(57)【要約】【課題】ナノバブルの発生条件やナノバブルの径を容易に制御することが可能なナノバブル発生装置を提供する。【解決手段】ナノバブル発生装置１では、加圧ポンプ４０は、流路内に供給された水と気体とを第１の圧力に加圧して、水と気体とが混合された加圧混合水を流路内に送り出す。加圧溶解水保持室５０は、加圧混合水を第１の圧力に維持して、気体が水に溶解した加圧溶解水を保持する。減圧室６０は、加圧溶解水を第１の圧力よりも低い第２の圧力に減圧する。回転軸体７０は、加圧溶解水保持室５０と開口５１とを貫通し、減圧室６０内に達するように配置されている。回転羽根体７１は、回転軸体７０の先端に取り付けられ、かつ、減圧室６０内に配置され、一条のウォーム形状を有する。モータ７２は、回転軸体７０を回転させる。吐出管路８０は、減圧室６０から水と気体とを吐出する。【選択図】図１
2013107060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と気体とが流通する流路と、
前記流路に配置され、前記流路内に供給された水と気体とを第１の圧力に加圧して水と気体とが混合された加圧混合水を前記流路内に送り出す加圧混合水供給部と、
前記流路に配置され、前記加圧混合水を前記第１の圧力に維持して気体が水に溶解した加圧溶解水を保持する加圧溶解水保持室と、
前記加圧溶解水を前記第１の圧力よりも低い第２の圧力に減圧する減圧室とを備え、
前記加圧溶解水保持室と前記減圧室との間は前記加圧溶解水を通過し得るだけの径を有する開口で接続されており、さらに、
前記加圧溶解水保持室と前記開口とを貫通し前記減圧室内に達するように配置された回転軸体と、
前記回転軸体の先端に取り付けられ、かつ、前記減圧室内に配置された一条のウォーム形状の回転羽根体と、
前記回転軸体を回転させるモータと、
前記減圧室から水と気体とを吐出する吐出管路とを備え、
前記回転軸体を回転させることにより、前記開口を通じて前記加圧溶解水保持室内から前記減圧室内に向かって加圧溶解水が減圧されて噴出するように構成され、前記モータの回転数が可変である、ナノバブル発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細気泡としてナノバブルを発生させるナノバブル発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ナノバブル、すなわち、１μｍ（１０００ｎｍ）以下の径の気泡を大量に含む水は、ナノバブルを含まない水と比較して、殺菌や脱臭の効果や、生物の生理活性を促進したり新陳代謝機能を高めたりする効果がより高いことが知られている。ナノバブルを含む水は、例えば、うがい水として用いられれば、口内を殺菌することができる。また、たとえば、ナノバブルがオゾンによって形成されれば、殺菌や脱臭の効果をよりいっそう高めることができる。一方、ナノバブルが酸素によって形成されれば、ナノバブルを含む水を水耕栽培に用いて、植物の成長を促進することができる。これは、ナノバブルの状態の酸素は、水中に溶解している酸素と比較して、水耕栽培される植物に吸収されやすいためであると考えられる。
【０００３】
このような特性を有するナノバブルは、数μｍ〜数十μｍのマイクロバブルが水中で自然に収縮し続けて圧壊することによって生成される場合がある。しかし、このように自然に生成されるナノバブルは、短時間で消滅してしまい、生成量も少なく、実用的でない。
【０００４】
一方、ナノバブルは、電解質イオンを含む水中の微細気泡を強制的に圧壊させて発生させることによって、長期間に亘って消滅せずに保持されることが知られている。電解質イオンを含む水中でマイクロバブルを強制的に圧壊させてナノバブルを発生させると、ナノバブルの気泡界面がマイナスに帯電する。水中においてマイナスに帯電したナノバブルのひとつひとつは、互いに反発し合う。また、ナノバブルの気泡界面の電解質イオンが殻の役割を果たす。そのため、電解質イオンを含む水中に生成されたナノバブルは消滅しにくい。
【０００５】
