マイクロバブル発生装置

【課題】密閉容器内や密閉容器外で、固定外刃や回転内刃、シャフトの形状を工夫する構造の、マイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置を提供する。
【解決手段】密閉容器内や密閉容器外でも使用できるように、モータ接続側の軸受けの種類を変えて可能にする。また、気体が流れるチューブをシャフトに取り付け、シャフト内に気体が流れる構造である。回転内刃の一部に貫通穴を複数設け、また、シャフト先端側に設けた軸受けの上面、底面、外周に切り欠き加工を施したり、別の複数案として軸受けの素材を焼結金属という内部に無数の穴が空いた軸受けを使用することで、気体の流入を容易にして、気泡を微細にせん断するマイクロバブル発生装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバブルを発生させる装置の詳細に関する。
マイクロバブルとは、直径が５０μｍ以下の微小気泡のことである。
【背景技術】
【０００２】
近年、動植物の組織を破砕する方法として、図１１のような外刃内刃式のホモジナイザーが使われている。図１１のＧやＨは外刃の一例であり、Ｉは内刃の一例である。図１１の矢印のようにＧの外刃の内側にＩの内刃が入り回転する構造である。この構造は、回転する内刃が、固定されている外刃の内側にあるため、安全に使用することができる。
また、破砕するための容器は、そのサイズや形状に関係なく、外刃が挿入できれば使用できるという特徴がある。外刃を後の文章で固定外刃と呼ぶとすれば、固定外刃は刃がついた円筒状になっていて、本体に接続されている。内刃を回転内刃とすれば、回転内刃は回転軸に接続され、その先でモータにも接続され、モータの駆動に連動して高速回転する。図７は対流の方向と順番を図示していて、黒く図示している回転軸と回転内刃が回転して図中の▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼のように対流が起こる構造である。一般的な使用方法として、溶液中で回転内刃が高速回転すると、回転内刃の内部（図７の▲１▼）に液体や試料が入りこみ、容器中の液体や試料に強力な流れが起こる。固定外刃の円筒外周先端には図１１のＧやＨにあるような細長い窓や細長い切り欠き溝が設けられ、回転内刃の内部（図７の▲１▼）に吸い込まれた液体や試料が固定外刃の細長い窓を通って固定外刃の外側（図７の▲２▼）へと放出される際に、瞬間的に液体や試料が細かく切断される。これは、回転内刃の外周と固定外刃の内周との間に僅かな隙間があり、回転内刃が回転するとその僅かな隙間を保ちながら回転して、遠心力が発生し、固定外刃の細長い窓の外側へ放出されようとする際、回転内刃が回転して刃の役目をしている。固定外刃の外側（図７の▲２▼）へと放出された後は、固定外刃の先端下方（図７の▲４▼）から回転内刃の内側（図７の▲１▼）へ吸い込まれる流れに沿うように、固定外刃付近（図７の▲３▼）は、固定外刃の先端下方（図７の▲４▼）へと流れて対流が繰り返される。更に高速回転すると超音波や高周波等の効果により、試料が微砕や均一化されるという仕組みである。
従来のホモジナイザーは、動植物の破砕や異質の液体の混合などであったが、回転内刃が高速回転すると溶液に強力な対流が起こり渦が巻き、気体が乱入して泡の発生を確認できるが、大きな泡となり、マイクロバブルとして必要な微細な気泡にならない問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のホモジナイザーは、［０００２］の最後で説明したように、気体が乱入し、これが大きな泡となり、微細な気泡にならない問題がある。また、様々な気体を安定して供給する機構がないため、外部から不必要な気体が入り込み、マイクロバブルの発生が安定しない問題がある。
【０００４】
本発明はマイクロバブル発生のメカニズムを工夫し、密閉容器内や密閉容器外でマイクロバブルを発生させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
