(57)【要約】【課題】少量の微細気泡を含む液体を簡単な装置を用いて安価に製造することのできる微細気泡発生装置を提供する。【解決手段】液体４を収納する気密性容器１と、気密性容器１内に気体３を導入し、液体４を加圧することにより液体４に気体３を溶解させる気体導入器２と、気密性容器１に設けられており、液体４を気密性容器１から外部へ吐出する吐出口７を有する吐出部６と、吐出口７の開口径よりも大きい内径を有し、吐出口７に接続された導管６０とを備えた気泡発生装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収納する気密性容器と、
前記気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させる気体導入器と、
前記気密性容器に設けられており、前記液体を前記気密性容器から外部へ吐出する吐出口を有する吐出部と、
前記吐出口の開口径よりも大きい内径を有し、前記吐出口に接続された導管と、
を備えた気泡発生装置。
【請求項２】
前記導管は、前記吐出口から吐出される前記液体が、所定の流速で０．５秒以上前記導管内に滞留する長さを有している請求項１に記載の気泡発生装置。
【請求項３】
前記導管の長さは、５０ｍｍ以上である請求項２に記載の気泡発生装置。
【請求項４】
前記吐出口の開口径は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、前記導管の内径は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１に記載の気泡発生装置。
【請求項５】
液体を収納する気密性容器と、
前記気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させる気体導入器と、
前記気密性容器に設けられており、前記液体を前記気密性容器から外部へ吐出する吐出口を有する吐出部と、
前記吐出口から吐出した前記液体から、前記液体中に含まれており所定の値より大きい直径を有する気泡を分離する気泡分離器と、
を備えた気泡発生装置。
【請求項６】
前記気泡分離器は、所定の目開きを有する網を含み、前記吐出口から吐出した前記液体が前記網を通過することにより、前記所定の値より大きい直径を有する気泡を除去する請求項５に記載の気泡発生装置。
【請求項７】
前記網は１００メッシュ以上の細かさの目開きを有する請求項６に記載の気泡発生装置。
【請求項８】
前記気泡分離器は、導入口、排出口および気泡放出口を有する管路を含み、前記網は、前記管路の前記導入口と排出口との間において前記液体の流路を遮るように設けられており、前記気泡放出口は、前記網により分離された気泡が浮上し前記気泡放出口に達するように前記管路に設けられている請求項７に記載の気泡発生装置。
【請求項９】
前記吐出部の吐出口と前記気泡分離器の導入口との間に前記吐出口の内径よりも大きい内径を有し、前記吐出口に接続された導管をさらに備える請求項５から８のいずれかに記載の気泡発生装置。
【請求項１０】
前記導管は、前記吐出口から吐出される前記液体が所定の流速で０．５秒以上前記導管内に滞留する長さを有している請求項９に記載の気泡発生装置。
【請求項１１】
前記導管の長さは、５０ｍｍ以上である請求項１０に記載の気泡発生装置。
【請求項１２】
前記吐出口の内径は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、前記導管の内径は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１１に記載の気泡発生装置。
【請求項１３】
前記液体は、水または親水性溶媒である請求項１から１２のいずれかに記載の気泡発生装置。
【請求項１４】
前記気体は、酸素ガス、オゾンガス、窒素ガス、炭素ガス、水素ガス、マイナスイオンを含む空気および１８族元素ガスのうち少なくとも１つを含む請求項１から１２のいずれかに記載の気泡発生装置。
【請求項１５】
前記導管は可撓性を有する請求項１から１２のいずれかに記載の気泡発生装置。
【請求項１６】
前記吐出部の吐出口と前記気密性容器との間に設けられた開閉弁をさらに備え、前記開閉弁の操作によって前記吐出口から気泡を含む前記液体を断続的に生成する請求項１から１２のいずれかに記載の気泡発生装置。
【請求項１７】
前記気密性容器内の圧力を検出する圧力計と、
前記圧力計が検知した値に基づき、前記気体導入器の動作を制御する制御部と、
をさらに備えた請求項１から１２のいずれかに記載の気泡発生装置。
【請求項１８】
液体を収納した気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させるステップと、
前記液体を前記気密性容器に設けられた吐出口から外部へ吐出させるステップと、
前記吐出口の開口径よりも大きい内径を有し、前記吐出口に接続された導管内に前記液体が所定の時間滞留するように、前記導管に前記液体を通過させるステップと、
を包含する気泡発生方法。
【請求項１９】
前記導管に前記液体を通過させるステップにおいて、所定の流速で０．５秒以上前記導管内に前記液体を滞留させる請求項１８に記載の気泡発生装置。
