微細気泡発生装置および微細気泡発生方法
【課題】小型かつ簡易的な構造でありながら、多量の微細気泡を発生させられる微細気泡発生装置および微細気泡発生方法を提供する。
【解決手段】微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、内部に流路を備えて先端を閉じてなる内管部材２と、内管部材２の外周を二重環状に包囲する外管部材３とを有しており、内管部材２の閉じられた先端部６には、流入した気液混合流体を噴射する噴射孔７が形成され、外管部材３は、噴射孔７から噴射された気液混合流体が衝突する衝突面１０を備えているとともに、内管部材２との径方向間に衝突面１０で反射した気液混合流体を流入させる反射流路１２を有する。
【解決手段】微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、内部に流路を備えて先端を閉じてなる内管部材２と、内管部材２の外周を二重環状に包囲する外管部材３とを有しており、内管部材２の閉じられた先端部６には、流入した気液混合流体を噴射する噴射孔７が形成され、外管部材３は、噴射孔７から噴射された気液混合流体が衝突する衝突面１０を備えているとともに、内管部材２との径方向間に衝突面１０で反射した気液混合流体を流入させる反射流路１２を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細気泡を発生させる微細気泡発生装置および微細気泡発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロバブルと呼ばれる微細気泡が、美容や健康等のサービス業を始め、医療・福祉業、農林水産業、製造業などの各種業界において着目されている。マイクロバブルは、一般に、直径が数μｍ〜数百μｍのマイクロオーダーの気泡をいい、気泡が小さくなると、気液界面積の増大、気泡内圧の増大、マイナス帯電効果、自己圧壊、そして液体中での上昇速度の低下等が起こるため、例えば、入浴時の洗浄効果・温熱効果・マッサージ効果、河川や水槽等における汚染物質を気泡に付着させて水面に浮上させる水質浄化効果、酸素等を含む気泡を生物に供給する生理活性効果、機械部品等の洗浄効果などの様々な効果を有する。
【０００３】
従来の微細気泡発生装置のうち、特に入浴の際に使用される微細気泡発生装置として、
特開２００８−２７９３５１号公報には、略円筒形状に形成された筒壁部と、この筒壁部の両側の筒蓋壁とで密閉された中空部を有する筒密閉体と、筒密閉体の内部に配置され、軸心位置に排出開口を有する略半球皿状のガイド壁と、ガイド壁の凹み側に形成された気液混合流体の旋回流形成室と、ガイド壁の突出側に形成された気液混合流体の旋回流噴出室と、筒壁部の旋回流形成室に対応する位置に開口された気液導入孔と、旋回流噴出室を区画する筒蓋壁に開口された気液噴出孔と、を備える微細気泡発生装置が開示されており、気液導入孔から旋回流形成室に供給される気液混合流体で旋回流を形成し、気液混合流体の旋回流により形成される微細気泡を排出開口から旋回流噴出室を介して気液噴出孔から噴射させる構造となっている（特許文献１）。
【０００４】
また、特開２０１０−２８４６１９号公報には、筒状を呈し、内側に気体と液体とをそれぞれ導入して気液二相流を混合形成する内筒部材により構成される気液混合手段と、内筒部材よりも大きな筒状を呈し、内筒部材に対して径方向に所定距離を隔てて外挿されて、内筒部材の周壁部との径方向間を軸方向一方から他方に向かって液体が流れる筒状流路とする外筒部材と、内筒部材の周壁部において周方向に傾斜する方向に貫設されて、筒状流路を流れる液体を内筒部材の内側に導入することで、かかる内側の気液二相流に内筒部材の中心軸回りの旋回流を生じさせる貫通孔とを含んで構成されるマイクロバブル生成手段と、この旋回流に伴い気液二相流にマイクロバブルを発生させてマイクロバブル含有液体が生成され、内筒部材の軸方向他方の開口部から外部に吐出されるようになっており、更に衝突手段は、筒状流路において内筒部材の外周面と外筒部材の内周面とが軸方向一方から他方に向かって縮径されるテーパ筒状を呈し、筒状流路を流れる液体を軸方向一方から他方に加圧させつつ内筒部材における軸方向他方の開口部の外方に案内する案内部により構成されるマイクロバブル発生装置が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７９３５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８４６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された装置は、主として浴槽内に微細気泡を発生させるための装置であるが、気液混合流体を内壁に沿って旋回させる必要があるため、旋回流形成室の中空部の大きさを確保する必要があり、全体として装置が大きくなるという問題を有する。
【０００７】
一方、特許文献２に記載された装置は、シャワーヘッドと一体型の微細気泡発生装置であるが、内側筒部に流れ込んだ水を旋回させる構造であるため、内側筒部の空間の大きさを確保する必要があり、全体としてシャワーヘッドが大きくなるという問題を有する。また、当該シャワーヘッドは、空気を大気中から自吸するための給気通路を有する構造であるため、浴槽内で微細気泡を発生させたい場合など、給気通路が水に浸かる状況下では、微細気泡を発生させることができないという問題がある。その他、シャワーヘッドと一体型の装置であるため、ユーザはシャワーヘッドごと交換をして使用する必要があり、コストが高くなるという問題も存在する。
【０００８】
そこで、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、小型かつ簡易的な構造でありながら、多量の微細気泡を発生させられる微細気泡発生装置および微細気泡発生方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる微細気泡発生装置は、微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、内部に流路を備えて先端を閉じてなる内管部材と、内管部材の外周を二重環状に包囲する外管部材とを有しており、内管部材の閉じられた先端部には、流入した気液混合流体を噴射する噴射孔が形成され、外管部材は、噴射孔から噴射された気液混合流体が衝突する衝突面を備えているとともに、内管部材との径方向間に衝突面で反射した気液混合流体を流入させる反射流路を有する。
【００１０】
本発明の一態様として、微細気泡発生装置の噴射孔は、その孔路が内管部材の軸線方向に対して傾斜して形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の一態様として、微細気泡発生装置は、内管部材の先端部には、外管部材を螺合により接続するための内管側接続部が設けられているとともに、外管部材の先端部には、内管側接続部と螺合により接続するための外管側接続部が設けられており、着脱可能であって、噴射孔と衝突面との距離を調整可能に構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の一態様として、微細気泡発生装置は、噴射孔が内管側接続部の周囲に複数形成されていることが好ましい。
【００１３】
その他、本発明の一態様として、微細気泡発生装置は、外管部材の外周を二重環状に包囲するとともに後端側を閉じてなる管状折返しカバーが設けられており、外管部材との径方向間に反射流路を流れてくる気液混合流体を後端部で折り返して先端方向へ流出させる折返し流路が構成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明にかかる微細気泡発生方法は、微細気泡を発生させる微細気泡発生方法であって、密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する加温工程と、加温した後の気液混合流体を密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる噴射工程と、噴射した気液混合流体を噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる衝突工程と、衝突した気液混合流体を密閉されており、かつ密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる反射流入工程と、気液混合流体を反射流路から排出する排出工程とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型かつ簡易的な構造でありながら、多量の微細気泡を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかる微細気泡発生装置の第一実施形態における斜視図である。
【図２】本第一実施形態を示す側面図である。
【図３】図２の３Ｘ−３Ｘ線における断面図である。
