(57)【要約】【課題】  微小気泡を高密度に含有する液体を得ることが可能な気泡発生方法および気泡発生装置を提供する。【解決手段】  固体と接触するように液体を保持し、上記液体中に気泡を存在させた状態で、上記固体を破壊しない程度の打撃を上記固体に与える気泡発生方法。また、気泡を含む液体を内部に有する容器１と、上記容器の器壁の一部を、上記器壁を破壊しない程度に打撃する打撃手段２とを備えた気泡発生装置。さらに、液体として、親水基と疎水基を一つの分子に持つ物質を含有する水を用いる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体と接触するように液体を保持し、上記液体中に気泡を存在させた状態で、上記固体を破壊しない程度の打撃を上記固体に与えることを特徴とする気泡発生方法。
【請求項２】
液体として、親水基と疎水基を一つの分子に持つ物質を含有する水を用いることを特徴とする請求項１記載の気泡発生方法。
【請求項３】
気泡を含む液体を内部に有する容器と、上記容器の器壁の一部を、上記器壁を破壊しない程度に打撃する打撃手段とを備えたことを特徴とする気泡発生装置。
【請求項４】
容器は、重力ベクトルに対して液体に被さる側に５°以上９０°以下傾いた器壁内面を備えていることを特徴とする請求項３記載の気泡発生装置。
【請求項５】
液体と接触する器壁内面の少なくとも一部が疎水性であることを特徴とする請求項３記載の気泡発生装置。
【請求項６】
液体と接触する器壁内面の少なくとも一部に凹凸を有することを特徴とする請求項３記載の気泡発生装置。
【請求項７】
打撃手段によって打撃される器壁部に、容器内部の液体中に気体を放出する孔を設けたことを特徴とする請求項３記載の微小気泡発生装置。
【請求項８】
液体として、親水基と疎水基を一つの分子に持つ物質を含有する水を用いることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の微小気泡発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡を含んだ液体を得る気泡発生方法および気泡発生装置に関し、特に気泡の微小化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の気泡発生方法および気泡発生装置においては、例えば特許文献１「超音波を利用した微小気泡発生法及び装置」の要約書に示されるように、気体供給口を液体中に設けた微細管の該気体供給口から液中に供給される気体が完全な気泡を生成する前に、該気体と該液体の気液界面に超音波を付与することで、該気液界面から連続的に複数の微小気泡を生成させており、段落番号［００１３］には、通常の状態の気泡の直径が２ｍｍ程度であるのに対して超音波を加振した場合は微小気泡の径は平均１４μｍであると記載され、段落番号［００１８］には、超音波振動をある程度以上強めると微細管の直径よりも遥かに小さい微小気泡が生成すると記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１１３３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の気泡発生装置および気泡発生方法は、以上のように構成されているので、以下で詳細に説明するように、微小気泡を高密度に含有する液体を得ることができないという問題がある。
すなわち、超音波には波長があり、例えば、２０ｋＨｚであれば１波長は水中で７．５ｃｍである。定在波の場合、超音波の波長の４分の１で腹と節の部分ができるが、気泡は節の部分ではほとんど微小化されず、主に腹の部分で微小化される。したがって、大まかに言って節と腹が液体の容積の半分づつを占めているとすると、液体の容積の半分しか気泡の微小化に使われないことになる。例えば、２０ｋＨｚの超音波を用いる場合、４分の１波長は、約１．９ｃｍとなり、節の部分は約１ｃｍとなる。つまり、厚さ１ｃｍ部分では微小な気泡は生成されない。また、腹の部分に集中的に原料気体を導くことが難しい。したがって、微小気泡を高密度に含有する液体を得ることができない。
【０００５】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、微小気泡を高密度に含有する液体を得ることが可能な気泡発生方法および気泡発生装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
なお、本発明で言う微小気泡とは、直径が百μｍ以下、好ましくは数十μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下の気泡である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る気泡発生方法は、固体と接触するように液体を保持し、上記液体中に気泡を存在させた状態で、上記固体を破壊しない程度の打撃を上記固体に与えるものである。
【０００８】
