JP2019181323A - ナノサイズバブル発生器、及びナノサイズバブル発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体中にナノサイズバブルとして導入した気体をより多量に保持するナノサイズバブル発生器の提供。【解決手段】本発明のナノサイズバブル発生器１００は、液体を貯留する貯留槽１と、貯留槽１に貯留された液体内に浸漬される、微細孔を有する気体放出ヘッド２と、気体放出ヘッド２に気体を供給する気体供給手段３と、液体内に気体を放出している前記気体放出ヘッド２を、液体に対し相対的に、かつ連続的に振動させる振動手段４とを備えている。貯留槽１は、気密に密閉されるとともに、貯留槽１に液体を貯留することで、液体の液面から放出された気体を貯留する気体貯留室１１を、液面上に形成可能である。【選択図】図１

Description

この発明は、液体内に気体を導入して保持する技術に関し、特に、液体内に浸漬した微細孔を有する気体放出ヘッドを、液体に対し相対的に振動させながら、当該気体放出ヘッドから気体を放出してナノサイズバブルを生成するナノサイズバブル発生器、及びナノサイズバブル発生方法に関する。

液体中の微小気泡について、直径が１μｍ以上１ｍｍ未満のものを「マイクロサイズバブル」といい、直径が１ｎｍ以上１μｍ未満のものを「ナノサイズバブル」というものと定義して説明すると、マイクロサイズバブルは、液体中を上昇しながら水中に溶解し、水面に到達する前に消滅するか、あるいは、水面に到達した後破裂して消滅することが知られている。
これに対し、ナノサイズバブルは、浮力が極めて小さいため、ブラウン運動により揺動して浮上せず、水中に長期間残存することが知られており、液体中にナノサイズバブルを多量に安定した状態で生成できれば溶解度を越えて液体中に気体を保持できることから、その生成法が各種提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

例えば、特許文献１では、液体中に生成したマイクロサイズバブルに物理的刺激を加えることにより、マイクロサイズバブルを急激に収縮させてナノサイズバブルを発生させ、液体中に電解質イオンを添加することでナノサイズバブルを安定化させる方法が開示されている。

ところが、特許文献２の記載によれば、特許文献１にかかる製造方法は、マイクロサイズバブルを急激に縮小させた際に起こる圧壊により、急激な温度上昇と衝撃波が発生することで、液体中に一旦溶解した気体が気液面から自然放出されるため、液体内における気体の溶存量を増大させることが難しく、しかも、マイクロバブルの圧壊時に発生する衝撃波は連続的に増大するため、その増幅された衝撃波によってナノサイズバブル自体が圧潰してしまい、生成されたナノサイズバブルの保持が難しいという問題が有る。

そこで、特許文献２では、液体内に浸漬した微細孔を有する気体放出ヘッドに振動を連続的に印加しながら、気体放出ヘッドから気体を液体内に放出することで、マイクロバブルを圧壊させることなくナノサイズバブルを液体中に導入して保持するナノサイズバブル発生方法が提案されている。

特許第４１４４６６９号公報 特許第６０３９１３９号公報

しかし、特許文献２の気体導入保持装置では、貯留槽の上方が開放されているため、導入対象の気体は、液面から放出されると大気中に散逸して、液面上の気体における分圧が確保できないため、液体中へ再溶解させたり、液体中からの放出を抑制したりすることができず、十分に液体中に保持できないという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、液体中にナノサイズバブルとして導入対象の気体を液体中に十分に保持可能なナノサイズバブル発生器、及びナノサイズバブル発生方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、液体内にナノサイズバブルを発生するナノサイズバブル発生器であって、液体を貯留する貯留槽と、前記貯留槽に貯留された液体内に浸漬される、微細孔を有する気体放出ヘッドと、前記気体放出ヘッドに気体を供給する気体供給手段と、液体内に気体を放出している前記気体放出ヘッドを、前記液体に対し相対的に、かつ連続的に振動させる振動手段とを備え、前記貯留槽は、気密に密閉されるとともに、前記貯留槽に前記液体を貯留することで、前記液体の液面から放出された気体を貯留する気体貯留室を、前記液面上に形成可能なことを特徴とする。

