JP5715272B2 - 高密度微細気泡液生成方法および高密度微細気泡液生成装置 - Google Patents

高密度微細気泡液生成方法および高密度微細気泡液生成装置 Download PDF

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Description

本発明は、微細気泡を含む液体を生成する技術に関連する。
近年、微細気泡を含む水を生成する技術の研究が盛んに行われている。例えば、非特許文献１には、微細気泡を多量に生成する装置が開示されている。また、非特許文献２では、微細気泡が水中に安定的に存在する点について報告されている。
また、微細気泡を生成する手法としても様々なものがあり、例えば、特許文献１の微細気泡発生装置では、流体旋回室内において気体と液体とが混合された混合流体を高速に旋回させ、旋回流に発生する剪断力により気泡が微細化される。
特許第４１２９２９０号公報
「ＦＺ１Ｎ−０２形ナノバブル発生装置」カタログ、［online］、２０１１年５月２３日、ＩＤＥＣ株式会社、［２０１１年１２月２０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.idec.com/jpja/products/dldata/pdf_b/P1383-0.pdf＞ 寺坂宏一、他５名、「気液混合せん断法により生成したナノバブルの分析法の検討」、日本混相流学会年会講演会２０１１講演論文集、日本混相流学会年会講演会２０１１（京都）実行委員会、２０１１年８月、Ｐ４２４−４２５
従来より、微細気泡を含む水は、機械的に水と空気とを混合することにより生成される。機械的な混合による微細気泡の生成量は、現段階では、およそ１〜１０億個／ｍＬ（個／ミリリットル）である。単位体積当たりの微細気泡の個数は、技術の進歩により向上しつつあるが、飛躍的な向上は短期間に望むことはできない。一方で、微細気泡を含む液体の用途の研究や、微細気泡を含む液体の取り扱いの効率化のためには、微細気泡の高密度化は重要となる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、微細気泡の密度が高い液体を容易に生成することを目的としている。
本発明の一の実施の形態に係る高密度微細気泡液生成方法は、直径が１μｍ未満の微細気泡を含む初期液体を準備する工程と、前記初期液体の一部を気化して高密度微細気泡液を得る工程とを備える。
本発明の他の実施の形態に係る高密度微細気泡液生成方法は、直径が１μｍ未満の微細気泡を含む初期液体を準備する工程と、濾過フィルタに前記初期液体の一部を透過させ、前記初期液体の残部である高密度微細気泡液を得る工程と、前記濾過フィルタよりも濾過粒度が小さい他の濾過フィルタに、前記濾過フィルタからの濾液の一部を透過させ、前記濾液の残部を得る工程とを備える。
本発明は、高密度記載気泡液生成装置にも向けられている。
上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。
本発明によれば、微細気泡の密度が高い液体を容易に生成することができる。
高密度微細気泡液生成装置の概略構成を示す図である。 微細気泡液の生成の流れを示す図である。 微細気泡液生成部を示す断面図である。 混合ノズルの断面図である。 微細気泡生成ノズルの断面図である。 気化部の構成を示す図である。 微細気泡の密度の変化を示す図である。 初期液体の気泡径と密度との関係を示す図である。 高密度微細気泡液の気泡径と密度との関係を示す図である。 濃縮前の微細気泡の画像を示す図である。 濃縮後の微細気泡の画像を示す図である。 レーザ回折散乱光法による測定結果を示す図である。 高密度微細気泡液生成装置の他の例を示す図である。 濾過部を示す図である。 濾過部の他の例を示す図である。
図１は、本発明の一の実施の形態に係る高密度微細気泡液生成装置１の概略構成を示す図である。図２は、所望の密度にて微細気泡を含む液体を（以下、「微細気泡液」という。）生成する工程を示す図である。図２には、高密度にて微細気泡を含む液体（以下、「高密度微細気泡液」という。）を生成する工程（ステップＳ１５）が含まれる。高密度微細気泡液生成装置１は、微細気泡液生成部１１と、気化部１２と、第１貯溜部１３と、第２貯溜部１４とを含む。微細気泡液生成部１１は、機械的に水と空気とを混合し、超微細気泡（ウルトラファインバブル）と呼ばれる微細気泡を含む液体９１を生成する（ステップＳ１１）。超微細気泡は、「ナノバブル」とも呼ばれる。以下、この液体９１を「初期液体」と呼ぶ。初期液体９１は、第１貯溜部１３に貯溜される。
本実施の形態における「微細気泡」とは、直径が１μｍ未満の気泡を指す。ただし、実際には直径が５００μｍ未満の微細気泡が多数生成されるため、直径が５００μｍ未満の気泡が、本実施の形態における微細気泡と定義されてもよい。また、微細気泡の「密度」とは、単位体積当たりに液体が含有する微細気泡の個数を指す。
初期液体９１が準備されると、作業者は、得たい微細気泡液における微細気泡の密度を設定する（ステップＳ１２）。以下、この密度を「目標密度」という。目標密度は、初期液体９１の生成前に定められてもよい。作業者は、初期液体９１の気泡密度を測定する（ステップＳ１３）。初期液体９１の気泡密度が目標密度未満の場合（ステップＳ１４）、初期液体９１は、気化部１２に搬入される。気化部１２にて初期液体９１の一部が気化することにより、高密度微細気泡液９２が取得される（ステップＳ１５）。後述するように、微細気泡液の気泡数は、一部の気化によっては大きくは変化しない。したがって、気化部１２にて気化させる液量は、事前に計算により求めることができる。高密度微細気泡液９２は、第２貯溜部１４に貯留される。
