特許 6755035 気泡生成装置及び気泡生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6755035

(24)【登録日】2020年8月27日

(45)【発行日】2020年9月16日

(54)【発明の名称】気泡生成装置及び気泡生成方法

(51)【国際特許分類】

   B01F 5/06 20060101AFI20200907BHJP

   B01F 3/04 20060101ALI20200907BHJP

   B01F 5/00 20060101ALI20200907BHJP

   B01F 15/02 20060101ALI20200907BHJP

【ＦＩ】

   B01F5/06

   B01F3/04 Z

   B01F5/00 D

   B01F15/02 A

   B01F15/02 C

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-102492(P2016-102492)

(22)【出願日】2016年5月23日

(65)【公開番号】特開2017-23996(P2017-23996A)

(43)【公開日】2017年2月2日

【審査請求日】2019年4月15日

(31)【優先権主張番号】特願2015-141304(P2015-141304)

(32)【優先日】2015年7月15日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504258527

【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100162259

【弁理士】

【氏名又は名称】末富 孝典

(74)【代理人】

【識別番号】100133592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100168114

【弁理士】

【氏名又は名称】山中 生太

(72)【発明者】

【氏名】五島 崇

【審査官】 小久保 勝伊

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭４６−０１９０９５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００７０４９０７７（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開昭５２−０６９０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０６−５０３９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００６０１７３６０（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｆ １／００−５／２６、１３／０２、１５／０２

Ｇ０１Ｎ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を貯留する液体貯留部を有する蓄気室と、
前記液体貯留部を、前記蓄気室の外部において前記液体を貯留する液槽に連通させる液体連通路と、
下流端が前記液体貯留部の前記液体中に配置されるガス流路と、
前記ガス流路内を減圧することにより、前記液体貯留部の前記液体が前記ガス流路内のガスと混ざり合うように、前記液体貯留部の前記液体を前記下流端から吸い込ませたのち、前記ガス流路内を加圧することにより、前記ガス流路内の前記液体及び該液体と混ざり合った前記ガスを、前記下流端から前記液体貯留部に噴出させるガス圧制御装置と、
を備え、
前記蓄気室が、前記液体貯留部の上方に、前記ガスを収容する空間であって、前記液体貯留部に貯留された前記液体の液面と接する空間を画定するガス収容部をさらに有し、
前記ガス収容部によって画定された前記空間が前記ガス流路の上流端と連通していることにより、前記ガス圧制御装置によって前記ガス流路内が減圧された際に、前記液槽の前記液体が前記液体連通路を通じて前記液体貯留部に引き上げられ、かつ前記ガス圧制御装置によって前記ガス流路内が加圧された際に、前記液体貯留部の前記液体及び前記ガスが、前記液体連通路を通じて前記液槽に押し込まれる、
気泡生成装置。

【請求項2】

前記ガス流路の前記下流端が、前記液体の流れを絞る絞り部を有するノズルで構成され、
前記ガス圧制御装置によって前記ガス流路内が減圧された際に、前記ノズルから吸い込まれた前記液体が、前記絞り部から前記ガス流路の前記上流端側に向かって噴出することにより、前記ガス流路内の前記ガスと混ざり合う、
請求項１に記載の気泡生成装置。

【請求項3】

前記ノズルが、本体部と、各々前記本体部における前記液体の流れを絞る複数の前記絞り部とを有し、
前記本体部と、各々の前記絞り部とで流路断面の形状が異なる、
請求項２に記載の気泡生成装置。

【請求項4】

前記ガス圧制御装置が、
第１及び第２の入力ポート並びに出力ポートの少なくとも３つのポートを有し、前記出力ポートに前記ガス流路の前記上流端が接続される弁と、
前記第１の入力ポートに接続されるガスタンクと、
前記第２の入力ポートに接続される真空ポンプと、
前記第１の入力ポートが前記出力ポートに連通された状態と、前記第２の入力ポートが前記出力ポートに連通された状態とが交互に切り替えられるように、前記弁を制御する弁制御装置と、
を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の気泡生成装置。

【請求項5】

液体を貯留する液体貯留部を有する蓄気室と、
前記液体貯留部を、前記蓄気室の外部において前記液体を貯留する液槽に連通させる液体連通路と、
下流端が前記液体貯留部の前記液体中に配置されるガス流路と、
を用いる気泡生成方法であって、
前記ガス流路内を減圧することにより、前記液体貯留部の前記液体が前記ガス流路内のガスと混ざり合うように、前記液体貯留部の前記液体を前記下流端から吸い込ませる吸い込みステップと、
前記吸い込ませた液体及び該液体と混ざり合った前記ガスを、前記ガス流路内を加圧することにより、前記下流端から前記液体貯留部に噴出させる噴出ステップと、
を含み、
前記蓄気室が、前記液体貯留部の上方に、前記ガスを収容する空間であって、前記液体貯留部に貯留された前記液体の液面と接する空間を画定するガス収容部をさらに有し、
前記ガス収容部によって画定された前記空間が前記ガス流路の上流端と連通していることにより、
前記吸い込みステップでは、前記液槽の前記液体を、前記液体連通路を通じて前記液体貯留部に引き上げ、かつ引き上げた前記液体を前記下流端から吸い込ませ、
前記噴出ステップでは、前記下流端から前記液体貯留部に噴出された前記液体及び前記ガスを、前記液体連通路を通じて前記液槽に押し込む、
気泡生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気泡生成装置及び気泡生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、化学工業や生物工業等の分野で、液体中に生成した気泡、特にファインバブルと呼ばれる直径１００μｍ以下の気泡が利用されている。気泡を生成する手法を開示した文献として、下記特許文献１及び２が挙げられる。

