特許 7001712 ファインバブル除去方法及びファインバブル除去装置、並びに、気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置

(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】

(24)【登録日】2021-12-28

(45)【発行日】2022-01-20

(54)【発明の名称】ファインバブル除去方法及びファインバブル除去装置、並びに、気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 19/00 20060101AFI20220112BHJP

   G01N 15/02 20060101ALI20220112BHJP

【ＦＩ】

B01D19/00 C

G01N15/02 D

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019558177

(86)(22)【出願日】2018-11-29

(86)【国際出願番号】 JP2018044036

(87)【国際公開番号】W WO2019111802

(87)【国際公開日】2019-06-13

【審査請求日】2020-03-17

(31)【優先権主張番号】P 2017232368

(32)【優先日】2017-12-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】301037213

【氏名又は名称】独立行政法人製品評価技術基盤機構

(73)【特許権者】

【識別番号】512243775

【氏名又は名称】一般社団法人ファインバブル産業会

(74)【代理人】

【識別番号】100141852

【弁理士】

【氏名又は名称】吉本 力

(72)【発明者】

【氏名】大内 静香

(72)【発明者】

【氏名】田中 充

(72)【発明者】

【氏名】島岡 治夫

【審査官】小川 慶子

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５５－２８７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３５４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２２３２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－４５８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５９２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－８５５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－７１３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９８３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１３１１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－４８１８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ １９／００

Ｇ０１Ｎ １５／０２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気泡径が１μｍ未満のウルトラファインバブルを含む対象液体に対して、超音波照射装置から超音波を照射することにより、対象液体中のウルトラファインバブルを減少させる超音波照射ステップを含み、
前記超音波照射ステップでは、周波数が４３０ｋＨｚ以上の超音波を対象液体に照射し、
前記対象液体には、溶解性の高い添加物が添加されていることを特徴とするファインバブル除去方法。

【請求項2】

気泡径が１μｍ未満のウルトラファインバブルを含む対象液体に対して、超音波照射装置から超音波を照射することにより、対象液体中のウルトラファインバブルを減少させる超音波照射ステップと、
凍結乾燥された対象物を復元することによりウルトラファインバブルを含む対象液体を取得する対象液体取得ステップとを含み、
前記超音波照射ステップでは、前記対象液体取得ステップにより取得した対象液体に対して、周波数が４３０ｋＨｚ以上の超音波を照射することを特徴とするファインバブル除去方法。

【請求項3】

対象液体が収容された容器を設置位置に設置する容器設置ステップをさらに含み、
前記超音波照射ステップでは、前記設置位置に設置された対象液体に対して超音波を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のファインバブル除去方法。

【請求項4】

前記設置位置に設置される前記容器の下部が、前記超音波照射装置から照射される超音波の定常波における腹の近傍に位置することを特徴とする請求項３に記載のファインバブル除去方法。

【請求項5】

前記容器内には、対象液体の上方に空隙が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のファインバブル除去方法。

【請求項6】

前記超音波照射ステップにより対象液体に超音波を照射した後、その対象液体を一定時間静置する静置ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のファインバブル除去方法。

【請求項7】

前記超音波照射ステップでは、ウルトラファインバブルを含むことにより表面張力が低下している対象液体に超音波を照射して、対象液体中のウルトラファインバブルを減少させることにより、対象液体の表面張力を上昇させることを特徴とする請求項１又は２に記載のファインバブル除去方法。

【請求項8】

前記超音波照射ステップでは、前記超音波照射装置から照射する超音波の周波数、照射時間及び照射強度の少なくとも１つを調整することにより、対象液体中のウルトラファインバブルの減少量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のファインバブル除去方法。

【請求項9】

請求項１又は２に記載のファインバブル除去方法によりウルトラファインバブルを減少させた対象液体の粒子径分布に関するデータと、ウルトラファインバブルを減少させる前の対象液体の粒子径分布に関するデータとに基づいて、対象液体に含まれるウルトラファインバブルの気泡径分布を測定することを特徴とする気泡径分布測定方法。

【請求項10】

請求項１又は２に記載のファインバブル除去方法によりウルトラファインバブルを減少させた対象液体の粒子径分布に関するデータと、ウルトラファインバブルを減少させる前の対象液体の粒子径分布に関するデータとに基づいて、対象液体に含まれるウルトラファインバブルの気泡径分布を測定することを特徴とする気泡径分布測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ファインバブルを含む対象液体中のファインバブルを減少させるためのファインバブル除去方法及びファインバブル除去装置、並びに、気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、マイクロバブルやウルトラファインバブルといったファインバブルの研究及び利用が活発に行われている。ファインバブルは、例えば気泡径が１００μｍ以下の微細気泡であり、気泡径が１μｍ以上のものはマイクロバブル、気泡径が１μｍ未満のものはウルトラファインバブルと呼ばれている。ファインバブルは、液体中での滞留時間が長いという特性を有しており、特にウルトラファインバブルは、数か月にわたって液体中に滞留することが知られている。

