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

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_２）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_２）、オゾン（Ｏ_３）、水素（Ｈ_２）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１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。

Images