JP2006247443A - Hollow liquid droplet forming device - Google Patents
Hollow liquid droplet forming device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006247443A JP2006247443A JP2005063420A JP2005063420A JP2006247443A JP 2006247443 A JP2006247443 A JP 2006247443A JP 2005063420 A JP2005063420 A JP 2005063420A JP 2005063420 A JP2005063420 A JP 2005063420A JP 2006247443 A JP2006247443 A JP 2006247443A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- droplet
- liquid
- hollow
- gas
- bubbles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Cleaning By Liquid Or Steam (AREA)
- Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)
- Devices For Medical Bathing And Washing (AREA)
- Special Spraying Apparatus (AREA)
- Farming Of Fish And Shellfish (AREA)
Abstract
Description
本発明は、その内部に気泡を含み、かつ、非常に小さい粒径を有する液滴を生成する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for generating droplets containing bubbles inside and having a very small particle diameter.
微細な気泡(例えば、直径がマイクロメートルオーダーであるマイクロバブル、直径がナノメートルオーダーであるナノバブル)は、その独自の特性に起因して、種々の用途への適用が期待されている。 Fine bubbles (for example, microbubbles having a diameter of the order of micrometers, nanobubbles having a diameter of the order of nanometers) are expected to be applied to various applications due to their unique characteristics.
例えば、マイクロバブルについては、広く研究がなされている。キャビテーションにより発生させた10マイクロメートル程度の直径を有するマイクロバブルは、その気液溶解および浮上分離等の機能あるいは油による汚濁水を浄化する機能を利用して、環境保全のために用いられることが期待されている。あるいは、養殖等における成長促進効果を利用して水系動植物の成長促進のために用いられることが期待されている。実際に、このような用途においては、マイクロバブルが一部利用されるようになってきている。 For example, microbubbles have been extensively studied. Microbubbles having a diameter of about 10 micrometers generated by cavitation can be used for environmental conservation by utilizing functions such as gas-liquid dissolution and floating separation or purifying contaminated water by oil. Expected. Alternatively, it is expected to be used for promoting the growth of aquatic animals and plants using the growth promoting effect in aquaculture and the like. In fact, in such applications, microbubbles are partially used.
また例えば、ナノバブルは、上記マイクロバブルの機能をより高めたものとしての利用が期待されている。より具体的には、浮力の減少、表面積の増加、表面活性の増大、局所高圧場の生成、静電分極による界面活性作用および殺菌効果のようなナノバブルの特性を利用して、洗浄装置、汚濁物の吸着、生体の疲労回復等の用途が期待されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, for example, nanobubbles are expected to be used as a further enhanced function of the microbubbles. More specifically, using the characteristics of nanobubbles such as reduced buoyancy, increased surface area, increased surface activity, generation of local high-pressure fields, surface active action by electrostatic polarization and bactericidal effect, Applications such as adsorption of objects and recovery of fatigue from living bodies are expected (see, for example, Patent Document 1).
しかし、上記マイクロバブルおよびナノバブルはいずれも、液相で気泡を発生させている。言い換えれば、上記マイクロバブルおよびナノバブルはいずれも、液体中にしか存在し得ない。その結果、マイクロバブルやナノバブルの優れた特性を利用し得る範囲が、きわめて限定されている。 However, both the microbubbles and nanobubbles generate bubbles in the liquid phase. In other words, both the microbubbles and nanobubbles can exist only in the liquid. As a result, the range in which the excellent characteristics of microbubbles and nanobubbles can be used is extremely limited.
以上のように、マイクロバブルおよびナノバブルが有する特性を気相中で発揮できるような技術が強く望まれている。 As described above, a technique that can exhibit the characteristics of microbubbles and nanobubbles in the gas phase is strongly desired.
一方、ミスト(微細な液滴)を発生させる技術として、超音波発振子を用いたキャビテーション効果などにより、数μm〜数100μmの液滴を発生させる技術が知られている。近年、液滴を発生できる小型の超音波発振子は、癒しのための商品として一般に市販されている。最近では、気相中に放出された液滴状の電解液において、ウィルスの失活、感染価の低減効果が認められている(例えば、非特許文献1参照)。 On the other hand, as a technique for generating mist (fine droplets), a technique for generating droplets of several μm to several hundred μm by a cavitation effect using an ultrasonic oscillator is known. In recent years, small ultrasonic oscillators capable of generating droplets are generally marketed as products for healing. Recently, in the electrolyte solution in the form of droplets released into the gas phase, virus inactivation and infectivity titer reduction effects have been recognized (for example, see Non-Patent Document 1).
