JP7028499B2 - 気泡せん断フィルター、ウルトラファインバブル発生装置及びウルトラファインバブル流体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウルトラファインバブル発生装置、特に、気泡を物理的にせん断する方式を用いたウルトラファインバブル発生装置等に関する。

回転せん断方式のウルトラファインバブル発生装置が知られている（例えば、特許文献１）。この方式は、気液混合水に含まれる気泡を回転するブレードという物理的手段によってせん断し、気泡のサイズを微小化させる方式として知られる。

国際公開WO2019/116642公報

特許文献１を初めとする従来の装置は気泡の発生効率が悪く、また粒径がナノサイズ以下の気泡の比率や濃度が、本発明ほど高いものが得られたという報告は、これまでなかった。

上記課題を鑑み、発明者は「気泡を物理的にせん断」する方式を採用しつつも、各構成部品を根本的に見直し、従来の装置構成とは異なる装置構成からなるウルトラファインバブル発生装置を設計することとした。すなわち、本発明は、ウルトラファインバブル発生装置及びその構成部品である回転ミキサー及び気泡せん断フィルターを提供することを技術的課題とする。

本発明に係る回転ミキサーは、
内部に頂点を備える空洞部が設けられ、前記空洞部内に流体を導入する流入孔と、前記流体を排出する排出孔とを具備する回転ミキサーであって、
前記空洞部の内壁面に、前記流入孔から導かれた流体が流通可能な螺旋形状の溝が設けられ、
前記排出孔が、前記螺旋形状の頂点と離隔した前記螺旋形状の軸上に設けられたことを特徴とする。

ここで、「頂点を備える空洞部」とは、具体的には砲弾型のような、断面が一方に凸の曲線形状であり、「螺旋形状」とはこの頂点に向かって旋回半径が小さくなるような形状であることを意味する。

上記構成によると、螺旋形状の溝が流体の流路となって、流体が頂点に向かって旋回しながら加速される。そして、螺旋形状の頂点に達した後は、行き場を失った流体が気液混合流体柱Ｐを形成しながら反対側の排出孔に向かって垂直に跳ね返り、排出孔に向けて圧送される。このように、回転ミキサーの主な役割の１つは流体が流れを阻害されることなくスムーズに加速できることである。

したがって、回転ミキサーの内部の螺旋形状は、このような目的を達成しうる形状であることが望ましい。この意味において、「頂点を備える空洞部」は、円錐のように断面が頂点に向かって直線で表される形状よりも、砲弾の弾頭のような形状（砲弾型）或いは二次曲線のように、空洞の断面が「頂点（頂部）に向かう凸型」となる形状の方が好ましい。例えば、ｙ＝ａｘ^２（ａ＞０）で表される二次曲線を横にしたような形状である。また、三角錐や四角錐のような回転対称でない形状は、流体のスムーズな流れを阻害する形状であるため好ましくない。また、そのような形状は、回転切削工具を用いてバルク状の物体から切削により空洞部や溝を形成する場合、加工が困難でもある。また、本発明の回転ミキサーは、手作業で製作する場合も考えられ、断面形状が必ずしも数式で表されるものである必要はない。

本発明に係る気泡せん断フィルターは、内部に空洞部が設けられ、前記空洞部内に流体を導入する流入孔と、前記流体を排出する排出孔とを具備する気泡せん断フィルターであって、
前記空洞部は筒状であり、薄板がその中心軸に対して垂直にかつ中心軸が円板の中心点を通過するように複数配置され、
前記隣接する薄板には複数の開口部及び複数の尖端部が設けられ、
タイプ１の薄板には、少なくとも複数の開口部が、前記タイプ１の薄板に隣接するタイプ２の薄板には、複数の尖端部（山）と、隣り合う尖端部に囲まれた複数の開口部（谷）が設けられており、タイプ１の薄板の開口部と隣接するタイプ２の尖端部とが対向するように配置されたことを特徴とする。
タイプ１の薄板にタイプ２と同様の複数の尖端部（山）が更に設けられていてもよい。この場合、尖端部（山）の位置は、タイプ２の薄板の開口部と対向する位置に設けられていることが好ましい。
なお、薄板を「円」板とする理由は、気泡せん断フィルターが通常は円筒形状であり、その断面が「円」であり、円筒内部の空洞部において隔壁として機能する構成を前提とするためである。したがって、気泡せん断フィルターの胴体部が円筒以外の形状であれば、当然にその形状に嵌まる形状となる。ただし、気泡せん断フィルター内は加圧されるため、加工のしやすさや圧力損失のリスク、製造コストといった総合的な観点から、気泡せん断フィルターは、「筒状形状」であり、薄板は後述する実施形態で説明するように、その筒状形状に嵌まる「円板」であることが最も合理的であると考えられる。

開口部を通過した流体は通過直後に尖端部に接触するため、気泡が物理的にせん断される。なお、上記気泡せん断フィルターの尖端部の形状は押し出し成形機によるエンボス加工により形成してもよい。尖端部が鋭角であるほど気泡のせん断効果は高くなると考えられる。

