JPWO2019212028A1 - 微細気泡発生装置 - Google Patents

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Abstract

液体中の微細気泡濃度が高く、小さい気泡径の微細気泡を発生させることができるもの微細気泡発生装置に関する。該装置は、液体の流路を内部に有する管状体、液体を流路に導入する液体導入口、気体を流路に導入する気体導入口及び気液混合液を流路から排出する排出口を有する気泡生成器と、加圧された気体を気泡生成器に供給する気体供給口を有する気体供給手段とを備え、気泡生成器の流路は液体導入口から排出口に至るまで略同軸線状に延びており、流路には液体の流れる方向に向かって内径を縮小させた縮径部が複数設けられ、各々の縮径部の下流側には、各縮径部における最小内径よりも大きい内径を有する気液混合部が夫々連続して設けられ、気泡生成器の気体導入口は、管状体の外壁の周方向に沿って配設された複数の貫通孔として、流路における最も上流側に設けられた縮径部の近傍に設けられ、気体導入口は、気体供給手段の気体供給口と連通していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆる「マイクロバブル」又は「ナノバブル」と呼ばれる微細気泡を液体中に発生させる微細気泡発生装置に関する。
気泡径が５０μｍよりも小さい微細気泡は、いわゆる「マイクロバブル」又は「ナノバブル」と呼ばれており、一般的な炭酸水中に含まれている気泡（気泡径は１ｍｍ以上）のような径が大きい気泡とは異なる特性を有している。この微細気泡の特性とは、例えば、液体中への気体溶解量が大きいため、溶存酸素等の溶存気体濃度を高くすることができる、気泡表面が負に帯電している、空気や酸素等の気体溶解量が大きい、及び、種々の生理活性効果を有する等が挙げられる。そのため、さまざまな分野でこの種の微細気泡関連技術が用いられている。
例えば、農業の分野では、土耕栽培や水耕栽培において、微細気泡化した空気を含む水を培地に散布することによって、酸素不足になりがちな根に好適に酸素を供給することができる。空気を微細気泡とすることにより気体溶解量が多くなり、気泡径がより小さいほど気泡が弾けにくく水中に安定的に保持される。その結果、溶存酸素濃度が高い水を植物に与えることができるため、生育が早く、良質な作物を得ることができる。また、水中の溶存素酸素濃度が高められたことによる嫌気性菌の抑制効果や害虫駆除効果も報告されている。
また、美容・健康の分野では、微細気泡化した空気を含む水を毛髪や頭皮等の肌の洗浄に用いると、毛髪等に付着している油分や汚れに微細気泡が選択的に吸着するため、洗浄効果が高いことが知られている。このとき、微細気泡の気泡径がより小さいほど、毛根や毛髪組織等の隙間に微細気泡が入り込むことができるため、洗浄効果が高いといわれている。また、微細気泡による知覚神経刺激によって血流が増大し、血行が促進される等の効果も認められている。
このような微細気泡を発生させる装置として、特許文献１にはアスピレーターを利用した微細気泡発生装置が開示されている。この微細気泡発生装置は、液体を通過させる流路及び吸引される気体を導入する気体導入路を備えるアスピレーターと、このアスピレーターの液体排出口側に設けられ、アスピレーターから排出された液体が導通する管状体とから構成されており、この管状体の内周壁には螺旋状の凸条が形成されている。この特許文献１に記載された微細気泡発生装置では、アスピレーター内部の減圧効果によって気体導入路から気体が吸引され、流路内を通過する液体と混合されたのち、管状体内部の凸条に導かれて螺旋状に旋回しつつ攪拌されることで微細気泡が発生する。
特開２００５−３０５２１９号公報
しかしながら、特許文献１に記載された微細気泡発生装置は、アスピレーターにより生じた減圧によってのみ気体が吸引されるものであり、管状体の内壁の凸条によって気体と液体の混合物が攪拌されて微細気泡が発生するものであるため、多量かつ気泡径が数十マイクロメートル以下の微細気泡を発生させ難いという現状がある。
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的は、多量、すなわち、液体中の微細気泡濃度が高く、気泡径が数十マイクロメートル以下の小さい気泡径の微細気泡を発生させることができる微細気泡発生装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の微細気泡発生装置は、液体供給源から連続して供給される液体と、気体供給手段から供給される気体とを混合して微細気泡を発生させ、微細気泡と液体とが混合した気液混合液を排出する装置であって、液体の流路を内部に有する管状体、液体を流路に導入する液体導入口、気体を流路に導入する気体導入口及び気液混合液を流路から排出する排出口を有する気泡生成器と、気体を加圧する圧縮機及び圧縮機によって加圧された気体を気泡生成器に供給する気体供給口を有する気体供給手段と、を備え、気泡生成器の流路は液体導入口から排出口に至るまで略同軸線状に延びており、流路には液体の流れる方向に向かって内径を縮小させた縮径部が複数設けられ、各々の縮径部の下流側には、各縮径部における最小内径よりも大きい内径を有する気液混合部が夫々連続して設けられ、気泡生成器の気体導入口は、管状体の外壁の周方向に沿って配設された複数の貫通孔として、流路における最も上流側に設けられた縮径部の近傍に設けられ、気体導入口は、気体供給手段の気体供給口と連通している。