たとえば、特許第４１４４６６９号公報（以下、特許文献１という）には、容器内の水溶液に微細気泡を混合させてから、電解質イオンを水溶液に混入させ、その後、容器内の水溶液に水中放電に伴う衝撃波や超音波を物理的刺激として加えることによってナノバブルを製造する方法が記載されている。また、容器内の水溶液に微細気泡を混合させてから、容器内に取り付けられた回転体を５００〜１００００ｒｐｍで回転させることによって水溶液を流動させ、流動時に生じる圧縮、膨張及び渦流を物理的刺激として加えることにより、ナノバブルを製造する方法が記載されている。
【０００６】
また、たとえば、特許第４４３０６０９号公報（以下、特許文献２という）には、マイクロバブルを圧壊させてナノバブルを生成するバブル圧壊手段として、羽根付き回転体を用いたナノバブル発生装置が記載されている。
【０００７】
さらに、たとえば、特開２００２−８５９４９号公報（以下、特許文献３という）には、螺旋羽根を有するスクリュー部によって旋回力と遠心力を気液混合体に付与して旋回流を作り出し、この旋回流がカッタ部の突起に衝突することによって、０．５〜３．０μｍ程度の超微細気泡を連続して発生させる超微細気泡発生装置が記載されている。
【０００８】
さらにまた、たとえば、特開平８−１０３７７８号公報（以下、特許文献４という）には、渦流と羽根のせん断力とによって、極微細な気泡を発生させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４１４４６６９号公報
【特許文献２】特許第４４３０６０９号公報
【特許文献３】特開２００２−８５９４９号公報
【特許文献４】特開平８−１０３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜４に記載の方法または装置では、微細気泡混合液に渦流、圧壊、遠心力、せん断力等を物理的刺激として加えることによって、ナノバブルを生成している。しかしながら、これらの方法または装置では、ナノバブルを発生させることができたとしても、ナノバブルの発生条件やナノバブルの径を制御することが困難であるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、ナノバブルの発生条件やナノバブルの径を容易に制御することが可能なナノバブル発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のナノバブル発生装置は、流路と、加圧混合水供給部と、加圧溶解水保持室と、減圧室と、回転軸体と、回転羽根体と、モータと、吐出管路とを備える。流路には水と気体とが流通する。加圧混合水供給部は、流路に配置され、流路内に供給された水と気体とを第１の圧力に加圧して水と気体とが混合された加圧混合水を流路内に送り出す。加圧溶解水保持室は、流路に配置され、加圧混合水を第１の圧力に維持して気体が水に溶解した加圧溶解水を保持する。減圧室は、加圧溶解水を第１の圧力よりも低い第２の圧力に減圧する。加圧溶解水保持室と減圧室との間は加圧溶解水を通過し得るだけの径を有する開口で接続されている。回転軸体は、加圧溶解水保持室と開口とを貫通し減圧室内に達するように配置されている。回転羽根体は、回転軸体の先端に取り付けられ、かつ、減圧室内に配置され、一条のウォーム形状を有する。モータは回転軸体を回転させる。吐出管路は、減圧室から水と気体とを吐出する。
【００１３】
回転軸体を回転させることにより、開口を通じて加圧溶解水保持室内から減圧室内に向かって加圧溶解水が減圧されて噴出する。モータの回転数が可変である。
【００１４】
このように構成された本発明のナノバブル発生装置では、加圧溶解水保持室に保持された加圧溶解水が、回転羽根体の回転により、開口を通じて減圧室内に送り込まれる。このとき、急激な減圧のためにキャビテーションが発生し、微細気泡としてマイクロバブルが生成され、減圧室内に噴出する。
【００１５】
さらに回転羽根体の回転速度を高めることにより、加圧溶解水保持室から減圧室内の噴出速度を高めることができる。このとき、減圧室内の圧力がさらに低下し、負圧になる。このため、より急激な減圧のために、より微細な気泡として１μｍ以下の径のナノバブルが生成され、減圧室内に噴出する。
【００１６】
