JP2020127932A - 超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な気泡を高密度に生成できる超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置を実現する。【解決手段】 超微細気泡発生器１０は、気液導入口１１ｂと流体導出口１１ｃを備え、気液導入口から流体導出口までの流路１１ａが内部に構成される流路構成体１１と、流路内において流路方向に沿って配置される流路内在体１２とを具備し、流路内在体は、流路内において流路方向に沿って相互に並行する複数の分流路１１ｉａ，１１ｏａを構成し、流路には、複数の分流路の流入口に気液混合流体１０ｘを供給する流体導入部１１Ｘと、該流体導入部から前記気液混合流体を受け入れる流入口をそれぞれ備える複数の分流路が構成される流体分流部１１Ｙと、複数の分流路の流出口からそれぞれ流出する気液混合流体が合流する流体混合部１１Ｚとが設けられる。ここで、流路内在体１２が筒状構造体であることが好ましい。【選択図】 図１

Description

本発明は超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置に関する。

従来から、ファインバブルやウルトラファインバブルなどと呼ばれる超微細気泡を生成するための各種の装置が開発されている。例えば、液中における安定性の高いナノサイズの気泡を生成する方法としては、界面活性剤添加微細孔式、超音波キャビテーション式などが知られている。また、高速旋回式、加圧溶解式、エジェクター式などの流路形状による気泡生成作用を用いた超微細気泡発生装置も知られている（例えば、以下の特許文献１〜３を参照）。これらの各種装置により生成されたバブルは、農作物栽培、微生物活性、魚類養殖、殺菌、洗浄、水処理、食品加工、医療などの各種の分野において利活用が検討されている。

特開２００２−０８５９４９号公報 特開２０１２−２５０１３８号公報 特開２０１７−１７６９２４号公報

上述のような超微細気泡の発生方法として、微細孔や超音波を用いる場合には、高品質、高密度な気泡生成を行うことが難しく、流量が限定される。このため、上述の各分野での技術応用の実現性においてコスト面などの制約があるという問題がある。

また、高速旋回式、加圧溶解式、エジェクター式などの流路形状による気泡生成作用を用いた超微細気泡発生装置では、比較的容易に超微細気泡を生成することができるものの、各分野において高い性能を発揮できる程度の高密度の超微細気泡を得ることが難しいという問題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するものであり、その課題は、微細な気泡を高密度に生成させることのできる超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明の超微細気泡発生器は、気液導入口と流体導出口を備え、前記気液導入口から前記流体導出口までの流路が内部に構成される流路構成体と、前記流路内において流路方向に沿って配置される流路内在体とを具備する。そして、前記流路内在体は、前記流路内において、前記流路方向に沿って相互に並行する複数の分流路を構成する。前記流路には、前記気液導入口を介して導入された気液混合流体が収容される流体導入部と、該流体導入部から前記気液混合流体を受け入れる流入口をそれぞれ備える前記複数の分流路が構成される流体分流部と、前記複数の分流路の流出口からそれぞれ流出する前記気液混合流体が合流する流体混合部とが設けられる。このとき、前記流出口における前記気液混合流体の流速が相互に異なる第１の前記分流路と第２の前記分流路を有することが好ましい。ここで、複数の分流路を備えていればよく、３以上の分流路を備えるようにしても構わない。この場合においては、特に、前記第１の分流路と前記第２の分流路のうちの一方の分流路においては前記流入口の断面積よりも前記流出口の断面積が大きく、他方の分流路においては前記流入口の断面積が前記流出口の断面積よりも大きいことが望ましい。この場合には、例えば、前記一方の分流路は、少なくとも流路全長の半分を越える範囲にわたって流路方向に沿って流路断面積が徐々に増大していくように構成され、前記他方の分流路は、少なくとも流路全長の半分を越える範囲にわたって流路方向に沿って流路断面積が徐々に減少していくように構成されることがさらに望ましい。各分流路では、気液混合流体はそれぞれ気泡を破壊しながら進み、第１の分流路と第２の分流路の流出口における流速の差ができるだけ大きくなることが望ましい。

本発明において、前記複数の分流路のうちの少なくとも一の前記分流路は、前記流路方向に沿って前記流路断面積がスロート部において一旦減少した後に増大する構造を備えることが好ましい。この場合において、前記少なくとも一の分流路は、後述する内側分流路であることが望ましい。また、前記少なくとも一の分流路は、後述する内側分流路と外側分流路の双方であることがさらに望ましい。

本発明において、前記流路内在体は筒状構造を備え、前記分流路として、前記流路内在体の内面の内側に構成される内側分流路と、前記流路内在体の外面の周囲に構成される外側分流路とを有することが好ましい。上記内側分流路が前記第１の分流路であり、上記外側分流路が前記第２の分流路であってもよい。ここで、前記分流路の上流側に内側流入口及び外側流入口が構成されるとともに、前記分流路の下流側に内側流出口及び外側流出口が構成される。このとき、前記内側分流路は、前記流路方向に沿って前記流路断面積が増大し、前記外側分流路は、前記流路方向に沿って前記流路断面積が減少することが望ましい。

なお、一般的には、超微細気泡（ウルトラファインバブル、ナノバブル）とは１μｍ以下の直径を備える気泡を言うが、本発明に係る超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置の名称自体は、条件によりこのような超微細気泡を発生しうる機器であることを示すに過ぎず、また、１μｍ以上の直径を備える微細気泡（マイクロバブル）等を発生しないことを意味するものでもない。

本発明において、前記流路内在体が筒状構造を備える場合には、前記流路内在体の前記流路方向に沿った断面形状は、前縁（上流側の端縁）が凸曲線状（例えば、弧状）で後縁（下流側の端縁）が尖鋭状とされた翼型形状であることが好ましい。また、前記流路内在体は、上記断面形状を当該形状から離間した流路方向に伸びる軸線の周りに回転させたときに構成される回転体構造を有することが望ましい。さらに、前記前縁と前記後縁を結ぶ翼弦線が流路方向に対して傾斜角を有するように、上記断面形状の姿勢を流路方向に対して傾斜させることにより、前記複数の分流路の流出口における流体間の流速差を大きくすることができる。すなわち、流路方向に対する翼型形状の軸線（翼弦線）の傾斜角θを設けることが好ましい。