【0003】

ファインバブルには、洗浄効果や殺菌効果といった様々な効果が期待されている。例えば工場やプラント、公衆トイレなどで、ファインバブルを用いて各種設備の洗浄を行えば、洗剤の使用量を削減することができる。そのため、ファインバブルを用いた洗浄方法は、環境に優しい新たな洗浄方法として注目されている。

【0004】

上記のようなファインバブルの特性と効果の関係は、ファインバブルの気泡径や気泡量（濃度）に依存している。そこで、レーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置などを用いて、ファインバブルの気泡径分布（粒子径分布）を測定する技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－２６３８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、測定対象となる液体（対象液体）には、ファインバブル以外にも、例えば粉塵又は土などの固体粒子や、オイル又はエマルジョンなどの液体粒子が含まれている場合がある。このような場合、粒子径分布測定装置を用いてファインバブルの気泡径分布を測定するような方法では、ファインバブルと、固体粒子及び液体粒子とを識別することができず、ファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができないおそれがある。

【0007】

また、対象液体中のファインバブルの気泡径分布を測定するか否かにかかわらず、対象液体中のファインバブルを減少させたい場合もあり、そのような場合にファインバブルを効率よく減少させることができる技術が望まれている。

【0008】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、対象液体中のファインバブルを効率よく減少させることができるファインバブル除去方法及びファインバブル除去装置を提供することを目的とする。また、本発明は、ファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができる気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置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】

（１）本発明に係るファインバブル除去方法は、ファインバブルを含む対象液体に対して、超音波照射装置から超音波を照射することにより、対象液体中のファインバブルを減少させる超音波照射ステップを含む。

【0010】

このような構成によれば、対象液体に対して超音波を照射することにより、対象液体中のファインバブルを効果的に減少させることができる。超音波を用いることにより、特にファインバブルのような小径の気泡を効果的に減少させることができるため、対象液体中のファインバブルを効率よく減少させることができる。

【0011】

（２）前記超音波照射ステップでは、周波数が４３０ｋＨｚ以上の超音波を対象液体に照射することが好ましい。

【0012】

このような構成によれば、最適な周波数の超音波を用いて、対象液体中のファインバブルをより効率よく減少させることができる。超音波の周波数によっては、対象液体中のファインバブルが逆に増加する場合もあるため、最適な周波数の超音波を用いることにより、対象液体中のファインバブルを確実に減少させることができる。

【0013】

（３）前記ファインバブル除去方法は、対象液体が収容された容器を設置位置に設置する容器設置ステップをさらに含んでいてもよい。この場合、前記超音波照射ステップでは、前記設置位置に設置された対象液体に対して超音波を照射してもよい。

【0014】

このような構成によれば、容器を設置位置に設置して超音波照射装置から超音波を照射するだけで、対象液体中のファインバブルを容易に減少させることができる。超音波でファインバブルを効率よく減少させるためには、容器と超音波照射装置との距離を適切に設定する必要があるため、容器の設置位置を適切に設定すればファインバブルを効率よく減少させることができる。

【0015】

（４）前記設置位置に設置される前記容器の下部が、前記超音波照射装置から照射される超音波の定常波における腹の近傍に位置することが好ましい。

【0016】

このような構成によれば、容器と超音波照射装置との距離を最適に設定し、対象液体中のファインバブルをより効率よく減少させることができる。

【0017】

（５）前記容器内には、対象液体の上方に空隙が形成されていることが好ましい。

【0018】

このような構成によれば、対象液体中からファインバブルを減少させることにより生じるガスを、対象液体の上方に形成された空隙に逃がすことができるため、そのガスが再び対象液体中に溶解するのを防止することができる。

【0019】

（６）前記ファインバブル除去方法は、前記超音波照射ステップにより対象液体に超音波を照射した後、その対象液体を一定時間静置する静置ステップをさらに含むことが好ましい。

【0020】

このような構成によれば、超音波を照射した後の対象液体を一定時間静置することにより、対象液体中のファインバブルをさらに効果的に減少させることができる。

【0021】

（７）前記対象液体には、溶解性の高い添加物が添加されていることが好ましい。

【0022】

このような構成によれば、溶解性の高い添加物を対象液体に添加することにより、対象液体中のファインバブルをさらに効率よく減少させることができる。

【0023】

（８）前記超音波照射ステップでは、ファインバブルを含むことにより表面張力が低下している対象液体に超音波を照射して、対象液体中のファインバブルを減少させることにより、対象液体の表面張力を上昇させてもよい。

【0024】

このような構成によれば、ファインバブルを含む表面張力が低い対象液体を用いて、その特性を生かした処理を行った後、その対象液体に超音波を照射するだけで、対象液体中のファインバブルを減少させて、元の液体の表面張力に戻すことができる。また、対象液体に含まれるファインバブル以外の粒子（異物）が多く、ファインバブルの気泡径分布を直接的に測定することができない場合には、その対象液体に超音波を照射するだけで、対象液体中のファインバブルを減少させて、元の液体の表面張力に戻すことができるため、その表面張力の変化に基づいてファインバブルの存在を間接的に確認（推定）することができる。

【0025】

（９）前記超音波照射ステップでは、前記超音波照射装置から照射する超音波の周波数、照射時間及び照射強度の少なくとも１つを調整することにより、対象液体中のファインバブルの減少量を調整してもよい。