初期液体９１の気泡密度が目標密度以上の場合、初期液体９１に微細気泡を含まない液体が加えられ、初期液体９１が希釈される（ステップＳ１６）。これにより、微細気泡液の気泡密度が低下する。この場合も、加えるべき液体の量は事前に計算により求めることができる。初期液体９１の気泡密度が目標密度以上の場合、気化部１２は利用されない。なお、正確には、初期液体９１の気泡密度と目標密度との差が許容範囲内の場合、ステップＳ１５およびＳ１６は実行されない。
図３は、微細気泡液生成部１１を示す図である。微細気泡液生成部１１は、気体と液体とを混合して、当該気体の微細気泡を含む液体を生成する。本実施の形態では、混合前の対象液９０として水が使用される。水と混合される気体として、空気が使用される。微細気泡液生成部１１は、微細気泡生成ノズル２と、加圧液生成部３と、送出配管４１と、補助配管４２と、戻し配管４３と、ポンプ４４と、液貯留部４５とを備える。液貯留部４５には対象液９０が貯留される。微細気泡液生成部１１を稼動することにより、対象液９０が初期液体９１となる。
送出配管４１は、加圧液生成部３と微細気泡生成ノズル２とを接続する。加圧液生成部３は、気体を加圧溶解させた加圧液７１を生成し、送出配管４１を介して微細気泡生成ノズル２に供給する。微細気泡生成ノズル２の噴出口は、液貯留部４５内に位置し、送出配管４１は、実質的に加圧液生成部３と液貯留部４５とを接続する。
微細気泡生成ノズル２から加圧液７１を対象液９０中に噴出することにより、対象液９０中に微細気泡が生成する。本実施の形態では、空気の微細気泡が対象液９０中に生成する。図１では、理解を容易にするために、対象液９０等の流体に破線にて平行斜線を付す。
補助配管４２は、送出配管４１と同様に、加圧液生成部３と液貯留部４５とを接続する。補助配管４２は、加圧液生成部３にて余剰の気体を分離する際に余剰の気体と共に排出される液体を液貯留部４５へと導く。戻し配管４３にはポンプ４４が設けられ、ポンプ４４により、戻し配管４３を経由して、対象液９０が液貯留部４５から加圧液生成部３へと戻される。
加圧液生成部３は、混合ノズル３１と、加圧液生成容器３２とを備える。混合ノズル３１の気体流入口からは、レギュレータや流量計等を介して空気が流入する。混合ノズル３１では、ポンプ４４により圧送された液体と、空気とが、混合ノズル３１により混合され、加圧液生成容器３２内に向けて噴出される。
加圧液生成容器３２内は加圧されて大気圧よりも圧力が高い状態（以下、「加圧環境」という。）となっている。混合ノズル３１から噴出された液体と気体とが混合された流体（以下、「混合流体７２」という。）は、加圧液生成容器３２内を加圧環境下にて流れる間に、気体が液体に加圧溶解した加圧液７１となる。
図４は、混合ノズル３１を拡大して示す断面図である。混合ノズル３１は、上述のポンプ４４により圧送された液体が流入する液体流入口３１１と、気体が流入する気体流入口３１９と、混合流体７２を噴出する混合流体噴出口３１２とを備える。混合流体７２は、液体流入口３１１から流入した液体および気体流入口３１９から流入した気体が混合されることにより生成される。液体流入口３１１、気体流入口３１９および混合流体噴出口３１２はそれぞれ略円形である。液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かうノズル流路３１０の流路断面、および、気体流入口３１９からノズル流路３１０に向かう気体流路３１９１の流路断面も略円形である。流路断面とは、ノズル流路３１０や気体流路３１９１等の流路の中心軸に垂直な断面、すなわち、流路を流れる流体の流れに垂直な断面を意味する。また、以下の説明では、流路断面の面積を「流路面積」という。ノズル流路３１０は、流路面積が流路の中間部で小さくなるベンチュリ管状である。
混合ノズル３１は、液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かって順に連続して配置される導入部３１３と、第１テーパ部３１４と、喉部３１５と、気体混合部３１６と、第２テーパ部３１７と、導出部３１８とを備える。混合ノズル３１は、また、内部に気体流路３１９１が設けられた気体供給部３１９２を備える。
導入部３１３では、流路面積は、ノズル流路３１０の中心軸Ｊ１方向の各位置においてほぼ一定である。第１テーパ部３１４では、液体の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。喉部３１５では、流路面積はほぼ一定である。喉部３１５の流路面積は、ノズル流路３１０において最も小さい。なお、ノズル流路３１０では、喉部３１５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部３１５と捉えられる。気体混合部３１６では、流路面積はほぼ一定であり、喉部３１５の流路面積よりも少し大きい。第２テーパ部３１７では、下流側に向かって流路面積が漸次増大する。導出部３１８では、流路面積はほぼ一定である。気体流路３１９１の流路面積もほぼ一定であり、気体流路３１９１は、ノズル流路３１０の気体混合部３１６に接続される。
混合ノズル３１では、液体流入口３１１からノズル流路３１０に流入した液体が、喉部３１５で加速されて静圧が低下し、喉部３１５および気体混合部３１６において、ノズル流路３１０内の圧力が大気圧よりも低くなる。これにより、気体流入口３１９から気体が吸引され、気体流路３１９１を通過して気体混合部３１６に流入し、液体と混合されて混合流体７２が生成される。混合流体７２は、第２テーパ部３１７および導出部３１８において減速されて静圧が増大し、混合流体噴出口３１２を介して加圧液生成容器３２内に噴出される。