本発明に係るウルトラファインバブル発生装置は、気液混合流体を生成する気液混合流体生成機と、上記構成の回転ミキサー及び気泡せん断フィルターを組み合わせ、管路で接続されることにより構成されることを特徴とする。
本明細書において、「ウルトラファインバブル」とは、ナノサイズ以下（１μｍ未満）の微細な気泡を意味する。

上記ウルトラファインバブル発生装置においては、乱流を静流に変化させる静流器を更に具備することが好ましい。この場合、前記静流器は磁石であることが好ましい。気液混合流体中の気泡はマイナスに帯電しているため、静磁界中を移動させる電磁力によって静流化するからである。磁力は強力であるほど好ましく、永久磁石であればネオジム磁石又はこれと同程度以上の磁力を発生させる磁石であることが好ましい。

乱流である流体を静流化して回転ミキサーに導入すれば、乱流のまま導入するよりも導入時の初速が速くなりやすく、また、螺旋形状を流れる流速を加速する加速度が一層高められるからである。
この点、上記先行技術文献に開示されたウルトラファインバブル発生装置はウルトラファインバブル自体を乱流から生成するものであり、気液混合流体で生成した流体中に含まれる気泡を一旦静流化してから加速させ下流側に圧送する本願発明の構成とは、ウルトラファインバブルの発生のメカニズムが根本的に異なると考えられる。

また、本発明に係るウルトラファインバブル発生装置は、前記管路上に前記回転ミキサーを複数個具備してもよい。この場合、前記複数個の回転ミキサーは、前記管路の下流側ほど上流側よりも容積が小さいように構成することが好ましい。容積が小さいほど、気液混合流体が高速に加速されるからである。また、下流側ほど圧力を高くすることが好ましい。この観点から、可能な場合は、下流側（採水口側）ほど各機器を接続するパイプの管径が細くなるように設計しても良い。

１／４程度の容量に小容積化した回転ミキサーを後段にもう１つ設けると共に十分な圧力を印加して流速を高めると、気泡せん断フィルターによってせん断された気泡中に残存するマイクロミリメートルのオーダーの気泡がさらにせん断され、ナノメートルオーダーの気泡の比率を高めることができる。これは、容積が小さいほど内圧が高められる結果、内部で短縮経路が形成されやすくなり、結果として回転に更なる加速度が与えられるからである。

また、本発明に係るウルトラファインバブル発生装置は、前記気液混合流体生成機の下流側に前記回転ミキサーが配置されていると共に、前記回転ミキサーの流入孔の手前に前記気液混合流体に含まれる気体とは異なる置換気体を導入するための流路（分岐路）が設けられるように構成してもよい。前記置換気体は例えば水素、窒素又はオゾンとすることができる。分岐路を使用して置換気体を導入せず、置換気体をいきなり気液混合装置に導入することによって気液混合流体を生成することも可能であるが、気泡の安定性等の観点から好ましくない場合もあると考えられる。そのため、後述する実施例では、気液混合流体生成機として既知のロータリーブロアー（但し、十分な圧力が印加できるポンプを用いて独自に設計・製作した）を用い、空気と水とを混合した気液混合流体を水素で置換した例を示しているが、これに限られるものではない。

本発明に係る回転ミキサーと気泡せん断フィルターとを組み合わせることにより、従来よりも気泡粒径の小さいウルトラファインバブルを発生させることができるウルトラファインバブル発生装置を提供することができる。そして、このようにして得られたウルトラファインバブル発生装置によれば、気泡の粒径が１μｍ未満、例えば平均粒径が数ｎｍ～数百ｎｍのオーダーのウルトラファインバブルを効率良く生成することができる。

図１は、実施形態のウルトラファインバブル発生装置１０の構成例を示す図である。 図２（Ａ）は、回転ミキサー１１の外観形状を模式的に表す図であり、図２（Ｂ）は、円筒形状の中心軸を通る平面で切断した断面図を模式的に表す図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の断面図に貫通孔１５ａを通過する垂線と円筒の中心軸線を付した図である。 図３（Ａ）は、中空円筒形状の気泡せん断フィルター２１の内部構造を示す図であり、円筒形状の中心軸を通る平面で切断した断面図を模式的に表す図である。図３（Ｂ）は、気泡せん断フィルター２１の内部に配置される２種類の薄板２２及び薄板２３を平面から表した図である。 図４は、気液混合流体生成機３１の実施例として、ＰＳＰＺ型（自然吸気式）の加圧型ロータリーブロアー３１ａの装置構成を示す図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、いずれも管路を覆うように取り付けられた静流器６１の構造を示す図である。 図６は、実用的なウルトラファインバブル発生装置１０Ａの構成例を図示するものである。 図７は、電気的検知帯法の測定原理を模式的に示す図である。 図８（Ａ）は、試料Ａ～Ｄについての測定結果を示す図である。図８（Ｂ）は、各試料及び水道水に対する個数統計値を一覧表で表した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は、いずれも本発明の要旨の認定において限定的な解釈を与えるものではない。また、同一又は同種の部材については同じ参照符号を付して、説明を省略することがある。

