JP2021079353A - 気泡生成ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】所望の直径の気泡を生成できる気泡生成ユニットを提供する。【解決手段】本発明の態様に係る気泡生成ユニット１１は、液体の流通方向に交差する方向に貫通する開口部３１を有する流路管２１と、開口部３１を覆い、気体供給源から供給される気体を、開口部３１を通じて流路管２１内に透過させる複数の孔が形成されたフィルム材２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、気泡生成ユニットに関するものである。

環境や医療、食品等の分野において、ファインバブルを利用した技術が種々検討されている。ファインバブルとは、直径が１００μｍ以下の気泡を指す。また、ファインバブルのうち、直径数十ｎｍ〜１μｍのものをウルトラファインバブルといい、直径１μｍ〜１００μｍのものをマイクロバブルという。

下記特許文献１には、いわゆる浸漬タイプの気泡生成装置が開示されている。具体的に、下記特許文献１に記載の気泡生成装置は、液体が収容された容器と、液体中に浸漬された気泡発生部材と、を備えている。この種の気泡生成装置では、ボンベから供給される気体が気泡発生部材の多孔質膜を透過することで、液体中に微細な気泡が発生するとされている。

特開２０１８−８６６３２号公報

しかしながら、上述した従来技術のように、浸漬タイプの気泡生成装置では、気泡発生部材で発生する気泡が多孔質膜の表面から剥離し難いという課題がある。気泡が多孔質膜の表面上に滞留すると、表面上に滞留している複数の気泡同士がくっつき合い、大きな気泡に成長する可能性がある。その結果、所望の直径の気泡を得ることができない。

本発明は、所望の直径の気泡を生成できる気泡生成ユニットを提供する。

上記課題を解決するために、本発明は以下の態様を採用した。
本発明の一態様に係る気泡生成ユニットは、液体の流通方向に交差する方向に貫通する開口部を有する流路管と、前記開口部を覆い、気体供給源から供給される気体を、前記開口部を通じて前記流路管内に透過させる複数の孔が形成されたフィルム材と、を備える。

本態様では、気体供給源から送り出される気体は、フィルム材の孔を通じてフィルム材を透過する。フィルム材を透過した気体は、フィルム材の内面上で気泡になる。フィルム材の内面上で発生した気泡は、流路管内を流れる液体によって押し流されることで、フィルム材から剥離する。
このように、フィルム材の内面上に発生した気泡は、液体が流路管内を流れる過程でフィルム材の内面上から効率的に取り去られる。これにより、従来の浸漬タイプの気泡生成装置に比べ、フィルム材を透過した気泡がフィルム材の内面上に滞留するのを抑制できる。また、フィルム材の内面が、流路管の内面の一部を構成するので、気泡生成ユニットを配置したことによる気泡生成装置内での圧力損失の増大を抑制できる。
また、本態様の気泡生成ユニットは、フィルム材の内面における接線方向が流路管内での液体の流通方向に沿って配置される。そのため、例えばフィルム材の内面に対し、内面の法線方向に沿ってポンプにより液流を当てる構成に比べ、フィルム材の内面から効率的に気泡を剥離させることができる。
その結果、フィルム材の内面上における気泡の成長を抑制し、所望の直径の気泡を生成することができる。

本態様の気泡生成ユニットにおいて、前記流路管は、前記開口部内に臨み、前記フィルム材に対して前記流路管の内側から前記フィルム材を支持する規制部を備えていることが好ましい。
本態様では、フィルム材に対して流路管の内側からフィルム材を支持することで、気体供給源から供給される気体の圧力による流路管の内側へのフィルム材の変形を規制できる。

本態様の気泡生成ユニットにおいて、前記規制部は、前記流路管に一体に形成されるとともに、前記開口部を横断していることが好ましい。
本態様では、部品点数の増加を抑制した上で、規制部によってフィルム材を安定して支持することができる。

本態様の気泡生成ユニットにおいて、前記流路管は、前記流路管に対して前記流通方向の上流側に位置する上流管、及び前記流路管に対して前記流通方向の下流側に位置する下流管に着脱可能に構成されていることが好ましい。
本態様では、気泡生成ユニットを既存の流路（上流管及び下流管）上に取り付けることで、所望の直径の気泡を簡単に生成することができる。これにより、気泡生成装置全体を新たに設置する構成に比べ、低コスト化を図ることができる。

本態様の気泡生成ユニットにおいて、前記フィルム材は、前記流路管の全周に巻き付けられていることが好ましい。
本態様では、流路管に対するフィルム材の周方向での位置ずれ等を抑制し、フィルム材によって開口部を確実に覆うことができる。その結果、製造効率や歩留まりの向上を図ることができる。

