機能液生成装置
【課題】高濃度の有効成分を含む微細気泡が安定的に長期間存在する機能液を生成することのできる機能液生成装置を提供する。
【解決手段】
本発明の機能液生成装置を、液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部２と、液保持部２が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部３と、放電部３に電圧を印加させる電圧印加部４とを具備したものとする。これにより、飽和溶解度を超える大量の気体を液保持部２内の液体中に存在させておくことができる。また、ナノメータサイズの微細な気泡には浮力が働かないため、この気泡中に存在する気体を、液体中に長期間に亘って安定に存在させることができる。そして、放電によって有効成分を発させることで、高濃度の有効成分を含む微細気泡を液中において安定的に存在させることが可能となる。
【解決手段】
本発明の機能液生成装置を、液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部２と、液保持部２が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部３と、放電部３に電圧を印加させる電圧印加部４とを具備したものとする。これにより、飽和溶解度を超える大量の気体を液保持部２内の液体中に存在させておくことができる。また、ナノメータサイズの微細な気泡には浮力が働かないため、この気泡中に存在する気体を、液体中に長期間に亘って安定に存在させることができる。そして、放電によって有効成分を発させることで、高濃度の有効成分を含む微細気泡を液中において安定的に存在させることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電によって機能液を生成することのできる機能液生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気泡を含む液中で放電を生じさせることで、該気泡に有効成分が生じ、この気泡を含む液が改質されることが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、液中での微細気泡は、溶解や合体によって消滅しやすい性質を有しており、大量の気泡を液中において安定的に長期間存在させることは困難である。そのため、上記したような構成の従来の機能液生成装置では、液中に有効成分を生じさせる量に限界があるという問題や、有効成分の生じた微細気泡が時間の経過と共に消失するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、液中に高濃度で有効成分を発生させることができ、しかも、この高濃度の有効成分を含む微細気泡を液中において安定的に長期間存在させることのできる機能液生成装置を提供することを、課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の機能液生成装置を、液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部２と、液保持部２が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部３と、放電部３に電圧を印加させる電圧印加部４とを具備したものとする。
【０００７】
本発明の機能液生成装置によれば、液保持部２内の気液混合液においてナノメータサイズの微細な気泡を含むことによって、飽和溶解度を超える大量の気体を液体中に存在させておくことができる。また、ナノメータサイズの微細な気泡には浮力が働かないため、この気泡中に存在する気体を、液体中に長期間に亘って安定に存在させることができる。そして、このようなナノメータサイズの微細な気泡を含む気液混合液に対して放電を行うことで、気泡内において各種の有効成分を発生させ、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことが可能となる。
【０００８】
本発明の機能液生成装置において、前記気液混合液をなす液体は、水素結合を形成する分子からなる液体であり、該液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合よりも短いことが好ましい。このようにすると、気泡界面における水素結合の距離が短くなることによって、気泡の周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことができる。この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となって気泡を包み込むので、気泡同士が衝突して崩壊することが防止されるとともに、液体からの圧力に対して気泡内部からの応力で対抗できるので、気泡を液体中で消滅させたり合体させたりすることなく安定に存在させることができる。そして、このように安定的に存在するナノメータサイズの微細な気泡を含む気液混合液に対して放電を行うことで、気泡内において各種の有効成分を発生させ、有効成分をさらに安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことが可能となる。
【０００９】
また、前記気液混合液をなすナノメータサイズの気泡は、０．１２ＭＰａ以上の圧力の気体で形成したものであることが好ましい。このようにすることで、気泡が高い内部圧で維持されることによってより強固な界面構造を形成することができ、気泡が液体中で消滅したり合体したりすることなくさらに安定に存在するものとなる。また、この気泡中の気体の圧力は、外部からの衝撃がない限り長期間に亘って液体からの押圧との間で均衡を保つので、気泡が安定に存在した気液混合液を、長期間に亘って利用することができる。そして、このように安定的に存在するナノメータサイズの微細な気泡を含む気液混合液に対して放電を行うことで、気泡内において各種の有効成分を発生させ、有効成分をさらに安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことが可能となる。
【００１０】
また、前記放電部３は、液保持部２内の気液混合液に浸るようにその放電発生部分を配置したものであることが好ましい。このようにすることで、低エネルギで気液混合液内にて所定の放電を生じさせ、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことができる。
【００１１】
また、前記放電部３は、放電電極７と対向電極８とから成り、放電電極７と対向電極８の一方を液保持部２内の気液混合液に浸るように配置したものであることも好ましい。このようにすることで、低エネルギで且つ安定的に気液混合液内にて所定の放電を生じさせることができる。これにより、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を、さらに効率的に創り出すことができる。
【００１２】
また、前記放電部３は、放電電極７と対向電極８とから成り、放電電極７は針状電極であるとともに、対向電極８はリング状電極であることも好ましい。このようにすることで、気液混合液内の広い範囲内において安定的に所定の放電を生じさせることができる。これにより、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を、さらに効率的に創り出すことができる。
【００１３】
また、前記放電部３は、その放電発生部分の一部または全部をメッシュ状に形成したものであることも好ましい。このようにすることで、低エネルギ化を図るとともに、気液混合液内の広範囲において安定的に所定の放電を生じさせることができる。これにより、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を、さらに効率的に創り出すことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の機能液生成装置は、液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部と、液保持部が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部と、放電部に電圧を印加させる電圧印加部とを具備している。これにより、液保持部内の気液混合液において、飽和溶解度を超える大量の気体を液体中に存在させておくことが可能となり、また、ナノメータサイズの微細な気泡に浮力が働かないことから、各気泡中の気体を液体中に長期間に亘って安定に存在させることができる。そして、このような気液混合液に対して放電を行い、気泡内において各種の有効成分を発生させることによって、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことができる。
【００１５】
つまり、放電により生じる有効成分を非常に高濃度に、且つ、安定的な状態で含んだ状態の機能液を、本発明の機能液生成装置によって得ることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における第１例の機能液生成装置の全体概略図である。
【図２】同上の機能液生成装置が備える気液混合液生成部を示し、（ａ）は概略図、（ｂ）は一部を拡大した断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同上の気液混合液生成部の一部を示す概略図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は同上の気液混合液生成部の一部を示す概略図である。
【図５】同上の気液混合液生成部の一部を示す概略図である。
【図６】同上の気液混合液生成部の変形例を示す概略図である。
【図７】気液混合液中に含まれる気体容量を示すグラフ図である。
【図８】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による気液混合液の写真図である。
【図９】気液混合液中の気泡の概念説明図である。
【図１０】窒素と水を用いた気液混合液と窒素飽和水との赤外吸収スペクトルの差分を示すグラフ図である。
【図１１】気液混合液の安定性を示すグラフ図である。
【図１２】本発明の実施形態における第２例の機能液生成装置の全体概略図である。
【図１３】本発明の実施形態における第３例の機能液生成装置の全体概略図である。
【図１４】放電部の変形例を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施形態における第４例の機能液生成装置の全体概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の実施形態における第１例の機能液生成装置の基本的な構成を示している。
【００１８】
図示のように、第１例の機能液生成装置は、液体中にナノメータサイズの微細な気泡（以下「ナノバブル」という。）を混合させて気液混合液を生成する気液混合液生成部１と、気液混合液生成部１で生成された気液混合液を保持するタンク状の液保持部２と、液保持部２が保持する気液混合液内において放電を生じさせる放電部３と、この放電部３にパルス状の高電圧を印加させるための電圧印加部４とを具備している。気液混合液生成部１と液保持部２とは循環路５により連通接続させており、循環路５中に介在させた給液ポンプ６によって、気液混合液生成部１と液保持部２の間で液体が循環するように設けている。
【００１９】
放電部３は、針状の放電電極７と、この放電電極７の先鋭状の先端部７ａと対向する位置に配置される平板状の対向電極８とから成る。放電電極７は、その放電発生部分である先端部７ａを液保持部２内に位置させたものである。また、対向電極８は、少なくとも放電電極７と対向する平板部分を液保持部２内に位置させたものである。放電電極７の先端部７ａと対向電極８の平板部分はともに、液保持部２内に保持される気液混合液に浸るよう設けており、電圧印加部４によって両電極７，８間に電圧を印加すると、液保持部２内の気液混合液において放電が生じるようになっている。
【００２０】
気液混合液生成部１で生成される気液混合液は、ナノバブルを高濃度で含むものであって、そのために顕著な特性を有する。具体的には改めて詳述するが、本発明で生成するナノバブルは非常に微細なものであって、液体中にその飽和溶解濃度以上の高濃度で気体を保持できるという特性や、浮力が働かないため液体中に長期間に亘って安定に存在させることができるという特性や、気泡界面の水素結合距離が短く、気泡の内圧が高くなることによって高濃度のナノバブルを安定的に保持できるという特性を有する。
【００２１】
そして、このような特性のナノバブルを含む気液混合液に対して放電を行い、高濃度のナノバブル内の気体において放電により各種の有効成分を発生させることによって、有効成分を非常に高濃度に且つ安定的に保持する機能液を創り出すことができる。なお、気液混合液をなす液体として水を用いた場合、機能液はすなわち機能水となる。
【００２２】
ここでの有効成分とは、硝酸イオン、スーパーオキサイドラジカル、ヒドロキシラジカルラジカル、オゾン等の各成分であるが、ナノバブルを形成する気体や放電条件を適宜選択することによって、有効成分の種類や濃度を制御することができる。ナノバブル形成用の気体としては、空気、二酸化炭素、窒素、酸素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、メタン、プロパン、ブタン等の適宜気体を供給することができる。
【００２３】
例えば、空気から成るナノバブルに放電を生じさせた場合には、有効成分として上記各成分を生成することができ、メタンや酸素から成るナノバブルに放電を生じさせた場合には、有効成分として上記各成分に加えてメタノール、ギ酸等を大量に生成することができる。このメタノールやギ酸により、さらに持続的な殺菌効果が得られる。また、窒素やオゾンから成るナノバブルに放電を生じさせた場合には、有効成分としてスーパーオキサイドラジカル、ヒドロキシラジカルをさらに大量に生成することができる。
【００２４】
以下においては、ナノバブルを含む気液混合液を生成するための気液混合液生成部１の構成や、これにより生成される気液混合液の特性について、図２〜図１１に基づいて詳述する。
【００２５】
本例の気液混合液生成部１は、０．１２ＭＰａ以上の圧力の気体によって液体中にナノバブルを形成し、気液混合液を生成するものである。この気液混合液をなす液体は、該液体のナノバブルとの界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合よりも短くなるように設けている。