（第１の実施形態）－基本構成について－
図１は、実施形態のウルトラファインバブル発生装置１０の構成例を示す図である。ウルトラファインバブル発生装置１０は、気液混合流体生成機３１（図４）と、回転ミキサー１１（図２）と気泡せん断フィルター２１（図３）とをパイプで直列に接続することにより構成される。各構成部品とパイプとの接続は、溶接するか又はフランジ構造、その他圧力損失を極力減らす構造を採用することが好ましい。

本発明の基本的な考え方は、気液混合流体生成機で生成した気液混合流体を極限まで加速させた状態で気泡をせん断する点にある。

上記の構成の場合、気液混合流体生成機３１（図４）で生成された気液混合流体を図１のＡ点から導入し、回転ミキサー１１及び気泡せん断フィルター２１を通過させると、より粒径が小さくかつ大量の気泡を含んだ気液混合流体となってＢ点から取り出される。回転ミキサー１１を通過した時点で数百マイクロメートルの気泡は気泡せん断フィルター２１を通過することにより、数マイクロメートル～数百ナノメートルオーダーの気泡にせん断される。最終的に得られる気泡の平均粒径は運転時間が経過するほど小さくなる。実際には装置全体の系でみると有限の圧力損失等が存在するため、ある程度以上運転した後は、それ以上気泡の粒径を小さくすることはできないが、理論的には、気泡の平均粒径の下限値は証明されていないので、圧力を限りなく高くして流体の流速を限りなく大きくとることが可能であれば、限りなく粒径の小さい気泡が得られることになると考えられる。

なお、図１に示す構造は基本構成であり、必要に応じて、気液混合流体を還流させつつ、必要分のみ取り出せる装置構成にしたり、同一又は異なる容量の回転ミキサー１１を複数設けるなどしてもよい。気液混合流体生成機のモーターの性能にもよるが、回転ミキサーは内部の容量が小さいものほど内部の圧力を高圧にできるため、容量の小さい回転ミキサーを取り付ける場合は後段に取り付けることが好ましいが、必ずしもそのような場合に限定されない。もちろん、同容量の回転ミキサーを複数設けてもよい。

＜回転ミキサー１１＞
図２（Ａ）は、回転ミキサー１１の外観形状を模式的に表す図であり、図２（Ｂ）は、円筒形状の中心軸を通る平面で切断した断面図を模式的に表す図である。但し、後述するとおり、断面形状のアスペクト比（縦横比）は、必ずしも正しく表されていない場合を含む。これらの図からも明らかなように、回転ミキサー１１は流入孔１２と排出孔１６を除いて外部に通じていない密閉性の高い構造であり、回転ミキサー１１の内部には十分な圧力を加えることができる構造である。

試作機として製作した回転ミキサー１１は、円筒形状の鉄塊を出発材料として、先ず、旋盤を用いて一端面側から回転切削していくことにより、図１の断面図に示すような砲弾型の空洞部１３を形成し、次に、切削可能なぎりぎりのサイズで、全体を回転させながら空洞部の壁面に螺旋形状の溝１４を手作業で形成する。この螺旋形状の溝１４は、空洞内の最奥部の頂点Ｘに達するまで切削する。次に、流入孔１２と溝１４とをつなぐ貫通孔１５ａを形成して流入孔１２を溶接し、最後に空洞部の切削により開口した端面に円板状の金属板をはめ込み、溶接することにより、空洞部１３を塞いだ構造とした。金属板の中央部には予め貫通孔１５ｂを設けると共に排出孔１６を溶接により取り付けた。

回転ミキサー１１の内部は高速の流体が高圧状態で圧送されるため、耐久性及び強度、加工の容易性等を考慮して、円筒形の鉄塊を切削加工して製作したが、高圧に耐えうるものであれば鉄製である必要はなく、また、製作方法も、バルク状（塊状）の物体を切削装置で切削加工する以外の工法を用いてもよい。内部の圧力を十分に高められる機密性の高い構造（空洞部１３の容積に対して十分に狭い流入孔１２及び排出孔１６のみが外部に通ずる構造）であることが好ましいと共に、内部で気液混合流体が加速できるように流路を形成する流入孔１２、貫通孔１５ａ、溝１４、貫通孔１５ｂ及び排出孔１６内に抵抗となるような障害物がなく、それにより流体がスムーズに流れることができる構造であることが好ましい。

気液混合流体が流入孔１２を通じて回転ミキサー１１内に導入されると螺旋形状の溝１４が流体の流路となって頂点Ｘに向かって旋回しながら加速される。そして、螺旋形状の頂点Ｘに達した後は、行き場を失った流体が気液混合流体柱Ｐを形成しながら反対側の排出孔に向かって圧送される。