本発明において、前記流体導出口は、前記流路構成体の内部側から外部側へ向けて開口範囲が拡大する構造を備えることが好ましい。特に、前記流体導出口の内面は、前記外部側へ向けて開口範囲が拡大する円錐面状に構成されることが望ましい。このとき、前記流体導出口の前記内面の開き角φは、前記流体導出口の軸線を基準として１５〜７５度の範囲内が好ましく、特に、２５〜６５度の範囲内であることが望ましい。

また、本発明の超微細気泡発生装置は、上記いずれかの超微細気泡発生器と、前記気液導入口を介して前記流体導入部に気体と液体を供給する気液供給機構と、前記流体導出口から前記気液混合流体を受け入れる流体槽と、を具備することが好ましい。ここで、前記流体導出口は前記流体槽の内部の流体中に直接開口していることが望ましい。また、前記流体槽の内部に収容された流体を前記気液供給機構を介して前記流体導入部に供給する循環路をさらに具備することが望ましい。

この発明によれば、気液混合流体が複数の分流路を通過した後に合流することにより、微細な気泡を高密度に生成させることのできる超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置を実現することができる。

本発明に係る各実施形態の超微細気泡発生器の基本構造及び作用を示すための説明図である。 第１実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図（ａ）及び第２実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図（ｂ）である。 第３実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図（ａ）及び第４実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図（ｂ）である。 第５実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図である。 第６実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図である。 第７実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図である。 第８実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す概略断面図である。 第９実施形態の超微細気泡発生装置の全体構成を模式的に示す概略構成図である。 第１０実施形態の超微細気泡発生装置の全体構成を模式的に示す概略構成図である。 実施例の気泡数密度の気泡径依存性を対比して示すグラフである。 実施例の平均気泡径の時間経過を対比して示すグラフである。 実施例の気泡数密度の時間経過を対比して示すグラフである。 実施例のゼータ電位の測定結果を示すグラフである。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に、図１を参照して、本発明に係る超微細気泡発生器の実施形態の基本構成と作用効果について説明する。

図１に示すように、実施形態の超微細気泡発生器１０は、内部に流路１１ａを構成する流路構成体１１と、この流路構成体１１の内部に配置される流路内在体１２とを具備する。流路構成体１１は、流体導入部１１Ｘの上流側に接続された気液導入口１１ｂと、流体混合部１１Ｚの下流側に形成された流体導出口１１ｃとを有する。流路１１ａ内に流路内在体１２が配置されることにより、流路１１ａの上流側に内側流入口１１ｉｂ及び外側流入口１１ｏｂが構成されるとともに、流路１１ａの下流側に内側流出口１１ｉｃ及び外側流出口１１ｏｃが構成される。また、流路内在体１２の内面１２ｉの内側には、内側流入口１１ｉｂから内側流出口１１ｉｃへ向かう内側分流路１１ｉａが構成されるとともに、流路内在体１２の外面１２ｏの周囲には、内側分流路１１ｉａに並行し、外側流入口１１ｏｂから外側流出口１１ｏｃへ向かう、環状の流路断面を備える外側分流路１１ｏａが構成される。

流路１１ａは、流路内在体１２の上流側に構成された、気体と液体からなる気液混合流体１０ｘが導入される流体導入部１１Ｘと、内側分流路１１ｉａの気液混合流体１０ｙ_ｉｎと外側分流路１１ｏａの気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔとが分離した状態で並行して流れる流体分流部１１Ｙと、流路内在体１２の下流側に構成された、気液混合流体１０ｙ_ｉｎと１０ｙ_ｏｕｔが合流して気液混合流体１０ｚとなる流体混合部１１Ｚとを備える。

流路構成体１１は、流体導入部１１Ｘの上流側と、流体混合部１１Ｚの下流側が共に閉鎖された筒状構造を備える。図示例では、流路構成体１１は、流路方向に同径に構成された、断面円形の円筒状の容器によって構成される。流体導入部１１Ｘには、気液導入口１１ｂを介して気体と液体が供給される。なお、気液導入口１１ｂの構造や態様については後に詳述する。上記の気体と液体の供給によって流体導入部１１Ｘには気液混合流体１０ｘが導入される。この気液混合流体１０ｘには、上記気体と液体の供給態様に応じた大きさや密度の気泡１０ｘａが含まれる。この気液混合流体１０ｘは、上記の気体と液体の供給圧に応じて流体分流部１１Ｙに圧送される。上記供給圧及び流体導入部１１Ｘの内圧は、大気圧よりも高くすることが好ましく、２〜１０気圧の範囲が望ましい。特に、３〜５気圧の範囲とすることが実際の供給系を考慮すると現実的である。

流体分流部１１Ｙにおいては、流路内在体１２が配置されることにより、内側流入口１１ｉｂと外側流入口１１ｏｂとがそれぞれ上流側に開口しているため、上記気液混合流体１０ｘは、内側流入口１１ｉｂを介して内側分流路１１ｉａに流入する気液混合流体１０ｙ_ｉｎと、外側流入口１１ｏｂを介して外側分流路１１ｏａに流入する気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔとに分かれる。内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａのそれぞれにおいては、上記の流体導入部１１Ｘの内圧により、気泡の微細化に有効な十分な流速のジェット流が形成されることが好ましい。