【００２６】
上記気液混合液生成部１は、液体を圧送して連続的に気液混合液を製造する装置であり、図２に概略的に示すように、液体貯留槽２２から大気圧（０．１ＭＰａ）で保持されている液体を取り出し圧送して加圧する加圧部１１と、加圧された液体に気体を供給する気体供給部１２と、供給された気体を微細な気泡にして液体と混合させる気液混合部１３と、気液混合部１３中の液体に存在する大きな気泡を除去する脱気泡部１４と、脱気泡部１４により大きな気泡が取り除かれた液体の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させる減圧部１５と、減圧された液体を吐出する吐出部１７とを備えている。気液混合液生成部１を形成する上記各部は、流路１６中に接続して設けている。
【００２７】
上記加圧部１１は、気液混合部１３にむけて液体を順次圧送するものであり、図示の装置のように、液体貯留槽２２から液体を吸い上げるポンプ２１などで構成できるが、液体を加圧して送り出す配管（水道配管等）などで構成することもできる。
【００２８】
上記気体供給部１２は、流路１６に接続されることによって該流路１６中の液体に気体を順次供給するものであり、例えば気体として空気を供給する場合には、一端を大気中に開放させた管体の他端を流路１６に接続することで、気体供給部１２を形成することができる。あるいは気体として酸素、オゾン、水素、窒素、二酸化炭素、アルゴン等の適宜気体を供給する場合には、これらの気体を封入したボンベなどを流路１６に接続することで、気体供給部１２を形成することができる。流路１６に対する気体供給部１２の接続位置は、気液混合部１３よりも上流側の位置であればよく、この装置のように加圧部１１より上流側の流路１６に接続するようにしても、あるいは加圧部１１より下流側の流路１６に接続するようにしてもよい。
【００２９】
上記気液混合部１３は、圧送された液体とこの液体に供給された気体とを混合し、加圧により気体を微細な気泡にして液体中に分散・混合させるものである。気液混合部１３としては、流路の断面積変化などで撹拌力を与えるもので構成することもできるし、また液体が撹拌された状態で流路１６を流れているのであれば、単に流路１６で構成することもできる。また、図示の装置のように、気体供給部１２が加圧部１１より上流側の流路１６にある場合は、ポンプ２１などで構成された加圧部１１を、気液混合部１３として兼用してもよい。
【００３０】
気液の加圧および混合をポンプ２１により行った場合、液体を急激に加圧・混合にすることができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液を、確実に生成することができる。また、気液混合部１３をベンチュリ管で構成することも好ましい。その場合、簡単な構成で液体を急激に加圧・混合にすることができる。
【００３１】
気液混合部１３内においては、液体と気体が高圧条件で混合される。それにより、気泡を形成する気体の圧力を０．１２ＭＰａ以上にして、気体を微細な気泡として安定化させる構造である。
【００３２】
上記のような加圧部１１および気液混合部１３により、気体が注入された液体に急激に強力な圧力が加わって、液体中に存在している気泡は微細なナノサイズにまで細分され、大量のナノバブルとして液体中に分散される。また、急激な圧力変化により高圧になった気泡の界面には、液体分子により強固な界面構造が形成される。
【００３３】
この際、加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）を０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上にすることにより、気泡を細分化させて微細なナノバブルを生成することができる。また、気液混合部１３から脱気泡部１４に送り出される際の気液混合液の圧力を０．１５ＭＰａ以上にすることにより、気泡の界面が強固な構造となったナノバブルを生成することができる。実質的な加圧条件を考慮すると、加圧速度ΔＰ１／ｔの上限は１６７ＭＰａ／ｓｅｃであり、加圧された気液混合液の圧力の上限は５０ＭＰａである。
【００３４】
図２（ｂ）は、ポンプ２１の具体的な形態の一例を示す要部の概略図である。このポンプ２１ａは、回転体３１の回転により液体を加圧するものであり、回転体３１に取り付けられた回転翼３２が連続的に回転して、ポンプ入口３６からポンプ流路室３３を介してポンプ出口３７に至る流れ方向へと、液体を送り出して加圧する。図中の白抜き矢印は液体の流れ方向を示し、実線矢印は回転体３１の回転方向を示している。
【００３５】
このポンプ２１ａでは、４枚の回転翼３２を備えている。また回転体３１の回転軸３５は、円筒状に形成されたポンプ壁３４の円筒中心よりもポンプ出口２７側に偏って配置され、偏心軸として設けている。この回転軸３５の偏心により、ポンプ流路室３３の第二流路室３３ｂの容積は、第一流路室３３ａの容積よりも小さく形成されており、液体の流れ方向に沿ってポンプ流路室３３の容積が順次小さくなるように設けている。
【００３６】
そして、ポンプ流路室３３に送り出された液体は、回転翼３２で送り出され加圧され、急激な圧力変化により大きな気泡ＢＢが細分化されて微細なナノバブルＢＮが生成される。すなわち、回転体３１の回転と共に第一流路室３３ａから第二流路室３３ｂに送られた液体は、ポンプ流路室３３の容積が小さくなることにより急速に圧縮されて加圧され、この加圧力により、ナノバブルＢＮが生成される。
【００３７】
また、図示のポンプ２１ａでは、ポンプ壁３４の内面と回転翼３２の先端部との間を液体が通過するときに剪断力が与えられて、液体をクリアランスで剪断しながら加圧する。このとき、液体に混合されている気体（大きな気泡ＢＢ）は、液体に与えられた剪断力によって剪断されて、より微細なナノバブル（ＢＮ）になる。ここで、ポンプ壁３４の内面と回転翼３２の先端部との間の最も狭くなる部分の距離（すなわち、クリアランス距離ＬＣ）は、５μｍ〜２ｍｍであることが好ましい。
【００３８】
このように、回転体３１を用いた図示のポンプ２１ａによれば、回転体３１によって、急激に強い力で加圧すると共に液体に注入された気体を剪断してナノバブルを形成することができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液を、より確実に生成することができる。
【００３９】
なお、ポンプ２１の回転体３１の回転数は１００ｒｐｍ以上であることが好ましい。このとき、０．３秒に１／２回転以上となる。このような回転数となることにより、飽和溶解濃度以上の気体を液体に注入させて水素結合距離が短縮したナノバブルを確実に生成することができる。
【００４０】
また、加圧部１１および気液混合部１３による加圧については、加圧部１１または気液混合部１３を複数設けて、複数回加圧する構成にしてもよい。液体を送りながら複数回加圧することにより、加圧を複数のポンプ２１やベンチュリ管によって行うことができ、液体を強力に加圧して、気泡界面の構造が強固な気液混合液を生成することができる。具体的には、加圧部１１を図２のようにポンプ２１で構成すると共に、気液混合部１３を一つまたは二つ以上のポンプ２１またはベンチュリ管で構成することなどが挙げられる。
【００４１】
上記脱気泡部１４は、上記のようにして気体が混合された液体から、比較的大きな気泡を取り除くものであって、気泡をそれ自身の浮力で上昇させて取り除くようにした管体などで、構成することができる。取り除かれた気泡は気体となって上部に集積するので、この除去された気体を弁などの気体除去部１８により取り除くことができる。浮力により上昇する気泡としてはマイクロオーダーサイズ、すなわち直径１μｍを超えるサイズの気泡であり、このような比較的大きい気泡が取り除かれて微細な気泡であるナノバブルが液体中に存在することにより、気泡の内部圧が高く安定な気液混合液を得ることができる。
【００４２】
脱気泡部１４としては、具体的には、図３に示すような構成にすることができる。図３（ａ）には、気液混合部１３と連続して地表面に略水平（重力方向に対して略垂直な平面上）な姿勢となるように形成し、液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。また、図３（ｂ）には、気液混合部１３に連続すると共に気液混合部１３と合わせた形状が正面視逆Ｌ字型となるように形成し、液体Ｌｑの流れ方向を下方向（重力方向と略同方向）にすることで、液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。また、図３（ｃ）には、気液混合部１３とは別体にし、液体Ｌｑの流れ方向を下方向（重力方向と略同方向）にして液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。
【００４３】
上記減圧部１５は、気体が混合された液体の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させるものである。上記のようにして加圧により気体と混合された液体は、高圧な状態にあり、そのまま大気圧下にある外部に排出されると、急激な圧力低下によって、気液混合液中の気泡が合体して液体から排出されるおそれや、キャビテーションが発生するおそれがある。そこで、脱気泡部１４の下流側に減圧部１５を設け、加圧された状態の気液混合液を送り出す際に、減圧部１５において大気圧まで徐々に減圧をした後に、吐出するようにしている。
【００４４】
減圧部１５は、気体が混合された液体を送りながら、配管全域での減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）の上限を２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下にして減圧するように構成されている。これにより、強固な気泡界面の構造を維持させたまま、ナノバブルを消滅させたり合体させたりすることなく、気液混合液を取り出すことができる。
【００４５】
減圧部１５として、具体的には、図４のような構成にすることができる。つまり、減圧部１５を、図４（ａ）のように流路断面積が段階的に徐々に小さくなる流路１６で構成してもよいし、図４（ｂ）のように流路断面積が連続的に徐々に小さくなる流路１６で構成してもよい。また、減圧部１５を、図４（ｃ）のように気液混合液の圧力を高圧状態（Ｐ１）から（Ｐ２、Ｐ３、・・・）大気圧（Ｐｎ）にまで圧力損失で徐々に減圧するように流路長さ（Ｌ）を調整した流路１６で構成してもよいし、図４（ｄ）のように流路１６に設けた複数の圧力調整弁１９などにより構成してもよい。
【００４６】
例えば、図４（ａ）または図４（ｂ）のような減圧部１５を用いた場合、減圧部１５よりも上流側の流路１６を内径２０ｍｍにし、減圧部１５を、流路長さが約１ｃｍ〜１０ｍで、内径が２０ｍｍから４ｍｍにまで徐々に小さくなることにより流路断面積が小さくなる管体により構成することができる。なお、減圧部１５は、入口内径／出口内径＝２〜１０程度に設定することや、１ｃｍあたりの内径減少値を１〜２０ｍｍ程度に設定することができる。このとき、減圧部１５に対して４×１０−６ｍ／ｓ以上の流速で気液混合液を送ると、最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下で、ナノバブルを消滅させることなく１．０ＭＰａ減圧することができ、気液混合液を大気圧にまで減圧することができる。
【００４７】
吐出部１７は、減圧された液体を吐出するものである。なお、図５のように、この吐出部１７と減圧部１５との間に、加圧部１１における液体の押し込み圧を十分に確保するために延長流路２０を設けることもできる。このとき、減圧部１５を含めた全体の圧力損失を算出したうえで、気液混合部１３内で液体と気体を加圧するのに必要な加圧部１１での押し込み圧と、全体の圧力損失との差を算出し、さらにこの差の分だけ圧力損失が生じるように流路長さを調整した延長流路２０を、流路１６に付加する。押し込み圧の確保には、絞り部などを設けることも考えられるが、絞り部などで押し込み圧を調整する場合には、急激な圧力変化により気泡が崩壊するおそれがある。これに対して、上記延長流路２０を設けた場合には、気泡を安定化させたまま気液混合液を吐出することができる。
【００４８】
上記のように構成された気液混合液生成部１にあっては、加圧部１１で液体を圧送し、圧送された液体に対して気体供給部１２から供給した気体を注入する。そして、気体が注入された液体を、加圧部１１および気液混合部１３によって０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上の加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）で加圧し、液体の圧力を０．１５ＭＰａ以上にする。すなわち、気液混合部１３から脱気泡部１４へ送り出される際の液体の圧力は０．１５ＭＰａ以上になっている。その後、脱気泡部１４で気液混合液中のナノサイズを超える気泡を取り除き、さらに該液体を減圧部１５および下流側の流路１６に送りながら最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下の減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）で徐々に大気圧まで減圧する。この工程により、所望のナノバブルが高濃度で且つ安定的に存在した気液混合液を生成することができる。
【００４９】
ここで、気液混合部１３における圧力は適宜設定され得るものであるが、絶対圧０．１ＭＰａ（大気圧）を超えるようにすることで、気泡を形成する気体の圧力を確実に０．１２ＭＰａ以上にすることができる。また、気液混合部１３よりも下流側の流路１６についても適宜設定され得るが、内径２〜５０ｍｍ程度の管体などに形成することで、比較的太い流路断面積で気液混合液を吐出することができ、細路により流路１６を構成する場合のような配管の詰まりを防止して、気液混合液を利用しやすくできる。
【００５０】