１．密閉容器や密閉されていない容器を状況に合わせて使用する。
２．バブルを溶かす媒体及び、バブルとなる気体を容器の外部からそれぞれ供給でき、生成されたバブルを外部へ排出する機構を設ける。気体が流れるチューブをバブル発生駆動ユニットに取り付け、内部に気体が流れる構造にする。
３．回転内刃の内部にも気体が流れやすくなるように、複数の貫通穴を設けている。
４．バブル発生駆動ユニットを備えた密閉容器の上部や下部に駆動用モータを備える。
５．シャフト先端側回転軸の摺動部に位置している軸受けの上面、底面、外周に、複数の切り欠き加工を施す。また軸受けに開いている軸穴と同一方向で軸穴周辺に貫通した多数の小孔を設けた軸受けも別の複数案として用意している。
６．媒体中で回転軸を支える軸受けを、金属と高性能摺動材の薄板で多層に配置する。
【発明の効果】
【０００６】
密閉容器を使用することで、容器内はバブルを溶かす媒体とバブルとなる気体のみで充満され、回転軸が回転する際、不要な気体の乱入を防ぐことが出来るため、必要な気体のみを含むマイクロバブルの発生が可能になる。
【０００７】
バブルを溶かす媒体とバブルとなる気体を容器内部へそれぞれ供給出来る機構と、バブルを含んだ媒体を容器外部へ排出する機構を設けることで、密閉容器内に不要な媒体や気体を出し入れすることがない。
【０００８】
バブルとなる気体が流れるチューブをバブル発生駆動ユニットに取り付け、シャフト先端内部に気体が流れやすくなるための工夫として、シャフト先端部に近い軸受けの上面、底面、外周に切り欠き加工が施してある。
【０００９】
使用環境については、密閉容器と密閉容器外のどちらでも使用出来る。密閉容器を使用したほうが気密性に優れているため、バブル発生時に不要な気体の乱入が防げる。
ただし、簡易的に発生させたい場合を考慮して、密閉容器外でも使用できるよう考案した。これは、一部の部品を交換することで容易である。一部の部品とは、モータ接続側の回転軸に摺動する軸受けの種類を、樹脂製軸受けからボールベアリングへと交換することで密閉容器外での使用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
実施例１として、図１は密閉容器内で使用されるバブル発生駆動ユニットと、密閉容器の蓋に接続したチューブの図である。図１の斜線部分は密閉容器と蓋の部分である。斜線部分の蓋の下部に駆動用モータを設ける。
図１の▲１▼は密閉容器の蓋に設けられた、バブルとなる気体を容器内に流入させるチューブの接続部分である。図１の▲２▼は密閉容器の蓋に設けられた、バブルを溶かす媒体を容器内に流入させるチューブの接続部分である。図１の▲３▼は密閉容器の蓋に設けられた、バブルを含む媒体を容器外に流出させるチューブの接続部分である。密閉容器内は必要な媒体と気体のみで充満されている。流入させる媒体と流出させる媒体の量は同量であり、密閉容器内の媒体に増減はない。媒体を容器外へ流出させる際、容器内に発生したマイクロバブルを同時に流出させることが出来る。また、容器内の気体は、気体流入用のチューブから入ってきた気体のみであるため、必要な気体のみがシャフト内に流れ、不必要な気体の乱入を防ぐことが可能である。
【００１１】
図１の▲４▼は密閉容器の中でシャフト内に気体を通すためのチューブの接続口である。図１の▲１▼の気体を容器内に流入させるチューブの接続部分から通じているチューブを接続する。シャフト内に気体を直接通すので、固定外刃外側の気体の乱流を防ぎ、必要な気体のみを使用したマイクロバブルの発生が可能になる。
【００１２】
図２の最上部の図は、黒く表示している部分が回転内刃と回転軸が接続されたものであり、その外側が固定外刃とシャフト部分である。また、回転軸に摺動する部分に軸受けを図示したものである。図２の中央と最下部の図は、例として、軸受けを２種類図示したものである。
図２の▲６▼−１は▲５▼の回転軸に摺動する部分に設けたメタル製の軸受けである。
