２１から発生するマイクロバブルの粒径分布が整うことになる。
【００４４】
また、各分流壁体１２に気体吸入孔２１を１以上設けることにより、より多くのマイクロバブルを発生させることが可能である。複数の気体吸入孔２１から気体を吸引できるため、排出液体中のマイクロバブルの割合を高めることが可能となる。
【００４５】
図６は一つの分流壁体１２に複数個の気体吸入孔２１を５個並べて設けた斜視図である。全ての気体吸入孔１２を負圧効果の高い箇所に近接するように設けることで、効率的に多くの気体を吸引でき、多量のマイクロバブルを供給できる。
【００４６】
気体吸入孔２１の径は０．１ｍｍから１ｍｍ程度が好ましい。
【００４７】
図７は排出部１４でのマイクロバブルの排出方向の切換を示す写真である。
【００４８】
発生したマイクロバブルはネットワーク流路１１を流れ、排出方向が図５（Ａ）から図５（Ｂ）へ、あるいは逆方向へ周期的に自動で切り換わりつつ排出される。自動的に排出方向が切換るため、何ら拡散装置等を用いることなく、マイクロバブルを広範囲に拡散できる。また、流体の流速を大きくすると、排出部１４でのマイクロバブルの排出方向の切換えが早くなり、マイクロバブルの拡散を更に促進できる。
【００４９】
分流壁体１２は楕円形等、フリップフロップ流が生じる形であればよいが、特に菱形角柱が好ましい。剥離渦が生じやすくフリップフロップ流が安定的に発現するため、マイクロバブルの発生及び拡散を促進できる。
【００５０】
図８はネットワーク流路１１の交差角が３０度でのフリップフロップ流を示す上面図である。
【００５１】
一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角は、ほぼ３０度であることが好ましい。平行流路の交差角が３０度のとき、菱形角柱の配列間隔における縦横比ａ／ｂは０．２８６となっている。単一円柱背後にカルマン渦列振動が規則正しく発現しているとき、その渦列の縦横間隔比は０．２８１となることが知られているが、平行流路の交差角が３０度の場合ａ／ｂは非常に近い値をとる。
【００５２】
また、次の渦の発生位置はＬａ／Ｌｂだけ下流側のところになり、ここでの分流壁体１２配列間隔とほぼ一致する。それに伴って渦の連結振動が発現し、それが下流側へ伝播して行き、フリップフロップ流も安定して規則正しく発現するため、マイクロバブルの発生及び拡散が促進される。
【００５３】
次にマイクロミスト発生装置について説明する。
【００５４】
マイクロミスト発生装置については、上述のマイクロバブル発生装置と同一の装置であるため、図示を省略する。上述のマイクロバブル発生装置における気体吸入孔を液体吸入孔として用い、流通媒体として気体を使用する。
【００５５】
発生方法についても上述のマイクロバブル発生装置と同様である。流入部から気体をネットワーク流路内に流入し、フリップフロップ流によるラム効果によって生じた負圧部分に液体が自然吸引される。吸引された液体が、流通する気体によってせん断され、マイクロミストが発生する。発生したマイクロミストは、分流壁体により分流・合流を繰り返し、排出部から周期的に排出方向が切り換わりつつ排出される。
【実施例】
【００５６】
一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角が３０度となるように、分流壁体を介したネットワーク流路を用いた。分流壁体２７個を千鳥状に配列し、流入部から排出部にかけて６列配置した。流入部から６列目の分流壁体の後部は、液体及びマイクロバブルの排出を妨げないよう切除して用いた。上流から２〜６列目に属する一つの分流壁体の合流・分流分岐流路に接する箇所に、直径０．５ｍｍの気体吸入孔を一方の側面にのみ、１つずつ設けた。流路の厚さは６ｍｍとし、合流・分流分岐流路断面を一辺が６ｍｍの正方形とした。合流・分流分岐流路断面での平均流速を１ｍ／ｓとして水を流し、気泡の発生個数及び粒径を測定した。
【００５７】
気体吸入孔は１列のみ開け、他の列の気体吸入孔は塞いでおき、各列の気体吸入孔からの気泡発生量を測定した。また、全ての列の気体吸入孔を開けた状態で気泡発生量を測定した。
【００５８】
表１に各列での気泡発生量を示す。
【００５９】
【表１】
４列目に気体吸入孔を設けた場合が最も気泡の発生量が多く、６９，４００個／秒もの気泡が発生している。全ての気体吸入孔を開いた場合、約１３万個／秒もの気泡が発生している。他の分流壁体に気体吸入孔を設けること、及び／又は、一つの分流壁体に複数個の気体吸入孔を設けることにより、重畳的に気泡を発生させることが可能である。
【００６０】
図９に、４列目に気体吸入孔を設けた場合に発生した気泡の粒径分布を示すとともに、表２に、４列目に気体吸入孔を設けた場合に発生した気泡の粒径割合を示す。
【００６１】
【表２】