本発明に係る気泡発生装置は、気泡を含む液体を内部に有する容器と、上記容器の器壁の一部を、上記器壁を破壊しない程度に打撃する打撃手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の気泡発生方法によれば、固体と接触するように液体を保持し、上記液体中に気泡を存在させた状態で、上記固体を破壊しない程度の打撃を上記固体に与えるので、気泡を効率的に微小化することができ、微小気泡を高密度に含有する液体を得ることが可能となる。
【００１０】
本発明の気泡発生装置によれば、気泡を含む液体を内部に有する容器と、上記容器の器壁の一部を、上記器壁を破壊しない程度に打撃する打撃手段とを備えたので、気泡を効率的に微小化することができ、微小気泡を高密度に含有する液体を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による気泡発生装置および気泡発生方法を説明するための図であり、より具体的には、気泡発生装置の構成を模式的に示す図である。
【００１２】
気泡を含む液体を内部に有する容器に相当する気泡発生槽１は、直方体形状であり、内側（内面）の幅５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ３００ｍｍ、容器の器壁に相当する気泡発生槽１の槽壁は例えば透明アクリル製であり、厚さが５ｍｍである。なお、図１では、気泡発生槽１を厚さ方向および長さ方向に平行な面で切断した様子を示しており、槽壁の厚みは省略している。
打撃装置２は、例えば塩ビ製の打撃部２ａを空気圧で連続的または単発的に突き出すことが可能な装置である。打撃の強さは、定量が難しいが、人が軽くたたく程度であり、気泡発生槽１の槽壁が打撃によって微小な時間の間変形し、その後元の形状にほぼ復帰することが可能な程度である。
【００１３】
気泡発生槽１の下部に、気体供給管３として内径０．５ｍｍのステンレス管が設置され、これに気体ポンプ（エアポンプ）４がつながって気体供給手段を構成している。また、気泡発生槽１の下部には、気体供給管３とは別の液体供給管５が配設されており、この液体供給管５が液体ポンプ（水ポンプ）６を介して混合槽７と接続して液体供給手段を構成している。混合槽７には、水道水が配管されており、さらに、気泡融合防止剤が適当な流速で滴下されるようになっている。エアポンプ４および水ポンプ６は任意の流速でそれぞれ気体および液体を流すことができる。
【００１４】
なお、図１は模式図であり、気泡発生槽１、打撃部２ａ、気体供給管３、液体供給管５混合槽７、気泡８、微小気泡含有水出口９等の寸法の比例関係は実寸とは異なる。
【００１５】
気泡融合防止剤としては、親水基と疎水基を一つの分子に持つ物質、例えば、酢酸、イソプロパノール、ヘキサンジオール、プロピオン酸、イソロイシン、アジピン酸などを用いることができる。これらは、気泡同士が融合するのを防止し、かつ、いわゆる石けん水のようにあぶくができることがない一定の両親媒性有機物である。気泡融合防止剤の詳細については、本発明と同一出願人による特願２００３−０７７１１３号明細書「気泡発生装置および気泡発生方法」に記載されているが、（ａ）カルボキシル基を持ち分子量をカルボキシル基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質、（ｂ）カルボキシル基とアミノ基を分子内に持ち分子量をカルボキシル基の数で割った値が９４以上２８０以下である物質、（ｃ）分子内に水酸基を持ち分子量を水酸基の数で割った値が３８以上７３以下である物質、（ｄ）エステル基を持ち分子量をエステル基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質、（ｅ）スルホン酸基を持ち分子量をスルホン酸基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質等が挙げられる。
【００１６】
このような気泡融合防止剤を、最終濃度が０．００１ｍｏｌ／Ｌ以上１ｍｏｌ／Ｌ以下程度になるように水（水道水、河川水、イオン交換水、純水など）に加え、混合槽７で混合される。なお、（ａ）カルボキシル基を持ち分子量をカルボキシル基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質を加える場合には、混合液のｐＨが４以下となるように調整される。
【００１７】
なお、気泡融合防止剤としては、上記以外でエタノールを用いてもよく、さらに、高濃度でよければ、ＮａＣｌなどの塩類を１％程度以上加えてもよい。また、一般的に界面活性剤といわれている物質、たとえば脂肪酸エステル類、アルキルベンゼンスルホン酸類、高級アルコール類、長鎖エーテル類なども、あぶくをあまりいとわない場合には用いることができる。
【００１８】
微小気泡含有水出口９から、微小気泡を含む液体（微小気泡含有水）が導出される。この微小気泡含有水出口９の先に、さまざまな応用手段を接続することにより様々な効果を得ることができる。これについては別の実施の形態で述べる。
【００１９】
図２に、本実施の形態による微小気泡発生プロセスの流れを示す。すなわち、本実施の形態による微小気泡発生プロセスは、気泡融合防止剤混合工程１０１（図１の混合槽７により実現される。）、気泡発生工程１０２（図１の気泡発生槽１、気体供給管３、液体供給管５、エアポンプ４および水ポンプ６により実現される。）、打撃工程１０３（図１の打撃装置２により実現される。）からなり、必要に応じて応用工程１０４を接続するものである。
