JP2022017638A - 気体液体混合システム及び気体液体の混合流体の生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の特性を変化する流体特性変化素子を複数用いて構成した、特定の気体と特定の液体とを混合する気体液体混合システムを提供するものである。【解決手段】気体液体混合システムは、気体を供給する気体供給装置と、気体供給装置から供給される気体の特性を変化させる第1の流体特性変化素子と、液体を供給する液体供給装置と、液体供給装置から供給される液体の特性を変化させる第2の流体特性変化素子と、第１の流体特性変化素子から供給される特性変化後の気体と第２の流体特性変化素子から供給される特性変化後の液体とが供給される第3の流体特性変化素子とを有する。第3の流体特性変化素子にて、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成するようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の特性を変化させる流体特性変化素子を複数備えた、気体と液体とを混合する気体液体混合システム及び流体特性変化ステップを複数備えた素子気体液体の混合流体の生産方法に関する。ここで、流体特性変化素子は、供給流体に対してマイクロバブルやウルトラファインバブルなどの微細気泡（ファインバブル）を発生し、複数の流体を混合し、供給流体を撹拌・拡散或いはせん断する（更にはこれらの機能の実現によって、流体の分子間の連結構造に変化をもたらすことや化学変化をもたらすと考えらえている）ことの少なくとも一つの機能を実現して、供給流体の特性を変化させる素子である。また、流体特性変化ステップは、これらの流体特性変化素子による機能実現ステップである。

従来から、ファインバブル発生のための装置として、本願特許出願人により、特許第６２４５３９７号、第６２４５４０１号に係る発明が提案されている。更には、他の特許出願人によって、ＷＯ２０１４／２０４３９９号や特表２０１６－５３６１３９号に係る発明が提案されている。

特許第６２４５３９７号 特許第６２４５４０１号 ＷＯ２０１４／２０４３９９号 特表２０１６－５３６１３９号

これらの特許文献１～４に開示された発明によれば、供給される流体、例えば水について、流体特性変化素子により、ウルトラファインバブル（１マイクロメータ以下のサイズのバブル、従来はナノバブルと称されていた微細気泡）を発生することが可能となっている。しかし、特定の気体と特定の液体とを混合するためのシステムをこのような流体特性変化素子を利用して構成するには、どのようにレイアウトすればよいかは未解決の問題であった。 なお、従前の気体と液体を混合する装置として存在するものは、両者をモータなどの動力源を使って、羽体などを回転駆動し混合流体を撹拌して混合するといった程度のもので、瞬間的には気体と液体は混合するものの、時間経過とともに分離して、長期間気体が液体中に混合した状態が保たれるものではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みて開発されたものである。本発明の目的は、流体の特性を変化する流体特性変化素子を複数用いて構成した、特定の気体と特定の液体とを混合する気体液体混合システム及び流体特性変化ステップを複数含む気体液体の混合流体の生産方法を提供するものである。

本発明の一実施形態による気体液体混合システムは、気体を供給する気体供給装置と、気体供給装置から供給される気体の特性を変化させる第1の流体特性変化素子と、液体を供給する液体供給装置と、液体供給装置から供給される液体の特性を変化させる第2の流体特性変化素子と、第１の流体特性変化素子から供給される特性変化後の気体と第２の流体特性変化素子から供給される特性変化後の液体とが供給される第3の流体特性変化素子とを具備し、第3の流体特性変化素子にて、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成するようにする。
本発明の他の実施形態による気体液体混合システムは、気体を供給する気体供給装置と、液体を供給する液体供給装置と、液体供給装置から供給される液体の特性を変化させる第２の流体特性変化素子と、気体供給装置から供給される気体と第２の流体特性変化素子から供給される特性変化後の液体とが供給される第3の流体特性変化素子とを具備し、第3の流体特性変化素子にて、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成するようにする。
本発明の一実施形態による気体液体の混合流体の生産方法は、気体を供給するステップと、供給される気体の特性を変化させる第1の流体特性変化ステップと、液体を供給するステップと、供給される液体の特性を変化させる第2の流体特性変化ステップと、特性変化後の気体と特性変化後の液体とが供給され、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成する第３の流体特性変化ステップと、を具備する。
本発明の他の実施形態による気体液体の混合流体の生産方法は、気体を供給するステップと、液体を供給するステップと、供給される液体の特性を変化させる第2の流体特性変化ステップと、気体と特性変化後の液体とが供給され、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成する第３の流体特性変化ステップと、を具備する。

本発明によれば、供給される液体について第２の流体特性変化素子或いは第２の流体特性変化ステップにて流体の特性が変化したのち、供給される気体（あるいは、第１の流体特性変化素子或いは第１の流体特性変化ステップにて流体の特性が変化した気体）と混合され、さらに第３の流体特性変化素子或いは第３の流体特性変化ステップにて気体液体の混合流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成或いは生産することで、流体内にファインバブル化した気体が大量に存在することになり、その結果、気体と液体の混合維持期間が延長することになる。
特に、ウルトラファインバブル化された気体は、長期間（数日から数か月）、流体の中に浮遊して保存され、混合流体として長期間有効利用することを可能とする。
この場合の、気体は、これに限定するものではないが、酸素、水素、窒素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、アンモニア、二酸化炭素、塩素、塩化水素、炭化水素ガス、天然ガスなどを含むものであり、液体は、これに限定するものではないが、水、海水、油、アルコール、薬液などを含むものである。そして、これらから選択された気体と液体との混合により得られる流体の中に、ファインバブル化された、特にウルトラファインバブル化された気体が多く含まれることによって、殺菌、滅菌、洗浄、腐敗防止、脱臭、静電気防止、薬効、治療、発育促進、エネルギー等の保存や維持効果を長期間保つことが可能となる。

