(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体吸引手段と液体吸引手段と液体吐出手段が接続された渦流ポンプを具備し、前記気体吸引手段で気体を吸引しつつ、前記液体吸引手段で液体槽の液体を吸引して該液体槽の液体中に微小気泡を発生させ、該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる装置であって、前記渦流ポンプはモータで内蔵インペラを回転するもので、該微小気泡は、少なくともその粒径が３０μｍ以下のマイクロバブルを含み、
前記の液体吸引手段の吸引端に吸引負荷を変化させる手段、および、
前記の液体吐出手段の吐出端で発せられる音響、または、前記の渦流ポンプ内部から発せられる音響を検知するセンサー、
該音響センサーの検知した音響の物理量にもとづいて、前記の吸引負荷を変化させる手段に対して吸引負荷の指令を出す吸引負荷の制御手段、を具備し、
前記の制御手段が、渦流ポンプの定格運転時における吸引低圧に対して１１０％を超える絶対値数値の低圧で吸引する状態となる吸引負荷の指令を出して微小気泡の断熱圧縮による液体の発熱の引き金（トリガ）とすることを特徴とする装置。
【請求項２】
気体吸引手段と液体吸引手段と液体吐出手段が接続された渦流ポンプを具備し、前記気体吸引手段で気体を吸引しつつ、前記液体吸引手段で液体槽の液体を吸引して該液体槽の液体中に微小気泡を発生させ、該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる装置であって、前記渦流ポンプはモータで内蔵インペラを回転するもので、該微小気泡は、少なくともその粒径が３０μｍ以下のマイクロバブルを含み、
前記の渦流ポンプモータの回転数を変化させる手段、および、
前記の液体吐出手段の吐出端で発せられる音響、または、前記の渦流ポンプ内部から発せられる音響を検知するセンサー、
該音響センサーの検知した音響の物理量にもとづいて、前記のモータの回転数を変化させる手段に対して回転数指令を出す回転数の制御手段、を具備し、
前記の制御手段が、渦流ポンプの定格運転時における吸引低圧に対して１１０％を超える絶対値数値の低圧で吸引する状態となる回転数の指令を出して微小気泡の断熱圧縮による液体の発熱の引き金（トリガ）とすることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１の吸引負荷を変化させる手段が、以下のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかである装置。
Ａ  液体吸引手段の吸引端の液体流路にて該流路断面積を変えて吸引負荷を変化させる
Ｂ  液体吸引手段の吸引端の一部を閉塞する部材の着脱で該吸引端の開口部面積を変えて吸引負荷を変化させる
Ｃ  液体吸引手段の吸引端の一部を閉塞する部材を該吸引端部にてスライド移動して該吸引端の開口部面積を変えて吸引負荷を変化させる
Ｄ  液体吸引手段がふたつ以上の流路からなり、該複数流路の吸引端のひとつ以上を閉塞して吸引負荷を変化させる
【請求項４】
請求項３のＡの吸引端が可撓性の管状部材からなり、かかる可撓性部材を外部より機械的な力を加えて変形させ流路断面積を変えるものである、あるいは、
請求項３のＢ、Ｃの吸引端の一部を閉塞する部材がメッシュフィルタである装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかの、液体中に微小気泡を発生して該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる装置にて、
液体吸引手段の内部液体、または、液体吸引手段の吸引端近傍の液体槽液体、または、渦流ポンプ内部の液体の圧力を検知するセンサーが配備された装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかの、液体中に微小気泡を発生して該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる装置にて、
液体吸引手段の吸引端近傍の液体槽液体の光学的特性を検知するセンサーが配備された装置。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれかの、液体中に微小気泡を発生して該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる装置にて、
液体槽の液体温度を検知するセンサーが配備された装置。
