JP2014198327A - 微細気泡製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロバブルを超音波照射により圧壊し、ナノバブルを発生させる手法において、気泡径のバラツキが小さく、高濃度のナノバブル液体を効率良く製造することを可能にする。
【解決手段】水槽内に液体移送路を設置し、前記液体移送路にマイクロバブル含有液体を流し、前記水槽内に超音波を印加して、前記水槽内に超音波の定在波を発生させ、前記超音波定在波の音圧の腹の位置付近で、前記マイクロバブルを圧壊し、ナノバブル含有液体を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気泡径のそろった高濃度の微細気泡を制御良く高効率に製造可能な微細気泡製造方法及び製造装置に関するものである。

微細気泡は単に体積に対する比表面積が大きく、液中滞在時間が長いというだけでなく、水酸基ラジカルを内包して負に帯電していたり、縮小破壊時に巨大なエネルギーを発生するなど様々な物理的化学的特質を持っていることが明らかになり、液相化学反応、有害物質の分解、除去、有害細菌などの殺菌、除菌、各種汚染物の除去など工学的、医学的にも利用が拡大している。

微細気泡の分類については厳密な定義は未だ無いが、広義には直径が１ミクロン以下の気泡をナノバブル、１ミクロン以上１ｍｍ以下をマイクロバブルと言っている。実際には数１００ミクロン以上では気泡は直ぐに上昇して自壊してしまうので、我々が操作、取り扱えるのは数１００ミクロン以下のマイクロバブルとナノバブルである

微細気泡の作成方法としては細孔方式、加圧溶解方式、高速旋回方式、気液混合剪断方式、超音波方式などがある。（［非特許文献１］）
これらの方法により発生される微細気泡は容易にマイクロバブルが発生されるが、更に液体の圧力、気体の圧力、超音波の圧力などを増加していくと、ナノバブルも次第に多く含まれるようになる。

このようにして発生される微細気泡の径は広い範囲に分布している。気泡径の大きなマイクロバブルは時間と共に液中を上昇し、自壊して消滅していくので、放置しておくと気泡径の大きな微細気泡の濃度は減少し、時間の経過と共により小さな気泡側に気泡径の分布が移動することになる。ナノバブルになると帯電量が大きくなり、互いに反発して、結合することなく、１ヶ月以上残存する。

ナノバブルのみを発生するためには、まずマイクロバブル発生装置によりマイクロバブルを発生させた後、これをナノバブル発生装置に導き、ナノバブルを発生させる方法が高効率である。

超音波を利用してマイクロバブルを作成する方法としては［特許文献１］がある。

また，［特許文献２］ではマイクロバブルの発生方法について記載されているが、気泡径の大きな気泡に超音波を照射することにより、更に微細なマイクロバブル気泡が発生することが開示されている。

マイクロバブルを発生させた後超音波を照射してナノバブルを発生する装置を［特許文献３］［特許文献４］は記述している。

前述のように、マイクロバブルに超音波を照射してナノバブルを生成している例はあるが、これらの方法では、それぞれのマイクロバブルにかかる超音波圧力が一定ではなく、中には圧力を受けないバブルも存在する。そのため従来方法の超音波圧壊により生成するナノバブルの径のバラツキは極めて大きくなり、且つナノバブルの濃度を高くすることはできない。

特開２００２−１１３３４０号公報 特開平８−２３０７６３号公報 特開２００６−２８９１８３号公報 特開２０１１−２１８３０８号公報

大成博文著「マイクロバブルのすべて」日本実業出版 ２００６年

解決しようとする問題点は、従来方法で超微細な気泡を高濃度で発生させようとすると気泡径の分布が広くなり、気泡の様々な物理化学的効果にバラツキが発生し、工学的応用に支障が生ずることである。また従来方法で超微細な気泡を高濃度で発生させようとすると、コンプレッサーやポンプや超音波駆動電力などの電力消費が大きくなることである。
また、マイクロバブルに超音波を照射してナノバブルを生成する場合、マイクロバブルの圧壊は超音波の波形の特定部分、具体的には音圧の最大部分で効率良く行われ、音圧の低い部分では圧壊の効率が大きく低下するので、発生するナノバブルの気泡径はバラツキが大きく、効率良く濃度を高くすることもできない。

そこで本発明はかかる従来例の不都合を改善し、気泡径のバラツキ分布が小さく、高濃度のナノバブルを効率良く発生するナノバブル液体製造方法とこの製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、低消費電力で気泡径の分布のそろった高濃度の気泡を発生することを可能とするため、水中で超音波の定在波を発生させ、この定在波の腹の位置を利用してエネルギー効率がよく、超微細気泡を発生する条件を精度良く制御できることを最も主要な特徴としている。

