知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2024-10-17
(45)【発行日】2024-10-25
(54)【発明の名称】液体改質装置
(51)【国際特許分類】
B01F 25/431 20220101AFI20241018BHJP
B01F 23/2375 20220101ALI20241018BHJP
B01F 25/452 20220101ALI20241018BHJP
B01F 25/10 20220101ALI20241018BHJP
【ＦＩ】
B01F25/431
B01F23/2375
B01F25/452
B01F25/10
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021527724
(86)(22)【出願日】2020-06-25
(86)【国際出願番号】 JP2020024981
(87)【国際公開番号】W WO2020262523
(87)【国際公開日】2020-12-30
【審査請求日】2023-06-09
(31)【優先権主張番号】P 2019130607
(32)【優先日】2019-06-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】596107040
【氏名又は名称】株式会社ナノテック
(74)【代理人】
【識別番号】100166372
【弁理士】
【氏名又は名称】山内 博明
(74)【代理人】
【識別番号】100115451
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 武史
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 隆夫
【審査官】河野 隆一朗
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０４８７２８３３（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開平０６－２１８２５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２８４６４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１４４３９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５３－０９３７０４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】米国特許第０５９６９２０７（ＵＳ，Ａ）
【文献】韓国登録特許第１０－１００６０５８（ＫＲ，Ｂ１）
【文献】特開２０１９－１６２６０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０９４０６６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｆ ２１／００ － ２５／９０
Ｅ０３Ｃ １／０２ － １／０４２
Ｆ１６Ｌ ９／００ － ９／２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内径が相対的に大きい上流部及び下流部と、これらの間に位置しており内径が相対的に小さくて翼部を備える中流部とによって、改質対象の液体が通る円筒流路が形成されていて、前記翼部は、前縁が前記上流部側に位置し、かつ、後縁が前記下流部側に位置し、
最大翼厚を通る線をＺ軸、軸心をＹ軸、前記Ｚ軸及び前記Ｙ軸に対する直交軸をＸ軸とした場合、前記Ｚ軸方向から見て４象限で捉えられる、第１象限及び第３象限が第１方向に向けて傾斜し、第２象限及び第４象限が前記第１方向とは異なる第２方向に向けて傾斜する態様の捻じり形状である、液体改質装置。
【請求項2】
前記翼部は、最大翼厚と翼弦長との比が１：１０～２：１０である、請求項１記載の液体改質装置。
【請求項3】
前記上流部は、前記下流部に向けて内径が一定である平行部と、前記下流部に向けて内径が先細となる傾斜部とを有する、請求項１記載の液体改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体改質装置に関し、特に、液体をウルトラファインバブルよりも微細なサイズのバブルを含むものに改質する液体改質装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、小型のポンプで、かつ少量の気体供給量でありながら、安定してマイクロバブルを発生すると同時に、発生したマイクロバブルの一部を同一動作の中で効率的にナノバブル化するマイクロナノバブルの生成方法について開示されている。