しかし、上記のようにして得られる液滴は中実である。そこで、液滴に気泡を含有させてマイクロバブルやナノバブルが有する特性を付与できれば、液滴で現在認められている効果よりも優れた効果が得られるのではないかと期待されている。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、マイクロバブルおよびナノバブルが有する特性を気相中で発揮できるような装置を提供することにある。本発明の目的はまた、中実の液滴で認められている効果よりも優れた特性を有する液滴を発生させる装置を提供することにある。すなわち、本発明の目的は、その内部に気泡を含み、かつ、非常に小さい粒径を有する液滴を生成する装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus that can exhibit the characteristics of microbubbles and nanobubbles in a gas phase. It is also an object of the present invention to provide an apparatus for generating droplets having properties that are superior to those seen with solid droplets. That is, an object of the present invention is to provide an apparatus for generating droplets that contain bubbles and have a very small particle diameter.
本発明の中空液滴生成装置は、所定の液体の液相から気体を発生させる気体発生手段と、該所定の液体に力学的エネルギーを付与して液滴を生成する液滴生成手段とを備え、該気体発生手段から発生した気体を、該液滴生成手段で生成した液滴に取り込んで中空液滴を生成する。 The hollow droplet generating apparatus of the present invention includes a gas generating unit that generates a gas from a liquid phase of a predetermined liquid, and a droplet generating unit that generates droplets by applying mechanical energy to the predetermined liquid. The gas generated from the gas generating means is taken into the droplet generated by the droplet generating means to generate a hollow droplet.
好ましい実施形態においては、上記気体発生手段は、電気分解によって気体を発生させる。 In a preferred embodiment, the gas generating means generates gas by electrolysis.
好ましい実施形態においては、上記液滴生成手段は、超音波振動エネルギーを付与して液滴を生成する。さらに好ましい実施形態においては、上記超音波振動エネルギーは、M帯域の超音波振動を利用したものである。 In a preferred embodiment, the droplet generating means generates ultrasonic droplets by applying ultrasonic vibration energy. In a more preferred embodiment, the ultrasonic vibration energy uses M-band ultrasonic vibration.
好ましい実施形態においては、上記液滴生成手段は、圧力エネルギーを付与して液滴を生成する。さらに好ましい実施形態においては、上記圧力エネルギーは、圧電素子の変形により付与される。 In a preferred embodiment, the droplet generating means generates a droplet by applying pressure energy. In a further preferred embodiment, the pressure energy is applied by deformation of the piezoelectric element.
本発明によれば、発生した気体(気泡)が液滴に取り込まれるようにして、気体発生手段(例えば、電気分解手段)と液滴生成手段(例えば、超音波式ネブライザー機構、インクジェット機構)とを組み合わせて構成することにより、その内部に気泡を含み、かつ、非常に小さい粒径を有する液滴を生成することが可能となる。その結果、マイクロバブルおよびナノバブルが有する特性を気相中で発揮させることが可能となる。 According to the present invention, the generated gas (bubbles) is taken into the droplets, so that the gas generating means (for example, electrolysis means) and the droplet generating means (for example, ultrasonic nebulizer mechanism, ink jet mechanism) By combining them, it is possible to generate droplets containing bubbles inside and having a very small particle diameter. As a result, the characteristics of microbubbles and nanobubbles can be exhibited in the gas phase.