【0026】

このような構成によれば、超音波照射装置から照射する超音波の周波数、照射時間及び照射強度の少なくとも１つを調整することにより、対象液体中のファインバブルの減少量を任意に調整することができる。したがって、対象液体中のファインバブルを減少させて対象液体の表面張力を上昇させる場合には、ファインバブルの減少量を任意に調整することにより、対象液体を所望の表面張力にすることができる。

【0027】

（１０）前記ファインバブル除去方法は、凍結乾燥された対象物を復元することによりファインバブルを含む対象液体を取得する対象液体取得ステップをさらに含んでいてもよい。この場合、前記超音波照射ステップでは、前記対象液体取得ステップにより取得した対象液体に対して超音波を照射してもよい。

【0028】

このような構成によれば、凍結乾燥された対象物を復元することにより得られる対象液体中のファインバブルを、超音波を用いて減少させることができる。例えば、凍結乾燥されたタンパク質を復元する場合には、その際に生じるファインバブルが凝集の原因になるおそれがあるが、超音波を用いてファインバブルを減少させることにより、凝集を防止することができる。

【0029】

（１１）本発明に係るファインバブル除去装置は、ファインバブルを含む対象液体に対して超音波を照射することにより、対象液体中のファインバブルを減少させる超音波照射装置を備える。

【0030】

（１２）本発明に係る気泡径分布測定方法は、ファインバブル除去方法によりファインバブルを減少させた対象液体の粒子径分布に関するデータと、ファインバブルを減少させる前の対象液体の粒子径分布に関するデータとに基づいて、対象液体に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する。

【0031】

このような構成によれば、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子を含む超音波照射前の対象液体の粒子径分布に関するデータと、固体粒子及び液体粒子のみを含む超音波照射後の対象液体の粒子径分布に関するデータとに基づいて、ファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができる。

【0032】

（１３）本発明に係る気泡径分布測定装置は、ファインバブル除去方法によりファインバブルを減少させた対象液体の粒子径分布に関するデータと、ファインバブルを減少させる前の対象液体の粒子径分布に関するデータとに基づいて、対象液体に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する。

【発明の効果】

【0033】

本発明によれば、超音波を用いることにより、小径の気泡を効果的に減少させることができるため、対象液体中のファインバブルを効率よく減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明の一実施形態に係る気泡径分布測定装置の構成例を示した図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るファインバブル除去装置の構成例を示した概略断面図である。

【図3】超音波照射装置と容器との距離について説明するための図である。

【図4】ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について説明するための図であり、超音波照射の前後及び演算後における対象液体中の粒子の状態を概念的に示している。

【図5】ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について説明するための図であり、図４の各状態における粒子径分布及び気泡径分布を概略的に示している。

【図6】対象液体に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する際の流れを示したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0035】

１．気泡径分布測定装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る気泡径分布測定装置の構成例を示した図である。この気泡径分布測定装置は、例えばレーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置である。すなわち、本実施形態では、固体粒子及び液体粒子の粒子径分布を測定するための粒子径分布測定装置を用いて、対象液体に含まれる気体粒子の気泡径分布（粒子径分布）が測定される。

【0036】

対象液体は、例えば水の他、アルコール又は油といった任意の液体を媒体とする試料であり、気泡径が１００μｍ以下の微細気泡からなるファインバブルを含んでいる。具体的には、気泡径が１μｍ未満のウルトラファインバブル、及び、気泡径が１μｍ以上のマイクロバブルの少なくとも一方が、気体粒子として対象液体に含まれている。気体粒子を構成する気体は、空気であってもよいし、例えばオゾンや水素といった空気以外の気体であってもよい。また、対象液体には、ファインバブル以外にも、固体粒子や液体粒子が含まれている。

【0037】

本実施形態に係る気泡径分布測定装置には、対象液体に対してレーザ光を照射し、対象液体からの回折・散乱光（レーザ回折・散乱光）の強度を測定する光強度測定部１が備えられている。光強度測定部１には、光源１１、集光レンズ１２、空間フィルタ１３、コリメータレンズ１４、試料セル１５、集光レンズ１６、フォトダイオードアレイ１７、側方センサ１８及び複数の後方センサ１９などが備えられている。測定対象となる対象液体は測定の１回ごとに試料セル１５に供給される。すなわち、本実施形態で使用される試料セル１５はいわゆる回分セルである。

【0038】

光源１１は、例えばレーザ光源からなり、当該光源１１から照射されたレーザ光が、集光レンズ１２、空間フィルタ１３及びコリメータレンズ１４を通過することにより平行光となる。このようにして平行光とされたレーザ光は、対象液体が供給されている試料セル１５に照射され、試料セル１５内の試料に含まれる粒子群（固体粒子、液体粒子及び気体粒子を含む。）で回折及び散乱した後、集光レンズ１６を通ってフォトダイオードアレイ１７により受光されるようになっている。

【0039】

フォトダイオードアレイ１７は、光源１１側から見て試料セル１５の前方（光源１１側とは反対側）に配置されている。これにより、フォトダイオードアレイ１７に備えられた複数の受光素子は、それぞれ前方センサ１７１を構成している。フォトダイオードアレイ１７は、試料セル１５内の対象液体からの回折・散乱光（回折光及び散乱光）を検出するための検出器を構成している。

