JP7213126B2 - 気泡含有液体製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体中にウルトラファインバブル等の気泡を発生させる気泡含有液体製造装置に関する。
近年、水等の液体に微小な気泡を含有させた気泡含有液体の普及が進んでいる。微小な気泡には、直径１μｍ以下のウルトラファインバブル（ＵＦＢ：ultra fine bubble)や直径１０μｍ以下のマイクロバブル、直径１ｍｍ以下のミリバブル等がある。特にＵＦＢを含有するＵＦＢ水は、魚介類の鮮度維持や微生物培養、滅菌医療、各種洗浄等の分野での利用が検討されている。
微小な気泡を生成する装置としては、例えば、液体が流れる主流路と、主流路に気体を導入する給気路と、を備え、給気路の給気孔が、液体の流れる方向に向かって角度をつけて主流路の吸い込み室と接続され、且つ気体の導入により主流路においてらせん状の旋回流を生成するように給気孔の中心軸と主流路の中心軸とが交わらないように配置されたものが知られている（特許文献１）。
特開２０１７－１８９７３３号公報
しかしながら、上記構成の装置では、気泡の微小化と高密度化に限界があった。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、微小な気泡を高密度で生成することが可能な気泡含有液体製造装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る気泡含有液体製造装置は、ケーシングと、ポンプ部と、気泡混合部と、を具備する。
上記ケーシングは、液体流入口と液体流出口とを有する液体の主流路が設けられる。
上記ポンプ部は、上記主流路に配置され上記ケーシングに回転可能に支持されたロータを有し、上記液体流入口から上記液体流出口へ上記液体を圧送する。
上記気泡混合部は、上記主流路に配置され内径が絞られた第１の絞り部と、上記第１の絞り部に気体を供給する給気路と、を有する。
上記ポンプ部と上記気泡混合部が上記ケーシング内に配置される。
この構成では、ケーシングの主流路に配置されたポンプ部によって多量の液体を吸入できるため、絞りによって流速を十分に高めることができる。これにより、多量の気体を導入でき、高密度の気泡を生成することができる。
上記ポンプ部は、
上記ケーシングの外部に配置され、上記ロータを回転させる駆動部と、
上記ロータの径方向に往復動可能に設けられた複数のベーンと、
上記ロータの回転に伴って上記複数のベーンの先端部が接するカム面を有し、上記ロータ及び上記複数のベーンとともにポンプ室を画定するように上記ケーシングに取り付けられたカムリングと、
上記液体流入口と連通し上記液体を上記ポンプ室に吸入する吸入ポートと、
上記液体流出口と連通し上記液体を上記ポンプ室から吐出する吐出ポートと、
をさらに有していてもよい。
ポンプ部をベーンポンプとして構成することで、気体の混合等による動作不良を防止しつつ、液体の吐出圧力を高めることができる。また、ポンプ部の機構を主流路に組み込むことができる。これにより、省スペース及び低コスト化を実現することができる。さらに、吐出圧力の高い上記ポンプ部により、過飽和の状態で気体を液体中に溶解させることができる。これにより、圧力が解放される液体流出口近傍において、溶解していた気体を再気泡化させることができ、高密度の気泡混合液体を生成することができる。


上記気泡含有液体製造装置は、
上記主流路の内径が絞られた第２の絞り部を有し、上記ポンプ部と上記液体流出口との間に配置され、上記気体を含む上記液体の流速を制御する流速制御部をさらに具備し、
上記気泡混合部は、上記液体流入口と上記ポンプ部との間に配置されてもよい。
上記流速制御部では、気体を含む液体の流速を高めるように制御することで、液体の静圧を低下させ、ポンプ部で過溶解させた気体を再気泡化させることができる。また、流速を高めることで、液体中の気泡に対してせん断力を作用させ、気泡を微細化させることができる。さらに、静圧の低下によりキャビテーションを発生させ、そのエネルギーによっても気泡にせん断力を作用させ、発生した気泡をより微細化させることができる。換言すると、キャビテーションにより発生した水蒸気気泡が消滅（圧潰）し、その際に発生するエネルギーにより、周囲の再気泡化した気体を粉砕（微細化）することができる。加えて、気泡混合部をポンプ部の上流側に配置することで、気体の導入をより容易に行うことができる。
また、上記第２の絞り部は、
上記主流路の内径が極小となる小径部と、
上記小径部と上記液体流出口とに接続され上記主流路の内径が漸増する拡径部と、を含んでいてもよい。
これにより、拡径部によって徐々に気泡含有液体の静圧を高め、液体流出部から円滑に気泡含有液体を流出させることができる。
上記気泡混合部は、上記液体流入口と上記第１の絞り部とに接続され、上記液体に上記主流路の軸まわりの旋回流を発生させる旋回流発生部を有していてもよい。
旋回流を発生させることで、より液体の動圧を高め、静圧を低下させることができる。これにより、気体の導入を容易にすることができる。