【請求項８】
請求項１の装置を用いた液体中に微小気泡を発生して該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる方法であって、
吸引負荷の制御手段が、渦流ポンプの定格運転時における吸引低圧に対して１１０％を超える絶対値数値の低圧で吸引する状態となる吸引負荷の指令を出す、液体の発熱の引き金（トリガ）工程を有する方法。
【請求項９】
請求項２の装置を用いた液体中に微小気泡を発生して該気泡の断熱圧縮によって液体を発熱させる方法であって、
回転数の制御手段が、渦流ポンプの定格運転時における吸引低圧に対して１１０％を超える絶対値数値の低圧で吸引する状態となる回転数の指令を出す、液体の発熱の引き金（トリガ）工程を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば生体表面（皮膚）に刺激を与え、表面組織を活性化させるバイオ分野用途、晶析の際のシード（核）に用いるネガティブシーディング用途、一般の気液化学反応の気相反応原料に用いる化学反応用途など、多岐にわたる応用が期待されるマイクロバブルを発生して発熱させる装置と方法に関するものである。
【０００２】
発明者のひとりは、いくつかのマイクロバブル技術を提案している。（特許文献２から特許文献４参照）
【０００３】
これらの技術のベースは、特許文献１に明記された、「渦流ポンプ」と特殊構造の「吐出ノズル」の組み合わせであって、かかる組み合わせが以下に説明する、より微細なるマイクロバブルの発生に効果的と考えられる。
【０００４】
この「マイクロバブル」には、低濃度タイプ：直径が３０μm 付近に分布のピークがあり、気泡濃度としては数百個/mL 程度で見た目は水が少し曇った状態のもの、および、高濃度タイプ：１０μm付近に気泡分布のピークがあり、気泡個数は数千個/mL 以上で見た目は牛乳のような状態のものがある。
【０００５】
この「マイクロバブル」が生体表面（皮膚）に刺激を与え、表面組織を活性化させることで、人体に適用すれば健康増進効果がえられる。この効果は温泉とほとんど同様で、実際、温泉もマイクロバブルが含まれているものが多いと考えられる。
【０００６】
ここで、この「マイクロバブル」２種：低濃度タイプ（３０μm）、高濃度タイプ（１０μm）による経験的差異は、概して、高濃度タイプ（１０μm）の与える種々の効果の方が、低濃度タイプ（３０μm）のそれよりもはるかに大きいということである。  
【０００７】
ゆえに本発明の実施の際も同様に、高濃度タイプ（10μm）にて実施するのがよりよい効果を与える。
【０００８】
高濃度タイプ（10μm）マイクロバブルを発生する技術は、たとえば、特許文献１に記載されている。
【０００９】
それに対し、低濃度タイプ（３０μm）あるいは、さらにバブル径が大きな低級（ミリスケール）タイプによる細胞培養技術が特許文献５および特許文献６に記載されている。
【００１０】
ひるがえって、特許文献１では、大気圧で気体吸引をなす、渦流ポンプが用いられている。
【００１１】
これら公知技術が、本発明のバックグラウンドである。
【特許文献１】特許第３６２０７９７号公報「微細気泡発生装置」アイピーエムエス
【特許文献２】特願２００９−２３４６８３号「細胞変化を促進する微小気泡含有組成物、およびその微小気泡含有組成物を製造する装置、ならびに微小気泡含有組成物を用いた細胞変化促進方法」丸井智敬
【特許文献３】特願２００９−２４３９４０号「微小気泡含有組成物、および、微小気泡発生器」丸井智敬
【特許文献４】特願２００９−２４９９００号「液体中に微小気泡を発生させる装置」丸井智敬
【特許文献５】特許第２７６２３７２号公報「微細気泡発生装置」小松製作所
【特許文献６】特公平５-６０３５３号公報「液中通気による培養方法及び培養装置」日立製作所
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、一部同発明者による特許文献２から特許文献４に開示された技術に、さらに、液体温度を上げるという機能を付加することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明装置のベースは、特許文献１の構成にある。すなわち、気体吸引手段と液体吸引手段と液体吐出手段が接続された渦流ポンプを具備し、前記気体吸引手段で気体を吸引しつつ、前記液体吸引手段で液体槽の液体を吸引して該液体槽の液体中に微小気泡を発生させる装置である。
【００１４】