また、旋回による遠心力に抗するため円錐のように断面が頂点に向かって直線で表される形状よりも、砲弾の弾頭のような形状（砲弾型）或いは二次曲線のように、空洞の断面が「頂点（頂部）に向かう凸型」となる形状の方が好ましい。例えば、ｙ＝ａｘ^２（ａ＞０）で表される二次曲線を横にしたような形状である。また、三角錐や四角錐のような回転対称でない形状は、流体のスムーズな流れを阻害する形状であるため好ましくない。また、そのような形状は、回転切削工具を用いてバルク状の物体から切削により空洞部や溝を形成する場合、加工が困難でもある。また、手作業で製作する場合も考えられ、断面形状が必ずしも数式で表されるものである必要はない。

したがって、回転ミキサー１１の内部に形成される螺旋形状の溝１４は、このような目的を達成しうる形状であることが望ましい。この意味において、「頂点（Ｘ）を備える空洞部」は、上記の説明に即して合目的的に解釈されるべきである。

ここで、回転ミキサー１１の形状について図２（Ｃ）を用いて説明する。
図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の断面図に貫通孔１５ａを通過する垂線と円筒の中心軸線を付した図である。垂線と中心軸線の交点をＹとし、貫通孔１５ａから交点Ｙまでの距離をａ、頂点Ｘから交点Ｙまでの距離をｂと定義する。回転ミキサーの主な役割の１つは流体が流れを阻害されることなくスムーズに加速できることであるが、本件発明者らによる実験では、気液混合流体柱Ｐが形成される十分な圧力が印加される限りにおいて、距離ａ：ｂの比が概ね１：４程度となる場合に比較的好ましい結果が得られた。

＜気泡せん断フィルター２１＞
図３（Ａ）は、中空円筒形状の気泡せん断フィルター２１の内部構造を示す図であり、円筒形状の中心軸を通る平面で切断した断面図を模式的に表す図である。図３（Ｂ）は、気泡せん断フィルター２１の内部に配置される２種類の薄板２２及び薄板２３を平面から表した図である。

図３（Ａ）に示すように、この気泡せん断フィルター２１は、内部に空洞部が設けられた中空構造であり、その空洞部内に流体を導入する流入孔２４と、流体を排出する排出孔２６とを具備する。空洞部は筒状であり、タイプ１の薄板２２とタイプ２の薄板２３とがその中心軸に対して垂直にかつ中心軸が円板の中心点を通過するように交互に配置される。タイプ１の薄板２２及びタイプ２の薄板２３には、いずれも、複数の開口部２５ａと複数の尖端部２５ｂ（山）とが対向するように配置されている。平面視においてパターンはわずかにずれる設置となる。なお、タイプ１の薄板２２には、少なくとも複数の開口部２５ａが必要であるが、尖端部２５ｂは必須ではない。しかし、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、タイプ１の薄板２２が、開口部２５ａと尖端部２５ｂの両方備えていても良い。気泡せん断フィルター２１の気泡せん断効果は、尖端部２５ｂが多いほど高められると考えられる。この場合、タイプ１の薄板２２の尖端部（山）２５ｂの位置は、タイプ２の薄板２３の開口部と対向する位置に設けられていることが好ましい。
タイプ１とタイプ２の設置順は、特に限定されず、タイプ１→タイプ２→タイプ１→タイプ２のようにしても良く、またタイプ２→タイプ１→タイプ２→タイプ１のように設置しても良い。薄板の数は特に限定されないが、例えば２～２０枚（タイプ１及びタイプ２でワンセットの場合、１～１０セット）とする。
薄板の数が増えるほど気泡せん断効果は高まるが、気泡せん断フィルター２１内の圧力は高まり律速されるため、薄板の数は、ポンプの出力や気泡せん断フィルターなど各機器を含めた流路（管路）全体の耐圧と、必要とされる気泡のサイズやバブル流体の取り出し速度を考慮して総合的に判断するべきである。

なお、薄板の形状については予め上記のような異なる２種類の薄板を準備するのではなく、同一形状（同形同大）のものを開口部と尖端部が対向するようにずらして配置することも可能である。この場合、上下が多少合わなくなるのでその場合には調整が必要である。

図３（Ｂ）は、タイプ１の薄板２２とタイプ２の薄板２３を取り出して平面に並置した図である。この図より、２つの薄板を重ねると、開口部２５ａと尖端部２５ｂがそれぞれ同じ位置に合わさることが理解される。尖端部２５ｂの役割は、開口部２５ａを追加した気泡を物理的にせん断することであるから、尖端部の最も尖った部分は、針の先のような鋭く尖った形状が好ましく、また尖端部２５ｂの頂点の位置は、開口部２５ａの中央にくることが好ましい。そして、気泡せん断フィルター２１の空洞部に配置するときには、これら複数の薄板は、一定の距離を隔てて均等に配置すればよい。

薄板に尖端部２５ｂを設けるには、針状の型を用いてプレス加工機により成形する「エンボス成形加工法」を用いることができる。この方法によれば、多数の尖端部を一度に容易に成形することができるからである。但し、薄板の加工方法は特に限定されない。また、開口部２５ａ及び尖端部２５ｂの大きさ及び個数についても特に限定されない。

