JP7480392B2 - ウルトラファインバブル含有液の製造装置 - Google Patents
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Description
図1は、一例として、本発明の第1の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。本例の装置は、直径がナノサイズ、つまり1.0μm未満のウルトラファインバブル(以下、「UFB」ともいう)を効率よく生成する。給水タンク10と貯水タンク12との間には、液室である流水路11が形成されており、給水路15から給水タンク10に液体が供給される。給水タンク10内の液体は、流水路11内を流速Vで流れ、貯水タンク12に貯留されてから排出路16を通して排出される。液体を保持する液室である流水路11には、流水路11の所定領域内における液体を加熱して膜沸騰を生じさせるための発熱抵抗素子(ヒータ、電気熱変換素子)2を備える基板1が配置されている。詳しくは後述するが、この発熱抵抗素子2によって液体を加熱して膜沸騰を生じさせることにより、液体中にUFBを生成する。
ΔP=4σ/D ・・・ (1)
F=4πr3ρg/3 ・・・ (2)
F=6πηru ・・・ (3)
u=(2/9)r2ρg/η ・・・ (4)
r=a×{101325/(ρgh+101325)}1/3 ・・・ (5)
ヒータの総数=1.0e4(=1.0×104)
UFBの生成数=(1.0e4)×10×(1.0e4)×60[s]×60[min]
=3.6e12((個/L)/h)
図22に、図1で示したUFB生成装置をベースにした装置であって、さらに高い数密度を有するUFBを生成する装置を示す。本変形例では、図1の構成に加えて、UFBを生成した液体を循環させて再度UFBを生成させる構成を備える。
図5(a)は、本発明の第2の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。本実施形態においては、第1の実施形態と同様に1個の基板1上に10,000個のヒータ2を配した上、この基板1を計10個、直列に並べて実装した(図では簡略化のため3個の基板1のみ記載)。これらのヒータ2に対して、20kHzの駆動周波数でパルス信号(パルス幅:1.0μs、電圧:24V)を付与した。流水路11に水道水を供給し、その流速Vを1.0L/hとした。
ヒータの総数=1.0e4×10=1.0e5(=1.0×105)
UFBの生成数=(1.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
=1.2e12((個/L)/min)
第3の実施形態においては、第2の実施形態と同様に、図5(a)の装置を用いてUFB41を生成した。基板1におけるヒータ2の配備数、基板1の実装数、ヒータ2の駆動条件、および水道水の流速Vは、第2の実施形態と同様である。ただし、第3の実施形態においては、給水タンク10内の水道水に、気体導入口30から窒素ガスを24時間導入してバブリングさせて、給水タンク10内の水道水に溶存する気体の大半を窒素ガスに変換した。つまり、溶存する気体の多くが窒素ガスである液体中において、膜沸騰を生じさせてUFBを生成した。
図7(a)は、本発明の第4の実施形態におけるUFBの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、UFB含有液の製造装置に組み込まれている。図7(b)は、その生成装置に用いる液体吐出ユニット700の構成例の概略斜視図である。
ヒータの総数=1.0e4×10=1.0e5(=1.0×105)
UFBの生成数=(1.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
=1.2e12((個/L)/min)
図9(a)は、本発明の第5の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。第4の実施形態と同様に、生成装置には図7(b)の液体吐出ユニット700が用いられる。本実施形態におけるUFBの生成メカニズムは、第4の実施形態とは異なる第2形態のメカニズムであり、膜沸騰により発生した気泡が最大に成長した成長過程後、気泡の収縮段階において外気と連通する形態である。
イソプロピルアルコール 10wt%
エチレングリコール 50wt%
グリセリン 10wt%
純水 30wt%
ヒータの総数=1.0e4×20=2.0e5(=2.0×105)
UFBの生成数=(2.0e5)×10×(1.0e4)×60[s]
=1.2e12((個/L)/min)
図11(a)は、本発明の第6の実施形態におけるUFBの生成装置の概略構成図でありUFB含有液の製造装置に組み込まれている。第4の実施形態と同様に、生成装置には図7(b)の液体吐出ユニット700が用いられる。本実施形態におけるUFBの生成メカニズムは、第4および第5の実施形態とは異なる第3形態のメカニズムであり、膜沸騰により発生した気泡の成長段階において、気泡が外気と連通する形態である。
イソプロピルアルコール 5wt%
エチレングリコール 30wt%
グリセリン 5wt%
純水 60wt%
ヒータの総数=1.0e4×40=4.0e5(=4.0×105)
UFBの生成数=(4.0e5)×10×(5.0e3)×60[s]
=1.2e12((個/L)/min)
