JP6727846B2 - 気体含有液生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気体含有液生成装置に関し、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、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および2を参照)。
特開2011−218308号公報 特開2015−77566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す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することで、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。
また、気体含有液や気泡は一般に、ポンプのインペラーなどの回転力や遠心力を利用して生成される。しかしながら、この場合には、気体が回転中心に集まりやすく、液体が回転中心から離れやすいため、気体含有液中の気泡核や気泡の分布の均一性が低下してしまう。また、この場合には、インペラーなどの回転体を配置するために広い空間が必要となるため、気体含有液に圧力変動や熱変動を加える機構を設けることが難しく、気泡核を効率的に生成することが難しい。
そこで、本発明は、気体含有液中の気泡の均一性を向上させることが可能な気体含有液生成装置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体含有液生成部と、第1から第N(Nは2以上の整数)の増圧段を有し、前記第1から第Nの増圧段を順番に通過する前記気体含有液の圧力を増加させる増圧部と、前記増圧部から供給された前記気体含有液中に気泡を生成する起泡部とを備え、前記第1から第Nの増圧段の各々は、前記気体含有液の入口および出口を有し、前記気体含有液を収容する収容部と、前記収容部内に設けられ、前記気体含有液の流れにより前記気体含有液の下流側に押圧される開閉部材と、前記開閉部材を弾性力により前記気体含有液の上流側に押圧する弾性部材と、前記収容部内に設けられ、前記開閉部材と接触して前記開閉部材を前記弾性部材による押圧に対して支持する支持部とを備え、前記気体含有液は、前記開閉部材と前記支持部との間の隙間を介して前記入口から前記出口へと流れる。
本発明によれば、気体含有液中の気泡の均一性を向上させることが可能な気体含有液生成装置を提供することを可能となる。
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。 第1実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す断面図である。 第1実施形態の変形例の気体含有液生成装置の構成を示す断面図である。 第1実施形態の変形例の気体含有液生成装置の構成を示す別の断面図である。 第2実施形態の気体含有液生成装置の使用方法を示す断面図である。 第2実施形態の気体含有液生成装置の使用方法を示す別の断面図である。
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11と、気泡核生成部12と、気泡生成部13と、清成槽14とを備えている。
気液混合部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、気液混合部11から供給された気体含有液3を処理して、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。気泡核生成部12は例えば、気体含有液3を狭い隙間を通過させることで、気体含有液3中に多数の気泡核3aを生成することができる。
気泡生成部13は、気泡核生成部12から供給された気体含有液3を処理して、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により生成される。気泡生成部13は例えば、気体含有液3を狭い隙間を通過させることで、気体含有液3中に多数の気泡3bを生成することができる。
清成槽14には、気泡生成部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。
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、気液混合部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、本実施形態の気液混合部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気液混合部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で、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。
図3は、第1実施形態の気体含有液生成装置の構成を示す断面図である。
図3の構成は、図1の構成をより具体化したものである。本実施形態の気体含有液生成装置は、図3に示すように、気体含有液生成部21と、増圧部22と、起泡部23とを備えている。
気体含有液生成部21は、気体1と液体2とを混合して気体含有液3を生成し、気体含有液3中に気泡核3aを生成する。気体含有液生成部21は、気液混合部11および気泡核生成部12に対応している。
