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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022023974
(43)【公開日】2022-02-08
(54)【発明の名称】バブル含有液製造装置およびバブル含有液製造方法
(51)【国際特許分類】
B01F 31/80 20220101AFI20220201BHJP
B01F 33/00 20220101ALI20220201BHJP
B01F 23/23 20220101ALI20220201BHJP
B01F 23/20 20220101ALI20220201BHJP
B01F 25/40 20220101ALI20220201BHJP
B01F 25/50 20220101ALI20220201BHJP
B01F 25/60 20220101ALI20220201BHJP
【ＦＩ】
B01F11/02
B01F13/00 Z
B01F3/04 A
B01F3/04 Z
B01F5/00 D
B01F5/06
B01F5/10
B01F5/12
【審査請求】有
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021179906
(22)【出願日】2021-11-04
(62)【分割の表示】P 2017074075の分割
【原出願日】2016-10-19
(71)【出願人】
【識別番号】504280724
【氏名又は名称】トスレック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100170449
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 英彦
(72)【発明者】
【氏名】中尾 順次
(57)【要約】 （修正有）
【課題】粒径が微細で均一なバブルを高濃度に含有する超微細気泡含有液を効率よく製造するバブル含有液製造装置を提供する。
【解決手段】バブル含有液製造装置は、液中に第１のバブルを生成し、該第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を供給するバブル生成部と、前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、前記バブル圧壊部は、バブル含有液が通過する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備える。
【選択図】図２
【解決手段】バブル含有液製造装置は、液中に第１のバブルを生成し、該第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を供給するバブル生成部と、前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、前記バブル圧壊部は、バブル含有液が通過する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備える。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液中に第１のバブルを生成し、該第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を供給するバブル生成部と、
前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、
前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の周囲を覆う外装体と、前記外装体の外側に取り付けられている複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、
前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の周囲を覆う外装体と、前記外装体の外側に取り付けられている複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
【請求項2】
各超音波振動子は、発振周波数を調整可能とされている、請求項１に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項3】
各超音波振動子は、出力を調整可能とされている、請求項２に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項4】
前記通路は樹脂材料により形成され、
前記外装体は金属材料により形成されている、請求項３に記載のバブル含有液製造装置。
前記外装体は金属材料により形成されている、請求項３に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項5】
前記バブル圧壊部は、前記通路が水平方向となるように配置され、
前記伝搬液は、前記外装体の下側から導入され、かつ上側から導出され、定常的に導出入される、請求項１に記載のバブル含有液製造装置。
前記伝搬液は、前記外装体の下側から導入され、かつ上側から導出され、定常的に導出入される、請求項１に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項6】
前記貯留部は、前記バブル生成部に接続され、
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の底側の一部は外部に供給され、
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の中央の一部は前記バブル生成部に供給される、請求項１～５のいずれか一項に記載のバブル含有液製造装置。
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の底側の一部は外部に供給され、
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の中央の一部は前記バブル生成部に供給される、請求項１～５のいずれか一項に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項7】
前記バブル生成部と前記バブル圧壊部と前記貯留部とから形成されるループが大気から遮断された密閉構造とされ、
前記貯留部は、内部の圧力を調整可能とされている、請求項６に記載のバブル含有液製造装置。
前記貯留部は、内部の圧力を調整可能とされている、請求項６に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項8】
前記バブル生成部は交換可能にモジュール化されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項9】
液中に第１のバブルが含有した第１のバブル含有液を通過させ、通過する第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部を備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
【請求項10】
バブル含有液を生成するバブル生成部と、前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給されるバブル含有液を通過させ、通過するバブル含有液に超音波を照射し、
バブル含有液のバブルを圧壊するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給されるバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とし、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する、バブル含有液製造装置を用いたバブル含有液の製造方法であって、
前記バブル生成部が、液中に第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を生成すること、
前記バブル圧壊部が、前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブルを圧壊して第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を生成すること、
前記貯留部が、第２のバブル含有液を貯留することを含むバブル含有液の製造方法。
バブル含有液のバブルを圧壊するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給されるバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とし、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する、バブル含有液製造装置を用いたバブル含有液の製造方法であって、
