(57)【要約】【課題】多量の気泡を含有する気泡含有液体の製造に適した気泡含有液体製造装置装置及び気泡含有液体製造方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る気泡含有液体製造装置１００は、気体送入部１１０と、気泡生成部１２０とを具備する。気体送入部１１０は、ポンプ１５０から圧送された液体が通過する流路１１１であって、液体の流速を増加させる細径部１１６を有する流路１１１と、細径部１１６に気体を供給し、細径部１１６を流れる液体に気体を混合させる気体供給口１１２とを有する。気泡生成部１２０は、気体送入部１１０において気体が混合された液体に剪断応力を印加し、液体中に気泡を発生させる静止型流体混合器１２６を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプから圧送された液体が通過する流路であって、液体の流速を増加させる細径部を有する流路と、前記細径部に気体を供給し、前記細径部を流れる液体に前記気体を混合させる気体供給口とを有する気体送入部と、
前記気体送入部において気体が混合された液体に剪断応力を印加し、前記液体中に気泡を発生させる静止型流体混合器を備える気泡生成部と
を具備する気泡含有液体製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の気泡含有液体製造装置であって、
前記気泡生成部は、静止型流体混合器である第１の混合器と第２の混合器とを備え、前記第１の混合器と前記第２の混合器は、前記気体送入部に並列に接続されている
気泡含有液体製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載の気泡含有液体製造装置であって、
前記気泡生成部は、静止型流体混合器である第３の混合器と第４の混合器とをさらに備え、前記第３の混合器は前記第１の混合器に直列に接続され、前記第４の混合器は前記第２の混合器に直列に接続されている
気泡含有液体製造装置。
【請求項４】
請求項１に記載の気泡含有液体製造装置であって、
前記気泡生成部は、前記混合器を収容するケーシングを備え、
前記ケーシングは冷却液が通液される冷却液路を有し、
前記気体送入部は、前記流路の周囲に設けられ、冷却液が通液される冷却液路をさらに有する
気泡含有液体製造装置。
【請求項５】
請求項１に記載の気液含有液体製造装置であって、
前記液体は水であり、
前記気泡は、ウルトラファインバブルである
気泡含有液体製造装置。
【請求項６】
液体の流速を増加させる細径部を有する流路に液体を圧送し、
前記細径部に気体を供給して、前記細径部を流れる液体に前記気体を混合させ、
前記気体を混合させた液体に静止型流体混合器を用いて剪断応力を印加し、前記液体中に気泡を発生させる
気泡含有液体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中にウルトラファインバブル等の気泡を発生させる気泡含有液体製造装置及び気泡含有液体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水等の液体に微小な気泡を含有させた気泡含有液体の普及が進んでいる。微小な気泡には、直径１μｍ以下のウルトラファインバブル（ＵＦＢ：ultra fine bubble)や直径１０μｍ以下のマイクロバブル、直径１ｍｍ以下のミリバブル等がある。特にＵＦＢを含有するＵＦＢ水は、魚介類の鮮度維持や微生物培養、滅菌医療、各種洗浄等の分野での利用が検討されている。
【０００３】
気泡含有液体の製造方法としては、圧力を印加して液体中に気体を含有させ、圧力を開放することにより気泡を生じさせる加圧溶解法や、細径の流路を通過させて液体の圧力を低下させ、気体を吸引させるエジェクター法、液体中に旋回流を生じさせて、そのせん断応力で気体を剪断する気液剪断法、液体に超音波を印加して気泡を生じさせる超音波法等がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、加圧溶解法や超音波法を利用してマイクロバブルを生じさせた水性媒体を用いて汚染物質を分解する無害化装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０１２８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、気泡含有液体の製造方法としてはいくつかの方法がある。しかしながら、いずれの製造方法であっても、気泡の含有量が小さい、又は気泡の含有量を多くするためには大型かつ高コストの製造装置が必要となるといった問題がある。