したがって、本発明のナノバブル発生装置では、回転羽根体の回転速度、すなわちモータの回転数を変化させることにより、減圧室内の負圧を制御することができるので、生成されるバブルの径を制御することが可能となる。いいかえれば、モータの回転数を変化させるだけで、ナノバブルの発生条件やナノバブルの径を容易に制御することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、ナノバブルの発生条件やナノバブルの径を容易に制御することが可能なナノバブル発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一つの実施形態として、ナノバブル発生装置の全体を模式的に示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線の断面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一つの実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すように、ナノバブル発生装置１は、電解質イオンを含む水２００を貯める貯水部として貯水槽１０と、オゾン発生器２０と、気体供給部として気体取込量調節弁３０と、加圧混合水供給部として加圧ポンプ４０と、加圧溶解水保持室５０と、減圧室６０と、吐出管路８０とを備える。加圧ポンプ４０と、加圧溶解水保持室５０と、減圧室６０とは、水と気体とが流通する流路に配置され、直列に接続されている。
【００２１】
加圧ポンプ４０としては、たとえば、ダイアフラム式液体ポンプが用いられる。ダイアフラム式のポンプは容積伸縮圧送によって水２００と気体とを送出するので、流路内に回転摩擦部がない。そのため、他のポンプを用いる場合と比較して、稼働部のゴミ詰まりを少なくすることができる。また、加圧ポンプ４０は、ダイアフラム内の容積圧で水２００と気体の溶解を促進させる。他のベーンやギアーポンプなどでは、吐出ポート以後に押し出し圧が発生するので、溶解タンクが別に必要になる。
【００２２】
加圧ポンプ４０には、流路として、取水口１１を有する取水管１０１が接続されている。取水管１０１の取水口１１は、貯水槽１０に貯められる水２００中に配置されている。水２００には、電解質として、ナトリウム、塩化ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、その他のミネラル類が溶解されている。これらの電解質は水に溶解されることによって、電解質イオンとなる。なお、本発明のナノバブル発生装置１において用いられる水２００に必ずしも電解質イオンを含ませなくてもよい。
【００２３】
気体取込量調節弁３０は、取水口１１と加圧ポンプ４０との間において、取水管１０１に配置されている。気体取込量調節弁３０は、空気吸入口２１を有するオゾン発生器２０に接続されている。気体取込量調節弁３０が開閉されることによって、空気吸入口２１からオゾン発生器２０を通って取水管１０１内に取り込まれる気体の量が調節される。オゾン発生器２０は、空気吸入口２１から吸入された空気を原料として、プラズマ無声放電によってオゾンを発生する。気体取込量調節弁３０は、オゾンを流路内に自然吸入し、水２００に溶解させる吸入ポートの役割を果たす。なお、本発明のナノバブル発生装置１において用いられる気体に必ずしもオゾンを含ませなくてもよい。
【００２４】
加圧ポンプ４０は、送水管１０２を介して加圧溶解水保持室５０に接続されている。加圧ポンプ４０は、流路としての取水管１０１に供給された水と気体とを、第１の圧力、たとえば、０．３ＭＰａ程度（３気圧程度）の圧力に加圧して、水と気体とが混合された加圧混合水を、流路としての送水管１０２に送り出す。加圧溶解水保持室５０は、ほぼ円筒形状の空間を有し、送水管１０２から送り出された加圧混合水を第１の圧力に維持することにより、気体が水に溶解した加圧溶解水を保持する。
【００２５】
加圧溶解水保持室５０は、開口５１を介して減圧室６０に接続されている。減圧室６０は、ほぼ円筒形状の空間を有し、加圧溶解水保持室５０から開口５１を通じて供給された加圧溶解水を、第１の圧力よりも低い第２の圧力、たとえば、通常は１気圧程度に減圧する。開口５１は、加圧溶解水保持室５０と減圧室６０との間に配置され、加圧溶解水を通過し得るだけの径を有する。
【００２６】
回転軸体７０は、加圧溶解水保持室５０と開口５１とを貫通し、減圧室６０内に達するように配置されている。このため、図２に示すように、開口５１は、円環状の断面を有する隙間として形成されている。
