JP2015080756A

JP2015080756A - 微小気泡発生装置および気泡径制御方法

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Publication number: JP2015080756A
Application number: JP2013219630A
Authority: JP
Inventors: 茂雄細川; Shigeo Hosokawa; 前田　康成; Yasunari Maeda; 康成前田; 伊藤　良泰; Yoshiyasu Ito; 良泰伊藤; 恭子久和; Kyoko Kuwa; 尚紀柴田; Hisanori Shibata; 朋弘穐田; Tomohiro Akita
Original assignee: Panasonic Corp; Kobe University NUC
Current assignee: Panasonic Corp; Kobe University NUC
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: JP6368080B2

Abstract

【課題】気体溶解水中の気泡の縮小、拡大を自在に行うことができる微小気泡発生装置を提供する。
【解決手段】気泡径の制御が可能な微小気泡発生装置１で、気液混合水を供給する気液供給部３と、供給された気液混合水から微小気泡含有水を生成する微小気泡発生部５と、微小気泡発生部の下流に配設され、微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更自在な濃度変更部６とを備え、微小気泡発生部は供給された気液混合水中の気体を溶解させた後、発泡させて微小気泡を生成可能であるか、あるいは、供給された気液混合水中の気泡を粉砕して微小気泡を生成可能であり、濃度変更部６は、以下の（１）溶存気体濃度の上昇による気泡径の拡大、（２）溶存気体濃度の低下による気泡径の縮小、（３）飽和溶存気体濃度の上昇による気泡径の縮小、（４）飽和溶存気体濃度の低下による気泡径の拡大、のうちのいずれかの制御が可能とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小気泡発生装置および気泡径制御方法に関する。

近年、直径が50μｍ以下の微小気泡は、例えば、生物の生理活性の促進作用、新陳代謝機能の向上作用、成長促進作用などの様々な効果を奏することが確認されており、幅広い分野での応用が期待されている。

例えば、特許文献１では、液体中に含まれる微小気泡に物理的刺激を加えることにより、微小気泡を縮小させるナノバブルの製造方法が提案されている。具体的には、特許文献１には、微小気泡への物理的刺激は、放電発生装置による放電、超音波発生装置による超音波照射、回転体の作動による渦流などによって達成することができることが記載されている。

特開2005−245817号公報

しかしながら、特許文献１の方法の場合には、物理的刺激を加えるための装置の大型化が避けられないことや、安定した気泡の縮小が困難であることなどの問題があった。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、特殊な装置が不要であり、かつ、気体溶解水中の気泡の縮小、拡大を自在に行うことができる微小気泡発生装置を提供することを課題としている。また、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の微小気泡発生装置は、微小気泡含有水中の気泡径の制御が可能な微小気泡発生装置であって、
気液混合水を供給する気液供給部と、
この気液供給部から供給された気液混合水から微小気泡含有水を生成する微小気泡発生部と、
この微小気泡発生部の下流に配設され、前記微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更自在な濃度変更部とを
備え、
前記微小気泡発生部は、前記気液供給部から供給された気液混合水中の気体を溶解させた後、発泡させて微小気泡を生成可能であるか、あるいは、前記気液供給部から供給された気液混合水中の気泡を粉砕して微小気泡を生成可能であり、
前記濃度変更部は、以下の（１）〜（４）、
（１）溶存気体濃度の上昇による気泡径の拡大、
（２）溶存気体濃度の低下による気泡径の縮小、
（３）飽和溶存気体濃度の上昇による気泡径の縮小、
（４）飽和溶存気体濃度の低下による気泡径の拡大、
のうちの少なくともいずれかの制御が可能とされていることを特徴としている。

この微小気泡発生装置では、前記濃度変更部に接続し、かつ、微小気泡発生部からの微小気泡含有水よりも高濃度の気体溶解水を前記濃度変更部に流入させる高濃度気体溶解水流入路を備え、前記高濃度気体溶解水流入路からの高濃度気体溶解水の流入によって、前記（１）の制御が可能であることが好ましい。

この微小気泡発生装置では、前記濃度変更部に接続し、かつ、微小気泡発生部からの微小気泡含有水よりも低濃度の気体溶解水を前記濃度変更部に流入させる低濃度気体溶解水流入路を備え、前記低濃度気体溶解水流入路からの低濃度気体溶解水の流入によって、前記（２）の制御が可能であることが好ましい。

