特許 6954598 気泡形成装置及び気泡形成方法

(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】6954598

(24)【登録日】2021年10月4日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】気泡形成装置及び気泡形成方法

(51)【国際特許分類】

   B01F 11/00 20060101AFI20211018BHJP

   B01F 1/00 20060101ALI20211018BHJP

   B01F 3/04 20060101ALI20211018BHJP

   B01F 5/06 20060101ALI20211018BHJP

   B01F 5/00 20060101ALI20211018BHJP

【ＦＩ】

   B01F11/00 C

   B01F1/00 A

   B01F3/04 Z

   B01F5/06

   B01F5/00 D

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-114511(P2017-114511)

(22)【出願日】2017年6月9日

(65)【公開番号】特開2018-202376(P2018-202376A)

(43)【公開日】2018年12月27日

【審査請求日】2020年3月26日

(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】 特開２０１３−０４３１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０３９７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２０３１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平１１−５０７８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１９８７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭０４−００８７５０（ＪＰ，Ｙ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｆ １／００−５／０６、１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上面及び下面を有し、かつ上下方向に高さを有する中空の圧力容器であって、内部が気密かつ液密に保たれる閉状態と、前記内部が外部と連通した開状態とに切り替え可能であり、前記閉状態において、前記内部の圧力が大気圧より高い加圧条件下で、前記内部に液体と気体とを保持する圧力容器と、
前記圧力容器の前記内部に収容された撹拌子と、
前記液体と前記気体とを前記加圧条件下で保持している前記閉状態の前記圧力容器を、上下方向に振とうさせることにより、前記圧力容器の前記内部において、前記撹拌子によって、前記液体と前記気体とを撹拌させる振とう装置と、
を備え、
前記撹拌子によって撹拌された前記液体及び前記気体よりなる１次流体を排出するための開口が、前記圧力容器の前記下面に形成されており、
前記１次流体を排出するために前記圧力容器を前記閉状態から前記開状態に切り替えたときに、前記圧力容器の前記内部から前記外部に向かう前記１次流体の流れの動圧によって前記撹拌子が浮上されることにより、前記圧力容器における前記開口の縁と、浮上している前記撹拌子との間に隙間が形成され、かつ前記隙間によって、前記圧力容器から排出される前記１次流体の流れを絞る絞り部が構成される、
気泡形成装置。

【請求項2】

前記１次流体においては、前記気体の少なくとも一部が前記液体に溶解しており、
前記１次流体が前記隙間を通過するときに減圧されることにより、前記液体に溶解していた前記気体が前記液体中に気泡として出現し、前記液体と前記液体中に分散している前記気泡とを含む２次流体が形成される、
請求項１に記載の気泡形成装置。

【請求項3】

前記圧力容器と、該圧力容器に収容された前記撹拌子との組を、複数備え、
前記振とう装置が、それら複数の前記圧力容器を振とうさせることにより、それら複数の前記圧力容器において、前記１次流体が並行して形成される、
請求項１又は２に記載の気泡形成装置。

【請求項4】

上面及び下面を有し、かつ上下方向に高さを有する中空の圧力容器であって、内部に撹拌子が収容された圧力容器の前記内部に液体と気体とを導入し、前記内部の圧力が大気圧より高い加圧条件が満たされたときに、前記圧力容器を、前記内部が気密かつ液密に保たれる閉状態とする気液封入工程と、
前記液体と前記気体とを前記加圧条件下で保持している前記閉状態の前記圧力容器を、上下方向に振とうさせ、前記圧力容器の前記内部において、前記撹拌子によって、前記液体と前記気体とを撹拌させることにより、前記気体の少なくとも一部が前記液体に溶解している１次流体を形成する振とう工程と、
前記圧力容器を、前記閉状態から、前記圧力容器の前記内部が外部と連通した開状態に切り替え、かつ前記１次流体を減圧させる減圧工程と、
を含み、
前記１次流体を排出するための開口が、前記圧力容器の前記下面に形成されており、
前記減圧工程では、前記圧力容器を前記閉状態から前記開状態に切り替えたときに、前記圧力容器の前記内部から前記外部に向かう前記１次流体の流れの動圧によって前記撹拌子が浮上されることにより、前記圧力容器における前記開口の縁と、浮上している前記撹拌子との間に隙間が形成され、かつ前記隙間によって、前記圧力容器から排出される前記１次流体の流れを絞る絞り部が構成され、前記１次流体が前記絞り部を通過するときに、前記１次流体が減圧される、
気泡形成方法。