【0003】
具体的には、このマイクロナノバブルの生成方法は、二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含む、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１４－２３１０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献１に開示されている生成方法は、その名のとおりナノサイズのバブル、すなわち、ウルトラファインバブルを生成することができるが、このサイズの泡で発揮できる効能はそれほど多くはなく、更なるサイズの微細化が要請されている。
【0006】
また、特許文献１に開示されている生成方法は、例えば、生成装置に流入させる液体が大きな抵抗を受けることになり、ナノバブルの生成に必要な真空キャビテーションを十分に得ることができず、ウルトラファインバブルの生成量は、相対的に少量でしかなかった。
【0007】
そこで、本発明は、ウルトラファインバブルより微細なサイズのバブルを生成することを課題とする。
【0008】
また、本発明は、ウルトラファインバブルより微細なサイズのバブルを含む液体を大量生産できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明の液体改質装置は、
内径が相対的に大きい上流部及び下流部と、これらの間に位置しており内径が相対的に小さくて翼部を備える中流部とによって、改質対象の液体が通る円筒流路が形成されていて、
前記翼部は、
前縁が前記上流部側に位置し、かつ、後縁が前記下流部側に位置し、
前記前縁の一方側と前記の後縁他方側とが第１方向に向けて傾斜し、前記前縁の他方側と前記後縁の一方側とが前記第１方向とは異なる第２方向に向けて傾斜する態様の捻じり形状である。
内径が相対的に大きい上流部及び下流部と、これらの間に位置しており内径が相対的に小さくて翼部を備える中流部とによって、改質対象の液体が通る円筒流路が形成されていて、
前記翼部は、
前縁が前記上流部側に位置し、かつ、後縁が前記下流部側に位置し、
前記前縁の一方側と前記の後縁他方側とが第１方向に向けて傾斜し、前記前縁の他方側と前記後縁の一方側とが前記第１方向とは異なる第２方向に向けて傾斜する態様の捻じり形状である。
【0010】
なお、前記翼部は、前記円筒流路の軸心に沿った翼型がＮＡＣＡ翼型に準拠した形状とすることができる。また、前記翼部は、最大翼厚と翼弦長との比が１：１０～２：１０であるとよい。
【0011】
さらに、前記上流部は、前記下流部に向けて内径が一定である平行部と、前記下流部に向けて内径が先細となる傾斜部とを有することもできる。
【発明の実施の形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0013】
図１は、本発明の実施形態の液体改質装置１００の模式的な説明図である。図２は、図１の軸心に沿った断面図である。図３は、図１の軸心に沿った側面図である。図４は、図２のＡ－Ａ線での断面図である。なお、Ａ－Ａ線は、以下説明する翼部１４の最大翼厚を通る線である。
【0014】
図１等に示す液体改質装置１００は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、金、銀、鉄、アルミニウムなどの金属、ガラスによって製造することができる。したがって、液体改質装置１００の素材の自由度は高い。液体改質装置１００のサイズについては、部位毎に後述することとする。
【0015】
つぎに、図２～図４を参照されたい。図２等に示すように、本実施形態の液体改質装置１００には、円筒流路３０が形成されている。円筒流路３０は、以下説明する、上流端２と、上流部４と、傾斜部６と、中流部８と、下流部１０と、下流端１２と、によって構成されている。
【0016】
上流端２は、改質対象の液体の流入口である。上流端２は、その大きさ（直径）を、例えば９．０ｍｍ～１８０．０ｍｍ、好ましくは６．０ｍｍ～１５０．０ｍｍ、より好ましくは４．０ｍｍ～１３０．０ｍｍの開口とすることができる。このような寸法は、液体改質装置１００の取付先である液体流路が例えば４．０ｍｍ～１８０．０ｍｍであることを前提としており、したがって、液体改質装置１００は、当該液体流路の大きさに応じて、例えば相似形に変更した寸法とすることができる。
【0017】