この微小気泡発生装置では、前記濃度変更部は、上流側よりも流路断面積が大きく、かつ外気と連通した拡張室を備え、この拡張室において、微小気泡含有水中の溶存気体の大気拡散が生じることで、前記（２）の制御が可能であることが好ましい。

この微小気泡発生装置では、前記濃度変更部は水温調節手段を備え、この水温調節手段によって微小気泡含有水の温度を低下させることで前記（３）の制御が可能であり、かつ、この水温調節手段によって微小気泡含有水の温度を上昇させることで前記（４）の制御が可能であることが好ましい。

この微小気泡発生装置では、前記濃度変更部は流路断面積調節手段を備え、この流路断面積調節手段によって微小気泡含有水が流れる流路の断面積を増加させることで前記（３）の制御が可能であり、かつ、この流路断面積調節手段によって微小気泡含有水が流れる流路の断面積を減少させることで前記（４）の制御が可能であることが好ましい。

本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を上昇させることで気泡径を拡大させることを特徴としている。

本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を低下させることで気泡径を縮小させることを特徴としている。

本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水の水温を低下させることで飽和溶存気体濃度を上昇させ、気泡径を縮小させることを特徴としている。

本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水の水温を上昇させることで飽和溶存気体濃度を低下させ、気泡径を拡大させることを特徴としている。

本発明の微小気泡発生装置によれば、特殊な装置が不要であり、かつ、気体溶解水中の気泡の縮小、拡大を自在に行うことができる。

本発明の微小気泡発生装置の一実施形態を例示した概要図である。図１中のＡ部（微小気泡発生部および濃度変更部）の内部を例示した概要図である。本発明の微小気泡発生装置の一実施形態を例示した概要図である。本発明の微小気泡発生装置の一実施形態を例示した概要図である。本発明の微小気泡発生装置の濃度変更部の一実施形態を例示した概要図である。本発明の微小気泡発生装置の濃度変更部の一実施形態を例示した概要図である。

図１は、本発明の微小気泡発生装置の一実施形態を例示した概要図である。図２は、図１中のＡ部（微小気泡発生部および濃度変更部）の内部を例示した概要図である。

微小気泡発生装置１は、上流側から、気体導入部２、気液供給部３、気体溶解部４、微小気泡発生部５および濃度変更部６が流路で接続されている。

気体導入部２は、気体供給源（例えば周囲の大気など）と別ラインを介して接続する逆止弁（図示していない）と、エゼクター機構（図示していない）を備えている。気体導入部２は、流路の上流側から供給される水に気体（例えば空気）を導入して気液供給部３に供給する。逆止弁は、流路内の水へ気体を供給する一方、流路内の水が気体導入部２へ逆流するのを抑制する。エゼクター機構は、流路内に形成される流路内に形成される負圧によって、気体が流路内に引き込まれるように設計されている。したがって、気体導入部２の下流の流路内には、気体が混合された気液混合水が流れ出る。なお、気体導入部２は、このような構造に限らず、エアポンプなどにより気体供給源の気体を流路内に強制的に圧入する構造などを採用することもできる。

気液供給部３としては、ポンプを例示することができ、気液混合水を高圧で気体溶解部４へと供給する。

気体溶解部４は、気液供給部３から供給された気液混合水中の気体を溶解させて気体溶解水を生成する。具体的には、例えば、流入部を介して気液供給部３から溶解槽４１内に圧入された気液混合水を高速噴霧してバブリング状態を形成し、これにより気液混合水中の気体を溶解槽内の水に溶解させることができる。さらに、気体溶解部４には、排気部４２を配設することができ、例えば、溶解槽４１内を上昇する際に分離した気体溶解水から余剰の気体を排気部４２から外部に排気することができる。