前記バブル生成部が、液中に第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を生成すること、
前記バブル圧壊部が、前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブルを圧壊して第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を生成すること、
前記貯留部が、第２のバブル含有液を貯留することを含むバブル含有液の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は超微細気泡含有液を製造するバブル含有液製造装置およびバブル含有液製造方法に関し、詳細には、微細気泡を超音波により圧壊することで生成される超微細気泡を含有する超微細気泡含有液を製造するバブル含有液製造装置およびバブル含有液製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、液中にマイクロオーダーの粒径を有する気泡（マイクロバブル）やナノオーダーの粒径を有する気泡（ナノバブル）を含有させたバブル含有液が注目されており、医療、農業、水産業、飲食、養殖等の各分野への応用が図られている。このような微細気泡の中には、ファインバブルとも称され、気泡が可視光を散乱することで、バブル含有液が白濁するという特徴を有するものもある。
【0003】
そのように可視光を散乱する気泡は数十ミクロンの粒径を有するが、粒径がさらに微細になり、２００ナノメートル以下の気泡になると、気泡の粒径が可視光の波長よりも小さくなるため、バブル含有液が透明になるという特徴がある。このような２００ナノメートル以下の粒径を有するバブルはウルトラファインバブルとも称される。このウルトラファインバブルは、液中に数ヶ月にわたり留まることや気泡が電荷を帯びることが知られている。
【0004】
これらのようなウルトラファインバブルを含有する超微細気泡含有液の製造手法の１つとして、微細気泡含有液に超音波を照射することにより、微細気泡を圧壊し、より微細な粒径の超微細気泡を生成する手法がある。例えば、特許文献１に記載されたナノバブル含有水の製造方法では、バブル発生部でマイクロバブル含有水が製造され、該マイクロバブル含有水が貯留部に一旦貯留され、所望の粒径のバブルのみを含有するマイクロバブル含有液が貯留部から取り出され、取り出されたマイクロバブル含有液に超音波を照射することでマイクロバブルを圧壊してナノバブルが生成され、これによりナノバブル含有液が製造される。
【0005】
ところで、超微細気泡含有液内では、通常、様々な粒径のバブルが混在してしまう。しかし、粒径が均一（ホモジニアス）でない場合は、各バブルにおいて保有電荷量やゼータ電位が異なり、バブル相互間に凝集作用が生じてしまうことが知られている。したがって、バブルを高濃度化させようとすると、粒径が均一でないバブル含有液では、バブルが凝集してしまうという問題があり、高濃度の超微細気泡を含有する含有液の製造は非常に困難であった。
【0006】
そのような高濃度の超微細気泡含有液を製造するべく、引用文献２に記載のナノバブル製造装置が開発されている。このナノバブル製造装置では、マイクロバブル含有液が液槽に供給され、供給されたバブル含有液に超音波が照射され、マイクロバブルを圧壊してナノバブルが生成されることによりナノバブル含有液が製造される。このナノバブル製造装置では、特に、液槽中においてナノバブルが下方へ集中する特徴を利用し、その途中に超音波圧壊場を形成することにより、粒径が均一な高濃度の超微細気泡含有液が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１４－２００７６２号公報
【特許文献2】特開２０１５－１８６７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、引用文献１に記載のナノバブル含有水の製造方法は、通路内に設けた超音波発生部により、単に、マイクロバブルを超音波圧壊することで連続的にナノバブルを生成しようとするもので、粒径が均一なナノバブルを生成しようとするものではない。すなわち、特許文献１のナノバブル含有液の製造方法は、通路に流れるバブル含有液に対して一方向から超音波を照射するもので、超音波の集中する超音波圧壊場を形成しようとするものではなく、均一な粒径のバブルを生成できないという問題点があった。また、超音波を一方向から照射することにより一部のバブル含有液が滞留してバブル含有液の流れが阻害さてしまうことにより、微細気泡を含有するバブル含有液を効率よく供給することができないという問題点もあった。
【0009】
一方で、引用文献２に記載のナノバブル製造装置では、超音波圧壊場を形成することで均一な粒径の超微細気泡含有液を製造することはできるが、タンクの容量が増加すると超音波圧壊場を形成するために複数の超音波振動子の制御が困難になるという問題点があった。また、バブルの集中により高濃度のバブル含有液が製造されるため、必要数量のバブルがタンク内で生成されるまでに一定の時間を要し、所望の濃度のバブル含有液が供給されるまでに時間遅延が生じるという問題点もあった。
【0010】
本発明は、これらのような問題を解決し、粒径が微細で均一なバブルを高濃度に含有する超微細気泡含有液を効率よく製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係るバブル含有液製造装置は、液中に第１のバブルを生成し、該第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を供給するバブル生成部と、前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備える。前記バブル圧壊部は、バブル含有液が通過する通路と、前記通路の外側から径方向内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備える。
【0012】
このバブル含有液製造装置では、バブル生成部から供給された第１のバブル含有液がバブル圧壊部を通過する際に、超音波を照射されることにより、第１のバブルが圧壊されて、粒径がより微細な第２のバブルが生成される。このバブル圧壊部において、バブル含有液が流れる通路に対して、複数の超音波振動子から超音波が照射されるため、通路内に超音波の集中する超音波圧壊場が形成され、粒径が均一な超微細気泡が生成される。また、このとき、異なる方向から超音波が照射されるため、一方向から超音波が照射される場合に比較して、バブル含有液の滞留が抑止される。そして、超微細気泡を含有したバブル含有液が連続して貯留部に貯留され、超微細気泡のバブルが拡散により下方に集中して高濃度化する。
【0013】
(請求項１の効果)
したがって、バブル圧壊部において、超音波圧壊場がバブル含有液の通路内に形成され、均一な超微細気泡が生成され、超微細気泡が凝集等することなくバブル含有液が連続して貯留部に効率よく供給されるため、バブル含有液は貯留部において短時間で高濃度化される。
したがって、バブル圧壊部において、超音波圧壊場がバブル含有液の通路内に形成され、均一な超微細気泡が生成され、超微細気泡が凝集等することなくバブル含有液が連続して貯留部に効率よく供給されるため、バブル含有液は貯留部において短時間で高濃度化される。
【0014】
すなわち、本発明によれば、バブル圧壊部と貯留部が分離されることにより、通路で超音波圧壊場による均一な微細気泡が生成され連続して貯留部に供給され、貯留部で超微細気泡が高濃度化される。特に、圧壊部は異なる方向から超音波を生成することにより、バブル含有液の流れを阻害せず粒径の均一な超微細気泡を貯留部に効率よく供給することができる。また、貯留部では効率よく連続して超微細気泡が供給されるため、バブル含有液を短時間で高濃度化することができる。
【0015】
また、前記複数の超音波振動子は少なくとも１つの振動子群を形成し、各振動子群の超音波振動子は前記通路の中央に向けて超音波を照射してもよい。そのようにすることにより、通路の中央に向けて超音波が照射されるため、超音波圧壊場を形成しながらもバブル含有液の流れを阻害することを確実に抑止できる。これにより、超微細気泡が、通路で滞留することがなく、効率よく供給される。
【0016】
また、前記複数の超音波振動子は、対抗する方向から前記複数の振動子対は前記通路の中央に向けて超音波を照射するようにしてもよい。そのようにすることで、通路の全域にわたって均等な圧壊場を形成し、粒径が均一なバブルを確実に生成できる。
【0017】