図３に示すように、加圧液生成容器３２は、上下方向に積層される第１流路３２１と、第２流路３２２と、第３流路３２３と、第４流路３２４と、第５流路３２５とを備える。以下の説明では、第１流路３２１、第２流路３２２、第３流路３２３、第４流路３２４および第５流路３２５をまとめて指す場合、「流路３２１〜３２５」と呼ぶ。流路３２１〜３２５は、水平方向に延びる管路であり、流路３２１〜３２５の長手方向に垂直な断面は略矩形である。本実施の形態では、流路３２１〜３２５の幅は、約４０ｍｍである。
第１流路３２１の上流側の端部（すなわち、図３中の左側の端部）には、混合ノズル３１が取り付けられており、混合ノズル３１から噴出された後の混合流体７２は、加圧環境下にて図３中の右側に向かって流れる。本実施の形態では、第１流路３２１内の混合流体７２の液面より上方にて混合ノズル３１から混合流体７２が噴出され、噴出された直後の混合流体７２は、第１流路３２１の下流側の壁面（すなわち、図３中の右側の壁面）に衝突する前に上記液面に直接衝突する。混合ノズル３１から噴出された混合流体７２を液面に直接衝突させるためには、第１流路３２１の長さを、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２（図４参照）の中心と第１流路３２１の下面との間の上下方向の距離の７．５倍よりも大きくすることが好ましい。
加圧液生成部３では、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２の一部または全体が、第１流路３２１内の混合流体７２の液面よりも下側に位置してもよい。これにより、上述と同様に、第１流路３２１内において、混合ノズル３１から噴出された直後の混合流体７２が、第１流路３２１内を流れる混合流体７２に直接衝突する。
第１流路３２１の下流側の端部の下面には、略円形の開口３２１ａが設けられており、第１流路３２１を流れる混合流体７２は、第１流路３２１の下方に位置する第２流路３２２へと開口３２１ａを介して落下する。第２流路３２２では、第１流路３２１から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図３中の右側から左側へと流れ、第２流路３２２の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２２ａを介して、第２流路３２２の下方に位置する第３流路３２３へと落下する。第３流路３２３では、第２流路３２２から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図３中の左側から右側へと流れ、第３流路３２３の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２３ａを介して、第３流路３２３の下方に位置する第４流路３２４へと落下する。図３に示すように、第１流路３２１〜第４流路３２４では、混合流体７２は、気泡を含む液体の層と、その上方に位置する気体の層に分かれている。
第４流路３２４では、第３流路３２３から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図３中の右側から左側へと流れ、第４流路３２４の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２４ａを介して、第４流路３２４の下方に位置する第５流路３２５へと流入（すなわち、落下）する。第５流路３２５では、第１流路３２１〜第４流路３２４とは異なり、気体の層は存在しておらず、第５流路３２５内に充満する液体内において、第５流路３２５の上面近傍に気泡が僅かに存在する状態となっている。第５流路３２５では、第４流路３２４から流入した混合流体７２が加圧環境下にて図３中の左側から右側へと流れる。
加圧液生成部３では、加圧液生成容器３２の流路３２１〜３２５を、段階的に緩急を繰り返しつつ上から下に流れ落ちる（すなわち、水平方向への流れと下方向への流れとを交互に繰り返しつつ流れる）混合流体７２において、気体が液体に徐々に加圧溶解する。第５流路３２５においては、液体中に溶解している気体の濃度は、加圧環境下における当該気体の（飽和）溶解度の６０％〜９０％にほぼ等しい。そして、液体に溶解しなかった余剰の気体が、第５流路３２５内において、視認可能な大きさの気泡として存在している。
加圧液生成容器３２は、第５流路３２５の下流側の上面から上方へと延びる余剰気体分離部３２６をさらに備え、余剰気体分離部３２６には混合流体７２が充満している。余剰気体分離部３２６の上下方向に垂直な断面は略矩形であり、余剰気体分離部３２６の上端部は、圧力調整用の絞り部３２７を介して補助配管４２に接続される。第５流路３２５を流れる混合流体７２の気泡は、余剰気体分離部３２６内を上昇して混合流体７２の一部と共に補助配管４２に流れ込む。
このようにして、混合流体７２の余剰な気体が混合流体７２の一部と共に分離されることにより、少なくとも容易に視認できる大きさの気泡を実質的に含まない加圧液７１が生成され、第５流路３２５の下流側の端部に接続された送出配管４１へと送出される。本実施の形態では、加圧液７１には、大気圧下における気体の（飽和）溶解度の約２倍以上の気体が溶解している。加圧液生成容器３２において流路３２１〜３２５を流れる混合流体７２の液体は、生成途上の加圧液７１と捉えることもできる。補助配管４２に流入した混合流体７２は、液貯留部４５内の対象液９０へと導かれる。補助配管４２は、長時間ポンプ４４を稼働した場合における対象液９０の減少を防止するための補助流路として機能する。
第１流路３２１の上方には、排気弁６１も設けられる。排気弁６１は、ポンプ４４の停止時に開放され、混合流体７２が混合ノズル３１へと逆流することを防止する。
