UFB装置の内部構造｜旋回式とせん断式の違い、そして方式名で性能が決まらない理由

◆この記事でわかること

• ・気泡を小さくするために、装置が使っている共通の考え方
• ・旋回式・せん断式・加圧溶解式・多孔質膜方式の原理
• ・方式ごとの、電源・消耗品・設置性の違い
• ・住宅の元栓に設置する装置に求められる条件
• ・「方式名」だけで性能を判断できない理由

◆気泡を小さくする、2つの考え方

方式はいろいろありますが、根っこにある発想は大きく2つに整理できます。

A. 大きな泡を「壊して」小さくする

まず水中に気体を取り込み、それを流れの力で細かく引きちぎっていく考え方です。旋回式・せん断式・多孔質膜方式は、おおむねこちらに属します。

泡を壊すには、泡の内と外で力の差をつくる必要があります。速い流れと遅い流れが隣り合っていれば、その境目にある泡は引き伸ばされ、やがてちぎれる。「速度差をつくること」が、装置設計の中心的な課題になります。

B. 溶けている気体を「析出させて」つくる

もう一つは、いったん気体を水に溶かし込み、あとから泡として出てこさせる考え方です。加圧溶解式がこれにあたります。

気体が水に溶ける量は圧力によって変わります。圧力をかけて多めに溶かしておき、その後で圧力を下げると、溶けきれなくなった分が泡になって現れる——炭酸飲料の栓を開けたときに泡が立つのと同じ原理です。

◆方式① 旋回式——渦の中心に気体を引き込む

水を接線方向から流し込み、筒の内側で高速に回転させる方式です。

回転する流れの中心部は、遠心力によって外側へ水が押しやられるため、相対的に圧力の低い領域ができます。ここに気体が引き込まれ、細長い気柱のような形になります。

この気柱は、まわりの旋回流によって激しくかき乱されます。中心と外周では流れの速さが違うため、境目に強い速度差が生じ、気柱がちぎれて細かい泡に分かれていくと説明されます。

この方式の性格

• ・水の流れそのものを使うため、可動部を持たない構造にしやすい
• ・流入させる水の勢い（水圧）が、性能に直結しやすい
• ・流路の形状設計が結果を大きく左右する

◆方式② せん断式——速度差で引きちぎる

「せん断」とは、ずらす向きに働く力のことです。ハサミで紙を切るときのように、隣り合う部分が逆向きにずれる状況を指します。

水の流れでも同じことが起こります。流路を急に絞る、障害物にぶつける、複数の流れを衝突させる——こうした操作で流れに速度差をつくると、その境界にある気泡は引き伸ばされ、分裂します。

流路の中に固定された羽根や邪魔板を並べ、通過するだけで流れが何度も分割・合流するようにした構造も、この考え方に含まれます。

この方式の性格

• ・可動部を必要としない設計にしやすい
• ・流路が細かくなるほど、通水抵抗（圧力損失）とのバランスが課題になる
• ・旋回式と明確に切り分けられるものではない。旋回流の内部にも速度差は生じる

実際の装置で「旋回式」「せん断式」と呼び分けられていても、どちらの現象も同時に起きていると考えたほうが実態に近いといえます。

◆方式③ 加圧溶解式——溶かしてから、出す

水に圧力をかけながら気体を混ぜ、溶解量を高めた状態をつくります。その水を一気に減圧すると、溶けきれなくなった気体が微細な泡として析出します。

工業設備や大型の装置でよく見られる方式です。

この方式の性格

• ・加圧のためのポンプやタンクが必要になり、電源を伴う構成になりやすい
• ・装置が大きくなりやすく、設置場所の確保が前提になる
• ・機器点数が増えるため、保守の対象も増える

◆方式④ 多孔質膜方式——細い孔から押し出す

微細な孔が無数に開いた材料を通して、気体を水中に押し出す方式です。孔の大きさによって、生まれる泡の大きさをある程度そろえられると説明されます。

この方式の性格

• ・孔の設計によって、泡のサイズをコントロールしやすい
• ・孔が細かいほど目詰まりの管理が課題になり、清掃・交換が前提になりやすい
• ・気体を送り込む機構が別途必要になる

◆4方式を、実務的な観点で比べる

住宅に導入するという視点で並べ替えると、違いが見えやすくなります。

住宅の水道元栓のように止水しにくく、日常的な保守が難しい場所では、電源が不要で消耗品を前提としない構成であることの意味が大きくなります。

◆「方式名」だけでは性能は決まらない

ここが、この記事でいちばんお伝えしたい点です。

同じ「旋回式」でも、流路の寸法、旋回室の形、加工の精度、想定している水圧が違えば、結果として出てくる泡はまったく別物になります。方式名はカテゴリの名前であって、性能の等級ではありません。