【0003】

特許文献１は、下流端が液体中に配置されたガス管の上流端から、オーディオスピーカで生成した音波を導入する手法を提案している。特許文献１は、音波の振動によって、ガス管の下流端から気泡が生成されると説明している。

【0004】

特許文献２は、気泡を噴出する微細孔が多数形成された円盤を液体中で回転させる手法を開示している。円盤の回転によって気泡に剪断力が作用し、この剪断力によって気泡が微細化される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−３６５０２号公報

【特許文献2】国際公開第２００８／１４３３１９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の技術では、微細化された気泡を効率的に生成することが難しい。これは、音波はその振動によってガス管の下流端からガスを少しずつ離脱させる作用を奏するにすぎないためと考えられる。

【0007】

特許文献２の円盤を用いれば、微細化された気泡を効率的に生成しうるが、液槽中で円盤を回転させる機構が必要となるため、装置構成が大がかりとなる。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大がかりな構成を必要とせずに、微細化された気泡を効率よく生成することができる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る気泡生成装置は、
液体を貯留する液体貯留部を有する蓄気室と、
前記液体貯留部を、前記蓄気室の外部において前記液体を貯留する液槽に連通させる液体連通路と、
下流端が前記液体貯留部の前記液体中に配置されるガス流路と、
前記ガス流路内を減圧することにより、前記液体貯留部の前記液体が前記ガス流路内のガスと混ざり合うように、前記液体貯留部の前記液体を前記下流端から吸い込ませたのち、前記ガス流路内を加圧することにより、前記ガス流路内の前記液体及び該液体と混ざり合った前記ガスを、前記下流端から前記液体貯留部に噴出させるガス圧制御装置と、
を備え、
前記蓄気室が、前記液体貯留部の上方に、前記ガスを収容する空間であって、前記液体貯留部に貯留された前記液体の液面と接する空間を画定するガス収容部をさらに有し、
前記ガス収容部によって画定された前記空間が前記ガス流路の上流端と連通していることにより、前記ガス圧制御装置によって前記ガス流路内が減圧された際に、前記液槽の前記液体が前記液体連通路を通じて前記液体貯留部に引き上げられ、かつ前記ガス圧制御装置によって前記ガス流路内が加圧された際に、前記液体貯留部の前記液体及び前記ガスが、前記液体連通路を通じて前記液槽に押し込まれる。

【0010】

上記気泡生成装置においては、
前記ガス流路の前記下流端が、前記液体の流れを絞る絞り部を有するノズルで構成され、
前記ガス圧制御装置によって前記ガス流路内が減圧された際に、前記ノズルから吸い込まれた前記液体が、前記絞り部から前記ガス流路の前記上流端側に向かって噴出することにより、前記ガス流路内の前記ガスと混ざり合うようにしてもよい。

【0011】

また、前記ノズルが、本体部と、各々前記本体部における前記液体の流れを絞る複数の前記絞り部とを有し、
前記本体部と、各々の前記絞り部とで流路断面の形状が異なっていてもよい。

【0012】

また、前記ガス圧制御装置が、
第１及び第２の入力ポート並びに出力ポートの少なくとも３つのポートを有し、前記出力ポートに前記ガス流路の前記上流端が接続される弁と、
前記第１の入力ポートに接続されるガスタンクと、
前記第２の入力ポートに接続される真空ポンプと、
前記第１の入力ポートが前記出力ポートに連通された状態と、前記第２の入力ポートが前記出力ポートに連通された状態とが交互に切り替えられるように、前記弁を制御する弁制御装置と、
を有してもよい。

【0014】

本発明の第２の観点に係る気泡生成方法は、
液体を貯留する液体貯留部を有する蓄気室と、
前記液体貯留部を、前記蓄気室の外部において前記液体を貯留する液槽に連通させる液体連通路と、
下流端が前記液体貯留部の前記液体中に配置されるガス流路と、
を用いる気泡生成方法であって、
前記ガス流路内を減圧することにより、前記液体貯留部の前記液体が前記ガス流路内のガスと混ざり合うように、前記液体貯留部の前記液体を前記下流端から吸い込ませる吸い込みステップと、
前記吸い込ませた液体及び該液体と混ざり合った前記ガスを、前記ガス流路内を加圧することにより、前記下流端から前記液体貯留部に噴出させる噴出ステップと、
を含み、
前記蓄気室が、前記液体貯留部の上方に、前記ガスを収容する空間であって、前記液体貯留部に貯留された前記液体の液面と接する空間を画定するガス収容部をさらに有し、
前記ガス収容部によって画定された前記空間が前記ガス流路の上流端と連通していることにより、
前記吸い込みステップでは、前記液槽の前記液体を、前記液体連通路を通じて前記液体貯留部に引き上げ、かつ引き上げた前記液体を前記下流端から吸い込ませ、
前記噴出ステップでは、前記下流端から前記液体貯留部に噴出された前記液体及び前記ガスを、前記液体連通路を通じて前記液槽に押し込む。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、ガス流路内に吸い込まれた液体が、ガス流路内でガスと混ざり合うため、ガス流路内で気泡を生成することができる。生成された気泡に対し、ガス流路の減圧及び加圧のそれぞれの過程で、ガス流路内で攪拌力等を作用させることができるため、気泡の微細化を効率的に行うことができる。液体中にはガス流路の下流端を配置するだけでよく、従来必要であった円盤等の剪断力を付与するための部材が不要であるため、大がかりな構成を必要とせずに済む。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態に係る気泡生成装置の概略構成を示す概念図である。