増圧部22は、第1から第3の増圧段22a〜22cを有し、第1から第3の増圧段22a〜22cを順番に通過する気体含有液3の圧力を増加させる。具体的には、第1の増圧段22aから排出される気体含有液3の圧力は、気体含有液生成部21から排出される気体含有液3の圧力よりも高くなる。第2の増圧段22bから排出される気体含有液3の圧力は、第1の増圧段22aから排出される気体含有液3の圧力よりも高くなる。第3の増圧段22cから排出される気体含有液3の圧力は、第2の増圧段22bから排出される気体含有液3の圧力よりも高くなる。第1から第3の増圧段22a〜22cは、第1から第Nの増圧段の例である(Nは2以上の整数)。Nの値は3以外でもよい。
起泡部23は、増圧部22から供給された気体含有液3中に気泡3bを生成する。気泡3bは、気泡核3a同士が結合することにより生成される。起泡部23は、気泡生成部13に対応している。
(1)気体含有液生成部21
気体含有液生成部21は、液体入口部31と、気体入口部32と、第1収容部33と、電磁石コイル34と、電源コード35と、作動子36と、第1スプリング37と、第2収容部38と、第1シャット弁39と、第2スプリング40と、第3収容部41と、第2シャット弁42と、第3スプリング43とを備えている。第1、第2、および第3収容部33、38、41は、収容部の例である。第1、第2、および第3スプリング37、40、43はそれぞれ、第1、第2、および第3弾性部材の例である。第1および第2シャット弁39、42はそれぞれ、第1および第2開閉部材の例である。作動子36は、移動部材の例である。電磁石コイル34は、コイルの例である。
液体入口部31は、第2収容部38に接続されており、気体含有液生成部21に液体2を導入するために使用される。気体入口部32は、液体入口部31に接続されており、気体含有液生成部21に気体1を導入するために使用される。これらの気体1と液体2は、第2収容部38、第1収容部33、第3収容部41に順番に導入され、第1、第2、および第3収容部33、38、41内で混合され、気体含有液3となる。
液体入口部31は、第1内径を有する第1部分31aと、第1内径よりも大きい第2内径を有する第2部分31bと、第1部分31aと第2部分31bとの間に設けられた段差部分31cとを有している。段差部分31cは、後述するように、第1シャット弁39を第2スプリング40による押圧に対して支持する支持部として機能する。
第1収容部33は、筒状の形状を有し、気体含有液3を収容するために使用される。電磁石コイル34は、第1収容部33の周囲に取り付けられている。電源コード35は、電磁石コイル34に電力を供給するために使用される。作動子36は、第1収容部33内に配置されており、筒状の形状を有する第1および第2部分36a、36bを有している。第1および第2部分36a、36bの筒状の形状の内部は、気体含有液3の流路として機能する。また、第2部分36bは、後述するように、第2シャット弁42を第3スプリング43による押圧に対して支持する支持部として機能する。第1スプリング37は、第1収容部33内に配置されており、第2収容部38の周囲に巻かれた前端と、作動子36の前端に接する後端とを有している。
なお、本実施形態の第1スプリング37の前端は、第2収容部38(または第1収容部33)に固定されているが、第2収容部38(または第1収容部33)に固定されていなくてもよい。同様に、本実施形態の第1スプリング37の後端は、作動子36に固定されているが、作動子36に固定されていなくてもよい。
第2収容部38は、筒状の形状を有し、第1収容部33の上流に設けられており、気体含有液3を収容するために使用される。第1シャット弁39は、球形の形状を有し、第2収容部38内に配置されている。第2スプリング40は、第2収容部38内に配置されており、第1シャット弁39に接する前端と、第2収容部38の底面に接する後端とを有している。第2スプリング40は、第1スプリング37により包囲されるように配置されている。
なお、本実施形態の第2スプリング40の前端は、第1シャット弁39に固定されているが、第1シャット弁39に固定されていなくてもよい。同様に、本実施形態の第2スプリング40の後端は、第2収容部38に固定されているが、第2収容部38に固定されていなくてもよい。
第3収容部41は、筒状の形状を有し、第1収容部33の下流に設けられており、気体含有液3を収容するために使用される。第3収容部41は、第1内径を有する第1部分41aと、第1内径よりも小さい第2内径を有する第2部分41bとを有している。作動子36の第2部分36bは、第3収容部41の第1部分41aに挿入されている。第2シャット弁42は、球形の形状を有し、第3収容部41内に配置されている。第3スプリング43は、第3収容部41内に配置されており、第2シャット弁42に接する前端と、第3収容部41の第2部分41bに接する後端とを有している。
なお、本実施形態の第3スプリング43の前端は、第2シャット弁42に固定されているが、第2シャット弁42に固定されていなくてもよい。同様に、本実施形態の第3スプリング43の後端は、第3収容部41に固定されているが、第3収容部41に固定されていなくてもよい。
[第1シャット弁39]