前記渦流ポンプはモータで内蔵インペラを回転するものである。こういった特許文献１の構成によって発生される微小気泡は、少なくともその粒径が３０μｍ以下のマイクロバブルを含む。
【００１５】
本発明者らは、この構成による微小気泡発生を研究した結果、気泡を発生した液体にて物理化学的熱生成反応が生じ、液体温度が上昇する現象の条件を発見した。この物理化学熱反応は、ポンプとノズルを流動する気泡の断熱圧縮によるものと推定される。
【００１６】
すなわち、渦流ポンプにては乱流によって生まれた低圧にて液体吸引され、この低圧ゾーンに気体も吸引され混合されるが、その後、かかる気体は吐出ノズルにおいて、およそ５気圧の高圧となり、気泡ガスは断熱圧縮状態となる。
【００１７】
ここで蓄積されたエネルギーが、液体槽にて解放されて熱エネルギーとなる。ゆえに液体温度は上昇する。
【００１８】
図６の「◇」に示すデータが、通常のマイクロバブル発生プロセスでの液体温度の測定値であって、気温と液体槽の熱伝達熱伝導条件で異なるものの、１時間程度の発生プロセスにて初期液体温度は３−５度の上昇を示す。
【００１９】
一方、図６の「◆」に示すデータが、本発明の液体中に微小気泡を発生して液体を発熱させる方法によるものである。すなわち、図６は本発明の方法で液体温度を上げる実験の結果を示すもので、該実験に用いた液体は水、量は４リッター（ポンプ・配管内の推量を含む）、ポンプモータ電力容量４５０Ｗにて、気温２０℃で実施した。実験開始後１５−３０分で後述の「強い吸引状態」とした場合の液体温度データを「◆」に示す。一方、比較データ「◇」は、「強い吸引状態」のない場合である。６０分程度で「◆」データでは５０℃まで温度上昇した一方、比較データ「◇」は、２５℃程度にとどまっている。
【００２０】
発熱させるためには（請求項８）、液体吸引手段の吸引端に吸引負荷を変化させる手段と吸引負荷の指令を出す制御手段が配備され、該吸引負荷を変化させる手段に対して吸引負荷の指令を出す制御手段が、「強い吸引状態」となる指令を所望の時間だけ継続して出すことが必要である。
【００２１】
あるいは、発熱させるためには（請求項９）、渦流ポンプのモータの回転数を変化させる手段、および、かかるモータの回転数の指令を出す制御手段が必要で、装置の使用状態において、前記のモータの回転数の指令を出す制御手段が、「強い吸引状態」となるような回転数指令を所望の時間だけ継続して出すことが必要である。
【００２２】
すなわち、液体中に微小気泡を発生する装置を用いて液体を発熱させる方法であって、装置が液体を吸引する状態が、吸引負荷を変化させる制御手段、あるいは、渦流ポンプモータの回転数の指令を出す制御手段によって、吸引状態を「強い吸引状態」となす発熱の引き金（トリガ）工程を有することで液体を発熱させる、というのが本発明の方法である。
【００２３】
ここで「強い吸引状態」とは、渦流ポンプの定格運転時における吸引低圧に対して１１０％を超える数値の低圧で吸引する状態である。
【００２４】
図６の実施例では、実験開始より１５から３０分にかけて、強い吸引状態とした。その結果、液体（水）温度は、５０℃まで上昇した。強い吸引状態を一度行うと、その後はそれをやめても発熱が継続して温度上昇が続いているのが図６からわかる。強い吸引状態が、発熱の引き金（トリガ）になっている。
【００２５】
このように吸引負荷の制御やポンプモータの回転数制御による強い吸引状態の１５分程度の継続が、どうして断熱圧縮発熱を顕在化させる引き金（トリガ）になるのか、は現時点で不明で研究中である。しかし、この発熱現象は再現可能なので実用的には問題はない。本発明の装置の構成例を、一部は繰り返しになるが以下に記載する。
【００２６】
すなわち（装置の例）、気体吸引手段と液体吸引手段と液体吐出手段が接続された渦流ポンプを具備し、前記気体吸引手段で気体を吸引しつつ、前記液体吸引手段で液体槽の液体を吸引して該液体槽の液体中に微小気泡を発生させる装置であって、前記渦流ポンプはモータで内蔵インペラを回転するもので、該微小気泡は、少なくともその粒径が３０μｍ以下のマイクロバブルを含み、前記の液体吸引手段の吸引端に吸引負荷を変化させる手段（１７）が配備されていることが必要である。これを図２に示す。
【００２７】
従来の装置（図１参照）と、図２との相違は、１７すなわち１４に配設された吸引負荷の変化手段である。（１４は液体吸引手段（の先端部分））
【００２８】
小さな工夫であるが、従来の図１の構成における初期通水時の問題（図１の簡単な説明参照）を解決するために、Ｗ（ポンプと吸引吐出流路を初期に液体で満たすため液体を１４または１５に供給する手段）に加えて、Ｘ（初期通水のため１６内部に液体を導入する手段）、および、Ｙ（逆止弁、１６から外部に液体を流出させないための弁）をポンプの上部に配設している。この構成で、従来面倒だった初期通水作業が簡単化される。