試作機では、直径１２ｃｍ、厚さ０．２ｍｍのステンレス製の薄板をプレス加工機により、タイプ１をプレスしたあと、型を少しずらしてタイプ２を製作し、タイプ１の薄板には、一枚につき尖端部２５ｂ（山）と開口部２５ａ（谷）とをそれぞれを４０個、タイプ２の薄板にも、位置をずらして同様に尖端部２５ｂ（山）と開口部２５ａ（谷）とをそれぞれ４０個（山谷４０個ずつ）設けた形状に成形した。両者を重ねると山と谷が互いに重なることになる。

試作機では、内径１１．４ｃｍ程度の空洞部の内部に、上記２種類の薄板２２、２３を２枚一組として、約０．７ｃｍ間隔で合計１２枚（２×６組）並べた。

気泡せん断フィルター２１を通過することにより、気液混合流体に含まれる大半のマイクロバブルは圧壊し、より粒径の小さいナノバブルが生成される。

＜気液混合流体生成機＞
図４は、気液混合流体生成機３１の実施例として、ＰＳＰＺ型（自然吸気式）の加圧型ロータリーブロアー３１ａの装置構成を示す図である。ロータリーブロアー３１ａは、本実施形態のウルトラファインバブル発生装置１０においては気液混合流体生成機３１として機能する。ロータリーポンプ３２が回転すると動力がベルト３３に伝達され、ロータリーブロアー３１ａの回転盤３４が回転する。回転盤３４の内部には溝３５が設けられ、溝３５の内部にはスプリング３６と仕切り弁３７が設けられている。仕切り弁３７はスプリング３６に常時押圧されており、回転軸の中心と偏心した筒状の空洞部内で回転盤３４が回転すると壁面との距離に応じて仕切り弁３７が突出したり溝３５内に押し戻されたりする。
一方、空洞部に流体（通常は水）を取り入れる取水口３８と気体（通常は空気）を取り入れる空気流入孔３９が接続されており、仕切り弁３７によって区画された室内に順次気体（例えば空気）と流体（例えば水）が送り込まれる。そして、ポンプの働きによって圧力を加えられることで、強制的に気体が液体中に気泡となって取り込まれ、気液混合水出口４０から気液混合水が排出される。
取水口３８は、管路（不図示）を通じて気泡せん断フィルター２１の排出孔２６に接続し、気液混合水が還流するように構成する一方、必要量のみ採水する構成とする。

気液混合水出口４０から排出される気液混合水は、ロータリーポンプ３２によって高い水圧が印加されている。気液混合水出口４０よりも断面積の小さい管に接続して、回転ミキサー１１に送り出す構成とすることが好ましい。気液混合水出口４０よりも断面積の小さい管に接続すると、管内の圧力が高くなり、流速を上げることができるからである。回転ミキサー１１内で流速が高められた気液混合流体は高い水圧が加えられた状態のまま、気泡せん断フィルター２１へと強制的に押し込まれる。

回転ミキサー１１から排出された時点で気泡の粒径はマイクロメートルからナノメートルサイズとなる。

なお、ロータリーブロアー３１ａは、市販のものを用いてもよい。但し、粒径が１μｍ未満のウルトラファインバブルを発生することを目指す場合、気液混合流体を極限まで加圧し、加速する必要があるため、ポンプ出力の極めて大きなものを用いることが必要となる。本件発明者は、加圧型ブロアーポンプ（１５０Ｌ／ｍ）を用いて試作機を製作した。加圧型ブロアーポンプは用途に応じて性能を変更することが好ましい。例えば、車載型など、大型のロータリーブロアーを積載する場合には、出力性能が２００Ｌ／ｍの加圧型ブロアーポンプを用いても良い。

導入流体は、置換気体を導入する場合に、取水口３８から取り込む流体は、「キャリアー流体」として作用する。キャリアー流体又はその原料は、精製水（蒸留水）や生理食塩水等のほか、井戸水や水道水を用いることができる。

また、磁場により乱流を静流化する装置構成を採用する場合、好ましくは木炭や竹炭或いは花崗岩などから抽出したミネラル（陽イオン）を溶質とするＲＯ水（逆浸透膜水）をキャリアー流体として用いることが好ましい。流体中の気泡は内部に陽イオンを取り込むことで外側はマイナスに帯電した荷電粒子となるため、高速で移動すると電磁力を受けやすくなる。

＜静流化について＞
回転ミキサー１１の内部では、気液混合流体が高圧下で螺旋形状の溝１４を通過しながら加速するため、乱流状態で排出孔１６から排出される。このとき、強い静磁界下を通過させると、乱流を静流化することができる。特に、高エネルギーのままランダムな方向で回転或いは振動しているが、気泡中にミネラルを含む荷電粒子が静磁界を通過すると、電磁力により、低エネルギー化状態となる。その結果、気泡は気液混合流体中で一方向に整列し、乱流を静流化することができる。そして、乱流状態の気液混合流体を静流化しておくことで、一層加速しやすくなる。

