JP6270402B2 - 気体含有液生成装置および気体含有液噴射機構 - Google Patents

気体含有液生成装置および気体含有液噴射機構 Download PDF

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Description

本発明は、気体含有液生成装置および気体含有液噴射機構に関し、例えば、ナノバブル水の生成用に適用されるものである。
近年、マイクロバブルを含有するマイクロバブル水や、マイクロバブルよりも微細なナノバブルを含有するナノバブル水が、様々な技術分野で注目されている。マイクロバブルやナノバブルの定義として明確な定義はないが、一般に、マイクロバブルとは、粒径（直径）が１μｍから１００μｍ程度の気泡を指し、ナノバブルとは、粒径（直径）が１μｍ未満の気泡を指す（特許文献１を参照）。
特開２０１１−２１８３０８号公報
一般に、マイクロバブルやナノバブルなどの気泡は、気体と液体とを混合して気体含有液を生成し、気体含有液を噴射することにより生成される。近年の研究により、気泡は、気体含有液中に気泡核が生成された後、気泡核同士が結合することで生成されることが分かってきた。気泡核とは、気泡になる前の気体分子が液体分子から離れて集合した集合体である。また、多数の気泡核を含有する気体含有液からは、ナノバブルのような微細な気泡を多数生成できることも分かってきた。
気体含有液を種々の用途に使用する場合、気泡は微細であることが望ましく、気体含有液は、微細な気泡を多数（すなわち高濃度に）含有していることが望ましい。理由は、微細な気泡は、気体含有液中で長時間持続するからである。微細な気泡を高濃度に含有する気体含有液は、上述のように、気泡核を高濃度に含有している気体含有液から生成可能である。よって、気体含有液中に多数の気泡核を生成し、微細な気泡を高濃度に含有する気体含有液を生成可能な手法を実現することが求められる。
そこで、本発明は、微細な気泡を高濃度に含有する気体含有液を生成可能な気体含有液生成装置および気体含有液噴射機構を提供することを課題とする。
本発明の一態様の気体含有液生成装置は、気体と液体とを混合して気体含有液を生成する気液混合部と、前記気液混合部から供給された前記気体含有液を噴射する第１の噴射部と、前記第１の噴射部から供給された前記気体含有液を噴射して、前記気体含有液中に気泡を生成する第２の噴射部とを備え、前記第１の噴射部は、前記気体含有液を収容するための収容部と、前記収容部内に前記気体含有液を噴射するための流路を有する筒状部と、前記筒状部の内壁面に、前記流路に突出するように設けられた突出部とを備える。
本発明によれば、微細な気泡を高濃度に含有する気体含有液を生成可能な気体含有液生成装置および気体含有液噴射機構を提供することが可能となる。
第１実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。 第１実施形態における気泡核の生成過程を説明するための図である。 図１の前処理部の構造を示す断面図である。 図１の気泡核生成部の構造を示す断面図である。 図１の気泡核生成部の外形を示す側面図である。 図４の突起物の構造を示す断面図である。 図４の溝形成部材の構造を示す断面図である。 第１実施形態の前処理部および気泡核生成部を一体化した装置の構造を概略的に示す断面図である。 図１の活性化部の構造を示す断面図である。 図９の圧力調整蓋の使用方法を説明するための図である。 第１実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。 図１の気体含有液生成装置により生成された気泡の粒径分布の一例を示したグラフである。 第２実施形態の気泡核生成部の構造を示す断面図である。 第３実施形態の活性化部の構造を示す断面図である。 図１４のノズルの構造を示す断面図である。 図１４のノズルの構造を示す断面図である。 第３実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。 第３実施形態の変形例の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。
図１の気体含有液生成装置は、気液混合部の例である前処理部１１と、第１の噴射部の例である気泡核生成部１２と、第２の噴射部の例である活性化部１３と、清成槽１４とを備えている。気泡核生成部１２と活性化部１３は、気体含有液噴射機構の例でもある。
前処理部１１は、気体１と液体２とを混合して、気体含有液３を生成する。気体１の例としては、酸素が挙げられる。符号１ａは、気体分子（例えば、酸素分子）を表す。液体２の例としては、水が挙げられる。符号２ａは、液体分子（例えば、水分子）を表す。
気泡核生成部１２は、前処理部１１から供給された気体含有液３を噴射して、気体含有液３中に多数の気泡核３ａを生成する。気泡核３ａは、気体分子１ａが液体分子２ａから離れて集合した集合体である。
活性化部１３は、気泡核生成部１２から供給された気体含有液３を噴射して、気体含有液３中に多数の気泡３ｂを生成する。気泡３ｂは、気泡核３ａ同士が結合することで生成される。
清成槽１４には、活性化部１３から供給された気体含有液３が貯留される。本実施形態の気体含有液生成装置は、清成槽１４に、気体含有液３として、粒径が５０〜５００ｎｍのナノバブルを高濃度に含有するナノバブル水を供給することができる。このナノバブル水の詳細については、後述する。
図２は、第１実施形態における気泡核３ａの生成過程を説明するための図である。
図２(ａ)は、前処理部１１により生成された気体含有液３を、気泡核生成部１２により処理する様子を示している。
一般に、常温常圧の条件下で気体１が液体２中に溶け込む量は、気体１や液体２の種類により上限が決まっている。この上限を超える量の気体１を液体２中に溶け込ませるためには、ポンプなどを使用して気体１を液体２中に機械的かつ強制的に溶け込ませる必要がある。このようにして得られる気体含有液３を、過飽和気体含有液と呼ぶ。