流路内在体１２の流路方向に沿った半径方向の断面形状は、上流側の端縁である前縁１２ａが凸曲線状（例えば、弧状）で下流側の端縁である後縁１２ｂが尖鋭状とされた翼型形状である。また、この流路内在体１２は、上記の断面形状を、当該形状から離間した流路方向に伸びる軸線１１ｘの周りに回転させたときに構成される回転体構造を備える。ただし、流路内在体１２は厳密な回転体構造である必要はなく、筒状構造体となっていればよい。このような流線形状構造を備えることにより、気液混合流体１０ｘをスムーズに内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａに流入させることができる。また、後述するように、流体導入部１１Ｘ内において気液混合流体１０ｘが旋回流１０ｘｂを形成する場合には、当該旋回流１０ｘｂの下流側への伝搬を阻害しにくくなり、旋回流による気泡の微細化の促進作用を享受しやすくなる。図示例では、上記断面形状は流線形であり、流路内在体１２の前縁１２ａを含めた内面１２ｉ及び外面１２ｏは平滑面で構成される。しかし、本発明においては、上記各面は必ずしも平滑面である必要はなく、気泡のせん断作用をもたらすような凹凸状の表面に構成されても構わない。

上記断面形状の姿勢は特に限定されないが、図示例では、流路１１ａの下流側に向けて外周側へ開くように傾斜角θ（軸線１１ｘを基準とした角度）を有する。すなわち、図示左右方向である流路方向に対して、前縁１２ａと後縁１２ｂを結ぶ翼弦線が角度θだけ傾斜している。傾斜角θは、３〜３０度の範囲内であることが好ましく、特に、５〜２０度の範囲内であることが望ましい。これによって、後述するように、内側分流路１１ｉａの内側流入口１１ｉｂの流入速度よりも内側流出口１１ｉｃの流出速度を低下させることができる。また、流路内在体１２の上記翼形断面により、内側分流路１１ｉａの上流側の内面１２ｉの狭窄部１２ｓの内側に設けられるスロート部（絞り）１１ｉｓで一時的に流路断面が絞られるため、内側分流路１１ｉａを流れる気液混合流体１０ｙ_ｉｎは、このスロート部で一時的に高速化されるとともに圧力が低下する。一方、外側分流路１１ｏａでは、当初は急激に流路断面積が低下し、その後、翼型形状の影響により、流路断面積の変化は小さくなるか、或いは、その後、流路断面積が増大する。翼型形状の断面を有する流路内在体１２の上記傾斜角θを上記の範囲内に設定することにより、内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａの少なくとも一方の分流路を、流路方向に沿って、流路断面積がスロート部１１ｉｓ，１１ｏｓで一旦減少してから、その後、増大するように構成することができる。特に、上記翼型形状と上記傾斜角θを適宜に設定することにより、内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａの双方が流路断面積の上述の流路方向に沿った変化態様（スロート部を有する分流路構造）を有するように構成することも可能である。

なお、流路内在体１２は、流路構成体１１の内部において支持体１２ｄによって固定される。図示例では、支持体１２ｄは流体の流れを妨げないように流路方向に沿った板状（より具体的には流線形状を備えた薄材状）に構成される。また、支持体１２ｄを流路内在体１２の周囲（軸線１１ｘの周り）に複数個所設けることにより、流路構成体１１に対する流路内在体１２の取付剛性を高めることができる。

内側分流路１１ｉａでは、前述のように、内側流入口１１ｉｂにおける流路断面積と、内側流出口１１ｉｃにおける流路断面積とを比べると、内側流入口１１ｉｂにおける流路断面積が相対的に小さく、内側流出口１１ｉｃにおける流路断面積が相対的に大きい。また、より詳細に述べると、内側分流路１１ｉａの流路断面積は、流路１１ａの流路方向（軸線１１ｘに沿った方向）に見ていくと、内側流入口１１ｉｂから徐々に小さくなっていき、内面１２ｉの最も小さい内径を備える狭窄部１２ｓの内側のノズル状のスロート部１１ｉｓを通過すると、今度は内側流出口１１ｉｃに向けてディフューザ状に徐々に増大していく。このような流路断面積の変化態様により、内側分流路１１ｉａ内の上記気液混合流体１０ｙ_ｉｎは、一旦、上記スロート部１１ｉｓで流速が増大して圧力が低下する。このとき、圧力低下により膨張した気泡が高い流速により微細化される。その後、内側流出口１１ｉｃに向けて徐々に流速が低下しながら圧力は増大し、気泡は圧壊されていく。この内側分流路１１ｉａでは、内側流入口１１ｉｂの流路断面積よりも内側流出口１１ｉｃの流路断面積が大きいため、内側流出口１１ｉｃでの流速は当初よりも小さく、圧力は当初よりも増大している。ここで、内側分流路１１ｉａの流路断面積は、流路全長の半分を越える範囲（図示例では約８０％）で流路方向（下流側）に向けて漸増している。

一方、外側分流路１１ｏａでは、外側流入口１１ｏｂにおける流路断面積と、外側流出口１１ｏｃにおける流路断面積とを比べると、外側流入口１１ｏｂにおける流路断面積が相対的に大きく、外側流出口１１ｏｃにおける流路断面積が相対的に小さい。なお、外側分流路１１ｏａの流路断面形状は環状である。外側分流路１１ｏａの流路断面積は、流路１１ａの流路方向に沿って見ると、外側流入口１１ｏｂから徐々に小さくなっていく。ここで、外側分流路１１ｏａの流路断面積は、流路全長の半分を越える範囲（図示例では約６５％）で流路方向（下流側）に向けて漸減している。外側分流路１１ｏａの途中で流路断面積の減少はほとんどなくなり、或いは、逆に僅かに増大していく。このとき、上記スロート部１１ｉｓと同様の上記スロート部１１ｏｓが存在する場合には、上記と同様に圧力低下により膨張した気泡が高い流速により微細化され、その後、圧力増大によりさらに圧壊される。全体としては、上記のような流路断面積の変化態様により、外側分流路１１ｏａ内の上記気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔは、内側流出口１１ｉｃに向けて徐々に流速が増大し、圧力は低下していく。この外側分流路１１ｏａでは、外側流入口１１ｏｂの流路断面積よりも外側流出口１１ｏｃの流路断面積が小さいため、外側流出口１１ｏｃでの流速は当初よりも大きく、圧力は当初よりも低下している。

