(57)【要約】【課題】簡単かつ小型の機器構成で、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用でき、液体中に安定的に微細気泡を発生させることができる微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置を提供すること。【解決手段】弾性表面波Ｗを励振するための複数の電極２１からなる励振手段を表面に備えた圧電基板２を、表面Ｓの少なくとも一部が液体１０と接するように配置し、励振手段によって表面Ｓに弾性表面波を励振させることで、表面Ｓを伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡Ｂ１を発生させ、微細気泡Ｂ１を、少なくとも一部が液体１０と接するように配置された剪断部に通すことによりさらに微細な気泡Ｂ２とする。【選択図】図１
2011131110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板を、前記表面の少なくとも一部が液体と接するように配置し、
前記励振手段によって前記表面に弾性表面波を励振させることで、前記表面を伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させ、
前記微細気泡を、少なくとも一部が液体と接するように配置された剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることを特徴とする微細気泡発生方法。
【請求項２】
前記弾性表面波の搬送方向に前記剪断部を配置し、
前記弾性表面波の搬送機能により微細気泡を剪断部へ搬送することで、前記微細気泡を剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生方法。
【請求項３】
前記液体を収容する液体容器を配置し、前記液体容器は第１の液体容器と前記第１の液体容器と隣接する第２の液体容器とを有し、
前記第１の液体容器で発生した微細気泡を含む液体が前記剪断部を介して前記第２の液体容器へ移動することにより、前記微細気泡をさらに微細な気泡とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微細気泡発生方法。
【請求項４】
前記圧電基板を前記液体に接した状態から上方へ移動させることで、液体と圧電基板との間に界面張力を発生させることにより、
前記液体の表面よりも上方に位置する液体にて微細気泡を発生させ、前記微細気泡を剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微細気泡発生方法。
【請求項５】
前記剪断部がメッシュであることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の微細気泡発生方法。
【請求項６】
弾性表面波を用いて液体中に微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、
弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板と、
発生した微細気泡をさらに微細な気泡とするための剪断部とを備え、
前記励振手段により励振されて前記圧電基板に沿って伝播する弾性表面波により発生した微細気泡を、前記剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることを特徴とする微細気泡発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメートルまたはナノメートルオーダの微細気泡を発生する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気泡の直径がミクロン以下のナノメートルオーダという微細な気泡を発生させるために、気液混合流体に旋回流を起こし、液中に生じる剪断力によって液体に含まれる気体を細分化することが行われている。例えば、渦流ポンプからの気液混合流体を、円筒にその内周接線方向から供給し、円筒内での旋回中に気泡を微細化させる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、予め高圧ポンプなどで溶存気体を通常の２倍程度の過飽和状態にさせた液体へ超音波を照射することにより、直径がナノメートルオーダの微細気泡を生成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１１８９３９号
【特許文献２】特許第４０１６０９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２に示されるような微細気泡の発生方法においては、液体を高圧化するためのポンプなどが必要であり機器の小型化が困難である。さらに、特許文献２に示されるような微細気泡の発生方法においては、液体の電気分解に基づくので、電気分解処理の可能性の有無によって対象とする液体や気泡の種類が限定されるという問題がある。また、様々な用途に応用させるため、さらに微細な気泡を発生させることが要求されている。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単かつ小型の機器構成で、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用でき、液体中に安定的に微細気泡を発生させることができる微細気泡発生方法及び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】