以上のように、本発明によれば、微小な気泡を高密度で生成することが可能な気泡含有液体製造装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る気泡含有液体製造装置の構成を示す模式的な縦断面図である。 図１のII－II線で切断した断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る気泡含有液体貯留容器の構成を示す模式的な図である。 気泡含有液体製造装置の主流路内の各部位における液体の静圧分布を例示する模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る気泡含有液体製造装置の構成を示す模式的な縦断面図である。 上記気泡含有液体製造装置の旋回流生成部の構成を示す模式的な図である。 本発明の第３の実施形態に係る旋回流生成部の構成例を示す模式的な図である。 本発明の第３の実施形態に係る旋回流生成部の他の構成例を示す模式的な図である。 本発明の第４の実施形態に係る気泡含有液体製造装置の構成を示す模式的な縦断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る気泡含有液体製造装置の構成を示す模式的な縦断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る気泡含有液体供給システムの構成を示す模式的な図である。
以下、本発明の各実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
［気泡含有液体製造装置の構成］
図１は、本実施形態に係る気泡含有液体製造装置１００の構成を示す模式的な縦断面図である。気泡含有液体製造装置１００は、微小な気泡を含有する液体（以下、気泡含有液体）を製造する装置である。気泡には、大きさによって直径１μｍ以下のウルトラファインバブル（ＵＦＢ：ultra fine bubble)、直径１０μｍ以下のマイクロバブル、直径１ｍｍ以下のミリバブル等の種類がある。気泡含有液体が含有する気泡はいずれの大きさのものであってもよいが、典型的にはＵＦＢである。
気泡を形成する気体は特に限定されず、例えば、空気、窒素、酸素又はオゾン等とすることができる。気泡含有液体を構成する液体は特に限定されず、用途に応じて適宜選択可能である。用途例については後述する。
図１に示すように、気泡含有液体製造装置１００は、ケーシング１０と、ポンプ部２０と、気泡混合部３０と、流速制御部４０と、を備える。気泡含有液体製造装置１００は、詳細を後述するように、ケーシング１０にベーンポンプが組み込まれた構成を有する。
ケーシング１０は、液体流入口１２と液体流出口１３とを有する液体の主流路１１が設けられる。液体流入口１２と液体流出口１３の位置は図示の例に限定されない。ケーシング１０は、後述するように、液体に浸漬されることが可能に構成される。ケーシング１０は、液体による錆や腐食等の影響を防止する観点、及び軽量化等の観点から、アルミニウムやステンレス等の金属材料、樹脂材料等で形成される。
ケーシング１０は、例えば、主流路１１が設けられた本体１４と、本体１４の主流路１１を封止するカバー（図示せず）と、を有する。本体１４は、後述するポンプ部２０のポンプ機構を収容するポンプ収容凹部１５を有する。カバーは、本体１４に例えば複数のボルト等を介して締結される。ケーシング１０は、上記の構成に限定されず、３以上の部材により構成されていてもよい。
ポンプ部２０は、主流路１１に配置され、液体流入口１２から液体流出口１３へ液体を圧送する。ポンプ部２０は、例えばベーンポンプとして構成される。ベーンポンプは、液体の圧送に用いられる容積式ポンプであり、比較的簡易な構成でベーンの変形や摩耗が少なく、高い吐出圧力が得られるという特徴を有する。これにより、気泡含有液体によるポンプ部２０の動作不良を防止しつつ、高密度の気泡含有液体を得ることができる。
具体的に、ポンプ部２０は、ロータ２１と、駆動部２７ｍと、複数のベーン２２と、カムリング２３と、吸入ポート２４と、吐出ポート２５と、高圧室２６と、を有する。
ロータ２１は、ケーシング１０に回転可能に支持される。具体的に、ロータ２１は、ケーシング１０に回転可能に取り付けられたシャフト２７に連結される。シャフト２７の端部には、モータ等の駆動部２７ｍが接続される。駆動部２７ｍは、ケーシング１０の外部に配置され、シャフト２７を介してロータ２１を回転させる。ロータ２１は、液体による錆や腐食等の影響を防止する観点から、アルミニウムやステンレス等の金属材料、樹脂材料等で形成される。
図２は、ポンプ部２０の要部を示す図であり、図１のII－II線で切断した断面図である。
同図のポンプ部２０は、ロータ２１にかかる半径方向の圧力が釣り合っている平衡型ベーンポンプとして構成される。
複数のベーン２２は、ロータ２１の径方向に往復動可能に設けられる。ロータ２１には、上部が開口し放射状に相互に離間して設けられた複数のスリット２８が形成されている。各ベーン２２は、矩形の板状に構成され、各スリット２８に摺動自在に挿入されている。ベーン２２は、例えば樹脂材料、アルミニウムやステンレス等の金属材料で形成される。