以上のように、気液混合流体１０ｙ_ｉｎと気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔ内の気泡は、内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａのの内部で、剪断作用、引断作用、圧壊作用などを受け、微細化されていく。特に、上記スロート部１１ｉｓ，ｉｉｏｓのノズル作用による流速の増大と圧力の低下がさらに大きくなれば、気泡の微細化がさらに生じやすくなると考えられる。内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａのいずれにおいても、スロート部１１ｉｓ，１１ｏｓを備えた分流路形状により、気液混合流体１０ｙ_ｉｎ，１０ｙ_ｏｕｔの流速が増大し、圧力が低下する程度は、スロート部１１ｉｓ，１１ｏｓの流路断面積Ａｓに依存する。一般的には、スロート部１１ｉｓ，１１ｏｓの流路断面積Ａｓが小さくなるほど、スロート部１１ｉｓ，１１ｏｓにおける流速Ｖｓは増大し、スロート部１１ｉｓ，１１ｏｓにおける圧力Ｐｓは低下するので、上述の気泡の微細化作用も増大すると考えられる。なお、内側分流部１１ｉａは前述のように多くの範囲にわたって下流側へ向けて流路断面積が増大することから、スロート部１１ｉｓと内側流出口１１ｉｃの流速差と圧力差を大きく設定できるため、気泡の微細化作用が特に高くなると考えられる。

スロート部１１ｉｓ，ｉｉｏｓの流路断面積Ａｓを小さくすることにより、流速Ｖｓを増大させ、圧力Ｐｓを低下させると、スロート部１１ｉｓ，ｉｉｏｓとその下流側の流路部分との間に大きな逆圧力勾配を備えた流域を形成することができる。このようにして、大きな流速Ｖｓと大きな逆圧力勾配とを設けることにより、気泡が急膨張するとともに、剪断作用、引断作用、圧壊作用を受けやすくなるため、気泡の微細化を促進することができる。一方、流路断面積Ａｓを小さくしすぎると、流量Ｑｓが小さくなり、気泡を含む流体の生成量が低下する。このため、スロート部１１ｉｓ，１１ｏｓの流路断面積Ａｓは、気液供給系の能力や発生器１０の内部構造などにより定まる条件に応じて、なるべく流速Ｖｓが大きくなるとともに、必要な流量Ｑｓが確保できる範囲に設定することが好ましい。

上述のように分流された気液混合流体１０ｙ_ｉｎと気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔは内側流出口１１ｉｃと外側流出口１１ｏｃから流出した後に流体混合部１１Ｚにおいて合流する。このとき、気液混合流体１０ｙ_ｉｎと気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔは、それぞれ内側流入口１１ｉｂと外側流入口１１ｏｂでは相互にほとんど同様の速度及び圧力を持っていたとみなすことができるので、上述のような流入口から流出口への流路断面積の変化態様に伴う速度及び圧力の変化態様の差から、流出口では、気液混合流体１０ｙ_ｉｎが気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔよりも速度が小さく、圧力が大きくなる。このため、上記流体混合部１１Ｚにおいて、速度差と圧力差を有する気液混合流体１０ｙ_ｉｎと気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔの合流により二重ジェット乱流が形成され、乱流渦運動により、強いせん断力が発生し、既に微細化されている気泡１０ｚａがさらに微細化される。ここで、上記の速度差と圧力差が大きくなるほど二重ジェット乱流による干渉が強くなり、様々なスケールの渦を生じさせるため、気泡の微細化をさらに促進できる。なお、複数の分流路の流出口における各気液混合流体の速度差は、結果として乱流を生ずる態様で存在すればよい。例えば、内側分流路１１ｉａの内側流出口１１ｉｃにおける流れの向きと、外側分流路１１ｏａの外側流出口１１ｏｃにおける流れの向きとが相違するに過ぎない場合にも乱流は発生する。

本実施形態において、上記流体導入部１１Ｘ内で気液混合流体１０ｘａの旋回流１０ｘｂが発生する場合には、上記流体分流部１１Ｙにおいて、上記内側分流路１１ｉａ及び上記外側分流路１１ｏａの内部においても旋回流が伝搬し、さらに、上記流体混合部１１Ｚにおいても旋回流が残存する。このため、これらの旋回流によるせん断作用も気泡１０ｘａ、１０ｙａ、１０ｚａに作用することから、さらに微細化されやすくなる。この場合、旋回流１０ｘｂは、気液導入口１１ｂを介した気体及び液体の供給方向を軸線１１ｘの周りの旋回成分を持つように設定することで、生じさせることができる。ただし、旋回流１０ｘｂは流路１１ａ（流体導入部１１Ｘ）内に設置された旋回ファンなどによって強制的に発生させてもよい。また、この場合には、流路構成体１１の流路方向と直交する断面形状を軸線１１ｘの周りの円状とし、また、流路内在体１２の同断面形状を軸線１１ｘの周りの環状とすることが好ましい。これにより、旋回流が発生しやすくなるとともに、流路方向に旋回流が伝搬しやすくなる。

流路１１ａの下流端には、流体導出口１１ｃが設けられるため、流体混合部１１Ｚ内の気液混合流体１０ｚは、流体導出口１１ｃを介して、流路構成体１１の外部へ導出される。すなわち、相対的に高圧の流体混合部１１Ｚ内で上述の乱流の作用によって微細化された気泡１０ｚａを含む気液混合流体１０ｚは、流体導出口１１ｃを介して相対的に低圧の流路構成体１１の外部へと噴出する。そして、流体混合部１１Ｚの内圧と、流体導出口１１ｃの外側（下流側）の圧力との差圧によって、流体が高速で噴出することにより、気液混合流体１０ｚ中の微細な気泡がさらに崩壊し、さらなる微細化が生ずる。すなわち、本実施形態では、流体導出口１１ｃは、内外の圧力差によって高速で噴出する流体噴出ノズルを構成するので、気液混合流体１０ｚ内の気泡１０ｚａは流体導出口１１ｃにおいてもさらに微細化され得る。

