JP4742106B2 - ナノバブル発生用ノズルおよびナノバブル発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体中のナノバブルを生じさせるためのノズルおよびこれを用いたナノバブル発生装置に関する。

水中にマイクロバブルを発生させる装置については従来より開発されており、マイクロバブルにより水質の浄化等が期待されている（例えば特許文献１参照）。

一方で、マイクロバブルよりもさらにバブル径が小さいナノバブルの研究が始められている。ナノバブルは、マイクロバブルよりも水の浄化性能や殺菌性に優れているという研究結果がでており、なおかつ人体にも好影響を与えることが期待されている。
なお、一般的には、バブル径が１０〜２００μｍがマイクロバブル、０．５〜１０μｍがマイクロナノバブル、０．５μｍ以下がナノバブルというように定義されている。本明細書中でもナノバブルとは、０．５μｍ以下の径のものを指している。

ナノバブルの発生方法としては、従来より様々な方法が提案されている。
例えば、液体の一部をガス化し、これに超音波を照射することでナノバブルを発生させる方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
また、ナノバブルよりも大きい径の微少気泡を生成しておき、これに物理的な衝撃を加えてナノバブルを生成する方法がある（例えば特許文献３、特許文献４参照）。
また気体と液体を気液混合室で混合したのち、超微少吐出口から吐出させることにより、ナノバブルを含んだナノ流体を生成する方法も提案されている（例えば特許文献５参照）。

特開２００５−３０５２１９号公報 特開２００３−３３４５４８号公報 特開２００５−２４５８１７号公報 特開２００６−２８９１８３号公報 特開２００７−９０１５６号公報

上述した特許文献２〜特許文献５に示されたようなナノバブルの発生装置によれば、非常に大がかりな装置を必要としていた。このため、装置自体の大きさはともかく、価格的な面でも従来のナノバブル発生装置では、一般家庭等に普及させるのが困難であると言う課題があった。
また、大がかりな装置ゆえに、簡単に設置・操作できるものではなく、ナノバブルの効能についての研究もはかどらないと言う課題もあった。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、コンパクトな構成で手軽にナノバブルを発生させることができるノズルおよびこれを用いたナノバブル発生装置を提供することにある。

本発明は上記課題を達成するため次の構成を備える。すなわち、本発明にかかるナノバブル発生用ノズルによれば、内部に流路が形成された筒状に設けられ、液体中にナノバブルを発生させるためのノズルであって、軸線方向の一方の端部に液体を流入させる流入口が形成され、軸線方向の他方の端部にナノバブルが混入した液体を流出させる流出口が形成され、前記流路には、前記流入口から所定距離は同一の径を有する同一径部と、該同一径部から流出口に向けて、徐々に径が広がるテーパ部とが形成され、前記流路に気体を導入させるエアチューブの端部が挿入可能な径となる穴としてノズル外壁面に形成された接続部が形成され、前記同一径部と外部とを連通するように、気体導入孔が前記接続部の底面に前記同一径部に対して直交する方向に形成され、前記液体は、水であり、前記テーパ部のテーパ角は４°、全長は８０ｍｍであり、前記同一径部の径は３．５ｍｍであり、前記気体導入孔の径は、０．３ｍｍであることを特徴としている。
この構成を採用することによって、非常にコンパクトな構成でナノバブルの発生が可能となった。

本発明のナノバブル発生用ノズルおよびナノバブル発生装置によれば、コンパクトな構成で、目詰まりせずにナノバブルを発生させることができる。このため、安価な装置としてナノバブル発生装置を提供することができる。

以下、本発明に係るナノバブル発生装置の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第1の実施形態）
図１は、本実施形態のナノバブル発生装置の全体構成を示す説明図である。
ナノバブル発生装置３０は、水中ポンプ３２と、ノズル３４と、水中ポンプ３２とノズル３４とを連結するホース３６とを具備している。そして、ノズル３４の流出口４７から、水とともにナノバブルが吐出される。