【図４】図２の４Ｘ−４Ｘ線における断面図である。
【図５】噴射孔周辺の部分拡大断面図である。
【図６】本発明にかかる微細気泡発生装置の第二実施形態における斜視図である。
【図７】本第二実施形態を示す側面図である。
【図８】図７の８Ｘ−８Ｘ線における断面図である。
【図９】図８の９Ｘ−９Ｘ線における断面図である。
【図１０】本発明にかかる微細気泡発生方法のフロー図である。
【図１１】本実施例１において、衝突距離Ｌを４ｍｍとした場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１２】本実施例１において、衝突距離Ｌを３ｍｍとした場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１３】本実施例１において、衝突距離Ｌを１．２ｍｍとした場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１４】本実施例２において、反射流路を有しない場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１５】本実施例２において、反射流路を有する場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１６】本実施例３において、図１５の測定から２分経過後の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１７】本実施例２において、図１５の測定から２０分経過後の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる微細気泡発生装置の第一実施形態について図１ないし図５を用いて説明する。
【００１８】
図１，図２は本第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａの斜視図及び側面図を示し、図３は微細気泡発生装置１Ａの３Ｘ−３Ｘ断面図を示す。これら図１ないし図３に示すように、微細気泡発生装置１Ａは、主として、内管部材２と、外管部材３と、折り返しカバー４とにより構成されている。
【００１９】
以下、本第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａの各構成について詳細に説明する。
【００２０】
内管部材２は、内部に流路５を有する管状部材であって、その閉じられた先端部６には、複数の噴射孔７が形成されている。また、内管部材２の先端部６には、先端方向に向かって、外管部材３と接続するために雄ねじが形成された内管側接続部８が形成されている。また、内管部材２の後端側にも外周面に雄ねじが形成された本体接続部９が形成されており、この本体接続部９により、例えばシャワーホースの先端に、シャワーヘッドと交換して、微細気泡発生装置１Ａを着脱可能に取り付けて使用することができる。なお、本第一実施形態では、本体接続部９は内管部材２の後端側に形成されているが、前記内管部材２の代わりに、折返しカバー４の後端部１３を後端方向に延出させて管状部分を形成し、その管状部分の外周面に雄ねじを形成してもよい。
【００２１】
また、図３の３Ｘ−３Ｘ断面図に示すように、本第一実施形態においては、内管部材２の先端部６に設けられた内管側接続部８を囲むようにして６個の噴射孔７が円形状に配置されている。また、図５に示すように、噴射孔７における孔路の角度θは、内管部材２の軸線方向に対して−８度〜＋８度程度傾斜して形成されていることが好ましい。ただし、噴射孔７の数は１個以上であればいくつ形成されてもよく、また内管部材２の先端部６であればどの位置に形成されてもよく、さらに噴射孔７は傾斜せずに形成されてもよいため、噴射孔７の数、その配置、孔路の角度θは本第一実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
つぎに、外管部材３は、管状に形成されており、内管部材２の外周を二重環状に包囲し、その外管部材３の先端部には、前記内管部材２の噴射孔７から噴射する気液混合流体を衝突させるための衝突面１０を備えている。なお、内管部材２の噴射孔７と衝突面１０との距離は、発生する微細気泡の粒径に影響するため、５ｍｍ以下に設定されることが好ましく、距離が短すぎるとゴミなどで目詰まりする可能性もあるため、これを防止可能な約１ｍｍがより好ましい。
【００２３】
また、衝突面１０の中央には、内管部材２と接続するための雌ねじが形成された外管側接続部１１が形成されている。また、内管部材２と外管部材３の径方向間には、衝突面１０で衝突した気液混合流体を反射させて流入させるための反射流路１２が構成されている。なお、内管部材２と外管部材３との径方向間の距離は、反射流路１２の後端側の出口においても圧力を大きく変化させる観点から０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定されていることが好ましい。また、本第一実施形態においては、内管部材２と外管部材３の接続方法として両者間の距離が調整し易く、また両者間にたまったゴミを取り除くことができるよう螺着構造を採用したが、接着剤などによる固定や一体型として作成してもよく、本第一実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
つぎに、折返しカバー４は、管状に形成されており、外管部材３の外周を二重環状に包囲し、その後端部１３は内管部材２の後端側外周面と接して閉じた構成となっている。ここで、折返しカバー４は、内管部材２とは、別体として形成されてもよく、また一体型として形成されてもよい。そして、外管部材３と折返しカバー４との径方向間には、反射流路１２を流れてくる気液混合流体を、折返しカバー４の後端部１３で反射的に折り返した後、先端方向に流出させるための折返し流路１４が構成されている。
【００２５】
なお、本発明にかかる微細気泡発生装置の材質は、水中でも錆びることがなく、また水圧に耐えうる樹脂であることが好ましいが、ステンレス，アルミ合金等の金属やセラミックス等の焼結体であってもよい。
【００２６】
本第一実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ａは以上のような構成を有し、次のように作用して微細気泡を発生させる。
【００２７】
まず、給湯器などで水道管内の水が温められた際、密閉空間である水道管内では水が温められたことによって飽和溶存空気量が下がった結果、溶存していた空気が気化し、水道管内には水と空気とが混合された状態の気液混合流体が存在することになる。その後、内管部材２の後端側にある本体接続部９と螺合して接続された水道ホースを介して気液混合流体が内管部材２に流入し、流路５を介してこの内管部材２の先端部６に形成された噴射孔７に流入する。
【００２８】
このとき、噴射孔７の孔径が内管部材２の内径に比して小さいため、噴射孔７内での圧力が低くなり、その後、噴射孔７の出口で急激に圧力が高くなることから、気泡として存在していた気体が壊滅し、マイクロバブルなどの微細気泡が発生する。このとき、噴射孔７の孔路が、内管部材２の軸線方向に対して傾斜して形成されているため、噴射された気泡にせん断力が発生しやすく、気泡の微細化が促進される。
【００２９】
その他、噴射孔７での圧力がその液温での飽和蒸気圧より低くなると、液体の一部が気化して蒸気泡を発生した後、急激に圧力が回復して蒸気泡を壊滅する、いわゆるキャビテーションの発生によっても微細気泡が発生する。
【００３０】
そして、内管部材２の噴射孔７より噴射された微細気泡混じりの気液混合流体は、外管部材３の衝突面１０に衝突し、気液混合流体中の気泡はさらに微細化される。
【００３１】
その後、外管部材３の衝突面１０に衝突した微細気泡混じりの気液混合流体は、衝突面１０で反射して、内管部材２と外管部材３との径方向間に存在する反射流路１２に流入するため、この逆流の作用によって乱流状態が激しくなり、気液混合流体中の気泡にせん断力が生じてさらに微細化されることになる。
【００３２】
つぎに、内管部材２と外管部材３との径方向間に存在する反射流路１２に流入した微細気泡混じりの気液混合流体は、反射流路１２の出口が広くなっていることから反射流路１２の後端側の出口を通過後に圧力がかかり、気液混合流体中の気泡は壊滅されてさらに微細化される。
【００３３】
その後、微細気泡混じりの気液混合流体は、折返しカバー４の後端部１３で折り返されて、折返し流路１４に流入後、先端方向へ向けて流出される。
【００３４】
以上のように、本第一実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ａは、水道の蛇口や水道ホース等の先端に取り付けて使用することが可能であり、小型かつ簡易的な構造から構成されながらも、１つの装置内に複数の微細化機構を有することから、気泡が段階的に微細化され、折返し流路１４の出口から流出する際には、特に粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を多量に発生させることができる。