図６には、気液混合液生成部１の変形例を示している。この気液混合液生成部１は、加圧部１１と気液混合部１３とを兼用した気液混合槽２３を備えている。この気液混合槽２３においては、気体が供給された液体を０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上の加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）で加圧し、液体の圧力を０．１５ＭＰａ以上にすることにより、界面構造の強固な気泡の気液混合液をバッチ式で生成する。そして、この気液混合液から大きな気泡を脱気泡部１４で取り除いた後、この気液混合液を減圧部１５に送り出してその圧力を最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下の減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）で大気圧まで減圧し、吐出部１７から気液混合液を吐出する。閉鎖系である気液混合槽２３には、バッチ式で液体と気体とが送り出されて加圧されるとともに、気液混合槽２３に設けられた撹拌翼２４などにより撹拌されて液体Ｌｑと気体とが高圧条件で混合される。それにより、気泡を形成する気体の圧力が０．１２ＭＰａ以上になり、気体を微細な気泡として安定化することができる。そして、生成した気液混合液を図２の場合と同じように構成された脱気泡部１４、減圧部１５および吐出部１７に送り出すことにより、ナノバブルを有する気液混合液を得ることができる。
【００５１】
以上、気液混合液生成部１の構成について述べた。以下においては、上記した気液混合液生成部１により、例えば液体として純水を用い、気体として後述する各種の気体を用いて気液混合液を生成した場合について、さらに詳細に述べる。
【００５２】
この場合、気体と液体の比（液体に対する気体の注入量）は、容量比（体積比）で１：１に設定した。また、ポンプ２１の回転体３１の回転数は１７００ｒｐｍに設定した。この条件により大気圧（０．１ＭＰａ）の水に気体が注入された後、加圧速度ΔＰ１／ｔ＝２８．３ＭＰａ／ｓｅｃで加圧すると、気液混合部１３から脱気泡部１４に送り出される際の気液混合液の圧力が０．６ＭＰａになった。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されて水素結合距離が短くなり、強固な気泡界面の構造が形成されるものと考えられる。この条件（加圧条件）は、現時点での最良の条件と考えられる。
【００５３】
また、減圧部１５よりも上流側の流路１６を、内径２０ｍｍのものとした。減圧部１５としては図４（ａ）のような３段階で内径が徐々に小さくなるもの、具体的には内径が１４ｍｍ、８ｍｍ、４ｍｍで長さが各約３．３ｍｍ（減圧部１５の全長として約１ｃｍ）の三つの流路管部からなるものを用いた。また、減圧部１５よりも下流側の流路１６および延長流路２０として、内径４ｍｍ（外径６ｍｍ）のホースを用い、下流側の流路１６と延長流路２０とを合わせた長さが２ｍとなるように設定した。この条件により、減圧部１５において、最高減圧速度６０ＭＰａ／ｓｅｃ、時間０．００２５秒で気液混合液を減圧し、さらに、下流側の流路１６および延長流路２０において、１ＭＰａ／ｓｅｃ、時間０．５秒で気液混合液を減圧し、ホース先端部である吐出部１７から、大気圧（０．１ＭＰａ）まで減圧された気液混合液が得られた。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されると共に水素結合距離が短くなり、気泡界面の構造が強固になった気液混合液を安定して生成することができると考えられる。この条件（減圧条件）は、現時点での最良の条件と考えられる。
【００５４】
次に、液体として純水を用い、気体として窒素、水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素のいずれかを用いた気液混合液中における［気体量］、［気泡のサイズ］、［気泡の内圧］、［水素結合の距離］、［気泡の分布量］、［気液混合液の安定性］について、順に述べる。
【００５５】
［気体量］
液体として純水を、気体として窒素、水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素のいずれかを使用した気液混合液中に、気泡として存在する気体量を次の方法により測定した。
（１）２５℃、導電率０．１μＳ／ｃｍの純水に、各種の気体を混合させ気液混合液を得た。
（２）直径１μｍ以上の大きな気泡を水から分離するために、気液混合液を２５℃で１日静置した。なお、静置時間について、ストークスの法則から
気泡上昇速度： Ｖ＝ｄ２×ｇ／（１８×γ）
（ｄ：気泡直径、ｇ：重力加速度、γ：動粘性係数）
の式が成立し、この式より１μｍの気泡の上昇速度は約２．４×１０−４ｍ／ｓであるので、例えば静置時の容器の水深が５０ｍｍの場合、１日静置すれば気泡を除去することができる。
（３）最小測定値１ｍｇの分析天秤で気液混合液の質量を測定した。
（４）ガス透過度および透湿度の低いＰＥ＋ナイロン樹脂製のビニル袋に気液混合液とスタラーの撹拌子を入れ、空気を追い出して袋に空気が無い状態でシーラーにてビニル袋を密封した。
（５）密封直後に、分析天秤で気液混合液が封入されたビニル袋の質量を測定した。
（６）ホットスタラーにより２５℃の気液混合液が密封されたビニル袋を４５℃に昇温して気液混合液を約５時間撹拌した。この昇温と撹拌により、微細気泡や、４５℃の飽和溶解濃度以上で溶解していた気体が気液混合液から分離されビニル袋の上部に集まった。
（７）室温２５℃の条件でホットスタラーの設定温度を２５℃にし、２５℃の飽和溶解度の液体になるよう数時間撹拌を行った。
（８）分析天秤で、気体と液体が封入されたビニル袋の質量を測定した。
（９）計３回の質量測定から気液混合液の質量と、昇温および撹拌によって気液混合液から分離された気体による浮力によって生じる液体の質量変化量とを得た。質量変化量は、気液混合液から分離された気体容積と同容積の空気の質量と同じであり、この値から分離された気体の容量と質量を算出することができる。
【００５６】
図７は、このようにして測定された気体容量を示すグラフである。各棒グラフの下部領域は、測定された気泡として存在していた気体の量であり、上部領域はヘンリー則に従う気体の飽和溶解量である。グラフに示すように、例えば水素と水を用いた気液混合液の場合、２５℃の純水１Ｌに水素が、飽和溶解量として１７．６ｍＬ溶解し、５２８ｍＬの気体が微細な気泡として存在することが確認された。すなわち、気液混合液に含有する気体量は過飽和溶解量の約３０倍であった。また同様に、過飽和溶解量に対して気液混合液に含有する気体量は、窒素では約３６倍、メタンでは約１７倍、アルゴンでは約１６倍、二酸化炭素では約１．９倍であった。このように、ナノバブルを有する気液混合液は、飽和溶解濃度以上の高濃度で気体を液体中に保持することが可能である。
【００５７】
［気泡のサイズ］
上記と同様にして製造した気液混合液を瞬間凍結し、真空中においてカッターで割断し、その割断面にメタン・エチレンを流し放電させ、凹凸を転写した炭化水素膜（レプリカ膜）を作製した。このレプリカ膜に導電性オスミウム薄膜を張り、十分乾燥させて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測した。図８は、窒素と純水の気液混合液について、ＳＥＭにより観測された写真の第１例である。同様に写真観察することにより、気体として窒素、水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素を用いた場合、いずれも気液混合液の気泡サイズは、直径の分布ピークが１００ｎｍであることが確認された。なお、上記の気体と純水の気液混合液の気泡はレーザーを用いた動的散乱法等の粒子径分布測定装置では正確な検知ができなかった。
【００５８】
［気泡の内圧］
気液混合液中の気体総量から、気泡内部の圧力を算出した。以下の表１は、窒素、メタン、またはアルゴンと２５℃の純水との気液混合液における、気体総量と、気体総量から算出した気泡の内圧を示している。
【００５９】
【表１】
【００６０】
ここでの気泡における気体の内部圧力は、次の方法で算出される。
気体の状態方程式は、
ＰＶ／Ｔ＝（ｃｏｎｓｔ）
（Ｐ：内部圧力、Ｖ：容積、Ｔ：内部温度）
で表され、Ｔが一定の場合、特に
ＰＶ＝（ｃｏｎｓｔ）
で表される。
【００６１】
そして、気液混合液の密度から気液混合液中の気泡の容積が計算でき、上式から、
大気圧 × 気体総体積量 ＝ 気泡の内圧 × 液中の気体総体積量
の関係が成立し、この関係式に上記で測定した気体量を当てはめて気泡における気体の内圧が計算され、表１のような圧力値となる。
【００６２】
例えば気体が窒素の場合、気液混合液１リットル中における、水体積がw1リットル、水中での気体体積がw2リットルであると仮定すると、体積については次の関係式が成り立つ。
【００６３】
w1 ＋ w2 ＝１リットル （式Ａ）
また、質量については次の関係式が成り立つ。
【００６４】
w1 × 水の密度 ＋ w2÷22.4（リットル）×28（分子量）＝測定質量 （式Ｂ）
水の密度 ：常温常圧の純水では997.1g/L
22.4リットル ：気体１モルの体積
測定質量 ：表１の値で988.3
上記の２式（式Ａ，Ｂ）の方程式を解くと、
w2=8.84×10^(-3) が算出されるので、
気体の内圧＝大気圧 × 気体総体積量 ÷ 液中の気体総体積量
＝0.1×（表１の値）÷w2
＝0.1×0.56÷(8.84×10^(-3))
＝６．３ＭＰａ
となる。
【００６５】
なお、上記の計算では、気泡の内部温度が一定（常温）であるとして考えたが、実際の気泡の内部温度については大気の温度（常温）より高いことも予想され、その場合、気泡の内部圧は上記算出結果より更に高いことが気体の状態方程式から予測できる。
【００６６】
ところで、一般には、気泡の内圧は次のようにして算出される。気泡は気液相界面間の界面張力により加圧され、この界面張力はヤングラプラスの式（下記式）で導かれる。
【００６７】
ΔＰ＝２σ／ｒ
（ΔＰ：上昇圧力、σ：表面張力、ｒ：気泡半径）
この式によれば、例えば、直径１００ｎｍのサイズの気泡の場合、気泡内部圧力は３ＭＰａになる。
【００６８】
一方、気液混合液中の内部圧力は、表１の通り、例えば窒素の場合６．３ＭＰａであり、この気液混合液はＳＥＭ写真にて示されるように直径１００ｎｍサイズの気泡が分散しているものであることから、気液混合液の気泡は、ヤングラプラスの式から算出される値の約２倍以上の内部圧力を有していることが確認された。したがって、より強固な界面構造が気泡界面において形成されていると結論づけられる。
【００６９】
図９は、気液混合液が安定化されるメカニズムを説明する概念説明図である。図示のように、気泡Ｂと液体Ｌｑの界面には、水素結合距離が通常よりも短い氷やハイドレートのような強固な水分子の結合で境膜構造（結晶構造体）の保護膜Ｍが形成されており、気液相互の物質移動が阻止されて気泡が安定な状態になったものと考えられる。そして、窒素、メタン、アルゴンの気液混合液内の気泡（ナノバブル）の内圧は、ヤングラプラスの式から求められる圧力よりも約２倍以上である。このように気泡界面の水素結合距離が短く、気泡の内圧が高くなることによって、気泡が安定した気液混合液となるのである。
【００７０】
［水素結合の距離］
図１０は、液体として純水、気体として窒素を使用した気液混合液（窒素混合水）と、窒素が純水に飽和溶解濃度で溶解した窒素飽和水との赤外吸収スペクトルとの差分を示すグラフである。水のＯＨ収縮振動による赤外吸収帯としては通常３４００ｃｍ−１付近に吸収極大があることが知られているが、グラフに示されるようにＯＨ収縮振動の吸収極大が３２００ｃｍ−１付近にずれている。吸収極大が３４００ｃｍ−１にある場合、水素結合の距離は０．２８５ｎｍである。一方、吸収極大が３２００ｃｍ−１にある場合、水素結合の距離は０．２７７ｎｍであることが知られており、常温常圧下における通常の水素結合の距離よりも短くなり構造化された氷またはハイドレートに近い水と結論づけられる。
【００７１】
［気泡の分布量］
気泡の分布量（個数）は表１から算出した。
【００７２】
気体が窒素の場合、大気中（0.1MPa)に戻した気泡総量が0.56Lであり、気泡の内圧が6.3MPaであるので、水中での気泡総体積量V１は、等温変化と仮定し、ＰＶ=constより
V１=0.56×0.1÷6.3
となる。
【００７３】
また、気泡は半径ｒ＝50nmの球体であるから、気泡１個当たりの体積V2は
V2=4/3×π×ｒ^3
となる。
【００７４】
以上より、水１Ｌ当たりの気泡の個数n=V1÷V2=1.7×10^16個と算出される。
【００７５】
同じように水１Ｌ当たりの気泡の個数は、気体がメタンの場合は1.8×10^16個、アルゴンの場合は1.7×10^16個と算出される。
【００７６】
［気液混合液の安定性］
図１１は、空気を純水に混合させて生成した気液混合液について、ガラスビンに密封し一定温度で保管した場合の、飽和溶解濃度に対する気液混合液中の気体存在量比を過飽和度として表示するグラフである。グラフから、過飽和度は４００時間経過しても６であり、ほとんど変化していないことが分かる。よって、本発明の気液混合液が長期間に亘って非常に安定であることが確認された。
【００７７】
このように、気液混合液生成部１で得ることができる気液混合液は、ナノバブルが液体中に存在しているものであり、ナノバブルを形成する気体の圧力、すなわち内圧は０．１２ＭＰａ以上である。このように、気泡の内圧は、常温（２５℃）において大気圧（１気圧＝０．１０１３ＭＰａ）よりも十分に高いものであり、気泡が高い内部圧で維持されることになる。そのため、強固な界面構造を気泡界面において形成することができ、気泡を液体中で消滅させたり合体させたりすることなく、安定に存在させることができる。また、このナノバブル中の気体の圧力は、外部からの衝撃がない限り長期間に亘って液体からの押圧との均衡を保つものであるから、ナノバブルが安定に存在した気液混合液を長期間に亘って利用することが可能になる。なお、気液混合液に一旦衝撃が加えられると、内部圧の力によりナノバブルが合体して発泡するため、この発泡を利用することもできる。
【００７８】
つまり、気液混合液生成部１で生成するナノバブルは、従来の表面張力で安定している気泡とは異なるものである。
【００７９】
ナノバブルを形成する気体の圧力を、ヤングラプラスの式で与えられる気泡の内圧より高い圧力にすることで、より強固な界面構造を確実に形成することができる。また、ナノバブルを有する気液混合液においては、該気液混合液に含有される気体の濃度を、液体の飽和溶解濃度以上にすることができる。これにより、液体中に含有された高濃度の気体を利用することができ、気液混合液の利用価値を高めることができる。
【００８０】