【請求項5】

前記１次流体においては、一部が前記液体に溶解した前記気体の残部の少なくとも一部が、気泡として前記液体中に分散しており、
前記減圧工程では、前記１次流体を、前記絞り部を通過させることにより、前記気泡が微細化され、かつ前記液体に溶解していた前記気体が前記液体中に気泡として出現した２次流体となす、
請求項４に記載の気泡形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気泡形成装置及び気泡形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示されるように、気体と液体とをタンク内で加圧することにより、タンク内で気体を液体に溶解させた後、タンクを大気解放することにより、液体に溶解していた気体を液体中に気泡として出現させ、液体中に気泡が分散した気液混合流体を得る気泡形成装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−２０７１６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記気泡形成装置においては、タンク内の圧力が或る程度高くないと気体が液体に充分に溶解しない。気体が充分に液体に溶解していなければ、大気解放時に、気泡の数密度が充分に高い気液混合流体を得ることができない。

【0005】

なお、タンク内を高圧化すると、気体の液体への溶解を促進させることができ、大気解放時に得られる気泡の数密度を高めうるが、タンクが高圧に耐えねばならないため、タンクひいては気泡形成装置全体の重厚化を招いてしまう。

【0006】

本発明の目的は、気体と液体とを保持する圧力容器の内部の圧力を必要以上に高圧化せずとも、圧力容器の内部において気体を液体に充分に溶解させることができる気泡形成装置及び気泡形成方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明に係る気泡形成装置は、
上面及び下面を有し、かつ上下方向に高さを有する中空の圧力容器であって、内部が気密かつ液密に保たれる閉状態と、前記内部が外部と連通した開状態とに切り替え可能であり、前記閉状態において、前記内部の圧力が大気圧より高い加圧条件下で、前記内部に液体と気体とを保持する圧力容器と、
前記圧力容器の前記内部に収容された撹拌子と、
前記液体と前記気体とを前記加圧条件下で保持している前記閉状態の前記圧力容器を、上下方向に振とうさせることにより、前記圧力容器の前記内部において、前記撹拌子によって、前記液体と前記気体とを撹拌させる振とう装置と、
を備え、
前記撹拌子によって撹拌された前記液体及び前記気体よりなる１次流体を排出するための開口が、前記圧力容器の前記下面に形成されており、
前記１次流体を排出するために前記圧力容器を前記閉状態から前記開状態に切り替えたときに、前記圧力容器の前記内部から前記外部に向かう前記１次流体の流れの動圧によって前記撹拌子が浮上されることにより、前記圧力容器における前記開口の縁と、浮上している前記撹拌子との間に隙間が形成され、かつ前記隙間によって、前記圧力容器から排出される前記１次流体の流れを絞る絞り部が構成される。

【0009】

前記１次流体においては、前記気体の少なくとも一部が前記液体に溶解しており、
前記１次流体が前記隙間を通過するときに減圧されることにより、前記液体に溶解していた前記気体が前記液体中に気泡として出現し、前記液体と前記液体中に分散している前記気泡とを含む２次流体が形成されてもよい。

【0010】

前記圧力容器と、該圧力容器に収容された前記撹拌子との組を、複数備え、
前記振とう装置が、それら複数の前記圧力容器を振とうさせることにより、それら複数の前記圧力容器において、前記１次流体が並行して形成されてもよい。

