JPWO2007034913A1 - ナノ流体生成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易で安価な構造で、大量のナノ流体を連続的、安定的に生成することができ、取扱いが容易で、洗浄作業を効率的に行うことで製造コストを飛躍的に低減させる。【解決手段】直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置１は、気体及び液体に乱流を発生させて強制的に混合する乱流発生機構と気液混合流体を外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口２０とを備えた気液混合室７と、気液混合室７に液体及び気体を供給する気液供給装置２１、２３…と、気体及び液体を加圧する加圧ポンプ４と、加圧ポンプ４と気液供給装置の動作を制御する制御ユニットＣＲとを備える。制御ユニットＣＲは、気液供給装置と加圧ポンプ４とを制御して、ナノ流体の生成モードと気液混合室７の内部を洗浄する洗浄モードとを切り替える。【選択図】 図１

Description

本発明は、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成するナノ流体生成装置、その方法、ナノ流体を含む飲料水を生成する装置、その方法、ナノ流体を利用した皮膚疾患などの治療装置、その方法、ナノ流体を利用した生物の育成補助装置、その方法に関する。この出願は、２００５年９月２３日に提出された米国出願６０／７１９，９３７及び２００６年２月２日に提出された国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３０１７３６に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願に開示された全ての事項はこの言及により本出願に組み込まれるものとする。

一般的に、直径が１μｍ（１０００ｎｍ）未満の微細気泡は「ナノバブル」と呼ばれ、これに対して直径が１μｍ以上の微細気泡は「マイクロバブル」と呼ばれていて、これらナノバブルとマイクロバブルは互いに区別して使用される。従来より、これらのナノバブルやマイクロバブルについては、以下の特許文献に示されるような種々の機能や効能、製造方法などが知られている。

［特許文献１］には、常圧下において発生時に略３０μｍ以下の気泡径を有し、発生後は所定の寿命を持って徐々に微細化し、消滅・溶解することを特徴とする微細気泡（マイクロバブル）の記載がある。

また、［特許文献１］には、マイクロバブルの気液溶解や、浄化機能あるいは生理活性の促進などの特性を利用して、ダム貯水池などの閉鎖性水域に対する水質浄化や、養殖魚介類あるいは水耕栽培野菜類の成長促進、さらには生物に対する殺菌・浄化などに適用した例と、その結果が記載されている。

［特許文献２］には、液体中において、液体の一部を分解することで、マイクロバブルのうち気泡径が１μｍ未満の超微細気泡であるナノバブルを生成する方法が記載されている。また、［特許文献３］には、ナノバブルを含む水により物体の洗浄を行うナノバブル利用洗浄方法や、ナノバルブ利用洗浄装置が記載されている。

［特許文献４］には、液体中に含まれる微小気泡に物理的刺激を加えて、微小気泡を急激に縮小させるナノバブルの製造方法が記載されている。さらに、［特許文献５］には、気泡の直径が５０〜５００ｎｍで、気泡内に酸素を含有する酸素ナノバルブが含まれる水溶液からなる酸素ナノバブル水およびその製造法に係る技術が記載されている。

また、［特許文献６］には、円筒内で加圧液体と気体とを旋回させて加圧気液を生成し、この加圧気液を下流側に行くにつれて不連続的に径が大きくなるノズルから吐出することで、キャビテーション現象を発生させてマイクロバブルを生成する装置が開示されている。さらに、［特許文献７］には、気泡径が５０μｍ以下のマイクロバブルを発生させてイオン水を生成する技術が開示されている。

このようにナノバルブは、マイクロバルブの機能に加えて、工学的機能に優れるとともに、生物の細胞レベルに直接的に作用させることができるため、半導体ウェハの洗浄、皮膚疾患の治療など、マイクロバブルより広い分野への適用が可能となり、さらなる高機能化が期待されている。

特開２００２−１４３８８５号公報 特開２００３−３３４５４８号公報 特開２００４−１２１９６２号公報 特開２００５−２４５８１７号公報 特開２００５−２４６２９４号公報 特開２００３−１２６６６５号公報 特開２００６− ４３６４２号公報

ところで、上記したナノバブルは、マイクロバブルが水中で縮小する過程で瞬間的に生成されることが確認されているが、物理的に極めて不安定な特性がある。したがって、安定的な製造や長期間の保持が困難であり、実用化におけるネックとなっている。

そこで、たとえば［特許文献３］においては、分解ガス化された溶液中で超音波を印加し、ナノバブルを生成することが提案されている。しかしながら、超音波発生装置は高価で、かつ機体が大きく、またマッチングをとるのに困難で、取扱いが容易ではないために普及の妨げになっている。

また、［特許文献１］においては、円筒状スペース内に円周方向に圧送液を供給して負圧領域を形成し、この負圧領域に外部気体を吸引させることで、マイクロバブルを生成する方法および装置が開示されている。しかしながら、この装置ではマイクロバブルを生成できても、より小径のナノバブルを安定的に生成することはできない。同様に、［特許文献６］に開示された技術を応用しても、ナノオーダーのバブルを含むナノ流体を安定的に低コストで生成することはできない。