気体含有液３中に気泡核３ａを生成する際、気体含有液３として過飽和気体含有液を使用すると、多数の気泡核３ａを生成できることが判明している。そこで、本実施形態の前処理部１１は、気体含有液３として、過飽和気体含有液を生成する。過飽和気体含有液を生成可能な前処理部１１の構造については、後述する。
また、気泡核３ａは、気体含有液３に圧力変動や熱変動（温度変動）を加えることで生成されることが判明している。そこで、本実施形態の気泡核生成部１２は、気体含有液３に圧力変動を加えることにより、気泡核３ａを生成する。気体含有液３に圧力変動を加えることが可能な気泡核生成部１２の構造については、後述する。
図２(ａ)は、過飽和気体含有液である気体含有液３に、圧力変動や熱変動を加える様子を示している。気体含有液３に圧力変動を加えると、気体含有液３中に圧力が高い部分と低い部分が生じる。また、気体含有液３に熱変動を加えると、気体含有液３中に温度が高い部分と低い部分が生じる。
この場合、気体分子１ａは、圧力の低い部分や温度の高い部分に集合する。図２(ｂ)は、気体分子１ａがこれらの部分に集合する様子を示している。
その結果、図２(ｃ)に示すように、気体分子１ａが集合した集合体である気泡核３ａが生成される。気泡核３ａの生成過程のシミュレーションによれば、気泡核３ａの粒径は、０．５〜１．０ｎｍ程度であることが判明している。
以下、本実施形態の前処理部１１、気泡核生成部１２、活性化部１３の構造について説明する。
（１）第１実施形態の前処理部１１
図３は、図１の前処理部１１の構造を示す断面図である。
本実施形態の前処理部１１は、歯車駆動ポンプであり、筐体２１と、筐体２１の入口部２２と、筐体２１の出口部２３と、第１の歯車の例である駆動歯車２４と、第２の歯車の例である従動歯車２５とを備えている。
駆動歯車２４と従動歯車２５は、互いに噛み合わされており、筐体２１内に収容されている。矢印Ｅ1、Ｅ2はそれぞれ、駆動歯車２４と従動歯車２５の回転方向を示す。
本実施形態では、駆動歯車２４と従動歯車２５の回転により、入口部２２に負圧領域Ｒ1が発生する。気体１と液体２は、この負圧の作用により吸引され、筐体２２内に同時に流入する。
符号Ｒ2は、筐体２１と駆動歯車２４との間の領域を示す。領域Ｒ2は、駆動歯車２４の歯間の谷に相当する。また、符号Ｒ3は、筐体２１と従動歯車２５との間の領域を示す。領域Ｒ3は、従動歯車２５の歯間の谷に相当する。
筐体２１内に流入した気体１と液体２は、駆動歯車２４側の流れと従動歯車２５側の流れに分流され、領域Ｒ2、Ｒ3を通過し、出口部２３で再び合流し、気体含有液３として筐体２１から排出される。気体１と液体２は、領域Ｒ2、Ｒ3を通過する際に、駆動歯車２４および従動歯車２５の作用により、混合され、撹拌され、加圧される。領域Ｒ2、Ｒ3内は高圧であるため、気体１が液体２中に溶け込みやすい。
本実施形態では、駆動歯車２４側の流れと従動歯車２５側の流れが、出口部２３の衝突領域Ｒ4で衝突して合流する。この衝突も、気体１の液体２中への溶け込みを促進するように作用する。合流した気体含有液３は、筐体２１から排出され、気泡核生成部１２へと圧送される。
以上のように、本実施形態の前処理部１１は歯車駆動ポンプであるため、気体１を液体２中に機械的かつ強制的に溶け込ませることができる。よって、本実施形態によれば、気体含有液３として、過飽和気体含有液を生成することができる。
また、本実施形態の前処理部１１は歯車駆動ポンプであり、出口部２３に駆動歯車２４と従動歯車２５の歯と谷が交互に現れることから、気体含有液３を間欠的に圧送することができる。その結果、圧送される気体含有液３の流れに波のような変動が生じ、気体含有液３中に圧力が高い部分と低い部分が生じる。これは、気泡核生成部１２において、気泡核３ａを生成しやすくする効果を有する。
また、本実施形態の前処理部１１は歯車駆動ポンプであるため、通常のポンプに比べ、気体１や液体２の特性や周囲の圧力の影響を受けにくく、制御性が良いという利点や、部品の点数が少なく、保守性が良いという利点がある。
（２）第１実施形態の気泡核生成部１２
図４は、図１の気泡核生成部１２の構造を示す断面図である。図５は、図１の気泡核生成部１２の外形を示す側面図である。以下、図４を参照して、気泡核生成部１２の構造について説明する。
本実施形態の気泡核生成部１２は、図４に示すように、収容ケース３１と、筒状部３２と、入口部３３と、出口部３４と、軸部材３５と、螺旋流路３６と、１つ以上の突起物３７と、溝形成部材３８とを備えている。収容ケース３１は、収容部の例である。突起物３７と溝形成部材３８は、突出部の例である。
収容ケース３１は、気体含有液３を収容するための部材であり、第１の部材の例である下部ケース３１ａと、第２の部材の例である上部ケース３１ｂとを有している。
下部ケース３１ａは、筒状部３２の外壁面を包囲するように筒状部３２に取り付けられており、下部ケース３１ａの底部を筒状部３２が貫通している。下部ケース３１ａは、気体含有液３を排出するための出口部３４を底部付近に備えている。
上部ケース３１ｂは、筒状部３２の先端付近において下部ケース３１ａに取り付けられており、下部ケース３１ａに対して着脱可能である。本実施形態では、上部ケース３１ｂを取り外すことにより、気泡核生成部１２の内部をメンテナンスすることができる。
筒状部３２は、収容ケース３１内に気体含有液３を噴射するための流路を有する部材である。この流路は、筒状部３２の内壁面により包囲されている。符号Ａは、筒状部３２の中心軸を示す。筒状部３２は、前処理部１１から排出された気体含有液３を取り込むための入口部３３を末端に有し、取り込んだ気体含有液３を先端から噴射する。
筒状部３２は、先端部分にラッパ形状部３２ａを有している。筒状部３２の内径は、全体的にほぼ一様であるが、ラッパ形状部３２ａの内径は、流路の下流に進むほど広く設定されている。ラッパ形状部３２ａには、気体含有液３を広範囲に噴射できるという利点がある。本実施形態では、中心軸Ａに対するラッパ形状部３２ａの内壁面の傾斜角度θが、３０〜６０度に設定されている。