なお、気液混合液としては、液体中には飽和溶解量の気体が溶解しており、その飽和溶解液にナノバブルが存在しているものとすることがさらに好ましい。飽和溶解量で気体が溶解していれば、気泡となった気体を溶解させることなく安定化して気泡として液体中に保持することがより可能となる。すなわち、飽和溶解量以上に気体が存在する気液混合液は、液体中に飽和濃度で気体が溶解しており、気泡が崩壊したり溶解したりすることがなく、より安定に気泡を液体中に存在させることができるのである。さらに、ナノバブルを形成する気体の溶解濃度が、飽和溶解濃度であれば、気泡を形成する気体の圧力が高くなって気泡界面の構造が強固になるので、さらにナノバブルを安定化することができ、また、各種の活性（生理活性、洗浄力等）の作用が強力になって、利用価値をさらに上げることもできる。
【００８１】
また、ナノバブルは非常に微細なものであるから、気泡の内部圧を安定化することや、高濃度の気体を液体中に保持することが可能となる。また、ナノバブルには浮力が働かないため、気泡を長期に亘って安定に存在させることができる。この範囲より気泡が小さくても大きくても、気泡を安定化させることができなくなるおそれがある。ところで、マイクロバブルが混合された液体は白濁するため目視により判別可能であるが、ナノバブルが混合された液体は無色透明（あるいは液体が有色の場合は液体の色）となる。
【００８２】
気液混合液に用いる液体としては、水素結合を形成する分子からなる液体であることが好ましく、その際、液体のナノバブルとの界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧（２５℃、１気圧（０．１０１３ＭＰａ））であるときの水素結合の距離よりも短くなることが好ましい。水素結合とは、電気陰性度の大きい原子と水素原子とを有している分子において、水素原子が他の分子の電気陰性度の大きい原子に接近し、系が安定化する結合のことである。そして、この場合、気液混合液を形成する液体中に存在するナノバブルの周囲、すなわち気泡界面においては、液体の水素結合の距離が、この液体の常温常圧での水素結合の距離よりも短いものとなるのである。
【００８３】
このように、気液混合液が常温常圧の条件で存在する場合において、気泡界面における水素結合の距離が常温常圧での通常の水素結合の距離よりも短くなることにより、ナノバブルの周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことになる。そして、この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となってナノバブルを包み込む。それによって、ナノバブル同士が衝突しても崩壊することが防止される。また、液体からの圧力に対してナノバブル内部からの応力で対抗できるので、ナノバブルを液体中で消滅させたり合体させたりすることなく保持することができるものである。
【００８４】
ナノバブルとの界面における液体分子の水素結合の距離は、用いる液体によって適宜設定され得るものであるが、常温常圧での水素結合の距離を１００％とした場合に、９９％以下であることが好ましい。水素結合の距離がこの範囲になることで、ナノバブルを水素結合の硬い殻で取り囲んで安定化させることができる。水素結合の距離がこれより長いと、ナノバブルを安定化させて存在させることができなくなるおそれがある。原子間距離を考慮すると、水素結合の距離の下限は９５％である。
【００８５】
ところで、水素結合の距離が短くなると、通常、水が氷になるように固体やハイドレート結晶構造へと状態変化するのだが、上記の気液混合液においては、気泡界面において局所的に距離の短い水素結合を形成し、それ以外の液体中は通常の水素結合を形成している。すなわち、気泡界面では距離の短い水素結合により液体分子の硬い殻を形成して、ナノバブル同士が合体することや消滅することを防止すると共に、気泡界面以外では通常の状態で液体が存在して常温常圧では流動性を確保している。これにより、安定なナノバブルが存在している液体を利用しやすくなっている。
【００８６】
また、気液混合液に用いる液体を水とした場合、水分子により、ナノバブルの界面において該ナノバブルの内部圧を吸収する強固な界面構造を形成することができ、ナノバブルをより安定化させることができる。水分子は、Ｏ…Ｈの水素結合、つまり、ある水分子の酸素原子と他の水分子の水素原子との間に水素結合を形成するものであり、したがって、気液混合液の液体として水を用いると、気泡界面において液体中のこの水素結合が強固になってナノバブルをより安定化させることができる。さらにいえば、水は供給源が豊富で安定して得ることができ、加えて、ナノバブルが分散した水は応用範囲が広いため、利用価値の高い気液混合液を得ることができる。水としては純度の高い水に限られず、上下水道、池、海水などをはじめ、あらゆる水を使用することが可能である。すなわち、液体として水を含むものであればよい。
【００８７】
また、液体については、Ｏ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、Ｆ−Ｈ結合やＣｌ−Ｈ結合などの（ハロゲン）−Ｈ結合、Ｓ−Ｈ結合のいずれか一種以上を有する分子からなる液体であることも好ましい。これらの液体によりナノバブルの界面において該ナノバブルの内部圧を吸収する強固な界面構造を形成することができ、ナノバブルをより安定化させることができる。また、これらの液体は、水素原子に対して電気陰性度が十分に大きい原子と水素原子との結合を有する液体であり、Ｏ−Ｈ…Ｏ、Ｎ−Ｈ…Ｎ、Ｆ−Ｈ…ＦやＣｌ−Ｈ…Ｃｌなどの（ハロゲン）−Ｈ…（ハロゲン）、Ｓ−Ｈ…Ｓといった水素結合を形成し、この水素結合によりナノバブルを取り囲んで安定化させることができる。Ｏ−Ｈ結合を有する代表的な液体は水であるが、その他、過酸化水素や、メタノール、エタノールなどのアルコール、グリセリンなども挙げられる。また、Ｎ−Ｈ結合を有する液体としては、アンモニアなどが挙げられる。また、（ハロゲン）−Ｈ結合を有するものとしては、Ｆ−Ｈ結合を有するＨＦ（フッ化水素）、Ｃｌ−Ｈ結合を有するＨＣｌ（塩化水素）が挙げられる。Ｓ−Ｈ結合を有するものとしては、Ｈ２Ｓ（硫化水素）が挙げられる。
【００８８】
また、液体が、カルボキシル基を有する分子からなる液体であることも好ましい。これにより、カルボキシル基を有する液体により、ナノバブルの界面において該ナノバブルの内部圧を吸収する強固な界面構造を形成することができ、ナノバブルをより安定化させることができる。また、カルボキシル基には、電気陰性度が大きいカルボニルの酸素原子が存在しており、カルボキシル基中のカルボニルの酸素原子と他のカルボキシル基中の水素原子とが水素結合を形成してナノバブルを取り囲むので、安定にナノバブルが存在した気液混合液が得られるのである。カルボキシル基を有する分子からなる液体としては、ギ酸、酢酸などのカルボン酸などが挙げられる。
【００８９】
気液混合液に用いる気体としては、特に限定されるものではなく、種々の気体を用いることが可能である。例えば、空気、二酸化炭素、窒素、酸素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、メタン、プロパン、ブタンなどの気体を単一で又は混合して用いることができる。
【００９０】
また本発明において得られる気液混合液では、液体として水を用いた場合にゼータ電位がマイナスとなり、体積１ｃｍ３中に存在する気泡界面の面積は０．６ｍ２程度となる。このような特性を利用することも可能である。
【００９１】
以上、第１例の機能液生成装置が具備する気液混合液生成部１の構成や、これにより生成されるナノバブルを含む気液混合液の特徴について詳述した。
【００９２】
第１例の機能液生成装置においては、上記特徴のナノバブルを含む気液混合液に対して放電を行い、高濃度のナノバブル内の気体において放電により各種の有効成分を発生させる。これによって、有効成分を非常に高濃度に、且つ、非常に安定的に保持した機能液を創り出すことができる。液保持部２内において創り出した機能液は、ポンプ等を用いた適宜の液体吐出手段（図示せず）によって該液保持部２から外部に取り出して用いる。なお、図示例では循環路５により、気液混合液生成部１と液保持部２の間で液体を循環させながら機能液を生成するように設けているが、循環させずに機能液を生成する構成であってもよい。この場合、循環路５の代わりに、気液混合液生成部１を上流側として液保持部２を下流側とするような流路を設ければよい。
【００９３】
図１２、図１３、図１５には、本発明における第２、第３、第４例の機能液生成装置をそれぞれ示している。第２〜第４例の機能液生成装置では、ナノバブルを含む気液混合液を生成する気液混合液生成部１の構成や、この気液混合液内において放電を生じさせるといった基本的な構成については第１例と一致しているが、放電部３等の構成については第１例と相違している。以下においては、各例の機能液生成装置において第１例と一致する構成についての詳しい説明は省略し、第１例とは相違する構成についてのみ詳述する。
【００９４】
図１２には、本発明における第２例の機能液生成装置を示している。本例においては、放電部３を形成する針状の放電電極７と平板状の対向電極８のうち、放電電極７の少なくとも先端部７ａを液保持部２内に位置させて該先端部７ａが気液混合液に浸るように設け、対向電極８を液保持部２外に位置させている。具体的には、対向電極８の平板部分を、液保持部２の外殻を成す容器２ａの壁板外面において放電電極７の先端部７ａと対向する箇所に密着固定させている。
【００９５】
第２例の機能液生成装置では、電圧印加部４によって両電極７，８間に電圧を印加すると、気液混合液内においては、容器２ａの壁板を介して放電が生じる。ここで、容器２ａの材質として適宜の絶縁性のものを選択することや、容器２ａの壁板の厚み等の形状を選択することによって、ナノバブルを含む気液混合液内で生じる放電現象を、有効成分を安定的且つ継続的に生成できる好適な放電となるように、適宜制御することができる。
【００９６】
図１３には、本発明における第３例の機能液生成装置を示している。本例においては、針状の放電電極７の先端部７ａと対向電極８の平板部分をともに液保持部２内の対向位置に配しているが、放電電極７については気液混合液に浸らない位置に設けている。具体的には、液保持部２の容器２ａの底壁内面に対向電極８の平板部分を固定させ、この対向電極８の平板部分の中心上方に距離を隔てて放電電極７の先端部７ａを配置させ、液保持部２内の気液混合液の液面Ｓを、対向電極８の平板部分と放電電極７の先端部７ａとの間に位置するように設定している。
【００９７】
第３例の機能液生成装置では、電圧印加部４によって両電極７，８間に電圧を印加すると、気液混合液においては、液面Ｓに沿う空気層４０を介して放電が生じる。ここで、液保持部２内での放電電極７の先端部７ａの位置や気液混合液の液面Ｓの高さ等を選択することによって、ナノバブルを含む気液混合液内で生じる放電現象を、有効成分を安定的且つ継続的に生成できる好適な放電となるように、適宜制御することができる。
【００９８】
なお、上記した各例においては、対向電極８の形状を平板状としているが、リング状であってもよい。この場合、図１４に概略的に示すように針状の放電電極７とリング状の対向電極８とを対向配置した構造となり、上記した各例においては、平板部分を図１４に示すようなリング状の対向電極８に置き換えた構成となる。
【００９９】
図１５には、本発明における第４例の機能液生成装置を示している。本例においては、放電部３を成す放電電極７と対向電極８をともにメッシュ状に形成している。具体的には、液保持部２の外殻を成す容器２ａを、内筒部４１と外筒部４２からなる二重筒状に形成し、内筒部４１と外筒部４２との間で囲まれる部分に気液混合液を貯留するように設ける。放電電極７はその全体をメッシュ状に形成したものであり、内筒部４１の内周面に全周に亘って密着固定させている。対向電極８は、同じく全体をメッシュ状に形成したものであり、外筒部４２の外周面に全周に亘って密着固定させている。
【０１００】
第４例の機能液生成装置では、電圧印加部４によってメッシュ状の両電極７，８間に電圧を印加すると、気液混合液内においては、内筒部４１と外筒部４２の周壁を介して放電が生じる。ここで、内筒部４１や外筒部４２の材質として適宜の絶縁性のものを選択することや、内筒部４１や外筒部４２の壁板の厚み等の形状を選択することによって、ナノバブルを含む気液混合液内で生じる放電現象を、有効成分を安定的且つ継続的に生成できる好適な放電となるように、適宜制御することができる。
【０１０１】
本例ではガスボンベまたはコンプレッサーから成るエア供給部４３を備えており、このエア供給部４３から送り出したエアを内筒部４１内の空間部４４に流すように設けている。これにより、放電時の発熱によって放電電極７や気液混合液が温度上昇することを、空間部４４内を流れるエアの空冷作用によって抑制することができる。
【０１０２】
なお、図示の構成では、放電部３を成す放電電極７と対向電極８の放電発生部分の全部をメッシュ状に形成しているが、放電発生部分の一部だけをメッシュ状に形成してもよい。また、図示の構成では、放電電極７と対向電極８の両方を気液混合液には浸らないように（つまり、内筒部４１と外筒部４２とで囲まれる部分には位置しないように）配置しているが、放電電極７と対向電極８の一方だけが気液混合液に浸るように（つまり、内筒部４１と外筒部４２とで囲まれる部分内に位置するように）配置してもよい。
【０１０３】
以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記各例の実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、各例において適宜の設計変更を行うことや、各例の構成を適宜組み合わせて適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 気液混合液生成部
２ 液保持部
３ 放電部
４ 電圧印加部
７ 放電電極
８ 対向電極
ＢＮ ナノバブル
Ｌｑ 液体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電によって機能液を生成することのできる機能液生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気泡を含む液中で放電を生じさせることで、該気泡に有効成分が生じ、この気泡を含む液が改質されることが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、液中での微細気泡は、溶解や合体によって消滅しやすい性質を有しており、大量の気泡を液中において安定的に長期間存在させることは困難である。そのため、上記したような構成の従来の機能液生成装置では、液中に有効成分を生じさせる量に限界があるという問題や、有効成分の生じた微細気泡が時間の経過と共に消失するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、液中に高濃度で有効成分を発生させることができ、しかも、この高濃度の有効成分を含む微細気泡を液中において安定的に長期間存在させることのできる機能液生成装置を提供することを、課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の機能液生成装置を、液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部２と、液保持部２が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部３と、放電部３に電圧を印加させる電圧印加部４とを具備したものとする。