【請求項２０】
液体を収納した気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させるステップと、
前記液体を前記気密性容器に設けられた吐出口から外部へ吐出させるステップと、
前記吐出口から吐出した前記液体から、前記液体中に含まれており所定の値より大きい直径を有する気泡を分離するステップと、
を包含する気泡発生方法。
【請求項２１】
前記気泡を分離するステップにおいて、所定の目開きを有する網に前記液体を通過させる請求項２０に記載の気泡発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気泡を発生させる気泡発生装置に関し、特に、微細気泡を発生させる気泡発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細気泡あるいは微細気泡を含む液体には様々な効果のあることが発表されており、幅広い分野において、微細気泡の応用研究がながされている。微細気泡の効果としては、（１）水中浮遊物の分散性を向上させる働き、（２）液体の気体吸収効率を向上させる働き、（３）微細気泡を含む液体の酸化分解作用、（４）微細気泡を含む液体のウイルスの不活性化作用などが報告されている。
【０００３】
これらの効果は、微細気泡が液体中の分散物の表面と接触したり、微細気泡となった気体が液体中の分散物の表面と反応したりすることによって得られる。このため、微細気泡が急激に浮上して消失することなく、長時間液体中に分散していることが重要である。
【０００４】
微細気泡の生成には種々の方法が従来より提案されている。たとえば、特許文献１は、超音波を利用した微細気泡発生装置を開示している。また、特許文献２は、アスピレータの原理を利用した微細気泡発生装置を開示している。特許文献３および４は、旋回する液体流を利用した微細気泡発生装置を開示している。
【特許文献１】特開２００３−３３４５４８号公報
【特許文献２】特開２００２−１９１９５０号公報
【特許文献３】特開２０００−４４７号公報
【特許文献４】特開２００４−２６３１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の微細気泡発生装置は、工業的な利用や魚類の養殖など大規模な産業分野への利用を目的としているものが多い。このため、微細気泡発生装置は一般に大型であり、微細気泡を生成するために大量の液体を移動させる必要がある。
【０００６】
しかしながら、上述した微細気泡の効果は産業分野のみならず、洗濯機や浴室のカビの抑制など一般家庭における利用や家庭用機器に利用する場合にも有用であると考えられる。こうした一般家庭における利用や家庭用機器において微細気泡の効果を得るためには、数ミリリットルから数十ミリリットル程度の微細気泡を含む液体があれば十分であると考えられる。
【０００７】
しかし、上述したように従来の微細気泡発生装置は大型であるものが多い。このため、少量の微細気泡を発生させるためであっても、大量のエネルギーを利用して大掛かりな装置を移動させる必要がある。このことは、一般家庭用における利用としては初期投資のコストおよび運転コストが大きくなりすぎるという問題を引き起こす。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決し、少量の微細気泡を含む液体を簡単な装置を用いて安価に製造することのできる微細気泡発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の気泡発生装置は、液体を収納する気密性容器と、前記気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させる気体導入器と、前記気密性容器に設けられており、前記液体を前記気密性容器から外部へ吐出する吐出口を有する吐出部と、前記吐出口の開口径よりも大きい内径を有し、前記吐出口に接続された導管とを備える。
【００１０】
ある好ましい実施形態において、前記導管は、前記吐出口から吐出される前記液体が、所定の流速で０．５秒以上前記導管内に滞留する長さを有している。
【００１１】
ある好ましい実施形態において、前記導管の長さは、５０ｍｍ以上である。
【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記吐出口の開口径は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、前記導管の内径は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００１３】