第1シャット弁39は、第2収容部38内を移動可能なように第2収容部38内に収容されている。第1シャット弁39は、気体含有液3の流れにより気体含有液3の下流側に押圧され、第2スプリング40の弾性力により気体含有液3の上流側に押圧される。
第1シャット弁39は、気体含有液3の上流側に移動することで段差部分31cに接触し、気体含有液3の下流側に移動することで段差部分31cから離脱する。段差部分31cは、第1シャット弁39と接触することで、第1シャット弁39を第2スプリング40による押圧に対して支持することができる。
第1シャット弁39が段差部分31cと接触していると、第1シャット弁39と段差部分31cとの間の隙間がふさがる。そのため、第2収容部38の入口から出口への気体含有液3の流れが、第1シャット弁39により阻止される。一方、第1シャット弁39が段差部分31cから離脱していると、第1シャット弁39と段差部分31cとの間に隙間が生じる。そのため、気体含有液3がこの隙間を通過して第2収容部38内に流入し、その後、第1収容部33へと排出される。この隙間は、気体含有液3の流れが第1シャット弁39を下流側に移動させることで拡大し、第2スプリング40の弾性力が第1シャット弁39を上流側に移動させることで縮小する。
気体含有液生成部21は、第1シャット弁39と段差部分31cとの間の隙間に気体含有液3を通すことで、気体含有液3の流速を高めることができる。そして、流速が高まった気体含有液3が第2収容部38の壁面などに衝突することで、気体含有液3中の未混合の気体1と液体2とが混合される。また、衝突時の圧力変動により気体含有液3中に気泡核3aが生成される。
[作動子36]
作動子36は、第1収容部33内を移動可能なように第1収容部33内に収容されている。作動子36は、気体含有液3の流れにより気体含有液3の下流側に押圧される。作動子36はさらに、第1スプリング37を気体含有液3の下流側から支持しており、第1スプリング37の弾性力により気体含有液3の上流側に押圧される。また、電磁石コイル34は、作動子36に電磁気力を印加する。その結果、作動子36は、気体含有液3の流れと、第1スプリング37の弾性力と、電磁石コイル34の電磁気力により第1収容部33内を移動する。
作動子36は、気体含有液3の上流側および下流側に往復移動することで、気体含有液3中の未混合の気体1と液体2とを混合することができる。また、作動子36が往復移動すると、気体含有液3に大きな圧力変動が加えられる。これにより、気体含有液3中に多数の気泡核3aを生成することができる。第1収容部33内の気体含有液3は、作動子36の流路を通過して、第3収容部41へと排出される。
[第2シャット弁42]
第2シャット弁42は、第3収容部41内を移動可能なように第3収容部41内に収容されている。第2シャット弁42は、気体含有液3の流れにより気体含有液3の下流側に押圧され、第3スプリング43の弾性力により気体含有液3の上流側に押圧される。
第2シャット弁42は、気体含有液3の上流側に移動することで作動子36の第2部分36bに接触し、気体含有液3の下流側に移動することで作動子36の第2部分36bから離脱する。この第2部分36bは、第2シャット弁42と接触することで、第2シャット弁41を第3スプリング43による押圧に対して支持することができる。
第2シャット弁42が第2部分36bと接触していると、第2シャット弁42と第2部分36bとの間の隙間がふさがる。そのため、第3収容部41の入口から出口への気体含有液3の流れが、第2シャット弁42により阻止される。一方、第2シャット弁42が第2部分36bから離脱していると、第2シャット弁42と第2部分36bとの間に隙間が生じる。そのため、気体含有液3がこの隙間を通過して第3収容部41内に流入し、その後、第1の増圧段22aへと排出される。この隙間は、気体含有液3の流れが第2シャット弁42を下流側に移動させることで拡大し、第3スプリング43の弾性力が第2シャット弁42を上流側に移動させることで縮小する。
気体含有液生成部21は、第2シャット弁42と第2部分36bとの間の隙間に気体含有液3を通すことで、気体含有液3の流速を高めることができる。そして、流速が高まった気体含有液3が第3収容部41の壁面などに衝突することで、気体含有液3中の未混合の気体1と液体2とが混合される。また、衝突時の圧力変動により気体含有液3中に気泡核3aが生成される。
(2)増圧部22
[第1の増圧段22a]
第1の増圧段22aは、収容部51と、シャット弁52と、スプリング53と、弁ホルダ54とを備えている。シャット弁52は、開閉部材の例である。スプリング53は、弾性部材の例である。弁ホルダ54は、支持部の例である。
収容部51は、筒状の形状を有し、気体含有液3を収容するために使用される。収容部51は、前端に気体含有液3の入口を有し、後端に気体含有液3の出口を有する。シャット弁52は、球形の形状を有し、収容部51内に配置されている。スプリング53は、収容部51内に配置されており、シャット弁52に接する前端と、収容部51の段差部分に接する後端とを有している。スプリング53の直径は、気液含有液3の下流側に進むほど増加しており、円錐形に近い形状を有している。これにより、スプリング53をスムーズに作動させることが可能となる。弁ホルダ54は、収容部51内に配置されており、シャット弁52をスプリング53による押圧に対して支持する。