以下の詳細な記述が以下の図面と合わせて考慮されると、本願のより深い理解が得られる。これらの図面は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
本発明の一実施形態による気体液体混合システムのシステム構成図である。 気体液体混合システムに用いられる流体特性変化素子の一例の側面透視図である。 図２の流体特性変化素子の内部構造体の３次元斜視図である。 図２の流体特性変化素子の内部構造体の側面分解図である。 図２の流体特性変化素子の内部構造体の突起部の配列状態を説明する図である。 気体液体混合システムに用いられる流体特性変化素子の他の例の側面透視図である。 図6の流体特性変化素子の内部構造体の３次元斜視図である。 図６の流体特性変化素子の内部構造体の側面分解図である。 図6の流体特性変化素子の内部構造体の四角錐と、四角柱の側面上の突起部の配置を説明する図である。 図6の流体特性変化素子の内部構造体の突起部の鋭角の角度及び複数の突起部で形成される交差流路の交差角度を示す図である。 弾性材料で形成された内部構造体と収納体とからなる流体特性変化素子を示す図である。 連結された複数の内部構造体及び収納体が弾性材料で形成されたことを示す図である。 本発明の他の一実施形態による気体液体混合システムのシステム構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態である気体液体混合システムのシステム構成を示しており、図中Ｇは、気体供給装置であり、Ｌは、液体供給装置である。それぞれ、タンクやボンベに入っているものをポンプなどで吸引して供給するようにしてもよいし、気体供給装置Ｇは、必要とする気体をその都度発生する発生装置であってもよい。これらの気体供給装置Ｇや液体供給装置Ｌから供給される気体、液体はそれぞれ、流体特性変化素子Ｓ１、Ｓ２を経由して流体の特性が変化したのちバルブＢ１、バルブＢ２を経由して両者混合されながら、バルブ３を経由して流体特性変化素子Ｓ３に供給される。このバルブＢ１にて気体の混合量が制御され、バルブＢ２にて液体の混合量が制御され、バルブＢ３にて気体の混合された液体（あるいは流体）の全体流量が制御される。

流体特性変化素子Ｓ３を経由して流体の特性が変化した流体（ファインバブル化した、あるいは望ましくはウルトラファインバブル化した気体が混合する液体）は、タンクＴに蓄積され、必要な時に外部に取り出されて利用される。なお、図１の破線で示すようにフィードバックループＦにより、タンクＴから気体を包含する流体をフィードバックして液体供給装置Ｌに戻して、循環的に気体供給装置Ｇからの気体と混合することを繰り返せば、タンクＴに蓄えられる流体中の気体の溶存量（あるいは溶解度）は増加する傾向になる。この場合、ウルトラファインバブル化された気体の含有量が継続して増加してゆくが、一定期間の繰り返しで、気体の溶存量（溶解度）は飽和することも一般的にあり得る。

なお、この図１の気体液体混合システムのシステム構成によって、気体液体の混合流体の生産方法を実現する。すなわち、気体を供給するステップは気体供給装置Gによって実現され、供給される気体の特性を変化させる第1の流体特性変化ステップは、流体特性変化素子Ｓ１によって実現される。液体を供給するステップは、液体供給装置Lによって実現され、供給される液体の特性を変化させる第2の流体特性変化ステップは、流体特性変化素子Ｓ２によって実現される。特性変化後の気体と特性変化後の液体とが供給され、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成する第３の流体特性変化ステップは、流体特性変化素子Ｓ３によって実現される。

本発明において、流体特性変化素子は、供給流体に対してマイクロバブルやウルトラファインバブルなどの微細気泡（ファインバブル）を発生する素子や、複数の流体を混合する素子や、供給流体を撹拌・拡散或いはせん断して、更には、流体の分子間の連結構造に変化をもたらすと考えらえている素子など、供給流体の特性を変化させる素子である。一つの素子で、これらの一乃至複数の機能を実現してもよい。なお、図１における流体特性変化素子Ｓ１～Ｓ３のサイズ（径や長さ）やそれを流れる流体の流量は、同じものであってもよいし、異なるものであってもよい。一般的には、気体が供給される特性変化素子Ｓ1は、液体が供給される特性変化素子Ｓ２よりも細くて短いもので、流量は小さいものであるが、これに限らない。流体特性変化素子Ｓ（図１のＳ1～Ｓ３）は、具体的には、特許文献１～４のいずれか或いはそれ以外のタイプの流体特性変化素子を適宜選択して用いることができる。

最初の実施形態では、流体特性変化素子Ｓ（Ｓ１～Ｓ３）として、特許文献１にて開示したファインバブル発生機能を持つ流体供給管１０を用いる。図2は流体供給管１０の側面透視図、図3は流体供給管１０の内部構造体２０の３次元斜視図であり、図4は、流体供給管１０の側面分解図である。流体供給管１０は、内部構造体２０及び収納体３０を備える。収納体３０は、流入側部材３１と、流出側部材３４から構成される。流入側部材３１と流出側部材３４とは、円筒形の中が空いている管の形態を有する。流入側部材３１は、一端部に所定の直径の流入口３８を有し、他の端部側には流出側部材３４との接続のために内周面をねじ加工することによって形成された雌ねじ３２を含む。流入口３８側にはナット１１が一体として形成される。流入側部材３１は両端部の内径、即ち、流入口３８の内径と雌ねじ３２との内径とが違い、流入口３８の内径が雌ねじ３２の内径より小さい。流入口３８と雌ねじ３２との間にはテーパー部３３が形成されている。流出側部材３４は、一端部に所定の直径の流出口３９を有し、他の端部側には流入側部材３１との接続のために外周面をねじ加工することによって形成された雄ねじ３５を備える。流出側部材３４の雄ねじ３５の外周面の直径は流入側部材３１の雌ねじ３２の内径と同一である。流出口３９側にはナット１２が一体として形成される。ナット１２と雄ねじ３５との間には筒形部３６及びテーパー部３７が形成される。流出側部材３４は両端部の内径、即ち、流出口３９の内径と雄ねじ３５との内径が違い、流出口３９の内径が雄ねじ３５の内径より小さい。流入側部材３１の内周面の雌ねじ３２と流出側部材３４の外周面の雄ねじ３５とのねじ結合によって流入側部材３１と流出側部材３４が連結されることで、収納体３０が形成される。