各超音波振動子は、発振周波数を調整可能とされていてもよい。そのようにすれば、所望バブル含有液を容易に生成することができる。すなわち、バブルの粒径や数量は超音波振動子の発振周波数に影響を受けるので、これを調整可能とすることにより、バブル生成の制御を容易にできる。超音波振動子は、バブル含有液の流れる通路に超音波を照射するため、タンクのような容量の大きいものに超音波を照射する場合に比較して、所望のバブルを含有するバブル含有液を容易に製造することができる。特に、通路を流れるバブル含有液の流量に応じて超音波振動子を調整することによる効果は大きい。
【0018】
各超音波振動子は、出力を調整可能とされていてもよい。出力を調整することにより、超音波圧壊場を均等に形成しつつ、かつ流れを最大限阻害しない出力でバブルを圧壊することができる。これにより、バブル含有液を安定的に製造することができる。
【0019】
前記圧壊部は、前記通路の周囲を覆う外装体を備え、前記通路と前記外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填され、前記超音波振動子は前記外装体の外側に取り付けられていてもよい。そのようにすれば、超音波振動子の取り付けが容易になるにもかかわらず、伝搬液が確実に超音波を通路に伝搬して、バブル含有液を安定的に製造することができる。
【0020】
前記通路は樹脂材料により形成され、前記外装体は金属材料により形成されている。そのようにすれば、通路内を流れるバブル含有液として、飲料などに利用することができるにもかかわらず、超音波振動子を外装体に容易に取り付けることができるため、バブル圧壊部の製造が容易になる。
【0021】
前記バブル圧壊部は、前記通路が水平方向となるように配置され、前記伝搬液は、前記外装体の下側から導入され、かつ上側から導出され、定常的に導出入されていてもよい。そのようにすれば、伝搬液の流路に空気が入り込むことがなく、伝搬液が確実に超音波を伝搬できることに加え、伝搬液は冷却水の効果を発揮して超音波圧壊による発熱を抑止し、熱によるバブル圧壊部の能力低下を防止できる。
【0022】
前記貯留部は、前記バブル生成部に接続され、前記貯留部に貯留されたバブル含有液の底側の一部は外部に供給され、前記貯留部に貯留されたバブル含有液の中央の一部は前記バブル生成部に供給されてもよい。そのようにすれば、粒径が比較的大きいバブルを含有するバブル含有液は、バブル生成部、バブル圧壊部、貯留部を循環することになり、効率よく粒径が均一で高濃度なバブル含有液が製造される。
【0023】
前記バブル生成部と前記バブル圧壊部と前記貯留部とから形成されるループが大気から遮断された密閉構造とされ、前記貯留部は内部の圧力を調整可能とされていてもよい。そのようにすれば、大気との気体接触のない完全密閉構造バブル発生システムが構築できるため、バブル化対象気体の種類および原液の種類に関係なく安全なバブル含有液製造装置となる。
【0024】
前記バブル生成部は交換可能にモジュール化されていてもよい。そのようにすれば、時間あたりに生成される第１のバブル含有液の量を調整することができるため、バブル圧壊部の超音波振動子の出力制御と相まって、所望のバブル含有液を容易に製造することができる。
【0025】
本発明に係る他のバブル含有液製造装置は、液中に第１のバブルが含有した第１のバブル含有液を通過させ、通過する第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部を備える。前記バブル圧壊部は、バブル含有液が通過する通路と、前記通路の外側から径方向内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備える。
【0026】
このバブル含有液製造装置では、第１のバブル含有液がバブル圧壊部を通過する際に、超音波を照射されることにより、第１のバブルが圧壊されて、粒径がより微細な第２のバブルが生成される。このバブル圧壊部において、バブル含有液が流れる通路に対して、複数の超音波振動子から超音波が照射されるため、通路内に超音波の集中する超音波圧壊場が形成され、粒径が均一な超微細気泡が生成される。このとき、異なる方向から超音波が照射されるため、一方向から超音波が照射される場合に比較して、バブル含有液の滞留が抑止される。
【0027】
したがって、バブル圧壊部では、超音波圧壊場がバブル含有液の通路に形成され、粒径の均一な超微細気泡が生成され、超微細気泡が凝集等することなく、バブル含有液が連続して供給される。すなわち、本発明によれば、バブル圧壊部は異なる方向から超音波を生成することにより、含有液の流れを阻害せず粒径の均一な微細気泡を効率よく供給することができる。
【0028】
本発明に係るバブル含有液製造方法は、バブル含有液を生成するバブル生成部と、前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給されるバブル含有液を通過させ、通過するバブル含有液に超音波を照射し、バブル含有液のバブルを圧壊するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給されるバブル含有液を貯留する貯留部とを備えるバブル含有液製造装置を用いる。このバブル含有液製造方法は、前記バブル生成部が、液中に第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を生成すること、前記バブル圧壊部が、前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブルを圧壊して第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を生成すること、前記貯留部が、第２のバブル含有液を貯留することを含む。
【0029】
このバブル含有液製造方法では、バブル生成部から供給された第１のバブル含有液がバブル圧壊部を通過する際に、超音波を照射されることにより、第１のバブルが圧壊されて、より微細な第２のバブルが生成される。このバブル圧壊部において、バブル含有液が流れる通路に対して、複数の超音波振動子から超音波が照射されるため、通路内に超音波の集中する超音波圧壊場が形成され、均一な超微細気泡が生成される。このとき、異なる方向から超音波が照射されるため、一方向から超音波が照射される場合に比較して、バブル含有液の滞留が抑止される。そして、超微細気泡を含有したバブル含有液が貯留部に貯留され、下方に集中して高濃度化する。
【0030】
したがって、バブル圧壊部において、超音波圧壊場がバブル含有液の通路に形成され、粒径が均一な超微細気泡が生成され、超微細気泡は凝集等することなくバブル含有液が連続して貯留部に効率よく供給されるため、バブル含有液は貯留部において短時間で高濃度化される。
【0031】
すなわち、本発明に係るバブル含有液の製造方法によれば、圧壊と貯留が別々にされることにより、超音波圧壊場による均一な微細気泡が圧壊により生成され、超微細気泡が貯留により高濃度化される。特に、圧壊は異なる方向から超音波を生成することにより、含有液の流れを阻害せず均一な微細気泡を貯留部に効率よく供給することができる。また、貯留では効率よく連続して超微細気泡が供給されるため、バブル含有液は短時間で高濃度化される。
【発明の効果】
【0032】
本発明によれば、粒径が微細で均一なバブルを高濃度に含有する超微細気泡含有液を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明のバブル含有液製造装置の外観を示す図である。
【図2】本発明の第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置の機能ブロックを示す図である。
【図3】本発明の第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置のバブル生成器を示す図である。
【図5】本発明の第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置のバブル圧壊部を示す図である。
【図7】本発明の第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置の貯留部を示す図である。
【図8】本発明の第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置を用いたバブル含有液製造方法のフローを示す図である。
【図9】本発明の第２の実施の形態に係るバブル含有液製造装置の機能ブロックを示す図である。
【図10】本発明の第３の実施の形態に係るバブル含有液製造装置の機能ブロックを示す図である。
【図11】本発明のバブル含有液製造装置のバブル圧壊部の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
<第１の実施の形態>
【0035】