なお、本実施形態のスプリング53の前端は、シャット弁52に固定されているが、シャット弁52に固定されていなくてもよい。同様に、本実施形態のスプリング53の後端は、収容部51に固定されているが、収容部51に固定されていなくてもよい。また、弁ホルダ54は、収容部51と同じ部材で形成されていてもよいし、収容部51と異なる部材で形成されていてもよい。
シャット弁52は、収容部51内を移動可能なように収容部51内に収容されている。シャット弁52は、気体含有液3の流れにより気体含有液3の下流側に押圧され、スプリング53の弾性力により気体含有液3の上流側に押圧される。
シャット弁52は、気体含有液3の上流側に移動することで弁ホルダ54に接触し、気体含有液3の下流側に移動することで弁ホルダ54から離脱する。弁ホルダ54は、シャット弁52と接触することで、シャット弁52をスプリング53による押圧に対して支持することができる。
シャット弁52が弁ホルダ54と接触していると、シャット弁52と弁ホルダ54との間の隙間がふさがる。そのため、収容部51の入口から出口への気体含有液3の流れが、シャット弁52により阻止される。一方、シャット弁52が弁ホルダ54から離脱していると、シャット弁52と弁ホルダ54との間に隙間が生じる。そのため、気体含有液3が収容部51の入口からこの隙間を介して収容部51内に流入し、その後、収容部51の出口から第2の増圧段22bへと排出される。この隙間は、気体含有液3の流れがシャット弁52を下流側に移動させることで拡大し、スプリング53の弾性力がシャット弁52を上流側に移動させることで縮小する。
第1の増圧段22aは、シャット弁52と弁ホルダ54との間の隙間に気体含有液3を通すことで、気体含有液3の流速を高めることができ、気体含有液3の圧力を増加させることができる。
[第2の増圧段22b]
第2の増圧段22bは、収容部61と、シャット弁62と、スプリング63と、弁ホルダ64と、気体注入部65とを備えている。シャット弁62は、開閉部材の例である。スプリング63は、弾性部材の例である。弁ホルダ64は、支持部の例である。
収容部61、シャット弁62、スプリング63、弁ホルダ64の構造や動作は、収容部51、シャット弁52、スプリング53、弁ホルダ54の構造や動作と同様である。よって、第2の増圧段22bは、シャット弁62と弁ホルダ64との間の隙間に気体含有液3を通すことで、気体含有液3の流速を高めることができ、気体含有液3の圧力を増加させることができる。
気体注入部65は、収容部61に取り付けられており、収容部61内の気体含有液3中に気体を注入するために使用される。本実施形態では、気体入口部32は、常圧の気体を導入するために使用され、気体注入部65は、常圧よりも高いボンベ圧の気体を注入するために使用される。前者の気体の例は空気であり、後者の気体の例は窒素(N)である。気体注入部65は例えば、気体含有液3に所望の機能(消毒、殺菌など)を与える気体を注入するために使用される。
気体注入部65は、第1から第3の増圧段22a〜22cのいずれに設けてもよいし、第1から第3の増圧段22a〜22cのうちの2つ以上の増圧段に設けてもよい。本実施形態の気体注入部65は、第2の増圧段22bに設けられており、第1から第3の増圧段22a〜22cのうちの最初および最後の増圧段以外の増圧段に設けられている。これには、気体含有液生成部21とのインターフェースとなる最初の増圧段(第1の増圧段22a)や、起泡部23とのインターフェースとなる最後の増圧段(第3の増圧段22c)の構造の複雑化を回避でき、気体含有液生成部21および起泡部23に対する増圧部22の連結が容易になるという利点がある。
[第3の増圧段22c]
第3の増圧段22cは、収容部71と、シャット弁72と、スプリング73と、弁ホルダ74とを備えている。シャット弁72は、開閉部材の例である。スプリング73は、弾性部材の例である。弁ホルダ74は、支持部の例である。
収容部71、シャット弁72、スプリング73、弁ホルダ74の構造や動作は、収容部51、シャット弁52、スプリング53、弁ホルダ54の構造や動作と同様である。よって、第3の増圧段22cは、シャット弁72と弁ホルダ74との間の隙間に気体含有液3を通すことで、気体含有液3の流速を高めることができ、気体含有液3の圧力を増加させることができる。
なお、本実施形態の第Kの増圧段のスプリングの強さ(ばね定数)は、Kの値が増加するほど増加する(Kは1からNの整数)。よって、第2の増圧段22bのスプリング63の強さは、第1の増圧段22aのスプリング53の強さよりも強い。第3の増圧段22cのスプリング73の強さは、第2の増圧段22bのスプリング63の強さよりも強い。
また、本実施形態の第Kの増圧段の収容部の容積は、Kの値が増加するほど増加する。よって、第2の増圧段22bの収容部61の容積は、第1の増圧段22aの収容部51の容積よりも広い。第3の増圧段22cの収容部71の容積は、第2の増圧段22bの収容部61の容積よりも広い。収容部の容積とは、収容部の入口から出口までの内部空間の容積である。
このような強さや容積の設定には、Kの値が増加するほど、気体含有液3の圧力を高くすることができるという利点がある。よって、第1の増圧段22aから排出される気体含有液3の圧力は、気体含有液生成部21から排出される気体含有液3の圧力よりも高くなる。また、第2の増圧段22bから排出される気体含有液3の圧力は、第1の増圧段22aから排出される気体含有液3の圧力よりも高くなる。また、第3の増圧段22cから排出される気体含有液3の圧力は、第2の増圧段22bから排出される気体含有液3の圧力よりも高くなる。