一方で、ナノ流体を飲料水などの加工食品や医薬品などの医療分野に利用する場合には、高度な衛生状態を維持して不純物の混入を防止する必要がある。そのため、定期的に装置内を殺菌、消毒若しくは洗浄（以下、「洗浄」と総称する）する必要がある。このような洗浄作業は、装置を分解して部品ごとに洗浄液に浸漬させたり、洗浄液を塗布するなどして行われるのが一般的であるが、このような洗浄作業中はナノ流体の生成を停止せざるを得ないため、結果的に、製造コストへの負荷が大きくなる。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、比較的簡易で安価な構造で、大量のナノ流体を連続的、安定的に生成することができ、取扱いが容易で、洗浄作業を効率的に行うことで製造コストを飛躍的に低減できるナノ流体生成装置及びナノ流体生成方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の主要な観点によれば、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置において、供給された気体及び液体に乱流を発生させて強制的に混合する乱流発生機構及び混合された気液混合流体を外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口を備えた気液混合室と、この気液混合室に連通する供給路から液体及び気体を供給する気液供給装置と、気液混合室に供給される気体及び液体を加圧する加圧手段と、加圧手段及び気液供給装置の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、気液供給装置と加圧手段との少なくとも何れかを制御して、ナノ流体の生成モードと気液混合室の内部及びこれに連通する流路を洗浄、殺菌若しくは消毒（以下「洗浄」と総称する）する洗浄モードとを切替えるものであることを特徴とするナノ流体生成装置が提供される。

このような構成によれば、内部に多数の凹凸などの乱流発生機構を備えた気液混合室に気体と液体とを供給し、これらをポンプなどの加圧手段で加圧しながら強制的に混合することで気体と液体とが均一に混合された気液混合流体が生成され、この気液混合流体を、流路がナノオーダーまで狭小化された超微小吐出口から加圧状態を維持したまま吐出することで、気液混合流体の気体及び液体の多くがナノレベルまで微小化されたナノ流体が生成される。

また、制御部によって、加圧手段や気液供給手段を切り替えて装置内に洗浄用の気体や液体などを供給する洗浄モードと、ナノ流体の生成モードと洗浄モードとを切り替えるようにした。ここで、洗浄モードにおいては、制御部は、気液混合室内が大気圧若しくは生成モードよりも低圧となるように加圧手段を制御すると共に、気液混合室に洗浄用の液体及び／若しくは気体を供給するように供給装置を制御することが好ましい。

これにより、気液が接する部位を隈無く洗浄できると共に、生成と洗浄とを瞬時に切り替えられるので、洗浄モードの準備や生成モードへの復帰に要する時間や手間を低減させて全体的な製造効率を向上させることができる。従って、ナノ流体の製造コストを一層低減できる。

また、上記した構成を備えたナノ流体生成装置を利用することで、簡易な構造で、ナノバブルを含む飲料水を安定的に製造できる飲料水生成装置を得ることができる。ナノバブルを含む飲料水は、人間の舌の表面（味覚点）や喉の内壁などの細胞に作用して独特の刺激や味覚を発揮すると共に、ナノバブルが液体内で数カ月間にわたって浮遊するため品質の経時変化（ビールや炭酸飲料の気抜けなど）を低減できる。また、ナノバブルは飲料水中で長期間浮遊するので、例えばワインの熟成が促進されるなどの副次的効果もある。

さらに、上記した構成を備えたナノ流体生成装置を利用することで、簡易な構造で、ナノバブルを含む治療液（薬剤）を安定的に製造できる治療液水生成装置を得ることもできる。微小なナノバブルを含む液状の薬剤は、細胞の隙間に入り込んで細胞等に直接作用させることができるため、少量でも薬効を期待できる。また、アトピーを初めとする各種アレルギーの皮膚疾患の患者に対しては、刺激の少ない薬剤や純水で治療したり患部を洗浄することができ、副作用などの患者への負担を軽減して治療を促進できる。

一方で、洗浄流体生成手段としてオゾナイザを設ける場合には、洗浄モードにおいてはオゾンによって装置内を洗浄すると共に、生成モードにおいてはオゾンを含むナノ流体を生成できる。このようなナノ化されたオゾンを含むナノ流体は、長期間にわたって高い殺菌効果等を発揮できる。一方で、大量のオゾンが人体に直接作用すると眼痛・頭痛、呼吸障害などの原因になるため、ナノ流体生成装置の周囲や超微小吐出口の近傍にオゾンフィルタを設けて、余分なオゾンや洗浄に使用されたオゾンを回収するのが好ましい。また、洗浄モードと生成モードとでオゾンの生成量を異ならせて目的に応じた適量に制御するのが好ましい。