【００２９】
さて、本発明の装置は（請求項１）、吸引負荷を変化させる手段（１７）とともに、吸引負荷の制御手段を具備し、装置の使用状態において、吸引負荷を変化させる手段に対して、強い吸引状態となる指令を所望の時間だけ継続して出して発熱の引き金（トリガ）とする、という構成である。
【００３０】
また、本発明の装置は（請求項２）、渦流ポンプモータの回転数を変化させる手段、および、かかるモータの回転数の指令を出す制御手段を具備し、装置の使用状態において、前記のモータの回転数の指令を出す制御手段が、少なくとも１回の強い吸引状態となるような回転数指令を所望の時間だけ継続して出して発熱の引き金（トリガ）とする、という構成でもよい。
【００３１】
繰り返しになるが、強い吸引状態は、渦流ポンプの定格運転時における吸引低圧に対して１１０％を超える絶対値数値の低圧で吸引する状態であるのが望ましい。
【００３２】
さて、次に「吸引負荷を変化させる手段」のバリエーションを示す。
【００３３】
すなわち（請求項３）、吸引負荷を変化させる手段が、吸引手段を通過する液体流路において、流路断面積を変化させて吸引負荷を変化させるものである、あるいは、吸引負荷を変化させる手段が、吸引手段の端部の開口部面積を変化させるべく吸引手段の端部の開口部を一部閉塞する部材を着脱、ないしは、吸引手段の端部の開口部を一部閉塞する部材をスライド移動させて吸引負荷を変化させるものである、あるいは、液体吸引手段が、ふたつ以上の流路をもつもので、吸引負荷を変化させる手段が、ひとつ以上の流路を閉塞して吸引負荷を変化させるものである。
【００３４】
ここで（請求項４）、「吸引手段の流路断面積を変化させて吸引負荷を変化させる手段」、「吸引手段の端部の開口部を一部閉塞する部材を着脱して吸引手段の端部の開口部面積を変化させて吸引負荷を変化させる手段」、「吸引手段の端部の開口部を一部閉塞する部材をスライド移動させて吸引手段の端部の開口部面積を変化させて吸引負荷を変化させる手段」については、吸引手段の流路断面積を変化させて吸引負荷を変化させる手段が、可撓性の部材でなる管状流路の外部に機械的な力を加えて流路断面積を変化させるものである、あるいは、吸引手段の端部の開口部を一部閉塞する部材を着脱して吸引手段の端部の開口部面積を変化させて吸引負荷を変化させる手段が、メッシュサイズの異なるフィルタを着脱することで開口部面積を変化させるものである、あるいは、吸引手段の端部の開口部を一部閉塞する部材をスライド移動させて吸引手段の端部の開口部面積を変化させて吸引負荷を変化させる手段が、メッシュサイズの異なるフィルタをスライド移動させて開口部面積を変化させるものであるのが好適である。
【００３５】
さて次に、種々のセンサーが配備された本発明のその他の態様を説明する。（図３、図４参照）圧力を検知するセンサーを付加することは好適である。圧力が、マイクロバブリング現象と発熱現象のキー（現象を変化させる要素）であることは明らかだからである。
【００３６】
すなわち（請求項５）、液体吸引手段の内部液体、または、液体吸引手段の吸引端近傍の液体槽液体、または、渦流ポンプ内部の液体の圧力を検知するセンサーが配備されてもよい。
【００３７】
また同様に、特許文献２から特許文献４に記載がある光学センサーも、マイクロバブリング現象のモニタリングに有効である。
【００３８】
すなわち（請求項６）、液体吸引手段の吸引端近傍の液体槽液体の光学的特性を検知するセンサーがさらに配備されてもよい。光学センサーによってマイクロバブルの濃度を液体の濁度などから検知できる。
【００３９】
また、マイクロバブリングを実験してみると、渦流ポンプと吐出ノズル（液体吐出手段）からの発生音が、たとえば、マイクロバブルの発生ありなしで異なることがわかる。この発生音の相違は、音響センサーで音響の物理量を検知して音響スペクトルの分析をすること等で十分に弁別される。定性的には、マイクロバブル発生の過程での吐出ノズルからの発生音は、発生前に対して発生後のほうが高周波の音響成分が多い。渦流ポンプからの発生音も、発生前と発生後では、発生後のほうが高周波の音響成分が多い。
【００４０】
また、本発明の「吸引負荷を変化させる手段」または「渦流ポンプのモータの回転数を変化させる手段」の制御で発熱の引き金（トリガ）をかけ、発熱現象を誘起した場合も同様に、渦流ポンプと吐出ノズルからの発生音が変化する。こちらは、「強い吸引状態」である高負荷時に音の低周波成分が増えるようである。