本発明の気泡発生装置は、液体を収納する気密性容器と、前記気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させる気体導入器と、前記気密性容器に設けられており、前記液体を前記気密性容器から外部へ吐出する吐出口を有する吐出部と、前記吐出口から吐出した前記液体から、前記液体中に含まれており所定の値より大きい直径を有する気泡を分離する気泡分離器とを備える。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記気泡分離器は、所定の目開きを有する網を含み、前記吐出口から吐出した前記液体が前記網を通過することにより、前記所定の値より大きい直径を有する気泡を除去する。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記網は１００メッシュ以上の細かさの目開きを有する。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記気泡分離器は、導入口、排出口および気泡放出口を有する管路を含み、前記網は、前記管路の前記導入口と排出口との間において前記液体の流路を遮るように設けられており、前記気泡放出口は、前記網により分離された気泡が浮上し前記気泡放出口に達するように前記管路に設けられている。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記吐出部の吐出口と前記気泡分離器の導入口との間に前記吐出口の内径よりも大きい内径を有し、前記吐出口に接続された導管をさらに備える。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記導管は、前記吐出口から吐出される前記液体が所定の流速で０．５秒以上前記導管内に滞留する長さを有している。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記導管の長さは、５０ｍｍ以上である。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記吐出口の内径は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、前記導管の内径は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記液体は、水または親水性溶媒である。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記気体は、酸素ガス、オゾンガス、窒素ガス、炭素ガス、水素ガス、マイナスイオンを含む空気および１８族元素ガスのうち少なくとも１つを含む。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記導管は可撓性を有する。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記吐出部の吐出口と前記気密性容器との間に設けられた開閉弁をさらに備え、前記開閉弁の操作によって前記吐出口から気泡を含む前記液体を断続的に生成する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、気泡発生装置は、前記気密性容器内の圧力を検出する圧力計と、前記圧力計が検知した値に基づき、前記気体導入器の動作を制御する制御部とをさらに備える。
【００２６】
本発明の気泡発生方法は、液体を収納した気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させるステップと、前記液体を前記気密性容器に設けられた吐出口から外部へ吐出させるステップと、前記吐出口の開口径よりも大きい内径を有し、前記吐出口に接続された導管内に前記液体が所定の時間滞留するように、前記導管に前記液体を通過させるステップとを包含する。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記導管に前記液体を通過させるステップは、所定の流速で０．５秒以上前記導管内に前記液体を滞留させる。
【００２８】
本発明の気泡発生方法は、液体を収納した気密性容器内に気体を導入し、前記液体を加圧することにより前記液体に前記気体を溶解させるステップと、前記液体を前記気密性容器に設けられた吐出口から外部へ吐出させるステップと、前記吐出口から吐出した前記液体から、前記液体中に含まれており所定の値より大きい直径を有する気泡を分離するステップとを包含する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記気泡を分離するステップは、所定の目開きを有する網に前記液体を通過させる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の気泡発生装置によれば、液体に圧力をかけて気体を溶解させ、気体が溶解した液体の圧力を低下させることにより液体中に気泡を発生させる。このため、簡単な構造により微細気泡を発生させることができる。また、大掛かりな装置を必要とせず、微細気泡を含む少量の液体を簡単に製造することができる。
【００３１】
さらに、気泡の発生を促進し、微細の気泡が多く生成するための導管および生成した気泡から直径の大きい気泡を除去するための気泡分離器の少なくとも一方を備えるため、直径の小さい微細気泡を選択的に生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