上記各態様によれば、所望の直径の気泡を生成できる。

実施形態に係る気泡生成装置の概略構成図（断面図）である。 実施形態に係る気泡生成ユニットの平面図である。 変形例に係る気泡生成ユニットにおいて、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応する断面図である。 変形例に係る気泡生成ユニットの断面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明において、例えば「平行」や「直交」、「中心」、「同軸」等の相対的又は絶対的な配置を示す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差や同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。

［気泡生成装置１］
図１は、気泡生成装置１の概略構成図（断面図）である。
図１に示す気泡生成装置１は、上流管１０と、気泡生成ユニット１１と、下流管１２と、を備えている。気泡生成装置１は、上流管１０から下流管１２に向けて流れる液体に、気泡生成ユニット１１で気体を混入することで、液体中に気泡を発生させる。なお、本実施形態の気泡生成装置１（気泡生成ユニット１１）で発生させる気泡は、ファインバブルであることが好ましく、ウルトラファインバブルであることがより好ましい。

本実施形態において、気泡生成装置１を流れる液体としては、水やアルコール等の比較的低粘度のものから、油やエマルジョン等の比較的高粘度のものまで用途に応じて適宜選択可能である。

上流管１０及び下流管１２は、例えば樹脂材料の他、チタンやステンレス等の耐食性に優れた金属材料により円筒状に形成されている。本実施形態において、上流管１０及び下流管１２は、同軸に配置されている。
上流管１０の上流端部は、液体供給源に接続されている。上流管１０の下流端部には、外周側に張り出すフランジ１５が形成されている。
下流管１２の下流端部は、吐出部（不図示）に接続されている。下流管１２の上流端部には、外周側に張り出すフランジ１６が形成されている。本実施形態において、吐出部とは、被供給部に対して気泡が混入された液体を吐出する開口を有する部分であって、ノズルや蛇口等が含まれる。なお、本実施形態において、上流管１０及び下流管１２の流路断面積は、同等に設定されている。

＜気泡生成ユニット１１＞
気泡生成ユニット１１は、上流管１０と下流管１２との間を接続している。気泡生成ユニット１１は、流路管２１と、フィルム材２２と、チャンバ２３と、を備えている。
流路管２１は、例えば樹脂材料（ポリプロピレン等）の他、チタンやステンレス等の耐食性に優れた金属材料により形成されている。流路管２１は、本流路３２と、上流フランジ３３と、下流フランジ３４と、を備えている。

本流路３２は、上流管１０及び下流管１２と同等の流路径（流路断面積）をなす円筒状に形成されている。本流路３２は、上流管１０及び下流管１２と同軸に配置されている。但し、本流路３２の流路断面積は、上流管１０及び下流管１２に対して大きくても小さくてもよい。また、本流路３２は、角筒状等であってもよい。

上流フランジ３３は、本流路３２における上流端部から外周側に張り出している。上流フランジ３３は、上流管１０のフランジ１５にパッキン等を挟んで取り付けられている。
下流フランジ３４は、下流管１２のフランジ１６にパッキン等を挟んで取り付けられている。これにより、本流路３２は、上流管１０及び下流管１２に着脱可能に取り付けられている。

図２は、気泡生成ユニット１１の平面図である。
図２に示すように、本流路３２には、本流路３２の外面上で開口する開口部３１が形成されている。開口部３１は、本流路３２を径方向（流通方向に交差する方向）に貫通している。本実施形態の開口部３１は、開口部３１内を本流路３２の流通方向に横断する梁（規制部）３５により、本流路３２の周方向に区画されている。梁３５は、開口部３１の内周縁のうち、本流路３２の流通方向で対向する部分同士を直線状に架け渡している。梁３５の内面は、本流路３２の内面に滑らかに連なっている。したがって、本実施形態の開口部３１は、周方向で隣り合う梁３５によって、複数の取込口３６が区画されている。すなわち、取込口３６は、本流路３２の全周に亘って周方向に間隔をあけて複数配置されている。

フィルム材２２は、本流路３２の開口部３１を本流路３２の外側から覆うように本流路３２の全周に巻き付けられている。本実施形態において、フィルム材２２は、例えば樹脂材料等（ポリプロピレン等）により形成されている。フィルム材２２は、本流路３２において、開口部３１に対して流通方向の両側に位置する部分、及び梁３５にインサート成形等により接合されている。但し、フィルム材２２は、少なくとも開口部３１よりも外周に位置する部分が本流路３２に接合されていれば、梁３５に接合されていなくてもよい。