本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
本発明の中空液滴生成装置は、所定の液体の液相から気体を発生させる気体発生手段と、該所定の液体に力学的エネルギーを付与して液滴を生成する液滴生成手段とを備え、該気体発生手段から発生した気体を、該液滴生成手段で生成した液滴に取り込んで中空液滴を生成する。本明細書において「中空液滴」とは、その内部に少なくとも1つの気泡を含む液滴をいう。このような中空液滴は、中心の気体部分と外側の液体部分との気−液平衡に起因して、液相中のナノバブルやマイクロバブルと同様に、表面活性の増大、局所高圧場の生成、静電分極による界面活性作用および殺菌効果といった特性を発現し得る。したがって、当該中空液滴を用いれば、液中でなくても(例えば、大気中のような通常の人間の生活環境下であっても)ナノバブルやマイクロバブルと同様の効果を発現し得る。 The hollow droplet generating apparatus of the present invention includes a gas generating unit that generates a gas from a liquid phase of a predetermined liquid, and a droplet generating unit that generates droplets by applying mechanical energy to the predetermined liquid. The gas generated from the gas generating means is taken into the droplet generated by the droplet generating means to generate a hollow droplet. As used herein, “hollow droplet” refers to a droplet including at least one bubble therein. Such hollow liquid droplets, due to the gas-liquid equilibrium between the central gas part and the outer liquid part, increase the surface activity and generate a local high-pressure field, similar to nanobubbles and microbubbles in the liquid phase. In addition, the surface active action and the bactericidal effect by electrostatic polarization can be expressed. Therefore, if the hollow droplet is used, even if it is not in a liquid (for example, in a normal human living environment such as in the atmosphere), the same effect as that of a nanobubble or a microbubble can be expressed.
図1は、本発明の好ましい実施形態による中空液滴生成装置の中空液滴生成メカニズムを説明する模式図である。この装置100は、所定の液体10中に、気体発生手段としての電気分解部20と、液滴発生手段としての超音波式ネブライザー機構30とを備える。液体10としては、電気分解部20による電気分解によって気体を発生し得、かつ、ネブライザー機構30の振動により霧化し得る(すなわち、微細な液滴を形成し得る)任意の適切な液体が採用され得る。このような液体の具体例としては、生理食塩水(塩化ナトリウム/純水の0.9%溶液)、水道水、電解水、アルカリイオン水、酸性水、超純水、海洋深層水、界面活性成分含有水が挙げられる。界面活性成分含有水が好ましい。気泡を崩壊させることなく液滴に取り込むことができるからである。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a hollow droplet generation mechanism of a hollow droplet generation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. The
電気分解部20としては、任意の適切な構成が採用され得る。例えば、陽極として白金または炭素棒が採用され、陰極として白金または炭素棒が採用され得る。好ましくは、電極表面は親水性である。電気分解によって生成した気泡が、電極から迅速かつ良好に離脱し得るからである。電極表面に親水性を付与する方法としては、酸素プラズマ処理が挙げられる。電気分解における印加電圧は、代表的には直流電圧であり、その大きさは1.0〜5.0Vである。印加電圧を変化させることにより、気泡の生成速度や生成する気泡の大きさを変化させることができる。例えば、印加電圧を低くすれば、気泡の生成速度が小さくなる。液体が生理食塩水である場合には、電圧を印加すると陽極から酸素気泡や塩素系化合物が発生し、陰極から水素気泡やナトリウム系化合物が発生する。得られる気泡の大きさは、代表的には直径数μm以下、好ましくは1nm〜10μm、さらに好ましくは100nm〜10μmである。このような微細な気泡の生成を実現したことが、本発明の大きな成果の1つである。このような微細な気泡は、上記のように印加電圧を制御すること、上記のように電極表面に親水性を付与すること、電極表面に超音波振動を与えること、およびそれらを組み合わせることによって実現され得る。このような処理を行わなければ、電極表面に生成された微細な気泡は微細であるがゆえに浮力が小さくその場所に滞留し、微細であるがゆえに比表面積が大きく、他の気泡と容易に吸着し得る。その結果、生成した気泡は、電極表面で他の気泡と結合し、大きくなって十分な浮力が働いてはじめて電極から離脱する。この場合には、気泡の大きさは、せいぜい直径20〜30μm程度にしか小さくできない。一方、上記のような処理を行うことにより、気泡が大きくなる前に電極から離脱させることができる。
Any appropriate configuration may be employed as the