本発明者らはこれまでに、マイクロバブルを超音波で圧壊して、ナノバブルを発生させる実験を進める中で、超音波の音圧が極めて支配的な役割を果たしていることを確認してきた。

上記課題を解決するために、第一の発明のナノバブル液体の製造装置は、マイクロバブルに超音波を照射してナノバブルを製造する装置において、マイクロバブル発生部の出口に第一の液体移送路が結合し、前記液体移送路の下流には超音波照射液体移送路の入口が接続され、前記超音波照射液体移送路の出口には第二の液体移送路が接続され、前記第二の液体移送路の下流にはナノバブル液体の取出し口が接続され、前記超音波照射液体移送路は超音波印加手段が具備された水槽の中に設置され、前記水槽の中に超音波の定在波を発生させ、前記超音波定在波の音圧の腹の位置付近に前記超音波照射液体移送路を配置することを特徴とするナノバブル液体の製造装置であり、当該超音波定在波の音圧の腹の位置付近で前記マイクロバブルが前記超音波照射液体移送路を通過中に圧壊され、前記ナノバブル取出し口よりナノバブル液体が吐出されることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明のナノバブル液体製造装置において、前記定在波を形成する超音波振動板面と超音波反射面とは平行であり、前記超音波振動板面と前記超音波反射面との距離が前記超音波印加手段に使用される超音波振動子の共振周波数での水中波長の半分の整数倍付近に設定されることを特徴としている。

第３の発明は、マイクロバブルに超音波を照射してナノバブルを生成するナノバブル製造方法において、水槽内に超音波照射液体移送路を設置し、前記超音波照射液体移送路にマイクロバブル含有液体を流し、前記水槽内に超音波を印加して、前記水槽内に超音波の定在波を発生させ、前記超音波定在波の音圧の腹の位置付近に前記超音波照射液体移送路を配置することを特徴とするナノバブル液体の製造方法である。

第４の発明は、第３の発明のナノバブル液体の製造方法において、前記定在波を形成する超音波振動板面と超音波反射面とは平行であり、前記超音波振動板面と前記超音波反射面との距離が前記超音波印加手段に使用される超音波振動子の共振周波数での水中波長の半分の整数倍付近に設定されることを特徴としている。

第１の発明及び第３の発明では超音波定在波の音圧の最大値にマイクロバブルを集中させるために、超音波が照射される超音波照射液体移送路の設置位置を定在波の音圧の腹の位置に規定している。当該の位置にかかる音圧の幅が圧壊されるバブルの気泡径バラツキを決めるので、当該超音波照射液体移送路の位置は重要である。

後述するように、式（１）を用いると、超音波照射液体移送路の厚みが定在波波長λの１／４の時、当該移送路の中のバブルが受ける音圧のバラツキは約３０％であり、厚みがλの１／６のときは約１４％になる。従来法での超音波圧壊によって生成されるナノバブルの気泡径のバラツキは、最大では中心径の３００％以上あり、定在波波長の１／４の厚みでもバラツキを有意に削減することができる。

超音波振動板面と超音波反射面との距離を変化させていくと、動インピーダンスが変化し、超音波振動子の共振周波数を中心に鋸波状に定在波の周波数が変化する。そして超音波振動板面と超音波反射面との距離が超音波振動子の共振周波数での水中波長の半分の整数倍の時、出力は最大になり、定在波に最大の電力が伝達される。第２の発明及び第４の発明により、超音波振動子を駆動する電力が水槽中に形成される定在波に最大限に伝達されるので、全てのマイクロバブルは超音波定在波の音圧の最大値を受けることになり、圧壊は最も効率良く行われ、ナノバブルの濃度は増大する。

本発明のナノバブル液体製造装置は、マイクロバブル発生部において、マイクロバブルを低消費電力で発生させ、これを水槽内の超音波定在波の音圧の腹の部分に導き、全てのマイクロバブルに同一の圧力を加えることにより、マイクロバブル圧壊の条件を同一にすることができるので、ナノバブルの径のバラツキが狭い範囲に抑えられる。また圧力振幅の最も大きい条件で圧壊するので、より微細なナノバブルを高濃度に発生することができる。また超音波振動子駆動回路の電力を最大限に超音波定在波に伝達できるので、効率が最も高くなり、低消費電力で、ナノバブルを発生することができるなど利点は多い。
ナノバブルの工学的、医学的応用にはバブル径のバラツキが小さいことは極めて有効である。