収納体３０の上記構成は一実施形態に過ぎない。例えば、流入側部材３１と流出側部材３４との連結は上記したねじ結合に限定されないし、当業者に知られた機械部品の結合方法はどれでも適用可能である。また、流入側部材３１と流出側部材３４との形態（外形形状も含む）は、図2の形態に限定されないし、設計者が任意に選択したり、流体供給管１０の用途によって変更したりすることができる。流入側部材３１又は流出側部材３４は、例えば、スチールやアルミニュームのような金属、又はプラスチックなどの樹脂から成る。

図２乃至図４を一緒に参照すれば、流体供給管１０は、内部構造体２０を流出側部材３４に収納した後に、流出側部材３４の外周面の雄ねじ３５と流入側部材３１の内周面の雌ねじ３２とを結合させることによって構成されることが理解される。内部構造体２０は、例えば、スチールやアルミニュームのような金属から成る円柱部材を切削や研削等により加工する方法又はプラスチックなどの樹脂を成型する方法等によって形成される。あるいは３次元プリンターによるプリント技術によって形成してもよい。内部構造体２０は、円錐形の流体拡散部２２と、渦巻発生部２４と、バブル発生部２６と、ドーム形の誘導部２８を備える。

流体拡散部２２は上記円柱部材の一端部を円錐の形態に加工（例えば、スピニング）することで形成されることができる。なお、この流体拡散部２２の形状はドーム形であってもよい。流体拡散部２２は流入口３８を経て流入側部材３１に流入される流体を管の中心部から外側へ、即ち、半径方向へ拡散させる。渦巻発生部２４は、上記円柱部材の一部を加工して形成されたものであり、図３に示されたように、断面が円形である軸部分と、３個の螺旋状に形成された翼とからなる。図４を参照すれば、本実施形態において、渦巻発生部２４の長さａ２は流体拡散部２２の長さａ１よりは長くて、バブル発生部２６の長さａ４よりは短いことが理解される。また、流体拡散部２２の断面積が最大である部分の半径は渦巻発生部２４の半径（渦巻発生部２４の軸部分の中心から翼の先端までの距離）より小さい。渦巻発生部２４の翼の各々は、その先端が軸部分の円周方向に互いに１２０°ずつずらし、軸部分の一端から他端まで外周面に所定の間隔をあけて反時計まわりに螺旋状に形成されている。本実施形態では翼の個数を３個にしたが、このような実施形態に限定されない。また、渦巻発生部２４の翼の形態は、流体拡散部２２を過ぎながら拡散されて渦巻発生部２４に進入した流体が、各翼の間を通過する間に渦巻流を起こすことができる形態であれば特に制限されない。本実施形態では、渦巻発生部２４は、内部構造体２０を収納体３０に収納した時に、収納体３０の流出側部材３４の内周面に近接する程度の外径を有する。バブル発生部２６は、円柱部材の下流側、即ち、流体拡散部２２及び渦巻発生部２４を形成した後の下流側部分を加工して形成する。本実施形態では、渦巻発生部２４とバブル発生部２６との間には、長さａ３の連結部２５が存在する。この場合、渦巻発生部２４の直径はバブル発生部２６の直径と同一であるので、連結部２５は同一の直径をもつが、渦巻発生部２４の軸部の直径が小さく、バブル発生部の軸部の直径が大きい場合は、テーパーをつければよい。

図４に示されたように、バブル発生部２６の円形の断面を有する軸部分の外周面に多数の突起部（凸部）が網状に形成されている。突起部を外周面から見ると（平面的に見た場合）ほぼ菱形形状となっている。それぞれの突起部は、軸部分の外周面から外側へ向かって突出するように、例えば、円柱部材を切削加工、研削加工、旋削加工、エンドミル加工を単独または組み合わせて遂行することによって形成されることができる。より具体的に説明するならば、それぞれの突起部の形成方法は、例えば、図５に図示されたように、円柱部材の長さ方向に対して９０度の方向に一定の間隔を持つ複数のライン５１と、上記長さ方向に対して所定の角度（例えば、６０度）を持つ一定の間隔のライン５２を交差させ、ライン５１とライン５１との間を一回ずつ飛ばして切削すると共に、傾いたライン５２とライン５２との間を一回ずつ飛ばして切削する。このようにして、軸部分の外周面から突出する外周面がほぼ菱形の複数の突起部が上下（円周方向）、左右（軸部分の長さ方向）に一つずつ飛ばして規則的に形成される。また、本実施形態では、バブル発生部２６は、内部構造体２０を収納体３０に収納した時、収納体３０の流出側部材３４の内周面に近接する程度の外径を有する。更に、内部構造体２０の下流側の末端の部分をドーム形に加工して誘導部２８を形成する。この誘導部２８の形状は、円錐形であってもよい。流体は、誘導部２８によって中心に向かって誘導される。その後、流体はテーパー部３７を過ぎて流出口３９を通じて流出される。