【００２０】
以下、具体的な実験例について述べる。
【００２１】
実験例１．
図１に示すように、直方体形状の気泡発生槽１を、その長さ方向と幅方向を含む面（槽壁１ａ，１ｂ）、すなわち図１の紙面に直交する面（槽壁）が重力ベクトルに対して約１０°傾くように設置した。槽壁（少なくとも槽壁内面）１ａは内部の液体に被さる側に傾き、槽壁（少なくとも槽壁内面）１ｂは内部の液体を受け止める側に傾いている。液体として水道水を用い、流速１００ｍＬ／分で流した。気泡融合防止剤として１，２−ヘキサンジオールを用い、最終濃度が０．００８ｍｏｌ／Ｌとなるように、混合槽７で溶解混合した。気体として空気を用い、１ｍＬ／分の流速で導入した。このとき発生した気泡８は直径が約１ｍｍ〜２ｍｍの大きいものであった。この気泡８は、ステンレス管３からはずれた後は、水中を上昇した後、槽壁１ａにぶつかり、槽壁１ａに沿ってさらに上昇した。その後、水と共に、微小気泡含有水出口９から導出された。
【００２２】
次に、同様にして、気泡融合防止剤を含む水と空気とを気泡発生槽１に供給しながら、同時に打撃装置２で気泡発生槽１の槽壁１ａに槽壁１ａの液体との接触面と反対側の面から打撃を１秒に１回の頻度で与えた。すると、上昇しつつあった気泡８は微細化（微小化）され、水は白濁した。そのときの様子を槽壁１ｂの方向からＣＣＤカメラで撮影した写真を１０ｍｍのスケールとともに図３に示す。図３において、黒く見えるところは泡のない水で白く見えるのが気泡である。これからわかるように、打撃前は１ｍｍ以上あった気泡８が瞬時に微小化され、微小気泡により白濁した水となった。
【００２３】
さらに、超高速度ビデオカメラで打撃の瞬間を槽壁１ｂの方向から撮影した。その結果を図４（ア）〜（エ）に１ｍｍのスケールとともに示す。打撃は１回のみ行なった。図４に示す写真は、約１ミリ秒ごとに撮影した連続画像である。（ア）は打撃前であり、直径約１ｍｍの気泡が写っている。（イ）は打撃の直後であり、丸い気泡が大きく変形している。（ウ）と（エ）は微小な気泡が発生している場面である。気泡の大きさは、この写真からだけでは分かりにくいが、１０μｍ程度の気泡も多く含まれることが分かった。また、連続で打撃を行なうと、１回では１０μｍ以下とならなかった気泡もすべて１０μｍ以下となった。１０μｍ以下の微小気泡のみを含む水は、完全に白濁して見え、白濁した水が微小気泡含有水出口９から送出された。
【００２４】
上記実験例では、気泡発生槽１の槽壁（少なくとも槽壁内面）１ａを内部の液体に被さる側にを１０°傾けたので、微小化される元の気泡が器壁内面に接触しやすくなり、より微小な気泡を得ることができたが、気泡発生槽１の槽壁（少なくとも槽壁内面）１ａは必ずしも傾ける必要がない。また、傾けた場合にも、１０°に限らず９０°未満であればよい。さらに、９０°すなわち槽壁（少なくとも槽壁内面）１ａが横倒し状態であってもよい。さらに、９０°を超えて傾けた場合には、気泡の出口である微小気泡含有水出口９が入口である気泡発生槽１の気体供給管３設置位置よりも低くなるため気泡が出にくくなる場合があるが、気泡は微小化される。
【００２５】
また、上記実験例では、ヘキサンジオールを添加物（気泡融合防止剤）として用いたが、これに限るものではなく、上述した（ａ）カルボキシル基を持ち分子量をカルボキシル基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質、（ｂ）カルボキシル基とアミノ基を分子内に持ち分子量をカルボキシル基の数で割った値が９４以上２８０以下である物質、（ｃ）分子内に水酸基を持ち分子量を水酸基の数で割った値が３８以上７３以下である物質、（ｄ）エステル基を持ち分子量をエステル基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質、（ｅ）スルホン酸基を持ち分子量をスルホン酸基の数で割った値が４７以上１４０以下である物質の何れを添加してもよい。具体的には、例えば、酢酸、イソプロパノール、プロピオン酸、イソロイシン、アジピン酸などでもよい。また、エタノールでもよく、さらには、高濃度でよければ、ＮａＣｌなどの塩類を１％程度以上加えてもよい。あぶくをいとわない場合には、他の界面活性剤も用いることができる。
【００２６】
また、打撃の回数は、上記実験例１では１回／秒としたが、これに限るものではなく、多くても少なくても気泡は微小化される。ただし、多い方が気泡はより小さくなる傾向がある。
【００２７】
また、水流速も１００ｍＬ／分としたが、これに限るものではなく、多くても少なくてもよい。
【００２８】
また、ガス流速は１ｍＬ／分としたが、これは水流速に依存し、これより少ないと、気泡径が小さくなる傾向がある。また多すぎると気泡にならず、おおむね、水流速の１／１０程度以下が望ましい。ただし、これも気泡発生槽１の形状や大きさ、打撃部分２ａの面積に依存する。概して、気泡発生槽１が大きいほど、また打撃部分２ａの面積が大きいほど、空気流量は多くてもよい。
【００２９】
また、気体は空気を用いたが、酸素、オゾン、炭酸ガス、メタン、塩素など何でもよい。ただし、炭酸ガスやアンモニアなどの水への溶解性が非常に高い場合には、気泡流速を他のものに比べて上げる必要がある。
【００３０】
実験例２.