図１における回転ミキサー１１と気泡せん断フィルター２１とをつなぐ管路上には、静流器６１が取り付けられている。静流器６１は静磁界を発生させる器具であり、例えば永久磁石が使用可能である。磁力は強力であるほど乱流を静流にする作用が強くなる点で、好ましい。永久磁石であればネオジム磁石又はこれと同程度以上の磁力を発生させる磁石であることが好ましいがこれに限定されるものではなく、例えば直流駆動の電磁石でもよい。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、いずれも管路を覆うように取り付けられた静流器６１の構造を示す図である。試作機においては、図５（Ａ）のように湾曲したネオジム磁石（厚さ７ｍｍで幅１．５センチ、長さ４ｃｍ）を２つ、対向させて設置することで、静流器６１とした。なお実際の試作機では、管路にぴったりとはまるものが得られなかったため、多少の隙間が空いており、留め具で管路に密着させた状態で両者を向かい合わせにして固定させた。なお、静流器が乱流を静流化する仕組みは荷電粒子に作用する電磁力によるものであり、電源コードに取り付けるラインフィルターと同じ原理である。

＜置換気体について＞
ウルトラファインバブルに封入するための気体成分としては、その用途によって、水素ガスやオゾンガスなどが用いられる場合がある。このような場合でも、気液混合流体生成機３１においては一先ず空気をキャリアー流体（例えば上述した水又はＲＯ水）に混合させ、その後、空気の少なくとも一部を他のガスで置換して生成する。このようにする理由は、最初から水素を混合しようとしても水素の気泡が水に溶存するか或いは水素ガスが容易に大気中に放散してしまう可能性もあるため、効率良く気液混合流体を得ることができないからである。

図１のＡ点には気液混合流体生成機３１から排出された気液混合流体が図の矢印に示す方向に向かって回転ミキサー１１の流入孔１２に向けて流れる。この時、分岐路５１から水素などの置換気体を導入してもよい。

陽イオンを含む水をキャリアー水とすると、流速が一定である場合、気液混合流体に含まれる気泡はプラス電荷とマイナス電荷（電子）に分極した状態で存在している。プラスに帯電している水素分子（１７％以上の分子）は、圧力の高い溶媒により、圧力の低い溶存空気に対して優先的に侵入通過しようとする。なかでも、水素分子は、電子が分極してプラスに帯電しやすいため、キャリアー流体に含まれる陽イオンに阻まれ、透過脱出できないまま理論的にはその気泡をごくわずかに膨張させる。ミリメートルサイズ、マイクロメートルサイズ、ナノメートルサイズの気泡を含む水は、換言すると、水素を含む気泡と含まない気泡、それと溶存水素に分離された気液混合水として、気泡せん断フィルターへと向かう。流路中、回転せん断された一部の気泡（ミリバブルやマイクロバブル、マイクロナノバブル等）は構造を保持できなくなった段階で圧壊し、マイクロサイズに近いナノサイズの溶存気泡となる。置換気体は特に限定されないため、水素以外のガス、例えばオゾンや窒素を用いることも可能である。

（第２の実施形態）－ウルトラファインバブル発生装置－
図６は、実験機として試作した実用的なウルトラファインバブル発生装置１０Ａの構成例を図示するものである。ロータリーブロアー３１ａ、第１の回転ミキサー１１ａ、気泡せん断フィルター２１、第２の回転ミキサー１１ｂをこの順に管路で接続する。そして、第２の回転ミキサー１１ｂは、管路を伝ってロータリーブロアー３１ａに還流させる構成とする。ここで、二次ミキサー自体は、製品として供給するための製品タンク７１中に沈め、採水口７２から必要時に採水可能にしておき、残りは全てロータリーブロア３１ａに還流させる構成を採用する。
また、気液混合水出口４０につながる流路に置換気体として水素ガスを合流させる構成とした。

各機器の仕様は以下のとおりである。
ロータリーブロアー：ＮＩＫＵＭＩ加圧型ブローポンプ（１５０Ｌ／ｍ）２５ＰＳＰＺ
第１の回転ミキサー：容積４００ｍｌ
第２の回転ミキサー：容積１００ｍｌ
気体せん断フィルター： 容量５００ｍｌ
キャリアー水： ミネラル（陽イオン）を溶質とするＲＯ水
室温２０℃

ウルトラファインバブル発生装置１０Ａを１時間動作させると水温が４０℃に上昇した。気泡を長時間水中に止めておくためには水は低温ほど好ましい。採水直後はミリバブルとマイクロバブルとナノバブルが混在した白濁状態にあるが、２～３分間ほど静置すると下から徐々に透明になる。最後に残ったものがウルトラファインバブル水である。
運転を開始するにつれて最終的に得られるウルトラファインバブル水に含まれる気泡の粒径は小さくなる。最低１時間、本実施例では２４時間、運転を続けた後、ウルトラファインバブル水を取り出して測定することとした。