本発明の微細気泡発生装置は、流路に複数の縮径部とそれに連続する気液混合部を設けているところ、気体供給手段から供給される加圧気体は、流路における最も上流側の縮径部の近傍から流路内に導入されるように構成されている。流路の縮径部ではベンチュリ効果により圧力が低下した減圧状態となっているため、大気圧以上に加圧された気体との圧力差が大きくなり、縮径部近傍に設けられた気体導入口からは多量の気体が流路内に吸引される。本発明において、気体導入口は流路外周の管状体外壁の周方向に沿った貫通孔として形成されているため、流路内に導入される気体の流速は高められ、貫通孔から勢いよく流路内に導入された気体は、縮径部と連続する気液混合部にて強い旋回流を生じさせる。それゆえ、多量の気体が流路内部に導入されるとともに、この流路内部で気体と液体とが確実に混合され、気泡を多量に有する気液混合液が得られる。また、貫通孔から流路内に導入された気体の流速が高いために、流路内を流れる液体（気液混合液）の流速が加速される。また、本発明においては、複数の縮径部とそれに連続する気液混合部を有しているため、最も上流側の縮径部と気液混合部を経た気液混合液は、引き続いて下流側の縮径部と気液混合部を通過することとなる。このとき、下流側の縮径部では、ベンチュリ効果によって減圧状態となるために気液混合液中の気泡が膨張するが、この縮径部と連続する気液混合部では縮径部よりも内径が大きいことから流速が低下して圧力が高くなるため、縮径部でいったん膨張した気泡がこの気液混合部で圧壊収縮し、さらに気泡径が小さくなった微細気泡が得られる。また、本発明において、気泡生成器の流路は液体導入口から排出口に至るまで略同軸線状に延びているため、流路内を流れる気液混合液の流速は高いまま維持され、それゆえ、排出口から放出される気液混合液も好適な液圧を有することができる。なお、本明細書において上流とは流路の流れ方向における上流、すなわち、液体供給源側のことをいい、下流とは、流路の流れ方向における下流、すなわち、排出口側のことをいう。
また、本発明の微細気泡発生装置は、上述した気泡生成器の流路において、最も上流側に設けられた縮径部と縮径部に連続する気液混合部、及び気液混合部に連続する縮径部に対応する部分の管状体が、一体的にかつ同軸に形成されていることも好ましい。これにより、加圧気体が導入されるために最も流路に対する圧力が大きくかかる部分（最も上流側の縮径部及び気液混合部）の耐圧性が確保され、導入される気体の圧力や勢いのある旋回流により縮径部と気液混合部とが分離してしまうことを防ぐことができる。また、最も上流側に設けられた気液混合部とそれに連続する縮径部までを一体的にかつ同軸に形成したことにより、流路を流れる流体の流速が速いまま保持される。
また、本発明の微細気泡発生装置において、上述した気泡生成器の複数の縮径部は、上流側に配置された縮径部の最小内径よりも下流側に配置された縮径部の最小内径の方が小さくなるように形成されていることも好ましい。これにより、気泡径をより小さくすることができ、ナノオーダーレベルの気泡径を有する微細気泡を有する気液混合液を得ることができる。なお、本明細書において、ナノオーダーレベルの気泡径を有する微細気泡とは、気泡径が１μｍ未満の微細気泡のことをいう。
また、本発明の微細気泡発生装置において、上述した気泡生成器の複数の気液混合部は、上流側に配置された気液混合部の内径よりも下流側に配置された気液混合部の内径の方が大きくなるように形成されていることも好ましい。下流側に配置された縮径部の最小内径が小さく形成されているところ、それに連続する気液混合部の内径をより大きいものとすることにより、縮径部と気液混合部の圧力差が大きくなるため、縮径部で膨張した気泡が気液混合部ですみやかに圧壊収縮され、気泡径がさらに小さくなった微細気泡が得られる。
また、本発明の微細気泡発生装置は、上述した気泡生成器の流路において、上流側から下流側に向かって、第１の縮径部、第１の縮径部に連続する第１の気液混合部、第１の気液混合部と連続する第２の縮径部、及び第２の縮径部に連続する第２の気液混合部が設けられ、気泡生成器の前記気体導入口は、第１の縮径部の近傍に設けられ、第２の縮径部の最小内径は、第１の縮径部の最小内径よりも小さくなるように形成されていることも好ましい。これにより、液体中の微細気泡濃度が高く、ナノオーダーレベルの気泡径を有する微細気泡を発生させることができる装置が得られる。
また、本発明の微細気泡発生装置は、さらにシャワーヘッドを備えており、このシャワーヘッドは気泡生成器の排出口に接続されたホースを介して連結されていることも好ましい。シャワーヘッドが、気液混合液が外部に放出されるまでの装置内部の液圧を全体的に高める作用を有するため、気液混合液中に含まれる気泡量が増加し、液体中の微細気泡濃度が高い気液混合液が得られる。
本発明によれば、以下のような優れた効果を有する微細気泡発生装置を提供することができる。
（１）微細気泡濃度が高く、気泡径が数十マイクロメートル以下の小さい気泡径の微細気泡を発生させることができる。
（２）排出口から放出される微細気泡を有する気液混合液の液圧を高く保つことができるため、例えば、上水道の配水管等から供給される水圧で装置内に水を導入しても、その水圧を保ったまま、又はその水圧をより高めた気液混合液として装置外に放出することができる。