次に、流体が流体供給管１０を通過する間の流動について図２乃至図５を参照して説明する。流体は、流体供給管１０に供給されると、流体は、流体供給管１０の流入側部材３１のテーパー部３３の空間を過ぎて流体拡散部２２にぶつかり、流体供給管１０の中心から外側に向かって、即ち、半径方向へ拡散される。流体拡散部２２は流入された流体が効果的に渦巻発生部２４に進入するように流体を誘導する作用を行う。拡散された流体は渦巻発生部２４の反時計方向に螺旋状に形成された３個の翼の間を通過して行く。流体は渦巻発生部２４の各翼によって強烈な渦巻流になって、連結部２５を過ぎてバブル発生部２６に送られる。

そして、流体はバブル発生部２６の軸部分の外周面に規則的に形成された複数の突起部の間を通る。これらの複数の突起部は複数の狭い流路を形成する。図5にて説明したように、ライン５２で規定される流路は、軸部分に、例えば１２本形成（軸部分の円周について３０度間隔となる）されている螺旋流路となり、ライン５１で規定される流路は、例えば軸部分に、１４本形成されている円環の閉流路となる。そして、この２系統の流路は軸体上で交差する交差流路となる。この場合、上流の渦巻発生部２４からたとえば、反時計周りの渦巻流として流体が供給されるため、ライン５２で規定される螺旋流路に流れる流体の勢い（速度）が、ライン５１で規定される円環の閉流路に流れる流体の勢い（速度）が大となる。そして、狭い交差流路を上流から下流に流れる中で、流体は衝突を繰り返す。そして、このような流路を経由することで、流体の撹拌・拡散或いはせん断を誘発する。

また、内部構造体２０は、流体が、断面積が大きい上流（渦巻発生部２４）から断面積が小さい下流（バブル発生部２６の複数の突起部の間に形成された交差流路）へ流れる構造を有する。この構造は以下に説明するように流体の圧力を変化させる。流体に外部エネルギーが加えられない状態での圧力、速度、及び位置エネルギーの関係は次のようなベルヌーイ方程式（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）として表される。

ここで、Ｐは流線内の一点での圧力、つまり、静圧又は静圧力、ρは流体の密度、ｖはその点での流動の速度、ｇは重力加速度、ｈは基準面に対するその点の高さ、ｋは定数である。上記方程式として表現されるベルヌーイ定理は、エネルギー保存法則を流体に適用したものであり、第１項は、圧力のエネルギー（静圧）、第２項は運動エネルギー（動圧）、第３項は位置エネルギーに相当し、流れる流体に対して流線上ですべての形態のエネルギーの合計はいつも一定であるということを説明する。ベルヌーイ定理によると、断面積が大きい上流では、流体の速度が遅くて静圧は高い。これに対して、断面積が小さい下流では、流体の速度が速くなり静圧は低くなる。

流体が液体である場合、低くなった静圧が液体の飽和蒸気圧に到達すると液体の気化が始まる。このようにほぼ同一の温度において静圧Ｐがきわめて短い時間内に飽和蒸気圧Ｐｖより低くなって（水の場合、３０００－４０００Ｐａ）液体が急激に気化する現象をキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）と称する。流体供給管１０の内部構造はこのようなキャビテーション現象を誘発する。キャビテーション現象によって液体のうちに存在する１００ミクロン以下の微小な気泡核を核として液体が沸騰したり溶存気体の遊離によって小さい気泡が多数生じたりする。すなわち、流体がバブル発生部２６を通じながら多数のマイクロバブルやウルトラファインバブルを含むファインバブル（微細気泡）が発生する。

また、流体が、水の場合、１つの水分子が他の４個の水分子と水素結合を形成するが、この水素結合ネットワークを破壊することは容易ではない。そのために、水は水素結合を形成しない他の液体に比べて沸点や融点が非常に高く、高い粘度を示す。水の沸点が高い性質は優秀な冷却効果をもたらすので、冷却水として頻繁に用いられるが、水分子の大きさが大きくて浸透性や潤滑性は良くないという問題がある。流体供給管１０を用いれば、上記したキャビテーション現象によって水の気化が起き、その結果、水の水素結合ネットワークが破壊されると考えられる。また、気化によって発生するファインバブルは流体（水）の浸透性及び潤滑性を向上させる。浸透性の向上は結果的に冷却効率を増加させる。

バブル発生部２６を通過した流体は、下流側に設けられたドーム形の誘導部２８によって流体供給管１０の中心に向かって誘導される。その後、流体はテーパー部３７を過ぎて流出口３９を通じて流出される。流体供給管１０などの流体特性素子Ｓを経由した流体は、ファインバブルを含むため、冷却効果や洗浄効果を上げる効果がある。

内部構造体２０の形状は、上述した図3に示すものに限らず、例えば、軸体上に流体特性付与部分を有するものであればよい。必要に応じて設けられる拡散部分の形状は、錐体形状であればよく、円錐形のほか角錐形も含まれ、流体を特定方向に、例えば流体の流入方向に対して一定の角度をもった方向に誘導するものであればよい。図6は図1の気体液体混合システムの流体特性変化素子Ｓ（図１のＳ1～Ｓ３）の他の実施形態に係る流体供給管１００の側面分解図であり、図7は流体供給管１００の内部構造体１４０の３次元斜視図であり、図8は流体供給管１００の側面透視図である。流体供給管１００は収納体３０と内部構造体１４０とを含む。図6において、流体は流入口３８から流出口３９側へ流れる。