筒状部３２は、末端部分において複数本の螺旋流路３６に接続されている。螺旋流路３６は、軸部材３５の周囲に巻かれることで、螺旋形状を有している。螺旋流路３６は、前処理部１１から供給された気体含有液３を筒状部３２内に噴射して、筒状部３２内に気体含有液３の旋回流を形成する。旋回流には、気体含有液３を突起物３７や溝形成部材３８にぶつかりやすくし、気泡核３ａを生成しやすくする効果がある。
突起物３７と溝形成部材３８は、筒状部３２の内壁面に設けられており、筒状部３２の内壁面で包囲された流路に突出している。具体的には、突起物３７は、筒状部３２の内壁面から流路に向けて棒状に突起している。一方、溝形成部材３８には、筒状部３２の内壁面に沿って線状に延びる溝が設けられており、その結果、溝形成部材３８の溝間の部分が流路に突出している。
本実施形態では、筒状部３２内を流れる気体含有液３が突起物３７や溝形成部材３８に衝突することにより、気体含有液３内に圧力変動が生じ、気体含有液３内に多数の気泡核３ａが生成される。すなわち、本実施形態の突起物３７や溝形成部材３８は、気体含有液３に圧力変動を与える機能を有している。
図６は、図４の突起物３７の構造を示す断面図である。
図６(ａ)は、筒状部３２の軸方向（中心軸Ａに平行な方向）に垂直な断面を示し、具体的には、図４のＩ−Ｉ’線に沿った断面を示している。この断面は、第１の断面の例である。図６(ａ)は、軸方向に平行なＺ方向と、軸方向に垂直で、互いに垂直なＸ方向およびＹ方向とを示している。
図６(ａ)の断面内には、複数本の突起物３７が等間隔で配置されている。これらの突起物３７は、第１の突起物の例である。各突起物３７は、筒状部３２の内壁面に設けられた棒状部３７ａと、棒状部３７ａの先端に設けられた球状部３７ｂとを有している。これらの突起物３７の球状部３７ｂは、同一の円上に配置されている。図６(ａ)の突起物３７の本数は、奇数本（具体的には５本）に設定されている。
図６(ｂ)は、筒状部３２の軸方向に垂直な別の断面を示し、具体的には、図４のＪ−Ｊ’線に沿った断面を示している。この断面は、第１の断面と異なる第２の断面の例である。
図６(ｂ)の断面内には、図６(ａ)の断面内と同様に、複数本の突起物３７が等間隔で配置されている。これらの突起物３７は、第２の突起物の例である。図６(ｂ)の突起物３７の構造や本数は、図６(ａ)の突起物３７の構造や本数と同様である。
ただし、図６(ａ)の突起物３７と図６(ｂ)の突起物３７は、筒状部３２の軸方向に互いに重ならない位置に配置されている。具体的には、図６(ａ)の断面では、＋Ｙ方向に１本の突起物３７が位置しているのに対し、図６(ｂ)の断面では、−Ｙ方向に１本の突起物３７が位置している。このような配置には、異なる断面内の突起物３７の位置をずらすことにより、気体含有液３を突起物３７にぶつかりやすくし、気泡核３ａを生成しやすくする効果がある。
本実施形態の筒状部３２は、図４に示すように、５本の突起物３７を有する断面を４面有しており、合計２０本の突起物３７を有している。図６(ａ)の断面と図６(ｂ)の断面は、これら４面の断面のうち、それぞれ１番目と２番目の断面であり、互いに隣接する断面同士である。本実施形態では、互いに隣接する断面同士の突起物３７を、筒状部３２の軸方向に互いに重ならない位置に配置することが望ましい。例えば、１番目と３番目の断面に図６(ａ)の配置を適用し、２番目と４番目の断面に図６(ｂ)の配置を適用してもよい。
図７は、図４の溝形成部材３８の構造を示す断面図である。図７は、図４に示す矢印Ｋの部分の拡大断面図に相当する。
溝形成部材３８には、筒状部３２の内壁面に沿って線状に延びる１本以上の溝Ｖが設けられている。溝Ｖの形状は、例えば、環状または螺旋状である。溝形成部材３８は、筒状部３２と同じ部材で形成されていてもよいし、筒状部３２と異なる部材で形成されていてもよい。また、溝Ｖは、溝形成部材３８を貫通していてもよいし、溝形成部材３８を貫通していなくてもよい。本実施形態では、筒状部３２の内壁面から溝形成部材３８の頂部までの高さが、筒状部３２の内壁面から突起物３７の頂部までの高さよりも低く設定されている。
ここで、溝形成部材３８の作用により気泡核３ａが生成されるメカニズムについて説明する。高速で流れる気体含有液３が溝形成部材３８に衝突すると、液体分子（水分子）２ａ同士の水素結合が切断され、水素結合により閉じ込められていた気体分子（酸素分子）１ａが解放される。その結果、解放された気体分子１ａが集合し、気泡核３ａが生成される。なお、気体含有液３が溝形成部材３８に衝突した際の衝突熱（摩擦熱）は、気体分子１ａ同士が集合するための気体分子１ａの運動に貢献する。
次に、図４を再び参照し、気泡核生成部１２の構造の説明を続ける。
符号Ｓは、上部ケース３２ｂの内壁面を示す。本実施形態では、筒状部３２の先端付近における上部ケース３２ｂの内壁面Ｓの形状が、凹型の曲面となっている。この曲面の形状は、例えば、半球である。上部ケース３２ｂの内壁面Ｓは、筒状部３２から噴射された気体含有液３が衝突して反転する反転壁として機能する。
符号Ｇは、上部ケース３２ｂの内壁面Ｓ付近に溜まった余剰気体を示す。本実施形態では、内壁面Ｓの形状が凹型の曲面であるため、余剰気体Ｇは、内壁面Ｓの頂部付近、すなわち、中心軸Ａ付近に溜まる。しかしながら、内壁面Ｓの頂部付近の領域は、筒状部３２から噴射された気体含有液３が最も強く当たる領域である。よって、内壁面Ｓ付近に溜まった余剰気体Ｇは、気体含有液３の反転流に巻き込まれることで、気体含有液３に再溶解する。
よって、本実施形態によれば、上部ケース３２ｂの内壁面Ｓ付近に余剰気体Ｇが長時間滞留することを抑制できるため、気泡核生成部１２に、余剰気体Ｇを排出するためのバルブを設置する必要がなくなる。
また、本実施形態によれば、上部ケース３２ｂの内壁面Ｓ付近に余剰気体Ｇを溜めておいて排出する必要がなくなるため、気泡核生成部１２の設置角度を任意に設定することが可能となる。例えば、気泡核生成部１２を横向きに設置して、上部ケース３１ｂと下部ケース３１ａを同じ高さに配置してもよい。また、気泡核生成部１２を逆さまに設置して、上部ケース３１ｂを下方に、下部ケース３１ａを上方に配置してもよい。