（３）また、下流側の縮径部の最小内径を上流側のものよりも小さく形成することにより、より小さい気泡径を有する微細気泡を発生させることができる。
（４）また、下流側の気液混合部の内径を上流側のものよりも大きく形成することにより、気泡の圧壊収縮を促進させ、より微細化したナノオーダーレベルの気泡径を有する微細気泡を発生させることができる。
（５）また、最も上流側に設けられた縮径部と縮径部に連続する気液混合部、及び気液混合部に連続する縮径部に対応する部分の管状体を一体的にかつ同軸に形成することにより、耐圧性が高められ、安定的に使用できる装置を得ることができる。
本発明の第一の実施形態に係る微細気泡発生装置を概略的に示す断面図である。 図１に示す微細気泡発生装置の使用状態を示す図である。 図１に示す微細気泡発生装置の作用を示す部分拡大断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る微細気泡発生装置を概略的に示す断面図である。 比較例で用いた微細気泡発生装置の一部を概略的に示す断面図である。 実施例１で得られた気液混合液に含まれる微細気泡の粒度分布を示すグラフである。 実施例２で得られた気液混合液に含まれる微細気泡の粒度分布を示すグラフである。 比較例で得られた気液混合液に含まれる微細気泡の粒度分布を示すグラフである。 実施例３における毛髪の膨潤率を示すグラフである。
以下、図１〜図３を参照し、本発明の第一の実施形態に係る微細気泡発生装置について説明する。
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る微細気泡発生装置１は、気泡生成器２と、気体供給手段３とから概略構成されている。また、図２に示すように、本実施形態に係る微細気泡発生装置２は、上水道等の水栓６から連続的に供給される液体をホース及びアダプター４を介して気泡生成器２に導入すると共に、気体供給手段３から供給される加圧気体Ｇを気泡生成器２に導入して気泡生成器２の内部で気液混合液Ｍを生成させる装置であり、気泡生成器２から排出される気液混合液Ｍはシャワーヘッド５からなるアタッチメントを介して外部に取出しされている。
まず、図１及び図２に基づき、気泡生成器２について説明する。本実施形態の気泡生成器２は、液体Ｌ又は気液混合液Ｍが流れる空間である流路２１を内部に有する略円管形状の管状体２６を有している。この管状体２６の上流側（液体供給源と接続される側）の一端には、ホースやアダプター４等を介して液体供給源である水栓６等に接続される液体導入口２７が設けられている。他方、管状体２６の下流側の一端には、気泡生成器２内部で生成した気液混合液Ｍを外部へ排出する排出口２９が設けられている。流路２１は管状体２６の内部の空間であるところ、後述するように、この流路２１の断面積や内径は変化するものの、液体導入口２７から排出口２９に至るまでの流路２１は略同軸線上に延びるように構成されている。すなわち、流路２１における軸断面の中心が略直線となるように構成されている。それゆえ、流路２１内を流れ方向Ｆに向かって流れる液体Ｌ又は気液混合液Ｍの逆流や流速低下が抑制され、流路２１内部での液体Ｌ等のスムーズな流れが維持される。本実施形態においては、管状体２６は、上流側の流路２１を構成する第１の管状体２６１と下流側の流路２１を構成する第２の管状体２６２とから形成されている。第２の管状体２６２はその内径が第１の管状体２６１の内径よりも大きく、第１の管状体２６１の外径と略同じ内径を有している。そのため、両者は、第１の管状体２６１の下流側の端部外周面を第２の管状体２６２の上流側の端部内周面に嵌合させることにより連結されている。なお、本実施形態において、管状体２６は２つの部材から構成されているが、それに限定されず、後述する第二の実施形態のように１つの部材から管状体２６が構成されていてもよく、又はさらに複数の部材から構成することも可能である。
本実施形態に係る気泡生成器２の流路２１には、液体Ｌの流れる方向に向かって内径及び外径を縮小させた縮径部（第１の縮径部２２，第２の縮径部２３）が２箇所に設けられている。そして、各縮径部の下流側には、各縮径部と連続して気液混合部（第１の気液混合部２４，第２の気液混合部２５）が設けられている。なお、縮径部とそれに連続する気液混合部の数は、本実施形態においては２つであるが、それに限定されず、２を超える数とすることも可能である。本発明において、複数箇所に設けられた気液混合部２４，２５は、上流側に隣接する縮径部２２，２３の最小内径（又は最小断面積）よりも大きい内径（又は断面積）を有するように形成されているため、縮径部と気液混合部との組み合わせにより、流路２１内を流れる液体Ｌ又は気液混合液Ｍにベンチュリ効果が付与される。本実施形態では、第１の縮径部の最小内径２２ｄよりも第１の気液混合部の内径２４ｄの方が大きく、第２の縮径部の最小内径２３ｄよりも第２の気液混合部の内径２５ｄの方が大きく構成されている。それゆえ、本実施形態においては、流路２１において、第１の縮径部２２と第１の気液混合部２４による第１のベンチュリ部と、第２の縮径部２３と第２の気液混合部２５による第２のベンチュリ部との２箇所においてベンチュリ効果が付与される。