【図2】気泡生成ノズルの断面図である。

【図3】蓄気室内の気圧変動を模式的に示すグラフである。

【図4】第２の実施形態に係る気泡生成装置の概略構成を示す概念図である。

【図5】ガス流路の下流端の部分の構成例を示す断面図である。

【図6】（Ａ）は実施例１に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例１で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図7】（Ａ）は実施例２に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例２で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図8】（Ａ）は実施例３に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例３で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図9】（Ａ）は実施例４〜７で共通して用いた気泡生成ノズルの斜視図であり、（Ｂ）は同気泡生成ノズルの断面図である。

【図10】（Ａ）は実施例４に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例４で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図11】（Ａ）は実施例５に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例５で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図12】（Ａ）は実施例６に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例６で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図13】（Ａ）は実施例７に係る蓄気室内の気圧変動を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例７で得られた気泡の直径別頻度分布を示すヒストグラムである。

【図14】気泡のゾータ平均径の、蓄気室内の気圧変動の周波数に対する依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の一実施形態に係る気泡生成装置について、図面を参照しながら説明する。図中、同一又は相当する部分に同一符号を付す。

【0018】

〔第１の実施形態〕
図１に示すように、第１の実施形態に係る気泡生成装置１００は、下流端１０ａが液槽６０内の液体Ｌ中に配置されるガス流路１０と、ガス流路１０の上流端１０ｂに接続された電磁弁２０と、電磁弁２０に接続されたガスタンク３０及び真空ポンプ４０と、電磁弁２０を制御する弁制御装置５０とを備える。

【0019】

ガス流路１０は、内部にガスを収容する空間を画定する蓄気室１２と、蓄気室１２内のガスを液槽６０に案内する下流側ガス管１１と、蓄気室１２を電磁弁２０に接続する上流側ガス管１３とを有する。

【0020】

下流側ガス管１１は、蓄気室１２に接続される本体部１１１と、本体部１１１の下流側端部に接続される気泡生成ノズル１１２とを有する。気泡生成装置１００は、後述するように、気泡生成ノズル１１２から液体Ｌを吸い込み、吸い込んだ液体Ｌをガス流路１０内のガスと共に気泡生成ノズル１１２から噴出させる動作を繰り返す。

【0021】

図２に示すように、気泡生成ノズル１１２は、本体部１１１側から、ガス流路１０（図１参照）の下流端１０ａに位置する端部開口１１２ｅに向かって順に連続して形成される縮径テーパ部１１２ａ、喉部１１２ｂ、拡径テーパ部１１２ｃ、及び直管部１１２ｄを有する。これらのうち、縮径テーパ部１１２ａ、喉部１１２ｂ、及び拡径テーパ部１１２ｃによって、液体Ｌの流れを絞る絞り部が構成されている。

【0022】

縮径テーパ部１１２ａでは、喉部１１２ｂに向かってガス流路１０の断面積が次第に減少する。喉部１１２ｂでは、ガス流路１０の断面積は略一定である。喉部１１２ｂにおけるガス流路１０の断面積は、気泡生成ノズル１１２において最も小さい。拡径テーパ部１１２ｃでは、直管部１１２ｄに向かってガス流路１０の断面積が次第に増大する。直管部１１２ｄにおけるガス流路１０の断面積は、本体部１１１におけるガス流路１０の断面積よりも小さい。

【0023】

図１に戻って、電磁弁２０は、第１の入力ポート２０ａ、第２の入力ポート２０ｂ、及び出力ポート２０ｃを有する三方弁である。第１の入力ポート２０ａに、ガスタンク３０が接続されている。第２の入力ポート２０ｂに、真空ポンプ４０の吸気口が接続されている。出力ポート２０ｃに、ガス流路１０の上流端１０ｂが接続されている。

【0024】

ガスタンク３０は、気密な容器で構成される。ガスタンク３０には、気泡Ｂを形成するガスがコンプレッサにより予め圧入されている。ガスタンク３０は、第１の入力ポート２０ａが出力ポート２０ｃと連通した際に、ガス流路１０の上流端１０ｂからガス流路１０内にガスを送り込む。

【0025】

真空ポンプ４０は、第２の入力ポート２０ｂが出力ポート２０ｃと連通した際に、ガス流路１０からガスを排出することで、ガス流路１０内を減圧する。

【0026】

弁制御装置５０は、第１の入力ポート２０ａが出力ポート２０ｃに連通された状態と、第２の入力ポート２０ｂが出力ポート２０ｃに連通された状態とが交互に切り替えられるように、電磁弁２０を制御する。これにより、弁制御装置５０は、電磁弁２０、ガスタンク３０、及び真空ポンプ４０と共に、ガス流路１０内のガス圧を制御するガス圧制御装置としての役割を果たす。

【0027】

図３は、蓄気室１２内の気圧変動を模式的に示したグラフである。以下、図３を参照し、弁制御装置５０によって実現される気泡生成装置１００の動作を説明する。

【0028】

時刻Ｔ０で、弁制御装置５０は、第２の入力ポート２０ｂを出力ポート２０ｃと連通させる。これにより、ガス流路１０内のガスが、真空ポンプ４０によって排気される。このため、蓄気室１２内の気圧が次第に低下してゆく。以降、弁制御装置５０は、時刻Ｔ０〜Ｔ２の間、第２の入力ポート２０ｂを出力ポート２０ｃと連通させた状態を保つ。

