特許 7544389 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】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(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 23/20 20220101AFI20240827BHJP

   B01F 33/45 20220101ALI20240827BHJP

   B01F 27/80 20220101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

B01F23/20

B01F33/45

B01F27/80

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021520779

(86)(22)【出願日】2020-05-18

(86)【国際出願番号】 JP2020019586

(87)【国際公開番号】W WO2020235519

(87)【国際公開日】2020-11-26

【審査請求日】2023-05-16

(31)【優先権主張番号】P 2019094202

(32)【優先日】2019-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100168114

【弁理士】

【氏名又は名称】山中 生太

(74)【代理人】

【識別番号】100146916

【弁理士】

【氏名又は名称】廣石 雅紀

(72)【発明者】

【氏名】五島 崇

(72)【発明者】

【氏名】三国 勇大

【審査官】壷内 信吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－１１９５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１４００１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／１２０９４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】実開昭６２－１８７９６５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２００５／０８４６４１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｆ ２３／００－２３／８０

Ｂ０１Ｆ ３３／００－３３／８７

Ｂ０１Ｆ ２７／００－２７／９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転子と、
内下面、前記内下面に対面する内上面、及び前記内上面と前記内下面とをつなぐ内側面を有し、前記回転子が液体及び気体と共に収容される容器と、
前記回転子を前記容器の前記内下面に押し付けることにより、前記回転子における前記内下面に押し付けられる部分と前記内下面との間に、局所的に狭小化された第１隙間が構成され、かつ前記回転子を前記容器の前記内側面のうちの一部分に寄せることにより、前記内側面と前記回転子との間に、局所的に狭小化された第２隙間が構成された状態で、前記回転子を自転させる回転装置と、
を備え、
前記回転装置による前記回転子の自転に伴って、（Ｉ）前記気体と前記液体との混合物の前記第１隙間における局所的な加圧と、前記混合物が前記第１隙間から流れ出る際の前記混合物の減圧とが周期的に繰り返され、かつ（ＩＩ）前記混合物の前記第２隙間における局所的な加圧と、前記混合物が前記第２隙間から流れ出る際の前記混合物の減圧とが周期的に繰り返されることにより、気泡が形成される、
気泡形成装置。

【請求項2】

前記回転子が磁性を有し、
前記回転装置が、前記容器を介して前記回転子と磁気的に結合することにより、前記回転子を前記内下面に押し付けた状態で、前記回転子を自転させる、
請求項１に記載の気泡形成装置。

【請求項3】

前記回転装置が、前記回転子に機械的に連結された連結部材を有し、
前記回転装置が、前記連結部材を用いて、前記回転子を前記内下面に押し付けた状態で、前記回転子を自転させる、
請求項１に記載の気泡形成装置。

【請求項4】

前記回転子における前記内下面に押し付けられる部分と、前記容器の前記内下面との少なくとも一方に、凹部と凸部とが前記回転子の前記自転の方向である周方向に並んでいる凹凸構造が、形成されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の気泡形成装置。

【請求項5】

前記凹凸構造が、前記回転子に形成されている、
請求項４に記載の気泡形成装置。

【請求項7】

前記容器に、
前記液体及び前記気体を導入する導入口と、
前記導入口とは異なる位置に配置され、前記気体が気泡化されて前記液体に分散している気液混合流体を排出する排出口と、
が形成されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の気泡形成装置。

【請求項8】

前記回転子の外面が、疎水性を有する樹脂で構成されている、
請求項１、２、３、４、５、又は７に記載の気泡形成装置。

【請求項9】

内下面、前記内下面に対面する内上面、及び前記内上面と前記内下面とをつなぐ内側面を有する容器に、回転子を、液体及び気体と共に封入する封入工程と、
前記回転子を前記容器の前記内下面に押し付けることにより、前記回転子における前記内下面に押し付けられる部分と前記内下面との間に、局所的に狭小化された第１隙間が構成され、かつ前記回転子を前記容器の前記内側面のうちの一部分に寄せることにより、前記内側面と前記回転子との間に、局所的に狭小化された第２隙間が構成された状態で、前記回転子を自転させる回転工程と、
を有し、
前記回転工程では、前記回転子の自転に伴って、（Ｉ）前記気体と前記液体との混合物の前記第１隙間における局所的な加圧と、前記混合物が前記第１隙間から流れ出る際の前記混合物の減圧とが周期的に繰り返され、かつ（ＩＩ）前記混合物の前記第２隙間における局所的な加圧と、前記混合物が前記第２隙間から流れ出る際の前記混合物の減圧とが周期的に繰り返されることにより、気泡が形成される、
気泡形成方法。

【請求項11】

前記連結部材が、曲げ変形が可能な弾性を有し、
前記回転装置が、前記連結部材の、前記曲げ変形に対する弾性復元力によって、前記回転子を前記内側面に押し付けた状態で、前記回転子を自転させる、
請求項３に記載の気泡形成装置。