カムリング２３は、ロータ２１の回転に伴って複数のベーン２２の先端部が接するカム面２３ａを有する。カムリング２３は、カム面２３ａが略長円形状をした環状の部材である。カムリング２３は、ケーシング１０に取り付けられ、かつ、ロータ２１及び複数のベーン２２とともに複数のポンプ室Ｐを画定する。カムリング２３も、液体による錆や腐食等の影響を防止する観点から、アルミニウムやステンレス等の金属材料、樹脂材料等で形成される。
ベーン２２は、ロータ２１の回転に伴って先端部をカム面２３ａに摺接させながら回転する。これにより、各ベーン２２間のポンプ室Ｐの容積が変動し、液体の吸入及び吐出が可能となる。本実施形態では、カムリング２３は、２つの吸入領域Ｓと２つの吐出領域Ｔとを有する。
吐出ポート２５は、液体を吐出領域Ｔのポンプ室Ｐから吐出させるポートであり、後述する流速制御部４０を介して液体流出口１３と連通する。吐出ポート２５は、例えばカムリング２３に隣接してポンプ収容凹部１５に配置されたサイドプレート２９に設けられる。本実施形態では、２つの吐出領域Ｔに対応して２つの吐出ポート２５が設けられる。吐出ポート２５は、高圧室２６に接続される。高圧室２６は、ポンプ収容凹部１５の底部に設けられ、例えば環状に形成される。
吸入ポート２４は、液体を吸入領域Ｓのポンプ室Ｐに吸入するポートであり、後述する気泡混合部３０を介して液体流入口１２と連通する。吸入ポート２４も、例えば２つの吸入領域Ｓに対応して２つ設けられる。これらの吸入ポート２４は、分流路１１ｄにそれぞれ接続されている。分流路１１ｄは、液体流入口１２側の主流路１１から液体を分流させ、ポンプ部２０の２つの吸入ポート２４に導く流路である。
図１に示すように、ポンプ部２０の上流側の気泡混合部３０は、主流路１１に配置され、液体に気体（気泡）を導入する。気泡混合部３０は、本実施形態において、液体流入口１２とポンプ部２０との間、より詳細には液体流入口１２と分流路１１ｄとの間に配置されている。
気泡混合部３０は、主流路１１に配置され内径が絞られた第１の絞り部３１と、第１の絞り部３１に気体を供給する給気路３２と、を有する。気泡混合部３０は、主流路１１の第１の流路１１ａを介して液体流入口１２と接続され、主流路１１の第２の流路１１ｂ及び分流路１１ｄを介してポンプ部２０と接続されている。
第１の絞り部３１は、例えば、ベンチュリ管として構成される。具体的に、第１の絞り部３１は、内径が極小となる第１の小径部３３と、第１の小径部３３の上流側に接続された縮径部３４と、第１の小径部３３の下流側に接続された第１の拡径部３５と、を含む。縮径部３４は、第１の流路１１ａから第１の小径部３３に向かって内径が漸減する部分である。第１の拡径部３５は、第１の小径部３３から第２の流路１１ｂに向かって内径が漸増する部分である。
給気路３２は、図示しない気体源から第１の絞り部３１に気体を導入する管である。給気路３２は、例えば第１の絞り部３１の第１の小径部３３に接続される。給気路３２と第１の絞り部３１の接続構造については特に限定されない。例えば給気路３２は、第１の絞り部３１の中心軸に対してほぼ垂直に交わるように接続されていてもよいし、あるいは当該中心軸に対して鋭角をなすように接続されていてもよい。また、給気路３２は、第１の拡径部３５に接続されていてもよい。
図１に示すように、流速制御部４０は、ポンプ部２０と液体流出口１３との間に配置され、気体を含む液体の流速を制御して液体内で微細気泡（例えばＵＦＢ）を生成する。流速制御部４０は、本実施形態において、第３の流路１１ｃを介して高圧室２６と接続されている。
流速制御部４０は、主流路１１の内径が絞られた第２の絞り部４１を有する。第２の絞り部４１は、内径が極小となる第２の小径部４２と、第２の小径部４２から液体流出口１３に向かって内径が漸増する第２の拡径部４３と、を有する。第２の拡径部４３は、例えば円錐台状に構成され、静圧を徐々に高めながら気泡含有液体を液体流出口１３へと導くディフューザとして機能する。
上記構成の気泡含有液体製造装置１００は、例えば、液体が貯留するタンク等に取り付けることが可能に構成される。
［気泡含有液体貯留容器の構成］
図３は、本実施形態の気泡含有液体貯留容器２００の構成を示す模式的な図である。
気泡含有液体貯留容器２００は、液体Ｌを収容可能な収容部５０と、収容部５０に配置された気泡含有液体製造装置１００と、を備え、気泡含有液体製造装置１００を内蔵する容器として構成される。
収容部５０は、例えば、壁部５１と、底部５２と、を有し、液体Ｌを貯留可能なタンク等として構成される。
気泡含有液体製造装置１００は、例えば、ケーシング１０を収容部５０に取り付けるための取付部（図示せず）を有しており、収容部５０の壁部５１の内面に取り付けられる。気泡含有液体製造装置１００は、本実施形態において、ケーシング１０の液体流入口１２及び液体流出口１３を含む全体が収容部５０の液体Ｌに浸漬されることが可能に構成される。この場合、気泡混合部３０の給気路３２は、ケーシング１０から収容部５０の外部まで延び、図示しない気体源と接続される。また、ポンプ部２０の駆動部２７ｍは、典型的には収容部５０の外部に配置される。これに限られず、駆動部２７ｍは、ケーシング１０とともに液体Ｌに浸漬可能に構成されてもよい。