本発明に係る気泡生成器２には、気体供給手段３によって加圧気体Ｇが導入されるところ、気体導入口２８は気泡生成器２の管状体２６の外壁の周方向に沿って配設された複数の貫通孔として設けられている。本実施形態においては、気体導入口２８は、第１の管状体２６１の周側面に沿って略均等に配置された４つの円形の貫通孔として、第１の縮径部２２の近傍に設けられている。これにより、加圧気体Ｇはベンチュリ効果により減圧状態となっている第１の縮径部２２の近傍より流路２１内に勢いよく導入され、引き続いて第１の気液混合部２４に強い旋回流を生じさせるため、流路２１で加圧気体Ｇと液体Ｌとが確実に混合され、気泡を多量に有する気液混合液Ｍが得られる。なお、本実施形態において、気体導入口２８は４つの円形の貫通孔として構成されているが、数及び形状は特に限定されない。
また、本実施形態に係る気泡生成器２の流路２１は、上流側に配置された第１の縮径部の最小内径２２ｄよりも、下流側に配置された第２の縮径部の最小内径２３ｄの方が小さくなるように形成されている。これにより、生成する気泡の径をより小さくすることができ、ナノレベルオーダーの気泡径を有する微細気泡を有する気液混合液を得ることができる。第２の縮径部の最小内径２３ｄは、小さくしすぎると流路２１内の圧力損失が大きくなり、気液混合液Ｍの流速に影響する観点から、第１の縮径部の最小内径２２ｄの７０〜９８％とすることが好ましく、第１の縮径部の最小内径２２ｄの７５〜９５％とすることがより好ましい。さらに、本実施形態においては、上流側に配置された第１の気液混合部の内径２４ｄよりも下流側に配置された第２の気液混合部の内径２５ｄの方が大きくなるように形成されている。これにより、流路２１内において、第２の縮径部２３と第２の気液混合部２５との圧力差が大きくなるため、第２の気液混合部２５で気泡の圧壊収縮が促進され、さらに気泡を微細化することができる。
上述したように、本実施形態において、流路２１を内部に有する管状体２６は、上流側の流路２１を構成する第１の管状体２６１と下流側の流路２１を構成する第２の管状体２６２とから構成されている。このうち、第１の管状体２６１には、液体導入口２７、第１の縮径部２２、第１の気液混合部２４及び第２の縮径部２３までが設けられ、第２の管状体２６２には、第２の気液混合部２５及び排出口２９が設けられている。これによって、気体供給手段３からの加圧気体Ｇが導入されることにより、最も流路２１に対する圧力が大きくかかる第１の縮径部２２及び第１の気液混合部２４近傍の耐圧性が確保されている。また、第１の管状体２６１に第２の縮径部２３を設け、第１の管状体２６１よりも径大な第２の管状体２６１を第２の気液混合部２５として用いることにより、第２の縮径部２３と第２の気液混合部２５における流路２１の内径の変化が不連続となり、第２の縮径部２３以後の流路２１の内径を大きく変化させることができる。このように、非常に簡単な構成で第２の縮径部２３と第２の気液混合部２５との圧力差を大きくすることができ、気泡の圧壊収縮を促進させることができる。
本実施形態における気泡生成器２は、公知の材料及び方法によって製造することができる。一例として、本実施形態に係る気泡生成器２は、第１の管状体２６１として外径１８ｍｍ、内径１３ｍｍ、壁厚２．５ｍｍの硬質ＰＶＣ管を用いており、第２の管状体２６２として外径２４ｍｍ、内径１８ｍｍ、壁厚３ｍｍの硬質ＰＶＣ管を用いている。第１の管状体２６１における第１の縮径部２２はＰＶＣ管の最小内径が約７〜１０ｍｍになるまで外周を絞り加工することにより設けられ、第１の縮径部２２から約７〜１０ｃｍの領域を第１の気液混合部２４とし、その先の第２の縮径部２３はＰＶＣ管の外周を絞り加工した後、約６〜９ｍｍの最小内径を有する端部が現れるように管をカットすることにより製造されている。また、第１の管状体２６１の外壁の周方向、第１の縮径部２２と第１の気液混合部２４との間に、径２．５ｍｍの貫通孔を約９０度の角度間隔で４つ開けることにより、気体導入口２８が形成されている。このようにして得た第１の管状体２６１と第２の管状体２６２とを嵌合させることにより、本実施形態に係る気泡生成器２が得られている。なお、上述した管状体２６の数値等の仕様及び材質は一例であり、用途等によってさまざまな仕様及び材質を選択することが可能である。
次に、図１及び図２に基づき、気体供給手段３について説明する。本実施形態における気体供給手段３は、圧縮機３０、配管３１、気体供給口３３を有するケーシング３４及びナット３５、一端が配管３１に接続され、他端がケーシング３４に接続される接続部材３２とから構成されている。このうち、圧縮機３０（コンプレッサー）は大気圧以上に気体を加圧するための装置である。具体的な加圧気体圧力としては、気泡生成器２に導入される液体Ｌの流量によって圧力は調整され得るが、０．１５〜０．２０ＭＰａとすることが好ましく、０．１８ＭＰａ以上０．２０ＭＰａ未満とすることがより好ましい。この圧縮機３０により加圧された気体Ｇは配管３１及び接続部材３２を介して気泡生成器２に移送される。気泡生成器２の外周には、筒体状のケーシング３４が、第１の管状体２６１の第１の縮径部２２近傍に同心円状に固定され、その筒体の両端部分はナット３５及びスペーサで第１の管状体２６１に気密に固定されている。ケーシング３４にはその外壁を貫通する貫通孔として気体供給口３３が１つ設けられており、この気体供給口３３の内周壁には接続部材３２の一端に設けられているネジ溝と螺合可能なネジ山が設けられている。そのため、接続部材３２の一端をケーシング３４の気体供給口３３に螺合させることにより、両者は気密に接続され、圧縮機３０から移送された加圧気体Ｇはケーシング３４の気体供給口３３に移送される。ここで、ケーシング３４は第１の縮径部２２近傍に固定されているため、ケーシング３４の内周と気泡生成器２の第１の管状体２６１の外周との間には、第１の管状体が縮径された分だけ周方向に間隙３６を有している。そのため、この間隙３６を介して、気体供給手段３の気体供給口３３と気泡生成器２の気体導入口２８とが連通している。この第１の縮径部２２の外周の隙間３６を介して、ケーシング３４の気体供給口３３から供給された加圧気体Ｇが気泡生成器２の気体導入口２８に導入される。