打撃装置２は気泡発生槽１の一面だけでなく、複数の面に設置し、気泡発生槽１の複数の面から同時に打撃してもよい。一例として、気泡発生槽１は直方体形状であり、内面の幅２０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、槽壁は例えば透明アクリル製で厚さが５ｍｍとした。気泡発生槽１を、その長さ方向と幅方向を含む面（槽壁１ａ，１ｂ）、すなわち図１の紙面に直交する面（槽壁）が重力ベクトルに対して約１０°傾くように設置した。この気泡発生槽１の長さ方向に平行な４面（４つの槽壁）にそれぞれ打撃装置２を設置し、４つの槽壁を液体との接触面と反対側の面から同時に打撃した。
その結果、微小気泡がより小さくなった。また、実験例１の打撃装置２が１台の場合に比べて気泡径が均一になった。これは、導入された気泡への打撃エネルギーが、打撃装置２を増やすことによって均一になるためと考えられる。
【００３１】
なお、上記では、打撃装置２として、空気圧の変動を利用するものについて述べたが、打撃力を与えるものであれば何でもよく、例えば、バネの先に重りを付け、バネの伸びる力を利用して重りを気泡発生槽１にぶつけるもの、重りを回転させ重りを気泡発生槽１にぶつけるもの、などが挙げられる。
【００３２】
また、気泡発生槽１の長さ方向に垂直な断面形状は四角である必要はなく、三角、六角、八角、円形、楕円形など何でもよい。六角や円形などにすると、打撃装置２あるいは打撃部位を増やすこともでき、より小さい微小気泡を得ることができる。
【００３３】
以上のように、本実施の形態によれば、固体（気泡発生槽１）と接触するように液体を保持し、液体中に気泡を存在させた状態で、固体を破壊しない程度の打撃を固体に与えることにより気泡を微小化している。具体的には、気泡を含む液体を内部に有する容器（気泡発生槽１）と、容器の器壁（気泡発生槽１の槽壁）の一部を、器壁（槽壁）を破壊しない程度に打撃する打撃手段２とを備えた。したがって、上述した気体と液体の気液界面に超音波を付与することによって微小気泡を生成させる従来技術では、定在波の主に腹の部分でしか微小化できないので効率が悪いのに比べて、本実施の形態では、槽壁１ａと１ｂ間の距離を短くすることにより、槽壁１ａと１ｂ間の全ての領域で気泡を微小化することができるので、液体の容積を有効に利用して気泡を効率的に微小化することができ、微小気泡を高密度に含有する液体を得ることが可能となる。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態１では、気泡発生槽１を、その長さ方向と幅方向を含む面（槽壁１ａ，１ｂの少なくとも内面）、すなわち図１の紙面に直交する面（槽壁）が重力ベクトルに対して傾くように設置し、長さ方向と幅方向を含む槽壁１ａ，１ｂの内の上側の槽壁１ａ（内部の液体に被さる側に傾いた槽壁１ａ）を打撃したが、図５に要部を示すように、下側の槽壁１ｂ（内部の液体を受け止める側に傾いた槽壁１ｂ）を打撃してもよい。
【００３５】
この場合には、打撃のエネルギーが、水を介して気泡８に伝わるため、水の厚さは薄い方が、すなわち上側の槽壁１ａと下側の槽壁１ｂ間の距離は短い方が、気泡は小さくなる。また、その場合、打撃部２ａや槽壁の構造および材質に依存するが、気泡の位置が、打撃側の槽壁１ｂから遠いほど、生じる気泡は大きくなる。その結果、気泡発生槽１から出ていく気泡径に分布が生じる。
【００３６】
すなわち、均一な大きさの気泡を得たい場合には、傾けた気泡発生槽１の上側の槽壁１ａすなわちステンレス管３から導入した微小化の元になる気泡８が接し易い側を打撃した方が良いが、様々な大きさの気泡を同時に得たい場合には、下側の槽壁１ｂを打撃するのが良い。
【００３７】
なお、このような気泡の大きさの分布を得るためには、気泡発生槽１の長さ方向と幅方向を含む面（槽壁１ａ，１ｂの少なくとも内面）が重力ベクトルと平行になるように設置し、気泡発生槽１に導入した気泡が、気泡発生槽１中でなるべくまんべんなく分布するようにしてもよい。この場合には、槽壁１ａ，１ｂのいずれか一方を打撃すると、気泡の大きさの分布幅が大きくなり、槽壁１ａ，１ｂの両方を打撃すると、気泡の大きさの分布幅は狭いが微小化された気泡の割合が多くなる。
なお、様々な大きさの気泡を同時に得るのが望ましい場合とは、例えば、微小気泡含有水を脱脂洗浄に用いる場合などがあるが、これについては後述する。
【００３８】
実施の形態３．
上記各実施の形態では、気泡発生槽１への気泡の導入に、気体供給管３と気体ポンプ４を用いたが、一般的にマイクロバブラーとか微小気泡発生装置と呼ばれる装置を用いてもよい。このような装置の主なものとして、微小な孔が集合したものから気体を放出させるもの、たとえば、ガラスフィルターと呼ばれるガラス粉の焼結体、同様なセラミックや金属の焼結体、細管を束ねたもの、金属板やプラスチックフィルム等に微小な孔を複数開けたものなどがある。また別の方式として、激しい乱流を起こしてそこに気体を引き込むもの、たとえば、エジェクターとかダイナミックミキサ、エンペラー撹拌などと呼ばれるものがある。さらに、一旦高圧や低温で気体を液体に溶解し、その後低圧や高温にして気体を気泡にするものがある。さらにまた、上記のいずれか複数を組み合わせたものなどがある。
【００３９】
以下、エジェクターを用いて、微小気泡含有水を生成する実施の形態について、図６を基に説明する。エジェクター１０とは、管中に細いくびれの部分を作り、一方から高圧水を導入すると、くびれの部分が低圧になる現象を利用したものであり、低圧部（くびれ部分）に気体導入口を設ける（気体供給管３を接続する）と、気体が液中に巻き込まれる。巻き込まれた部分は激しい乱流となるため、気体は引きちぎられ比較的微小な気泡が発生するものである。アスピレーターと呼ばれるものもこの原理を用いている。エジェクターを用いる場合には、動力源として水用のポンプ６だけでよい、すなわち気体用ポンプが不要というメリットがある。
【００４０】