微小気泡発生部５は、気体溶解部４の下流に配設され、気体溶解水中の気体を発泡させて微小気泡含有水を生成する。

図２に例示したように、微小気泡発生部５は、気体溶解部４からの流路よりも断面積が小さい縮流部５１を有している。縮流部５１によるベンチュリ効果によって気体溶解部４から供給された気体溶解水は流速が速くなり、圧力が低下するため、気体溶解水中の気体が膨張する。この際、気体溶解水の溶存気体濃度は急低下する。続いて、縮流部５１を通過すると、気体の圧力が連続的に増大するため気体は収縮し、例えば泡径100μｍ〜500μｍである微小気泡に分割され、微小気泡含有水が生成される。なお、微小気泡発生部５は、図２に例示した形態に限定されず、例えばせん断力を発生させて微小気泡を生成するための公知の構造を適宜採用することができる。このせん断力を発生させて微小気泡を生成する方法としては、例えば、気液供給部３から供給される気泡を含んだ気液混合水をベンチュリ管を通過させることで、気泡を膨張させた後収縮させて粉砕する方法を例示することができる。

濃度変更部６は、微小気泡発生部５の下流に配設されている。濃度変更部６は、微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更自在であればよく、具体的な構成は特に限定されない。そして、濃度変更部６は、
（１）溶存気体濃度の上昇による気泡径の拡大、
（２）溶存気体濃度の低下による気泡径の縮小、
（３）飽和溶存気体濃度の上昇による気泡径の縮小、
（４）飽和溶存気体濃度の低下による気泡径の拡大、
のうちの少なくともいずれかの制御が可能とされている。

すなわち、本発明では、微小気泡含有水の気泡と液相との間では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように気体分子が移動するという全く新しい知見に基づいている。この知見に基づいて、微小気泡発生部５の下流の濃度変更部６において、微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更することで、気泡径の縮小または拡大を自在に制御することを可能にしている。

以下、濃度変更部の実施形態とこれによる微小気泡含有水中の気泡径の制御についてさらに詳しく説明する。

図３は、本発明の微小気泡発生装置の一実施形態を例示した概要図である。

微小気泡発生装置１は、気体溶解部４から高濃度気体溶解水流入路７が分岐しており、微小気泡発生部５の下流の濃度変更部６と接続している。高濃度気体溶解水流入路７の途中には、第１の流量調整弁７１が設けられている。この微小気泡発生装置１では、高濃度気体溶解水流入路７を通じて、微小気泡発生部５からの微小気泡含有水よりも高濃度の気体溶解水が濃度変更部６に流入し、微小気泡含有水の溶存気体濃度が上昇する。このとき、濃度変更部６の微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように液相中の気体分子が気泡内に移動するため、気泡径は拡大する。すなわち、上記（１）の制御が達成される。このように、濃度変更部６で気泡径が制御された微小気泡含有水が下流へ供給される。

図４は、本発明の微小気泡発生装置の一実施形態を例示した概要図である。

微小気泡発生装置１は、気体導入部２より上流の流路に第２の流量調整弁８が設けられている。そして、第２の流量調整弁８からは、低濃度気体溶解水流入路９が分岐しており、微小気泡発生部５の下流の濃度変更部６と接続している。この微小気泡発生装置１では、低濃度気体溶解水流入路９を通じて、微小気泡発生部５からの微小気泡含有水よりも低濃度の気体溶解水（気体溶解前の水）が濃度変更部６に流入し、微小気泡含有水の溶存気体濃度が低下する。このとき、濃度変更部６の微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように気泡内の気体分子は液相へ移動して溶解するため、気泡径は縮小する。すなわち、上記（２）の制御が達成される。このように、濃度変更部６で気泡径が制御された微小気泡含有水が下流へ供給される。

図５は、本発明の微小気泡発生装置の濃度変更部の一実施形態を例示した概要図である。

微小気泡発生装置１は、微小気泡発生部５の下流において、上流側よりも流路断面積が大きく、外気と連通した拡張室Ｒを備えている。微小気泡発生部５から拡張室Ｒへ到達した微小気泡含有水は、広面積で外気と接触し、微小気泡含有水中の溶存気体の大気拡散が生じる。拡張室Ｒの流路断面積を適宜設計することで、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を調整することができる。この微小気泡発生装置１では、濃度変更部６の拡張室Ｒにおける溶存気体の大気拡散によって、微小気泡含有水の溶存気体濃度が低下する。このとき、微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように気泡内の気体分子は液相へ移動して溶解するため、気泡径は縮小する。すなわち、上記（２）の制御が達成される。そして、例えば微小気泡含有水中の気泡を縮小させることで、ナノバブルの比率を高め、各種の用途に応用することができる。このように、濃度変更部６で気泡径が制御された微小気泡含有水が下流へ供給される。