【０００７】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、多量の気泡を含有する気泡含有液体の製造に適した気泡含有液体製造装置装置及び気泡含有液体製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る気泡含有液体製造装置は、気体送入部と、気泡生成部とを具備する。
上記気体送入部は、ポンプから圧送された液体が通過する流路であって、液体の流速を増加させる細径部を有する流路と、上記細径部に気体を供給し、上記細径部を流れる液体に上記気体を混合させる気体供給口とを有する。
上記気泡生成部は、上記気体送入部において気体が混合された液体に剪断応力を印加し、上記液体中に気泡を発生させる静止型流体混合器を備える。
【０００９】
この構成によれば、気体送入部において液体に気体が混合され、気泡生成部において液体に剪断応力が印加されることにより、液体に混合された気体が気泡となり、気体含有液体が製造される。静止型流体混合器は、分流及び合流する多数の流路を備え、液体を蛇行させることにより液体に剪断応力を印加することができる。気体送入部の流路のうち細径部では液体の流速が増加し、液体の圧力が一時的に低下する。したがって、ポンプから高圧で液体を圧送しても、細径部では比較的小さい圧力で気体を液体に混合することができる。これにより、多量に気体が混合された液体を高圧で気泡生成部に圧送することができ、多量の気泡を含有する気泡含有液体を製造することが可能となる。
【００１０】
上記気泡生成部は、静止型流体混合器である第１の混合器と第２の混合器とを備え、上記第１の混合器と上記第２の混合器は、上記気体送入部に並列に接続されていてもよい。
【００１１】
第１の混合器と第２の混合器を並列とすることにより、多量の液体が気泡生成部を通過することができ、気泡含有液体を多量に製造することが可能となる。
【００１２】
上記気泡生成部は、静止型流体混合器である第３の混合器と第４の混合器とをさらに備え、上記第３の混合器は上記第１の混合器に直列に接続され、上記第４の混合器は上記第２の混合器に直列に接続されていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、気泡生成部に圧送された液体の圧力は、直列に接続された二つの混合器によって緩和される。また、ポンプで液体に印加される圧力を大きくすることができ、気泡含有液体の流量を大きくすることが可能である。
【００１４】
上記気泡生成部は、上記混合器を収容するケーシングを備え、
上記ケーシングは冷却液が通液される冷却液路を有し、
上記気体送入部は、上記流路の周囲に設けられ、冷却液が通液される冷却液路をさらに有してもよい。
【００１５】
気泡生成部と気体送入部では、高圧の液体が流れることによる発熱が生じる。上記構成によれば、冷却液によって気泡生成部と気体送入部を冷却することができる。これにより、気泡の生成量を均一化することができ、設備（ポンプ等）への負担を軽減することも可能となる。
【００１６】
上記液体は水であり、
上記気泡は、ウルトラファインバブルであってもよい。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る気泡含有液体製造方法は、液体の流速を増加させる細径部を有する流路に液体を圧送する。
上記細径部に気体を供給して、上記細径部を流れる液体に上記気体を混合させる。