収納体３０の構造は、先に説明した実施形態（図２乃至図５）の収納体３０と同様であるので、同じ符号を付してその説明を省略する。内部構造体１４０は、例えば、スチールやアルミニュームのような金属からなる円柱部材を金属加工する方法又はプラスチックのような樹脂を成型する方法等によって形成される。あるいは、金属または樹脂を、３次元プリンターを用いて形成することも可能である。金属の円柱軸体を加工して作る場合は、切削、旋削、研削の加工を単独または組み合わせて行う。例えばエンドミルによる切削加工によることができる。その製造工程としては、円柱状の内部軸体を準備する工程と、円柱状の内部軸体の一端部を角錐（本例の場合は四角錐１４１であるが、三角錐、或いは五角錐、六角推…、とすることも可能）に形成する工程と、底面を角柱（本例の場合は底面が正方形の四角柱１４２であるが、三角柱、或いは五角柱、六角柱…、とすることも可能）の側面とし上面を円柱の外径位置とする交差流路１４０ｒを形成することにより、底面を角柱の側面とし、上面を円柱の側面とする複数の突起部１４０ｐを形成する工程とを有する。もともとの円柱部材の半径は、収納体３０の内壁の半径と同じまたは僅かに小さく、円柱部材が収納体に入り、隙間が出ないサイズであることが望ましい。

図７からも明らかなように、円柱状の軸体を加工することによって、先頭に四角錐１４１が形成され、残部の部分には四角柱１４２が形成され、四角柱１４２の４つの側面に複数の突起部１４０ｐが形成される。複数の突起部１４０ｐは網状に配置され、その底面は、四角柱１４２の外表面（側面）と同じ面であり、上面は、もとの円柱状の内部軸体の外表面であり、総体として円弧上の高さとなって丸みを帯びる。つまり、収納体の内部壁面の円弧にあわせて、総体として、中心が高く、外に向かって低くなる。この内部構造体１４０が図６のように、収納体３０に挿入固定された場合、四角錐１４１は、流入する流体を、収納体３０の円の中心から半径方向に拡散させて、四角錐１４２の４つの側面に誘導することになる。そして、各側面に到達した流体は、複数の突起部１４０ｐの間に形成された交差する流路１４０ｒを流れることになるが、収納体３０の円筒形の内壁面とこの複数の突起部１４０ｐの高さがほぼ同じ（隙間が無い）なので、流体は、複数の突起部１４０ｐの間の交差流路１４０ｒを流れる（つまり、複数の突起部１４０ｐの上面を流れる流体はほぼ無い）ことになる。

図９Ａは、内部構造体１４０のひとつの側面を平面上にあらわして、四角錐１４１と突起部１４０ｐの配列とを示した図であり、上流側の四角錐１４１はその頂角を例えば、６０度とする。勿論、この角度は適宜変更可能である。そして、下流側の四角柱１４２の４つの側面には、頂角４１．１１°の菱形（底面の形状）の突起部１４０ｐが網状に形成される。なお、この頂角も適宜変更可能である。したがって、図９Ｂにある通り、複数の突起部１４０ｐの間に形成される交差流路１４０ｒの交差角度も４１．１１°となる。具体的に言うと、一側面に形成される複数の底面が菱形の突起部１４０ｐは、上流から下流にかけて、３個、４個、３個、・・・、４個と１４列形成され、ひとつの側面に４９個あり、４つの側面の合計は１９６個となる。もちろん、この数も適宜に変更できる。複数の突起部１４０ｐの形状は、底面が菱形状の突起でなくても良く（例えば、三角形、多角形、その他）、その配列も図９Ａ、図９Ｂから適宜（角度、間隔など）変更できる。また、複数の突起部１４０ｐの配列も、突起部の方向が内部軸体１４０の長さ方向から左右方向に、交互に、僅かに傾いているようにしてもよい。あるいは、複数の突起部１４０ｐの底面の菱形の中心を軸に、内部軸体１４０の長さ方向から僅かに傾いているようにしてもよい。

流入口３８を通じて流入された流体は、流入側部材３１のテーパー部３３の空間を過ぎて内部軸体１４０の四角錐１４１にぶつかり、流体供給管１００の中心から外側に向かって（即ち、半径方向であって、四角錐の底面方向へ）拡散される。拡散された流体は、四角柱１４２の各側面に到達し、上流側から下流にかけて３つ、４つ、３つ・・・と形成された、底面は菱形であり上面は円柱の一部で丸みを帯びた形状の複数の突起部１４０ｐの間の狭い交差流路１４０ｒ（交差角４１．１１°）の間を進む。このとき、交差する流路での流体の流れの強さは、図９Ａの上流から下流に向かって、左斜め上流から右斜め下流の方向に流れる強さと、右斜め上流から左斜め下流の方向に流れる速度は、ほぼ同じになる。なお、この２つの流れの方向の角度が上述の交差角（４１．１１°）になる。流体は、複数の突起部１４０ｐに衝突してせん断され、また、複数の交差流路１４０ｒで衝突、混合、分散を繰り返す。図9Ａにおいて、四角柱１４２の側面の左端部（図９Ａの上側端部）に来た流体は、折り返して、つまり上流から下流に向かって、右斜め上流から左斜め下流の方向に流れてきた流れは、左斜め上流から右斜め下流の方向に流れることになり、右端部（図９Ａの下側端部）に来た流体は、折り返して、つまり上流から下流に向かって、左斜め上流から右斜め下流の方向に流れてきた流れは、右斜め上流から左斜め下流の方向に流れることになる。流体が複数の突起部１４０ｐによって形成された複数の狭い流路１４０ｒを通過することで、多数の微小な渦を発生させる。また、複数の突起部１４０ｐの多段の網状の配置によって、交差する流路１４０ｒで流体は交互に流れ左右にスイッチングするフリップフロップ現象も生じる。このような現象によって、流体の混合及び拡散を誘発する。突起部１４０ｐの上記構造は、異なる性質を有する二つ以上の流体を混合する場合にも有用である。