【0029】

時刻Ｔ１で、蓄気室１２内の気圧が大気圧Ｐ０未満の臨界値（以下、吸引開始圧力という。）まで低下し、気泡生成ノズル１１２内への液体Ｌの吸い込みが始まる。以降、時刻Ｔ１〜Ｔ３の間、気泡生成ノズル１１２内への液体Ｌの吸い込みが継続する。

【0030】

図２を参照し、液体Ｌが気泡生成ノズル１１２内に吸い込まれる際の作用を説明する。液体Ｌは、加圧されつつ拡径テーパ部１１２ｃを通り、喉部１１２ｂ及び縮径テーパ部１１２ａを通る過程で急激に減圧されることにより、本体部１１１側に噴出する。これにより、気泡生成ノズル１１２内又は本体部１１１内で、液体Ｌとガスとが混ざり合う。この結果、気泡生成ノズル１１２内又は本体部１１１内で、液体Ｌ中に気泡Ｂが生成される。また、気泡Ｂが生成された後も液体Ｌの吸い込みが継続されるため、いったん生成された気泡Ｂが、気泡生成ノズル１１２内又は本体部１１１内で攪拌力を受ける。この攪拌力で気泡Ｂが分裂するため、気泡Ｂの微細化も図られる。

【0031】

時刻Ｔ２で、蓄気室１２の内圧が最小値Ｐｍｉｎに達する。時刻Ｔ２で、弁制御装置５０は、第１の入力ポート２０ａを出力ポート２０ｃと連通させる。これにより、ガスタンク３０からガス流路１０内にガスが圧入される。このため、蓄気室１２内の気圧が次第に上昇する。以降、弁制御装置５０は、時刻Ｔ２〜Ｔ５の間、第１の入力ポート２０ａを出力ポート２０ｃと連通させた状態を保つ。

【0032】

時刻Ｔ３で、蓄気室１２内の気圧が大気圧Ｐ０に戻り、気泡生成ノズル１１２への液体Ｌの吸い込みが止まる。このとき、気泡Ｂを含む液体Ｌの上面は、図２に示す縮径テーパ部１１２ａよりも蓄気室１２側の位置まで達する。

【0033】

時刻Ｔ４で、蓄気室１２内の気圧が大気圧Ｐ０を超える臨界値（以下、噴出開始圧力という。）に達し、気泡生成ノズル１１２からの、液体Ｌ及び気泡Ｂの噴出が始まる。以降、時刻Ｔ４〜Ｔ６の間、気泡生成ノズル１１２からの液体Ｌ及び気泡Ｂの噴出が継続する。

【0034】

図２を参照し、液体Ｌ及び気泡Ｂが気泡生成ノズル１１２から噴出する際の作用を説明する。上述した時刻Ｔ１〜Ｔ３の間に、気泡生成ノズル１１２内で混ざり合ったガス及び液体Ｌ、即ち気泡生成ノズル１１２内で生成された気泡Ｂを含む液体Ｌは、本体部１１１側から加圧されつつ縮径テーパ部１１２ａを通り、喉部１１２ｂ及び拡径テーパ部１１２ｃを通る過程で急激に減圧されることにより、端部開口１１２ｅ側に噴出する。この加圧と減圧及び噴出の過程で、気泡Ｂが攪拌力を受ける。攪拌力で気泡Ｂが分裂するため、気泡Ｂのさらなる微細化が図られる。こうして、微細化された気泡Ｂが液槽６０内に噴出される。

【0035】

時刻Ｔ５で、蓄気室１２の内圧が最大値Ｐｍａｘに達する。時刻Ｔ５で、弁制御装置５０は、第２の入力ポート２０ｂを出力ポート２０ｃと連通させる。これにより、ガス流路１０内のガスが、真空ポンプ４０によって排気される。このため、蓄気室１２内の気圧が次第に低下してゆく。以降、弁制御装置５０は、時刻Ｔ５〜Ｔ８の間、第２の入力ポート２０ｂを出力ポート２０ｃと連通させた状態を保つ。

【0036】

時刻Ｔ６で、蓄気室１２内の気圧が大気圧Ｐ０に戻り、気泡生成ノズル１１２からの気泡Ｂ及び液体Ｌの噴出が止まる。

【0037】

時刻Ｔ７で、蓄気室１２内の気圧が吸引開始圧力まで低下し、気泡生成ノズル１１２内への液体Ｌの吸い込みが始まる。以降、時刻Ｔ７〜Ｔ９の間、気泡生成ノズル１１２内への液体Ｌの吸い込みが継続される。

【0038】

このとき、上述した時刻Ｔ４〜Ｔ６の間に液槽６０中に噴出した気泡Ｂが再び吸い込まれることもあり得る。この場合、気泡Ｂ及び液体Ｌは、液槽６０から吸い込まれる際、図２に示す端部開口１１２ｅの位置で剪断力を受ける。剪断力で気泡Ｂが分裂するため、気泡Ｂのさらなる微細化が図られる。また、気泡Ｂは気泡生成ノズル１１２内で再び攪拌力を受けることによっても微細化される。

【0039】

そして、時刻Ｔ８で、弁制御装置５０がガスタンク３０からのガスの圧入を開始させ、時刻Ｔ９で、気泡生成ノズル１１２への吸引が止まり、時刻Ｔ１０で、気泡生成ノズル１１２からの噴出が始まる。

【0040】

このようにして、気泡生成ノズル１１２からの噴出と、気泡生成ノズル１１２内への吸引とが交互に繰り返される。この繰り返しの過程で、微細化された気泡Ｂが、さらに微細化されてゆく。この結果、例えば、ファインバブルと呼ばれる直径１００μｍ以下の気泡Ｂを形成することができる。