次に、図３に基づいて、本実施形態に係る微細気泡発生装置１の使用時における作用について説明する。なお、図３では、気体供給手段３の圧縮機３０、液体供給源である水栓６、気泡生成器２の液体導入口２７に水栓６からの液体Ｌを移送するホース及びアダプター４、シャワーヘッド５は省略されている。
まず、液体供給源である水栓６を開くと、図３（ａ）に示すように、液体Ｌは気泡生成器２の液体導入口２７に連続的に導入される。導入される液体Ｌの液圧は、例えば、上水道の配水管から供給される水である場合には０．０５〜０．３ＭＰａ程度であるが、ポンプ等で加圧することなく、このまま液体導入口２７から導入して用いることができる。液体Ｌは流路２１の流れ方向Ｆに沿って流れるところ、第１の縮径部２２では流路２１の内径（断面積）が小さくなっているので、ベンチュリ効果により液体Ｌの流速が高くなり、第１の縮径部２２近傍における圧力は低くなる。
他方、圧縮機３０を作動させると、図３（ａ）に示すように、大気圧以上に加圧された気体Ｇが配管３１と接続部材３２を介して気体供給口３３へ移送される。気体供給口３３へ移送された加圧気体Ｇは、第１の管状体２６１の第１の縮径部２２近傍とケーシング３４との間隙３６を通じて気泡生成器の気体導入口２８に導入される。このとき、流路２１の第１の縮径部２２近傍ではベンチュリ効果により圧力が低下した減圧状態となっているため、大気圧以上に加圧された気体Ｇとの圧力差が大きくなり、第１の縮径部２２近傍に設けられた気体導入口２８からは多量の気体が流路２１内に強い力で吸い込まれて導入される。
図３（ａ）に示すように、気泡生成器２の気体導入口２８は第１の管状体２６１の外壁の周方向に沿った貫通孔として形成されているため、流路２１内に導入される加圧気体Ｇの流速はより高くなっている。そのため、気体導入口２８から勢いよく流路２１内に導入された加圧気体Ｇは、第１の気液混合部２４を流れる液体Ｌに強い旋回流を生じさせる。それゆえ、多量の気体Ｇが流路２１内部に導入されるとともに、この第１の気液混合部２４で気体Ｇと液体Ｌとが確実に混合され、気泡を多量に有し、液体中の微細気泡濃度が高い気液混合液Ｍが得られる。また、貫通孔である気体導入口２８から流路２１内に導入された加圧気体Ｇの流速が高いために、流路２１内を流れる気液混合液Ｍの流速が加速される。
引き続いて、図３（ｂ）に示すように、第１の気液混合部２４で生じた気液混合液Ｍは流路２１の流れ方向Ｆに沿って流れるところ、第２の縮径部２３を通過する。このとき、第２の縮径部２３は流路２１の内径（断面積）が小さくなっているので、ベンチュリ効果により気液混合液Ｍの流速が高くなり、第２の縮径部２３近傍における圧力は低くなる。そのため、気液混合液Ｍに含まれている気泡は第２の縮径部２３でいったん膨張する。引き続いて、気液混合液Ｍは第２の気液混合部２５に移動するが、この第２の気液混合部２５は内径が大きいために、気液混合液Ｍの流速が低下して圧力が高くなる。それゆえ、第２の縮径部２３でいったん膨張した気泡がこの第２の気液混合部２５で圧壊収縮し、気泡を微細化させる。そして、本実施形態に係る気泡生成器２では、第１の縮径部の最小内径２２ｄよりも第２の縮径部の最小内径２３ｄの方が小さく、第１の気液混合部の内径２４ｄよりも第２の気液混合部の内径２５ｄの方が大きくなるように設計されているため、第２の縮径部２３と第２の気液混合部２５との圧力差がより大きくなっている。そのため、第２の縮径部２３で膨張した気泡が第２の気液混合部２５ですみやかに圧壊収縮され、気泡径がさらに小さくなったナノオーダーレベルの微細気泡が得られる。このようにして得られた微細気泡を含む気液混合液Ｍは排出口２９から排出され、シャワーヘッド５等を介して放出される。また、気泡生成器２の流路２１は液体導入口２７から排出口２９に至るまで略同軸線状に延びているため、流路２１内を流れる液体Ｌ及び気液混合液Ｍの流速は高いまま維持され、それゆえ、排出口２９から放出される気液混合液Ｍも好適な液圧を有している。
図２に示すように、微細気泡発生装置１の排出口２９からはホース及びシャワーヘッド５を介して気液混合液Ｍを外部に取出ししている。シャワーヘッド５は、気液混合液Ｍが外部に放出されるまでの装置内部の液圧を全体的に高める作用を有する。それゆえ、シャワーヘッド５を気泡生成器２に取り付けて微細気泡発生装置１を構成することで、気液混合液Ｍ中に含まれる気泡量が増加し、液体中の微細気泡濃度が高い気液混合液が得られる。また、シャワーヘッド５の散水板を、吐水穴の数が少ないか、又は吐水穴径が小さいものを選択すると、気液混合液Ｍが外部に放出されるまでの液圧がさらに高められるため、より微細化したナノオーダーレベルの気泡径を有する微細気泡を含む気液混合液Ｍが得られる。シャワーヘッド５の散水板の吐水穴径としては、直径０．５ｍｍ以下が好ましく、直径０．４ｍｍ以下がさらに好ましく、直径０．３ｍｍ以下が特に好ましい。なお、用途に応じて、シャワーヘッド５の代わりにストレートノズルやジェットノズル等のアタッチメントを用いることも可能である。また、微細気泡発生装置１に供給される液体Ｌ及び気体Ｇは、一般的には水及び空気が用いられるが、これに限定されず、用途に応じて種々の液体又は気体を用いることができる。