まず、図１を参照して、本発明による気泡発生装置の構成を概略的に説明する。本発明の気泡発生装置１００は、気密性容器１と気体導入器２と吐出部６とを備える。気密性容器１は気密性を備え、液体４を収納する。気体導入器２は、コンプレッサなど高圧でガスを導入することのできる機器である。気体導入器２は配管５によって気密性容器１と接続されており、気体３を大気圧以上の圧力で気密性容器１内へ導入する。気体３が液体４中へバブリングされるように、配管５が気密性容器１に接続されていることが好ましい。配管５には開閉弁５ａが設けられている。
【００３３】
吐出部６は吐出口７を有し、気密性容器１に設けられている。吐出部６は、気密性容器1内の液体４を吐出口７から外部へ吐出する。吐出部６には開閉弁６ａが設けられている。
【００３４】
配管５の開閉弁５ａを操作することにより、気密性容器１に気体３が大気圧以上の圧力で導入されると、気体３の一部は液体４に溶解する。しかし、大部分は気密性容器１内の液体４が満たされていない空間１ａを満たし、気密性容器１内の圧力を高める。このため、液体４の圧力も高められる。ヘンリーの法則にしたがい、液体４に溶解する気体の質量は気密性容器１内の圧力に比例する。たとえば、液体４として水を用い、気体として５気圧の酸素ガスを気密性容器１内へ導入する場合を考える。酸素は常温常圧において水に対し、３１ｍｌ／Ｌの溶解度を有するので、５気圧下では約５倍の酸素が気密性容器１内の液体４に溶解する。
【００３５】
次に、開閉弁５ａを閉じ、開閉弁６ａを開放すると、気密性容器１内の液体４は、吐出部６の吐出口７から外部へ排出される。たとえば、大気圧下にある水５２を保持した容器５１内に液体４を排出する。吐出口７の周囲である液体５２の圧力が気密性容器１内の圧力より低い場合、吐出された液体４の圧力は急激に低下し、圧力の低下にともなって液体４に溶存できる酸素の量も減少する。このため、吐出口７から吐出される液体４中に溶存できない酸素が微細気泡となって現れる。このようにして本発明の気泡発生装置は液体５２中に微細気泡５３を発生させる。
【００３６】
生成した微細気泡５３が前述した分散性の向上などの効果を十分に発揮するためには、微細気泡５３が長時間、液体４中に分散している必要がある。液体中の気泡が浮上して消失するまでの時間は、気泡の大きさと密接な関係があり、大きな気泡ほど早く浮上し、消失してしまうことが知られている。また、気泡が大きいと、気泡同士が凝集してさらに大きな気泡を生成しやすくなり、気泡がより早く消失する原因ともなる。
【００３７】
本願発明者が気泡の大きさと液体中での気泡の滞留時間との関係を詳細に検討したところ、直径がおおよそ１００μｍ以上の気泡は比較的短時間で液体中を浮上し、消失することが分かった。つまり、滞在時間の長い気泡を生成するためには生成する気泡の直径は１００μｍより小さいことが好ましい。気泡の直径は、より好ましくは６０μｍ以下である。
【００３８】
以下の実施形態において詳細に説明するように、本発明の気泡発生装置では、発生する気泡が直径の小さい微細気泡となるような機構をさらに備えている。具体的には、本発明の気泡発生装置は、上述の構成に加え、吐出部６の吐出口７に気泡の発生を促進し、微細気泡が多く生成するための導管６０、または、生成した気泡から直径の大きい気泡を除去するための気泡分離器７０を備える。導管６０は、吐出部６の吐出口７から排出された液体を層流の状態で所定の時間維持することにより、気泡生成のための核を多く生成し、発生した気泡が凝縮して大きな気泡となるのを抑制する。また、気泡分離器７０は、直径の大きな気泡を分離、除去することによって、本発明の気泡発生装置から発生する気泡に直径の小さな気泡のみが含まれるようにする。
【００３９】
図２は、以下で説明する本発明の気泡発生装置により生成した気泡の粒径分布の時間経過の一例を示している。図２に示すように、本発明の気泡発生装置により生成する気泡の直径は、おおよそサブミクロンから数十ミクロンの範囲にある。図２に示すように、気泡の発生後、時間が経過するにつれて、直径の大きな気泡は減少するが、おおよそ２０μｍ以下の直径の気泡はほとんど消失することなく液体中に滞留している。図２に示す例では、気泡発生の３時間後においても、おおよそ２０μｍ以下の気泡はほとんど消失することなく液体中に分散している。
【００４０】
本発明の気泡発生装置により生成した気泡は、おおよそサブミクロンから数十ミクロンの範囲にあり、気泡の大きさは肉眼による識別限界かそれ以下である。このため本発明の気泡発生装置により生成した気泡を肉眼で確認することは困難であり、また、液体中で気泡が白濁して見えることもない。たとえば本発明の気泡発生装置により生成した気泡を含む水は、無色透明である。
【００４１】
一方、浴槽などで用いられるジェットバスの気泡は肉眼で十分確認できる程度の大きさであり、また、数百ミクロンから数ミリ程度の気泡を含む液体では気泡は白濁して見える。このため数百ミクロン以上の大きさの気泡を含む液体と、本発明の気泡発生装置により生成した気泡を含む液体とは、容易に識別することができる。
【００４２】
このような大きさの微細気泡は液体中で浮上しにくいため、前述した（１）水中浮遊物の分散性を向上させる働き、（２）液体の気体吸収効率を向上させる働き、（３）微細気泡を含む液体の酸化分解作用、（４）微細気泡を含む液体のウイルスの不活性化作用をよりいっそう高めることができる。