収容部５０の壁部５１の外面には、気泡含有液体製造装置１００の図示しない入力操作部が設けられていてもよい。これにより、ユーザによる気泡含有液体製造装置１００の起動及び停止等の入力操作が可能となる。
気泡含有液体貯留容器２００では、気泡含有液体製造装置１００が収容部５０の液体Ｌを吸入して高密度の微細気泡含有液体を生成し、収容部５０の液体Ｌ中に吐出することができる。さらに液体Ｌが気泡含有液体製造装置１００を複数回通過することで、収容部５０における液体の微細気泡の密度を高めることができる。
［気泡含有液体貯留容器（気泡含有液体製造装置）の動作及び作用］
以下、上記構成の気泡含有液体貯留容器２００及び気泡含有液体製造装置１００の動作及び作用について説明する。気泡含有液体貯留容器２００の収容部５０内には、気泡含有液体製造装置１００のケーシング１０全体が浸漬する程度の液体Ｌが収容されているものとする。
まず、ポンプ部２０に接続された駆動部２７ｍが起動し、ロータ２１が回転する。これに伴い、ロータ２１に設けられたベーン２２がカム面２３ａに接しながら摺動する。吸入ポート２４付近の隣り合うベーン２２によって画定されたポンプ室Ｐの容積が拡張することで、液体が液体流入口１２及び気泡混合部３０を介してポンプ室Ｐに吸入される。
図４は、主流路１１内の各部位における液体の静圧分布を例示する模式的なグラフであり、各部位において液体が取り得る静圧の範囲の例を示す。一点鎖線は、大気圧を示し、二点鎖線は、液体における気体の飽和蒸気圧を示す。
液体流入口１２から流入した液体は、第１の流路１１ａを通って第１の絞り部３１へと流入する。第１の絞り部３１では、ベンチュリ効果により、流速が高まるとともに静圧が低下し、図４に示すように負圧が生じる。これにより、給気路３２から気体が吸入され、液体に気泡が混合される。
また、第１の絞り部３１における流速の急激な変化により、液体にせん断力が生じ、気泡を生成及び微細化することができる。
ポンプ室Ｐに吸入された気泡含有液体は、ポンプ室Ｐの容積の拡張及び縮小に伴って加圧される。ポンプ部２０において、吸入行程から吐出行程に移行する際に、ポンプ室Ｐを一定時間密閉させ、予圧縮を行ってもよい。
加圧された気泡含有液体は、吐出ポート２５から吐出され、高圧室２６に収容される。図４に示すように、高圧室２６では、気泡含有液体が加圧されて静圧が高い状態である。本実施形態において、高圧室２６の圧力（ポンプ部２０の吐出圧力）は、例えば５ＭＰａ以上である。このため、高圧室２６では、気体の溶解度が高まり、気体が過飽和の状態で液体に溶解している。
流速制御部４０の第２の絞り部４１によって、気泡含有液体は、吐出ポート２５から第３の流路１１ｃまで静圧が高い状態で維持される。
加圧された状態の気泡含有液体が流速制御部４０の第２の絞り部４１に流入すると、ベンチュリ効果によって流速が高まり、静圧が急激に低下する。これにより、図４に示すように、液体の静圧が大気圧以下となり、ポンプ部の作用によって過飽和の状態で溶解していた気体が再気泡化する。
さらに、流速が高まった液体は、第２の絞り部４１から第２の拡径部４３に向かって噴流を生じる。このせん断力によって気泡がさらに粉砕され、微細化される。これにより、高密度のＵＦＢが生成される。
加えて、第２の絞り部４１によって液体の静圧が気体の飽和蒸気圧以下となると、液体中の気泡を核としてキャビテーションが発生する。つまり、液体の沸騰及び溶存気体の遊離等によって多数の微細な気泡が生成される。このキャビテーションによって発生した水蒸気気泡が急激に消滅（圧潰）し、その際に生じたエネルギーによって周囲の再気泡化した気体を粉砕（微細化）する。これにより、さらに高密度のＵＦＢが生成される。
流速制御部４０の第２の絞り部４１の内径を調整することで、流速及び液体の静圧を制御し、気泡のサイズを制御することができる。具体的には、第３の流路１１ｃに対する第２の絞り部４１の径の比が小さいほど、流速を高め、静圧を低下させることができ、気泡をより微細化することができる。
生成された気泡含有液体は、第２の拡径部４３から液体流出口１３に向かって噴出する。これにより、収容部５０内の液体Ｌが気泡含有液体に置換され、気泡含有液体が収容部５０内に貯留し、利用可能となる。
［本実施形態の作用効果］
以上により、本実施形態の気泡含有液体製造装置１００では、ポンプ部２０により液体を吸入し圧送することができる。これにより、第１の絞り部３１における流速を十分に高めることができ、多量の気体を液体中に供給することができる。また気泡混合部３０が第１の絞り部３１を有することで、単純な構成で気体を効率よく吸引することができる。
ポンプ部２０の上流側に気泡混合部３０を配置することで、負圧を生じさせやすくし、気体の吸引が容易になるとともに、気泡混合後の気泡含有液体をポンプ部２０によって加圧することができる。これにより、液体に気体を過飽和の状態で溶解させることができる。そして流速制御部４０において静圧を大気圧以下に低下させることで、過溶解していた気体を再気泡化できる。また、流速制御部４０において噴流を発生させ、その衝撃で気泡を十分に微細化することができる。さらに、液体の静圧を飽和蒸気圧以下まで急激に低下させることで、キャビテーションを発生させて気泡をさらに微細化し、高密度の気泡含有液体を生成することができる。換言すると、キャビテーションにより発生した水蒸気気泡が消滅（圧潰）し、その際に発生するエネルギーにより、周囲の再気泡化した気体を粉砕（微細化）することができる。