上記気体を混合させた液体に静止型流体混合器を用いて剪断応力を印加し、上記液体中に気泡を発生させる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、多量の気泡を含有する気泡含有液体の製造に適した気泡含有液体製造装置装置及び気泡含有液体製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る気泡含有液体製造システムの構成を示す模式図である。
【図２】同気泡含有液体製造システムが備える気泡含有液体製造装置の構成を示す模式図である。
【図３】同気泡含有液体製造装置が備える気体送入部の断面図である。
【図４】同気泡含有液体製造装置が備える気体送入部の流路を示す模式図である。
【図５】同気泡含有液体製造装置が備える気泡生成部の断面図である。
【図６】同気泡含有液体製造装置が備える気泡生成部での気泡の生成過程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本実施形態に係る気泡含有液体製造システムについて説明する。
【００２１】
［気泡含有液体製造システムの構成］
図１は、気泡含有液体製造システム１０の構成を示す模式図である。同図に示すように、気泡含有液体製造システム１０は、気泡含有液体製造装置１００、ポンプ１５０、チラー１５１、クーラー１５２及び貯槽１５３を備える。これらは配管Ｌ１〜Ｌ４及び配管Ｍ１〜Ｍ４によって接続されている。なお、各配管には適宜バルブや圧力計等が設けられてもよい。
【００２２】
ポンプ１５０は、配管Ｌ１を介して液体を気泡含有液体製造装置１００に圧送する。ポンプ１５０の構成は特に限定されないが、高圧（１ＭＰａ以上）での液体の圧送が可能な高圧ポンプが好適である。
【００２３】
チラー１５１は、冷却液を冷却し、配管Ｍ１〜Ｍ４を介して冷却液を循環させる。チラー１５１の構成は特に限定されない。冷却液は典型的には水である。
【００２４】
クーラー１５２は、配管Ｍ３及び配管Ｍ４を介してチラー１５１から供給される冷却液を利用して、後述する気泡含有液体を冷却する。クーラー１５２は例えばプレートクーラーであるが、その構成は特に限定されない。
【００２５】
貯槽１５３は、配管Ｌ３から流入する気泡含有液体を貯留する。貯槽１５３は、内部が常圧で利用される槽とすることができる。図１に示すように貯槽１５３は配管Ｌ４を介してポンプ１５０に接続されていてもよく、接続されていなくてもよい。
【００２６】
[気泡含有液体製造装置の構成]
図２は、本実施形態に係る気泡含有液体製造装置１００の構成を示す模式図である。気泡含有液体製造装置１００は、微小な気泡を含有する液体（以下、気泡含有液体）を製造する装置である。
【００２７】
気泡には、大きさによって直径１μｍ以下のウルトラファインバブル（ＵＦＢ：ultra fine bubble)、直径１０μｍ以下のマイクロバブル、直径１ｍｍ以下のミリバブル等の種類がある。気泡含有液体が含有する気泡はいずれの大きさのものであってもよいが、典型的にはＵＦＢである。
【００２８】
気泡を形成する気体は特に限定されず、例えば、空気、Ｎ２、Ｏ２又はＯ３等とすることができる。また、気泡含有液体は異種の気体によって形成された気泡を含有してもよい。気泡含有液体を構成する液体は特に限定されないが、典型的には水である。
【００２９】
図２に示すように、気泡含有液体製造装置１００は、気体送入部１１０、気泡生成部１２０、第１分岐配管１４１及び第２分岐配管１４２を備える。
【００３０】
気体送入部１１０は、ポンプ１５０から圧送された液体に気体を混合する。図３は、気体送入部１１０の構成を示す断面図である。同図に示すように気体送入部１１０は、流路１１１、気体供給口１１２及び冷却液路１１３を備える。
【００３１】
図４は、流路１１１及び気体供給口１１２を示す模式図である。同図に示すように、流路１１１は、第１大径部１１４、第２大径部１１５及び細径部１１６を有し、細径部１１６は第１大径部１１４及び第２大径部１１５の間に位置する。
【００３２】
第１大径部１１４及び第２大径部１１５は所定の直径を有し、細径部１１６は、第１大径部１１４及び第２大径部１１５より小さい径を有する。同図に示すように第１大径部１１４及び第２大径部１１５は直径が次第に変化する部分が設けられてもよい。
【００３３】