図５は、微細気泡生成ノズル２を拡大して示す断面図である。微細気泡生成ノズル２は、送出配管４１から加圧液７１が流入する加圧液流入口２１と、対象液９０に向かって開口する加圧液噴出口２２とを備える。加圧液流入口２１および加圧液噴出口２２はそれぞれ略円形であり、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かうノズル流路２０の流路断面も略円形である。
微細気泡生成ノズル２は、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かって順に連続して配置される導入部２３と、テーパ部２４と、喉部２５とを備える。導入部２３では、流路面積は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２方向の各位置においてほぼ一定である。テーパ部２４では、加圧液７１の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。テーパ部２４の内面は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする略円錐面の一部である。当該中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αは、１０°以上９０°以下であることが好ましい。
喉部２５は、テーパ部２４と加圧液噴出口２２とを連絡する。喉部２５の内面は略円筒面であり、喉部２５では、流路面積はほぼ一定である。喉部２５における流路断面の直径は、ノズル流路２０において最も小さく、喉部２５の流路面積は、ノズル流路２０において最も小さい。喉部２５の長さは、好ましくは、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下であり、より好ましくは、１．５倍以上２倍以下である。なお、ノズル流路２０では、喉部２５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部２５と捉えられる。
微細気泡生成ノズル２は、また、喉部２５に連続して設けられ、加圧液噴出口２２の周囲を加圧液噴出口２２から離間して囲む拡大部２７と、拡大部２７の端部に設けられた拡大部開口２８とを備える。加圧液噴出口２２と拡大部開口２８との間の流路２９は、加圧液噴出口２２の外部に設けられた流路であり、以下、「外部流路２９」という。外部流路２９の流路断面および拡大部開口２８は略円形であり、外部流路２９の流路面積はほぼ一定である。外部流路２９の直径は、喉部２５の直径（すなわち、加圧液噴出口２２の直径）よりも大きい。
以下の説明では、拡大部２７の内周面の加圧液噴出口２２側のエッジと加圧液噴出口２２のエッジとの間の円環状の面を、「噴出口端面２２１」という。本実施の形態では、ノズル流路２０および外部流路２９の中心軸Ｊ２と噴出口端面２２１との成す角度は約９０°である。また、外部流路２９の直径は１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外部流路２９の長さは、外部流路２９の直径におよそ等しい。微細気泡生成ノズル２では、加圧液流入口２１とは反対側の端部に、凹部である外部流路２９が形成され、当該凹部の底部に、当該底部よりも小さい開口である加圧液噴出口２２が形成されている、と捉えられる。拡大部２７では、加圧液噴出口２２と液貯留部４５内の対象液９０との間における加圧液７１の流路面積が拡大される。
微細気泡生成ノズル２では、加圧液流入口２１からノズル流路２０に流入した加圧液７１が、テーパ部２４において徐々に加速されつつ喉部２５へと流れ、喉部２５を通過して加圧液噴出口２２から噴流として噴出される。喉部２５における加圧液７１の流速は、好ましくは秒速１０ｍ〜３０ｍであり、本実施の形態では、秒速約２０ｍである。喉部２５では、加圧液７１の静圧が低下するため、加圧液７１中の気体が過飽和となって微細気泡として液中に析出する。微細気泡は、加圧液７１と共に拡大部２７の外部流路２９を通過して、液貯留部４５中の対象液９０中へと拡散する。微細気泡生成ノズル２では、加圧液７１が外部流路２９を通過する間にも、微細気泡の析出が生じる。微細気泡生成ノズル２にて生成される微細気泡は、直径が１μｍ未満の微細気泡である。なお、微細気泡生成ノズル２からの液体および微細気泡の噴出が停止されている場合、外部流路２９は対象液９０により満たされる。
以上に説明したように、微細気泡生成ノズル２では、加圧液７１の流れる方向に向かって流路面積が漸次減少するテーパ部２４、および、ノズル流路２０において流路面積が最も小さい喉部２５が設けられることにより、微細気泡、特に、直径が１μｍ未満の微細気泡を安定して大量に生成することができる。ナノサイト社（NanoSight Limited）のＬＭ１０およびＬＭ２０による計測では、微細気泡生成ノズル２により、直径が約１００ｎｍを中心として１μｍ未満の範囲に分布する微細気泡が、対象液９０中に１ｍＬ（ミリリットル）当たり１億個以上生成される。この値は、対象液を循環させることなく生成した場合の個数である。以下の説明では、微細気泡生成ノズル２により生成された微細気泡の１ｍＬ当たりの個数を、「微細気泡の生成密度」という。実際には、対象液を多数回循環させることにより、微細気泡の生成密度は上昇する。
微細気泡生成ノズル２では、加圧液噴出口２２の周囲を囲む拡大部２７が設けられることにより、液貯留部４５内における対象液９０の流れが、加圧液噴出口２２から噴出された直後の加圧液７１に対して影響を与えることを抑制することができる。これにより、加圧液噴出口２２からの噴出直後の加圧液７１においても、微細気泡の析出が安定して行われるため、微細気泡をより安定して大量に生成することができる。
