JP2017170285A - 微小気泡発生板 - Google Patents

Abstract

【課題】大がかりな装置を必要とせず、簡易にマイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡を安定して発生させることができる微小気泡発生板を提供すること。【解決手段】液体中で表面から微小気泡を発生させる気泡発生部を有する微小気泡発生板において、上記気泡発生部は、基面上に１又は複数の凸部を列を形成するように設けることで形成されており、上記凸部は、該凸部の頂点を形成する頂部と、該凸部の起点を形成する基底部と、該頂部及び該基底部をつなぐ斜部とからなり、上記基底部における任意の１点と、該１点に対して上記頂部を挟んで対向する対向点との間の間隔が０．１〜１ｍｍであり、対向する２つの上記斜部間の角度が１５〜７５°であり、上記斜面に微細な凹凸が設けられていることを特徴とする微小気泡発生板。【選択図】図１

Description

本発明は、微小気泡発生板に関し、さらに詳しくは、大がかりな装置を必要とせず、簡易にマイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡を発生させることができる微小気泡発生板に関するものである。

近年、マイクロバブルやナノバブルといった微小気泡は、造影剤や摩擦低減効果等種々の効果効用を有し、種々分野に応用できることから注目を集めている。
このため、マイクロバブルやナノバブルの製造方法や製造装置は種々提案されている。
たとえば、特許文献１には、大がかりな装置を用いることなく、簡便にナノバブルを製造できるナノバブル製造装置として、液体を通液する配管と、配管の上流側の分岐部で液体の一部を分岐させて再度配管の下流側の合流部で戻す分岐管と、分岐管の途中に設けられ液体の一部に気体を混合する気液混合部とからなり、液中に４〜１００μmの範囲のマイクロバブルを生成するマイクロバブル製造部と、配管の下流端側に接続されたナノバブル製造部本体と、本体内に設けられた孔付き板と、孔付き板の下流側に孔付き板に近接して設けられた衝突板とからなり、液中に100nm以下の範囲のナノバブルを発生させるナノバブル製造部とからなるナノバブル製造装置であって、合流部と孔付き板までの距離Lが、配管の内径Dに対して5D〜6Dの範囲であるナノバブル製造装置が提案されている。
また、特許文献２には、液体中で表面から微小気泡を発生させる気泡発生面を有する微小気泡発生板であって、上記気泡発生面は平面と該平面に窪みを設けることで形成された複数の谷部とを有してなり、該谷部は、窪みの頂点を形成する底頂部と、窪みの起点を形成する基頂部と、該底頂部及び該基頂部をつなぐ谷面とからなり、上記底頂部を挟んで対向する２つの上記基頂部間の間隔が０．１〜１ｍｍであり、対向する２つの上記谷面部間の角度が１０〜９０°であることを特徴とする微小気泡発生板が提案されている。

特開２０１３―０３４９５８号公報 特開２０１５−１６６０５５号公報

特許文献１に提案さているように従来提案されているバブル発生装置は機械的なせん断力を加えることで気泡粒径を小さくしてマイクロバブル化するものであり、せん断力を加えるための装置が必要で、この装置自体が大掛かりなものとなるという問題があった。
また、特許文献２に提案されている微細気泡発生板は、小さな装置構成で微細気泡の発生が確認されているが、より粒径の小さい微細気泡を安定して発生させることが要望されている。
このため、小さな装置構成で実用的なレベルのマイクロバブルやナノバブルを安定して発生させることが可能で、簡易に微小気泡を発生させることのできる気泡発生装置の開発が要望されている。

したがって、本発明の目的は、大がかりな装置を必要とせず、簡易にマイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡を安定して発生させることができる微小気泡発生板を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、従来壁面上で生成される気泡の大きさは壁面上の微細な孔の大きさに依存することが知られているが、この事実に着目して微細孔を形成するような精密な加工技術を用いなくても微細孔と同様の作用が期待できる表面形態が存在することを知見し、さらにこの知見に基づいて種々検討した結果、特定形状を有する傾斜面を形成することで上記目的を達成しうることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
１．液体中で表面から微小気泡を発生させる気泡発生部を有する微小気泡発生板において、
上記気泡発生部は、基面上に１又は複数の凸部を列を形成するように設けることで形成されており、
上記凸部は、該凸部の頂点を形成する頂部と、該凸部の起点を形成する基底部と、該頂部及び該基底部をつなぐ斜部とからなり、
上記基底部における任意の１点と、該１点に対して上記頂部を挟んで対向する対向点との間の間隔が０．１〜１ｍｍであり、
対向する２つの上記斜部間の角度が１５〜７５°であり、
上記斜面に微細な凹凸が設けられていることを特徴とする微小気泡発生板。
２．上記微細な凹凸は、連続して設けられており、高さ０．０５〜０．３ｍｍの階段状の凹凸であることを特徴とする１記載の微小気泡発生板。