また、ポンプ部２０がベーンポンプとして構成されることで、気泡含有液体による腐食や損傷、動作不良の起きにくい構造の気泡含有液体製造装置１００となる。また、上記ポンプ部２０により、吐出圧力を例えば５ＭＰａ以上に高めることができ、キャビテーション及び気泡の微細化を確実に導くことができる。
さらに、ベーンポンプの構造を基礎として気泡含有液体製造装置１００を製造することができ、配管等の部品数を低減できる。これにより、気泡含有液体製造装置１００の製造コストを抑制できるとともに、装置を小型化することができる。加えて、気泡含有液体製造装置１００は、取り扱い及びメンテナンスの容易な構成となる。
さらに、気泡含有液体貯留容器２００は、気泡含有液体製造装置１００のケーシング１０を収容部５０内に配置することができる。これにより、タンク等の収容部５０と気泡含有液体製造装置１００とを接続するための配管も不要となり、製造コストを低減できる。また、気泡含有液体貯留容器２００を省スペースに構成できる。
＜第２の実施形態＞
気泡含有液体製造装１００Ａは、第１の実施形態の構成に加え、気泡混合部３０Ａが旋回流を発生させるように構成されてもよい。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図５は、本実施形態に係る気泡含有液体製造装１００Ａの構成を示す模式的な縦断面図である。
気泡含有液体製造装１００Ａは、第１の実施形態と同様の構成のケーシング１０と、ポンプ部２０と、流速制御部４０と、を備え、第１の実施形態と異なる構成の気泡混合部３０Ａを備える。
気泡混合部３０Ａは、本実施形態において、主流路１１の内径が絞られた第１の絞り部３１と、給気路３２と、さらに旋回流生成部３６と、を有する。
図６は、旋回流生成部３６の構成を示す図であり、主流路１１の中心軸方向から見た模式的な断面図である。
旋回流生成部３６は、旋回導入路３７と、旋回流路３８と、を有する。
旋回導入路３７は、ケーシング１０の液体流入口１２と旋回流路３８とに接続される。旋回導入路３７は、旋回流路３８の接線方向に接続されるように形成される。旋回導入路３７は、例えば図６に示すように複数形成される。
旋回流路３８は、主流路１１の中心軸まわりに周回するように設けられた流路である。旋回流路３８の長さは特に限定されず、上記軸まわりに１～数回転するように構成される。
第１の絞り部３１は、第１の実施形態と同様に、内径が極小となる第１の小径部３３と、第１の小径部３３の上流側に接続された第１の縮径部３４と、第１の小径部３３の下流側に接続された第１の拡径部３５と、を含む。第１の縮径部３４は、旋回流生成部３６の旋回流路３８の下流側に接続される。
上記構成により、第１の絞り部３１の上流側で旋回流が発生し、液体の流速が高まる。これにより、第１の絞り部３１において静圧を大きく低下させることができる。したがって、第１の絞り部３１において高い負圧を発生させ、給気路３２からの気体の吸入量を高めることができる。
さらに、第１の縮径部３４において内径が漸減することで、旋回流の回転速度を高め、気体の吸引量をさらに高めることができる。
さらに、第１の絞り部３１では、旋回流の遠心力によって液体は外周で旋回し、気体は外周から負圧の高い中心部に向かって吸引される。これにより、液体中の気泡に強いせん断力が作用し、気泡の微細化が促進され、効率よくＵＦＢを製造することができる。
以上より、本実施形態によれば、より多量の気体を液体に混合させ、流速制御部においてより高密度の気泡を生成することができる。
＜第３の実施形態＞
旋回流生成部３６の構成は、図６の構成に限定されない。
例えば、図７に示すように、旋回流生成部３６Ａの旋回導入路３７Ａは、螺旋状の突起を有するガイド３７ａを含んでいてもよい。これにより、旋回流路３８で流速の速い旋回流を発生させることができる。
また、旋回流生成部３６Ｂは、図８に示すように、主流路１１内の第１の絞り部３１の上流側に設けられた案内翼３９を有していてもよい。案内翼３９は、主流路１１の中心軸から放射状に延びる複数の翼状突起３９ａを含み、当該中心軸まわりに回転可能に構成される。これにより、第１の絞り部３１の上流側において旋回流を発生させることができる。
＜第４の実施形態＞
気泡含有液体製造装置１００Ｂは、気泡混合部３０Ｂがポンプ部２０の下流に配置されていてもよい。以下の説明では、上述の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図９は、本実施形態に係る気泡含有液体製造装置１００Ｂの構成を示す模式的な縦断面図である。
気泡含有液体製造装置１００Ｂは、第１の実施形態と同様の構成のケーシング１０と、ポンプ部２０と、を備え、第１の実施形態と異なる構成の気泡混合部３０Ｂを備える。