上述のように、微細気泡生成ノズル２では、テーパ部２４の内面が、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする円錐面の一部であり、中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αが９０°以下である。これにより、微細気泡をより安定して大量に生成することができる。また、微細気泡生成ノズル２の導入部２３および喉部２５の直径を維持しつつ微細気泡生成ノズル２の長さを短くするという観点からは、テーパ部２４の内面の成す角度αは１０°以上であることが好ましい。
微細気泡生成ノズル２では、喉部２５の長さが、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下である。喉部２５の長さが直径の１．１倍以上であることにより、微細気泡をより安定して大量に生成することができる。例えば、喉部２５の長さが直径の０．５３倍である場合の微細気泡の生成密度（非循環時）は約５６００万個であるのに対し、喉部２５の長さが直径の１．５７倍である場合の微細気泡の生成密度は約１１０００万個である。また、喉部２５の長さが直径の１０倍以下であることにより、喉部２５において加圧液７１に生じる抵抗が過剰に大きくなることを防止することができるとともに、喉部２５の高精度な形成を容易とすることもできる。微細気泡をより一層安定して大量に生成するという観点からは、喉部２５の長さが直径の１．５倍以上２倍以下であることが、さらに好ましい。
微細気泡液生成部１１にて生成される初期液体９１としては、１ｍＬ当たり２０００万個以上の微細気泡を含む液体であることが好ましい。初期液体９１の段階で微細気泡の生成密度は高い方が好ましいため、初期液体９１では、１ｍＬ当たり１億個以上の微細気泡を含むことがさらに好ましい。
図６は、気化部１２の構成を示す図である。気化部１２は、初期液体９１が注ぎ込まれる気化容器５１と、気化容器５１を加熱する加熱部５２と、減圧部５３とを備える。加熱部５２は、ヒータ５２１と、加熱容器５２２と、温度調整部５２３と、温度計５２４とを備える。加熱容器５２２には、水などの液体が予め貯溜される。気化容器５１は、加熱容器５２２内の液体に浸漬される。実際には、気化容器５１を加熱容器５２２内にて回転させる回転部がさらに設けられる。加熱容器５２２には、液体の温度を測定する温度計５２４が配置される。温度調整部５２３は、温度計５２４からの測定値を参照してヒータ５２１の発熱を制御する。これにより、気化容器５１の温度が一定に保たれる。減圧部５３は、設定した圧力へと気化容器５１の内部を減圧する。
初期液体９１が気化容器５１に注入されると、気化容器５１の回転が開始され、さらに、減圧部５３による初期液体９１の周囲の減圧および加熱部５２による初期液体９１の加熱が行われる。最初の段階では、気化容器５１内の圧力は、目標値よりも大きな値に設定される。例えば、気化容器５１内は、１５０ｍｂａｒ、６０℃に維持される。気化容器５１内では初期液体９１からの脱気が生じる。その後、圧力は目標値、例えば、７０ｍｂａｒに設定される。初期液体９１の周囲が７０ｍｂａｒに減圧された直後は、若干の沸騰が生じるが、やがて沸騰は生じなくなる。
上記圧力および温度を維持することにより、沸騰することなく初期液体９１の気化が継続される。初期液体９１の体積は徐々に減少し、高密度微細気泡液９２が取得される。沸騰させることなく水を気化させることにより微細気泡の密度が上昇する理由は不明であるが、上記手法により、従来得ることができなかった高密度微細気泡液を容易に取得することができる。また、減圧および加熱により効率よく気化を行うことができる。
次に、気化により高密度微細気泡液が取得可能であることを証明する実験結果について説明する。
図７は、初期液体を気化させた際の微細気泡の密度の変化を示すグラフである。菱形のドットは、測定値を示す。破線は、微細気泡の全数が変化しないと仮定した場合における、液体の体積の減少による微細気泡の密度の増加の理論値を示す。測定値と理論値とは非常によく一致する。このことから、微細気泡を含む液体を気化させて体積を減少させても、微細気泡の総数は減少しないことが判る。また、１ｍＬ当たり１００億個を超える高密度微細気泡液が容易に取得可能であることも判る。なお、超純水にて２００倍に希釈してからナノサイト社のＮＳ５００を使用して測定を行っている。
図８．Ａは、ナノサイト社の上記装置による初期液体の測定結果を示すグラフであり、図８．Ｂは濃縮後の測定結果を示すグラフである。上記装置では、動的光散乱法により測定が行われる。符号６１は、気泡径と単位体積当たりの個数（密度）との関係を示し、符号６２は、気泡径に対する累積個数を示す。縦軸は、これらのグラフの高さが等しくなるように若干調整している。これらのグラフの形状がほぼ同じであることからも、微細気泡を含む水を気化させても微細気泡の総数がほぼ変化しないことが推定される。
図９．Ａは、３７億個／ｍＬの微細気泡が存在すると測定された段階での微細気泡の画像である。液体を希釈した後ににレーザを照射することにより、微細気泡のブラウン運動を直接観察することができる。図９．Ｂは、１１０億個／ｍＬの微細気泡が存在すると測定された段階で、液体を同様に希釈して得られる微細気泡の画像である。これらの画像からも、微細気泡の密度が増加していることが確認される。
図１０は、レーザ回折・散乱光法による測定結果を示すグラフである。符号６３は初期液体９１に対応し、符号６４は高密度微細気泡液９２に対応する。この測定方法では、希釈なしで微細気泡の密度を測定することができる。センサの素子番号６６〜７０に対応する値は、微細気泡の数に起因する出力値である。この測定結果においても、初期液体を１０倍に濃縮することにより、出力値が約１０倍となる。その結果、初期液体９１の一部を気化しても微細気泡の総数は大きくは減少しないことが判る。