本発明に係るナノサイズバブル発生器は、このように、密閉された貯留槽に液体を貯留することで、液体の液面から放出された気体を貯留する気体貯留室を液面上に形成可能に構成されていることから、液面から放出された導入対象の気体を当該気体貯留室に貯留することができる。これにより、気体貯留室内の気体における導入対象の気体の分圧を高めて、液面から放出された導入対象の気体が液体中に再溶解することを促すとともに、液体中から導入対象の気体が放出されることを抑制して、液体中に導入対象の気体を十分に保持することができる。

前記貯留槽は、前記液体を流出させる液体流出口を有し、前記液体流出口は、前記貯留槽に貯留された液体のうち所定の水位を超えた液体を流出させて、前記気体貯留室を形成すべく、前記貯留槽の底壁から所定の高さに設けられていることが好ましい。こうすることで、液体流出口から液体が溢れるまで液体を貯留槽に供給するだけで、気体貯留室を形成できる。

前記貯留槽は、前記気体放出ヘッドが配設される主貯留槽と、液体流出口が配設される副貯留槽と、前記主貯留槽に貯留された液体のうち所定の水位を超えた液体を前記主貯留槽から前記副貯留槽へ越流させる越流壁とを有し、前記液体流出口が前記所定の水位より低い位置に設けられていることが好ましい。こうすることで、主貯留槽から副貯留槽へ液体が流れ落ちるようにできるため、気体貯留室の気体と、貯留室に貯留された液体の接する面積を増大できる。

本発明は、液体内にナノサイズバブルを発生するナノサイズバブル発生方法であって、密閉された貯留槽の液体内に浸漬した微細孔を有する気体放出ヘッドを、液体に対し相対的にかつ連続的に振動させながら、前記気体放出ヘッドから気体を液体内に放出する気体放出工程を備え、前記気体放出工程は、前記貯留槽の液体の液面から放出された気体を前記液面上に貯留しながら行うことを特徴とするナノサイズバブル発生方法を含む。

以上説明したように、本発明に係るナノサイズバブル発生器、及びナノサイズバブル発生方法によれば、液体中に導入対象の気体を十分に保持することができる。

本発明の第１実施形態に係るナノサイズバブル発生器の要部を示す正面視断面図である。 図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の第２実施形態に係るナノサイズバブル発生器の要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係るナノサイズバブル発生器の要部断面図である。

以下、適宜図面を用いながら本発明の実施形態について詳述する。ただし、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
図１、図２は、本発明の第１実施形態に係るナノサイズバブル発生器１００を示している。ナノサイズバブル発生器１００は、液体内に、ナノサイズバブルを発生させるための装置であり、図１に示すように、液体を貯留する貯留槽１と、貯留槽１に貯留された液体内に浸漬される、微細孔を有する気体放出ヘッド２と、気体放出ヘッド２に気体を供給する気体供給管（気体供給手段）３と、液体内に気体を放出している気体放出ヘッド２を、液体に対し相対的に、かつ連続的に振動子させる振動手段４とを、主に備え、貯留槽１は、貯留された液体の液面から放出された気体を液面上に貯留する気体貯留室１１を有している。本実施形態では、振動手段４は、気体放出ヘッド２を振動させるものである。

液体内に導入する気体としては、特に限定されず、空気、水素、オゾン、窒素等公知の気体を適宜に用いることができる。気体を導入する液体としても特に限定されず、水道水、純水の他、各種の液体を適宜に用いることができる。

貯留槽１は、塩化ビニル等の透明な板材を、図１、図２のように、略直方体の箱型に組み立てて形成され、長手方向の一端（図１の右端）となる側面１ａを貫通する液体流入口５と、長手方向の他端（図１の左端）となる側面１ｂを貫通する液体流出口６とを備えている。液体流入口５には、バルブ５２により開閉される給水管５１が連結し、液体流出口６には、バルブ６２により開閉される液体送出管６１が連結している。