【0011】

本発明に係る気泡形成方法は、
上面及び下面を有し、かつ上下方向に高さを有する中空の圧力容器であって、内部に撹拌子が収容された圧力容器の前記内部に液体と気体とを導入し、前記内部の圧力が大気圧より高い加圧条件が満たされたときに、前記圧力容器を、前記内部が気密かつ液密に保たれる閉状態とする気液封入工程と、
前記液体と前記気体とを前記加圧条件下で保持している前記閉状態の前記圧力容器を、上下方向に振とうさせ、前記圧力容器の前記内部において、前記撹拌子によって、前記液体と前記気体とを撹拌させることにより、前記気体の少なくとも一部が前記液体に溶解している１次流体を形成する振とう工程と、
前記圧力容器を、前記閉状態から、前記圧力容器の前記内部が外部と連通した開状態に切り替え、かつ前記１次流体を減圧させる減圧工程と、
を含み、
前記１次流体を排出するための開口が、前記圧力容器の前記下面に形成されており、
前記減圧工程では、前記圧力容器を前記閉状態から前記開状態に切り替えたときに、前記圧力容器の前記内部から前記外部に向かう前記１次流体の流れの動圧によって前記撹拌子が浮上されることにより、前記圧力容器における前記開口の縁と、浮上している前記撹拌子との間に隙間が形成され、かつ前記隙間によって、前記圧力容器から排出される前記１次流体の流れを絞る絞り部が構成され、前記１次流体が前記絞り部を通過するときに、前記１次流体が減圧される。

【0013】

前記１次流体においては、一部が前記液体に溶解した前記気体の残部の少なくとも一部が、気泡として前記液体中に分散しており、
前記減圧工程では、前記１次流体を、前記絞り部を通過させることにより、前記気泡が微細化され、かつ前記液体に溶解していた前記気体が前記液体中に気泡として出現した２次流体となしてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、圧力容器の内部で気体と液体とが撹拌子によって撹拌されることにより、気体の液体への溶解が促進される。このため、圧力容器の内部の圧力を必要以上に高圧化せずとも、圧力容器の内部において気体を液体に充分に溶解させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態１に係る気泡形成装置の構成を示す概念図。

【図2】実施形態１に係る気泡形成方法の手順を示すフローチャート。

【図3】実施形態１に係る圧力容器を示す拡大断面図。

【図4】実施形態２に係る圧力容器を示す拡大断面図。

【図5】実施形態３に係る圧力容器を示す拡大断面図。

【図6】実施形態４に係る気泡形成装置の構成を示す概念図。

【図7】実施形態５に係る気泡形成装置の要部の構成を示す概念図。

【図8】実施例で得た気液混合流体中の気泡の直径別頻度分布を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る気泡形成装置について説明する。図中、同一又は対応する部分に同一の符号を付す。

【0017】

［実施形態１］
図１に示すように、本実施形態に係る気泡形成装置１００は、内部１１に液体と気体とを保持する圧力容器１０と、圧力容器１０の内部１１に収容された撹拌子２０と、圧力容器１０を振とうさせる振とう装置３０とを備える。

【0018】

この気泡形成装置１００は、振とう装置３０によって圧力容器１０を振とうさせることにより、圧力容器１０の内部１１において、液体と気体とを撹拌子２０によって撹拌するものである。以下、各部材について詳細に説明する。

【0019】

圧力容器１０は、上下方向に高さを有する中空の円柱状をなしている。圧力容器１０の上面には、圧力容器１０の内部１１に通じる導入用開口１２が形成されており、圧力容器１０の下面には、内部１１に通じる排出用開口１３が形成されている。

【0020】

圧力容器１０の導入用開口１２には、内部１１に液体と気体とを導入するための導入用配管４１が、気密かつ液密に接続されている。導入用配管４１は、圧力容器１０の内部１１を、気体源ＧＳと液体源ＬＳとに連通させている。

【0021】

気体源ＧＳは、導入用配管４１を通して、圧力容器１０の内部１１に気体を供給する。気体源ＧＳは、気体が加入された気体ボンベによって構成されている。気体ボンベの内圧によって、気体を、導入用配管４１を通して圧力容器１０の内部１１に圧送することができ、かつ内部１１の圧力を、大気圧を超える値に設定することができる。

【0022】

液体源ＬＳは、導入用配管４１を通して、圧力容器１０の内部１１に液体を供給する。液体源ＬＳは、シリンジに貯められた液体をピストンによって押し出す構成を有する液体充填器によって構成されている。なお、導入用配管４１には、液体源ＬＳから供給される液体の、気体源ＧＳへの流入を阻止する逆止弁４２が設けられている。