第１大径部１１４及び第２大径部１１５の最大直径は例えば１５ｍｍであり、細径部１１６の直径は例えば３ｍｍである。第１大径部１１４の長さは例えば２０ｍｍ、第２大径部１１５の長さは例えば４０ｍｍ、細径部１１６の長さは例えば２０ｍｍである。気体送入部１１０の常用耐圧は例えば５ＭＰａである。
【００３４】
ポンプ１５０から第１大径部１１４に流入した液体は、第１大径部１１４から細径部１１６に流入し、細径部１１６から第２大径部１１５に流入する。ここで、細径部１１６の径が小さいため、細径部１１６の流れる液体の流速は第１大径部１１４及び第２大径部１１５を流れるときより大きくなる。
【００３５】
これにより、細径部１１６における液体の圧力は第１大径部１１４及び第２大径部１１５を流れるときより小さくなる（ベンチュリ効果）。液体が細径部１１６から第２大径部１１５に流入すると、流速が遅くなることにより圧力は再び増加するが、細径部１１６を通過することにより圧力損失が生じる。
【００３６】
したがって、液体の圧力は第１大径部１１４で最も大きく、第２大径部１１５では若干小さく、細径部１１６では最も小さくなる。具体的には、液体の流量が３６Ｌ／ｍｉｎの場合、細径部１１６での圧力は第１大径部１１４より３．５ＭＰａ程度小さくなり、第２大径部１１５での圧力は第１大径部１１４より１．５ＭＰａ程度小さくなる。
【００３７】
気体供給口１１２は、図４に示すように細径部１１６に設けられており、ガスボンベ等の図示しないガス供給源に接続されている。気体供給口１１２は、ガス供給源から供給された気体を細径部１１６を流れる液体に供給し、気体を液体に混合する。この気体は気泡を形成する気体であり、上記のように特に限定されない。
【００３８】
この際、細径部１１６ではベンチュリ効果によって液体の圧力が低下しており、比較的低い気体圧力（０．３〜０．５ＭＰａ程度）で気体の混合が可能である。したがって、気体を高密度で液体に混合することが可能である。
【００３９】
冷却液路１１３は、流路１１１の周囲に設けられ、チラー１５１から供給された冷却液が通過する液路である。
【００４０】
気体送入部１１０は、ステンレス鋼等の金属からなるものとすることができる。また気体送入部１１０は、図３に示すように一つの部品から構成されているものに限られず、例えば流路１１１及び気体供給口１１２が設けられた部品の周囲に冷却液路１１３が設けられた部品が接続されるような構成であってもよい。
【００４１】
第１分岐配管１４１（図２参照）は、気体送入部１１０と気泡生成部１２０を接続する配管であり、流路１４３及び冷却液路１４４を有する。流路１４３は、気体送入部１１０側は一つの流路であり、気泡生成部１２０側は二つに分岐した流路である。
【００４２】
第１分岐配管１４１のうち分岐していない部分の流路１４３には圧力調整弁を設けてもよい。圧力調整弁は例えば可変絞り弁とすることができる。これにより、気体送入部１１０に送入される気体の圧力が高すぎたり低すぎたりしても、圧力調整弁で流路１４３に流れる液体の圧力を適切な圧力に調整することで、気体送入部１１０から気体を送入することが可能となる。
【００４３】
冷却液路１４４は、流路１４３の周囲に設けられ、チラー１５１から供給された冷却液が通過する液路である。第１分岐配管１４１は、ステンレス鋼等の金属からなるものとすることができる。第１分岐配管１４１の常用耐圧は例えば５ＭＰａである。
【００４４】
なお、気体送入部１１０の第２大径部１１５及び第１分岐配管１４１の流路１４３を流れる液体においては、細径部１１６において混合された気体が液体の圧力によって溶解（加圧溶解）している。気体の溶解量は液体の圧力に比例して増加するが、本発明では上記のように、第２大径部１１５及び流路１４３において液体の圧力が高圧となっているため、多量の気体を液体に溶解させることができる。
【００４５】
気泡生成部１２０は、気体送入部１１０において気体が混合された液体に剪断応力を印加し、気泡を生成させる。
【００４６】
図２に示すように、気泡生成部１２０は、第１剪断ユニット１２１、第２剪断ユニット１２２、第３剪断ユニット１２３及び、第４剪断ユニット１２４から構成されている。これらの各剪断ユニットは、互いに同一構造を有するものを利用することができる。