気体放出ヘッド２は、図１に示すように、通気性の多孔質体により矩形の板状に形成されたヘッド本体２１と、ヘッド本体２１と板厚、長さを共通する樹脂製の長板からなるチャンバー２２とを備えている。ヘッド本体を構成する多孔質体としては特に限定されず、セラミックス、金属、樹脂、その他の公知の多孔質体を、液体や気体の種類、気体放出ヘッドの振動数等の条件により、適宜に採用できる。
ヘッド本体２１とチャンバー２２は、それぞれの上面と下面を密着させるようにして、一対のＬ字金具２４，２４により１枚の板状に連結されている。気体放出ヘッド２は、チャンバー２２の内部を長手方向に延びる水平孔２３ａと水平孔２３ａから下方に延び、チャンバー２２からヘッド本体２１まで達する複数の垂直孔２３ｂ，２３ｂ，…とからなる通気路２３が設けられ、通気路２３へ気体を供給すると、ヘッド本体２１の微細孔から気体が噴出するよう構成されている。

ヘッド本体２１は、各面（２１ａ〜２１ｅ、図１、図２参照）に、多数（例えば、１ｃｍ³あたり数千〜数十万個）の微細孔が分散配置されている。ヘッド本体２１の微細孔の穴径は、ナノサイズバブルを発生可能な穴径であれば特に限定されず、適宜の穴径を用いることができるが、２．５μｍ以下が好ましく、特に１μｍ以下が好ましい。

気体供給管（気体導入手段）３は、図１に示すように、気体放出ヘッド２における通気路２３の入り口からなる気体供給口３２へ連結されて通気路２３へ、ナノサイズバブルとして液体内に発生させる気体を供給する。

振動手段４は、図１に示すように、気体放出ヘッド２の長手方向に列設される一対のランジュバン型の振動子４１，４１と、振動子４１，４１の下面に固定される振動板４２とを備えている。振動子４１，４１は図外の発信装置により高周波電圧を印加されて振動する。

振動子４１が気体放出ヘッド２に印加する振動の周波数は、気体放出ヘッド２からナノサイズバブルを発生可能である限り特に限定されないが、３０００Ｈｚ以上が好ましく、３００００Ｈｚ以上がより好ましく、４００００Ｈｚ以上が特に好ましい。

また、振動子４１が気体放出ヘッド２へ印加する振動の振幅は、気体放出ヘッド２からナノサイズバブルを発生可能である限り特に限定されないが、１μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以下が特に好ましい。

振動板４２は、上方に開口した扁平直方体の箱型をなす振動板本体部４２ａと、振動板本体部４２ａの周縁から側方へ延出するロの字（額縁状）の板状をなす枠部４２ｂとからなる。振動板４２は、枠部４２ｂをパッキン４３を介して貯留槽１の上部開口の周縁に螺子固定され、貯留槽１を密封している。
気体放出ヘッド２は、図２に示すように、振動板本体部４２ａの底壁４２ｃにＬ字金具２４により固定されている。振動板４２は、枠部４２ｂから扁平直方体状に窪んだ振動板本体部４２ａの底壁４２ｃの縦横の長さを適宜に設定することで、底壁４２ｃを振動子４１へ共振させるようにしている。
振動子に対し振動板を共振させる方法としては、偏平直方体状の振動板本体部４２ａと枠部４２ｂとを設ける代わりに、振動板を一枚の板状とし、中央の振動子に共振させる部分を除いた外周部分を厚くする、あるいは樹脂等で覆う等の方法を採用してもよい。
枠部４２ｂには、図１に示すように、安全弁７２により開閉される気体放出管７１に連通する気体放出口７が設けられている。

気体貯留室１１は、貯留槽１に貯留された液体の液面と振動板４２の間の空間からなる。つまり、気体貯留室１１は、液面と振動板４２の間に空間が残る量だけ貯留槽１内に液体を導入することで形成される。