【０００７】
本発明の機能液生成装置によれば、液保持部２内の気液混合液においてナノメータサイズの微細な気泡を含むことによって、飽和溶解度を超える大量の気体を液体中に存在させておくことができる。また、ナノメータサイズの微細な気泡には浮力が働かないため、この気泡中に存在する気体を、液体中に長期間に亘って安定に存在させることができる。そして、このようなナノメータサイズの微細な気泡を含む気液混合液に対して放電を行うことで、気泡内において各種の有効成分を発生させ、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことが可能となる。
【０００８】
本発明の機能液生成装置において、前記気液混合液をなす液体は、水素結合を形成する分子からなる液体であり、該液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合よりも短いことが好ましい。このようにすると、気泡界面における水素結合の距離が短くなることによって、気泡の周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことができる。この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となって気泡を包み込むので、気泡同士が衝突して崩壊することが防止されるとともに、液体からの圧力に対して気泡内部からの応力で対抗できるので、気泡を液体中で消滅させたり合体させたりすることなく安定に存在させることができる。そして、このように安定的に存在するナノメータサイズの微細な気泡を含む気液混合液に対して放電を行うことで、気泡内において各種の有効成分を発生させ、有効成分をさらに安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことが可能となる。
【０００９】
また、前記気液混合液をなすナノメータサイズの気泡は、０．１２ＭＰａ以上の圧力の気体で形成したものであることが好ましい。このようにすることで、気泡が高い内部圧で維持されることによってより強固な界面構造を形成することができ、気泡が液体中で消滅したり合体したりすることなくさらに安定に存在するものとなる。また、この気泡中の気体の圧力は、外部からの衝撃がない限り長期間に亘って液体からの押圧との間で均衡を保つので、気泡が安定に存在した気液混合液を、長期間に亘って利用することができる。そして、このように安定的に存在するナノメータサイズの微細な気泡を含む気液混合液に対して放電を行うことで、気泡内において各種の有効成分を発生させ、有効成分をさらに安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことが可能となる。
【００１０】
また、前記放電部３は、液保持部２内の気液混合液に浸るようにその放電発生部分を配置したものであることが好ましい。このようにすることで、低エネルギで気液混合液内にて所定の放電を生じさせ、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことができる。
【００１１】
また、前記放電部３は、放電電極７と対向電極８とから成り、放電電極７と対向電極８の一方を液保持部２内の気液混合液に浸るように配置したものであることも好ましい。このようにすることで、低エネルギで且つ安定的に気液混合液内にて所定の放電を生じさせることができる。これにより、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を、さらに効率的に創り出すことができる。
【００１２】
また、前記放電部３は、放電電極７と対向電極８とから成り、放電電極７は針状電極であるとともに、対向電極８はリング状電極であることも好ましい。このようにすることで、気液混合液内の広い範囲内において安定的に所定の放電を生じさせることができる。これにより、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を、さらに効率的に創り出すことができる。
【００１３】
また、前記放電部３は、その放電発生部分の一部または全部をメッシュ状に形成したものであることも好ましい。このようにすることで、低エネルギ化を図るとともに、気液混合液内の広範囲において安定的に所定の放電を生じさせることができる。これにより、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を、さらに効率的に創り出すことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の機能液生成装置は、液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部と、液保持部が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部と、放電部に電圧を印加させる電圧印加部とを具備している。これにより、液保持部内の気液混合液において、飽和溶解度を超える大量の気体を液体中に存在させておくことが可能となり、また、ナノメータサイズの微細な気泡に浮力が働かないことから、各気泡中の気体を液体中に長期間に亘って安定に存在させることができる。そして、このような気液混合液に対して放電を行い、気泡内において各種の有効成分を発生させることによって、有効成分を安定的に且つ高濃度で保持する機能液を創り出すことができる。
【００１５】
つまり、放電により生じる有効成分を非常に高濃度に、且つ、安定的な状態で含んだ状態の機能液を、本発明の機能液生成装置によって得ることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における第１例の機能液生成装置の全体概略図である。
【図２】同上の機能液生成装置が備える気液混合液生成部を示し、（ａ）は概略図、（ｂ）は一部を拡大した断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同上の気液混合液生成部の一部を示す概略図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は同上の気液混合液生成部の一部を示す概略図である。
【図５】同上の気液混合液生成部の一部を示す概略図である。
【図６】同上の気液混合液生成部の変形例を示す概略図である。
【図７】気液混合液中に含まれる気体容量を示すグラフ図である。
【図８】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による気液混合液の写真図である。
【図９】気液混合液中の気泡の概念説明図である。
【図１０】窒素と水を用いた気液混合液と窒素飽和水との赤外吸収スペクトルの差分を示すグラフ図である。
【図１１】気液混合液の安定性を示すグラフ図である。
【図１２】本発明の実施形態における第２例の機能液生成装置の全体概略図である。
【図１３】本発明の実施形態における第３例の機能液生成装置の全体概略図である。
【図１４】放電部の変形例を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施形態における第４例の機能液生成装置の全体概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の実施形態における第１例の機能液生成装置の基本的な構成を示している。
【００１８】
図示のように、第１例の機能液生成装置は、液体中にナノメータサイズの微細な気泡（以下「ナノバブル」という。）を混合させて気液混合液を生成する気液混合液生成部１と、気液混合液生成部１で生成された気液混合液を保持するタンク状の液保持部２と、液保持部２が保持する気液混合液内において放電を生じさせる放電部３と、この放電部３にパルス状の高電圧を印加させるための電圧印加部４とを具備している。気液混合液生成部１と液保持部２とは循環路５により連通接続させており、循環路５中に介在させた給液ポンプ６によって、気液混合液生成部１と液保持部２の間で液体が循環するように設けている。
【００１９】
放電部３は、針状の放電電極７と、この放電電極７の先鋭状の先端部７ａと対向する位置に配置される平板状の対向電極８とから成る。放電電極７は、その放電発生部分である先端部７ａを液保持部２内に位置させたものである。また、対向電極８は、少なくとも放電電極７と対向する平板部分を液保持部２内に位置させたものである。放電電極７の先端部７ａと対向電極８の平板部分はともに、液保持部２内に保持される気液混合液に浸るよう設けており、電圧印加部４によって両電極７，８間に電圧を印加すると、液保持部２内の気液混合液において放電が生じるようになっている。
【００２０】
気液混合液生成部１で生成される気液混合液は、ナノバブルを高濃度で含むものであって、そのために顕著な特性を有する。具体的には改めて詳述するが、本発明で生成するナノバブルは非常に微細なものであって、液体中にその飽和溶解濃度以上の高濃度で気体を保持できるという特性や、浮力が働かないため液体中に長期間に亘って安定に存在させることができるという特性や、気泡界面の水素結合距離が短く、気泡の内圧が高くなることによって高濃度のナノバブルを安定的に保持できるという特性を有する。
【００２１】
そして、このような特性のナノバブルを含む気液混合液に対して放電を行い、高濃度のナノバブル内の気体において放電により各種の有効成分を発生させることによって、有効成分を非常に高濃度に且つ安定的に保持する機能液を創り出すことができる。なお、気液混合液をなす液体として水を用いた場合、機能液はすなわち機能水となる。
【００２２】
ここでの有効成分とは、硝酸イオン、スーパーオキサイドラジカル、ヒドロキシラジカルラジカル、オゾン等の各成分であるが、ナノバブルを形成する気体や放電条件を適宜選択することによって、有効成分の種類や濃度を制御することができる。ナノバブル形成用の気体としては、空気、二酸化炭素、窒素、酸素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、メタン、プロパン、ブタン等の適宜気体を供給することができる。
【００２３】
例えば、空気から成るナノバブルに放電を生じさせた場合には、有効成分として上記各成分を生成することができ、メタンや酸素から成るナノバブルに放電を生じさせた場合には、有効成分として上記各成分に加えてメタノール、ギ酸等を大量に生成することができる。このメタノールやギ酸により、さらに持続的な殺菌効果が得られる。また、窒素やオゾンから成るナノバブルに放電を生じさせた場合には、有効成分としてスーパーオキサイドラジカル、ヒドロキシラジカルをさらに大量に生成することができる。
【００２４】
以下においては、ナノバブルを含む気液混合液を生成するための気液混合液生成部１の構成や、これにより生成される気液混合液の特性について、図２〜図１１に基づいて詳述する。
【００２５】
本例の気液混合液生成部１は、０．１２ＭＰａ以上の圧力の気体によって液体中にナノバブルを形成し、気液混合液を生成するものである。この気液混合液をなす液体は、該液体のナノバブルとの界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合よりも短くなるように設けている。
【００２６】
上記気液混合液生成部１は、液体を圧送して連続的に気液混合液を製造する装置であり、図２に概略的に示すように、液体貯留槽２２から大気圧（０．１ＭＰａ）で保持されている液体を取り出し圧送して加圧する加圧部１１と、加圧された液体に気体を供給する気体供給部１２と、供給された気体を微細な気泡にして液体と混合させる気液混合部１３と、気液混合部１３中の液体に存在する大きな気泡を除去する脱気泡部１４と、脱気泡部１４により大きな気泡が取り除かれた液体の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させる減圧部１５と、減圧された液体を吐出する吐出部１７とを備えている。気液混合液生成部１を形成する上記各部は、流路１６中に接続して設けている。
【００２７】
上記加圧部１１は、気液混合部１３にむけて液体を順次圧送するものであり、図示の装置のように、液体貯留槽２２から液体を吸い上げるポンプ２１などで構成できるが、液体を加圧して送り出す配管（水道配管等）などで構成することもできる。
【００２８】
上記気体供給部１２は、流路１６に接続されることによって該流路１６中の液体に気体を順次供給するものであり、例えば気体として空気を供給する場合には、一端を大気中に開放させた管体の他端を流路１６に接続することで、気体供給部１２を形成することができる。あるいは気体として酸素、オゾン、水素、窒素、二酸化炭素、アルゴン等の適宜気体を供給する場合には、これらの気体を封入したボンベなどを流路１６に接続することで、気体供給部１２を形成することができる。流路１６に対する気体供給部１２の接続位置は、気液混合部１３よりも上流側の位置であればよく、この装置のように加圧部１１より上流側の流路１６に接続するようにしても、あるいは加圧部１１より下流側の流路１６に接続するようにしてもよい。
【００２９】
上記気液混合部１３は、圧送された液体とこの液体に供給された気体とを混合し、加圧により気体を微細な気泡にして液体中に分散・混合させるものである。気液混合部１３としては、流路の断面積変化などで撹拌力を与えるもので構成することもできるし、また液体が撹拌された状態で流路１６を流れているのであれば、単に流路１６で構成することもできる。また、図示の装置のように、気体供給部１２が加圧部１１より上流側の流路１６にある場合は、ポンプ２１などで構成された加圧部１１を、気液混合部１３として兼用してもよい。
【００３０】
気液の加圧および混合をポンプ２１により行った場合、液体を急激に加圧・混合にすることができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液を、確実に生成することができる。また、気液混合部１３をベンチュリ管で構成することも好ましい。その場合、簡単な構成で液体を急激に加圧・混合にすることができる。