確認すべきは方式名ではなく、気泡径が1μm未満と数値で明記されているか、そしてその数値がどんな条件で測られたかです。この読み方は 泡の「数」や「特許」の文字だけで選ぶと後悔する理由に詳しくまとめています。

◆元栓に設置する装置に求められる条件

シャワーヘッドのように手元で交換できる機器と、住宅の元栓に据え付ける機器とでは、設計の前提が変わります。

• ・接続規格が住宅の配管に合うこと（フレスカはG3/4規格）
• ・設置スペースに収まること（同、外形全長は約80mm）
• ・電源を必要としないこと——屋外のメーターボックス周辺に電源はありません
• ・消耗品交換を前提としないこと——止水を伴う作業は日常的には行えません
• ・家中の水量を通しても使用感を損なわないこと

ウルトラファインバブルフレスカは、水圧を利用し、内部構造による水流の旋回とせん断で微細気泡を生成する構造です。電源も薬剤も使わず、フィルターなどの消耗品も前提としていません。設置場所ごとの違いは シャワーヘッド型と家中まるごと型を比較した記事で整理しています。

◆よくある質問

Q. どの方式がいちばん優れているのですか？

方式で優劣は決まりません。同じ方式でも設計次第で結果が変わりますし、用途によって求められる条件も違います。方式名ではなく、示されている気泡径と測定条件で判断するのが確実です。

Q. 電源を使う方式のほうが、性能が高いのでは？

そうとは限りません。電源が必要かどうかは気体の取り込み方の違いであって、性能の等級ではありません。住宅の元栓のように電源のない場所では、電源不要であること自体が設置条件になります。

Q. 旋回式とせん断式は、はっきり区別できますか？

できません。旋回流の内部には速度差＝せん断が生じるため、実際の装置は両方の現象を同時に使っていると考えるほうが実態に近いといえます。

Q. 気泡はどこから来ているのですか？水に空気を入れているのですか？

外から空気を注入する構成もありますが、水道水にはもともと気体が溶け込んでいます。流れのなかで局所的に圧力が下がると、溶けていた気体が出てくる——という経路も関わると説明されます。どの経路がどの程度寄与しているかは、装置の構造によって異なります。

Q. 水圧が低い家でも、水圧を使う方式は働きますか？

水圧を利用する構造である以上、水圧の条件は結果に影響します。ご自宅の水圧や配管の状況によって設置条件が変わりますので、導入前の確認をおすすめしています。なお効果の感じ方には個人差があります。

◆まとめ

✔ 気泡を小さくする発想は「壊して小さくする」と「溶かして析出させる」の2系統
✔ 旋回式は渦の中心の低圧に気体を引き込み、旋回流の速度差で分割する
✔ せん断式は流路の絞り・衝突で速度差をつくり、気泡を引きちぎる
✔ 両者は明確に切り分けられない。実際の装置は組み合わせで成立している
✔ 加圧溶解式・多孔質膜方式は、電源や保守を伴う構成になりやすい
✔ 元栓設置型では電源不要・消耗品なしであることが実務上の条件になる
✔ 方式名は性能の等級ではない。気泡径の数値と測定条件で判断する

泡の大きさが変わると水中での振る舞いも変わります。その違いは 3つの泡の性質を整理した記事で確認できます。

ウルトラファインバブルフレスカは、住宅の水道元栓に設置する全館型のウルトラファインバブル発生装置です。接続規格はG3/4、外形全長は約80mm。水圧を利用して気泡を生成する構造のため電源が不要で、消耗品の交換も前提としていません。

構造や設置条件で気になる点があればお答えします。ご自宅の水圧や配管によって設置できる条件が変わりますので、導入前の確認も承っています。

設置条件について相談する

◆参考

• ・ISO 20480-1:2017「ファインバブル技術－ファインバブルの使用及び測定の一般原則－第1部：用語」（2017年6月22日発行 / ISO/TC 281）
• ・JIS B 8741-1:2019（同名の日本産業規格）
• ・一般社団法人ファインバブル産業会「ファインバブルとは」
• ・同「ISO・JIS規格リスト」
• ・安田啓司「ウルトラファインバブルの特性と応用」真空 66巻11号

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