＜ウルトラファインバブル水の性能評価（実験条件）＞
測定日： ２０２０年３月１１日
測定方法：電磁抵抗法（ＩＳＯ１３３１９準拠）
測定モード：定量モード（１００μＬの吸引）（１ｍｌあたりの個数をカウント）
サンプル調整：ＩＳＯＴＯＮ ＩＩ（電解液）２００ｍｌ 各試料２０ｍｌ（※１０倍希釈）
アパチャー径：１０μｍ（計測限界粒径０．２μｍ）
測定装置：精密粒度分布測定装置
ベックマン・コールター社製 Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４ｅ

この装置は、電気的検知帯法（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｚｏｎｅ Ｍｅｔｈｏｄ）として知られるコールター原理を用いて、粒子の個数、体積、面積の粒径分布を０．２μｍ～１６００μｍの範囲で同時に測定することができる。コールター原理とは、微細な導電性の空孔（アパチャー）が設けられた筒（マノメーター）の内部に一定量の電解液を流し、マノメーターの内部と外部とに電極を設置して直流電圧（内部電極にプラス、外部電極にマイナス）を印加し、粒子が検知帯（アパチャー感応領域）を通過すると、粒子の大きさ（体積）に比例して２電極間の電気抵抗が変化する原理をいう。この電気抵抗の変化を検出及び増幅することにより、粒子の個数と体積を同時に計測することができる。

図７は、電気的検知帯法の測定原理を模式的に示す図である。電解液は一定の速度でマノメーターの内部に供給される一方、メータリングポンプによって一定の速度で吸引することにより電解液を循環させる。そして、このときマノメーターのアパチャーＳを通過した粒子の個数、体積等を同時に計測する。マイクロメートルサイズ未満の気泡を含むウルトラファインバブル水は気泡が透明であるため散乱光を得られなくなることからレーザー光を用いた測定装置では正確な測定が困難であるが、コールター原理ならばサイズと濃度を正確に測定できる利点があると言われている。

＜測定結果＞
試料Ａ：採水日２０１０年１２月上旬（水素置換）
試料Ｂ：採水日２０１９年３月 ２日（水素置換）
試料Ｃ：採水日２０２０年２月１４日（水素置換）
水道水：採水日２０２０年３月１１日

試料Ａ～試料Ｃは、いずれも図６を参照して第２の実施形態として説明したウルトラファインバブル発生装置１０Ａを用いて製造した。キャリアー水として、ミネラル（陽イオン）を溶質とするＲＯ水（逆浸透膜水）を用い、置換気体は水素を用いた。各試料は同一の装置を用いて製造しているが、製造時期が異なっている。
試料Ａは試作機を製作して最初に計測した試料であり、測定日からみて約９年（９年３ヶ月程度）前の試料である。試料Ｂは測定日の約１年前に採水した試料、試料Ｃは測定日の９日前に採水した試料、水道水はリファレンス用として測定日当日に採取して計測した水道水である。
水道水にウルトラファインバブルが一切含まれないことは当然であるが、この測定装置で測定すると、水道水中に混入しているパーティクルの粒子数が計測される。試料Ａ、Ｂ、Ｃは脱気水で４０００倍希釈（約４００倍希釈の試料をさらに１０倍希釈して測定）したものを用いた。本実施形態の装置で生成したウルトラファインバブル水（試料Ａ、Ｂ、Ｃ）については、４０００倍に希釈しなければ計測できない程、大量の気泡が存在していたためである。なお、希釈には水道水を流しながら陰圧をかけてフラスコに溜める方法によって得られた脱気水を用いた。
４０００倍希釈する前の、原液のウルトラファインバブルの数は、それぞれ下記の通りであった。

試料Ａ～Ｃ中に含まれる気泡の数の測定値は下記のとおりとなる。
試料Ａ：測定値５８０２６個／ｍｌ
試料Ｂ：測定値４１２１９８個／ｍｌ
試料Ｃ：測定値１６８４６４個／ｍｌ
また、上記のとおり、各試料は４０００倍に希釈されているので、希釈前の気泡数は、
試料Ａ（原液）： ５８０２６×４０００＝ ２億３千２１０万４千個／ｍｌ
試料Ｂ（原液）：４１２１９８×４０００＝１６億４千８００万個／ｍｌ
試料Ｃ（原液）：１６８４６４×４０００＝ ６億７千３８５万６千個／ｍｌ
と見積もられる結果となった。なお、試料Ｂの測定値が相対的に大きい理由については測定装置の検出限界と関係していると考えられ、考察の詳細は後述する。

