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気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法

国内特許コード	P190016217
整理番号	(16P011)
掲載日	2019年7月26日
出願番号	特願2018-529846
出願日	平成29年7月21日(2017.7.21)
国際出願番号	JP2017026463
国際公開番号	WO2018021182
国際出願日	平成29年7月21日(2017.7.21)
国際公開日	平成30年2月1日(2018.2.1)
優先権データ	特願2016-145936 (2016.7.26) JP
発明者	五島崇
出願人	国立大学法人鹿児島大学
発明の名称	気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法
発明の概要	気泡生成装置は、水を通す金属細管（１０）と、金属細管（１０）内に気体成分を含む水を圧送するポンプと、を備える。金属細管（１０）の内側には、水の流れ方向の前後よりも水の通り道が狭くなっている絞り部（１１）が設けられている。絞り部（１１）は流れ方向に直交する断面形状が、矩形状である。絞り部（１１）への水の圧送により水に含まれる気体成分を水中に溶解させ、絞り部（１１）での圧力の低下により気泡を析出させ、絞り部（１１）で水に乱流を発生させ、そのせん断力で水中の気泡を粉砕し、絞り部（１１）から出た水に生じる遷音速流による衝撃波により、気泡を粉砕する。
従来技術、競合技術の概要	近年、ファインバブルと呼ばれる直径１００μｍ以下の微細な気泡の工業的な利用が広まっている。ファインバブルは、液中において、同じ体積を持つ単一の大気泡に比べ、非常に大きな表面積を持つうえに浮遊する時間が長い。また、ファインバブルは、大気泡と比較した場合に、気泡の表面を介した液中への物質移動により気体が液体に溶解し易く、液中に存在する不純物が吸着し易い。このような様々な有用な特徴を有していることから、これらの特徴を水処理や化学反応装置などにファインバブルを活用する研究がますます盛んになっており、そのような水処理及び化学反応装置などの今後の急速な市場拡大が期待されている。このような背景の下、オリフィスやノズルなどの生成装置を用いて液中に気泡を生成させる方法を提案し、気泡生成挙動を解析することで、生成気泡の大きさに及ぼす様々な因子の影響を実験的かつ理論的に明らかにする取り組みが行われている。ファインバブルを生成する方法は、静的な方法と動的な方法とに大別される。静的な方法には、多孔質膜を用いたもの（例えば、特許文献１参照）や、超音波を用いたもの（例えば、非特許文献１参照）がある。しかしながら、多孔質膜を含む多孔体を用いた場合には、多孔体の材質（濡れ性）、液体の粘度および液体の表面張力が気泡径に影響し、濡れの悪い材質、高粘度液体および表面張力の高い液体を用いると、部材表面にて成長する気泡が浮力の作用により上昇して多孔体から離脱することが抑制されるため、ファインバブルとともに１００μｍ以上の気泡も生成されてしまう。また、多孔体の中には、耐熱性、耐薬品性や強度が低い材質が用いられており、工業的利用には不向きなものもある。また、超音波を用いた場合には、高周波振動による液温の上昇や機器の破損が問題になり、ラジカルの生成による液成分の分解も懸念される。さらに、ファインバブルの生成に超音波を発生させるだけの大きなエネルギーが必要になる。このような静的な方法に対して、さらに液中でのファインバブルの数を増やしたい場合には、一般に、生成装置内に気体と液体を同時に導入する動的な方法が用いられる。この動的な方法には、せん断流を用いたもの（例えば、特許文献２参照）や、加圧溶解を行うもの（例えば、特許文献３参照）がある。特許文献２に開示された装置では、液体ポンプを用いた液体のエネルギーを駆動力として、気泡状ガスをせん断流により物理的に破壊して、気泡の大きさを小さくする。また、特許文献３に開示された装置では、液中に加圧して溶解させたガスを低圧下において気泡として析出させる。しかしながら、これらの装置では、液体ポンプを介した液体の循環によるファインバブルの生成に大きなエネルギーが必要となり、高粘度液体での利用が困難になる。生成するファインバブルのうち、１～１００μｍのものをマイクロバブルと呼び、１μｍ未満のものをウルトラファインバブルと呼ぶ。これまでは、マイクロバブルを中心にファインバブル生成装置の開発が進められてきた。しかし、ここ数年、ウルトラファインバブルの気泡径や気泡密度を測定できる技術が開発されており、ウルトラファインバブルに関する研究開発が急速に進んでいる。ウルトラファインバブルの研究開発において重要なのがその気泡密度である。ウルトラファインバブルの平均気泡径は、生成装置によらずおおよそ１００～２００ｎｍ程度であるものの、発生する気泡の気泡密度は生成装置により大きく異なる。上述したような既存のマイクロバブル生成装置を用いると、生成されるウルトラファインバブルの気泡密度は１千万個／ｍＬ程度が限界である。これまで、気泡密度を高めるための装置や製法が提案されており、気泡密度は１億個／ｍＬから１００億個／ｍＬ程度までが報告されている。