粒径分布から、発生した気泡はほぼ全て２２μｍ以下の気泡であり、いわゆるマイクロバブルであることが確認できる。また、１３μｍ以下の気泡が５０％以上占めており、生理活性作用に有効なマイクロバブルの発生率が高いことがわかる。更に、ピーク値が１０〜２０μｍにあり、全体的に粒径の小さな気泡、且つ粒径が整った気泡であることが確認できる。
【００６２】
粒径１０数μｍのところにピーク値の落ち込みが見られる。流路を流れる水に含まれる溶存気体が、剥離渦に伴って分離し、気泡が生じるが、剥離渦に伴って生じた気泡の粒径は、流速等によって変動することがわかっている。流路が大きい場合、剥離渦に伴って生じる気泡が大きくなることから、落ち込みのピーク値よりも小径の気泡が気体吸入孔から発生したマイクロバブルであり、そのほとんどが１０数μｍ以下のマイクロバブルであることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によるマイクロバブル発生装置は、フリップフロップ流の利用によって、粒径１０数μm以下のマイクロバブルを多量に発生できるとともに、マイクロバブルを広範囲に拡散できる装置であるため、広い水域での水質浄化や水産養殖の分野をはじめ多くの分野で利用可能である。
【００６４】
また、本発明によるマイクロミスト発生装置では、マイクロミストを多量に且つ拡散して排出できるため、マイナスイオンの供給等、種々の分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のマイクロバブル発生装置の斜視図である。
【図２】合流・分流分岐流路断面を示す斜視図である。
【図３】ネットワーク流路内でのラム効果の発生場所を示す上面図である。
【図４】合流・分流分岐流路断面での水頭圧測定図である。
【図５】装置上流から３列目及び５列目の分流壁体後方での液体の平均流速を示す流速分布図である。
【図６】複数の気体吸入孔を設けた分流壁体の斜視図である。
【図７】排出部でのマイクロバブルの排出方向の切換を示す写真である。
【図８】ネットワーク流路交差角が３０度でのフリップフロップ流を示す上面図である。
【図９】本装置によって発生したマイクロバブルの粒径分布図である。
【図１０】特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置によって、発生したマイクロバブルの粒径分布図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ マイクロバブル発生装置
１１ ネットワーク流路
１２ 分流壁体
１３ 液体流入部
１４ 液体排出部
２１ 気体吸入孔
３１ 合流・分流分岐流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小径のマイクロバブル及びマイクロミストを効率的かつ大量に発生させるマイクロバブル及びマイクロミスト発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒径約６０μｍ以下の微細気泡がマイクロバブルと呼ばれているが、特に１０数μｍ以下のマイクロバブルが生理活性作用効果を有することが解明されている。１０数μｍ以下のマイクロバブルは液体中に容易に溶解、分散し、生物への生理活性作用を示す。マイクロバブルの粒径は小さいほど、生理活性作用が向上する。マイクロバブルはただの気泡であるため自然にやさしく、水質浄化や水産養殖の分野をはじめ多くの分野での利用が期待されており、様々なマイクロバブル発生装置の開発が行われている。
【０００３】
特許文献１のマイクロバブル発生装置では、パイプ内にプレートを設置し、流れる水の流速変化を起こしてパイプ内に負圧を作り、気体供給管からパイプ内に気体を自吸し、気体の混入した液体をパイプ内でプレートに衝突させることでせん断作用を利用して気体塊を粉砕し、パイプに形成した開口および／またはプレート後方の流路からマイクロバブルを発生させている。
【０００４】
特許文献２では複数の交差流路を用いて何ら方向切換用装置を用いることなく、一定周期毎に複数条の流体の噴出方向を同調させて一斉に流れの方向が切り換わり、交差流れを生じる装置が開示されている（以下、この様な流体の交差流れをフリップフロップ流という）。
【特許文献１】特開２００５−３３４８６９号公報
【特許文献２】特許２８４１１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１０は、特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置によって、発生したマイクロバブルの粒径分布図である。特許文献１のマイクロバブル発生装置では、図１０から明らかなようにピーク値が４０〜６０μｍの気泡を多く発生しており、生理活性に有用な１０数μｍ以下のマイクロバブルをほとんど発生していないという問題がある。
【０００６】
また、気体の吸引、及びせん断をするために、強力な水圧を生み出せるポンプが必要であり、装置が複雑になるという課題を有する。
【０００７】