以下、具体的な実験例について述べる。水流量を１０Ｌ／分とした場合、空気は６Ｌ／分吸い込まれた。水量、空気量共に実施の形態１で示した実験例に比べて非常に多くなっているので、気泡発生槽１や打撃部２ａも大きくする必要がある。そこで、気泡発生槽１内側（内面）の幅５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、長さ１０００ｍｍとし、槽壁は例えば透明アクリル製で厚さが１０ｍｍとした。打撃力は実施の形態１の場合より１０倍程度に大きくした。打撃面積も１０倍程度大きくし、また、打撃頻度も１０回／秒程度とした。その他の条件は実施の形態１の実験例１の場合と同じにした。
これにより、エジェクター１０から導入した直後の気泡８径は０．５ｍｍ程度のものが多かったが、微小気泡含有水出口９から出てくる気泡は、３０μｍ程度のものがほとんどであったが、１０μｍ以下のものも多く含まれていた。
【００４１】
なお、図６は模式図であり、気泡発生槽１、打撃部２ａ、気体供給管３、液体供給管５混合槽７、気泡８、微小気泡含有水出口９、エジェクター１０等の寸法の比例関係は実寸とは異なる。
【００４２】
なお、例えば実施の形態１の実験例２のように、気泡発生槽１の長さ方向に平行な４面（４つの槽壁）にそれぞれ打撃装置２を設置したり、実施の形態２のように、下側の槽壁１ｂ（内部の液体を受け留める側に傾いた槽壁１ｂ）を打撃するというように、打撃頻度を変えたり、水流量を変えると、出てくる気泡径の分布も変化した。これは、実施の形態１および２で説明したのと同様である。
【００４３】
なお、本実施の形態の場合は、図２の微小気泡発生プロセスの流れを示す図の気泡発生工程１０２が気液混合工程に置き換わる。
【００４４】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４による気泡発生装置および気泡発生方法を説明するための図であり、より具体的には、気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
上記各実施の形態では、気泡発生槽１の槽壁内面（気泡を含む液体を内部に有する容器の器壁内面）は何の加工も施さず、平板状の透明アクリルのままであった。これに対して、本実施の形態では、気泡発生槽１の液体と接触する槽壁内面の少なくとも一部を疎水性としている。図７において、１１は内面を疎水性とした槽壁である。
【００４５】
このように、気泡発生槽１の内側の少なくとも一部を疎水性とすることにより、導入した気泡や微小化した気泡が疎水性部分に付着し易いため、気泡が気泡発生槽１内に留まる時間が長くなる。さらに、気泡が槽壁に付着すると、打撃エネルギーをより多く受けることができる。その結果、疎水性にしない場合に比べてより微小な気泡を得ることができる。特に、気泡導入量が少ない場合には、顕著な効果が得られた。
【００４６】
槽壁内面を疎水性にする方法として、フッ素樹脂やポリエチレンなどの疎水性の材質で槽壁を作ったり槽壁内面をおおったり、グリースなどの疎水性物質を槽壁内面に塗ったり、槽壁を構成するガラスや金属などの内面表面に疎水性基をもつ吸着材、例えば、シラン剤や、アルキルチオールなどのチオール基を持つ物質、を化学吸着させたり物理吸着させたりすることで達成できた。
【００４７】
なお、気泡発生槽１の内面を全て疎水性にしてもよいが、一部のみを疎水性にした場合にもで効果があった。
例えば、図７に示したように、直方体形状の気泡発生槽１を、その長さ方向と幅方向を含む面（槽壁１ａ，１ｂ）、すなわち図７の紙面に直交する面（槽壁）が重力ベクトルに対して傾くように設置した場合、内部の液体に被さる側に傾いている槽壁１ａの液体と接触する内面は導入した気泡や微小化した気泡が付着し易く、少なくともこの部分を疎水性にすることによりさらに気泡が付着し易くなるので、この部分に打撃を与えることにより、効率的に気泡を微細化することができて好ましい。
また、気泡発生槽１の出口付近は親水性の方が、発生した気泡がスムーズに出ていく効果があった。
また、気泡発生槽１の内側全面、あるいは図７の内部の液体に被さる側に傾いている槽壁１ａ内面の全面をまだらに疎水性にしても、気泡がつきすぎてうまく流れなくなるのを防止する効果があった。
【００４８】
実施の形態５．
上記実施の形態４では、液体と接触する槽壁内面の少なくとも一部が疎水性である場合について示したが、液体と接触する槽壁内面の少なくとも一部に凹凸を有する場合にも同様の効果が得られる。
凹凸の具体例として、図８は突起１２を設けた場合、図９は溝１３を設けた場合、図１０は階段状突出部１４を設けた場合をそれぞれ示している。図９の溝１３および図１０の階段状突出部１４は、ヤスリや紙ヤスリなどで槽壁を擦ることにより形成した。また、図８の突起１２は、直径０．１ｍｍ、長さ０．５ｍｍの多数の円柱状微小ポリスチレンを槽へ接着することにより形成した。
【００４９】
これらの凹凸はいずれも、導入した気泡が付着しやすいものであり、上記実施の形態４で説明した内面を疎水性とした槽壁と同様に気泡の微小化に十分効果があった。特に、図１０に示すように階段状突出部１４を設けた場合には、隣り合う階段状突出部１４間の溝に打撃エネルギーが集中するためか、図８や図９に示した場合に比べて発生した気泡が小さくなった。
【００５０】
なお、気泡発生槽１の内側全てに凹凸を有するようにしてもよいが、上記実施の形態４の場合と同様に、一部のみに凹凸を有するようにした場合にも効果があった。
【００５１】
実施の形態６．
図１１は本発明の実施の形態６による気泡発生装置および気泡発生方法を説明するための図であり、より具体的には、気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。図１１（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
上記各実施の形態では主に気泡発生槽１（気泡を含む液体を内部に有する容器）が直方体形状である場合について説明したが、本実施の形態では、気泡発生槽１は２重円筒形状を有している。気泡を含有する液体（気泡含有水）は外側円筒（外側の円筒状槽壁）１１０と内側円筒（内側の円筒状槽壁）１２０間を流通する。また、内側円筒１２０のさらに内側には、打撃装置２が配置されている。打撃装置２としては、例えば圧縮空気駆動式のものが用いられ、圧縮空気流通路２ｂを有する。
【００５２】