【００３５】
つぎに、本発明にかかる微細気泡発生装置の第二の実施形態について説明する。なお、本第二実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ｂの構成のうち、前述した第一実施形態と同一もしくは相当する構成には同一の符号を付し、再度の説明を省略する。
【００３６】
図６，図７は、本第二実施形態の微細気泡発生装置１Ｂの斜視図および側面図を示し、図８は微細気泡発生装置１Ｂの８Ｘ−８Ｘ断面図を示す。これら図６ないし図８に示すように、本第二実施形態においては、内筒部材２の後端側に雄ねじを有する本体接続部９が形成されているだけでなく、折返しカバー４の先端側の内周面に雌ねじを有する本体連結部１５が形成されており、水道の蛇口や水道ホースの先端以外の部分である、例えば水道ホース同士の中間等に接続することが可能な構造となっている。これにより、微細気泡発生装置１Ｂの先端からさらに離れた場所であっても、微細気泡を流出することが可能となる。
【００３７】
また、本第二実施形態の微細気泡発生装置１Ｂは、上述したように折返しカバー４の先端側の内周面に本体連結部１５が形成されているため、成型の都合上、折返しカバー４と内管部材２とを別体として形成する方が好ましい。よって、本第二実施形態においては、折返しカバー４の後端側の内周面には雌ねじを有するカバー側接続部１６が形成され、当該カバー側接続部１６と螺合して接続するために、内管部材２の中間位置の外周面にも雄ねじを有するカバー用内管側接続部１７が形成されている。
【００３８】
つぎに、図９は図７の９Ｘ−９Ｘ断面線における断面図を示しており、本第二実施形態においては、前記内管部材２の先端側に形成された内管側接続部８を囲むようにして噴射孔７が３個形成されている。
【００３９】
以上のように、本第二実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ｂは、水道の蛇口や水道ホース等の先端に取り付けて使用することができる他、水道ホース同士の中間に接続することもできるため、微細気泡発生装置１Ｂの先端からさらに離れた場所であっても、微細気泡を流出することが可能であり、小型かつ簡易的な構造から構成されながらも、１つの装置内に複数の微細化機構を有することから、気泡が段階的に微細化され、折返し流路１４の出口から流出する際には、粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を多量に発生させることができる。
【００４０】
つぎに、第三実施形態として、本発明にかかる微細気泡発生方法について説明する。本発明にかかる微細気泡発生方法は、図１０に示すように、密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する加温工程Ｓ１と、加温した後の気液混合流体を密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる噴射工程Ｓ２と、噴射した気液混合流体を噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる衝突工程Ｓ３と、衝突した気液混合流体を密閉されており、かつ密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる反射流入工程Ｓ４と、気液混合流体を反射流路から排出する排出工程Ｓ５とを有する。
【００４１】
以下、本発明にかかる微細気泡発生方法の各工程について詳細に説明する。
【００４２】
まず、加温工程Ｓ１とは、密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する工程をいい、例えば水道管などの密閉流路を給湯器等を利用して３０度以上に温める工程をいう。この加温工程Ｓ１により、密閉空間である水道管内では水が温められたことによって飽和溶存空気量が下がった結果、溶存していた空気が気化し、水道管内には水と空気とが混合された状態の気液混合流体が存在することになる。
【００４３】
つぎに、噴射工程Ｓ２とは、加温した後の気液混合流体を密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる工程をいい、例えば加温した後の気液混合流体を、当該気液混合流体が流入する管路の先端部に形成された当該管路の内径よりも小さい径の噴射孔を介して気液混合流体を噴射させる工程をいう。この噴射工程Ｓ２により、噴射孔内で低くなった圧力が噴射孔の出口で急激に高くなることから、気泡として存在していた気体が壊滅し、マイクロバブルなどの微細気泡が発生する。また、その他、噴射孔での圧力がその液温での飽和蒸気圧より低くなるため、キャビテーションの発生によっても微細気泡が発生する。なお、噴射孔の数は１つ以上あればよく、本発明にかかる効果を奏する限りはいくつあってもよい。
【００４４】
また、衝突工程Ｓ３とは、噴射した気液混合流体を噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる工程をいい、例えば上述した噴射孔から噴射した気液混合流体を、噴射孔と１ｍｍ程度に近接させた衝突面に衝突させる工程をいう。この衝突工程Ｓ３により、気液混合流体中の気泡はさらに微細化される。なお、噴射孔と衝突面との距離は、発生する微細気泡の粒径に影響するため、５ｍｍ以下に設定されることが好ましく、距離が短すぎるとゴミなどで目詰まりする可能性もあるため、１ｍｍがより好ましい。
【００４５】
さらに、反射流入工程Ｓ４とは、衝突面に衝突した気液混合流体を密閉されており、かつ加温工程の密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる工程をいい、例えば、加温工程Ｓ１の水道管よりも断面積の小さい流路へ衝突後の気液混合流体を流入させる工程をいう。この反射流入工程Ｓ４により、衝突面で反射した気液混合流体の乱流状態が激しくなり、気液混合流体中の気泡にせん断力が生じてさらに微細化されることになる。なお、本第三実施形態において、反射流路は、第一実施形態および第二実施形態のように衝突面に対して１８０度反対方向に形成してもよいが、これに限らずどの方向に形成してもよい。
【００４６】
最後に、排出工程Ｓ５とは、気液混合流体を反射流路から排出する工程をいい、例えば、反射流路を通過した気液混合流体を外部へ排出する工程をいう。この排出工程Ｓ５により、反射流路内で下がっていた気液混合流体の圧力が反射流路の出口を通過後に高くなり、気液混合流体中の気泡は壊滅されてさらに微細化される。なお、気液混合流体は、反射流路からの排出後に外部へ排出されず、さらに別の密閉された流路を通過した後に、外部に排出されてもよい。また、反射流路からの排出後に気液混合流体は、さらにある面で反射をした後、別の密閉された流路を通過した後に、外部に排出されてもよい。
【００４７】
以上のように、本第三実施形態にかかる微細気泡発生方法によれば、複数の微細化工程を有することから、気泡が段階的に微細化され、最終工程後には、特に粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を多量に発生させることができる。
【００４８】
つぎに、本発明にかかる第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａを使用して、噴射孔７と衝突面１０との距離が発生する微細気泡の粒径にどの程度影響を与えるかを確認する実験を行った。なお、本発明の範囲は、以下の各実施例によって示される特徴に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４９】
本実施例１では、内管部材２の内径が１４ｍｍ、外径が１８ｍｍ、長さが７０ｍｍ、外管部材３の内径が２０ｍｍ、外径が２４ｍｍ、長さが４５ｍｍ、折返しカバー４の内径が３６ｍｍ、外径が４０ｍｍ、管長さが５０ｍｍの微細気泡発生装置１Ａを使用した。また、内管部材２の噴射孔７は孔径１．８ｍｍ、孔路の角度θ５度、孔数６個とした。噴射孔７と衝突面１０との距離をそれぞれ４ｍｍ，３ｍｍ，１．２ｍｍに設定して実験を行った。
【００５０】
実験は、流量が１０ｌ／ｍｉｎの水道水を給湯器で３２度に温めた後、温められた気液混合流体を微細気泡発生装置１Ａに流入し、装置内の各微細化機構を経て流出した気液混合流体を所定量だけ流出させ、そのうちの３００ｍｌをサンプルとして抽出した。そして、そのサンプルについて、マイクロトラックＨＲＡ（日機装株式会社製）を使用して、体積分布に基づく粒度分布測定を行った。
【００５１】
図１１には噴射孔７と衝突面１０との距離である衝突距離を４ｍｍとしたとき、図１２には衝突距離を３ｍｍとしたとき、図１３には衝突距離を１．２ｍｍとしたときの各々における粒度分布の測定結果を示す。各図の横軸は気泡の粒径（μｍ）を対数で示しており、左縦軸は各粒径に対する検出頻度（％）であってその結果を棒グラフで示し、右縦軸は頻度の累積率（％）を線グラフで示している。
【００５２】
