JP6863609B2 - 気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法 - Google Patents

気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法に関する。
近年、ファインバブルと呼ばれる直径１００μｍ以下の微細な気泡の工業的な利用が広まっている。ファインバブルは、液中において、同じ体積を持つ単一の大気泡に比べ、非常に大きな表面積を持つうえに浮遊する時間が長い。また、ファインバブルは、大気泡と比較した場合に、気泡の表面を介した液中への物質移動により気体が液体に溶解し易く、液中に存在する不純物が吸着し易い。このような様々な有用な特徴を有していることから、これらの特徴を水処理や化学反応装置などにファインバブルを活用する研究がますます盛んになっており、そのような水処理及び化学反応装置などの今後の急速な市場拡大が期待されている。このような背景の下、オリフィスやノズルなどの生成装置を用いて液中に気泡を生成させる方法を提案し、気泡生成挙動を解析することで、生成気泡の大きさに及ぼす様々な因子の影響を実験的かつ理論的に明らかにする取り組みが行われている。
ファインバブルを生成する方法は、静的な方法と動的な方法とに大別される。静的な方法には、多孔質膜を用いたもの（例えば、特許文献１参照）や、超音波を用いたもの（例えば、非特許文献１参照）がある。しかしながら、多孔質膜を含む多孔体を用いた場合には、多孔体の材質（濡れ性）、液体の粘度および液体の表面張力が気泡径に影響し、濡れの悪い材質、高粘度液体および表面張力の高い液体を用いると、部材表面にて成長する気泡が浮力の作用により上昇して多孔体から離脱することが抑制されるため、ファインバブルとともに１００μｍ以上の気泡も生成されてしまう。また、多孔体の中には、耐熱性、耐薬品性や強度が低い材質が用いられており、工業的利用には不向きなものもある。また、超音波を用いた場合には、高周波振動による液温の上昇や機器の破損が問題になり、ラジカルの生成による液成分の分解も懸念される。さらに、ファインバブルの生成に超音波を発生させるだけの大きなエネルギーが必要になる。
このような静的な方法に対して、さらに液中でのファインバブルの数を増やしたい場合には、一般に、生成装置内に気体と液体を同時に導入する動的な方法が用いられる。この動的な方法には、せん断流を用いたもの（例えば、特許文献２参照）や、加圧溶解を行うもの（例えば、特許文献３参照）がある。特許文献２に開示された装置では、液体ポンプを用いた液体のエネルギーを駆動力として、気泡状ガスをせん断流により物理的に破壊して、気泡の大きさを小さくする。また、特許文献３に開示された装置では、液中に加圧して溶解させたガスを低圧下において気泡として析出させる。しかしながら、これらの装置では、液体ポンプを介した液体の循環によるファインバブルの生成に大きなエネルギーが必要となり、高粘度液体での利用が困難になる。
生成するファインバブルのうち、１〜１００μｍのものをマイクロバブルと呼び、１μｍ未満のものをウルトラファインバブルと呼ぶ。これまでは、マイクロバブルを中心にファインバブル生成装置の開発が進められてきた。しかし、ここ数年、ウルトラファインバブルの気泡径や気泡密度を測定できる技術が開発されており、ウルトラファインバブルに関する研究開発が急速に進んでいる。
ウルトラファインバブルの研究開発において重要なのがその気泡密度である。ウルトラファインバブルの平均気泡径は、生成装置によらずおおよそ１００〜２００ｎｍ程度であるものの、発生する気泡の気泡密度は生成装置により大きく異なる。上述したような既存のマイクロバブル生成装置を用いると、生成されるウルトラファインバブルの気泡密度は１千万個／ｍＬ程度が限界である。これまで、気泡密度を高めるための装置や製法が提案されており、気泡密度は１億個／ｍＬから１００億個／ｍＬ程度までが報告されている。
特開２００３−１０２３２５号公報 国際公開第２０００／３４６６３８号 特開２００６−３４６６３８号公報
幕田寿典ら、"超音波場における均一微細気泡生成過程（第１報）"日本機械学会論文集Ｂ，７０，２７５８（２００３）
しかしながら、例えば８億個／ｍＬ程度の気泡密度を実現できる高気泡密度型ウルトラファインバブル生成装置の仕様を見ると、生成装置内部の構造は複雑であり、その複雑な内部に液体を通すために１．０ＭＰａという高いポンプ吐出圧が必要となる。また、このような高いポンプ吐出圧にも関わらず、処理液流量は４．７Ｌ／ｍｉｎと非常に小さくなっており、ウルトラファインバブルを大量に生成するのに時間を要してしまう。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、高いポンプ吐出圧を必要とせずに、径の一層小さな例えば１μｍ未満の高密度の気泡を短時間に大量に生成することができる気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る気泡生成装置は、