【００３１】
気液混合部１３内においては、液体と気体が高圧条件で混合される。それにより、気泡を形成する気体の圧力を０．１２ＭＰａ以上にして、気体を微細な気泡として安定化させる構造である。
【００３２】
上記のような加圧部１１および気液混合部１３により、気体が注入された液体に急激に強力な圧力が加わって、液体中に存在している気泡は微細なナノサイズにまで細分され、大量のナノバブルとして液体中に分散される。また、急激な圧力変化により高圧になった気泡の界面には、液体分子により強固な界面構造が形成される。
【００３３】
この際、加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）を０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上にすることにより、気泡を細分化させて微細なナノバブルを生成することができる。また、気液混合部１３から脱気泡部１４に送り出される際の気液混合液の圧力を０．１５ＭＰａ以上にすることにより、気泡の界面が強固な構造となったナノバブルを生成することができる。実質的な加圧条件を考慮すると、加圧速度ΔＰ１／ｔの上限は１６７ＭＰａ／ｓｅｃであり、加圧された気液混合液の圧力の上限は５０ＭＰａである。
【００３４】
図２（ｂ）は、ポンプ２１の具体的な形態の一例を示す要部の概略図である。このポンプ２１ａは、回転体３１の回転により液体を加圧するものであり、回転体３１に取り付けられた回転翼３２が連続的に回転して、ポンプ入口３６からポンプ流路室３３を介してポンプ出口３７に至る流れ方向へと、液体を送り出して加圧する。図中の白抜き矢印は液体の流れ方向を示し、実線矢印は回転体３１の回転方向を示している。
【００３５】
このポンプ２１ａでは、４枚の回転翼３２を備えている。また回転体３１の回転軸３５は、円筒状に形成されたポンプ壁３４の円筒中心よりもポンプ出口２７側に偏って配置され、偏心軸として設けている。この回転軸３５の偏心により、ポンプ流路室３３の第二流路室３３ｂの容積は、第一流路室３３ａの容積よりも小さく形成されており、液体の流れ方向に沿ってポンプ流路室３３の容積が順次小さくなるように設けている。
【００３６】
そして、ポンプ流路室３３に送り出された液体は、回転翼３２で送り出され加圧され、急激な圧力変化により大きな気泡ＢＢが細分化されて微細なナノバブルＢＮが生成される。すなわち、回転体３１の回転と共に第一流路室３３ａから第二流路室３３ｂに送られた液体は、ポンプ流路室３３の容積が小さくなることにより急速に圧縮されて加圧され、この加圧力により、ナノバブルＢＮが生成される。
【００３７】
また、図示のポンプ２１ａでは、ポンプ壁３４の内面と回転翼３２の先端部との間を液体が通過するときに剪断力が与えられて、液体をクリアランスで剪断しながら加圧する。このとき、液体に混合されている気体（大きな気泡ＢＢ）は、液体に与えられた剪断力によって剪断されて、より微細なナノバブル（ＢＮ）になる。ここで、ポンプ壁３４の内面と回転翼３２の先端部との間の最も狭くなる部分の距離（すなわち、クリアランス距離ＬＣ）は、５μｍ〜２ｍｍであることが好ましい。
【００３８】
このように、回転体３１を用いた図示のポンプ２１ａによれば、回転体３１によって、急激に強い力で加圧すると共に液体に注入された気体を剪断してナノバブルを形成することができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液を、より確実に生成することができる。
【００３９】
なお、ポンプ２１の回転体３１の回転数は１００ｒｐｍ以上であることが好ましい。このとき、０．３秒に１／２回転以上となる。このような回転数となることにより、飽和溶解濃度以上の気体を液体に注入させて水素結合距離が短縮したナノバブルを確実に生成することができる。
【００４０】
また、加圧部１１および気液混合部１３による加圧については、加圧部１１または気液混合部１３を複数設けて、複数回加圧する構成にしてもよい。液体を送りながら複数回加圧することにより、加圧を複数のポンプ２１やベンチュリ管によって行うことができ、液体を強力に加圧して、気泡界面の構造が強固な気液混合液を生成することができる。具体的には、加圧部１１を図２のようにポンプ２１で構成すると共に、気液混合部１３を一つまたは二つ以上のポンプ２１またはベンチュリ管で構成することなどが挙げられる。
【００４１】
上記脱気泡部１４は、上記のようにして気体が混合された液体から、比較的大きな気泡を取り除くものであって、気泡をそれ自身の浮力で上昇させて取り除くようにした管体などで、構成することができる。取り除かれた気泡は気体となって上部に集積するので、この除去された気体を弁などの気体除去部１８により取り除くことができる。浮力により上昇する気泡としてはマイクロオーダーサイズ、すなわち直径１μｍを超えるサイズの気泡であり、このような比較的大きい気泡が取り除かれて微細な気泡であるナノバブルが液体中に存在することにより、気泡の内部圧が高く安定な気液混合液を得ることができる。
【００４２】
脱気泡部１４としては、具体的には、図３に示すような構成にすることができる。図３（ａ）には、気液混合部１３と連続して地表面に略水平（重力方向に対して略垂直な平面上）な姿勢となるように形成し、液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。また、図３（ｂ）には、気液混合部１３に連続すると共に気液混合部１３と合わせた形状が正面視逆Ｌ字型となるように形成し、液体Ｌｑの流れ方向を下方向（重力方向と略同方向）にすることで、液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。また、図３（ｃ）には、気液混合部１３とは別体にし、液体Ｌｑの流れ方向を下方向（重力方向と略同方向）にして液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。
【００４３】
上記減圧部１５は、気体が混合された液体の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させるものである。上記のようにして加圧により気体と混合された液体は、高圧な状態にあり、そのまま大気圧下にある外部に排出されると、急激な圧力低下によって、気液混合液中の気泡が合体して液体から排出されるおそれや、キャビテーションが発生するおそれがある。そこで、脱気泡部１４の下流側に減圧部１５を設け、加圧された状態の気液混合液を送り出す際に、減圧部１５において大気圧まで徐々に減圧をした後に、吐出するようにしている。
【００４４】
減圧部１５は、気体が混合された液体を送りながら、配管全域での減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）の上限を２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下にして減圧するように構成されている。これにより、強固な気泡界面の構造を維持させたまま、ナノバブルを消滅させたり合体させたりすることなく、気液混合液を取り出すことができる。
【００４５】
減圧部１５として、具体的には、図４のような構成にすることができる。つまり、減圧部１５を、図４（ａ）のように流路断面積が段階的に徐々に小さくなる流路１６で構成してもよいし、図４（ｂ）のように流路断面積が連続的に徐々に小さくなる流路１６で構成してもよい。また、減圧部１５を、図４（ｃ）のように気液混合液の圧力を高圧状態（Ｐ１）から（Ｐ２、Ｐ３、・・・）大気圧（Ｐｎ）にまで圧力損失で徐々に減圧するように流路長さ（Ｌ）を調整した流路１６で構成してもよいし、図４（ｄ）のように流路１６に設けた複数の圧力調整弁１９などにより構成してもよい。
【００４６】
例えば、図４（ａ）または図４（ｂ）のような減圧部１５を用いた場合、減圧部１５よりも上流側の流路１６を内径２０ｍｍにし、減圧部１５を、流路長さが約１ｃｍ〜１０ｍで、内径が２０ｍｍから４ｍｍにまで徐々に小さくなることにより流路断面積が小さくなる管体により構成することができる。なお、減圧部１５は、入口内径／出口内径＝２〜１０程度に設定することや、１ｃｍあたりの内径減少値を１〜２０ｍｍ程度に設定することができる。このとき、減圧部１５に対して４×１０−６ｍ／ｓ以上の流速で気液混合液を送ると、最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下で、ナノバブルを消滅させることなく１．０ＭＰａ減圧することができ、気液混合液を大気圧にまで減圧することができる。
【００４７】
吐出部１７は、減圧された液体を吐出するものである。なお、図５のように、この吐出部１７と減圧部１５との間に、加圧部１１における液体の押し込み圧を十分に確保するために延長流路２０を設けることもできる。このとき、減圧部１５を含めた全体の圧力損失を算出したうえで、気液混合部１３内で液体と気体を加圧するのに必要な加圧部１１での押し込み圧と、全体の圧力損失との差を算出し、さらにこの差の分だけ圧力損失が生じるように流路長さを調整した延長流路２０を、流路１６に付加する。押し込み圧の確保には、絞り部などを設けることも考えられるが、絞り部などで押し込み圧を調整する場合には、急激な圧力変化により気泡が崩壊するおそれがある。これに対して、上記延長流路２０を設けた場合には、気泡を安定化させたまま気液混合液を吐出することができる。
【００４８】
上記のように構成された気液混合液生成部１にあっては、加圧部１１で液体を圧送し、圧送された液体に対して気体供給部１２から供給した気体を注入する。そして、気体が注入された液体を、加圧部１１および気液混合部１３によって０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上の加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）で加圧し、液体の圧力を０．１５ＭＰａ以上にする。すなわち、気液混合部１３から脱気泡部１４へ送り出される際の液体の圧力は０．１５ＭＰａ以上になっている。その後、脱気泡部１４で気液混合液中のナノサイズを超える気泡を取り除き、さらに該液体を減圧部１５および下流側の流路１６に送りながら最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下の減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）で徐々に大気圧まで減圧する。この工程により、所望のナノバブルが高濃度で且つ安定的に存在した気液混合液を生成することができる。
【００４９】
ここで、気液混合部１３における圧力は適宜設定され得るものであるが、絶対圧０．１ＭＰａ（大気圧）を超えるようにすることで、気泡を形成する気体の圧力を確実に０．１２ＭＰａ以上にすることができる。また、気液混合部１３よりも下流側の流路１６についても適宜設定され得るが、内径２〜５０ｍｍ程度の管体などに形成することで、比較的太い流路断面積で気液混合液を吐出することができ、細路により流路１６を構成する場合のような配管の詰まりを防止して、気液混合液を利用しやすくできる。
【００５０】
図６には、気液混合液生成部１の変形例を示している。この気液混合液生成部１は、加圧部１１と気液混合部１３とを兼用した気液混合槽２３を備えている。この気液混合槽２３においては、気体が供給された液体を０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上の加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）で加圧し、液体の圧力を０．１５ＭＰａ以上にすることにより、界面構造の強固な気泡の気液混合液をバッチ式で生成する。そして、この気液混合液から大きな気泡を脱気泡部１４で取り除いた後、この気液混合液を減圧部１５に送り出してその圧力を最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下の減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）で大気圧まで減圧し、吐出部１７から気液混合液を吐出する。閉鎖系である気液混合槽２３には、バッチ式で液体と気体とが送り出されて加圧されるとともに、気液混合槽２３に設けられた撹拌翼２４などにより撹拌されて液体Ｌｑと気体とが高圧条件で混合される。それにより、気泡を形成する気体の圧力が０．１２ＭＰａ以上になり、気体を微細な気泡として安定化することができる。そして、生成した気液混合液を図２の場合と同じように構成された脱気泡部１４、減圧部１５および吐出部１７に送り出すことにより、ナノバブルを有する気液混合液を得ることができる。
【００５１】
以上、気液混合液生成部１の構成について述べた。以下においては、上記した気液混合液生成部１により、例えば液体として純水を用い、気体として後述する各種の気体を用いて気液混合液を生成した場合について、さらに詳細に述べる。
【００５２】
この場合、気体と液体の比（液体に対する気体の注入量）は、容量比（体積比）で１：１に設定した。また、ポンプ２１の回転体３１の回転数は１７００ｒｐｍに設定した。この条件により大気圧（０．１ＭＰａ）の水に気体が注入された後、加圧速度ΔＰ１／ｔ＝２８．３ＭＰａ／ｓｅｃで加圧すると、気液混合部１３から脱気泡部１４に送り出される際の気液混合液の圧力が０．６ＭＰａになった。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されて水素結合距離が短くなり、強固な気泡界面の構造が形成されるものと考えられる。この条件（加圧条件）は、現時点での最良の条件と考えられる。
【００５３】
また、減圧部１５よりも上流側の流路１６を、内径２０ｍｍのものとした。減圧部１５としては図４（ａ）のような３段階で内径が徐々に小さくなるもの、具体的には内径が１４ｍｍ、８ｍｍ、４ｍｍで長さが各約３．３ｍｍ（減圧部１５の全長として約１ｃｍ）の三つの流路管部からなるものを用いた。また、減圧部１５よりも下流側の流路１６および延長流路２０として、内径４ｍｍ（外径６ｍｍ）のホースを用い、下流側の流路１６と延長流路２０とを合わせた長さが２ｍとなるように設定した。この条件により、減圧部１５において、最高減圧速度６０ＭＰａ／ｓｅｃ、時間０．００２５秒で気液混合液を減圧し、さらに、下流側の流路１６および延長流路２０において、１ＭＰａ／ｓｅｃ、時間０．５秒で気液混合液を減圧し、ホース先端部である吐出部１７から、大気圧（０．１ＭＰａ）まで減圧された気液混合液が得られた。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されると共に水素結合距離が短くなり、気泡界面の構造が強固になった気液混合液を安定して生成することができると考えられる。この条件（減圧条件）は、現時点での最良の条件と考えられる。