本発明の第２の主要な観点によれば、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する方法において、気液供給装置によって、気体及び液体を、乱流発生機構及び超微小吐出口を備えた気液混合室に供給する工程と、気液混合室に供給される気体及び液体を加圧手段によって加圧する工程と、気液混合室に供給された気体及び液体を前記乱流発生機構によって乱流を発生させて強制的に混合する工程と、気液混合室内で混合された気液混合流体を加圧状態で超微小吐出口から外部に吐出してナノ流体を生成する工程と、制御手段によって、前記気液供給装置と加圧手段との少なくとも何れかを制御して、気液混合室の内部及びこれに連通する流路を洗浄、殺菌若しくは消毒（以下「洗浄」と総称する）する工程とを備えた事を特徴とする方法が提供される。

このような構成によれば、上記した第１の主要な観点におけるナノ流体生成装置を利用して好適に得られるナノ流体生成方法を得ることができる。

本発明によれば、比較的簡易で安価な構造で、大量のナノ流体を連続的、安定的に生成することができ、取扱いが容易で、製造コストを飛躍的に低減できるなどの効果を奏する。また、装置内部を簡易、迅速かつ確実に洗浄できるので、高度な衛生性を要求される分野でも本装置によって生成されるナノ流体を提供できると共に、洗浄工程を含めたナノ流体の全体的な生成効率を向上させることができ、製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係るナノ流体生成装置１の模式的な断面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）で丸印を付した要部Ｍを拡大した図であり、図２は、制御ユニットによる制御フローを示すタイミングチャートである。

ナノ流体生成装置１は、ジェネレータ２と、貯溜タンク３と、加圧ポンプ（加圧手段）４と、給水源Ｓから加圧ポンプ４と貯溜タンク３を介してジェネレータ２に連通する配管Ｈと、オゾンを発生させるオゾナイザＯと、ナノ流体の生成モード及び装置内の洗浄モードを切り替え制御する制御ユニット（制御部）ＣＲと、オゾンを回収するオゾンフィルタＦと、装置内を洗浄するための洗浄ユニットＷＳとから構成される。

前記給水源Ｓと加圧ポンプ４との間の配管Ｈには、純水生成装置２３が設けられていて、給水源Ｓから導入した水を純水に換えて加圧ポンプ４に供給できる。前記加圧ポンプ４は、純水生成装置２３から純水を吸込み、１３〜１５気圧に加圧して前記貯溜タンク３に送水することができる。

前記加圧ポンプ４の上流側と下流側の配管Ｈからバイパス回路Ｒが分岐して設けられる。前記バイパス回路Ｒには吸気弁（吸気手段）２１が設けられていて、この吸気弁２１は加圧ポンプ４の作動にともなって開放され、外部空気を吸気する逆止弁である。

オゾナイザＯは、加圧ポンプ４の下流側に配設されている。このオゾナイザＯにより、ナノ流体の生成モードにおいては前記吸気弁２１から吸気された外気と共にオゾンを貯溜タンク３に供給してオゾンを含有するナノ流体を生成できる。また、洗浄モードにおいては、装置内を洗浄するためのオゾンを発生させる。なお、オゾナイザＯを吸気弁２１と並列して設けて、外気とオゾンとを選択的に混入させるようにしてもよい。

本実施形態では、洗浄モードにおいて洗浄液を加圧ポンプ４に供給する洗浄水供給装置ＷＡが設けられている。この洗浄水供給装置ＷＡは、前記純水生成装置２３によって生成される純水と三方弁によって選択的に供給される。この洗浄水供給装置ＷＡは、別途生成された洗浄水を貯留する貯留槽で構成してもよいし、図示しない給水源から供給された水に洗浄成分を添加して洗浄水を生成する構成にしてもよい。

前記純水生成装置２３と、洗浄水供給装置ＷＡと、吸気弁２１と、オゾナイザＯとよって気液供給装置が構成される。そして、制御ユニットＣＲは、この気液供給装置、切替弁及び加圧ポンプ４を制御して、ナノ流体の生成モードと装置内の洗浄モードとを切替えるものである。

具体的には、ナノ流体の生成モードにおいては、制御ユニットＣＲが加圧ポンプ４とオゾナイザＯとを作動させると、配管Ｈにおける加圧ポンプ４の上流側と下流側との圧力差が生じ、加圧ポンプ４で加圧されて送られる純水中に吸気弁２１から吸込まれたエア（外気）が混入すると共に、オゾナイザＯが発生させたオゾンが混入し、この状態で貯溜タンク３へ供給されるようになっている。

また、洗浄モードにおいては、制御ユニットＣＲは、洗浄水供給装置ＷＡとオゾナイザＯとを作動させると共に、三方弁を洗浄側に切り替えて、洗浄液とオゾンとを混合させた気液混合流体を貯留タンク３に供給する。この洗浄モードにおいては、生成モードよりもオゾンの発生量が多くなるようにオゾナイザＯを制御する。洗浄液の種類やオゾンの含有量などは、生成するナノ流体の種類や生成能力などに応じて適宜調節する。