このような構成により、内外２つの円筒１ａ，１ｂ間を流れる気泡含有水全体に打撃エネルギーを与えることが簡単にできた。その結果、多数の微小気泡を容易に得ることができた。
【００５３】
なお、図１１では、液体（気泡含有水）は外側円筒（外側の円筒状槽壁）１１０と内側円筒（内側の円筒状槽壁）１２０間を流通し、打撃装置２を内側円筒１２０のさらに内側に配置して内側円筒１２０（内側の円筒状槽壁）を打撃するように構成したが、図１２に示すように、液体（気泡含有水）は内側円筒（内側の円筒状槽壁）１２０の内側を流通し、打撃装置２を外側円筒（外側の円筒状槽壁）１１０と内側円筒（内側の円筒状槽壁）１２０間に配置して内側円筒１２０（内側の円筒状槽壁）を打撃するように構成してもよく、同様の効果が得られる。
【００５４】
実施の形態７．
図１３は本発明の実施の形態７による気泡発生装置および気泡発生方法を説明するための図であり、より具体的には、気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
本実施の形態では、例えば、図１３に示すような圧縮空気駆動の打撃装置２を、気密にされた例えば金属製の箱２１などに挿入し、この箱２１を、気泡を含む液体（気泡含有水）が底部から流入する気泡発生槽１の中（気泡含有水中）に挿入した。
この箱２１の壁を内部から打撃することによって、微小気泡が多数得られた。なお、気泡含有水は気泡含有水供給管２０によって気泡発生槽１内に供給される。
また、打撃装置２が内部に挿入された箱２１は例えば気泡発生槽１に固定された支持体２２によって、気泡発生槽１の所定の位置に保持されている。
【００５５】
なお、本実施の形態では、気泡発生槽１と箱２１とにより、気泡を含む液体を内部に有する容器を構成しており、箱２１の壁は容器の器壁に相当する。
【００５６】
このように、本実施の形態によれば、気泡含有水を保有する気泡発生槽１に、打撃装置２が内部に挿入された箱２１を挿入することにより、非常に簡便に、微小気泡を発生させることができるという効果がある。
【００５７】
もちろん、箱２１中に液体が侵入しても、打撃による気泡の微小化は起こるので、箱２１は機密であることは絶対条件ではない。ただし、箱２１内部の液体により、打撃力が弱まる可能性や打撃装置２が壊れやすくなる可能性がある。また、箱２１の一部を水面から上に出しておけば、必ずしも箱２１を気密にする必要はなく、箱２１の水面から出ている部分は開放されていてもよい。
【００５８】
なお、図１４に示すように、打撃装置２が挿入された箱２１と、例えば微小な孔の開いたガラスフィルター等からなる気泡供給装置２４とを一体化することによって、打撃装置２が挿入された箱２１と気泡供給装置２４とを一度に気泡含有水中に挿入することができ、より簡便に微小気泡を発生させることができる。
【００５９】
実施の形態８．
図１５は本発明の実施の形態８による気泡発生装置および気泡発生方法を説明するための図であり、より具体的には、気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す縦断面図である。
上記実施の形態１〜６では、気泡は気泡発生槽１の液体導入口またはその近傍から導入した。これに対して、本実施の形態では、打撃装置２によって打撃される器壁部に相当する槽壁１ａ（例えば、図１に示したように、直方体形状の気泡発生槽１を、その長さ方向と幅方向を含む面が重力ベクトルに対して傾くように設置した場合、内部の液体に被さる側に傾いている槽壁１ａ）に複数の孔２５を設け、気体供給路２６から供給された気体（例えば空気）を孔２５から気泡として気泡発生槽１内部の液体（例えば水）中に放出するようにしている。
【００６０】
このような構成とすることにより、打撃装置２によって打撃される器壁部である槽壁１ａに気泡をより効率的に付着させることができ、より微小な気泡を多数得ることができた。
【００６１】
なお、図１５に示すように、気泡を放出するようにした槽壁１ａを打撃するように構成してもよいし、図１６に示すように、気泡を放出するようにした槽壁１ａと対向配置された槽壁１ｂを打撃するように構成してもよい。また、複数の孔２５を持つ槽壁１ａの形成方法としては、金属やプラスチックやガラスなどの固体にドリルやレーザー光などで孔を開けてもよいし、ガラス粒子や金属粒子やセラミック粒子を固めて小さい孔を形成した固体を槽壁１ａに用いてもよい。槽壁１ａは固いことが望ましいが、柔らかいシートでも気泡は微小化された。
【００６２】
実施の形態９．
図１７は本発明の実施の形態９による気泡発生装置および気泡発生方法を説明するための図であり、より具体的には、気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す縦断面図である。
上記実施の形態１〜５では、槽壁１ａを傾けて、供給される気泡が槽壁１ａに接しやすくなるようにした。これに対して、本実施の形態では、より効率的に気泡を槽壁１ａに接するようにするために、気泡を含む液体を噴流にして槽壁にぶつけるようにしている。
【００６３】
より具体的には、図１７に示すように、たとえば、エジェクター１０では気泡含有水の噴流が発生するので、これを打撃装置２が設置された槽壁１ａにぶつけたところ、図６に示したように気泡発生槽１の底面から供給した場合に比べて、より小さい気泡が発生した。
【００６４】
なお、上記では気泡含有水の噴流を発生させるのにエジェクター１０を用いたが、これに限るものではないのは言うまでもない。
【００６５】
実施の形態１０．
器壁の打撃による気泡の微小化において、より微小な気泡を得るためには、供給する気泡もより小さい方が良い。
そこで、本発明の発明者らが鋭意研究した結果、これまでに最も小さい気泡が得られた気泡供給装置について述べる。
実施の形態３では、マイクロバブラーとか微小気泡発生装置と呼ばれる装置の例として、ガラスフィルターなど、微小な孔が集合したものから気体を放出させるものを用いることができると述べたが、孔から液体に気体を出して、気泡を発生する場合、孔径よりも直径の大きい気泡が発生する。放出される気泡は、孔の周りにまずドームを作り、それが風船のように膨らみ、最後に浮上する。この風船状の気泡をここでは、風船気泡と呼ぶことにする。液体や孔が静止状態であれば、風船気泡は、孔との接合力が浮力より小さい場合に、気泡として液体中を浮上する。