本発明の第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００について、図１～図７を参照しつつ説明する。バブル含有液製造装置１００は、液体中にバブルを含有するバブル含有液を製造する。液体は、飲料水、牛乳、果汁、酒等の飲料を含み、飲料の他にも純水、蒸留水、工業用水等も含む。また、バブル化対象気体は、オゾン、酸素、窒素、水素、二酸化炭素等の種々の気体を含む。すなわち、これら液体とバブル化対象気体とは、バブル含有液製造装置１００の用途に応じて適宜選択される。本実施の形態において、バブル含有液製造装置１００は、液体に純水を適応し、バブル化対象気体にオゾンを適応したオゾンバブル含有液を製造する。
【0036】
図１は、バブル含有液製造装置１００の外観を示す。（Ａ）はバブル含有液製造装置１００の正面図を示し、（Ｂ）はバブル含有液製造装置１００の側面図を示す。図１に示すように、バブル含有液製造装置１００は、立方体の箱状に形成された筐体に後述する構成を備える。また、バブル含有液製造装置１００は、操作パネル１０１を備え、当該操作パネル１０１を介してユーザがこのバブル含有液製造装置１００を任意に操作できる。さらに、バブル含有液製造装置１００は、車輪１０２が設けられており、移動可能とされている。
【0037】
本実施の形態において、バブル含有液製造装置１００は、１つの筐体に各構成を納められており、筐体のまま他のシステムに取り込まれる。しかし、バブル含有液製造装置１００は、各構成ごとに他のシステムに取り込まれ、システムの中でバブル含有液製造装置として機能するものであってもよい。例えば、飲料の製造システムの中にバブル含有液製造装置１００の各構成が取り込まれ、飲料を製造する中で飲料がバブル含有液とされることで、飲料の殺菌が行われるような利用方法により、バブル含有液製造装置１００がシステムの一部を構成してもよい。
【0038】
図２は、バブル含有液製造装置１００の機能ブロック図の概略を示す。図２に示すように、本実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００は、主に、液中に第１のバブルを生成し、該第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を供給する第１のバブル生成部１１０と、バブル生成部１１０に接続され、バブル生成部１１０から供給される第１のバブル含有液を通過させ、通過する第１のバブル含有液に超音波を照射し、第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部１２０と、バブル圧壊部１２０に接続され、バブル圧壊部１２０から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部１３０とを備える。バブル生成部１１０と、バブル圧壊部１２０と、貯留部１３０とは、相互に接続されており、バブル含有液を循環させる循環サイクル(ループ)を形成している。
【0039】
また、バブル含有液製造装置１００は、上記の構成の他に、貯留部１３０に接続され、液体を導入する原液導入部１４０と、バブル生成部１１０に接続され、気体を導入する気体導入部１５０と、各部を接続する流路と、流路の各所に設けられたバルブと、バブル含有液製造装置１００の一連の動作を制御する制御部１６０とを備える。
【0040】
さらに、バブル含有液製造装置１００では、製造されたバブル含有液を装置の外部に取り出す取出部１７０と、不要となった液体を外部に排出する排出部１８０とが貯留部１３０に接続されており、また、気体導入部１５０、バブル圧壊部１２０、貯留部１３０に冷却水を供給する冷却部１９０が接続されている。
【0041】
制御部１６０は、制御パネルに電気的に接続されており、作業者により操作される。また、制御部１６０は、バブル含有液製造装置１００内の各所に設けられた水域センサ、温度センサ等のセンサの検知情報等に基づいて、各所に設けられた各バルブ及びスイッチ等を制御する。
【0042】
原液導入部１４０は、本実施の形態において、液体の一例として純水をバブル含有液製造装置１００に導入するためのものである。原液導入部１４０は、純水供給源（図示しない）にバルブを介して接続されている。原液導入部１４０から導入された液体は、液体を一度貯留部１３０に導入し、後述する再帰流路１０３を介してバブル生成部１１０の気液混合器１１１に供給される。しかし、原液導入部１４０は、バブル含有液製造装置１００の製造するバブル含有液の種類により、純粋以外の飲料水、牛乳、果汁、酒等の飲料、または、飲料の他にも蒸留水、工業用水等の他の液体を導入してもよい。
【0043】
気体導入部１５０は、本実施の形態において、バブル化対象の気体の一例としてオゾンをバブル生成部１１０に導入するためのものである。気体導入部１５０は、従来よく知られるオゾンを供給するオゾン発生装置であり、圧力計、流量計、逆止弁を介してバブル化ガス供給源に接続されている。しかし、気体導入部１５０は、バブル含有液製造装置１００の製造するバブル含有液の種類により、オゾン以外の酸素、窒素、水素、アンモニア、二酸化炭素等の他の気体を導入してもよい。気体導入部１５０は、例えば窒素をバブル化する場合にはオゾン発生装置に代えて、窒素を導入するために、窒素タンク１３１に接続されていてもよい。
【0044】
バブル生成部１１０は、液体および気体を混合させる気液混合器１１１と、気液混合器１１１により気体が混合された気泡含有液を供給され、第１のバブル含有液を生成するバブル生成器１１２と、気液混合器１１１から気泡含有液をバブル生成器１１２に供給するための気液ポンプ１１３とを備える。
【0045】
気液ポンプ１１３は、従来よく知られたエア駆動型容積式ポンプが適用されているが、マグネットポンプや軸流ポンプ等の非容積式ポンプが適用されてもよく、その他のポンプが適用されてもよい。
【0046】
気液混合器１１１は、気液ポンプ１１３の上流側に設けられており、後述する貯留部１３０の再帰導出口１３４に接続された液体取入口(図示しない)と、気体供給路に接続された気体取入口(図示しない)とを備える。気液混合器１１１は、再帰流路１０３を介して、原液導入部１４０から一旦貯留部１３０に供給された原液、または貯留部１３０に貯留されたバブル含有液を供給される。
【0047】
気液混合器１１１では、液体の流れに沿って気体が取り込まれるように、液体取入口に接続した液体流路(図示しない)と気体取入口に接続した気体流路(図示しない)が形成されており、気液ポンプ１１３の吸引力を利用して液体と同時に気体が吸引される。これにより、液体と気体とが円滑に気液ポンプ１１３に供給され、気液ポンプ１１３内で液体と気体とが混合し気泡含有液が生じる。このような気液混合器１１３によれば、多量の気体が導入され気液ポンプ１１３が空運転することや、気体がほとんど入らず気泡発生が定量化しないといった問題を生じることがない。この気泡混合液は、バブル生成器１１２に供給される。
【0048】
バブル発生器は、気液混合器１１１から供給される気泡含有液を螺旋状に旋回させて旋回流を形成する旋回部１１４と、旋回流を形成された気泡含有液の気泡を突起１１５ａに衝突させて圧壊させる突起圧壊部１１５と、圧壊された気泡を含有するバブル含有液を一定時間滞留させる畜養部１１６と、一定時間滞留された後のバブル含有液を高濃度に発泡させる発泡部１１７とを備える。
【0049】
図３は、バブル生成器１１２を示し、(Ａ)はバブル生成器１１２の斜視図を示し、(Ｂ)はバブル生成器１１２の側断面図を示す。バブル生成器１１２は、図３(Ａ)に示すように、第１の円筒部１１２ａと、第１の円筒部１１２ａに接続され、第１の円筒部１１２ａと同一方向に延び第１の円筒部１１２ａより径の大きい第２の円筒部１１２ｂと、第２の円筒部１１２ｂに接続され、第２の円筒部１１２ｂと同一方向に延び、第２の円筒部１１２ｂより径の小さい第３の円筒部１１２ｃを備える。バブル生成器１１２は、第１～第３の円筒部１１２ｃにより、概略上下方向に延在し、第１の円筒部１１２ａが下方に、第３の円筒部１１２ｃが上方に位置するように配置される。
【0050】
旋回部１１４は、図３(Ｂ)に示すように、第１の円筒部１１２ａ内に設けられており、円筒の内部に螺旋状に形成された旋回面１１４ａを有する。旋回面１１４ａは、第１の円筒部１１２ａの周方向に回転し円柱の軸方向に進む旋回流れが得られるように螺旋状に円柱の軸方向に延びる。したがって、旋回部１１４は、気液混合器１１１から供給される気泡含有液を螺旋状に旋回させて旋回流を形成し、突起圧壊部１１５に気泡含有液を供給する。旋回部１１４は、気液ポンプ１１３の供給圧力を利用して旋回流を形成することにより流速を加速することができる。
【0051】
旋回部１１４は、少なくとも１．５回転以上の回転が得られる旋回面１１４ａを有することが望ましい。しかし、旋回部１１４では旋回流の回転数を上げることにより、流速が増大するが、圧力損失も増大するため、気液ポンプ１１３の揚程能力と、必要とされるバブル濃度とから旋回面１１４ａの最適回転数は決定される。