内部を液体が通る管状部材と、
前記管状部材内に気体成分を含む前記液体を圧送するポンプと、
を備え、
前記管状部材の内側に、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっている絞り部が設けられ、
前記絞り部は前記流れ方向に直交する断面形状が、矩形状であり、
前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する。
この場合、前記管状部材では、
前記絞り部における前記液体の流れ方向の長さが、
１．０ＭＰａに満たないポンプ圧で前記液体が前記絞り部を通過して、圧力の低下による気泡の析出と、乱流のせん断力による気泡の粉砕とが発生する長さである、
こととしても良い。
前記管状部材では、
前記絞り部における前記流れ方向に直交する断面形状が、扁平な形状である、
こととしても良い。
前記管状部材では、
前記絞り部を含む前記流れ方向前後の内壁の形状が流線形である、
こととしても良い。
前記管状部材では、
前記絞り部が、間隔を置いて、直列に複数設けられている、
こととしても良い。
前記管状部材における前記絞り部の間隔は、
前記絞り部を出た前記液体の流速が、前記管状部材に入力されたときの前記液体の流速に復帰する間隔である、
こととしても良い。
前記管状部材が、
前記液体の流路中に並列に複数設けられている、
こととしても良い。
前記管状部材同士の間にバインダー部材が封入されている、
こととしても良い。
前記管状部材が、金属製である、
こととしても良い。
本発明の第２の観点に係る管状部材は、
内部を液体が通る管状部材であって、
前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっている絞り部が設けられ、
前記絞り部は前記流れ方向に直交する断面形状が、矩形状であり、
前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する。
また、本発明の第３の観点に係る気泡生成方法は、
ポンプにより圧送された気体成分を含む液体を、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっており前記流れ方向に直交する断面形状が矩形状である絞り部が設けられた管状部材内に通し、
前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する。
この場合、複数の前記絞り部が直列に形成された前記管状部材内に、前記液体を流す、
こととしても良い。
また、両端が開放された状態で並列に束ねてバインダー部材で固定された複数の前記管状部材内に前記液体を流す、
こととしても良い。
また、本発明の第４の観点に係る気泡生成装置の製造方法は、
内径が均一な金属細管の一部をプレスして、前記金属細管の内側に、液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっており前記流れ方向に直交する断面形状が矩形状である絞り部を形成するステップを含み、
前記ステップでは、
前記絞り部の形状が、前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する形状となるように、前記金属細管をプレスする。
この場合、前記ステップでは、
前記金属細管の複数の位置に前記絞り部を形成する、
こととしても良い。
また、前記絞り部が形成された前記金属細管を、両端を開放した状態で並列に束ねてバインダー部材で固定するステップをさらに含む、
こととしても良い。
本発明によれば、管状部材の内側に、液体の流れ方向の前後よりも液体の通り道が狭くなっており流れ方向に直交する断面形状が、矩形状である絞り部が設けられている。このため、ポンプにより管状部材内に気体成分を含む液体を流すと、絞り部への液体の圧送により液体と混合する気体成分を液体中に溶解させた後、絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、絞り部において大気圧よりも低い負圧の発生により気泡を生成する。また、絞り部において大気圧よりも低い負圧の発生により気泡を生成する。また、絞り部で液体に乱流を発生させ、そのせん断力で液体中の気泡を粉砕する。さらに、絞り部から出た液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する。これらの複合的な作用により、例えば１μｍ未満の超微細な気泡を高密度に生成することができる。すなわち、本発明によれば、絞り部を有する管状部材という簡単な構成を有するものに液体を通すだけで上述した様々な原理の複合的な作用で１μｍ未満の超微細な気泡を生成することができるので、高いポンプ吐出圧を必要とせずに、径の一層小さな例えば１μｍ未満の高密度の気泡を短時間に大量に生成することができる。