図６は、本発明の微小気泡発生装置の濃度変更部の一実施形態を例示した概要図である。

微小気泡発生装置１の濃度変更部６は、水温調節手段Ｔを備え、この水温調節手段Ｔによって微小気泡含有水の温度の上昇、低下を制御することができる。水温調節手段Ｔは、具体的に限定されないが、例えば、冷媒・ペルチェ素子による冷却構造や、ヒーターによる加熱構造などを例示することができる。また、冷却板、加熱板などを濃度変更部６の内部に配設することもできる。

微小気泡発生装置１は、濃度変更部６の水温調節手段Ｔによって水温を低下させた場合、微小気泡含有水の飽和溶存気体濃度は上昇する。このとき、微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように気泡内の気体分子は液相へ移動して溶解するため、気泡径は縮小する。すなわち、上記（３）の制御が達成される。そして、例えば微小気泡含有水中の気泡を縮小させることで、ナノバブルの比率を高め、各種の用途に応用することができる。

一方、微小気泡発生装置１は、濃度変更部６の水温調節手段Ｔによって水温を上昇させた場合、微小気泡含有水の飽和溶存気体濃度は低下する。このとき、微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように液相中の気体分子が気泡内に移動するため、気泡径は拡大する。すなわち、上記（４）の制御が達成される。

さらに、図示していないが、別の実施形態としては、濃度変更部は、微小気泡含有水が流れる流路の断面積を調整可能な流路断面積調節手段を備えることができ、この流路断面積調節手段によって飽和溶存気体濃度を変更することもできる。具体的には、流路断面積調節手段によって、微小気泡含有水が流れる流路の断面積を増加させることで、拡大損失による圧力上昇を生じさせ、飽和溶存気体濃度を上昇させる。これによって、微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように気泡内の気体分子は液相へ移動して溶解するため、気泡径は縮小する。すなわち、上記（３）の制御が達成される。また、流路断面積調節手段によって、微小気泡含有水が流れる流路の断面積を減少させることで、流速増に伴う圧力低下を生じさせ、飽和溶存気体濃度を低下させる。これによって、微小気泡含有水では、気泡内気体濃度と溶存気体濃度が平衡状態となるように液相中の気体分子が気泡内に移動するため、気泡径は拡大する。すなわち、上記（４）の制御が達成される。

本発明は、微小気泡含有水中の気泡径の制御が可能な微小気泡発生装置１であり、以下の構成を有している。

気液混合水を供給する気液供給部３。

気液供給部３から供給された気液混合水から微小気泡含有水を生成する微小気泡発生部５。

微小気泡発生部５の下流に配設され、前記微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更自在な濃度変更部６。

そして、微小気泡発生部５は、気液供給部３から供給された気液混合水中の気体を溶解させた後、発泡させて微小気泡を生成可能であるか、あるいは、気液供給部３から供給された気液混合水中の気泡を粉砕して微小気泡を生成可能である。

さらに、濃度変更部６は、以下の（１）〜（４）のうちの少なくともいずれかの制御が可能とされている。
（１）溶存気体濃度の上昇による気泡径の拡大
（２）溶存気体濃度の低下による気泡径の縮小
（３）飽和溶存気体濃度の上昇による気泡径の縮小
（４）飽和溶存気体濃度の低下による気泡径の拡大。

なお、本発明の微小気泡発生装置１は、図３〜図６に例示した濃度変更部６を組み合わせて構成することもでき、上記（１）〜（４）の制御をすべて実行可能とすることもできる。

微小気泡発生装置１によれば、特殊な装置が不要であり、気体溶解水中の気泡の縮小、拡大を自在に行うことができる。このため、各種の用途に応じて、微小気泡含有水中の気泡径を制御可能であるため、マイクロバブルの比率、ナノバブル比率などを様々に調整することができる。

さらに、本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を上昇させることで気泡径を拡大させる。

そして、本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を低下させることで気泡径を縮小させる。

本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水の水温を上昇させることで飽和溶存気体濃度を上昇させ、気泡径を縮小させる。

本発明の気泡径制御方法は、微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水の水温を低下させることで飽和溶存気体濃度を低下させ、気泡径を拡大させる。