【0040】

本実施形態におけるフォトダイオードアレイ１７は、互いに異なる半径を有するリング状又は半リング状の検出面が形成された複数（例えば、６４個）の前方センサ１７１を、集光レンズ１６の光軸を中心として同心円状に配置することにより構成されたリングディテクタであり、各前方センサ１７１には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度の光が入射する。したがって、フォトダイオードアレイ１７の各前方センサ１７１の検出信号は、各回折・散乱角度の光の強度を表すことになる。

【0041】

これに対して、側方センサ１８は、光源１１側から見て試料セル１５の側方に配置されている。この例では、試料セル１５が薄い中空状の部材により形成されており、その厚み方向Ｄが光源１１から入射するレーザ光の光軸Ｌと平行になるように配置される。側方センサ１８は、試料セル１５に対して、例えば厚み方向Ｄに直交する方向に並べて配置される。

【0042】

図１では、側方センサ１８が試料セル１５の上方に配置されているが、これに限らず、試料セル１５の下方、右方、左方など、試料セル１５の厚み方向Ｄに直交する面内の任意の位置に配置されていてもよい。これにより、厚み方向Ｄに対して直交する方向への回折・散乱光を側方センサ１８で受光することができる。ただし、側方センサ１８は、厚み方向Ｄに対して９０°の方向への回折・散乱光を受光するような構成に限らず、厚み方向Ｄに対して７０°～１１０°、より好ましくは８０°～１００°の方向への回折・散乱光を受光するような構成であってもよい。

【0043】

複数の後方センサ１９は、それぞれ光源１１側から見て試料セル１５の後方（光源１１側）に配置されている。これにより、各後方センサ１９は、側方センサ１８よりも後方への回折・散乱光を受光することができる。各後方センサ１９は、試料セル１５に対して異なる角度で配置されることにより、それぞれ異なる角度で入射する回折・散乱光を受光することができる。この例では、２つの後方センサ１９が設けられているが、これに限らず、例えば１つ又は３つ以上の後方センサ１９が設けられた構成であってもよい。

【0044】

フォトダイオードアレイ１７の各前方センサ１７１、側方センサ１８及び各後方センサ１９の検出信号は、Ａ／Ｄ変換器３によりアナログ信号からデジタル信号に変換された後、通信部４を介してデータ処理装置５に入力されるようになっている。これにより、各センサ１７１，１８，１９における受光強度が、各センサ１７１，１８，１９の素子番号に対応付けてデータ処理装置５に入力される。

【0045】

データ処理装置５は、対象液体の粒子径分布を測定する際のデータを処理するためのものであり、例えばパーソナルコンピュータにより構成される。このデータ処理装置５は、制御部５１、操作部５２、表示部５３及び記憶部５４などを備えている。データ処理装置５は、光強度測定部１などと一体的に気泡径分布測定装置を構成していてもよいし、光強度測定部１などとは分離した気泡径分布測定装置として提供されてもよい。

【0046】

制御部５１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、操作部５２、表示部５３及び記憶部５４などの各部が電気的に接続されている。操作部５２は、例えばキーボード及びマウスを含む構成であり、作業者が操作部５２を操作することにより入力作業などを行うことができるようになっている。

【0047】

表示部５３は、例えば液晶表示器などにより構成することができ、作業者が表示部５３の表示内容を確認しながら作業を行うことができるようになっている。記憶部５４は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスクなどにより構成することができる。

【0048】

対象液体の粒子径分布データは、光強度測定部１における対象液体の測定で得られる光強度分布データに基づいて、制御部５１が演算を行うことにより生成される。粒子径分布データを生成する際には、下記式（１）の関係を用いることができる。

【数1】

【0049】

ここで、ｓ、ｑ及びＡは、下記式（２）～（４）で表される。

【数2】

【0050】

上記ベクトルｓは、光強度分布データである。上記ベクトルｓにおける各要素ｓ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ）は、フォトダイオードアレイ１７の各前方センサ１７１、側方センサ１８及び各後方センサ１９における検出強度である。

【0051】

上記ベクトルｑは、頻度分布％として表現される粒子径分布データである。測定対象となる粒子径範囲（最大粒子径がｘ_１、最小粒子径がｘ_ｎ＋１）をｎ分割し、それぞれの粒子径区間を［ｘ_ｊ，ｘ_ｊ＋１］とすると、上記ベクトルｑにおける各要素ｑ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｎ）は、各粒子径区間［ｘ_ｊ，ｘ_ｊ＋１］に対応する粒子量である。

【0052】

通常は、体積基準が用いられ、下記式（５）を満たすように、すなわち各要素ｑ_ｊの合計が１００％となるように正規化が行われる。

【数3】

【0053】

本実施形態では、対象液体に超音波を照射する前後の粒子径分布データを用いて、対象液体に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する。超音波照射前の第１粒子径分布データと超音波照射後の第２粒子径分布データを比較するために、例えば、体積濃度（単位：μＬ／ｍＬ）などの形で粒子量や気泡量を求める必要がある。ＰＳＬ（ポリスチレンラテックス）粒子などの粒子量が既知の標準試料を用いて校正を行うことによって、比較可能な粒子量に基づく粒子径分布を求めることができる。