図１１によれば、衝突距離を４ｍｍとした場合、粒径が１００μｍ以下の微細気泡が全体の体積中７０％以上を占めるものの、粒径が１０μｍ以下の微細気泡は発生していないことが分かる。また、全体として気泡の粒径にばらつきが少なく、ある程度粒径が揃った気泡が発生していることが分かる。
【００５３】
つぎに、図１２によれば、衝突距離を３ｍｍとした場合、発生した気泡は全て粒径が１００μｍ以下の微細気泡であり、粒径が１０μｍ以下の微細気泡は全体の体積中１５％以上を占めることが分かる。
【００５４】
また、図１３によれば、衝突距離を１．２ｍｍとした場合には、粒径が２０μｍ以下の微細気泡が全体の気泡体積中６５％以上を占め、粒径が１０μｍ以下の微細気泡については全体の気泡体積中２０％以上を占めることが分かる。
【００５５】
以上の実験結果によれば、第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａを使用することにより、粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を少なくとも７０％以上含む微細気泡を多量に発生させることができること、および衝突距離を小さくした方が気泡の粒径をより微細化できることが確認された。
【実施例２】
【００５６】
つぎに、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ａ，１Ｂに構成された反射流路１２の効果を確認するため、第二実施形態の微細気泡発生装置１Ｂを使用して、反射流路１２を有する場合と、有しない場合とにおける微細気泡の粒度分布測定実験を行った。
【００５７】
本実施例２では、内管部材２の内径が１０ｍｍ、外径が１３．５ｍｍ、長さが５５ｍｍ、外管部材３の内径が１５ｍｍ、外径が１８ｍｍ、長さが２５ｍｍ、折返しカバー４の内径が２６ｍｍ、外径が３０ｍｍ、管長さが６０ｍｍの微細気泡発生装置１Ｂを使用した。また、内管部材２の噴射孔７は孔径２．４ｍｍ、孔路の角度θ５度、孔数３個とした。なお、反射流路１２を有しない場合の実験については、外管部材３の代わりに、衝突面１０のみを有する薄板ドーナツ状部材を使用した。また、衝突距離はいずれも１ｍｍとした。
【００５８】
実験方法および実験装置は、上述した実施例１と同じであるため省略する。
【００５９】
図１４には反射流路１２を有しない微細気泡発生装置についての粒度分布の測定結果を示し、図１５には反射流路１２を有する微細気泡発生装置１Ｂについての粒度分布の測定結果を示す。図１４および図１５は、実施例１と同様、横軸が気泡の粒径（μｍ）の対数であり、左縦軸が棒グラフで示される頻度（％）、右縦軸が線グラフで示される累積（％）である。
【００６０】
図１４によれば、反射流路１２を有しない場合には、粒径を１００μｍ以下とする微細気泡が全体の気泡体積中４０％を超えているものの、粒径を１０μｍ以下とする微細気泡の割合は１％程度しかないことが分かる。
【００６１】
一方、図１５によれば、反射流路１２を有する場合には、粒径を２０μｍ以下する微細気泡が全体の気泡体積中４５％を超えており、粒径を１０μｍ以下とする微細気泡については全体の気泡体積中２５％以上も発生していることが分かる。
【００６２】
以上の実験結果によれば、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ａ，１Ｂのように、反射流路１２を設けることにより、反射流路１２を設けない場合に比べて、気泡の粒径をより微細化できることが確認された。
【実施例３】
【００６３】
つぎに、実施例２で使用した反射流路１２を有する場合の微細気泡発生装置１Ｂを用いて、時間経過における微細気泡の消滅量を確認する実験を行った。
【００６４】
実験方法および実験装置は、上述した実施例１および実施例２と同じであるため省略する。
【００６５】
また図１６および図１７は、実施例１および実施例２と同様、横軸が気泡の粒径（μｍ）の対数であり、左縦軸が棒グラフで示される頻度（％）、右縦軸が線グラフで示される累積（％）である。
【００６６】
実施例２において、反射流路１２を有する微細気泡発生装置１Ｂを使用して発生させた微細気泡の粒度分布を測定した後、２分経過後の粒度分布測定結果を図１６に示し、さらにその後１８分を経過した後の粒度分布測定結果を図１７に示す。
【００６７】
図１６によれば、実施例２の測定から２分経過後には、粒径が２０μｍ以下の微細気泡が全体の気泡体積中６０％程度を占めており、粒径が１０μｍ以下の微細気泡については全体の気泡体積中４０％程度を占めていることが分かる。
【００６８】
図１７によれば、実施例２の測定から２０分経過後には、粒径が２０μｍ以下の微細気泡が全体の気泡体積中５０％を占めており、粒径を１０μｍ以下とする微細気泡については全体の気泡体積中３０％程度を占めていることが分かる。
【００６９】
以上の実験結果によれば、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ｂを使用して発生させた微細気泡は、発生から数分後まではさらに微細化が起こり、そして発生から２０分を経過してもなお水中に粒径が１００μｍ以下の多量の微細気泡が存在していることが分かった。従来の微細気泡発生装置では、時間経過と共に発生した微細気泡が消滅するため、特に粒径の小さい微細気泡の占める割合を維持するためには、微細気泡を発生させ続ける必要があるが、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ｂを使用することにより、時間が経過しても特に粒径を１０μｍ以下とする微細気泡の割合が減らず、微細気泡の発生の仕方に顕著な効果が見られる。したがって、例えば本発明にかかる微細気泡発生装置１Ｂを使用して浴槽にお湯をためれば、微細気泡発生装置１Ｂから微細気泡を発生させ続けなくとも、浴槽の中で十分な洗浄効果や温熱効果、そしてマッサージ効果を得ることが可能となる。
【００７０】
本発明にかかる微細気泡発生装置１Ａ，１Ｂおよび微細気泡発生方法は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、内管部材２，外管部材３および折返しカバー４は、断面形状を円形とする部材に限定されず、断面矩形状等、様々な形状を採択してもよい。また、各実施形態においては、水道管内で気化した溶存空気を利用して気液混合流体としているが、別途、コンプレッサーなどで空気を水に混合したものを気液混合流体として利用することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ，１Ｂ 微細気泡発生装置
２ 内管部材
３ 外管部材
４ 折返しカバー
５ 流路
６ 内管部材の先端部
７ 噴射孔
８ 内管側接続部
９ 本体接続部
１０ 衝突面
１１ 外管側接続部
１２ 反射流路
１３ 折返しカバーの後端部
１４ 折返し流路
１５ 本体連結部
１６ カバー側接続部
Ｓ１ 加温工程
Ｓ２ 噴射工程
Ｓ３ 衝突工程
Ｓ４ 反射流入工程
Ｓ５ 排出工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細気泡を発生させる微細気泡発生装置および微細気泡発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロバブルと呼ばれる微細気泡が、美容や健康等のサービス業を始め、医療・福祉業、農林水産業、製造業などの各種業界において着目されている。マイクロバブルは、一般に、直径が数μｍ〜数百μｍのマイクロオーダーの気泡をいい、気泡が小さくなると、気液界面積の増大、気泡内圧の増大、マイナス帯電効果、自己圧壊、そして液体中での上昇速度の低下等が起こるため、例えば、入浴時の洗浄効果・温熱効果・マッサージ効果、河川や水槽等における汚染物質を気泡に付着させて水面に浮上させる水質浄化効果、酸素等を含む気泡を生物に供給する生理活性効果、機械部品等の洗浄効果などの様々な効果を有する。
【０００３】
従来の微細気泡発生装置のうち、特に入浴の際に使用される微細気泡発生装置として、
特開２００８−２７９３５１号公報には、略円筒形状に形成された筒壁部と、この筒壁部の両側の筒蓋壁とで密閉された中空部を有する筒密閉体と、筒密閉体の内部に配置され、軸心位置に排出開口を有する略半球皿状のガイド壁と、ガイド壁の凹み側に形成された気液混合流体の旋回流形成室と、ガイド壁の突出側に形成された気液混合流体の旋回流噴出室と、筒壁部の旋回流形成室に対応する位置に開口された気液導入孔と、旋回流噴出室を区画する筒蓋壁に開口された気液噴出孔と、を備える微細気泡発生装置が開示されており、気液導入孔から旋回流形成室に供給される気液混合流体で旋回流を形成し、気液混合流体の旋回流により形成される微細気泡を排出開口から旋回流噴出室を介して気液噴出孔から噴射させる構造となっている（特許文献１）。
【０００４】