【００６６】
われわれの実験によれば、接合力は、孔周りの材質や形状、液体の性質に依存していることが分かった。すなわち、より小さい気泡を作るための条件として、液体に水を用いる場合には、孔周りの材質は水との親和性の弱い疎水性よりは親水性の材質が良い。すなわち、フッ素樹脂やポリプロピレンなどよりも、ガラスや金属が良い。もちろん親水化処理をしたプラスチックも良い。孔の大きさは、小さいほど良い。
液体については、表面張力が小さいほどよいが、それほど影響を受けない。ところが、これらよりももっと大きく影響を与えるものが、孔と液体の相対的な動きである。すなわち、これらの動きによる力と浮力の合成力が、気体と孔周りとの接合力に勝った場合に、気体は液体中に気泡として放出される。浮力は基本的には気泡が大きいほど大きくなるため、浮力だけで気泡になるためには、孔径よりも大きな気泡である必要があるが、他の力が加わった場合には、より小さい気泡が発生するのである。
【００６７】
具体的な気泡供給装置の例として、図１８に縦断面図を示すように、円管２７内に円管２７の内径より２ｍｍ外径が小さい円筒状のガラスフィルター（小さいガラス粒子を熱で押し固めて小さい孔を形成したもの）２８を挿入し、ガラスフィルター２８の周りに（円管２７とガラスフィルター２８の間に）１ｍｍ程度の水路を作り、ここに水を線流速５ｍ／秒で流し、一方で、その水流中にガラスフィルター２８を通して空気を０．５Ｌ／分で供給した。なお、円筒状のガラスフィルター２８の両端には、気体が漏れるのを防止するために、例えばシリコーンゴムからなる端板２９を配置した。
【００６８】
この気泡供給装置を、水槽に設置したところ、直径２０μｍ〜１００μｍ程度の気泡が多数得られた。なお、水槽内の水にはヘキサンジオールを０．００８ｍｏｌ／Ｌ含むようにした。
そこで、この気泡供給装置を図１７のエジェクター１０の代わりに設置し、槽壁１ａを打撃したところ、直径５μｍ〜２０μｍの微小気泡が多数得られた。このときの気泡の様子を槽壁１ｂの方向からＣＣＤカメラで撮影した写真を２ｍｍのスケールとともに図１９に示す。黒く見えているのが気泡である。
【００６９】
なお、上記では、気泡を放出する部材をガラスフィルター２８としたが、ステンレス板やプラスチックの板に微小な孔を開けたもの、細管なども用いることができる。必要なことは、気泡が放出される方向とほぼ直角の方向に水流が存在することであり、またその水流は速いほど気泡は小さくなった。
【００７０】
水流を利用した気泡供給装置の別の構成として、図２０に、ステンレス板で作った箱３１に気体放出のための微小孔（気体放出孔）３０をあけ、気体供給管３を接続した場合の縦断面図を示す。箱３１は３個有り、直径１００μｍ程度の気体放出孔３０が多数設けられた面が水流通過用の所定の間隙（例えば１ｍｍ程度）をあけて対向するように固定部材３２によって固定されている。水流は、図１８の場合と同様に幅が１ｍｍ程度の間隙を、線流速５ｍ／秒で通過した。これにより、図１８のガラスフィルター２８を用いた場合に比べて大きいけれども、直径５０μｍ〜２００μｍの微小気泡を多数得た。
また、この気泡供給装置を図１７のエジェクター１０の代わりに設置し、槽壁１ａを打撃したところ、直径５μｍ〜２０μｍの微小気泡が多数得られた。
【００７１】
なお、図１８および図２０に示したような水流を利用した気泡供給装置は、かならずしも槽壁を打撃して気泡を微小化する装置と組み合わせる必要はなく、そのままで微小気泡発生装置として用いることもできる。
【００７２】
実施の形態１１．
これまでは、気泡の微小化について述べてきたが、以下では、このようにして得られた微小気泡（実施の形態１０で述べた、水流を利用した気泡供給装置で槽壁を打撃しないで得られた気泡も含む）の利用方法について述べる。
まず、脱脂洗浄装置がある。気泡は油分との親和性が強く、気泡水流により洗浄できることは、既に本発明と同一出願人により出願された特願２００３−０７７１１３号明細書中で述べた。ところで、被洗浄物には細かい傷などが存在し、その中に油分があると、そこに気泡が到達しにくく洗いにくい。ところが、本発明による気泡発生方法あるいは気泡発生装置により発生した微小気泡を含む液体（微小気泡含有水）を、被洗浄面にぶつけるようにしたところ、そのような傷中の油分も除去することができた。油分としては、石油類、潤滑油、機械油や食用油脂などが含まれる。例えば、食器洗浄機としても用いることができる。
【００７３】
気体の液体への溶解量は、一般的に、気体の圧力に依存するが、その気体の圧力と液体中の濃度の平衡状態に達するまでの時間は、気体と液体の界面面積に依存する。界面面積が大きいほど早く溶け好都合である。同じ気体総体積であれば、気泡の直径が小さいほど界面面積は大きくなる。そこで、本発明の気泡発生装置を用いて、気体を微小気泡とすれば、溶解速度を格段に速めることができる。さらには、微小気泡を含む水に１気圧以上の圧力を印加して溶解した場合、１気圧に戻しても過飽和状態を保ち、気泡が発生しない。これは、一般的に、過飽和状態から気泡が発生するためには、気泡核とよばれる微粒子等が必要なためである。
【００７４】
すなわち、本発明による気泡発生装置を用いることにより、気体の過飽和溶解水も容易に得ることができる。例えば、気体としてオゾンを用いた場合には、超高濃度オゾン水として、有機物の除去などに用いれば、これまでにない効率的な有機物洗浄装置になり得る。それは、有機物の除去速度は一般的にオゾン濃度に依存するからである。同様な理由でシリコンの高速酸化膜生成などにも用いることができる。
さらには、気体をメタンとし、微小気泡化して低温にすれば比較的容易にハイドレート化し、メタンの輸送や貯蔵に用いることができる。
【００７５】
また、微小気泡であると、浮上速度が非常に小さくなるため、実質的に高濃度に気体が溶解した水と見なすことができる。気体として酸素や空気を用いた場合には、水中生物の環境改善法にもなる。よって、水中生物の養殖、嫌気生物の除去などにも効果的に用いることができる。
【００７６】