気泡混合部３０Ｂは、ポンプ部２０と液体流出口１３との間に配置される。ポンプ部２０は、第１の流路１１ａ及び分流路１１ｄを介して液体流入口１２と接続される。
気泡混合部３０Ｂは、旋回流生成部３６と、第１の絞り部３１と、第１の絞り部３１に接続された給気路３２と、を有する。
旋回流生成部３６は、第２の実施形態と同様に、旋回導入路３７と、旋回流路３８と、を有する。旋回導入路３７は、本実施形態において、ポンプ部２０の高圧室２６に接続された第２の流路１１ｅから液体を導入する。旋回流路３８は、主流路１１の中心軸まわりに周回するように設けられる。
旋回流路３８は、給気路３２が開口する第１の絞り部３１に接続される。第１の絞り部３１と給気路３２との接続構造は限定されず、例えば給気路３２が第１の絞り部３１の外縁を周回するように環状に設けられ、その環状部から複数の管路が第１の絞り部３１に向かって延びていてもよい。これにより、気体の導入効率を高めることができる。
気泡混合部３０Ｂでは、第１の絞り部３１において静圧が低下した液体と気体とが混合するとともに、飽和蒸気圧以下まで静圧が急激に低下し、キャビテーションが発生する。これにより、微細気泡が生成される。
また、第１の絞り部３１が旋回流生成部３６に接続されているため、第１の絞り部３１における液体が旋回流を形成する。これにより、負圧をより高めることができ、気体が効率良く吸引される。
さらに、液体は旋回流の遠心力によって外周で旋回し、かつ、気体は外周から負圧の高い中心部に向かって吸引される。これにより、液体中の気泡に強いせん断力が作用し、気泡の微細化が促進され、効率よくＵＦＢを製造することができる。
＜第５の実施形態＞
気泡含有液体製造装置１００Ｃは、ポンプ部の上流と下流に２つの気泡混合部３０Ｃ，３０Ｄを有していてもよい。以下の説明では、上述の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図１０は、本実施形態に係る気泡含有液体製造装置１００Ｃの構成を示す模式的な縦断面図である。
気泡含有液体製造装置１００Ｃは、第１の実施形態と同様の構成のケーシング１０と、ポンプ部２０と、を備え、さらにポンプ部２０の上流の第１の気泡混合部３０Ｃと、ポンプ部２０の下流の第２の気泡混合部３０Ｄと、を備える。
第１の気泡混合部３０Ｃは、液体流入口１２とポンプ部２０との間に配置される。
第１の気泡混合部３０Ｃは、第２の実施形態の気泡混合部３０Ａと同様に、第１の旋回流生成部３６Ｃと、第１の絞り部３１Ｃと、第１の絞り部３１Ｃに接続された第１の給気路３２Ｃと、を有する。
第１の旋回流生成部３６Ｃは、液体流入口１２に接続される。
第１の絞り部３１Ｃは、内径が極小となる第１の小径部３３Ｃと、第１の小径部３３Ｃの上流側に接続された第１の縮径部３４Ｃと、第１の小径部３３Ｃの下流側に接続された第１の拡径部３５Ｃと、を含む。第１の縮径部３４Ｃは、第１の旋回流生成部３６Ｃに接続されている。
第１の給気路３２Ｃは、例えば第１の小径部３３Ｃに接続される。
第２の気泡混合部３０Ｄは、ポンプ部２０と液体流出口１３との間に配置される。
第２の気泡混合部３０Ｄは、第３の実施形態の気泡混合部３０Ｂと同様に、第２の旋回流生成部３６Ｄと、第２の絞り部３１Ｄと、第２の絞り部３１Ｄに接続された第２の給気路３２Ｄと、を有する。
第２の旋回流生成部３６Ｄは、ポンプ部２０の高圧室２６に接続される。
第２の絞り部３１Ｄは、内径が極小となる第２の小径部３３Ｄと、第２の小径部３３Ｄの上流側に接続された第２の縮径部３４Ｄと、第２の小径部４２の下流側に接続された第２の拡径部３５Ｄと、を含む。第２の縮径部３４Ｄは、第２の旋回流生成部３６Ｄに接続されており、第２の拡径部３５Ｄは、液体流出口１３に接続されている。
第２の給気路３２Ｄは、例えば第２の小径部３３Ｄに接続される。
上記構成により、第１の気泡混合部３０Ｃで気泡を導入し、ポンプ部２０によって気泡含有液体を圧送した後、さらに第２の気泡混合部３０Ｄで気泡を追加導入することができる。したがって、より高密度の気泡を生成することができる。
＜第６の実施形態＞
第１乃至第５の実施形態で説明した気泡含有液体製造装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ及び気泡含有液体貯留容器２００は、例えば以下のような気泡含有液体供給システム３００に用いることができる。なお以下では、気泡含有液体供給システム３００が気泡含有液体製造装置１００を備える例を挙げて説明するが、気泡含有液体供給システム３００が気泡含有液体製造装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃを備えていてもよい。
図１１は、気泡含有液体供給システム３００の一例を示す模式的な図である。気泡含有液体供給システム３００は、研削装置に用いられる研削液（クーラント液）を供給する研削液供給システムとして構成される。本実施形態の気泡含有液体は、研削に用いられる削液がＵＦＢ等の微細気泡を含有したものであり、以下、気泡含有研削液とも称する。