本発明の微小気泡発生板は、大がかりな装置を必要とせず、簡易にマイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡を安定して発生させることができるものである。

図１は、本発明の微小気泡発生板の1実施態様を摸式的に示す斜視図である。 図２は、図1のII部拡大断面図である。 図３は、実施例１で得られた板に加熱を施した際の微小気泡の発生状態を示す写真（図面代用写真）である。

１：微小気泡発生板１、１０：気泡発生部１０、２０：平面、３０：谷部、３２：頂部、３４：基底部、３６：谷面

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
＜全体構成＞
本発明の微小気泡発生板１は、図１及び２に示すように、液体中で表面から微小気泡を発生させる気泡発生部１０を有し、気泡発生部１０は、基面２０（図２参照）上に１つの長尺の凸部３０を渦巻き状に設け、凸部３０を、列をなして設けることで形成されており、凸部３０は、凸部３０の頂点を形成する頂部３２と、凸部３０の起点を形成する基底部３４と、頂部３２及び基底部３４をつなぐ斜部３６とからなる。
さらに詳述すると、図１に示す実施形態の微小気泡発生板は、円形の平板体であり、その厚さは用途に応じて任意であるが通常は１〜１５ｍｍである。なお、本実施形態においては２ｍｍである。
微小気泡発生板の形成材料は、特に制限されないが加熱しても変形しない材料であるのが好ましく、鉄、ステンレス、アルミ、銅などの金属が好ましく、シリコン、親水性基を有する樹脂等の親水性の材料も用いることができる。
凸部３０は、図１に示すように、板体の中央部から円盤状の板体の外周縁に向けて複数同心円の凸部３０が連続して配設されている。なお、図1においては周縁部における凸部を省略して示しているが、どの位置まで凸部を設けるかは任意であり、例えば外周縁まで設けることができる。

＜特徴部分＞
そして、本実施形態の微小気泡発生板は、図２に示すように、基底部３４における任意の１点（図1に示すように基底部３４は凸部３０の形状に沿っており、凸部３０と同様に同心円が複数設けられて形成されており、この同心円状の複数の基底部３４の一点を選択した場合を意味する）と、該１点に対して頂部３２を挟んで対向する対向点との間の間隔（図２に示すｄ、基底部３４は約０．１〜０．３ｍｍの幅を有するので、その中央部をもって上記一点と対向点をとった）が０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．７ｍｍである。上記間隔ｄが０．１ｍｍ未満であると気泡が発生しにくくなり、１ｍｍを超えると気泡の粒径が大きくなりマイクロバブルとは言えなくなる。
また、対向する２つの斜部３６間の角度（図２のθ）が１５〜７５°であり、２０〜６０°であるのが好ましい。上記角度θが１０°未満であると、気泡の粒径の制御が困難となり、７５°を超えても気泡が発生しにくくなると共に気泡の粒径が大きくなる。
そして斜面３６に微細な凹凸３６ａが設けられている。すなわち、図２に示すように、凹凸３６ａは、斜部３６をフラットな斜面とした場合（図２の破線で示す部分）上下方向に連続して設けられており、全体的に階段状の形状を形成している。この凹凸の高さｔは０．０５〜０．３ｍｍであるのが好ましい。また、凹凸３６ａの幅ｗ１、ｗ２は、それぞれ上記の高さと同様にすることができる。この場合、図２ではｗ１、ｗ２はそれぞれ異なる幅を有するように記載しているが、これに限られず同じ幅とすることができる。
以上のことから間隔ｄと角度θとをどのようにするかで凸部３０の高さが決まることとなり、更に凹凸３６ａの高さを上述の範囲内でどの点に設定するかで階段状の凹凸の数も決定されることになる。
なお、本発明において微小気泡とは、いわゆるマイクロバブルと言われる粒子サイズの気泡を意味し、粒径で５００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下の粒子径の気泡を意味する。

本実施形態の微小気泡発生板は、上述のように同心円状の凸部３０を複数設けることにより気泡発生部１０が形成されている。しかも凸部３０を構成する斜部に階段状の凹凸が形成された構成とされているため、気泡が小径のまま板表面から離脱することが可能となっている。
すなわち、上記凸部３０と各凸部３０に形成された凹凸３６ａを有することにより、通常なら気泡を表面に留める方向に作用していた表面張力を気泡離脱に働く力として作用させることができる。斜部で生成した気泡の成長は、斜部であること及び斜部に形成された微細な凹凸による物理的な制限を受ける。その一方で表面張力の作用により気泡は球形を維持しようとするために生成点である谷面部から移動しようとし、表面から離脱し、微小気泡が発生する。