図１１は、高密度微細気泡液生成装置１の他の例を示す図である。微細気泡液の生成の流れは図２と同様である。
図１１の高密度微細気泡液生成装置１は、微細気泡液生成部１１と、濾過部１５と、第１貯溜部１３と、第２貯溜部１４とを含む。微細気泡液生成部１１は図１と同様であり、初期液体９１を生成する（ステップＳ１１）。そして、目標密度が設定され（ステップＳ１２）、初期液体９１の気泡密度が測定される（ステップＳ１３）。初期液体９１の気泡密度が目標密度未満の場合（ステップＳ１４）、初期液体９１は、第１貯溜部１３から濾過部１５に導入され、高密度微細気泡液９２が第２貯溜部１４に得られる（ステップＳ１５）。初期液体９１の気泡密度が目標密度以上の場合、初期液体９１に微細気泡を含まない液体が加えられ、目標密度の微細気泡液が取得される（ステップＳ１６）。この場合、濾過部１５は利用されない。正確には、初期液体９１の気泡密度と目標密度との差が許容範囲内の場合、ステップＳ１５およびＳ１６は実行されない。
図１２は、濾過部１５を示す図である。濾過部１５は、第１導入路７１１と、第２導入路７１２と、後方排出路７１９と、第１フィルタ７２１と、第２フィルタ７２２とを備える。第１フィルタ７２１および第２フィルタ７２２は、濾過フィルタであり、例えば、メンブレンフィルタ、単孔膜、限外濾過フィルタ、精密濾過膜、逆浸透膜である（図１３のフィルタ７２１〜７２３において同様）。フィルタの特性としては、例えば、第１フィルタ７２１は、直径が２００ｎｍよりも大きい微細気泡を通さず、他の微細気泡を通す。第２フィルタ７２２は、直径が６０ｎｍよりも大きい微細気泡を通さず、他の微細気泡を通す。
第１導入路７１１には、不要気泡排出路７３９と、第１洗浄流出路７３１とが接続される。第２導入路７１２には、微細気泡液排出路７４１と、第１洗浄流入路７３２と、第２洗浄流出路７３３とが接続される。後方排出路７１９には、第２洗浄流入路７３４が接続される。
不要気泡排出路７３９、第１洗浄流出路７３１、第１洗浄流入路７３２、第２洗浄流出路７３３および第２洗浄流入路７３４には、それぞれ弁７５９、７５１〜７５４が設けられる。微細気泡液排出路７４１には、絞り弁７６１が設けられる。弁７５９、７５１〜７５４は、通常状態では閉じている。
初期液体９１は、第１貯溜部１３から第１導入路７１１を経由して第１フィルタ７２１へと導かれる。第１フィルタ７２１では、径が大きい微細気泡は透過せず、径が小さい微細気泡のみが第１フィルタ７２１を透過して第２導入路７１２へと導かれる。径が大きい微細気泡は、不要気泡排出路７３９へと移動する。不要気泡排出路７３９上の弁７５９は定期的に開かれ、不要気泡排出路７３９に蓄積された気体が排出される。
第１フィルタ７２１を透過した初期液体９１は、第２導入路７１２により第２フィルタ７２２へと導かれる。第２フィルタ７２２の濾過粒度は、第１フィルタ７２１の濾過粒度よりも小さい。第２フィルタ７２２では、多くの微細気泡は透過せず、ほぼ液体のみが透過する。なお、フィルタの濾過粒度とフィルタが透過する微細気泡の直径とは一致するとは限らない。
初期液体９１の一部が第２フィルタ７２２を透過した後の初期液体９１の残部は、微細気泡と共に微細気泡液排出路７４１へと導かれる。その結果、微細気泡液排出路７４１から、直径が６０ｎｍ〜２００ｎｍの高密度微細気泡液が第２貯溜部１４へと排出される。図８．Ａに示すように、本実施の形態における微細気泡液生成部１１では、直径６０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の微細気泡が最も多く生成されるため、高密度微細気泡液の気泡密度は極めて高くなる。
第２フィルタ７２２を透過した液体は、後方排出路７１９から排出される。後方排出路７１９からの液体は、必要に応じて、超微細な気泡を含む液体として取得されてもよい。ここで、絞り弁７６１の開度が調整されることにより、第２フィルタ７２２を透過する液体の流量が制御される。これにより、高密度微細気泡液における微細気泡の密度が目標密度になるように制御することが実現される。具体的には、高密度微細気泡液の気泡密度が一定間隔で測定され、測定結果に基づいて絞り弁７６１の開度が適宜調整される。
濾過部１５では、定期的にフィルタの洗浄が行われる。第１フィルタ７２１の洗浄時には、第１導入路７１１の入口および後方排出路７１９の出口が閉じられ、さらに、第１洗浄流出路７３１および第１洗浄流入路７３２の弁７５１，７５２が開けられ、他の弁が閉じられる。第１洗浄流入路７３２から第１洗浄流出路７３１へと洗浄用の液体（例えば純水）が流されることにより、第１フィルタ７２１に付着している物質が第１洗浄流出路７３１から排出される。
同様に、第２フィルタ７２２の洗浄時には、第１導入路７１１の入口および後方排出路７１９の出口が閉じられ、さらに、第２洗浄流出路７３３および第２洗浄流入路７３４の弁７５３，７５４が開けられ、他の弁が閉じられる。第２洗浄流入路７３４から第２洗浄流出路７３３へと洗浄用の液体が流されることにより、第２フィルタ７２２に付着している物質が第２洗浄流出路７３３から排出される。
濾過部１５ではフィルタを利用することにより、微細気泡の密度が高い液体を容易かつ安価に生成することができる。
図１３は、濾過部１５の他の例を示す図である。濾過部１５では、互いに大きさの異なる微細気泡を含む複数種類の高密度微細気泡液が取得される。図１３の例では、３つの大きさの微細気泡を含む高密度微細気泡液が３つの第２貯溜部１４（図示省略）にそれぞれ取得される。