更に、一定方向にしかマイクロバブルを発生しないため、拡散効果が小さいという課題を有する。
【０００８】
特許文献２の装置は流体噴出方向の自励振動装置であり、自励振動により流れが一定周期毎に切り換わることが記載されているのみで、マイクロバブルの発生について何等記載がない。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、気液溶解装置やポンプ等他の装置を用いることなく、フリップフロップ流を用いて、１０数μｍ以下の気泡のマイクロバブルを多量に発生できるとともに、マイクロバブルを広範囲に拡散できる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に気体吸入孔を設け、前記気体吸入孔から気体を吸入してマイクロバブルを発生させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は前記気体吸入孔がフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明は前記各分流壁体に前記気体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明は前記気体吸入孔が前記分流壁体に複数個並べて設けられていることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明は前記気体吸入孔の径が０．１ｍｍから１ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明は発生する気泡数の５０％以上が粒径１３μｍ以下のマイクロバブルであることを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明は前記分流壁体がひし形角柱であることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明は前記一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角がほぼ３０度であることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明のマイクロミスト発生装置は、多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に液体吸入孔を設け、前記液体吸入孔から液体を吸入して液滴を発生させることを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明は前記液体吸入孔がフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
更に、本発明は前記各分流壁体に前記液体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のマイクロバブル発生装置によれば、粒径が１３μｍ以下のマイクロバブルを多量に発生させることができる。その理由は、流路内に生じるラム効果により気体を自然吸気するため、気体が急激に流路内に入り込まず、徐々に引き出される形で吸引されるためである。また、気体吸入孔のエッジ部分に引っかかるようにせん断されるためである。更に、各気体吸入孔付近の流速がほぼ一定に流れる液体によって、吸引された気体が小さく一定にせん断されるためである。
【００２２】
また、フリップフロップ流によって生じるラム効果により、気体を自然吸気してマイクロバブルを発生するため、ポンプや気液溶解装置等が不要であり、簡便な装置を実現できる。
【００２３】
更に、上述の理由により、直接的にマイクロバブル発生させるための電力等を必要としないため、エネルギー効率が高いという利点を有する。
【００２４】
更に、各分流壁体に複数個の気体吸入孔を設けることができ、多量の気体を吸入することができるため、多量のマイクロバブルを発生させることが可能である。
【００２５】
更に、本発明のマイクロバブル発生装置によると、フリップフロップ流により自動的にマイクロバブルの排出方向が周期的に切換るため、別途拡散装置を用いることなく、マイクロバブルを広範囲に拡散できる利点を有する。
【００２６】
本発明のマイクロミスト発生装置によれば、粒径の小さなマイクロミストを多量に発生及び拡散することが可能である。その理由は、流路内に生じるラム効果により液体を自然吸気するため、液体が急激に流路内に入り込まず、徐々に引き出される形で吸引されるためである。また、液体吸入孔のエッジ部分に引っかかるようにせん断されるためである。更に、各液体吸入孔付近の流速がほぼ一定に流れる気体によって、吸引された液体が小さく一定にせん断されるためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は本発明によるマイクロバブル発生装置の概略を示す斜視図である。図２は合流・分流分岐流路断面を示す斜視図である。図３はネットワーク流路内でのラム効果の発生場所を示す上面図である。図４は合流・分流分岐流路断面での水頭圧測定図である。図５は上流から３列目及び５列目の分流壁体後方での液体の平均流速を示す流速分布図である。図６は複数の気体吸入孔を設けた分流壁体の斜視図である。図７は排出部でのマイクロバブルの排出方向の切換を示す写真である。図８はネットワーク流路交差角が３０度でのフリップフロップ流を示す上面図である。図９は本装置によって発生したマイクロバブルの粒径分布図である。