また、特開２０１０−２８４６１９号公報には、筒状を呈し、内側に気体と液体とをそれぞれ導入して気液二相流を混合形成する内筒部材により構成される気液混合手段と、内筒部材よりも大きな筒状を呈し、内筒部材に対して径方向に所定距離を隔てて外挿されて、内筒部材の周壁部との径方向間を軸方向一方から他方に向かって液体が流れる筒状流路とする外筒部材と、内筒部材の周壁部において周方向に傾斜する方向に貫設されて、筒状流路を流れる液体を内筒部材の内側に導入することで、かかる内側の気液二相流に内筒部材の中心軸回りの旋回流を生じさせる貫通孔とを含んで構成されるマイクロバブル生成手段と、この旋回流に伴い気液二相流にマイクロバブルを発生させてマイクロバブル含有液体が生成され、内筒部材の軸方向他方の開口部から外部に吐出されるようになっており、更に衝突手段は、筒状流路において内筒部材の外周面と外筒部材の内周面とが軸方向一方から他方に向かって縮径されるテーパ筒状を呈し、筒状流路を流れる液体を軸方向一方から他方に加圧させつつ内筒部材における軸方向他方の開口部の外方に案内する案内部により構成されるマイクロバブル発生装置が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７９３５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８４６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された装置は、主として浴槽内に微細気泡を発生させるための装置であるが、気液混合流体を内壁に沿って旋回させる必要があるため、旋回流形成室の中空部の大きさを確保する必要があり、全体として装置が大きくなるという問題を有する。
【０００７】
一方、特許文献２に記載された装置は、シャワーヘッドと一体型の微細気泡発生装置であるが、内側筒部に流れ込んだ水を旋回させる構造であるため、内側筒部の空間の大きさを確保する必要があり、全体としてシャワーヘッドが大きくなるという問題を有する。また、当該シャワーヘッドは、空気を大気中から自吸するための給気通路を有する構造であるため、浴槽内で微細気泡を発生させたい場合など、給気通路が水に浸かる状況下では、微細気泡を発生させることができないという問題がある。その他、シャワーヘッドと一体型の装置であるため、ユーザはシャワーヘッドごと交換をして使用する必要があり、コストが高くなるという問題も存在する。
【０００８】
そこで、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、小型かつ簡易的な構造でありながら、多量の微細気泡を発生させられる微細気泡発生装置および微細気泡発生方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる微細気泡発生装置は、微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、内部に流路を備えて先端を閉じてなる内管部材と、内管部材の外周を二重環状に包囲する外管部材とを有しており、内管部材の閉じられた先端部には、流入した気液混合流体を噴射する噴射孔が形成され、外管部材は、噴射孔から噴射された気液混合流体が衝突する衝突面を備えているとともに、内管部材との径方向間に衝突面で反射した気液混合流体を流入させる反射流路を有する。
【００１０】
本発明の一態様として、微細気泡発生装置の噴射孔は、その孔路が内管部材の軸線方向に対して傾斜して形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の一態様として、微細気泡発生装置は、内管部材の先端部には、外管部材を螺合により接続するための内管側接続部が設けられているとともに、外管部材の先端部には、内管側接続部と螺合により接続するための外管側接続部が設けられており、着脱可能であって、噴射孔と衝突面との距離を調整可能に構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の一態様として、微細気泡発生装置は、噴射孔が内管側接続部の周囲に複数形成されていることが好ましい。
【００１３】
その他、本発明の一態様として、微細気泡発生装置は、外管部材の外周を二重環状に包囲するとともに後端側を閉じてなる管状折返しカバーが設けられており、外管部材との径方向間に反射流路を流れてくる気液混合流体を後端部で折り返して先端方向へ流出させる折返し流路が構成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明にかかる微細気泡発生方法は、微細気泡を発生させる微細気泡発生方法であって、密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する加温工程と、加温した後の気液混合流体を密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる噴射工程と、噴射した気液混合流体を噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる衝突工程と、衝突した気液混合流体を密閉されており、かつ密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる反射流入工程と、気液混合流体を反射流路から排出する排出工程とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型かつ簡易的な構造でありながら、多量の微細気泡を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかる微細気泡発生装置の第一実施形態における斜視図である。
【図２】本第一実施形態を示す側面図である。
【図３】図２の３Ｘ−３Ｘ線における断面図である。
【図４】図２の４Ｘ−４Ｘ線における断面図である。
【図５】噴射孔周辺の部分拡大断面図である。
【図６】本発明にかかる微細気泡発生装置の第二実施形態における斜視図である。
【図７】本第二実施形態を示す側面図である。
【図８】図７の８Ｘ−８Ｘ線における断面図である。
【図９】図８の９Ｘ−９Ｘ線における断面図である。
【図１０】本発明にかかる微細気泡発生方法のフロー図である。
【図１１】本実施例１において、衝突距離Ｌを４ｍｍとした場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１２】本実施例１において、衝突距離Ｌを３ｍｍとした場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１３】本実施例１において、衝突距離Ｌを１．２ｍｍとした場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１４】本実施例２において、反射流路を有しない場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１５】本実施例２において、反射流路を有する場合の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１６】本実施例３において、図１５の測定から２分経過後の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【図１７】本実施例２において、図１５の測定から２０分経過後の粒度分布測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる微細気泡発生装置の第一実施形態について図１ないし図５を用いて説明する。
【００１８】
図１，図２は本第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａの斜視図及び側面図を示し、図３は微細気泡発生装置１Ａの３Ｘ−３Ｘ断面図を示す。これら図１ないし図３に示すように、微細気泡発生装置１Ａは、主として、内管部材２と、外管部材３と、折り返しカバー４とにより構成されている。
【００１９】
以下、本第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａの各構成について詳細に説明する。
【００２０】
内管部材２は、内部に流路５を有する管状部材であって、その閉じられた先端部６には、複数の噴射孔７が形成されている。また、内管部材２の先端部６には、先端方向に向かって、外管部材３と接続するために雄ねじが形成された内管側接続部８が形成されている。また、内管部材２の後端側にも外周面に雄ねじが形成された本体接続部９が形成されており、この本体接続部９により、例えばシャワーホースの先端に、シャワーヘッドと交換して、微細気泡発生装置１Ａを着脱可能に取り付けて使用することができる。なお、本第一実施形態では、本体接続部９は内管部材２の後端側に形成されているが、前記内管部材２の代わりに、折返しカバー４の後端部１３を後端方向に延出させて管状部分を形成し、その管状部分の外周面に雄ねじを形成してもよい。
【００２１】