図１はナノバブル液体製造の方法を示した説明図である。 図２はナノバブル液体製造装置の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 図３にはナノバブル液体製造装置の実施例１の水槽の部分で、超音波定在波と超音波照射液体移送路の位置関係を示した断面説明図である（実施例１） 図４はナノバブル液体製造装置の実施例１の超音波照射液体移送路の斜視図である。（実施例１） 図５はナノバブル液体製造装置の実施例２の水槽の部分で、超音波定在波と超音波液体移送路及び超音波反射版の位置関係を示した断面説明図である。（実施例２） 図６はナノバブル液体製造措置の実施例２で用いた超音波照射液体移送路の斜視図である。（実施例２） 図７はナノバブル液体製造装置の実施例３の水槽の部分で、超音波定在波と超音波液体移送路及び超音波反射板の位置関係示した断面説明図である。（実施例３） 図８は超音波定在波の位置と音圧の大きさの関係を示す図である。

図１は、本発明のナノバブル液体の製造方法を示している。マイクロバブル発生部１で製造したマイクロバブル含有液体を移送路５を通して水槽７内に設置された超音波照射を受ける超音波照射液体移送路１３に導く。水槽には超音波印加手段が具備されていて、これを駆動することにより、水槽内に定在波９を形成する。定在波の音圧の腹の位置付近に超音波照射液体移送路を設置しておき、マイクロバブルがここを通過するときに最大の音圧を受けて、圧壊しナノバブル液体となって、取り出される。図１では超音波振動板と超音波反射水面１２の距離が振動子の共振周波数での水中波長の２倍であるときの音圧の分布を示している。音圧が最大値を示す腹付近に超音波照射液体移送路１３を配置している。

使用する超音波としては、超音波音圧が大きい低周波数の超音波を採用し、水槽の中に超音波の定在波を形成する。マイクロバブル発生部で発生させたマイクロバブルを移送路を通して超音波定在波が存在する水槽に移送する。超音波の照射を受けるマイクロバブルを含んだ液体の移送路は扁平形とし、広い面を振動板面と平行に置き、超音波照射液体移送路の厚さは超音波定在波の音圧の腹の位置に配置するという目的から可能な限り薄くした。所望のバブル液体流量を得るために振動板面と平行な面を広くするという扁平型の移送路を作成することにより、ナノバブルの気泡径のバラツキが小さく、且つ高濃度を実現した。

以下に本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例により、本発明が限定されるものではない。

図２は本発明のナノバブル液体製造装置の実施例１を示している。本装置は大きくマイクロバブル発生部１とナノバブル発生部２から構成されている。

マイクロバブル発生部には加圧溶解方式、高速旋回流方式、気液混合剪断方式などで取り組んでいるが、本実施例では高速旋回流方式を採用している。

ナノバブル発生部２は液体移送路３、超音波照射液体移送路１３、液体移送路１４及び水槽７から構成されている。

この水槽７には超音波定在波を形成するために超音波印加手段が設けられている。この超音波印加手段は超音波振動子６とこの超音波振動子６を駆動させる超音波振動子駆動回路１１とで構成されている。

実施例１では超音波振動子６は水槽７の底部平面に設置されていて、水槽底部平面は水槽水面１２と平行している。超音波発振手段を駆動すると水槽底部振動板平面から水中に向かって超音波が照射される。水中を伝搬してきた進行波は水中から空気中に向かって進もうとするが水と空気の密度と音速の違いによって９９．９％水面１２で反射される。即ち進行波と反射波は振幅が同じで位相が逆の関係になり、水面が節となる定在波９が形成される。この超音波定在波の音圧の波形を図３に示した。

超音波振動板面から水面１２までの距離が超音波振動子の発振周波数での水中波長の半分の整数倍のとき、超音波振動子駆動回路の電力が超音波定在波に最大限伝達されるので、同一の入力電力に対して、超音波定在波の振幅が最大になる。超音波振動板面から水面１２までの距離が超音波振動子の発振周波数での水中波長の半分の整数倍からずれても、定在波は形成されるが、超音波振動子駆動回路から定在波に伝達される電力は最大値から減少してしまう。

実施例１では音圧を大きく取りたいので、低周波超音波周波数領域から選び、手軽に入手できる２８ｋＨｚを採用した。この場合、水中での超音波の波長λは水中での音速を１５００ｍ／ｓとするとλ＝５３．５７ｍｍとなる。