流体導出口１１ｃは、図示のように、流体混合部１１Ｚの内部側から外部側に向けて円錐状に広がる形状（円錐台形状、或いは、逆テーパー状）の傾斜面１１ｄを備える。このような流体導出口１１ｃの外部側に開いた構造により、流体導出口１１ｃにおいて圧力が急激に解放されることによって気泡の微細化が促進される。このとき、傾斜面１１ｄの軸線１１ｘに対する傾斜角度である開き角φは、特に限定されるものではないものの、１５〜７５度の範囲内であることが好ましく、特に、２５〜６５度の範囲内であることが望ましい。さらに、３０〜６０度の範囲内であれば、より効果的である。開き角φが小さすぎると気泡の微細化作用が抑制されやすくなり、開き角φが大きすぎると開口縁の剛性が低下する。また、複数の流体導出口１１ｃを設けることにより、流量が増加する。このことは、気泡密度を高める上でも効果的である。

以上は、本発明の実施形態の概略構成と、この概略構成による作用効果を示したものである。このような構成により、本実施形態では、従来よりも高密度の超微細気泡を生成することができる。特に、本実施形態では、数十［ｎｍ］〜１［μｍ］程度の径の気泡を、従来技術よりも高密度に生成することが可能になっている。気泡径は、５０〜５００［ｎｍ］の範囲が好ましく、特に、１００〜４００［ｎｍ］の範囲が望ましい。本実施形態の構成を備えた実施例では、後述するように、常圧（１ａｔｍ）において、平均気泡径が１５０〜３００［ｎｍ］の範囲内に入る超微細気泡を生成することができた。

ここで、流路構成体１１の軸線１１ｘに沿った長さは流路内在体１２の軸線１１ｘに沿った長さの２〜４倍の範囲内、或いは、サイズを考慮しなければそれ以上であることが好ましく、流体導入部１１Ｘと流体混合部１１Ｚの軸線１１ｘに沿った長さが流路内在体１２の軸線１１ｘに沿った長さの０．５倍以上であることが望ましい。また、発生器１０の内圧が２〜５気圧の範囲内にあるときには、前述のようにスロート部における流速の増大を図りつつ流量の低下を抑制するために、内側分流路１１ｉａのスロート部１１ｉｓの直径や外側分流路１１ｏａのスロート部１１ｏｓの径方向の隙間は１〜４ｍｍの範囲内であることが好ましく、特に、１．５〜３．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。さらに、流体導出口１１ｃの最も狭い開口断面の直径も、上記と同じ理由から、１〜４ｍｍの範囲内であることが好ましく、特に、１．５〜３．５ｍｍの範囲内であることが望ましい。

図２（ａ）には、第１実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。なお、図２及び図３に示す第１実施形態から第４実施形態までは、図１に示す実施形態の流体導入部１１Ｘの気液導入口１１ｂの構造に関するものであるので、当該気液導入口１１ｂの構成以外については、図１に示すものと同じであるとして、或いは、第５実施形態〜第８実施形態のいずれかと同様であるとして、説明を省略する。この第１実施形態では、流体導入部１１Ｘに対して気体と液体が一緒に供給される。すなわち、上記流路構成体１１には、上記気液導入口１１ｂとして、流体導入部１１Ｘに連通する単一の供給口が流路構成体１１の上流側の外周に形成される。この場合には、気液導入口１１ｂを介して気体と液体の二相流が流体導入部１１Ｘに供給される。気液導入口１１ｂを介して供給される液体と気体の状態は様々であるが、単一のポンプなどの供給系により液体と気体を供給できるという利点がある。なお、図示例では、気液導入口１１ｂの供給方向は、流路１１ａの軸線１１ｘとは直交する方向に設定されているので、軸線１１ｘの周りの圧力成分を有する方向に供給すれば、上記旋回流１０ｘｂを形成しやすいという利点もある。

図２（ｂ）には、第２実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第２実施形態では、流体導入部１１Ｘに対して気体と液体が別々に供給される。すなわち、上記流路構成体１１には、上記気液導入口１１ｂとして、流体導入部１１Ｘに連通する液体供給口１１ｂ１と気体導入口１１ｂ２が流路構成体１１の上流側の外周に別々に形成されている。この場合には、液体供給口１１ｂ１と気体供給口１１ｂ２に対してそれぞれ所定圧力により液体と気体を供給する必要がある。一方、液体と気体の供給量をそれぞれ個別に制御できるという利点がある。また、図示例では、液体供給口１１ｂ１と気体供給口１１ｂ２の供給方向は、流路１１ａの流路方向Ｆとは直交する方向に設定されているので、軸線１１ｘの周りの圧力成分を有する方向で供給すれば、上記旋回流１０ｘｂを形成しやすいという利点もある。なお、図示例では、液体供給口１１ｂ１と気体導入口１１ｂ２が軸線１１ｘに沿った方向に配列される位置関係で形成されているが、液体供給口１１ｂ１と気体導入口１１ｂ２が軸線１１ｘの周りに配列される位置関係で形成されていてもよい。

図３（ａ）には、第３実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第３実施形態では、上記気液導入口１１ｂとして、流路構成体１１の上流側の外周に形成された外周供給口１１ｂ３と、流路構成体１１の上流側の端部の内周側に形成された内周供給口１１ｂ４とが設けられる点で先の例とは異なる。内周供給口１１ｂ４は流路構成体１１の上流側の端部において、外周供給口１１ｂ３よりも内周側に設けられていればよい。図示例のように、内周供給口１１ｂ４は流路構成体１１の軸線１１ｘに対向する中央部に形成されることが望ましいが、供給される流体を旋回流１０ｘｂに乗せるために、内周供給口１１ｂ４を中央部以外の偏心位置に形成してもよい。この実施形態では、外周供給口１１ｂ３と内周供給口１１ｂ４のうちの一方の供給口を介して液体を供給し、他方の供給口を介して気体を供給することにより、流体導入部１１Ｘに気体と液体を導入することができる。このようにすると、供給方向の相違により気体と液体の撹拌作用を高めることができる。また、内周供給口１１ｂ４を介して軸線１１ｘ（流路方向）に向けて高速に気体又は液体を供給できるとともに、外周供給口１１ｂ３を介して軸線１１ｘ周りに旋回流を形成することも可能になる。このため、流体中の気泡の微細化にも効果があると考えられる。