【0023】

また、導入用配管４１における、気体源ＧＳ及び液体源ＬＳと、導入用開口１２との間の経路には、導入用弁４３が設けられている。ユーザは、導入用弁４３を開いた状態で、液体源ＬＳから圧力容器１０に液体を供給することができ、気体源ＧＳから圧力容器１０に気体を供給することができる。

【0024】

また、ユーザは、導入用弁４３の開き度合いによって、圧力容器１０の内部１１への液体と気体の流入量を調整することができ、かつ導入用弁４３を閉じることで、気体源ＧＳ及び液体源ＬＳと、圧力容器１０の内部１１との連通を断つこともできる。

【0025】

一方、圧力容器１０の排出用開口１３には、撹拌子２０によって撹拌された気体及び液体よりなる１次流体ＦＬ１を、内部１１から外部に排出するための排出用配管４４が、気密かつ液密に接続されている。

【0026】

排出用配管４４には、排出用弁４５が設けられている。ユーザは、排出用弁４５を開くことで、圧力容器１０の内部１１を外部と連通させることができ、かつ排出用弁４５を閉じることで、内部１１と外部との連通を断つことができる。

【0027】

撹拌子２０は、液体源ＬＳから供給される液体よりも比重が大きい素材、具体的には、金属よりなる。撹拌子２０の体積は、撹拌子２０が圧力容器１０の内部１１で往復運動可能なように、圧力容器１０の内部１１の容積の１／２未満である。

【0028】

具体的には、圧力容器１０が内部１１に画定している空洞は、高さが直径の２倍を超える円柱状をなす。そして、撹拌子２０は、内部１１に画定された円柱状の空洞の直径、即ち圧力容器１０の内径よりも、やや小さい直径を有する球状をなす。

【0029】

振とう装置３０は、圧力容器１０を上下に振とうさせる。これにより、圧力容器１０の内部１１において、撹拌子２０が、導入用開口１２が形成された上側の内面と、排出用開口１３が形成された下側の内面とに交互に当たるように往復運動する。

【0030】

そして、この撹拌子２０の往復運動によって、圧力容器１０の内部１１において、液体と気体とが撹拌される。これにより、圧力容器１０の内部１１において、撹拌された気体及び液体よりなる１次流体ＦＬ１が形成される。

【0031】

また、後述するように、１次流体ＦＬ１は、圧力容器１０から排出される過程で、含有する気泡の数密度が高められた２次流体ＦＬ２となる。そして、その２次流体ＦＬ２が、排出用配管４４を通して外部に放出される。

【0032】

なお、導入用配管４１と排出用配管４４はフレキシビリティを有すると共に、導入用配管４１と排出用配管４４の各々の長さと引き回しは、振とう装置３０による圧力容器１０の振とうに伴って各々に生じる応力が、各々の弾性限界より充分に小さい値に抑えられるように設計されている。

【0033】

以下、図２を参照し、気泡形成装置１００を用いた気泡形成方法について説明する。以下の説明において、必要に応じて図１が参照される。

【0034】

なお、本気泡形成方法では、図２のステップＳ１〜Ｓ６の遂行を１バッチ処理とし、この１バッチ処理を繰り返す。１バッチ処理毎に、ステップＳ６で圧力容器１０が、内部１１に大気圧程度の圧力で気体が満たされた初期状態に戻る。以下、圧力容器１０がその初期状態に設定されていることを前提として、１バッチ処理の内容を具体的に説明する。

【0035】

図２に示すように、まず、ユーザは、排出用弁４５が閉じられた状態で、導入用弁４３を開く。これにより、圧力容器１０が、内部１１が気体源ＧＳと液体源ＬＳとに連通した導入時開状態となる（ステップＳ１）。

【0036】

次に、ユーザは、圧力容器１０に液体と気体を導入する（ステップＳ２）。具体的には、ユーザは、まず、液体源ＬＳから圧力容器１０の内部１１に向けて、液体を供給する。次に、ユーザは、気体源ＧＳから圧力容器１０の内部１１に、気体を圧送する。

【0037】

なお、導入用配管４１に液体が滞留していても、気体の送圧で液体が圧力容器１０の内部１１に押し込まれる。但し、圧力容器１０に液体と気体を導入する順番は任意であり、両者を並行して導入してもよい。