図13(a)は、本発明の第7の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。第4の実施形態と同様に、生成装置には図7(b)の液体吐出ユニット700が用いられる。本実施形態におけるUFBの生成メカニズムは、第4の実施形態と同様の第1形態のメカニズムである。本実施形態は、吐出口を純水中に浸した状態で膜沸騰により気泡を発生させて、UFBを含有した液体1311を純水中に吐出させる形態である。
ヒータの総数=1.0e4×20=2.0e5(=2.0×105)
UFBの生成数=(2.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
=2.4e12((個/L)/min)
図14(a)は、本発明の第8の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。第4の実施形態と同様に、生成装置には図7(b)の液体吐出ユニット700が用いられる。本実施形態におけるUFBの生成メカニズムは、第4の実施形態と同様の第1形態のメカニズムである。本実施形態は第7の実施形態と同様に、吐出口を純水中に浸した状態で膜沸騰により気泡を発生させて、UFBを含有した液体1311を純水中に吐出させる形態であるが、吐出の方向が第7の実施形態とは異なる。
ヒータの総数=1.0e4×30=3.0e5(=3.0×105)
UFBの生成数=(3.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
=3.6e12((個/L)/min)
図15(a)は、本発明の第9の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置としての浄水器1500に組み込まれている。直方体形状の保持部材1502における4つの周面上に、図1の基板1と同様に、ヒータ2を備える基板1501が複数個実装されている。保持部材1502は、上下方向に延在する回転軸1503を中心として回転される。保持部材1502と回転軸1503は、液室である第1の貯水容器1504内に位置し、その貯水容器1504内には、供給口1506から水道水が供給される。第1の貯水容器1504の外側には第2の貯水容器1505が配されている。
ヒータの総数=1.0e4×100=1.0e6(=1.0×106)
UFBの生成数=(1.0e6)×1.0×(2.0e4)×60[s]
=1.2e12((個/L)/min)
図16(a)は、本発明の第10の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置としての浄水器1600に組み込まれている。本実施形態では、第9の実施形態の構成に加えて、貯水タンク1611を備えている。
ヒータの総数=1.0e4×40=4.0e5(=4.0×105)
UFBの生成数=(4.0e5)×1.0×(2.0e4)×60[s]
=2.88e13((個/L)/h)
図17は、本発明の第11の実施形態の説明図である。本実施形態においては、第2の実施形態における図5(a)のバブル含有液の製造装置と同様の機能を備える製造装置(第1,第2の製造装置1701,1702)が直列に接続されている。これにより、第2の実施形態に対して2倍の量のUFB、つまり、1分間に約24億個/mlのUFB41を生成することができた。このように、高い数密度のUFB41を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をSALD-7500(島津製作所製)の測定器にセットして、水道水中における直径1.0μm未満のUFB41の数密度を測定した結果、約24億個/mlであった。そのときのバブル径の頻度分布を図17(b)に示す。直径が10nm~400nmの範囲におけるUFB41の数は、全体の99.8%であった。第1の実施形態と同様に、このように生成したUFB内に含まれる気体をGC-TCD法によって分析した結果、窒素が検出された。また、水道水の成分を分析した結果、不純物の増加は観察されなかった。
図18(a)は、本発明の第12の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置としての浄水器1800に組み込まれている。本実施形態は、図15に示す第9の実施形態の構成に加えて、バルブ1811および水流発生源1814を備えることにより循環流路を構成している。
ヒータの総数=1.0e4×100=1.0e6(=1.0×106)
UFBの生成数=(1.0e6)×1.0×(2.0e4)×60[s]
=1.2e12((個/L)/min)
UFBの生成数=(1.0e7)×1.0×(2.0e4)×60[s]
=1.2e13((個/L)/min)
前述した各実施形態において製造したUFB含有液について、その殺菌効果を確認した。その確認方法として、洗濯用洗剤の除菌試験方法を実施した。
試験温度: 25℃
試験時間: 5分間
試験容器: ステンレス製円板
試験菌種: 黄色ぶどう球菌、大腸菌
試験菌液濃度: 1.25e8~6.25e8 [cfu/ml]
試験試料: 0.1mL
試験対象A:第7の実施形態にて製造したUFB水 10ml
(オゾン、UFB:24億個/ml)
試験対象B:第9の実施形態にて製造したUFB水 10ml
(窒素、UFB:12億個/ml)
試験対象C:第10の実施形態にて製造したUFB水 10ml
(オゾン、UFB:288億個/ml)
試験対象D:第11の実施形態にて製造したUFB水 10ml
(窒素、UFB:24億個/ml)
試験対象E:第12の実施形態にて製造したUFB水 10ml