シャット弁52、62、72の直径は、同じ値でもよいし、異なる値でもよい。本実施形態では、シャット弁52、62、72の直径は同じ値に設定されている。また、弁ホルダ54、64、74の開口部の直径は、同じ値でもよいし、異なる値でもよい。本実施形態では、弁ホルダ64、74の開口部の直径が同じ値に設定されており、弁ホルダ54の開口部の直径が弁ホルダ64、74の開口部の直径よりも数%小さく設定されている。
シャット弁52、62、72は、同じ素材により形成されていてもよいし、異なる素材により形成されていてもよい。本実施形態では、シャット弁52、62、72は同じ素材により形成されている。よって、本実施形態のシャット弁52、62、72は、同じ質量を有している。
(3)起泡部23
起泡部23は、第1収容部81と、第2収容部82と、第3収容部83と、シャット弁84と、スプリング85と、弁ホルダ86とを備えている。第1、第2、および第3収容部81、82、83は、収容部の例である。シャット弁84は、開閉部材の例である。スプリング85は、弾性部材の例である。弁ホルダ86は、支持部の例である。
第1収容部81は、筒状の形状を有し、気体含有液3を収容するために使用される。第1収容部81は、前端に気体含有液3の入口を有し、側面と後端に気体含有液3の出口81a、81bを有する。後端の出口81bは、通常は封止部材でふさがれており、後端の出口81bに吐出チューブ24を挿入するときに封止部材が外される。吐出チューブ24は、先端部24aから気体含有液3を吐出して、気体含有液3から気泡3bを生成するように構成されている。吐出チューブ24は、例えばカテーテルである。後端の出口81bは、第2出口の例である。
第2収容部82は、筒状の形状を有し、第1収容部81に取り付けられており、気体含有液3を収容するために使用される。第2収容部82は、第1収容部81の出口81aに気体含有液3の入口を有し、側面に気体含有液3の出口82aを有する。
第3収容部83は、筒状の形状を有し、第2収容部82に取り付けられており、気体含有液3を収容するために使用される。第3収容部83は、第2収容部82の出口82aに気体含有液3の入口を有し、後端に気体含有液3の出口83aを有する。起泡部23は、増圧部22から供給された気体含有液3中に気泡3bを生成し、気泡3bを含有する気体含有液3を出口83aから排出する。出口83bは、第1出口の例である。
シャット弁84は、球形の形状を有し、第2収容部82内に配置されている。スプリング85は、第2収容部82内に配置されており、シャット弁84に接する前端と、第2収容部82の段差部分に接する後端とを有している。弁ホルダ86は、第2収容部82内に配置されており、シャット弁84をスプリング85による押圧に対して支持する。
なお、本実施形態のスプリング85の前端は、シャット弁84に固定されているが、シャット弁84に固定されていなくてもよい。同様に、本実施形態のスプリング85の後端は、第2収容部82に固定されているが、第2収容部82に固定されていなくてもよい。また、弁ホルダ86は、第1収容部81と同じ部材で形成されていてもよいし、第2収容部82と同じ部材で形成されていてもよいし、あるいは第1および第2収容部81、82と異なる部材で形成されていてもよい。
[シャット弁84]
シャット弁84は、第2収容部82内を移動可能なように第2収容部82内に収容されている。シャット弁84は、気体含有液3の流れにより気体含有液3の下流側に押圧され、スプリング85の弾性力により気体含有液3の上流側に押圧される。
シャット弁84は、気体含有液3の上流側に移動することで弁ホルダ86に接触し、気体含有液3の下流側に移動することで弁ホルダ86から離脱する。弁ホルダ86は、シャット弁84と接触することで、シャット弁84をスプリング85による押圧に対して支持することができる。
シャット弁84が弁ホルダ86と接触していると、シャット弁84と弁ホルダ86との間の隙間がふさがる。そのため、第2収容部82の入口から出口への気体含有液3の流れが、シャット弁84により阻止される。一方、シャット弁84が弁ホルダ86から離脱していると、シャット弁84と弁ホルダ86との間に隙間が生じる。そのため、気体含有液3が第1収容部81からこの隙間を介して第2収容部82内に流入し、その後、第2収容部82から第3収容部83へと排出される。この隙間は、気体含有液3の流れがシャット弁84を下流側に移動させることで拡大し、スプリング85の弾性力がシャット弁84を上流側に移動させることで縮小する。
起泡部23は、シャット弁84と弁ホルダ86との間の隙間に気体含有液3を通すことで、気体含有液3の流速を高めると共に、気体含有液3を大気圧にさらすことができる。理由は、起泡部23の出口83aが大気に開放されているからである。これにより、気体含有液3中に多数の気泡3bを生成することができる。気泡3bは、気体含有液3が出口83aから噴射されることでも生成される。
本実施形態では、気体含有液3の圧力が増圧部22内で増加する。そのため、気体含有液3が起泡部23で大気圧にさらされると、気体含有液3の圧力が大きく低下する。よって、本実施形態によれば、気体含有液生成部21内で多数の気泡核3aを生成し、起泡部23内で気体含有液3の圧力を大きく低下させることで、微細な気泡3bを高濃度に含有する気体含有液3を生成することができる。