次に図４を参照し、本発明の第二の実施形態について説明する。
本発明の第二の実施形態に係る微細気泡発生装置１０は、気泡生成器２０と気体供給手段３とから概略構成されている。なお、本実施形態において、第一の実施形態と同じ構成については、同じ参照符号を使用して説明する。
図４に基づき、本実施形態の気泡生成器２０について説明する。本実施形態の気泡生成器２０は、液体Ｌ又は気液混合液Ｍが流れる空間である流路２１０を内部に有する略円管形状の１本の管状体２６０から構成されている。流路２１０は管状体２６０の内部の空間であるところ、この流路２１０の断面積や内径は変化するものの、液体導入口２７から排出口２９に至るまでの流路２１０は略同軸線上に延びるように構成されている。なお、本実施形態において、管状体２６０は１つの部材から構成されているが、それに限定されず、第一の実施形態のように複数の部材から管状体２６０が構成されていてもよい。
本実施形態に係る気泡生成器２０の流路２１０には、液体Ｌの流れる方向に向かって内径及び外径を縮小させた縮径部（第１の縮径部２２０，第２の縮径部２３０）が２箇所に設けられている。そして、各縮径部の下流側には、各縮径部と連続して気液混合部（第１の気液混合部２４０，第２の気液混合部２５０）が設けられている。なお、縮径部とそれに連続する気液混合部の数は、本実施形態においては２つであるが、それに限定されず、２を超える数とすることも可能である。本発明において、複数箇所に設けられた気液混合部２４０，２５０は、上流側に隣接する縮径部２２０，２３０の最小内径（又は最小断面積）よりも大きい内径（又は断面積）を有するように形成されているため、縮径部と気液混合部との組み合わせにより、流路２１０内を流れる液体Ｌ又は気液混合液Ｍにベンチュリ効果が付与される。本実施形態では、第１の縮径部の最小内径２２０ｄよりも第１の気液混合部の内径２４０ｄの方が大きく、第２の縮径部の最小内径２３０ｄよりも第２の気液混合部の内径２５０ｄの方が大きく構成されている。それゆえ、本実施形態においては、流路２１０において、第１の縮径部２２０と第１の気液混合部２４０による第１のベンチュリ部と、第２の縮径部２３０と第２の気液混合部２５０による第２のベンチュリ部との２箇所においてベンチュリ効果が付与されている。
また、本実施形態に係る気泡生成器２０の流路２１０は、上流側に配置された第１の縮径部の最小内径２２０ｄと下流側に配置された第２の縮径部の最小内径２３０ｄとが略同じ径となるように形成されている。また、上流側に配置された第１の気液混合部の内径２４０ｄと下流側に配置された第２の気液混合部の内径２５０ｄとが略同じ径となるように形成されている。これにより、所定の径を有する直線状の管を２箇所で縮径させることによって本実施形態に係る気泡生成器２０が得られるため、容易に気泡生成器２０を製造することができる。本実施形態における気泡生成器２０は、公知の材料及び方法によって製造することができる。一例として、本実施形態に係る気泡生成器２０は、管状体２６０として外径２６ｍｍ、内径２０ｍｍ、壁厚３ｍｍの硬質ＰＶＣ管を用いている。管状体２６０における第１の縮径部２２０はＰＶＣ管の最小内径が約１５ｍｍになるまで外周を絞り加工することにより設けられ、第１の縮径部２２０から約７〜１０ｃｍの領域を第１の気液混合部２４０とし、その先の第２の縮径部２３０も第１の縮径部２２０と同様に最小内径が約１５ｍｍになるまで外周を絞り加工することにより設けられている。なお、上述した管状体２６０の数値等の仕様及び材質は一例であり、用途等によってさまざまな仕様及び材質を選択することが可能である。
気体供給手段３及び気泡生成器２０の構成についてのその他の説明は、上述した第一の実施形態の場合と同様であり、その機能や作用効果も同様である。また、微細気泡発生装置１０を構成するその他の構成についても、上述した第一の実施形態の場合と同様であり、その機能や作用効果も同様である。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。
［実施例１］
１．気液混合液に含まれる微細気泡の粒子径等の測定（１）
微細気泡発生装置１を用いて気液混合液Ｍを生成させ、気液混合液Ｍ中に含まれる微細気泡の粒子径分布、気液混合液Ｍの溶存酸素量及び気泡生成器２の排出口２９から放出される気液混合液Ｍの水圧を測定した。なお、微細気泡の粒子径分布の測定には、レーザ回折式粒度分布測定装置（型番：ＳＡＬＤ−３１００、株式会社島津製作所製品）を用い、溶存酸素量の測定にはデジタル溶存酸素計（型番：ＤＯ−５５０９、株式会社マザーツール製品）を用いた。