上流部４は、上流端２に続く部位であり、ここでは、上流から下流に向けて内径が一定の形状のものを示している。したがって、この例では、上流部４は、上流端２のサイズと同じく、その内径を、例えば９．０ｍｍ～１８０．０ｍｍ、好ましくは６．０ｍｍ～１５０．０ｍｍ、より好ましくは４．０ｍｍ～１３０．０ｍｍとすることができる。また、上流部４は、その長さを、例えば１．０ｍｍ～１３．０ｍｍ、好ましくは３．０ｍｍ～１０．０ｍｍ、より好ましくは４．５ｍｍ～７．０ｍｍとすることができる。
【0018】
なお、上流部４の形状は、上流から下流に向けて内径が一定でることが必須ではなく、上流部４に続く傾斜部６と区別することなく一体として、例えば、線形的或いは２次曲線的に上流から下流に向けて内径が先細となるようにしてもよい。
【0019】
傾斜部６は、上流部４に続く部位であって、上流部４と連通形成されている。傾斜部６は、上流から下流に向けて例えば線型的に先細となる形状である。傾斜部６は、その長さを例えば１．０ｍｍ～１３．０ｍｍ、好ましくは３．０ｍｍ～１０．０ｍｍ、より好ましくは４．５ｍｍ～７．０ｍｍとすることができ、その傾斜と軸心２２とのなす角度を、例えば５°～６０°、好ましくは１０°～４５°、より好ましくは１５°～３０°とすることができる。
【0020】
ここで、上記のように、上流部４と傾斜部６とを例えば線形的に先細となるようにしてもよいことを説明したが、この場合には、その先端（上流）のサイズは上流端２のサイズと同じとし、終端（下流）を上記の傾斜部６における条件での下流側の直径サイズに合わせるようにするとよい。
【0021】
中流部８は、傾斜部６に続く部位であって、傾斜部６と連通形成されている。中流部８は、上流から下流に向けて内径が一定の形状のものを示している。中流部８は、その内径を、例えば３．０ｍｍ～１２０．０ｍｍ、好ましくは３．５ｍｍ～１００．０ｍｍ、より好ましくは４．０ｍｍ～８０．０ｍｍとすることができる。また、中流部８は、その長さを、例えば１０．０ｍｍ～４０．０ｍｍ、好ましくは２０．０ｍｍ～３０．０ｍｍ、より好ましくは２５．０ｍｍ～３０．０ｍｍとすることができる。
【0022】
下流部１０は、中流部８に続く部位であって、中流部８と連通形成されている。下流部１０は、上流から下流に向けて例えば線形的に先太となる形状である。下流部１０は、その長さを例えば２０．０ｍｍ～２６．０ｍｍ、好ましくは１２．０ｍｍ～２０．０ｍｍ、より好ましくは１０．０ｍｍ～１４．０ｍｍとすることができ、その傾斜と軸心２２とのなす角度を、例えば１°～６０°、好ましくは１０°～４５°、より好ましくは１５°～６０°とすることができる。
【0023】
下流端１２は、改質対象の液体が流出口である。下流端１２は、その大きさ（直径）を、例えば４．０ｍｍ～１８０．０ｍｍ、好ましくは５．０ｍｍ～１５０．０ｍｍ、より好ましくは６．０ｍｍ～１４０．０ｍｍの開口とすることができる。
【0024】
上流部４及び下流部１０は相対的に内径が大きく、中流部８は相対的に内径が小さい。また、繰り返しになるが、傾斜部６及び下流部１０の内径は、直線形的に変化していく例を図２に示しているが、例えば、曲線形的又は段階的に変化していくようにしてもよい。
【0025】
中流部８内には、以下説明するように、特徴的な形状の翼部１４が形成されている。特徴的な形状の翼部１４を設けることが、本実施形態の液体改質装置１００においては重要である。
【0026】
【0027】
翼部１４は、最大翼厚を通る線Ａ－Ａ（図２）をＺ軸、軸心２２をＹ軸、Ｚ軸及びＹ軸に直交するＸ軸とした場合に、Ｚ軸方向から見て４象限で捉えると、図６に示すように、第１象限１４ａと第３象限１４ｃとがＺ方向負側に傾斜し、第２象限１４ｂと第４象限１４ｄとがＺ方向正側に傾斜する態様でＸ軸を中心に捩じられた形状としている。
【0028】
なお、本実施形態の液体改質装置１００を地球の南半球で使用する場合には、液体の渦の回転方向が逆になるので、図６等に示す例とは反対に、第１象限１４ａと第３象限１４ｃとがＺ方向正側に傾斜し、第２象限１４ｂと第４象限１４ｄとがＺ方向負側に傾斜する態様でＸ軸を中心に捩じったものを用いるとよい。なお、図６に示す領域１４ｅは中流部８の内壁と同一面となる領域である。
【0029】
このように、翼部１４は、上流部４側を前縁１４Ａとし、かつ、下流部３側を後縁１４Ｂとした場合に、前縁１４Ａの一方側（例えば、第１象限１４ａ）と後縁１４Ｂの他方側（例えば、第３象限１４ｃ）とが第１方向（例えば、図２下側）に向けて傾斜し、前縁１４Ａの他方側（例えば、第２象限１４ｂ）と後縁１４Ｂの一方側（例えば、第４象限１４ｄ）とが第１方向とは異なる第２方向（例えば、図２上側）に向けて傾斜する態様の捻じり形状である。
【0030】