図３（ｂ）には、第４実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第４実施形態では、上記気液導入口１１ｂとして、流路構成体１１の上流側の外周に形成された外周供給口１１ｂ３と、流路構成体１１の上流側の端部の内周側に形成された内周供給口１１ｂ４とが設けられる点で第３実施形態と同様である。また、内周供給口１１ｂ４は流路構成体１１の上流側の端部において、外周供給口１１ｂ３よりも内周側に設けられていればよい点も第３実施形態と同様である。そして、図示例のように、内周供給口１１ｂ４は流路構成体１１の軸線１１ｘに対向する中央部に形成されることが望ましいが、供給される流体を旋回流１０ｘｂに乗せるために、内周供給口１１ｂ４を中央部以外の偏心位置に形成してもよい。この第４実施形態では、外周供給口１１ｂ３と内周供給口１１ｂ４のうちの少なくとも一方の供給口において気体と液体を共に供給する。例えば、気液二相流をポンプなどにより圧送する。また、両方の供給口において気体と液体を共にを供給することが望ましい。これにより、流体導入部１１Ｘに気体と液体を導入することができる。このようにすると、軸線１１ｘに向けて高速に気液混合流体を供給できるとともに、軸線１１ｘ周りに気液混合流体の旋回流を形成することもできる。このとき、両供給口１１ｂ３，１１ｂ４にいずれも気液混合流体が供給される場合には、双方の気液混合流体が異なる方向に供給されるため、流体導入部１１Ｘ内の混合状態を高めることができる。このため、流体中の気泡の微細化にも効果があると考えられる。

図４には、第５実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第５実施形態では、流路構成体１１の内側寸法（内径）が流路方向に変化することにより、流体導入部１１Ｘの流路断面積が、それよりも下流側の流体分流部１１Ｙや流体混合部１１Ｚの流路断面積よりも大きく構成されている点で先の例とは異なる。なお、図４においては、気液導入口１１ｂや流体導出口１１ｃの構造などは特に限定されず、他の実施形態のいずれかと同様に構成することができるという意味で、二点鎖線で示してある。このように構成すると、流体導入部１１Ｘから流体分流部１１Ｙへ気液混合流体１０ｘが流入するときに流路１１ａ全体の流路断面積が低下するため、内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａに流れる気液混合流体１０ｙ_ｉｎ及び１０ｙ_ｏｕｔの流速が増大し、流体混合部１１Ｚでの乱流も激しくなると考えられることから、流体混合部１１Ｚにおける気泡の微細化がさらに促進されると考えられる。

図５には、第６実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第６実施形態では、流路構成体１１の外形（外径）が流路方向に変化することにより、流体分流部１１Ｙの流路断面積が途中で低下している点で先の例とは異なる。このようにすると、外側分流路１１ｏａの流路断面積が途中で減少することとなるため、気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔの流速が途中で増加し、これにより、内側流出口１１ｉｃにおける気液混合流体１０ｙ_ｉｎの流速に対する外側流出口１１ｏｃにおける流速差がさらに大きくなることから、流体混合部１１Ｚにおける気泡の微細化がさらに促進されると考えられる。

図６には、第７実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第７実施形態では、流路構成体１１の外形（外径）が流路方向に変化することにより、流体混合部１１Ｚの流路断面積が途中で低下している点で先の例とは異なる。このようにすると、外側分流路１１ｏａの外側流出口１１ｏｃから流入する気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔの流速が流体混合部１１Ｚの内部で増加し、また、気液混合流体１０ｙ_ｏｕｔの流体混合部１１Ｚ内での流れの向きも内側にずれることから、内側分流路１１ｉａの内側流出口１１ｉｃから流入する気液混合流体１０ｙ_ｉｎに対する巻き込み作用がさらに増大する。このことから、流体混合部１１Ｚにおける気泡の微細化がさらに促進されると考えられる。

図７には、第８実施形態の超微細気泡発生器の構造を模式的に示す。この第８実施形態では、流路構成体１１の下流側の端部に複数の流体導出口１１ｃが設けられる点で先の例とは異なる。すなわち、流体混合部１１Ｚ内から気液混合流体１０ｚを噴出する噴出ノズルが複数設けられることで、噴出時に生ずる気泡の微細化の態様が変化するものと考えられる。図示例では、軸線１１ｘの周囲に等間隔で４つの流体導出口１１ｃを形成した。それぞれの流体導出口１１ｃは上述と同様に外部側に開いた構造を備える。流体導出口１１ｃを複数設けることにより、導出される気液混合流体の流量を増大させることができる。ただし、発生器１０の内部圧力が低下すると、上述の圧力の解放による流体の高速の噴出作用が変化し、この噴出による気泡の微細化の態様も変化するので、内部圧力を維持する必要があると考えられる。

図８には、超微細気泡発生装置１に関する第９実施形態の全体構成を模式的に示す。この第９実施形態では、前述の超微細気泡発生器１０に気体及び液体を供給する流体供給ポンプ２と、この供給ポンプ２と超微細気泡発生器１０とを接続する供給路３と、流体供給ポンプ２を制御する制御部４と、超微細気泡発生器１０から放出される流体を収容する流体槽５と、超微細気泡発生器１０と流体槽５とを接続する導出路６とを備える。また、排出弁８は、流体槽５からの流体の取り出しに用いる。ここで、制御部４は、流体供給ポンプ２の稼働の有無や供給圧などを制御する。この流体供給ポンプ２と、これを制御する制御部４は、上記超微細気泡発生器１０に前記気液導入口を介して気体と液体を供給する気液供給機構２０を構成する。なお、上記超微細気泡発生器１０に開閉弁や調圧弁などの制御対象が含まれる場合には、図示点線で示すように、制御部４により超微細気泡発生器１０を制御するように構成してもよい。