前記加圧ポンプ４の加圧能力がナノ流体の生成時に１３〜１５気圧である場合に、前記吸気弁２１の吸気量は毎分１〜３リットル程度に設定される。また、洗浄モードにおいては、気液混合流体を２〜５気圧程度に加圧する。

前記貯溜タンク３には所定割合の液体（純水や洗浄水）と気体（エアやオゾン）が加圧状態で貯溜されることになるが、貯溜容量の設定は生成するナノ流体の種類や、前記ジェネレータ２の生成能力などに応じて適宜変更される。

たとえば、純水とエアとからなる流体を生成し、加圧ポンプ４の加圧能力が１３〜１５気圧で、ナノ流体の生成能力を毎分４０〜６０リットルに設定した場合は、前記貯溜タンク３の容量を、１２〜１５リットル程度とすれば十分である。

また、浴槽やプールなどに貯溜された水をナノ流体に改質する場合は、前記給水源Ｓを浴槽やプールに置き換えるとともに、この装置で生成したナノ流体を含む水を貯溜タンク３に溜めつつ循環させることで、毎分１〜２トンの処理が可能である。

前記ジェネレータ２は、たとえばステンレス材等の耐圧性と耐水性に優れた素材から形成され、軸心を上下方向に向けた筒状体である。上端面および下端面ともに閉成されていて、上端面には供給口５が設けられ、下端面には吐出口６が設けられる。

前記ジェネレータ２の内部には軸方向に沿って所定間隔を存して第１の隔壁板ａ１と、第２の隔壁板ａ２および第３の隔壁板ａ３が設けられ、内部を区画している。供給口５が設けられる上端面から第１の隔壁板ａ１までの内部空間を分配空間Ａと呼び、第１の隔壁板ａ１から第２の隔壁板ａ２までの内部空間を気液混合室７と呼ぶ。

そして、第２の隔壁板ａ２から第３の隔壁板ａ３までの内部空間を弁室Ｂと呼び、第３の隔壁板ａ３から吐出口６が設けられる下端面までの内部空間を導出空間部Ｃと呼ぶ。これら内部空間Ａ，７，Ｂ，Ｃは、以下に述べるように構成される。

前記貯溜タンク３の下端部には供給弁２２を備えた供給口体３ａが突設されていて、供給弁２２から下部側の供給口体３ａ一部は、前記ジェネレータ２の上端部に設けられる供給口５に気密構造を用いて挿入される。前記供給口体３ａの開口端はジェネレータ２内部である前記分配空間Ａに延出している。

前記第１の隔壁板ａ１には、中心軸から互いに異なる半径の同心円上に、それぞれ所定間隔を存して、複数の第１の連通孔８ａおよび第２の連通孔８ｂが板面を貫通して設けられている。前記第１の連通孔８ａはジェネレータ２の軸心周辺に位置し、垂直方向（軸方向）に沿って設けられる。前記第２の連通孔８ｂはジェネレータ２の外周部付近に位置し、斜め外周方向に向けて設けられている。

このことから、軸心側の第１の連通孔８ａを導かれる流体は垂直方向に流下し、外周側の第２の連通孔８ｂを導かれる流体は外方へ向って流下する。そして、前記分配空間Ａは複数の第１の連通孔８ａおよび第２の連通孔８ｂを介して、前記気液混合室７と連通状態にある。

前記気液混合室７における第１の隔壁板１ａ下面で、ジェネレータ２の軸心位置には、円錐部材１１が一体に垂設される。この円錐部材１１において、第１の隔壁板ａ１から垂設される部位は単純な杆部１１ａであるが、杆部１１ａ下端は円錐状に形成される円錐部１１ｂとなっている。

前記円錐部材１１の、特に円錐部１１ｂ周面は、第１の隔壁板ａ１の軸心側に設けられる第１の連通孔８ａの直下部に位置している。これら第１の連通孔８ａが垂直方向に向けて設けられるところから、連通孔８ａから垂直に流下する流体を前記円錐部材１１の円錐部１１ｂテーパー状周面で受けるよう形成される。

また、円錐部材１１の円錐部１１ｂ周面には凹溝１２が設けられる。この凹溝１２は円錐部１１ｂ周面に沿って設けられるよりも、複数の長溝からなり、しかも互いに深さを異ならせた状態で設けるほうがよい。

一方、前記気液混合室７の内周面には、複数の突条９と凹溝１０が軸方向に沿って交互に設けられる。前記突条９および凹溝１０ともに、ジェネレータ２の内壁周面に沿って設けられていて、互いに階層状をなしている。上記第１の隔壁板ａ１に設けられる第２の連通孔８ｂは外方に向って開口しているので、この連通孔８ｂを流下する流体は、前記突条９もしくは凹溝１０に確実に導かれるようになっている。

前記第２の隔壁板ａ２は、断面形状がジェネレータ２の周面から中心軸に向って斜め下方に傾斜するテーパー状をなすとともに、下端の中心軸に沿う部位は開口され、いわゆる漏斗状をなす。この開口部Ｋａを介して気液混合室７と前記弁室Ｂとが連通する。