なお、筒状部３２の先端部分にラッパ形状部３２ａを設けることには、余剰気体Ｇを反転流により巻き込みやすくなるという利点もある。
本実施形態では、筒状部３２の外壁面と下部ケース３１ａの内壁面との間の隙間が、筒状部３２から噴射された気体含有液３の流路として機能する。この流路を流れる気体含有液３は、筒状部３２等で生成された気泡核３ａを高濃度に含有している。
また、本実施形態では、筒状部３２の外壁面と下部ケース３１ａの内壁面との間の距離Ｄが、流路の下流に進むほど狭く設定されている。このような設定には、気体含有液３が下流に流れるほど、気体含有液３に高い圧力が加わるという効果がある。これは、気泡核３ａの保持に対して有効に働く。
この流路を流れる気体含有液３は、下部ケース３１ａの底部付近に設けられた出口部３４から高圧流として排出され、活性化部１３に供給される。
図８は、第１実施形態の前処理部１１および気泡核生成部１２を一体化した装置の構造を概略的に示す断面図である。
図８の装置は、取手部４１ａと開口部４１ｂとを有する筐体４１と、筐体４１内に収容された駆動モータ４２とを備えている。前処理部１１は、筐体４１内に収容されており、駆動モータ４２と接続されている。一方、気泡核生成部１２は、筐体４１の開口部４１ｂを介して、筐体４２内の前処理部１１に接続されている。気泡核生成部１２は、前処理部１１に対して着脱可能であることが望ましい。
図８の構造には、前処理部１１と気泡核生成部１２を近距離に配置できるという利点がある。その結果、前処理部１１から排出された気体含有液３中の気体含有量や液圧が低下する前に、気泡核生成部１２による処理を行い、多数の気泡核３ａを生成することが可能となる。
（３）第１実施形態の活性化部１３
図９は、図１の活性化部１３の構造を示す断面図である。
本実施形態の活性化部１３は、外部ケース５１と、内部ケース５２と、筒状部５３と、入口部５４と、噴射口５５と、発泡ノズル５６と、表面圧力調整蓋５７と、裏面圧力調整蓋５８とを備えている。
外部ケース５１と内部ケース５２は、気体含有液３を収容するための部材である。外部ケース５１と内部ケース５２の各々は、一方の端部が閉鎖され、他方の端部が開放された筒状の形状を有している。内部ケース５２は、外部ケース５１の閉鎖端と内部ケース５２の解放端とが隣接するように、外部ケース５１内に配置されている。
筒状部５３は、内部ケース５２内に気体含有液３を噴射するための流路を有する部材である。筒状部５３は、外部ケース５１の閉鎖端を貫通しており、外部ケース５１内の筒状部５３は、内部ケース５２により包囲されている。筒状部５３は、気泡核生成部１２から排出された気体含有液３を取り込むための入口部５４を末端に有し、取り込んだ気体含有液３を先端から噴射する。符号αは、筒状部５３の中心軸を示す。
筒状部５３は、末端部分において、入口部５４の下流に位置する噴射口５５と、噴射口５５の下流側に接続された１本以上の発泡ノズル５６とを有している。噴射口５５付近の内径は、筒状部５３の内径よりも狭く設定されている。また、発泡ノズル５６の内径は、噴射口５５の内径よりも狭く設定されている。よって、入口部５４から取り込まれた気体含有液３は、噴射口５５から噴射され、その後、発泡ノズル５６から筒状部５３内へと吐出される。この吐出時に、気体含有液３中に気泡３ｂが生成される。
入口部５４から取り込まれた気体含有液３は、第１圧力室Ｐ1から第２圧力室Ｐ2へと流れ、さらには、第２圧力室Ｐ2から第３圧力室Ｐ3へと流れる。第１圧力室Ｐ1は、筒状部５３の内壁面で囲まれた領域である。第２圧力室Ｐ2は、筒状部５３の外壁面と内部ケース５２の内壁面との間の領域である。第３圧力室Ｐ3は、内部ケース５２の外壁面と外部ケース５１の内壁面との間の領域である。
気体含有液３の圧力は、第２、第３圧力室Ｐ2、Ｐ3を通過中に緩やかに低下していく。よって、気泡含有液３中の気泡３ｂの濃度や粒径は、第２、第３圧力室Ｐ2、Ｐ3の通過中に安定化される。このように、気体含有液３中の気泡３ｂは主に、第１圧力室Ｐ1において生成され、第２、第３圧力室Ｐ2、Ｐ3において精泡される。
符号βは、筒状部５３の先端付近における内部ケース５２の内壁面を示す。内壁面βの形状は、凹型の曲面となっている。筒状部５３から噴射された気体含有液３は、内壁面βに衝突して反転する。内壁面βに衝突する前の気体含有液３は、マイクロバブルとナノバブルを含有しているが、マイクロバブルは、この衝突時に圧壊されてナノバブルになる。
このように、気体含有液３が内壁面βに衝突することには、気体含有液３内のマイクロバブルの濃度を低下させる作用がある。また、マイクロバブルの圧壊には、殺菌作用や有機物の分解作用があることが知られている。よって、本実施形態の活性化部１３や、殺菌や有機物の分解にも適用可能である。
符号５１ａは、外部ケース５１の閉鎖端の内壁面に設けられた筒状壁を示す。筒状壁５１ａは、内部ケース５２と筒状部５３との間に配置されている。
符号５２ａは、内部ケース５２の解放端付近に設けられた切り欠け流路を示す。第２圧力室Ｐ2と第３圧力室Ｐ3は、切り欠け流路５２ａを介してつながっている。
符号５３ａは、外部ケース５２の閉鎖端付近において、筒状部５３に設けられた小径の貫通孔を示す。貫通孔５３ａは、噴射口５５の先端と発泡ノズル５６の先端との間に形成されている。
なお、筒状壁５１ａは、切り欠け流路５２ａと貫通孔５３ａとの間の位置に配置されている。
表面圧力調整蓋５７と裏面圧力調整蓋５８は、外部ケース５１の解放端に重ねて取り付けられている。これらの圧力調整蓋５７、５８の使用方法については、図１０を参照して説明する。
図１０は、図９の圧力調整蓋５７、５８の使用方法を説明するための図である。図１０は、図９の活性化部１３をγ方向に見た様子を示している。
図１０(ａ)は、全閉時の圧力調整蓋５７、５８を示す。表面圧力調整蓋５７は、放射状に延びる複数（ここでは４つ）の開口部５７ａを有している。また、裏面圧力調整蓋５８は、表面圧力調整蓋５７と同形および同数の開口部５８ａを有している。表面圧力調整蓋５７は、裏面圧力調整蓋５８に対して回転可能である。圧力調整蓋５７、５８の全閉時には、開口部５７ａと開口部５８ａとが重ならないように、表面圧力調整蓋５７を裏面圧力調整蓋５８に対して回転させる。