【0054】

上記行列Ａは、粒子径分布データｑを光強度分布データｓに変換する係数行列である。上記行列Ａにおける各要素ａ_ｉ，ｊ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ、ｊ＝１，２，・・・，ｎ）は、各粒子径区間［ｘ_ｊ，ｘ_ｊ＋１］に属する単位粒子量の粒子群によって回折及び散乱した光のｉ番目の素子における検出強度である。

【0055】

上記行列Ａにおける各要素ａ_ｉ，ｊの値は、屈折率をパラメータの一つとして用いて予め理論的に計算することができる。このとき、気体粒子を構成する気体の屈折率を用いて、各要素ａ_ｉ，ｊの値を算出しておけばよい。各要素ａ_ｉ，ｊの値は、フラウンホーファ回折理論又はミー散乱理論を用いて算出される。例えば、粒子径が光源１１からのレーザ光の波長に比べて十分に大きい場合（例えば１０倍以上）には、フラウンホーファ回折理論を用いて各要素ａ_ｉ，ｊの値を計算することができる。一方、粒子径が光源１１からのレーザ光の波長と同程度、又は、それより小さい場合には、ミー散乱理論を用いて各要素ａ_ｉ，ｊの値を計算することができる。

【0056】

このようにして上記行列Ａにおける各要素ａ_ｉ，ｊの値を求めれば、上記式（１）に基づいて、下記式（６）により粒子径分布データｑを求めることができる。ただし、Ａ^ＴはＡの転置行列である。

【数4】

【0057】

２．ファインバブル除去装置の構成
図２は、本発明の一実施形態に係るファインバブル除去装置１００の構成例を示した概略断面図である。ファインバブル除去装置１００は、対象液体Ｌに超音波を照射することにより、対象液体Ｌ中のファインバブルを減少させるための装置である。このファインバブル除去装置１００により対象液体Ｌに超音波を照射し、超音波照射の前後における対象液体Ｌからの回折・散乱光の強度を光強度測定部１（図１参照）で測定することにより、得られた光強度分布データに基づいて、対象液体Ｌに含まれるファインバブルの気泡径分布を演算により測定することができる。

【0058】

ファインバブル除去装置１００は、容器設置部１０１、超音波照射装置１０２及び温度調整装置１０３などを備えている。対象液体Ｌは、容器２００に収容された状態で、ファインバブル除去装置１００の容器設置部１０１に設置される。容器設置部１０１は、中空状の筐体により構成されており、内部に水が充填されている。容器設置部１０１に設置された容器２００は、少なくともその下部が容器設置部１０１内の水に接触する。ただし、容器設置部１０１内に充填される液体は、水以外の液体であってもよい。

【0059】

対象液体Ｌが収容された容器２００は、図２に示すような所定の設置位置に設置され、当該設置位置に設置された対象液体Ｌに対して超音波照射装置１０２から超音波が照射される。これにより、容器２００を設置位置に設置して超音波照射装置１０２から超音波を照射するだけで、対象液体Ｌ中のファインバブルを容易に減少させることができる。超音波でファインバブルを効率よく減少させるためには、容器２００と超音波照射装置１０２との距離を適切に設定する必要があるため、容器２００の設置位置を適切に設定すればファインバブルを効率よく減少させることができる。

【0060】

超音波照射装置１０２は、容器設置部１０１内の水に接触する超音波振動子１２１を備えている。この超音波振動子１２１から超音波を発生させることにより、容器設置部１０１内の水を介して、容器２００に収容されている対象液体Ｌに超音波が伝達される。このように、ファインバブルを含む対象液体Ｌに対して超音波照射装置１０２から超音波を照射することにより、対象液体Ｌ中のファインバブルを減少させることができる。

【0061】

温度調整装置１０３は、容器設置部１０１内の水を加熱又は冷却することにより、当該水の温度を調整する。超音波照射装置１０２から対象液体Ｌへと伝達される超音波の周期は、その間に介在する水の温度に応じて変化する。したがって、温度調整装置１０３を用いて容器設置部１０１内の水の温度を調整することにより、対象液体Ｌに照射される超音波の周期を任意に設定することができる。

【0062】

容器２００内に収容されている対象液体Ｌの温度は、超音波照射装置１０２からの超音波の照射に伴って上昇する。対象液体Ｌの温度が上昇すると、対象液体Ｌ中の残存酸素量が減少し、ファインバブルが発生する可能性がある。そこで、温度調整装置１０３で容器設置部１０１内の温度を調整して、対象液体Ｌが常温となるように制御することにより、ファインバブルの発生を防止することも可能である。

【0063】

容器２００の上面には開口が形成されており、当該開口が蓋２０１により閉塞されている。蓋２０１は、容器２００に対して着脱可能である。したがって、蓋２０１を容器２００から取り外して容器２００内に対象液体Ｌを収容することができるとともに、蓋２０１を容器２００に取り付けて容器２００内を密閉することができる。