(窒素、UFB:120億個/ml)
比較対象A:第7の実施形態にて使用した純水 10ml
比較対象B:第9の実施形態にて使用した水道水 10ml
比較対象C:第10の実施形態にて使用した水道水 10ml
比較対象D:第11の実施形態にて使用した水道水 10ml
比較対象E:第12の実施形態にて使用した水道水 10ml
図20(a)は、本発明の第14の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。本実施形態は、上述した実施形態に対して、基板2001の構成および基板2001の配置等が異なる。
ヒータの総数=1.0e4×20=2.0e5(=2.0×105)
UFBの生成数=(2.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
=2.4e12((個/L)/min)
本発明は、液体に遷移沸騰を超える膜沸騰を発生させることにより、短時間に効率よく直径が1.0μm未満のUFBを生成することができる。UFBの発生源の一例として、1個当たり数十μmの正方形および長方形の形状の発熱抵抗部を用いることができる。これにより、このような発熱抵抗部を10,000個形成しても数mmレベルのサイズに収めることができ、この結果、UFB含有液の製造装置を極めて小型に構成することができる。また、UFBの発生源を1個当たり数十μmレベルの正方形および長方形とすることにより、UFBの発生効率がよく、液体供給用タンクおよび液体排出用タンク(容器)も小型化することができる。
2 ヒータ
41 ウルトラファインバブル(UFB)
11 流水路
212 液体吐出エレメント
320 気泡
700 液体吐出ユニット
Claims (13)
- 圧力室と、
前記圧力室に液体を供給する供給路と、
前記圧力室に連通する吐出口と、
前記圧力室内に配置され、液体を加熱することで、液体に膜沸騰を生じさせて、液体を前記吐出口から吐出するように構成された発熱手段と、
前記吐出口から吐出された液体を回収する回収手段と、
を備え、
前記発熱手段において、液体の膜沸騰により生じる気泡のエネルギーによって、前記圧力室内の液体が前記吐出口から吐出されることで液体中に直径が1.0μm未満のウルトラファインバブルを生成することを特徴とするウルトラファインバブル含有液の製造装置。 - 前記発熱手段が、その表面温度を300℃以上まで加熱することが可能である請求項1に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記発熱手段が、前記膜沸騰を断続的に生じさせる請求項1または2に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 液体に気体を導入する気体導入手段を更に含む請求項1から3のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記気体導入手段で導入される前記気体が、水素、ヘリウム、酸素、窒素、メタン、フッ素、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、エタン、プロパン、空気、および、それらを含む混合気体からなる群から選択される気体である請求項4に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記発熱手段により液体を加熱する時間が、100μsec以下である請求項1から5のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記発熱手段の、液体と接する面の面積が、25.0mm2以下である請求項1から6のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記発熱手段が、発熱抵抗部を含む請求項1から7のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記膜沸騰を断続的に生じさせるように、前記発熱手段を断続的に発熱させる制御手段を備える請求項3から8のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液に含有される前記ウルトラファインバブルの含有量が20億個/ml以上である請求項1から9のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液に含有される前記ウルトラファインバブルのうち、直径が10nmから400nmの前記ウルトラファインバブルの数が50%以上である請求項10に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液において、前記ウルトラファインバブルの回収から1週間経過後における減少数が50%以下である請求項10または11に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
- 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液は、内部に気体を含む前記ウルトラファインバブルを含有することにより、大気圧下において前記液体に溶解する前記気体の飽和溶解度以上の量の前記気体を含む請求項10から12のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
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