＜製造方法＞
本発明の微小気泡発生板は、ワイヤー放電加工、エッチング、モールド、プレス法等通常公知の金属板の微細加工技術を特に制限なく用いて製造することができる。また、金蔵３Ｄプリンターを用いて形成することもできる。このように３Ｄプリンターを用いて製造した場合には、この３Ｄプリンターを用いて製造したものをマザーとし、得られたマザーを用いてプレス加工により製造することもできる。

＜使用方法、用途＞
本発明の微小気泡発生板は、加熱する方法又は気体含有液体（炭酸水等）を用いる方法により液体中に微細気泡を発生させることができる。
加熱する方法は、板本体を気泡発生部が水中に面するようにしてヒーター、火などで加熱することにより実施できる。加熱温度は、液体の沸騰温度以上とするのが好ましい。
また、超音波を用いて加熱すると共に振動を付与することで気泡を発生させることも可能である。
気体含有液体を用いる方法は、たとえば炭酸水を用いる場合、炭酸水の中に微小気泡発生板を投入するか、あらかじめ微小気泡発生板が設置された容器に炭酸水を投入することにより実施できる。
従来、受動的な気泡径制御手法としては、表面粗さをサブミクロンオーダーで制御する必要があったが、本発明のように表面を特定の形状とすることにより、制御困難な表面粗さを細かく制御せずともいわゆるマイクロバブル程度の微小気泡を得ることができる。

本発明は上述した実施形態に何ら制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
たとえば、気泡発生部の凸部の形状は、上述のように同心円状ではなく、渦巻き状とすることで気泡発生部を形成してもよく、また直線状の凸部を複数個配列して矩形状の気泡発生部を設けてもよい。
また、凹凸の形状も上述のような階段状の形状ではなく、ランダムな突起が複数設けられた形態とすることもできる。

以下、本発明について実施例及び比較例を示してさらに具体的に説明するが本発明はこれらに何ら制限されるものではない。

〔実施例１〕
以下の様にして図１に示す微小気泡発生板を製造し、後述する試験例に記載の試験を行い、微小気泡の発生効率を測定した。
（微小気泡発生板の製造）
厚さ２．０ｍｍの円形のステンレス板（ＳＵＳ６３０）を用い、レーザー焼結型の金属３Ｄプリンター３ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製、商品名「ＰｒｏＸ３００」により、図１及び２に示す形態の気泡発生板を製造した（微小気泡発生部は全面ではなく中央部分に円形に設けた）。θは３０°であり、ｄは１ｍｍ、ｗ１＝ｗ２＝約０．２ｍｍ、ｔ＝約０．５〜０．８ｍｍ（製造時のレーザー照射状態により多少変動）、凸部全体の高さ＝約１．８ｍｍであった。
この際、この微小気泡発生板の加熱による気泡発生部で生成される気泡の観察を行った。加熱による気泡発生は、図３に示すように、周縁部に壁部を形成し、水位をもって水を投入できるように構成した微小気泡発生板に、板の上面から １cmの高さまで水を投入して、微小気泡発生板の下部からアルコールランプで加熱することにより気泡を発生させた。気泡の観察は、ビデオカメラを用いて撮影することにより行った。撮影した動画は核生成〜離脱までの瞬間気泡直径の測定及び気泡離脱過程の観察に使用した。
また、比較対象として、ワイヤー放電加工を施し、フラットな斜面からなる斜部を有する凸部により気泡発生部が形成された微小気泡発生板（間隔ｄ＝０．５ｍｍ、角度θ＝３０°、高さ深さＤ＝１．０１ｍｍ）を得た。
その結果、実施例の微小気泡発生板の方がより微細な気泡を安定して発生していることが判った。

本発明の微小気泡発生板は、マイクロバブルを手軽に利用したい場合に活用可能であり、各種殺菌、洗浄用途等マイクロバブルの利用用途として公知の分野に利用できる他、加熱によりマイクロバブルを発生する性質を利用してヒーター型バブリング装置や各種調理器具など種々用途に応用可能である。

Claims (2)

1. 液体中で表面から微小気泡を発生させる気泡発生部を有する微小気泡発生板において、
   上記気泡発生部は、基面上に１又は複数の凸部を列を形成するように設けることで形成されており、
   上記凸部は、該凸部の頂点を形成する頂部と、該凸部の起点を形成する基底部と、該頂部及び該基底部をつなぐ斜部とからなり、
   上記基底部における任意の１点と、該１点に対して上記頂部を挟んで対向する対向点との間の間隔が０．１〜１ｍｍであり、
   対向する２つの上記斜部間の角度が１５〜７５°であり、
   上記斜部に微細な凹凸が設けられていることを特徴とする微小気泡発生板。
   
2. 上記微細な凹凸は、連続して設けられており、高さ０．０５〜０．３ｍｍの階段状の凹凸であることを特徴とする請求項１記載の微小気泡発生板。