【請求項12】

前記回転子と前記内側面との間隔の最大値をＤとしたとき、前記第２隙間の寸法が、Ｄ／２０以下である、
請求項１、２、３、４、５、７、８、又は１１に記載の気泡形成装置。

【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、気密なタンクと、タンクの底面上で回転する回転子とを用いて、気泡を形成する気泡形成装置が知られている。タンク内には、回転子の他に、気体を放出する気体源に接続された多孔質体と、多孔質体と回転子との間に介在する筒体と、が配置される。

【0003】

この気泡形成装置においては、液体で満たされたタンク内で、多孔質体から気体が放出される。放出された気体は、筒体によって回転子の周囲へと案内される。回転子の周囲に案内された気体が回転子によって撹拌されることにより、気泡が形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－３４１４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のとおり、上記気泡形成装置は、タンク及び回転子の他に、少なくとも、多孔質体及び筒体を必須とする。このため、装置全体の構成が大がかりであった。

【0006】

本発明の目的は、大がかりな構成を必要とせずに気泡を形成す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】

本発明に係る気泡形成装置は、
回転子と、
前記回転子が液体及び気体と共に収容される容器と、
前記回転子を前記容器の内面である被押し付け面に押し付けた状態で、前記回転子を自転させる回転装置と、
を備え、
前記回転装置による前記回転子の自転に伴って、前記回転子における前記被押し付け面に押し付けられる部分と、前記被押し付け面との間の隙間で、前記気体と前記液体との混合物に対する加圧と減圧とが周期的に繰り返されることにより、気泡が形成される。

【0008】

前記回転子が磁性を有し、
前記回転装置が、前記容器を介して前記回転子と磁気的に結合することにより、前記回転子を前記被押し付け面に押し付けた状態で、前記回転子を自転させてもよい。

【0009】

前記回転装置が、前記回転子に機械的に連結された連結部材を有し、
前記回転装置が、前記連結部材を用いて、前記回転子を前記被押し付け面に押し付けた状態で、前記回転子を自転させてもよい。

【0010】

前記回転子における前記被押し付け面に押し付けられる部分と、前記容器の前記被押し付け面との少なくとも一方に、凹部と凸部とが前記回転子の前記自転の方向である周方向に並んでいる凹凸構造が、形成されていてもよい。

【0011】

前記凹凸構造が、前記回転子に形成されていてもよい。

【0012】

前記容器が、前記被押し付け面としての内下面と、前記内下面と対面する内上面と、前記内上面と前記内下面とをつなぎ、かつ前記回転子を取り囲む内側面とを有し、
前記回転子が、前記内側面のうちの一部分に寄せられていてもよい。

【0013】

前記容器に、
前記液体及び前記気体を導入する導入口と、
前記導入口とは異なる位置に配置され、前記気体が気泡化されて前記液体に分散している気液混合流体を排出する排出口と、
が形成されていてもよい。

【0014】

前記回転子の外面が、疎水性を有する樹脂で構成されていてもよい。

【0015】

本発明に係る気泡形成方法は、
回転子を、液体及び気体と共に、容器に封入する封入工程と、
前記容器の内面である被押し付け面に前記回転子を押し付けた状態で、前記回転子を自転させることにより、前記回転子における前記被押し付け面に押し付けられる部分と、前記被押し付け面との間の隙間で、前記気体と前記液体との混合物に対する加圧と減圧とを周期的に繰り返す回転工程と、
を有する。

【0016】

前記容器が、前記被押し付け面としての内下面と、前記内下面と対面する内上面と、前記内上面と前記内下面とをつなぎ、かつ前記回転子を取り囲む内側面とを有し、
前記回転工程では、前記回転子が前記内側面のうちの一部分に寄せられることにより、前記内側面の前記一部分と前記回転子との間で前記混合物が局所的に加圧されてもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明の気泡形成装置及び気泡形成方法によれば、回転子における被押し付け面に押し付けられる部分と、被押し付け面との間の隙間で、気体と液体との混合物に対する加圧と減圧とが周期的に繰り返されることにより、気泡が形成される。

【0018】

気泡を形成するにあたり、従来必要であった、気体を放出する多孔質体、及び多孔質体が放出した気泡を回転子へと案内する筒体が不要であるため、大がかりな構成を必要とせずに済む。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【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に係る回転子の裏面部を示す斜視図。