図１０(ｂ)は、全開時の圧力調整蓋５７、５８を示す。圧力調整蓋５７、５８の全開時には、開口部５７ａと開口部５８ａとが完全に重なるように、表面圧力調整蓋５７を裏面圧力調整蓋５８に対して回転させる。
なお、圧力調整蓋５７、５８の部分開放時には、開口部５７ａと開口部５８ａとが部分的に重なるように、表面圧力調整蓋５７を裏面圧力調整蓋５８に対して回転させる。このようにして、活性化部１３内の圧力を調整することが可能となり、これにより、気体含有液３中の気泡３ｂの濃度や粒径を制御することが可能となる。
活性化部１３の圧力調整蓋５７、５８から排出された気体含有液３は、清成槽１４内に貯留される。
図１１は、第１実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。
本実施形態の気体含有液生成装置は、図１１に示すように、気体含有液３を流通させるための流路１０１、１０２、１０３を備えている。
流路１０１は、前処理部１１の出口部２３と気泡核生成部１２の入口部３３とを接続している。流路１０２は、気泡核生成部１２の出口部３４と活性化部１３の入口部５４とを接続している。一方、本実施形態の活性化部１３は清成槽１４内に配置されているため、活性化部１３と清成槽１４とを接続する流路は設けられていない。活性化部１３は、その圧力調整蓋５７、５８から清成槽１４内に気体含有液３を排出する。
流路１０３は、清成槽１４から排出された気体含有液３を、前処理部１１の入口部２２に供給するための流路である。この流路１０３を使用することにより、気体含有液３を再び前処理部１１に供給し、新たな気体１と気体含有液３とを前処理部１１で混合することができる。よって、本実施液形態によれば、気体含有液３を前処理部１１、気泡核生成部１２、活性化部１３、清成槽１４の順で繰り返し循環させることが可能となる。本実施形態によれば、このような循環処理により、気体含有液３中の気泡３ｂの濃度を高めることが可能となる。
（４）第１実施形態の気泡含有液３中の気泡３ｂ
図１２は、図１の気体含有液生成装置により生成された気泡３ｂの粒径分布の一例を示したグラフである。図１２は、清成槽１４内に貯留された気体含有液３中の気泡３ｂの粒径分布を示している。気体１と液体２は、ここでは酸素と水である。
一般に、ナノバブルとは、粒径が１μｍ未満の気泡を指す。しかしながら、本実施形態によれば、図１２に示すように、粒径が５０〜５００ｎｍの、一般的なナノバブルよりも微細なナノバブルを生成できることが判明した。また、本実施形態によれば、図１２に示すように、粒径が１００〜２００ｎｍと微細なナノバブルを高濃度に生成できることが判明した。これらの原因の１つとしては、気泡核生成部１２で気泡核１２を高濃度に生成したことが考えられる。また、これらのナノバブルは、内圧が高い、ゼータ電荷の保持量が多い、熱変動しにくいなどの、好ましい諸特性を有することが判明した。
以上のように、本実施形態の気体含有液生成装置は、前処理部１１と、気泡核生成部１２と、活性化部１３とを備え、気泡核生成部１２は、筒状部３２の内壁面から流路に突出した突出部（突起物３７や溝形成部材３８）を備えている。
よって、本実施形態によれば、気体含有液３中に多数の気泡核３ａを生成し、微細な気泡３ｂを高濃度に含有する気体含有液３を生成することが可能となる。
（第２実施形態）
図１３は、第２実施形態の気泡核生成部１２の構造を示す断面図である。
図１３の気泡核生成部１２は、図４に示す構成要素に加えて、超音波発振器３９を備えている。超音波発振器３９は、筒状部３２の先端付近において上部ケース３２ｂに取り付けられている。
超音波発振器３９は、気液含有液中に超音波を発振する。その結果、上部ケース３２ｂの内壁面Ｓ付近に溜まった余剰気体Ｇに超音波が照射され、余剰気体Ｇの気体含有液３中への溶解を促進することができる。さらには、超音波の作用により、気体１と液体２との分離を促進し、より多くの気泡核３ａを生成することが可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、気泡核生成部１２に超音波発振器３９を設けることにより、気体含有液生成装置が気泡核３ａや気泡３ｂを生成する性能をさらに高めることが可能となる。
（第３実施形態）
図１４は、第３実施形態の活性化部１３の構造を示す断面図である。
図１４の活性化部１３は、収容部の例である収容ケース６１と、１本以上のノズル６２と、入口部６３と、出口部６４と、フィルタ６５と、突出部の例である溝形成部材６６とを備えている。
収容ケース６１は、気体含有液３を収容するための部材である。収容ケース６１は、第１の内径を有する円筒状の第１収容部６１ａと、第１の収容部６１ａの下流側に位置し、第１の内径よりも小さい第２の内径を有する円筒状の第２収容部６１ｃと、第１収容部６１ａと第２収容部６１ｃとを連結するテーパー状の連結部６１ｂとを含んでいる。符号σは、収容ケース６１の中心軸を示す。
収容ケース６１は、気泡核生成部１２から排出された気体含有液３を取り込むための入口部６３を第１収容部６１ａに有し、取り込んだ気体含有液３を清成槽１４に排出するための出口部６４を第２収容部６１ｃに有している。本実施形態の入口部６３は、気泡核生成部１２の出口部３４に直接着脱可能なように構成されている。一方、本実施形態の出口部６４は、気体含有液３を清成槽１４に送液するためのチューブ６７を着脱可能なように構成されている。なお、チューブ６７は、送液用のその他の部材（例えばパイプ）に置き換えてもよい。
ノズル６２は、収容ケース６１内に気体含有液３を噴射するための流路を有する部材である。具体的には、ノズル６２は、第１収容部６１ａ内に配置されており、入口部６３から取り込まれた気体含有液３を出口部６４側に噴射する。ノズル６２内の流路は、ノズル６２の内壁面により包囲されている。ノズル６２と入口部６３との間には、フィルタ（整泡網）６５が設置されている。