シャフト内に気体が流れる構造であるが、気体の流入が容易になるよう、▲６▼−２のように軸受けの周りに切り欠きの加工を施してある。▲６▼−３は別の複数案として、軸受けに開いている軸穴と同一方向に貫通した多数の小孔を軸穴周辺に設けた、焼結金属という金属製の粉体を焼き固めた軸受けである。気体が通り抜ける際、気泡が小さくなりマイクロバブルの気泡の大きさがより微細になるものである。また、▲６▼−１の軸受けは▲５▼の回転軸が回転する際、中心から偏心しないように支持するものでもある。
【００１３】
図３の下部の図の黒く表示した部分は、固定外刃とシャフトが接続されたものを図示してある。斜線部分は回転内刃と回転軸が接続されたものである。図中の矢印は、シャフト内に入ってきた気体の流れる方向を示している。図３の上部の図は、下部の図を真上から見た平面の図である。図３の▲７▼は、シャフトの先端上部の回転内刃内部に気体の流入が容易になるよう、貫通穴が複数設けてある。
【００１４】
図４の上部中央の図は、斜線部分が固定外刃で、図中の黒く表示した部分は▲１０▼の回転軸と▲８▼−１の回転内刃が接続された一例図である。図４の下部左の図▲８▼−２は回転内刃▲８▼−１の外観図で、細長い窓が設けてある。図４の下部右の図▲９▼−２は固定外刃▲９▼−１の外観図で細長い切り欠き加工を施している。▲８▼−１の回転内刃が回転する際、遠心力で気体が▲８▼−１の回転内刃の細長い窓と▲９▼−１の固定外刃の切り欠きを通り抜けて図中の矢印のように外側に放出される。▲８▼−１の回転内刃の円周外側と▲９▼−１の固定外刃の円周内側との隙間▲１１▼は僅かな隙間であり、回転内刃が回転する際、▲１１▼の僅かな隙間を保ちながら回転を続ける。気体が放出される際、回転する▲８▼−１の回転内刃と固定された▲９▼−１の固定外刃の間で気体の気泡が微細にせん断されマイクロバブルの発生を促進する。
【００１５】
図５は密閉容器内でのシャフト部分を表している。図中の斜線部分は密閉容器内でバブルを溶かす媒体に浸っている箇所である。図中の下部丸枠内は、回転軸とそれを受ける軸受けの間に設けたスペーサーを図示したものである。▲１２▼は▲１４▼の回転軸と摺動する部分に設けた樹脂製の軸受けである。媒体中で使用するため、ボールベアリングなどの軸受けを使用するとボールベアリング内に媒体が入り、故障の原因になるため、樹脂製のすべり軸受けを使用し、媒体中の使用を可能にした。また、▲１２▼の軸受けは、▲１４▼の回転軸が回転する際、中心から偏心しないように支持するものでもある。
【００１６】
図５のシャフト内の▲１４▼の回転軸は、モータ接続側の▲１２▼の軸受けをすり抜けないように段差▲１５▼が設けてある。その際重力の関係で、▲１５▼の回転軸の段差がある面と▲１２▼の軸受けが▲１６▼の面でこすれ合うように回転するため、▲１４▼の回転軸と▲１２▼の軸受けの間に発熱や摩耗を激しくさせない為の▲１３▼−１と▲１３▼−２のスペーサーを取り付けている。▲１３▼−１は樹脂製で、▲１３▼−２は金属製である。▲１４▼の回転軸が金属性のため、接する側の▲１３▼−１は別材質の樹脂製にすることで、摩耗の進行を遅くする。同じ材質であると回転の際、熱が発生しやすく摩耗が激しくなってしまう。同じ理由で▲１３▼−２は金属製であるため、▲１３▼−２に摺動する面の▲１２▼の軸受けが別材質の樹脂になっている。結果、樹脂と金属が交互に位置するように配置している。
【実施例２】
【００１７】
図６の全体図は、実施例２として図１のシャフト先端の向きと上下逆であり、シャフト先端は下向きである。斜線部分は密閉容器と蓋の部分である。密閉容器と蓋の上部にモータが接続される。
図６のＡは密閉容器の蓋に設けられた、気体を通すチューブの接続部分であり、チューブの反対側先端はシャフトに接続されてシャフト内に気体が流れる。
図６のＢは密閉容器の蓋に設けられた、媒体を密閉容器内に流入させるチューブの接続部分である。図６のＣは密閉容器の蓋に設けられた、バブルを含む媒体を密閉容器外へ流出させるチューブの接続部分である。