【図3】実施形態１に係る容器及び回転子を示す平面図。

【図4】実施形態１に係る容器及び回転子を示す縦断面図。

【図5】実施形態１に係る回転子の第１凹凸構造を拡大して示す概念図。

【図6】実施例１及び比較例１、２に係る気液混合流体の気泡密度を示すグラフ。

【図7】実施例１、２に係る気液混合流体の気泡密度を示すグラフ。

【図8】実施例２に係る気液混合流体中の気泡の直径別頻度分布を示すグラフ。

【図9】実施例１、２に係る気液混合流体の気泡密度の、回転子の単位時間あたりの回転数に対する依存性を示すグラフ。

【図10】実施例２－４に係る気液混合流体の気泡密度を示すグラフ。

【図11】実施例１、５、６に係る気液混合流体の気泡密度を示すグラフ。

【図12】実施形態２に係る気泡形成装置の構成を示す概念図。

【図13】実施例７に係る気液混合流体中の気泡の直径別頻度分布を示すグラフ。

【図14】実施形態３に係る気泡形成装置の構成を示す概念図。

【図15】実施形態４に係る気泡形成装置の使用の態様を示す概念図。

【図16】実施形態５に係る容器及び回転子を示す平面図。

【図17】実施形態６に係る容器及び回転子を示す平面図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照し、実施形態１－６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。

【0021】

［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５００は、磁性を有する回転子１００と、回転子１００が液体ＬＱ及び気体ＧＳと共に収容される容器２００と、容器２００を介して回転子１００と磁気的に結合する回転装置３００と、を備える。

【0022】

容器２００は、平坦な内上面２１１と、内上面２１１と対面する平坦な内下面２２１と、内上面２１１と内下面２２１とをつなぎ、かつ回転子１００を取り囲む内側面としての内周面２２２と、を有する。それら内上面２１１、内下面２２１、及び内周面２２２によって、気密かつ液密な空間が画定されている。

【0023】

容器２００は、内上面２１１を構成する蓋部２１０と、内下面２２１及び内周面２２２を構成する本体部２２０とに分割されて構成されている。蓋部２１０は、本体部２２０から取り外すことができる。また、蓋部２１０を本体部２２０にねじ込むことで、蓋部２１０と本体部２２０とを嵌め合わすことができる。なお、容器２００は、透磁性を有する素材によって形成されている。

【0024】

回転装置３００は、磁力によって、回転子１００を容器２００の被押し付け面としての内下面２２１に押し付けた状態で、回転子１００を自転させる。回転子１００は、内下面２２１と直交する方向に延びる仮想回転軸ＶＡの周りに自転する。

【0025】

回転子１００は、疎水性を有する樹脂、具体的には、フッ素樹脂であるポリテトラフルオロエチレンによって、磁性体が覆われた構造を有する。即ち、回転子１００の外面は、ポリテトラフルオロエチレンで構成されている。

【0026】

また、回転子１００は、全体として、仮想回転軸ＶＡを中心軸とする略円柱形の外形を有する。以下、回転子１００における、容器２００の内下面２２１に押し付けられる部分（以下、裏面部という。）１１０の構成について説明する。

【0027】

図２に示すように、回転子１００の裏面部１１０には、凹部１２１と凸部１２２とを有する第１凹凸構造１２０が形成されている。第１凹凸構造１２０は、仮想回転軸ＶＡの周りの周方向に凹部１２１と凸部１２２とが交互に並んでいる構造を有する。

【0028】

具体的には、複数の凸部１２２の各々は、仮想回転軸ＶＡと直交する半径方向に放射状に延在している。周方向に隣り合う凸部１２２の間が、凹部１２１を構成している。凹部１２１は、仮想回転軸ＶＡに平行な視線でみて扇形に形成されている。本実施形態に係る第１凹凸構造１２０は、合計で４つの凸部１２２と、合計で４つの凹部１２１とによって構成されている。

【0029】

図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線の位置における断面を示す。図３に示すように、回転子１００の、図２に示した裏面部１１０とは反対側の上面は、平坦に形成されている。また、容器２００は、仮想回転軸ＶＡに平行な平面視において、円形に形成されている。容器２００は、全体として円筒形の外形を有する。

【0030】

そして、回転子１００を貫く仮想回転軸ＶＡの位置は、円筒形の容器２００の図示せぬ中心軸の位置から偏心されている。つまり、回転子１００は、容器２００の内周面２２２の一部分に寄せられて配置されている。

【0031】

以下、上述のように構成された気泡形成装置５００の作用について説明する。

【0032】

図１に示すように、まず、封入工程として、ユーザは、容器２００に、液体ＬＱ、気体ＧＳ、及び回転子１００を気密かつ液密に封入する。液体ＬＱの液面の高さは、回転子１００の、内上面２１１と対向する上面の高さと略等しい。液体ＬＱの液面と、容器２００の内上面２１１との間に気体ＧＳが収容される。

【0033】

既述のように、回転子１００は、内周面２２２の一部分に寄せられ、かつ裏面部１１０を内下面２２１と対面させた状態で、内下面２２１に載置される。そして、回転工程として、回転装置３００によって回転子１００を自転させる。

【0034】

図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線の位置における断面を示す。回転子１００が自転すると、その自転に伴って液体ＬＱが旋回し、液体ＬＱに遠心力が作用する。また、回転子１００の自転に伴って、回転子１００の周囲の液圧が低下する。この結果、回転子１００に近づきつつ、上方に向かう液体ＬＱの流れが形成される。そして、上方に向かった液体ＬＱが下方に折り返される際に、気体ＧＳを巻き込む。