【００２７】
加圧溶解水保持室５０側の回転軸体７０の端部には、軸継手７３を介在させて、モータ７２が接続されている。モータ７２により、回転軸体７０が回転する。モータ７２の回転数は可変である。たとえば、モータ７２の回転数は、０〜２５００ｒ．ｐ．ｍ．の範囲内で可変である。軸継手７３と加圧溶解水保持室５０との間には、回転軸体７０を支持する軸受７４が設けられている。
【００２８】
減圧室６０側の回転軸体７０の端部（先端部）には、一条のウォーム形状の回転羽根体７１が取り付けられている。回転羽根体７１は、減圧室６０内に配置され、モータ７２により、回転する。
【００２９】
減圧室６０には、流路として吐出管路８０が接続されている。水と気体は、減圧室６０から、吐出管路８０を通じて吐出される。
【００３０】
以上のように構成されているので、回転軸体７０を回転させることにより、開口５１を通じて加圧溶解水保持室５０内から減圧室６０内に向かって加圧溶解水が減圧されて噴出する。
【００３１】
なお、取水管１０１と、送水管１０２と、吐出管路８０は、流路の一例である。
【００３２】
次に、ナノバブル発生装置１によるナノバブルの発生について説明する。
【００３３】
ナノバブル発生装置１の加圧ポンプ４０が駆動されると、貯水槽１０内に貯められている水２００が取水口１１から取水管１０１内に流入する。取水管１０１内を流通する水２００には、気体取込量調節弁３０を通じて、取水管１０１の外部から気体が供給される。気体取込量調節弁３０は、吸水負圧で、オゾン発生器２０の空気吸入口２１から気体を取り込む。オゾン発生器２０を通過する空気には、たとえば、無声放電によってオゾンが含まれる。この実施形態においては、たとえば、プラズマ無声放電によって、毎時５０〜１５０ｍｇのオゾンを発生させて、空気中のオゾンの発生濃度を３０〜８０ｐｐｍ（１５Ｌ／分）にする。気体取込量調節弁３０は、加圧ポンプ４０の揚水量と気体取り込み量とのバランスをとるように、開閉を微調整される。取水管１０１内に取り込まれた気体は、比較的大きな大気泡２０１となって、取水管１０１内を水２００とともに加圧ポンプ４０に向かって流通する。
【００３４】
気体取込量調節弁３０で取水管１０１内に取り込まれた大気泡２０１と水２００は、加圧ポンプ４０で加圧され、混合される。このとき、大気泡２０１が水２００中にある程度溶け込む。加圧ポンプ４０で加圧された水２００と気体は、送水管１０２内に流入する。加圧ポンプ４０内では、水２００は、第１の圧力まで加圧される。この実施の形態においては、第１の圧力は、０．３ＭＰａ程度であるとする。
【００３５】
送水管１０２内では、大気泡２０１が水２００中に分散している。大気泡２０１を含む水２００は、送水管１０３を通じて加圧溶解水保持室５０内に流入する。加圧溶解水保持室５０内では、加圧混合水を第１の圧力に維持することにより、大気泡２０１が水２００に溶解した加圧溶解水が保持される。加圧溶解水保持室５０に接続される箇所での送水管１０３の内径は、たとえば、８ｍｍ程度である。加圧溶解水保持室５０の円筒形状の内径は、たとえば、１５ｍｍ程度である。
【００３６】
加圧溶解水保持室５０の下部には、開口５１を介して減圧室６０が接続されている。加圧溶解水保持室５０内の水２００は、加圧溶解水保持室５０の下部から、開口５１を通じて、減圧室６０内に吐出される。減圧室６０には、大気泡２０１が溶解した水２００が、第１の圧力として０．３ＭＰａ程度の気圧から、第２の圧力として一気に大気圧まで減圧されて、吐出される。このように急激に減圧されることにより、キャビテーションが発生し、水２００中に３〜３０μｍ径のマイクロバブルが開口５１を通じて、減圧室６０内に吐出される。図２に示される開口５１の断面積は、たとえば、１６ｍｍ2程度である。減圧室６０の円筒形状の内径は、たとえば、１５ｍｍ程度である。
【００３７】
ところで、減圧室６０内には回転羽根体７１が配置されている。モータ７２が駆動されると、回転軸体７０の先端に取り付けられた一条のウォーム形状の回転羽根体７１が回転する。この回転羽根体７１の回転速度を高めていくと、すなわち、モータ７２の回転数を高めていくと、減圧室６０内の圧力は大気圧から負圧になり、開口５１を通じたバブルの噴出速度が速くなる。バブルの噴出速度が速くなればなるほど、バブルの径が小さくなる。回転羽根体７１の回転速度（回転数）がある臨界値を超えると、ナノバブルが生成される。たとえば、回転羽根体７１の回転数が５００ｒ．ｐ．ｍ．を超えると、ナノバブルが生成される。