【0052】
突起圧壊部１１５は、第２の円筒部内に設けられており、円柱の筒状に形成され、円筒の内周面に軸方向に沿って多段の突起１１５ａを備える。突起１１５ａは、その先端がそれぞれ対向するように配置されている。これにより、突起圧壊部１１５は、円形の断面を備える流路を形成され、該円形の内側に向けて複数の突起１１５ａが突出し、中心部分に突起１１５ａが存在しない空洞空間を形成している。したがって、突起圧壊部１１５は、旋回部１１４の下流に設けられ、旋回部１１４を通過した気泡含有液を突起１１５ａにより剪断圧壊する。これにより、気泡含有液の気泡は突起１１５ａに当たって粉砕され、微細化されたバブルとなり、気泡含有液は、バブルが微細化し、バブル濃度を向上させられる。
【0053】
また突起１１５ａは少なくとも６段以上の段数になっており、長手方向に３６度以上の角度で交互に配置される。旋回部１１４材によって加速された気泡含有液はこの突起１１５ａに当たりながら粉砕され気体がさらに微細化する。突起１１５ａの数が増加すると圧損が増加するため、気液ポンプ１１３の揚程能力と、必要とされるバブル濃度とから突起１１５ａの数は決定される。
【0054】
畜養部１１６は、第２の円筒部１１２ｂ内に設けられており、第２の円筒部１１２ｂ内の空間である。畜養部１１６は、突起圧壊部１１５を通過することにより気泡濃度の向上したバブル含有液を一定時間滞留させる。これにより、突起圧壊部１１５で剪断圧壊されて生成されたバブル内の保有電荷量、ゼータ電位を均一とすることができる。したがって、畜養部１１６では、バブル含有液のバブルの粒径を揃えることができる。また、畜養部１１６は、畜養加圧器(図示しない)に接続されており、畜養部１１６内を所定の圧力（０．８ＭＰａ～２．０ＭＰａ）に加圧することができる。これにより、余剰気体による加圧圧縮効果を活用して、畜養部１１６内の圧力を一定圧力に高めることで、バブル濃度を向上させる機能を有する。
【0055】
畜養部１１６の容積は、気液ポンプ１１３の種類と供給流量によりその最適値が決定される。通常は、供給流量の１／２０～１／５の範囲が最適値となる。なお、畜養部１１６の供給流用がバブル生成部１１０の供給流量となり、その流量のバブル含有液が下流に設けられたバブル圧壊部１２０に供給される。
【0056】
発泡部１１７は、図３(Ｂ)および図４に示すように、第３の円筒部１１２ｃ内に設けられ、概略、円柱状に形成されている。該円柱の下面には、円形の断面中央に設けられたスリット孔１１７ａが設けられ、さらに、スリット孔１１７ａに連続する円柱内の再加圧空間１１７ｂと、再加圧空間１１７ｂに連続し、テーパ円錐形状のテーパ空間１１７ｃとが形成されている。
【0057】
スリット孔１１７ａは、畜養部１１６で一時的に滞留されたバブル含有液を流入される。再加圧空間１１７ｂは、スリット孔１１７ａを通過したバブル含有液を内部で加圧するためにスリット孔１１７ａの開口面積よりも小さい開口面積で液体を流出させる流出口１１７ｄと、この流出口１１７ｄの周囲並びにスリット板の裏面側に位置する衝突壁１１７ｅとを有している。再加圧空間１１７ｂでは、スリット孔１１７ａを通過して流入したバブル含有液が、衝突壁に衝突しバブルが圧壊されながら、空間内に乱流を生じさせ、バブル含有液の一部が流出口からテーパ空間１１７ｃに流れ出る。これにより、再加圧空間１１７ｂでバブル含有液は再度加圧されることになる。
【0058】
テーパ空間１１７ｃは、流出口１１７ｄから例えば１５度よりも小さい角度で円錐状に拡散するテーパ面１１７ｆを有している。これにより、スリット孔１１７ａを通過した液体は加圧されながらテーパ面１１７ｆの傾斜方向に流れて減圧される。具体的に説明すると、再加圧空間１１７ｂ内の圧力は３ＭＰａ前後となっているがテーパ空間１１７ｃでは１ＭＰａまで減圧され、バブル含有液の濃度が向上する。
【0059】
バブル生成部１１０では、気液混合器１１１から供給された気泡含有液がバブル生成器１１２の旋回部１１４、突起圧壊部１１５、畜養部１１６、発泡部１１７を経ることで、気泡含有液の気泡から第１のバブルが生成される。これにより、バブル生成部１１０は、第１のバブルを含有する第１のバブル含有液をバブル圧壊部１２０に供給することができる。本実施の形態において、バブル生成部１１０は、第１のバブルとして、マイクロオーダーの均一な粒径を有するマイクロバブルを生成する(特開２０１５－１８６７８１号公報を参照)。
【0060】
本実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００のバブル生成部１１０は、旋回、圧壊、畜養、発泡（加圧減圧）の機能を有し、低揚程能力のポンプであるエア式ベローズポンプや同式ダイヤフラムポンプでも微細均一化高濃度マイクロバブルを生成することが可能となり、しかも、マグネットポンプや軸流ポンプでも更なる濃度向上が可能となる。このため、これらの機能により、気液ポンプ１１３の種類を選ばないバブル発生装置が可能となる。
【0061】
バブル生成部１１０は、バブル圧壊部１２０で圧壊される第１のバブルを生成できれば、他の構成であってもよい。例えば、従来よく知られる旋回流方式のバブル生成装置（特開２００６－１１６３６５号公報を参照）、加圧剪断方式のバブル生成装置（特開２００６－２７２２３２号公報を参照）等をバブル生成器１１２として利用することができる。しかし、均一な粒径を有するバブルをバブル圧壊部１２０に供給するためには、本実施の形態に係るバブル生成器１１２を用いることが望ましい。
【0062】
また、バブル生成部１１０のバブル生成器１１２は、旋回部１１４、突起圧壊部１１５、畜養部１１６および発泡部１１７がモジュール化されており、時間あたりに通過させる通過液量が異なるように複数のモジュールが準備されていてもよい。それら複数のモジュールから任意の一のモジュールを選択して取り付け得るように構成していてもよい。また、モジュールごとに交換可能とされていてもよい。
【0063】
図５は、バブル圧壊部１２０を示し、(Ａ)はバブル圧壊部１２０の側面図を示し、(Ｂ)はバブル圧壊部１２０の正面図を示す。バブル圧壊部１２０は、バブル生成部１１０のバブル生成器１１２に接続され、バブル生成部１１０で製造された第１のバブル含有液を通過させる通路１２１と、通路１２１の周囲を覆う外装体１２２とを備え、通路１２１と外装体１２２とから中間空間１２３を有する二層構造とされている。バブル圧壊部１２０は、通路１２１が水平方向に延びるように配置されている。
【0064】
外装体１２２には、超音波振動子１２４が設けられており、各超音波振動子１２４は、通路１２１に向けて超音波を照射する。通路１２１と外装体１２２の間には伝搬液が充填され、超音波振動子１２４から照射された超音波は、伝搬液を介して通路１２１の内部に伝搬され、通路１２１の内側を流れる第１のバブル含有液を超音波圧壊する。
【0065】
通路１２１は、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）を材料としたパイプから形成されている。これにより、通路１２１は、円形の断面を有し同一径で円柱状に延び、均一な流路を形成している。通路１２１はバブル生成部１１０と貯留部１３０とに介在するように接続されており、バブル生成部１１０から供給された第１のバブル含有液は、通路１２１の内側に充満した状態で貯留部１３０まで流される。
【0066】
外装体１２２は、ステンレスを材料とし、正六角形の断面を有する六角柱状に延びる側周部材１２２ａと、側周部材１２２ａを延在方向の両側から挟む円板状の一対の平面部材１２２ｂとからなる。両平面部材１２２ｂは、中央に通路１２１をはめ込まれて、側周部材１２２ａの六角形の中央に通路１２１が延びるように通路１２１を固定している。これにより、通路１２１の外側と外装体１２２の側周部材１２２ａには中間空間１２３が形成され、通路１２１の外周と、六角形の側周部材１２２ａの各面は、それぞれ同様の中間空間１２３を形成している。
【0067】
図６はバブル圧壊部１２０を図５の矢印ａ-ａ’で切断した側断面図を示す。図６に示すように、バブル圧壊部１２０は、通路１２１と外装体１２２から形成される中間空間１２３に超音波を伝搬可能な伝搬液を充填される。本実施の形態において、伝搬液として冷却部１９０から供給される冷却水が充填される。伝搬液は、通路１２１が水平方向に向く状態に配置されたバブル圧壊部１２０において、外装体１２２の平面部材１２２ｂの下側に設けられた伝搬液導入口１２２ｃから導入され、外装体１２２の平面部材１２２ｂの上側に設けられた伝搬液導出口１２２ｄから導出される。これにより、中間空間１２３では、伝搬液は、図面の左側から供給され、下側から上側に充填されていき、上側から排出される。したがって、伝搬液は、中間空間１２３内に空気を残さず充填される。
【0068】