このように、本発明の気泡径制御方法によれば、気体溶解水中の気泡の縮小、拡大を自在に行うことができる。

本発明の微小気泡発生装置および気泡径制御方法は以上の実施形態に限定されるものではない。例えば、濃度変更部は、微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更自在であればよく、様々な形態に設計可能である。また、気体溶解部、微小気泡発生部についても、公知の形態を適宜採用することができる。さらに、気体溶解部は必ずしも必須ではなく、微小気泡発生部によって、気液供給部から供給された気液混合水中の気泡を粉砕して微小気泡を生成することもできる。

１微小気泡発生装置
３気液供給部
５微小気泡発生部
６濃度変更部
７高濃度気体溶解水流入路
９低濃度気体溶解水流入路
Ｒ拡張室
Ｔ水温調節手段

Claims

微小気泡含有水中の気泡径の制御が可能な微小気泡発生装置であって、
気液混合水を供給する気液供給部と、
この気液供給部から供給された気液混合水から微小気泡含有水を生成する微小気泡発生部と、
この微小気泡発生部の下流に配設され、前記微小気泡含有水中の溶存気体濃度または飽和溶存気体濃度を変更自在な濃度変更部とを
備え、
前記微小気泡発生部は、前記気液供給部から供給された気液混合水中の気体を溶解させた後、発泡させて微小気泡を生成可能であるか、あるいは、前記気液供給部から供給された気液混合水中の気泡を粉砕して微小気泡を生成可能であり、
前記濃度変更部は、以下の（１）〜（４）、
（１）溶存気体濃度の上昇による気泡径の拡大、
（２）溶存気体濃度の低下による気泡径の縮小、
（３）飽和溶存気体濃度の上昇による気泡径の縮小、
（４）飽和溶存気体濃度の低下による気泡径の拡大、
のうちの少なくともいずれかの制御が可能とされていることを特徴とする微小気泡発生装置。
前記濃度変更部に接続し、かつ、微小気泡発生部からの微小気泡含有水よりも高濃度の気体溶解水を前記濃度変更部に流入させる高濃度気体溶解水流入路を備え、前記高濃度気体溶解水流入路からの高濃度気体溶解水の流入によって、前記（１）の制御が可能であることを特徴とする請求項１に記載の微小気泡発生装置。
前記濃度変更部に接続し、かつ、微小気泡発生部からの微小気泡含有水よりも低濃度の気体溶解水を前記濃度変更部に流入させる低濃度気体溶解水流入路を備え、前記低濃度気体溶解水流入路からの低濃度気体溶解水の流入によって、前記（２）の制御が可能であることを特徴とする請求項１に記載の微小気泡発生装置。
前記濃度変更部は、上流側よりも流路断面積が大きく、かつ外気と連通した拡張室を備え、この拡張室において、微小気泡含有水中の溶存気体の大気拡散が生じることで、前記（２）の制御が可能であることを特徴とする請求項１に記載の微小気泡発生装置。
前記濃度変更部は水温調節手段を備え、この水温調節手段によって微小気泡含有水の温度を低下させることで前記（３）の制御が可能であり、かつ、この水温調節手段によって微小気泡含有水の温度を上昇させることで前記（４）の制御が可能であることを特徴とする請求項１に記載の微小気泡発生装置。
前記濃度変更部は流路断面積調節手段を備え、この流路断面積調節手段によって微小気泡含有水が流れる流路の断面積を増加させることで前記（３）の制御が可能であり、かつ、この流路断面積調節手段によって微小気泡含有水が流れる流路の断面積を減少させることで前記（４）の制御が可能であることを特徴とする請求項１に記載の微小気泡発生装置。
微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を上昇させることで気泡径を拡大させることを特徴とする気泡径制御方法。
微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水中の溶存気体濃度を低下させることで気泡径を縮小させることを特徴とする気泡径制御方法。
微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水の水温を低下させることで飽和溶存気体濃度を上昇させ、気泡径を縮小させることを特徴とする気泡径制御方法。
微小気泡含有水に含まれる気泡の径を制御する気泡径制御方法であって、微小気泡含有水の水温を上昇させることで飽和溶存気体濃度を低下させ、気泡径を拡大させることを特徴とする気泡径制御方法。