内部構造体１４０は、流体が、断面積が大きい上流側（四角錐１４１）から断面積が小さい下流側（複数の突起部１４０ｐの間に形成された交差流路１４０ｒ）へ流れるようにする構造を有する。この構造によって、先に説明した実施形態の流体供給管１０と同様に、流体供給管１００の内部構造はキャビテーション現象を誘発する。気化によって発生するファインバブルは流体が水の場合は、表面張力を低下させるため浸透性及び潤滑性を向上させる。浸透性の向上は結果的に冷却効率を増加させる。或いは、流体に予め空気その他の気体を注入し、多数の突起部１４０ｐとの流体の衝突によって溶存気体の遊離を起こさせ、多数のファインバブルを発生させることもできる。この場合も、発生するファインバブルは水の表面張力を低下させるため浸透性及び潤滑性を向上させる。浸透性の向上は結果的に冷却効率を増加させる。キャビテーション現象によって水の気化が起き、その結果、水の水素結合ネットワークが破壊されて粘度が低くなると考えられる。内部軸体１４０の四角柱１４２の各側面の複数の狭い交差流路１４０ｒを通過した流体は内部構造体１４０の下流端部に向かって流れる。下流端部では、フリップフロップ現象によって、流体は、左右方向に流れをスイッチングしながら、流出側部材３４の下流のテーパー部３７のある空間へ流れ出る。しかる後、流出口３９を通じて流出される。

図１０は、更に他の流体特性変化素子Ｓ（図１の流体特性変化素子Ｓ１～Ｓ３）の例を示す。これまでの実施形態では、内部構造体や収納体は、金属製或いは樹脂製であっても弾性変形しないものを前提として説明してきた。本例では、これら内部構造体１２４０、収納体１２３０を、弾性材料を用いて形成した流体供給管１２００を説明する。

本実施形態の内部構造体や収納体の弾性材料として、エラストマー材料、例えば、これに限定されるものではないが、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、フッ素系樹脂、シリコーン樹脂、更にはセラミック等を用いることができる。これらの弾性材料で内部構造体を製造するには、射出成型（インジェクションモールディング）による方法や、３次元プリンターによる方法も採用できる。これらの手法で製造された内部構造体１２４０は弾性力をもつため、ホースなど可撓性のある物品にこの流体供給管１２００を接続する（この場合、収納体も弾性材料で形成する）ことや、かかる物品に一体的に流体供給管１２００を内装設置することができる。図１０の流体供給管１２００は、流体が流入する流入口３８と、流体が流出する流出口３９とを有し、断面円形の内部壁面を有する中空の収納体１２３０と、収納体１２３０に収納固定される複数の側面（図１０のものは４面であるが、３面であっても、それ以上の複数の面を有してもよい）を備えた角柱状の軸体（図１０では四角柱１２４２）である内部構造体１２４０とを有する。収納体１２３０及び内部構造体１２４０は、弾性を有する弾性材料で形成され、全体的に弾性変形する。例えば、収納体１２３０はホース形状であってもよい。内部構造体１２４０の流入口側には、角錐（図１０では、四角錐１２４１）が設けられる。この角錐の形状も、軸体の有する角柱の側面の数に合わせて適宜変更できる。四角柱１２４２の側面には、これまで説明した他の実施形態同様に、複数の突起部１２４０ｐが網状に配列され、内部構造体１２４０の四角柱１２４２の側面と収納体１２３０の内部壁面との間であって、複数の突起部１２４０ｐの間に形成される空間が流体の流路となる。流体は、収納体１２３０の流入口３８から供給され、四角錐１２４１にて四角柱１２４２の各側面に分散される。そして、複数の突起部１２４０ｐの間の流路１２４０ｒを通過することにより流動特性が与えられる。しかる後、流体は流出口３９から流出する。このように、本実施形態にあっては、収納体１２３０及び内部構造体１２４０がともに弾性力をもち、流体供給管１２００を、全体として屈曲する必要がある場合に使用することができる。また、内部部構造体１２４０のみを弾性力をもたせて屈曲した形状で、弾性力を備えていない収納体１２３０に収納することもできる。

図１１は、更に他の流体特性変化素子Ｓ（図１の流体特性変化素子Ｓ１～Ｓ３）の例を示す。この例では、複数の内部構造体が連結されて流体供給管１３００が構成される。収納体１３３０の中には、複数の内部構造体１３４０－１、１３４０－２が配置される。図１１では、２つであるが、それに限らず３つ以上の内部構造体を連ねることもできる。収納体１３３０の上流部に設けられた内部構造体１３４０－１には、先頭に角錐（四角錐１３４１）が設けられる。この角錐の形状も、軸体の有する角柱の側面の数に合わせて適宜変更できる。四角柱１３４２の側面には、これまで説明した他の例同様に、複数の突起部１３４０ｐが網状に配列され、内部構造体１３４０－１の四角柱１３４２の側面と収納体１３１０の内部壁面との間であって、複数の突起部１３４０ｐの間に形成される空間が流体の流路１３４０ｒとなる。突起部１３４０ｐが列毎に左右の異なる方向に僅かに傾いているようにすることも、軸体の長さ方向に対して、すべて平行にあるようにしてもよい。そして、この内部構造体１３４０－１と下流の内部構造体１３４０－２とは、角柱形状（図１１では四角柱）の連結部１３５０を経由して接続される。なお、この連結部材１３５０の形状は、円柱形状であってもよい。