次に、ナノサイズバブル発生器１００を用いて行う気体放出工程Ｓ１、及び各部の作用効果について説明する。
気体放出工程Ｓ１は、貯留槽１の液体内に浸漬した気体放出ヘッド２を、液体に対し相対的に、かつ連続的に振動させながら、気体放出ヘッド２から気体を液体内に放出する工程であり、貯留槽１に貯留された液体の液面から放出された気体を液面上に貯留しながら行う。本実施形態では、振動手段４により、気体放出ヘッド２に振動を印加する。
以下、液体として水道水を用い、気体として空気を導入するとして、具体的に説明する。

ナノサイズバブル発生器１００を用いて、ナノサイズバブルを生成する際には、まず、バルブ５２を開いて、給水管５１を介して、液体流入口５から貯留槽１に水道水を供給する。
気体放出ヘッド２が十分に水道水に浸ったら、振動板４２の底壁４２ｃと水面の間に空間（気体放出工程１４）を残すようにして、バルブ５２を閉塞する。
しかる後、不図示のガスポンプにより加圧した空気を、適宜に流量を調節しながら、給気管３を介して気体供給口３２へ供給する。
すると、気体放出ヘッド２の通気路２３からヘッド本体２１の微細孔へ空気が圧送されて、ヘッド本体２１の各面２１ａ〜２１ｅに開口する微細孔から空気が放出される。

この状態で、振動子４１,４１を振動させ、気体放出ヘッド２を略鉛直方向に振動させる。ヘッド本体２１から放出された空気は、振動による水流で引きちぎられて微細化し、ナノサイズバブルとなって水中へ拡散する。この際、振動方向に垂直な面２１ａ〜２１ｄから発生する気体は、効果的に微細化される。

気体放出ヘッド２から放出された空気のうち、ナノサイズバブルとなるものや水中に溶存するもの以外は、水面から気体貯留室１１に放出されて貯留される。
気体貯留室１１の圧力が上昇し、これに伴い酸素や窒素の分圧も上昇する。これにより、気体貯留室１１に放出された酸素や窒素が水中に再溶解する。また水中に溶解している酸素や窒素が水面から放出されることを抑制できる。
尚、気体貯留室１１の圧力が過大に上昇した際は、安全弁７２が開いて、気体貯留室１１の気体を放出し、その圧力を減少させる。

（第２実施形態）
次に、図３を用いて、本発明の第２実施形態に係るナノサイズバブル発生器２００について説明する。ただし、第２実施形態以降の実施形態において、第１実施形態と共通する部材は同一符号を付して説明を省略する。
ナノサイズバブル発生器２００は、液体流出口２０６が、貯留槽１に貯留された液体のうち所定の水位を超えた液体を流出させて、気体貯留室２１１を形成すべく貯留槽の底壁から所定の高さに設けられている。
こうすることで、液体流出口２０６から液体が溢れるまで液体を貯留槽に供給するだけで、容易に気体貯留室２１１を形成できる。

ナノサイズバブル発生器２００を用いて、ナノサイズバブルを発生させる際には、液体流入口５から液体を流入させるとともに、液体流出口２０６から液体を流出させながら、つまり、貯留槽１からナノサイズバブル水を連続して取り出しながら行うこともできるし、不図示のバフ部により液体流出口２０６を封止して、貯留槽１内に液体を貯留した状態でナノサイズバブルを発生させてもよい（気体放出工程）。
尚、図３における符号７、及び９は、貯留槽の液体を排出するためのドレンと、通気口である。

（第３実施形態）
次に、図４を用いて、本発明の第３実施形態に係るナノサイズバブル発生器３００について説明する。
ナノサイズバブル発生器３００は、ナノサイズバブルを導入した液体を連続して取り出すためのものであり、特別に構成された貯留槽３０１、及び気体貯留室３１１を備えている。