また、泡風呂としても有効である。この場合、気泡融合防止剤として、酢酸、エタノール、ロイシンなどのアミノ酸、塩化ナトリウムなど、生物由来の物質あるいは食品または食品添加物あるいは薬品として認許されている物質を用いるのが望ましい。
【００７７】
これまで述べてきた気泡発生装置は、微小な気泡を発生させるために使われることを説明してきた。しかしながら、打撃のエネルギーをより軽微にすると、微小気泡が発生しなくとも、微小気泡の元になる気泡の気液界面が激しく振動する。これにより、気液界面の面積が大きくなることや拡散が速められることなどにより、気泡中の気体がより速く液体に溶解する。よって、これまで述べてきた全ての気泡発生装置において、微小気泡を発生させるという使い方以外に、必ずしも超微小気泡生成過程を経ないで気体を溶解させるという使い方も可能である。
【００７８】
なお、上記全ての実施の形態において、気泡融合防止剤を添加したことにより、気泡の融合を防止できるので、微小気泡をより多数得ることができるという効果が認められるが、必ずしも添加する必要はない。添加しない場合には、生成される気泡径は大きくなるが、元の気泡に比べると、本発明による気泡発生方法あるいは気泡発生装置により、気泡は微小化される。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１による気泡発生装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による微小気泡発生プロセスの流れを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係り、打撃後の気泡の様子をＣＣＤカメラで撮影した写真を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係り、打撃の瞬間の気泡の様子を超高速度ビデオカメラで撮影した写真を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２による気泡発生装置の要部構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３による気泡発生装置の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４による気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５による気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５による気泡発生装置の要部の別の構成を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態５による気泡発生装置の要部のさらに別の構成を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態６による気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態６による気泡発生装置の要部の別の構成を模式的に示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態７による気泡発生装置の構成を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態７による気泡発生装置の別の構成を模式的に示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態８による気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態８による気泡発生装置の要部の別の構成を模式的に示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態９による気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態１０による気泡発生装置の要部の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態１０に係り、打撃後の気泡の様子をＣＣＤカメラで撮影した写真を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態１０による気泡発生装置の要部の別の構成を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  気泡発生槽、１ａ，１ｂ  槽壁、２  打撃装置、２ａ  打撃部、２ｂ  圧縮空気流通路、３  気体供給管、４  気体ポンプ、５  液体供給管、６  液体ポンプ、７  混合槽、８  気泡、９  微小気泡含有水出口、１０  エジェクター、１１  内面を疎水性とした槽壁、１２  突起、１３  溝、１４  階段状突出部、２０  気泡含有液体供給管、２１  箱、２２  支持体、２４  気泡供給装置、２５  孔、２６  気体供給路、２８  ガラスフィルター、３０  気体放出孔、３１  箱、３２  固定部材、１１０  外側円筒（外側の円筒状槽壁）、１２０  内側円筒（内側の円筒状槽壁）。
【図２】
2005138022.tif 000003
【図２０】
2005138022.tif 000004
【図１】
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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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【図７】
2005138022.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005138022.tif 000018
【図１６】
2005138022.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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