外装体１２２に取り付けられた超音波振動子１２４から照射される超音波は、伝搬液を介して通路１２１に伝搬される。このとき、中間空間１２３に空気が残ると、伝搬液と空気の伝搬率が異なるため、超音波が均等に伝搬しない。したがって、中間空間１２３内に空気を残さないことにより、効率的かつ均一に超音波を通路１２１の内部に伝搬できる。
【0069】
伝搬液は、中間空間１２３を定常的に流されている。これにより、超音波圧壊によるバブル圧壊部１２０の熱を排出することができる。伝搬液は、通路１２１を流れるバブル含有液と同一方向に流されている。これにより、効率的に熱を排出することができる。また、伝搬液の流速を上げることにより、より熱の排出効率を高めることができる。伝搬液の流速は、例えば伝搬液をバブル圧壊部１２０に送るポンプを制御することで達成できる。外装体１２２は、熱センサ（図示しない）が設けられており、バブル圧壊部１２０の発熱状態を見ながら伝搬液の流速を制御することができる。
【0070】
本発明に係る実施の形態において、伝搬液は、定常的に流されているが、中間空間に一度充満させておいて伝搬液の供給を止め、バブル圧壊部１２０の温度が上昇したときだけ伝搬液を再度流すようにしてもよい。伝搬液は、超音波を伝搬するが、それでも伝搬による損失が生じるため、中間空間１２３は狭い方が望ましい。しかし、伝搬空間が狭すぎると冷却水(伝搬液)の量が減り、熱の排出効率が低下する。しかし、伝搬液を定常的に流すようにすることで、熱の排出効率が低下することを抑止し、中間空間１２３を狭くすることができ、バブル圧壊部１２０の設計自由度を高めることができる。
【0071】
再び図５を参照するに、外装体１２２は、六角柱の各面に超音波振動子１２４を取り付けられている。超音波振動子１２４は、通路１２１の延在方向に２段に分けて設けられており、バブル生成部１１０側を前段の超音波振動子群、貯留部１３０側を後段の超音波振動子群としている。各段の超音波振動子群は、通路１２１の中心軸から放射状に設けられた６つの超音波振動子１２４からなる。対向する２つの超音波振動子１２４が一対の発振子対となり、６つの超音波振動子１２４は３対の発振子対となっている。各超音波振動子は、周波数および出力を制御部１６０により調整可能とされている。本実施の形態において、１２個の超音波振動子１２４は、それぞれ、同一周波数、同一出力で超音波を照射している。
【0072】
各発振子対は、通路１２１の延在方向の同一の位置であって外装体１２２の六角柱の一対の対向する側面に設けられている。ここで、外装体１２２は、ステンレスを材料に形成されているため、超音波を反射する。したがって、側周部材１２２ａの一の面に設けられた超音波振動子１２４から発振された超音波は、側周部材１２２ａの対向する他の一の面で反射する。この反射した超音波は、他の一の面（その反射面）に設けられた超音波振動子１２４から照射された超音波と重ね合わされる。
【0073】
これら６つの超音波振動子１２４は、それぞれが、通路１２１の中央の一点に向けて超音波を照射している。したがって、各超音波振動子１２４は、それぞれ異なる位置から径方向の異なる方向に向けて、かつ通路の中心に向かうように径方向の内側に向けて超音波を照射する。これにより、通路１２１を流れるバブル含有液が超音波により流れを阻害されることが抑止される。特に各一対の発振子対は、対向する位置から対向する方向に向けて超音波を発振している。これにより、通路１２１の中央から超音波圧壊場が形成され、通路１２１を通過する第１のバブル含有液が圧壊されて、粒径の均一な第２のバブルが生成される。
【0074】
バブル圧壊部１２０では、複数の方向から超音波が照射され、超音波の集中する場所に超音波圧壊場が形成される。したがって、本実施の形態において、各超音波振動子群が、それぞれ、通路１２１内に超音波圧壊場を形成する。前段の超音波振動子群により形成された超音波圧壊場で第１のバブルの全てが圧壊されなかったとしても、後段の超音波振動子群により形成された超音波圧壊場が残りの第１のバブルを圧壊するため、本実施の形態に係るバブル圧壊部１２０では、確実に第１のバブルを圧壊し、均一な第２のバブルを生成できる。本実施の形態において、バブル圧壊部１２０は、第２のバブルとして、ナノオーダーの均一な粒径を有するナノバブルを生成する。
【0075】
本実施の形態において、各超音波振動子群に６つ、すなわち偶数の超音波振動子１２４がバブル圧壊部１２０の外装体１２２に設けられている。しかし、超音波振動子１２４は、奇数の超音波振動子１２４が設けられていてもよく、その場合は、複数対の発振子対と、１の超音波振動子１２４となる。
【0076】
図７は、貯留部１３０の外観図を示し、(Ａ)は貯留部１３０の平面図を示し、(Ｂ)は貯留部１３０の正面図を示し、(Ｃ)は貯留部１３０の側面図を示し、(Ｄ)は貯留部１３０の底面図を示す。貯留部１３０は、図７に示すように、主に円柱状のタンク１３１からなり、原液導入部１４０に接続される原液導入口１３２と、バブル圧壊部１２０に接続されるバブル含有液導入口１３３と、再帰流路１０３に接続される再帰導出口１３４と、取出部１７０に接続されるバブル含有液導出口１３５と、排出部１８０に接続される排出口１３６とを備える。
【0077】
原液導入口１３２は、主に、円柱のパイプからなり、タンク１３１の上面からタンク１３１内の頂面まで延在し、原液導入部１４０から原液をタンク１３１の頂面位置に供給する。バブル含有液導入口１３３は、主に、円柱のパイプからなり、タンク１３１の上面からタンク１３１内の中段位置まで延在し、第２のバブル含有液をタンク１３１の中段位置に供給する。
【0078】
再帰導出口１３４は、主に、円柱のパイプからなり、タンク１３１の下面からタンク１３１内の下側１／４の位置付近まで延在し、タンク１３１の下側１／４の位置のバブル含有液を再帰流路１０３に導出し、バブル含有液を気液混合器１１１に再帰させる。バブル含有液導出口１３５は、主に、円柱のパイプからなり、タンク１３１の底面からタンク１３１内の下段まで延在し、バブル含有液をタンク１３１の底から取り出す。排出口１３６は、主に、円柱のパイプからなり、タンク１３１の底面からタンク１３１内の下段まで延在し、バブル含有液をタンク１３１の底から排出する。
【0079】
また、タンク１３１は、ＰＶＣを材料に形成され、完全密閉構造にされている。これにより、バブル圧壊部１２０の超音波圧壊時に発生する微量ガスは、貯留部１３０に流されてきても大気と接触することない。したがって、本実施の形態において、オゾンナノバブル含有液を生成する場合であっても、オゾンリークによる人体危険を防止することができる。また、タンク１３１が密閉構造とされているため、これにより、貯留部１３０内の圧力制御が可能となる。また、バブル含有液導出口１３５には、減圧バブル(図示しない)が設けられている。
【0080】
本実施の形態において、タンク１３１は、ＰＶＣを材料に形成されている。しかしタンク１３１は、ＰＶＤＦ等のフッ素系樹脂などの樹脂材料又は、石英を材料としてもよい。タンク１３１は、樹脂材料の場合には上部を樹脂溶接や接着などで完全密閉構造とされ、石英の場合には、ＰＴＦＥ、バイトン等のシール材を介して密閉構造とされる。
【0081】
貯留部１３０が密閉構造となることにより、オゾンナノバブル発生時にはオゾンリークによる人体危険を防止でき、水素ナノバブルでは、水素と酸素の接触による爆発危険を防止でき、さらに、バブルによる有機合成反応対応でも、気中ガス成分の混入がないため、安定した有機合成反応を得ることが可能となる。
【0082】
本実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００は、バブル圧壊部１２０と貯留部１３０が分離されている。これにより、貯留部１３０の容量に影響を受けずに、粒径の均一なバブル含有液を一定量連続して供給できる。また、バブル圧壊部１２０で超音波圧壊場により粒径が均一で超微細な第２のバブルが生成され、貯留部１３０において貯留されるので、貯留部１３０でバブルが凝集することも抑止される。すなわち、粒径が異なる超微細なバブルは、貯留することにより凝集してしまうため、従来の超音波圧壊により生成された超微細な粒径を有するバブルは、粒径が均一とならず、貯留することが困難であったが、本実施の形態によるバブル含有液製造装置１００によれば、粒径の均一なバブルが生成され、凝集することなく貯留できる。
【0083】
タンク１３１に設けられた原液導入口１３２、バブル含有液導入口１３３、再帰導出口１３４、およいバブル含有液導出口１３５のタンク内の位置は、適宜変更できる。また、他の導入口、導出口をタンク１３１に設けてもよい。
【0084】
次に、バブル含有液製造装置１００を用いたバブル含有液の製造方法について図８を参照して説明する。
【0085】