本発明の実施の形態に係る気泡生成装置の構成を示す模式図である。 図１の気泡生成装置を構成するバブル発生部の構造を示す斜視図である。 バブル発生部を構成する管状部材としての金属細管の構造（その１）を示す側面図である。 バブル発生部を構成する管状部材としての金属細管の構造（その２）を示す側面図である。 絞り部及びその前後の模式図である。 圧送による加圧溶解を示す断面図である。 負圧による気泡核生成を示す断面図である。 せん断流による気泡粉砕を示す断面図である。 衝撃波による気泡粉砕を示す断面図である。 絞り部が直列に複数形成され、その内部で気泡が生成される様子を示す図である。 バブル発生部から排出されるウルトラファインバブルの様子を示す図である。 生成されたバブルの半径と気泡数密度との関係を示すグラフである。 バブル発生部の製造方法のフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、気泡生成装置１は、半径１μｍ未満のウルトラファインバブル６を発生させる装置であり、液体としての水が入れられた水槽２内に設置されている。気泡生成装置１は、配管３と、ポンプ４と、バブル発生部５と、を備える。
配管３の一端は、水槽２の水中に配置されている。配管３は、水槽２の内部から外部に延びて、再び水槽２内に戻る循環構造となっている。水槽２の外部において、配管３には、ポンプ４が挿入されている。ポンプ４は液体ポンプである。ポンプ４の駆動により、水槽２内の水は、配管３内部に吸引され、ポンプ４を経て再び水槽２内に戻るようになっている。ポンプ４としてはポンプ圧が１．０ＭＰａに満たない市販のものを用いることができる。配管３におけるポンプ４の１次側には、配管３内に空気を取り込むためのガス導入口７が設けられている。
なお、ポンプ４に水が吸引される際に、その吸引力（ポンプ４の１次側に生じる負圧）により、外部から気体（例えば空気）がガス導入口７から入り込んで水と混合するようになる。したがって、ポンプ４から配管３に流れる水（ポンプ４の２次側の水）には気体成分が含まれるようになる。
バブル発生部５は、配管３の他端、すなわち水の排出部に取り付けられており、水槽２中にウルトラファインバブル６を含む水を吐出する。図２に示すように、バブル発生部５は、複数の金属細管１０が並列に束ねられた構造を有している。金属細管１０同士の間は、各金属細管１０の両端を開放した状態で、バインダー部材１２により封止されている。バインダー部材１２としては例えば樹脂を用いることができる。
配管３の他端を出た水は、このバブル発生部５の金属細管１０のいずれかの内部を通って水槽２に吐出される。金属細管１０が、ウルトラファインバブル６を吐出するノズルであるとすると、バブル発生部５は、多孔ノズルであるということになる。なお、金属製の管状部材である金属細管１０を採用したのは、濡れ性が良く、強度も高いためである。このような金属としては、例えばステンレスなどがある。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、金属細管１０には、複数の場所に、プレスにより扁平となった部分が設けられている。本実施の形態では、この部分を絞り部１１と呼ぶ。ウルトラファインバブル６は、この絞り部１１で形成される。
図４に示すように、絞り部１１は、その内部の断面が扁平な形状（矩形状）となっている。絞り部１１では、以下に示す４つの作用により、ウルトラファインバブル６を生成する。
（１）圧送による加圧溶解
図５に示すように、ポンプ圧による圧送により絞り部１１の上流を流れる水圧が、金属細管１０の流れ方向の断面積の減少によって高くなり、水に含まれる空気成分を水中に溶解させる。この時点で、水中の大きな気泡（１μｍ以上の気泡）は消滅する。気泡が消滅した水が絞り部１１に入ると、水の流速が上がって、その圧力が低下する。この圧力の低下により小さな気泡が析出する。
（２）負圧による気泡核生成
また、図６に示すように、絞り部１１では、水の流速が早くなるので、大気圧よりも低い負圧が発生する。これにより、上述した加圧溶解した気体の気泡が析出する現象に加え、水流中に微細な気泡核が生成される。この気泡核が生成される現象をキャビテーションという。
（３）せん断流による気泡の粉砕