波長λ、角周波数ω、定数Ａ、時間ｔ、密度ρとすると水面１２からの距離ｘにおける定在波の音圧Ｐは次式で示される。
Ｐ＝−２ωρＡｓｉｎ（２π ｘ／λ）・ｓｉｎω ｔ （１）

式（１）によると水面１２から波長の１／４の奇数倍の位置で音圧が最大になり、バブルの圧壊には最も効率の良い位置になる。水面１２からの圧壊最適位置ｙは次式で表される。
ｙ＝λ（２ｎ＋１）／４ （２）
ここでｎは整数。
超音波周波数２８ｋＨｚではｙ＝１３．３９ｍｍ、４０．１８ｍｍ、６６．９６ｍｍ９３．７４ｍｍ、１２０．４２ｍｍなどが圧壊最適位置である。

実施例１では超音波の照射を受けるマイクロバブルの移送路、即ち超音波照射液体移送路１３の底面を超音波振動板の振動面に平行に配置し、超音波照射液体移送路１３の厚さの中心が振動板面から４０．１８ｍｍのところに超音波照射液体移送路を設置し、水槽７の水面の深さが水槽底面の振動板面から８０．３６ｍｍになるように配置した。超音波定在波の音圧の波形９と超音波照射液体移送路１３の関係を図３に示している。

式（１）より音圧の最大値Ｐｍａｘを与える水面１２からの距離Ｘｍからどのくらい離れると音圧がどのくらいに低下するかを求めることができる。実施例１の場合、図８に示すようにＸｍから１ｍｍずれると音圧はＰｍａｘの９９％であり、Ｐｍａｘの９０％になる位置はＸｍから３．８５ｍｍ離れた位置である。即ち超音波照射液体移送路１３の厚さが２ｍｍでは超音波照射液体移送路を流れるバブル水に加わる音圧は、Ｐｍａｘの９９％から１００％の音圧に制御することができる。また超音波照射液体移送路１３の厚さが７．７ｍｍの場合Ｐｍａｘの１０％以内の音圧で圧壊が行われることになる。

実施例１では超音波照射液体移送路１３の断面は厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍの超音波照射液体移送路を用いた。これを図４に示している。

実施例１の場合、実際には超音波照射液体移送路１３を石英で作成しており、石英と水の界面で反射も起こるが、２８ｋＨｚといった低周波数でもあり、石英の板厚も薄いので、反射の影響は少ない。また超音波照射液体移送路１３を通るマイクロバブル水の密度も水槽の水の密度と異なっているので、超音波照射液体移送路１３の位置、水面の深さについて僅かな微調整をすると良い。微調整は水槽に超音波を印加した状態で、水深と超音波照射液体移送路１３の位置を微調整して、最も高濃度で、ナノバブル径がそろったナノバブルが生成できる位置を確定した。

実施例１ではマイクロバブル含有液体やナノバブル含有液体が水槽と液体移送路で分離された構造になっているので、また石英やＰＶＤＦ等のフッ素系樹脂を用いて液体移送路、超音波照射液体移送路を作製することで金属イオンや不純物の溶出を避け、クリーン度が要求される用途にも有効である。

図５は、本発明装置の実施例２のナノバブル発生部の水槽の部分を示している。

実施例２では超音波振動子６は水槽７の水槽側面に設置されている。さらに超音波振動面と相対する水槽側面との間に超音波反射板１０が挿入されている。超音波振動子を駆動すると水槽側面の振動面から水中に向かって超音波が照射される。水中を伝搬してきた進行波は超音波反射板１０で反射される。即ち進行波と反射波は振幅が同じで位相が逆の関係になり、反射板面が節となる定在波が形成される。

超音波振動板面から超音波反射板面１０までの距離が超音波振動子の発振周波数での水中の超音波の波長の半分の整数倍のとき超音波定在波の振幅が最大となる定在波が形成される。

実施例２でも実施例１と同様に音圧を大きく取りたいので、低周波超音波周波数領域から選び、手軽に入手できる２８ｋＨｚを採用した。

波長λ、角周波数ω、定数Ａ、時間ｔ、密度ρとすると超音波反射板面１０からの距離ｘにおける定在波の音圧Ｐは次式で示される。
Ｐ＝−２ωρＡｓｉｎ（２π ｘ／λ）・ｓｉｎω ｔ （１）

式（１）によると超音波反射板面１０から波長の１／４の奇数倍の位置が音圧が最大になり、バブルの圧壊には最も効率の良い位置になる。超音波反射板面１０からの圧壊最適位置ｙは次式で表される。
ｙ＝λ（２ｎ＋１）／４ （２）
ここでｎは整数。
超音波周波数２８ｋＨｚではｙ＝１３．３９ｍｍ、４０．１８ｍｍ、６６．９６ｍｍ ９３．７４ｍｍ、１２０．４２ｍｍなどが圧壊最適位置である。