【０００６】
上記課題を達成するために、本発明に係る微細気泡発生方法は、弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板を、前記表面の少なくとも一部が液体と接するように配置し、前記励振手段によって前記表面に弾性表面波を励振させることで、前記表面を伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させ、前記微細気泡を、少なくとも一部が液体と接するように配置された剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることを特徴とする。
【０００７】
また、前記弾性表面波の搬送方向に前記剪断部を配置し、前記弾性表面波の搬送機能により微細気泡を剪断部へ搬送することで、前記微細気泡を剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることが好ましい。
【０００８】
また、前記液体を収容する液体容器を配置し、前記液体容器は第１の液体容器と前記第１の液体容器と隣接する第２の液体容器とを有し、前記第１の液体容器で発生した微細気泡を含む液体が前記剪断部を介して前記第２の液体容器へ移動することにより、前記微細気泡をさらに微細な気泡とすることが好ましい。
【０００９】
また、前記圧電基板を前記液体に接した状態から上方へ移動させることで、液体と圧電基板との間に界面張力を発生させることにより、前記液体の表面よりも上方に位置する液体にて微細気泡を発生させ、前記微細気泡を剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることが好ましい。
【００１０】
また、前記剪断部がメッシュであることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る微細気泡発生装置は、弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板と、発生した微細気泡をさらに微細な気泡とするための剪断部とを備え、前記励振手段により励振されて前記圧電基板に沿って伝播する弾性表面波により発生した微細気泡を、前記剪断部に通すことによりさらに微細な気泡とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置によれば、弾性表面波により微細気泡を発生させるので、例えば、微細気泡を発生させるための高圧ポンプなどの機器が不要であり、簡単でかつ小型の機器構成で微細気泡を発生させることができる。また、発生させた微細気泡を、剪断部を通過させることによりさらに微細化し、より微細な気泡を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す微細気泡発生装置の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す微細気泡発生装置の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す微細気泡発生装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る微細気泡発生装置１の断面図である。
【００１６】
本実施形態に係る微細気泡発生装置１は、弾性表面波Ｗを励振するための励振手段として複数の櫛歯状の電極２１を表面Ｓに備えた圧電基板２と、発生した微細気泡Ｂ１をより微細な気泡Ｂ２にするための剪断部としてのメッシュ３とを有する。圧電基板２は、圧電基板２の一部が液体容器１１に収容された液体１０に浸るように配置されている。そして、電極２１によって表面Ｓに弾性表面波Ｗを励振し、表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって液体１０中に微細気泡Ｂ１を発生させる。さらに、微細気泡Ｂ１をより微細な気泡Ｂ２にするための剪断部としてのメッシュ３が、圧電基板２の表面Ｓに対向して配置され、その大部分は液体１０中に位置している。以下、各構成を詳細に説明する。
【００１７】
圧電基板２は、長方形の板材であって、その長手方向が上下方向となりその一部が液体１０に浸るように略垂直に配置されている。圧電基板２は、例えば、ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）のような圧電体そのものからなる基板である。
【００１８】
また、圧電基板２は、非圧電基板の表面に圧電体薄膜、例えば、ＰＺＴ薄膜（鉛、ジルコニウム、チタン合金薄膜）を形成したものでもよく、その圧電体薄膜の表面部分において、弾性表面波Ｗが励振される。従って、圧電基板２は、弾性表面波Ｗが励振される圧電体部分を表面に備えた基板であればよい。また、微細気泡発生装置１の圧電基板２として、その形状は、長方形に限らず、任意の形状とすることができる。また、表面Ｓは平面とは限らず任意の曲面とすることができる。圧電基板２は、一定厚みを有する板状とは限らず、任意形状であって、弾性表面波Ｗを伝播させる表面Ｓを備えるものであればよい。なお、圧電基板２は、液体１０の表面に対して略垂直となるように液体１０中に配置された基板保持部４により保持されている。