【0038】

圧力容器１０への気体の導入を開始すると、圧力容器１０の内部１１の圧力が大気圧より高くなる。ユーザは、圧力容器１０の内部１１が、大気圧よりも高く、気体が液体に溶解しうる程度の圧力へと高められた加圧条件が満たされるように、導入用弁４３の開き具合を調整することができる。

【0039】

そして、ユーザは、上記加圧条件が満たされたときに、導入用弁４３を閉じる（ステップＳ３）。これにより、圧力容器１０が、内部１１が気密かつ液密に保たれた閉状態へと切り替えられる。このとき、圧力容器１０は、上記加圧条件下で、撹拌子２０と共に液体と気体とを、内部１１に保持している。

【0040】

なお、上述したステップＳ２とＳ３は、圧力容器１０の内部１１に液体と気体とを導入し、内部１１の圧力が大気圧より高く、気体が液体に溶解しうる程度の圧力へと高められた加圧条件が満たされたときに、圧力容器１０を閉状態とする気液封入工程、に相当する。

【0041】

次に、ユーザは、振とう装置３０を作動させる。これにより、振とう装置３０によって圧力容器１０を振とうさせる振とう工程が開始する（ステップＳ４）。振とう装置３０を作動させると、圧力容器１０の内部１１で撹拌子２０が上下に往復運動し、この往復運動によって、圧力容器１０の内部１１において、液体と気体とが撹拌される。

【0042】

これにより、圧力容器１０の内部１１において、気体と液体とが混ざり合い、両者の接触面積が増大することで、気体の液体への溶解が促進される。また、気体と液体とが混ざり合う際、気体が気泡化される。その形成された気泡は、撹拌子２０と、圧力容器１０の内面との隙間において与えられるせん断力によって、微細化される。

【0043】

このようにして、圧力容器１０の内部１１において、気体の溶解と、気泡の微細化とが並行して進行する。この結果、気体源ＧＳから供給された気体の一部が液体に溶解し、かつその気体の残部の少なくとも一部が気泡として液体中に分散してなる１次流体ＦＬ１が、圧力容器１０の内部１１において形成される。

【0044】

ユーザは、ステップＳ４で振とう装置３０を作動させた後、１次流体ＦＬ１の形成に要する期間、即ち気体の溶解と気泡の微細化とに要する期間として予め定められた期間が経過した後に、振とう装置３０を停止させる。

【0045】

そして、ユーザは、導入用弁４３が閉じられた状態のままで、排出用弁４５を開く。これにより、圧力容器１０が、内部１１が外部と連通した排出時開状態に切り替えられる（ステップＳ５）。すると、圧力容器１０の内部１１の圧力よって、１次流体ＦＬ１が、自ずと圧力容器１０から排出される。

【0046】

１次流体ＦＬ１は、圧力容器１０から排出される過程で、含有する気泡の数密度が高められた２次流体ＦＬ２となる。以下、図３を参照し、２次流体ＦＬ２が形成されるメカニズムについて説明する。

【0047】

図３に示すように、排出用弁４５を開いたとき、内部１１から外部に向かう１次流体ＦＬ１の流れの動圧によって、撹拌子２０が浮上される。このため、圧力容器１０における排出用開口１３の縁と、撹拌子２０との間に、隙間ＧＰが形成される。

【0048】

この隙間ＧＰが、圧力容器１０から排出される１次流体ＦＬの流れを絞り、かつ１次流体ＦＬに含まれる気泡を微細化させる絞り部として機能する。この絞り部において、１次流体ＦＬに、減圧プロセスを含むキャビ―テーションが生じる。

【0049】

具体的には、１次流体ＦＬが隙間ＧＰを通過するときに、液体に溶解していた気体が減圧によって気泡として出現する。出現した気泡は、さらに加圧やせん断によって微細化されうる。また、１次流体ＦＬ１中に元々存在していた気泡も、加圧やせん断によって微細化される。

【0050】

この結果、１次流体ＦＬ１よりも、含有する気泡の数密度が高く、かつ含有する気泡の平均直径が小さい２次流体ＦＬ２が形成される。以上のように、図２に示すステップＳ５は、１次流体ＦＬ１を、隙間ＧＰで構成される絞り部を通過させることにより減圧させて２次流体ＦＬ２となす減圧工程、に相当する。