微細気泡発生装置１としては、図１及び図２に示す第一の実施形態に係る装置１を用い、気泡生成器２と気体供給手段３とシャワーヘッド５とを接続して測定を行った。具体的には、気泡生成器２としては、第１の管状体２６１として外径１８ｍｍ、内径１３ｍｍ、壁厚２．５ｍｍの硬質ＰＶＣ管を用い、第２の管状体２６２として外径２４ｍｍ、内径１８ｍｍ、壁厚３ｍｍの硬質ＰＶＣ管を用い、全長２０．６ｃｍとした。第１の管状体２６１における第１の縮径部２２はＰＶＣ管の最小内径が８ｍｍになるまで外周を絞り加工することにより形成し、第２の縮径部２３はＰＶＣ管の外周を絞り加工した後、６．４ｍｍの最小内径を有する端部が現れるように管をカットすることにより形成した。また、第１の管状体２６１の外壁の周方向、第１の縮径部２２と第１の気液混合部２４との間に、径２．５ｍｍの貫通孔を約９０度の角度間隔で４つ開けることにより、気体導入口２８を形成した。気体供給手段３としては、図１及び図２に示すように構成し、圧縮機３０としてはエアコンプレッサーＳＲ−０４５（藤原産業株式会社製品、型番：ＳＲＬ０４ＳＰＴ−０１）を用い、配管３１、接続部材３２及びケーシング３４を介して気泡生成器２に接続した。水栓６は上水道の蛇口を用い、蛇口に直接ホースをつなぎ、アダプター４を介して気泡生成器２に接続した。シャワーヘッド５としては、散水板の吐水穴径が直径０．３ｍｍと小さいもの（株式会社アラミック製品、品名：プロシャワークリア ＰｒｏＣ−４８Ｎ）を用いた。
実験条件としては、加圧気体Ｇは空気であり、コンプレッサーによる加圧気体圧力は０．１９ＭＰａとした。また、水栓６から気泡生成器２に供給される液体Ｌ、すなわち、水の水圧は０．１５ＭＰａとし、水の流量は２０Ｌ／ｍｉｎとした。
［実施例２］
２．気液混合液に含まれる微細気泡の粒子径等の測定（２）
実施例１で用いた微細気泡発生装置１から、シャワーヘッド５を省いた構成の微細気泡発生装置１´（シャワーヘッド５無し）を用いた以外は、実施例１と同様の構成及び同様の条件で、生成した気液混合液Ｍ中に含まれる微細気泡の粒子径分布、気液混合液Ｍの溶存酸素量及び気泡生成器２の排出口２９から放出される気液混合液Ｍの水圧を測定した。
［比較例］
３．気液混合液に含まれる微細気泡の粒子径等の測定（３）
実施例１で用いた微細気泡発生装置１の気泡生成器２及び気体供給手段３を、以下に詳述する気泡生成器及び気体供給手段に替えた構成の微細気泡発生装置（比較品）とした以外は、実施例１と同様の条件で、生成した気液混合液Ｍ中に含まれる微細気泡の粒子径分布、気液混合液Ｍの溶存酸素量及び気泡生成器の排出口から放出される気液混合液Ｍの水圧を測定した。
図５に示すように、本比較例における気泡生成器及び気体供給手段は、次のように構成した。長さ１０ｃｍ、外径１８ｍｍ、内径１３ｍｍ、壁厚２．５ｍｍの両端が開放された硬質ＰＶＣ管を用い、その一端の外周を絞り加工して縮径させ、内径を８ｍｍとした。これを２つ形成し、液体の流れる方向に縮径された一端が配置されるよう、２つの管を同軸に配置し、さらに液体の排出口側には、縮径していない硬質ＰＶＣ管を配置した。一方の管（縮径された一端）と他方の管（縮径なしの他端）との間には、加圧気体Ｇが供給される隙間を設けた状態とし、一方の管（縮径された一端）と他方の管（縮径なしの他端）の両端部分を筒状のケーシングに収容し、ケーシングの両端部を各管の外壁に固定して気密状態とした。ケーシングには、加圧気体供給のための配管を接続し、エアコンプレッサーＳＲ−０４５（藤原産業株式会社製品、型番：ＳＲＬ０４ＳＰＴ−０１）による加圧気体Ｇが配管及びケーシングを介して、一方の管（縮径された一端）と他方の管（縮径なしの他端）との間に設けられた隙間から管内に供給されるように構成した。全長は約３０ｃｍであった。
実施例１、２及び比較例の結果を図６〜８及び以下表１に示す。図６〜図８に示すように、本発明の微細気泡発生装置の構成とすることにより、ナノオーダーレベル（気泡径が１μｍ未満）の微細気泡を多く含む気液混合水が得られることがわかった。具体的には、実施例１の微細気泡発生装置で得られた気液混合水のうち、気泡径が１μｍ未満のものの積算値は約９０％であり、実施例２で得られた気液混合水のうち、気泡径が１μｍ未満のものの積算値は約５８％であった。これに対して、比較例で得られた気液混合水のうち、気泡径が１μｍ未満のものの積算値は約１０％と少なかった。このことから、本発明の微細気泡発生装置の構成とすることにより、ナノオーダーレベルの微細気泡の存在比率が高い気液混合水が得られること、そして、シャワーヘッドを含めた構成とすることにより、ナノオーダーレベルの微細気泡の存在比率がさらに高い気液混合水が得られることがわかった。また、以下表１に示すように、本発明の微細気泡発生装置によれば、供給水の水圧をほぼ維持するか、水圧を高めた状態で気液混合水を装置外に放出できることがわかった。これにより、上水道の配水管から供給される水圧で装置内に水を供給しても、その水圧を保つか、水圧をより高めた状態で気液混合水として装置外に放出することができるため、供給水をポンプ等で加圧供給する必要がなく、装置を簡単な構成とすることができる。また、本発明の微細気泡発生装置により得られた気液混合水の溶存酸素量は、供給水の溶存酸素量よりも高く、粒度分布の測定結果からもナノオーダーレベルの微細気泡の存在比率が高いことから、気液混合水Ｍに含まれる微細気泡濃度が高いことが推測された。このうち、微細気泡発生装置にシャワーヘッドを含めた構成（実施例１）とすることにより、さらに溶存酸素濃度が高くなり、ナノオーダーレベルの微細気泡の存在比率も高くなることから、特に微細気泡濃度が高い気液混合水が得られることがわかった。
Figure 2019212028
［実施例３］
４．気液混合水を毛髪洗浄等に用いた際の毛髪状態の検討
本発明の微細気泡発生装置により得られた気液混合水Ｍを毛髪洗浄等に用いた際の毛髪状態を調べた。人の毛髪（健康で、これまで染色処理や脱色処理等していないもの）１本をプレパラートに固定し、カバーガラスをのせた後、カバーガラスの脇から実施例１で得られた気液混合水を加え、毛髪を気液混合水で浸した。顕微鏡にて２０分間に亘り、毛髪の毛径を測定した。また、実施例１の気液混合水に替えて水道水を用いて同様の試験を行った。結果を図９のグラフに示す。