上記の超微細気泡発生装置１では、流体供給ポンプ２によって気体と液体の二相流を所定圧力で供給することができる。このとき、気体と液体の比率は流体供給ポンプ２に設けられた気体導入弁の制御によって調整することができる。また、前述のように気体と液体を別々に供給する場合には、上記気液供給機構２０において、個々の供給のためのポンプや調整弁などを設けることができる。

また、図示のように、流体槽５に収容された流体を上記流体供給ポンプ２へ戻す循環路７を設けることが好ましい。このようにすると、循環路７により既に気泡が形成された流体を超微細気泡発生器１０に再度導入することができるため、繰り返し超微細気泡発生器１０内を通過させることにより、流体中の気泡密度をさらに高めることができる。

図９には、超微細気泡発生装置に関する第１０実施形態の全体構成を模式的に示す。この第１０実施形態の超微細気泡発生装置１では、上記第９実施形態と同様の、流体供給ポンプ２、供給路３、制御部４、流体槽５、及び、必要に応じて設けられる循環路７や排出弁８を備えているが、上述と同様であるので、それらの説明は省略する。この第１０実施形態では、超微細気泡発生器１０の流体導出口１１ｃが流体槽５内の流体中に直接配置されている点で、第９実施形態とは異なる。このように、流体導出口１１ｃが流体（液体）中に直接露出することで、流体混合部１１Ｚ内の気液混合流体１０ｚが噴出する際に流体導出口１１ｃの前後で受ける圧力差が大きくなり、気泡が受ける微細化作用も増大するため、超微細気泡の密度が向上すると考えられる。

図１０には、実施例により得られた気泡プロファイルを比較した結果を示す。ここで、実施例１は、流体導入部１１Ｘの気液導入口１１ｂとして上記第１実施形態の基本構成を有し、流路方向に同径の流路断面を有する流路構成体１１を備えるとともに、単一の流体導出口１１ｃを設けた超微細気泡発生器１０を用い、図９に示す全体構成を有する超微細気泡発生装置１により気泡を生成させた。上記開き角φは３０度である。また、実施例２では、上記の実施例１と同様の全体構成を有するとともに上記第６実施形態のように４つの流体導出口１１ｃを有する超微細気泡発生器１０を用いて気泡を生成させた。上記開き角φは３０度である。さらに、実施例３では、上記の実施例１と同様の全体構成を有するとともに、上記第６実施形態のように４つの流体導出口１１ｃを設けた超微細気泡発生器１０を用い、図９に示す全体構成を有する超微細気泡発生装置１により気泡を生成させた。上記開き角φは６０度である。

このとき、実施例１〜３においては、いずれも蒸留水を使用し、図９に示す全体構成の上記超微細気泡発生装置１を、流体槽５内の流体を循環路７により３回循環させた場合に相当する時間だけ稼働させることによって得られた流体をサンプルとした。また、気液導入口１１ｂに供給される気液混合流体の供給圧を調整し、発生器１０の内圧を４〜５気圧の範囲内に維持した。因みに、各実施例のスロート部１１ｉｓの直径とスロート部１１ｏｓの隙間はいずれも２〜３ｍｍの間とし、流体導出口１１ｂの最小直径も２〜３ｍｍの間の値に設定した。さらに、上記各実施例では、流路構成体１１の軸線１１ｘに沿った長さは流路内在体１２の３倍とし、流体導入部１１Ｘと流体混合部１１Ｚの軸線１１ｘに沿った長さが相互に等しい値とした。そして、超微細気泡生成後５日目に、粒子追跡法で気泡径と気泡密度を測定した。そして、図１０では、これらの各実施例１〜３の結果を示した。

図１０に示すように、上記各実施例１〜３ではいずれも気泡径が１０〜３００［ｎｍ］を中心とした超微細気泡が生成されている。また、実施例１〜３の気泡密度は、従来の値を大幅に上回る１５億個以上の数値となった。また、各実施例の気泡径分布は基本的に５〜５００［ｎｍ］の範囲を主体とし、さらに２０〜３００［ｎｍ］の範囲に集中している。特に、４０〜２００［ｎｍ］の領域では高い気泡密度を示している。このように、実施例１〜３の気泡密度は、気泡径が１００［ｎｍ］付近を中心として高い集中度を備え、高品質の超微細気泡（ナノバブル）が効率的に生成されていることがわかる。特に、実施例３の気泡径分布は分散が極めて小さく、１００［ｎｍ］付近を中心に極めて高い集中度を示した。以上のように、各実施例１〜３では、従来技術に比べて大幅に気泡密度を高くすることができるとともに、特定の気泡径に集中した高品質の超微細気泡を生成することができた。

また、微細気泡の生成時における流量は、実施例１では８．０［ｌ（リットル）／ｍｉｎ］、実施例２では１２．０［ｌ（リットル）／ｍｉｎ］、実施例３では１２．５［ｌ（リットル）／ｍｉｎ］となり、いずれも従来技術よりも大きな流量を得ることができた。したがって、各実施例１〜３では、低いランニングコストで効率的に気泡を生成することができることがわかる。

図１１及び図１２には、実施例１及び２によって生成した気液混合流体を保管し、気泡の平均気泡径と、平均個数密度の変化を観察した結果を示した。これらを見ると、超微細気泡の安定性に関して、常に高い密度が３１日間にわたり維持されていることがわかる。また、実施例では、従来技術よりも微細な気泡径が長期間にわたり確実に保存されていることが示されている。