【0035】

気体ＧＳが、液体ＬＱに巻き込まれることにより気泡が形成される。形成された気泡は、自転する回転子１００の外面において剪断されることにより微細化される。回転子１００の外面が疎水性を有するため、回転子１００の外面が親水性を有する場合に比べて、回転子１００の外面において、剪断による気泡の形成を効率的に行うことができる。

【0036】

以上のようにして、液体ＬＱと気体ＧＳとが混ざり合い、液体ＬＱと気体ＧＳとの混合物である気液混合流体ＦＬが形成される。気液混合流体ＦＬにおいては、気体ＧＳが気泡化されて液体ＬＱに分散している。

【0037】

図５を参照し、仮想回転軸ＶＡに平行な面内における気液混合流体ＦＬの流れについて説明する。図５では、回転子１００に対する気液混合流体ＦＬの相対的な流れを矢印で示している。回転子１００の自転に伴い、凹部１２１と内下面２２１との間の気液混合流体ＦＬが、凸部１２２と内下面２２１との間の局所的に狭小化された隙間ＧＰ１を通過して、隣の凹部１２１に流入する。

【0038】

気液混合流体ＦＬは、凸部１２２と内下面２２１との間の隙間ＧＰ１において加圧され、隙間ＧＰ１から隣の凹部１２１に流れ出る際に急激に減圧される。そのような加圧と減圧とが、回転子１００の自転に伴って周期的に繰り返される。

【0039】

この結果、気液混合流体ＦＬを構成する液体ＬＱへの気泡の溶解が促進されたり、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）が生じたりするため、気液混合流体ＦＬ中の気泡が微細化される。このようにして、微細化された気泡を形成することができる。

【0040】

図３を参照し、次に、仮想回転軸ＶＡに直交する面内における気液混合流体ＦＬの流れについて説明する。既述のように、回転子１００は、内周面２２２のうちの一部分に寄せられて配置されている。このため、仮想回転軸ＶＡに直交する面内においても、内側面２２２の一部分と回転子１００との間に、局所的に狭小化された隙間ＧＰ２が構成される。

【0041】

図３では、回転子１００に対する気液混合流体ＦＬの相対的な流れを矢印で示している。回転子１００の自転に伴い、気液混合流体ＦＬが、自転している回転子１００の周りを周回する流れを構成する。気液混合流体ＦＬは、回転子１００と内周面２２２との間の隙間ＧＰ２において局所的に加圧され、隙間ＧＰ２から流れ出る際に急激に減圧される。

【0042】

そのような加圧と減圧とが、回転子１００の自転に伴って周期的に繰り返される。このことも、気泡の溶解及びキャビテーションの発生をもたらし、気液混合流体ＦＬに含まれる気泡の微細化に寄与している。

【0043】

なお、気液混合流体ＦＬの、隙間ＧＰ２での加圧と、隙間ＧＰ２から流れ出る際の減圧とをより確実なものとするために、隙間ＧＰ２の寸法は、回転子１００と内周面２２２との間隔の最大値（以下、最大間隔という。）をＤとしたとき、Ｄ／２０以下であることが好ましく、Ｄ／４０以下であることがより好ましく、Ｄ／８０以下であることがより好ましい。

【0044】

以上説明した気泡形成装置５００によれば、微細化された気泡を含む気液混合流体ＦＬを得るにあたり、従来必要であった、気体を放出する多孔質体、及び多孔質体が放出した気泡を回転子へと案内する筒体が不要であるため、大がかりな構成を必要とせずに済む。

【0045】

以下、気液混合流体ＦＬにおける気泡の数密度（以下、気泡密度と記す。）を高める条件を模索した実験の結果について説明する。

【0046】

［実施例１］
内径２６．５ｍｍの容器２００に、外径１７ｍｍの回転子１００と、液体ＬＱとしての精製水と、気体ＧＳとしての空気とを封入し、回転子１００を回転させることにより、気液混合流体ＦＬを形成した。精製水の量は４ｍＬとした。精製水の水面の高さは、回転子１００の上面の高さと等しい。回転子１００の回転数は、７００ｒｐｍとした。

【0047】

但し、回転子１００は、容器２００の内周面２２２のうちの一部分に寄せることなく、容器２００の内下面２２１の中央部分に配置した。具体的には、回転子１００の仮想回転軸ＶＡの位置を、容器２００の中心軸の位置と一致させた。

【0048】

［比較例１］
回転子１００を上下反転させて配置した点以外は、実施例１と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。即ち、比較例１では、回転子１００の第１凹凸構造１２０が、容器２００の内下面２２１とは対向しておらず、容器２００の内上面２１１と対向している。このため、図５を参照して説明した作用を得ることができない。