【００２８】
図１で本発明によるマイクロバブル発生装置の概略を説明する。
【００２９】
本発明のマイクロバブル発生装置は、多数の分流壁体１２と、多数の分流壁体１２を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路が同一平面上で交差したネットワーク流路１１と、流入部１３と、排出部１４とから構成される。
【００３０】
２７個の分流壁体１２が千鳥状に配置されており、流入部１３から排出部１４にかけて６列設けられている。各分流壁体１２には、対向して隣接する分流壁体１２間の最も近接する部分に気体吸入孔２１が設けられている。各分流壁体１２は両側面に各１個ずつ気体吸入孔２１を有しており、装置全体として５４個の気体吸入孔２１が設けられている。流入部１３から６列目の分流壁体１２の後部は、液体及びマイクロバブルの排出を妨げないよう切除されている。
【００３１】
流入部１３から入った液体はネットワーク流路１１内に入り、分流壁体１２により分流・合流を繰り返し排出部１４から排出される。一定の流速を越えるとフリップフロップ流が生じるとともに、気体吸入孔２１から流路内に気体が吸引・せん断され、排出部１４からマイクロバブルが液体とともに、周期的に排出方向が切り換わりつつ排出される。
【００３２】
フリップフロップ流について説明する。ネットワーク流路１１内での流体の流れにより、分流壁体１２後方側面で剥離渦が生じる。一方の後方側面で剥離渦が生じると、圧力変化を生じ、他方の後方側面でも剥離渦が生じる。分流壁体１２の両後方側面では交互に剥離渦が生じ、交互に剥離渦が後方へ流れていくカルマン渦列振動が生じる。ネットワーク流路１１は交差しているため、剥離渦は交互に交差しつつ流れていく。ネットワーク流路１１の交差角が２０〜６０度のとき、上流と下流のカルマン渦列振動が同調し、フリップフロップ流と呼ばれる交差流れが生じるものと推測される。
【００３３】
流入部１３と排出部１４の間に、分流壁体１２を４列以上設けることが好ましい。分流壁体１２が２列ではフリップフロップ流が発現せず、左右へのいずれかの方向に流脈が片寄ったままの流れになる。３列以上になると流脈のフリップフロップ流が現れる場合もあるが不安定であり、４列以上ではフリップフロップ流が明確に現れる。
【００３４】
また、各列の分流壁体２１の先端部が流入部１３及び排出部１４と平行して直線状に整列するように配置されていることが好ましい。フリップフロップ流の発現が安定する。
【００３５】
次に、図２〜図５に基づいて本発明によるマイクロバブルの発生について説明する。
【００３６】
図２は合流・分流分岐流路断面３１（対向して隣接する分流壁体１２間が最も近接する箇所である合流と分流の分岐流路断面）を示す斜視図である。図１に示す装置内の対向する分流壁体一組を拡大したものである。気体吸入孔２１は、分流壁体１２の合流・分流分岐流路断面３１に接する箇所に設けられている。
【００３７】
なお、合流・分流分岐流路断面３１は正方形であることが好ましい。合流・分流分岐流路断面３１が正方形の場合には安定してフリップフロップ流が生じるが、長方形のような縦横比が大きい場合にはフリップフロップ流の発現が不安定となる。
【００３８】
図３は、図２に示す対向する一組の分流壁体１２間に生じるラム効果発現箇所を上方から示している。合流・分流分岐流路断面３１の分流壁体付近には、負圧を発生させるラム効果が発現し、そこではネットワーク流路１１内で最も流速が大きく、且つ、最も圧力が小さくなる。気体吸入孔２１はラム効果が発現する箇所に近接している。
【００３９】
図４で合流・分流分岐流路断面３１におけるラム効果による圧力変化ついて説明する。合流・分流分岐流路断面３１が１辺２ｃｍの正方形であるネットワーク流路を用い、合流・分流分岐流路断面３１での平均流速を２．５ｍ／ｓとして測定した場合の水頭圧を示す。合流・分流分岐流路断面３１中央部の水頭圧が１５ｃｍに対し、分流壁体１２付近では−１０ｃｍである。ラム効果発現箇所では負圧が生じていることが確認できる。気体吸入孔２１はラム効果発現箇所に近接して設けられているので、気体がネットワーク流路１１内に自然吸気されることになる。
【００４０】