【００４３】
また、本発明の気泡発生装置によれば、液体に圧力をかけて気体を溶解させ、気体の溶解した液体の圧力を低下させることにより液体中に気泡を発生させる。このため、気密性容器および気体を高圧で気密性容器に導入する気体導入器を主要な構成要素とした簡単な構成により、微細気泡を発生させることができる。また、大掛かりな装置を必要とせず、微細気泡を含む少量の液体を簡単に製造することができるため、家庭用機器あるいは医療福祉機器などに本発明の気泡発生装置を好適に用いることができる。以下、本発明の気泡発生装置の実施形態をより詳細に説明する。
【００４４】
（第１の実施形態）
図３は、本発明による気泡発生装置の第１の実施形態を示す模式図である。気泡発生装置１０１は、気密性容器１と、気体導入器２と、吐出部６と、導管６０とを備える。気密性容器１は気密性を備え、液体４を収納する。気密性容器１は、気泡発生装置１０１の用途および必要とされる生成能力に応じた適当な内容積を備えている。気泡発生装置１０１の構造上、気密性容器１の内容積に特に制限はなく、数十ｍｌ程度の大きさであってもよいし、数十ｌ程度であってもよい。しかし、本発明は特に家庭用機器へ好適に用いることが可能であり、家庭用機器へ本発明を適用する場合には、気密性容器１の内容積は、５０ｍｌから１０，０００ｍｌ程度であることが好ましい。本実施形態では、気密容器１の内容積は１５０ｍｌである。
【００４５】
気密性容器１は、１０気圧程度の耐圧を備えている。また、図３には示していないが、液体４を気密容器１内へ導入するための開閉口を気密性容器１は備えている。開閉口に換えて、液体４を導入する配管および配管に設けた開閉弁を気密性容器１に設けてもよい。
【００４６】
気泡を生成するための液体４は、水、親水性溶媒またはこれらの混合物であることが好ましい。親水性溶媒としては、エタノール、多価アルコール類、アセトン、酢酸エチル等のエステル類などを用いることができる。本実施形態では、１００ｍｌの純水を液体４として気密容器１内へ導入した。
【００４７】
気体導入器２は、大気圧以上の圧力で気体を気密容器１へ導入する。気体導入器２には、たとえば、種々の機構のコンプレッサやポンプ、ボンベ類などを用いることができる。また、気体導入器２は気体を圧縮あるいは液化して収納しているガスボンベであってもよい。気体導入器２が気体３を加圧する圧力は、気密性容器１の耐圧以下であって、２気圧から３０気圧の範囲であることが好ましい。高圧のガスボンベを気体導入器２として用いる場合には、必要に応じてレギュレータなど適切な減圧装置を設けることが好ましい。
【００４８】
気体導入器２は配管５によって気密性容器１と接続されており、大気圧以上の圧力で気体３を気密性容器１内へ導入する。液体４中に気体３がバブリングされ、導入される気体３が液体４と十分に接触するよう、気密性容器１の底部から気密性容器１の内部へ気体３を導入することが好ましい。配管５には開閉弁５ａが設けられている。
【００４９】
前述したように、気体導入器２から所定の圧力で気体３を液体４中へバブリングすることにより、導入された気体３の一部は液体４に溶解し、残りは気密性容器１内の液体４が満たされていない空間１ａを満たし、気密性容器１内の圧力を高める。これにより、気体３および液体４の圧力も高まる。
【００５０】
気体３には、酸素ガス、オゾンガス、窒素ガス、炭素ガス、水素ガス、マイナスイオンを含む空気および１８族元素ガスのうち少なくとも１つを含むガスを用いることが可能であり、これらのガスまたはこれらの混合ガスを用途に応じて選択することができる。窒素ガスおよび酸素ガスを主として含む空気は気体発生装置１０１において簡便に利用できるガスの１つである。表１に、これらのガスの１気圧２０℃における水に対する溶解度を示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
気体３として混合ガスを用いる場合、各ガスの液体４中でのモル分率ｘiとガスの分圧ｐiとの間にはヘンリー定数Ｋiを用いてＫi＝ｐi／ｘiの関係が成り立つ。つまり、各ガスの溶解度は分圧に比例する。本実施形態では、酸素ボンベを気体導入器２として用い、レギュレータによって５気圧で約２０分かけて酸素を気密性容器１内に導入した。
【００５３】
吐出部６は配管８および吐出口７を有し、気密性容器１に設けられている。具体的には配管８の一端が気密性容器１に接続され、他端に吐出口７が設けられている。吐出口７は、たとえば、オリフィスである。吐出部６は、気密性容器1内の液体４を吐出口７から外部へ吐出する。吐出部６には開閉弁６ａが設けられている。配管８は、加圧された液体４によって変形しない限り、直線的な形状を有してもよいし、緩やかな曲率で曲げることが可能なフレキシブルチューブであってもよい。吐出口７の開口径（直径）は、必要とされる気泡の生成能力および気密性容器１の容量に依存する。家庭用機器へ本発明を適用する場合には、吐出口７の開口径ｒ１は０．１ｍｍから５ｍｍの範囲にあることが好ましい。本実施形態では、開口径ｒ１が０．５ｍｍであり、奥行き（長さ）２ｍｍのオリフィスを吐出部６として用いた。
【００５４】