前記第２の隔壁板ａ２における上面側である、気液混合室７に面する部位にも突条９が設けられている。前記突条９は、特に第２の隔壁板ａ２の上端部にのみ設けられていて、気液混合室７の最下段に設けられる突条９との間に、他の凹溝１０と同様の凹溝１０が形成される。

このように、前記気液混合室７におけるジェネレータ２内周面と第２の隔壁板ａ２に設けられる突条９と凹溝１０、円錐部材１１の円錐部１１ｂおよび円錐部１１ｂに設けられる凹溝１２等で乱流発生機構（乱流発生手段）Ｚが構成される。

なお、乱流発生機構Ｚであるジェネレータ２内周面と第２の隔壁板ａ２に設けられる突条９の位置および大きさ、凹溝１０の位置および大きさ、円錐部材１１の円錐部１１ｂの直径とテーパー角度、ここに設けられる凹溝１２の深さ寸法等は、全て生成するナノ流体の種類や時間当りの生成量、圧力等に応じて自由に設定できる。

たとえば、突条９の高さ寸法と、凹溝１０，１２の深さ寸法を、いずれも５ｍｍ（高低差：最大１０ｍｍ）としてもよい。同様に、気液混合室７の容積、第１の隔壁板ａ１に設けられる第１、第２の連通孔８ａ，８ｂの数と直径、ジェネレータ２の直径なども、生成するナノ流体の種類や時間当りの生成量、圧力に応じて自由に設定できる。

前記第２の隔壁板ａ２において、突条９と同一面で、かつ突条９より傾斜下部側には、表面が研磨され高い平滑性を確保するプラチナチップが装着されていて、第１の平滑面部Ｈａを構成する。すなわち、第２の隔壁板ａ２の突条９ａを除く上面は、前記第１の平滑面部Ｈａによって極めて平滑な面に形成されている。

プラチナ材を選択した理由は、ジェネレータ２を構成するステンレス材や、その他の金属材では、一般的に研磨による表面の平滑化に物理的な限界があり、後述する流路の幅を所望値に設定することができない。これに対してプラチナ材は表面の平滑精度をほとんど極限値まで求められ、所望のオーダーの流路を形成できるからである。

前記第１の平滑面部Ｈａの下端側が前記開口部Ｋａとなっていて、この開口部Ｋａに止め弁体１５が挿通される。前記止め弁体１５は、第２の隔壁板ａ２の開口部Ｋａおよび第３の隔壁板ａ３の中心軸に沿って設けられる開口部Ｋｂに挿通する杆部１５ａと、この杆部１５ａの上端に一体に連設される弁部１５ｂと、前記杆部１５ａの下端に一体に連設されるストッパ部１５ｃとからなる。

前記止め弁体１５の杆部１５ａ直径は、第２の隔壁板ａ２の開口部Ｋａ直径と、第３の隔壁板ａ３の開口部Ｋｂ直径との、いずれに対しても小さく形成されている。しかも、弁部１５ｂが第２の隔壁板ａ２の上部に位置し、ストッパ部１５ｃが第３の隔壁板ａ３から下部側の前記導出空間部Ｃに位置するよう寸法設定されているので、弁部１５ｂが第２の隔壁板ａ２の傾斜上面に載り、この弁部１５ｂで止め弁体１５の全重量を支持する。

さらに、前記弁部１５ｂの周面は第２の隔壁板ａ２のテーパー角度と同一のテーパー角度に形成されているうえに、所定の軸方向長さ（厚み）があり、弁部１５ｂ周面は第２の隔壁板ａ２の上面に形成される第１の平滑面部Ｈａに密に接触している。

前記弁部１５ｂの周面には、表面が研磨され高い平滑性を確保するプラチナチップが装着されていて、第２の平滑面部Ｈｂを構成する。したがって、第２の隔壁板ａ２と止め弁体１５とは、第１の平滑面部Ｈａと第２の平滑面部Ｈｂを介して密接状態にある。

実際には、第２の隔壁板ａ２の平滑面部Ｈａと止め弁体１５の平滑面部Ｈｂとの間に、必然的に極く狭い隙間が形成されている。上述したように、ステンレス材や他の金属材では一般的に研磨による表面の平滑化に物理的な限界があるため、平滑面状にした上記素材からなる部材相互を密接させたところで、数１０μｍの隙間が形成されてしまう。

これに対して、プラチナ材を用いて表面を極めて平滑な加工をなし平滑面部を形成したうえで互いに密接させた場合には、隙間をｎｍオーダーまで極小化できる。ここでは、図１（Ｂ）に示すように、プラチナ材からなる第１の平滑面部Ｈａと第２の平滑面部Ｈｂ相互の隙間（以下、「超微小吐出口」と呼ぶ）２０を、最大（最小）で０．２μｍ（２００ｎｍ）程度の超微小な状態に狭めることができる。