また、図３の３Ｘ−３Ｘ断面図に示すように、本第一実施形態においては、内管部材２の先端部６に設けられた内管側接続部８を囲むようにして６個の噴射孔７が円形状に配置されている。また、図５に示すように、噴射孔７における孔路の角度θは、内管部材２の軸線方向に対して−８度〜＋８度程度傾斜して形成されていることが好ましい。ただし、噴射孔７の数は１個以上であればいくつ形成されてもよく、また内管部材２の先端部６であればどの位置に形成されてもよく、さらに噴射孔７は傾斜せずに形成されてもよいため、噴射孔７の数、その配置、孔路の角度θは本第一実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
つぎに、外管部材３は、管状に形成されており、内管部材２の外周を二重環状に包囲し、その外管部材３の先端部には、前記内管部材２の噴射孔７から噴射する気液混合流体を衝突させるための衝突面１０を備えている。なお、内管部材２の噴射孔７と衝突面１０との距離は、発生する微細気泡の粒径に影響するため、５ｍｍ以下に設定されることが好ましく、距離が短すぎるとゴミなどで目詰まりする可能性もあるため、これを防止可能な約１ｍｍがより好ましい。
【００２３】
また、衝突面１０の中央には、内管部材２と接続するための雌ねじが形成された外管側接続部１１が形成されている。また、内管部材２と外管部材３の径方向間には、衝突面１０で衝突した気液混合流体を反射させて流入させるための反射流路１２が構成されている。なお、内管部材２と外管部材３との径方向間の距離は、反射流路１２の後端側の出口においても圧力を大きく変化させる観点から０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定されていることが好ましい。また、本第一実施形態においては、内管部材２と外管部材３の接続方法として両者間の距離が調整し易く、また両者間にたまったゴミを取り除くことができるよう螺着構造を採用したが、接着剤などによる固定や一体型として作成してもよく、本第一実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
つぎに、折返しカバー４は、管状に形成されており、外管部材３の外周を二重環状に包囲し、その後端部１３は内管部材２の後端側外周面と接して閉じた構成となっている。ここで、折返しカバー４は、内管部材２とは、別体として形成されてもよく、また一体型として形成されてもよい。そして、外管部材３と折返しカバー４との径方向間には、反射流路１２を流れてくる気液混合流体を、折返しカバー４の後端部１３で反射的に折り返した後、先端方向に流出させるための折返し流路１４が構成されている。
【００２５】
なお、本発明にかかる微細気泡発生装置の材質は、水中でも錆びることがなく、また水圧に耐えうる樹脂であることが好ましいが、ステンレス，アルミ合金等の金属やセラミックス等の焼結体であってもよい。
【００２６】
本第一実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ａは以上のような構成を有し、次のように作用して微細気泡を発生させる。
【００２７】
まず、給湯器などで水道管内の水が温められた際、密閉空間である水道管内では水が温められたことによって飽和溶存空気量が下がった結果、溶存していた空気が気化し、水道管内には水と空気とが混合された状態の気液混合流体が存在することになる。その後、内管部材２の後端側にある本体接続部９と螺合して接続された水道ホースを介して気液混合流体が内管部材２に流入し、流路５を介してこの内管部材２の先端部６に形成された噴射孔７に流入する。
【００２８】
このとき、噴射孔７の孔径が内管部材２の内径に比して小さいため、噴射孔７内での圧力が低くなり、その後、噴射孔７の出口で急激に圧力が高くなることから、気泡として存在していた気体が壊滅し、マイクロバブルなどの微細気泡が発生する。このとき、噴射孔７の孔路が、内管部材２の軸線方向に対して傾斜して形成されているため、噴射された気泡にせん断力が発生しやすく、気泡の微細化が促進される。
【００２９】
その他、噴射孔７での圧力がその液温での飽和蒸気圧より低くなると、液体の一部が気化して蒸気泡を発生した後、急激に圧力が回復して蒸気泡を壊滅する、いわゆるキャビテーションの発生によっても微細気泡が発生する。
【００３０】
そして、内管部材２の噴射孔７より噴射された微細気泡混じりの気液混合流体は、外管部材３の衝突面１０に衝突し、気液混合流体中の気泡はさらに微細化される。
【００３１】
その後、外管部材３の衝突面１０に衝突した微細気泡混じりの気液混合流体は、衝突面１０で反射して、内管部材２と外管部材３との径方向間に存在する反射流路１２に流入するため、この逆流の作用によって乱流状態が激しくなり、気液混合流体中の気泡にせん断力が生じてさらに微細化されることになる。
【００３２】
つぎに、内管部材２と外管部材３との径方向間に存在する反射流路１２に流入した微細気泡混じりの気液混合流体は、反射流路１２の出口が広くなっていることから反射流路１２の後端側の出口を通過後に圧力がかかり、気液混合流体中の気泡は壊滅されてさらに微細化される。
【００３３】
その後、微細気泡混じりの気液混合流体は、折返しカバー４の後端部１３で折り返されて、折返し流路１４に流入後、先端方向へ向けて流出される。
【００３４】
以上のように、本第一実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ａは、水道の蛇口や水道ホース等の先端に取り付けて使用することが可能であり、小型かつ簡易的な構造から構成されながらも、１つの装置内に複数の微細化機構を有することから、気泡が段階的に微細化され、折返し流路１４の出口から流出する際には、特に粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を多量に発生させることができる。
【００３５】
つぎに、本発明にかかる微細気泡発生装置の第二の実施形態について説明する。なお、本第二実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ｂの構成のうち、前述した第一実施形態と同一もしくは相当する構成には同一の符号を付し、再度の説明を省略する。
【００３６】
図６，図７は、本第二実施形態の微細気泡発生装置１Ｂの斜視図および側面図を示し、図８は微細気泡発生装置１Ｂの８Ｘ−８Ｘ断面図を示す。これら図６ないし図８に示すように、本第二実施形態においては、内筒部材２の後端側に雄ねじを有する本体接続部９が形成されているだけでなく、折返しカバー４の先端側の内周面に雌ねじを有する本体連結部１５が形成されており、水道の蛇口や水道ホースの先端以外の部分である、例えば水道ホース同士の中間等に接続することが可能な構造となっている。これにより、微細気泡発生装置１Ｂの先端からさらに離れた場所であっても、微細気泡を流出することが可能となる。
【００３７】
また、本第二実施形態の微細気泡発生装置１Ｂは、上述したように折返しカバー４の先端側の内周面に本体連結部１５が形成されているため、成型の都合上、折返しカバー４と内管部材２とを別体として形成する方が好ましい。よって、本第二実施形態においては、折返しカバー４の後端側の内周面には雌ねじを有するカバー側接続部１６が形成され、当該カバー側接続部１６と螺合して接続するために、内管部材２の中間位置の外周面にも雄ねじを有するカバー用内管側接続部１７が形成されている。
【００３８】
つぎに、図９は図７の９Ｘ−９Ｘ断面線における断面図を示しており、本第二実施形態においては、前記内管部材２の先端側に形成された内管側接続部８を囲むようにして噴射孔７が３個形成されている。
【００３９】
以上のように、本第二実施形態にかかる微細気泡発生装置１Ｂは、水道の蛇口や水道ホース等の先端に取り付けて使用することができる他、水道ホース同士の中間に接続することもできるため、微細気泡発生装置１Ｂの先端からさらに離れた場所であっても、微細気泡を流出することが可能であり、小型かつ簡易的な構造から構成されながらも、１つの装置内に複数の微細化機構を有することから、気泡が段階的に微細化され、折返し流路１４の出口から流出する際には、粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を多量に発生させることができる。
【００４０】
つぎに、第三実施形態として、本発明にかかる微細気泡発生方法について説明する。本発明にかかる微細気泡発生方法は、図１０に示すように、密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する加温工程Ｓ１と、加温した後の気液混合流体を密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる噴射工程Ｓ２と、噴射した気液混合流体を噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる衝突工程Ｓ３と、衝突した気液混合流体を密閉されており、かつ密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる反射流入工程Ｓ４と、気液混合流体を反射流路から排出する排出工程Ｓ５とを有する。