金属細管１０（絞り部１１以外の部分）内では、レイノルズ数が例えば４．６×１０３程度であるのに対して、絞り部１１内では、レイノルズ数が例えば１．６×１０４程度となり、非常に高くなる。これにより、図７に示すように、絞り部１１内が完全発達乱流域となる。この乱流により、気泡がせん断力を受け、破壊される。
（４）衝撃波による気泡の粉砕
金属細管１０（絞り部１１以外の部分）内では、水の流れのマッハ数は例えば０．００７の亜音速になっている。これに対して、絞り部１１内では、図８に示すように、マッハ数は例えば０．７以上で遷音速流となる。遷音速流の一部の流域では、音速を超えて衝撃波を発生させる。この衝撃波が気泡をさらに微細化する。
金属細管１０では、絞り部１１における水の流れ方向の長さを、（２）の圧力の低下による気泡の析出と、（３）乱流のせん断力による気泡の粉砕とが発生する最小の長さとしている。絞り部１１の流れ方向の長さが長ければ長いほど、絞り部１１におけるポンプ圧の圧力損失が大きくなるので、ポンプ４のポンプ圧を大きくする必要があるため、（２）及び（３）の現象が生じる最小の長さとしているのである。
本実施の形態では、絞り部１１の水の流れ方向に直交する断面形状は扁平な形状（矩形状）となっている。このようにすれば、絞り部１１の断面形状を同じ断面積を有する円形にしたときと比べて、気泡の破砕効果を向上することができる。また、絞り部１１の圧力損失をできるだけ低減することができる。この結果、ポンプ４のポンプ圧を小さくすることができる。
また、金属細管１０では、図４に示すように、絞り部１１を含む前後のその内壁の形状が表面に段差のない連続な流線形となっている。このようにすれば、金属細管１０内部でのポンプ圧の圧力損失を低減することができるので、ポンプ４のポンプ圧を小さくすることができる。
金属細管１０では、このような絞り部１１が間隔を置いて直列に複数設けられており、図９に示すように、各絞り部１１では、上記（１）〜（４）の現象が発生し、これにより微細な気泡を繰り返し発生させる。発生する気泡の径は、絞り部１１を経るにつれて段々小さくなり、最終的には１μｍ未満の径を有するウルトラファインバブル６となる。
金属細管１０において、隣接する絞り部１１の間隔はＤ１となっている。間隔Ｄ１は、絞り部１１を出た水の流速が、金属細管１０に入力された水の流速に復帰するのに十分に長い間隔となっている。このようにすれば、各絞り部１１において、上記（１）〜（４）までの現象を確実に発生させることができる。
また、バブル発生部５では、金属細管１０が、水の流路中に並列に複数設けられている。このようにすれば、各金属細管１０で同時にウルトラファインバブル６を生成することができるので、ウルトラファインバブル６の生成量を容易に増やすことができる。金属細管１０の数を増やせば増やすほど、ウルトラファインバブル６の生成量は増加する。金属細管１０の本数を調整するだけで、ウルトラファインバブル６の生成量を調整することができる。
また、バブル発生部５において、金属細管１０同士の間には、図１０に示すように、バインダー部材１２が封入されている。このようにすれば、各金属細管１０から排出されたウルトラファインバブル６が互いに干渉することなく、バブル同士が付着して一体化するのを防止することができる。
実際に、気泡生成装置１において、ウルトラファインバブル６をどの程度生成することができるかを試みた。生成条件は以下の通りである。まず、液体を蒸留水とし、気体を空気とした。そして、バブル発生部５における金属細管１０の本数を３４本とし、１本の金属細管１０における絞り部１１の個数を７個とし、絞り部１１の間隔を５ｍｍとした。また、絞り部１１の断面形状及び大きさを０．２ｍｍ×１．０９ｍｍの矩形状とし、絞り部１１の長さを０．２ｍｍとした。また、ポンプのポンプ圧を０．３ＭＰａとし、液流量を８．８Ｌ／ｍｉｎとし、水温が３０℃以下となるような制御を行った。
この気泡生成装置１を用いて実際に気泡を発生させた。そのときの生成されたバブルの気泡径と、その気泡径の気泡数密度とをグラフ化すると図１１に示すようになる。図１１に示すように、この気泡生成装置１により、径が１μｍ未満のウルトラファインバブル６が数多く生成され、大部分の気泡の気泡径は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下となったことが確認された。生成された気泡の気泡密度は、９．８１億個／ｍＬであった。
なお、バブル発生部５は簡単に製造することができる。図１２に示すように、まず、内径が均一な金属細管１０の一部をプレスして、金属細管１０の内側に、水の流れ方向の前後よりも水の通り道が狭くなっている絞り部１１を形成する（ステップＳ１）。このステップでは、絞り部１１の形状が、絞り部１１への水の圧送により水に含まれる気体成分を水中に溶解させ、絞り部１１での圧力の低下により気泡を析出させ、絞り部１１で水に乱流を発生させ、そのせん断力で水中の気泡を粉砕し、絞り部１１から出た水に生じる遷音速流による衝撃波により、気泡を粉砕するような形状となるように、金属細管１０がプレスされる。