また、本実施形態の増圧部22は、第1から第3の増圧段22a〜22cを有し、各増圧段は、シャット弁と弁ホルダとの間の隙間の作用により気体含有液3の圧力を増加させる。そのため、本実施形態の増圧部22は、インペラーなどの回転体を用いずに気体含有液3を処理することができる。よって、本実施形態によれば、気体含有液3中の気泡核3aや気泡3bの分布の均一性が低下することを抑制することができ、気体含有液3中の気泡3bの均一性を向上させることができる。
これは、気体含有液3を作動弁36とシャット弁39、42により処理する気体含有液生成部21や、気体含有液3をシャット弁84により処理する起泡部23でも同様に成り立つ。本実施形態によれば、インペラーなどの回転体を用いずに気体含有液3を気体含有液生成部21、増圧部22、起泡部23で処理することで、気体含有液3中の気泡3bの均一性をさらに向上させることができる。
(4)気体含有液生成装置の動作
次に、図3を参照して、第1実施形態の気体含有液生成装置の動作を説明する。
気体含有液生成装置の待機時には、電磁石コイル34の電源がオフに設定され、作動子36が停止している。一方、気体含有液生成装置を作動させる際には、電磁石コイル34の電源がオンに切り替えられ、作動子36が動作を開始する。電磁石コイル34は、電源コード35からの電力により動作する。
気体含有液生成装置の作動が開始すると、気体1と液体2の導入が開始され、気体含有液3(または気体1と液体2)が第1シャット弁39の隙間から第2収容部38内に流入し、続いて第1収容部33内に流入する。第1収容部33では、作動子36が、気体含有液3の流れと、第1スプリング37の弾性力と、電磁石コイル34の電磁気力により第1収容部33内を往復移動している。これにより、気体1と液体2とが混合され、さらには気体含有液3中に気泡核3aが生成される。これらの現象は、第1シャット弁39や第2シャット弁42でも生じる。第1収容部33内の気体含有液3は、第2シャット弁42の隙間から第3収容部41内に流入し、その後、増圧部22へと排出される。
気体含有液生成部21から排出された気体含有液3は、第1から第3の増圧段22a〜22cを順番に通過する。これにより、気体含有液3の圧力が増加する。増圧部22から排出された気体含有液3は、起泡部23内で大気圧にさらされ、その結果、気体含有液3中に気泡3bが生成される。
起泡部23に吐出チューブ24が挿入されている場合には、増圧部22から排出された気体含有液3は、吐出チューブ24の先端部24aから吐出される。その結果、この気体含有液3から気泡3bが生成される。
(5)第1実施形態の変形例
図4は、第1実施形態の変形例の気体含有液生成装置の構成を示す断面図である。
符号51a、51bはそれぞれ、第1の増圧段22aの収容部51における気体含有液3の入口と出口を示す。符号61a、61bはそれぞれ、第2の増圧段22bの収容部61における気体含有液3の入口と出口を示す。符号71aは、第3の増圧段22cの収容部71における気体含有液3の入口を示す。符号71b、71cは、第3の増圧段22cの収容部71における気体含有液3の出口を示す。
本変形例では、起泡部23の第1収容部81が削除されている。そのため、起泡部23の第2収容部82が、第3の増圧段22cの側面の出口71bに取り付けられている。増圧部22内の気体含有液3は、側面の出口71bから起泡部23に排出される。また、吐出チューブ24を挿入するための出口71cが、第3の増圧段22cの後端に設けられている。後端の出口71cは、通常は封止部材でふさがれており、後端の出口71cに吐出チューブ24を挿入するときに封止部材が外される。側面の出口71bは、第1出口の例である。後端の出口71cは、第2出口の例である。
なお、起泡部23内のスプリング85の長さは、第2収容部82の後端に設けられたナットにより調整可能としてもよい。この場合、ナットを締めることでスプリング85が長くなり、ナットを緩めることでスプリング85が長くなる。これにより、スプリング85からシャット弁84に作用する弾性力を調整することができる。
図5は、第1実施形態の変形例の気体含有液生成装置の構成を示す別の断面図である。
本変形例の増圧部22は、気体含有液生成部21に対して着脱可能に構成されている。また、本変形例の第1から第3の増圧段22a〜22cは、互いに着脱可能に構成されている。
具体的には、第1の増圧段22aは、第1の増圧段22aの突起部P1を第2の増圧段22bの開口部P2に挿入することで、第2の増圧段22bに装着される。突起部P1の外周面と開口部P2の内周面には、ねじ溝が設けられていてもよい。また、第2の増圧段22bは、第2の増圧段22bの突起部P3を第3の増圧段22cの開口部P4に挿入することで、第3の増圧段22cに装着される。突起部P3の外周面と開口部P4の内周面には、ねじ溝が設けられていてもよい。
なお、突起部と開口部は、互いに入れ替えてもよい。例えば、第1の増圧段22aの開口部に第2の増圧段22bの突起部が挿入されてもよい。また、第2の増圧段22bの開口部に第3の増圧段22cの突起部が挿入されてもよい。
以上のように、本実施形態の気体含有液生成装置は、第1から第3の増圧段22a〜22cを有する増圧部22を備え、各増圧段は、シャット弁と弁ホルダとの間の隙間の作用により気体含有液3の圧力を増加させる。よって、本実施形態によれば、気体含有液3中の気泡3bの均一性を向上させることが可能となる。