活性化部１３の各ノズル６２は、多段ノズルであり、第１の内径を有する円筒状の第１の段６２ａと、第１の段６２ａの下流側に位置し、第１の内径よりも大きい第２の内径を有する円筒状の第２の段６２ｃと、第２の段６２ｃの下流側に位置し、第２の内径よりも大きい第３の内径を有する円筒状の第３の段６２ｅとを含んでいる。すなわち、活性化部１３の各ノズル６２は、流路の上流から順に第１から第３の段６２ａ、６２ｃ、６２ｅを含んでおり、第１から第３の段６２ａ、６２ｃ、６２ｅの第１から第３の内径は、流路の下流の段に進むほど内径が広くなるように設定されている。第１、第２、第３の内径の比は、例えば、７：１０：１５に設定されている。
各ノズル６２はさらに、第１の段６２ａと第２の段６２ｃとを連結するテーパー状の第１のラッパ形状部６２ｂと、第２の段６２ｃと第３の段６２ｅとを連結するテーパー状の第２のラッパ形状部６２ｄと、第３の段６２ｅの下流側に設けられた第３のラッパ形状部６２ｆとを含んでいる。
溝形成部材６６は、ノズル６２の内壁面に設けられており、ノズル６２の内壁面で包囲された流路に突出している。具体的には、溝形成部材６６には、ノズル６２の内壁面に沿って線状に延びる１本以上の溝が設けられており、その結果、溝形成部材６２の溝間の部分が流路に突出している。溝の形状は、例えば、環状または螺旋状である。溝形成部材６６は、ノズル６２と同じ部材で形成されていてもよいし、ノズル６２と異なる部材で形成されていてもよい。また、溝は、溝形成部材６６を貫通していてもよいし、溝形成部材６６を貫通していなくてもよい。
本実施形態のノズル６２は、溝形成部材６６が内壁面に設けられている段と、溝形成部材６６が内壁面に設けられていない段とを含んでいる。具体的には、本実施形態の溝形成部材６６は、最終段である第３の段６２ｅのみに設けられており、最終段以外の段である第１、第２の段６２ａ、６２ｃには設けられていない。その結果、上述の溝は、第１から第３の段６２ａ、６２ｃ、６２ｅのうちの第３の段６２ｅのみに設けられている。
符号Ｐ4は、収容ケース６１内におけるノズル６２と入口部６３との間の領域を示す。入口部６３から領域Ｐ4に高速で流れ込んだ気体含有液３の圧力は、領域Ｐ4において低下する。その結果、領域Ｐ4内の気体含有液３中にキャビテーション気泡が生成される。上述の気泡３ｂが、表面張力の作用により維持される通常の気泡であるのに対し、キャビテーション気泡は、気体含有液３の圧力の低下により発生し、表面張力の作用によらずに維持される空洞化気泡である。
符号Ｐ5は、収容ケース６１内におけるノズル６２と出口部６４との間の領域を示す。本実施形態においては、ノズル６２から領域Ｐ5に気体含有液３が噴射され、領域Ｐ5内の気体含有液３中に気泡３ｂが生成される。
ここで、第１から第３の段６２ａ、６２ｃ、６２ｅの機能について説明する。
第１の段６２ａは、高速かつ低圧の気体含有液３の流れを生成するための部分である。気体含有液３の高速化は、第１の径が小さいことに起因して実現され、気体含有液３の低圧化は、気体含有液３の圧力が領域Ｐ5内で低下することで実現される。なお、気体含有液３を高速化および低圧化する理由は、近時の研究結果から、気体含有液３を高速化および低圧化するほど、最終的に微細な気泡３ｂを多数生成できると考えられるためである。
第２の段６２ｃは、気体含有液３中のキャビテーション気泡を膨張させるための部分である。気体含有液３が第２の段６２ｃを通過する際、気体含有液３中の通常のマイクロバブルやナノバブルも膨張する。
第３の段６２ｅは、溝形成部材６６の溝に起因するせん断力により、キャビテーション気泡を崩壊させて、ナノバブルにするための部分である。気体含有液３が第３の段６２ｅを通過する際、気体含有液３中の通常のマイクロバブルもせん断力により崩壊し、ナノバブルになる。
本実施形態においては、第１の段６２ａと第２の段６２ｃとの境界部である第１のラッパ形状部６２ｂや、第２の段６２ｃと第３の段６２ｅとの境界部である第２のラッパ形状部６２ｄにおいて、流路の内径が急激に増加している。このような流路の内径の急激な浄化は、キャビテーション気泡等の膨張や崩壊をより起こしやすくする作用がある。
なお、活性化部１３の各ノズル６２は、流路の上流から順に、第１から第Ｎの内径（Ｎは２以上の整数）をそれぞれ有する第１から第Ｎの段を含んでいてもよい。すなわち、各ノズル６２の段数は、３段以外でもよい。この場合、第１から第Ｎの段の第１から第Ｎの内径は、流路の下流の段に進むほど内径が広くなるように設定される。また、この場合の各ノズル６２は、溝形成部材６６が内壁面に設けられている段と、溝形成部材６６が内壁面に設けられていない段とを含むように構成される。例えば、この場合の溝形成部材６６は、第１から第Ｎの段のうちの第Ｎの段のみに設けられる。
図１５は、図１４のノズル６２の構造を示す断面図である。
図１５(ａ)は、図１４のＭ−Ｍ’線に沿った断面から上向きにノズル６２を見た断面図であり、ノズル６２の第１の段６２ａの端部の形状を示している。一方、図１５(ｂ)は、図１４のＮ−Ｎ’線に沿った断面から下向きにノズル６２を見た断面図であり、ノズル６２の第３のラッパ形状部６２ｆの端部の形状を示している。
図１５(ａ)および図１５(ｂ)に示すように、本実施形態の活性化部１３は、４本のノズル６２を備え、これらのノズル６２は、収容ケース６１の中心軸σに対し点対称となるように配置されている。なお、活性化部１３のノズル６２の本数は、４本以外でもよい。
図１６は、図１４のノズル６２の構造を示す断面図である。図１６は、活性化部１３の１本のノズル６２の断面を、図１４と同じ方向から示している。
符号τは、ノズル６２の中心軸を示す。また、符号φ1は、中心軸τに対する第１のラッパ形状部６２ｂの内壁面の傾斜角度を示す。また、符号φ2は、中心軸τに対する第２のラッパ形状部６２ｄの内壁面の傾斜角度を示す。また、符号φ3は、中心軸τに対する第３のラッパ形状部６２ｆの内壁面の傾斜角度を示す。本実施形態の角度φ1、φ2、φ3はそれぞれ、３０度、４５度、２２度に設定されている。
図１７は、第３実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。