なお、フィルム材２２は、接着や溶着等により本流路３２に接合されていてもよく、ビス等により本流路３２に固定されていてもよい。また、フィルム材２２は、各取込口３６を個別に覆うように設けられていてもよい。

フィルム材２２には、多数の孔が形成されている。孔は、気体が通過可能で、かつ液体が通過不能な直径（平均孔径）であって、例えば数ｎｍ〜数μｍ程度の微細孔である。孔は、取込口３６を通じて本流路３２内に露呈している。なお、孔は、フィルム材２２を厚さ方向に貫通していればよく、例えばクレーズであってもよい。クレーズとは、樹脂フィルムに形成される直線状のひび、あるいは割れ目のことをいう。クレーズは、緊張状態に保持したフィルム材２２の母材に対し、母材の分子配向方向と平行にブレードのその先端部を当接させる。次いで、ブレードの先端部に母材を当接させた状態で、母材を局部的に折り曲げる。その後、ブレードに対して母材を相対的に移動させることにより、母材の移動方向と交差する方向に延びるクレーズを母材の移動方向に縞状に形成することができる。

チャンバ２３は、本流路３２のうち、上述したフィルム材２２が設けられた部分を外側から取り囲んでいる。チャンバ２３は、フィルム材２２との間に気体流通路４１を形成している。気体流通路４１は、本流路３２の全周に亘って連通していても、本流路３２の一部で周方向に仕切られていてもよい。
チャンバ２３には、気体供給路４３が接続されている。気体供給路４３は、不図示の気体供給源に接続されている。すなわち、気体供給源から送出される気体は、気体供給路４３を通じて気体流通路４１内に充填されることで、チャンバ２３内が加圧される。なお、本実施形態において、気体供給源から供給される気体は、空気や酸素、二酸化炭素、オゾン、窒素、フッ素等、用途に応じて適宜選択可能である。

次に、上述した気泡生成装置１の作用について説明する。
気泡生成装置１において、液体供給源から送り出される液体は、上流管１０、流路管２１及び下流管１２に向けて流れる。
一方、気体供給源から送り出される気体は、チャンバ２３内に供給される。チャンバ２３内に供給された気体は、フィルム材２２の孔を通じてフィルム材２２を透過する。フィルム材２２を透過した気体は、流路管２１内に混入されることで、フィルム材２２の内面上で気泡になる。フィルム材２２の内面上で発生した気泡は、流路管２１内を流れる液体によって押し流されることで、フィルム材２２から剥離する。その結果、気泡は、液体とともに下流管１２を通して吐出部から吐出される。

このように、本実施形態では、開口部３１を流路管２１の外側から覆い、気体供給源から供給される気体を、開口部３１を通じて流路管２１内に透過させる複数の孔が形成されたフィルム材２２を備える構成とした。
この構成によれば、フィルム材２２の内面上に発生した気泡は、液体が流路管２１内を流れる過程でフィルム材２２の内面上から効率的に取り去られる。これにより、従来の浸漬タイプの気泡生成装置に比べ、フィルム材２２を透過した気泡がフィルム材２２の内面上に滞留するのを抑制できる。また、フィルム材２２の内面が、流路管２１の内面の一部を構成するので、気泡生成ユニット１１を配置したことによる気泡生成装置１内での圧力損失の増大を抑制できる。
また、本実施形態の気泡生成ユニット１１は、フィルム材２２の内面における接線方向が流路管２１内での液体の流通方向に沿って配置される。そのため、例えばフィルム材２２の内面に対し、内面の法線方向に沿ってポンプにより液流を当てる構成に比べ、フィルム材２２の内面から効率的に気泡を剥離させることができる。
その結果、フィルム材２２の内面上における気泡の成長を抑制し、所望の直径の気泡を生成することができる。

本実施形態では、本流路３２の開口部３１内に臨む梁３５を備える構成とした。
この構成によれば、フィルム材２２に対して本流路３２の内側からフィルム材２２を支持することで、気体供給源から供給される気体の圧力による本流路３２の内側へのフィルム材２２の変形を規制できる。

本実施形態では、梁３５が本流路３２に一体形成されるとともに、開口部３１を流通方向に横断している構成とした。
この構成によれば、部品点数の増加を抑制した上で、梁３５によってフィルム材２２を安定して支持することができる。

本実施形態では、流路管２１が上流管１０及び下流管１２に着脱可能な構成とした。
この構成によれば、気泡生成ユニット１１を既存の流路（上流管１０及び下流管１２）上に取り付けることで、所望の直径の気泡を簡単に生成することができる。これにより、気泡生成装置１全体を新たに設置する構成に比べ、低コスト化を図ることができる。