上述のように、ネットワーク流路１１内でラム効果発現箇所に近接する分流壁体１２側面に気体吸入孔２１を設けることで、流路外部の気体が流路内部に自然に吸引される。吸引された気体は流路１１内を流れる液体によってせん断される。気体吸入孔２１付近では、ネットワーク流路１１内での最大流速を生じているため、吸引された気体は瞬時にせん断され、粒径の小さなマイクロバブルが発生する。
【００４１】
ネットワーク流路１１内での流速は、従来のマイクロバブル発生装置と比較して遅い。しかし、合流・分流分岐流路に生じるラム効果により、効果的に気体を吸引する。ラム効果による気体の吸引は、気体吸入孔２１へ外部から強制的に圧力がかからないので、気体を徐々に引き出すように吸引するものであり、急激に気体を吸引しない。また、吸引された気体は気体吸入孔のエッジ部分に引っかかるようにせん断される。このため、気体吸入孔の径よりも小さなマイクロバブルが発生する。
【００４２】
なお、流路内では流体中の溶存気体が剥離渦に伴って、流体から分離し、気泡が生じる。剥離渦によって生じる気泡は、流速が速いほど大きな気泡が発生する。本発明においては、従来のマイクロバブル発生装置と比べ、流速が遅いため、剥離渦に伴って生じる気泡も小さくなる。
【００４３】
図５は上流側から３列目及び５列目の分流壁体１２後方での、液体の平均流速を示す流速分布図である。図４（Ａ）が、上流から３列目の分流壁体後方における流速分布図であり、図４（Ｂ）が、上流から５列目の分流壁体後方における流速分布図である。フリップフロップ流では、合流・分流分岐流路の分流壁体１２付近では流速が最大になる。また、分流壁体１２後方の両側とも平均流速はほぼ等しい。更に、３列目と５列目の分流壁体１２後方の流速分布もほぼ等しい。このため、各列に設けられた気体吸入孔２１から気体がほぼ一定に吸引され、一定にせん断される。従って、各気体吸入孔２１から発生するマイクロバブルの粒径分布が整うことになる。
【００４４】
また、各分流壁体１２に気体吸入孔２１を１以上設けることにより、より多くのマイクロバブルを発生させることが可能である。複数の気体吸入孔２１から気体を吸引できるため、排出液体中のマイクロバブルの割合を高めることが可能となる。
【００４５】
図６は一つの分流壁体１２に複数個の気体吸入孔２１を５個並べて設けた斜視図である。全ての気体吸入孔１２を負圧効果の高い箇所に近接するように設けることで、効率的に多くの気体を吸引でき、多量のマイクロバブルを供給できる。
【００４６】
気体吸入孔２１の径は０．１ｍｍから１ｍｍ程度が好ましい。
【００４７】
図７は排出部１４でのマイクロバブルの排出方向の切換を示す写真である。
【００４８】
発生したマイクロバブルはネットワーク流路１１を流れ、排出方向が図５（Ａ）から図５（Ｂ）へ、あるいは逆方向へ周期的に自動で切り換わりつつ排出される。自動的に排出方向が切換るため、何ら拡散装置等を用いることなく、マイクロバブルを広範囲に拡散できる。また、流体の流速を大きくすると、排出部１４でのマイクロバブルの排出方向の切換えが早くなり、マイクロバブルの拡散を更に促進できる。
【００４９】
分流壁体１２は楕円形等、フリップフロップ流が生じる形であればよいが、特に菱形角柱が好ましい。剥離渦が生じやすくフリップフロップ流が安定的に発現するため、マイクロバブルの発生及び拡散を促進できる。
【００５０】
図８はネットワーク流路１１の交差角が３０度でのフリップフロップ流を示す上面図である。
【００５１】
一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角は、ほぼ３０度であることが好ましい。平行流路の交差角が３０度のとき、菱形角柱の配列間隔における縦横比ａ／ｂは０．２８６となっている。単一円柱背後にカルマン渦列振動が規則正しく発現しているとき、その渦列の縦横間隔比は０．２８１となることが知られているが、平行流路の交差角が３０度の場合ａ／ｂは非常に近い値をとる。
【００５２】
また、次の渦の発生位置はＬａ／Ｌｂだけ下流側のところになり、ここでの分流壁体１２配列間隔とほぼ一致する。それに伴って渦の連結振動が発現し、それが下流側へ伝播して行き、フリップフロップ流も安定して規則正しく発現するため、マイクロバブルの発生及び拡散が促進される。
【００５３】
次にマイクロミスト発生装置について説明する。
【００５４】
マイクロミスト発生装置については、上述のマイクロバブル発生装置と同一の装置であるため、図示を省略する。上述のマイクロバブル発生装置における気体吸入孔を液体吸入孔として用い、流通媒体として気体を使用する。
【００５５】
発生方法についても上述のマイクロバブル発生装置と同様である。流入部から気体をネットワーク流路内に流入し、フリップフロップ流によるラム効果によって生じた負圧部分に液体が自然吸引される。吸引された液体が、流通する気体によってせん断され、マイクロミストが発生する。発生したマイクロミストは、分流壁体により分流・合流を繰り返し、排出部から周期的に排出方向が切り換わりつつ排出される。
【実施例】
【００５６】