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態の気体含有液生成装置の使用方法を示す断面図である。
図6の気体含有液生成装置は、図3の気体含有液生成装置と同じ構成を有している。図6は、吐出チューブ24および吸入チューブ25を有するツインチューブ26を示している。ツインチューブ26では、吐出チューブ24の先端部24a付近において吐出チューブ24が吸入チューブ25により包囲されている。吐出チューブ24は、気体含有液生成装置の起泡部23の出口81bに取り付けられている。吸入チューブ25は、気体含有液生成装置の液体入口部31に取り付けられている。なお、気体含有液生成装置の起泡部23の出口83aは、着脱可能な封止部材でふさがれている。
本実施形態では、乳牛の乳27の乳道27aにツインチューブ26を挿入し、気体含有液生成装置の起泡部23の出口81bから吐出チューブ24に気体含有液3を供給し、吐出チューブ24の先端部24aから乳27の内部に気体含有液3を吐出する。その結果、気体含有液3から気泡3bが生成され、乳27の内部に気泡3bが供給される。この気泡3bの除菌作用により、乳27の内部の細菌を除去することができる。
図7は、第2実施形態の気体含有液生成装置の使用方法を示す別の断面図である。
吐出チューブ24の先端部24aには、吐出チューブ24の流路が狭くなっている狭口部24bが設けられている。本実施形態では、気体含有液3を狭口部24bを通過させることで、気泡3bを生成することができる。
気体注入部65は、増圧部22において気体含有液3中に気体を注入するために使用される。気体注入部65は例えば、気体含有液3に所望の機能を与える気体を注入するために使用される。このような気体の例は、二酸化炭素(CO)、オゾン(O)、水素(H)などである。
吐出チューブ24から乳27の内部に吐出された気体含有液3は、吸入チューブ25から吸入され、気体含有液生成装置の液体入口部31に戻る。よって、気体含有液生成装置は、この気体含有液3中に再び気泡3bを生成し、吐出チューブ24に排出する。このように、本実施形態の気体含有液3は、吐出チューブ24、乳27、吸入チューブ25、および気体含有液生成装置の間を循環する。これにより、気体含有液3を効率的に生成および使用することができる。
以上のように、本実施形態によれば、気体含有液生成装置を乳27の内部の除菌に使用することが可能となる。なお、本実施形態の気体含有液生成装置は、その他の用途に使用してもよい。また、本実施形態の気体含有液生成装置は、図3の気体含有液生成装置と同じ構成を有する代わりに、図4または図5の気体含有液生成装置と同じ構成を有していてもよい。この場合、吐出チューブ24は、増圧部22の出口71cに挿入される。
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の第1および第2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:気液混合部、12:気泡核生成部、13:気泡生成部、14:清成槽、
21:気体含有液生成部、22:増圧部、
22a:第1の増圧段、22b:第2の増圧段、22c:第3の増圧段、
23:起泡部、24:吐出チューブ、24a:先端部、24b:狭口部、
25:吸入チューブ、26:ツインチューブ、27:乳、27a:乳道、
31:液体入口部、31a:第1部分、31b:第2部分、31c:段差部分、
32:気体入口部、33:第1収容部、34:電磁石コイル、35:電源コード、
36:作動子、36a:第1部分、36b:第2部分、37:第1スプリング、
38:第2収容部、39:第1シャット弁、40:第2スプリング、
41:第3収容部、41a:第1部分、41b:第2部分、
42:第2シャット弁、43:第3スプリング、
51:収容部、51a:入口、51b:出口、
52:シャット弁、53:スプリング、54:弁ホルダ、
61:収容部、61a:入口、61b:出口、
62:シャット弁、63:スプリング、64:弁ホルダ、65:気体注入部、
71:収容部、71a:入口、71b:出口、71c:出口、
72:シャット弁、73:スプリング、74:弁ホルダ、
81:第1収容部、81a:出口、81b:出口、
82:第2収容部、82a:出口、
83:第3収容部、83a:出口、
84:シャット弁、85:スプリング、86:弁ホルダ

Claims (16)

  1. 気体と液体とを混合して気体含有液を生成する気体含有液生成部と、
    第1から第N(Nは2以上の整数)の増圧段を有し、前記第1から第Nの増圧段を順番に通過する前記気体含有液の圧力を増加させる増圧部と、
    前記増圧部から供給された前記気体含有液中に気泡を生成する起泡部とを備え、
    前記第1から第Nの増圧段の各々は、
    前記気体含有液の入口および出口を有し、前記気体含有液を収容する収容部と、
    前記収容部内に設けられ、前記気体含有液の流れにより前記気体含有液の下流側に押圧される開閉部材と、
    前記開閉部材を弾性力により前記気体含有液の上流側に押圧する弾性部材と、
    前記収容部内に設けられ、前記開閉部材と接触して前記開閉部材を前記弾性部材による押圧に対して支持する支持部とを備え、