産業上の利用分野	本発明は、気泡生成装置、管状部材、気泡生成方法及び気泡生成装置の製造方法に関する。
特許請求の範囲	【請求項1】内部を液体が通る管状部材と、前記管状部材内に気体成分を含む前記液体を圧送するポンプと、を備え、前記管状部材の内側に、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっている絞り部が設けられ、前記絞り部は前記流れ方向に直交する断面形状が、矩形状であり、前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する、気泡生成装置。【請求項2】前記管状部材では、前記絞り部における前記液体の流れ方向の長さが、１．０ＭＰａに満たないポンプ圧で前記液体が前記絞り部を通過して、圧力の低下による気泡の析出と、乱流のせん断力による気泡の粉砕とが発生する長さである、請求項１に記載の気泡生成装置。【請求項3】前記管状部材では、前記絞り部における前記流れ方向に直交する断面形状が、扁平な形状である、請求項１又は２に記載の気泡生成装置。【請求項4】前記管状部材では、前記絞り部を含む前記流れ方向前後の内壁の形状が流線形である、請求項１から３のいずれか一項に記載の気泡生成装置。【請求項5】前記管状部材では、前記絞り部が、間隔を置いて、直列に複数設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の気泡生成装置。【請求項6】前記管状部材における前記絞り部の間隔は、前記絞り部を出た前記液体の流速が、前記管状部材に入力されたときの前記液体の流速に復帰する間隔である、請求項１から５のいずれか一項に記載の気泡生成装置。【請求項7】前記管状部材が、前記液体の流路中に並列に複数設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の気泡生成装置。【請求項8】前記管状部材同士の間にバインダー部材が封入されている、請求項７に記載の気泡生成装置。【請求項9】前記管状部材が、金属製である、請求項１から８のいずれか一項に記載の気泡生成装置。【請求項10】内部を液体が通る管状部材であって、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっている絞り部が設けられ、前記絞り部は前記流れ方向に直交する断面形状が、矩形状であり、前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する、管状部材。【請求項11】ポンプにより圧送された気体成分を含む液体を、前記液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっており前記流れ方向に直交する断面形状が矩形状である絞り部が設けられた管状部材内に通し、前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する気泡生成方法。【請求項12】複数の前記絞り部が直列に形成された前記管状部材内に、前記液体を流す、請求項１１に記載の気泡生成方法。【請求項13】両端が開放された状態で並列に束ねてバインダー部材で固定された複数の前記管状部材内に前記液体を流す、請求項１１又は１２に記載の気泡生成方法。【請求項14】内径が均一な金属細管の一部をプレスして、前記金属細管の内側に、液体の流れ方向の前後よりも前記液体の通り道が狭くなっており前記流れ方向に直交する断面形状が矩形状である絞り部を形成するステップを含み、前記ステップでは、前記絞り部の形状が、前記絞り部への前記液体の圧送により前記液体に含まれる気体成分を前記液体中に溶解させた後、前記絞り部での圧力の低下により気泡を析出させ、前記絞り部において大気圧よりも低い負圧を発生させて気泡核を生成し、前記絞り部で前記液体に乱流を発生させ、そのせん断力で前記液体中の気泡を粉砕し、前記絞り部から出た前記液体に生じる遷音速流による衝撃波で、気泡を粉砕する形状となるように、前記金属細管をプレスする、気泡生成装置の製造方法。【請求項15】前記ステップでは、前記金属細管の複数の位置に前記絞り部を形成する、請求項１４に記載の気泡生成装置の製造方法。【請求項16】前記絞り部が形成された前記金属細管を、両端を開放した状態で並列に束ねてバインダー部材で固定するステップをさらに含む、請求項１４又は１５に記載の気泡生成装置の製造方法。
国際特許分類(IPC)	B01F 5/06 混合成分がスリット，オリフイス，またはスクリーンを通して圧縮される混合機 B01F 3/04 気体または蒸気と液体との混合
Fターム	4G035AB15 気液混合流体の吹込み 4G035AC15 槽内への噴出 4G035AC26 スリット，オリフィス等による圧縮 4G035AE01 制御，調整 4G035AE13 供給，排出 4G035AE17 装置の素材
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出願権利状態	公開