開閉弁６ａの操作によって、吐出口７から吐出された液体４は、外部の圧力へ開放される。このとき、液体４の圧力が低下し、溶存していた気体３が気泡となってガス化する。前述したように、この際、気泡の発生を促進し、微細の気泡が多く生成させるため、導管６０が吐出部６の吐出口７に接続されている。導管６０は、吐出口７の開口径よりも大きい内径を有し、吐出口７に接続されている。導管６０の他端は、水５２が満たされた容器５１に接続されている。
【００５５】
導管６０は、外部の圧力に開放された液体４を一定の時間整った流れとなるように維持する。これにより、気泡が発生するための核の生成を促し、微細気泡をより多く発生させることができる。このためには、図４に示すように導管６０を流れる液体４は、層流となっていることが好ましい。矢印４ａで示すように液体４が導管６０の中心から導管６０の壁面に向かって減少するような速度分布をもった層流となっている場合、隣接する速度の層との間でストレスが生じ、気泡が発生するための核が生成する。このため、層流を長く保つことによって液体４中に微細気泡がより多く発生する。導管６０も配管８と直線的な形状を有してもよいし、緩やかな曲率で曲げることが可能なフレキシブルチューブであってもよい。これにより微細気泡を多く含む液体４が、容器５１に保持された水５２内に導入され、水５２に微細気泡５３が分散される。
【００５６】
図５は、気泡発生装置１０１によって生成した気泡の粒径分布を示すグラフである。横軸は気泡の粒径を示し、縦軸は頻度を示している。測定にはＭＩＣＲＯＴＥＣ社の粒度分布計を用い、測定が安定するよう、導管６０から吐出後５分経過した液体４に対して測定を行った。図５において曲線４２で示すように、気泡発生装置１０１により生成した気泡の粒径は、約０．５μｍから約６０μｍの範囲内で分布しており、６０μｍより大きい粒径の気泡はほとんど生成していない。
【００５７】
比較のために、気泡発生装置１０１から導管６０を除き、気泡を発生させた場合の粒径分布および気泡発生に用いた純水の粒径分布を調べた。曲線４１で示すように、導管６０を用いずに気泡を発生させた場合、生成する気泡は１０μｍ以上の粒径を有し、特に２００μｍ程度の粒径の気泡が多く発生する。また、曲線４４で示すように気泡発生装置１０１に導入した純水には、およそ５００μｍ以下の気泡は含んでいないことが分かる。
【００５８】
図５から明らかなように導管６０を備えた気泡発生装置１０１によって６０μｍ以下の粒径を有する微細気泡を発生させることができる。また、単に微細気泡を含んでいるだけでなく、６０μｍ以上の粒径を有する気泡はほとんど発生しない。粒径が大きく液体中ですぐ浮上するような気泡は含んでいないため、６０μｍ以下の粒径を有する微細気泡が、浮上性の気泡にともなわれて浮上することなく、液体中に長時間分散あるいは滞留することができる。
【００５９】
次に、導管６０の最適な形状について説明する。前述したように導管６０は、気泡が発生するための核を多く生成する働きを備える。このために、大気圧に開放された液体４は一定の時間整った流れを維持することが好ましい。図６は、導管６０内に滞在する時間と、生成する気泡の平均粒径との関係を示すグラフである。図６から明らかなように、導管６０での滞留時間が０．５秒より短い場合、生成する気泡の平均粒径は著しく増大する。これに対して、滞留時間が０．５秒以上である場合、気泡の平均粒径は約１０μｍ以下であり、滞留時間が長くなるにつれて平均粒径は小さくなっている。このことから吐出口７から排出された液体４が導管６０内で０．５秒以上滞留することが好ましいことが分かる。
【００６０】
導管６０の滞留時間は液体４の流速である吐出速度に依存する。また、導管６０の内径および吐出口７にも依存する。詳細な実験の結果、図3に示すように、吐出口７の開口径ｒ１が０．１ｍｍから５ｍｍの範囲内であれば、導管６０の内径は、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲内であり、長さｌは、５０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００６１】
また、導管６０を流れる液体４が層流状態を維持しやすいよう、導管６０は、内径変化のない平行管であり、平行な流路を形成していることが好ましい。流路が拡大するようなベンチュリー管を用いることは好ましくない。また、ベンチュリー管を導管６０として用いた場合、流路の拡大にともなって、液体４の圧力が急激に低下し、負圧になったりする。急激な圧力低下によって液体４に溶解していた気体が突沸し、大きな気泡が生成してしまうという問題も生じる。
【００６２】
このように本実施形態によれば、液体を収納した気密容器内に気体を加圧しながら導入することによって加圧状態で気体を液体に溶解させ、加圧された液体の圧力を低下させることにより、溶解していた気体を気泡として発生させる。このため、主要な構成要素として気密容器および気体を加圧して気密容器へ導入することのできる気体導入器があればよく、構造が簡単であり、大掛かりな構造を要しない気泡発生装置を実現することができる。また、加圧された液体を吐出口から吐出する際、液体の流れを整えながら所定の時間導管を通過させることによって、気泡が発生するための核生成を促し、多くの微小な気泡を生成することができる。このため、浮上性を有する粒径の大きな気泡が成長するのを抑制し、微細気泡を多く生成することができる。