超音波式ネブライザー機構30としては、任意の適切な構成が採用され得る。代表的には、超音波式ネブライザー機構30は、超音波振動子31の振動エネルギーが液体10の表面に集中し、そのキャビテーション効果で液体が霧化する(すなわち、微細な液滴が発生する)。得られる液滴の直径は、好ましくは1〜20μmである。超音波振動子31は、代表的には圧電振動子であり、そのサイズは直径20mm程度である。超音波振動のエネルギーの大きさおよび振動数を変えることにより、発生する液滴の大きさを制御することができる。より具体的には、下記式(1)に示すとおり、得られる液滴径Aは、超音波の周波数の2乗に比例して小さくなる。例えば、10μm以下の直径を有する液滴を発生させるには、周波数を2MHz程度に設定する必要がある。したがって、超音波振動子の駆動周波数は、代表的にはM帯域(メガヘルツ帯域)であり、好ましくは1〜10MHzであり、さらに好ましくは1〜3MHzである。
A=(σ/(ρf2))1/3 ・・・(1)
A:液滴径、ρ:液体の密度、σ:表面張力、f:発振周波数
Any appropriate configuration may be adopted as the
A = (σ / (ρf 2 )) 1/3 (1)
A: droplet diameter, ρ: liquid density, σ: surface tension, f: oscillation frequency
ここで、fを発振周波数、Cを液中の超音波の伝播速度、λを波長とするとλ=C/2fの関係を有するので、2MHzの超音波の場合には、エネルギー波がλ=0.36mmというきわめて短い波長で気−液界面に向かって進行する。このように波長が極めて短いことに起因して、エネルギー波の気−液界面での反射が乱反射となり、反射エネルギーが液中に戻ってこない。その結果、液共振が発生しないので、比較的安定に、かつ、効率的に液滴が形成される。一方、液共振が発生しない代わりに、液体の分子加速度は下記式(2)の通りとなる:
a=α*2*ω=α(2*3.14*f) ・・・(2)
a:加速度、α:振動子の振幅、ω=π*f
発振周波数が2MHzである場合には、a=1.58*107m/s2となり、重力加速度の約160万倍の加速度が得られる。すなわち、2MHzのような高周波の超音波は加速度力が支配的であり、電気分解部で発生した微細な気泡にほとんどダメージを与えない。その結果、超音波による定在波が気泡を破壊することなく液滴に取り込み、中空液滴を生成することが可能となる。
Here, when f is the oscillation frequency, C is the propagation speed of the ultrasonic wave in the liquid, and λ is the wavelength, the relationship is λ = C / 2f. Therefore, in the case of the 2 MHz ultrasonic wave, the energy wave is λ = 0. Travels towards the gas-liquid interface at a very short wavelength of 36 mm. As described above, due to the extremely short wavelength, the reflection of the energy wave at the gas-liquid interface becomes irregular reflection, and the reflected energy does not return to the liquid. As a result, liquid resonance does not occur, so that droplets are formed relatively stably and efficiently. On the other hand, instead of generating liquid resonance, the molecular acceleration of the liquid is expressed by the following equation (2):
a = α * 2 * ω = α (2 * 3.14 * f) (2)
a: acceleration, α: vibrator amplitude, ω = π * f
When the oscillation frequency is 2 MHz, a = 1.58 * 10 7 m / s 2 , and an acceleration approximately 1.6 million times the gravitational acceleration is obtained. In other words, high-frequency ultrasonic waves such as 2 MHz are dominated by acceleration force and hardly damage fine bubbles generated in the electrolysis part. As a result, standing waves by ultrasonic waves can be taken into the droplets without destroying the bubbles, and hollow droplets can be generated.
気泡が液滴に取り込まれるメカニズムについて、より詳細に説明する。気−液界面における力学的平衡に関してのLaplaceの式は以下のように表される。
ΔP=Pg−Pl=2*σ/d
ΔP:中心の気泡と外側の液体との圧力差(Pa)
Pg:気泡内の圧力(Pa)、Pl:液体内の圧力(Pa)
σ:液体の表面張力(N/m)、d:気泡の直径(m)
この式によれば、気泡サイズと圧力差の関係は下記表1のようになる。
The mechanism by which bubbles are taken into droplets will be described in more detail. The Laplace equation for the mechanical equilibrium at the gas-liquid interface is expressed as follows:
ΔP = Pg−Pl = 2 * σ / d
ΔP: Pressure difference between the central bubble and the outside liquid (Pa)
Pg: pressure in bubbles (Pa), Pl: pressure in liquid (Pa)
σ: surface tension of liquid (N / m), d: bubble diameter (m)
According to this equation, the relationship between the bubble size and the pressure difference is as shown in Table 1 below.