【００４１】
以下、本発明にかかる微細気泡発生方法の各工程について詳細に説明する。
【００４２】
まず、加温工程Ｓ１とは、密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する工程をいい、例えば水道管などの密閉流路を給湯器等を利用して３０度以上に温める工程をいう。この加温工程Ｓ１により、密閉空間である水道管内では水が温められたことによって飽和溶存空気量が下がった結果、溶存していた空気が気化し、水道管内には水と空気とが混合された状態の気液混合流体が存在することになる。
【００４３】
つぎに、噴射工程Ｓ２とは、加温した後の気液混合流体を密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる工程をいい、例えば加温した後の気液混合流体を、当該気液混合流体が流入する管路の先端部に形成された当該管路の内径よりも小さい径の噴射孔を介して気液混合流体を噴射させる工程をいう。この噴射工程Ｓ２により、噴射孔内で低くなった圧力が噴射孔の出口で急激に高くなることから、気泡として存在していた気体が壊滅し、マイクロバブルなどの微細気泡が発生する。また、その他、噴射孔での圧力がその液温での飽和蒸気圧より低くなるため、キャビテーションの発生によっても微細気泡が発生する。なお、噴射孔の数は１つ以上あればよく、本発明にかかる効果を奏する限りはいくつあってもよい。
【００４４】
また、衝突工程Ｓ３とは、噴射した気液混合流体を噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる工程をいい、例えば上述した噴射孔から噴射した気液混合流体を、噴射孔と１ｍｍ程度に近接させた衝突面に衝突させる工程をいう。この衝突工程Ｓ３により、気液混合流体中の気泡はさらに微細化される。なお、噴射孔と衝突面との距離は、発生する微細気泡の粒径に影響するため、５ｍｍ以下に設定されることが好ましく、距離が短すぎるとゴミなどで目詰まりする可能性もあるため、１ｍｍがより好ましい。
【００４５】
さらに、反射流入工程Ｓ４とは、衝突面に衝突した気液混合流体を密閉されており、かつ加温工程の密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる工程をいい、例えば、加温工程Ｓ１の水道管よりも断面積の小さい流路へ衝突後の気液混合流体を流入させる工程をいう。この反射流入工程Ｓ４により、衝突面で反射した気液混合流体の乱流状態が激しくなり、気液混合流体中の気泡にせん断力が生じてさらに微細化されることになる。なお、本第三実施形態において、反射流路は、第一実施形態および第二実施形態のように衝突面に対して１８０度反対方向に形成してもよいが、これに限らずどの方向に形成してもよい。
【００４６】
最後に、排出工程Ｓ５とは、気液混合流体を反射流路から排出する工程をいい、例えば、反射流路を通過した気液混合流体を外部へ排出する工程をいう。この排出工程Ｓ５により、反射流路内で下がっていた気液混合流体の圧力が反射流路の出口を通過後に高くなり、気液混合流体中の気泡は壊滅されてさらに微細化される。なお、気液混合流体は、反射流路からの排出後に外部へ排出されず、さらに別の密閉された流路を通過した後に、外部に排出されてもよい。また、反射流路からの排出後に気液混合流体は、さらにある面で反射をした後、別の密閉された流路を通過した後に、外部に排出されてもよい。
【００４７】
以上のように、本第三実施形態にかかる微細気泡発生方法によれば、複数の微細化工程を有することから、気泡が段階的に微細化され、最終工程後には、特に粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を多量に発生させることができる。
【００４８】
つぎに、本発明にかかる第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａを使用して、噴射孔７と衝突面１０との距離が発生する微細気泡の粒径にどの程度影響を与えるかを確認する実験を行った。なお、本発明の範囲は、以下の各実施例によって示される特徴に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４９】
本実施例１では、内管部材２の内径が１４ｍｍ、外径が１８ｍｍ、長さが７０ｍｍ、外管部材３の内径が２０ｍｍ、外径が２４ｍｍ、長さが４５ｍｍ、折返しカバー４の内径が３６ｍｍ、外径が４０ｍｍ、管長さが５０ｍｍの微細気泡発生装置１Ａを使用した。また、内管部材２の噴射孔７は孔径１．８ｍｍ、孔路の角度θ５度、孔数６個とした。噴射孔７と衝突面１０との距離をそれぞれ４ｍｍ，３ｍｍ，１．２ｍｍに設定して実験を行った。
【００５０】
実験は、流量が１０ｌ／ｍｉｎの水道水を給湯器で３２度に温めた後、温められた気液混合流体を微細気泡発生装置１Ａに流入し、装置内の各微細化機構を経て流出した気液混合流体を所定量だけ流出させ、そのうちの３００ｍｌをサンプルとして抽出した。そして、そのサンプルについて、マイクロトラックＨＲＡ（日機装株式会社製）を使用して、体積分布に基づく粒度分布測定を行った。
【００５１】
図１１には噴射孔７と衝突面１０との距離である衝突距離を４ｍｍとしたとき、図１２には衝突距離を３ｍｍとしたとき、図１３には衝突距離を１．２ｍｍとしたときの各々における粒度分布の測定結果を示す。各図の横軸は気泡の粒径（μｍ）を対数で示しており、左縦軸は各粒径に対する検出頻度（％）であってその結果を棒グラフで示し、右縦軸は頻度の累積率（％）を線グラフで示している。
【００５２】
図１１によれば、衝突距離を４ｍｍとした場合、粒径が１００μｍ以下の微細気泡が全体の体積中７０％以上を占めるものの、粒径が１０μｍ以下の微細気泡は発生していないことが分かる。また、全体として気泡の粒径にばらつきが少なく、ある程度粒径が揃った気泡が発生していることが分かる。
【００５３】
つぎに、図１２によれば、衝突距離を３ｍｍとした場合、発生した気泡は全て粒径が１００μｍ以下の微細気泡であり、粒径が１０μｍ以下の微細気泡は全体の体積中１５％以上を占めることが分かる。
【００５４】
また、図１３によれば、衝突距離を１．２ｍｍとした場合には、粒径が２０μｍ以下の微細気泡が全体の気泡体積中６５％以上を占め、粒径が１０μｍ以下の微細気泡については全体の気泡体積中２０％以上を占めることが分かる。
【００５５】
以上の実験結果によれば、第一実施形態の微細気泡発生装置１Ａを使用することにより、粒径を１００μｍ以下とする微細気泡を少なくとも７０％以上含む微細気泡を多量に発生させることができること、および衝突距離を小さくした方が気泡の粒径をより微細化できることが確認された。
【実施例２】
【００５６】
つぎに、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ａ，１Ｂに構成された反射流路１２の効果を確認するため、第二実施形態の微細気泡発生装置１Ｂを使用して、反射流路１２を有する場合と、有しない場合とにおける微細気泡の粒度分布測定実験を行った。
【００５７】
本実施例２では、内管部材２の内径が１０ｍｍ、外径が１３．５ｍｍ、長さが５５ｍｍ、外管部材３の内径が１５ｍｍ、外径が１８ｍｍ、長さが２５ｍｍ、折返しカバー４の内径が２６ｍｍ、外径が３０ｍｍ、管長さが６０ｍｍの微細気泡発生装置１Ｂを使用した。また、内管部材２の噴射孔７は孔径２．４ｍｍ、孔路の角度θ５度、孔数３個とした。なお、反射流路１２を有しない場合の実験については、外管部材３の代わりに、衝突面１０のみを有する薄板ドーナツ状部材を使用した。また、衝突距離はいずれも１ｍｍとした。
【００５８】
実験方法および実験装置は、上述した実施例１と同じであるため省略する。
【００５９】
図１４には反射流路１２を有しない微細気泡発生装置についての粒度分布の測定結果を示し、図１５には反射流路１２を有する微細気泡発生装置１Ｂについての粒度分布の測定結果を示す。図１４および図１５は、実施例１と同様、横軸が気泡の粒径（μｍ）の対数であり、左縦軸が棒グラフで示される頻度（％）、右縦軸が線グラフで示される累積（％）である。
【００６０】
図１４によれば、反射流路１２を有しない場合には、粒径を１００μｍ以下とする微細気泡が全体の気泡体積中４０％を超えているものの、粒径を１０μｍ以下とする微細気泡の割合は１％程度しかないことが分かる。
【００６１】
一方、図１５によれば、反射流路１２を有する場合には、粒径を２０μｍ以下する微細気泡が全体の気泡体積中４５％を超えており、粒径を１０μｍ以下とする微細気泡については全体の気泡体積中２５％以上も発生していることが分かる。
【００６２】
以上の実験結果によれば、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ａ，１Ｂのように、反射流路１２を設けることにより、反射流路１２を設けない場合に比べて、気泡の粒径をより微細化できることが確認された。
【実施例３】
【００６３】