また、このステップＳ１では、金属細管１０の複数の位置に絞り部１１を形成する。これにより、絞り部１１を有する金属細管１０が形成される。このステップＳ１では、絞り部１１を複数形成する。
本実施の形態では、プレスにより絞り部１１を形成すれば、絞り部１１及びその周辺の内壁の形状を流線形にすることができ、内部に水を流すポンプ圧の圧力損失を少なくすることができる。
続いて、絞り部１１が形成された複数の金属細管１０を並列に束ねて両端を塞がない状態で、バインダー部材１２で固定する（ステップＳ２）。これにより、バブル発生部５が形成される。このように、金属細管１０の間にバインダー部材１２を充填すれば、各金属細管１０から排出されるウルトラファインバブル６が互いに干渉せず、くっついて一体化するのを防止することができる。
後は、このバブル発生部５を配管３の端部に取り付け、配管３にポンプ４を取り付けて、図１に示すように水槽２に設置することにより、気泡生成装置１の設置が完了する。
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、金属細管１０の内側に、水の流れ方向の前後よりも水の通り道が狭くなっている絞り部１１が設けられている。このため、ポンプ４により金属細管１０内に気体成分（空気）を含む水を流すと、絞り部１１への水の圧送により水と混合した気体成分を水中に溶解させた後、絞り部１１での圧力の低下により気泡を析出させる。また、絞り部１１において大気圧よりも低い負圧の発生により気泡を生成する。また、絞り部１１において大気圧よりも低い負圧の発生により気泡を生成する。さらに、絞り部１１で水に乱流を発生させ、そのせん断力で水中の気泡を粉砕し、絞り部１１から出た水に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する。これらの複合的な作用により、例えば１μｍ未満の微細な気泡を生成することができる。
すなわち、絞り部１１を有する金属細管１０という簡単な構成を有するものに水を通すだけで上述した様々な原理での複合的な作用で１μｍ未満の気泡を生成することができるので、高いポンプ吐出圧（１．０ＭＰａ）を必要とせずに、例えば０．３ＭＰａ程度で、径の一層小さな例えば１μｍ未満の気泡を短時間かつ高密度（例えば気泡密度９．８１億／ｍＬ）に大量に生成することができる。
また、本実施の形態では、絞り部１１の流れ方向における長さを、１．０ＭＰａに満たないポンプ圧で液体が通過し、気泡の析出と、乱流によるせん断力により気泡の粉砕とが可能な最小の長さであるとした。このように絞り部１１の流れ方向の長さを短くすれば、絞り部１１によるポンプ圧の圧力損失をできるだけ小さくすることができる。
また、本実施の形態では、絞り部１１の流れ方向に直交する断面形状は、扁平な形状となっている。これは、断面形状を扁平にした方が、金属細管１０の内壁の影響を少なくして、流れる液体の乱れを大きくして、より多くの気泡の粉砕を期待できるからである。しかしながら、絞り部１１の断面形状は、円形、楕円形、星形、三角形他の多角形状であっても良い。また、金属細管１０内に並列に設けられた複数の孔又はスリットを絞り部１１としても良い。
また、本実施の形態では、絞り部１１前後の内壁の形状が、流線形となっている。これにより、金属細管１０によるポンプ圧の圧力損失をより小さくすることができる。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、絞り部１１に通じるテーパ状の部分はなく、絞り部１１と他の部分との間が段差になっていても良い。また、上記（１）〜（４）の効果が発生するのであれば、テーパ状の部分の傾き等、金属細管１０の内管の形状に制限はない。
また、本実施の形態では、金属細管１０には、絞り部１１が、所定の間隔Ｄ１を置いて、直列に複数設けられている。これにより、１本の金属細管１０により、ウルトラファインバブル６を複数回発生させることができるので、ウルトラファインバブル６の発生密度をより高くすることができる。なお、上記実施の形態では、絞り部１１の間隔は一定であったが、一定でなくても良い。また、各金属細管１０の絞り部１１の数は任意である。
なお、金属細管１０に形成された絞り部１１の断面形状及び大きさは、全て同じである必要はない。例えば、液体の流れ方向に従って断面の大きさが小さくなるようにしても良い。また、絞り部１１の断面形状が全て扁平な形状であっても、扁平な方向の向きが同じである必要はない。
また、本実施の形態では、隣接する絞り部１１の間隔Ｄ１は、絞り部１１を出た水の流速が、絞り部１１に入力される前の水の流速に復帰する間隔となっている。このようにすれば、各絞り部１１で上記（１）〜（４）の過程によるウルトラファインバブル６の生成を確実なものとすることができる。