ＵＦＢ等の微細気泡は、研削液の汚染の原因物質に対する界面活性作用や静菌作用、研削液の臭気の抑制作用等を有する。また、気泡含有研削液により、研削加工時の研削粉の目詰まりが防止でき、砥石等の工具の交換頻度の低減や被加工品の品位向上等が可能となる。
気泡含有液体供給システム３００は、気泡含有液体貯留容器２００と、液体供給ライン３１０と、液体供給部３２０と、廃液回収部３３０と、廃液回収ライン３４０と、を備える。
気泡含有液体貯留容器２００は、液体（気泡含有研削液）Ｌを収容可能な収容部５０と、収容部５０に配置された気泡含有液体製造装置１００と、を備える。収容部５０は、例えば、壁部５１と、底部５２と、を有し、気泡含有研削液Ｌを貯留可能なリザーバタンクとして構成される。上述のように、気泡含有液体製造装置１００のケーシング１０は、収容部５０の壁部５１の内面に取り付けられる。
液体供給ライン３１０は、例えば、第１の配管３１１と、送液ポンプ３１２と、第２の配管３１３と、を有する。
第１の配管３１１は、気泡含有液体貯留容器２００と送液ポンプ３１２とを接続する。図１１の例では、第１の配管３１１は、収容部５０の底部５２に接続されている。第１の配管３１１には、給液弁３１４及び排液弁３１５と、フィルタ３１６とが接続されている。フィルタ３１６は、第１の配管３１１を流れる気泡含有研削液Ｌから不純物を除去するために用いられる。
送液ポンプ３１２は、第１の配管３１１と第２の配管３１３とに接続される。送液ポンプ３１２は、気泡含有液体貯留容器２００から第１の配管３１１を介して供給される気泡含有研削液Ｌを第２の配管３１３へ送液する。
第２の配管３１３には、例えば、圧力計３１７ａ及び流量計３１７ｂと、圧力・流量調整弁３１８と、液体供給弁３１９と、が接続されている。圧力・流量調整弁３１８は、圧力計３１７ａ及び流量計３１７ｂの測定結果に基づいて、第２の配管３１３における気体含有研削液Ｌの圧力及び流量を調整する。第２の配管３１３は、液体供給弁３１９を介して液体供給部３２０に接続されている。
液体供給部３２０は、研削装置４００に気泡含有研削液を供給する。研削装置４００は、例えばワークＷを研削加工する砥石等の工具４１０と、ワークＷを保持する保持テーブル４２０と、を備える。液体供給部３２０は、例えば、工具４１０とワークＷとの間に気泡含有液体Ｌを供給する。
廃液回収部３３０は、研削装置４００に供給した気泡含有研削液Ｌを廃液として回収するための構成である。廃液回収部３３０は、例えば保持テーブル４２０の下部に配置された図示しない容器及び排水口等を含む。
廃液回収ライン３４０は、廃液回収部３３０に接続され、回収された気泡含有研削液Ｌを収容部５０に供給する。廃液回収ライン３４０は、第３の配管３４１と、第３の配管３４１に接続された圧力・流量調整弁３４２及びフィルタ３４３とを有する。フィルタ３４３は、廃液回収ライン３４０の第３の配管３４１を流れる研削液から不純物を除去するために用いられる。
以上の構成の気泡含有液体供給システム３００では、まず、研削液の原液が収容部５０に充填される。そして、気泡含有液体製造装置１００が起動される。これにより、収容部５０内の研削液原液が気泡含有研削液Ｌに置換される。
収容部５０内で生成された気泡含有研削液Ｌは、液体供給ライン３１０を通って液体供給部３２０から研削装置４００に供給される。これにより、ワークＷが気泡含有研削液Ｌを用いて研削加工される。
保持テーブル４２０から流出した使用後の気泡含有研削液Ｌは、廃液回収部３３０を介して廃液回収ライン３４０に供給される。そして、廃液回収ライン３４０のフィルタ３４３において研削屑等の不純物が除去され、再び収容部５０に供給される。
気泡含有液体製造装置１００は、ＵＦＢ等の微細気泡を高密度に生成することができる。これにより、収容部５０内に充填された研削液を短時間で気泡含有研削液Ｌに置換することができる。したがって、気泡含有研削液Ｌを準備するための時間を短縮し、研削加工の生産性を高めることができる。
また、高密度の微細気泡により、上記洗浄作用や目詰まり防止作用等を十分に発揮することができる。したがって、研削液や工具、配管等の交換頻度を低減させ、研削加工に係るコストを抑制することができる。
さらに、気泡含有液体製造装置１００が収容部５０内に配置されていることにより、システム全体の小型化を実現することができる。また、気泡含有液体製造装置１００及び気泡含有液体貯留容器２００を既存の研削液供給システムへ容易に導入することができ、導入コストを抑制することができる。
また、気泡含有液体製造装置１００は小型かつ低コストであるため、求める微細気泡の密度等に応じて、気泡含有液体供給システム３００をフレキシブルに構成することができる。例えば、気泡含有液体貯留容器２００は、一の収容部５０に対し、複数の気泡含有液体製造装置１００を備えた構成としてもよい。これにより、例えば収容部５０が大きい場合でも、高密度の気泡含有液体を短時間で大量に製造することができる。
＜他の実施形態＞
例えば、ＵＦＢは、上述の洗浄作用の他、酸化抑制作用、気体供給作用等、多様な作用を有する。そこで、本発明の気泡含有液体製造装置と、収容部と、液体供給部と、を備えた気泡含有液体供給システムは、以下のような用途にも用いることができる。