表1から明らかなように、気泡が小さくなるほど気泡にかかる単位面積あたりの圧力は急激に大きくなる。したがって、気泡内の圧力がそれに耐え得るほどの高圧状態でなければ、気泡は潰れてしまう。そこで、気泡が液体から受ける圧力を低減する方法として、液滴を形成する液体にペンタノール等の界面活性剤を添加するのが好ましい。この場合には、気泡表面(気−液界面)に界面活性剤分子が吸着することにより引き起こされるマランゴニ効果により、気泡にかかる圧力の緩和が起こる。その結果、気泡の消滅が防止されるだけでなく、気泡の浮力による上昇や気泡同士の合体なども防止することができる。これらを考慮すると、適切な界面活性剤を用い、かつ、電気分解部20で発生させる気泡のサイズを好ましくは100nm〜10μmに設定することにより、気泡を消滅させることなく液滴に取り込むことが可能となる。なお、マランゴニ効果については、例えば、A. Frumkin and V. Levich, Zhur. Fiz. Khim,
21 (1947) 1183に記載されている。
As is clear from Table 1, the pressure per unit area applied to the bubbles rapidly increases as the bubbles become smaller. Therefore, if the pressure in the bubble is not high enough to withstand it, the bubble will collapse. Therefore, as a method for reducing the pressure that the bubbles receive from the liquid, it is preferable to add a surfactant such as pentanol to the liquid forming the droplets. In this case, the pressure applied to the bubbles is relieved by the Marangoni effect caused by the adsorption of the surfactant molecules on the bubble surface (gas-liquid interface). As a result, not only the disappearance of the bubbles can be prevented, but also the rise due to the buoyancy of the bubbles and the coalescence of the bubbles can be prevented. In consideration of these, by using an appropriate surfactant and setting the size of the bubbles generated in the
21 (1947) 1183.
さらに、上記のような電気分解と超音波ネブライザー機構(代表的には、M帯域の超音波照射)とを組み合わせた場合の特徴として、液体として水を用いると、電気分解により生成した気泡の副産物として電解イオン水(すなわち、酸化性の水と還元性の水)が得られる。この詳細については「ウルトラクリーンテクノロジー、新しいウェット洗浄−RCA洗浄を越えて−、(株)プレテック技術本部、原田他」に記載されており、その開示は参考として本明細書に援用される。また、液体として水を用いてM帯域超音波を照射すると、水中にHラジカルおよびOHラジカルが生成する。このようなラジカルを含む水は、高性能な洗浄力を有する機能水として作用し得る。 Further, as a feature of the combination of the above electrolysis and an ultrasonic nebulizer mechanism (typically, M-band ultrasonic irradiation), when water is used as a liquid, a by-product of bubbles generated by electrolysis As a result, electrolytic ion water (that is, oxidizing water and reducing water) is obtained. Details thereof are described in “Ultra Clean Technology, New Wet Cleaning—Beyond RCA Cleaning—Pretech Technology Headquarters, Harada et al.”, The disclosure of which is incorporated herein by reference. Further, when M band ultrasonic waves are irradiated using water as a liquid, H radicals and OH radicals are generated in the water. Water containing such radicals can act as functional water having high-performance detergency.
図2(a)および(b)は、本発明の別の好ましい実施形態による中空液滴生成装置の中空液滴生成メカニズムを説明する模式図である。この装置200は、気体発生手段としての電気分解部20と、液滴発生手段としてのいわゆるインクジェット機構40とを備える。液体10としては、電気分解部20による電気分解によって気体を発生し得、かつ、インクジェット機構40により微細な液滴を形成し得る任意の適切な液体が採用され得る。このような液体の具体例は、上記図1の説明の場合と同様である。
FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams illustrating a hollow droplet generation mechanism of a hollow droplet generation apparatus according to another preferred embodiment of the present invention. The
図2(a)および(b)に示すように、電気分解部20の電極は、インクジェット機構40に組み込まれていることが好ましい。このような構成を採用することにより、電気分解部で生成した気泡を良好かつ効率的に液滴に取り込むことができる。電気分解部20の詳細は、上記図1の説明の場合と同様である。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the electrode of the
図2(a)および(b)に示すように、インクジェット機構40は、圧力発生部材(アクチュエーター)41と、弾性板(ダイアフラム)42と、液体室(チャンバー)43と、ノズル44とを有する。図4(b)に示すように、電圧を印加してアクチュエーター41を変形させると、その圧力でチャンバー43内の液体が押し出され、液滴を形成する。以下、図3〜図5を用いて、インクジェット機構における液滴形成の詳細なメカニズムを説明する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