【００５４】
次に、液体として純水を用い、気体として窒素、水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素のいずれかを用いた気液混合液中における［気体量］、［気泡のサイズ］、［気泡の内圧］、［水素結合の距離］、［気泡の分布量］、［気液混合液の安定性］について、順に述べる。
【００５５】
［気体量］
液体として純水を、気体として窒素、水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素のいずれかを使用した気液混合液中に、気泡として存在する気体量を次の方法により測定した。
（１）２５℃、導電率０．１μＳ／ｃｍの純水に、各種の気体を混合させ気液混合液を得た。
（２）直径１μｍ以上の大きな気泡を水から分離するために、気液混合液を２５℃で１日静置した。なお、静置時間について、ストークスの法則から
気泡上昇速度： Ｖ＝ｄ２×ｇ／（１８×γ）
（ｄ：気泡直径、ｇ：重力加速度、γ：動粘性係数）
の式が成立し、この式より１μｍの気泡の上昇速度は約２．４×１０−４ｍ／ｓであるので、例えば静置時の容器の水深が５０ｍｍの場合、１日静置すれば気泡を除去することができる。
（３）最小測定値１ｍｇの分析天秤で気液混合液の質量を測定した。
（４）ガス透過度および透湿度の低いＰＥ＋ナイロン樹脂製のビニル袋に気液混合液とスタラーの撹拌子を入れ、空気を追い出して袋に空気が無い状態でシーラーにてビニル袋を密封した。
（５）密封直後に、分析天秤で気液混合液が封入されたビニル袋の質量を測定した。
（６）ホットスタラーにより２５℃の気液混合液が密封されたビニル袋を４５℃に昇温して気液混合液を約５時間撹拌した。この昇温と撹拌により、微細気泡や、４５℃の飽和溶解濃度以上で溶解していた気体が気液混合液から分離されビニル袋の上部に集まった。
（７）室温２５℃の条件でホットスタラーの設定温度を２５℃にし、２５℃の飽和溶解度の液体になるよう数時間撹拌を行った。
（８）分析天秤で、気体と液体が封入されたビニル袋の質量を測定した。
（９）計３回の質量測定から気液混合液の質量と、昇温および撹拌によって気液混合液から分離された気体による浮力によって生じる液体の質量変化量とを得た。質量変化量は、気液混合液から分離された気体容積と同容積の空気の質量と同じであり、この値から分離された気体の容量と質量を算出することができる。
【００５６】
図７は、このようにして測定された気体容量を示すグラフである。各棒グラフの下部領域は、測定された気泡として存在していた気体の量であり、上部領域はヘンリー則に従う気体の飽和溶解量である。グラフに示すように、例えば水素と水を用いた気液混合液の場合、２５℃の純水１Ｌに水素が、飽和溶解量として１７．６ｍＬ溶解し、５２８ｍＬの気体が微細な気泡として存在することが確認された。すなわち、気液混合液に含有する気体量は過飽和溶解量の約３０倍であった。また同様に、過飽和溶解量に対して気液混合液に含有する気体量は、窒素では約３６倍、メタンでは約１７倍、アルゴンでは約１６倍、二酸化炭素では約１．９倍であった。このように、ナノバブルを有する気液混合液は、飽和溶解濃度以上の高濃度で気体を液体中に保持することが可能である。
【００５７】
［気泡のサイズ］
上記と同様にして製造した気液混合液を瞬間凍結し、真空中においてカッターで割断し、その割断面にメタン・エチレンを流し放電させ、凹凸を転写した炭化水素膜（レプリカ膜）を作製した。このレプリカ膜に導電性オスミウム薄膜を張り、十分乾燥させて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測した。図８は、窒素と純水の気液混合液について、ＳＥＭにより観測された写真の第１例である。同様に写真観察することにより、気体として窒素、水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素を用いた場合、いずれも気液混合液の気泡サイズは、直径の分布ピークが１００ｎｍであることが確認された。なお、上記の気体と純水の気液混合液の気泡はレーザーを用いた動的散乱法等の粒子径分布測定装置では正確な検知ができなかった。
【００５８】
［気泡の内圧］
気液混合液中の気体総量から、気泡内部の圧力を算出した。以下の表１は、窒素、メタン、またはアルゴンと２５℃の純水との気液混合液における、気体総量と、気体総量から算出した気泡の内圧を示している。
【００５９】
【表１】
【００６０】
ここでの気泡における気体の内部圧力は、次の方法で算出される。
気体の状態方程式は、
ＰＶ／Ｔ＝（ｃｏｎｓｔ）
（Ｐ：内部圧力、Ｖ：容積、Ｔ：内部温度）
で表され、Ｔが一定の場合、特に
ＰＶ＝（ｃｏｎｓｔ）
で表される。
【００６１】
そして、気液混合液の密度から気液混合液中の気泡の容積が計算でき、上式から、
大気圧 × 気体総体積量 ＝ 気泡の内圧 × 液中の気体総体積量
の関係が成立し、この関係式に上記で測定した気体量を当てはめて気泡における気体の内圧が計算され、表１のような圧力値となる。
【００６２】
例えば気体が窒素の場合、気液混合液１リットル中における、水体積がw1リットル、水中での気体体積がw2リットルであると仮定すると、体積については次の関係式が成り立つ。
【００６３】
w1 ＋ w2 ＝１リットル （式Ａ）
また、質量については次の関係式が成り立つ。
【００６４】
w1 × 水の密度 ＋ w2÷22.4（リットル）×28（分子量）＝測定質量 （式Ｂ）
水の密度 ：常温常圧の純水では997.1g/L
22.4リットル ：気体１モルの体積
測定質量 ：表１の値で988.3
上記の２式（式Ａ，Ｂ）の方程式を解くと、
w2=8.84×10^(-3) が算出されるので、
気体の内圧＝大気圧 × 気体総体積量 ÷ 液中の気体総体積量
＝0.1×（表１の値）÷w2
＝0.1×0.56÷(8.84×10^(-3))
＝６．３ＭＰａ
となる。
【００６５】
なお、上記の計算では、気泡の内部温度が一定（常温）であるとして考えたが、実際の気泡の内部温度については大気の温度（常温）より高いことも予想され、その場合、気泡の内部圧は上記算出結果より更に高いことが気体の状態方程式から予測できる。
【００６６】
ところで、一般には、気泡の内圧は次のようにして算出される。気泡は気液相界面間の界面張力により加圧され、この界面張力はヤングラプラスの式（下記式）で導かれる。
【００６７】
ΔＰ＝２σ／ｒ
（ΔＰ：上昇圧力、σ：表面張力、ｒ：気泡半径）
この式によれば、例えば、直径１００ｎｍのサイズの気泡の場合、気泡内部圧力は３ＭＰａになる。
【００６８】
一方、気液混合液中の内部圧力は、表１の通り、例えば窒素の場合６．３ＭＰａであり、この気液混合液はＳＥＭ写真にて示されるように直径１００ｎｍサイズの気泡が分散しているものであることから、気液混合液の気泡は、ヤングラプラスの式から算出される値の約２倍以上の内部圧力を有していることが確認された。したがって、より強固な界面構造が気泡界面において形成されていると結論づけられる。
【００６９】
図９は、気液混合液が安定化されるメカニズムを説明する概念説明図である。図示のように、気泡Ｂと液体Ｌｑの界面には、水素結合距離が通常よりも短い氷やハイドレートのような強固な水分子の結合で境膜構造（結晶構造体）の保護膜Ｍが形成されており、気液相互の物質移動が阻止されて気泡が安定な状態になったものと考えられる。そして、窒素、メタン、アルゴンの気液混合液内の気泡（ナノバブル）の内圧は、ヤングラプラスの式から求められる圧力よりも約２倍以上である。このように気泡界面の水素結合距離が短く、気泡の内圧が高くなることによって、気泡が安定した気液混合液となるのである。
【００７０】
［水素結合の距離］
図１０は、液体として純水、気体として窒素を使用した気液混合液（窒素混合水）と、窒素が純水に飽和溶解濃度で溶解した窒素飽和水との赤外吸収スペクトルとの差分を示すグラフである。水のＯＨ収縮振動による赤外吸収帯としては通常３４００ｃｍ−１付近に吸収極大があることが知られているが、グラフに示されるようにＯＨ収縮振動の吸収極大が３２００ｃｍ−１付近にずれている。吸収極大が３４００ｃｍ−１にある場合、水素結合の距離は０．２８５ｎｍである。一方、吸収極大が３２００ｃｍ−１にある場合、水素結合の距離は０．２７７ｎｍであることが知られており、常温常圧下における通常の水素結合の距離よりも短くなり構造化された氷またはハイドレートに近い水と結論づけられる。
【００７１】
［気泡の分布量］
気泡の分布量（個数）は表１から算出した。
【００７２】
気体が窒素の場合、大気中（0.1MPa)に戻した気泡総量が0.56Lであり、気泡の内圧が6.3MPaであるので、水中での気泡総体積量V１は、等温変化と仮定し、ＰＶ=constより
V１=0.56×0.1÷6.3
となる。
【００７３】
また、気泡は半径ｒ＝50nmの球体であるから、気泡１個当たりの体積V2は
V2=4/3×π×ｒ^3
となる。
【００７４】
以上より、水１Ｌ当たりの気泡の個数n=V1÷V2=1.7×10^16個と算出される。
【００７５】
同じように水１Ｌ当たりの気泡の個数は、気体がメタンの場合は1.8×10^16個、アルゴンの場合は1.7×10^16個と算出される。
【００７６】
［気液混合液の安定性］
図１１は、空気を純水に混合させて生成した気液混合液について、ガラスビンに密封し一定温度で保管した場合の、飽和溶解濃度に対する気液混合液中の気体存在量比を過飽和度として表示するグラフである。グラフから、過飽和度は４００時間経過しても６であり、ほとんど変化していないことが分かる。よって、本発明の気液混合液が長期間に亘って非常に安定であることが確認された。
【００７７】
このように、気液混合液生成部１で得ることができる気液混合液は、ナノバブルが液体中に存在しているものであり、ナノバブルを形成する気体の圧力、すなわち内圧は０．１２ＭＰａ以上である。このように、気泡の内圧は、常温（２５℃）において大気圧（１気圧＝０．１０１３ＭＰａ）よりも十分に高いものであり、気泡が高い内部圧で維持されることになる。そのため、強固な界面構造を気泡界面において形成することができ、気泡を液体中で消滅させたり合体させたりすることなく、安定に存在させることができる。また、このナノバブル中の気体の圧力は、外部からの衝撃がない限り長期間に亘って液体からの押圧との均衡を保つものであるから、ナノバブルが安定に存在した気液混合液を長期間に亘って利用することが可能になる。なお、気液混合液に一旦衝撃が加えられると、内部圧の力によりナノバブルが合体して発泡するため、この発泡を利用することもできる。
【００７８】
つまり、気液混合液生成部１で生成するナノバブルは、従来の表面張力で安定している気泡とは異なるものである。
【００７９】
ナノバブルを形成する気体の圧力を、ヤングラプラスの式で与えられる気泡の内圧より高い圧力にすることで、より強固な界面構造を確実に形成することができる。また、ナノバブルを有する気液混合液においては、該気液混合液に含有される気体の濃度を、液体の飽和溶解濃度以上にすることができる。これにより、液体中に含有された高濃度の気体を利用することができ、気液混合液の利用価値を高めることができる。
【００８０】
なお、気液混合液としては、液体中には飽和溶解量の気体が溶解しており、その飽和溶解液にナノバブルが存在しているものとすることがさらに好ましい。飽和溶解量で気体が溶解していれば、気泡となった気体を溶解させることなく安定化して気泡として液体中に保持することがより可能となる。すなわち、飽和溶解量以上に気体が存在する気液混合液は、液体中に飽和濃度で気体が溶解しており、気泡が崩壊したり溶解したりすることがなく、より安定に気泡を液体中に存在させることができるのである。さらに、ナノバブルを形成する気体の溶解濃度が、飽和溶解濃度であれば、気泡を形成する気体の圧力が高くなって気泡界面の構造が強固になるので、さらにナノバブルを安定化することができ、また、各種の活性（生理活性、洗浄力等）の作用が強力になって、利用価値をさらに上げることもできる。
【００８１】
また、ナノバブルは非常に微細なものであるから、気泡の内部圧を安定化することや、高濃度の気体を液体中に保持することが可能となる。また、ナノバブルには浮力が働かないため、気泡を長期に亘って安定に存在させることができる。この範囲より気泡が小さくても大きくても、気泡を安定化させることができなくなるおそれがある。ところで、マイクロバブルが混合された液体は白濁するため目視により判別可能であるが、ナノバブルが混合された液体は無色透明（あるいは液体が有色の場合は液体の色）となる。
【００８２】
気液混合液に用いる液体としては、水素結合を形成する分子からなる液体であることが好ましく、その際、液体のナノバブルとの界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧（２５℃、１気圧（０．１０１３ＭＰａ））であるときの水素結合の距離よりも短くなることが好ましい。水素結合とは、電気陰性度の大きい原子と水素原子とを有している分子において、水素原子が他の分子の電気陰性度の大きい原子に接近し、系が安定化する結合のことである。そして、この場合、気液混合液を形成する液体中に存在するナノバブルの周囲、すなわち気泡界面においては、液体の水素結合の距離が、この液体の常温常圧での水素結合の距離よりも短いものとなるのである。
【００８３】
このように、気液混合液が常温常圧の条件で存在する場合において、気泡界面における水素結合の距離が常温常圧での通常の水素結合の距離よりも短くなることにより、ナノバブルの周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことになる。そして、この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となってナノバブルを包み込む。それによって、ナノバブル同士が衝突しても崩壊することが防止される。また、液体からの圧力に対してナノバブル内部からの応力で対抗できるので、ナノバブルを液体中で消滅させたり合体させたりすることなく保持することができるものである。
【００８４】
ナノバブルとの界面における液体分子の水素結合の距離は、用いる液体によって適宜設定され得るものであるが、常温常圧での水素結合の距離を１００％とした場合に、９９％以下であることが好ましい。水素結合の距離がこの範囲になることで、ナノバブルを水素結合の硬い殻で取り囲んで安定化させることができる。水素結合の距離がこれより長いと、ナノバブルを安定化させて存在させることができなくなるおそれがある。原子間距離を考慮すると、水素結合の距離の下限は９５％である。