このような形状の翼部１４を用いると、中流部８を通る流体の速度が、翼部１４によって増大され、翼部１４の周辺で真空キャビテーションが連続的に発生する。真空キャビテーションが潰れるときに、流体に溶解している空気等が析出し、これがバブル発生のメカニズムであるが、この真空キャビテーションは、翼部１４の捩じり形状によって相対的に大きなものであるため、これが潰れる際には非常に大きなエネルギーが必要であり、バブルは相対的に小さなものが多く発生する。
【0031】
なお、翼部１４の原形、すなわち翼部１４を捩じっていない状態の形状は、例えば、円筒流路３０の軸心２２に沿った翼型がＮＡＣＡ翼型に準拠した形状のものとすることができる。なお、これに限定されるものではないが、翼部１４は、最大キャンバー位置を翼弦長の４０％程度に設定したものとするとよい。
【0032】
また、翼部１４の原形は、揚力係数は中以下、抗力係数は中以上、失速特性が穏やかなもの、系列でいうと、ＮＡＣＡ４桁系列の翼型を採用するとよい。一例としては、ＮＡＣＡ００１５を採用することができる。また、翼部１４は、最大翼厚と翼弦長との比が１：１０～２：１０であるとよい。
【0033】
この場合には、翼部１４の原形は、その弦長を、例えば４．０ｍｍ～１１．０ｍｍ、好ましくは３．０ｍｍ～９．０ｍｍ、より好ましくは３．０ｍｍ～７．０ｍｍとすることができる。また、その翼幅を、例えば８．０ｍｍ～１５．０ｍｍ、好ましくは９．０ｍｍ～１２．０ｍｍ、より好ましくは８．０ｍｍ～１１．０ｍｍとすることができる。
【0034】
翼部１４は、このような原形に対して、第１象限１４ａ及び第４象限１４ｄの翼弦線と図２に示していない第２象限及び第３象限の翼弦線との為す角度を、例えば３０°～２００°、好ましくは４０°～１８０°、より好ましくは３５°～１７０°とすることができる。
【0035】
このような翼部１４を備えた液体改質装置１００と、翼部１４の原形のものを備えた液体改質装置とを対比したところ、バブルの発生量は約４倍になった。また、バブルの大きさは大半が１０ｎｍ以下となった。これは、翼部１４が捻じり形状をしているため、翼部１４の周辺を通る流体に渦運動を付与することが可能となり、流体速度が増大するためである。
【0036】
流体を渦運動させると、流体には流れの中で真空圧力差が生じることになるため、物理現象として、液体にバブルが発生する。このバブルは、真空圧力差が大きいほど、多量に発生し、また、バブルのサイズが微細となり、この結果、バブルの消失までの時間が長くなる。本実施形態の液体改質装置１００は、このような作用によって微細なバブルを発生させ、その消滅までの時間を長くしている。
【0037】
なお、翼部１４を設けた場合には、翼部１４を設けない場合に比して、円筒流路３０の中流部８付近の管路抵抗を１／１０以下にまで低下させることができ、また、バブルの消滅までの時間を４０倍以上まで長くすることができた。
【0038】
さらに、液体改質装置１００における上流部４の上流から傾斜部６を経て中流部８の上流までに対応する外壁と、液体改質装置１００における中流部８の中流から下流部１０の下流までに対応する外壁とには、それぞれ、選択的に、ネジ切り部１６が形成されており、図示しないナット部等に容易に連結できるようにしている。
【0039】
また、各ネジ切り部１６間には本体２０が位置しており、その表面部１８にはネジきり加工はされていない。もっとも、液体改質装置１００の外壁は、このようなレイアウトとすることは必須ではなく、例えば、全てをネジ切り部１６としてもよいし、或いは、全てを本体２０のようにして断面がフラットな表面部１８としてもよい。
【0040】
本実施形態の液体改質装置１００の製造については、図２に示すパーツと、図２に示していないパーツとを位置合わせして接着等することによって製造することができる。また、コンピューター流体解析に基づく設計を行い、この設計データを３Ｄプリンターに入力することで、最初から図１に示す形態のものを製造することもできる。
【0041】
以上説明したように、本実施形態の液体改質装置１００によれば、消失までの時間の長い、多くの微細なバブルを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明の実施形態の液体改質装置１００の模式的な説明図である。
【符号の説明】
【0043】
２ 上流端
４ 上流部
６ 傾斜部
８ 中流部
１０ 下流部
１２ 下流端
１４ 翼部
１４Ａ 前縁
１４Ｂ 後縁
１４ａ 第１象限
１４ｂ 第２象限
１４ｃ 第３象限
１４ｄ 第４象限
３０ 円筒流路
１００ 液体改質装置
４ 上流部
６ 傾斜部
８ 中流部
１０ 下流部
１２ 下流端
１４ 翼部
１４Ａ 前縁
１４Ｂ 後縁
１４ａ 第１象限
１４ｂ 第２象限
１４ｃ 第３象限
１４ｄ 第４象限
３０ 円筒流路
１００ 液体改質装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