【0049】

［比較例２］
回転子１００に代えて、第１凹凸構造１２０を備えない回転子を用いた点以外は、実施例１と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。回転子が第１凹凸構造１２０を備えないため、比較例１の場合と同様、図５を参照して説明した作用を得ることができない。

【0050】

［評価１］
図６は、実施例１及び比較例１、２で得た気液混合流体ＦＬの気泡密度を示すグラフである。縦軸が気泡密度を示し、横軸は回転子１００の自転を継続させた時間（以下、運転時間と記す。）を示す。図６に示すように、実施例１によれば、比較例１、２に比べて顕著に高い気泡密度が得られた。この結果は、図５を参照して説明した作用によって、第１凹凸構造１２０が気液混合流体ＦＬの気泡密度を高めたことを示している。

【0051】

［実施例２］
図３に示したように回転子１００を容器２００の内周面２２２のうちの一部分に寄せた点以外は、実施例１と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。図３に示す隙間ＧＰ２の寸法は、０．５ｍｍ以下とした。

【0052】

［評価２］
図７は、実施例２で得た気液混合流体ＦＬの気泡密度を示すグラフである。図７には、比較のために、実施例１の結果を再掲した。図７に示すように、実施例２によれば、実施例１に比べて高い気泡密度が得られた。この結果は、回転子１００を容器２００の内周面２２２のうちの一部分に寄せることにより、図３を参照して説明した作用によって気液混合流体ＦＬの気泡密度が高められることを示している。

【0053】

［評価３］
図８は、実施例２で得た気液混合流体ＦＬ中の気泡の直径別頻度分布を示す。横軸は、気泡の直径（以下、気泡径と記す。）を示し、縦軸は頻度を示す。なお、実施例２に係る気液混合流体ＦＬのサンプルを５つ準備し、各々のサンプルについて頻度分布を測定した。図８では、各々の気泡径において、５つのサンプルについての測定結果内での最小値から最大値までに幅をもたせて示している。また、図８では、５つのサンプルについての測定結果の平均を表す曲線の極大点の近傍に、その極大点の位置の気泡径を付記した。

【0054】

図８に示すように、気液混合流体ＦＬにおける気泡径は６００ｎｍ以下である。即ち、気泡径が１μｍ以下の気泡であるウルトラファインバブル（ｕｌｔｒａｆｉｎｅ ｂｕｂｂｌｅ）を形成できたことが確認された。気泡径の平均値は、２００ｎｍ未満、具体的には１００ｎｍ程度である。なお、ここで平均値とは、最も高い頻度の気泡径であるモード径を指す。

【0055】

［評価４］
図９は、実施例１及び実施例２に係る気液混合流体ＦＬの気泡密度の、回転子１００の回転数に対する依存性を示すグラフである。なお、運転時間は３分とした。図９に示すように、実施例１及び実施例２のいずれにおいても、回転子１００の回転数が高い程、気泡密度が高くなる。

【0056】

従って、回転子１００の回転数は高い程好ましい。具体的には、回転子１００の回転数は、２００ｒｐｍ以上であることが好ましく、４００ｒｐｍ以上であることがより好ましく、６００ｒｐｍ以上であることがより好ましい。

【0057】

［実施例３］
回転子１００の外径を１５ｍｍとした点以外は、実施例２と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。

【0058】

［実施例４］
回転子１００の外径を１０ｍｍとした点以外は、実施例２と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。

【0059】

［評価５］
図１０は、実施例２－４で得た気液混合流体ＦＬの気泡密度を示すグラフである。比較のために実施例２の結果を再掲した。図１０に示すように、回転子１００の回転数が等しい場合、回転子１００の外径が大きい程、高い気泡密度が得られる。これは、回転子１００の外径が大きい程、回転子１００の外周面における回転速度が大きいため、回転子１００の外周面において気泡の剪断及び撹拌がより激しく行われたことによる。

【0060】

［実施例５］
回転子１００の外径を２５ｍｍとし、容器２００の内径を４１ｍｍとした点以外は、実施例１と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。液体ＬＱとしての精製水の量は、その水面の高さが回転子１００の上面の高さと等しくなるように調整した。

【0061】

［実施例６］
回転子１００の外径を６０ｍｍとし、容器２００の内径を６９．５ｍｍとした点以外は、実施例１と同じ条件で、気液混合流体ＦＬを形成した。液体ＬＱとしての精製水の量は、その水面の高さが回転子１００の上面の高さと等しくなるように調整した。

【0062】

［評価６］
図１１は、実施例１、５、６で得た気液混合流体ＦＬの気泡密度を示すグラフである。比較のために実施例１の結果を再掲した。図１１に示すように、回転子１００の回転数が等しい場合、回転子１００の外径が大きい程、高い気泡密度が得られる。また、容器２００に封入した精製水の量は、実施例１、５、６のうち実施例６が最も多い。つまり、サイズの大きい容器２００及び回転子１００を用いることで、より効率的に気液混合流体ＦＬを得ることができる。