    前記気体含有液は、前記開閉部材と前記支持部との間の隙間を介して前記入口から前記出口へと流れ
    前記気体含有液生成部は、
    前記気体含有液を収容する生成部収容部と、
    前記生成部収容部内に設けられた第1弾性部材と、
    前記生成部収容部内に設けられ、前記第1弾性部材を前記気体含有液の下流側から支持し、前記気体含有液の流れと前記第1弾性部材の弾性力により前記生成部収容部内を移動し、前記気体含有液の流路を有する移動部材と、
    前記生成部収容部内に設けられ、前記気体含有液の流れにより前記気体含有液の下流側に押圧される第1開閉部材と、
    前記第1開閉部材を弾性力により前記気体含有液の上流側に押圧する第2弾性部材と、
    前記生成部収容部内に設けられ、前記第1開閉部材と接触して前記第1開閉部材を前記第2弾性部材による押圧に対して支持する生成部支持部とを備え、
    前記気体含有液は、前記第1開閉部材と前記生成部支持部との間の隙間を通過した後に、前記移動部材の前記流路を通過する、気体含有液生成装置。
  2. 第K(Kは1からNの整数)の増圧段の前記弾性部材の強さは、Kの値が増加するほど増加する、請求項1に記載の気体含有液生成装置。
  3. 第K(Kは1からNの整数)の増圧段の前記収容部の容積は、Kの値が増加するほど増加する、請求項1または2に記載の気体含有液生成装置。
  4. 前記第1から第Nの増圧段のうちの少なくとも1つは、前記気体含有液中に気体を注入する気体注入部を備える、請求項1から3のいずれか1項に記載の気体含有液生成装置。
  5. 前記気体注入部は、前記第1から第Nの増圧段のうち、最初および最後の増圧段以外の増圧段に設けられている、請求項4に記載の気体含有液生成装置。
  6. 前記開閉部材の形状は、球形である、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. 前記弾性部材は、前記収容部内に配置されたスプリングである、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. 前記スプリングの直径は、前記気液含有液の下流側に進むほど増加する、請求項7に記載の気体含有液生成装置。
  9. 前記開閉部材と前記支持部との間の前記隙間は、前記気体含有液の流れが前記開閉部材を前記下流側に移動させることで拡大し、前記弾性部材の弾性力が前記開閉部材を前記上流側に移動させることで縮小する、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. 前記開閉部材は、前記支持部と接触することで前記開閉部材と前記支持部との間の前記隙間をふさぎ、前記気体含有液の前記入口から前記出口への流れを阻止する、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. 前記増圧部は、
    前記気体含有液を前記起泡部に排出するための第1出口と、
    前記気体含有液から前記気泡を生成するチューブを挿入するための第2出口と、
    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. 前記第2弾性部材は、前記第1弾性部材により包囲されるように配置されている、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. 前記気体含有液生成部はさらに、前記移動部材に電磁気力を印加するコイルを備え、
    前記移動部材は、前記気体含有液の流れと、前記第1弾性部材の弾性力と、前記コイルの電磁気力により移動する、請求項1から12のいずれか1項に記載の気体含有液生成装置。
  14. 前記気体含有液生成部はさらに、
    前記生成部収容部内に設けられ、前記気体含有液の流れにより前記気体含有液の下流側に押圧される第2開閉部材と、
    前記第2開閉部材を弾性力により前記気体含有液の上流側に押圧する第3弾性部材とを備え、
    前記移動部材は、前記第2開閉部材と接触して前記第2開閉部材を前記第3弾性部材による押圧に対して支持し、
    前記気体含有液は、前記移動部材の前記流路を通過した後に、前記第2開閉部材と前記移動部材との間の隙間を通過する、請求項から13のいずれか1項に記載の気体含有液生成装置。
  15. 前記起泡部は、
    前記気泡を含有する前記気体含有液を排出するための第1出口と、
    前記気体含有液から前記気泡を生成するチューブを挿入するための第2出口と、
    を備える請求項1から14のいずれか1項に記載の気体含有液生成装置。
  16. 前記起泡部は、
    前記気体含有液を収容する気泡部収容部と、
    前記気泡部収容部内に設けられ、前記気体含有液の流れにより前記気体含有液の下流側に押圧される気泡部開閉部材と、
    前記気泡部開閉部材を弾性力により前記気体含有液の上流側に押圧する気泡部弾性部材と、
    前記気泡部収容部内に設けられ、前記気泡部開閉部材と接触して前記気泡部開閉部材を前記気泡部弾性部材による押圧に対して支持する起泡部支持部と、
    を備える請求項1から15のいずれか1項に記載の気体含有液生成装置。
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