【0064】

容器２００内に対象液体Ｌを収容する際には、容器２００の上面開口まで満杯に対象液体Ｌを充填するのではなく、上面開口よりも低い水位で対象液体Ｌが充填される。したがって、容器２００内には、対象液体Ｌの上方に空隙２０２が形成される。これにより、対象液体Ｌ中からファインバブルを減少させることにより生じるガスを、対象液体Ｌの上方に形成された空隙２０２に逃がすことができるため、そのガスが再び対象液体Ｌ中に溶解するのを防止することができる。このような効果は、対象液体Ｌの上方に空隙２０２を形成させるような構成に限らず、蓋２０１が設けられていないような構成であっても得ることができる。

【0065】

３．超音波照射によるファインバブルの除去
以下では、異なる条件（条件１～４）で同一の対象液体Ｌに超音波を照射し、超音波照射の前後における対象液体Ｌ中の粒子の個数濃度を測定した結果について説明する。

【0066】

下記表１には、超音波照射前の対象液体Ｌ中の粒子の個数濃度Ａと、超音波照射後の対象液体Ｌ中の粒子の個数濃度Ｂと、それらの差分Ｃ（＝Ａ－Ｂ）と、超音波照射の前後における対象液体Ｌ中の粒子の残存率Ｄ（＝Ｂ／Ａ）とが、各条件１～４に対応付けて示されている。

【表1】

【0067】

各条件１～４は、下記表２の通りである。

【表2】

【0068】

超音波照射装置１０２から照射する超音波の周波数は、条件１，２，４では１６００ｋＨｚとし、条件３では４３０ｋＨｚとした。超音波を照射した後の対象液体Ｌについて、条件２では３日間静置してから個数濃度Ｂを測定し、条件１，３，４では静置することなく個数濃度Ｂを測定した。また、条件１，２，３ではサンプル量（対象液体Ｌの量）を同一とし、条件４では条件１，２，３よりもサンプル量を増加させることにより容器２００内に空隙２０２がない状態とした。なお、対象液体Ｌを収容する容器２００の容積は３０ｍＬ、超音波の照射時間は１５分である。

【0069】

上記表１及び表２に示した測定結果から、条件１～４のいずれにおいても超音波の照射により対象液体Ｌ中の粒子の個数濃度（ファインバブルの個数濃度）が減少していることが分かる。このように、対象液体Ｌに対して超音波を照射することにより、対象液体Ｌ中のファインバブルを効果的に減少させることができる。超音波を用いることにより、特にファインバブルのような小径の気泡を効果的に減少させることができるため、対象液体Ｌ中のファインバブルを効率よく減少させることができる。

【0070】

超音波照射装置１０２から照射する超音波の周波数は、４３０ｋＨｚ以上であることが好ましい。超音波の周波数を２００ｋＨｚとして同様の実験を行ったが、むしろ超音波照射によって対象液体Ｌ中のファインバブルが増加することが確認されている。このように、超音波の周波数を４３０ｋＨｚ以上とすることにより、最適な周波数の超音波を用いて、対象液体Ｌ中のファインバブルをより効率よく減少させることができる。上記の通り、超音波の周波数によっては、対象液体Ｌ中のファインバブルが逆に増加する場合もあるため、最適な周波数の超音波を用いることにより、対象液体Ｌ中のファインバブルを確実に減少させることができる。

【0071】

対象液体Ｌに超音波を照射した後は、その対象液体Ｌを一定時間静置することが好ましい。条件２で行った測定結果から明らかなように、超音波を照射した後の対象液体Ｌを３日間静置すると、ファインバブルの残存率が飛躍的に減少することが分かる。したがって、超音波を照射した後の対象液体Ｌを一定時間静置することにより、対象液体Ｌ中のファインバブルをさらに効果的に減少させることができる。ただし、超音波照射後に対象液体Ｌを静置する時間は、少なくとも１時間以上であることが好ましく、１日以上であればより好ましく、３日以上であればさらに好ましい。

【0072】

図３は、超音波照射装置１０２と容器２００との距離について説明するための図である。この図３では、超音波照射装置１０２から照射される超音波の定常波の波形Ｗを示しているが、説明を分かりやすくするために波形Ｗを概略的に示しているに過ぎない。

【0073】

図３に示すように、超音波照射装置１０２から照射される超音波の定常波の波形Ｗには、振幅が最も小さい節Ｗ１と、振幅が最も大きい腹Ｗ２とが、一定周期で交互に現れる。本実施形態では、容器２００の下部（例えば底面）が、超音波照射装置１０２から照射される超音波の定常波における腹Ｗ２の近傍に位置している。

【0074】

このように、超音波の定常波における腹Ｗ２の位置を容器２００の下部に合わせれば、容器２００内の対象液体Ｌに対する超音波の照射効率が向上し、対象液体Ｌ中のファインバブルを効率よく減少させることができる。したがって、容器２００と超音波照射装置１０２との距離を最適に設定し、対象液体Ｌ中のファインバブルをより効率よく減少させることができる。