【0051】

図２に戻り、ステップＳ５において、圧力容器１０から１次流体ＦＬ１が排出され、内部１１の圧力が大気圧程度にまで下がると、ユーザは、排出用弁４５を閉じる（ステップＳ６）。これにより、圧力容器１０が、内部１１が気密かつ液密に保たれる閉状態へと切り替えられる。

【0052】

このとき、圧力容器１０の内部１１は、大気圧程度の圧力で気体が満たされた既述の初期状態となっている。そして、再びステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ６よりなる１バッチ処理を繰り返す（ＲＥＴＵＲＮ）。

【0053】

以上説明した本実施形態に係る気泡形成装置１００によれば、次の効果が得られる。

【0054】

圧力容器１０の内部１１で気体と液体とが撹拌子２０によって撹拌されるため、気体の液体への溶解が促進される。このため、圧力容器１０の内部１１の圧力を必要以上に高圧化せずとも、圧力容器１０の内部１１において気体を液体に充分に溶解させることができる。圧力容器１０の内部１１の圧力を必要以上に高圧化する必要がないため、圧力容器１０ひいては気泡形成装置１００の重厚化が抑えられる。また、気体を液体に充分に溶解させることができるため、気泡の数密度が充分に高い２次流体ＦＬ２を得ることができる。

【0055】

一具体例として、圧力容器１０の内部１１が１［ＭＰａ］未満、好ましくは０．８［ＭＰａ］未満、より好ましくは０．７［ＭＰａ］以下といった比較的低圧でも、平均直径が２００［ｎｍ］以下で数密度が１１［億個／ｍＬ］以上の気泡を含む２次流体ＦＬ２を得ることができる。

【0056】

特許文献１に係る従来の気泡形成装置では、液体中に気泡が分散した気液混合流体を形成するために、気体と液体とを加圧するタンク内で、液体の旋回流を形成する必要があった。この場合、タンクの容積が小さいと、タンク内で旋回流を形成することが困難であるため、少量の液体を気液混合流体となすことが難しかった。これに対し、本実施形態によれば、たとえ圧力容器１０の容積が小さくても、撹拌子２０によって液体と気体とを撹拌させるので、液体と気体とを充分に撹拌させることができる。このため、少量の液体を、気液混合流体である２次流体ＦＬ２となすことができる。

【0057】

本実施形態では、圧力容器１０を用いた１バッチ処理毎に、気液混合流体である２次流体ＦＬ２を形成する。このため、閉じた経路内で液体混合流体を循環させつつ気泡を微細化させてゆく従来の気泡形成装置と異なって、液体を循環させる液体ポンプを備える必要がない。このため、液体ポンプで発生する摩耗金属よりなるコンタミネーションで気液混合流体が汚染される従来の問題を回避することができる。

【0058】

本実施形態では、図３に示したように、撹拌子２０と、圧力容器１０における排出用開口１３の縁との隙間ＧＰによって、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさせる。このため、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさるための専用の噴射ノズルを備える必要がない。従って、噴射ノズルの目詰りの問題を回避でき、気泡形成装置１００のメンテナンスの容易化が図られる。

【0059】

［実施形態２］
上記実施形態１では、図３に示したように、排出用弁４５を開いたときに、１次流体ＦＬ１の流れによって撹拌子２０が浮上されたが、１次流体ＦＬ１の流れの勢いが小さい場合や、撹拌子２０の自重が大きい場合でも、圧力容器１０から外部への１次流体ＦＬ１の排出の確実性を高める構成を、気泡形成装置１００が備えてもよい。以下、その具体例について説明する。

【0060】

図４に示すように、本実施形態に係る気泡形成装置２００の圧力容器１０には、排出用開口１３が形成された内面（以下、底内面という。）に、排出用開口１３に至る溝１４が複数本形成されている。各々の溝１４は、排出用開口１３に近づくに従って深くなるように底面が傾斜している。図示しないが、複数本の溝１４は、排出用開口１３を上方からみた平面視において、円形の排出用開口１３から径方向外方に放射状に延びている。