【0063】

［実施形態２］
上記実施形態１では、回転装置３００が非接触で回転子１００を自転させる構成を例示したが、回転装置３００と回転子１００とが機械的に連結された構成を採ってもよい。以下、その具体例について述べる。

【0064】

図１２に示すように、本実施形態では、回転子１００を自転させる回転装置４００が、回転子１００と機械的に連結されている。回転装置４００は、回転子１００に機械的に連結された連結部材４１０と、連結部材４１０を通じて回転子１００を自転させるモータ４２０とを有する。

【0065】

連結部材４１０は、容器２００の被押し付け面としての内下面２２１に交差する方向に棒状に延在している回転軸体４１１と、回転子１００に取り付けられた弾性体４１２とを有する。

【0066】

弾性体４１２は、弾性変形が可能な柔軟性を有する素材、具体的には、ゴムによって形成されている。但し、ゴム以外の樹脂によって弾性体４１２を形成してもよい。弾性体４１２は、接着剤によって、回転子１００の上面における仮想回転軸ＶＡと交差する部分に接着されている。

【0067】

回転軸体４１１は、仮想回転軸ＶＡ上に延在している。回転軸体４１１の一端としての下端は、弾性体４１２を介して、回転子１００の上面に接続されている。回転軸体４１１の他端としての上端は、容器２００の上方に配置されたモータ４２０に接続されている。回転軸体４１１は、ステンレスその他の金属によって形成してもよいし、プラスチックその他の樹脂によって形成してもよい。

【0068】

なお、回転軸体４１１は、容器２００の蓋部２１０を貫通している。蓋部２１０の、回転軸体４１１によって貫かれている部分は、回転軸体４１１に対する軸受けとしての役割を果たす。その軸受けは、容器２００の外部に気体ＧＳ及び液体ＬＱが漏出するのを防止する気密性及び液密性を有する。

【0069】

モータ４２０は、回転軸体４１１を仮想回転軸ＶＡの周りに回転させる。これにより、回転軸体４１１の回転トルクが、弾性体４１２を通じて回転子１００に伝えられ、回転子１００が自転する。

【0070】

また、回転装置４００は、連結部材４１０を用いて、回転子１００を内下面２２１に押し付けた状態で、回転子１００を自転させる。具体的には、回転装置４００は、回転子１００を内下面２２１に押し付けるスラスト力を、回転軸体４１１及び弾性体４１２を通じて回転子１００に与えながら、回転子１００を自転させる。

【0071】

そのスラスト力は、回転軸体４１１及び弾性体４１２の荷重が含まれる。これにより、実施形態１の場合と同様に、回転子１００の裏面部１１０と内下面２２１との間には、回転子１００の荷重よりも大きな押し付け力が作用する。

【0072】

なお、回転装置４００は、回転子１００を内下面２２１のみならず内周面２２２にも押し付けた状態で、回転子１００を自転させてもよい。この場合、回転軸体４１１は、曲げ変形が可能な弾性を有することが好ましい。回転軸体４１１の、曲げに対する弾性復元力によって、回転子１００を内周面２２２に押し付けることができる。

【0073】

上述のように本実施形態では、回転軸体４１１と回転子１００との間に、弾性体４１２が介在している。このため、モータ４２０が回転軸体４１１を回転させている最中に、仮に回転軸体４１１が仮想回転軸ＶＡの位置からずれる軸ブレが生じたとしても、その軸ブレが弾性体４１２の弾性変形によって吸収される。従って、回転装置４００は、回転子１００を安定して自転させ続けることができる。他の作用及び効果は、実施形態１と同様である。

【0074】

［実施例７］
内径６７ｍｍの円筒型の容器２００に、外径６０ｍｍの回転子１００と、液体ＬＱとしての精製水と、気体ＧＳとしての空気とを封入した。そして、図１２に示す回転装置４００によって回転子１００を自転させることにより、気液混合流体ＦＬを形成した。精製水の量は、１００ｍＬとした。回転子１００の回転数は、２８００ｒｐｍとした。運転時間は、２分とした。

【0075】

なお、図１２に示したように、回転子１００は、容器２００の内周面２２２のうちの一部分に寄せられている。即ち、回転装置４００は、回転子１００を内下面２２１のみならず内周面２２２にも押し付けた状態で自転させる。図３に示す隙間ＧＰ２の寸法に相当する値は、０．５ｍｍ以下とした。

【0076】

［評価７］
図１３は、実施例７で得た気液混合流体ＦＬ中の気泡の直径別頻度分布を示す。横軸は気泡径を示し、縦軸は頻度を示す。なお、実施例７に係る気液混合流体ＦＬのサンプルを５つ準備し、各々のサンプルについて頻度分布を測定した。図１３では、各々の気泡径において、５つのサンプルについての測定結果内での最小値から最大値までに幅をもたせて示している。また、図１３では、５つのサンプルについての測定結果の平均を表す曲線の極大点の近傍に、その極大点の位置の気泡径を付記した。