【0041】

以上説明した気泡生成装置１００によれば、ガス流路１０内で気泡Ｂを生成することができ、生成された気泡Ｂに対し、液体Ｌの吸い込み及び噴出のそれぞれの過程で、攪拌力等を作用させることができるため、気泡Ｂの微細化を効率的に行うことができる。

【0042】

また、液槽６０中には、気泡生成ノズル１１２を含むガス流路１０の下流側端部を挿入するだけでよい。従来必要であった円盤等の剪断力を付与するための部材を液槽６０中に配置する必要が無い。液体ポンプも不要である。このため、大がかりな構成を必要とせずに済む。

【0043】

〔第２の実施形態〕
次に、図４を参照し、本発明の第２の実施形態について説明する。

【0044】

図４に示すように、第２の実施形態に係る気泡生成装置２００は、下流端７０ａが液体Ｌ中に配置されるガス流路７０と、ガス流路７０の上流端７０ｂに接続された電磁弁２０と、電磁弁２０に接続されたガスタンク３０及び真空ポンプ４０と、電磁弁２０を制御する弁制御装置５０とを備える。

【0045】

さらに、本気泡生成装置２００は、ガス流路７０の下流端７０ａが配置される液体Ｌを貯留する液体貯留部８０ａを下方に有する蓄気室８０と、液体貯留部８０ａを、蓄気室８０の外部において液体Ｌを貯留する液槽６０に連通させる液体連通路９０とを備える。

【0046】

ガス流路７０は、下流端７０ａを構成する気泡生成ノズル（以下、第１の気泡生成ノズルという。）１１２を備える。第１の気泡生成ノズル１１２は、液体貯留部８０ａに挿入されている。また、ガス流路７０は、蓄気室８０と連通している。具体的には、ガス流路７０の、液体貯留部８０ａとの接続部分から上流端７０ｂまでの間の中間部分が、蓄気室８０に接続されている。

【0047】

液体連通路９０の液槽６０側の端部も、気泡生成ノズル（以下、第２の気泡生成ノズルという。）１１２’で構成されている。第２の気泡生成ノズル１１２’は、第１の気泡生成ノズル１１２と同じく、図２に示す構成を有する。

【0048】

本実施形態においても、弁制御装置５０は、第１の入力ポート２０ａが出力ポート２０ｃに連通された状態と、第２の入力ポート２０ｂが出力ポート２０ｃに連通された状態とが交互に切り替えられるように電磁弁２０を制御する。これにより、弁制御装置５０は、電磁弁２０、ガスタンク３０、及び真空ポンプ４０と共に、ガス圧制御装置としての役割を果たす。

【0049】

第２の入力ポート２０ｂが出力ポート２０ｃに連通された状態では、真空ポンプ４０によって、ガス流路７０及び蓄気室８０が減圧される。この結果、液槽６０内の液体Ｌが、液体連通路９０を通じて液体貯留部８０ａに引き上げられ、液体貯留部８０ａの液面レベルが上昇すると共に、液体貯留部８０ａに移行した液体Ｌが、第１の気泡生成ノズル１１２内に吸い込まれる。

【0050】

これにより、液体Ｌが図２に示す喉部１１２ｂから本体部１１１側に噴出し、第１の気泡生成ノズル１１２内で、液体Ｌとガスとが混ざり合う。この結果、気泡生成ノズル１１２内で、液体Ｌ中に気泡Ｂが生成される。また、いったん生成された気泡Ｂが第１の気泡生成ノズル１１２内で攪拌力を受ける。この攪拌力で気泡Ｂが分断されるため、気泡Ｂの微細化も図られる。

【0051】

次に、第１の入力ポート２０ａが出力ポート２０ｃに連通された状態では、ガスタンク３０からガス流路７０にガスが送り込まれる。この結果、第１の気泡生成ノズル１１２から気泡Ｂ及び液体Ｌが噴出する。また、ガス流路７０と連通した蓄気室８０が加圧されるため、液体貯留部８０ａに噴出された液体Ｌ及び気泡Ｂは、液体連通路９０を通じて、液槽６０に押し込まれる。

【0052】

但し、第１の気泡生成ノズル１１２から噴出された気泡Ｂのうち、サイズが大きいものは、浮力が勝って上昇し、蓄気室８０に消散する。このため、サイズの小さな気泡Ｂだけを液槽６０に移動させることができる。さらに、気泡Ｂは液槽６０に移動する過程で、第２の気泡生成ノズル１１２’内で攪拌力を受ける。このため、気泡Ｂのさらなる微細化が図られる。

【0053】

次に、再び第２の入力ポート２０ｂが出力ポート２０ｃに連通された状態では、液槽６０内の液体Ｌ及び気泡Ｂが、液体連通路９０を通じて液体貯留部８０ａに引き戻され、液体貯留部８０ａの液面レベルが上昇すると共に、液体貯留部８０ａに移行した液体Ｌ及び気泡Ｂが、第１の気泡生成ノズル１１２内に吸い込まれる。この過程で、気泡Ｂは、第２の気泡生成ノズル１１２’及び第１の気泡生成ノズル１１２で、再び微細化されうる。

【0054】

こうして、弁制御装置５０によって、第１の入力ポート２０ａが出力ポート２０ｃに連通された状態と、第２の入力ポート２０ｂが出力ポート２０ｃに連通された状態とが交互に切り替えられることにより、微細化された気泡Ｂが、さらに微細化されてゆく。この結果、ファインバブルと呼ばれる直径１００μｍ以下の気泡Ｂを形成することができる。