【００１９】
櫛歯状の電極２１は、圧電基板２の表面Ｓに互いに異極となる２つの櫛形の電極を互いに噛み合わせて形成した電極（交差指電極、ＩＤＴ：インター・ディジタル・トランスジューサ）である。電極２１の互いに隣り合う櫛の歯は互いに異なる極性の電極に属し、励振する弾性表面波Ｗの波長の半分の長さのピッチで配列されている。
【００２０】
電極２１において互いに異極の電極間に高周波電圧印加用の電源Ｅから高周波（例えば、ＭＨｚ帯）電圧を印加することにより、電極２１によって電気的エネルギが波の機械的エネルギに電気機械変換されて、圧電基板２の表面Ｓに弾性表面波Ｗが励振される。励振された弾性表面波Ｗの振幅は、電極２１に印加する電圧の大きさで決まる。励振された弾性表面波Ｗの波束の長さは、電圧の印加時間の長さに対応する。電極２１によって励振された弾性表面波Ｗは、交差した一対の電極２１の歯の幅に対応する幅の波となって、櫛の歯に垂直な方向ｘに伝播する。このような弾性表面波Ｗは、表面Ｓに存在する液体に対して、弾性表面波Ｗの伝播方向に移動させるような力を及ぼす性質がある。
【００２１】
また、電極２１は、方向ｘに平行し電極２１を中心として両方向に伝播する弾性表面波Ｗを生成するので、方向ｘとは反対方向に伝播する弾性表面波Ｗを全反射させて有効利用する反射器を表面Ｓに備えてもよい。また振動の効率化と安定化のため定在波を発生させる目的で、圧電基板２の両面に共振および反射用の電極を設けてもよい。
【００２２】
圧電基板２のような固体表面を伝播する弾性表面波Ｗは、超音波、例えば、ピエゾ素子等を用いて発生して固体や流体中を３次元的に伝播する超音波に比べて、容易に安定的に高い周波数の波動として励振することができる。この周波数が高く波長が短い弾性表面波Ｗを液体中に伝播させることにより、直径がミクロンオーダやサブミクロンからナノメータオーダの微細気泡Ｂ１を液体１０中に発生させることができる。
【００２３】
微細気泡Ｂ１は、液体１０中に溶存している気体から生成されると考えられる。そこで、液体１０中に微細気泡Ｂ１となるべき気体を予め過飽和に溶存させておき、その気体の微細気泡Ｂ１を発生させ易くしてもよい。例えば、図１に示すように、任意の気体を液体１０中に供給するための気体導入管１２を備え、気体導入管１２によって導入した気体を液体１０中に溶存させておく。すると、気体導入管１２によって導入した気体を含む微細気泡Ｂ１を発生させることができる。導入する気体として、酸素やオゾンなど微細気泡Ｂ１とすることにより高機能を発揮するような単体ガスや、大気中の空気などを用いることができる。さらに、気体の溶存可能量を増やすために、保冷装置を備えて液体１０を冷して、液体１０の温度を低く維持するようにしてもよい。
【００２４】
液体１０は、水道水や純水などの水、さらに、アルコール等の有機溶剤、その他の任意の液体を用いることができる。ただし、電極２１に絶縁保護を施していない場合には、液体１０は電気絶縁性の液体に限られる。そこで、電極２１の電気絶縁や圧電基板２の腐食防止のため、圧電基板２表面に絶縁層や保護層を設けてもよい。これらは弾性表面波Ｗの伝播損失を起こさないようにすることが望ましい。
【００２５】
メッシュ３は、ステンレスからなる線状部材が網目状に形成されたもので、圧電基板２近傍に配置されている。本実施形態のメッシュ３を構成する線状部材の直径は１１μｍ、網目状を形成するときの線状部材間の距離は１９μｍである。なお、メッシュ３を構成する線状部材はより細いものが好ましい。そのため、メッシュ３の材料としては、線状部材を細く加工することができる金属材料であることが好ましい。なお、得るべきより微細な気泡Ｂ２の大きさに応じてメッシュ３の仕様を適宜選択すればよい。
【００２６】
メッシュ３は、圧電基板２の中程に対しては表面Ｓと略平行で圧電基板２の縁部近傍に対しては表面Ｓと略垂直になるように、圧電基板２の表面Ｓにおける液体１０と接している部分に対して覆うように配置されている。そのため、圧電基板２を伝播する弾性表面波Ｗにより発生する微細気泡Ｂ１がメッシュ３を通過するように、メッシュ３は圧電基板２の近傍に配置されている。
【００２７】
ここで、微細気泡Ｂ１及びより微細な気泡Ｂ２の発生メカニズムを説明する。まず、電極２１に高周波電圧を印加し、圧電基板２上に弾性表面波Ｗを励振させる。そして、圧電基板２の表面Ｓに沿って弾性表面波Ｗが伝播されることで、弾性表面波Ｗが液体１０中に到達する。すると、液体１０に伝播された弾性表面波Ｗによって、液体１０中に微細気泡Ｂ１が発生する。そして、発生された微細気泡Ｂ１を含む液体１０が、弾性表面波Ｗの搬送機能により圧電基板２の近傍に配置されたメッシュ３へ搬送され通過する。そして、メッシュ３を通過した微細気泡Ｂ１は、より微細な気泡Ｂ２となる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、弾性表面波Ｗにより微細気泡Ｂ１を発生させるので、簡単でかつ小型の機器構成で微細気泡Ｂ１を発生させることができる。さらに、発生させた微細気泡Ｂ１を、メッシュ３を通過させることによりさらに微細化し、より微細な気泡Ｂ２を得ることができる。また、液体１０に対する物性上の制約が少なく、広範囲の種類の液体１０に適用してより微細な気泡Ｂ２を安定的に発生させることができる。また、所望の気体を液体１０中に溶存させることにより、所望の気体から成るより微細な気泡Ｂ２を効率的に発生させることができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、発生した微細気泡Ｂ１をより微細な気泡Ｂ２にするための剪断部としてのメッシュ３の場合を示したがこれに限られることはない。例えば、剪断部として、多孔質ガラスや高分子フィルムなどの多孔質材料を用いることもできる。また、メッシュ３のように線状部材が網目状に形成されたものに限らず、例えば、櫛状などに形成されたものであってもよい。また、剪断部としてのメッシュ３は、圧電基板２と別個に形成され配置されていてもよく、圧電基板２と一体化され配置されていてもよい。