図3は、インクジェットヘッドの概略斜視図であり、説明のため一部を切断して断面を示してある。また、図3および図4においては、電気分解部の電極は記載を省略している。ノズル44は、チャンバー43と連通する位置にノズル形成基板45を貫通して配置されている。アクチュエーター41が、ダイアフラム42から構成されるチャンバー43の壁の1つと接触し押圧している。アクチュエーター41は、代表的には、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料46と銀パラジウム等の内部電極47aおよび47bとを積層した圧電素子である。ダイアフラム42は、液体室の全面を覆うように配置され、均一な厚みの膜で構成されている。ダイアフラム42の材質の代表例としては、Ni電鋳、ステンレス等の金属、またはポリイミド、ポリサルフォン等の高分子膜が挙げられる。
FIG. 3 is a schematic perspective view of the ink jet head, and a part thereof is cut and shown in cross section for explanation. Moreover, in FIG. 3 and FIG. 4, the electrode of the electrolysis part is abbreviate | omitting description. The
図4は、駆動部48と液体流路49との接触状態を説明するための斜視図である。アクチュエーター41にはケース50が接合され、アクチュエーター41のダイアフラム42と接触する端面51とケース50の端面52とは、変位方向に距離gの一定の距離関係を保持している。図3に示すように、接合時にはケース50の端面52とダイアフラム42の表面53とが接触することによって、アクチュエーター41がダイアフラム42に均一に押し込まれる。図5は、液体の吐出状態を説明する断面図である。液体54は、ノズル44まで来ており、液体54の圧力によりメニスカス55を形成している。アクチュエーター41がダイアフラム42に均一に押し込まれることによりダイアフラム42が変形し、その圧力によってメニスカス55が突出する。その結果、液体54が液滴56となり、ノズル44から外部に向かって飛翔する。液滴形成の際には、電気分解部20の電極から発生した気泡(例えば、酸素および/または水素)57がノズル44内の液体54中に存在しているので、液滴56に気泡57が良好に取り込まれる。
FIG. 4 is a perspective view for explaining a contact state between the driving
生成する気泡の大きさは、ダイアフラム42からの圧力を変化させることにより制御され得る。例えば、ノズル径が10μmでノズル長さが50μmである場合には、液体として粘度が1cpsの水を用いて直径約10μmの液滴を形成するに必要とされる圧力は約0.15MPaである。ダイアフラム42からの圧力は、アクチュエーター41の変形量(したがって、アクチュエーターの駆動電圧)を変化させることにより制御され得る。気泡の取り込みを効率的に行うことができるアクチュエーターの駆動電圧としては、例えば、共振周波数を考慮して、10KHz程度のパルス電圧が挙げられる。
The size of the generated bubbles can be controlled by changing the pressure from the
図6は、形成される液滴のサイズとそのために必要な圧力との関係を説明するグラフである。グラフの破線は粘度が1cpsの水を用いた場合を示し、実線は粘度が1cpsの水を用いた場合を示す。なお、このグラフは、図7に示すようなユニモルフモデルを用いて、下記式(3)〜(4)によるシミュレーションによって求めたものである。図6のグラフから明らかなように、液体の粘度が1cpsでは、圧力を少し変化させただけで液滴サイズが大幅に変化するので、液滴サイズの制御が困難である。一方、液体の粘度が10cpsでは、10μm〜15μmの液滴を形成し得る圧力の幅が非常に広いので、液滴サイズの制御が容易である。
P=(9/2)*(t/L2)*(d31*(Y/8))*V ・・・(3)
ΔV=(1/16)*(bL3/t2)*d31*V ・・・(4)
t:アクチュエーター厚み=ダイアフラム厚み
Y:実効ヤング率、V:印加電圧
d31:アクチュエーターの圧電定数、ΔV:体積変化
例えば、液体の粘度が10cpsである場合には、L=0.4mm、b=1mm、t=0.1mmとすると、20V程度の駆動電圧であっても、P=1.16MPa、ΔV=2.4ピコリットル(pl)を実現可能であり、直径10μm程度の液滴を実現可能である。なお、ここで留意すべき点は、気泡が圧力に対するダンパーとなり得ることである。すなわち、アクチュエーターによって発生した圧力が気泡を変形させる可能性があり、その結果、大きな気泡が形成されて液滴の吐出が困難となる可能性がある。しかし、微細な気泡であれば気泡内が局所的に高圧状態となっており、例えば、式(5)を用いて計算すると、直径3μm以下の気泡であればその内部は1気圧以上となる。したがって、気泡のダンパー効果は無視できる。その結果、インクジェット機構により、微細な気泡を取り込んで液滴を形成することが可能となる。
ΔP=2σ/d ・・・(5)
ΔP:液中の気泡内圧力、σ:気泡の表面張力
d:気泡の直径
FIG. 6 is a graph for explaining the relationship between the size of the formed droplet and the pressure required for that purpose. The broken line in the graph shows the case where water having a viscosity of 1 cps is used, and the solid line shows the case where water having a viscosity of 1 cps is used. In addition, this graph was calculated | required by simulation by following formula (3)-(4) using a unimorph model as shown in FIG. As apparent from the graph of FIG. 6, when the viscosity of the liquid is 1 cps, it is difficult to control the droplet size because the droplet size changes drastically when the pressure is slightly changed. On the other hand, when the viscosity of the liquid is 10 cps, the pressure range capable of forming droplets of 10 μm to 15 μm is very wide, so that the droplet size can be easily controlled.