【００１８】
図８は密閉容器内でシャフト先端が下向きの時の対流の循環を図示したものである。密閉容器内でシャフトの先端が上向きと下向きとでは、媒体の対流の循環が異なってくる。
図８の対流はシャフト先端の下方▲４▼から媒体を吸い込み、回転内刃の内側▲１▼から固定外刃の外側▲２▼へと放出され、固定外刃付近の▲３▼へと循環して再度、シャフト先端の下方▲４▼から回転内刃の内側▲１▼へと循環を繰り返すが、密閉容器内の上方に浮遊しようとする気泡▲６▼が発生する可能性がある。密閉容器下方で循環を繰り返した気泡と上方に浮遊した気泡では、気泡の大きさが異なるので、別々に採取したい場合は、シャフト先端が下向きの構造を選択するとよい。また、シャフト内に流れている気体は、図８の▲５▼の矢印の方向に向かい回転内刃の内側▲１▼へと流れ、図の▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼のように繰り返し循環する。
【００１９】
図９は密閉容器内でシャフト先端が上向きの時の対流の循環を図示したものである。
図９の対流は図８のシャフト先端が下向きとは逆にシャフト先端の上方▲４▼から媒体を吸い込み、回転内刃の内側▲１▼から固定外刃の外側▲２▼へと放出され、固定外刃付近の▲３▼へと循環して再度、シャフト先端の上方▲４▼から回転内刃の内側▲１▼へと循環を繰り返し、上方に浮遊した気泡もシャフト先端の上方▲４▼から再度吸い込まれて循環するため、媒体が全体的に均一化される。また、シャフト内に流れている気体は図９の▲５▼の矢印の方向に向かい、回転内刃の内側▲１▼へと流れ循環する。シャフト先端を上方に向ける構造は気泡を別々に採取しない場合、選択するとよい。
【実施例３】
【００２０】
図１０は実施例３として、図１の密閉容器内でのシャフトの使用と上下を逆にして、シャフト先端を下向きにして、なおかつ密閉されていない容器でシャフトを使用した図である。
図１０の黒く表示した部分は、回転軸と回転内刃が接続した図である。図１０の密閉されていない容器Ｅでは容器内の液面がＦのようになり、モータ接続側の軸受けＤが媒体に浸らない為、ボールベアリングを使用し、軸受けの劣化を激しくさせない工夫がある。
図５では密閉容器内でシャフトが媒体中に浸る為、シャフト先端側と反対側のモータ接続側の軸受けは図５▲１２▼のように樹脂製軸受けを使用している。仮に図１０の密閉されていない容器で樹脂製軸受けを使用すれば、樹脂製軸受けが媒体に浸らないため、熱の発生で樹脂製軸受けは熱膨張により、回転軸が停止してしまう可能性がある。ボールベアリングであれば、乾燥した状態での使用でも熱が発生する面積が少ないので問題がない。このように軸受けの種類を変えることで、使用する環境を密閉容器内でも密閉容器外でも自由に選択出来る利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】密閉容器内でシャフト先端が上向き使用時のマイクロバブル発生装置の全体図
【図２】シャフト先端が上向きで、シャフト先端側の軸受けの形状に関する図
【図３】シャフト内に流れる気体の方向と気体が貫通する穴に関する図
【図４】回転内刃と固定外刃の組み合わせや外観形状に関する図
【図５】密閉容器内での回転軸と軸受けの間にあるスペーサーの説明図
【図６】密閉容器内でシャフト先端が下向き使用時のマイクロバブル発生装置の全体図
【図７】背景技術としての説明図で、シャフト先端が下向きで使用される時の対流の方向
【図８】シャフト先端が下向きで、密閉容器内で使用される時の媒体の対流の方向
【図９】シャフト先端が上向きで、密閉容器内で使用される時の媒体の対流の方向
【図１０】密閉されていない容器で使用される時の軸受けや液面の説明図
【図１１】背景技術としての説明図で、外刃や内刃の一例を示した図
【符号の説明】
図１の▲１▼…密閉容器内に接続された気体流入チューブ
図１の▲２▼…密閉容器内に接続されたバブルを溶かす媒体流入チューブ