即ち、貯留槽３０１は、図４に示すように、長手方向の液体流入口５側に、主貯留槽３１２が設けられ、長手方向の液体流出口６側に副貯留槽３１３が設けられて、主貯留槽３１２と副貯留槽３１３は、板状の越流壁３１４により仕切られている。越流壁３１４は、幅方向（図４の奥行き方向）の両端、及び下端を貯留槽３０１の内壁に隙間なく密着させて設けられ、液体流入口５から流入した液体を主貯留槽３１２に貯留するとともに、上方の隙間３１４ａを介して、主貯留槽３１２から溢れた液体を副貯留槽３１３へ越流させるよう構成されている。また液体流出口６は、越流壁３１４の上端よりも低い位置で液体を放出する高さに設けられて、副貯留槽３１３の液面が主貯留槽３１２の液面より低くなるよう設けられている。

かかる構成により、本実施形態の気体貯留室３１１は、越流壁３１４を挟んで主貯留槽３１２と副貯留槽３１３に跨ることとなり、主貯留槽３１２から副貯留槽３１３へ液体が流れ落ちるようにできるので、貯留槽３０１内の液体と気体貯留室３１１の気体の接触面積を大きくして、液体から放出された導入対象の気体の再溶解を促すことができる。

以上、本発明のナノサイズバブル発生器は、上記の実施形態に限らず、例えば、貯留室は、越流板を備えなくともよく、密閉しなくてもよい。貯留室から副貯留室に越流する水は、越流板の上端ではなく、越流板の適宜の高さに設けられた貫通孔を通過するようにしてもよい。振動板は設けなくてもよいし、一枚の板状、その他の形状であってもよい。振動子や振動板は気体放出ヘッドの上方に限らず、その下方や側方等、適宜の位置に設けることができる。

ナノサイズバブル発生器１００，２００，３００
貯留槽１，３０１
気体貯留室１１，２１１，３１１
主貯留槽３１２
副貯留槽３１３、
越流壁３１４
気体放出ヘッド２
気体供給手段３
振動手段４
液体流入口５
液体流出口６，２０６

Claims (4)

1. 液体内にナノサイズバブルを発生するナノサイズバブル発生器であって、
   液体を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽に貯留された液体内に浸漬される、微細孔を有する気体放出ヘッドと、
   前記気体放出ヘッドに気体を供給する気体供給手段と、
   液体内に気体を放出している前記気体放出ヘッドを、前記液体に対し相対的に、かつ連続的に振動させる振動手段と
   を備え、
   前記貯留槽は、気密に密閉されるとともに、前記貯留槽に前記液体を貯留することで、前記液体の液面から放出された気体を貯留する気体貯留室を、前記液面上に形成可能なことを特徴とするナノサイズバブル発生器。
2. 前記貯留槽は、前記液体を流出させる液体流出口を有し、
   前記液体流出口は、前記貯留槽に貯留された液体のうち所定の水位を超えた液体を流出させて、前記気体貯留室を形成すべく、前記貯留槽の底壁から所定の高さに設けられている請求項１に記載のナノサイズバブル発生器。
3. 前記貯留槽は、前記気体放出ヘッドが配設される主貯留槽と、液体流出口が配設される副貯留槽と、前記主貯留槽に貯留された液体のうち所定の水位を超えた液体を前記主貯留槽から前記副貯留槽へ越流させる越流壁とを有し、
   前記液体流出口が前記所定の水位より低い位置に設けられている請求項１に記載のナノサイズバブル発生器。
4. 液体内にナノサイズバブルを発生するナノサイズバブル発生方法であって、
   密閉された貯留槽の液体内に浸漬した微細孔を有する気体放出ヘッドを、液体に対し相対的に、かつ連続的に振動させながら、前記気体放出ヘッドから気体を液体内に放出する気体放出工程を備え、
   前記気体放出工程は、前記貯留槽の液体の液面から放出された気体を前記液面上に貯留しながら行うことを特徴とするナノサイズバブル発生方法。

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