一方、前記第３の隔壁板ａ３において、止め弁体１５の杆部１５ａが挿通する開口部Ｋｂの周辺に複数の貫通孔１６が設けられていて、これら貫通孔１６を介して弁室Ｂと、前記導出空間部Ｃとが連通している。前記ジェネレータ２の下端面に設けられる吐出口６には、図示しない外部処理装置に連通される配管が接続されるようになっている。

このようにして構成されるナノ流体生成装置１においてナノ流体を生成する場合は、図２のタイミングチャートに示すように、制御ユニットＣＲが加圧ポンプ４、オゾナイザＯ及び純水生成装置２３を駆動すると共に三方弁Ｖを生成側に切替える（維持する）。これにより、純水が加圧ポンプ４に導かれ、吸気弁２１からバイパス回路Ｒを介してエア及びオゾンが導かれ、純水とエア及びオゾンとが加圧された状態で貯溜タンク３に供給される。前記貯溜タンク３は、集溜される加圧された気液混合流体の、液体に対する気体の割合および圧力等を安定させる機能を有する。

加圧された純水とエアの混合流体、すなわち気液混合流体が貯溜タンク３内に所定水位以上貯溜されるまで待機し、それから供給口体３ａに設けられる供給弁２２を開放する。加圧された所定割合の気液混合流体は、供給口５からジェネレータ２内部の最上段に形成される分解空間部Ａに供給される。

加圧された気液混合流体は、一旦、前記分解空間部Ａに充満してから、第１の連通孔８ａと第２の連通孔８ｂを流下して気液混合室７に導かれる。すなわち、前記分解空間部Ａを備えたことで、分解空間部Ａから気液混合室７へ均一な状態として加圧された気液混合流体を分配案内できる。なお、気液混合流体を気液混合室７に供給してから加圧するようにしてもよい。

第１の連通孔８ａを流下した混合流体は、この直下部にある円錐部材１１の円錐部１１ｂ周面もしくは、円錐部１１ｂ周面に設けられる凹溝１２に当たって跳ね返る。この時、円錐部１１ｂ周面に当たって跳ね返る混合流体の水滴と、凹溝１２に当たって跳ね返る混合流体の水滴とでは、互いに跳ね返り角度が異なる。

上述の部位で跳ね返った水滴は第１の隔壁板ａ１の互いに異なる部位に当たり、さらに異なる角度で跳ね返る。また、第２の連通孔８ｂは斜め外方へ向けて設けられているので、この連通孔８ｂを流下する加圧された気液混合流体は斜め外方であるジェネレータ２の周面に設けられる突条９もしくは凹溝１０に当たって跳ね返る。

気液混合流体の水滴が前記突条９もしくは凹溝１０に当たることにより、互いに異なる角度で跳ね返り、さらに第１の隔壁板ａ１、円錐部材１１、他の突条９、および凹溝１０、１２等の乱流発生機構Ｚの構成部材全てに当たって跳ね返る作用を頻繁に繰り返し、順次、下部側へ移動していく。

このようにして、加圧された状態で気液混合室７に導かれた気液混合流体は、気液混合室７に備えられる乱流発生機構Ｚの内部形状によってランダムな方向に飛散し、乱流状態が継続する。そして、いずれかの部位に衝突しながら跳ね返りが繰り返されるが、衝突する都度、加圧状態のまま強制的に気液混合と微細化が進行する。

気液混合室７において乱流状態となることにより強制的に混合された気液流体は、また加圧状態にあるので、第２の隔壁板ａ２に形成される第１の平滑面部Ｈａと、止め弁体１５の弁部１５ｂに形成される第２の平滑面部Ｈｂとの隙間である超微小吐出口２０に強制的に導かれ、かつ通過させられる。

前記超微小吐出口２０を加圧状態で強制的に通過させられることで、気液流体はナノバブルを大量に含むナノ流体に変わって弁室Ｂに供出される。得られるナノバブルを含むナノ流体の粒径は、前記超微小吐出口２０の幅寸法と同様の０．２μｍ（２００ｎｍ）前後となる。生成されたナノ流体をリオン株式会社製の微粒子計測器（液中パーティクルセンサ ＫＳ−１７）で測定したところ、１ｍｌ中に、５０ｎｍ〜９０ｎｍの超微小径のナノバブルが１２万個以上存在することが確認できた。なお、ナノ流体の生成にともなって、液体（純水）自体もナノレベルの微小なクラスタに分解されることとなり、液体吸収性などを格段に向上させることができる。

弁室Ｂに導かれたナノ流体は、弁室Ｂから順次、複数の貫通孔１６を介して導出空間部Ｃに導かれ充満する。前記導出空間部Ｃは、ナノ流体を一旦集溜し安定化させた状態にして、吐出口６から所定の供給先へ供給する。この導出空間部Ｃが、加圧状態で吐出されたナノ流体を一時的に貯留して大気圧まで減圧し流速を弱めて安定化させる機能を有する。なお、このような機能を備える減圧部や貯留槽を吐出口６の外部に独立して設けてもよい。また、貯留槽の容積や貯留時間などは、ナノ流体の用途、加える圧力、気液の種類などに応じて設計される。