【0061】

本実施形態によれば、排出用弁４５を開いたときに、たとえ撹拌子２０が、圧力容器１０の上記底内面に接しても、撹拌子２０と、各々の溝１４の底面との間には、隙間ＧＰが確保される。そして、その隙間ＧＰによって、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさせる絞り部が構成される。また、溝１４の深さによって、１次流体ＦＬ１の流れを絞る度合いを調整することもできる。

【0062】

［実施形態３］
上記実施形態２では、溝１４によって隙間ＧＰを構成したが、隙間ＧＰを構成する手段は溝１４に限られない。以下、溝１４以外の手段によって隙間ＧＰを構成する具体例について説明する。

【0063】

図５に示すように、本実施形態に係る気泡形成装置３００の圧力容器１０は、底内面における排出用開口１３の周囲に設けられた複数の突起１５を備える。図示しないが、複数の突起１５は、排出用開口１３を上方からみた平面視において、円形の排出用開口１３の周囲に、排出用開口１３の周方向に間隔をあけて配置されている。

【0064】

本実施形態によれば、排出用弁４５を開いたときに、たとえ撹拌子２０が突起１５に接した状態となっても、隣り合う突起１５の間において、ほぼ突起１５の高さに相当する隙間ＧＰが確保される。そして、その隙間ＧＰによって、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさせる絞り部が構成される。また、突起１５の高さによって、１次流体ＦＬ１の流れを絞る度合いを調整することもできる。

【0065】

［実施形態４］
上記実施形態１〜３では、圧力容器１０の内部１１で構成される隙間ＧＰによって、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさせたが、隙間ＧＰの構成は必須ではない。専用の噴射ノズルを用いて、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさせてもよい。以下、その具体例について説明する。

【0066】

図６に示すように、本実施形態に係る気泡形成装置４００では、撹拌子２０’が円筒状をなしている。撹拌子２０’の外径は、圧力容器１０の内径よりもやや小さく、撹拌子２０’の内径は、排出用開口１３の口径より大きい。排出用弁４５を開いたときには、１次流体ＦＬ１が、撹拌子２０’の内部空洞を通って圧力容器１０の外に排出され、図３〜図５に示した隙間ＧＰは構成されない。

【0067】

そこで、排出用配管４４が、１次流体ＦＬ１にキャビテーションを生じさる噴射ノズル５０を有する。噴射ノズル５０は、１次流体ＦＬ１の流れを絞る絞り部５１を有する。絞り部５１は、１次流体ＦＬ１が流れる方向に間隔をあけて複数設けられている。各々の絞り部５１において、１次流体ＦＬ１にキャビテーションが付与される。

【0068】

本実施形態では、１次流体ＦＬ１が、噴射ノズル５０を通過する際に減圧され、気泡の数密度が高められ、かつ気泡の平均直径が微細化された２次流体ＦＬ２となる。

【0069】

［実施形態５］
上記実施形態１〜４では、圧力容器１０を１つのみ用いたが、複数の圧力容器１０を用いて、２次流体ＦＬ２を形成してもよい。以下、その具体例について説明する。

【0070】

図７に示すように、本実施形態に係る気泡形成装置５００は、圧力容器１０と、その圧力容器１０に収容された撹拌子２０との組を、３組備える。振とう装置３０は、それら３つの圧力容器１０を同時に振とうさせる。

【0071】

本実施形態によれば、３つの圧力容器１０において、１次流体ＦＬ１を並行して形成することができるので、１次流体ＦＬ１ひいては２次流体ＦＬ２を形成する効率を高めることができる。

【0072】

なお、圧力容器１０に導入する気体と液体の少なくとも一方を、３つの圧力容器１０の間で互いに異ならせてもよい。この場合は、図７に示すように、各々の圧力容器１０から排出される１次流体を１本の排出用配管４４に集合させてもよいし、各々の圧力容器１０から排出される１次流体を個別に外部に放出させてもよい。

【0073】

［実施例］
図１に示した気泡形成装置１００を用い、液体と液体中に分散した気泡とを含む気液混合流体である２次流体ＦＬ２を形成した。２次流体ＦＬ２を構成する気体には、空気を用い、液体には、蒸留水を用いた。