【００６３】
（第２の実施形態）
図７は、本発明による気泡発生装置の第２の実施形態を示す模式図である。図７に示す気泡発生装置１０２は、気密性容器１と、気体導入器２と、吐出部６と、導管６０と、気泡分離器７０とを備える。気泡発生装置１０２は、気泡分離器７０をさらに備えている点で第１の実施形態の気泡発生装置１０１と異なっている。気泡発生装置１０２の気密性容器１、気体導入器２、吐出部６および導管６０は第１の実施形態で説明したように機能し、導管６０から微細気泡を含む液体が吐出される。
【００６４】
気泡分離器７０は、導管６０に接続されており、導管６０から吐出する微細気泡を含む液体から、液体中に含まれており所定の値より大きい直径を有する気泡を分離する。このために気泡分離器７０は、一対の主面を有し、主面に所定の大きさの貫通開口が複数設けられた篩６２を備えている。篩６２は、具体的には、所定の目開きを有する網や、所定の大きさの貫通孔が複数設けられた分離膜またはセラミックス板などである。貫通開口は円形や矩形に限られず、たとえばスリットであってもよい。
【００６５】
篩６２を導管６０から吐出する液体４の流路を遮るようにして配置することにより、液体４に含まれ、貫通開口より大きな直径を有する気泡は、篩６２によって遮断され、液体４および貫通開口より小さな直径を有する気泡のみが篩６２を通過する。このようにして液体４中の微細気泡のうち、直径の大きなものを分離することができる。
【００６６】
所定の値より大きい直径を有する気泡を効率よく分離するためには、開口率の大きな篩６２を用いることが好ましく、網を篩６２として用いることがより好ましい。また、篩６２により分離された直径の大きな気泡が篩６２を通過した液体４と接触しないように気泡分離器７０が構成されていることが好ましい。このために、気泡分離器７０は、液体４を導入するための導入口６１ａ、大きな気泡が分離された液体を排出するための排出口６１ｂおよび大きな気泡を放出するための気泡放出口６３ｃを有する管路６１を含む。篩６２は、導入口６１ａと排出口６１ｂとの間において、管路６１が規定する液体４の流路を遮るように配置されている。また、気泡放出口６３ｃは、管路６１において篩６２を通過することを遮られた気泡が浮上する位置に設けられている。より好ましくは、篩６２に遮られた気泡が浮上しやすいよう、篩６２の導入口６１ａ側の主面が気泡放出口６１ｃへ向くよう、液体４の流路の延びる方向に対して１度から９０度の角度θをなし、かつ流れの全てについて篩以外のパスがないように設置されている。また、篩６２を液体４の流路を遮るように配置するため、篩６２が液体４の流れに対して抵抗となり、液体４は気泡排出口６１ｃ側へ溢れる。気泡排出口６１ｃから液体４が溢れないよう、気泡排出口６１ｃは液体４の流路から高さｌ２を有していることが好ましい。高さｌ２は２ｃｍ以上であることが好ましい。
【００６７】
前述したように生成する微細気泡は直径６０μｍ以下のものを含むことが好ましい。このためには、概ね直径の２倍程度の開口径、つまり、約１２０μｍ程度の貫通開口を有する篩６２を用いればよいことが分かった。貫通開口が直径６０μｍより大きくても貫通開口の周囲に接触するなどして篩６２を通過することができないからである。たとえば、線形０．１ｍｍの網を用いる場合、１００メッシュであればおおよそこの大きさの貫通開口を有する。
【００６８】
図４の曲線４３は、気泡発生装置１０２により生成された気泡の粒径分布を示している。図４から明らかなように、４０μｍより直径が大きい気泡はほとんど含まれていない。また、曲線４３と曲線４２とを比較すれば明らかなように、気泡分離器７０を設けることによって、所定の粒径以上の気泡が除去されるだけでなく、数μｍ程度の直径の気泡が増大していることが分かる。
【００６９】
本実施形態によれば、気泡分離器７０によって粒径の大きい気泡を分離することができるため、微細気泡のみを得ることができる。このため、液体中において長時間滞留する気泡を得ることができ、微細気泡による上述した種々の効果をより高めることが可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態では、導管６０に気泡分離器７０を接続しているが、導管６０を省略し、吐出部６の吐出口７に直接気泡分離器７０を接続してもよい。導管６０を用いないことによって、微細気泡の生成効率は多少低下するが、気泡分離器７０によって、粒径の大きな気泡は確実に除去できる。このため、多少生成効率は低下するものの直径６０μｍ以下粒径を有する微細気泡のみを生成することができ、上述したような効果を得ることができる。
【００７１】
（第３の実施形態）
図８は、本発明による気泡発生装置の第３の実施形態を示す模式図である。気泡発生装置１０３は、第１の実施形態の気泡発生装置１０１の構造に加えて、自動制御のための構造を備え、気泡の発生を自動的に行うことができる。図８に示すように、気泡発生装置１０３は、気密容器１と、気体導入器２と、吐出部６と、導管６０と、圧力計７１と液面計７２と、圧力逃がし弁７３と、制御装置７４と、開閉弁５ａ、６ａ、および９ａを備える。