この結果によれば、実施例１の気液混合水で毛髪を処理することにより、水道水で処理されたものと比較して、毛髪の膨潤率を約５％以上も低下させることができることがわかった。これまでは、水道水で毛髪を洗浄すると、毛髪内部に水が浸透して毛髪が膨潤してしまうため、毛髪洗浄後に染毛剤やトリートメント剤を適用しても、これらが毛髪内部に浸透せず、効果が得られ難いとされていた。しかしながら、本発明の微細気泡発生装置で得られた気液混合水で毛髪を洗浄すると、毛髪の膨潤率が低下するため、さらに膨潤できる余地が残り、毛髪洗浄後であっても染毛剤やトリートメント剤等を毛髪内部に浸透させることができる。そのため、本発明の微細気泡発生装置で製造した気液混合水を毛髪洗浄に用いることにより、毛髪や頭皮の汚れを除去した後に染毛剤やトリートメント剤を使用することができるため、これら染毛剤等の効果を安定的に得ることができる。
本発明は、上記の実施形態又は実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨を逸脱しない範囲内での種々、設計変更した形態も技術的範囲に含むものである。
本発明に係る微細気泡発生装置は、微細気泡を含有する気液混合液を製造するために用いられるものであり、美容・健康の分野、農業分野などにおいて好適に使用され得る。
１、１０ 微細気泡発生装置
２、２０ 気泡生成器
２１、２１０ 流路
２２、２２０ 第１の縮径部
２２ｄ、２２０ｄ 第１の縮径部の最小内径
２３、２３０ 第２の縮径部
２３ｄ、２３０ｄ 第２の縮径部の最小内径
２４、２４０ 第１の気液混合部
２４ｄ、２４０ｄ 第１の気液混合部の内径
２５、２５０ 第２の気液混合部
２５ｄ、２５０ｄ 第２の気液混合部の内径
２６、２６０ 管状体
２６１ 第１の管状体
２６２ 第２の管状体
２７ 液体導入口
２８ 気体導入口（貫通孔）
２９ 排出口
３ 気体供給手段
３０ 圧縮機
３１ 配管
３２ 接続部材
３３ 気体供給口
３４ ケーシング
３５ ナット
３６ 間隙
４ アダプター
５ シャワーヘッド
６ 水栓
Ｆ 流れ方向
Ｇ 加圧気体
Ｌ 液体
Ｍ 気液混合液

Claims (6)

  1. 液体供給源から連続して供給される液体と、気体供給手段から供給される気体とを混合して微細気泡を発生させ、前記微細気泡と前記液体とが混合した気液混合液を排出する微細気泡発生装置であって、
    前記液体の流路を内部に有する管状体、前記液体を前記流路に導入する液体導入口、前記気体を前記流路に導入する気体導入口及び前記気液混合液を前記流路から排出する排出口を有する気泡生成器と、
    前記気体を加圧する圧縮機及び前記圧縮機によって加圧された気体を前記気泡生成器に供給する気体供給口を有する気体供給手段と、を備え、
    前記気泡生成器の前記流路は前記液体導入口から前記排出口に至るまで略同軸線状に延びており、前記流路には前記液体の流れる方向に向かって内径を縮小させた縮径部が複数設けられ、各々の縮径部の下流側には、各縮径部における最小内径よりも大きい内径を有する気液混合部が夫々連続して設けられ、
    前記気泡生成器の前記気体導入口は、前記管状体の外壁の周方向に沿って配設された複数の貫通孔として、前記流路における最も上流側に設けられた前記縮径部の近傍に設けられ、該気体導入口は、前記気体供給手段の前記気体供給口と連通していることを特徴とする微細気泡発生装置。
  2. 前記気泡生成器の前記流路において、最も上流側に設けられた前記縮径部と該縮径部に連続する気液混合部、及び該気液混合部に連続する縮径部に対応する部分の管状体が、一体的にかつ同軸に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生装置。
  3. 前記気泡生成器の前記複数の縮径部は、上流側に配置された縮径部の最小内径よりも下流側に配置された縮径部の最小内径の方が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細気泡発生装置。
  4. 前記気泡生成器の前記複数の気液混合部は、上流側に配置された気液混合部の内径よりも下流側に配置された気液混合部の内径の方が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の微細気泡発生装置。
  5. 前記気泡生成器の前記流路には、上流側から下流側に向かって、第１の縮径部、該第１の縮径部に連続する第１の気液混合部、該第１の気液混合部と連続する第２の縮径部、及び該第２の縮径部に連続する第２の気液混合部が設けられ、
    前記気泡生成器の前記気体導入口は、前記第１の縮径部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微細気泡発生装置。
  6. さらに、シャワーヘッドを備え、該シャワーヘッドは前記気泡生成器の前記排出口に接続されたホースを介して連結されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微細気泡発生装置。
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