【0055】

本実施形態に係る気泡生成装置２００によれば、ガス流路７０内で気泡Ｂを生成することができ、生成された気泡Ｂに対し、ガス流路７０の加圧及び減圧のそれぞれの過程で、攪拌力等を作用させることができるため、気泡Ｂの微細化を効率的に行うことができる。

【0056】

また、液体貯留部８０ａの液体Ｌ中には、第１の気泡生成ノズル１１２を挿入するだけでよく、液槽６０の液体Ｌ中には、液体連通路９０の下流側端部を挿入するだけでよい。従来必要であった円盤等の剪断力を付与するための部材は不要である。液体ポンプも不要である。このため、大がかりな構成を必要とせずに済む。

【0057】

以下、図５を参照し、ガス流路１０，７０の下流端１０ａ，７０ａ、及び液体連通路９０の液槽６０側端部の構成の変形例について説明する。

【0058】

図５（Ａ）に示すように、気泡生成ノズル３００は、喉部３０１と直管部３０３との間にのみ拡径テーパ部３０２を備え、喉部３０１の上流側には縮径テーパ部を備えない構成としてもよい。この場合、喉部３０１と拡径テーパ部３０２とで絞り部が構成される。気泡Ｂ及び液体Ｌを気泡生成ノズル３００内に吸引する際の吸引抵抗を、拡径テーパ部３０２によって緩和でき、多くの気泡Ｂ及び液体Ｌを気泡生成ノズル３００内に吸引できる。このため、気泡Ｂを効率よく微細化することができる。

【0059】

図５（Ｂ）に示すように、気泡生成ノズル４００は、テーパ部を備えずに、オリフィス４０１を備えてもよい。この場合、オリフィス４０１によって絞り部が構成される。気泡Ｂ及び液体Ｌは、オリフィス４０１を通過する際に、圧力変動を受け、攪拌される。これにより、例えばオリフィス４０１において気泡Ｂが分裂する等して、気泡Ｂの微細化が図られる。

【0060】

図５（Ｃ）に示すように、気泡生成ノズル５００は、複数の貫通孔５０１ａが形成されたシャワープレート５０１を下流端に備えてもよい。このシャワープレート５０１も、個々の貫通孔５０１ａにおいて液体Ｌ及び気泡Ｂの流れを絞るため、絞り部を構成する。なお、シャワープレート５０１の配置位置は、ガス流路の途中でもよい。シャワープレート５０１でガスや気泡Ｂが細断され、微細化が図られる。

【0061】

図５（Ｄ）に示すように、気泡生成ノズルを用いずに、直管状の本体部１１１が、ガス流路１０の下流端１０ａを構成してもよい。即ち、絞り部を有する気泡生成ノズルは必須でなく、直管状の本体部１１１を直接的に液体Ｌ中に配置してもよい。直管状の本体部１１１を用いても、液体Ｌがガス流路１０内でガスと混ざり合うように、液体Ｌを吸い込ませ得ることは当業者に理解できるであろう。例えば、ガス流路１０の減圧を急激に行えば、直管状の本体部１１１の下流端１０ａから液体Ｌが噴入し、液体Ｌとガスが混ざり合う結果、ガス流路１０内で気泡Ｂが生成され得ると共に、生成された気泡Ｂの微細化も図られ得る。このようにして、ガス流路１０内で液体Ｌとガスとを混合させるにあたり、用いる液体Ｌの粘度等との関係で、直管状の本体部１１１の内径やガス流路１０の減圧と加圧の切り替えの周波数等をどのように設定するかは、当業者の設計事項である。

【0062】

以下、本発明の実施例について説明する。

【0063】

〔実施例１〕
図１に示す気泡生成装置１００を用いて気泡の生成を行った。但し、気泡生成ノズル１１２は用いず、図５（Ｄ）に示す直管状の本体部１１１を直接的に液槽６０に浸漬させた。本体部１１１には、内径０．７ｍｍ、長さ４０ｍｍ、断面が円形の細管を用いた。液体Ｌには、粘度１ｃＰの蒸留水を用い、気泡Ｂを形成するガスには空気を用いた。ガスタンク３０からの空気の供給量は０．５〜２．０Ｌ／ｍｉｎとした。真空ポンプ４０には到達真空度−２０〜−１００ｋＰａのものを用いた。

【0064】

図６（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。弁制御装置５０によって、蓄気室１２の気圧変動の周波数が５Ｈｚとなるよう電磁弁２０を制御した。蓄気室１２の気圧の平均値は約１ｋＰａであり、振幅は、１０〜１５ｋＰａであった。

【0065】

図６（Ｂ）に、得られた気泡Ｂの直径別頻度分布であるヒストグラムを示す。このヒストグラムは、得られた気泡Ｂを含む液体Ｌのサンプルを光学顕微鏡で観察し、サンプル中の気泡を直径の階級別に分類することで得た。また、このヒストグラムから、気泡Ｂのゾータ（Sauter）平均径Ｄ_３２を求めた。ゾータ平均径Ｄ_３２は、階級ｉの中央値をｄ_ｉ、気泡数（度数）をｎ_ｉとしたとき、値（ｎ_ｉ×ｄ_ｉ^３）／（ｎ_ｉ×ｄ_ｉ^２）の、階級ｉに関する和で与えられる。ゾータ平均径Ｄ_３２は６８．０μｍであった。即ち、直径１００μｍ以下のファインバブルを生成できたことを確認した。