ノズル３４には、気体を供給するためのエアチューブ３８が接続されている。エアチューブ３８の先端にはスピードコントローラ４０が接続されている。スピードコントローラ４０を調整することによって、ノズル３４に供給する気体の流量をコントロールできる。

また、水中ポンプ３２は、ＤＣモータが内蔵されており直流電流によって駆動する。このため、水中ポンプ３２は、家庭用電源ＡＣ１００Ｖ用の接続プラグ３１と、取り入れた交流電流を直流電流に変換するコンバータ３３とを備えている。
水中ポンプ３２をＤＣモータによって駆動させることにより、全体を小型化し、またコストの低減にも寄与することができる。

続いてノズル３４の構造について、図２に基づいて説明する。
ノズル３４は、エアチューブ３８から導入される気体と、水中ポンプ３２から送り込まれる液体とを混合してナノバブルを液体中に生成する。ノズル３４は全体として円筒状に形成されており、円筒の軸線方向の一方の端部には水を内部に送り込むための流入口４５が形成され、円筒の軸線方向の他方の端部には水を流出させる流出口４７が形成されている。
流入口４５と流出口４７は、軸線方向に内部を貫通する流路４２によって連通している。
ノズル３４の材料としては、変形や変質が無い材質であれば特にいずれかの材料に限定されることはないが、金属や合成樹脂を用いることができる。

流路４２は、径が一定に形成されている同一径部４４と、流出方向に向けて徐々に拡径するテーパ部４６とから構成されている。
また、エアチューブ３８が接続される接続部４８は、同一径部４４に空気が供給される部位に設けられている。この接続部４８は、ノズル３４の外壁面に、エアチューブ３８の端部が挿入可能な程度の径となる穴が穿設されたものである。
接続部４８の底面には、流路４２の同一径部４４と連通する連通孔５０が形成されている。連通孔５０は、流路４２の同一径部４４に対して直交する方向に穿設されている。

なお、ノズル３４の一方側の端部の外壁部分は、ホース３６が接続可能な形状に形成されている。すなわち、ホース３６をノズル３４の一方側の端部に挿入できるように、ノズル３４の一方側の端部の外径は、ホース３６の内径とほぼ同径をなしている。本実施形態では、ノズル３４の一方側の端部の外壁部分はホース３６に向けて徐々に細くなるようなテーパ状の形状をなしており、ホース３６に接続しやすいように設けられている。

以下、流路と連通孔の具体的な形状について説明する。
種々の実験を行った結果、以下に説明する様な形状のノズルを用いることで、簡単にナノバブルが発生することが確認できた。
まず、ノズル３４の流路４２が、液体の吐出方向（流出口４７方向）に向けて徐々に拡径するようなテーパ状に形成されている点が特徴である。ここでテーパ角θとしては、３°〜５°の間であることが好ましい。
特に好ましくは、テーパ角θとして３．５°〜４．５°の間であるとよい。
最も望ましくは、テーパ角θとして４°であるとよい。

また、連通孔５０の径は、０．３ｍｍ〜０．４ｍｍであることが好ましい。特に好ましくは、連通孔５０の径は、０．３ｍｍであるとよい。

また流路４２の流入口部分（同一径部４４）の径は３．０ｍｍ〜４．０ｍｍであることが好ましい。特に好ましくは、流入口部分（同一径部４４）の径は、３．５ｍｍであるとよい。

（第２の実施形態）
上述した実施形態では、ノズル３４へ液体を送り込むポンプは、水中ポンプであった。しかし、ポンプは水中ポンプに限られる事はなく、通常のポンプを用いてもよい。
通常のポンプを用いた実施形態を図４に示す。なお、上述した第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、説明を省略する場合もある。

ナノバブル発生装置３０は、大気中に設置されたポンプ６０と、水中に配置されるノズル３４と、ポンプ６０とノズル３４とを連結するホース３６と、ポンプ６０へ水を供給するための水供給ホース６２とを具備している。そして、ノズル３４の流出口４７から、水とともにナノバブルが吐出される。