このようにして、簡易な構成の装置でありながら、純水およびエアから、０．２μｍ（２００ｎｍ）前後のナノバブルを含むナノ流体を安定的に生成することができ、取扱いが容易で、製造コストの低減化を図られる。

一方、一定時間ナノ流体を生成した後に、装置内の洗浄を行う場合は、制御ユニットＣＲは、各機器を図２の「生成モード」から「洗浄モード」に切り替える。このモードの切替えは、時間や生成量などによって自動的・画一的に切り替えてもよいし、オペレータがマニュアル操作で切り替えてもよい。さらに、流量センサなどによって装置内の状態を監視して、基準値を超えた場合等に自動的に洗浄モードに切り替えてもよい。

このような洗浄モードにおいては、制御ユニットＣＲは、まず加圧ポンプ４、洗浄水生成装置２３及びオゾナイザＯを一旦停止して装置内に残留している気液混合体を排出させるために待機する。この時、加圧ポンプ４だけを作動させて排出を促してもよい。

所定時間待機した後に、加圧ポンプ４、洗浄水供給装置ＷＡ及びオゾナイザＯを起動させ、三方弁Ｖを洗浄側に切り替える。これにより洗浄モードが開始する。この時、加圧ポンプ４は、生成モードよりも低圧で、大気圧よりも高圧の２〜５気圧程度にする。これにより、加圧ポンプ４をはじめとする装置全体への負荷を抑えながら、凹溝１０内や超微小吐出口２０に付着した液体の成分なども効率的かつ確実に除去できる。また、オゾナイザＯは、生成モードよりもオゾンの発生量を増大させて洗浄効果を高めるのが好ましい。一方で、大量のオゾンが人体に直接作用すると頭痛や肺水腫などの原因となることから、作業環境の悪化を防止する意味でも、吐出口６の周囲などにオゾンフィルタＦや図示しないオゾンセンサを設置するのが好ましい。さらに、洗浄モードにおいては、気液を均一に混合させる必要はないため、貯溜タンク３の下端部の供給弁２２を常時開放しておいてもよい。

このような洗浄モードを所定時間係属させた後、制御ユニットＣＲは、加圧ポンプ４、洗浄水供給装置ＷＡ及びオゾナイザＯを停止して洗浄モードを終了させる。また、続けて生成モードを開始する場合は、上記したように、各機器を生成モードに切り替える。なお、洗浄モードの継続時間は、ナノ流体の用途や気液の種類、ジェネレータ２の容積などに応じて適宜調節する。

上記のように、本実施形態では、ナノ流体の生成モードとナノ流体生成装置１内の洗浄モードとを連続的かつ瞬時に切替えられるようにした。そのため、装置内部の洗浄のための準備及び生成モード復帰のための時間を最小限に抑えることができ、全体としてナノ流体の生成工程を効率化して製造コストを低減することができる。

例えば、清涼飲料水・ビールなどの飲料水や、液状の薬剤などの人体に直接摂取・投与される物質、若しくはアトピーを始めとする皮膚疾患の治療用の薬剤や消毒液、化粧水やシャンプーなどの人体に直接接する物質などでは、製造過程で衛生面や不純物の混入防止などが厳重に管理される。そのため、このような分野で利用されるナノ流体を生成する場合には、装置内部を頻繁に洗浄して衛生性を高度に維持しておく必要がある。このような分野に本実施形態のナノ流体生成装置１を適用することで、衛生性の維持と生成効率の向上とを同時に実現させることができる。

また、閉鎖水域の水質浄化のように、不純物などを含む液体を循環させる場合には、循環流路の途中に各種のフィルタを設けても、ナノ流体生成装置内に微小な不純物などが徐々に蓄積していくことになる。このような用途においても、本実施形態のナノ流体生成装置を好適に利用でき、ナノ流体の生成モード（水質浄化モード）と装置内の洗浄モードとを連続的に実行でき、洗浄に際して装置を分解等する必要がないので、水質浄化の効率を飛躍的に向上させることができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、さらに種々の発明を形成できる。

たとえば、加圧ポンプ４とジェネレータ２との間に介在されている貯溜タンク３を省略して、加圧ポンプ４と吸気弁２１から導かれる加圧された液体と気体の混合流体を直接ジェネレータ２に直接供給するようにしてもよい。

あるいは、加圧された液体と加圧された気体のそれぞれをジェネレータ２に供給し、混合させるとともに乱流状態を得るようにしてもよい。この場合は、ジェネレータ２に加圧された液体および、加圧された気体のそれぞれを供給してから、ジェネレータ２内部の圧力や気液の割合等が安定するまでに多少時間（数十秒〜数分程度）がかかるが、一旦安定したあとは貯溜タンク３を備えた場合と同様に、ナノ流体を連続的に生成できる。