【００８５】
ところで、水素結合の距離が短くなると、通常、水が氷になるように固体やハイドレート結晶構造へと状態変化するのだが、上記の気液混合液においては、気泡界面において局所的に距離の短い水素結合を形成し、それ以外の液体中は通常の水素結合を形成している。すなわち、気泡界面では距離の短い水素結合により液体分子の硬い殻を形成して、ナノバブル同士が合体することや消滅することを防止すると共に、気泡界面以外では通常の状態で液体が存在して常温常圧では流動性を確保している。これにより、安定なナノバブルが存在している液体を利用しやすくなっている。
【００８６】
また、気液混合液に用いる液体を水とした場合、水分子により、ナノバブルの界面において該ナノバブルの内部圧を吸収する強固な界面構造を形成することができ、ナノバブルをより安定化させることができる。水分子は、Ｏ…Ｈの水素結合、つまり、ある水分子の酸素原子と他の水分子の水素原子との間に水素結合を形成するものであり、したがって、気液混合液の液体として水を用いると、気泡界面において液体中のこの水素結合が強固になってナノバブルをより安定化させることができる。さらにいえば、水は供給源が豊富で安定して得ることができ、加えて、ナノバブルが分散した水は応用範囲が広いため、利用価値の高い気液混合液を得ることができる。水としては純度の高い水に限られず、上下水道、池、海水などをはじめ、あらゆる水を使用することが可能である。すなわち、液体として水を含むものであればよい。
【００８７】
また、液体については、Ｏ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、Ｆ−Ｈ結合やＣｌ−Ｈ結合などの（ハロゲン）−Ｈ結合、Ｓ−Ｈ結合のいずれか一種以上を有する分子からなる液体であることも好ましい。これらの液体によりナノバブルの界面において該ナノバブルの内部圧を吸収する強固な界面構造を形成することができ、ナノバブルをより安定化させることができる。また、これらの液体は、水素原子に対して電気陰性度が十分に大きい原子と水素原子との結合を有する液体であり、Ｏ−Ｈ…Ｏ、Ｎ−Ｈ…Ｎ、Ｆ−Ｈ…ＦやＣｌ−Ｈ…Ｃｌなどの（ハロゲン）−Ｈ…（ハロゲン）、Ｓ−Ｈ…Ｓといった水素結合を形成し、この水素結合によりナノバブルを取り囲んで安定化させることができる。Ｏ−Ｈ結合を有する代表的な液体は水であるが、その他、過酸化水素や、メタノール、エタノールなどのアルコール、グリセリンなども挙げられる。また、Ｎ−Ｈ結合を有する液体としては、アンモニアなどが挙げられる。また、（ハロゲン）−Ｈ結合を有するものとしては、Ｆ−Ｈ結合を有するＨＦ（フッ化水素）、Ｃｌ−Ｈ結合を有するＨＣｌ（塩化水素）が挙げられる。Ｓ−Ｈ結合を有するものとしては、Ｈ２Ｓ（硫化水素）が挙げられる。
【００８８】
また、液体が、カルボキシル基を有する分子からなる液体であることも好ましい。これにより、カルボキシル基を有する液体により、ナノバブルの界面において該ナノバブルの内部圧を吸収する強固な界面構造を形成することができ、ナノバブルをより安定化させることができる。また、カルボキシル基には、電気陰性度が大きいカルボニルの酸素原子が存在しており、カルボキシル基中のカルボニルの酸素原子と他のカルボキシル基中の水素原子とが水素結合を形成してナノバブルを取り囲むので、安定にナノバブルが存在した気液混合液が得られるのである。カルボキシル基を有する分子からなる液体としては、ギ酸、酢酸などのカルボン酸などが挙げられる。
【００８９】
気液混合液に用いる気体としては、特に限定されるものではなく、種々の気体を用いることが可能である。例えば、空気、二酸化炭素、窒素、酸素、オゾン、アルゴン、水素、ヘリウム、メタン、プロパン、ブタンなどの気体を単一で又は混合して用いることができる。
【００９０】
また本発明において得られる気液混合液では、液体として水を用いた場合にゼータ電位がマイナスとなり、体積１ｃｍ３中に存在する気泡界面の面積は０．６ｍ２程度となる。このような特性を利用することも可能である。
【００９１】
以上、第１例の機能液生成装置が具備する気液混合液生成部１の構成や、これにより生成されるナノバブルを含む気液混合液の特徴について詳述した。
【００９２】
第１例の機能液生成装置においては、上記特徴のナノバブルを含む気液混合液に対して放電を行い、高濃度のナノバブル内の気体において放電により各種の有効成分を発生させる。これによって、有効成分を非常に高濃度に、且つ、非常に安定的に保持した機能液を創り出すことができる。液保持部２内において創り出した機能液は、ポンプ等を用いた適宜の液体吐出手段（図示せず）によって該液保持部２から外部に取り出して用いる。なお、図示例では循環路５により、気液混合液生成部１と液保持部２の間で液体を循環させながら機能液を生成するように設けているが、循環させずに機能液を生成する構成であってもよい。この場合、循環路５の代わりに、気液混合液生成部１を上流側として液保持部２を下流側とするような流路を設ければよい。
【００９３】
図１２、図１３、図１５には、本発明における第２、第３、第４例の機能液生成装置をそれぞれ示している。第２〜第４例の機能液生成装置では、ナノバブルを含む気液混合液を生成する気液混合液生成部１の構成や、この気液混合液内において放電を生じさせるといった基本的な構成については第１例と一致しているが、放電部３等の構成については第１例と相違している。以下においては、各例の機能液生成装置において第１例と一致する構成についての詳しい説明は省略し、第１例とは相違する構成についてのみ詳述する。
【００９４】
図１２には、本発明における第２例の機能液生成装置を示している。本例においては、放電部３を形成する針状の放電電極７と平板状の対向電極８のうち、放電電極７の少なくとも先端部７ａを液保持部２内に位置させて該先端部７ａが気液混合液に浸るように設け、対向電極８を液保持部２外に位置させている。具体的には、対向電極８の平板部分を、液保持部２の外殻を成す容器２ａの壁板外面において放電電極７の先端部７ａと対向する箇所に密着固定させている。
【００９５】
第２例の機能液生成装置では、電圧印加部４によって両電極７，８間に電圧を印加すると、気液混合液内においては、容器２ａの壁板を介して放電が生じる。ここで、容器２ａの材質として適宜の絶縁性のものを選択することや、容器２ａの壁板の厚み等の形状を選択することによって、ナノバブルを含む気液混合液内で生じる放電現象を、有効成分を安定的且つ継続的に生成できる好適な放電となるように、適宜制御することができる。
【００９６】
図１３には、本発明における第３例の機能液生成装置を示している。本例においては、針状の放電電極７の先端部７ａと対向電極８の平板部分をともに液保持部２内の対向位置に配しているが、放電電極７については気液混合液に浸らない位置に設けている。具体的には、液保持部２の容器２ａの底壁内面に対向電極８の平板部分を固定させ、この対向電極８の平板部分の中心上方に距離を隔てて放電電極７の先端部７ａを配置させ、液保持部２内の気液混合液の液面Ｓを、対向電極８の平板部分と放電電極７の先端部７ａとの間に位置するように設定している。
【００９７】
第３例の機能液生成装置では、電圧印加部４によって両電極７，８間に電圧を印加すると、気液混合液においては、液面Ｓに沿う空気層４０を介して放電が生じる。ここで、液保持部２内での放電電極７の先端部７ａの位置や気液混合液の液面Ｓの高さ等を選択することによって、ナノバブルを含む気液混合液内で生じる放電現象を、有効成分を安定的且つ継続的に生成できる好適な放電となるように、適宜制御することができる。
【００９８】
なお、上記した各例においては、対向電極８の形状を平板状としているが、リング状であってもよい。この場合、図１４に概略的に示すように針状の放電電極７とリング状の対向電極８とを対向配置した構造となり、上記した各例においては、平板部分を図１４に示すようなリング状の対向電極８に置き換えた構成となる。
【００９９】
図１５には、本発明における第４例の機能液生成装置を示している。本例においては、放電部３を成す放電電極７と対向電極８をともにメッシュ状に形成している。具体的には、液保持部２の外殻を成す容器２ａを、内筒部４１と外筒部４２からなる二重筒状に形成し、内筒部４１と外筒部４２との間で囲まれる部分に気液混合液を貯留するように設ける。放電電極７はその全体をメッシュ状に形成したものであり、内筒部４１の内周面に全周に亘って密着固定させている。対向電極８は、同じく全体をメッシュ状に形成したものであり、外筒部４２の外周面に全周に亘って密着固定させている。
【０１００】
第４例の機能液生成装置では、電圧印加部４によってメッシュ状の両電極７，８間に電圧を印加すると、気液混合液内においては、内筒部４１と外筒部４２の周壁を介して放電が生じる。ここで、内筒部４１や外筒部４２の材質として適宜の絶縁性のものを選択することや、内筒部４１や外筒部４２の壁板の厚み等の形状を選択することによって、ナノバブルを含む気液混合液内で生じる放電現象を、有効成分を安定的且つ継続的に生成できる好適な放電となるように、適宜制御することができる。
【０１０１】
本例ではガスボンベまたはコンプレッサーから成るエア供給部４３を備えており、このエア供給部４３から送り出したエアを内筒部４１内の空間部４４に流すように設けている。これにより、放電時の発熱によって放電電極７や気液混合液が温度上昇することを、空間部４４内を流れるエアの空冷作用によって抑制することができる。
【０１０２】
なお、図示の構成では、放電部３を成す放電電極７と対向電極８の放電発生部分の全部をメッシュ状に形成しているが、放電発生部分の一部だけをメッシュ状に形成してもよい。また、図示の構成では、放電電極７と対向電極８の両方を気液混合液には浸らないように（つまり、内筒部４１と外筒部４２とで囲まれる部分には位置しないように）配置しているが、放電電極７と対向電極８の一方だけが気液混合液に浸るように（つまり、内筒部４１と外筒部４２とで囲まれる部分内に位置するように）配置してもよい。
【０１０３】
以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記各例の実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、各例において適宜の設計変更を行うことや、各例の構成を適宜組み合わせて適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 気液混合液生成部
２ 液保持部
３ 放電部
４ 電圧印加部
７ 放電電極
８ 対向電極
ＢＮ ナノバブル
Ｌｑ 液体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部と、液保持部が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部と、放電部に電圧を印加させる電圧印加部とを具備することを特徴とする機能液生成装置。
【請求項２】
前記気液混合液をなす液体は、水素結合を形成する分子からなる液体であり、該液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の機能液生成装置。
【請求項３】
前記気液混合液をなすナノメータサイズの気泡は、０．１２ＭＰａ以上の圧力の気体で形成したものであることを特徴とする請求項２に記載の機能液生成装置。
【請求項４】
前記放電部は、液保持部内の気液混合液に浸るようにその放電発生部分を配置したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項５】
前記放電部は、放電電極と対向電極とから成り、放電電極と対向電極の一方を液保持部内の気液混合液に浸るように配置したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項６】
前記放電部は、放電電極と対向電極とから成り、放電電極は針状電極であるとともに、対向電極はリング状電極であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項７】
前記放電部は、その放電発生部分の一部または全部をメッシュ状に形成したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項１】
液体中にナノメータサイズの気泡を混合させてなる気液混合液を保持する液保持部と、液保持部が保持する気液混合液内にて放電を生じさせる放電部と、放電部に電圧を印加させる電圧印加部とを具備することを特徴とする機能液生成装置。
【請求項２】
前記気液混合液をなす液体は、水素結合を形成する分子からなる液体であり、該液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の機能液生成装置。
【請求項３】
前記気液混合液をなすナノメータサイズの気泡は、０．１２ＭＰａ以上の圧力の気体で形成したものであることを特徴とする請求項２に記載の機能液生成装置。
【請求項４】
前記放電部は、液保持部内の気液混合液に浸るようにその放電発生部分を配置したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項５】
前記放電部は、放電電極と対向電極とから成り、放電電極と対向電極の一方を液保持部内の気液混合液に浸るように配置したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項６】
前記放電部は、放電電極と対向電極とから成り、放電電極は針状電極であるとともに、対向電極はリング状電極であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【請求項７】
前記放電部は、その放電発生部分の一部または全部をメッシュ状に形成したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の機能液生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１１１２６（Ｐ２０１１−１１１２６Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５６１０８（Ｐ２００９−１５６１０８）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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