また、本実施の形態では、金属細管１０が、水の流路中に並列に複数設けられている。これにより、一度に大量のウルトラファインバブル６を生成することができる。金属細管１０の本数及び配置に制限はなく、任意である。金属細管１０の本数は、求められるウルトラファインバブル６の生成量に応じて調整することができる。
また、本実施の形態では、並列に接続された金属細管１０の間にはバインダー部材１２が充填され、金属細管１０間に間隔が開けられている。このようにすれば、各金属細管１０から出力されたウルトラファインバブル６が干渉して一体化するのを抑制することができる。
また、本実施の形態では、内径が均一な金属細管をプレスするだけで絞り部１１を有する金属細管１０を容易に製造することができる。したがって、金属切削やエッチングなどの比較的高価な微細加工技術を用いる必要がなく、安価に装置を製造することができる。
しかしながら、絞り部１１は、金属細管１０の１箇所に形成されているだけでも良い。１本の金属細管１０における絞り部１１の大きさ、長さ、数及び間隔等は、ポンプ４のポンプ圧等によって決まり、それら絞り部１１の設計情報は、流体解析シミュレーションソフトウエアによって容易に決定することができる。
また、上記実施の形態では、液体を水（蒸溜水）としたが、本発明はこれには限られない。もっと粘性の高い液体であってもかまわない。
また、上記実施の形態では、金属細管１０を用いたが、濡れ性が良いものであれば、セラミック等の他の材質の部材を用いることも可能である。濡れ性が悪い材質のものは、気泡が内壁に付着しやすいので気泡の生成には不向きである。
また、上記実施の形態では、バインダー部材１２として樹脂を用いたが、耐熱性、耐薬品性や強度が高い金属等の他の材質の部材を用いてもかまわない。
また、上記実施の形態では、プレス加工により絞り部１１を形成したが、他の方法で絞り部１１を形成してもかまわない。
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
なお、本願については、２０１６年７月２６日に出願された日本国特許出願２０１６−１４５９３６号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１６−１４５９３６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
本発明は、径が１μｍ未満（例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ）の気泡であるウルトラファインバブルを生成するのに利用することができる。本発明は、例えば化粧品や医薬品のみならず、環境、畜産等の種々の産業分野等付加価値の高い分野への応用展開が期待できる。
１ 気泡生成装置、２ 水槽、３ 配管、４ ポンプ、５ バブル発生部、６ ウルトラファインバブル、７ ガス導入口、１０ 金属細管、１１ 絞り部、１２ バインダー部材

Claims (16)

  1. 内部を液体が通る管状部材と、
    前記管状部材内に気体成分を含む前記液体を圧送するポンプと、
    を備え、
    前記管状部材の内側に、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっている絞り部が設けられ、
    前記絞り部は前記流れ方向に直交する断面形状が、矩形状であり、
    前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
    前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
    前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
    前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する、
    気泡生成装置。
  2. 前記管状部材では、
    前記絞り部における前記液体の流れ方向の長さが、
    １．０ＭＰａに満たないポンプ圧で前記液体が前記絞り部を通過して、圧力の低下による気泡の析出と、乱流のせん断力による気泡の粉砕とが発生する長さである、
    請求項１に記載の気泡生成装置。
  3. 前記管状部材では、
    前記絞り部における前記流れ方向に直交する断面形状が、扁平な形状である、
    請求項１又は２に記載の気泡生成装置。
  4. 前記管状部材では、