図８（Ａ）は、試料Ａ～Ｄについての測定結果を示す図である。また、図８（Ｂ）は、各試料及び水道水に対する個数統計値を一覧表で表した図である。
図８（Ａ）の縦軸は気泡の個数、横軸は粒子直径（０．２μｍ～６μｍ）を示している。このグラフは一律にブランク（電解液のみを計測したデータ）を減算して表示している。ブランクを減算するのは、試料を希釈する際に加える電解液中に存在するパーティクルの影響を除くためである。上記の通り、試料Ｂは試料Ａ，Ｃに比べて０．４μｍ付近のピークが大きく、バブルの数も多いため、０．２μｍ付近の粒子がカウントされる確率は、他の試料Ａ，Ｃよりも小さいと考えられ、粒子数が過小評価されていると考えられる。一方、ウルトラファインバブルの一部は時間と共に気泡が結合して大きくなる性質がある。計測限界粒径以下の粒径を持つ粒子は計測されないため、時間の経過と共に気泡の粒径が大きくなったことによって絶対数としての気泡数が減少する一方、計測可能な粒径となったことで計測値として検出される気泡数はむしろ増加するとも考えられる。さらに、検出限界以下の微細な多数の粒子は自己加圧によって溶解消滅し、気泡数が減少する影響も無視できない。従って、経時的な気泡の数の増減は複雑な要因が絡み合うため定量的に論ずることは難しく、一概には定義できない。

すなわち、試料Ｂについては、ブランクを減算すると表示上は０．２μｍ付近の粒子が存在していないようにも見えるが、実際には０．２～０．４μｍは試料Ａ，Ｃ同様に存在は確かにしていると考えられる。
結論として、試料Ｂは、試料Ａ及びＣとの比較において、気泡の絶対数は異なるが、相対的な分布については試料Ａ及びＣとそれほど大きくは変わらないことが示唆される結果となった。

＜使用例＞
以上のように、本実施形態のウルトラファインバブル発生装置によれば、種々の気体（特に限定されないが、例えば水素、酸素、オゾン、窒素など）含むウルトラファインバブル水を生成することができるため、飲料水、洗浄用水、医科歯科向け診療補助材料、水耕栽培、化粧水、産業材料、エネルギー開発など幅広い分野に活用できる。

本発明のウルトラファインバブル発生装置によれば、ウルトラファインバブルを効率良く発生させることができるので、産業上の利用可能性は極めて大きい。

１０ ウルトラファインバブル発生装置
１１ 回転ミキサー
１２ 流入孔
１３ 空洞部
１４ 溝
１５（１５ａ、１５ｂ） 貫通孔
１６ 排出孔
２１ 気泡せん断フィルター
２２ タイプ１の薄板
２３ タイプ２の薄板
２４ 流入孔
２５ａ 尖端部
２５ｂ 開口部
２６ 排出孔
３１ 気液混合流体生成機
３１ａ ロータリーブロアー
３２ ロータリーポンプ
３３ ベルト
３４ 回転盤
３５ 溝
３６ スプリング
３７ 仕切り弁
３８ 取水口
３９ 空気流入孔
４０ 気液混合水出口
５１ 分岐路
６１ 静流器
７１ タンク
７２ 採水口

Claims (9)

1. 内部に空洞部が設けられ、前記空洞部内に気泡を含む流体を導入する流入孔と、前記流体を排出する排出孔とを具備する気泡せん断フィルターであって、
   前記空洞部は筒状であり、その内部に薄板が複数配置され、
   タイプ１の薄板には、少なくとも複数の開口部が設けられ、前記タイプ１の薄板に隣接し、下流側に配置されるタイプ２の薄板には、下流側から上流側に向かって突出する複数の尖端部（山）と、隣り合う尖端部に囲まれた複数の開口部（谷）が設けられており、前記タイプ１の薄板の開口部と隣接する前記タイプ２の薄板の尖端部とが対向するようにかつ前記タイプ２の薄板の尖端部の全体が前記タイプ１の薄板の開口部より下流側に配置されるように前記タイプ２の薄板が配置された気泡せん断フィルター。
2. 気液混合流体を生成する気液混合流体生成機と、回転ミキサーと、請求項１記載の気泡せん断フィルターとを具備するウルトラファインバブル発生装置。
3. 乱流を静流に変化させる静流器を更に具備する請求項２記載のウルトラファインバブル発生装置。
4. 前記静流器は磁石である請求項３記載のウルトラファインバブル発生装置。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載のウルトラファインバブル発生装置において、
   前記回転ミキサーを複数個具備するウルトラファインバブル発生装置。
6. 前記複数個の回転ミキサーは、下流側ほど上流側よりも容積が小さい請求項５記載のウルトラファインバブル発生装置。
7. 前記気液混合流体生成機の下流側に前記回転ミキサーが配置されていると共に、
   前記回転ミキサーの流入孔の手前に前記気液混合流体に含まれる気体とは異なる置換気体を導入するための流路が設けられた請求項２乃至請求項６のいずれか１項記載のウルトラファインバブル発生装置。
8. 前記置換気体は水素、酸素、窒素又はオゾンである請求項７記載のウルトラファインバブル発生装置。
9. 請求項２乃至請求項８のいずれか１項記載のウルトラファインバブル発生装置を用いたウルトラファインバブル流体の製造方法。

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