【0075】

上記のような超音波の定常波における腹Ｗ２の位置は、容器設置部１０１における容器２００の設置位置を調整することにより、超音波照射装置１０２と容器２００との距離を調整して、容器２００の下部に合わせることができる。また、このような構成に限らず、温度調整装置１０３を用いて容器設置部１０１内の水の温度を調整することにより、超音波照射装置１０２から対象液体Ｌへと伝達される超音波の周期を調整して、超音波の定常波における腹Ｗ２の位置を容器２００の下部に合わせることも可能である。

【0076】

対象液体Ｌには、溶解性の高い添加物が添加されていることが好ましい。具体的には、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム又は塩化カルシウムなどの添加物を対象液体Ｌに添加し、十分に溶解した後で超音波を照射することが好ましい。このように、溶解性の高い添加物を対象液体Ｌに添加することにより、対象液体Ｌ中のファインバブルをさらに効率よく減少させることができる。

【0077】

また、対象液体Ｌを収容する容器２００は、超音波を吸収しにくい材料により形成されていることが好ましい。例えば、容器２００の底面が平坦なガラスにより形成されていれば、超音波照射装置１０２からの超音波を容器２００内の対象液体Ｌに効率よく伝達することができる。

【0078】

４．ファインバブルの気泡径分布測定
図４及び図５は、ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について説明するための図である。図４は、超音波照射の前後及び演算後における対象液体Ｌ中の粒子の状態を概念的に示している。図５は、図４の各状態における粒子径分布及び気泡径分布を概略的に示している。この図５では、対象液体Ｌに含まれる固体粒子及び液体粒子の各粒子径と粒子量との関係、及び、対象液体Ｌに含まれる気体粒子の各気泡径と気泡量との関係が示されている。

【0079】

超音波照射前の対象液体Ｌには、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子が含まれている。ファインバブル以外の気体粒子、すなわち気泡径が１００μｍを超える気体粒子については、対象液体Ｌ中に長時間滞留することができず、比較的短時間で大気中に拡散する。そのため、通常、対象液体Ｌ中に含まれる気体粒子は、気泡径が１００μｍ以下のファインバブル（特にウルトラファインバブル）のみと考えてよい。

【0080】

固体粒子及び液体粒子は、液体より比重が小さい粒子と、液体より比重が大きい粒子とに分類されるが、いずれも対象液体Ｌ中に滞留したままであって大気中に拡散することはない。したがって、超音波照射前の対象液体Ｌは、図４（ａ）に示すように、ファインバブルと、液体より比重が小さい粒子と、液体より比重が大きい粒子とが、混在した状態となっている。

【0081】

対象液体Ｌに対して超音波照射を行った場合、図４（ｂ）に示すように、対象液体Ｌ中のファインバブルは超音波によって消失され、容器２００内の空隙２０２に拡散されるため、対象液体Ｌ中には存在しない状態となる。一方、固体粒子及び液体粒子は、超音波照射の有無にかかわらず、対象液体Ｌ中に滞留したままの状態で維持される。

【0082】

すなわち、超音波照射前の対象液体Ｌには、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子が含まれているが、超音波照射後の対象液体Ｌには、固体粒子及び液体粒子のみが含まれている。したがって、図４（ａ）の状態で測定される粒子径分布データから、図４（ｂ）の状態で測定される粒子径分布データを差し引く演算を行えば、図４（ｃ）に概念的に示すように、対象液体Ｌ中のファインバブルの気泡径分布を算出することができる。

【0083】

例えば、図４（ａ）の状態で測定される粒子径分布データが図５（ａ）のようなデータであり、図４（ｂ）の状態で測定される粒子径分布データが図５（ｂ）のようなデータである場合には、粒子径分布データ同士を互いに差し引く演算を行うことにより、図５（ｃ）のような気泡径分布データを得ることができる。上記演算は、例えば上述の式（３）で表される粒子径分布データｑにおいて、各要素ｑ_ｊの値を互いに差し引くことにより行うことができる。

【0084】

このように、本実施形態では、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子を含む超音波照射前の対象液体Ｌの粒子径分布データ（図５（ａ）参照）と、固体粒子及び液体粒子のみを含む超音波照射後の対象液体Ｌの粒子径分布データ（図５（ｂ）参照）とに基づいて、ファインバブルの気泡径分布（図５（ｃ）参照）を精度よく測定することができる。これにより、洗浄、殺菌又は生体活性化などのファインバブルに期待される効果と、ファインバブルの気泡径分布との関係を定量的に評価することができる。また、目的や対象に最もふさわしいファインバブルの気泡径分布を特定し、ファインバブルに関する認証制度の確立などに寄与することも可能となる。

【0085】

図６は、対象液体Ｌに含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する際の流れを示したフローチャートである。気泡径分布を測定する際には、まず、超音波照射前の対象液体Ｌの粒子径分布データを取得する（ステップＳ１０１：第１データ取得ステップ）。このとき、図４（ａ）に示すような超音波照射前の対象液体Ｌに対し、光強度測定部１において光が照射されることにより光強度分布データが得られ、その光強度分布データに基づいて、図５（ａ）に示すような粒子径分布データが算出される。