本実施形態では、フィルム材２２が流路管２１の全周に巻き付けられている構成とした。
この構成によれば、流路管２１に対するフィルム材２２の周方向での位置ずれ等を抑制し、フィルム材２２によって開口部３１を確実に覆うことができる。その結果、製造効率や歩留まりの向上を図ることができる。

（変形例）
図３は、変形例に係る気泡生成ユニット１１において、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応する断面図である。
図３に示すように、流路管２１のうち、取込口３６の開口縁には、テーパ部１００が形成されている。テーパ部１００は、径方向の内側に向かうに従い取込口３６の面積（径方向から見た開口面積）が漸次増加している。
この構成によれば、本流路３２の内面とフィルム材２２の内面との段差を滑らかにすることができる。これにより、フィルム材２２の内面上で生成された気泡が取込口３６の開口縁の周辺に滞留するのを抑制できる。また、液体が取込口３６を通過する際の圧力損失を小さくすることができる。なお、テーパ部１００は、取込口３６の開口縁において、全周に亘って形成されているものに限られない。例えば、テーパ部１００は、取込口３６の開口縁のうち、流通方向で対向する辺のみに形成されていてもよい。

図４は、変形例に係る気泡生成ユニット１１の断面図である。
上述した実施形態では、本流路３２の流路断面積が流通方向の全体に亘って一様である構成について説明したが、この構成に限られない。例えば、図４に示すように、本流路３２のうち、開口部３１よりも下流側に位置する部分に絞り部１０１が形成されていてもよい。本流路３２のうち、絞り部１０１に対して上流側に位置する部分は、流通方向の下流側に向かうに従い漸次流路断面積が減少している。一方、本流路３２のうち、絞り部１０１に対して下流側に位置する部分は、下流側に向かうに従い漸次流路断面積が増加している。

この構成によれば、液体が絞り部１０１を通過することで、液体の流速を高める（圧力を低下させる）ことができる。これにより、絞り部１０１において、気泡を分散させ易くなる（キャビテーション効果）。その結果、気泡同士がくっつき合うのを抑制し、所望の直径の気泡を生成し易くなる。

（その他の変形例）
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本発明は上述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、上述した実施形態では、本発明に係る規制部として、開口部３１内が、開口部３１内を流通方向に横断する梁３５により区画された構成について説明したが、この構成に限られない。規制部は、開口部３１の内周縁から開口部３１内を臨むように片持ちで延在していてもよい。また、二つの規制部が開口部３１内で互いに交差していてもよい。
上述した実施形態では、規制部が本流路３２と一体形成されている構成について説明したが、この構成に限られない。規制部は、本流路３２と別体で形成されていてもよい。また、規制部を有さない構成であってもよい。

上述した実施形態では、フィルム材２２が本流路３２の全周に巻き付けられている構成について説明したが、この構成に限られない。フィルム材２２は、本流路３２のうち、少なくとも開口部３１を覆う位置に設けられていればよい。
上述した実施形態では、気泡生成ユニット１１が上流管１０及び下流管１２に着脱可能に取り付けられた構成について説明したが、この構成に限られない。
上述した実施形態では、フィルム材２２が本流路３２の外面に面一の構成について説明したが、この構成に限られない。フィルム材２２は、本流路３２の内面に面一であってもよい。この場合には、フィルム材２２と開口部３１の内周縁との段差を縮小できるので、圧力損失を軽減し易い。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１０…上流管
１１…気泡生成ユニット
１２…下流管
２１…流路管
２２…フィルム材
３１…開口部
３５…梁（規制部）

Claims (5)

1. 液体の流通方向に交差する方向に貫通する開口部を有する流路管と、
   前記開口部を覆い、気体供給源から供給される気体を、前記開口部を通じて前記流路管内に透過させる複数の孔が形成されたフィルム材と、を備える気泡生成ユニット。
2. 前記流路管は、前記開口部内に臨み、前記フィルム材に対して前記流路管の内側から前記フィルム材を支持する規制部を備えている請求項１に記載の気泡生成ユニット。
3. 前記規制部は、前記流路管に一体に形成されるとともに、前記開口部を横断している請求項２に記載の気泡生成ユニット。
4. 前記流路管は、前記流路管に対して前記流通方向の上流側に位置する上流管、及び前記流路管に対して前記流通方向の下流側に位置する下流管に着脱可能に構成されている請求項１から請求項３の何れか１項に記載の気泡生成ユニット。
5. 前記フィルム材は、前記流路管の全周に巻き付けられている請求項１から請求項４の何れか１項に記載の気泡生成ユニット。
   
   
   
   

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