本実施形態においては、活性化部１３の入口部６３が、気泡核生成部１２の出口部３４に直接装着されている。よって、本実施形態の気体含有液生成装置は、気泡核生成部１２と活性化部１３とを接続する流路を備えていない。
一方、本実施形態の活性化部１３は、清成槽１４の外部に配置されている。よって、本実施形態の気体含有液生成装置は、活性化部１３の出口部６４から排出された気体含有液３を清成槽１４に送液するための流路１０４を備えている。上述のチューブ６７は、流路１０４の例に相当する。
なお、第１実施形態の図１１の流路１０２では、気体含有液３が高圧で送液されることになるが、第３実施形態の図１７の流路１０４では、気体含有液３が低圧で送液されることになる。
図１８は、第３実施形態の変形例の気体含有液生成装置の構成を示す概略図である。
本変形例の気体含有液生成装置は、流路１０４を流れる気体含有液３を、清成槽１４をバイパスして流路１０３に供給するためのバルブ２０１を備えている。このバルブ２０１を使用することにより、気体含有液３を前処理部１１、気泡核生成部１２、活性化部１３の順で繰り返し循環させることが可能となる。この場合、気体含有液３を清成槽１４を介して循環させる場合に比べて、気体含有液３を短時間で繰り返し循環させることが可能となる。
本変形例の気体含有液生成装置はさらに、清成槽１４から前処理部１１への気体含有液３の供給を遮断するためのバルブ２０２を備えている。バルブ２０１により気体含有液３を清成槽１４をバイパスさせる場合には、バルブ２０２を閉鎖することが望ましい。
本変形例の気体含有液生成装置はさらに、活性化部１３内の気体含有液３をノズル６２から噴射せずに活性化部１３から抽出するための流路１０５と、流路１０５上に設けられたバルブ２０３とを備えている。流路１０５は、活性化部１３の収容ケース６１内の領域Ｐ4に接続されている。活性化部１３内の気体含有液３は、バルブ２０３を開くことで、流路１０５から抽出される。
以上のように、本実施形態の気体含有液生成装置は、前処理部１１と、気泡核生成部１２と、活性化部１３とを備え、活性化部１３は、気体含有液３を噴射するための流路を有する多段型のノズル６２と、ノズル６２の内壁面から流路に突出した突出部（溝形成部材６６）とを備えている。
よって、本実施形態によれば、活性化部１３による気体含有液３の高速化、低圧化や、キャビテーション気泡の膨張、崩壊等により、微細な気泡３ｂを高濃度に含有する気体含有液３をより生成しやすくことが可能となる。
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の第１〜第３実施形態により説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。これらの実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の変更を加えて実施することができる。本発明の範囲には、このような変更を加えた形態も含まれる。
１：気体、１ａ：気体分子、２：液体、２ａ：液体分子、
３：気体含有液、３ａ：気泡核、３ｂ：気泡、
１１：前処理部、１２：気泡核生成部、１３：活性化部、１４：清成槽、
２１：筐体、２２：入口部、２３：出口部、２４：駆動歯車、２５：従動歯車、
３１：収容ケース、３２：筒状部、３３：入口部、３４：出口部、３５：軸部材、
３６：螺旋流路、３７：突起物、３８：溝形成部材、３９：超音波発振器、
４１：筐体、４１ａ：取手部、４１ｂ：開口部、４２：駆動モータ、
５１：外部ケース、５２：内部ケース、５３：筒状部、
５４：入口部、５５：噴射口、５６：発泡ノズル、
５７：表面圧力調整蓋、５８：裏面圧力調整蓋、
６１：収容ケース、６１ａ：第１収容部、６１ｂ：連結部、６１ｃ：第２収容部、
６２：ノズル、６２ａ：第１の段、６２ｂ、第１のラッパ形状部、
６２ｃ：第２の段、６２ｄ：第２のラッパ形状部、
６２ｅ：第３の段、６２ｆ：第３のラッパ形状部、６３：入口部、６４：出口部、
６５：フィルタ、６６：溝形成部材、６７：チューブ、
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５：流路、２０１、２０２、２０３：バルブ

Claims (19)

  1. 気体と液体とを混合して気体含有液を生成する気液混合部と、
    前記気液混合部から供給された前記気体含有液を噴射する第１の噴射部と、
    前記第１の噴射部から供給された前記気体含有液を噴射して、前記気体含有液中に気泡を生成する第２の噴射部とを備え、
    前記第１の噴射部は、
    前記気体含有液を収容するための収容部と、
    前記収容部内に前記気体含有液を噴射するための流路を有する筒状部と、
    前記筒状部の内壁面に、前記流路に突出するように設けられた突出部とを備え、
    前記突出部は、
    前記筒状部の内壁面から前記流路に向けて棒状に突起した１つ以上の突起物と、
    前記筒状部の内壁面に沿って線状に延びる溝が設けられた溝形成部材とを含み、
    前記筒状部の内壁面から前記溝形成部材の頂部までの高さは、前記筒状部の内壁面から前記突起物の頂部までの高さよりも低い、気体含有液生成装置。
  2. 前記突起物は、前記筒状部の軸方向に垂直な第１の断面内に配置された複数個の第１の突起物を含む、請求項１に記載の気体含有液生成装置。
  3. 前記突起物は、前記筒状部の軸方向に垂直で、前記第１の断面と異なる第２の断面内に配置された複数個の第２の突起物を含み、
    前記第１の突起物と前記第２の突起物は、前記筒状部の軸方向に互いに重ならない位置に配置されている、請求項２に記載の気体含有液生成装置。
  4. 各々の前記第１の断面内の前記第１の突起物の本数と、各々の前記第２の断面内の前記第２の突起物の本数は、奇数本である、請求項３に記載の気体含有液生成装置。