実施例２では超音波照射液体移送路１３の底面を超音波振動板の振動面に平行に保ち、超音波反射板面１０から超音波照射液体移送路１３の厚さの中心が４０．１８ｍｍのところに設置し、超音波振動板面から超音波反射板面１０までの距離が８０．３６ｍｍになるように調整した。

実施例２でも超音波照射液体移送路１３の断面は厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍの超音波照射液体移送路を用いた。これを図６に示した。

実施例１では水面を反射面として使用しているが、水面の代わりに超音波反射板１０を挿入しても良い。この実施例３を図７に示した。超音波振動板面から超音波反射板１０までの距離を所定の長さに保ち、超音波反射板１０が水中にあれば、水槽内の水量が変化しても安定な定在波が形成され、ナノバブル液体を安定に製造することが出来る。

実施例１、２及び３では水路を扁平な断面をもつものを用いたが、仕様によっては円形或いは矩形、楕円の断面配管であってもよい。

実施例１、２及び３では超音波の波長の３／２の長さの定在波を用いているが、もっと高次の長さを用いても良い。

水槽７の中には脱気泡水を用いているが、用途に合わせて様々な液体を用いても良いが、その液体の密度、音速により定在波の位置の変化を考慮する必要がある。

超音波照射液体移送路に石英を用いているが、目的に応じて他の材質を用いても良い。しかし、密度と音速の違いにより超音波の透過、反射を考慮する必要がある。

温度により定在波の波長が変化する。実施例１では超音波駆動振動板面から１波長以内の音圧の腹の位置を使っているが、定在波の波長の数が多くなる位置を使う場合には、僅かな波長の変化でも定在波の音圧の腹の位置が変化するので、水槽の水の温度制御装置などを具備すると良い。

実施例ではマイクロバブル含有液体として水を用いているが、水以外の液体でも良い。

実施例では超音波照射液体移送路を一系統としているが、定在波の音圧の腹の位置を複数段利用して、超音波照射移送路を並列に多段設置しても良い。

以上のように、本発明に係る微細気泡製造装置はナノバブルの気泡径のバラツキが小さく、高濃度のバブルを高効率に生成することに有用であり、気泡径のそろったナノバブルは物理的化学的特性を同一化することができ、工業的、医学的用途に有効に利用できる。

１ マイクロバブル発生部
２ ナノバブル発生部
３ 出口１
４ 出口２
５ 液体移送路１
６ 超音波振動子
７ 水槽
８ 水
９ 定在波
１０ 超音波反射板
１１ 超音波振動子駆動回路
１２ 水面
１３ 超音波照射液体移送路
１４ 液体移送路２

Claims (4)

1. マイクロバブルに超音波を照射してナノバブルを製造する装置において、マイクロバブル発生部の出口に第一の液体移送路が結合し、前記液体移送路の下流には超音波照射液体移送路の入口が接続され、前記超音波照射液体移送路の出口には第二の液体移送路が接続され、前記第二の液体移送路の下流にはナノバブル液体の取出し口が接続され、前記超音波照射液体移送路は超音波印加手段が具備された水槽の中に設置され、前記水槽の中に超音波の定在波を発生させ、前記超音波定在波の音圧の腹の位置付近に前記超音波照射液体移送路を配置することを特徴とするナノバブル液体の製造装置。
2. 前記定在波を形成する超音波振動板面と超音波反射面とは平行であり、前記超音波振動板面と前記超音波反射面との距離が前記超音波印加手段に使用される超音波振動子の共振周波数での水中波長の半分の整数倍付近に設定されることを特徴とする請求項１に記載のナノバブル液体の製造装置。
3. マイクロバブルに超音波を照射してナノバブルを生成するナノバブル製造方法において、水槽内に超音波照射液体移送路を設置し、前記超音波照射液体移送路にマイクロバブル含有液体を流し、前記水槽内に超音波を印加して、前記水槽内に超音波の定在波を発生させ、前記超音波定在波の音圧の腹の位置付近に前記超音波照射液体移送路を配置することを特徴とするナノバブル液体の製造方法。
4. 前記定在波を形成する超音波振動板面と超音波反射面とは平行であり、前記超音波振動板面と前記超音波反射面との距離が前記超音波印加手段に使用される超音波振動子の共振周波数での水中波長の半分の整数倍付近に設定されることを特徴とする請求項３に記載のナノバブル液体の製造方法。

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