【００４７】
図５は、第１剪断ユニット１２１、第２剪断ユニット１２２、第３剪断ユニット１２３及び第４剪断ユニット１２４として利用することが可能な剪断ユニット１２５の構成を示す模式的断面図である。
【００４８】
同図に示すように、剪断ユニット１２５は、混合器１２６、ケーシング１２７及び蓋１２８を有する。
【００４９】
混合器１２６は、液体に剪断応力を印加する。混合器１２６は、分流及び合流する多数の流路を備え、液体を蛇行させることにより液体に剪断応力を印加することが可能な静止型流体混合器とすることができる。
【００５０】
混合器１２６には、気体送入部１１０を通過して気体が送入された液体が流入する。この液体は、気体送入部１１０の通過後にも一定の圧力で加圧されている。
【００５１】
図６は、混合器１２６での気泡の発生過程を示す模式図である。同図に示すように、混合器１２６の流路Ｒに気体を含有する液体が流入すると、流路Ｒの角部に液体の主流Ｓの剥離域が生じ、液体に含まれる気体が流路Ｒの角部に流入し（図中矢印Ｆ１）、溜ることにより気体溜りＰが形成される。
【００５２】
気体溜りＰを形成する気体は、主流Ｓによって剥ぎ取られ（図中矢印Ｆ２）、気泡が液体中に形成される。このような気体溜りＰは流路Ｒに形成された凹凸毎に形成され、気体溜りＰの形成と主流Ｓによる剥ぎ取りが繰り返される。
【００５３】
さらに、混合器１２６によって液体に剪断応力が印加されることにより、気泡が微細化され、ＵＦＢ等の微小な気泡が形成される。混合器１２６の大きさは特に限定されないが、例えば、径３７ｍｍ、長さ９８ｍｍとすることができる。混合器１２６の常用耐圧は例えば３ＭＰａである。
【００５４】
ケーシング１２７及び蓋１２８（図５参照）は、ステンレス鋼等の金属からなり、混合器１２６を収容する。ケーシング１２７には、混合器１２６に連通する流路１３４が形成されている。蓋１２８には、混合器１２６に連通する流路１３５が形成されている。
【００５５】
また、ケーシング１２７には、冷却液路１３６が設けられている。冷却液路１３６は、混合器１２６の周囲に設けられ、チラー１５１から供給された冷却液が通過する液路である。気体送入部１１０は、ステンレス鋼等の金属からなるものとすることができる。
【００５６】
図２に示すように、上記のような構造を有する剪断ユニット１２５が配列され、第１剪断ユニット１２１、第２剪断ユニット１２２、第３剪断ユニット１２３及び第４剪断ユニット１２４が構成されている。
【００５７】
第１剪断ユニット１２１及び第２剪断ユニット１２２は、第１分岐配管１４１を介して気体送入部１１０に対して並列に接続されている。第３剪断ユニット１２３は第１剪断ユニット１２１に対して直列に接続され、第４剪断ユニット１２４は第２剪断ユニット１２２に対して直列に接続されている。
【００５８】
第１剪断ユニット１２１及び第３剪断ユニット１２３と第２剪断ユニット１２２及び第４剪断ユニット１２４を並列とすることにより、気泡生成部１２０において生成される気泡の量を多くすることができる。それぞれの剪断ユニットを通過する液体の流量が例えば１８Ｌ／ｍｉｎである場合、気泡生成部１２０からは３６Ｌ／ｍｉｎの流量で気泡を含む液体が生成される。
【００５９】
気泡生成部１２０の後段（主に第３剪断ユニット１２３及び第４剪断ユニット１２４）では液体に印加されている圧力が常圧に近づくことにより、液体に溶解されていた気体が気泡となり、多量の気泡を含んだ気泡含有液体が生成される。
【００６０】
なお、気泡生成部１２０は４つの剪断ユニット１２５を備えるとしたが、これに限られない。例えば、ポンプ１５０から圧送される液体の流量が小さい場合には、第１剪断ユニット１２１及び第３剪断ユニット１２３のみが設けられてもよい。また、同液体の流量が大きい場合には、並列する剪断ユニット１２５の数を３つ以上としてもよい。
【００６１】
さらに、ポンプ１５０から圧送される液体の圧力が小さい場合には第１剪断ユニット１２１及び第２剪断ユニット１２２のみが設けられてもよく、同液の圧力が大きい場合には直列する剪断ユニット１２５の数を３つ以上としてもよい。
【００６２】