本発明に係るバブル含有液製造方法は、バブル含有液製造装置１００に液体を供給すること（ステップ１）、バブル含有液製造装置１００に気体を供給すること（ステップ２）、液体と気体とを混合して気泡含有液を生成すること（ステップ３）、気泡含有液から第１のバブル含有液を製造すること（ステップ４）、第１のバブル含有液に超音波を照射し、第１のバブルを圧壊して第２のバブルを生成すること（ステップ５）、第２のバブル含有液を貯留すること（ステップ６）、貯留されたバブル含有液をバブル生成部１１０に再帰させること（ステップ７）、貯留されたバブル含有液を外部に取り出すこと（ステップ８）を含む。
【0086】
ステップ１では、先ず、原液導入部１４０から液体を貯留部１３０に供給する。具体的には、原液導入部１４０に設けられたバルブを開状態として原液を貯留部１３０に供給する。このとき、貯留部１３０のタンク１３１に所定量の液体が満たされるまで継続して原液が供給される。次に、再帰流路１０３を介して気液混合器１１１に原液を供給する。具体的には、再帰流路１０３に設けられた再帰バルブを開状態として、気液ポンプ１１３の吸引により、タンク１３１内の下側１／４の位置まで貯まった原液が気液混合器１１１の液体取入口に導入される。
【0087】
ステップ２では、先ず、気体供給部から気体を気液混合器１１１に供給する。このステップは、先のステップ１に並行して行われる。具体的には、気体導入部１５０に設けられたバルブを開状態とし気体を気液混合器１１１に供給する。
【0088】
ステップ３では、先ず、気泡含有液が製造される。具体的には、気液ポンプ１１３を動作させ気液混合器１１１に原液と気体とを吸入させる。このとき、ステップ１により原液が気液混合器１１１に供給されており、これに並行してステップ２により気体が気液混合気に供給されており、気泡含有液が生成される。次に、製造された気泡含有液がバブル生成器１１２に供給される。具体的には気液ポンプ１１３が気泡混合液を吐出する。
【0089】
ステップ４では、先ず、気泡含有液から第１のバブル含有液が製造される。具体的には、気泡含有液が、旋回部１１４に導入され旋回流が形成され、突起圧壊部１１５で圧壊され、畜養部１１６で一時滞留され、発泡部１１７で減圧される。次に、発泡部１１７を通過したバブル含有液がバブル圧壊部１２０に供給される。具体的には、畜養部１１６は畜養加圧部により加圧されており、所定圧力で発泡部１１７を介してバブル圧壊部１２０にバブル含有液が供給される。
【0090】
ステップ５では、先ず、中間空間１２３に伝搬液が流される。具体的には、伝搬液は、中間空間に充満した状態で定常的に流される。伝搬液の供給は、バブル含有液の流れとは関係なく、行うことができる。すなわち、バブル含有液が通路１２１を通過する前でも、通過している途中でも、伝搬液を流したり、止めたりすることができる。
【0091】
次に、第１のバブル含有液が通路１２１を通過する。具体的には、第１のバブル含有液は、通路１２１を充満した状態で通過する。これと同時に、第１のバブル含有液に超音波が照射される。具体的には、通路１２１の内部に超音波が集中する超音波圧壊場が形成され、第１のバブルが圧壊されて第２のバブルが生成される。次に、通路１２１を通過したバブル含有液が貯留部１３０に供給される。
【0092】
ステップ６では、先ず、バブル含有液導入口１３３を介して貯留部１３０に第２のバブル含有液が導入される。バブル含有液導入口は、タンク１３１の中段位置まで伸びており、第２のバブル含有液は、タンク１３１の中段位置に導入される。導入されたバブル含有液は、既に貯留されている液体と混ざり合い、バブルが液内を拡散していく。
【0093】
バブルの拡散により、タンク１３１の底部には、ナノオーダーの粒径を有する、いわゆるナノバブルの存在が支配的なＮＢ領域が形成され、その上側には、ナノバブルとマイクロバブルが混在するＭＮ領域が形成され、さらにその上側にはマイクロバブルの存在が支配的なＭＢ領域が形成される。各領域は、液体の貯留量によりタンク１３１内の位置が変動する。
【0094】
ステップ７では、先ず、貯留部に貯留されたバブル含有液を気液混合器１１１に再帰させる。具体的には、再帰流路に設けられたバルブが開状態とされ、気液ポンプ１１３の吸引により、貯留されたバブル含有液がバブル生成部１１０の液体取入口に導入される。再帰導出口１３４が、タンク１３１内の下側１／４の位置付近まで延在しているため、ＭＮ領域またはＭＢ領域のバブル含有液が再帰される。
【0095】
ステップ８では、貯留部１３０に貯留されたバブル含有液を取り出す。具体的には、取出部１８０に設けられたバルブが開状態とされ、タンク１３１の底側のバブル含有液が外部に取り出される。タンク１３１の底部にはＮＢ領域が形成されているため、ＮＢ領域のバブル含有液が取り出される。最後に、バブル含有液製造装置１００は、排出口１３６からバブル含有液を排出して稼働を終了する。
【0096】
本実施の形態において、超音波圧壊部１２０の超音波振動子１２４は、それぞれ、常時一定の出力で稼働している例を示したが、例えば、貯留部に貯留されたバブル含有液のバブル濃度に応じて周波数および出力を調整するようにしてもよい。
【0097】
<第２の実施の形態>
【0098】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るバブル含有液製造装置２００について、図９を参照して説明する。本実施の形態に係るバブル含有液製造装置２００は、主に、２つのバブル圧壊部２２０を備えることを特徴とし、他の構成は、第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００と同様である。したがって、以下の説明では、第２の実施の形態に係るバブル含有液製造装置２００の特徴的部分にのみについて説明し、第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００と同様の構成については説明を省略する。
【0099】
バブル含有液製造装置２００は、２つのバブル圧壊部２２０を備える。バブル圧壊部２２０は、貯留部２３０およびバブル生成部２１０に対して並列に接続されている。２つのバブル圧壊部２２０は、それぞれ、第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００のバブル圧壊部１２０と同等の能力を有する。
【0100】
したがって、バブル生成部２１０は、バブル生成部１１０に比較して、第１のバブル含有液を２倍の量供給可能とされており、２つのバブル圧壊部２２０に第１のバブル含有液を等分して供給する。これにより、バブル含有液製造装置２００の２つのバブル圧壊部２２０は、２倍の量の第２のバブル含有液を貯留部２３０に供給する。
【0101】
このように、バブル圧壊部２２０を複数設けることにより、単位時間当たりのバブル含有液の製造量を増加させることができる。または、複数のバブル圧壊部２２０を設けることで、各バブル圧壊部２２０の通路を小さくすることができる。通路が小さいと超音波圧壊場を的確に形成することができ、粒径が均一な超微細気泡の含有液を効率よく製造することができる。
【0102】
本実施の形態において、２つのバブル圧壊部に対して１つのバブル生成部２１０を接続しているが、複数のバブル圧壊部２２０のそれぞれに対してバブル生成部を設け、各バブル生成部を１対１の関係でバブル圧壊部に接続してもよい。
【0103】
<第３の実施の形態>
【0104】
次に、本発明の第３の実施の形態に係るバブル含有液製造装置３００について、図１０を参照して説明する。本実施の形態に係るバブル含有液製造装置３００は、主に、貯留部を備えず、直接外部にバブル含有液を供給することを特徴とし、他の構成は、第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００と同様である。したがって、以下の説明では、第３の実施の形態に係るバブル含有液製造装置３００の特徴的部分についてのみ説明し、第１の実施の形態に係るバブル含有液製造装置１００と同様の構成については説明を省略する。
【0105】
バブル含有液製造装置１００は貯留部を備えず、バブル圧壊部３２０が直接取出部３７０に接続されている。また、原液導入部３４０がバブル生成部３１０の気液混合器３１１に直接接続されている。これにより、バブル含有液の循環サイクルを形成することなく、バブル生成部３１０で製造された第１のバブル含有液は、バブル圧壊部３２０で超音波圧壊され、第２のバブル含有液はバブル圧壊部３２０から直接外部に取り出される。
【0106】
<変形例>
【0107】
本発明のバブル圧壊部１２０の変形例について図１１を参照して説明する。
【0108】
図１１(Ａ)は、バブル圧壊部１２０の第１の変形例を示す。第１の変形例に係るバブル圧壊部１２０Ａでは、外装体１２２Ａの側周部材が正八角形の柱状に形成され、各面に超音波振動子１２４が設けられてる(変形例１)。本変形例１において、８つの超音波振動子１２４は、軸方向の同じ位置(同一断面上)に設けられており１つの超音波振動子群を形成している。各超音波振動子１２４は同一出力、同一周波数で超音波を照射し、通路１２１の中央に超音波圧壊場が形成される。