【0086】

その後、対象液体Ｌが収容された容器２００をファインバブル除去装置１００に設置する（ステップＳ１０２：容器設置ステップ）。これにより、容器２００が容器設置部１０１内の設置位置に設置され、容器２００と超音波照射装置１０２との距離が最適に設定される。そして、設置位置に設置された容器２００内の対象液体Ｌに対して超音波を照射し（ステップＳ１０３：超音波照射ステップ）、超音波照射後の対象液体Ｌを一定時間静置する（ステップＳ１０４：静置ステップ）。

【0087】

このような超音波照射後（一定時間載置後）の対象液体Ｌを用いて、粒子径分布データが再度取得される（ステップＳ１０５：第２データ取得ステップ）。このとき、図４（ｂ）に示すような超音波照射後の対象液体Ｌに対し、光強度測定部１において光が照射されることにより光強度分布データが得られ、その光強度分布データに基づいて、図５（ｂ）に示すような粒子径分布データが算出される。

【0088】

そして、ステップＳ１０１で取得した粒子径分布データ（第１粒子径分布データ）と、ステップＳ１０５で取得した粒子径分布データ（第２粒子径分布データ）とに基づいて、対象液体Ｌに含まれるファインバブルの気泡径分布が測定される（ステップＳ１０６：気泡径分布測定ステップ）。すなわち、第１粒子径分布データの各要素ｑ_ｊの値から、第２粒子径分布データの各要素ｑ_ｊの値を減算する処理を制御部５１が行うことにより、図５（ｃ）に示すような気泡径分布データが得られる。

【0089】

５．ファインバブル除去装置の用途例
（１）ファインバブル除去装置１００の用途例として、対象液体Ｌの表面張力を任意に調整する用途が挙げられる。ファインバブルを対象液体Ｌに含有させれば、対象液体Ｌの表面張力を低下させることができるため、その特性を生かした処理を行うことが可能となる。この場合、ファインバブル除去装置１００を用いれば、ファインバブルを含むことにより表面張力が低下している対象液体Ｌに超音波を照射して、対象液体Ｌ中のファインバブルを減少させることにより、対象液体Ｌの表面張力を上昇させることができる。

【0090】

したがって、ファインバブルを含む表面張力が低い対象液体Ｌを用いて、その特性を生かした処理を行った後、その対象液体Ｌに超音波を照射するだけで、対象液体Ｌ中のファインバブルを減少させて、元の液体の表面張力に戻すことができる。

【0091】

この場合、超音波照射装置１０２から照射する超音波の周波数、照射時間及び照射強度の少なくとも１つを調整することにより、対象液体Ｌ中のファインバブルの減少量を調整してもよい。これにより、対象液体Ｌ中のファインバブルの減少量を任意に調整することができる。このように、ファインバブルの減少量を任意に調整することにより、対象液体Ｌを所望の表面張力にすることができる。

【0092】

（２）ファインバブル除去装置１００の別の用途例としては、凍結乾燥されたタンパク質などの対象物を復元する際に生じるファインバブルを減少させる用途が挙げられる。すなわち、凍結乾燥された対象物を復元することによりファインバブルを含む対象液体Ｌを取得し（対象液体取得ステップ）、その対象液体Ｌに対して超音波を照射してもよい。

【0093】

この場合、凍結乾燥された対象物を復元することにより得られる対象液体Ｌ中のファインバブルを、超音波を用いて減少させることができる。上記のように凍結乾燥されたタンパク質を復元する場合には、その際に生じるファインバブルが凝集の原因になるおそれがあるが、超音波を用いてファインバブルを減少させることにより、凝集を防止することができる。

【0094】

６．変形例
以上の実施形態のように、超音波照射の前後における対象液体Ｌの粒度分布データに基づいて気泡径分布を測定するような構成に限らず、粒度分布に関する他のデータに基づいて気泡径分布を測定するような構成であってもよい。すなわち、最終的に算出される粒子径分布データに基づいてファインバブルの気泡径分布を測定することができるだけでなく、光強度分布データなどの粒子径分布データを算出するまでに用いられるデータに基づいて、ファインバブルの気泡径分布を測定することも可能である。なお、粒子径分布データを算出するためのデータは、光強度分布データに限らず、光強度分布データから算出される他のデータなどであってもよい。

【0095】

以上の実施形態では、気泡径分布測定装置がレーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置である場合について説明した。しかし、本発明は、レーザ回折・散乱法以外の方法で粒子径分布を測定するような構成にも適用可能である。上記レーザ回折・散乱法以外の方法としては、例えば動的光散乱法、電気的検知帯法、粒子軌跡解析法、共振式質量測定法、動的画像解析法などを例示することができる。これらのいずれの方法においても、屈折率などのパラメータとしては、気体粒子を構成する気体に特有の値を用いることができる。また、本発明に係る気泡径分布測定装置は、光散乱式又は光遮蔽式のパーティクルカウンタなどにも適用することができる。

【符号の説明】

【0096】

１００ ファインバブル除去装置
１０１ 容器設置部
１０２ 超音波照射装置
１０３ 温度調整装置
１２１ 超音波振動子
２００ 容器
２０１ 蓋
２０２ 空隙
Ｌ 対象液体
Ｗ１ 節
Ｗ２ 腹

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】