ポンプ６０は、水供給ホース６２から供給された水をホース３６へ所定の吐出量で吐出する。このように、ポンプ６０によって、水はホース３６内を流通してノズル３４の流入口内に供給される。
なお、本実施形態のポンプ６０は、ＡＣモータによって駆動される。

ノズル３４には、気体を供給するためのエアチューブ３８が接続されている。エアチューブ３８の先端にはスピードコントローラ４０が接続されている。スピードコントローラ４０を調整することによって、ノズル３４に供給する気体の流量をコントロールできる。この点は、第１の実施形態と同様の構成である。

次に、発生させたナノバブルの径を測定する際の測定方法について説明する。
測定は、大塚電子株式会社製のファイバー光学動的光散乱光度計（型名：ＦＤＬＳ３０００）を用いることができる。
ＦＤＬＳ３０００は、キュムラント解析によって、ストークス粒径、多分散度指数、拡散係数、減衰定数を解析することができ、ヒストグラム解析によって、散乱強度分布、重量換算分布、個数変換分布を解析することができる。

ＦＤＬＳ３０００内部における測定系を図４に示す。
ＦＤＬＳ３０００の光源５２は、波長５３２ｎｍの固定レーザであり、出力は１００ｍＷである。
レーザ光は、シャッター、ＮＤフィルター、波長板、レンズ、偏光板等の光学素子群５４を介して、試料セル５６に照射される。試料セル５６は、円柱状に形成されており、内部に測定対象の液体が封入される。
試料セル５６の直径は５ｍｍ、１２ｍｍ、２１ｍｍなどを選択することができる。

試料セル５６の周囲には、受光素子５７が配置されている。受光素子５７の具体例としては、冷却型光電子倍増管５８に接続された移動可能な光ファイバーであり、この光ファイバーでは試料セル５６に照射されたレーザ光の散乱光を検出できる。冷却型光電子倍増管５８は、ナノオーダーのバブルで散乱された散乱光を確実に検出することができる。
なお、レーザ光の入射方向に対して試料セル５６の後方には、試料セル５６を通過したレーザ光を吸収するビームストッパー５９が配置されている。

（実施例１）
上述した光度計で、図３に示したナノバブル発生装置３０で発生させたナノバブルの径を測定した結果を図５に示す。
また、ポンプ６０としては、株式会社レイシー社製のマグネットポンプ、型名ＲＭＤ−４０１を採用した。このポンプの仕様は、電源ＡＣ１００Ｖ、消費電力９０Ｗ、最高揚程４．６ｍ、最大吐出量４５ｌ／ｍｉｎである。

また、本実施例で採用したノズル３４の具体的な形状を図６に示す。
ノズル３４の形状は、全長１００ｍｍ、直径１５ｍｍ、同一径部の直径３．５ｍｍ、テーパ部におけるテーパ角４°、テーパ部の全長８０ｍｍ、開口部の径９．１８ｍｍ、連通孔の径０．３ｍｍである。
また、ノズル３４の材質は黄銅である。

溶媒は水であり、水中にナノバブルを発生させた。水温は２１．２℃。溶媒である水の屈折率は１．３３１７。溶媒である水の粘度は、０．９７２５ｃｐ。溶媒である水の散乱強度は８５３９ｃｐｓである。

図５のグラフは、測定した散乱光強度分布をグラフにあらわしたものであり、横軸にバブルの径（ｎｍ）、縦軸に散乱光強度分布（ｌｓ）をとっている。
図５のグラフに示すように、結果として、ナノバブル発生装置３０を用いて発生させたナノバブルの平均粒径が２７０．２ｎｍであることが判明した。このように、簡単な構成で極めて径の小さいナノバブルを良好に発生させることができた。
なお、この結果では、粒径１００００ｎｍ付近で散乱光の強度分布があるが、この分布はナノバブルとは関係無いものである。

（実施例２）
図７に、上述した光度計で、上述した実施例１と同様の構成のナノバブル発生装置３０で発生させたナノバブルの径を測定した他の結果を示す。
なお、実施例２で用いたポンプおよびノズルは、実施例１と同一のものであるので、ここではポンプおよびノズルについての説明を省略する。