一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角が３０度となるように、分流壁体を介したネットワーク流路を用いた。分流壁体２７個を千鳥状に配列し、流入部から排出部にかけて６列配置した。流入部から６列目の分流壁体の後部は、液体及びマイクロバブルの排出を妨げないよう切除して用いた。上流から２〜６列目に属する一つの分流壁体の合流・分流分岐流路に接する箇所に、直径０．５ｍｍの気体吸入孔を一方の側面にのみ、１つずつ設けた。流路の厚さは６ｍｍとし、合流・分流分岐流路断面を一辺が６ｍｍの正方形とした。合流・分流分岐流路断面での平均流速を１ｍ／ｓとして水を流し、気泡の発生個数及び粒径を測定した。
【００５７】
気体吸入孔は１列のみ開け、他の列の気体吸入孔は塞いでおき、各列の気体吸入孔からの気泡発生量を測定した。また、全ての列の気体吸入孔を開けた状態で気泡発生量を測定した。
【００５８】
表１に各列での気泡発生量を示す。
【００５９】
【表１】
４列目に気体吸入孔を設けた場合が最も気泡の発生量が多く、６９，４００個／秒もの気泡が発生している。全ての気体吸入孔を開いた場合、約１３万個／秒もの気泡が発生している。他の分流壁体に気体吸入孔を設けること、及び／又は、一つの分流壁体に複数個の気体吸入孔を設けることにより、重畳的に気泡を発生させることが可能である。
【００６０】
図９に、４列目に気体吸入孔を設けた場合に発生した気泡の粒径分布を示すとともに、表２に、４列目に気体吸入孔を設けた場合に発生した気泡の粒径割合を示す。
【００６１】
【表２】
粒径分布から、発生した気泡はほぼ全て２２μｍ以下の気泡であり、いわゆるマイクロバブルであることが確認できる。また、１３μｍ以下の気泡が５０％以上占めており、生理活性作用に有効なマイクロバブルの発生率が高いことがわかる。更に、ピーク値が１０〜２０μｍにあり、全体的に粒径の小さな気泡、且つ粒径が整った気泡であることが確認できる。
【００６２】
粒径１０数μｍのところにピーク値の落ち込みが見られる。流路を流れる水に含まれる溶存気体が、剥離渦に伴って分離し、気泡が生じるが、剥離渦に伴って生じた気泡の粒径は、流速等によって変動することがわかっている。流路が大きい場合、剥離渦に伴って生じる気泡が大きくなることから、落ち込みのピーク値よりも小径の気泡が気体吸入孔から発生したマイクロバブルであり、そのほとんどが１０数μｍ以下のマイクロバブルであることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によるマイクロバブル発生装置は、フリップフロップ流の利用によって、粒径１０数μm以下のマイクロバブルを多量に発生できるとともに、マイクロバブルを広範囲に拡散できる装置であるため、広い水域での水質浄化や水産養殖の分野をはじめ多くの分野で利用可能である。
【００６４】
また、本発明によるマイクロミスト発生装置では、マイクロミストを多量に且つ拡散して排出できるため、マイナスイオンの供給等、種々の分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のマイクロバブル発生装置の斜視図である。
【図２】合流・分流分岐流路断面を示す斜視図である。
【図３】ネットワーク流路内でのラム効果の発生場所を示す上面図である。
【図４】合流・分流分岐流路断面での水頭圧測定図である。
【図５】装置上流から３列目及び５列目の分流壁体後方での液体の平均流速を示す流速分布図である。
【図６】複数の気体吸入孔を設けた分流壁体の斜視図である。
【図７】排出部でのマイクロバブルの排出方向の切換を示す写真である。
【図８】ネットワーク流路交差角が３０度でのフリップフロップ流を示す上面図である。
【図９】本装置によって発生したマイクロバブルの粒径分布図である。
【図１０】特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置によって、発生したマイクロバブルの粒径分布図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ マイクロバブル発生装置
１１ ネットワーク流路
１２ 分流壁体
１３ 液体流入部
１４ 液体排出部
２１ 気体吸入孔
３１ 合流・分流分岐流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に気体吸入孔を設け、前記気体吸入孔から気体を吸入してマイクロバブルを発生させることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項２】
前記気体吸入孔はフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項３】
前記各分流壁体に前記気体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項４】