濾過部１５は、第１導入路７１１と、第２導入路７１２と、第３導入路７１３と、後方排出路７１９と、第１フィルタ７２１と、第２フィルタ７２２と、第３フィルタ７２３とを備える。第１フィルタ７２１、第２フィルタ７２２および第３フィルタ７２３は、濾過フィルタである。例えば、第１フィルタ７２１は、直径が５００ｎｍよりも大きい微細気泡を通さず、他の微細気泡を通す。第２フィルタ７２２は、直径が２００ｎｍよりも大きい微細気泡を通さず、他の微細気泡を通す。第３フィルタ７２３は、直径が６０ｎｍよりも大きい微細気泡を通さず、他の微細気泡を通す。
第１導入路７１１には、第１洗浄流出路７３１と、第１微細気泡液排出路７４１とが接続される。第２導入路７１２には、第１洗浄流入路７３２と、第２洗浄流出路７３３と、第２微細気泡液排出路７４２とが接続される。第３導入路７１３には、第２洗浄流入路７３４と、第３洗浄流出路７３５、第３微細気泡液排出路７４３とが接続される。後方排出路７１９には、第３洗浄流入路７３６が接続される。
第１洗浄流出路７３１、第１洗浄流入路７３２、第２洗浄流出路７３３、第２洗浄流入路７３４、第３洗浄流出路７３５および第３洗浄流入路７３６には、それぞれ弁７５１〜７５６が設けられる。第１微細気泡液排出路７４１、第２微細気泡液排出路７４２および第３微細気泡液排出路７４３には、それぞれ絞り弁７６１〜７６３が設けられる。弁７５１〜７５６は、通常状態では閉じている。
初期液体９１は、第１貯溜部１３から第１導入路７１１を経由して第１フィルタ７２１へと導かれる。第１フィルタ７２１では、径が大きい微細気泡は透過せず、径が小さい微細気泡のみが第１フィルタ７２１を透過して第２導入路７１２へと導かれる。初期液体９１の一部が第１フィルタ７２１を透過した後の初期液体９１の残部は、微細気泡と共に第１微細気泡液排出路７４１へと導かれる。その結果、第１微細気泡液排出路７４１から高密度微細気泡液が排出される。
第１フィルタ７２１を透過した初期液体９１（以下、「濾液」という。）は、第２導入路７１２により第２フィルタ７２２へと導かれる。第２フィルタ７２２の濾過粒度は、第１フィルタ７２１の濾過粒度よりも小さい。第２フィルタ７２２では、相対的に径が大きい微細気泡は透過しない。第１フィルタ７２１からの濾液の一部が第２フィルタ７２２を透過した後の濾液の残部は、微細気泡と共に第２微細気泡液排出路７４２へと導かれる。その結果、第２微細気泡液排出路７４２から高密度微細気泡液が排出される。
第２フィルタ７２２を透過した後の濾液は、第３導入路７１３により第３フィルタ７２３へと導かれる。第３フィルタ７２３の濾過粒度は、第２フィルタ７２２の濾過粒度よりも小さい。第３フィルタ７２３では、多くの微細気泡は透過せず、ほぼ液体のみが透過する。濾液の一部が第３フィルタ７２３を透過した後の濾液の残部は、微細気泡と共に第３微細気泡液排出路７４３へと導かれる。その結果、第３微細気泡液排出路７４３から高密度微細気泡液が排出される。
第３フィルタ７２３を透過した液体は、後方排出路７１９から排出される。後方排出路７１９からの液体は、必要な場合は、超微細な気泡を含む液体として取得されてもよい。上記作用により、第１微細気泡液排出路７４１から最も大きい微細気泡を含む高密度微細気泡液が排出され、第２微細気泡液排出路７４２から次に大きい微細気泡を含む高密度微細気泡液が排出され、第３微細気泡液排出路７４３から最も小さい微細気泡を含む高密度微細気泡液が排出される。これらの高密度微細気泡液は、３つの第２貯溜部１４にそれぞれ貯溜される。
ここで、絞り弁７６１〜７６３の開度が調整されることにより、第１ないし第３フィルタ７２１〜７２３を透過する液体の流量が制御される。これにより、各高密度微細気泡液における微細気泡の密度を制御することが実現される。なお、図１２の場合と同様に、さらに前段にフィルタを設け、径が非常に大きい不要な微細気泡が予め不要気泡排出路から除去されてもよい。
濾過部１５では、定期的にフィルタの洗浄が行われる。図１２の場合と同様に、第１フィルタ７２１の洗浄時には、第１導入路７１１の入口および後方排出路７１９の出口が閉じられ、さらに、第１洗浄流出路７３１および第１洗浄流入路７３２の弁７５１，７５２が開けられ、他の弁が閉じられる。第１洗浄流入路７３２から第１洗浄流出路７３１へと洗浄用の液体（例えば純水）が流されることにより、第１フィルタ７２１に付着している物質が第１洗浄流出路７３１から排出される。
同様に、第２フィルタ７２２の洗浄時には、第２洗浄流出路７３３および第２洗浄流入路７３４の弁７５３，７５４が開けられ、他の弁が閉じられる。第２洗浄流入路７３４から第２洗浄流出路７３３へと洗浄用の液体が流される。第３フィルタ７２３の洗浄時には、第３洗浄流出路７３５および第３洗浄流入路７３６の弁７５５，７５６が開けられ、他の弁が閉じられる。第３洗浄流入路７３６から第３洗浄流出路７３５へと洗浄用の液体が流される。
濾過部１５ではフィルタを利用することにより、所望の大きさの微細気泡を高い密度で含む液体を容易かつ安価に生成することができる。
以上、高密度微細気泡生成装置および微細気泡生成方法について説明したが、この技術は様々な変形が可能である。
混合ノズル３１にて気体と混合される液体は、完全な水には限定されず、水を主成分をする液体であってもよい。例えば、添加物や不揮発性の液体が添加された水であってもよい。また、液体は、例えば、エチルアルコールなども利用可能と考えられる。微細気泡を形成する気体は、空気には限定されず、窒素や他の気体でもよい。もちろん、液体に対して不溶性または難溶性の気体であることは必要である。
微細気泡液生成部１１の構造は様々に変更されてよく、さらには、異なる構造のものが使用されてもよい。例えば、微細気泡生成ノズル２は、複数の加圧液噴出口２２を備えてもよい。微細気泡生成ノズル２と加圧液生成部３との間に圧力調整弁が設けられ、微細気泡生成ノズル２に与えられる圧力が高精度にて一定に維持されてもよい。加圧液生成容器３２の流路の断面形状は、円形でもよい。気体と液体との混合には、機械的攪拌等の他の手段が利用されてもよい。