第２分岐配管１４２（図２参照）は、気泡生成部１２０と配管Ｌ２接続する配管であり、流路１４５及び冷却液路１４６を有する。流路１４５は、配管Ｌ２側は一つの流路であり、気泡生成部１２０側は二つに分岐した流路である。
【００６３】
冷却液路１４６は、流路１４５の周囲に設けられ、チラー１５１から供給された冷却液が通過する液路である。第２分岐配管１４２は、ステンレス鋼等の金属からなるものとすることができる。第２分岐配管１４２の常用耐圧は例えば、大気圧である。
【００６４】
［気泡含有液体製造システムの効果］
上述のように、ポンプ１５０から圧送された液体は、気体送入部１１０で気体が混合され、気泡生成部１２０に圧送される。気泡生成部１２０において液体に含有された気体から微小な気泡が生成され、気泡含有液体が生成される。生成された気泡含有液体は貯槽１５３に貯留される。
【００６５】
気体送入部１１０ではベンチュリ効果によって、液体の圧力に係わらずに気体を送入することが可能である。このため、液体の圧力が高くても気体を高密度で液体に混合させることができ、気泡生成部１２０に対して高圧、かつ高流速で液体を供給することができる。これにより、多量に気泡を含んだ気泡含有液体を高流量で生成することが可能となる。
【００６６】
なお、気泡含有液体製造システム１０では多量に気泡を含んだ気泡含有液体を製造できるため、貯槽１５３に貯留された気泡含有液体を、配管Ｌ４を介してポンプ１５０に再度送出し、気泡の製造プロセスを繰り返す必要は必ずしもない。一方で、必要に応じてポンプ１５０に再度送出し、気泡の製造プロセスを繰り返してもよい。
【００６７】
［冷却について］
上記のように、気体送入部１１０、第１分岐配管１４１、４つの剪断ユニット１２５及び第２分岐配管１４２にはそれぞれ冷却液路１１３、冷却液路１４４、冷却液路１３６及び冷却液路１４６が設けられている（図２参照）。
【００６８】
これらの冷却液路は配管Ｍ１及び配管Ｍ２Ｍを介してチラー１５１に接続され、チラー１５１から供給された冷却液が通液される。冷却液は任意の冷媒を利用することができ、典型的には水である。各冷却液路は、互いに接続されていてもよく、個別にチラー１５１と接続されていてもよい。
【００６９】
また、気泡含有液体製造装置１００において生成された気泡含有液体は、配管Ｌ２を介してクーラー１５２に送出され、クーラー１５２によって冷却された後、配管Ｌ３を介して貯槽１５３に送出され、収容される。
【００７０】
気泡含有液体製造システム１０では上述のように、ポンプ１５０によって液体が気泡含有液体製造装置１００に圧送され、気泡含有液体製造装置１００の各構成には高圧かつ高流速の液体が供給されるため、発熱が生じる。ここで、上記のように気泡含有液体製造装置１００の各部に冷却液路を設け、冷却液を用いて冷却することにより、気泡の生成量の均一化が可能となる。
【００７１】
なお、冷却液路は、必ずしも気泡含有液体製造装置１００の全ての構成に設けられなくてもよく、気体送入部１１０及び剪断ユニット１２５のみのように、気泡含有液体製造装置１００の一部の構成にのみ設けられてもよい。
【００７２】
以上、本発明に実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００７３】
１０…気泡含有液体製造システム
１００…気泡含有液体製造装置
１１０…気体送入部
１１１…流路
１１２…気体供給口
１１３…冷却液路
１１６…細径部
１２０…気泡生成部
１２１…剪断ユニット
１２６…混合器
１２７…ケーシング
１２８…蓋
１３６…冷却液路
１４１…第１分岐配管
１４２…第２分岐配管
１４４…冷却液路
１４６…冷却液路
１５０…ポンプ
【図１】
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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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【図６】
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