【００３０】
以下に述べる各実施形態では、上述した第１の実施形態と同様の構成については同一符号を付して詳しい説明を省略し、相違する構成について詳述する。
【００３１】
（第２の実施形態）
図２は、本実施形態に係る微細気泡発生装置１の断面図である。
【００３２】
本実施形態に係る微細気泡発生装置１は、液体１０を収容するための液体容器１１を備える。液体容器１１は、微細気泡Ｂ１を発生させ、発生した微細気泡Ｂ１を含む液体１０を第２の液体容器１１ｂへ給水する第１の液体容器１１ａと、第１の液体容器１１ａと隣接した第２の液体容器１１ｂとを有する。
【００３３】
圧電基板２は、表面Ｓが液体１０の表面と略平行となるように液体中に配置されている。また、メッシュ３は、第２の液体容器１１ｂの開口部を覆うように配置されている。そのため、メッシュ３は第１の液体容器１１ａと第２の液体容器１１ｂとを介在して配置され、圧電基板２とメッシュ３とは一続きとなるように接続されている。
【００３４】
上述のように微細気泡Ｂ１を発生させ、その発生した微細気泡Ｂ１を含む液体１０を弾性表面波Ｗの搬送機能により圧電基板２の近傍に配置されたメッシュ３へ搬送し、重力によりメッシュを通過させる。そして、メッシュ３を通過した微細気泡Ｂ１は、より微細な気泡Ｂ２となる。そして、より微細な気泡Ｂ２を含んだ液体１０が第２の液体容器１１ｂに貯えられる。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、第１の液体容器１１ａと第２の液体容器１１ｂとを別個独立して設けることにより、液体容器１１への液体１０の給水により、メッシュ１１を通過する微細気泡Ｂ１やメッシュ１１を通過して得られたより微細な気泡Ｂ２に影響を与えることがない。よって、濃度が均一なより微細な気泡Ｂ２を発生させることができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図３は、本実施形態に係る微細気泡発生装置１の断面図である。
【００３７】
本実施形態に係る微細気泡発生装置１は、圧電基板２の一部が液体１０に浸るように、圧電基板２が配置されている。そして、圧電基板２上に配置された剪断部としてのメッシュ３が、液体１０の表面よりも上方に配置されている。
【００３８】
なお、圧電基板２を配置するときは、例えば、圧電基板２の下方半分ほどが液体１０中に位置するように圧電基板２を液体１０に浸す。そして、その状態から圧電基板２を上に引き上げることにより、圧電基板２を所定位置に配置する。このように圧電基板２が配置されることで、液体１０と圧電基板２との間に生じる界面張力により液体１０が引き上げられることにより、液体１０の表面より上方に液体１０の一部が存在することになる。
【００３９】
なお、メッシュ３は、液体１０の表面より上方に存在した液体１０の一部で生じた微細気泡Ｂ１をより微細な気泡Ｂ２とできるように、少なくとも液体１０の表面より上方に存在した液体１０の一部と接するように配置されることが必要である。
【００４０】
上述のように微細気泡Ｂ１を液体１０の表面より上方に位置する液体１０の一部の中に発生させ、微細気泡Ｂ１を含む液体１０を弾性表面波Ｗの搬送機能及び重力によりメッシュ３へ搬送し、メッシュ３を通過させる。そして、メッシュ３を通過した微細気泡Ｂ１は、より微細な気泡Ｂ２となる。
【００４１】
このように、本実施形態によれば、液体１０と圧電基板２との間に生じる界面張力により形成された液体１０の表面より上方に位置する液体１０に微細気泡Ｂ１を発生させることにより、より限られた液体１０中に微細気泡Ｂ１を存在させることができる。そして、液体１０の表面より上方に位置する液体１０の量は限られているため、圧電基板２の表面に発生する弾性表面波Ｗによる水流を強くすることができる。そのため、微細気泡Ｂ１を含んだ液体１０をメッシュ３へ通過させるときにメッシュ３へ与える水圧が大きくなり、微細気泡Ｂ１を剪断しやすくすることができる。よって、より微細な気泡Ｂ２の発生数を高めることができる。
【００４２】
以上、各実施形態を説明したが、本発明は、上記構成に限られることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１      微細気泡発生装置
２      圧電基板
３      メッシュ（剪断部）
１０    液体
１１    液体容器
１１ａ  第１の液体容器
１１ｂ  第２の液体容器
２１    電極（励振手段）
Ｂ１    微細気泡
Ｂ２  より微細な気泡
Ｓ    表面
Ｗ    弾性表面波
【図１】
2011131110.tif 000003
【図２】
2011131110.tif 000004
【図３】
2011131110.tif 000005