P = (9/2) * (t / L 2 ) * (d 31 * (Y / 8)) * V (3)
ΔV = (1/16) * (bL 3 / t 2 ) * d 31 * V (4)
t: Actuator thickness = diaphragm thickness Y: effective Young's modulus, V: applied voltage d 31 : piezoelectric constant of actuator, ΔV: volume change For example, when the viscosity of the liquid is 10 cps, L = 0.4 mm, b = If 1 mm and t = 0.1 mm, P = 1.16 MPa and ΔV = 2.4 picoliters (pl) can be realized even with a driving voltage of about 20 V, and a droplet with a diameter of about 10 μm is realized. Is possible. It should be noted that bubbles can be a damper against pressure. That is, the pressure generated by the actuator may deform the bubbles, and as a result, large bubbles may be formed, making it difficult to eject the droplets. However, if the bubble is fine, the inside of the bubble is locally in a high pressure state. For example, if the bubble is 3 μm or less in diameter, the inside of the bubble is 1 atm or more. Therefore, the bubble damper effect is negligible. As a result, the ink jet mechanism can take in fine bubbles and form droplets.
ΔP = 2σ / d (5)
ΔP: bubble internal pressure in liquid, σ: bubble surface tension d: bubble diameter
本発明の中空液滴生成装置を用いて生成される中空液滴は、気泡が崩壊・消滅する際に、局所的に高圧場が形成され、かつ、高温となる。したがって、当該中空液滴は、温熱効果および水分補給効果に加えて、きわめて優れた殺菌作用を有する。このような中空液滴を生成し得る本発明の装置は、美顔スチーマー等の理美容機器に好適に用いられ得る。より具体的には、本発明は、皮膚表面の雑菌やアクネ菌を殺菌し、にきび、吹き出物、肌荒れ等を予防および/または治療し得る装置に適用され得る。 The hollow liquid droplets generated using the hollow liquid droplet generating apparatus of the present invention are locally formed with a high pressure field and become high temperature when the bubbles collapse / disappear. Therefore, the hollow droplet has an extremely excellent bactericidal action in addition to the thermal effect and the hydration effect. The apparatus of the present invention capable of generating such hollow liquid droplets can be suitably used for a hairdressing and cosmetic device such as a facial steamer. More specifically, the present invention can be applied to a device that can sterilize germs and acne bacteria on the skin surface and prevent and / or treat acne, pimples, rough skin, and the like.
100 中空液滴生成装置
200 中空液滴生成装置
10 液体
20 電気分解部
30 超音波ネブライザー機構
40 インクジェット機構
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該所定の液体に力学的エネルギーを付与して液滴を生成する液滴生成手段とを備え、
該気体発生手段から発生した気体を、該液滴生成手段で生成した液滴に取り込んで中空液滴を生成する
中空液滴生成装置。 Gas generating means for generating gas from a liquid phase of a predetermined liquid;
Droplet generating means for generating droplets by applying mechanical energy to the predetermined liquid,
A hollow droplet generating device that generates a hollow droplet by taking the gas generated from the gas generating means into the droplet generated by the droplet generating means.