つぎに、実施例２で使用した反射流路１２を有する場合の微細気泡発生装置１Ｂを用いて、時間経過における微細気泡の消滅量を確認する実験を行った。
【００６４】
実験方法および実験装置は、上述した実施例１および実施例２と同じであるため省略する。
【００６５】
また図１６および図１７は、実施例１および実施例２と同様、横軸が気泡の粒径（μｍ）の対数であり、左縦軸が棒グラフで示される頻度（％）、右縦軸が線グラフで示される累積（％）である。
【００６６】
実施例２において、反射流路１２を有する微細気泡発生装置１Ｂを使用して発生させた微細気泡の粒度分布を測定した後、２分経過後の粒度分布測定結果を図１６に示し、さらにその後１８分を経過した後の粒度分布測定結果を図１７に示す。
【００６７】
図１６によれば、実施例２の測定から２分経過後には、粒径が２０μｍ以下の微細気泡が全体の気泡体積中６０％程度を占めており、粒径が１０μｍ以下の微細気泡については全体の気泡体積中４０％程度を占めていることが分かる。
【００６８】
図１７によれば、実施例２の測定から２０分経過後には、粒径が２０μｍ以下の微細気泡が全体の気泡体積中５０％を占めており、粒径を１０μｍ以下とする微細気泡については全体の気泡体積中３０％程度を占めていることが分かる。
【００６９】
以上の実験結果によれば、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ｂを使用して発生させた微細気泡は、発生から数分後まではさらに微細化が起こり、そして発生から２０分を経過してもなお水中に粒径が１００μｍ以下の多量の微細気泡が存在していることが分かった。従来の微細気泡発生装置では、時間経過と共に発生した微細気泡が消滅するため、特に粒径の小さい微細気泡の占める割合を維持するためには、微細気泡を発生させ続ける必要があるが、本発明にかかる微細気泡発生装置１Ｂを使用することにより、時間が経過しても特に粒径を１０μｍ以下とする微細気泡の割合が減らず、微細気泡の発生の仕方に顕著な効果が見られる。したがって、例えば本発明にかかる微細気泡発生装置１Ｂを使用して浴槽にお湯をためれば、微細気泡発生装置１Ｂから微細気泡を発生させ続けなくとも、浴槽の中で十分な洗浄効果や温熱効果、そしてマッサージ効果を得ることが可能となる。
【００７０】
本発明にかかる微細気泡発生装置１Ａ，１Ｂおよび微細気泡発生方法は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、内管部材２，外管部材３および折返しカバー４は、断面形状を円形とする部材に限定されず、断面矩形状等、様々な形状を採択してもよい。また、各実施形態においては、水道管内で気化した溶存空気を利用して気液混合流体としているが、別途、コンプレッサーなどで空気を水に混合したものを気液混合流体として利用することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ，１Ｂ 微細気泡発生装置
２ 内管部材
３ 外管部材
４ 折返しカバー
５ 流路
６ 内管部材の先端部
７ 噴射孔
８ 内管側接続部
９ 本体接続部
１０ 衝突面
１１ 外管側接続部
１２ 反射流路
１３ 折返しカバーの後端部
１４ 折返し流路
１５ 本体連結部
１６ カバー側接続部
Ｓ１ 加温工程
Ｓ２ 噴射工程
Ｓ３ 衝突工程
Ｓ４ 反射流入工程
Ｓ５ 排出工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、
内部に流路を備えて先端を閉じてなる内管部材と、前記内管部材の外周を二重環状に包囲する外管部材とを有しており、
前記内管部材の閉じられた先端部には、流入した気液混合流体を噴射する噴射孔が形成され、
前記外管部材は、前記噴射孔から噴射された気液混合流体が衝突する衝突面を備えているとともに、前記内管部材との径方向間に前記衝突面で反射した気液混合流体を流入させる反射流路を有する、前記微細気泡発生装置。
【請求項２】
前記噴射孔は、その孔路が前記内管部材の軸線方向に対して傾斜して形成されている請求項１に記載の微細気泡発生装置。
【請求項３】
前記内管部材の先端部には、前記外管部材を螺合により接続するための内管側接続部が設けられているとともに、前記外管部材の先端部には、前記内管側接続部と螺合により接続するための外管側接続部が設けられており、着脱可能であって、前記噴射孔と前記衝突面との距離を調整可能に構成されている請求項１または請求項２に記載の微細気泡発生装置。
【請求項４】
前記噴射孔は、前記内管側接続部の周囲に複数形成されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
【請求項５】
前記外管部材の外周を二重環状に包囲するとともに後端側を閉じてなる管状折返しカバーが設けられており、前記外管部材との径方向間に前記反射流路を流れてくる気液混合流体を前記後端部で折り返して先端方向へ流出させる折返し流路が構成されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
【請求項６】
微細気泡を発生させる微細気泡発生方法であって、
密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する加温工程と、
加温した後の前記気液混合流体を前記密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる噴射工程と、
噴射した前記気液混合流体を前記噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる衝突工程と、
衝突した前記気液混合流体を密閉されており、かつ前記密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる反射流入工程と、
前記気液混合流体を前記反射流路から排出する排出工程とを有する、前記微細気泡発生方法。
【請求項１】
微細気泡を発生させる微細気泡発生装置であって、
内部に流路を備えて先端を閉じてなる内管部材と、前記内管部材の外周を二重環状に包囲する外管部材とを有しており、
前記内管部材の閉じられた先端部には、流入した気液混合流体を噴射する噴射孔が形成され、
前記外管部材は、前記噴射孔から噴射された気液混合流体が衝突する衝突面を備えているとともに、前記内管部材との径方向間に前記衝突面で反射した気液混合流体を流入させる反射流路を有する、前記微細気泡発生装置。
【請求項２】
前記噴射孔は、その孔路が前記内管部材の軸線方向に対して傾斜して形成されている請求項１に記載の微細気泡発生装置。
【請求項３】
前記内管部材の先端部には、前記外管部材を螺合により接続するための内管側接続部が設けられているとともに、前記外管部材の先端部には、前記内管側接続部と螺合により接続するための外管側接続部が設けられており、着脱可能であって、前記噴射孔と前記衝突面との距離を調整可能に構成されている請求項１または請求項２に記載の微細気泡発生装置。
【請求項４】
前記噴射孔は、前記内管側接続部の周囲に複数形成されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
【請求項５】
前記外管部材の外周を二重環状に包囲するとともに後端側を閉じてなる管状折返しカバーが設けられており、前記外管部材との径方向間に前記反射流路を流れてくる気液混合流体を前記後端部で折り返して先端方向へ流出させる折返し流路が構成されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の微細気泡発生装置。
【請求項６】
微細気泡を発生させる微細気泡発生方法であって、
密閉流路内を流通する気液混合流体を密閉状態にて所定の温度に加温する加温工程と、
加温した後の前記気液混合流体を前記密閉流路からこの密閉流路より断面積の小さい噴射孔を介して噴射させる噴射工程と、
噴射した前記気液混合流体を前記噴射孔に近接させた衝突面に衝突させる衝突工程と、
衝突した前記気液混合流体を密閉されており、かつ前記密閉流路より断面積の小さい反射流路に流入させる反射流入工程と、
前記気液混合流体を前記反射流路から排出する排出工程とを有する、前記微細気泡発生方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２１７８７８（Ｐ２０１２−２１７８７８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３２２９（Ｐ２０１１−８３２２９）
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（５０９２６７７２０）道機産業株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（５０９２６７７２０）道機産業株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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