そして、下流の内部構造体１３４０－２は、上流の内部構造体１３４０－１の四角柱１３４２の部分の構成と同じであり、その機能も同様であるが、内部構造体１３４０－１の四角柱１３４２と、内部構造体１３４０－２とは相対的に回転して両者が接続されているようにしてもよく、例えば、相互に９０度の回転がなされて接続されている。このような回転して接続することで、上流の内部構造体１３４０－１の４つの側面１３４２での個別の流動特性が付与された流体が、下流の内部構造体の１３４０－２の別の複数の側面に混合して供給されて、より複雑な流体の流れとなり、流動特性の付与により大きな影響を与える。図１１で示した収納体１３３０と複数の内部構造体１３４０－１、１３４０－２は、弾性の特性を有することで、全体的に弾性変形、或いは屈曲変形が可能であり、可撓性のホースに接続したり、或いは、ホースの内部に設けたりすることもできる。なお、最下流の内部構造体（図１１では、内部構造体１３４０－２）の下流側に角錐（図１１の場合には四角錐）を一体的に設けて流体を中心に誘導するようにしてもよい（下流端部に角錐を設けることで流体の誘導を行うことが出来ることは図６乃至図１０の構成例も同じである）。なお、内部構造体１３４０－１、１３４０－２のみを弾性材料で構成し屈曲した形状で、弾性力を備えていない収納体１３３０に収納することもできる。

更に他の流体特性変化素子Ｓ（図１の流体特性変化素子Ｓ１～Ｓ３）の例として、内部構造体の流体特性付与部分は、軸部材の外周面に多数の突起部が配列され、流体が繰り返し衝突を起こし、流体を撹拌・拡散或いはせん断する流路（或いは交差流路）が設けられておればよく、その形状も、突起部の形状も、平面上で見たときにほぼ菱形となるものに限られるものではない。例えば、特許文献３のようにエーロフォイル形（翼形）であってもよい。また、内部構造体は、特許文献４ように、シャフトにより、ノッチ（切り欠き）が形成さられた円盤状要素を複数（多数）つないだものでもよい。内部構造体は、このように種々変形、変更できる。

以上のような各種の流体特性変化素子Ｓを、図1の流体特性変化素子Ｓ１～Ｓ３に用いることができる。気体供給装置Ｇに接続される流体特性変化素子Ｓ1においては、供給気体を撹拌・拡散或いはせん断して、場合によっては、供給気体について特定の特性変化（分子間連結結合変化や化学変化）を生じることとなる。流体供給装置Ｌに接続される流体特性変化素子Ｓ２においては、供給液体に対して、供給液体を撹拌・拡散或いはせん断して、更には、流体の分子間の連結構造に変化をもたらすこと、更には、供給液体の沸点との関係もあるが、マイクロバブルやウルトラファインバブルなどの微細気泡（ファインバブル）を液体に発生させて、供給流体の特性を変化させることになる。

そして、最終段の流体特性変化素子Ｓ３においては、供給される気体と液体との混合流体に対して、撹拌・拡散或いはせん断して、両者の混合度合いを高め、流体中の気体の溶存比率（溶解度）を上げるとともに、更には、流体の分子間の連結構造に変化をもたらすこともあり得るものと考えられる。更に、液体と気体の混合流体からマイクロバブルやウルトラファインバブルなどの微細気泡（ファインバブル）を多く発生させる。この場合の微細気泡には、液体そのものが気化した気泡と、供給気体が内包された気泡と、場合によってはこの流体特性変化素子Ｓ１～Ｓ３を通過する間で分子間の連結構造に変化が生じたり、あるいは何らかの化学変化が生じた結果発生する別の物質を含む気泡が混在したりすることもあり得る。このような工程を経てタンクに蓄えられる気体と液体とを混合した流体は、気体の溶存度合い（溶解度）は高く、更に、ファインバブル化（特にウルトラファインバブル化）した気体が多く含まれる場合は、流体の効果が長期間維持されるという利点がある。また、かかる流体を利用する際に、溶け込んでいた（あるいは浮遊していた）ウルトラファインバブルを含むファインバブル（微細気泡）が破裂して元の物質や化学変化を引き起こして別の物質に変化しながら、放出、吐出、射出、塗布、その他の利用ができることになる。

図１２は、他の実施形態の気体液体混合システムを示す。図１２においては、第１図の気体供給装置Ｇに接続される流体特性変化素子Ｓ１を無くして、直接バルブＢ1に直接接続したものである。その他の構成は、図１の気体液体混合システムと同様なので、説明を省略する。この場合は、気体を供給する気体供給装置Ｇと、液体を供給する液体供給装置Ｌと、液体供給装置Ｌから供給される液体の特性を変化させる第２の流体特性変化素子Ｓ2と、気体供給装置Ｇから供給される気体と第２の流体特性変化素子Ｓ２から供給される特性変化後の液体とを第３の流体特性変化素子Ｓ3に供給して、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成するシステムが構成される。

また、図１2の気体液体混合システムのシステム構成によって、気体液体の混合流体の生産方法を実現する。すなわち、気体を供給するステップは気体供給装置Gによって実現され、液体を供給するステップは、液体供給装置Lによって実現される。供給される液体の特性を変化させる第2の流体特性変化ステップは、流体特性変化素子Ｓ２によって実現され、特性変化後の気体と特性変化後の液体とが供給され、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成する第３の流体特性変化ステップは、流体特性変化素子Ｓ３によって実現される。

以上の実施形態における気体液体混合システムでは、気体供給装置Ｇから供給される気体は、酸素、水素、窒素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、アンモニア、二酸化炭素、塩素、塩化水素、炭化水素ガス、天然ガスなどを含むものであり、液体供給装置から供給される液体は、水、海水、油、アルコール、薬液などを含むものである。これらの気体、液体の特性に従って最適の流体特性素子Ｓ１～Ｓ３の構成や大きさ或いはそれぞれの流量を選択すればよい。