【0066】

〔実施例２〕
液体Ｌとして、蒸留水の添加により粘度を２１．６ｃＰに調整した液体デキストリンを用いた。ガスタンク３０からの空気の供給量は１．５〜２．０Ｌ／ｍｉｎとした。これ以外は、実施例１と同じ条件で気泡を生成した。

【0067】

図７（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。実施例１と同じく、弁制御装置５０によって、蓄気室１２の気圧変動の周波数が５Ｈｚとなるよう電磁弁２０を制御した。蓄気室１２の気圧の平均値は約３ｋＰａであり、振幅は、１０〜１５ｋＰａであった。

【0068】

図７（Ｂ）に、得られた気泡Ｂのヒストグラムを示す。得られた気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は５２．１μｍであった。以上のように、粘度が蒸留水の約２０倍程度の粘性液体に対しても、ファインバブルを生成できたことを確認した。

【0069】

〔実施例３〕
図４に示す気泡生成装置２００を用いて気泡の生成を行った。但し、気泡生成ノズル１１２は用いず、図５（Ｄ）の例と同様、ガス流路７０を構成する直管状部材を直接的に液体貯留部８０ａに挿入した。その直管状部材には内径０．５ｍｍの細管を用いた。液体貯留部８０ａは筒状をなし、その内径は１０ｍｍである。液体連通路９０には、内径０．７ｍｍ、長さ４０ｍｍの細管を用いた。液体Ｌには、粘度１ｃＰの蒸留水を用い、気泡Ｂを形成するガスには空気を用いた。ガスタンク３０からの空気の供給量は１．０〜２．０Ｌ／ｍｉｎとした。真空ポンプ４０には到達真空度−２０〜−１００ｋＰａのものを用いた。

【0070】

図８（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。弁制御装置５０によって、蓄気室８０の気圧変動の周波数が０．２Ｈｚとなるように電磁弁２０を制御した。蓄気室８０内の気圧の平均値は約８ｋＰａであり、振幅は、約３０ｋＰａであった。

【0071】

図８（Ｂ）に、得られた気泡Ｂのヒストグラムを示す。得られた気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は５１．１μｍであった。液体貯留部８０ａと液体連通路９０とを備えた構成により、実施例１に比べて小さなファインバブルを生成できたことを確認した。

【0072】

次に、液体Ｌ中に生成される気泡Ｂのサイズの、蓄気室１２の気圧変動の周波数に対する依存性を調べるために、蓄気室１２の気圧変動の周波数を種々変更した実施例４〜７及び比較例について説明する。

【0073】

図９（Ａ）に、実施例４〜７で共通して用いた気泡生成ノズル６００の斜視図を示す。気泡生成ノズル６００は、直管状の本体部１１１の複数箇所に形成された絞り部６０１〜６０３を有する。絞り部６０１〜６０３の各々の流路断面積は、本体部１１１の流路断面積よりも小さい。絞り部６０１は、ガス流路１０の下流端を構成しており、絞り部６０２は、絞り部６０１よりも上流に配置されており、絞り部６０３は、絞り部６０２よりも上流に配置されている。

【0074】

本体部１１１の流路断面は円形であり、絞り部６０１〜６０３の各々の流路断面は、一方向を長手方向とする長方形である。このように、本体部１１１と絞り部６０１〜６０３とで流路断面の形状を異ならせている。これにより、絞り部６０１〜６０３の流路断面を本体部１１１の流路断面と相似形とする場合に比べて、気泡Ｂを破砕する効果を高めることができ、かつ圧力損失を抑制できる。圧力損失を抑制することで、気泡生成ノズル６００内での液体Ｌの上下運動を円滑に行わせることができる。

【0075】

以下、絞り部６０１〜６０３の各々の流路断面の長手方向をＹ軸方向、同流路断面の短手方向をＸ軸方向、気泡生成ノズル６００の流路に沿う長さ方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を定義して説明を続ける。

【0076】

図９（Ｂ）は、気泡生成ノズル６００のＸＺ平面に平行な断面図である。絞り部６０２のＺ軸方向中間位置の下流端からの距離Ｄ１は、１０ｍｍである。絞り部６０３のＺ軸方向中間位置の下流端からの距離Ｄ２は、３０ｍｍである。本体部１１１の内径Ｄ３は１．５５ｍｍであり、本体部１１１のＺ軸方向の全長は１２０ｍｍである。絞り部６０１〜６０３の流路断面のＸ軸方向の幅Ｄ４は、４００μｍ以下である。なお、絞り部６０１〜６０３の流路断面のＹ軸方向の幅は、本体部１１１の内径Ｄ３と略等しい。

【0077】

〔実施例４〕
図１に示す気泡生成装置１００において、気泡生成ノズル１１２に代えて、上述した気泡生成ノズル６００を用い、気泡Ｂを生成した。液体Ｌには、粘度１ｃＰの蒸留水を用い、気泡Ｂを形成するガスには空気を用いた。ガスタンク３０からの空気の供給量は０．５〜２．０Ｌ／ｍｉｎとした。真空ポンプ４０には到達真空度−２０〜−１００ｋＰａのものを用いた。

【0078】

図１０（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。弁制御装置５０によって、蓄気室１２の気圧変動の周波数が４．５Ｈｚとなるよう電磁弁２０を制御した。蓄気室１２の気圧の平均値は約１０ｋＰａであり、振幅は、１５〜２０ｋＰａであった。

【0079】

図１０（Ｂ）に、得られた気泡Ｂのヒストグラムを示す。気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は３５７．１μｍであった。