  5. 前記溝は、前記筒状部の内壁面に沿って螺旋状に延びている、請求項１から４のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  6. 前記筒状部の先端部分の内径は、前記流路の下流に進むほど広く設定されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  7. 前記筒状部の先端付近における前記収容部の内壁面の形状は、凹型の曲面である、請求項１から６のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  8. 前記筒状部の外壁面と前記収容部の内壁面との間の隙間は、前記筒状部から噴射された前記気体含有液の流路として機能し、
    前記筒状部の外壁面と前記収容部の内壁面との間の距離は、前記収容部の内壁面の内径が前記流路の下流に進むほど小さくなることで、前記流路の下流に進むほど狭く設定されている、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  9. 前記収容部は、
    前記筒状部の外壁面を包囲するように前記筒状部に取り付けられた第１の部材と、
    前記筒状部の先端付近において前記第１の部材に取り付けられており、前記第１の部材に対して着脱可能な第２の部材と、
    を含む請求項１から８のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  10. 前記筒状部は、前記気体含有液を前記筒状部内に噴射するための複数本の螺旋流路に接続されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  11. 前記第１の噴射部は、前記筒状部の先端付近において前記収容部に取り付けられた超音波発振器を備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  12. 前記気液混合部は、
    互いに噛み合わされた第１および第２の歯車と、
    前記第１および第２の歯車を収容する筐体とを備え、
    前記気液混合部は、前記筐体内に流入した前記気体と前記液体を、前記第１および第２の歯車と前記筐体との間を通過させて混合し、前記筐体から前記気体含有液を排出する、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  13. 前記第２の噴射部は、
    前記気体含有液を収容するための収容部と、
    前記収容部内に前記気体含有液を噴射するための流路を有する複数本のノズルと、
    前記ノズルの内壁面に、前記流路に突出するように設けられた突出部とを備え、
    前記ノズルの各々は、前記流路の上流から順に、第１から第Ｎの内径（Ｎは２以上の整数）をそれぞれ有する第１から第Ｎの段を含み、
    前記第１から第Ｎの段の前記第１から第Ｎの内径は、前記流路の下流の段に進むほど内径が広くように設定されており、
    前記第２の噴射部の前記突出部は、前記ノズルの内壁面に沿って螺旋状に延びる溝が設けられた溝形成部材を含む、
    請求項１から１２に記載の気体含有液生成装置。
  14. 前記第１から第Ｎの段は、前記突出部が内壁面に設けられている段と、前記突出部が内壁面に設けられていない段とを含む、請求項１３に記載の気体含有液生成装置。
  15. 前記第２の噴射部に設けられた前記気体含有液の入口部は、前記第１の噴射部に設けられた前記気体含有液の出口部に直接着脱可能である、請求項１３または１４に記載の気体含有液生成装置。
  16. 前記第１の噴射部は、前記気液混合部から供給された前記気体含有液を噴射して、前記気体含有液中に気泡核を生成する、請求項１から１５のいずれか１項に記載の気体含有液生成装置。
  17. 気体含有液を噴射するための気体含有液噴射機構であって、
    前記気体含有液を収容するための収容部と、
    前記収容部内に前記気体含有液を噴射するための流路を有する筒状部と、
    前記筒状部の内壁面に、前記流路に突出するように設けられた突出部とを備え、
    前記突出部は、
    前記筒状部の内壁面から前記流路に向けて棒状に突起した１つ以上の突起物と、
    前記筒状部の内壁面に沿って線状に延びる溝が設けられた溝形成部材とを含み、
    前記筒状部の内壁面から前記溝形成部材の頂部までの高さは、前記筒状部の内壁面から前記突起物の頂部までの高さよりも低い、気体含有液噴射機構。
  18. 気体含有液を噴射して、前記気体含有液中に気泡を生成するための気体含有液噴射機構であって、
    前記気体含有液を収容するための収容部と、
    前記収容部内に前記気体含有液を噴射するための流路を有する複数本のノズルと、
    前記ノズルの内壁面に、前記流路に突出するように設けられた突出部とを備え、
    前記ノズルの各々は、前記流路の上流から順に、第１から第Ｎの内径（Ｎは２以上の整数）をそれぞれ有する第１から第Ｎの段を含み、
    前記第１から第Ｎの段の前記第１から第Ｎの内径は、前記流路の下流の段に進むほど内径が広くように設定されており、
    前記突出部は、前記ノズルの内壁面に沿って螺旋状に延びる溝が設けられた溝形成部材を含む、
    気体含有液噴射機構。
  19. 気体と液体とを混合して気体含有液を生成する気液混合部と、
    前記気液混合部から供給された前記気体含有液を噴射する第１の噴射部と、
    前記第１の噴射部から供給された前記気体含有液を噴射して、前記気体含有液中に気泡を生成する第２の噴射部とを備え、
    前記第１の噴射部は、
    前記気体含有液を収容するための収容部と、
    前記収容部内に前記気体含有液を噴射するための流路を有する筒状部と、
    前記筒状部の内壁面に、前記流路に突出するように設けられた突出部とを備え、
    前記筒状部の外壁面と前記収容部の内壁面との間の隙間は、前記筒状部から噴射された前記気体含有液の流路として機能し、
    前記筒状部の外壁面と前記収容部の内壁面との間の距離は、前記収容部の内壁面の内径が前記流路の下流に進むほど小さくなることで、前記流路の下流に進むほど狭く設定されている、気体含有液生成装置。
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