以上、本発明を、複数の実施形態を利用して説明したが、本発明はこのような実施形態
に限定されるものではない。本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、上記説明及び関連図面から本発明の多くの変形及び他の実施形態を導出することができる。本明細書では、複数の特定用語が使われているが、これらは一般的な意味として単に説明の目的のために使われただけであり、発明を制限する目的で使われたものではない。添付の特許請求の範囲及びその均等物により定義される一般的な発明の概念及び思想を抜け出さない範囲で多様な変形が可能である。

Ｇ 気体供給装置
Ｌ 液体供給装置
Ｓ（Ｓ１～Ｓ３） 流体特性変化素子
Ｔ タンク
Ｂ１～Ｂ３ バルブ
Ｆ フィードバックループ
１０、１００、１２００、１３００ 流体供給管
２０、１４０、１２４０、１３４０－１、１３４０－２ 内部構造体

Claims (17)

1. 気体を供給する気体供給装置と、
   気体供給装置から供給される気体の特性を変化させる第１の流体特性変化素子と、
   液体を供給する液体供給装置と、
   液体供給装置から供給される液体の特性を変化させる第２の流体特性変化素子と、
   第１の流体特性変化素子から供給される特性変化後の気体と第２の流体特性変化素子から供給される特性変化後の液体とが供給される第３の流体特性変化素子とを具備し、
   第３の流体特性変化素子にて、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成するようにしたことを特徴とする気体液体混合システム。
2. 気体を供給する気体供給装置と、
   液体を供給する液体供給装置と、
   液体供給装置から供給される液体の特性を変化させる第２の流体特性変化素子と、
   気体供給装置から供給される気体と第２の流体特性変化素子から供給される特性変化後の液体とが供給される第３の流体特性変化素子とを具備し、
   第３の流体特性変化素子にて、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成するようにしたことを特徴とする気体液体混合システム。
3. 流体特性変化素子は、
   収納体と、
   収納体に収納されて、流体に流動特性を与える内部構造体と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の気体液体混合システム。
4. 内部構造体は、
   共通の軸部材上に、拡散部分と、流動特性付与部分とを有し、
   拡散部分は、錐体形又はドーム形であって、流体を特定方向に拡散し、
   流動特性付与部分には、軸部材上の外周面に多数の突起部が設けられている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の気体液体混合システム。
5. 内部構造体は、共通の軸部材上の拡散部分と流動特性付与部分との間に、更に渦巻発生部分を有し、渦巻発生部分は、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにし、流動特性付与部分には、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体が与えられることを特徴とする請求項４に記載の気体液体混合システム。
6. 内部構造体は、複数の側面を有する角柱状の内部軸体を有し、
   内部軸体の側面には、複数の突起部が網状に配列され、
   複数の突起部の間に形成される空間が流体の流路となり、
   流体が、複数の突起部の間の流路を通過することにより流動特性が与えられ、
   内部構造体の各側面に設けられる複数の突起部の上面の高さは、収納体の内部壁面の円弧にあわせて、総体として、中心が高く、外に向かって低くなることを特徴とする請求項３に記載の気体液体混合システム。
7. 角柱状の内部軸体の流入口側には角錐が設けられて、流入される流体を複数の側面に分散させて供給するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の気体液体混合システム。
8. 複数の突起部の間に形成される流路は、上流から下流にかけて左斜め上流から右斜め下流への方向の流路と、右斜め上流から左斜め下流への方向の流路の２本の流路が交差する交差流路であり、この２本の流路に対して流体は同じ速度の流れとなることを特徴とする請求項６に記載の気体液体混合システム。
9. 突起部の底面形状は菱形であり、この菱形の鋭角の２頂点が内部構造体の軸体の長さ方向に平行にあることを特徴とする請求項６に記載の気体液体混合システム。
10. 突起部の底面形状は菱形であり、この菱形の鋭角の２頂点が内部構造体の軸体の長さ方向に対して僅かに傾いていることを特徴とする請求項６に記載の気体液体混合システム。
11. 内部構造体は、弾性を有する弾性材料で形成され、全体的に弾性変形することを可能とする請求項６に記載の気体液体混合システム。
12. 収納体及び内部構造体は、ともに弾性を有する弾性材料で形成され、収納体とともに内部構造体が弾性変形することを可能とする請求項６に記載の気体液体混合システム。
13. 流体特性変化素子は、供給流体に対してマイクロバブルやウルトラファインバブルなどの微細気泡を発生し、複数の流体を混合し、供給流体を撹拌・拡散或いはせん断することの、少なくとも一つの機能を実現する素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体液体混合システム。
14. 気体供給装置から供給される気体は、酸素、水素、窒素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、アンモニア、二酸化炭素、塩素、塩化水素、炭化水素ガス、天然ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の気体液体混合システム。
15. 液体供給装置から供給される液体は、水、海水、油、アルコール、薬液のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の気体液体混合システム。
16. 気体を供給するステップと、
    供給される気体の特性を変化させる第１の流体特性変化ステップと、
    液体を供給するステップと、
    供給される液体の特性を変化させる第２の流体特性変化ステップと、
    特性変化後の気体と特性変化後の液体とが供給され、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成する第３の流体特性変化ステップと、
    を具備したことを特徴とする気体液体の混合流体の生産方法。
17. 気体を供給するステップと、
    液体を供給するステップと、
    供給される液体の特性を変化させる第２の流体特性変化ステップと、
    気体と特性変化後の液体とが供給され、気体と液体とを混合した流体の特性を変化して、ファインバブル化した気体を含有する流体を生成する第３の流体特性変化ステップと、
    を具備したことを特徴とする気体液体の混合流体の生産方法。
    

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