例えば、本発明の気泡含有液体供給システムは、液体として例えば精製水、気体として例えば空気やオゾンを用いて、食品や精密機器等を洗浄する洗浄水供給システムとして構成することもできる。
また、本発明の気泡含有液体供給システムは、液体として例えば精製水、気体として例えば窒素を用いて、魚肉等の酸化を防止する酸化防止水供給システムとして構成することもできる。
あるいは、本発明の気泡含有液体供給システムは、液体として例えば水、気体として例えば二酸化酸素や空気を用いて、浴槽用の気泡含有液体供給システムとして構成することもできる。この気泡含有液体供給システムは、給湯システム内に組み込まれていてもよいし、給湯システムに接続されていてもよい。あるいは、浴槽本体を「収容部」とし、浴槽の一部に気泡含有液体製造装置を取り付けて、浴槽を、気泡含有液体製造装置を備えた気泡含有液体貯留容器として構成してもよい。
また、本発明の気泡含有液体供給システムは、液体として例えば水又は海水、気体として例えば酸素を用いて、魚等の水生動物の養殖用水供給システムとして構成することができる。これにより、養殖に用いる水に酸素を十分に混合することができ、水性動物の成長を促進させることができる。
また、本発明の気泡含有液体供給システムは、液体として例えば水又は液体肥料、気体として例えば二酸化炭素又は窒素を用いて、植物の潅水システムとして構成することができる。これにより、所望の気体を混合させた気泡含有液体を植物に供給することができ、植物の生長等を促すことができる。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば本発明の実施形態は各実施形態を組み合わせた実施形態とすることができる。
流速制御部は、第２の絞り部を有すると説明したが、これに限定されず、例えば流量を制御可能な弁機構を有していてもよい。これによっても気泡含有液体の流速を制御でき、キャビテーションを発生させることができる。
気泡含有液体貯留容器は、気泡含有液体製造装置と収容部の他、例えば収容部内に配置される攪拌装置を備えていてもよい。これにより、収容部内の液体における微細気泡の密度が均一化される。
また、ポンプ部の構成はベーンポンプに限定されず、気泡含有液体を圧潰可能で所望の吐出圧力が得られるその他のポンプ機構により構成されてもよい。
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…気泡含有液体製造装置
１０…ケーシング
１１…主流路
１２…液体流入口
１３…液体流出口
２０…ポンプ部
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ…気泡混合部
３１…第１の絞り部
３２…給気路
４０…流速制御部
２００…気泡含有液体貯留容器
５０…収容部
３００…気泡含有液体供給システム

Claims (5)

  1. 液体流入口と液体流出口とを有する液体の主流路が設けられたケーシングと、
    前記主流路に配置され前記ケーシングに回転可能に支持されたロータを有し、前記液体流入口から前記液体流出口へ前記液体を圧送するポンプ部と、
    前記主流路に配置され内径が絞られた第１の絞り部と、前記第１の絞り部に気体を供給する給気路と、を有する気泡混合部と、
    を具備し、
    前記ポンプ部と前記気泡混合部が前記ケーシング内に配置される
    気泡含有液体製造装置。
  2. 請求項１に記載の気泡含有液体製造装置であって、
    前記ポンプ部は、
    前記ケーシングの外部に配置され、前記ロータを回転させる駆動部と、
    前記ロータの径方向に往復動可能に設けられた複数のベーンと、
    前記ロータの回転に伴って前記複数のベーンの先端部が接するカム面を有し、前記ロータ及び前記複数のベーンとともにポンプ室を画定するように前記ケーシングに取り付けられたカムリングと、
    前記液体流入口と連通し前記液体を前記ポンプ室に吸入する吸入ポートと、
    前記液体流出口と連通し前記液体を前記ポンプ室から吐出する吐出ポートと、
    をさらに有する
    気泡含有液体製造装置。
  3. 請求項１に記載の気泡含有液体製造装置であって、
    前記主流路の内径が絞られた第２の絞り部を有し、前記ポンプ部と前記液体流出口との間に配置され、前記気体を含む前記液体の流速を制御する流速制御部をさらに具備し、
    前記気泡混合部は、前記液体流入口と前記ポンプ部との間に配置される
    気泡含有液体製造装置。
  4. 請求項３に記載の気泡含有液体製造装置であって、
    前記第２の絞り部は、
    前記主流路の内径が極小となる小径部と、
    前記小径部と前記液体流出口とに接続され前記主流路の内径が漸増する拡径部と、を含む
    気泡含有液体製造装置。
  5. 請求項１に記載の気泡含有液体製造装置であって、
    前記気泡混合部は、前記液体流入口と前記第１の絞り部とに接続され、前記液体に前記主流路の軸まわりの旋回流を発生させる旋回流発生部を有する
    気泡含有液体製造装置。
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