溶媒は水であり、水中にナノバブルを発生させた。水温は２２．６℃。溶媒である水の屈折率は１．３３１５。溶媒である水の粘度は、０．９３８２ｃｐ。溶媒である水の散乱強度は６９２３ｃｐｓである。

図７のグラフは、測定した散乱光強度分布をグラフにあらわしたものであり、横軸にバブルの径（ｎｍ）、縦軸に散乱光強度分布（ｌｓ）をとっている。
図７のグラフに示すように、結果として、ナノバブル発生装置３０を用いて発生したナノバブルの平均粒径が２９５．６ｎｍであることが判明した。このように、簡単な構成で極めて径の小さいナノバブルを良好に発生させることができた。
なお、この結果でも、粒径１００００ｎｍ付近で散乱光の強度分布があるが、この分布はナノバブルとは関係無いものである。

本発明のナノバブル発生装置は、そのコンパクトな構成から一般家庭における風呂に設置することができる。これにより、家庭における風呂で健康の増進を図ることができる。
また、ナノバブルを混入させた水を種々の洗浄水として用いることもできる。
さらには、水槽で飼育される魚類の活性化や、水耕栽培などにも採用することができるなど、様々な用途に活用できることが期待できる。

以上、本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

本発明にかかるナノバブル発生装置の第１の実施形態の全体構成を示す説明図である。 本発明にかかるナノバブル発生用ノズルの断面図である。 ナノバブル発生装置の第２の実施形態の全体構成を示す説明図である。 光度計内部の測定系を示す説明図である。 図３のナノバブル発生装置を用いて発生させたナノバブルの粒径を測定したグラフである。 実験で用いたノズルの具体的な寸法を示す説明図である。 図３のナノバブル発生装置を用いて発生させたナノバブルの粒径を測定したグラフである。

符号の説明

３０ ナノバブル発生装置
３１ 接続プラグ
３２ 水中ポンプ
３３ コンバータ
３４ ノズル
３６ ホース
３８ エアチューブ
４０ スピードコントローラ
４２ 流路
４４ 同一径部
４５ 流入口
４６ テーパ部
４７ 流出口
４８ 接続部
５０ 連通孔
５２ 光源
５４ 光学素子群
５６ 試料セル
５７ 受光素子
５８ 冷却型光電子倍増管
５９ ビームストッパー
６０ ポンプ
６２ 水供給ホース

Claims (2)

1. 内部に流路が形成された筒状に設けられ、液体中にナノバブルを発生させるためのノズルであって、
   軸線方向の一方の端部に液体を流入させる流入口が形成され、
   軸線方向の他方の端部にナノバブルが混入した液体を流出させる流出口が形成され、
   前記流路には、前記流入口から所定距離は同一の径を有する同一径部と、該同一径部から流出口に向けて、徐々に径が広がるテーパ部とが形成され、
   前記流路に気体を導入させるエアチューブの端部が挿入可能な径となる穴としてノズル外壁面に形成された接続部が形成され、
   前記同一径部と外部とを連通するように、気体導入孔が前記接続部の底面に前記同一径部に対して直交する方向に形成され、
   前記液体は、水であり、
   前記テーパ部のテーパ角は４°、全長は８０ｍｍであり、
   前記同一径部の径は３．５ｍｍであり、
   前記気体導入孔の径は、０．３ｍｍであることを特徴とするナノバブル発生用ノズル。
2. 請求項１記載のナノバブル発生用ノズルと、
   該ナノバブル発生用ノズルの接続部に接続され、前記流路に気体を導入させるエアチューブと、
   該エアチューブの先端に接続され、供給する気体の流量をコントロールするスピードコントローラと、
   前記ナノバブル発生用ノズルに水を送り込む、最大揚程４．６ｍ、最大吐出量４５リットル／ｍｉｎであるポンプとを具備することを特徴とするナノバブル発生装置。

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