【００７２】
気密容器１には、液体４を気密容器１へ導入するための配管９が接続されており、配管９を流れる液体４の流量を制御するための開閉弁９ａが配管９に設けられている。また気体導入器２と気密性容器１とは配管５により接続されており、配管５には開閉弁５ａが設けられている。吐出部６の配管８には開閉弁６ａが設けられている。
【００７３】
気密容器１には、液体４の液面の高さを検出するための液面計７２と気密容器１内の圧力を検出するための圧力計７１とがさらに設けられている。圧力計７１には圧力逃がし弁７３が設けられている。
【００７４】
制御装置７４は、液面計７２および圧力計７１で検出した値に基づき、開閉弁５ａ、６ａ、および９ａを制御し、気体３および液体４を気密容器１へ導入し、また、吐出部６の吐出口７から気泡を含む液体４を吐出させる。より具体的には、制御装置７４は、液面計７２による検出結果に基づき、開閉弁９ａを制御し、気密容器１内の液体４の量が所定の範囲内になるように制御する。また、圧力計７１による検出結果に基づいて、気密容器１内の圧力が所定の範囲内になるように制御する。何らかの原因によって圧力が所定の範囲を超えて高まった場合には、圧力逃がし弁７３を開放し、圧力を低下させる。
【００７５】
気密容器１内に導入された気体３が液体４に溶解し、平衡状態に達するまで所定の時間を要するため、たとえば、圧力計７１によって検出した圧力が所定の時間維持された場合に、気体３が十分液体４に溶解したと判断し、開閉弁６ａを制御して、吐出口７から気泡を含む液体４を吐出する。このような構成によって、気泡発生装置１０３を自動的に制御することが可能となる。
【００７６】
また、この構造を備えた気泡発生装置１０３を２台用意することによって、一方の気泡発生装置１０３において、気体３や液体４を気密容器１内に導入し、気体３を液体４に溶解させている間、他方の気泡発生装置１０３から気泡を含む液体４を吐出させることができる。これにより、気泡の発生を連続的に行うことが可能となる。
【００７７】
なお、本実施形態は、第１の実施形態の気泡発生装置１０１に自動制御を行うための構造を設けているが、第２の実施形態の気泡発生装置１０２に自動制御を行うための構造を設けてもよい。
【００７８】
これまで説明したように、本発明の気泡発生装置は簡単な構造を備え、必要とされる気泡の生成能力に応じて、気密性容器の容量や気体導入器の性能を自由に調節できる。このため、特に、従来の気泡発生装置では困難であった微細気泡を含む少量液体を生成するこが可能であり、家庭用機器や医療福祉機器に本発明の気泡発生装置を好適に用いることができる。しかし、気密性容器の容量を大きくし、大量の気体を高い圧力で圧縮できる気体導入器を用いることによって、本発明の気泡発生装置を産業用機器へ応用することも可能である。具体的には、養魚施設などの漁業分野、農業分野、水質浄化分野へも好適に本発明を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の気泡発生装置は、民生用家庭機器、医療福祉機器など、微細気泡を含む少量の液体を利用する機器や、微細気泡を含む大量の液体を利用する漁業分野、農業分野、水質浄化分野などの産業機器へ好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の気泡発生装置の構成を概括的に示す図である。
【図２】本発明の気泡発生装置により生成した気泡の粒径分布の時間経過の一例を示すグラフである。
【図３】本発明による気泡発生装置の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図４】図３に示す気泡発生装置の導管を流れる液体の状態を説明する図である。
【図５】第１の実施形態および第２の実施形態の気泡発生装置により生成する気泡の粒径分布を示すグラフである。
【図６】図３に示す気泡発生装置において、導管での液体の滞留時間
【図７】本発明による気泡発生装置の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図８】本発明による気泡発生装置の第３の実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１    気密性容器
２    気体導入器
３    気体
４、５２    液体
５、８、９    配管
６    吐出部
７    吐出口
５１    容器
５３    微細気泡
６０    導管
６１    管路
６２    篩
７０    気泡分離器
１００、１０１、１０２、１０３    気泡発生装置
【図１】
2006314972.tif 000004
【図２】
2006314972.tif 000005
【図３】
2006314972.tif 000006
【図４】
2006314972.tif 000007
【図５】
2006314972.tif 000008
【図６】
2006314972.tif 000009
【図７】
2006314972.tif 000010
【図８】
2006314972.tif 000011