【0080】

〔実施例５〕
蓄気室１２の気圧変動の周波数を実施例４の条件とは異ならせ、周波数以外は実施例４と同じ条件で気泡Ｂを生成した。

【0081】

図１１（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。弁制御装置５０によって、蓄気室１２の気圧変動の周波数が５．３Ｈｚとなるよう電磁弁２０を制御した。蓄気室１２の気圧の平均値は約７．５ｋＰａであり、振幅は、１０〜１５ｋＰａであった。

【0082】

図１１（Ｂ）に、得られた気泡Ｂのヒストグラムを示す。気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は１３５．４μｍであった。

【0083】

〔実施例６〕
蓄気室１２の気圧変動の周波数を実施例４及び５の条件とは異ならせ、周波数以外は実施例４及び５と同じ条件で気泡Ｂを生成した。

【0084】

図１２（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。弁制御装置５０によって、蓄気室１２の気圧変動の周波数が８．３Ｈｚとなるよう電磁弁２０を制御した。蓄気室１２の気圧の平均値は約１０．５ｋＰａであり、振幅は、１５〜２０ｋＰａであった。

【0085】

図１２（Ｂ）に、得られた気泡Ｂのヒストグラムを示す。気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は７８．６μｍであった。

【0086】

〔実施例７〕
蓄気室１２の気圧変動の周波数を実施例４〜６の条件とは異ならせ、周波数以外は実施例４〜６と同じ条件で気泡Ｂを生成した。

【0087】

図１３（Ａ）に、蓄気室１２の気圧変動のグラフを示す。弁制御装置５０によって、蓄気室１２の気圧変動の周波数が１４．３Ｈｚとなるよう電磁弁２０を制御した。蓄気室１２の気圧の平均値は約２．３ｋＰａであり、振幅は、５〜１０ｋＰａであった。

【0088】

図１３（Ｂ）に、得られた気泡Ｂのヒストグラムを示す。気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は４５．２μｍであった。

【0089】

〔比較例〕
実施例４〜７で用いた気泡生成ノズル６００を用い、蓄気室１２の気圧変動の周波数をゼロとして、気泡Ｂを生成した。具体的には、蓄気室１２の気圧を、気泡生成ノズル６００への液体Ｌの吸い込みは生じず、気泡生成ノズル６００の下流端から徐々に気泡Ｂが離脱するような一定値に保った。この場合、液体Ｌ中に生成された気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２は３３６０μｍであった。

【0090】

図１４に、以上説明した実施例４〜７及び比較例で得られた気泡Ｂのゾータ平均径Ｄ_３２をプロットしたグラフを示す。横軸は、蓄気室１２の気圧変動の周波数を示す。共通の気泡生成ノズル６００を用いる場合、蓄気室１２の気圧変動の周波数が高い程、ゾータ平均径Ｄ_３２の小さな気泡Ｂが得られることが分かる。蓄気室１２の気圧変動の周波数を調整することにより、ゾータ平均径Ｄ_３２４５．２μｍ以上、３３６０μｍ未満の気泡Ｂを生成することができた。

【0091】

以上、本発明の実施形態及び実施例について説明した。本発明はこれに限られず、例えば、以下に述べる変形が可能である。

【0092】

上記実施形態及び実施例では、１つのガス流路１０又は７０を備えた気泡生成装置を示したが、気泡生成装置は、複数のガス流路を備えてもよい。例えば、図１で、下流側ガス管１１を蓄気室１２に複数本接続してもよい。また、図４で、液体貯留部８０ａに複数本のガス流路７０を挿入してもよい。複数のガス流路を備えることにより、気泡の生成効率を高めることができる。

【0093】

上記実施形態及び実施例では、１つの孤立した液槽６０内で気泡Ｂの生成を行ったが、液体Ｌを案内する液体循環路中で、気泡を生成することもできる。例えば、その液体循環路に、図１の下流側ガス管１１又は図４の液体連通路９０を挿入することで、その液体循環路中に気泡を生成することもできる。図１及び図４に示す液槽６０は、液体の循環経路の一部を構成するものであってもよい。

【0094】

上記実施形態及び実施例では、断面が円形のガス流路を用いたが、ガス流路の断面形状は限定されない。気泡生成ノズル１１２や本体部１１１の断面形状は、例えば、矩形、多角形、又は楕円形であってもよい。ガスとしては、空気の他、例えば、酸素、オゾン、二酸化炭素、窒素等を用いることができる。

【0095】

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態及び実施例は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。即ち、本発明の範囲は、実施形態及び実施例ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

【符号の説明】

【0096】

１０，７０…ガス流路、１０ａ，７０ａ…下流端、１０ｂ，７０ｂ…上流端、１１…下流側ガス管、１１１…本体部、１１２，１１２’，３００，４００，５００，６００…気泡生成ノズル、１１２ａ…縮径テーパ部、１１２ｂ，３０１…喉部、１１２ｃ，３０２…拡径テーパ部、１１２ｄ，３０３…直管部、１１２ｅ…端部開口、１２，８０…蓄気室、１３…上流側ガス管、２０…電磁弁、２０ａ…第１の入力ポート、２０ｂ…第２の入力ポート、２０ｃ…出力ポート、３０…ガスタンク、４０…真空ポンプ、５０…弁制御装置、６０…液槽、８０ａ…液体貯留部、９０…液体連通路、１００，２００…気泡生成装置、４０１…オリフィス、５０１…シャワープレート、５０１ａ…貫通孔、６０１〜６０３…絞り部、Ｌ…液体、Ｂ…気泡。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】