【0077】

図１３に示すように、気液混合流体ＦＬにおける気泡径は６００ｎｍ以下である。即ち、気泡径が１μｍ以下の気泡であるウルトラファインバブルを形成できたことが確認された。気泡径の平均値は、２００ｎｍ未満、具体的には１００ｎｍ程度である。

【0078】

［実施形態３］
上記実施形態１では、容器２００への液体ＬＱ及び気体ＧＳの導入、並びに容器２００からの気液混合流体ＦＬの排出の都度、本体部２２０に対して蓋部２１０を開閉する操作を要した。蓋部２１０の開閉を伴わずに、液体ＬＱ及び気体ＧＳの導入、並びに気液混合流体ＦＬの排出を行える構成を容器２００が備えてもよい。以下、その具体例について述べる。

【0079】

図１４に示すように、本実施形態に係る気泡形成装置５００においては、容器２００に、液体ＬＱ及び気体ＧＳを導入する導入口ＩＮと、気液混合流体ＦＬを排出する排出口ＯＵＴとが形成されている。

【0080】

排出口ＯＵＴは、導入口ＩＮとは異なる位置に配置されている。具体的には、導入口ＩＮは、回転子１００の上面よりも低い位置に配置されており、排出口ＯＵＴは、回転子１００の上面よりも高い位置に配置されている。

【0081】

また、本実施形態に係る気泡形成装置５００は、導入口ＩＮを開閉する第１開閉弁２３１と、排出口ＯＵＴを開閉する第２開閉弁２３２とを備える。第１開閉弁２３１と第２開閉弁２３２の各々は、所望のタイミングで開閉することができる。

【0082】

本実施形態によれば、第１開閉弁２３１及び導入口ＩＮを通じて容器２００に液体ＬＱ及び気体ＧＳを導入することができ、第２開閉弁２３２及び排出口ＯＵＴを通じて容器２００内の気液混合流体ＦＬを外部に排出することができる。このため、図１に示した蓋部２１０の開閉が不要である。

【0083】

また、容器２００の内圧を大気圧とは異なる値へと容易に調整できる。具体的には、第２開閉弁２３２を閉じた状態で、第１開閉弁２３１及び導入口ＩＮを通じて容器２００に液体ＬＱ及び気体ＧＳを圧入することで、容器２００の内圧を大気圧よりも高く設定できる。また、気液混合流体ＦＬを形成する前に、第１開閉弁２３１を閉じた状態で、第２開閉弁２３２及び排出口ＩＮを通じて気体ＧＳを引き抜くことで、容器２００の内圧を大気圧よりも低く設定できる。

【0084】

また、第１開閉弁２３１及び第２開閉弁２３２を開いた状態で、回転子１００を自転させておくことで、バッチ処理以外の処理、即ち、容器２００に液体ＬＱ及び気体ＧＳを導入しながら、容器２００から気液混合流体ＦＬを排出する連続処理も可能である。

【0085】

［実施形態４］
上記実施形態３では、単一の気泡形成装置５００を用いる場合を例示したが、複数の気泡形成装置５００を組み合わせて使用してもよい。以下、その具体例について述べる。

【0086】

図１５に示すように、本実施形態では、３つの気泡形成装置５００を鉛直方向に積み重ねて使用する。１つの気泡形成装置５００の排出口ＯＵＴは、その気泡形成装置５００の上に積まれた気泡形成装置５００の導入口ＩＮと連通している。

【0087】

最下段の気泡形成装置５００の導入口ＩＮから液体ＬＱ及び気体ＧＳが導入される。その液体ＬＱと気体ＧＳとは混ざり合いつつ、各々の気泡形成装置５００における回転子１００の自転に伴う遠心力で上方に移動される。そして、最上段の気泡形成装置５００の排出口ＯＵＴから気液混合流体ＦＬが排出される。

【0088】

本実施形態によれば、３つの気泡形成装置５００における回転子１００を同時並行して自転させるので、気液混合流体ＦＬを効率的に形成することができる。

【0089】

なお、図１５には、図１４に示した第１開閉弁２３１及び第２開閉弁２３２を示していないが、最下段の気泡形成装置５００の導入口ＩＮに第１開閉弁２３１を設け、最上段の気泡形成装置５００の排出口ＯＵＴに第２開閉弁２３２を設けてもよい。

【0090】

［実施形態５］
図３には、平面視で円形の容器２００の図示せぬ中心軸から仮想回転軸ＶＡを偏心させた構成を例示した。容器２００の形状によっては、仮想回転軸ＶＡを偏心させずとも、回転子１００が内周面２２２のうちの一部分に寄せられる場合がある。以下、その具体例について述べる。

【0091】

図１６に示すように、本実施形態に係る容器２００は、平面視で楕円形に形成されている。容器２００の中心軸の位置と、仮想回転軸ＶＡの位置は一致しているが、容器２００が楕円形に形成されているため、容器２００の内周面２２２のうちの一部分に、回転子１００が寄せられている。具体的には、容器２００の内周面２２２のうちの、短軸方向に対向する２箇所に、回転子１００が寄せられている。