前記気体吸入孔が前記分流壁体に複数個並べて設けられていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項５】
前記気体吸入孔の径が０．１ｍｍから１ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項６】
発生する気泡数の５０％以上が粒径１３μｍ以下のマイクロバブルであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項７】
前記分流壁体が菱形角柱であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項８】
前記一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角がほぼ３０度であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項９】
多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に液体吸入孔を設け、前記液体吸入孔から液体を吸入して液滴を発生させることを特徴とするマイクロミスト発生装置。
【請求項１０】
前記液体吸入孔はフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロミスト発生装置。
【請求項１１】
前記各分流壁体に前記液体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロミスト発生装置。
【請求項１】
多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に気体吸入孔を設け、前記気体吸入孔から気体を吸入してマイクロバブルを発生させることを特徴とするマイクロバブル発生装置。
【請求項２】
前記気体吸入孔はフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項３】
前記各分流壁体に前記気体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項４】
前記気体吸入孔が前記分流壁体に複数個並べて設けられていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項５】
前記気体吸入孔の径が０．１ｍｍから１ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項６】
発生する気泡数の５０％以上が粒径１３μｍ以下のマイクロバブルであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項７】
前記分流壁体が菱形角柱であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項８】
前記一群の平行流路と他の一群の平行流路の交差角がほぼ３０度であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
【請求項９】
多数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一平面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じるネットワーク流路であって、対向して隣接する前記分流壁体が最も近接する箇所に液体吸入孔を設け、前記液体吸入孔から液体を吸入して液滴を発生させることを特徴とするマイクロミスト発生装置。
【請求項１０】
前記液体吸入孔はフリップフロップ流により負圧が生じる部分に設けられていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロミスト発生装置。
【請求項１１】
前記各分流壁体に前記液体吸入孔が１以上設けられていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロミスト発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２２９６７４（Ｐ２００７−２２９６７４Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５７１５５（Ｐ２００６−５７１５５）
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【出願人】（８０３０００１０４）財団法人ひろしま産業振興機構 (70)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【出願人】（８０３０００１０４）財団法人ひろしま産業振興機構 (70)
【Ｆターム（参考）】
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