【００３８】
このように、本発明のナノバブル発生装置１では、加圧溶解水保持室５０に保持された加圧溶解水が、回転羽根体７１の回転により、開口５１を通じて減圧室６０内に送り込まれる。このとき、急激な減圧のためにキャビテーションが発生し、微細気泡としてマイクロバブルが生成され、減圧室６０内に噴出する。
【００３９】
さらに回転羽根体７１の回転速度を高めることにより、加圧溶解水保持室５０から減圧室６０内の噴出速度を高めることができる。このとき、減圧室６０内の圧力がさらに低下し、第２の圧力が負圧になる。このため、より急激な減圧のために、より微細な気泡として１μｍ以下の径のナノバブルが生成され、減圧室６０内に噴出する。減圧室６０内に噴出したナノバブルを含む水は、吐出管路８０を通じて外部に放出される。このとき、吐出管路８０の内径は、ナノバブルを含む水に圧力が加えられない程度の径であり、たとえば、１０ｍｍ程度である。
【００４０】
したがって、本発明のナノバブル発生装置１では、回転羽根体７１の回転速度、すなわちモータ７２の回転数を変化させることにより、減圧室６０内の負圧を制御することができるので、生成されるバブルの径を制御することが可能となる。いいかえれば、モータ７２の回転数を変化させるだけで、ナノバブルの発生条件やナノバブルの径を容易に制御することができる。
【００４１】
すなわち、本発明のナノバブル発送装置１は、微細気泡混合液に渦流、圧壊、遠心力、せん断力等の物理的刺激を加えるのではなく、回転羽根体７１の回転速度、すなわちモータ７２の回転数を変化させることによって、減圧されてバブルが吐出する時点のキャビテーションの衝撃強度とバブルの噴出速度とを変化させているので、ナノバブルの生成メカニズムそのものの条件を変化させるものである。
【００４２】
なお、本発明のナノバブル発生装置１においても、回転羽根体７１によるバブルの分断、衝撃によるバブルの圧壊、等の物理的刺激によっても、バブルの微細化が多少は行われている。
【００４３】
従来のバブル発生装置では、水と気体の混合水をポンプで加圧し、その後、減圧させて吐出させることにより、バブルを発生させている。この場合、ポンプの加圧力と減圧吐出弁の開き度合いとによって、マイクロバブルの発生度合いを制御することになる。
【００４４】
本発明のナノバブル発生装置１では、加圧ポンプ４０の加圧力や開口５１の隙間の大きさを変化させる必要がなく、いいかえれば、加圧ポンプ４０の加圧力や開口５１の隙間の大きさに依存しないで、回転羽根体７１の回転速度、すなわちモータ７２の回転数を変化させることにより、減圧室６０内の減圧度合いを制御することができる。これにより、キャビテーションの発生衝撃強度とバブルの噴出速度を変化させることができる。その結果、モータ７２の駆動を電子制御することにより、発生するナノバブルの径を自在に制御することができる。
【００４５】
この場合、回転羽根体７１のウォーム形状の条数を２以上にすると、発生したバブルが回転羽根体７１の周囲を通過する際に再加圧されて圧壊されて消滅する可能性がある。これを防止するため、回転羽根体７１のウォーム形状の条数を１にする。
【００４６】
なお、電解質イオンを含む水２００中で生成されたナノバブルの界面は、マイナスに帯電している。それぞれのナノバブルは、静電気的反発力で互いに反発し合っている。また、水２００中に濃縮されたイオン類がナノバブルを包み込む殻のような役割を果たしていると考えられる。そのため、ナノバブルどうしが互いに衝突して消滅しにくく、ナノバブルは長期間消滅しない。
【００４７】
以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものである。
【符号の説明】
【００４８】
１：ナノバブル発生装置、４０：加圧ポンプ、５０：加圧溶解水保持室、５１：開口、６０：減圧室、７０：回転軸体、７１：回転羽根体、７２：モータ、８０：吐出管路、１０１：取水管、１０２，１０３：送水管。
【図１】
2013107060.tif 000003
【図２】
2013107060.tif 000004