【0074】

圧力容器１０には、内径が１８［ｍｍ］、高さが１００［ｍｍ］、排出用開口１３の口径が４［ｍｍ］のステンレス製の部材を用いた。撹拌子２０には、直径が１５［ｍｍ］のステンレス製の球を用いた。

【0075】

かかる圧力容器１０に蒸留水を１０［ｍＬ］導入し、かつ圧力容器１０の内部１１の圧力が０．６［ＭＰａ］となる加圧条件が満たされるように、空気を圧力容器１０に封入した。この状態で圧力容器１０を、２３０［回／分］程度の繰り返し周波数で、６０［分］にわたって、振とう装置３０により振とうさせ、１次流体ＦＬ１を形成した。

【0076】

しかる後、排出用弁４５を開き、１次流体ＦＬ１を、撹拌子２０と排出用開口１３の縁との隙間ＧＰを通過させることにより、２次流体ＦＬ２となした。２次流体ＦＬ２は、排出用配管４４の端部から放出される。

【0077】

図８に、排出用配管４４から放出された２次流体ＦＬ２の気泡の直径別頻度分布を示す。グラフＡは、度数分布を示し、グラフＢは、累積度数分布を示す。得られた２次流体ＦＬ２に含まれる気泡の平均直径は１５０［ｎｍ］以下、具体的には１００［ｎｍ］程度であり、２次流体ＦＬ２に含まれる気泡の数密度は、１１．４［億個／ｍＬ］程度であることが確認された。

【0078】

以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、以下に述べる変形も可能である。

【0079】

上記実施形態１〜５では、撹拌子２０が、液体と気体とを撹拌する役割だけでなく、撹拌子２０の自重を利用して１次流体ＦＬ１の流れを絞る役割も果たしたが、後者の役割は必須ではない。撹拌子２０が、液体と気体とを撹拌する役割だけを果たしてもよい。この場合は、圧力容器１０を振とうさせる方向は、特に上下方向に限られない。圧力容器１０を左右方向に振とうさせる構成としてもよいし、撹拌子２０が圧力容器１０の内部１１でランダムに移動するような構成としてもよい。

【0080】

上記実施形態１〜５では、圧力容器１０に２つの開口、即ち導入用開口１２と排出用開口１３とを形成したが、圧力容器１０に形成された１つの開口が、気体及び液体の導入用としての役割と、１次流体ＦＬ１の排出用としての役割とを兼ねる構成としてもよい。

【0081】

上記実施形態１〜５では、気体源ＧＳを気体ボンベによって構成したが、気体を吐出する気体ポンプによって気体源ＧＳを構成してもよい。また、液体源ＬＳを、液体を吐出する液体ポンプによって構成してもよい。

【0082】

上記実施形態１〜５では、ユーザが、導入用弁４３及び排出用弁４５の開閉と、振とう装置３０の動作とを手動で制御したが、これらを制御装置によって自動制御する構成としてもよい。

【0083】

上記実施形態１〜５では、撹拌子２０を１つの球体によって構成したが、撹拌子２０を複数の部材によって構成してもよい。

【0084】

上記実施形態１〜５では、圧力容器１０が空中円筒状をなし、撹拌子２０が球状をなしていたが、圧力容器１０と撹拌子２０の形状は、特に限定されない。

【0085】

図７には、３つの圧力容器１０を示したが、気泡形成装置５００が備える圧力容器１０の数は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

【0086】

本発明は、その広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な変形が可能とされる。上記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。本発明の範囲は、請求の範囲によって示される。請求の範囲内及びそれと同等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】

【0087】

１０…圧力容器、
１１…圧力容器の内部、
１２…導入用開口、
１３…排出用開口（開口）、
１４…溝、
１５…突起、
２０，２０’ …撹拌子、
３０…振とう装置、
４１…導入用配管、
４２…逆止弁、
４３…導入用弁、
４４…排出用配管、
４５…排出用弁、
５０…噴射ノズル、
５１…絞り部、
１００，２００，３００，４００，５００…気泡形成装置、
ＧＳ…気体源、
ＬＳ…液体源、
ＦＬ１…１次流体、
ＦＬ２…２次流体、
ＧＰ…隙間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】