【００４１】
これらの定性的知見を図５に示す。すなわち、図５（ａ）はマイクロバブルが出ている状態とでていない状態の発生音の音響スペクトルの比較模式図であって、図５（ｂ）は、ポンプ定格運転時と強い吸引状態の発生音の音響スペクトルの比較模式図である。これら（ａ）（ｂ）のどの状態であるかを、周波数領域の差、特定周波数のインテンシティ（強度）の比など音響スペクトルパターンの特徴部に注目した分析法で弁別できる。こういった知見により、液体の状態や圧力状態と音響センサー検知データとで相関をつけられるので、音響センサー検知信号を制御フィードバックに利用できる。よって、音響センサーを配備して、その検知音響にもとづいて、前記のアクチュエータである、吸引負荷を変化させる手段、および、ポンプモータの回転数を変化させる手段に制御信号を出して「強い吸引状態」とする本発明の発熱法に利用できる。
【００４２】
すなわち、液体吐出手段で発せられる音響、または、渦流ポンプ内部から発せられる音響を検知するセンサーがさらに配備され、かつまた、かかる音響を検知するセンサーの検知した音響の物理量にもとづいて、吸引負荷の制御手段が、あるいは、渦流ポンプのモータの回転数の制御手段が、強い吸引状態となる指令を出すという構成が好適である（請求項１−２）。
【００４３】
また、当然のことだが、本発明は液体を発熱させることなので温度センサーを配備することも好適である。発熱の結果は液体槽の液体温度に反映されるので、温度センサーでかかる液体温度を検知してもよい。
【００４４】
すなわち（請求項７）、液体槽の液体温度を検知するセンサーが配備されてもよい。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によって、液体中に微小気泡を発生し該気泡を断熱圧縮して液体を発熱させる装置が提供される。この技術は、付加価値として、液体の温度をたかめるという特徴を付加することである。北海道や韓国・ロシアの朝は寒い。本発明を応用した、たとえば手洗い洗顔器は、こういった過酷な極寒環境に住む人たちに、あたたかい朝を迎えさせる手助けになるだろう。
【００４６】
また、一般的に温度が高いと化学反応が促進されるので、本発明の発熱を利用してマイクロバブル存在下での反応系の液体を昇温させることによる化学反応促進の効果も期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来の本発明類似のコモディティ製品の問題点の説明図
【図２】本発明装置の１７の説明図：（ａ）と（ｂ）は断面が直交する２つの側断面図である。
【図３】本発明装置の構成例：圧力・温度・光学センサーを持つ構成
【図４】本発明装置の構成例：図３の構成にさらに音響センサーＡuＳを付加した構成
【図５】渦流ポンプまたは吐出ノズル発生音の音響スペクトル模式図：（ａ）はマイクロバブルが出ている状態とでていない状態の比較、（ｂ）は、ポンプ定格運転時と強い吸引状態の比較
【図６】本発明の発熱方法で液体温度を上げる実験の結果の図。◆は本発明の発熱法を実施した場合の液体温度の測定データ、◇は発熱法を実施しない比較ケースでの液体温度測定データ
【符号の説明】
【００４８】
４    気体吸引手段
１１  渦流ポンプの内蔵インペラ
１２  渦流ポンプのモータ
１４  液体吸引手段（の先端部分）
１５  液体吐出手段（の先端部分）
１６  渦流ポンプ
１７  １４に配設された吸引負荷の変化手段
１８  液体槽、コモディティ製品ではバスタブや犬猫洗浄槽
１９  本発明の１８  たとえば温水手洗い・温水洗顔ユニットの液体槽
３０  １２の回転数を変化させる手段
３１  ３０へ回転数の指令を出す回転数の制御手段
３２  １７へ吸引負荷の指令を出す吸引負荷の制御手段
ＡuＳ  音響センサー
ＯpＳ  液体槽の液体の光学的な特性を検知するセンサーであって、たとえば濁度を透過光または散乱光測定方式で測定する濁度センサーなど
ＰＳ  液体の圧力を検知するセンサー
ＴＳ  液体の温度を検知するセンサー
Ｗ    ポンプと吸引吐出流路を初期に液体で満たすため液体を１４または１５に供給する手段  
Ｘ    初期通水のため１６内部に液体を導入する手段
Ｙ    逆止弁  １６から外部に液体を流出させないための弁
【図１】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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