初期液体９１は、購入等により他者から供給されてもよい。初期液体９１の生成と濃縮とは、地理的に離れた場所で行われてもよい。この場合、高密度微細気泡液生成装置１では、微細気泡液生成部１１は不要である。
微細気泡の密度は、液体の気化により高くなるが、液体の沸騰は避けることが好ましい。ただし、完全に沸騰が避けられる必要はなく、微細気泡の消滅が抑制されるのであれば多少の沸騰は許容される。例えば、液体の気化に要する時間の一部において、または、液体の極一部において、沸騰が生じてもよい。換言すれば、ステップＳ１５では、初期液体９１の一部を沸騰させることなく気化することにより、高密度微細気泡液９２が得られる。
濾過部１５では、濾過粒度の異なる４以上のフィルタが用いられてもよい。初期液体９１の質によっては、図１３のように不要気泡排出路７３９は、適宜省かれてよい。
濾過部１５では、フィルタには初期液体９１が流れるようにして供給される必要はない。例えば、貯溜部の下部にフィルタを設け、貯溜部に初期液体９１を貯留する。初期液体９１の一部がフィルタを透過することにより、高密度微細気泡液がフィルタ上に得られる。
高密度微細気泡液は、従来の微細気泡液に対してこれまでに提案されている様々な用途に利用されてよい。新規な分野に利用されてもよく、想定される利用分野は多岐に亘る。例えば、食品、飲料、化粧品、薬品、医療、植物栽培、半導体装置、フラットパネルディスプレイ、電子機器、太陽電池、二次電池、新機能材料、放射性物質除去等である。また、高密度微細気泡液を輸送先にて希釈することにより、微細気泡を含む液の輸送コストを削減することができる。
上記実施形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。
１ 高密度微細気泡生成装置
１１ 微細気泡液生成部
１２ 気化部
１３ 第１貯溜部
１５ 濾過部
９１ 初期液体
９２ 高密度微細気泡液
７１１ 第１導入路
７１２ 第２導入路
７１３ 第３導入路
７２１ 第１フィルタ
７２２ 第２フィルタ
７２３ 第３フィルタ
７４１ （第１）微細気泡液排出路
７４２ 第２微細気泡液排出路
７４３ 第３微細気泡液排出路
Ｓ１１〜Ｓ１６ ステップ

Claims (10)

  1. 高密度微細気泡液生成方法であって、
    ａ）直径が１μｍ未満の微細気泡を含む初期液体を準備する工程と、
    ｂ）前記初期液体の一部を気化して高密度微細気泡液を得る工程と、
    を備えることを特徴とする高密度微細気泡液生成方法。
  2. 請求項１に記載の高密度微細気泡液生成方法であって、
    前記工程ｂ）において、前記初期液体が加熱され、周囲が減圧されることを特徴とする高密度微細気泡液生成方法。
  3. 高密度微細気泡液生成方法であって、
    ａ）直径が１μｍ未満の微細気泡を含む初期液体を準備する工程と、
    ｂ）濾過フィルタに前記初期液体の一部を透過させ、前記初期液体の残部である高密度微細気泡液を得る工程と、
    ｃ）前記濾過フィルタよりも濾過粒度が小さい他の濾過フィルタに、前記濾過フィルタからの濾液の一部を透過させ、前記濾液の残部を得る工程と、
    を備えることを特徴とする高密度微細気泡液生成方法。
  4. 請求項３に記載の高密度微細気泡液生成方法であって、
    前記濾過フィルタが、直径が２００ｎｍより大きい微細気泡を通さず、
    前記他の濾過フィルタが、直径が６０ｎｍより大きい微細気泡を通さないことを特徴とする高密度微細気泡液生成方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の高密度微細気泡液生成方法であって、
    前記工程ａ）が、前記初期液体を生成する工程を含むことを特徴とする高密度微細気泡液生成方法。
  6. 高密度微細気泡液生成装置であって、
    直径が１μｍ未満の微細気泡を含む初期液体を貯溜する貯溜部と、
    前記初期液体の一部を気化して高密度微細気泡液を得る気化部と、
    を備えることを特徴とする高密度微細気泡液生成装置。
  7. 請求項６に記載の高密度微細気泡液生成装置であって、
    前記気化部が、
    前記初期液体を加熱する加熱部と、
    前記初期液体の周囲を減圧する減圧部と、
    を備えることを特徴とする高密度微細気泡液生成装置。
  8. 高密度微細気泡液生成装置であって、
    直径が１μｍ未満の微細気泡を含む初期液体を貯溜する貯溜部と、
    濾過部と、
    を備え、
    前記濾過部が、
    濾過フィルタと、
    前記初期液体を前記濾過フィルタへと導く導入路と、
    前記初期液体の一部が前記濾過フィルタを透過した後の前記初期液体の残部である高密度微細気泡液を排出する排出路と、
    前記濾過フィルタよりも濾過粒度が小さい他の濾過フィルタと、
    前記濾過フィルタを透過した後の濾液を前記他の濾過フィルタに導く他の導入路と、
    前記濾液の一部が前記他の濾過フィルタを透過した後の前記濾液の残部を排出する他の排出路と、
    を備えることを特徴とする高密度微細気泡液生成装置。
  9. 請求項８に記載の高密度微細気泡液生成装置であって、
    前記濾過フィルタが、直径が２００ｎｍより大きい微細気泡を通さず、
    前記他の濾過フィルタが、直径が６０ｎｍより大きい微細気泡を通さないことを特徴とする高密度微細気泡液生成装置。
  10. 請求項６ないし９のいずれかに記載の高密度微細気泡液生成装置であって、
    前記初期液体を生成する微細気泡液生成部をさらに備えることを特徴とする高密度微細気泡液生成装置。
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