また、気液混合室７の内部構造として、中心軸に沿って円錐部材１１を備えるとともに、ジェネレータ２の内周壁に突条９と凹溝１０を交互に連続して設けたが、これに限定されるものではなく、たとえば所定間隔を存して複数枚の板体を設け、これら板体の互いに異なる部位に案内孔を設けてもよい。

上下の板体において案内孔相互が非対向となり、板体はいわゆる邪魔板となって、気液の強制的な混合がなされる。この他、板体の代りに網目の異なる網目体を備えても同様な作用効果が得られる。ただし、気液混合室７には加圧された状態の気液混合流体が導かれるので、前記網目体はその圧力に充分耐え得る剛性が必要となる。要は、気液混合室７において気液混合流体に対して効率よく乱流状態となり得る構造を採用すればよい。

前記超微小吐出口２０は、プラチナチップからなる第１、第２の平滑面部Ｈａ，Ｈｂを密接させた状態で必然的に形成される超微小隙間であるが、特殊な研磨技術やコーティング技術の向上によって吐出口をナノレベルまで狭めることができれば、プラチナ以外の金属材を使用することも可能である。

本発明における実施の形態に係る、ナノ流体生成装置の模式図及び部分拡大図。 同、制御ユニットの制御フローを示すタイミングチャート。

符号の説明

１…ナノ流体生成装置、２…ジェネレータ、３…貯溜タンク、４…加圧ポンプ（加圧手段）、７…気液混合室、９…突条、１０…凹溝、１１…円錐部材、１２…凹溝、２０…超微小吐出口、２１…吸気弁（吸気手段）、２３…純水生成装置、Ａ…分配空間部、Ｃ…導出空間部、Ｆ…オゾンフィルタ、Ｏ…オゾナイザ、Ｖ…三方弁、Ｚ…乱流発生機構（乱流発生手段）、ＣＲ…制御ユニット、ＷＡ…洗浄水供給装置。

Claims (9)

1. 直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置において、
   供給された気体及び液体に乱流を発生させて強制的に混合する乱流発生機構及び混合された気液混合流体を外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口を備えた気液混合室と、
   この気液混合室に連通する供給路から液体及び気体を供給する気液供給装置と、
   気液混合室に供給される気体及び液体を加圧する加圧手段と、
   加圧手段及び気液供給装置の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、気液供給装置と加圧手段との少なくとも何れかを制御して、ナノ流体の生成モードと気液混合室の内部及びこれに連通する流路を洗浄、殺菌若しくは消毒（以下「洗浄」と総称する）する洗浄モードとを切替えるものである
   ことを特徴とするナノ流体生成装置。
2. 請求項１の装置であって、
   前記制御部は、洗浄モードでは、気液混合室内が大気圧若しくは生成モードよりも低圧となるように加圧手段を制御すると共に、気液混合室に洗浄用の液体及び／若しくは気体を供給するように供給装置を制御することを特徴とするナノ流体生成装置。
3. 請求項２の装置であって、
   前記供給装置は、洗浄モードにおいて、洗浄用の液体及び／若しくは気体を生成する洗浄流体生成手段を備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
4. 請求項３の装置であって、
   前記洗浄流体生成手段は、オゾンを発生させるオゾナイザであることを特徴とするナノ流体生成装置。
5. 請求項４の装置であって、
   前記制御部は、生成モードにおいてもオゾナイザを起動してオゾンを含むナノ流体を生成すると共に、生成モードと洗浄モードとにおいて、オゾンの発生量が異なるようにこのオゾナイザを制御することを特徴とするナノ流体生成装置。
6. 請求項４の装置であって、
   さらに、気液混合室内の洗浄に使用されたオゾンを回収するオゾンフィルタを備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
7. 請求項１のナノ流体生成装置において、前記気液供給装置が、飲料水の原料成分となる液体および気体を気液混合室に供給して、ナノバブルを含む飲料水を生成することを特徴とする飲料水生成装置。
8. 請求項１のナノ流体生成装置において、前記気液供給装置が、皮膚疾患の予防若しくは治療用の液体および気体を気液混合室に供給して、ナノバブルを含む治療液を生成することを特徴とする治療液水生成装置。
9. 直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する方法において、
   気液供給装置によって、気体及び液体を、乱流発生機構及び超微小吐出口を備えた気液混合室に供給する工程と、
   気液混合室に供給される気体及び液体を加圧手段によって加圧する工程と、
   気液混合室に供給された気体及び液体を前記乱流発生機構によって乱流を発生させて強制的に混合する工程と、
   気液混合室内で混合された気液混合流体を加圧状態で超微小吐出口から外部に吐出してナノ流体を生成する工程と、
   制御手段によって、前記気液供給装置と加圧手段との少なくとも何れかを制御して、気液混合室の内部及びこれに連通する流路を洗浄、殺菌若しくは消毒（以下「洗浄」と総称する）する工程と
   を備えた事を特徴とする方法。
   

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