    前記絞り部を含む前記流れ方向前後の内壁の形状が流線形である、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の気泡生成装置。
  5. 前記管状部材では、
    前記絞り部が、間隔を置いて、直列に複数設けられている、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の気泡生成装置。
  6. 前記管状部材における前記絞り部の間隔は、
    前記絞り部を出た前記液体の流速が、前記管状部材に入力されたときの前記液体の流速に復帰する間隔である、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の気泡生成装置。
  7. 前記管状部材が、
    前記液体の流路中に並列に複数設けられている、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の気泡生成装置。
  8. 前記管状部材同士の間にバインダー部材が封入されている、
    請求項７に記載の気泡生成装置。
  9. 前記管状部材が、金属製である、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の気泡生成装置。
  10. 内部を液体が通る管状部材であって、
    前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっている絞り部が設けられ、
    前記絞り部は前記流れ方向に直交する断面形状が、矩形状であり、
    前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
    前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
    前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
    前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する、
    管状部材。
  11. ポンプにより圧送された気体成分を含む液体を、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっており前記流れ方向に直交する断面形状が矩形状である絞り部が設けられた管状部材内に通し、
    前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
    前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
    前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
    前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する気泡生成方法。
  12. 複数の前記絞り部が直列に形成された前記管状部材内に、前記液体を流す、
    請求項１１に記載の気泡生成方法。
  13. 両端が開放された状態で並列に束ねてバインダー部材で固定された複数の前記管状部材内に前記液体を流す、
    請求項１１又は１２に記載の気泡生成方法。
  14. 内径が均一な金属細管の一部をプレスして、前記金属細管の内側に、液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっており前記流れ方向に直交する断面形状が矩形状である絞り部を形成するステップを含み、
    前記ステップでは、
    前記絞り部の形状が、前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、
    前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、
    前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、
    前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する形状となるように、前記金属細管をプレスする、
    気泡生成装置の製造方法。
  15. 前記ステップでは、
    前記金属細管の複数の位置に前記絞り部を形成する、
    請求項１４に記載の気泡生成装置の製造方法。
  16. 前記絞り部が形成された前記金属細管を、両端を開放した状態で並列に束ねてバインダー部材で固定するステップをさらに含む、
    請求項１４又は１５に記載の気泡生成装置の製造方法。
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