図１の▲３▼…密閉容器内に接続された気体を含む媒体の流出チューブ
図１の▲４▼…シャフト内に気体チューブを通すための接続口
図２の▲５▼…シャフト内の回転軸
図２の▲６▼−１…▲５▼の回転軸と摺動する部分に設けたメタル製の軸受け
図２の▲６▼−２…▲５▼の回転軸と摺動する部分に設けたメタル製の軸受けの切り欠きの図
図２の▲６▼−３…▲６▼−２とは材質が異なる焼結金属という金属製の粉体を焼き固めた軸受け
図３の▲７▼…シャフト先端上部に気体の流入が容易になるように設けられた貫通穴
図４の▲８▼−１…▲１０▼の回転軸と接続され回転する回転内刃
図４の▲８▼−２…▲８▼−１の回転内刃の外観図で細長い窓が設けられた図
図４の▲９▼−１…固定された固定外刃の図
図４の▲９▼−２…▲９▼−１の固定外刃の外観図で細長い切り欠きが設けられた図
図４の▲１０▼…シャフト内の回転軸
図４の▲１１▼…▲８▼−１回転内刃外周と▲９▼−１固定外刃内周の隙間の位置図
図５の▲１２▼…密閉容器内で使用される樹脂製軸受けの図
図５の▲１３▼−１…▲１４▼回転軸と▲１２▼樹脂製軸受との間に設けた摩耗防止の樹脂製スペーサー
図５の▲１３▼−２…▲１４▼回転軸と▲１２▼樹脂製軸受との間に設けた摩耗防止の金属製スペーサー
図５の▲１４▼…シャフト内の回転軸
図５の▲１５▼…▲１４▼の回転軸に設けた段差の図
図５の▲１６▼…▲１４▼の回転軸が回転する際に▲１３▼−１のスペーサーと摺動する面
図６のＡ…図１とシャフトの向きが上下逆使用で、シャフト先端が下向き使用の密閉容器内に接続された気体流入チューブ接続口
図６のＢ…図１とシャフトの向きが上下逆使用で、シャフト先端が下向き使用の密閉容器内に接続された媒体流入チューブ接続口
図６のＣ…図１とシャフトの向きが上下逆使用で、シャフト先端が下向き使用の密閉容器内に接続されたバブルを含む媒体の流出チューブ接続口
図７の▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼…密閉されていない容器でシャフト先端が下向き使用時の対流の順番
図８の▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼…密閉容器内でシャフト先端が下向き使用時の対流の順番
図８の▲５▼…気体流入チューブから流れる気体の通る道順
図８の▲６▼…容器の上方へ浮遊する可能性がある気泡
図９の▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼…シャフト先端が上向きで、密閉容器内で使用される時の対流の順番
図９の▲５▼…気体流入チューブから流れる気体の通る道順
図１０のＤ…密閉されていない容器で使用するボールベアリング
図１０のＥ…密閉されていない容器
図１０のＦ…密閉されていない容器内の液面
図１１のＧ…固定外刃の一例
図１１のＨ…固定外刃の一例
図１１のＩ…回転内刃の一例

【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内のシャフト先端部の内側にある回転軸と摺動する軸受けの上面、底面、外周に、複数個所の切り欠き加工を施した軸受け、また、別の複数案の軸受けとして軸受けに開いている軸穴と同一方向で、軸穴周辺に貫通した多数の小孔を設けた軸受けを備えた事を特徴とするバブル発生駆動ユニット。
【請求項２】
シャフトの内側にある回転軸を液体中で支える軸受けとして、金属と高性能摺動材の薄板を多層に配置した事を特徴とするバブル発生駆動ユニット。
【請求項３】
密閉容器内にバブル発生駆動ユニットを備え、バブルを溶かす媒体及び、バブルとなる気体を容器の外部からそれぞれ供給でき、生成されたバブルを外部へ排出する機構を備えた容器と、容器の外部にバブル発生駆動用モータを組み合わせたマイクロバブル発生装置。
【請求項４】
バブル発生駆動ユニットを備えた密閉容器の上部や下部にバブル発生駆動用モータを備えた事を特徴とするマイクロバブル発生装置。

【図１】