【0092】

このため、内側面２２２と回転子１００との間に、局所的に狭小化された隙間ＧＰ２が２つ構成される。従って、隙間ＧＰ２が１つのみ構成される実施形態１に比べると、気液混合流体ＦＬを効率的に形成しうる。

【0093】

なお、気液混合流体ＦＬの、各々の隙間ＧＰ２での加圧と、各々の隙間ＧＰ２から流れ出る際の減圧とをより確実なものとするために、回転子１００と内周面２２２との最大間隔をＤとしたとき、隙間ＧＰ２の寸法は、Ｄ／２０以下であることが好ましく、Ｄ／４０以下であることがより好ましく、Ｄ／８０以下であることがより好ましい。ここで最大間隔Ｄとは、図１６に示す構成においては、回転子１００と内周面２２２との長軸方向の間隔を指す。

【0094】

［実施形態６］
図３には、容器２００の内周面２２２と、その内周面２２２に面する回転子１００の外周面とがいずれも滑らかに形成された構成を例示したが、回転子１００の外周面と、容器２００の内周面２２２との少なくとも一方に、第２凹凸構造を形成してもよい。以下、その具体例について述べる。

【0095】

図１７に示すように、本実施形態では、回転子１００の、容器２００の内周面２２２に面する外周面に、第２凹凸構造１３０が形成されている。第２凹凸構造１３０は、仮想回転軸ＶＡの周りの周方向に並ぶ凹部と凸部とによって構成されている。本実施形態によれば、第２凹凸構造１３０と内周面２２２との間で、気液混合流体ＦＬの加圧と減圧とが周期的に繰り返される。これにより、第２凹凸構造１３０が無い場合よりも効率的に気泡を形成することができる。

【0096】

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明はこれに限られず、以下に述べる変形も可能である。

【0097】

図１には、回転子１００の裏面部１１０と、容器２００の内下面２２１とのうち、回転子１００の裏面部１１０に第１凹凸構造１２０を形成した構成を例示したが、回転子１００に第１凹凸構造１２０を形成する代わりに、容器２００の内下面２２１に第１凹凸構造１２０を形成してもよい。また、回転子１００と内下面２２１の双方に、第１凹凸構造１２０を形成してもよい。

【0098】

但し、回転子１００と内下面２２１のうち、少なくとも回転子１００に第１凹凸構造１２０を形成することが好ましい。自転する回転子１００に第１凹凸構造１２０を形成することにより、内下面２２１のみに第１凹凸構造１２０を形成する場合に比べて、容器２００内に液体ＬＱ及び気体ＧＳの強い旋回流を形成することができ、気液混合流体ＦＬを効率的に形成することができる。

【0099】

図３には、仮想回転軸ＶＡに平行な平面視で円形の容器２００を例示し、図１６には、平面視で楕円形の容器２００を例示したが、容器２００の形状は特に限定されない。容器２００は、平面視で、三角形、四角形、又は五角形以上の多角形に形成されていてもよい。容器２００の形状によっては、内側面２２２と回転子１００との間に、局所的に狭小化された隙間ＧＰ２を複数構成することができる。

【0100】

また、気泡形成装置５００は、容器２００を介して、容器２００内の液体ＬＱ及び気体ＧＳの温度を調整する温度調整器を備えてもよい。温度調整器は、液体ＬＱ及び気体ＧＳを冷却するものであってよいし、液体ＬＱ及び気体ＧＳを加熱するものであってもよい。

【0101】

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、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。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。

【0102】

本出願は、２０１９年５月２０日に日本国に出願された特願２０１９－０９４２０２号に基づく。本明細書中に特願２０１９－０９４２０２号の明細書、特許請求の範囲、及び図面の全体を参照として取り込むものとする。

【産業上の利用可能性】

【0103】

本発明に係る気泡形成装置及び気泡形成方法は、気泡を含む気液混合流体の形成に用いることができる。

【符号の説明】

【0104】

１００…回転子、
１１０…裏面部、
１２０…第１凹凸構造（凹凸構造）、
１２１…凹部、
１２２…凸部、
１３０…第２凹凸構造、
２００…容器、
２１０…蓋部、
２１１…内上面、
２２０…本体部、
２２１…内下面（被押し付け面）、
２２２…内周面（内側面）、
２３１…第１開閉弁、
２３２…第２開閉弁、
３００，４００…回転装置、
４１０…連結部材、
４１１…回転軸体、
４１２…弾性体、
４２０…モータ、
５００…気泡形成装置、
ＬＱ…液体、
ＧＳ…気体、
ＦＬ…気液混合流体、
ＶＡ…仮想回転軸、
ＧＰ１，ＧＰ２…隙間、
ＩＮ…導入口、
ＯＵＴ…排出口。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】