図１３には、各実施例１〜３において生成された気泡のゼータ電位の測定結果を示す。ここで、ゼータ電位は、顕微鏡電子泳動法により測定した。このゼータ電位（Zeta Potential）とは、溶液中の微粒子の周りに形成される電気二重層において、流体流動が起こり始めるすべり面の電位として定義される。ゼータ電位の絶対値が低いと微粒子は不安定になり、凝集しやすいのに対して、ゼータ電位の絶対値が高くなると、微粒子は安定し、分散した状態が維持されやすい。従来技術における微細気泡のゼータ電位は一般に−５０［ｍＶ］程度であるのに対して、各実施例１〜３では、いずれもゼータ電位として−１００［ｍＶ］前後の値が得られている。したがって、各実施例で生成された超微細気泡は、従来よりも極めて高い安定性を備えていることがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、従来技術に比べて極めて高い密度の超微細気泡を効率的に生成することができる。また、集中した気泡径分布を備える極めて高品質の超微細気泡が得られ、その高い持続性や安定性も確認されている。さらに、このような超微細気泡を簡易な装置により従来よりも大流量で生成することができるため、従来装置よりもランニングコストを低減することが可能である。そして、このように従来技術に比べて高品質、高密度の微細気泡を生成することができるので、微細気泡の種々の効果、例えば、物質搬送機能、衝撃圧力作用、表面活性作用、生理活性作用、酸化力維持効果、浸透力作用、表面積増加効果などを、より効率的、効果的に発揮することができる。

なお、本発明の超微細気泡発生器及び超微細気泡発生装置は、上述の図示例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、超微細気泡発生器１０の流体分流部１１Ｙにおいて、内外二重の内側分流路１１ｉａと外側分流路１１ｏａとが設けられているが、三つ以上の分流路に分かれていても構わない。また、複数の分流路は並行して設けられていればよく、必ずしも内外に同軸状に設けられている必要はない。さらに、気体としては、空気の他に、オゾン、水素、酸素、窒素、二酸化炭素などの種々のものを用いることができるとともに、液体としては、水の他に、アルコール、灯油などの燃料類、各種溶剤などの種々のものを用いることができる。

１…超微細気泡発生装置、２…流体供給ポンプ、３…供給路、４…制御部、５…流体槽、６…導出路、７…循環路、１０…超微細気泡発生器、１０ｘ、１０ｙ_ｉｎ、１０ｙ_ｏｕｔ、１０ｚ…気液混合流体、１１…流路構成体、１１ａ…流路、１１ｂ…気液導入口、１１ｃ…流体導出口、１１ｄ…傾斜面、１１Ｘ…流体導入部、１１Ｙ…流体分流部、１１Ｚ…流体混合部、１１ｉａ…内側分流路、１１ｉｂ…内側流入口、１１ｉｃ…内側流出口、１１ｏａ…外側分流路、１１ｏｂ…外側流入口、１１ｏｃ…外側流出口、１１ｉｓ，１１ｏｓ…スロート部、１２…流路内在体、１２ｉ…内面、１２ｏ…外面、１２ａ…前縁、１２ｂ…後縁、２０…気液供給機構

Claims (13)

1. 気液導入口と流体導出口を備え、前記気液導入口から前記流体導出口までの流路が内部に構成される流路構成体と、前記流路内において流路方向に沿って配置される流路内在体とを具備し、
   前記流路内在体は、前記流路内において、前記流路方向に沿って相互に並行する複数の分流路を構成し、
   前記流路には、前記気液導入口を介して導入された気液混合流体を収容する流体導入部と、該流体導入部から前記気液混合流体を受け入れる流入口をそれぞれ備える前記複数の分流路が構成される流体分流部と、前記複数の分流路の流出口からそれぞれ流出する前記気液混合流体が合流する流体混合部とが設けられる、
   超微細気泡発生器。
2. 前記流出口における前記気液混合流体の流速が相互に異なる第１の前記分流路と第２の前記分流路を有する、
   請求項１に記載の超微細気泡発生器。
3. 前記第１の分流路と前記第２の分流路のうちの一方の分流路においては前記流入口の断面積よりも前記流出口の断面積が大きく、他方の分流路においては前記流入口の断面積が前記流出口の断面積よりも大きい、
   請求項２に記載の超微細気泡発生器。
4. 前記複数の分流路のうちの少なくとも一の前記分流路は、前記流路方向に沿って前記流路断面積がスロート部において一旦減少した後に増大する構造を備える、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の超微細気泡発生器。
5. 前記流路内在体は筒状構造を備え、
   前記分流路として、前記流路内在体の内面の内側に構成される内側分流路と、前記流路内在体の外面の周囲に構成される外側分流路と、を有する、
   請求項１に記載の超微細気泡発生器。
6. 前記内側分流路における前記流入口の断面積よりも前記流出口の断面積が大きく、しかも、前記内側分流路は、前記流路方向に沿って前記流路断面積がスロート部において一旦減少した後に増大する構造を備える、
   請求項５に記載の超微細気泡発生器。
7. 前記流路内在体は、前記流路方向に沿った断面形状が前縁が凸曲線状で後縁が尖鋭状とされた翼型形状である筒状構造を有する、
   請求項５又は６に記載の超微細気泡発生器。
8. 前記翼型形状は前記流路方向に対して前記前縁と前記後縁を結ぶ翼弦線が傾斜角を有する、
   請求項７に記載の超微細気泡発生器。
9. 前記流体導出口は、前記流路構成体の内部側から外部側へ向けて開口範囲が拡大する構造を備える、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の超微細気泡発生器。
10. 前記流路構成体は複数の前記流体導出口を備える、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の超微細気泡発生器。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超微細気泡発生器と、
    前記気液導入口を介して前記流体導入部に気体と液体を供給する気液供給機構と、
    前記流体導出口から前記気液混合流体を受け入れる流体槽と、
    を具備する超微細気泡発生装置。
12. 前記流体導出口は前記流体槽の内部の流体中に直接開口している、
    請求項１１に記載の超微細気泡発生装置。
13. 前記流体槽の内部に収容された流体を前記気液供給機構を介して前記流体導入部に供給する循環路をさらに具備する、
    請求項１１又は１２に記載の超微細気泡発生装置。

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