【0109】
図１１(Ｂ)は、バブル圧壊部１２０の第２の変形例を示す。第２の変形例に係るバブル圧壊部１２０Ｂでは、外装体１２２Ｂの側周部材が正三角形の柱状に形成され、各面に超音波振動子１２４が設けられてる(変形例２)。本変形例２において、３つの超音波振動子１２４は、軸方向の同じ位置(同一断面上)に設けられており１つの超音波振動子群を形成している。各超音波振動子１２４は同一出力、同一周波数で超音波を照射し、通路１２１の中央に超音波圧壊場が形成される。
【0110】
図１１(Ｃ)は、バブル圧壊部１２０の第３の変形例を示す。第３の変形例に係るバブル圧壊部１２０Ｃでは、外装体１２２の側周部材が正六角形に形成され、六角形の６つの面の１つおきに超音波振動子１２４が設けられている(変形例３)。本変形例３において、３つの超音波振動子１２４は、軸方向の同じ位置(同一断面上)に設けられており１つの超音波振動子群を形成している。各超音波振動子１２４は同一出力、同一周波数で超音波を照射し、通路１２１の中央に超音波圧壊場が形成される。
【0111】
これらの変形例のように、バブル圧壊部１２０の外装体１２２は、正多角形であれば、通路１２１の中央に超音波圧壊場を形成することができる。超音波振動子１２４の数は、適宜選択できる。しかし、外装体は正多角形でなくてもよく、通路内に超音波圧壊場を形成できれば、超音波振動子は、他の配置であってもよい。
【0112】
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の実施形態により説明したが、本発明は、当該実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【0113】
本発明は、バブル含有液の製造に利用することができる。
【符号の説明】
【0114】
１００，２００，３００ バブル含有液製造装置
１１０，２１０，３１０ バブル生成部
１２０，２２０，３２０ バブル圧壊部
１２１ 通路
１２２ 外装体
１２４ 超音波振動子
１３０，２３０ 貯留部
１１０，２１０，３１０ バブル生成部
１２０，２２０，３２０ バブル圧壊部
１２１ 通路
１２２ 外装体
１２４ 超音波振動子
１３０，２３０ 貯留部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【手続補正書】
【提出日】2021-12-03
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液中に第１のバブルを生成し、該第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を供給するバブル生成部と、
前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、
前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の周囲を覆う外装体と、前記外装体の外側に取り付けられている複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給される前記第１のバブル含有液を通過させ、通過する前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部と、
前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給される第２のバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の周囲を覆う外装体と、前記外装体の外側に取り付けられている複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
【請求項2】
各超音波振動子は、出力を調整可能とされている、請求項１に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項3】
前記バブル圧壊部は、前記通路が水平方向となるように配置され、
前記伝搬液は、前記外装体の下側から導入され、かつ上側から導出され、定常的に導出入される、請求項１に記載のバブル含有液製造装置。
前記伝搬液は、前記外装体の下側から導入され、かつ上側から導出され、定常的に導出入される、請求項１に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項4】
前記貯留部は、前記バブル生成部に接続され、
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の底側の一部は外部に供給され、
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の中央の一部は前記バブル生成部に供給される、請求項１～３のいずれか一項に記載のバブル含有液製造装置。
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の底側の一部は外部に供給され、
前記貯留部に貯留されたバブル含有液の中央の一部は前記バブル生成部に供給される、請求項１～３のいずれか一項に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項5】
前記バブル生成部と前記バブル圧壊部と前記貯留部とから形成されるループが大気から遮断された密閉構造とされ、
前記貯留部は、内部の圧力を調整可能とされている、請求項４に記載のバブル含有液製造装置。
前記貯留部は、内部の圧力を調整可能とされている、請求項４に記載のバブル含有液製造装置。
【請求項6】
液中に第１のバブルが含有した第１のバブル含有液を通過させ、通過する第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブル含有液のバブルを圧壊して第２のバブルを生成し、該第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を供給するバブル圧壊部を備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射し、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とする、バブル含有液製造装置。
【請求項7】
バブル含有液を生成するバブル生成部と、前記バブル生成部に接続され、前記バブル生成部から供給されるバブル含有液を通過させ、通過するバブル含有液に超音波を照射し、
バブル含有液のバブルを圧壊するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給されるバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とし、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する、バブル含有液製造装置を用いたバブル含有液の製造方法であって、
前記バブル生成部が、液中に第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を生成すること、
前記バブル圧壊部が、前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブルを圧壊して第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を生成すること、
前記貯留部が、第２のバブル含有液を貯留することを含むバブル含有液の製造方法。
バブル含有液のバブルを圧壊するバブル圧壊部と、前記バブル圧壊部に接続され、前記バブル圧壊部から供給されるバブル含有液を貯留する貯留部とを備え、
前記バブル圧壊部は、バブル含有液が充満した状態で通過する円形の断面を有する通路と、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する複数の超音波振動子とを備え、
前記複数の超音波振動子は複数対の振動子対を形成し、
前記複数の振動子対は、対抗する方向から前記通路の中央に向けて超音波を照射することを特徴とし、
前記通路と前記通路の周囲を覆う外装体との間に超音波を伝搬可能な伝搬液が充填されており、
前記複数の超音波振動子は、前記通路の外側から内側に向けて、それぞれ異なる方向から超音波を照射する、バブル含有液製造装置を用いたバブル含有液の製造方法であって、
前記バブル生成部が、液中に第１のバブルを含有する第１のバブル含有液を生成すること、
前記バブル圧壊部が、前記第１のバブル含有液に超音波を照射し、前記第１のバブルを圧壊して第２のバブルを含有する第２のバブル含有液を生成すること、
前記貯留部が、第２のバブル含有液を貯留することを含むバブル含有液の製造方法。