The hollow droplet generation device according to any one of claims 1 to 6, wherein a diameter of the generated droplet is 1 to 20 µm, and a diameter of the bubble taken into the droplet is 100 nm to 10 µm.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005063420A JP2006247443A (en) | 2005-03-08 | 2005-03-08 | Hollow liquid droplet forming device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005063420A JP2006247443A (en) | 2005-03-08 | 2005-03-08 | Hollow liquid droplet forming device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006247443A true JP2006247443A (en) | 2006-09-21 |
Family
ID=37088479
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005063420A Pending JP2006247443A (en) | 2005-03-08 | 2005-03-08 | Hollow liquid droplet forming device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006247443A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013017667A (en) * | 2011-07-12 | 2013-01-31 | Ya Man Ltd | Mist generator |
JP6200109B1 (en) * | 2017-02-13 | 2017-09-20 | 株式会社健明 | Bubble sauna apparatus and bubble sauna using the same |
WO2023062958A1 (en) * | 2021-10-13 | 2023-04-20 | キヤノン株式会社 | Device for generating ozone-containing ultrafine bubble liquid, and method for generating ozone-containing ultrafine bubble liquid |
-
2005
- 2005-03-08 JP JP2005063420A patent/JP2006247443A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013017667A (en) * | 2011-07-12 | 2013-01-31 | Ya Man Ltd | Mist generator |
JP6200109B1 (en) * | 2017-02-13 | 2017-09-20 | 株式会社健明 | Bubble sauna apparatus and bubble sauna using the same |
WO2018147410A1 (en) * | 2017-02-13 | 2018-08-16 | 株式会社健明 | Bubble sauna device and bubble sauna using same |
JP2018130135A (en) * | 2017-02-13 | 2018-08-23 | 株式会社健明 | Bubble sauna device and bubble sauna using the same |
WO2023062958A1 (en) * | 2021-10-13 | 2023-04-20 | キヤノン株式会社 | Device for generating ozone-containing ultrafine bubble liquid, and method for generating ozone-containing ultrafine bubble liquid |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TW565472B (en) | Multiple horn atomizer with high frequency capability and method thereof | |
EP3247435B1 (en) | Ultrasonic vaporizing element | |
TWI556873B (en) | Ultrasonic atomization device | |
AU687136B2 (en) | Liquid spray apparatus and method | |
CN102458627B (en) | Use the mist of elastic surface wave and the production method of micro-bubble or micro-bubble and mist and micro-bubble or micro-bubble generation device | |
JP5395423B2 (en) | Ultrasonic atomizer | |
JP2020138142A (en) | Ultrafine bubble generation method, ultrafine bubble generation device and ultrafine bubble-containing liquid | |
WO1995015822A9 (en) | Liquid spray apparatus and method | |
CN107708849B (en) | Bubble generating apparatus and device | |
WO2014132228A1 (en) | Atomisation apparatus using surface acoustic wave generation | |
CN108722326A (en) | Vibration component, the cosmetic apparatus with the vibration component and its application method | |
JP2008168222A (en) | Ultrasonic atomizing apparatus | |
JP2006247443A (en) | Hollow liquid droplet forming device | |
JP2020138145A (en) | Ultrafine bubble generation device and ultrafine bubble generation method | |
JP2020138163A (en) | Ultrafine bubble generation device and ultrafine bubble generation method | |
JP5839771B2 (en) | Microbubble generator and generation method | |
JP2009078223A (en) | Generation apparatus of liquid containing microbubble and/or microparticle, liquid containing microbubble and/or microparticle, and manufacturing method of liquid containing microbubble and/or microparticle | |
JP2020142232A (en) | Ultra fine bubble generation method, ultra fine bubble generation device, and ultra fine bubble containing liquid | |
JP4447656B1 (en) | Portable ultrasonic mist generator | |
US20150076245A1 (en) | Device for nebulizing a liquid | |
JP2002113340A (en) | Method and device for generating micro air bubble using ultrasonic wave | |
CN112892255A (en) | Device for generating liquid containing ozone-containing fine bubbles | |
Makuta et al. | Ultrasound contrast agent fabricated from microbubbles containing instant adhesives, and its ultrasound imaging ability | |
RU2388500C1 (en) | Ultrasound aerosol therapy apparatus | |
JP2012213703A (en) | Washing liquid generating apparatus |